2019, Vol. 27
氮(N)、磷(P)、钾(K)是植物生长发育必需的营养元素。农业生态系统营养元素的循环是影响农业生产力、土壤质量和环境质量的重要过程, 投入和产出之间的平衡也是评价农业可持续生产的重要指标[1]。物质循环的研究有助于调节整个系统养分的平衡, 提高营养元素循环利用率, 掌握生产中养分的投入效率, 进而提高农业生态系统的净生产力和农业可持续发展[2-3]。
以冬闲田开发利用促进农民增收、稻田冬春温、光、水、土资源高效利用及用地与养地相结合为目的的冬季作物-双季稻轮作种植模式是湖南省双季稻区典型的多熟种植制度。目前对该轮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]、稻田温室气体[10]、水稻生长[11-12]及效益评价[13]等方面。朱波等[14]研究表明, 在黑麦草(Lolium multiflorum)-双季稻(Oryza sativa)轮作模式中, 黑麦草鲜草翻压还田与尿素混施能够提高氮素利用率和改善稻田氮循环。杨滨娟等[15]研究显示, 在紫云英(Astragalus sinicus)-双季稻轮作模式中, 紫云英翻压还田60%且水稻施氮量减少40%能够提高氮素利用率和改善稻田氮循环。鲁艳红等[16]研究表明, 紫云英-双季稻轮作模式可维持水稻稳产、养分高效利用及土壤肥力, 早稻可用紫云英替代40%氮肥、20%钾肥, 晚稻减施40%氮肥、20%钾肥。但关于冬季作物-双季稻轮作种植模式NPK养分循环与水稻产量可持续性的研究极少。
本研究以13年长期冬季作物-双季稻轮作种植模式试验为平台, 分析其早、晚稻产量演变的可持续性与稳定性。同时以每季作物的大田生育期为各种植模式研究的时间边界(包括冬季作物大田生育期、水稻大田生育期), 采用投入产出法(Input-Output Analysis, IOA), 结合定性分析与定量研究, 揭示稻田各季节内及周年NPK养分循环与平衡状况, 以明确冬季作物-双季稻3熟制的养分互补关联, 完善稻田的养分管理, 同时为该模式的资源优化配置、稻季的丰产增效及农业可持续发展提供科学的参考依据。
1 材料与方法 1.1 试验设计与栽培管理试验在湖南省土壤肥料研究所实验网室内进行, 试验小区均为防渗水泥池, 面积为1.1 m2, 规格为130 cm(长)×85 cm(宽)×100 cm(高), 四面及底部均严格密封, 并具有良好排灌设备。试验开始于2004年9月, 供试土壤为第四纪红黏土发育的红黄泥, 试验前耕层土壤基础理化性状为:土壤有机碳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, 速效钾120.43 mg·kg-1, pH为5.40。以冬季作物-双季稻轮作为种植制度, 试验设冬闲-双季稻(CK)、马铃薯(Solanum tuberosum)-双季稻(Potato)、黑麦草-双季稻(Ryegrass)、紫云英-双季稻(Milk vetch)、油菜(Brassica napus)-双季稻(Rape)5种轮作模式, 采用随机区组排列, 3次重复。冬季作物马铃薯于11月下旬至12月初采用稻草覆盖、穴播种植, 密度为7.5×104穴·hm-2(大约用马铃薯种子3 000 kg·hm-2); 冬季作物黑麦草、紫云英、油菜均在晚稻收获10~15 d前套播, 播种量分别为22 kg·hm-2、37.5 kg·hm-2、4 kg·hm-2; 对照处理未种植冬季作物, 主要植物为当地的冬季杂草。早稻移栽时间为每年5月的第1周, 晚稻移栽时间为每年7月的第2周(早稻收获第3天)。早稻和晚稻的插植密度均为20 cm×12.5 cm。早稻收获后其秸秆人工模拟机械粉碎翻压还田, 晚稻收获后秸秆不还田, 部分晚稻秸秆留作马铃薯栽培用。
氮、磷、钾化肥分别用尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O5 12%)和氯化钾(含K2O 60%)。双季稻和冬季作物种植施肥制度见表 1, 其中油菜根据生长情况追施氮肥; 黑麦草生长季刈割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。早稻移栽种植前的1~2周, 冬季作物均被收获, 其中黑麦草和紫云英被翻压还田用作绿肥, 还田量为25 t·hm-2; 马铃薯和油菜收获后其秸秆作为绿肥均被全部翻压还田。
|
表 1 不同冬季作物-双季稻轮作模式各作物的施肥量 Table 1 Fertilizer management practices for crops in different patterns of winter crop-double cropping rice rotation systemkg·hm-2 |
运用2004—2017年长期定位试验早、晚稻产量数据分析早、晚稻产量稳定性与产量可持续性[17-19]。
产量稳定性用变异系数(CV)表示, 用来分析同一作物产量在不同年份间的变异程度, 其值越小, 说明产量稳定性越高, 计算方法如下:
| $ \text{CV}=\sigma |\bar{Y} $ | (1) |
式中:Y为平均产量, σ为标准差。
产量可持续性指数(SYI)是衡量生态系统可持续生产的参数, 其值越大, 可持续性越好, 计算方法如下:
| $ \text{SYI}=(\bar{Y}-\sigma )/{{Y}_{\max }} $ | (2) |
式中: Ymax为试验点最高产量
1.2.2 水稻样品的采集与测定在2017年的早、晚稻收获期, 每重复小区随机取3丛水稻植株, 将植株样品分为地上部分(水稻籽粒和秸秆)和地下部分(即水稻根), 于105 ℃杀青1 h, 75 ℃烘干至恒重, 并测其各部分生物量。植株样全氮采用硫酸-过氧化氢消煮-扩散法测定[20], 全磷采用硫酸-过氧化氢消煮-钼锑抗比色法测定[20], 全钾采用硫酸-过氧化氢消煮-火焰光度法测定[20]。
在2016年和2017年对试验处理每小区单打单收测早稻、晚稻产量及糙米产量并测定糙米和谷壳的N、P、K含量, 测定方法同水稻植株样分析。
1.2.3 冬季作物样品的采集与测定在2016—2017年轮作周期里, 冬季作物黑麦草每次刈割后, 测定每重复小区鲜草产量, 同时取鲜样0.5 kg测定其生物量; 紫云英翻压还田前, 测定每重复小区鲜草产量, 同时取鲜样0.5 kg测定其生物量; 油菜收获时, 测定每重复小区的油菜籽产量, 同时每重复小区取2株油菜植株测定其植株地上部分(即油菜秸秆)和地下部分(根)生物量; 马铃薯收获时, 测定每重复小区的马铃薯鲜薯产量和秸秆产量, 同时每小区取0.5 kg鲜薯样和0.5 kg马铃薯秸秆鲜样测定其生物量。冬季作物植株样、冬季作物种子的N、P、K含量测定方法同水稻植株样分析。
1.3 冬季作物-双季稻各种植模式系统的研究边界本研究采用投入产出法(Input-Output Analysis, IOA)分析冬季作物-双季稻不同种植模式稻田各季节内及周年N、P、K养分循环与平衡状况, 因采用投入产出法, 所以各个种植季内作物吸收的N、P、K养分量(包括根、秸秆及籽粒)为系统输出项, 投入的肥料、前茬作物的根及还田的前茬作物秸秆、作物种子为各种植季系统的输入项。
1.4 数据处理数据处理采用Microsoft Excel 2003软件进行, 方差分析和多重比较采用DPS 3.11(Data Processing System for Practical Statistics)软件进行, 多重比较采用Duncan新复极差法。
2 结果与分析 2.1 长期冬季作物-双季稻轮作种植模式早、晚稻的产量效应与产量可持续特征 2.1.1 早、晚稻的产量效应从图 1a历年早稻产量演变规律看, 仅在2006年、2008年、2013年及2014年部分模式之间表现出一定差异(P < 0.05), 其他年份各模式间无显著差异; 2006年、2008年及2014年紫云英-双季稻模式的早稻产量最高, 且2008年和2014年的早稻产量显著高于冬闲-双季稻模式(P < 0.05)。从图 1b历年晚稻产量演变规律看, 2010年冬闲-双季稻模式晚稻产量显著高于油菜-双季稻模式(P < 0.05), 2011年各模式晚稻产量差异显著(P < 0.05), 其他年份各模式间无显著差异。从表 2看, 冬季作物-双季稻轮作12年后对早、晚稻产量及早、晚稻糙米N、P、K养分含量无显著影响。
|
图 1 长期冬季作物-双季稻种植模式对早稻(a)和晚稻(b)的产量效应 Fig. 1 Yield responses of early rice (a) and late rice (b) to rotation patterns in a long-term experiment of winter crop-double cropping rice rotation system CK:冬闲-双季稻模式; Potato:马铃薯-双季稻模式; Ryegrass:黑麦草-双季稻模式; Milk vetch:紫云英-双季稻模式; Rape:油菜-双季稻模式。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 2 不同冬季作物-双季稻轮作模式早、晚稻产量及糙米N、P、K养分含量 Table 2 Yields and total N, P, and K contents of double cropping rice in different patterns of winter crop-double cropping rice rotation system |
长期冬季作物-双季稻轮作种植模式下, 黑麦草-双季稻模式早稻产量变异系数为0.09, 且最小, 产量可持续指数为0.81, 最大, 说明冬种黑麦草有利于促进早稻产量稳定性和可持续性的提高。油菜-双季稻模式晚稻产量变异系数为0.07, 且最小, 产量可持续指数为0.82, 且最大, 说明冬种油菜有利于促进晚稻产量稳定性和可持续性提高(图 2)。
|
图 2 不同冬季作物-双季稻轮作模式早稻(a)和晚稻(b)产量可持续指数(SYI)与变异系数(CV) Fig. 2 Sustainable yield indexes (SYI) and coefficients of variations (CV) of yields of early rice (a) and late rice (b) under different patterns of winter crop-double cropping rice rotation system CK:冬闲-双季稻模式; Potato:马铃薯-双季稻模式; Ryegrass:黑麦草-双季稻模式; Milk vetch:紫云英-双季稻模式; Rape:油菜-双季稻模式。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. |
在冬季作物种植季节内, 冬季作物-双季稻不同种植模式N输入输出及平衡状况见表 3。冬季作物经济目标输出包括收获的马铃薯鲜薯、油菜籽及刈割后饲用的黑麦草。本研究中各模式N输出主要指冬季作物吸收的N量。各模式土壤系统N输入高低顺序为:马铃薯-双季稻模式>油菜-双季稻模式>黑麦草-双季稻模式>紫云英-双季稻模式, 马铃薯-双季稻模式因采用晚稻稻草覆盖种植, 前茬晚稻秸秆N输入为67.6 kg(N)·hm-2, 占总输入的59.97%;油菜-双季稻、黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻等模式N输入主要是化学肥料带入。各模式土壤系统N输出高低顺序为:黑麦草-双季稻模式>紫云英-双季稻模式>马铃薯-双季稻模式>油菜-双季稻模式。黑麦草-双季稻模式N输出的56.74%被移出稻田土壤系统, 包括第1次刈割移出田的鲜草和第2次刈割后没有被作为绿肥翻压还田的鲜草; 紫云英-双季稻模式N输出的80.52%被用作绿肥翻压还田; 马铃薯-双季稻模式N输出的65.15%为鲜薯带出, N输出的34.85%被用作绿肥翻压还田(主要是马铃薯植株秸秆); 油菜-双季稻模式N输出的51.05%为油菜籽带出, N输出的48.95%被用作绿肥翻压还田(包括油菜秸秆和油菜地下部分)。
|
|
表 3 冬季作物-双季稻轮作种植模式冬季作物种植季稻田土壤系统NPK的输入输出 Table 3 N, P and K input-output of soil system of winter crops in different patterns of winter crop-double cropping rice rotation system |
在冬季作物种植季节内, 冬季作物-双季稻不同种植模式P输入输出及平衡状况见表 3。本研究中各模式土壤系统P输出主要指冬季作物吸收的P量。几种冬季作物种植时均施用了同等数量的磷肥作为基肥, 故黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻模式的土壤系统P输入主要是磷肥带入, 而马铃薯-双季稻模式的土壤系统P输入却包括49.06%的磷肥、20.97%的前茬晚稻秸秆、29.96%的马铃薯种子。各模式土壤系统P输出高低顺序为:黑麦草-双季稻模式>马铃薯-双季稻模式>油菜-双季稻模式>紫云英-双季稻模式, 黑麦草-双季稻模式P输出的54.87%被移出稻田土壤系统, P输出的45.13%被作为绿肥翻压还田; 马铃薯-双季稻模式P输出的85.16%为鲜薯带出, P输出的14.84%被用作绿肥翻压还田; 油菜-双季稻模式P输出的67.96%为油菜籽带出, P输出的32.04%被用作绿肥翻压还田; 紫云英-双季稻模式P输出的80.17%被用作绿肥翻压还田。
在冬季作物种植季节内, 冬季作物-双季稻不同种植模式K输入输出及平衡状况见表 3。本研究中各模式土壤系统K输出主要指冬季作物吸收的K量。几种冬季作物中只有马铃薯种植时施用了钾肥作为基肥, 故黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻模式的土壤系统K输入主要是各自的种子带入, 而马铃薯-双季稻模式的土壤系统K输入中钾肥占66.69%、前茬晚稻秸秆占30.19%、马铃薯种子占3.12%。各模式土壤系统K输出高低顺序为:黑麦草-双季稻模式>马铃薯-双季稻模式>油菜-双季稻模式>紫云英-双季稻模式, 黑麦草-双季稻模式K输出的61.24%被移出稻田土壤系统, K输出的38.76%被作为绿肥翻压还田; 马铃薯-双季稻模式K输出的49.27%为鲜薯带出, K输出的50.73%被用作绿肥翻压还田; 油菜-双季稻模式K输出的6.38%为油菜籽带出, K输出的93.62%被用作绿肥翻压还田; 紫云英-双季稻模式K输出的83.90%被用作绿肥翻压还田。
稻田土壤系统NPK的盈亏状况直接关系到土壤肥力的高低及系统的养分平衡。冬种黑麦草和紫云英在目前的N投入水平下, 均存在严重的N亏缺现象。冬种黑麦草在目前的P投入水平下, 存在P亏缺现象。冬种黑麦草、紫云英、油菜在目前的K投入水平下, 均存在严重的K亏缺现象。
2.2.2 早稻种植季NPK养分循环与平衡特征在早稻种植季节内, 冬季作物-双季稻不同种植模式NPK输入输出及平衡状况见表 4。此处各模式土壤系统NPK输出主要指水稻植株吸收的N量、P量及K量。其输入的差异取决于前茬冬季作物秸秆还田输入的NPK量。与冬闲-双季稻模式相比, 冬种马铃薯、黑麦草、紫云英及油菜均没有影响早稻糙米NPK积累, 却显著影响了早稻根的NPK积累(P < 0.05)。马铃薯-双季稻模式较其他模式增加了早稻秸秆的K积累(P < 0.05)。冬季作物-双季稻轮作种植模式NPK输出状况是: NPK输出最高是马铃薯-双季稻模式, 其次是油菜-双季稻模式; NK输出最低的是黑麦草-双季稻模式。
|
|
表 4 冬季作物-双季稻轮作种植模式早稻季稻田土壤系统NPK的输入输出 Table 4 N, P and K input-output of soil system of early rice in different patterns of winter crop-double cropping rice rotation system |
稻田土壤系统NPK的盈亏状况直接关系到土壤肥力的高低及系统的养分平衡。在早稻种植季的NPK投入水平下, 马铃薯-双季稻模式存在P亏缺现象, 冬闲-双季稻模式存在P、K亏缺现象。
2.2.3 晚稻种植季NPK养分循环与平衡特征在晚稻种植季节内, 冬季作物-双季稻不同种植模式NPK输入输出及平衡状况见表 5。此处各模式土壤系统NPK输出主要指晚稻植株吸收的N量、P量及K量。在晚稻种植季节内各处理施肥制度一样, 土壤系统NPK输入的差异均取决于前茬早稻秸秆还田和早稻根所输入的NPK。与对照冬闲相比, 各冬种作物没有显著影响晚稻糙米NPK积累。与其他模式相比, 马铃薯-双季稻模式显著影响水稻地下部分(即晚稻根)的K积累和秸秆N、P及K积累(P < 0.05)。冬季作物-双季稻种植模式NPK输出状况是: P、K输出最高的是马铃薯-双季稻模式, 其次是冬闲-双季稻模式; N输出最高的是冬闲-双季稻模式; NPK输出最低的是黑麦草-双季稻模式。在晚稻种植季的NPK投入水平下, 冬闲-双季稻、马铃薯-双季稻、紫云英-双季稻及油菜-双季稻模式均存在P亏缺及K严重亏缺现象。
|
|
表 5 冬季作物-双季稻轮作种植模式晚稻季稻田土壤系统NPK的输入输出 Table 5 N, P and K input-output of soil system of late rice in different patterns of winter crop-double cropping rice rotation system |
在整个冬季作物-双季稻轮作周期内, 各种植模式NPK输入输出及平衡状况见表 6、表 7及表 8。本研究中双季稻的经济目标输出为糙米, 冬季作物经济目标输出包括收获的马铃薯鲜薯、油菜籽及刈割后饲用的黑麦草。
|
|
表 6 冬季作物-双季稻轮作种植模式稻田周年N的输入输出 Table 6 N input-output of soil system of different patterns of winter crop-double cropping rice rotation system |
|
|
表 7 冬季作物-双季稻轮作种植模式稻田周年P的输入输出 Table 7 P input-output of soil system of different patterns of winter crop-double cropping rice rotation system |
|
|
表 8 冬季作物-双季稻轮作种植模式稻田周年K的输入输出 Table 8 K input-output of soil system of different patterns of winter crop-double cropping rice rotation system |
紫云英-双季稻种植模式N和P的循环率最高, 油菜-双季稻种植模式K的循环率最高, 说明冬种紫云英有益于稻田生态系统N、P地力的维持和N、P的循环再利用, 冬种油菜有益于稻田生态系统K素地力的维持和K的循环再利用。
稻田土壤系统NPK素的盈亏状况直接关系到土壤肥力的高低及系统的养分平衡。在冬季作物-双季稻轮作周期内的NPK投入水平下, 紫云英-双季稻模式存在N亏缺现象, 冬闲-双季稻和黑麦草-双季稻模式存在P亏缺现象, 所有处理均存在严重的K亏缺现象。
3 讨论与结论连续13年的冬季作物-双季稻轮作种植模式长期试验结果表明:稻田冬种黑麦草有利于促进早稻产量稳定性和可持续性的提高, 稻田冬种油菜有益于晚稻产量稳定性和可持续性的提高。原因可能是还田的冬季作物生物量、秸秆C/N及地下部分(根)C蓄积量造成的[11, 21-22]。本研究测定被翻压还田的冬季作物秸秆C/N, 马铃薯为14.42, 紫云英为14.54, 黑麦草为19.69, 油菜为43.36(油菜根C/N为68.96)。有机物料C/N是控制有机物料腐解和养分释放的重要因素之一[21], 油菜秸秆和根的C/N大导致其腐解和养分释放会一直持续到晚稻季[22]。黑麦草鲜草翻压还田后养分释放主要在残留物的分解初期可能是促进早稻产量稳定性和可持续性提高的原因之一[23]。
在黑麦草-双季稻轮作种植周年内目前的NPK投入水平下, 存在P亏缺和严重的K亏缺现象, 其中P亏缺为6.28 kg(P)·hm-2、K亏缺为375.70 kg(K)·hm-2; 在黑麦草种植季节内存在P亏缺和严重的N、K亏缺现象, 其中P亏缺为5.81 kg(P)·hm-2、N亏缺为59.47 kg(N)·hm-2、K亏缺为240.07 kg(K)·hm-2; 在早稻季、晚稻季存在N盈余, N盈余量分别为112.28 kg(N)·hm-2、104.10 kg(N)·hm-2。养分管理中建议科学增加黑麦草种植季节里氮肥、磷肥及钾肥的投入。
本研究年份(2016—2017年冬春季)冬季作物黑麦草刈割了2次, 黑麦草根据冬季生长情况也存在刈割3次[5, 9, 11], 黑麦草作为饲用每次刈割后均追氮肥, 作为绿肥翻压还田的刈割后不追施氮肥。有研究表明氮肥的施入能显著提高黑麦草产量, 氮磷钾肥料对黑麦草产草量的影响顺序为N>P>K[24-25]。杨曾平等[26]研究表明:氮肥的施用可以促进黑麦草对P、K的吸收, 钾肥的施用可以促进黑麦草对N、P的吸收, 磷肥的施用可以促进黑麦草对N的吸收, 却不能促进黑麦草对K的吸收。黑麦草刈割后需不需要追磷肥和钾肥？施用量是多少？黑麦草作为绿肥翻压还田量多少合适？黑麦草-双季稻轮作种植模式内, 需对黑麦草和双季稻的养分管理开展相关的定性和定量研究。
在紫云英-双季稻轮作周年内目前的NPK投入水平下, 存在N亏缺和严重的K亏缺现象, 其中N亏缺为16.37 kg(N)·hm-2、K亏缺为279.98 kg(K)·hm-2; 在紫云英种植季节里存在严重的N、K亏缺现象, N、K亏缺量分别为89.17 kg(N)·hm-2和89.57 kg(K)·hm-2; 在晚稻种植季里存在P亏缺和严重的K亏缺现象, 其中P亏缺为4.19 kg(P)·hm-2、K亏缺为35.15 kg(K)·hm-2; 在早稻季、晚稻季均存在N盈余, N盈余量分别为149.39 kg(N)·hm-2、81.68 kg(N)·hm-2。养分管理中建议科学增加紫云英和晚稻种植季节里钾肥的投入。
紫云英是豆科绿肥作物, 在南方冬闲田中承担贮C育N的作用, 有研究证明紫云英还田能够替代部分氮肥[15-16]和钾肥[16], 本研究中N亏缺主要是紫云英种植季N亏缺造成的, 紫云英-双季稻种植模式N和P的循环率最高, 冬季作物紫云英的施肥制度及作为绿肥的还田量都会影响到整个农田养分循环与平衡, 因此关于紫云英-双季稻种植模式的养分管理特别是氮肥管理还有待进一步研究。
在马铃薯-双季稻和油菜-双季稻轮作种植周年里目前的NPK投入水平下, 均存在严重的K亏缺现象, 其中马铃薯-双季稻K亏缺为93.74 kg(K)·hm-2, 油菜-双季稻K亏缺为363.71 kg(K)·hm-2; 两种轮作种植模式在晚稻种植季里均存在P亏缺和严重的K亏缺现象, 其中马铃薯-双季稻的晚稻种植季K亏缺为124.33 kg(K)·hm-2, 油菜-双季稻的晚稻种植季K亏缺为45.93 kg(K)·hm-2; 马铃薯种植季节里存在K盈余[K盈余255.21 kg(K)·hm-2], 但冬季作物油菜种植季节里存在严重的K亏缺现象[K亏缺140.08 kg(K)·hm-2]。两种轮作种植模式均在冬季作物种植季、早稻季、晚稻季存在N盈余, 其中马铃薯-双季稻3季的N盈余量分别为26.01 kg(N)·hm-2、75.77 kg(N)·hm-2、96.69 kg(N)·hm-2, 油菜-双季稻3季的N盈余量分别为25.25 kg(N)·hm-2、83.95 kg(N)·hm-2、101.84 kg(N)·hm-2。
养分平衡(nutrients balance)通过监测某一时期内系统中养分的输入和输出来评价该时期内养分(N、P和K等)的盈余和亏缺状态, 从而推断养分利用效率高低和存在的环境风险[3]。通常认为, N素盈余率超过20%即可引起N素对环境的潜在威胁[1]。在对N素盈余状况进行评价时, 不应只简单考虑N素的总投入, 应考虑有机物料N的有效性问题[1]。湖南双季稻区每季氮肥投入一般为150 kg(N)·hm-2, 本研究中早、晚稻季氮肥投入分别为172.5 kg(N)·hm-2、225.4 kg(N)·hm-2。为保障水稻稳产、降低氮肥环境风险, 建议减少马铃薯-双季稻和油菜-双季稻种植模式在双季稻种植季里的氮肥投入。养分管理中应重点调控晚稻的施肥制度, 建议增加磷肥和钾肥的投入。油菜-双季稻轮作种植模式建议油菜种植季节增加钾肥投入。
本研究中因紫云英、黑麦草、油菜均在晚稻收获前1个月套播在晚稻田里, 马铃薯采用晚稻草覆盖种植, 晚稻均不能机械化收割和晚稻秸秆还田。冬季作物-双季稻轮作种植模式的养分循环是冬季作物和外部投入的氮磷钾肥料共同驱动的养分循环, 本研究中晚稻秸秆未还田, 导致农田系统内循环量小, 农田养分循环靠外部投入维持。长期的冬季作物-双季稻轮作种植模式并未显著影响2016年和2017年早、晚稻产量及糙米NPK养分含量, 原因可能是外部投入的NPK化学肥料不合理造成的。水稻机械化收割, 早、晚稻秸秆还田是当前及未来发展的趋势, 也需要对冬季作物的耕作与栽培方式进行突破, 以促进冬季作物-双季稻轮作种植模式的可持续发展。
| [1] |
张玉铭, 孙宏勇, 李红军, 等. 环渤海低平原农田生态系统养分循环与平衡研究[J]. 中国生态农业学报, 2016, 24(8): 1035-1048. ZHANG Y M, SUN H Y, LI H J, et al. Nutrient cycling and balance in farmland ecosystem in Bohai Lowland Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(8): 1035-1048. |
| [2] |
张帆, 隋鹏, 陈源泉, 等. "稻鸭共生"生态系统稻季N、P循环[J]. 生态学报, 2011, 31(4): 1093-1100. ZHANG F, SUI P, CHEN Y Q, et al. Nitrogen and phosphorus cycling from rice-duck mutual ecosystem during late rice growth season[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(4): 1093-1100. |
| [3] |
沙志鹏, 张宇阳, 王超, 等. 西藏"玉米田养鹅"模式下养分吸收与养分平衡特征[J]. 土壤学报, 2016, 53(2): 523-532. SHA Z P, ZHANG Y Y, WANG C, et al. Nutrient absorption and nutrient balance in an agro-pastoral compound production pattern of "raising geese in corn fields" in Tibet[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(2): 523-532. |
| [4] |
张帆, 黄凤球, 肖小平, 等. 冬季作物对稻田土壤微生物量碳、氮和微生物熵的短期影响[J]. 生态学报, 2009, 29(2): 734-739. ZHANG F, HUANG F Q, XIAO X P, et al. Short-term influences of winter crops on microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen and Cmic-to-Corg in a paddy soil[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(2): 734-739. DOI:10.3321/j.issn:1000-0933.2009.02.023 |
| [5] |
王丽宏, 曾昭海, 杨光立, 等. 前茬冬季覆盖作物对稻田土壤的生物特征影响[J]. 水土保持学报, 2007, 21(1): 164-167. WANG L H, ZENG Z H, YANG G L, et al. Effects of former stubble winter cover crop on microbial characteristics in paddy soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 21(1): 164-167. DOI:10.3321/j.issn:1009-2242.2007.01.040 |
| [6] |
杨曾平, 高菊生, 郑圣先, 等. 长期冬种绿肥对红壤性水稻土微生物特性及酶活性的影响[J]. 土壤, 2011, 43(4): 576-583. YANG Z P, GAO J S, ZHENG S X, et al. Effects of long-term winter planting-green manure on microbial properties and enzyme activities in reddish paddy soil[J]. Soils, 2011, 43(4): 576-583. |
| [7] |
刘春增, 常单娜, 李本银, 等. 种植翻压紫云英配施化肥对稻田土壤活性有机碳氮的影响[J]. 土壤学报, 2017, 54(3): 657-669. LIU C Z, CHANG D N, LI B Y, et al. Effects of planting and incorporation of Chinese milk vetch coupled with application of chemical fertilizer on active organic carbon and nitrogen in paddy soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(3): 657-669. |
| [8] |
周春火, 潘晓华, 吴建富, 等. 不同复种方式对水稻产量和土壤肥力的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(2): 304-311. ZHOU C H, PAN X H, WU J F, et al. Effects of cropping patterns on rice yield and soil fertility[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(2): 304-311. |
| [9] |
唐海明, 程凯凯, 肖小平, 等. 不同冬季覆盖作物对双季稻田土壤有机碳的影响[J]. 应用生态学报, 2017, 28(2): 465-473. TANG H M, CHENG K K, XIAO X P, et al. Effects of different winter cover crops on soil organic carbon in a double cropping rice paddy field[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(2): 465-473. |
| [10] |
唐海明, 汤文光, 帅细强, 等. 不同冬季覆盖作物对稻田甲烷和氧化亚氮排放的影响[J]. 应用生态学报, 2010, 21(12): 3191-3199. TANG H M, TANG W G, SHUAI X Q, et al. Effects of winter cover crop on methane and nitrous oxide emission from paddy field[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(12): 3191-3199. |
| [11] |
王丽宏, 胡跃高, 杨光立, 等. 南方冬季覆盖作物的碳蓄积及其对水稻产量的影响[J]. 生态环境, 2006, 15(3): 616-619. WANG L H, HU Y G, YANG G L, et al. Carbon fixation by winter cover crops in south China and the effects of WCC on rice yields[J]. Ecology and Environment, 2006, 15(3): 616-619. DOI:10.3969/j.issn.1674-5906.2006.03.034 |
| [12] |
于天一, 逄焕成, 任天志, 等. 冬季作物种植对双季稻根系酶活性及形态指标的影响[J]. 生态学报, 2012, 32(24): 7894-7904. YU T Y, PANG H C, REN T Z, et al. Effects of winter crops on enzyme activity and morphological characteristics of root in subsequent rice crops[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(24): 7894-7904. |
| [13] |
孙卫民, 黄国勤, 程建峰, 等. 江西省双季稻田多作复合种植系统的能值分析[J]. 中国农业科学, 2014, 47(3): 514-527. SUN W M, HUANG G Q, CHENG J F, et al. Analyses on the emergies of multiple compound cropping systems from double-cropping paddy fields in Jiangxi Province[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(3): 514-527. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.03.011 |
| [14] |
朱波, 易丽霞, 胡跃高, 等. 黑麦草鲜草翻压还田对双季稻田肥料氮循环的影响[J]. 中国农业科学, 2012, 45(13): 2764-2770. ZHU B, YI L X, HU Y G, et al. Effects of ryegrass incorporation on fertilizer N cycling in a double rice system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(13): 2764-2770. |
| [15] |
杨滨娟, 黄国勤, 陈洪俊, 等. 利于水稻氮素吸收的绿肥翻压量和施氮水平研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(5): 1187-1195. YANG B J, HUANG G Q, CHEN H J, et al. Optimum combination of winter green manure plowed and nitrogen application levels for high nitrogen uptake and utilization in rice[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(5): 1187-1195. |
| [16] |
鲁艳红, 廖育林, 聂军, 等. 紫云英与尿素或控释尿素配施对双季稻产量及氮钾利用率的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(2): 360-368. LU Y H, LIAO Y L, NIE J, et al. Effect of different incorporation of Chinese milk vetch coupled with urea or controlled release urea on yield and nitrogen and potassium nutrient use efficiency in double-cropping rice system[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(2): 360-368. |
| [17] |
李忠芳, 徐明岗, 张会民, 等. 长期施肥和不同生态条件下我国作物产量可持续性特征[J]. 应用生态学报, 2010, 21(5): 1264-1269. LI Z F, XU M G, ZHANG H M, et al. Sustainability of crop yields in China under long-term fertilization and different ecological conditions[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(5): 1264-1269. |
| [18] |
张雅蓉, 李渝, 刘彦伶, 等. 长期施肥对黄壤有机碳平衡及玉米产量的影响[J]. 土壤学报, 2016, 53(5): 1275-1285. ZHANG Y R, LI Y, LIU Y L, et al. Effects of long-term fertilization on soil organic carbon balance and maize yield in yellow soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(5): 1275-1285. |
| [19] |
BHATTACHARYYA R, KUNDU S, PRAKASH V, et al. Sustainability under combined application of mineral and organic fertilizers in a rainfed soybean-wheat system of the Indian Himalayas[J]. European Journal of Agronomy, 2008, 28(1): 33-46. DOI:10.1016/j.eja.2007.04.006 |
| [20] |
鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000. LU R K. Analytical Methods for Soil Agricultural Chemistry[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000. |
| [21] |
李昌明, 王晓玥, 孙波. 不同气候和土壤条件下秸秆腐解过程中养分的释放特征及其影响因素[J]. 土壤学报, 2017, 54(5): 1206-1217. LI C M, WANG X Y, SUN B. Characteristics of nutrient release and its affecting factors during plant residue decomposition under different climate and soil conditions[J]. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(5): 1206-1217. |
| [22] |
宋莉, 韩上, 鲁剑巍, 等. 油菜秸秆、紫云英绿肥及其不同比例配施还田的腐解及养分释放规律研究[J]. 中国土壤与肥料, 2015(3): 100-104. SONG L, HAN S, LU J W, et al. Study on characteristics of decomposing and nutrients releasing of different proportional mixture of rape straw and Chinese milk vetch in rice field[J]. Soils and Fertilizers Sciences in China, 2015(3): 100-104. |
| [23] |
辛国荣, 杨中艺. "黑麦草-水稻"草田轮作系统研究Ⅶ黑麦草残留物的田间分解及营养元素的释放动态[J]. 草业学报, 2004, 13(3): 80-84. XIN G R, YANG Z Y. "Italian ryegrass-rice" rotation system Ⅶ Decomposition of ryegrass residue and the accompanying nutrient release in paddy fields[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2004, 13(3): 80-84. DOI:10.3321/j.issn:1004-5759.2004.03.014 |
| [24] |
李文西, 鲁剑巍, 鲁君明, 等. 苏丹草-黑麦草轮作制中施肥对饲草产量、养分吸收与土壤性质的影响[J]. 作物学报, 2009, 35(7): 1350-1356. LI W X, LU J W, LU J M, et al. Effect of fertilization on yield of forage grass, nutrient uptake and soil properties under sudangrass and ryegrass rotation regime[J]. Acta Agronomica Sinica, 2009, 35(7): 1350-1356. |
| [25] |
刘晓伟, 杨娟, 李文西, 等. 氮磷钾肥施用对多花黑麦草越冬期生理指标和产草量的影响[J]. 草地学报, 2010, 18(4): 584-588. LIU X W, YANG J, LI W X, et al. Effect of N, P and K fertilizers on physiological indicators and yield related to wintering period of ryegrass[J]. Acta Agrestia Sinica, 2010, 18(4): 584-588. |
| [26] |
杨曾平, 聂军, 廖育林, 等. 不同施肥量对稻田一年生黑麦草产量及氮磷钾吸收的影响[J]. 中国农学通报, 2015, 31(30): 173-180. YANG Z P, NIE J, LIAO Y L, et al. Effect of different fertilizations on biomass yield and N, P, K absorption of annual ryegrass in rice field[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(30): 173-180. DOI:10.11924/j.issn.1000-6850.casb15030152 |