油菜季施磷結合秸稈還田提高油菜-水稻輪作體系的產量和磷肥利用率

黃 正，張 琪，周寧寧，阿什日軌，馮婷煜，馬 鵬，周 林，張榮萍

（西南科技大學生命科學與工程學院, 四川綿陽 621010）

油菜-水稻輪作作為長江流域常見種植制度之一，施用磷肥已成為其高產栽培的技術措施之一[1]。由于磷肥進入土壤后容易與土壤中的 Fe3+、Al3+、Ca2+等離子結合，形成難溶性磷酸鹽并被吸附在土壤顆粒的表面，向根系擴散能力偏低，使得磷肥當季利用率僅為10%～25%[2-3]。多年定位試驗表明，磷肥肥效緩慢，持續時間長，對后茬作物生長有明顯的促進作用[4]。因此，在輪作系統中，提高磷肥當季利用率意義不大，促進對前茬殘留磷肥利用來提高輪作系統中周年磷肥累積回收率更應得到關注[5]。研究表明，前茬磷肥用量和土壤含水量是影響前茬殘留磷肥后效大小的重要因素[6]。在油-稻水旱輪作中，季節性干濕交替影響土壤磷的化學形態和有效性[7]。旱作時，土壤落干促進對磷的吸附與固定，磷的有效性降低，而水稻季土壤覆水后，由于Fe3+的還原以及Ca-P化合物溶解度增加，磷有效性增加[8]。基于水旱輪作體系中土壤磷有效性動態變化，通常認為應采用“旱重水輕”的磷肥管理策略[9-10]。如袁國印等[11]認為，在玉米-晚稻輪作下，將水稻季磷肥2/3及全部前移至玉米季施用，與常規施磷相比周年磷素利用率提高230%～310%。朱文彬等[12]認為，稻-麥輪作體系中，小麥季施磷而稻季不施磷與傳統施磷相比籽粒產量無顯著變化，但提高磷肥的利用率。因此，提高水旱輪作體系中磷肥利用效率，應當掌握適宜周年磷肥用量和合理分配比例，充分利用磷肥后效。然而，在當前實際生產中為保證油-稻兩季高產與穩定，兩季生產中投入大量的磷肥，造成磷肥資源的浪費和加劇環境污染等問題。同時，隨著農業機械化程度的提高，秸稈粉碎還田已成為農業生產中秸稈主要處理方式之一[13]。相關研究報道，秸稈腐解過程中，向土壤中歸還部分植物吸收磷素，同時會產生有機酸等還原性物質，促進土壤中難溶性磷酸鹽的溶解，提高土壤有效磷含量，為栽培生產中磷肥減施提供了較大空間[14-15]。而在油-稻輪作系統中，秸稈還田與周年磷肥用量與分配比例的相關試驗研究鮮有報道。為此，本研究通過周年油菜-水稻輪作試驗，以當地實際磷肥施用水平為基礎，研究秸稈還田和不同施磷處理對油-稻輪作周年物質生產和磷素利用的影響，為油-稻輪作中周年磷肥合理施用提供一定的理論依據和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點為四川省綿陽市西南科技大學水稻試驗基地 (104.67°E，31.31°N)，年均氣溫約 16.35℃，屬亞熱帶季風濕潤氣候，季節性降水明顯，無霜期270天。試驗田土壤為潮土，為本地區典型土壤類型。試驗田前作水稻，土質均勻，2018年水稻收獲后將試驗田改為24個小區，小區四周扎埂，埂寬40 cm、高25 cm，埂上包膜防止串水串肥，小區面積為10.46 m2。定位試驗開展前0—20 cm土層土壤的基本理化性質為有機質含量21.5 g/kg、全氮含量1.61 g/kg、堿解氮含量80.3 mg/kg、全磷含量為581 mg/kg、有效磷含量17.52 mg/kg、全鉀含量12.8 g/kg、速效鉀含量89.55 mg/kg，pH 6.9。

冬油菜-水稻輪作為該地區主要的種植制度，一年兩熟。冬油菜試驗于2018年10月開始，水稻試驗從第一季油菜收獲后2019年5月開始，至今仍在進行。冬油菜采用育苗-移栽的方式，每年9上旬左右育苗，10中下旬進行移栽，移栽密度為11.43萬株/hm2，次年5月收獲。水稻于每年4月上旬進行旱育秧，5月中下旬進行移栽，移栽密度16.38萬蔸/hm2，9月下旬收獲。供試冬油菜品種為川油46，水稻品種為晶兩優534和宜香優2115。

1.2 試驗設計

試驗采用兩因素隨機區組設計，設2種秸稈處理：油-稻兩季秸稈不還田(T1)和油-稻兩季秸稈還田(T2)。設4個周年施磷方式，分別為：油菜季-水稻季均不施磷(P1)、油菜季施 P2O5120 kg/hm2和水稻季施P2O590 kg/hm2(P2)、油菜季施P2O5120 kg/hm2和水稻季不施磷(P3)、油菜季不施磷和水稻季施P2O590 kg/hm2(P4)，共8個處理，每個處理3個重復。不進行秸稈還田的小區，將該小區前茬秸稈地上部移除，秸稈還田的小區將前茬秸稈用粉碎機粉碎至5～7 cm，用旋耕機將秸稈翻入15 cm土層內。供試化肥為尿素(N 46%)、氯化鉀(K2O 60%)、過磷酸鈣(P2O516%)。所有處理油菜季施N 180 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，氮肥一半底施一半用于越冬肥，鉀肥全部基施；水稻季施N 180 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2，氮肥按40%、30%、30%的比例分為底肥、分蘗肥、穗肥，鉀肥全部基施。磷肥均作為底肥，移栽前1天施用。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水稻和油菜干物質積累和植株全磷含量測定 在油菜結莢初期、成熟期，各小區取代表性油菜植株3株，用蒸餾水將油菜基部泥土沖洗干凈后，將各植株樣分為莖桿、葉片、莢果3部分。在水稻齊穗期、成熟期按平均莖蘗數取各時期代表性植株3株，分為莖葉、穗兩部分。在烘箱進行105℃殺青處理，殺青時間為30 min，70℃烘干至樣品重量不變后，進行樣品稱重。干樣品粉碎，參照有關植株全磷測定方法[16]。

1.3.2 油菜和水稻產量測定 油菜成熟期，取每小區代表性植株5株。將莢果曬干脫粒風選后，測定含水量和籽粒重量用以計算油菜理論產量。水稻成熟期，按每小區平均有效穗選取20株進行考種，脫粒風選后，測定含水量和實粒重，用以計算水稻理論產量。

1.3.3 土樣測定 土壤樣品分別于油菜、水稻成熟期，采集耕層(0—20 cm)土壤，自然風干，粉碎過0.25 mm篩，分別采用 H2SO4-HClO4酸溶—鉬銻抗比色法、0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定土壤全磷和有效磷含量[17]。

1.4 計算方法及數據分析

周年吸磷量(kg/hm2)=油菜季地上部吸磷量+水稻季地上部吸磷量；

周年磷肥吸收利用率(%)=(施磷區周年植株吸磷量-不施磷區周年植株吸磷量)/周年施磷量×100；

營養器官干物質(磷)轉出量(kg/hm2)=開花期干物質(磷)積累量-成熟期營養器官干物質(磷)積累量；

花前磷積累率(%)=開花期磷積累量/成熟期磷積累量×100；

花后磷積累率(%)=花后磷積累量/成熟期磷積累量×100；

所有試驗數據分析采用Excel 2010和SPSS 7.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田與施磷模式對土壤全磷和有效磷含量的影響

表1表明，在T1、T2處理下，油菜季、水稻季的土壤全磷含量、有效磷含量均為P2＞P3＞P4＞P1。油菜季P2處理的土壤全磷兩年平均分別較P3和P4增加了6.26%和7.64%，水稻季增加了14.26%和14.48%。油菜季P2處理的土壤有效磷兩年平均分別較P3、P4處理增加了22.18%和27.58%，水稻季增加了36.17%和44.94%。P1、P3、P4油菜季土壤全磷含量在2020年較2019年分別下降16.22%～16.33%、3.75%～4.46%、9.35%～9.40%，水稻季下降了23.23%～24.02%、1.09%～1.32%、6.48%～6.96%。而P2下油菜季土壤全磷含量在2020年較2019年增加0.50%～1.32%，水稻季增加了1.56%～2.21%。表明，隨種植季數的增加，各施磷模式下土壤含磷量差異逐漸加大。

表1 施磷模式和秸稈還田對油菜、水稻成熟期土壤全磷和有效磷含量的影響(mg/kg)Table 1 Soil total and available phosphorus contents at maturity stages of rape and rice as affected by straw incorporation and P application mode

相同施磷處理下，秸稈還田處理的油菜、水稻成熟期土壤全磷較不還田處理分別增加了0.94%～2.41%、0.90%～5.66%，有效磷含量分別增加了1.34%～24.53%、2.77%～23.41%。

2.2 秸稈還田與施磷模式對油菜-水稻周年產量的影響

無論是否秸稈還田，各處理的油菜和水稻周年產量均表現為 P3＞P4＞P2＞P1 (表2)。P3 處理的周年產量較P2增加了10.14%～27.65%，較P4處理增加了3.02%～14.46%，P4處理周年產量較P2增加了4.47%～14.88%。在油菜季，P3處理的油菜產量較P2增加了0.41～0.60 t/hm2，而P4處理減少了0.06～0.25 t/hm2。表明油菜季施磷肥對油菜有直接的增產效果，只在水稻季施磷肥降低油菜的產量。在水稻季，P3和P4處理的水稻產量較P2有不同程度的提高，品種宜香優2115兩處理分別增加了1.12～1.70、0.87～2.41 t/hm2，晶兩優534產量兩處理分別增加了0.75～1.90、0.76～0.87 t/hm2。表明油菜或者水稻施磷的水稻產量均高于兩季都施磷肥，且油菜季施磷的水稻增產效果大于水稻季施磷。

表2 施磷模式和秸稈還田對油菜、水稻及其周年產量的影響(t/hm2)Table 2 Yield of rape, rice and the rotation year as affected by straw incorporation and P application mode

相同施磷模式下，秸稈還田的周年產量較不還田(T1)增加2.96%～7.50%，其中油菜產量顯著增加了10.80%，水稻品種晶兩優534產量增加了6.65%，宜香優2115產量沒有顯著增加。

2.3 秸稈還田與施磷模式對油菜-水稻干物質積累與轉運量的影響

無論是否秸稈還田，油菜-水稻周年干物質積累量在各施磷處理表現為 P3＞P2＞P4＞P1 (表3)。P3 較P 2、P 4處理周年干物質積累量分別增加了8.39%～9.71%、13.26%～20.99%，P4處理周年干物質量較P2降低了3.03%～10.07%。油菜結莢初期、成熟期的干物質積累量均為P3＞P2＞P4＞P1，成熟期干物質積累量P3處理較P2、P4分別增加了0.95～1.02、1.90～3.21 t/hm2。水稻齊穗期、成熟期干物質積累量均以P3處理最高，P4處理次之，P3處理水稻品種晶兩優534和宜香優2115成熟期的干物質積累量較P2處理分別增加了9.43%、9.49%，P4處理兩品種分別較P2處理增加了0.80～1.06、0.54～1.09 t/hm2。施磷模式顯著影響著水稻莖葉干物質的轉出量，兩水稻品種莖葉干物質的轉出量均表現為P3＞P4＞P2＞P1，其中P3處理晶兩優534和宜香優2115的干物質轉運量較P2分別增加了17.67%和24.38%。

表3 施磷模式和秸稈還田對油菜、水稻不同生育期干物質積累量及水稻莖葉干物質轉運的影響(t/hm2)Table 3 Dry mater accumulation of rape and rice and translocation of rice stem and leaf as affected by straw incorporation and P application mode

相同施磷模式下，秸稈還田顯著增加油菜結莢初期、水稻齊穗期干物質積累量。秸稈還田條件下的平均周年干物質積累量較不還田增加了6.35%，油菜成熟期干物質積累量顯著增加了10.55%。在水稻季，除P2處理下，秸稈還田(T2)較秸稈不還田(T1)降低了宜香優2115在齊穗期、成熟期的干物質積累量以及莖葉干物質轉運量外，在其他施磷模式下秸稈還田(T2)較秸稈不還田(T1)提高了齊穗期、成熟期干物質積累量以及莖葉干物質轉運量。晶兩優534和宜香優2115的成熟期干物質積累量、莖葉干物質轉運量在T2處理較T1處理分別增加4.39%和26.21%、2.83%和11.46%。

2.4 秸稈還田與施磷模式對油菜-水稻周年磷素吸收及運轉的影響

從圖1可見，無論秸稈還田與否，油菜-水稻周年吸磷量表現為P3＞P2＞P4＞P1，P3處理的周年吸磷量較P2、P4分別增加了1.86%～5.65%、22.38%～34.29%，P4處理較P2周年吸磷量降低了14.27%～22.76%。從油菜-水稻磷素吸收與運轉可見(表4)，油菜結莢初期、成熟期地上部吸磷量、花后磷轉運量在各施磷處理均為P3＞P2＞P4＞P1，P3處理磷轉出量、成熟期地上部吸磷量較P2處理分別增加了22.76%和112.10%，較P4處理分別增加了2.43%和47.30%。在水稻季，兩參試品種在齊穗期、成熟期的磷素吸收量均以P3處理最高，成熟期植株吸磷量表現為P3＞P2＞P4＞P1。P3處理晶兩優534和宜香優2115成熟期吸磷量較P2處理分別增加了13.60%、8.68%。在不同施磷模式下，兩參試水稻品種花前磷素積累率(64.02%～86.93%)均大于花后磷素積累率(13.07%～35.98%)，說明水稻植株磷素積累主要來源于花前。兩參試品種花后磷素轉運量表現為P3＞P4＞P2＞P1處理，晶兩優534和宜香優2115兩品種P3處理的磷轉運量較P2分別增加了25.78%和14.81%，說明油菜施磷不僅有利于油菜，也有利于水稻磷素的積累和營養器官磷素的轉出。

表4 施磷模式和秸稈還田對油菜和水稻不同生育期磷素吸收量及磷轉運量的影響Table 4 Phosphorus uptake at different stages and translocation amount of rape-rice as affected by straw incorporation and P application mode

圖1 施磷模式和秸稈還田對油菜-水稻輪作體系的周年吸磷量的影響Fig.1 Annual P2O5 uptake of rape-rice rotation system as affected by straw incorporation and P application mode

秸稈還田提高了輪作周年的吸磷量。在P1、P2、P3、P4處理下，T2較T1處理周年吸磷量分別增加了 8.93～8.95、4.57～5.35、4.17～5.12、7.96～8.59 kg/hm2。T2處理油菜的磷轉運量、成熟期吸磷量較T1處理分別增加了23.48%、12.29%。在水稻季，T2處理晶兩優534和宜香優2115成熟期吸磷量和磷素轉運量較T1處理分別顯著增加了6.83%和9.22%、10.40%和4.39%。

2.5 秸稈還田與施磷模式對油-稻輪作周年磷素利用影響

如圖2所示，秸稈不還田(T1)或還田(T2)條件下，油-稻周年磷肥吸收利用率均在P3處理達到最高，較P2、P4處理分別增加了92.70%、51.72%。T2處理的周年磷肥吸收利用率較T1平均下降了9.90%，說明本試驗條件下，秸稈還田提高了減少磷肥投入的潛力。

圖2 施磷模式和秸稈還田對對油菜-水稻輪作體系的周年磷肥利用率的影響Fig.2 Annual P2O5 recovery efficiency (APRE) of rape-rice rotation system as affected by straw incorporation and P application mode

3 討論

3.1 秸稈還田與減磷對土壤磷素養分和油-稻輪作物質生產的影響

增施化學磷肥是解決土壤缺磷和植物磷脅迫的有效途徑之一，當前生產中投入大量的磷肥來保證糧食高產[18]。當季磷肥的38%～60%轉化為土壤全磷，6.7%～13.6%轉化為有效態磷，影響土壤磷養分供應水平[19]。隨著秸稈還田技術的普及，秸稈在腐解過程中歸還部分植株吸收磷、改善土壤理化性質和磷有效性。相關研究表明：土壤中磷含量和磷庫組成與土壤有機質、前茬施磷水平、含水量、土壤氧化還原電位(Eh)值等有著密切的關系[20-21]。在本研究中，P3處理(油菜季施磷120 kg/hm2而水稻季不施磷)在油-稻兩季中土壤全磷含量變化較小，同時秸稈還田提高了土壤有效磷含量和全磷含量，而P1處理(油-稻兩季均不施磷)造成對土壤磷素凈消耗。因此，秸稈還田、周年施磷量的不同以及作物對土壤磷的吸收等，導致不同處理下土壤磷素含量存在差異并隨年際增加而增大[22]。

土壤磷素供應水平影響著作物光合效率、物質積累[23]。施磷促進當季作物產量增加的同時，對后茬作物存在明顯的增產作用[24]。本研究表明，相同秸稈處理下，油菜季殘留的磷肥(P3)或水稻季殘留的磷肥(P4)對后茬作物產量和物質積累均有明顯的促進作用，其中P3處理(油菜季施磷120 kg/hm2而水稻季不施磷)對周年產量和干物質積累量的促進作用在本試驗中最高，而P2處理(油-稻兩季常規施磷)周年產量和干物質積累量較P3處理下降。說明過高的土壤磷肥供應會增強作物的呼吸強度，消耗過多養分，不利于作物產量的提高和物質積累[25]。相關研究表明，籽粒灌漿物質主要來源于花后光合同化產物積累和營養器官的轉運[26]。在本研究中，水稻干物質積累量和花后莖葉干物質轉運量在減磷處理(P3和P4)較油稻兩季常規施磷(P2)顯著增加，提高了水稻產量。而水稻季殘留磷肥(P4)較油稻兩季常規施磷(P2)使油菜干物質積累量下降，造成油菜產量降低。卜容燕等[27]研究表明，水稻-油菜輪作下，水稻季殘留磷肥后效較油菜施磷導致油菜干物質積累量、產量下降，這與本研究結論相似。

3.2 秸稈還田與減磷對油菜-水稻輪作磷素吸收與利用的影響

水旱輪作體系是提高土壤磷有效性常用的方法[28]。土壤季節性干濕交替過程中影響土壤磷有效性，旱季加劇了土壤對磷的吸附，而在淹水后，有利于土壤中含磷化合物的溶解及釋放磷素，提高土壤磷供應能力[29]。因此，在水旱輪作系統中研究磷肥利用效率，一般認為磷肥重點應放在旱季，掌握合理周年磷肥分配比例，通過水稻季促進前茬殘留土壤磷肥溶解提高土壤磷有效性，是提高磷肥利用率的前提[30]。如盧亞男等[31]認為，在4年稻麥輪作試驗下，通過麥季施磷稻季不施磷的措施來達到麥稻輪作農田減磷的效果在理論上是可行的，同時保證作物在高產量水平。袁國印等[11]在玉-稻輪作下研究發現，當周年總施磷量減15%時，晚稻季磷肥全部前移至玉米季施可同時滿足玉米與晚稻對磷肥的需求，從而保證周年作物產量和磷素需求，提高周年磷肥利用效率。在本研究中，與P2 (油-稻兩季常規施磷)相比，P3 (油菜季施磷120 kg/hm2而水稻季不施磷)提高油-稻周年干物質積累量、吸磷量和周年磷肥吸收利用效率，P4 (油菜季不施磷而水稻季施磷90 kg/hm2)下油-稻兩季磷素吸收量均顯著下降，與前人結論相似。同時，在本研究中，秸稈還田會提高油-稻兩季土壤全磷含量和有效磷含量，促進油-稻兩季磷素吸收。可能原因有：秸稈在土壤腐解過程中釋放氮磷鉀等養分和改善土壤理化性質，同時促進土壤難溶性磷酸鹽溶解，促進作物生長和養分吸收，增加周年干物質積累量和磷素吸收量[32]。王柏寒等[33]也認為，秸稈還田會促進土壤磷循環，增加土壤磷有效性，促進植株對磷素的吸收。在本研究中，再次證明了油-稻輪作體系中稻季減磷增效的可行性，及秸稈還田與磷肥配施提高土壤磷有效性和促進作物增產的作用。此外，對秸稈還田下水稻-油菜輪作周年磷肥施用量與分配還需要進一步研究。

4 結論

油菜-水稻輪作體系下，將全年磷肥用量降低至P5O2120 kg/hm2且全部施在油菜上，不僅滿足油菜對磷肥的需求，水稻對油菜秸稈還田帶來的磷素營養的吸收利用顯著高于磷肥，進而顯著促進了油菜-水稻體系的周年磷素吸收和利用，提高干物質積累和轉運，實現輪作體系的高產高效。相反，僅在水稻季施磷肥，無論是否水稻秸稈還田，都難以滿足油菜的磷素營養，降低輪作體系的周年產量和磷肥效率。因此，在油-稻輪作體系，采用油菜季施磷120 kg/hm2，配合秸稈還田是實現減磷并穩產高效的組合技術。