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绿肥稻草联合还田显著提高土壤有机质含量稳定氮素供应

高菊生 黄晶 杨志长 曹卫东 张会民 高鹏 高学成

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绿肥稻草联合还田显著提高土壤有机质含量稳定氮素供应

    作者简介: 高菊生E-mail:gaojusheng@caas.cn;
    通讯作者: 曹卫东, E-mail:caoweidong@caas.cn ; 张会民, E-mail:zhanghuiming@caas.cn
  • 基金项目: 国家绿肥产业技术体系(CARS-22);国家重点研发计划(2016YFD0300902);衡阳市科技计划项目(2019yj010733)。

Improving organic matter content and nitrogen supply stability of double cropping rice field through co-incorporation of green manure and rice straw

    Corresponding author: CAO Wei-dong, E-mail:caoweidong@caas.cn ;ZHANG Hui-ming, E-mail:zhanghuiming@caas.cn ;
  • 摘要: 【目的】研究绿肥、稻草不同还田模式对湘南地区水稻产量和土壤肥力的影响,为绿肥、稻草还田技术的推广和土壤培肥提供理论依据。【方法】2013—2018年在湘南红壤地区开展了6年田间小区定位试验,共设置6个处理,分别为冬闲 + 稻草不还田 (CK)、冬种紫云英 + 稻草不还田 (MV)、冬闲 + 早稻草全部还田 (RS1)、冬闲 + 早、晚稻草全部还田 (RS2)、冬种紫云英 + 早稻草全部还田 (RS3)、冬种紫云英 + 早稻草全部还田 + 晚稻留高茬还田 (RS4),各处理均施等量化肥。每季收获后测产,计算平均产量、产量变异系数和可持续指数。2017年晚稻收获后,取0—20 cm土层土壤样品,测定其养分含量和水稳性团聚体含量。【结果】与CK相比,除RS1处理外,其余处理早稻、晚稻和周年平均产量均显著提高,增幅分别为11.8%~24.6%、11.9%~28.8%和9.0%~26.5%,以RS4处理增产效果最显著,其晚稻和周年平均产量均显著高于其他还田处理。与CK相比,除RS1处理早稻和MV处理晚稻外,其余处理早、晚稻产量变异系数均下降,且均以RS2处理最低;除MV处理晚稻外,其余处理早、晚稻产量可持续系数保持不变或提高,且早、晚稻均以RS2处理最高。试验开展5年后,各处理土壤有机质含量与初始土壤相比均明显提高,绿肥、稻草还田处理除RS1外均显著高于CK,RS4处理还显著高于RS1处理;各处理土壤全氮含量较2013年均有所降低,但绿肥、稻草还田处理较CK下降幅度小,MV和RS2处理全氮含量显著高于CK。土壤速效钾含量除RS2处理低于CK,其他处理均有不同程度的增加。粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体以RS2处理最高,达68.9%。【结论】稻草留高茬套种绿肥、绿肥稻草联合还田,提高土壤有机质含量,稳定土壤氮素供应的长期效果显著,是湘南红壤地区水稻高产稳产和可持续发展相对较好的耕作制度,能够有效促进水稻增产,改善土壤理化性质,提高土壤抗侵蚀能力。
  • 图 1  2013—2018年稻谷产量变化

    Figure 1.  Change of grain yields from 2013 to 2018

    图 2  2017年晚稻收获后不同处理土壤水稳性团聚体含量

    Figure 2.  The contents of soil water-stable aggregates under different treatments after late rice harvest in 2017

    表 1  2013—2018年不同处理水稻平均产量、产量变异系数和可持续指数

    Table 1.  Average rice yield,yield coefficient of variation (CV) and sustainability index (SYI) under different treatments from 2013 to 2018

    处理
    Treatment
    平均产量Average yield (kg/hm2)变异系数CV (%)可持续指数SYI
    早稻
    Early rice
    晚稻
    Late rice
    周年产量
    Annual yield
    早稻
    Early rice
    晚稻
    Late rice
    早稻
    Early rice
    晚稻
    Late rice
    CK5502.0 d4445.4 d9947.4 d13.321.70.690.64
    MV6386.3 ab5297.4 b11683. 7b11.823.10.740.60
    RS15863.3 cd4974.5 c10837.7 c13.818.50.690.66
    RS26152.9 bc5218.0 b11370.9 bc12.518.80.750.66
    RS36230.1 bc5427.0 b11657.1 b8.217.60.810.69
    RS46855.1 a5726.0 a12581.2 a12.020.80.750.64
    注(Note):CK-冬闲 + 稻草不还田 Neither green manure planting during winter fellow nor rice straw returning; MV-冬种紫云英 + 稻草不还田 Green manure planting during winter fallow and without rice straw returning; RS1-冬闲 + 早稻草全部还田 No green manure planting during winter fellow and all early rice straw returning; RS2-冬闲 + 早、晚稻草全部还田 No green manure planting during winter fellow and all early and late rice straw returning; RS3-冬种紫云英 + 早稻草全部还田 Green manure planting during winter fallow and all early rice straw returning; RS4-冬种紫云英 + 早稻草全部还田 + 晚稻留高茬还田 Green manure planting during winter fallow and all early rice straw returning, 30 cm high of late rice stubble returning; 不同小写字母表示处理间差异显著 Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 2  2017年晚稻收获后不同处理土壤理化性质

    Table 2.  Soil physical and chemical properties in different treatments after late rice harvest in 2017

    处理
    Treatment
    有机质 (g/kg)
    Organic matter
    全氮 (g/kg)
    Total N
    碱解氮 (mg/kg)
    Hydrolysable N
    有效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    pH
    CK21.55 c1.16 b209.8 a16.4 a 54.7 bc6.29 a
    MV 25.50 ab1.43 a190.6 a19.8 a 52.5 bc6.34 a
    RS1 23.56 bc 1.31 ab163.4 a18.4 a 63.0 abc6.57 a
    RS2 25.65 ab 1.33 ab174.0 a21.2 a95.3 a6.02 a
    RS3 25.12 ab1.42 a184.0 a15.3 a44.3 c6.19 a
    RS427.80 a 1.31 ab175.4 a22.7 a 87.0 ab6.22 a
    注(Note):CK-冬闲 + 稻草不还田 Neither green manure planting during winter fellow nor rice straw returning; MV-冬种紫云英 + 稻草不还田 Green manure planting during winter fallow and without rice straw returning; RS1-冬闲 + 早稻草全部还田 No green manure planting during winter fellow and all early rice straw returning; RS2-冬闲 + 早、晚稻草全部还田 No green manure planting during winter fellow and all early and late rice straw returning; RS3-冬种紫云英 + 早稻草全部还田 Green manure planting during winter fallow and all early rice straw returning; RS4-冬种紫云英 + 早稻草全部还田 + 晚稻留高茬还田 Green manure planting during winter fallow and all early rice straw returning, 30 cm high of late rice stubble returning; 不同小写字母表示处理间差异显著 Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-23
  • 网络出版日期:  2020-03-16

绿肥稻草联合还田显著提高土壤有机质含量稳定氮素供应

    作者简介:高菊生E-mail:gaojusheng@caas.cn
    通讯作者: 曹卫东, caoweidong@caas.cn
    通讯作者: 张会民, zhanghuiming@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部作物营养与肥料重点实验室,北京 100081
  • 2. 中国农业科学院衡阳红壤试验站/祁阳农田生态系统国家野外试验站,湖南祁阳 426182
  • 3. 湖南省农业科学院,长沙 410128
  • 基金项目: 国家绿肥产业技术体系(CARS-22);国家重点研发计划(2016YFD0300902);衡阳市科技计划项目(2019yj010733)。
  • 摘要: 【目的】研究绿肥、稻草不同还田模式对湘南地区水稻产量和土壤肥力的影响,为绿肥、稻草还田技术的推广和土壤培肥提供理论依据。【方法】2013—2018年在湘南红壤地区开展了6年田间小区定位试验,共设置6个处理,分别为冬闲 + 稻草不还田 (CK)、冬种紫云英 + 稻草不还田 (MV)、冬闲 + 早稻草全部还田 (RS1)、冬闲 + 早、晚稻草全部还田 (RS2)、冬种紫云英 + 早稻草全部还田 (RS3)、冬种紫云英 + 早稻草全部还田 + 晚稻留高茬还田 (RS4),各处理均施等量化肥。每季收获后测产,计算平均产量、产量变异系数和可持续指数。2017年晚稻收获后,取0—20 cm土层土壤样品,测定其养分含量和水稳性团聚体含量。【结果】与CK相比,除RS1处理外,其余处理早稻、晚稻和周年平均产量均显著提高,增幅分别为11.8%~24.6%、11.9%~28.8%和9.0%~26.5%,以RS4处理增产效果最显著,其晚稻和周年平均产量均显著高于其他还田处理。与CK相比,除RS1处理早稻和MV处理晚稻外,其余处理早、晚稻产量变异系数均下降,且均以RS2处理最低;除MV处理晚稻外,其余处理早、晚稻产量可持续系数保持不变或提高,且早、晚稻均以RS2处理最高。试验开展5年后,各处理土壤有机质含量与初始土壤相比均明显提高,绿肥、稻草还田处理除RS1外均显著高于CK,RS4处理还显著高于RS1处理;各处理土壤全氮含量较2013年均有所降低,但绿肥、稻草还田处理较CK下降幅度小,MV和RS2处理全氮含量显著高于CK。土壤速效钾含量除RS2处理低于CK,其他处理均有不同程度的增加。粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体以RS2处理最高,达68.9%。【结论】稻草留高茬套种绿肥、绿肥稻草联合还田,提高土壤有机质含量,稳定土壤氮素供应的长期效果显著,是湘南红壤地区水稻高产稳产和可持续发展相对较好的耕作制度,能够有效促进水稻增产,改善土壤理化性质,提高土壤抗侵蚀能力。

    English Abstract

    • 水稻是中国三大粮食作物之一,其产量的提高对我国乃至世界的粮食安全均有重大意义。水稻高产的获得需要化学肥料的投入,但长期单一施用化肥会导致稻田土壤理化性质变差[1-2],影响水稻的平衡生长与稻米品质[3-4],不利于稻田的可持续利用。湘南地区属亚热带季风性气候,雨热充足,是双季稻的优质种植区,在全省乃至全国的粮食生产中占有重要地位,然而长期不尽合理的施肥及耕作措施导致该区土壤肥力下降、板结与酸化等现象普遍发生[5],严重影响了水稻的高产稳产。因此,对湘南红壤区稻田投入有机物料,改善土壤理化性质十分必要。农作物秸秆和绿肥是重要的有机物料,前者含有丰富的碳、氮元素,其还田利用是农田生态系统养分循环中的一个重要组成部分,后者同样富含有机质,且含有氮、磷、钾和多种微量元素养分,利用农田空闲期种植绿肥还田是农田可持续利用的措施之一。前人研究表明,绿肥和稻草还田可对稻田土壤进行培肥,提高土壤有机质和营养元素含量[6],改善土壤物理结构[7],提升土壤生物学活性[8-9],对水稻产量的稳定和增加起到十分积极的作用[10-13]。然而,前人有关绿肥稻草联合还田与两者之一单独还田效果优劣的研究结果不尽一致,如廖育林等[14]研究发现,连续6年紫云英与稻草协同利用均可提高水稻产量,以晚稻留高茬还田联合冬种紫云英处理的增产效果最佳;周国朋等[15]也认为绿肥稻草联合还田效果可发挥各自的培肥优势,从而优于两者之一单独还田;而田卡等[16]研究发现稻草还田和冬种绿肥的互作对产量无显著影响,即两者对产量的作用是相互独立的;连泽晨[17]则指出绿肥稻草单独还田或两者联合还田的效果因土壤肥力的不同而不同。

      目前有关绿肥和稻草单独还田的研究较多,有关二者联合还田的研究仍较少,特别是在湘南红壤地区,而绿肥、稻草及其联合还田效果的确定,需要多年定点监测研究。利用多年定位试验,研究阐释稻草、绿肥不同配置方式对双季稻产量和土壤肥力的影响,同时探索不同还田方式对土壤水稳性团聚体含量的影响,为绿肥、稻草合理还田提供技术和理论支撑,对农田的可持续利用有重要意义。

      • 试验于中国农业科学院衡阳红壤实验站祁阳基地 (E111°52′32″,N26°45′42″) 进行。试验地属亚热带季风性气候,年平均温度为17.8℃,大于10℃的积温为5648℃,年降雨量1290 mm,年日照1613 h,无霜期293天,灾害性天气主要是4—6月的暴雨和8—10月期间的季节性干旱。试验从2012年冬种紫云英开始,供试土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土,土壤质地为壤质黏土,2013年早稻种植前耕层 (0—20 cm) 土壤基础理化性质为:有机质14.90 g/kg、全氮1.48 g/kg、碱解氮82.4 mg/kg、有效磷12.6 mg/kg、速效钾49.0 mg/kg、pH 6.47。

        供试品种早稻为金优974,晚稻为金优207,种子购自当地农资部门。紫云英为湘紫1号,种子由湖南土壤肥料研究所提供。

      • 田间小区试验包括6个处理:冬闲 + 稻草不还田 (CK)、冬种紫云英 + 稻草不还田 (MV)、冬闲 + 早稻草全部还田 (RS1)、冬闲 + 早、晚稻草全部还田 (RS2)、冬种紫云英 + 早稻草全部还田 (RS3)、冬种紫云英 + 早稻草全部还田 + 晚稻留高茬还田 (RS4)。高茬指水稻收割时留茬高度约30 cm左右,其余稻草同时还田。各处理重复3次,随机区组排列,小区面积21 m2,小区间用深60 cm水泥埂隔开,防止串水串肥。每年4月中旬翻压绿肥,4月下旬施基肥后移栽早稻,7月中旬适时收割,还田处理在收获当日稻草即还田,其余处理则移出稻草;晚稻于每年7月中下旬施基肥后移栽,10月中下旬适时收割,还田处理收获当日稻草即还田,其余处理则移出稻草。每年9月下旬套播紫云英,播种量为37.5 kg/hm2,紫云英季不施肥,鲜紫云英最高翻压量为22500 kg/hm2 (如果紫云英过多,刈割移出,但记录移出量并留样测定)。各处理均施等量基肥 (复合肥750 kg/hm2,养分含量:N 18%、P2O5 12%、K2O 10%),所有处理每季追肥为N 30 kg/hm2 (尿素,N 46%) 和K2O 15 kg/hm2 (氯化钾,K2O 60%)。每季水稻总施肥量 (基肥 + 追肥) 为N 165 kg/hm2、P2O5 90 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2。基肥在水稻移栽前施用,追肥在移栽后6~10天施用。早晚稻施肥量与施肥方式相同。其他管理措施按当地常规操作进行。

      • 2013—2018年早、晚稻成熟后,各小区单打单收,稻谷晒干后称干重并测定水分含量。产量变异系数 (coefficient of variation) 用CV表示,CV = Y/σn-1;产量可持续指数 (sustainable yield index) 用SYI表示,SYI = (Y-σn-1)/Ymax。两式中Y为平均产量,σn-1为标准差,Ymax为最高产量。

      • 2017年10月晚稻收获后采集耕层0—20 cm土壤,每小区分别采5个点土壤。土壤pH采用酸度计法 (土∶水 = 5∶1) 测定,有机质含量采用浓硫酸—重铬酸钾消煮—硫酸亚铁滴定法测定,全氮采用半微量凯式定氮法测定,碱解氮含量采用碱解扩散—稀硫酸滴定法测定,有效磷含量采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定,速效钾含量采用乙酸铵-火焰光度法测定[18]

      • 在土样采集和搬移过程中尽量减少对样品的扰动,以免破坏团聚体。将1.3.2中采集到的原状土样带回实验室内风干,沿土壤结构的自然剖面掰分成1 cm左右的团块,采用湿筛法[19]测定。

      • 采用Excel 2007进行数据处理与制图,用DPS v15.10进行数据分析,采用LSD法进行多重比较。

      • 2013—2018年水稻平均产量、产量变异系数和可持续指数见表1。与CK处理相比,除RS1处理下早稻稻谷平均产量增加幅度不显著 (P > 0.05) 外,其余还田处理下早稻和全部还田处理下晚稻、周年稻谷平均产量均显著提高 (P < 0.05),三者增幅分别为6.6%~24.6%、11.9%~28.8%和9.0%~26.5%。早稻、晚稻和周年稻谷平均产量均以RS4处理最高,除MV处理下早稻平均产量外,RS4处理下早稻、晚稻和周年稻谷平均产量均显著高于其他还田处理 (P < 0.05),分别提高7.3%~16.9%、5.5%~15.1%和7.7%~16.1%。还田处理中早稻、晚稻和周年稻谷平均产量均以RS1处理最低,其次RS2处理。与RS1处理相比,MV处理下早稻、晚稻和周年稻谷平均产量、RS3处理下晚稻和周年稻谷平均产量以及RS2处理下晚稻产量均显著提高,而RS2处理下早稻、晚稻和周年稻谷平均产量与MV和RS3处理相比,无显著差异。

        表 1  2013—2018年不同处理水稻平均产量、产量变异系数和可持续指数

        Table 1.  Average rice yield,yield coefficient of variation (CV) and sustainability index (SYI) under different treatments from 2013 to 2018

        处理
        Treatment
        平均产量Average yield (kg/hm2)变异系数CV (%)可持续指数SYI
        早稻
        Early rice
        晚稻
        Late rice
        周年产量
        Annual yield
        早稻
        Early rice
        晚稻
        Late rice
        早稻
        Early rice
        晚稻
        Late rice
        CK5502.0 d4445.4 d9947.4 d13.321.70.690.64
        MV6386.3 ab5297.4 b11683. 7b11.823.10.740.60
        RS15863.3 cd4974.5 c10837.7 c13.818.50.690.66
        RS26152.9 bc5218.0 b11370.9 bc12.518.80.750.66
        RS36230.1 bc5427.0 b11657.1 b8.217.60.810.69
        RS46855.1 a5726.0 a12581.2 a12.020.80.750.64
        注(Note):CK-冬闲 + 稻草不还田 Neither green manure planting during winter fellow nor rice straw returning; MV-冬种紫云英 + 稻草不还田 Green manure planting during winter fallow and without rice straw returning; RS1-冬闲 + 早稻草全部还田 No green manure planting during winter fellow and all early rice straw returning; RS2-冬闲 + 早、晚稻草全部还田 No green manure planting during winter fellow and all early and late rice straw returning; RS3-冬种紫云英 + 早稻草全部还田 Green manure planting during winter fallow and all early rice straw returning; RS4-冬种紫云英 + 早稻草全部还田 + 晚稻留高茬还田 Green manure planting during winter fallow and all early rice straw returning, 30 cm high of late rice stubble returning; 不同小写字母表示处理间差异显著 Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P < 0.05).

        产量变异系数大小综合反映了产量水平平均变化状况[20]。与CK处理相比,RS1处理下早稻和MV处理下晚稻产量变异系数有所升高,而其余还田处理下早稻、晚稻变异系数均下降,其中早、晚稻均以RS3处理产量变异系数最小。产量可持续指数是衡量某个作物系统是否能持续生产的一个重要参数[21]。早稻和晚稻产量可持续指数均以RS3处理最高,各还田处理产量可持续指数只有MV处理下的晚稻较CK处理有所下降,且都在0.55[22]以上。

        历年水稻产量动态变化见图1。与CK处理相比,各还田处理下每年的早稻、晚稻和周年产量均提高。早稻和周年产量除2014年外,其余年份和晚稻历年产量均表现为RS4处理最高。而自2014年开始,还田处理中一直以RS1处理下早稻、晚稻和周年产量最低。MV处理下早稻和周年产量前4年高于RS2处理,后2年低于RS2处理,晚稻产量前4年和2018年高于RS2处理,而在2017年低于RS2处理。RS3处理下早稻、晚稻和周年产量前5年均高于RS2处理,在2018年略低于RS2处理。说明早、晚稻草全部还田的促增产作用可能存在滞后效应。另外,RS3处理下早稻、晚稻和周年产量前两年低于MV处理,后4年两处理下早稻、晚稻和周年产量上下波动,无明显变化规律。

        图  1  2013—2018年稻谷产量变化

        Figure 1.  Change of grain yields from 2013 to 2018

      • 2017年各还田处理除RS1外,其余处理土壤有机质含量均显著高于CK处理 (表2)。表现为2017年各还田处理土壤有机质含量较CK高9.3%~29.0%,RS4处理土壤有机质含量显著高于RS1处理 (P < 0.05)。从长期来看,各处理有机质含量从2013年的14.90 g/kg上升到2017年的21.55~27.80 g/kg,明显提高。各还田处理以RS4提升幅度最大,为86.6%,其次是RS2、MV、RS3,分别为72.2%、71.1%、68.6%,最次RS1,为58.1%,而CK为44.6%。连续5年试验后,与CK处理相比,各还田处理土壤全氮含量明显提高,其中MV和RS3处理提升显著,而各还田处理土壤全氮含量无显著差异。但与2013年相比,各处理土壤全氮含量均下降,从1.48 g/kg下降到1.16~1.43 g/kg,其中CK处理下降21.6%,而绿肥、稻草不同还田处理下降幅度为3.4%~11.5%,表现为2017年各还田处理土壤全氮含量较CK高12.93%~23.28%。

        表 2  2017年晚稻收获后不同处理土壤理化性质

        Table 2.  Soil physical and chemical properties in different treatments after late rice harvest in 2017

        处理
        Treatment
        有机质 (g/kg)
        Organic matter
        全氮 (g/kg)
        Total N
        碱解氮 (mg/kg)
        Hydrolysable N
        有效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        pH
        CK21.55 c1.16 b209.8 a16.4 a 54.7 bc6.29 a
        MV 25.50 ab1.43 a190.6 a19.8 a 52.5 bc6.34 a
        RS1 23.56 bc 1.31 ab163.4 a18.4 a 63.0 abc6.57 a
        RS2 25.65 ab 1.33 ab174.0 a21.2 a95.3 a6.02 a
        RS3 25.12 ab1.42 a184.0 a15.3 a44.3 c6.19 a
        RS427.80 a 1.31 ab175.4 a22.7 a 87.0 ab6.22 a
        注(Note):CK-冬闲 + 稻草不还田 Neither green manure planting during winter fellow nor rice straw returning; MV-冬种紫云英 + 稻草不还田 Green manure planting during winter fallow and without rice straw returning; RS1-冬闲 + 早稻草全部还田 No green manure planting during winter fellow and all early rice straw returning; RS2-冬闲 + 早、晚稻草全部还田 No green manure planting during winter fellow and all early and late rice straw returning; RS3-冬种紫云英 + 早稻草全部还田 Green manure planting during winter fallow and all early rice straw returning; RS4-冬种紫云英 + 早稻草全部还田 + 晚稻留高茬还田 Green manure planting during winter fallow and all early rice straw returning, 30 cm high of late rice stubble returning; 不同小写字母表示处理间差异显著 Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).

        2017年各处理土壤碱解氮和有效磷含量无显著差异 (P > 0.05),但较2013年明显提高。土壤碱解氮含量以CK处理提升幅度最高,为154.8%,不同还田处理提升幅度为111.3%~131.4%。土壤有效磷含量较2013年提升幅度为21.5%~80.4%,以RS4处理提升幅度最高,RS3处理提升幅度最小。

        2017年各处理土壤速效钾含量存在一定差异,RS2处理土壤速效钾含量较CK显著提高,而其余还田处理与CK相比无显著差异 (表2)。还田处理中RS2和RS4显著高于RS3 (P < 0.05)。与2013年相比,还田处理中除RS3处理土壤速效钾含量有所下降外,其余处理均提高,增幅为7.1%~94.5%,以RS2和RS4处理提升幅度较高,MV和RS1处理提升幅度较小。

      • 土壤团聚体是形成土壤良好结构的物质基础,能够反映土壤的肥力状况[23]。连续5年试验后,各处理土壤水稳性大团聚体 (粒径 > 0.25 mm) 含量均占一半以上 (图2),说明土壤团聚性较好。各处理均以0.25~2.00 mm (不包含0.25 mm) 粒径团聚体含量最高,占40.9%~45.8%。除MV和RS2处理下0.053~0.250 mm粒径水稳性团聚体含量较CK处理显著提高外,其余还田处理不同粒径水稳性团聚体含量与CK相比均无显著性差异 (P > 0.05)。MV、RS1、RS2和RS4处理间不同粒径水稳性团聚体含量差异均不显著。RS3处理在粒径 > 2.00 mm和0.25~2.00 mm (不包含0.25 mm) 粒径的水稳性团聚体含量较高,分别占23.1%和45.8%,即粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体含量达68.9%,而在粒径0.053~0.250 mm和粒径 < 0.053 mm的水稳性团聚体含量较低,分别显著低于MV、RS2、RS4处理和MV处理 (P < 0.05)。

        图  2  2017年晚稻收获后不同处理土壤水稳性团聚体含量

        Figure 2.  The contents of soil water-stable aggregates under different treatments after late rice harvest in 2017

      • 6年田间定位试验表明,绿肥、稻草不同还田模式均可提高水稻产量,此前大量的绿肥、稻草还田研究均有相同的结论,特别是在长期定位试验上表现更为明显[10, 24-25]。这主要是因为绿肥或稻草还田的有机培肥作用不仅可以在短期内为作物生长发育提供养分,还可改善土壤肥力、提高作物对不利因素的耐性[25],从而使水稻在长时期连续高产。但是,由于不同还田模式有机物料投入量的差异,因此各还田模式促增产效果存在差异。周国朋等[26]研究发现,冬种紫云英联合稻草还田促增产效果优于两者之一单独还田,而冬种紫云英联合稻草留高茬还田又优于联合稻草低茬全部还田。周兴等[27]有一致的研究结果。本研究发现,冬种紫云英联合早稻草全部和晚稻草留高茬还田的促增产效果最佳,而以稻草单独还田效果较次,低于冬种紫云英联合早稻草全部还田和冬种紫云英,至于后两者促增产效果目前难以断定,但从产量稳定性和系统可持续角度来看,冬种紫云英联合早稻草全部还田是本试验最优处理。因此从产量角度来看,冬种紫云英联合稻草还田优于紫云英或稻草单独还田。这可能是由于绿肥稻草联合还田在发挥各自培肥优势的同时,还存在耦合效应[28],共同促进了水稻的生长发育。一方面紫云英本身含有较高的氮素,另一方面紫云英能够固氮,因此提高了土壤的氮素供应能力[29],有利于水稻生长前期分蘖的发生,进而提高水稻有效穗数,而稻草含有的有机钾在水稻生长后期逐渐被微生物分解矿化,能补充土壤钾素的不足,有利于水稻籽粒的灌浆,提高结实率和千粒重。因此,最终水稻增产。另外,绿肥稻草联合还田较两者之一单独还田有机物料投入量更多、养分更齐全,因此更有利于保持土壤养分系统的平衡,使水稻产量更为稳定和获得更高的可持续生产力。

        本试验目前研究结果还表明,冬种紫云英促增产效果优于稻草还田,这与沈亚强等[30]和Huang等[31]的研究结果一致,但要注意稻草还田增产作用有滞后性[32]。周江明[33]研究发现,相比于冬种紫云英,稻草还田增产效果逐年上升幅度更大。本试验发现,早、晚稻草全部还田处理下2017年早、晚稻产量和2018年早稻产量反超了冬种紫云英处理,这可能与稻田土壤肥力的提升有关。有研究表明,低、中等肥力土壤种植紫云英效果较好,而高肥力土壤稻草还田效果较好[33],且肥力更高土壤上紫云英稻草协同利用效果反而低于紫云英或稻草单独利用[17],而冬种紫云英和稻草还田均有利于土壤肥力的提高,说明本试验早、晚稻草全部还田处理表现出的增产效果可能在经过更长年限试验后优于冬种紫云英,甚至优于绿肥稻草联合还田的现象,因此今后应继续试验,并增加监测土壤肥力变化的次数,以得到更为可靠的研究结果。

        绿肥和稻草还田能够提高土壤肥力的研究结果已有大量报道[10-12, 14-15],其原因是绿肥和稻草秸秆中含有大量的碳、氮、磷、钾等元素,还田后经过微生物的腐解作用释放到土壤之中,增加了土壤有机质和氮磷钾养分的含量,同时,绿肥和稻草还田可增加土壤微生物群落和数量,活化作用增强,使存在于土壤之中的氮磷钾养分得以活化,进而提高了土壤肥力。本研究中各处理均提高了土壤有机质含量,但绿肥、稻草还田的增加幅度较不还田处理更为明显。其原因可能是包括不还田对照处理在内持续施入氮、磷、钾肥使土壤有机质含量有一定程度的上升[34],因为施化肥能增加作物生物学产量,从而增加对土壤有机质的投入 (根系、残茬、落叶、根系分泌物等),而绿肥、稻草还田也促使土壤有机质含量上升,因而表现为不还田对照处理土壤有机质含量有所上升,但低于还田处理的上升幅度。不同还田处理中,对土壤有机质含量影响最大的是冬种紫云英联合早稻草全部和晚稻草留高茬还田,这与施入的有机物料的量最大有关,以早稻全部还田影响最小,其余3个处理差异较小。土壤全氮含量较2013年却有所下降,特别是不还田对照处理,这与前人[19-20]的研究结果存在差异。可能是由于2012年冬季种植了紫云英,紫云英根瘤菌的固氮作用降低土壤无机氮的含量,减少了氮素的流失而提高了土壤氮含量,而使于2013年早稻种植前采集的耕层土壤全氮含量偏高,另外,各处理历年收获的稻谷从农田土壤带走了大量氮素,相对于还田处理,不还田对照处理没有绿肥或稻草秸秆等携带氮素的有机物料的投入,只有易流失、易挥发尿素氮的投入,因此土壤全氮含量下降幅度明显高于绿肥、稻草还田处理。因此,相对于不还田处理,绿肥、稻草还田更能维持土壤氮素供应。试验5年后,土壤全氮含量以冬种紫云英与冬种紫云英联合早稻草全部还田处理较高,且两处理下土壤碱解氮含量也高于其他处理,这与紫云英的固氮作用有关,至于冬种紫云英联合早稻草全部和晚稻草留高茬还田处理土壤全氮含量较低,可能是由于该处理历年早、晚稻产量均较高,高产量水稻籽粒从土壤带走了更多的氮素而使土壤氮素亏损之故。土壤有效磷含量较2013年有所增加,但各处理间无显著差异,其原因可能是每季水稻各处理持续地投入磷肥,增加了稻田土壤磷素的积累,而相对于不还田对照处理,各还田处理有机物料的投入虽然增加了稻田磷素的输入,但还田处理提高水稻产量,移出稻田的磷素量大,即投入量大,输出量也大,可能促成了某种动态的平衡。土壤速效钾含量以早、晚稻草全部还田提升效果最为显著,其次为冬种紫云英联合早稻草全部和晚稻草留高茬还田,这与稻草的投入量和稻草含钾量高有关。

        水稳性团聚体是评价土壤可蚀性的重要指标[35],可通过土壤水稳性团聚体数量和质量来分析土壤抗侵蚀能力[36]。一般而言,粒径 > 0.25 mm的团聚体相对于其他粒径团聚体稳定性更高,其含量与土壤品质正相关[37]。另外,不同粒径水稳性团聚体对吸附保存氮素的作用不同,曹良元等[38]研究发现,土壤全氮含量主要分布在粒径 > 0.25 mm的团聚体中,其次分布在粒径0.053~0.25 mm的轩聚体中,粒径 < 0.053 mm的团聚体中分布最少。刘晓东等[39]发现粒径 > 0.25 mm团聚体土壤全氮含量高,而粒径 < 0.25 mm团聚体土壤全氮含量低。表明粒径 > 0.25 mm团聚体有利于土壤氮素的积累。本研究中,各还田处理下粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体均占50%以上,说明各还田处理有利于提高土壤品质,且氮素积累能力较强,这可能也是试验5年后各还田处理土壤全氮含量差异较小和能够维持氮素供应的原因之一。

        综合考虑产量及其稳定性和可持续性以及土壤理化性质的表现,本研究认为,冬种紫云英联合稻草还田优于二者之一单独还田,而联合利用中冬种紫云英联合早稻草全部还田和晚稻草留高茬还田虽然产量稳定性和可持续性低于冬种紫云英联合早稻草全部还田,但其促增产和培肥土壤能力高于后者,且与对照相比,前者早、晚稻产量均有较高的稳定性和可持续性,因此认为冬种紫云英联合早稻草全部还田和晚稻留高茬还田是本试验的最佳处理。其优势体现在,冬种紫云英联合早稻草全部还田和晚稻草留高茬还田为来年早稻的生长发育提供了充足的养分资源,未被利用部分储存在土壤之中可供晚稻前期生长的利用,而在晚稻生育中后期早稻草逐渐腐解完全,其携带的养分可供晚稻吸收利用,这样就能够为早稻和晚稻整个生育期供应养分,而其他还田处理没有这种优势。其次,该处理还可减少冬闲田面积,解决焚烧秸秆带来的环境污染问题,弥补有机物料的不足,促进养分资源高效利用。但冬种绿肥和稻草还田加大了工作量,提高了劳动成本,且稻草还田可导致温室气体排放量增加[16, 40],早稻草作还田处理后若不能及时腐解,势必会影响晚稻前期的生长发育[41],因此,在实际生产中,应结合农事实际,合理进行绿肥、稻草还田。今后应加强不同还田处理下土壤养分表观平衡和温室气体排放量的监测,以及探索使早稻草加快腐解的方法技术,以期为绿肥、稻草还田种植模式的推广提供更为充足的理论支撑。

      • 绿肥、稻草还田可促进水稻增产,提升土壤有机质含量,维持土壤氮素供应。其中绿肥稻草联合还田较稻草或绿肥单独还田效果更好,联合还田下水稻产量更高且稳定,土壤有机质提升幅度也更高,且更能维持土壤氮素含量,以及提高粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体含量。在绿肥稻草联合还田中,冬种紫云英联合早稻草全部和晚稻草留高茬还田效果最好,产量增幅最高且具有一定的稳定性,能更齐全地提高多种土壤养分含量。因此,绿肥联合早稻草全部和晚稻草留高茬还田是湘南红壤地区维持水稻高产稳产和可持续发展的一种耕作制度。

    参考文献 (41)
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