油菜秸稈還田配施石灰對紅壤稻田早稻產量及土壤特性的影響

肖小軍，余跑蘭，鄭偉，肖國濱，李亞貞，肖富良，黃天寶，陳明，韓德鵬，呂偉生

（江西省紅壤研究所／江西省紅壤耕地保育重點實驗室／農業農村部江西耕地保育科學觀測實驗站，南昌 330046）

紅壤是我國南方分布最廣的土壤類型，基本涵蓋了長江流域冬油菜—水稻輪作區，而該區域油菜和水稻產業的發展在我國糧油生產中居重要地位［1］。由于其復雜而特殊的發育和形成過程，紅壤一般具有酸、黏、板、瘦的特點，而傳統的多熟制種植模式化肥用量較高、作物帶走的鹽基離子較多，進一步加劇了紅壤稻田酸化，導致作物增產乏力［2-4］。近年來，隨著農業機械化的發展和禁燒秸稈政策的實行，秸稈切碎直接全量還田已成趨勢［5］。通過秸稈還田，可優化土壤結構，歸還土壤養分和增強微生物活性［6］。相比冬閑模式，稻油輪作秸稈還田量大，充分利用冬油菜秸稈的培肥節肥效應對緩解集約化種植導致的不利影響具有重要意義。

增施石灰可提高土壤pH值與鈣鹽含量，降低土壤鋁毒和溫室氣體排放，是改良土壤酸化和提高作物產量的傳統而有效的措施之一［7-9］。合理施用石灰能夠增強土壤緩沖能力，促進作物根系生長及對土壤養分的吸收利用［10］，同時還能夠提高土壤微生物數量和活性，促進有機物料的礦化［8］。研究表明，長期秸稈還田能夠顯著改善土壤肥力、提高水稻產量［11］；但由于秸稈碳氮比（C／N）較高，直接還田后在短期內會引起微生物對土壤氮素的固定，不利于水稻前期生長，因此短期內秸稈還田對水稻的增產效果并不明顯［8，12，13］。冬閑條件下晚稻秸稈的腐解礦化充分，秸稈還田并不會導致第二年早稻分蘗期的氮素固定，反而有利于早生快發［8，13］。但如果冬季種植油菜，油菜秸稈還田到早稻栽插間隔短，加之氣溫逐漸升高，秸稈還田后早稻前期分蘗則往往受到抑制［14］。單純施用石灰雖能有效緩解土壤酸化脅迫，但在培肥酸性土壤方面的作用有限［15］；而秸稈還田雖培肥效應顯著，卻不能從根本上改良土壤酸化［16，17］。以往的研究側重分析石灰或秸稈還田的單獨效應，往往忽略了二者的交互作用［8，15］。已有研究表明［13，18］，水稻秸稈還田配施石灰可協同實現水稻增產、土壤酸化改良和地力提升。為了明確在酸性紅壤稻田冬種油菜且秸稈還田時配施石灰是否可在發揮各自優勢的同時相互彌補不足，協同促進下季早稻生產，在典型的酸性紅壤雙季稻田開展了施用石灰和油菜秸稈還田雙因素小區試驗，分析二者對早稻產量形成和土壤性狀的短期效應，為紅壤改良和水稻增產提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗時間與地點

試驗于2018年早稻季在江西省紅壤研究所進賢試驗基地（116°20′24″E，28°15′30″N）進行。該區域屬典型的亞熱帶季風濕潤氣候，氣候溫和，雨量充沛。本試驗季的溫光條件總體利于油菜和早稻生長，逐日氣溫和日照時數見圖1。試驗地前茬是早熟冬油菜陽光131，土壤母質為第四紀紅色粘土，為亞熱帶典型紅壤分布區。試驗前耕層0～20 cm土壤pH 5.2，含有機質20.4 g／kg、總氮1.5 g／kg、堿解氮98.9 mg／kg、有效磷18.6 mg／kg、速效鉀108.7 mg／kg。

圖1 試驗季逐日氣溫和日照時數Fig.1 Daily air temperature and sunshine duration during early rice season

1.2 試驗設計

采用隨機區組試驗設計，設置石灰、秸稈還田2個因素，共4個處理，分別為：（1）CK，秸稈不還田+不施石灰；（2）L，秸稈不還田+施石灰；（3）S，秸稈全量還田+不施石灰；（4）LS，秸稈全量還田+施石灰。每個處理3次重復，小區規格為6 m×8 m。前茬油菜于4月28日機械收獲，秸稈粉碎原位還田，菜籽產量和秸稈還田量約為1 800 kg／hm2和5 000 kg／hm2。石灰以相對溫和的CaCO3為材料，在耕地前按1 500 kg／hm2的用量均勻施入相應小區。試驗所用肥料為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀，其中氮肥（N）用量為150 kg／hm2，按基肥∶蘗肥∶穗肥為6∶2∶2施用；磷肥（P2O5）一次性基施75 kg／hm2，鉀肥（K2O）90 kg／hm2，按基肥和穗肥5∶5施用。供試品種為常規秈型超級稻中嘉早17，4月2日播種，5月1號移栽，7月17日成熟測產。采用塑盤泥漿育秧和人工移栽，栽插規格為25 cm×14 cm，每穴5根基本苗。其他田間管理按一般高產栽培技術規程進行。

1.3 樣品采集及指標測定方法

（1）莖蘗動態。移栽當天，每個小區定苗30穴，每3 d調查1次分蘗數，直到無效分蘗消亡和有效分蘗成穗。

（2）產量及產量構成。成熟期按平均莖蘗法每小區隨機取6穴植株（小區邊行不取），考查每穗總粒數、結實率、千粒質量等產量構成因素。每個小區采取人工單獨收獲籽粒（共200穴，小區邊行除外），晾干后稱重。

（3）地上部干物質積累量。將上述樣本按莖稈、葉、穗分開，于105℃殺青30 min，再于75℃烘干至恒重，冷卻至室溫后稱重。

（4）養分吸收量。地上部烘干并稱重之后，用萬能粉碎機將植株各部位粉碎，過0.25 mm篩，經H2SO4—H2O2聯合消煮，用凱氏定氮儀FOSS 2300測定含氮量，用鉬銻抗比色法測定全磷含量，用火焰光度計測定全鉀含量。根據各部位干物質量和養分含量計算地上部養分吸收總量。

（5）土壤pH及速效養分。分別在分蘗期（5月20日）、抽穗期（6月18日）和成熟期（7月17日）按5點取樣法采集0～20 cm耕層土壤，自然風干后磨碎過篩，參照文獻［19］方法測定土壤pH值以及堿解氮、有效磷和速效鉀含量。

1.4 相關指標計算方法

分蘗增長率（×104／hm2·d）＝（高峰苗數-基本苗數）／從移栽到分蘗高峰的天數

分蘗下降率（×104／hm2·d）＝（高峰苗數-最終穗數）／分蘗高峰到分蘗穩定的天數

1.5 統計分析

用Microsoft Excel 2010軟件進行數據統計與制圖；采用DPS 7.05軟件進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 產量及產量構成

施用石灰和油菜秸稈還田分別極顯著和顯著提高了早稻產量，并且二者具有顯著的互作效應（表1）。在秸稈還田條件下，配施石灰使早稻增產11.4%；而在秸稈不還田條件下，增幅僅為6.3%。相比CK處理，油菜秸稈還田并配施石灰（LS）顯著提高早稻產量13.1%。在產量構成上，施用石灰顯著提高了早稻的有效穗數與每穗粒數，最終極顯著提高了總穎花數，但對結實率及千粒質量的影響不顯著。油菜秸稈還田也顯著提高了早稻的每穗粒數和總穎花數，而對有效穗數、結實率和千粒質量無顯著影響。施用石灰和油菜秸稈還田對早稻有效穗數和總穎花數均有顯著的互作效應，因此二者協同促進了早稻增產。

表1 各處理早稻產量及產量構成因素比較Table 1 Comparison of yield and yield components of early rice in different treatments

2.2 分蘗成穗特性

由表2可知，施用石灰顯著提高了早稻分蘗增長率、高峰苗數和成穗率，對分蘗下降率無顯著影響。油菜秸稈還田對各項分蘗成穗特性指標均無顯著影響，但與石灰配施對分蘗增長率和高峰苗數存在顯著的互作效應。與油菜秸稈還田處理（S）相比，油菜秸稈還田并配施石灰處理（LS）早稻分蘗增長率、分蘗高峰苗數和成穗率分別提高了4.8%、6.9%和4.7%。

表2 各處理的早稻分蘗成穗情況Table 2 Tillering and panicle formation characteristics of early rice in different treatments

2.3 干物質積累

各處理干物質積累結果與產量結果一致（表3），施用石灰和油菜秸稈還田分別極顯著和顯著提高了早稻地上部干物質積累量，且二者具有顯著的互作效應。秸稈還田并配施石灰處理地上部干物質積累量提高了11.6%；而秸稈不還田時，增幅僅為6.4%。相比CK處理，油菜秸稈還田并配施石灰處理（LS）顯著提高了地上部干物質積累量14.1%。

表3 各處理早稻地上部干物質積累量Table 3 Aboveground dry matter accumulation of early rice in different treatments

2.4 養分吸收

表4結果顯示，施石灰處理顯著提高了早稻地上部氮素吸收，但對磷素和鉀素吸收無顯著影響。秸稈還田處理顯極著提高了早稻對氮素和鉀素的吸收，同時也顯著提高了對磷素的吸收。從互作效應來看，二者僅對氮素吸收具有顯著協同促進作用。各處理氮素吸收量為LS＞L＞S＞CK，與CK處理相比，各處理氮素吸收的增幅為4.5%～17.4%。

表4 各處理的早稻地上部養分吸收情況Table 4 Effects of rapeseed straw returning with lime on N，P，K uptake of early rice kg·hm-2

2.5 土壤p H及速效養分

由表5可知，無論秸稈還田與否，施用石灰顯著提高了各時期土壤pH值和分蘗期及抽穗期土壤堿解氮含量，但有降低土壤有效磷含量的趨勢，而對土壤速效鉀含量的影響不顯著。除分蘗期外，秸稈還田處理顯著提高了中后期土壤堿解氮含量。此外，秸稈還田還極顯著提高了各時期土壤有效磷與速效鉀含量，但對土壤pH值無顯著影響。在石灰和秸稈還田互作效應方面，僅見二者在分蘗期對土壤堿解氮有顯著的正互作效應，而對有效磷有顯著的負互作效應。

表5 各處理的早稻土壤p H及速效養分含量Table 5 Effects of rapeseed straw returning with lime on soil p H and available nutrients of early rice

3 討論

眾多研究表明，在冬閑條件下秸稈還田能夠顯著提高翌年早稻產量，但短期內對晚稻無顯著的增產效果［13，20，21］。因為雙季稻系統近半年的冬閑期有利于晚稻秸稈的腐解礦化，晚稻秸稈還田不會導致早稻前期氮素固定和分蘗抑制［8，22］；而早稻秸稈還田離晚稻移栽間隔時間短，加之氣溫較高，大量高C／N秸稈的迅速腐解導致微生物對土壤氮素的固定，從而抑制晚稻分蘗期的生長［12，21］。本研究中不施石灰時油菜秸稈還田對早稻并無顯著增產效應，與前人結果不同。可能是因為在冬種油菜條件下，油菜秸稈還田到早稻栽插間隔時間更短，加之氣溫逐步升高，全量高C／N的油菜秸稈快速腐解造成微生物對土壤氮的固定，從而表現出減蘗降穗效應［14］。雖然油菜秸稈還田有降低早稻有效穗數的趨勢，但其歸還了大量養分，土壤微生物在前期固定的氮素隨后也被逐漸釋放，促進了中后期群體生長［8，23］。此外，稻田肥力的差異以及水稻品種的特征差異也可能是導致秸稈還田對水稻產量效應不盡一致的原因［13］。有研究表明，秸稈還田在低肥力條件下對土壤肥力的提升效果更明顯，更有利于提高水稻產量［24］。

廖萍等［13］研究表明，施石灰和稻草還田對早稻產量表現出的正向互作效應主要是因為二者協同促進了地上部的氮素吸收，但二者對各產量構成因子均無顯著的互作效應，而對晚稻的正向互作效應主要是因為施石灰與秸稈還田對有效穗數及氮素吸收均存在顯著的協同促進作用。本研究發現，在酸性紅壤稻田施用石灰能夠顯著促進早稻高產，并且與油菜秸稈還田存在顯著的協同促進效應。秸稈還田并配施石灰能顯著促進水稻對氮素的吸收，主要是因為施石灰顯著提高了土壤pH值，能夠中和秸稈腐解時產生的有機酸及高濃度碳酸，減少土壤中的還原性物質［18］；同時能提高土壤C、N代謝相關酶活性，促進有機凋零物及土壤有機質的礦化，緩解秸稈直接還田對土壤堿解氮的固定，進而促進水稻早生快發和對氮素的吸收［8，10］。本研究中，在油菜秸稈還田條件下，施石灰使早稻產量及氮素吸收量分別提高了11.42%和17.38%。這與廖萍等［13］關于雙季稻系統的研究中的早稻季增幅相近，但卻遠低于晚稻季的增幅。筆者推測主要原因有：（1）本試驗的石灰施用量更低，還未充分發揮石灰的作用［7］；（2）油菜秸稈比水稻秸稈更容易腐解［25］，且油菜季后期脫落的葉片已將大量的養分歸還至土壤［23］；（3）早稻季前期溫度更低，油菜秸稈腐解相對更為溫和［11］。與氮素養分不同，石灰的施用有降低土壤有效磷含量的趨勢，特別是在前期；且石灰與油菜秸稈還田對中后期土壤有效磷、速效鉀以及成熟期磷素和鉀素吸收均無顯著互作效應。這可能是由于施石灰后，前期土壤pH迅速升高，導致磷素發生沉淀效應［26］，而秸稈中鉀素含量較高且主要以離子形態存在，能在短時間內充分釋放，受石灰的影響較小［25］。

已有研究發現，隨著試驗周期的延長，石灰改良的酸化土壤又會出現反酸現象，導致其改良土壤酸化并促進有機物料礦化的效果不斷下降［13］。此外，冬種油菜且秸稈還田雖能顯著增加養分歸還量，但對下茬水稻產量和土壤肥力的影響還受秸稈腐解程度、養分有效性及輪作周期等諸多因素的影響［27］。然而，本研究僅關注了油菜秸稈還田配施石灰對紅壤稻田早稻產量及土壤特性的短期效應，其持續效應及石灰的適宜施用量及頻率還有待于進一步探究。

4 結論

在本試驗條件下，施用石灰和油菜秸稈還田能夠協同促進早稻增產，主要是因為二者協同能快速改良土壤酸化并增加耕層速效養分，促進了早稻分蘗成穗、地上部養分吸收及干物質積累量，并同步提高了有效穗數和每穗粒數。因此，在酸性紅壤稻田，油菜秸稈還田配施石灰可改良土壤，進而實現早稻增產，但其長期效應還有待于進一步研究。