Differences of annual nutrient budgets between rapeseed−rice and wheat−rice rotations in the Yangtze River Basin
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摘要:目的
评估1990—2017年长江流域不同轮作体系周年养分收支平衡，比较油−稻与麦−稻轮作体系养分收支差异，为提高周年养分利用效率、优化水旱轮作区域养分资源的合理分配提供依据。
方法收集了长江流域[四川、重庆、贵州、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、浙江和上海等省 (市)] 513个试验的油−稻与麦−稻轮作体系各季作物施肥量、生物量 (含秸秆和根茬及落叶归还)、养分含量、积累量，分析了油−稻与麦−稻轮作体系周年氮、磷、钾养分收支平衡，比较和评估了两种轮作体系氮的损失量 (包含NH3挥发、N2O排放以及氮的径流和淋溶)。
结果油−稻轮作周年平均化肥投入量为N 378.5 kg/hm2、P2O5 169.9 kg/hm2和K2O 225.7 kg/hm2，麦−稻轮作为N 394.4 kg/hm2、P2O5 172.5 kg/hm2和K2O 210.8 kg/hm2，两种轮作方式施肥量未表现出明显差异。油−稻轮作还田生物量 (18984 kg/hm2) 高于麦−稻轮作 (18123 kg/hm2)。油−稻轮作周年养分归还量为N 142.5 kg/hm2、P2O5 46.4 kg/hm2和K2O 441.3 kg/hm2，较麦−稻轮作分别高出9.7%、6.7%和27.4%。落叶是油菜季养分归还量的重要部分，其带入的氮、磷、钾养分分别占到油菜还田养分总量的29.3%、18.5%和16.3%，使得油菜季养分输入量明显高于小麦季；而小麦由于群体生物量大，两种轮作模式水稻季的养分输入以麦−稻轮作优势明显 (钾素除外)。麦−稻轮作周年地上部养分带走量为N 333.9 kg/hm2、P2O5 125.8 kg/hm2和K2O 379.3 kg/hm2，分别较油−稻轮作高出14.6%、2.1%和−13.4%。油−稻与麦−稻轮作周年氮损失量分别为N 96.7和88.8 kg/hm2，占周年施氮量的22.5%～25.5%。油菜季氮损失量平均N 34.5 kg/hm2，略高于小麦季的N 29.8 kg/hm2。水稻季氮损失量明显高于旱季作物，两种轮作体系相差较小 (N 59.0～62.2 kg/hm2)。不同氮损失途径中，NH3挥发损失的氮所占比例最大，占各季施氮量的7.2%～18.4%；其次是氮的淋溶和径流损失，约为6.7%～12.7%；N2O排放所占比例最小 (1.1%～2.1%)。秸秆不还田时，油−稻轮作体系氮素盈余N 37.3 kg/hm2，麦−稻体系持平或略有亏缺 (N −6.0 kg/hm2)，两种轮作体系P2O5盈余53.3～58.4 kg/hm2、K2O亏缺138.3～145.0 kg/hm2。秸秆还田后，油−稻轮作体系周年养分收支平衡量为N 133.0 kg/hm2、P2O5 93.1 kg/hm2和K2O 229.0 kg/hm2，分别较麦−稻轮作高出30.9%、3.2%和28.7%。
结论水旱轮作体系在秸秆不还田时，油−稻体系氮盈余，麦−稻体系氮持平或略有亏缺，两个体系磷均有盈余而钾素处于亏缺状态。秸秆还田时，两种轮作体系氮、磷、钾均表现为盈余，说明秸秆还田能够增加养分输入，维持土壤养分的平衡。由于油菜落叶归还大量氮素，油−稻轮作较麦−稻轮作体系氮素盈余量高，因此，油−稻轮作可考虑降低氮肥的施用。
Abstract:ObjectivesThe differences of annual nutrient budgets were evaluated and compared between rapeseed−rice (R-R) and wheat−rice(W-R) rotations in the Yangtze River Basin during 1990 to 2017, aiming to provide basis for improving annual nutrient use efficiency and optimizing rational distribution of nutrient resources in paddy-upland rotation systems.
MethodsTotal of 513 field experiments for R-R and W-R rotations were collected, covering Sichuan, Chongqing, Guizhou, Hubei, Hunan, Jiangxi, Anhui, Jiangsu, Shanghai and Zhejiang provinces, China. The data included fertilizer rates, crop biomass, nutrient concentration, nutrient accumulation, nitrogen losses and so on, and the return of straw, stubble and litter loss were involved in crop biomass, and ammonia volatilization, nitrous oxide emissions, nitrogen leaching and runoff were involved in nitrogen losses. Then annual nutrient budgets of nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) were analyzed, and the nitrogen losses were calculated.
ResultsThere was no significant difference in fertilizer rates for the two rotation systems. The average annual N, P2O5, K2O rates were 378.5 kg/hm2, 169.9 kg/hm2, 225.7 kg/hm2 for the R-R rotation and 394.4 kg/hm2, 172.5 kg/hm2, 210.8 kg/hm2 for the W-R rotation. The returning biomass of R-R rotation was 18984 kg/hm2, which was higher than that of 18123 kg/hm2 in W-R rotation. The average annual N, P2O5 and K2O returning for R-R rotation were 142.5 kg/hm2, 46.4 kg/hm2 and 441.3 kg/hm2, which were 9.7%, 6.7% and 27.4% higher than those of W-R rotation, respectively. The N, P2O5 and K2O returning by litter loss accounted for 29.3%, 18.5% and 16.3% of the total nutrient returning of rapeseed, as a result, the nutrient inputs of rapeseed season were significantly higher than those of wheat season. For the rice season, nutrient inputs in the W-R rotation showed an obvious advantage (except for K) due to the large population of wheat biomass. Averaged annual N, P2O5 and K2O uptake of W-R rotation were 333.9 kg/hm2, 125.8 kg/hm2 and 379.3 kg/hm2, which were 14.6%, 2.1% and −13.4% higher than those of R-R rotation. Annual N loss from R-R and W-R rotations were respective N 96.7 and 88.8 kg/hm2, accounting for 22.5%−25.5% of the annual fertilizer N input. The N loss in rapeseed season was 34.5 kg/hm2, slightly higher than that of 29.8 kg/hm2 in wheat season, and that in rice season was N 59.0−62.2 kg/hm2, significantly higher than that in winter crops, so there was little difference between the two rotations. The highest N loss proportion (7.2%−18.4%) was from NH3 volatilization, then was from N runoff and leaching (6.7%−12.7%), and the lowest (1.1%−2.1%) was from N2O emission. When there was no straw returned, there was N surplus of 37.3 kg/hm2 in R-R rotation and −6.0 kg/hm2 in W-R rotation, P surplus of P2O5 53.3−58.4 kg/hm2 and K deficit of K2O 138.3−145.0 kg/hm2 in both the rotations. In case of straw returning to the field, the average annual nutrient budgets of R-R rotation were N 133.0 kg/hm2, P2O5 93.1 kg/hm2 and K2O 229.0 kg/hm2, which were 30.9%, 3.2% and 28.7% higher than those of W-R rotation.
ConclusionsWithout straw returning, N is surplus in rapeseed-rice rotation and keeps balanced or slightly deficit in wheat-rice rotation, P is surplus and K is deficient in both rotations. With straw returning, all the N, P and K nutrients are surplus in both the rotations. Straw returning is thus an important factor for annual nutrient balance in soil. As the large amount of N returning brought by high biomass of rapeseed, N fertilizer could be minimized to some extent in rapeseed-rice rotation.
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长江流域拥有优越的光、温、水、热条件，是我国十分重要的农业生产基地。种植模式以水旱轮作为主，油菜−水稻和小麦−水稻轮作的种植面积所占比例最大，亦是粮食增产的优良制度[1]。氮、磷、钾是提高作物产量的重要营养元素，对作物生长起着不可替代的作用。然而化肥的施用却存在诸多弊端，不少地区施肥过量，造成肥料利用效率低下，增加了环境风险[2–4]。农田养分的基本状况决定了农田养分水平的发展趋向[5]。比较和评估长江流域两种主要轮作模式下氮、磷、钾养分的收支差异，有利于明确轮作周年养分平衡状况，对长江流域的养分资源管理和农业可持续发展有着积极的意义。养分平衡是衡量土壤养分库状况的重要方法，国内许多学者对农田的养分收支状况进行了研究。上世纪90年代，鲁如坤等对鹰潭、封丘等5个生态站的养分平衡进行了计算，并对农田养分收入参数给出了建议[6]；邓美华等[7]根据2002年年鉴资料和前人研究结果对长江三角洲的氮素收支和环境影响进行了评估，表明该区域年均氮素盈余量为0.99～1.28 Tg；Ti等[8]对常熟试验点的谷类、油料和蔬菜作物的氮平衡进行了计算，表明化肥为氮素投入的主要来源，氮素盈余约30%左右；许仙菊等[9–11]对上海郊区不同轮作模式的养分平衡分别进行了估算，作物轮作中氮素整体呈现平衡的状态，磷素亏缺P2O5 84.2 kg/hm2，钾素亏缺K2O 471.4 kg/hm2；李书田等[12]对中国不同区域农田养分的输入与输出进行了估算，认为氮、磷各地区均有盈余，钾素总体平衡，但区域间分布不均衡。不论是基于单个或几个田块尺度，还是宏观区域上的养分评估，这些研究对农田生产都起到了很好的指导作用。但在轮作周年的养分收支方面，大部分学者或是对单个田块进行研究，或是缺少不同轮作间的对比。本研究通过文献收集分析，采用多年多点数据对长江流域油−稻和麦−稻轮作在1990—2017年的周年氮、磷、钾养分收支差异进行评估和比较，以期对水旱轮作体系养分高效利用和资源的合理分配提供依据。
1. 材料与方法
1.1 数据来源
文献数据来源于中国知网CNKI和Web of Science数据库，试验区域为长江流域，包括四川、重庆、贵州、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、浙江和上海等省 (市)。通过输入冬油菜、小麦、水稻、轮作、干物质、养分以及氨挥发、氧化亚氮排放、径流、淋溶等主题进行检索。统计油菜季、小麦季、水稻季以及轮作周年的养分输入与输出参数。文献必须满足：1) 试验均为大田试验；2) 轮作方式为“油菜−水稻”或“小麦−水稻”轮作；3) 水稻为中稻或单季稻；4) 肥料均为化肥。整理并筛选出1990年至2017年的有效文献共380篇，其中油−稻轮作共165篇，包括油菜89篇，水稻76篇；麦−稻轮作共215篇，包括小麦93篇，水稻122篇；总共513个试验，其中油−稻轮作229个，麦−稻轮作284个。本研究中各养分输入和输出参数采用多年多点的统计结果数据。不同轮作试验点的土壤基础养分状况如表1所示。
表 1 长江流域不同轮作种植区土壤基础性状Table 1. Soil basic properties in the planting area of different rotations in the Yangtze River Basin轮作
Rotation项目
Item有机质 (g/kg)
OM全氮 (g/kg)
Total N碱解氮 (mg/kg)
Available N有效磷 (mg/kg)
Available P速效钾 (mg/kg)
Available KpH 油菜−水稻
Rapeseed−rice均值Mean 25.0 1.5 115.2 16.1 104.6 6.5 范围Range 6.0～53.6 0.3～3.2 9.8～203.0 3.9～51.8 29.2～242.5 3.9～8.4 小麦−水稻
Wheat−-rice均值Mean 23.5 1.5 81.3 13.6 103.4 6.9 范围Range 8.8～57.9 0.8～2.8 12.4～210.0 4.0～49.9 46.0～246.8 5.1～8.3 1.2 数据分析
养分平衡量 = 养分输入 – 养分输出
养分输入 = 当季肥料投入 + 前季秸秆 + 前季根茬 + 当季落叶
养分输出 = 当季地上部养分带走量 + 当季养分损失量
式中：“当季肥料投入”为化肥氮、磷、钾用量；“前季秸秆”为前季作物成熟收获期秸秆的养分积累量，参考氮收获指数 (NHI，kg/kg) = 籽粒氮积累量/地上部氮积累量[13]，故秸秆氮积累量 = 地上部氮积累量 × (1 – NHI)，同理计算秸秆磷、钾积累量；“前季根茬”为前季作物成熟收获期根茬的养分积累量，根茬养分积累量 = 根茬生物量 × 根茬养分含量，根茬生物量 = 地上部生物量 × 根冠比[14]；“当季落叶”为当季作物全生育期落叶的总养分积累量，落叶养分积累量 =
∑ 各时期落叶生物量 × 各时期落叶养分含量；“当季地上部养分带走量”= 地上部生物量 × 地上部养分含量；“当季养分损失量”主要为当季氮素损失量，包括NH3挥发、N2O排放以及淋溶和径流损失。以上所有参数中，若文献中已提供，则直接录入；若未提供，则通过上述相关参数计算获得。
文中计算所涉及的参数 (加权平均数) 如表2所示。
表 2 油−稻与麦−稻轮作体系作物根冠比、各部位养分含量和养分收获指数Table 2. Root/shoot ratios, nutrient concentrations and nutrient harvest index in rapeseed−rice and wheat−ricerotation systems项目
Item部位
Part养分
Nutrient油菜−水稻Rapeseed−rice 小麦−水稻Wheat−rice 参考文献
Reference油菜Rapeseed 水稻Rice 小麦Wheat 水稻Rice 根冠比Root/shoot ratio 0.14 (12) 0.08 (7) 0.11 (4) 0.08 (7) [15–18] 养分含量 (g/kg)
Nutrient concentration地上部
ShootN 13.7 (28) 9.7 (14) 12.0 (9) 10.4 (14) [16, 19–23] P 2.9 (11) 1.7 (4) 2.3 (5) 1.5 (2) K 18.8 (10) 11.8 (5) 10.7 (5) 10.8 (3) 根
RootN 5.7 (6) 8.0 (4) 6.6 (3) 8.0 (4) [16, 17, 24, 25] P 1.0 (3) 1.1 (1) 0.9 (1) 1.1 (1) K 8.9 (3) 8.0 (1) 8.2 (2) 8.0 (1) 落叶
Litter lossN 10.8 (2) [16, 26] P 1.7 (1) K 19.3 (1) 养分收获指数 (%)
Harvest indexN 70 (6) 64 (14) 73 (13) 63 (15) [27–29] P 78 (4) 66 (7) 72 (6) 69 (3) K 12 (4) 17 (5) 15 (4) 17 (4) 注（Note）：表中数值为平均值，括号内数据为其所来源的文献篇数 The data inside brackets after the mean is the number of papers cited. 氮损失主要包括NH3挥发、N2O排放、氮的淋溶和径流。文献筛选条件为各指标必须是作物全生育期监测数据才能够代表每季作物生育期中的氮损失，筛选后收集到的相关文献数量分别为52、106、21和62篇。
在养分收支平衡计算中，各指标均选择各个试验正常施肥量条件下的监测数据。
利用Excel 2013软件进行数据的收集和整理，Origin 8.0软件进行制图和方程拟合，SPSS20.0进行统计分析，独立样本T检验分析两种作物间的差异显著性 (P < 0.05)。
2. 结果与分析
2.1 不同轮作体系作物养分输入差异
2.1.1 不同轮作体系氮磷钾肥投入分析
长江流域不同轮作体系施肥量如表3所示，旱季作物油菜与小麦的平均氮肥投入量分别为N 184.9 kg/hm2和192.2 kg/hm2，变幅均在50～300 kg/hm2，小麦季略高，但整体相差不大；水稻季氮肥用量也基本保持一致，约为N 200.0 kg/hm2。各季作物平均磷肥用量无明显差异，油菜季与小麦季的施磷量均为P2O5 90.0 kg/hm2左右，水稻季约80.0 kg/hm2。钾肥用量在旱季作物和水稻季均未表现出明显的差别，但油菜季略高于小麦季。从整个轮作体系看，两种轮作体系周年磷肥用量无明显差异，氮肥用量以麦−稻轮作较高，钾肥则以油−稻轮作体系较高。
表 3 油−稻与麦−稻轮作体系氮、磷、钾养分用量 (kg/hm2)Table 3. Rates of N, P2O5 and K2O in rapeseed−rice and wheat−rice rotation systems轮作
Rotation作物季型
Crop seasonn 项目
ItemN P2O5 K2O 油菜−水稻
Rapeseed−rice油菜季Rapeseed 115 均值Mean 184.9 89.6 113.1 范围Range 50～300 38～150 45～225 水稻季Rice 106 均值Mean 193.6 80.3 112.6 范围Range 122～330 30～150 45～240 周年Annual 378.5 169.9 225.7 小麦−水稻
Wheat−rice小麦季Wheat 74 均值Mean 192.2 93.8 103.7 范围Range 50～300 45～150 60～150 水稻季Rice 58 均值Mean 202.2 78.7 107.1 范围Range 135～300 30～150 45～225 周年Annual 394.4 172.5 210.8 注（Note）：n为试验数 n is the number of experiments. 2.1.2 作物还田生物量及养分归还量差异分析
油菜季和小麦季平均投入的生物总量分别为10880 kg/hm2和8999 kg/hm2，油菜季生物量投入高出小麦季20.9% (图1a)。各还田物质中，水稻秸秆与根茬的投入量均相差不大，合计9000～9200 kg/hm2，油菜季落叶还田生物量较高，平均为1655 kg/hm2，占整个还田生物量的15.2%。油−稻和麦−稻轮作体系水稻季平均输入的生物量分别为8104 kg/hm2和9124 kg/hm2，投入的小麦根茬和秸秆均明显高于油菜。虽然油菜的收获指数较低，还田比例高，但小麦拥有较大的群体生物量，约为油菜的1.4倍 (图2a)，故麦−稻轮作水稻季投入的生物量更高。不同轮作体系周年平均还田生物总量以油−稻轮作较高，油−稻与麦−稻轮作体系还田生物量分别达到18984 kg/hm2和18123 kg/hm2。
油菜季和小麦季平均氮累积还田量分别为N 96.8 kg/hm2和73.0 kg/hm2，其中，还田水稻秸秆和根茬氮积累量均无明显差异，而油菜季落叶平均氮累积量为N 28.4 kg/hm2，占还田总氮量的29.3%；麦−稻轮作水稻季平均氮素还田量为N 56.9 kg/hm2，明显高于油−稻轮作 (N 45.7 kg/hm2) (图1b)。不同轮作体系磷累积还田量呈现出类似的规律，油菜季平均磷累积还田量为P2O5 30.8 kg/hm2，明显高于小麦季 (P2O5 20.2 kg/hm2)，其中油菜季落叶磷积累量为P2O5 6.0 kg/hm2，占还田总磷量的18.5%；水稻季以麦−稻轮作磷还田量较高 (图1c)。油菜季和小麦季平均钾累积还田量分别为K2O 246.1 kg/hm2和189.0 kg/hm2，油菜季落叶钾积累量为K2O 40.0 kg/hm2，占还田总钾量的16.3%。与氮、磷表现相反，油−稻轮作水稻季钾累积还田量 (K2O 195.2 kg/hm2) 高于麦−稻轮作 (K2O 157.5 kg/hm2)，这主要与油菜对钾素的需求有关 (图1d)。从不同轮作体系周年养分还田量看，油−稻轮作周年养分还田量为N 142.5 kg/hm2、P2O5 46.4 kg/hm2和K2O 441.3 kg/hm2，分别较麦−稻轮作高出9.7%、6.7%和27.4%。
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图 1 油−稻与麦−稻轮作体系还田生物量及氮、磷、钾养分积累量[注（Note）：油菜与小麦季输入的还田物质包括前季水稻根茬、秸秆，油菜季还包含油菜生育期内落叶；水稻季输入的还田物质包括前季油菜或小麦根茬和秸秆。柱上不同小写字母表示各指标油菜季与小麦季间差异达到显著水平 (P < 0.05)，柱上不同大写字母表示各指标两种轮作水稻季间差异达到显著水平 (P < 0.05)；括号内数据依次表示为秸秆、根茬和落叶样本数。For the rapeseed and wheat seasons, returning matter included rice root and straw, and fallen leaves in the rapeseed season；the returning matter of rice season included rapeseed or wheat root and straw. Different small letters above the bars indicate significant differences between rapeseed and wheat seasons at 0.05 level, and different capitals above the bars indicate significant difference between the two rice seasons at 0.05 level. The digitals in brackets represent sample numbers of straw, root and litter loss, respectively.]Figure 1. Crops biomass and nitrogen, phosphorus and potassium accumulation of returning matter in rapeseed−rice and wheat−rice rotations2.2 不同轮作体系作物养分输出差异
2.2.1 不同轮作体系地上部生物量及养分积累
油菜地上部平均生物量为9525 kg/hm2，显著低于小麦 (16606 kg/hm2)，两种轮作体系水稻地上部生物量相差不大 (图2a)。从养分输出来看，油菜地上部平均氮积累量为N 130.8 kg/hm2，明显低于小麦 (N 168.2 kg/hm2)，水稻地上部氮积累量相差不大，平均维持在N 160.0 kg/hm2左右 (图2b)。地上部磷积累量表现相似，油菜和小麦地上部平均磷积累量分别为P2O5 60.7 kg/hm2和71.4 kg/hm2，而油−稻轮作水稻地上部磷积累量高于麦−稻轮作 (图2c)。旱季作物的地上部钾积累量呈现相反的结果，油菜地上部钾积累量为K2O 206.0 kg/hm2，明显高于小麦 (166.1 kg/hm2)，水稻季也以油−稻轮作较高 (图2)。麦−稻轮作周年地上部养分积累量为N 333.9 kg/hm2、P2O5 125.8 kg/hm2和K2O 379.3 kg/hm2，分别较油−稻轮作高出14.6%、2.1%和−13.4%。两种轮作体系以麦−稻轮作带走的氮素较多，钾素较低，磷素相差不大。
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图 2 油−稻与麦−稻轮作体系作物地上部生物量及氮、磷、钾养分带走量[注（Note）：箱形框中的横线和正方形分别表示数据集的中值和平均值，上下边界分别表示数据集的25%和75%点位，上下水平短线表示数据集的10%和90%点位; 箱子上不同小写字母表示各指标油菜季与小麦季间差异达到显著水平 (P < 0.05)，箱子上不同大写字母表示各指标两种轮作水稻季间差异达到显著水平 (P < 0.05)；括号内的数字表示样本数。The horizontal lines and solid squares inside boxes indicate the median and the mean of dataset, the upper and lower box edges represent 25% and 75% percentiles of dataset, the upper and lower short lines outside box indicate the 10% and 90% percentiles of dataset, respectively. Different small letters above the boxes indicate significant differences between rapeseed and wheat seasons at 0.05 level, and different capitals above the boxes indicate significant difference between the two rice seasons at 0.05 level. The digitals in bracket indicate the sample number.]Figure 2. Aboveground biomass and nitrogen, phosphorus and potassium uptakes in the rapeseed−rice and wheat−rice rotations2.2.2 不同轮作体系氮素损失差异
农田氮素损失的途径主要包括NH3挥发、N2O排放、氮的径流和淋溶等[30]。通过文献分析发现（图3），油菜季氮损失总量为N 34.5 kg/hm2，略高于小麦季 (29.8 kg/hm2)，水稻季表现类似，油−稻与麦−稻轮作水稻季氮损失量分别为N 62.2 kg/hm2和59.0 kg/hm2。油−稻与麦−稻轮作体系周年氮损失量分别为N 96.7 kg/hm2和88.8 kg/hm2。其中，NH3挥发损失的氮所占比例最大，为各季氮损失总量的46.6%～57.2%，占施氮量的7.2%～18.4%；其次是淋溶和径流损失，约为37.4%～43.0%，占施氮量的6.7%～12.7%；N2O排放所占比例最小 (3.4%～11.3%)，占施氮量的1.1%～2.1%。
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图 3 油−稻与麦−稻轮作体系氮损失量[注（Note）：括号内的数据依次表示N2O排放、NH3挥发、氮淋溶和氮径流的样本数The digitals in brackets indicate the sample numbers of N2O emission, NH3 volatilization, N leaching and N runoff.]Figure 3. Nitrogen losses of rapeseed−rice and wheat−rice rotations2.3 不同轮作体系作物养分收支差异
将油−稻和麦−稻两种轮作体系的养分输入和输出比较，计算周年养分收支平衡 (表4) 发现，秸秆不还田时，油菜季氮平衡量较小麦季高出N 54.0 kg/hm2；水稻季氮素均处于亏缺状态，其中麦−稻轮作较油−稻轮作高出10.7 kg/hm2。周年氮素收支表现为麦−稻轮作略有亏缺，油−稻轮作体系则盈余N 37.3 kg/hm2。秸秆还田情况下，各季氮素平衡量均明显增加，油−稻轮作周年氮素收支平衡量为N 133.0 kg/hm2，较麦−稻轮作高出30.9%。
油−稻和麦−稻轮作体系周年磷平衡均表现为盈余。在没有秸秆还田的条件下，油菜季较小麦季磷素平衡量增加49.0%，水稻季则表现为麦−稻轮作的磷平衡量较高 (表4)。两种轮作体系周年的磷素收支平衡未表现出明显差异 (P2O5 53.3～58.4 kg/hm2)。如果秸秆还田，则两种轮作周年磷素盈余量均明显提高 (P2O5 90.2～93.1 kg/hm2)。
表 4 油−稻与麦−稻轮作体系养分收支估算(kg/hm2)Table 4. Nutrient budget in rapeseed–rice and wheat–rice rotations轮作
Rotation作物季型
Crop season输入Input 输出Output 平衡Budget 施肥
Fertilizer根茬
Root落叶
Litter秸秆
Straw收获
Harvest氮损失
N loss–S +S N 油菜−水稻
Rapeseed−rice油菜季Rapeseed 184.9 10.9 28.4 57.5 130.8 34.5 58.9 116.4 水稻季Rice 193.6 7.5 — 38.2 160.5 62.2 –21.6 16.6 周年Annual 378.5 18.4 28.4 95.7 291.3 96.7 37.3 133.0 小麦−水稻Wheat−rice 小麦季Wheat 192.2 10.7 — 62.3 168.2 29.8 4.9 67.2 水稻季Rice 202.2 11.6 — 45.3 165.7 59.0 –10.9 34.4 周年Annual 394.4 22.3 — 107.6 333.9 88.8 –6.0 101.6 P2O5 油菜−水稻Rapeseed−rice 油菜季Rapeseed 89.6 3.4 6.0 21.4 60.7 38.3 59.7 水稻季Rice 80.3 2.3 — 13.3 62.5 20.1 33.4 周年Annual 169.9 5.7 6.0 34.7 123.2 58.4 93.1 小麦−水稻Wheat−rice 小麦季Wheat 93.8 3.3 — 16.9 71.4 25.7 42.6 水稻季Rice 78.7 3.3 — 20 54.4 27.6 47.6 周年Annual 172.5 6.6 — 36.9 125.8 53.3 90.2 K2O 油菜−水稻Rapeseed−rice 油菜季Rapeseed 113.1 13.3 40.0 192.8 206.0 –39.6 153.2 水稻季Rice 112.6 14.0 — 181.2 232.0 –105.4 75.8 周年Annual 225.7 27.3 40.0 374 438.0 –145.0 229.0 小麦−水稻Wheat−rice 小麦季Wheat 103.7 12.9 — 176.1 166.1 –49.5 126.6 水稻季Rice 107.1 17.3 — 140.2 213.2 –88.8 51.4 周年Annual 210.8 30.2 — 316.3 379.3 –138.3 178.0 注（Note）：–S—秸秆不还田 No-straw returned；+S—秸秆还田 Straw returned. 在秸秆不还田条件下，油−稻和麦−稻轮作体系不论是单季还是周年钾素收支平衡均处于亏缺状态。其中，油菜季和小麦季钾素亏缺量分别为K2O 39.6 kg/hm2和49.5 kg/hm2 (表4)，水稻季钾素亏缺量则在油−稻轮作体系亏缺量更大 (K2O 105.4 kg/hm2)；两种轮作体系周年钾素亏缺量达到K2O 138.3 kg/hm2和145.0 kg/hm2。当秸秆还田时，秸秆钾素投入量大幅增加，且油菜季钾素盈余量较小麦季提高21.0%，而水稻季则由于上季油菜秸秆的投入，使得油−稻轮作钾素盈余量 (K2O 229.0 kg/hm2) 明显高于麦−稻轮作 (K2O 178.0 kg/hm2)，提高幅度达到28.7%。
3. 讨论
本研究通过对长江流域油−稻与麦−稻轮作农田养分数据的收集与分析发现，长江流域油菜、小麦和水稻三种作物秸秆不还田时养分收支平衡整体呈现出氮、磷盈余，钾素亏缺的状态。这与大多数的研究结果一致[31–34]。油−稻轮作周年氮素平衡量高于麦−稻轮作，一方面与油菜季大量落叶有关，同时，相比小麦秸秆，油菜秸秆更有利于促进有机碳的矿化及土壤有效氮素的释放[35]；另一方面，小麦群体生物量大，氮素带走量显著 (P < 0.05) 高于油菜 (图2)。从氮损失角度而言，两种轮作体系周年氮素损失量达到N 88.8～96.7 kg/hm2，占周年施氮量的22.5%～25.5%。NH3挥发、N2O排放在造成肥料浪费的同时，也易造成大气污染。因此，降低养分盈余、减少环境风险、优化资源配置是轮作系统中需要关注的重要问题。大量研究发现，通过更改肥料剂型、调整氮肥运筹方式均可以有效减少氮素损失[36–37]。此外，秸秆还田能够提高土壤保肥性能，增加土壤养分含量，因此长期秸秆还田时可适当减少肥料的投入[38]。
本文研究发现，油−稻和麦−稻轮作体系中周年磷素盈余量均较高 (秸秆不还田条件下达到P2O5 53.3～58.4 kg/hm2)。但是土壤中有效磷含量为13.6～16.1 mg/kg (表1)，处于正常水平。这可能主要与磷在土壤中极易被固定的特性有关。同时，长江流域雨水充沛，部分磷素也会随雨水发生磷的径流或淋洗损失。朱文彬等[39]在太湖流域麦−稻轮作系统上的研究表明将稻季磷肥转移到麦季能够减少径流总磷浓度12.0%。因此，从磷盈余的情况而言，需要进一步考虑磷肥的合理运筹和如何充分利用磷的后效，减少水稻季磷的径流损失。就钾素而言，秸秆是一种宝贵的钾素资源。大量研究表明秸秆还田能够将钾素收支平衡扭亏为盈，并且能够在一定程度上减少肥料的施用[40–42]。随着秸秆还田在我国大力推进，轮作体系的钾素盈余量将不断加大，进而提高土壤钾库容量。
由于可获得样本数较少，因此本研究未考虑灌溉水、大气沉降以及非生物固氮等养分投入和磷、钾损失等养分输出。参考李书田和金继运[12]、刘晓燕[43]的研究，农田中由灌溉水带入的养分约为N 9.0～11.2 kg/hm2、P2O5 1.4～1.5 kg/hm2和K2O 8.1～14.8 kg/hm2；湿沉降带入的养分约为N 4.5～18.2 kg/hm2、P2O5 1.2～1.4 kg/hm2和K2O 2.7～8.3 kg/hm2；此外，由于土壤中某些微生物能够固定空气中的氮素，非共生固氮量约为N 15.0 kg/hm2[44]。在养分损失方面，有研究表明磷、钾也存在一定的损失，农田磷径流损失约为P2O5 1.4～7.3 kg/hm2[45–46]，水田钾素淋溶能达到K2O 12.0 kg/hm2[34]。将上述参数的均值带入本研究结果中评估发现，两种轮作体系氮平衡量有所增加，但仍然表现为油−稻高于麦−稻轮作，磷、钾平衡量变化不大。说明本研究结果一定程度上能够很好地反映养分的收支平衡状况，为轮作体系的养分资源优化配置提供依据。
4. 结论
1) 油−稻轮作体系周年养分归还量高于麦−稻轮作体系，而麦−稻轮作体系周年地上部养分带走量高于油−稻轮作体系。
2) 两种轮作体系周年氮素损失量占周年施氮量的22.5%～25.5%，其中水稻季的氮素损失量约为油菜季或小麦季的1.7～2.1倍。
3) 秸秆不还田时，周年养分平衡表现为油−稻轮作氮盈余而麦−稻轮作氮持平或略有亏缺。两种轮作体系磷、钾平衡无差异，均表现为磷盈余、钾亏缺。
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图 1 油−稻与麦−稻轮作体系还田生物量及氮、磷、钾养分积累量
[注（Note）：油菜与小麦季输入的还田物质包括前季水稻根茬、秸秆，油菜季还包含油菜生育期内落叶；水稻季输入的还田物质包括前季油菜或小麦根茬和秸秆。柱上不同小写字母表示各指标油菜季与小麦季间差异达到显著水平 (P < 0.05)，柱上不同大写字母表示各指标两种轮作水稻季间差异达到显著水平 (P < 0.05)；括号内数据依次表示为秸秆、根茬和落叶样本数。For the rapeseed and wheat seasons, returning matter included rice root and straw, and fallen leaves in the rapeseed season；the returning matter of rice season included rapeseed or wheat root and straw. Different small letters above the bars indicate significant differences between rapeseed and wheat seasons at 0.05 level, and different capitals above the bars indicate significant difference between the two rice seasons at 0.05 level. The digitals in brackets represent sample numbers of straw, root and litter loss, respectively.]
Figure 1. Crops biomass and nitrogen, phosphorus and potassium accumulation of returning matter in rapeseed−rice and wheat−rice rotations
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图 2 油−稻与麦−稻轮作体系作物地上部生物量及氮、磷、钾养分带走量
[注（Note）：箱形框中的横线和正方形分别表示数据集的中值和平均值，上下边界分别表示数据集的25%和75%点位，上下水平短线表示数据集的10%和90%点位; 箱子上不同小写字母表示各指标油菜季与小麦季间差异达到显著水平 (P < 0.05)，箱子上不同大写字母表示各指标两种轮作水稻季间差异达到显著水平 (P < 0.05)；括号内的数字表示样本数。The horizontal lines and solid squares inside boxes indicate the median and the mean of dataset, the upper and lower box edges represent 25% and 75% percentiles of dataset, the upper and lower short lines outside box indicate the 10% and 90% percentiles of dataset, respectively. Different small letters above the boxes indicate significant differences between rapeseed and wheat seasons at 0.05 level, and different capitals above the boxes indicate significant difference between the two rice seasons at 0.05 level. The digitals in bracket indicate the sample number.]
Figure 2. Aboveground biomass and nitrogen, phosphorus and potassium uptakes in the rapeseed−rice and wheat−rice rotations
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图 3 油−稻与麦−稻轮作体系氮损失量
[注（Note）：括号内的数据依次表示N2O排放、NH3挥发、氮淋溶和氮径流的样本数The digitals in brackets indicate the sample numbers of N2O emission, NH3 volatilization, N leaching and N runoff.]
Figure 3. Nitrogen losses of rapeseed−rice and wheat−rice rotations
表 1 长江流域不同轮作种植区土壤基础性状
Table 1 Soil basic properties in the planting area of different rotations in the Yangtze River Basin
轮作
Rotation项目
Item有机质 (g/kg)
OM全氮 (g/kg)
Total N碱解氮 (mg/kg)
Available N有效磷 (mg/kg)
Available P速效钾 (mg/kg)
Available KpH 油菜−水稻
Rapeseed−rice均值Mean 25.0 1.5 115.2 16.1 104.6 6.5 范围Range 6.0～53.6 0.3～3.2 9.8～203.0 3.9～51.8 29.2～242.5 3.9～8.4 小麦−水稻
Wheat−-rice均值Mean 23.5 1.5 81.3 13.6 103.4 6.9 范围Range 8.8～57.9 0.8～2.8 12.4～210.0 4.0～49.9 46.0～246.8 5.1～8.3 
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表 2 油−稻与麦−稻轮作体系作物根冠比、各部位养分含量和养分收获指数
Table 2 Root/shoot ratios, nutrient concentrations and nutrient harvest index in rapeseed−rice and wheat−ricerotation systems
项目
Item部位
Part养分
Nutrient油菜−水稻Rapeseed−rice 小麦−水稻Wheat−rice 参考文献
Reference油菜Rapeseed 水稻Rice 小麦Wheat 水稻Rice 根冠比Root/shoot ratio 0.14 (12) 0.08 (7) 0.11 (4) 0.08 (7) [15–18] 养分含量 (g/kg)
Nutrient concentration地上部
ShootN 13.7 (28) 9.7 (14) 12.0 (9) 10.4 (14) [16, 19–23] P 2.9 (11) 1.7 (4) 2.3 (5) 1.5 (2) K 18.8 (10) 11.8 (5) 10.7 (5) 10.8 (3) 根
RootN 5.7 (6) 8.0 (4) 6.6 (3) 8.0 (4) [16, 17, 24, 25] P 1.0 (3) 1.1 (1) 0.9 (1) 1.1 (1) K 8.9 (3) 8.0 (1) 8.2 (2) 8.0 (1) 落叶
Litter lossN 10.8 (2) [16, 26] P 1.7 (1) K 19.3 (1) 养分收获指数 (%)
Harvest indexN 70 (6) 64 (14) 73 (13) 63 (15) [27–29] P 78 (4) 66 (7) 72 (6) 69 (3) K 12 (4) 17 (5) 15 (4) 17 (4) 注（Note）：表中数值为平均值，括号内数据为其所来源的文献篇数 The data inside brackets after the mean is the number of papers cited.
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表 3 油−稻与麦−稻轮作体系氮、磷、钾养分用量 (kg/hm2)
Table 3 Rates of N, P2O5 and K2O in rapeseed−rice and wheat−rice rotation systems
轮作
Rotation作物季型
Crop seasonn 项目
ItemN P2O5 K2O 油菜−水稻
Rapeseed−rice油菜季Rapeseed 115 均值Mean 184.9 89.6 113.1 范围Range 50～300 38～150 45～225 水稻季Rice 106 均值Mean 193.6 80.3 112.6 范围Range 122～330 30～150 45～240 周年Annual 378.5 169.9 225.7 小麦−水稻
Wheat−rice小麦季Wheat 74 均值Mean 192.2 93.8 103.7 范围Range 50～300 45～150 60～150 水稻季Rice 58 均值Mean 202.2 78.7 107.1 范围Range 135～300 30～150 45～225 周年Annual 394.4 172.5 210.8 注（Note）：n为试验数 n is the number of experiments.
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表 4 油−稻与麦−稻轮作体系养分收支估算(kg/hm2)
Table 4 Nutrient budget in rapeseed–rice and wheat–rice rotations
轮作
Rotation作物季型
Crop season输入Input 输出Output 平衡Budget 施肥
Fertilizer根茬
Root落叶
Litter秸秆
Straw收获
Harvest氮损失
N loss–S +S N 油菜−水稻
Rapeseed−rice油菜季Rapeseed 184.9 10.9 28.4 57.5 130.8 34.5 58.9 116.4 水稻季Rice 193.6 7.5 — 38.2 160.5 62.2 –21.6 16.6 周年Annual 378.5 18.4 28.4 95.7 291.3 96.7 37.3 133.0 小麦−水稻Wheat−rice 小麦季Wheat 192.2 10.7 — 62.3 168.2 29.8 4.9 67.2 水稻季Rice 202.2 11.6 — 45.3 165.7 59.0 –10.9 34.4 周年Annual 394.4 22.3 — 107.6 333.9 88.8 –6.0 101.6 P2O5 油菜−水稻Rapeseed−rice 油菜季Rapeseed 89.6 3.4 6.0 21.4 60.7 38.3 59.7 水稻季Rice 80.3 2.3 — 13.3 62.5 20.1 33.4 周年Annual 169.9 5.7 6.0 34.7 123.2 58.4 93.1 小麦−水稻Wheat−rice 小麦季Wheat 93.8 3.3 — 16.9 71.4 25.7 42.6 水稻季Rice 78.7 3.3 — 20 54.4 27.6 47.6 周年Annual 172.5 6.6 — 36.9 125.8 53.3 90.2 K2O 油菜−水稻Rapeseed−rice 油菜季Rapeseed 113.1 13.3 40.0 192.8 206.0 –39.6 153.2 水稻季Rice 112.6 14.0 — 181.2 232.0 –105.4 75.8 周年Annual 225.7 27.3 40.0 374 438.0 –145.0 229.0 小麦−水稻Wheat−rice 小麦季Wheat 103.7 12.9 — 176.1 166.1 –49.5 126.6 水稻季Rice 107.1 17.3 — 140.2 213.2 –88.8 51.4 周年Annual 210.8 30.2 — 316.3 379.3 –138.3 178.0 注（Note）：–S—秸秆不还田 No-straw returned；+S—秸秆还田 Straw returned.
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