冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對水稻產(chǎn)量及稻田土壤肥力的影響

崔月貞，王 呂，吳玉紅，郝興順，張春輝，秦宇航，吳建靜

(漢中市農(nóng)業(yè)科學研究所，陜西 漢中 723000)

水稻是我國的重要糧食作物，其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對保障我國糧食安全具有重要意義，但生產(chǎn)中化肥和農(nóng)藥過量施用現(xiàn)象較為普遍[1]，這不僅影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的提升，而且造成稻田土壤養(yǎng)分失衡、土壤生產(chǎn)力下降、農(nóng)業(yè)面源污染等問題日益凸顯[2]。因此，尋求綠色高效的培肥措施十分必要。秸稈作為最重要的有機物料，原位直接還田可有效提高土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)和耕性[3-4]。綠肥是一種養(yǎng)分全面、綠色環(huán)保的優(yōu)質(zhì)生物肥源，翻壓還田能夠提高土壤有機質(zhì)、堿解氮等養(yǎng)分含量，增強土壤蔗糖酶、脲酶等的活性，提高土壤微生物數(shù)量和微生物群落物種豐富度、優(yōu)勢度，改善土壤微生物環(huán)境等，同時冬季種植綠肥具有保水保墑、有效抑制田間雜草生長的功效[5-6]。秸稈和綠肥聯(lián)合還田是提高水稻產(chǎn)量、改善土壤理化性質(zhì)、減少面源污染的重要措施，可以達到“以田養(yǎng)田、以地養(yǎng)地、用養(yǎng)結(jié)合”的目的，是一種高效提高土壤生產(chǎn)力和可持續(xù)發(fā)展的栽培方式[7-8]。目前關(guān)于稻田綠肥和秸稈還田對南方雙季稻產(chǎn)量與品質(zhì)、土壤養(yǎng)分含量、土壤理化性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)等方面的研究較多[9-11]。

漢中是陜西省水稻主產(chǎn)區(qū)，也是優(yōu)質(zhì)秈稻的適宜生態(tài)種植區(qū)，常年種植面積933萬hm2左右，年產(chǎn)稻谷55萬～60萬t，占全省水稻種植面積和總產(chǎn)量的70%以上，占漢中地區(qū)糧食播種面積和總產(chǎn)量的30%和50%[12-13]。該地區(qū)主要種植制度為冬季種植油菜，存在種植制度較為單一、不夠科學合理等問題，加之近年來糧油種植效益低下及勞動力短缺問題，撂荒冬閑田比例呈逐步上升趨勢[14-15]，因此冬閑田利用及培肥地力技術(shù)急需解決。探索冬季種植綠肥原位還田聯(lián)合稻稈還田技術(shù)，對提高漢中盆地水稻產(chǎn)量、改革單一的種植制度、實行科學的冬綠肥利用和減少農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。但是關(guān)于冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對陜西南部地區(qū)水稻生產(chǎn)及稻田土壤微生物和酶活性影響的研究較少，因此本研究通過連續(xù)2年的定位試驗，研究了紫云英、毛苕子、油菜、冬閑聯(lián)合稻稈還田對水稻籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成要素、稻田土壤微生物和酶活性的影響，為探索適宜漢中水稻生產(chǎn)的綠色栽培技術(shù)提供科學依據(jù)，也為陜南水稻生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展和耕地質(zhì)量的提升提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于陜西省漢中市農(nóng)業(yè)科學研究所韓塘試驗基地進行。該地位于33°08′03″N，107°00′40″E，海拔約500 m，屬亞熱帶濕潤季風性氣候，年平均氣溫14 ℃，年均降水量800～1 000 mm，無霜期235 d，年均日照時數(shù)1 400 h，≥10 ℃的年積溫4 480 ℃。供試土壤為水稻土，試驗前土壤基本理化性質(zhì)：pH值6.58，有機質(zhì)含量15.64 g/kg，堿解氮含量1.24 g/kg，速效鉀含量104.12 mg/kg，速效磷含量17.27 mg/kg。

供試肥料：尿素(質(zhì)量分數(shù)≥46.4%)，由四川美豐化工有限公司生產(chǎn)；復合摻混肥(N、P、K質(zhì)量比為19∶19∶19，總養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)≥57%)，由湖北浩斯特化肥有限公司生產(chǎn)。

供試品種：供試水稻品種雜交秈稻‘荃香優(yōu)1521’，由漢中市農(nóng)業(yè)科學研究所提供；常規(guī)優(yōu)質(zhì)秈稻‘黃華占’，由廣東省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所提供。供試油菜品種為‘豐油737’，種子由湖南省農(nóng)業(yè)科學研究院作物研究所提供；供試紫云英品種‘閩紫7號’，種子由福建省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所提供；供試毛苕子品種‘光葉紫花苕’，種子由江蘇天之福綠化工程有限公司提供。

1.2 試驗設計及田間操作

1.2.1 試驗設計 試驗于2018年9月至2020年10月進行。試驗共設置冬閑和稻稈不還田(WSN)、冬閑和稻稈還田(WS)、紫云英和稻稈還田(CS)、油菜和稻稈還田(RS)、毛苕子和稻稈還田(HS) 5個處理。其中CS、HS處理是從2018年開始，每年9月下旬將毛苕子和紫云英免耕直播，翌年5月綠肥作物盛花期原位翻壓還田； RS處理是9月下旬播種油菜，5月上旬油菜收獲后秸稈原位翻壓還田；稻稈還田處理均是9月份水稻收獲后秸稈全量粉碎還田;WSN處理是9月份水稻收獲后秸稈移出田塊。所有處理在水稻季施肥量為N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 92.5 kg/hm2。

1.2.2 田間操作 試驗采用隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)，每個處理重復3次。2019年供試水稻品種為雜交秈稻‘荃香優(yōu)1521’，4月15日育秧，5月25日插秧，株行距16.5 cm×30.0 cm，9月26日收獲。2020年供試水稻品種為常規(guī)優(yōu)質(zhì)秈稻‘黃華占’，4月16日育秧，5月27日插秧，移栽密度16.5 cm×26.5 cm，9月24日收獲。各小區(qū)間設置田埂隔開，避免水肥相互滲透，田埂寬0.4 m。試驗區(qū)間和四周設有灌溉渠，渠寬0.5 m。水稻田間栽培管理同當?shù)卮筇锬Ｊ健?/p>

1.3 測定項目及方法

1.3.1 水稻測產(chǎn)及考種 2019年9月和2020年9月分別在水稻成熟后收割，各小區(qū)調(diào)查具有代表性的水稻植株 60 穴，統(tǒng)計有效穗數(shù)，隨機取 10 穴進行考種，測定穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量。各小區(qū)四邊除去50 cm，剩余按實收單獨脫粒計產(chǎn)。

1.3.2 土壤養(yǎng)分含量、微生物和酶活性測定 (1)土壤樣品采集。 在水稻移栽前(2020年5月26日)和水稻收獲后(2020年9月29日)采集土壤樣品。采用梅花5點取樣法，采集0～20 cm土層土壤樣品，去除可見的植物根系和石礫后混勻，用無菌袋密封。土樣分為兩部分，一部分過孔徑2.0 mm篩后，于4 ℃冰箱保鮮冷藏，用于土壤微生物數(shù)量的測定；另一部分在室內(nèi)自然風干、磨細，過孔徑1.0 mm篩備用，用于土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性的測定。

(2)測定指標及方法。土壤有機質(zhì)含量采用外加熱-重鉻酸鉀容量法[16]測定，土壤速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤速效鉀含量采用l mol /L NH4OAc浸提-火焰光度法測定，土壤全氮含量采用l mol/L KCl浸提-連續(xù)流動分析儀(AA3)測定[17]。土壤微生物(細菌、真菌、放線菌)數(shù)量采用稀釋涂平板法測定[18]。土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，酶活性以24 h后1 g土壤中NH3-N的質(zhì)量(mg)表示；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，酶活性以24 h后1 g干土消耗0.1 mol/L KMnO4的體積(mL)表示；土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，酶活性以24 h后1 g土生成葡萄糖的質(zhì)量(mg)表示；土壤脫氫酶活性用氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法測定，酶活性以24 h后1 g土中生成的三苯基甲(TPF)的質(zhì)量(μg)表示。土壤酶總活性按下式計算。

式中：Xi表示各種供試土壤第i種土壤酶活性的測定值，X表示各供試土壤相同酶活性的平均值，Et表示土壤酶總活性[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，并用 SPSS 12.0進行方差分析，采用Duncan新復極差法對相關(guān)數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗，采用積距Pearson雙側(cè)檢驗法進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

由表1可以看出，稻稈還田各處理水稻產(chǎn)量顯著高于稻稈不還田處理，綠肥聯(lián)合稻稈還田處理水稻產(chǎn)量又高于冬閑稻稈還田處理，其中紫云英、毛苕子聯(lián)合稻稈還田處理水稻產(chǎn)量顯著高于其他處理，但二者之間水稻產(chǎn)量差異不顯著。2019年水稻產(chǎn)量表現(xiàn)為HS>CS>RS>WS>WSN，其中HS處理水稻產(chǎn)量最高，為10 550.53 kg/hm2，較WSN處理增產(chǎn)14.9%，較WS處理增產(chǎn)8.3%；2020年水稻產(chǎn)量表現(xiàn)為CS>HS>RS>WS>WSN，其中CS處理水稻產(chǎn)量最高，為9 315.53 kg/hm2，較WSN處理增產(chǎn)14.1%，較WS處理增產(chǎn)8.9%，差異均顯著?？梢?，冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對水稻產(chǎn)量增產(chǎn)效果明顯，并且紫云英和毛苕子聯(lián)合稻稈還田的增產(chǎn)效果優(yōu)于油菜聯(lián)合稻稈還田處理。

由表1還可以看出，綠肥聯(lián)合稻桿還田可以提高水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)。與WSN處理相比，2019年稻稈還田處理水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)增幅分別為40.2%～44.5%和2.8%～16.9%，2020年增幅分別為39.1%～53.6%和15.3%～21.9%。水稻穗粒數(shù)均以CS處理最高，其次為HS，二者較WSN分別增加16.9%～21.9%和9.1%～19.3%，說明冬種紫云英和毛苕子聯(lián)合稻稈還田處理可顯著增加水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)。各處理間水稻千粒質(zhì)量無顯著差異。

表1 冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

2.2 冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對稻田土壤養(yǎng)分含量的影響

由圖1可以看出，冬綠肥聯(lián)合稻稈還田明顯提高了稻田土壤養(yǎng)分含量。2020年9月，冬季休閑聯(lián)合稻稈還田處理的稻田土壤速效鉀、速效磷、有機質(zhì)和全氮含量均顯著高于稻稈不還田處理。土壤速效磷和全氮含量均表現(xiàn)為CS>HS>RS>WS>WSN，CS處理顯著高于RS、WS和WSN處理，但與HS處理差異不顯著。土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為CS>RS>HS>WS>WSN，CS處理顯著高于HS、WS和WSN處理，但與RS處理差異不顯著。土壤速效鉀含量表現(xiàn)為RS>HS>CS>WS>WSN，RS處理顯著高于CS、WS和WSN處理，但與HS處理差異不顯著?？梢姡G肥聯(lián)合稻稈還田具有明顯增加土壤養(yǎng)分含量的作用，并且以紫云英聯(lián)合稻稈還田處理效果最好。

圖1 冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對水稻收獲后土壤養(yǎng)分含量的影響

相關(guān)性分析結(jié)果表明，2020年9月土壤速效磷和全氮含量均與水稻產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.983和0.978，土壤速效鉀和有機質(zhì)含量均與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.921和0.896。

2.3 冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對稻田土壤微生物的影響

2.3.1 微生物數(shù)量 由表2可以看出，冬綠肥聯(lián)合稻稈還田和水稻生育期明顯影響稻田土壤微生物數(shù)量。水稻移栽前和水稻收獲后，WS處理稻田土壤微生物總數(shù)較WSN處理分別增加99.03%和28.09%；與WSN處理比較，CS、RS和HS處理稻田土壤微生物總數(shù)分別增加70.15%～336.19%，48.57%～183.11%和57.33%～293.55%?？梢?，不同冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對土壤微生物總數(shù)的提升效果均有顯著增強，并且以紫云英聯(lián)合稻稈還田對土壤微生物總數(shù)提升效果最好。

由表2還可知，與WSN處理比較，CS、HS和RS處理稻田土壤細菌數(shù)量在水稻移栽前增幅分別為348.86%，304.55%和189.77%，在水稻收獲后增幅分別為73.68%，63.16%和55.26%。冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對稻田土壤真菌數(shù)量有明顯抑制作用，在水稻收獲后，與WSN處理比較，CS、HS和RS處理對稻田土壤真菌數(shù)量抑制率分別為36.99%，16.44%和13.70%。冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對稻田土壤放線菌數(shù)量有一定提高作用，與WSN處理比較，CS、HS和RS處理稻田土壤放線菌數(shù)量在水稻移栽前增幅分別為20.25%，6.90%和9.36%，在水稻收獲后增幅分別為51.46%，25.00%和11.04%?？梢姸G肥聯(lián)合稻稈還田對土壤細菌數(shù)量有明顯提高作用，并且水稻移栽前的增幅大于收獲后。

表2 冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對稻田土壤微生物數(shù)量的影響

相關(guān)性分析結(jié)果表明，水稻移栽前和水稻收獲后，土壤細菌和放線菌數(shù)量均與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，而土壤真菌數(shù)量與水稻產(chǎn)量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。

2.3.2 微生物群落結(jié)構(gòu) 土壤微生物中細菌與真菌數(shù)量的比值(B/F)可作為土壤肥力的衡量指標，其與土壤養(yǎng)分含量呈顯著正相關(guān)。由圖2可以看出，水稻移栽前和水稻收獲后，WS處理B/F值顯著高于WSN處理，CS處理B/F值均顯著高于其他各處理。可見紫云英聯(lián)合稻稈還田處理對B/F值提升效果最好。

相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤微生物B/F值與水稻產(chǎn)量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.83。

由圖3可以看出，冬綠肥聯(lián)合秸稈還田對土壤微生物結(jié)構(gòu)有一定的調(diào)整作用。水稻移栽前，WS處理土壤微生物中細菌占比高于WSN處理，而土壤真菌、放線菌占比低于WSN處理。CS、HS和RS處理土壤細菌占比均顯著高于WSN處理，而土壤真菌、放線菌占比均低于WSN處理，且后者差異顯著。水稻收獲后，CS、HS和RS處理土壤細菌占比均顯著高于WSN處理，而土壤真菌、放線菌占比均低于WSN處理, 且后者差異顯著?？梢姡G肥聯(lián)合稻稈還田提高了土壤細菌比例，降低了真菌和放線菌比例，將土壤微生物由真菌型結(jié)構(gòu)向細菌型結(jié)構(gòu)調(diào)整，有效地改善了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。

圖3 冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對稻田土壤微生物比例的影響

2.4 冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對稻田土壤酶活性的影響

由表3可以看出，冬綠肥聯(lián)合稻稈還田顯著影響土壤酶活性。水稻收獲后，與WSN處理比較，CS、HS和RS處理稻田土壤酶總活性分別增加27.29%，21.96%和19.81%。CS處理土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、脫氫酶活性均顯著高于其他處理，較WSN處理分別增加17.69%，3.85%，35.36%和62.32%?？梢姡G肥聯(lián)合稻稈還田對土壤酶活性具有明顯增強作用，并且紫云英聯(lián)合稻稈還田的增強效果最好。

表3 冬綠肥聯(lián)合稻稈還田對水稻收獲后土壤酶活性的影響

相關(guān)性分析結(jié)果表明，水稻收獲后土壤過氧化氫酶、脲酶活性與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，土壤蔗糖酶、脫氫酶活性與水稻產(chǎn)量呈正相關(guān)。

3 討 論

研究表明，綠肥與稻草聯(lián)合還田能夠提高南方雙季稻產(chǎn)量[20]，這與本研究中紫云英和毛苕子聯(lián)合稻稈還田能夠提高漢中盆地水稻產(chǎn)量的結(jié)果一致。本研究結(jié)果顯示，水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)以紫云英聯(lián)合稻稈還田處理最高，相關(guān)性分析結(jié)果表明，水稻籽粒產(chǎn)量與有效穗數(shù)和穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，這與廖育林等[21]的研究結(jié)果一致，說明紫云英聯(lián)合稻稈還田主要通過促進水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)的增加來達到水稻籽粒產(chǎn)量提高的目的。

綠肥和秸稈還田均能提高土壤質(zhì)量，稻草高茬-紫云英聯(lián)合還田具有提升土壤養(yǎng)分、改善土壤肥力的作用[22]。本研究中，綠肥聯(lián)合稻稈還田能夠明顯提高土壤有機質(zhì)、速效鉀、速效磷和全氮含量，其中紫云英聯(lián)合稻稈還田處理土壤的速效磷、有機質(zhì)和全氮含量高于其他各處理，表明紫云英的培肥作用比油菜 、毛苕子聯(lián)合稻稈還田或者單獨稻稈還田更強。

微生物作為土壤微生態(tài)環(huán)境中生理活性最強的部分之一，在營養(yǎng)元素的循環(huán)利用、土壤肥力的保持與提高等方面有著極其重要的作用[23]。本研究結(jié)果表明，紫云英聯(lián)合稻稈還田可顯著提高土壤細菌、放線菌和微生物總量，這與楊曾平等[24]就長期種植綠肥對紅壤性稻田土壤微生物影響的研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，在水稻移栽前，紫云英和毛苕子聯(lián)合稻稈還田處理可有效改善稻田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，在土壤微生物總量中細菌比例上調(diào)，而真菌和放線菌比例下調(diào)，B/F值升高。這可能是由于紫云英和毛苕子與稻稈還田后降低了土壤C/N，提高了土壤養(yǎng)分含量，這不僅促進了水稻地上部和根系生長，同時為土壤微生物繁殖提供了充足的碳源，促進了土壤細菌的繁殖，抑制了土壤真菌數(shù)量的增加，使土壤微生物由真菌型向細菌型結(jié)構(gòu)調(diào)整，從而達到改善土壤微生物環(huán)境的效果。本研究還發(fā)現(xiàn)，在水稻移栽前和收獲后，紫云英聯(lián)合稻稈還田處理的B/F值高于其他處理，說明紫云英具有持續(xù)改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、提高土壤生物活性的作用，較毛苕子和油菜更具潛在優(yōu)勢，但其具體如何發(fā)揮作用還有待進一步探索。

土壤酶主要由土壤動物、根系產(chǎn)生，或來自殘體分解和土壤微生物代謝過程，其活性高低能反映出土壤的生物活性和生化反應強度。土壤酶活性與土壤肥力和土壤健康狀況密切相關(guān)，是衡量土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要生物學指標[25-26]。劉國順等[27]研究表明，連年翻壓綠肥可顯著增加土壤酶活性，這與本研究結(jié)果一致，原因可能在于綠肥根系在生長過程中對土壤形成穿刺效應，根老化凋亡后，土壤形成很多微孔隙，秸稈還田腐解后也能增加土壤的孔隙度，在改善土壤根系通透性方面兩者起到雙重作用，有效增強了土壤含氧量，從而提高了土壤酶活性。由相關(guān)性分析可知，土壤脲酶和過氧化氫酶活性與水稻籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，說明紫云英聯(lián)合稻稈還田主要通過增加土壤脲酶和過氧化氫酶活性，從而提高了土壤的生物活性，進一步促進了水稻籽粒產(chǎn)量的增加。

4 結(jié) 論

冬綠肥聯(lián)合稻稈還田有利于水稻產(chǎn)量增加，以及耕層土壤速效鉀、速效磷、有機質(zhì)和全氮含量的積累。冬綠肥聯(lián)合稻稈還田顯著提高了土壤微生物總數(shù)，使土壤細菌比例上調(diào)，而真菌和放線菌比例下調(diào)，有效地改善了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。冬綠肥聯(lián)合稻稈還田有利于土壤脲酶、脫氫酶、蔗糖酶活性的增強。紫云英聯(lián)合稻稈還田表現(xiàn)效果最佳，毛苕子和油菜聯(lián)合稻稈還田表現(xiàn)相當。因此，冬種紫云英聯(lián)合稻桿還田有利于水稻產(chǎn)量增加和土壤養(yǎng)分含量提升，同時有利于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)改善和土壤酶活性增強，為適宜漢中地區(qū)水稻生產(chǎn)的綠色高效栽培種植模式。