紫云英-水稻輪作不同肥料配施對生土碳氮和磷肥利用率的影響

曹凱，斯林林，徐靜，張賢，王建紅

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

近年來，我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展占用了大量優(yōu)質(zhì)耕地，人地矛盾問題日益凸顯，同時也對國家糧食安全構(gòu)成了嚴(yán)重挑戰(zhàn)，因此，迫切要求增加新墾耕地面積以實(shí)現(xiàn)占補(bǔ)平衡[1]。我國后備耕地資源不斷減少，占補(bǔ)平衡壓力不斷增大，補(bǔ)充耕地項(xiàng)目呈現(xiàn)上山和入海的趨勢，不少地區(qū)的灘涂、園地和丘陵坡地成為補(bǔ)充耕地的主要來源[2]。但是這些耕地耕層土壤大部分為生土，即發(fā)育不成熟的土壤，由于該種土壤所含的微生物數(shù)量、土壤酶活性及養(yǎng)分含量較低，因此，需要通過生物循環(huán)的蓄積作用和人為的生產(chǎn)活動等途徑才能培育成熟土。

目前，關(guān)于生土施肥對土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量的影響研究已有諸多報道。紅壤地區(qū)不同母質(zhì)生土長期定位試驗(yàn)表明，有機(jī)無機(jī)肥配施和秸稈還田能快速提高生土有機(jī)質(zhì)含量[3]。李霞等[4]在季節(jié)性干旱區(qū)新墾植煙土壤上發(fā)現(xiàn)，保水劑結(jié)合豌豆翻壓可提高土壤保水能力，增加土壤養(yǎng)分含量，提高烤煙的質(zhì)量和產(chǎn)量。楊珍平等[5]在黃土母質(zhì)生土的盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用化肥結(jié)合豌/麥、苜/麥混作模式改良土壤的綜合效應(yīng)最優(yōu)。相關(guān)研究表明，生土條件下單施氮肥和鉀肥以及氮肥鉀肥配施均不能使小麥形成正常產(chǎn)量，施用磷肥則顯著提高了小麥產(chǎn)量，磷素成為限制小麥生長的第一因素[6]。

紫云英-水稻輪作模式可大幅減少化肥的施用。李增強(qiáng)等[7]研究指出，紫云英還田量為45 t·hm-2條件下，配施60%的化肥用量能夠顯著增加土壤活性有機(jī)碳含量。王建紅等[8]同樣發(fā)現(xiàn)，紫云英最優(yōu)還田量為45 t·hm-2，同時配施40%的化肥用量較單施100%的化肥用量處理可顯著提高水稻產(chǎn)量。這些研究主要集中在常規(guī)土壤上通過水稻生長期間施肥分析不同化肥用量間的差異，但是鮮有研究報道生土條件下紫云英生長當(dāng)年一次性配施不同比例有機(jī)肥和無機(jī)肥對水稻生長和生土養(yǎng)分的影響。本文通過紫云英-水稻輪作的盆栽試驗(yàn)，研究不同比例腐植酸、氮肥和磷肥一次性基施對水稻產(chǎn)量、生土碳氮和磷肥農(nóng)學(xué)利用率的影響，以期為生土的快速熟化和紫云英-單季稻制度下肥料的合理配施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

盆栽試驗(yàn)地點(diǎn)位于衢州市衢江區(qū)全旺鎮(zhèn)馬蹊村，供試土壤pH 6.10，有機(jī)質(zhì)3.10 g·kg-1，全氮0.24 g·kg-1，有效磷5.80 g·kg-1，速效鉀50.79 g·kg-1。土壤適當(dāng)風(fēng)干破碎后，過15 mm篩備用。供試紫云英為寧波大橋種，水稻品種為成兩優(yōu)7058。腐植酸有機(jī)質(zhì)740.04 g·kg-1，化學(xué)氮肥為尿素(N：46.6%),磷肥為過磷酸鈣一水合物(P2O5：56.3%),化學(xué)鉀肥為氯化鉀(K2O：63.2%)。

1.2 處理設(shè)計

設(shè)置2水平腐植酸用量(H1:0 g·kg-1和H2：20 g·kg-1)，2水平氮肥用量(N1:0 g·kg-1和N2:0.5 g·kg-1)，4水平磷肥用量(P1:0 g·kg-1、P2:0.30 g·kg-1、P3:0.55 g·kg-1和P4:0.80 g·kg-1)，處理分別為：(1)H1N1P1；(2)H1N1P2；(3)H1N1P3；(4)H1N1P4；(5)H1N2P1；(6)H1N2P2；(7)H1N2P3；(8)H1N2P4；(9)H2N1P1；(10)H2N1P2；(11)H2N1P3；(12)H2N1P4；(13)H2N2P1；(14)H2N2P2；(15)H2N2P3；(16)H2N2P4。每個處理設(shè)4次重復(fù)，共計64盆。

試驗(yàn)于2019年11月開始，每盆裝入10 kg風(fēng)干土，將腐植酸和化肥按照各處理用量一次性施入土壤并攪拌均勻，壓實(shí)土壤后補(bǔ)充水分約至75%田間持水量。隨后每盆播種50粒紫云英種子，待種子出苗后間苗至每盆20株。2020年4月收獲紫云英，剪至3 cm小段后全部翻壓至土壤中。6月施用基肥，氮肥分兩次施入(基肥∶追肥=6∶4)，磷肥和鉀肥均一次性基施，其中總N施入量為0.2 g·kg-1，P2O5和K2O施入量均為0.1 g·kg-1。施用基肥后土壤淹水3 d，保持表層水深3 cm，隨后每盆移栽1株長勢相同的16 d苗齡的水稻幼苗。水稻生長過程中水分和病蟲害防治措施保持一致。

1.3 測定分析

試驗(yàn)于2020年10月水稻成熟期采集各盆栽水稻，將稻谷脫粒后曬干至標(biāo)準(zhǔn)含水量，稱重測定實(shí)際產(chǎn)量。水稻收獲后采集0～20 cm土層土樣，過2 mm篩于4 ℃保存，用于土壤理化性質(zhì)分析。土壤可溶性有機(jī)碳采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提法，微生物量碳氮采用氯仿熏蒸法，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮利用流動分析儀測定，磷肥農(nóng)學(xué)利用率(kg·kg-1)=(施磷區(qū)產(chǎn)量-無磷區(qū)產(chǎn)量)/磷肥施用量×1 000。

利用Microsoft Excel 2010和PASW Statistics 18進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，運(yùn)用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢測，利用Pearson法進(jìn)行相關(guān)分析，制圖在SigmaPlot 14.0中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量

方差分析結(jié)果表明，不同施肥處理間的水稻產(chǎn)量存在顯著差異，其中以H2N2P3處理產(chǎn)量最高(圖1)，繼續(xù)提高磷肥用量水稻產(chǎn)量無顯著變化，說明此時磷肥用量已不再是影響水稻產(chǎn)量的主要因素。H1N2P1處理水稻產(chǎn)量最低，較其他處理顯著下降64%～84%，說明生土種植紫云英條件下單施氮肥會明顯降低后續(xù)水稻產(chǎn)量，配施腐植酸和(或)磷肥均可促進(jìn)水稻增產(chǎn)。由單施磷肥處理(H1N1P2、H1N1P3和H1N1P4)水稻產(chǎn)量可知，增加磷肥用量在一定程度上有利于水稻產(chǎn)量的提高。同樣，單施腐植酸處理(H2N1P1)也可顯著增加水稻產(chǎn)量，與不施肥處理(H1N1P1)相比，單施腐植酸處理水稻產(chǎn)量顯著提高了64%。

柱上無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2同。

2.2 土壤碳氮

施肥后土壤可溶性有機(jī)碳和微生物量氮總體呈下降趨勢(表1)。與不施肥處理相比，單施氮肥處理土壤可溶性有機(jī)碳和微生物量氮分別顯著降低37%和62%，單施腐植酸處理土壤可溶性有機(jī)碳和微生物量氮分別顯著降低28%和49%。單施磷肥條件下，土壤可溶性有機(jī)碳隨磷肥施用量的增加而提高，但土壤微生物量氮與磷肥施用量則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。單施腐植酸處理土壤微生物量碳含量最高，較其他處理顯著提高14%～492%，較不施肥處理顯著提高139%，說明僅添加腐植酸就可以明顯改善土壤微生物量碳含量。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為單施氮肥處理最高，H1N1P2處理含量最低，且存在顯著差異。

表1 不同施肥處理下土壤碳氮變化

2.3 水稻產(chǎn)量和土壤碳氮的變異

由表2可知，配施腐植酸可極顯著提高水稻產(chǎn)量、微生物量碳和銨態(tài)氮40%、5%和1%，極顯著降低可溶性有機(jī)碳、微生物量氮和硝態(tài)氮3%、3%和1%。配施氮肥可極顯著提高水稻產(chǎn)量和銨態(tài)氮16%和2%，顯著增加微生物量碳6%，極顯著降低可溶性有機(jī)碳和微生物量氮2%和6%。腐植酸和磷肥用量對可溶性有機(jī)碳無顯著影響。水稻產(chǎn)量隨著磷肥施用量的提高而上升，當(dāng)磷肥用量為0.55 g·kg-1時水稻產(chǎn)量最高，再次提高磷肥用量無益于水稻增產(chǎn)。磷肥用量為0.55 g·kg-1處理較不施用磷肥處理的微生物量碳、微生物量氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別顯著降低29%、24%、16%和19%。

表2 腐植酸、氮肥和磷肥用量對水稻產(chǎn)量和碳氮的影響

2.4 土壤碳氮與水稻產(chǎn)量的相關(guān)性

由表3可以看出，水稻產(chǎn)量與微生物量氮和硝態(tài)氮之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明生土翻壓紫云英條件下微生物量氮和硝態(tài)氮的減少促進(jìn)了水稻增產(chǎn)。微生物量氮與硝態(tài)氮之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與銨態(tài)氮之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明土壤無機(jī)氮和有機(jī)氮之間存在著此消彼長的關(guān)系。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間有極顯著正相關(guān)關(guān)系，這可能是由于銨態(tài)氮含量提高后有利于同步轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮。

表3 水稻產(chǎn)量和土壤碳氮的相關(guān)關(guān)系

2.5 磷肥農(nóng)學(xué)利用率

如圖2所示，H1N2P3處理磷肥農(nóng)學(xué)利用率較其他處理顯著提高72%～1700%。P3和P4水平下不施用腐植酸各處理磷肥農(nóng)學(xué)利用率顯著高于各施用腐植酸處理，說明施用腐植酸對磷肥農(nóng)學(xué)利用率產(chǎn)生了顯著的負(fù)效應(yīng)。不施用腐植酸條件下，增施氮肥顯著提高了磷肥農(nóng)學(xué)利用率，例如H1N2P3處理磷肥農(nóng)學(xué)利用率較H1N1P3處理顯著提高了203%，H1N2P4處理磷肥農(nóng)學(xué)利用率較H1N1P4處理顯著提高了60%。但在施用腐植酸條件下，氮肥對磷肥農(nóng)學(xué)利用率沒有一致的影響，例如H2N1P3處理磷肥農(nóng)學(xué)利用率與H2N2P3處理無顯著差異，H2N1P4處理磷肥農(nóng)學(xué)利用率較H2N2P4處理顯著降低了76%。因此，在不施用腐植酸條件下可以達(dá)到以氮促磷的效果。

圖2 P3和P4水平下磷肥利用率變化

3 小結(jié)與討論

紫云英是豆科草本植物，為南方稻田常見的綠肥作物，具有較強(qiáng)的固氮能力。研究表明，氮磷鉀配施能明顯提高紫云英產(chǎn)量和養(yǎng)分累積量[9]，紫云英還田腐解后能為下季水稻生長提供所需養(yǎng)分，從而促進(jìn)水稻增產(chǎn)。本文的研究結(jié)果表明，腐植酸和氮肥及磷肥合理配施處理的水稻產(chǎn)量較高，這主要?dú)w結(jié)于有機(jī)無機(jī)肥料平衡施用明顯有利于紫云英生長。氮肥對紫云英鮮草和籽粒的增產(chǎn)效應(yīng)低于磷肥[10]，生土條件下單施氮肥無法保證紫云英對磷素的攝取，因此，缺磷成為紫云英生長受限的主要因素。單施氮肥一方面降低了紫云英的還田量，另一方面使土壤中富集過多的氮素，進(jìn)而可能對下季水稻幼苗生長產(chǎn)生毒害作用，最終導(dǎo)致水稻大幅減產(chǎn)。

土壤微生物量碳氮和可溶性有機(jī)碳是土壤碳氮儲存庫中最活躍的組分[11]，對作物生長和土壤養(yǎng)分等有重要影響。雖然這些活性有機(jī)質(zhì)在土壤有機(jī)碳氮中的占比較低，但因其對土壤干擾較為靈敏，因此，常作為評價土壤受施肥、灌溉和耕作等措施影響的早期指標(biāo)[12]。紫云英還田長期定位試驗(yàn)表明，紫云英配施化肥較單獨(dú)翻壓紫云英能顯著提高土壤活性有機(jī)碳氮[13]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，長期施用化肥降低了土壤微生物量碳氮含量[14]。本研究中單施磷肥條件下，土壤可溶性有機(jī)碳隨磷肥施用量的增加而提高。可能是由于生土條件下，增加磷肥施用量有利于提高紫云英生物量，紫云英翻壓后在微生物作用下大部分分解成溶解態(tài)有機(jī)質(zhì)。

磷肥農(nóng)學(xué)利用率可以直接反映磷肥的增產(chǎn)效果。不同磷水平下小麥蠶豆間作試驗(yàn)表明，不同年際間磷肥農(nóng)學(xué)利用率隨磷肥施用量的變化存在差異[15]。這是由于第一年施用45 kg·hm-2的磷肥可以顯著提高小麥產(chǎn)量，但第二年等量磷肥對小麥產(chǎn)量無顯著影響。本研究中，在不施用腐植酸的條件下增施氮肥可以顯著提高磷肥農(nóng)學(xué)利用率，說明在等磷施用量時，增施氮肥顯著促進(jìn)了水稻增產(chǎn)。但是在施用腐植酸條件下，增施氮肥沒有表現(xiàn)出這種促進(jìn)效應(yīng)。相關(guān)研究表明，與普通磷肥相比，添加腐植酸能夠抑制土壤對水溶性磷的固定，提高磷肥利用率及提高作物產(chǎn)量[16]。在等磷等腐殖酸用量條件下增施氮肥水稻產(chǎn)量難以有顯著的增產(chǎn)，因此,不會提高磷肥農(nóng)學(xué)利用率。