油稻稻三熟制下作物產(chǎn)量和土壤碳氮含量對不同培肥措施的響應(yīng)

李亞貞，陳明，肖小軍，黃天寶，韓德鵬，熊文，許煜峰，夏晶，周鶯，萬長艷，黃建清，肖國濱

（江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所/江西省紅壤耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部江西耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站, 江西 南昌 330046）

0 引言

在南方丘陵區(qū)，雙季稻模式是該地區(qū)糧食生產(chǎn)的主要模式，其對該地區(qū)糧食安全與穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用[1-2]。但是，在雙季稻模式的冬閑期，冬季填閑作物較少[3]，再加上傳統(tǒng)的綠肥種植效益較低[4]，從而導(dǎo)致了冬閑期土地資源的浪費(fèi)。近年來，隨著早熟油菜品種的發(fā)展，適宜雙季稻冬閑期種植的油菜品種數(shù)量增多，油-稻-稻模式在該地區(qū)發(fā)展迅速[5-6]。但是，由于油-稻-稻模式集約化程度高、作物養(yǎng)分需求大，亟需開展三熟制稻田土壤合理培肥措施研究。

大量研究表明，長期施用有機(jī)肥是提高土壤肥力和作物產(chǎn)量的關(guān)鍵措施[7-8]。然而，由于傳統(tǒng)的畜禽糞便等有機(jī)肥存在味道刺鼻、不易運(yùn)輸?shù)葐栴}，再加上存在重金屬和有機(jī)污染的風(fēng)險(xiǎn)，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣難度大[9-11]。生物質(zhì)炭是近年來土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)，主要是木屑、農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物，同時(shí)也有清潔環(huán)保等優(yōu)勢，在農(nóng)業(yè)和環(huán)境中有重大的應(yīng)用前景[12-14]。前人研究表明，5 ～ 40 t·hm-2用量的生物質(zhì)炭可以連續(xù)3 年使紅壤旱地油菜、甘薯作物保持增產(chǎn)，并可以提高土壤中微生物量碳和氮及土壤氮素生物活性[15]。同時(shí)，也有研究表明，生物質(zhì)炭除了增加有機(jī)碳投入之外，其含有的微孔結(jié)構(gòu)和較高的比表面積可以有效活化土壤養(yǎng)分，并顯著改良土壤結(jié)構(gòu)[16-17]。但是，目前有關(guān)生物質(zhì)炭的研究主要集中在一季稻、雙季稻和稻-麥-油輪作等種植模式上[18-20]，而在油-稻-稻三熟制作物上的研究較少，尤其是僅在冬閑作物上培肥，對雙季稻產(chǎn)量和土壤肥力的影響還鮮有報(bào)道。豬糞作為傳統(tǒng)有機(jī)肥研究較多，司紹誠等[21]通過長期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施用豬糞可有效改善旱地紅壤酸度強(qiáng)、養(yǎng)分少等肥力限制條件，提高土壤肥力健康水平及作物產(chǎn)量。長期定位試驗(yàn)下，施用豬糞顯著提高了水稻的產(chǎn)量[22]。土壤微生物量碳是土壤有機(jī)質(zhì)中活性較高的部分，微生物量氮是土壤氮素的一個(gè)重要儲(chǔ)備庫[23]，土壤微生物學(xué)特性可以反映土壤質(zhì)量的變化，并可用作評價(jià)土壤健康的生物指標(biāo)[24]。 而可溶性有機(jī)碳、氮和微生物量碳、氮關(guān)系密切，在土壤活性碳和氮儲(chǔ)存庫中不斷處于源庫轉(zhuǎn)換中[25]。

因此，本研究通過設(shè)計(jì)田間試驗(yàn)，比較了等氮條件下有機(jī)肥豬糞和生物質(zhì)炭對三熟制作物產(chǎn)量和土壤碳氮含量的影響，以期為三熟制作物的土壤培肥提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)開始于2015 年12 月，在江西省進(jìn)賢縣江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所（116°20′24″E，28°15′30″N）進(jìn)行。該地屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，干濕季節(jié)明顯，3 ～ 6 月為雨季，7 ～ 9 月為旱季，地形為典型低山丘陵，供試土壤為第四紀(jì)黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤水田，質(zhì)地較黏重。試驗(yàn)前土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)3 個(gè)處理：在正?；适┯没A(chǔ)上，不施有機(jī)物料（CK）、施豬糞（PM）和施生物質(zhì)炭（BC），3 次重復(fù)，小區(qū)寬4 m，長8 m，面積32 m2。種植模式為油菜-早稻-晚稻，油菜品種為陽光131，免耕直播，分別于2017 年10 月28 日、2018 年10 月30 日播種，于2018 年4 月26 日、2019 年4 月25 日收獲，平均生育期179 d。

早稻品種為株兩優(yōu)538， 2018 年于4 月10 日播種，5 月4 日移栽；2019 年于4 月12 日播種，5 月5 日移栽。晚稻品種為五優(yōu)308， 2018 年于6 月20 日播種，7 月23 日移栽，2019 年于6 月18 日播種，7 月21 日移栽。N 肥按基肥：分蘗肥：穗肥用量比5∶2∶3 分施，P 肥作基肥一次施入，K 肥按照基肥：穗肥用量比7∶3 分施。每穴栽植 2 ～ 3 粒谷苗，行株距23.3 cm×16.6 cm，早稻、晚稻均人工插秧。

試驗(yàn)只油菜季施用有機(jī)物料和生物質(zhì)炭，豬糞為腐熟的干豬糞，江西聚余豐農(nóng)資有限公司生產(chǎn)，N 含量8.28 g·kg-1，P2O5含量6.24 g·kg-1，K2O 含量5.38 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)384 g·kg-1；生物質(zhì)炭為河南省商丘三利新能源公司生產(chǎn)，用小麥秸稈為原料，生物質(zhì)炭N 含量5.23 g·kg-1，P2O5含量5.12 g·kg-1，K2O 含量18.65 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)587 g·kg-1。油菜施肥量為：N 180 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2，CK 處理不施用豬糞和生物質(zhì)炭，PM 處理施用豬糞，BC 處理施用生物質(zhì)炭。統(tǒng)一處理氮肥用量，處理具體施肥量見表2，豬糞和生物質(zhì)碳施肥量為：1 500 kg·hm-2、2 500 kg·hm-2，按表2 施肥量豬糞折合氮肥量為12.42 kg·hm-2，生物質(zhì)炭折合氮肥量為13.08 kg·hm-2，其余氮肥為尿素（含N 46.4%）；磷肥為鈣鎂磷肥（含磷12.5%）；鉀肥為氯化鉀（含鉀60%）。田間水分管理及其他栽培措施參照高產(chǎn)技術(shù)規(guī)程進(jìn)行。

1.3 測定內(nèi)容與方法

1.3.1 產(chǎn)量測定

在油菜成熟期，每個(gè)小區(qū)單獨(dú)收割，曬干脫粒稱重，水稻成熟期在每個(gè)小區(qū)中心實(shí)割250 穴，脫粒、曬干后稱重，分別計(jì)算實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.2 微生物量碳和氮和可溶性有機(jī)碳和氮測定

于2018 和2019 年的晚稻季收獲期每個(gè)小區(qū)按5 點(diǎn)取樣法采集耕層（0 ～ 20 cm）土壤混合樣品，帶回室內(nèi)，挑出根系、石塊等雜質(zhì)，按四分法分出一半鮮樣做微生物量碳和氮，剩余一半樣品做可溶性有機(jī)碳和可溶性有機(jī)氮，并保存于4℃冰箱中。土壤微生物量碳（SMBC）、土壤微生物量氮（SMBN）采用氯仿熏蒸法-碳氮自動(dòng)分析法測定[26]。可溶性有機(jī)碳（SDOC）、可溶性有機(jī)氮（SDON）按水土比為2∶1 體積比浸提，可溶性有機(jī)碳用有機(jī)碳分析儀測定，可溶性有機(jī)氮采用堿性過硫酸鉀氧化法測定[27]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計(jì)分析采用SAS 9.1 進(jìn)行，各處理的產(chǎn)量、土壤微生物量碳和氮、可溶性碳和氮差異采用LSD 進(jìn)行顯著性分析，土壤酶活性與土壤微生物量碳和氮、速效氮、磷、鉀和產(chǎn)量的相互關(guān)系采用線性方程擬合。其余圖件均采用Origin 8.1 進(jìn)行制作。

2 結(jié)果分析

2.1 不同培肥措施對作物產(chǎn)量的影響

在三熟制模式下，施用有機(jī)物料可以提高冬油菜、早稻和晚稻的籽粒產(chǎn)量（表3）。在等氮條件下，與不施用有機(jī)肥料（CK）相比，2018 年豬糞（PM）和生物質(zhì)炭（BC）冬油菜產(chǎn)量分別提高了27.0%和34.5%；早稻產(chǎn)量分別提升8.9%、12.3%；晚稻分別產(chǎn)量提升5.7%、11.1%；三季作物總產(chǎn)量顯著增加8.9%、13.8%（P＜ 0.05）。2019 年的趨勢與2018 年基本一致，PM 處理的油菜、早稻、晚稻和三季作物總產(chǎn)量分別比CK 處理顯著提高了23.4%、9.9%、8.1%和10.3%（P＜ 0.05），BC 處理的冬油菜、早晚稻和三季作物總產(chǎn)量的增幅分別為31.4%、15.1%、11.7%和15.1%（P＜ 0.05）。兩種有機(jī)肥間比較發(fā)現(xiàn)，除了2018 年的晚稻季，PM 和BC 處理單季作物產(chǎn)量間則無顯著差異，但是，三季作物總產(chǎn)量均呈現(xiàn)出BC 處理顯著高于PM 處理。

表3 不同有機(jī)物料施用下作物產(chǎn)量變化Table 3 Variation of crop yield under different fertilizationskg·hm-2

2.2 不同培肥措施對土壤微生物量碳和氮的影響

2.3 不同培肥措施對土壤可溶性有機(jī)碳和氮含量的影響

與土壤微生物量碳和氮的結(jié)果相似，施用有機(jī)物料顯著提升土壤可溶性有機(jī)碳和氮含量（圖2）。且各處理在2019 年的含量明顯高于2018 年（除了CK 的可溶性有機(jī)碳含量之外）。與CK 相比，PM 處理的可溶性有機(jī)碳含量在2018 年和2019 年分別顯著提高了29.6%和56.0%（P＜ 0.05），可溶性有機(jī)氮含量的增幅分別為46.2%和23.6%（P＜ 0.05）。同時(shí)，BC 處理的可溶性有機(jī)碳含量在2018 年和2019 年分別比CK 顯著增加了39.2%和54.7%（P＜ 0.05），可溶性有機(jī)氮含量在2018 年和2019 年的增幅分別為53.8%和25.3%（P＜ 0.05）。

圖1 有機(jī)物料施用下土壤微生物量碳和氮變化Fig. 1 Changes of soil microbial biomass carbon and nitrogen under different fertilizations

2.4 土壤碳氮指標(biāo)與作物產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

通過對土壤微生物量碳和氮及可溶性有機(jī)碳和氮含量與三季作物總產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，2018、2019 年土壤微生物量氮與三季作物總產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜ 0.05），其余指標(biāo)相關(guān)性不顯著（圖3）。

圖3 土壤微生物量碳和氮及可溶性碳和氮含量與作物產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系Fig. 3 Correlation between soil microbial biomass carbon and nitrogen and soil dissolved organic carbon and nitrogen content and crop yield

土壤微生物量碳和氮及可溶性有機(jī)碳和氮含量與三季作物總產(chǎn)量存在密切關(guān)系，且均可以用線性方程進(jìn)行擬合。通過擬合方程（表4）表明，當(dāng)土壤碳和氮指標(biāo)每增加1 mg·kg-1，2018 年的作物產(chǎn)量可以增加19.9 ～ 243 kg·hm-2，2019 年的作物產(chǎn)量增速為17.0 ～ 173 kg·hm-2。同時(shí)，結(jié)合相關(guān)系數(shù)表明，在所有4 個(gè)碳氮指標(biāo)中，土壤微生物量氮含量與三季作物總產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)最高，呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這說明土壤微生物量氮含量是本試驗(yàn)影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因子。

表4 土壤微生物量碳和氮及可溶性碳和氮含量與作物產(chǎn)量的擬合方程Table 4 Fitting equation of soil microbial biomass carbon and nitrogen and soluble carbon and nitrogen content with crop yield

3 討論

在三熟制模式下，傳統(tǒng)有機(jī)肥豬糞和生物質(zhì)炭均可以顯著提高作物產(chǎn)量。這與前人的研究結(jié)果相似[7-8,18-20]。寧川川等[7]研究指出施用有機(jī)肥能夠改善土壤肥力水平和土壤物理性狀，優(yōu)化土壤微生物組成，可以顯著提高作物產(chǎn)量。本試驗(yàn)條件下，油菜當(dāng)季施用傳統(tǒng)有機(jī)肥豬糞和生物質(zhì)炭均顯著提高了油菜、早稻和晚稻的產(chǎn)量，尤其是當(dāng)季油菜產(chǎn)量，傳統(tǒng)有機(jī)肥豬糞產(chǎn)量較常規(guī)施肥提高了27.0%，施用生物質(zhì)炭提高了34.5%。三季合計(jì)的產(chǎn)量可比僅施用化肥處理提高8.1% ～ 23.4%。這與前人研究結(jié)果一致，羅佳等[28]使用3 種不同糞肥的有機(jī)肥等氮量施入油菜后，研究表明有機(jī)肥增加了植株對氮素的吸收，改變了土壤微生物結(jié)構(gòu)，與單施用化肥相比，油菜籽產(chǎn)量較化肥增產(chǎn)12.7%～33.2%。李軼等[29]也研究表明，沼渣沼液配合施用和豬糞化肥配合施用可以增加油菜鮮重。

同時(shí)，本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)4 年后，在等氮條件下，三季合計(jì)的產(chǎn)量表現(xiàn)出生物炭顯著高于傳統(tǒng)有機(jī)肥，而施用多年后，生物質(zhì)炭和豬糞對產(chǎn)量影響如何，還有待進(jìn)一步研究。在雙季稻區(qū)，施用生物質(zhì)炭可以促進(jìn)水稻生長并增加水稻籽粒產(chǎn)量，且隨黑炭用量增加而逐漸增加的趨勢[30]，這與本研究結(jié)果有相似之處。造成豬糞和生物質(zhì)炭產(chǎn)量差異的原因，可能與生物質(zhì)炭的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)[17,19]，生物質(zhì)炭具有巨大的比表面積以及疏松的結(jié)構(gòu)，當(dāng)生物質(zhì)炭施入土壤后，降低土壤容重并增加土壤孔隙度，提高了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[15]。有研究表明，高溫裂解的生物質(zhì)炭富含微孔結(jié)構(gòu)，且比表面積較高，其對土壤養(yǎng)分的保蓄供應(yīng)作用顯著[27]，顯著提升了烤煙根系干物質(zhì)重量，提高了植株總體地上部生物量和總干物質(zhì)重，同時(shí)在改善烤煙土壤微生態(tài)和調(diào)控烤煙生理特性等方面具有積極效應(yīng)。另一方面，生物質(zhì)炭在土壤中容易與土壤膠體結(jié)合[31-32]，不易流失，而豬糞的氮磷養(yǎng)分則容易在淹水條件下隨徑流和地下水淋失[33-34]。但是，由于生物質(zhì)炭的種類較多，不同來源的生物質(zhì)炭和施用量對作物的增產(chǎn)幅度不一[17-19]。本試驗(yàn)條件下，僅探討了以小麥秸稈為原料制成的生物質(zhì)炭，因此，關(guān)于三熟制下不同種類生物質(zhì)炭作用效果和生物質(zhì)炭用量還有待進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

與化肥處理相比，在本研究中，豬糞和生物質(zhì)炭處理均可以提高土壤微生物碳和氮含量和可溶性碳和氮含量，但豬糞和生物質(zhì)炭處理間則無顯著差異。主要原因是由于豬糞和生物質(zhì)炭有機(jī)物料的施用，通過有機(jī)和無機(jī)配施，增加了土壤碳源，從而使作物根系生物量增加，和不施用有機(jī)物料的處理相比，改變了作物生長環(huán)境，促進(jìn)了土壤中微生物的繁殖，因?yàn)榇罅康挠袡C(jī)碳含量可以通過調(diào)控土壤微生物群落進(jìn)一步提高土壤微生物量碳氮含量[34-36]。施嫻等[37]研究指出，豬糞配施煙草專用肥后，土壤中微生物數(shù)量和酶活性均明顯提升。在減少化肥有機(jī)替代情況下也可以改良土壤微生物環(huán)境，研究表明化肥替代施用有機(jī)肥顯著增加了可培養(yǎng)細(xì)菌和固氮菌的數(shù)量，有利于土壤養(yǎng)分供應(yīng)和土壤氮素的補(bǔ)充[38]。因此，加入有機(jī)物料配合施用化肥提高了土壤微生物量碳和氮含量，因?yàn)橛袡C(jī)和無機(jī)肥配合施用有顯著的正交互作用，可以作為指示土壤肥力的重要指標(biāo)[39]，這也是本試驗(yàn)條件下，作物產(chǎn)量提高的主要原因之一。

另外，有機(jī)肥中較多的有機(jī)氮可能進(jìn)一步激發(fā)了土壤微生物的活性[40]，從而提高了土壤微生物量和可溶性有機(jī)氮含量。有研究表明，較多的有機(jī)碳投入可以促進(jìn)作物根系生長，而旺盛的根系活性可以分泌較多的有機(jī)酸，進(jìn)而促進(jìn)了土壤氮、磷養(yǎng)分活化[41]。但是，也有研究表明，外源肥料投入的合理碳氮比是衡量作物高產(chǎn)的關(guān)鍵[42]，土壤微生物生長需要合理的碳氮比，而不合理的碳氮比投入則不利于土壤培肥和作物增產(chǎn)。因此，關(guān)于三熟制下合理的碳氮比投入還有待深入分析，這也是進(jìn)一步開展不同類型有機(jī)肥和用量的原因。本研究進(jìn)一步通過擬合方程表明，土壤微生物量氮含量是作物增產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，這充分說明土壤氮素對作物產(chǎn)量的重要性[43-45]。因?yàn)樯镔|(zhì)碳施用后，對土壤微生物量氮提高效果更為明顯，主要是由于生物質(zhì)碳可能通過對氮素的吸附及轉(zhuǎn)化等滿足微生物對氮素的需求[15]。同時(shí)，有機(jī)肥與化肥配施后，有機(jī)肥礦化釋放氮素作為微生物量氮的重要給源[35]。土壤氮素的礦化和固持大多是在土壤微生物的參與下進(jìn)行的，且土壤微生物氮也是土壤氮素周轉(zhuǎn)中的活性庫之一[41]，微生物量氮指標(biāo)變化和土地利用、地力、季節(jié)有關(guān)[27,35,40]。本試驗(yàn)位于亞熱帶季風(fēng)區(qū)的水熱條件充足，能保證微生物繁衍所需的外部環(huán)境條件，微生物活動(dòng)旺盛[40]，這可能是土壤微生物量氮含量是作物增產(chǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)的原因。

4 結(jié)論

豬糞和生物質(zhì)炭施用均可以顯著提升三熟制下的作物產(chǎn)量、土壤微生物量碳和氮和可溶性碳和氮含量。生物質(zhì)炭施用下三季作物總產(chǎn)量顯著高于豬糞處理，但土壤微生物量碳和氮和可溶性有機(jī)碳和氮含量則無顯著差異。土壤微生物量氮含量是4 個(gè)碳氮指標(biāo)中影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因子。