張 帆

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冬季作物-雙季稻輪作種植模式氮、磷、鉀養(yǎng)分循環(huán)與產(chǎn)量可持續(xù)性特征*

張 帆

(湖南省土壤肥料研究所 長(zhǎng)沙 410125)

研究分析農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)NPK養(yǎng)分循環(huán)和產(chǎn)量的可持續(xù)性, 對(duì)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分資源優(yōu)化管理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。基于長(zhǎng)期冬季作物-雙季稻輪作種植定位試驗(yàn), 分析了2004—2017年冬閑-雙季稻、馬鈴薯-雙季稻、紫云英-雙季稻、黑麥草-雙季稻、油菜-雙季稻等輪作種植模式早、晚稻產(chǎn)量的可持續(xù)性與穩(wěn)定性; 采用投入產(chǎn)出法(Input-Output Analysis)分析不同輪作種植模式NPK養(yǎng)分循環(huán)與平衡狀況。結(jié)果表明: 1)黑麥草-雙季稻模式早稻產(chǎn)量變異系數(shù)與可持續(xù)性指數(shù)分別為0.09和0.81, 說(shuō)明稻田冬種黑麥草有利于促進(jìn)早稻產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的提高; 油菜-雙季稻模式晚稻產(chǎn)量變異系數(shù)與可持續(xù)性指數(shù)分別為0.07和0.82, 說(shuō)明稻田冬種油菜有益于晚稻產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的提高; 2)長(zhǎng)期冬季作物-雙季稻輪作種植未影響水稻產(chǎn)量和糙米NPK養(yǎng)分含量(>0.05); 3)在稻田輪作種植周年內(nèi)目前的NPK投入水平下, 黑麥草-雙季稻、紫云英-雙季稻、油菜-雙季稻、馬鈴薯-雙季稻等模式均存在嚴(yán)重的K虧缺現(xiàn)象, K虧缺量分別為375.70 kg(K)·hm-2、279.98 kg(K)·hm-2、363.71 kg(K)·hm-2、93.74 kg(K)·hm-2; 黑麥草-雙季稻、紫云英-雙季稻、油菜-雙季稻等模式均在冬季作物種植季存在嚴(yán)重的K虧缺現(xiàn)象, K虧缺量分別為240.07 kg(K)·hm-2、89.57 kg(K)·hm-2、140.08 kg(K)·hm-2, 但馬鈴薯-雙季稻模式在馬鈴薯種植季K盈余為255.21 kg(K)·hm-2; 同時(shí)黑麥草-雙季稻模式和紫云英-雙季稻模式均存在冬季作物種植季存在N虧缺, N虧缺量分別為59.47 kg(N)·hm-2和89.17 kg(N)·hm-2; 油菜-雙季稻模式和馬鈴薯-雙季稻模式在晚稻種植季均存在嚴(yán)重的K虧缺現(xiàn)象, K虧缺量分別為45.93 kg(K)·hm-2、124.33 kg(K)·hm-2。冬季作物-雙季稻輪作種植模式的養(yǎng)分循環(huán)是冬季作物和外部投入的NPK肥料共同驅(qū)動(dòng)的養(yǎng)分循環(huán), 建議科學(xué)管理冬季作物和3季的NPK養(yǎng)分投入。

冬季作物; 雙季稻; NPK; 養(yǎng)分循環(huán); 產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù); 穩(wěn)定性指數(shù)

氮(N)、磷(P)、鉀(K)是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、土壤質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量的重要過(guò)程, 投入和產(chǎn)出之間的平衡也是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的重要指標(biāo)[1]。物質(zhì)循環(huán)的研究有助于調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)養(yǎng)分的平衡, 提高營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)利用率, 掌握生產(chǎn)中養(yǎng)分的投入效率, 進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的凈生產(chǎn)力和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2-3]。

以冬閑田開(kāi)發(fā)利用促進(jìn)農(nóng)民增收、稻田冬春溫、光、水、土資源高效利用及用地與養(yǎng)地相結(jié)合為目的的冬季作物-雙季稻輪作種植模式是湖南省雙季稻區(qū)典型的多熟種植制度。目前對(duì)該輪作制度的研究主要集中在土壤微生物及酶[4-6]、土壤肥力[7-9]、稻田溫室氣體[10]、水稻生長(zhǎng)[11-12]及效益評(píng)價(jià)[13]等方面。朱波等[14]研究表明, 在黑麥草()-雙季稻()輪作模式中, 黑麥草鮮草翻壓還田與尿素混施能夠提高氮素利用率和改善稻田氮循環(huán)。楊濱娟等[15]研究顯示, 在紫云英()-雙季稻輪作模式中, 紫云英翻壓還田60%且水稻施氮量減少40%能夠提高氮素利用率和改善稻田氮循環(huán)。魯艷紅等[16]研究表明, 紫云英-雙季稻輪作模式可維持水稻穩(wěn)產(chǎn)、養(yǎng)分高效利用及土壤肥力, 早稻可用紫云英替代40%氮肥、20%鉀肥, 晚稻減施40%氮肥、20%鉀肥。但關(guān)于冬季作物-雙季稻輪作種植模式NPK養(yǎng)分循環(huán)與水稻產(chǎn)量可持續(xù)性的研究極少。

本研究以13年長(zhǎng)期冬季作物-雙季稻輪作種植模式試驗(yàn)為平臺(tái), 分析其早、晚稻產(chǎn)量演變的可持續(xù)性與穩(wěn)定性。同時(shí)以每季作物的大田生育期為各種植模式研究的時(shí)間邊界(包括冬季作物大田生育期、水稻大田生育期), 采用投入產(chǎn)出法(Input-Output Analysis, IOA), 結(jié)合定性分析與定量研究, 揭示稻田各季節(jié)內(nèi)及周年NPK養(yǎng)分循環(huán)與平衡狀況, 以明確冬季作物-雙季稻3熟制的養(yǎng)分互補(bǔ)關(guān)聯(lián), 完善稻田的養(yǎng)分管理, 同時(shí)為該模式的資源優(yōu)化配置、稻季的豐產(chǎn)增效及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與栽培管理

試驗(yàn)在湖南省土壤肥料研究所實(shí)驗(yàn)網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行, 試驗(yàn)小區(qū)均為防滲水泥池, 面積為1.1 m2, 規(guī)格為130 cm(長(zhǎng))×85 cm(寬)×100 cm(高), 四面及底部均嚴(yán)格密封, 并具有良好排灌設(shè)備。試驗(yàn)開(kāi)始于2004年9月, 供試土壤為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅黃泥, 試驗(yàn)前耕層土壤基礎(chǔ)理化性狀為: 土壤有機(jī)碳13.3 g?kg-1, 全氮1.46 g?kg-1, 全磷0.81 g?kg-1, 有效氮154.5 mg?kg-1, 速效磷39.2 mg?kg-1, 速效鉀120.43 mg?kg-1, pH為5.40。以冬季作物-雙季稻輪作為種植制度, 試驗(yàn)設(shè)冬閑-雙季稻(CK)、馬鈴薯()-雙季稻(Potato)、黑麥草-雙季稻(Ryegrass)、紫云英-雙季稻(Milk vetch)、油菜()-雙季稻(Rape)5種輪作模式, 采用隨機(jī)區(qū)組排列, 3次重復(fù)。冬季作物馬鈴薯于11月下旬至12月初采用稻草覆蓋、穴播種植, 密度為7.5×104穴?hm-2(大約用馬鈴薯種子3 000 kg?hm-2); 冬季作物黑麥草、紫云英、油菜均在晚稻收獲10~15 d前套播, 播種量分別為22 kg?hm-2、37.5 kg?hm-2、4 kg?hm-2; 對(duì)照處理未種植冬季作物, 主要植物為當(dāng)?shù)氐亩倦s草。早稻移栽時(shí)間為每年5月的第1周, 晚稻移栽時(shí)間為每年7月的第2周(早稻收獲第3天)。早稻和晚稻的插植密度均為20 cm×12.5 cm。早稻收獲后其秸稈人工模擬機(jī)械粉碎翻壓還田, 晚稻收獲后秸稈不還田, 部分晚稻秸稈留作馬鈴薯栽培用。

氮、磷、鉀化肥分別用尿素(含N 46%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)。雙季稻和冬季作物種植施肥制度見(jiàn)表1, 其中油菜根據(jù)生長(zhǎng)情況追施氮肥; 黑麥草生長(zhǎng)季刈割2次, 第1次刈割后追施氮肥; 早、晚稻均在移栽后的第7天追施氮肥。早稻移栽種植前的1~2周, 冬季作物均被收獲, 其中黑麥草和紫云英被翻壓還田用作綠肥, 還田量為25 t?hm-2; 馬鈴薯和油菜收獲后其秸稈作為綠肥均被全部翻壓還田。

表1 不同冬季作物-雙季稻輪作模式各作物的施肥量

1.2 樣品采集與測(cè)定方法

1.2.1 水稻產(chǎn)量穩(wěn)定性與可持續(xù)性的統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用2004—2017年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)早、晚稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析早、晚稻產(chǎn)量穩(wěn)定性與產(chǎn)量可持續(xù)性[17-19]。

產(chǎn)量穩(wěn)定性用變異系數(shù)(CV)表示, 用來(lái)分析同一作物產(chǎn)量在不同年份間的變異程度, 其值越小, 說(shuō)明產(chǎn)量穩(wěn)定性越高, 計(jì)算方法如下:

產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(SYI)是衡量生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)生產(chǎn)的參數(shù), 其值越大, 可持續(xù)性越好, 計(jì)算方法如下:

SYI=(-)/max(2)

式中:max為試驗(yàn)點(diǎn)最高產(chǎn)量

1.2.2 水稻樣品的采集與測(cè)定

在2017年的早、晚稻收獲期, 每重復(fù)小區(qū)隨機(jī)取3叢水稻植株, 將植株樣品分為地上部分(水稻籽粒和秸稈)和地下部分(即水稻根), 于105 ℃殺青1 h, 75 ℃烘干至恒重, 并測(cè)其各部分生物量。植株樣全氮采用硫酸-過(guò)氧化氫消煮-擴(kuò)散法測(cè)定[20], 全磷采用硫酸-過(guò)氧化氫消煮-鉬銻抗比色法測(cè)定[20], 全鉀采用硫酸-過(guò)氧化氫消煮-火焰光度法測(cè)定[20]。

在2016年和2017年對(duì)試驗(yàn)處理每小區(qū)單打單收測(cè)早稻、晚稻產(chǎn)量及糙米產(chǎn)量并測(cè)定糙米和谷殼的N、P、K含量, 測(cè)定方法同水稻植株樣分析。

1.2.3 冬季作物樣品的采集與測(cè)定

在2016—2017年輪作周期里, 冬季作物黑麥草每次刈割后, 測(cè)定每重復(fù)小區(qū)鮮草產(chǎn)量, 同時(shí)取鮮樣0.5 kg測(cè)定其生物量; 紫云英翻壓還田前, 測(cè)定每重復(fù)小區(qū)鮮草產(chǎn)量, 同時(shí)取鮮樣0.5 kg測(cè)定其生物量; 油菜收獲時(shí), 測(cè)定每重復(fù)小區(qū)的油菜籽產(chǎn)量, 同時(shí)每重復(fù)小區(qū)取2株油菜植株測(cè)定其植株地上部分(即油菜秸稈)和地下部分(根)生物量; 馬鈴薯收獲時(shí), 測(cè)定每重復(fù)小區(qū)的馬鈴薯鮮薯產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量, 同時(shí)每小區(qū)取0.5 kg鮮薯樣和0.5 kg馬鈴薯秸稈鮮樣測(cè)定其生物量。冬季作物植株樣、冬季作物種子的N、P、K含量測(cè)定方法同水稻植株樣分析。

1.3 冬季作物-雙季稻各種植模式系統(tǒng)的研究邊界

本研究采用投入產(chǎn)出法(Input-Output Analysis, IOA)分析冬季作物-雙季稻不同種植模式稻田各季節(jié)內(nèi)及周年N、P、K養(yǎng)分循環(huán)與平衡狀況, 因采用投入產(chǎn)出法, 所以各個(gè)種植季內(nèi)作物吸收的N、P、K養(yǎng)分量(包括根、秸稈及籽粒)為系統(tǒng)輸出項(xiàng), 投入的肥料、前茬作物的根及還田的前茬作物秸稈、作物種子為各種植季系統(tǒng)的輸入項(xiàng)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行, 方差分析和多重比較采用DPS 3.11(Data Processing System for Practical Statistics)軟件進(jìn)行, 多重比較采用Duncan新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期冬季作物-雙季稻輪作種植模式早、晚稻的產(chǎn)量效應(yīng)與產(chǎn)量可持續(xù)特征

2.1.1 早、晚稻的產(chǎn)量效應(yīng)

從圖1a歷年早稻產(chǎn)量演變規(guī)律看, 僅在2006年、2008年、2013年及2014年部分模式之間表現(xiàn)出一定差異(<0.05), 其他年份各模式間無(wú)顯著差異; 2006年、2008年及2014年紫云英-雙季稻模式的早稻產(chǎn)量最高, 且2008年和2014年的早稻產(chǎn)量顯著高于冬閑-雙季稻模式(<0.05)。從圖1b歷年晚稻產(chǎn)量演變規(guī)律看, 2010年冬閑-雙季稻模式晚稻產(chǎn)量顯著高于油菜-雙季稻模式(<0.05), 2011年各模式晚稻產(chǎn)量差異顯著(<0.05), 其他年份各模式間無(wú)顯著差異。從表2看, 冬季作物-雙季稻輪作12年后對(duì)早、晚稻產(chǎn)量及早、晚稻糙米N、P、K養(yǎng)分含量無(wú)顯著影響。

圖1 長(zhǎng)期冬季作物-雙季稻種植模式對(duì)早稻(a)和晚稻(b)的產(chǎn)量效應(yīng)

CK: 冬閑-雙季稻模式; Potato:馬鈴薯-雙季稻模式; Ryegrass: 黑麥草-雙季稻模式; Milk vetch: 紫云英-雙季稻模式; Rape: 油菜-雙季稻模式。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice.

2.1.2 早、晚稻產(chǎn)量穩(wěn)定性與產(chǎn)量可持續(xù)性

長(zhǎng)期冬季作物-雙季稻輪作種植模式下, 黑麥草-雙季稻模式早稻產(chǎn)量變異系數(shù)為0.09, 且最小, 產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)為0.81, 最大, 說(shuō)明冬種黑麥草有利于促進(jìn)早稻產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的提高。油菜-雙季稻模式晚稻產(chǎn)量變異系數(shù)為0.07, 且最小, 產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)為0.82, 且最大, 說(shuō)明冬種油菜有利于促進(jìn)晚稻產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性提高(圖2)。

2.2 冬季作物-雙季稻輪作種植模式NPK養(yǎng)分循環(huán)與平衡特征

2.2.1 冬季作物種植季NPK養(yǎng)分循環(huán)與平衡特征

在冬季作物種植季節(jié)內(nèi), 冬季作物-雙季稻不同種植模式N輸入輸出及平衡狀況見(jiàn)表3。冬季作物經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出包括收獲的馬鈴薯鮮薯、油菜籽及刈割后飼用的黑麥草。本研究中各模式N輸出主要指冬季作物吸收的N量。各模式土壤系統(tǒng)N輸入高低順序?yàn)? 馬鈴薯-雙季稻模式>油菜-雙季稻模式>黑麥草-雙季稻模式>紫云英-雙季稻模式, 馬鈴薯-雙季稻模式因采用晚稻稻草覆蓋種植, 前茬晚稻秸稈N輸入為67.6 kg(N)?hm-2, 占總輸入的59.97%; 油菜-雙季稻、黑麥草-雙季稻、紫云英-雙季稻等模式N輸入主要是化學(xué)肥料帶入。各模式土壤系統(tǒng)N輸出高低順序?yàn)? 黑麥草-雙季稻模式>紫云英-雙季稻模式>馬鈴薯-雙季稻模式>油菜-雙季稻模式。黑麥草-雙季稻模式N輸出的56.74%被移出稻田土壤系統(tǒng), 包括第1次刈割移出田的鮮草和第2次刈割后沒(méi)有被作為綠肥翻壓還田的鮮草; 紫云英-雙季稻模式N輸出的80.52%被用作綠肥翻壓還田; 馬鈴薯-雙季稻模式N輸出的65.15%為鮮薯帶出, N輸出的34.85%被用作綠肥翻壓還田(主要是馬鈴薯植株秸稈); 油菜-雙季稻模式N輸出的51.05%為油菜籽帶出, N輸出的48.95%被用作綠肥翻壓還田(包括油菜秸稈和油菜地下部分)。

在冬季作物種植季節(jié)內(nèi), 冬季作物-雙季稻不同種植模式P輸入輸出及平衡狀況見(jiàn)表3。本研究中各模式土壤系統(tǒng)P輸出主要指冬季作物吸收的P量。幾種冬季作物種植時(shí)均施用了同等數(shù)量的磷肥作為基肥, 故黑麥草-雙季稻、紫云英-雙季稻、油菜-雙季稻模式的土壤系統(tǒng)P輸入主要是磷肥帶入, 而馬鈴薯-雙季稻模式的土壤系統(tǒng)P輸入?yún)s包括49.06%的磷肥、20.97%的前茬晚稻秸稈、29.96%的馬鈴薯種子。各模式土壤系統(tǒng)P輸出高低順序?yàn)? 黑麥草-雙季稻模式>馬鈴薯-雙季稻模式>油菜-雙季稻模式>紫云英-雙季稻模式, 黑麥草-雙季稻模式P輸出的54.87%被移出稻田土壤系統(tǒng), P輸出的45.13%被作為綠肥翻壓還田; 馬鈴薯-雙季稻模式P輸出的85.16%為鮮薯帶出, P輸出的14.84%被用作綠肥翻壓還田; 油菜-雙季稻模式P輸出的67.96%為油菜籽帶出, P輸出的32.04%被用作綠肥翻壓還田; 紫云英-雙季稻模式P輸出的80.17%被用作綠肥翻壓還田。

在冬季作物種植季節(jié)內(nèi), 冬季作物-雙季稻不同種植模式K輸入輸出及平衡狀況見(jiàn)表3。本研究中各模式土壤系統(tǒng)K輸出主要指冬季作物吸收的K量。幾種冬季作物中只有馬鈴薯種植時(shí)施用了鉀肥作為基肥, 故黑麥草-雙季稻、紫云英-雙季稻、油菜-雙季稻模式的土壤系統(tǒng)K輸入主要是各自的種子帶入, 而馬鈴薯-雙季稻模式的土壤系統(tǒng)K輸入中鉀肥占66.69%、前茬晚稻秸稈占30.19%、馬鈴薯種子占3.12%。各模式土壤系統(tǒng)K輸出高低順序?yàn)? 黑麥草-雙季稻模式>馬鈴薯-雙季稻模式>油菜-雙季稻模式>紫云英-雙季稻模式, 黑麥草-雙季稻模式K輸出的61.24%被移出稻田土壤系統(tǒng), K輸出的38.76%被作為綠肥翻壓還田; 馬鈴薯-雙季稻模式K輸出的49.27%為鮮薯帶出, K輸出的50.73%被用作綠肥翻壓還田; 油菜-雙季稻模式K輸出的6.38%為油菜籽帶出, K輸出的93.62%被用作綠肥翻壓還田; 紫云英-雙季稻模式K輸出的83.90%被用作綠肥翻壓還田。

表2 不同冬季作物-雙季稻輪作模式早、晚稻產(chǎn)量及糙米N、P、K養(yǎng)分含量

CK: 冬閑-雙季稻模式; Potato:馬鈴薯-雙季稻模式; Ryegrass: 黑麥草-雙季稻模式; Milk vetch: 紫云英-雙季稻模式; Rape: 油菜-雙季稻模式。同一年份同列不同字母表示在5%水平上差異顯著。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice. Different letters in the same column denote significant differences at 5% in the same year.

圖2 不同冬季作物-雙季稻輪作模式早稻(a)和晚稻(b)產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)(SYI)與變異系數(shù)(CV)

CK: 冬閑-雙季稻模式; Potato:馬鈴薯-雙季稻模式; Ryegrass: 黑麥草-雙季稻模式; Milk vetch: 紫云英-雙季稻模式; Rape: 油菜-雙季稻模式。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice.

表3 冬季作物-雙季稻輪作種植模式冬季作物種植季稻田土壤系統(tǒng)NPK的輸入輸出

CK: 冬閑-雙季稻模式; Potato:馬鈴薯-雙季稻模式; Ryegrass: 黑麥草-雙季稻模式; Milk vetch: 紫云英-雙季稻模式; Rape: 油菜-雙季稻模式。平衡=輸入-輸出。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice. Balance = input-output.

稻田土壤系統(tǒng)NPK的盈虧狀況直接關(guān)系到土壤肥力的高低及系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡。冬種黑麥草和紫云英在目前的N投入水平下, 均存在嚴(yán)重的N虧缺現(xiàn)象。冬種黑麥草在目前的P投入水平下, 存在P虧缺現(xiàn)象。冬種黑麥草、紫云英、油菜在目前的K投入水平下, 均存在嚴(yán)重的K虧缺現(xiàn)象。

2.2.2 早稻種植季NPK養(yǎng)分循環(huán)與平衡特征

在早稻種植季節(jié)內(nèi), 冬季作物-雙季稻不同種植模式NPK輸入輸出及平衡狀況見(jiàn)表4。此處各模式土壤系統(tǒng)NPK輸出主要指水稻植株吸收的N量、P量及K量。其輸入的差異取決于前茬冬季作物秸稈還田輸入的NPK量。與冬閑-雙季稻模式相比, 冬種馬鈴薯、黑麥草、紫云英及油菜均沒(méi)有影響早稻糙米NPK積累, 卻顯著影響了早稻根的NPK積累(<0.05)。馬鈴薯-雙季稻模式較其他模式增加了早稻秸稈的K積累(<0.05)。冬季作物-雙季稻輪作種植模式NPK輸出狀況是: NPK輸出最高是馬鈴薯-雙季稻模式, 其次是油菜-雙季稻模式; NK輸出最低的是黑麥草-雙季稻模式。

稻田土壤系統(tǒng)NPK的盈虧狀況直接關(guān)系到土壤肥力的高低及系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡。在早稻種植季的NPK投入水平下, 馬鈴薯-雙季稻模式存在P虧缺現(xiàn)象, 冬閑-雙季稻模式存在P、K虧缺現(xiàn)象。

2.2.3 晚稻種植季NPK養(yǎng)分循環(huán)與平衡特征

在晚稻種植季節(jié)內(nèi), 冬季作物-雙季稻不同種植模式NPK輸入輸出及平衡狀況見(jiàn)表5。此處各模式土壤系統(tǒng)NPK輸出主要指晚稻植株吸收的N量、P量及K量。在晚稻種植季節(jié)內(nèi)各處理施肥制度一樣, 土壤系統(tǒng)NPK輸入的差異均取決于前茬早稻秸稈還田和早稻根所輸入的NPK。與對(duì)照冬閑相比, 各冬種作物沒(méi)有顯著影響晚稻糙米NPK積累。與其他模式相比, 馬鈴薯-雙季稻模式顯著影響水稻地下部分(即晚稻根)的K積累和秸稈N、P及K積累(<0.05)。冬季作物-雙季稻種植模式NPK輸出狀況是: P、K輸出最高的是馬鈴薯-雙季稻模式, 其次是冬閑-雙季稻模式; N輸出最高的是冬閑-雙季稻模式; NPK輸出最低的是黑麥草-雙季稻模式。在晚稻種植季的NPK投入水平下, 冬閑-雙季稻、馬鈴薯-雙季稻、紫云英-雙季稻及油菜-雙季稻模式均存在P虧缺及K嚴(yán)重虧缺現(xiàn)象。

表4 冬季作物-雙季稻輪作種植模式早稻季稻田土壤系統(tǒng)NPK的輸入輸出

CK: 冬閑-雙季稻模式; Potato:馬鈴薯-雙季稻模式; Ryegrass: 黑麥草-雙季稻模式; Milk vetch: 紫云英-雙季稻模式; Rape: 油菜-雙季稻模式。平衡=輸入-輸出。同一元素同列不同字母表示在5%水平上差異顯著。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice. Balance = input-output. Different letters in the same column denote significant differences at 5% for the same element.

表5 冬季作物-雙季稻輪作種植模式晚稻季稻田土壤系統(tǒng)NPK的輸入輸出

CK: 冬閑-雙季稻模式; Potato:馬鈴薯-雙季稻模式; Ryegrass: 黑麥草-雙季稻模式; Milk vetch: 紫云英-雙季稻模式; Rape: 油菜-雙季稻模式。平衡=輸入-輸出。同一元素同列不同字母表示在5%水平上差異顯著。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice. Balance = input-output. Different letters in the same column denote significant differences at 5% for the same element.

2.2.4 稻田周年NPK養(yǎng)分循環(huán)與平衡特征

在整個(gè)冬季作物-雙季稻輪作周期內(nèi), 各種植模式NPK輸入輸出及平衡狀況見(jiàn)表6、表7及表8。本研究中雙季稻的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出為糙米, 冬季作物經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出包括收獲的馬鈴薯鮮薯、油菜籽及刈割后飼用的黑麥草。

表6 冬季作物-雙季稻輪作種植模式稻田周年N的輸入輸出

CK: 冬閑-雙季稻模式; Potato:馬鈴薯-雙季稻模式; Ryegrass: 黑麥草-雙季稻模式; Milk vetch: 紫云英-雙季稻模式; Rape: 油菜-雙季稻模式。平衡=輸入-(經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出+非經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出+歸還); 循環(huán)率=歸還量/(經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出+非經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出+歸還)×100%。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice. Balance = input-(economic output + noneconomic output + return); Cycling rate = return / (economic output + noneconomic output + return) ×100%.

表7 冬季作物-雙季稻輪作種植模式稻田周年P(guān)的輸入輸出

CK: 冬閑-雙季稻模式; Potato:馬鈴薯-雙季稻模式; Ryegrass: 黑麥草-雙季稻模式; Milk vetch: 紫云英-雙季稻模式; Rape: 油菜-雙季稻模式。平衡=輸入-(經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出+非經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出+歸還); 循環(huán)率=歸還量/(經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出+非經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出+歸還)×100%。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice. Balance = input-(economic output + noneconomic output + return); Cycling rate = return / (economic output + noneconomic output + return) ×100%.

表8 冬季作物-雙季稻輪作種植模式稻田周年K的輸入輸出

CK: 冬閑-雙季稻模式; Potato:馬鈴薯-雙季稻模式; Ryegrass: 黑麥草-雙季稻模式; Milk vetch: 紫云英-雙季稻模式; Rape: 油菜-雙季稻模式。平衡=輸入-(經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出+非經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出+歸還); 循環(huán)率=歸還量/(經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出+非經(jīng)濟(jì)目標(biāo)輸出+歸還)×100%。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice. Balance = input-(economic output + noneconomic output + return); Cycling rate = return / (economic output + noneconomic output + return) ×100%.

紫云英-雙季稻種植模式N和P的循環(huán)率最高, 油菜-雙季稻種植模式K的循環(huán)率最高, 說(shuō)明冬種紫云英有益于稻田生態(tài)系統(tǒng)N、P地力的維持和N、P的循環(huán)再利用, 冬種油菜有益于稻田生態(tài)系統(tǒng)K素地力的維持和K的循環(huán)再利用。

稻田土壤系統(tǒng)NPK素的盈虧狀況直接關(guān)系到土壤肥力的高低及系統(tǒng)的養(yǎng)分平衡。在冬季作物-雙季稻輪作周期內(nèi)的NPK投入水平下, 紫云英-雙季稻模式存在N虧缺現(xiàn)象, 冬閑-雙季稻和黑麥草-雙季稻模式存在P虧缺現(xiàn)象, 所有處理均存在嚴(yán)重的K虧缺現(xiàn)象。

3 討論與結(jié)論

連續(xù)13年的冬季作物-雙季稻輪作種植模式長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果表明: 稻田冬種黑麥草有利于促進(jìn)早稻產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的提高, 稻田冬種油菜有益于晚稻產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的提高。原因可能是還田的冬季作物生物量、秸稈C/N及地下部分(根)C蓄積量造成的[11,21-22]。本研究測(cè)定被翻壓還田的冬季作物秸稈C/N, 馬鈴薯為14.42, 紫云英為14.54, 黑麥草為19.69, 油菜為43.36(油菜根C/N為68.96)。有機(jī)物料C/N是控制有機(jī)物料腐解和養(yǎng)分釋放的重要因素之一[21], 油菜秸稈和根的C/N大導(dǎo)致其腐解和養(yǎng)分釋放會(huì)一直持續(xù)到晚稻季[22]。黑麥草鮮草翻壓還田后養(yǎng)分釋放主要在殘留物的分解初期可能是促進(jìn)早稻產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性提高的原因之一[23]。

在黑麥草-雙季稻輪作種植周年內(nèi)目前的NPK投入水平下, 存在P虧缺和嚴(yán)重的K虧缺現(xiàn)象, 其中P虧缺為6.28 kg(P)?hm-2、K虧缺為375.70 kg(K)?hm-2; 在黑麥草種植季節(jié)內(nèi)存在P虧缺和嚴(yán)重的N、K虧缺現(xiàn)象, 其中P虧缺為5.81 kg(P)?hm-2、N虧缺為59.47 kg(N)?hm-2、K虧缺為240.07 kg(K)?hm-2; 在早稻季、晚稻季存在N盈余, N盈余量分別為112.28 kg(N)?hm-2、104.10 kg(N)?hm-2。養(yǎng)分管理中建議科學(xué)增加黑麥草種植季節(jié)里氮肥、磷肥及鉀肥的投入。

本研究年份(2016—2017年冬春季)冬季作物黑麥草刈割了2次, 黑麥草根據(jù)冬季生長(zhǎng)情況也存在刈割3次[5,9,11], 黑麥草作為飼用每次刈割后均追氮肥, 作為綠肥翻壓還田的刈割后不追施氮肥。有研究表明氮肥的施入能顯著提高黑麥草產(chǎn)量, 氮磷鉀肥料對(duì)黑麥草產(chǎn)草量的影響順序?yàn)镹>P>K[24-25]。楊曾平等[26]研究表明: 氮肥的施用可以促進(jìn)黑麥草對(duì)P、K的吸收, 鉀肥的施用可以促進(jìn)黑麥草對(duì)N、P的吸收, 磷肥的施用可以促進(jìn)黑麥草對(duì)N的吸收, 卻不能促進(jìn)黑麥草對(duì)K的吸收。黑麥草刈割后需不需要追磷肥和鉀肥？施用量是多少？黑麥草作為綠肥翻壓還田量多少合適？黑麥草-雙季稻輪作種植模式內(nèi), 需對(duì)黑麥草和雙季稻的養(yǎng)分管理開(kāi)展相關(guān)的定性和定量研究。

在紫云英-雙季稻輪作周年內(nèi)目前的NPK投入水平下, 存在N虧缺和嚴(yán)重的K虧缺現(xiàn)象, 其中N虧缺為16.37 kg(N)?hm-2、K虧缺為279.98 kg(K)?hm-2; 在紫云英種植季節(jié)里存在嚴(yán)重的N、K虧缺現(xiàn)象, N、K虧缺量分別為89.17 kg(N)?hm-2和89.57 kg(K)?hm-2; 在晚稻種植季里存在P虧缺和嚴(yán)重的K虧缺現(xiàn)象, 其中P虧缺為4.19 kg(P)?hm-2、K虧缺為35.15 kg(K)?hm-2; 在早稻季、晚稻季均存在N盈余, N盈余量分別為149.39 kg(N)?hm-2、81.68 kg(N)?hm-2。養(yǎng)分管理中建議科學(xué)增加紫云英和晚稻種植季節(jié)里鉀肥的投入。

紫云英是豆科綠肥作物, 在南方冬閑田中承擔(dān)貯C育N的作用, 有研究證明紫云英還田能夠替代部分氮肥[15-16]和鉀肥[16], 本研究中N虧缺主要是紫云英種植季N虧缺造成的, 紫云英-雙季稻種植模式N和P的循環(huán)率最高, 冬季作物紫云英的施肥制度及作為綠肥的還田量都會(huì)影響到整個(gè)農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)與平衡, 因此關(guān)于紫云英-雙季稻種植模式的養(yǎng)分管理特別是氮肥管理還有待進(jìn)一步研究。

在馬鈴薯-雙季稻和油菜-雙季稻輪作種植周年里目前的NPK投入水平下, 均存在嚴(yán)重的K虧缺現(xiàn)象, 其中馬鈴薯-雙季稻K虧缺為93.74 kg(K)?hm-2, 油菜-雙季稻K虧缺為363.71 kg(K)?hm-2; 兩種輪作種植模式在晚稻種植季里均存在P虧缺和嚴(yán)重的K虧缺現(xiàn)象, 其中馬鈴薯-雙季稻的晚稻種植季K虧缺為124.33 kg(K)?hm-2, 油菜-雙季稻的晚稻種植季K虧缺為45.93 kg(K)?hm-2; 馬鈴薯種植季節(jié)里存在K盈余[K盈余255.21 kg(K)?hm-2], 但冬季作物油菜種植季節(jié)里存在嚴(yán)重的K虧缺現(xiàn)象[K虧缺140.08 kg(K)?hm-2]。兩種輪作種植模式均在冬季作物種植季、早稻季、晚稻季存在N盈余, 其中馬鈴薯-雙季稻3季的N盈余量分別為26.01 kg(N)?hm-2、75.77 kg(N)?hm-2、96.69 kg(N)?hm-2, 油菜-雙季稻3季的N盈余量分別為25.25 kg(N)?hm-2、83.95 kg(N)?hm-2、101.84 kg(N)?hm-2。

養(yǎng)分平衡(nutrients balance)通過(guò)監(jiān)測(cè)某一時(shí)期內(nèi)系統(tǒng)中養(yǎng)分的輸入和輸出來(lái)評(píng)價(jià)該時(shí)期內(nèi)養(yǎng)分(N、P和K等)的盈余和虧缺狀態(tài), 從而推斷養(yǎng)分利用效率高低和存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[3]。通常認(rèn)為, N素盈余率超過(guò)20%即可引起N素對(duì)環(huán)境的潛在威脅[1]。在對(duì)N素盈余狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí), 不應(yīng)只簡(jiǎn)單考慮N素的總投入, 應(yīng)考慮有機(jī)物料N的有效性問(wèn)題[1]。湖南雙季稻區(qū)每季氮肥投入一般為150 kg(N)?hm-2, 本研究中早、晚稻季氮肥投入分別為172.5 kg(N)?hm-2、225.4 kg(N)?hm-2。為保障水稻穩(wěn)產(chǎn)、降低氮肥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 建議減少馬鈴薯-雙季稻和油菜-雙季稻種植模式在雙季稻種植季里的氮肥投入。養(yǎng)分管理中應(yīng)重點(diǎn)調(diào)控晚稻的施肥制度, 建議增加磷肥和鉀肥的投入。油菜-雙季稻輪作種植模式建議油菜種植季節(jié)增加鉀肥投入。

本研究中因紫云英、黑麥草、油菜均在晚稻收獲前1個(gè)月套播在晚稻田里, 馬鈴薯采用晚稻草覆蓋種植, 晚稻均不能機(jī)械化收割和晚稻秸稈還田。冬季作物-雙季稻輪作種植模式的養(yǎng)分循環(huán)是冬季作物和外部投入的氮磷鉀肥料共同驅(qū)動(dòng)的養(yǎng)分循環(huán), 本研究中晚稻秸稈未還田, 導(dǎo)致農(nóng)田系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)量小, 農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)靠外部投入維持。長(zhǎng)期的冬季作物-雙季稻輪作種植模式并未顯著影響2016年和2017年早、晚稻產(chǎn)量及糙米NPK養(yǎng)分含量, 原因可能是外部投入的NPK化學(xué)肥料不合理造成的。水稻機(jī)械化收割, 早、晚稻秸稈還田是當(dāng)前及未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì), 也需要對(duì)冬季作物的耕作與栽培方式進(jìn)行突破, 以促進(jìn)冬季作物-雙季稻輪作種植模式的可持續(xù)發(fā)展。

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Nitrogen, phosphorus and potassium cycling and sustainability of rice yield in a winter crop-double cropping rice rotation system*

ZHANG Fan

(Hunan Soil and Fertilizer Institute, Changsha 410125, China)

The study of nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) nutrient cycling and yield sustainability in agricultural ecosystems is fundamental for achieving optimal nutrient management and sustainable agricultural development. A long-term experiment of a winter crop-double cropping rice rotation system initiated in 2004 on a red paddy soil in Hunan Province, consisting of five treatments, including fallow-double cropping rice (CK), potato-double cropping rice, ryegrass-double cropping rice, milk vetch-double cropping rice, and rape-double cropping rice with three replicates of all the treatments. The sustainability and stability of double cropping rice yields were analyzed, and N, P, and K cycling and balance were calculated based on an Input-Output analysis method. The results indicated: 1) the sustainable yield index (SYI) and yield stability (CV) of early rice in the ryegrass-double cropping rice rotation system were 0.81 and 0.09, respectively. Winter ryegrass in the paddy field promoted the stability and sustainability of early rice yield. The SYI and CV of late rice in the rape-double cropping rice rotation system were 0.82 and 0.07, respectively. Winter rape in the paddy field improved of yield stability and sustainability of late rice. 2) Long-term winter crop-double cropping rice rotation did not significantly affect rice yield and the N, P, and K contents of brown rice (> 0.05). 3) Under the current input level of N, P, K in the annual rotation of winter crop and double cropping rice, the ryegrass-double cropping rice rotation, milk vetch-double cropping rice rotation, rape-double cropping rice rotation, and potato-double cropping rice rotation systems had serious K deficiency; the K deficit was 375.70, 279.98, 363.71, and 93.74 kg(K)·hm-2, respectively. Ryegrass-double cropping rice rotation, milk vetch-double cropping rice rotation, and rape-double cropping rice rotation systems had serious K deficiency in the winter crop planting season, the K deficit was 240.07, 89.57, and 140.08 kg(K)·hm-2, respectively. However, the potato-double cropping rice rotation system had a K surplus of 255.21 kg(K)·hm-2in the potato planting season; simultaneously, both the ryegrass-double cropping rice rotation and milk vetch-double cropping rice rotation systems had a N deficit in the winter crop planting season of 59.47 and 89.17 kg(N)·hm-2, respectively. Both the rape-double cropping rice rotation and potato-double cropping rice rotation systems had serious K deficiency in the late rice planting season of 45.93and 124.33 kg(K)·hm-2, respectively. Nutrient cycling of winter crop-double cropping rice rotation systems was a nutrient cycle driven by winter crops and external N, P, and K fertilizers. Based on the results, the winter crops should be scientifically managed, with the input of N, P, and K in the three seasons.

Winter crop; Double cropping rice; NPK; Nutrient cycling; Sustainable yield index; Stability index

ZHANG Fan, E-mail: zhangfan898@sina.com

Aug. 14, 2018;

Nov. 27, 2018

S365; S344

A

2096-6237(2019)05-0705-12

10.13930/j.cnki.cjea.180767

2018-08-14

2018-11-27

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0300208).

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)(2016YFD0300208)資助

張帆. 冬季作物-雙季稻輪作種植模式氮、磷、鉀養(yǎng)分循環(huán)與產(chǎn)量可持續(xù)性特征[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(5): 705-716

ZHANG Fan. Nitrogen, phosphorus and potassium cycling and sustainability of rice yield in a winter crop-double cropping rice rotation system[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(5): 705-716

張帆, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)與耕作制度。E-mail: zhangfan898@sina.com