油-稻輪作下前茬氮肥投入與稻季氮肥運籌對稻田土壤養分、碳庫及作物產量的影響

馬 鵬， 張宇杰， 林 鄲， 呂 旭， 伍雜日曲， 舒川海， 楊志遠， 孫永健， 馬 均

(四川農業大學水稻研究所/作物生理生態及栽培四川省重點實驗室，四川 溫江 611130)

作物輪作產生的秸稈是農田土壤有機碳重要的來源[1-2]。秸稈還田可以提高土壤微生物活性和土壤質量，減少因焚燒帶來的環境壓力，又可以循環補充土壤養分，減少化肥的投入量[3-4]。農業生產中的肥料直接或者間接影響土壤有機碳的礦化和積累[5-7]。研究結果表明土壤碳庫管理指數大小表征土壤肥力的高低[8]。劉合明等[9]研究發現用碳庫管理指數表征土壤養分和土壤碳素變化狀況比土壤有機碳更加有用。農田土壤養分能充分反映農田土壤內部狀況，保證農作物的豐產豐收。土壤有機碳是作物生長的養分和土壤微生物生命活動所需營養的重要來源。因此，土壤養分和有機碳可以用于反映秸稈還田和施肥措施的合理性。關于秸稈還田和化肥配施對土壤質量影響的研究比較多[10]，但是多數研究結果反映的是長期定位施肥體系下的累積效應，且大多研究局限于單季稻或者前茬氮肥對土壤有機碳的調控，而揭示短期施肥對土壤有機碳的影響，以及輪作模式下減量施氮與肥料運籌方式對稻田土壤養分、碳庫及作物周年生產力的影響研究仍較少。油-稻輪作是四川盆地主要的輪作模式，季節間的干濕交替變化影響著系統氮素的循環，前茬油菜收獲后殘留在土壤中的氮素對稻田土壤養分、碳庫等產生的影響不明。因此，本研究通過田間定位試驗，研究在秸稈全量還田條件下，前作減氮和稻季氮肥運籌對稻田土壤養分、碳庫及作物周年生產力的影響，以期為油-稻輪作模式減少氮肥投入、優化農業資源利用提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與土壤狀況

試驗于 2017年10月開始定位，于2019年9月結束定位，在四川省成都市溫江區四川農業大學水稻研究所試驗基田進行。油菜品種為綿油15號，水稻品種為F優498。供試土壤類型為砂壤土，2017年0～20 cm 土層有機質含量為 24.21 g/kg，全氮 1.52 g/kg，堿解氮114.93 mg/kg，速效磷23.89 mg/kg，速效鉀 52.61 mg/kg，pH為6.19。 2年的主要氣象數據如圖1所示。

1.2 試驗設計與實施

試驗采用兩因素裂區設計，主區為油菜季常規施氮(180 kg/hm2)和減量施氮(150 kg/hm2)2種氮肥投入量，分別用Nc和Nr表示；副區為稻季氮肥運籌方式，即在水稻季施氮量150 kg/hm2基礎上設置3個運籌方式：基肥∶分蘗肥∶穗肥=2∶2∶6(M1)、基肥∶分蘗肥∶穗肥=3∶3∶4(M2)和基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶4∶2(M3)。以不施氮處理(M0)為對照，共8個處理，3次重復。小區面積12.9 m2，小區間筑埂(30 cm)并用塑料薄膜包裹，以防串水串肥。

油菜分別于2017年9月13日育苗，10月12日移栽，2018年5月1日收獲， 2018年 9月14日育苗，10月13日移栽，2019年5月3日收獲，移栽規格50 cm×35 cm。油菜秸稈切成10 cm左右全量還田，秸稈分小區撒施于田間，人工翻耕。油菜季N、P2O5、K2O配比2∶1∶2，氮肥按基肥∶追肥=5∶5配施， 磷、鉀肥全作底肥。

水稻采用地膜育秧，2018年4月17日播種，5月23日人工移栽，9月2日收獲；2019年4月17日播種，5月24日人工移栽，9月4日收獲。移栽規格33.3 cm×16.7 cm，每穴單株。水稻季N、P2O5、K2O配比為2∶1∶2，磷肥(P2O5) 75 kg/hm2、鉀肥(K2O) 150 kg/hm2全部作基肥施用，基肥在移栽前1 d施入，蘗肥于移栽后7 d施用，穗肥分促花肥和保花肥(5∶5) 2次于倒4葉和倒2葉期施用。水稻收獲后秸桿切碎全量還田到對應小區，其他田間管理同當地高產栽培。各處理秸稈全量還田量如表1所示。

圖1 試驗階段氣象數據Fig.1 Meteorological data during the test phase

表1 不同氮肥處理油菜和水稻收獲后秸稈還田量

1.3 測定項目及方法

1.3.1 樣品采集 分別于2018年9月和2019年9月水稻收獲前1 d用土鉆在試驗地各小區采用五點取樣法收集0～20 cm土壤樣品，揀除雜草等雜物，混合后帶回實驗室測定土壤養分和土壤碳庫含量。

1.3.2 測定方法 土壤pH按照水土比2.5∶1.0(質量比)電位法測定，有機質含量采用K2Cr2O7-H2SO4稀釋熱法測定，全氮采用FOSS-8400凱氏定氮儀測定，速效磷采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用火焰光度法測定，銨態氮采用靛酚藍比色法測定，硝態氮采用紫外分光光度法測定，土壤總有機碳和可溶性有機碳采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定, 土壤易氧化有機碳采用高錳酸鉀氧化比色法測定[11],土壤微生物碳采用氯仿熏蒸法測定[12]。碳庫指數=農田土壤有機碳含量/對照農田土壤有機碳含量。油菜和水稻成熟后，各小區單獨收割脫粒，油菜籽和稻谷曬干后分別按標準含水量10.1%和13.5%折算實收產量。周年糧食產量=油菜實際產量+水稻實際產量。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2016統計數據，采用DPS 9.50數據處理軟件進行數據統計分析，用最小顯著差數法(LSD)分析不同處理間平均數在P<0.05的差異顯著性，采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 油-稻輪作下前季減量施氮與稻季氮肥運籌對稻田土壤養分含量的影響

油-稻輪作下，前作減量施氮與稻季氮肥運籌對稻田土壤養分含量的影響如表2所示，從整體上看，2年試驗結果基本一致，稻田土壤養分含量年度間表現為2019年略高于2018年。與常規施氮(Nc)相比，油菜季減量施氮(Nr)提高了稻田土壤有機質、速效磷和全氮的含量，2年平均增幅分別為18.57%、6.43%和0.83%，全氮增加不明顯；降低了速效鉀、銨態氮和硝態氮含量，2年平均降幅分別為5.22%、4.65%和5.82%。油菜季Nc處理和Nr處理下，稻季M1、M2、M3相對于M0顯著增加了稻田土壤的養分含量，其中以M3增幅最大。在Nc處理下，稻季M3處理相對于M0、M1、M2處理，稻田有機質含量2年平均分別增加25.82%、19.48%和25.77%，全氮分別增加了8.34%、4.21%和9.58%，速效磷分別增加了70.92%、17.98%和20.46%，速效鉀分別增加了42.46%、1.87%和3.51%，硝態氮分別增加了65.58%、9.80%和44.47%。在Nr處理下，稻季M3處理相對于M0、M1、M2處理，稻田有機質含量2年平均增幅分別為43.25%、20.37%和2.96%，全氮增幅分別為15.87%、10.21%和22.41%，速效磷增幅分別為69.79%、8.80%和11.59%，速效鉀增幅分別為48.51%、6.13%和14.88%，硝態氮增幅分別為54.25%、31.83%和19.71%。油菜季Nr相對于Nc，稻季M3運籌下的稻田有機質、全氮、速效磷含量2年平均分別增加了16.07%、1.07%和2.29%。由此可見，油菜季減施氮肥(Nr)配合稻季 M3 (基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶4∶2) 運籌模式更有利于提高稻田土壤養分含量。

表2 不同施氮處理對稻田土壤養分的影響

2.2 油-稻輪作下前季減量施氮與稻季氮肥運籌對稻田土壤碳庫的影響

由表3可知，油-稻輪作下，前作減量施氮與稻季氮肥運籌對稻田土壤碳庫的影響各異。從整體上看，2年度試驗結果基本一致，稻田土壤碳庫和碳庫指數年度間表現為2019年略高于2018年。與油菜季Nc處理比較，Nr處理降低了稻田土壤總有機碳、可溶性有機碳和易氧化性碳的含量，2年平均降幅分別為3.95%、1.91%和3.36%，但差異不顯著；增加了微生物碳含量，2年平均增加了30.46%。在Nc和Nr處理下，稻季M1、M2、M3處理相對于M0處理顯著增加了稻田土壤的總有機碳、可溶性有機碳、微生物碳、易氧化性碳和碳庫指數，其中以M3運籌處理增幅最大。在Nc處理下，稻季M3處理相對于M0、M1、M2處理總有機碳含量2年平均增幅分別為8.79%、4.23%和0.88%，可溶性有機碳含量增幅分別為25.76%、13.81%和1.09%，微生物碳增幅分別為32.29%、8.28%和29.60%，易氧化性碳含量增幅分別為28.02%、26.12%和5.63%。在Nr處理下，稻季M3處理相對于M0、M1、M2處理總有機碳含量2年平均增幅分別為20.77%、17.40%和12.34%，可溶性有機碳含量增幅分別為25.57%、1.91%和23.62%，微生物碳含量增幅分別為84.84%、9.11%和56.93%，易氧化性碳含量增幅分別為53.60%、2.28%和8.99%。油菜季Nr處理相對于Nc處理，稻季M3運籌下的土壤總有機碳、微生物碳含量和碳庫指數2年平均分別增加了4.18%、45.73%和3.47%。由此可見，油菜季減施氮肥配合稻季 M3 (基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶4∶2) 運籌模式更有利于碳庫的增加。

表3 不同施氮處理對稻田土壤碳庫的影響

2.3 油-稻輪作下前季減量施氮與稻季氮肥運籌對作物周年產量的影響

油-稻輪作下前季減量施氮與稻季氮肥運籌對作物產量的影響如表4所示，2個年度試驗結果基本一致，油菜產量年度間表現為2019年略高于2018年。減量施氮處理(Nr) 相比常規施氮處理(Nc)顯著降低了油菜產量，2年平均減產幅度為18.72%，水稻產量2年平均減產幅度為1.11%，差異不顯著。在Nc處理和Nr處理下，水稻產量在不同氮肥運籌下均表現為 M3>M2>M1>M0。在Nc處理下，稻季M3處理相對于M1處理和M2處理水稻產量2年平均分別增加4.61%和1.82%，周年產量分別增加3.56%和1.40%。在Nr處理下，稻季M3處理相對于M1和M2處理水稻產量2年平均分別增加6.11%和4.95%，周年總產2年平均分別增加4.83%和4.02%。油菜季Nr處理相對于Nc處理，稻季M3運籌下的水稻產量2年平均增加了1.45%，周年產量降低了3.63%，但差異不顯著。從水稻產量和周年總產來看，油菜季減量施氮(減少氮肥投入30 kg/hm2)配合稻季 M3運籌模式 (基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶4∶2) 可以實現水稻高產穩產，同時減少氮肥投入。

表4 不同施氮處理對作物產量的影響

2.4 稻田碳庫指標與土壤肥力的相關性

分析2年土壤總有機碳、可溶性有機碳、微生物生物量碳及易氧化碳含量與稻田土壤肥力指標的相關性，結果如表5所示。土壤總有機碳含量與速效鉀含量和硝態氮含量呈顯著正相關關系；可溶性有機碳含量與土壤速效磷含量呈顯著相關關系，而與速效鉀含量則呈極顯著正相關關系；微生物碳含量與土壤有機質、全氮和速效磷含量呈顯著正相關關系；易氧化碳含量與土壤速效磷和銨態氮含量呈顯著正相關關系，與速效鉀含量呈極顯著正相關關系；土壤總有機碳、可溶性有機碳、易氧化碳含量與作物周年產量呈顯著正相關關系，其中總有機碳含量與周年產量的相關系數最大(0.84*)。經逐步回歸分析，土壤總有機碳含量= 0.254×全氮含量(g/kg)+12.961×有機質含量(g/kg)+0.204×速效磷含量(mg/kg)，可以認為土壤總氮、有機質和速效磷含量與土壤總有機碳含量關聯度較大。周年作物產量=0.279×總有機碳含量(g/kg)+8.46×有機質含量(g/kg)+0.196×全氮含量(g/kg)+0.242×速效磷含量(mg/kg)-0.017可溶性有機碳含量(mg/kg)，表明作物周年產量與土壤總有機碳、有機質、全氮、速效磷含量關聯度較高，土壤總有機碳、有機質、全氮、速效磷含量是影響作物周年產量的主要因素。

表5 稻田碳庫指標與土壤肥力的相關性

3 討 論

3.1 油-稻輪作下前茬氮肥投入與稻季氮肥運籌對稻田土壤養分、碳庫的影響

秸稈還田配施適量化肥能夠培肥地力,提高作物產量[13]。楊濱娟等研究結果表明，秸稈還田配施低量氮、磷、鉀肥可顯著增加土壤全氮、速效鉀含量[14]。前人從秸稈還田方式、還田量、還田時間、秸稈還田與化肥配合施用等方面對土壤有機質的影響進行了研究[15-16]。秸稈還田和有機肥配施處理可以增加土壤有效氮和速效磷含量，但速效鉀含量隨著種植年限的增加呈下降趨勢[17]。黃容等[18]研究結果表明，秸稈還田與化肥減量配施處理較常規施肥處理提高了土壤速效氮、速效磷、速效鉀的含量，且土壤速效養分隨著減量施肥水平的提高呈先增加后降低的趨勢。本研究結果表明，在油-稻輪作秸稈全量還田條件下，與油菜季常規施氮(Nc)相比，油菜季減量施氮(Nr)提高了稻田土壤有機質、速效磷和全氮的含量，油菜季減施氮肥(Nr)配合稻季M3運籌對稻田土壤養分含量的提高效果最佳。原因可能是在微生物分解秸稈的過程中適量的氮肥和適宜的氮肥運籌，可以為微生物提高氮源[19]，調節適宜土壤微生物生長的C/N，促進土壤微生物活性，從而加快了微生物對秸稈中有機態養分的分解釋放，提高了土壤養分。

土壤碳庫是由很多不同穩定性組分組成的，其動態平衡是土壤肥力保持和提高的重要內容。李琳等[20]研究認為秸稈還田能夠增加土壤中活性有機碳組分，同時改善有機碳質量。吳玉紅等[21]研究發現秸稈還田配施減量肥料能提高土壤有機碳及活性有機碳含量。趙亞南等[22]研究結果表明秸稈還田與化肥配施處理對有機碳含量的提升效果高于單施化肥處理。本研究結果表明，稻田碳庫含量在秸稈還田的第2年略高于第1年，原因可能是隨著油菜和水稻秸稈逐年歸還進入土壤，土壤匯碳功能增強，從而提升了土壤基礎地力。本試驗條件下，油菜季減量施氮(Nr)下稻季M3運籌對稻田土壤總有機碳和微生物碳含量的提高效果最為顯著，但在提高易氧化性碳含量方面沒有體現出明顯優勢。相關分析結果表明，土壤總氮、有機質、速效磷含量與土壤總有機碳含量呈顯著正相關關系，可能是因為土壤有機碳的分解受土壤微生物碳氮平衡的影響，土壤C/N在很大程度上影響其分解速率，而油菜季減量施氮(Nr)處理下稻季M3運籌能夠控制土壤C/N在適宜的范圍(9.01～9.89)，提高土壤微生物活性，加快秸稈腐解，提高土壤有機質等養分含量。另外，水稻季淹水狀態降低了土壤礦化和腐殖化的過程[23-25]。張瑞等[26]研究結果表明短期施肥可以同時提高土壤活性有機碳含量，這是因為土壤有機碳由不同活性的碳庫組成，短期施肥對土壤有機碳的影響首先表現在活性碳庫上，對周轉速度較慢的非活性碳庫的影響較為緩慢，而長期施肥能維持有機碳持續大量輸入，促使各個碳庫之間的相互轉化，因此非活性碳庫也逐漸發生變化，直至碳庫間達到動態平衡并維持在一定的比例[27]。

3.2 油-稻輪作下前茬氮肥投入與稻季氮肥運籌對作物產量的影響

農業中化肥零增長是現代農業中發展的目標，不同種植體系中減量施肥得到了廣泛關注，很多研究結果表明，在麥-稻、玉米-油菜等輪作體系中減量施肥對產量的影響較小[28-30]。丁文金等[31]研究結果表明，秸稈還田氮肥減量處理對雙季稻總產量不會產生明顯的負面影響。黃容等[18]研究結果表明，秸稈全量覆蓋配合氮肥減量20%～30%處理能夠提高水稻產量。本研究結果表明，土壤總有機碳含量與土壤養分和作物周年產量呈顯著或極顯著正相關關系，土壤總氮、速效磷含量與土壤總有機碳含量的相關度較大，因此，秸稈還田后，應以合理的氮肥用量及合理的氮肥管理方式調節土壤C/N，使得秸稈更快地腐解。否則，會引起C/N失調，起不到增產的效果[32]。本研究結果表明，在油-稻輪作系統下，油菜季減量施氮降低了油菜的產量，而油菜季減量施氮(Nr)，稻季M3 (基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶4∶2)氮肥運籌下水稻產量最高，可能是由于前茬減量施氮，稻田土壤肥力處于較低狀態，水稻季后氮前移有利于水稻形成優勢群體，而且水田具有較好的水熱穩定性, 基礎地力對水稻產量的貢獻大[33]。此外，也可能是因為水稻季油菜秸稈還田和油菜季水稻秸稈還田的肥料產生的效應有所差別，水稻季油菜秸稈還田后高溫和淹水條件有利于油菜秸稈的腐解和養分的釋放，加之稻季M3氮肥運籌，弱化了油菜季化肥減量對水稻生長的影響，營造了一個適溫環境，加強了土壤水、溫、肥的耦合效果，增加了土壤微生物活性，縮短了土壤有機質礦化分解過程，有利于營造對水稻生長有利的環境。這一研究結論與趙亞南等[34]研究的稻-油輪作減量施肥對水稻油菜生長影響的結論一致。本試驗中，油菜季減量施氮相比于常規施氮處理降低了油菜的產量，但是隨著秸稈還田年限的增加, 油菜減產效應有下降趨勢，可能是因為隨著油菜和水稻秸稈逐年歸還進入土壤，提升了土壤基礎地力，化肥減量對油菜產量的影響作用減小。

4 結 論

在油-稻輪作模式下，油菜季減少氮肥投入30 kg/hm2(約18%)，水稻季在施氮150 kg/hm2下以基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶4∶2運籌模式可以有效地改善稻田土壤養分和碳庫狀況，提高水稻產量。