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连续秸秆–紫云英协同还田对双季稻产量、养分积累及土壤肥力的影响

刘颖颖 卜容燕 唐杉 韩上 王慧 李敏 程文龙 李晓韦 武际 朱林

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连续秸秆–紫云英协同还田对双季稻产量、养分积累及土壤肥力的影响

    作者简介: 刘颖颖 E-mail:17682152061@163.com;
    通讯作者: 武际, E-mail:wuji338@163.com
  • 基金项目: 国家绿肥产业技术体系(CARS-22);国家重点研发计划子课题(2016YFD0300906-04);国家自然科学基金项目(41807106);安徽省国际科技合作计划项目(1604b0602022);安徽省科技重大专项(17030701055);安徽省农业科学院团队项目(2019YL044)。

Effect of continuous straw-Chinese milk vetch synergistic return to the fieldon yield, nutrient accumulation and soil fertility of double cropping rice

    Corresponding author: WU Ji, E-mail:wuji338@163.com ;
  • 摘要:   【目的】  水稻秸秆和紫云英是稻田系统重要的原位有机肥源,明确长期连续秸秆–紫云英协同还田后水稻增产趋势、养分积累和土壤肥力变化特征,以便对秸秆和绿肥资源进行综合利用。  【方法】  本试验为3年连续大田试验 (2016―2018年),以双季稻为研究对象,设置3个处理:1)早、晚稻秸秆不还田,冬季不种植紫云英 (CK);2)早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英,即秸秆单独还田 (T1);3)早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 (T2)。各处理均施用等量化肥。  【结果】  相对于对照,连续秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田周年轮作下水稻产量分别增加1.93%~9.15%和1.34%~12.48%,且连续秸秆–紫云英协同还田周年增产效果随着试验年份的增加而增加。不同年份间水稻产量变异系数和可持续性指数分析表明,连续秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田均有利于双季稻持续性高产稳产,其中秸秆–紫云英协同还田效果优于秸秆单独还田。连续3年6季还田后,秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田对水稻产量的贡献率分别为6.92%和11.10%,其中秸秆–紫云英协同还田处理比秸秆单独还田处理高76.47%。与产量变化趋势一致,连续秸秆–紫云英协同还田不仅有利于早稻氮、磷、钾养分积累,对晚稻养分积累也有一定的后效作用。与试验初始土壤养分含量相比,2018年晚稻收获后,对照土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别降低了9.03%、11.11%、3.87%和10.57%。而相对于对照,连续秸秆–紫云英协同还田处理土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别增加了20.51%、25.00%、24.16%和20.37%;相对于秸秆单独还田处理有机碳、全氮和有效磷含量分别增加了2.73%、7.14%和14.19%。  【结论】  在双季稻轮作系统中,连续秸秆–紫云英协同还田有利于早稻和晚稻获得高产和稳产,同时增加早稻氮、磷、钾养分积累,提高土壤有机碳、全氮和有效磷含量,是综合利用秸秆和绿肥资源较好的方式。
  • 表 1  2016―2018年不同处理下双季稻 (早稻、晚稻)的产量变化

    Table 1.  Variations in yield of the double cropping rice (early rice and late rice) under different treatments during 2016–2018

    水稻类型
    Rice type
    处理
    Treatment
    201620172018变异系数
    CV
    产量可持续
    性指数
    SYI
    产量
    Yield
    (kg/hm2)
    增产率
    Increase rate
    (%)
    产量
    Yield
    (kg/hm2)
    增产率
    Increase rate
    (%)
    产量
    Yield
    (kg/hm2)
    增产率
    Increase rate
    (%)
    早稻
    Early rice
    CK8660 ± 299 a7986 ± 252 b7701 ± 273 b0.060.880
    T18834 ± 238 a2.018916 ± 246 a11.658330 ± 195 a 8.170.040.939
    T28844 ± 201 a2.138786 ± 217 a10.018663 ± 250 a12.500.010.981
    晚稻
    Late rice
    CK7799 ± 217 a6426 ± 246 c7296 ± 182 c0.100.856
    T17943 ± 203 a1.856815 ± 157 b 6.057782 ± 218 b 6.660.080.890
    T27836 ± 217 a0.487259 ± 166 a12.968206 ± 275 a12.470.060.905
    周年
    Whole year
    CK16459 ± 441 a 14412 ± 139 b 14997 ± 428 c 0.070.865
    T116777 ± 391 a 1.9315731 ± 434 a 9.1516112 ± 161 b 7.430.030.935
    T216680 ± 384 a 1.3416045 ± 279 a 11.3316869 ± 377 a 12.480.020.954
    注(Note):表中数据为 3 次重复平均值 The data are means of three replicates; CK―早、晚稻秸秆不还田,冬季不种植紫云英 No rice straw returning and nor Chinese milk vetch planting in winter; T1―早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英 Whole rice straws returning but no Chinese milk vetch planting in winter; T2―早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 Whole rice straws returning and Chinese milk vetch planting in winter. CV―Coefficient of variation;SYI―Yield sustainability index. 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P< 0.05) Values followed by different letters in a column mean significant difference among treatments (P< 0.05).
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    表 2  2018年秸秆和紫云英还田对双季稻 (早稻、晚稻)产量的贡献率

    Table 2.  Contribution rate of straw-Chinese milk vetch synergistic return to yield of the double cropping rice (early rice and late rice) in 2018

    水稻类型
    Rice type
    处理
    Treatment
    增产量 (kg/hm2)
    Increment
    贡献率 (%)
    Contribution rate
    早稻Early riceT1629 7.55
    T296211.10
    晚稻Late riceT1486 6.25
    T291011.09
    周年Whole yearT11115 6.92
    T21872 11.10
    注(Note):T1―早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英 Whole rice straws returning but no Chinese milk vetch planting in witer; T2―早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 Whole rice straws returning and Chinese milk vetch planting in witer .
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    表 3  2018年不同处理下早稻、晚稻的养分积累量

    Table 3.  Accumulation of nutrients in early and late rice under different treatments in 2018

    养分
    Nutrient
    处理
    Treatment
    早稻Early rice晚稻Late rice周年Whole
    积累量
    Accumulation
    (kg/hm2)
    增加
    Increase
    (%)
    积累量
    Accumulation
    (kg/hm2)
    增加
    Increase
    (%)
    积累量Accumulation
    (kg/hm2)
    增加
    Increase
    (%)
    NCK113.0 ± 4.7 c136.3 ± 13.4 b249.3 ± 13.6 c
    T1130.6 ± 0.7 b15.58160.0 ± 18.4 a17.39290.6 ± 9.2 b16.57
    T2147.8 ± 11.1 a30.80175.1 ± 17.8 a28.47322.9 ± 13.5 a29.52
    PCK48.0 ± 0.9 b63.5 ± 6.0 a111.5 ± 6.8 c
    T156.0 ± 1.3 a16.6767.8 ± 8.0 a 0.44123.8 ± 7.5 b 7.19
    T257.3 ± 2.4 a19.3874.6 ± 5.4 a10.52131.9 ± 7.8 a14.20
    KCK111.6 ± 7.9 b103.5 ± 5.1 c215.1 ± 8.1 c
    T1154.1 ± 10.2 a38.08143.7 ± 9.5 b38.84297.8 ± 7.7 b38.45
    T2160.8 ± 10.9 a44.09167.1 ± 15.2 a61.45327.9 ± 8.7 a52.44
    注(Note):表中数据为 3 次重复平均值 The data are means of three replicates; CK―早、晚稻秸秆不还田,冬季不种植紫云英 No rice straw returning and nor Chinese milk vetch planting in winter; T1―早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英 Whole rice straws returning but no Chinese milk vetch planting in winter; T2―早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 Whole rice straws returning and Chinese milk vetch planting in winter. 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column mean significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 4  2018年不同处理下土壤养分含量

    Table 4.  Soil nutrient content under different treatments in 2018

    处理
    Treatment
    有机碳 (g/kg)
    Organic carbon
    全氮 (g/kg)
    Total N
    有效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    CK31.2 b1.2 b 14.9 bc70.2 b
    T136.6 a1.4 a16.2 b89.1 a
    T237.6 a1.5 a18.5 a84.5 a
    注(Note):表中数据为 3 次重复平均值 The data are means of three replicates; CK―早、晚稻秸秆不还田,冬季不种植紫云英 No rice straw returning and nor Chinese milk vetch planting in winter; T1―早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英 Whole rice straws returning but no Chinese milk vetch planting in winter; T2―早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 Whole rice straws returning and Chinese milk vetch planting in winter. 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column mean significant difference among treatments (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-26
  • 网络出版日期:  2020-07-20
  • 刊出日期:  2020-06-01

连续秸秆–紫云英协同还田对双季稻产量、养分积累及土壤肥力的影响

    作者简介:刘颖颖 E-mail:17682152061@163.com
    通讯作者: 武际, wuji338@163.com
  • 1. 安徽农业大学资源与环境学院,安徽合肥 230036
  • 2. 安徽省农业科学院土壤肥料研究所,安徽合肥 230031
  • 3. 养分循环与资源环境安徽省重点实验室,安徽合肥 230031
  • 基金项目: 国家绿肥产业技术体系(CARS-22);国家重点研发计划子课题(2016YFD0300906-04);国家自然科学基金项目(41807106);安徽省国际科技合作计划项目(1604b0602022);安徽省科技重大专项(17030701055);安徽省农业科学院团队项目(2019YL044)。
  • 摘要:   【目的】  水稻秸秆和紫云英是稻田系统重要的原位有机肥源,明确长期连续秸秆–紫云英协同还田后水稻增产趋势、养分积累和土壤肥力变化特征,以便对秸秆和绿肥资源进行综合利用。  【方法】  本试验为3年连续大田试验 (2016―2018年),以双季稻为研究对象,设置3个处理:1)早、晚稻秸秆不还田,冬季不种植紫云英 (CK);2)早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英,即秸秆单独还田 (T1);3)早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 (T2)。各处理均施用等量化肥。  【结果】  相对于对照,连续秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田周年轮作下水稻产量分别增加1.93%~9.15%和1.34%~12.48%,且连续秸秆–紫云英协同还田周年增产效果随着试验年份的增加而增加。不同年份间水稻产量变异系数和可持续性指数分析表明,连续秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田均有利于双季稻持续性高产稳产,其中秸秆–紫云英协同还田效果优于秸秆单独还田。连续3年6季还田后,秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田对水稻产量的贡献率分别为6.92%和11.10%,其中秸秆–紫云英协同还田处理比秸秆单独还田处理高76.47%。与产量变化趋势一致,连续秸秆–紫云英协同还田不仅有利于早稻氮、磷、钾养分积累,对晚稻养分积累也有一定的后效作用。与试验初始土壤养分含量相比,2018年晚稻收获后,对照土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别降低了9.03%、11.11%、3.87%和10.57%。而相对于对照,连续秸秆–紫云英协同还田处理土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别增加了20.51%、25.00%、24.16%和20.37%;相对于秸秆单独还田处理有机碳、全氮和有效磷含量分别增加了2.73%、7.14%和14.19%。  【结论】  在双季稻轮作系统中,连续秸秆–紫云英协同还田有利于早稻和晚稻获得高产和稳产,同时增加早稻氮、磷、钾养分积累,提高土壤有机碳、全氮和有效磷含量,是综合利用秸秆和绿肥资源较好的方式。

    English Abstract

    • 安徽省位于我国长江流域上游,稻田面积广阔,高达220万hm2,排在全国前列,是我国重要的水稻生产基地[1]。科学施肥是提高水稻产量的重要措施。然而调查数据表明,当前稻田系统化肥投入过量现象较为普遍[2],过量的化肥投入并未带来产量的同步提升[3-4]。化肥的过量施用不仅造成资源的浪费,也引发了一系列的环境问题[5]。安徽省具有丰富的水、热资源,多数地区适合进行多熟制种植。在双季稻种植区,晚稻收获后至次年早稻种植前一般有4~5个月的冬闲期,而冬闲田的存在使土地、光、热等自然资源没有得到合理的利用,并且长期稻–稻–冬闲种植方式也会造成耕层土壤板结、土壤肥力下降,限制土地生产能力[6]。已有研究表明,利用冬闲田种植冬季绿肥并于次年春季翻压还田,不仅可以充分地利用第二季的水、热、光等自然资源,还可以改善土壤物理、化学和生物学性状,提高下一季作物产量,是一种绿色环保的可持续种植方式[7]

      水稻秸秆还田是一种秸秆可持续利用方式,在我国得到大力推广[8]。但高C/N值 (60∶1左右)的水稻秸秆大量还田易在短期内引起有效氮含量下降,造成作物生长前期氮素营养不足[9]。且连续大量还田的秸秆可能会导致腐解速率变慢,产生一些毒害物质等[10]。因此水稻秸秆还田虽然是一种有效的培肥方式,但是仍然需要改善还田方式,以保证还田养分释放与后季作物需求相匹配。与水稻秸秆不同,利用冬闲种植豆科绿肥,不仅能起到固氮作用,翻压后更易释放养分供后季作物吸收利用[11]。但豆科绿肥C/N值较低 (15~20∶1),一般研究认为低C/N值有机物料对土壤有机碳库具有负面效应[12],除此之外,由于绿肥作物在腐解前期为微生物提供的大量碳源和养分,随着绿肥中可溶性有机物及无机养分的消耗其腐解规律表现为前期腐解快、后期腐解慢[12-13]。Pramanik等[14]研究表明,非豆科作物和豆科作物配合可以提高非豆科作物秸秆矿化速率,有利于养分释放。目前已经有不少研究发现,利用冬种绿肥和水稻秸秆协同还田可以提高下茬水稻产量,改善土壤肥力[15-16]。但是这些研究大多是基于短期试验,且也有研究指出短期内秸秆、绿肥还田不利于水稻产量形成[17-19]。目前关于绿肥和秸秆协同还田长期效应还鲜有报道,因此明确不同有机物料长期连续还田后水稻增产趋势和土壤肥力变化特征,对综合利用绿肥和水稻秸秆资源具有重要的意义。为此,我们在安徽省双季稻种植区开展了连续秸秆–紫云英协同还田的田间试验,以期明确连续秸秆–紫云英还田对水稻产量、养分积累和土壤肥力的影响,为稻田系统综合利用冬季绿肥与水稻秸秆资源提供理论依据。

      • 田间试验在安徽省庐江县汤池镇双墩村 (117°17'N、31°40′E) 进行,于2015年晚稻收获后开始,晚稻平均产量为8256 kg/hm2,至2018年10月结束。该地属亚热带季风气候,年平均气温15℃~17 ℃,年日照时数2065~2400 h,年降雨量773~1670 mm。耕作层土壤 (0—20 cm) 的基本化学性质:有机碳34.3 g/kg、全氮1.35 g/kg、有效磷15.5 mg/kg、速效钾78.5 mg/kg、pH 6.23。

      • 本试验共设置3个处理:1) 早、晚稻秸秆不还田,冬季不种植紫云英 (CK);2) 早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英,即秸秆单独还田 (T1);3) 早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 (T2)。秸秆还田处理为早、晚稻秸秆均全量还田。每个处理3次重复,田间小区随机区组排列,小区面积为100 m2。紫云英盛花期全部刈割鲜草翻压还田,生物量为22500~30000 kg/hm2 (鲜草养分平均含量为N 0.35%、P2O5 0.09%、K2O 0.15%),早稻季翻压还田紫云英带入的N、P2O5、K2O养分分别为78~105、20~27、34~45 kg/hm2。当季早稻和晚稻收获后还田的秸秆量平均分别为8180~8750和6840~7890 kg/hm2。早稻秸秆带入的N、P2O5、K2O养分分别为28~30、18~20、189~203 kg/hm2,晚稻分别为55~63、11~13、120~140 kg/hm2

        早稻供试品种为 ‘浙辐203’ ,晚稻为 ‘镇稻18’ 。每年4月中旬在紫云英盛花期,早稻移栽前一周,将紫云英与留高茬的晚稻秸秆一起进行机械翻压还田,平整后浅水浸沤。4月下旬移栽早稻,7月下旬适时收割;晚稻于每年的7月下旬施基肥并移栽,11月中旬适时收割。早晚稻秧苗均采用软盘湿润育秧抛栽,抛栽密度35万穴/hm2。紫云英播种量为30 kg/hm2,晚稻收割前15~20天套播。为了保证水稻养分需求,所有小区均施入等量的化肥,试验所用的氮、磷、钾和锌肥分别为尿素 (N 46%)、过磷酸钙 (P2O5 12%)、氯化钾 (K2O 60%) 和硫酸锌 (Zn 21%)。其中早稻氮、磷、钾和锌肥施入量分别为220、90、207、7.5 kg/hm2,晚稻氮、磷、钾和锌肥施入量分别为255、85、210、7.5 kg/hm2。磷、钾肥全部基施,氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥为5∶3∶2分3次施用。田间管理与当地农田管理措施一致。

      • 土壤样品采集:试验开始前取基础土壤,匀地后分别在每个小区按多点“S”形取样原则采集0―20 cm耕层土壤样品,室内自然风干后分为两个部分,一部分土壤过0.15 mm筛 (100目)后用于有机碳和全氮分析,另一部分土壤过0.9 mm筛 (20目)后进行有效磷、速效钾、pH分析。其中有机碳采用重铬酸钾外加热法测定;全氮采用浓H2SO4消化―凯氏定氮法测定;有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提―钼锑抗比色法测定;速效钾采用1.0 mol/L NH4OAc浸提―火焰光度法测定;pH采用电极法 (土水比1∶2.5) 测定。2018年11月15日晚稻收获后当天在每个试验小区内按多点“S”形取样原则采集0―20 cm耕层土壤样品,样品处理与测定方法同基础土壤。

        成熟期植株样品:每季早、晚稻成熟收获前一天,每个小区随机选择6蔸水稻样品带回实验室,烘干至恒重后,粉碎过筛,用浓H2SO4–H2O2消化,过滤后用于氮、磷和钾养分测定。全氮采用半微量凯氏定氮法测定;全磷采用钼锑抗比色法测定;全钾采用火焰光度计法测定[20]。全小区单打单收计产。

      • 1) 产量稳定性 产量稳定性用统计学中变异系数 (CV) 表示,衡量早、晚稻在不同年份不同处理平均产量间的变异程度,其值越小,说明产量稳定性越高[20]

        变异系数 (coefficient of variation,CV)=$\sigma /\overline \Upsilon $

        式中,$\overline \Upsilon$为水稻平均产量 (kg/hm2);σ为标准差。

        2) 产量可持续性指数 (yield sustainability index,SYI) 产量可持续性指数是衡量系统是否能持续稳定生产的一个可靠参数,SYI值越大,系统的可持续性越好[21]

        SYI=($\overline \Upsilon - \sigma$)/ Ymax

        式中,Ymax为水稻最高产量 (kg/hm2)。

        3) 秸秆和绿肥投入后对水稻产量的贡献率 (contributoon rate,CR) 把秸秆不还田、不种植紫云英 (CK) 处理的水稻产量视为土壤 (地力) 对产量的贡献,以此为基准进行计算,反映投入秸秆–紫云英对水稻产量的贡献能力,其值越大,说明投入的秸秆–紫云英对水稻产量贡献能力越好[22]

        CR=(YY0)/Y

        式中,Y为养分投入区的水稻产量;Y0无养分投入区的水稻产量。

      • 用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理,用SPSS 20.0软件进行方差分析,并采用最小显著差数法 (LSD) 进行差异显著性检验 (P < 0.05)。

      • 表1可知,相对于CK处理,连续秸秆单独还田、秸秆–紫云英协同还田均可增加早稻和晚稻的产量,增产效果逐年增加,至第3季 (2017年早稻),秸秆单独还田处理和秸秆–紫云英协同还田处理增产效果达到显著水平 (P < 0.05)。至第4季 (2017年晚稻),秸秆–紫云英协同还田处理水稻产量显著高于秸秆单独还田处理。在本试验条件下,到第5季 (2018年早稻),秸秆单独还田处理和秸秆–紫云英协同还田处理相对于CK处理,水稻分别增产8.17%和12.50%,秸秆–紫云英协同还田处理水稻产量比秸秆单独还田处理增加4.00%。第6季 (2018年晚稻),秸秆单独还田处理和秸秆–紫云英协同还田处理水稻分别增产6.66%和12.47%,秸秆–紫云英协同还田处理水稻产量比秸秆单独还田处理增加5.45%。分析两季总产量可知,秸秆–紫云英协同还田处理增产效果明显优于秸秆单独还田处理,并且在2018年差异达到显著水平 (P < 0.05)。通过对产量变异系数和可持续性指数分析可知,秸秆单独还田处理、秸秆–紫云英协同还田处理均降低不同年份间产量的变异系数,增加了可持续性指数,其中秸秆–紫云英协同还田处理变异系数最小,可持续性指数最大,表明秸秆单独还田、秸秆–紫云英协同还田均利于早稻和晚稻持续性稳产,并且秸秆–紫云英协同还田效果优于秸秆单独还田。

        表 1  2016―2018年不同处理下双季稻 (早稻、晚稻)的产量变化

        Table 1.  Variations in yield of the double cropping rice (early rice and late rice) under different treatments during 2016–2018

        水稻类型
        Rice type
        处理
        Treatment
        201620172018变异系数
        CV
        产量可持续
        性指数
        SYI
        产量
        Yield
        (kg/hm2)
        增产率
        Increase rate
        (%)
        产量
        Yield
        (kg/hm2)
        增产率
        Increase rate
        (%)
        产量
        Yield
        (kg/hm2)
        增产率
        Increase rate
        (%)
        早稻
        Early rice
        CK8660 ± 299 a7986 ± 252 b7701 ± 273 b0.060.880
        T18834 ± 238 a2.018916 ± 246 a11.658330 ± 195 a 8.170.040.939
        T28844 ± 201 a2.138786 ± 217 a10.018663 ± 250 a12.500.010.981
        晚稻
        Late rice
        CK7799 ± 217 a6426 ± 246 c7296 ± 182 c0.100.856
        T17943 ± 203 a1.856815 ± 157 b 6.057782 ± 218 b 6.660.080.890
        T27836 ± 217 a0.487259 ± 166 a12.968206 ± 275 a12.470.060.905
        周年
        Whole year
        CK16459 ± 441 a 14412 ± 139 b 14997 ± 428 c 0.070.865
        T116777 ± 391 a 1.9315731 ± 434 a 9.1516112 ± 161 b 7.430.030.935
        T216680 ± 384 a 1.3416045 ± 279 a 11.3316869 ± 377 a 12.480.020.954
        注(Note):表中数据为 3 次重复平均值 The data are means of three replicates; CK―早、晚稻秸秆不还田,冬季不种植紫云英 No rice straw returning and nor Chinese milk vetch planting in winter; T1―早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英 Whole rice straws returning but no Chinese milk vetch planting in winter; T2―早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 Whole rice straws returning and Chinese milk vetch planting in winter. CV―Coefficient of variation;SYI―Yield sustainability index. 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P< 0.05) Values followed by different letters in a column mean significant difference among treatments (P< 0.05).
      • 表2可知,连续秸秆–紫云英协同还田对早、晚稻产量均有贡献作用。相较于CK处理,秸秆单独还田处理早稻和晚稻对产量的贡献率分别为7.55%和6.25%。而秸秆–紫云英协同还田处理对早稻和晚稻产量的贡献率明显高于秸秆单独还田处理,均达到11.10%。与秸秆单独还田处理相比,早稻季秸秆–紫云英协同还田处理对产量的贡献率提高47.02%;晚稻季秸秆–紫云英协同还田处理对产量的贡献率高77.44%;周年双季稻轮作下,秸秆–紫云英协同还田处理对产量的贡献率提高76.47%。从对水稻产量的贡献率来讲,秸秆–紫云英协同还田的作用优于秸秆单独还田。

        表 2  2018年秸秆和紫云英还田对双季稻 (早稻、晚稻)产量的贡献率

        Table 2.  Contribution rate of straw-Chinese milk vetch synergistic return to yield of the double cropping rice (early rice and late rice) in 2018

        水稻类型
        Rice type
        处理
        Treatment
        增产量 (kg/hm2)
        Increment
        贡献率 (%)
        Contribution rate
        早稻Early riceT1629 7.55
        T296211.10
        晚稻Late riceT1486 6.25
        T291011.09
        周年Whole yearT11115 6.92
        T21872 11.10
        注(Note):T1―早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英 Whole rice straws returning but no Chinese milk vetch planting in witer; T2―早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 Whole rice straws returning and Chinese milk vetch planting in witer .
      • 表3表明,连续秸秆单独还田、秸秆–紫云英协同还田均可显著增加早稻和晚稻氮素积累量。相对于CK处理,秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田处理显著增加水稻氮素积累量 (P < 0.05),在早稻季,秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田处理早稻氮素积累量分别增加15.58%和30.80%,并且秸秆–紫云英协同还田处理相对于秸秆单独还田处理氮素积累量显著增加了13.17% (P < 0.05);在晚稻季,秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田处理晚稻氮素积累量分别增加17.39%和28.47%,并且秸秆–紫云英协同还田处理相对于秸秆单独还田处理氮素积累量增加了9.44%。通过双季稻周年氮素积累量分析可知,秸秆–紫云英协同还田处理氮素积累量比秸秆单独还田处理高7.67%,达到显著水平 (P < 0.05),表明秸秆–紫云英协同还田比秸秆单独还田更能促进水稻氮素积累。

        表 3  2018年不同处理下早稻、晚稻的养分积累量

        Table 3.  Accumulation of nutrients in early and late rice under different treatments in 2018

        养分
        Nutrient
        处理
        Treatment
        早稻Early rice晚稻Late rice周年Whole
        积累量
        Accumulation
        (kg/hm2)
        增加
        Increase
        (%)
        积累量
        Accumulation
        (kg/hm2)
        增加
        Increase
        (%)
        积累量Accumulation
        (kg/hm2)
        增加
        Increase
        (%)
        NCK113.0 ± 4.7 c136.3 ± 13.4 b249.3 ± 13.6 c
        T1130.6 ± 0.7 b15.58160.0 ± 18.4 a17.39290.6 ± 9.2 b16.57
        T2147.8 ± 11.1 a30.80175.1 ± 17.8 a28.47322.9 ± 13.5 a29.52
        PCK48.0 ± 0.9 b63.5 ± 6.0 a111.5 ± 6.8 c
        T156.0 ± 1.3 a16.6767.8 ± 8.0 a 0.44123.8 ± 7.5 b 7.19
        T257.3 ± 2.4 a19.3874.6 ± 5.4 a10.52131.9 ± 7.8 a14.20
        KCK111.6 ± 7.9 b103.5 ± 5.1 c215.1 ± 8.1 c
        T1154.1 ± 10.2 a38.08143.7 ± 9.5 b38.84297.8 ± 7.7 b38.45
        T2160.8 ± 10.9 a44.09167.1 ± 15.2 a61.45327.9 ± 8.7 a52.44
        注(Note):表中数据为 3 次重复平均值 The data are means of three replicates; CK―早、晚稻秸秆不还田,冬季不种植紫云英 No rice straw returning and nor Chinese milk vetch planting in winter; T1―早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英 Whole rice straws returning but no Chinese milk vetch planting in winter; T2―早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 Whole rice straws returning and Chinese milk vetch planting in winter. 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column mean significant difference among treatments (P < 0.05).
      • 不同处理对早晚稻磷素积累量有一定的影响 (表3),连续秸秆单独还田、秸秆–紫云英协同还田均增加了双季稻磷素积累量。相对于对照处理,秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田处理周年磷素积累量显著增加 (P < 0.05),其中秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田处理早稻磷素积累量分别增加16.67%和19.38%,但是秸秆–紫云英协同还田处理磷素积累量与秸秆单独还田处理差异不显著。分析双季稻周年磷素积累量可知,秸秆–紫云英协同还田处理磷素积累量比秸秆单独还田处理高7.01%,达到显著水平 (P < 0.05),表明在双季稻轮作系统中,秸秆–紫云英协同还田比秸秆单独还田更能有效促进水稻磷素积累。

      • 连续秸秆–紫云英协同还田对于早、晚稻钾素总积累量有显著影响 (表3)。与CK处理相比,在早稻季,秸秆单独还田、秸秆–紫云英协同还田处理钾素积累量的增幅为38.08%和44.09%,秸秆–紫云英协同还田处理比秸秆单独还田处理仅增加6.01%。在晚稻季秸秆单独还田、秸秆–紫云英协同还田处理钾素积累量的增幅为38.84%和61.45%,与早稻季不同的是,秸秆–紫云英协同还田处理比秸秆单独还田处理增加22.61%。所有处理中,以秸秆–紫云英协同还田处理双季稻钾素周年积累量最高,为327.9 kg/hm2,秸秆–紫云英协同还田处理钾素周年积累量比CK处理增加52.44%。由此可见,尽管紫云英是在早稻季翻压还田,但是对于晚稻季的钾素积累也有一定的贡献作用。

      • 与试验初始土壤养分含量相比,连续秸秆还田和紫云英翻压还田改变了土壤肥力 (表4)。2018年晚稻收获后,对照处理土壤比试验初始土壤的有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别下降了9.03%,11.11%,3.87%和10.57%。秸秆–紫云英协同还田处理土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量明显增加,相对于CK处理分别增加了20.51%、25.00%、24.16%和20.37%;相对于秸秆单独还田处理,秸秆–紫云英协同还田处理土壤有机碳、全氮和有效磷含分别增加了2.73%、7.14%、14.19%,但是速效钾含量下降了5.16%。

        表 4  2018年不同处理下土壤养分含量

        Table 4.  Soil nutrient content under different treatments in 2018

        处理
        Treatment
        有机碳 (g/kg)
        Organic carbon
        全氮 (g/kg)
        Total N
        有效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        CK31.2 b1.2 b 14.9 bc70.2 b
        T136.6 a1.4 a16.2 b89.1 a
        T237.6 a1.5 a18.5 a84.5 a
        注(Note):表中数据为 3 次重复平均值 The data are means of three replicates; CK―早、晚稻秸秆不还田,冬季不种植紫云英 No rice straw returning and nor Chinese milk vetch planting in winter; T1―早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英 Whole rice straws returning but no Chinese milk vetch planting in winter; T2―早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 Whole rice straws returning and Chinese milk vetch planting in winter. 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column mean significant difference among treatments (P < 0.05).
      • 秸秆和绿肥是重要的可原位利用的有机肥源,合理地利用可以有效地降低经济成本和环境污染,是农业可持续发展的重要方式,具有十分重要的意义。本研究结果表明,连续秸秆单独还田、秸秆–紫云英协同还田均不同程度地提高水稻产量。本研究结果与高菊生等[23]、成臣等[24]的研究结果一致。除了增加水稻的产量,本研究结果还表明,不同处理对水稻的增产效果受到试验年份的影响。连续秸秆单独还田、秸秆–紫云英协同还田均利于早稻和晚稻产量持续性稳产,并且秸秆–紫云英协同还田效果优于秸秆单独还田。由于还田方式的不同,投入的有机物料的C/N值及养分数量和质量均明显不同,对土壤养分的供应产生深远的影响[25-27]。一般认为水稻秸秆C/N值高,短期内还田会造成土壤氮有效性降低,不利于作物氮素吸收,影响水稻产量。周国朋等[15]的研究也证实了这一点。但是本试验结果与Kumar等[17]的研究结果有所不同,主要表现在本试验的前2季,秸秆和绿肥对水稻产量没有产生明显影响。这可能与本试验田块土壤养分含量高,并且化肥养分投入充足有关。在化肥投入充足的情况下,养分可能不是水稻生长主要限制因素[28]。所以在试验开始的年份,不同处理间水稻产量差异不显著。但是随着试验年份的增加,无有机物料投入的处理土壤肥力在下降,而有有机物料投入的田块土壤肥力在增加。我们的试验结果表明,对照处理的土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量相对于试验开始前均有不同程度的降低,而秸秆单独还田、秸秆–紫云英协同还田处理土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量均有不同程度的增加,证实了这部分推测。因此从试验第3季开始,相对于对照处理,秸秆单独还田、秸秆–紫云英协同还田处理明显增加水稻产量和养分积累。且秸秆–紫云英协同还田处理对水稻产量的贡献率比秸秆单独还田处理高76.47%,连续秸秆–紫云英协同还田更有利于早稻和晚稻增产。一方面,紫云英可以固氮,并且与秸秆协同还田带入的养分更多,土壤培肥效果更好[29];另一方面,水稻秸秆富含纤维素、木质素等不易分解的大分子化合物,短期内不易分解释放养分,而新鲜紫云英释放养分较快,一般在翻压后30天内氮素大部分已释放出,而此时水稻处于幼苗期,对氮养分需求较少,易造成较多的氮损失到环境中[30]。夏志敏等[31]研究表明,不同有机物料配施还田时,在腐解过程中有机物料之间会发生交互作用,从而表现出不同的腐解规律。卜容燕等[32]比较不同轮作模式下氮素供应机制,发现高C/N值的水稻秸秆还田后会降低下茬作物生长前期氮素吸收,但会增加生长后期氮素吸收;低C/N值的棉花叶片还田可以增加作物生长前期氮素吸收。从这个角度分析,可以理解为秸秆和紫云英协同还田改变了土壤养分供应过程,从而协调土壤养分供应与作物对养分的需求同步,促进作物养分吸收。因此在本试验条件下,秸秆–紫云英协同还田不仅有利于早稻氮磷钾养分积累,对晚稻养分积累也有一定的后效作用。其原因可能是秸秆和紫云英协同还田发挥了秸秆和紫云英的优势,秸秆通过养分归还供应大量钾素,种植豆科绿肥不仅加强固氮作用,还吸收储存有效磷,且秸秆覆盖可为绿肥的生长提供合适的温度与水分,促进绿肥的腐解,绿肥养分的释放促进土壤微生物的生长来加速秸秆的腐解,相辅相成,增加养分积累效应[33-34]。在本试验条件下,紫云英翻压还田后,钾素养分释放较快,而此时早稻处于生育前期,对钾素养分需求不高。多余的钾素一部分流失到环境中,一部分被土壤吸附固定,这部分被吸附固定的钾素除了被早稻吸收利用外,还会被晚稻吸收利用,具有一定的后效作用[35]。因此秸秆–紫云英协同还田除了增加早稻的钾素吸收,还会增加晚稻的钾素吸收。相对于秸秆单独还田处理,秸秆–紫云英协同还田处理土壤速效钾含量出现下降,这是因为在本试验条件下,紫云英生长过程中没有外界钾素提供,全部来自于土壤原有的钾素养分。虽然进行了原位翻压还田,但是紫云英中仍然有一部分钾素养分没有释放出来。而释放出来的钾素主要集中在翻压还田后的15天内,此时水稻钾养分需求不多,易造成钾素流失[36]。除此之外秸秆–紫云英协同还田后相对于其他处理水稻生物量较大,作物收获带走的钾素更多。因此,相对于秸秆单独还田处理,秸秆与紫云英协同还田处理土壤速效钾含量出现下降。

      • 1) 与秸秆单独还田比较,连续秸秆–紫云英协同还田更利于早稻和晚稻持续性高产、稳产,有利于秸秆和绿肥资源的综合利用。

        2) 连续秸秆–紫云英协同还田有利于早稻氮、磷、钾养分积累,对晚稻养分积累也有一定后效,并可显著提升土壤有机碳、全氮和有效磷含量。

    参考文献 (36)

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