長期不同施肥模式對雙季稻田土壤養分及水稻產量的影響

徐一蘭，唐海明，程愛武，李益鋒，李 永，何 煒，胡賽晶，王躍平

(1.湖南生物機電職業技術學院，湖南 長沙 410127；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；3.湖南省寧鄉縣農業局，湖南 寧鄉 410600)

有機肥是我國重要的肥料來源，它在土壤培肥和保證作物產量方面發揮了十分重要的作用[1]。隨著我國農業的快速發展，其施肥習慣發生了明顯的變化，有機肥施用量不斷減少、化肥施用量不斷增加，嚴重影響了土壤質量、稻田生態環境等方面。合理施用有機肥是改善土壤理化特性、培肥土壤，保證農業可持續發展的重要農藝措施之一。近年來，國內外大量研究者就不同施肥制度下土壤養分、生態環境和作物生長發育等方面開展了大量的研究[2-3]。前人研究結果認為，施用有機肥、有機無機肥配施均有利于改善土壤的理化特性，增強土壤微生物多樣性和活性，調節土壤養分循環，提高土壤有機碳含量和有效養分含量，從而有利于減少肥料的流失，提高肥料的利用率、培肥土壤，保持農田生態系統較高的生產力[3-4]。也有研究表明，施用有機肥措施與施用化肥相比，施用有機肥的改土培肥、改善土壤質量的效果優于施用化肥措施[2-3]。

在不同施肥措施條件下，前人對稻田的土壤理化特性、作物生長、植株生物學和營養特性及產量等方面的動態變化開展了相應的研究，徐玲等[5]和邵興華等[6]研究結果表明，長期有機肥配合施用化肥有利于增加土壤養分含量，提高土壤肥力，增加水稻產量。王紹明[7]認為長期施用廄肥與廄肥配施氮磷措施提高土壤主要養分含量的效果為最佳，培肥土壤，獲得較高的水稻產量。董春華等[8]長期大田定位試驗結果認為，施用有機肥有利于增加土壤有機質含量，同時也提高了水稻植株地上部干物質積累量，增加了早稻和晚稻產量。唐海明等[9]和徐一蘭等[10]研究結果表明，長期有機無肥配施均有利于促進早、晚稻水稻植株干物質積累和改善產量構成因素，增加了水稻產量。楊長明等[11]研究結果表明，有機肥配合施用化肥措施均有利于養分在水稻植株的籽粒部位積累，增加水稻產量。周衛軍等[12]研究認為，隨著有機無機肥配合施用量的增加，氮在水稻中的累積量和系統生產力也呈增加的變化趨勢。

目前，在中國南方雙季稻主產區域，不同施肥條件下(有機肥、秸稈還田和有機肥配施化肥)對稻田培肥土壤綜合效應和水稻產量及其之間相關性研究還少見報道，尤其是對長期定位試驗缺乏系統的研究。因此，本研究以連續31年長期大田定位試驗田為基礎，開展長期不同施肥措施條件下雙季稻田耕層土壤基礎養分含量和水稻產量變化的研究，以明確不同施肥模式對雙季稻田的培肥效果，從而為維持雙季稻田的可持續生產能力提供科學理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

該大田試驗開始于1986年，試驗田位于湖南省寧鄉縣農技中心(112°18′，28°07′ N)，海拔36.1 m。試驗田土壤為水稻土，河沙泥土種，為典型的雙季稻主產區。種植制度為大麥-雙季稻，土壤肥力中等，排灌條件良好。試驗田的氣候條件和試驗前耕層土壤(0～20 cm)基礎肥力見唐海明等[9]。

1.2 試驗設計及田間管理

試驗包括5個施肥處理：單施化肥：僅施用氮、磷、鉀化肥 (MF：Mineral fertilizer)；秸稈還田+化肥：稻草秸稈還田和化肥 (RF：Rice residues and mineral fertilizer)；30%有機肥：有機肥和化肥的氮施用量分別占總施氮量30%和70% (LOM：30% organic matter and 70% mineral fertilizer)；60%有機肥：有機肥和化肥的氮施用量分別占總施氮量的60%和40% (HOM：60% organic matter and 40% mineral fertilizer)；對照：不施任何肥料(CK：No fertilizer input)。各施肥處理小區的規格，早稻和晚稻生育期各施肥處理的肥料種類與施用量、施肥時期、移栽規格、田間管理措施見唐海明等[9]和徐一蘭等[10]。2016年，早稻供試品種為湘早秈45號，于4月5日進行播種，5月3日結合稻田土壤翻耕施用基肥，5月4日移栽，7月25日收獲；晚稻供試品種為岳優9113，6月28日播種，7月28日結合稻田土壤翻耕施用基肥，7月29日移栽，11月6日收獲。

1.3 樣品采集與測定方法

2016年11月，于晚稻成熟期用土鉆采集各施肥處理稻田耕層土壤(0～20 cm)樣品，風干后過篩，用于測定土壤pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，其測定方法參照參考文獻[13]。

分別于早稻和晚稻成熟期，每個處理隨機選擇生長一致的水稻3個點，面積均為1 m2，統計該面積內的有效穗數；在各個處理的每一個點中隨機選擇5穴水稻進行產量構成因素的測定，測定穗粒數、結實率和千粒質量等指標，計算其平均值；同時，測定各處理水稻產量。

1.4 數據統計與分析

所有數據均用Microsoft Excel 2003軟件進行處理，采用SPSS軟件進行不同處理間各測定指標的方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥模下土壤有機質含量動態變化

與對照(CK，無肥)相比，長期有機無機肥配施處理均明顯增加了稻田耕層(0～20 cm)土壤有機質含量(圖1)。在各施肥處理間，以60%有機肥處理(HOM)耕層土壤有機質(SOM)含量為最高，顯著高于其他處理(P<0.05)；其次是30%有機肥處理(LOM)，其SOM含量與秸稈還田+化肥(RF)、化肥(MF)和CK處理之間差異達顯著水平(P<0.05)；RF處理耕層土壤有機質含量顯著高于CK處理(P<0.05)；MF處理耕層土壤有機質含量高于CK處理，但無顯著性差異(P>0.05)。

MF.化肥；RF.秸稈還田+化肥；LOM.30%有機肥+70%化肥；HOM.60%有機肥+40%化肥；CK.無肥。圖中不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)。表1-2、圖2同。

MF.Mineral fertilizer；RF.Rice residues and mineral fertilizer；LOM.30% organic matter and 70% mineral fertilizer；HOM.60% organic matter and 40% mineral fertilizer；CK.No fertilizer input.Band represented by different small letters between different treatments are significantly different atP<0.05.The same as Tab.1-2,Fig.2.

圖1長期施肥下稻田耕層土壤有機質含量動態變化
Fig.1Dynamicchangeofsoilorganicmattercontentunderdifferentlong-termfertilizermanagementcondition

2.2 不同施肥模式下土壤養分的變化

表1顯示，經過31年連續長期定位試驗后，各施肥模式間稻田耕層土壤養分含量存在較大的差異。不同施肥處理間土壤全氮、全磷含量均以HOM處理為最高，分別為3.41，2.55 g/kg，均顯著高于其他處理；其次是LOM處理，分別為2.77，1.76 g/kg，均顯著高于MF和CK處理。各處理間土壤全鉀含量和pH值均無顯著性差異。HOM和LOM處理土壤堿解氮和有效磷含量均為最高，分別為250.4，212.5 mg/kg和167.5，91.6 mg/kg，均顯著高于其他處理。HOM處理土壤速效鉀含量為最高，達49.8 mg/kg，顯著高于其他處理；其次是LOM和RF處理，均顯著高于MF和CK處理。

表1 長期施肥模式下土壤養分的變化(0～20 cm)Tab.1 Dynamic change of soil nutrients under different long-term fertilizer management condition

注：同列內不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。表2同。

Note:Values followed by different small letters within a column are significantly different atP<0.05.The same as Tab.2.

2.3 不同施肥模式下水稻產量構成因素及產量變化

表2表明，早稻MF、RF、LOM和HOM處理有效穗和穗粒數均顯著高于CK處理，有效穗分別比CK處理增加147.0，157.5，154.5，159.0萬/hm2，穗粒數分別比CK處理增加12.0，15.3，15.8，13.7粒；各處理的結實率和千粒質量均無顯著性差異；MF、RF、LOM和HOM處理早稻產量均明顯高于CK處理，分別比CK處理增加2 106.0，2 163.0，2 641.5，2 569.5 kg/hm2；其中HOM和LOM處理早稻產量最高，分別比CK處理增加97.67%和95.01%。

晚稻MF、RF、LOM和HOM處理有效穗和穗粒數均顯著高于CK處理，有效穗分別比CK處理增加84.0，96.0，91.5，99.0萬/hm2，穗粒數分別比CK處理增加22.3，37.9，40.6，42.2粒；各處理的結實率和千粒質量均無顯著性差異；MF、RF、LOM和HOM處理晚稻產量均明顯高于CK處理，分別比CK處理增加2 293.5，3 118.5，2 827.5，2 685.0 kg/hm2；其中RF和LOM處理晚稻產量最高，分別比CK處理增加103.64%和93.97%。

表2 長期施肥下水稻產量及構成因素的變化Tab.2 Dynamic change of yield and yield component of rice under different long-term fertilizer management condition

圖2中可知，不同施肥處理周年水稻產量大小順序表現為LOM>RF>HOM>MF>CK。周年水稻產量均以LOM處理最高，為11 182.5 kg/hm2，比CK處理增產5 469.0 kg/hm2；其次是RF處理，為10 995.0 kg/hm2，比CK處理增產5 281.5 kg/hm2；HOM和MF處理周年水稻產量分別為10 968.0，10 113.0 kg/hm2，均高于CK處理，分別比CK處理增產5 254.5，4 399.5 kg/hm2。

圖2 長期施肥下雙季水稻產量的變化Fig.2 Dynamic change of yield of early and late rice under different long-term fertilizer management condition

2.4 土壤養分與水稻產量的相關分析

以土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量為自變量，水稻產量為因變量進行相關性分析，土壤有機質與土壤全氮、全磷、堿解氮、有效磷均具有極顯著的正相關(r=0.993**，0.971**，0.950**，0.950**)，與土壤速效鉀具有顯著的正相關(r=0.802*)。土壤全氮與土壤全磷、堿解氮、有效磷均具有極顯著的正相關(r=0.960**，0.952**，0.948**)，與土壤速效鉀具有顯著的正相關(r=0.864*)。土壤全磷與土壤堿解氮、有效磷均具有極顯著的正相關(r=0.856**，0.993**)，與土壤速效鉀具有顯著的正相關(r=0.758*)。土壤全鉀與土壤速效鉀具有顯著的正相關(r=0.731*)。土壤堿解氮與土壤有效磷、速效鉀均具有顯著的正相關(r=0.817*，0.821*)。土壤有效磷與土壤速效鉀具有顯著的正相關(r=0.772*)。而水稻產量與土壤養分均無顯著性相關(表3)。

3 討論

3.1 不同施肥模式對稻田耕層土壤養分的影響

前人試驗研究結果表明，有機無機肥配施條件下有利于增加稻田耕層土壤有機質、緩效和速效養分含量[14]。本試驗經過長達31年不同施肥模式定位試驗后，各施肥處理間土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均存在明顯的差異，土壤全鉀含量和pH值變化不顯著。有機無機肥配施處理較無肥對照處理明顯增加了稻田耕層土壤主要養分含量，有利于培肥稻田耕層土壤；其中，以60%和30%有機肥處理的培肥效果較佳，其次是秸稈還田和化肥處理。其原因為施入土壤有機物料(有機肥和秸稈)是提高土壤有機質的主要措施，施入有機物料有利于提高和維持土壤有機質含量在較高水平；長期施用化肥條件下，作物也有大量的根系、莖葉殘茬歸還于稻田土壤，有利于提高土壤有機物質，單獨施用化肥施肥模式的土壤有機質含量明顯高于無肥對照。

表3 土壤肥力指標與水稻產量之間的相關性Tab.3 The correlation between the soil fertility index and the grain yield of rice

注：*.5%顯著水平；**.1%顯著水平。

Note:*.Significant difference at 0.05 level ;**.Significant difference 0.01 at level.

由于化肥氮在土壤中容易轉化為氨態氮和硝態氮，造成氨揮發和硝酸鹽淋溶[15]，施用化肥對增加土壤中全氮和堿解氮含量的效果低于施用有機肥，有機氮在土壤中分解速度慢，易于在土壤中保留[16]。有機肥與化肥配施對提高土壤全磷和速效磷含量有明顯的效果，這是因為一方面施用有機肥有利于增加土壤中有機質含量，從而減少對無機磷固定和促進無機磷溶解[17]，另一方面，長期施用有機肥，有機肥中所含的有機磷在土壤中長期積累也增加了土壤中全磷和速效磷的含量。而化肥施入土壤后很快被土壤固定而轉化為緩效態磷，從而極大地降低了有效磷的含量。與其他施肥處理相比，無肥條件下收獲作物籽粒和部分莖葉等器官也帶走了土壤中的磷，長期在該種施肥條件下，無外源磷素投入，土壤中磷素不斷下降，從而降低了土壤中全磷和速效磷含量。長期采取有機肥(雞糞和秸稈)配合施用化肥均有利于增加土壤中全鉀和速效鉀含量，其原因可能是鉀素在有機肥處理土壤中的轉化率高于化肥處理、被土壤固定程度低于化肥處理，因此，在長期施用有機肥條件下促進了土壤中全鉀和速效鉀的含量[18]。

通過對土壤養分含量與水稻產量的相關分析，表明全氮、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀與有機質含量均具有顯著的正相關(r=0.993**，0.971**，0.950**，0.950**，0.802*)，這與前人的報道基本一致[5]。前人研究結果表明，土壤肥力與水稻產量之間存在顯著的正相關，這表明水稻產量隨著土壤肥力的升高不斷增加[19]。本試驗研究結果表明，土壤養分含量與水稻產量之間均無顯著性相關，其原因可能是在本試驗的設計之初，所投入的施肥量低于目前所投入的施肥量，目前早稻和晚稻季所施用總N 352.5 kg/hm2、P2O5135.0 kg/hm2和K2O 352.5 kg/hm2 [20]，因此，不同施肥處理水稻產量均低于同一區域的水稻產量；且各施肥處理的土壤養分含量隨著施肥年限的增加而增加，其研究結果與董春華等[8]相似。

3.2 不同施肥模式對水稻產量的影響

施肥是維持稻田生產力關鍵的措施之一，施用化肥和有機肥分別有利于提供速效養分、改善土壤理化特性和提供緩效養分[7]，有機肥配合施用化肥對培肥土壤和維持水稻產量等方面均具有十分重要的現實意義[7，21]。前人研究結果認為，施肥有利于提高早稻和晚稻產量，以有機肥配合施用化肥的效果最佳[8]。本試驗結果認為，不同施肥條件下，早稻的產量大小順序表現為有機肥配施化肥>秸稈還田配施化肥>化肥>無肥；其可能的原因是長期施肥條件下，施用有機肥可促進土壤有機質增加、培肥土壤，由于早稻季生育期相對較短，且外界氣溫較低，化肥的施用可為植株生長發育提供速效養分，保證植株的生長發育和生物學產量，有利于水稻個體與群體的協調，增加植株有效穗數和提高結實率，改善了產量的經濟性狀，為水稻高產奠定了基礎[9-10]。各施肥處理晚稻產量大小順序表現為秸稈還田配施化肥>有機肥配施化肥>化肥>無肥；秸稈還田配施化肥條件下晚稻產量最高，其原因為在該種施肥模式條件下改善了稻田土壤理化性質，同時也有利于增強土壤微生物活性和釋放土壤中固定的營養元素[22]，為水稻的生長發育和生物學產量提供了物質來源[23]，協調水稻植株個體與群體間的關系，保證了單位面積有效穗數。有機無機肥配施均能獲得較高的晚稻產量，其原因是在該種施肥條件下有利于增加土壤養分含量、培肥土壤，有機肥中的養分釋放緩慢，配施化肥可為晚稻的生長發育和生物學產量提供均衡的養分，為水稻高產奠定了物質基礎。而長期單獨施用化肥通過調整土壤部分養分含量，對水稻植株生長、生物學產量及源庫關系等方面均造成影響，最終影響水稻產量。

本研究開展了雙季稻區不同施肥條件下稻田土壤養分、水稻產量及其之間的相關性的初步研究，而在不同施肥條件下雙季稻植株的養分特性、土壤微生物特性的變化特征還有待開展。

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