水旱轮作体系养分管理研究进展

石子建，李建辉

（衢州市农业科学研究院，浙江衢州 324000）

水旱轮作体系养分管理研究进展

石子建，李建辉∗

（衢州市农业科学研究院，浙江衢州 324000）

水旱轮作是我国南方普遍采取的一种稻田耕作制度。通过分析水旱轮作种植模式下的氮磷钾肥管理现状，结合秸秆还田对农田理化性质及肥力的影响，提出秸秆还田配施无机肥的建议，以实现养分资源的高效利用和生态环境的可持续发展。

水旱轮作；养分管理；秸秆还田；无机肥

轮作栽培模式即在同一块地里，按季节有序地轮换种植不同作物的种植方式［1］。水旱轮作是我国南方普遍采取的一种稻田耕作制度，主要包括水稻⁃小麦、水稻⁃绿肥、水稻⁃蔬菜、水稻⁃马铃薯、水稻⁃油菜、水稻⁃棉花、水稻⁃烟草、水稻⁃甘蔗、水稻⁃饲料等种植方式，其中以水稻⁃小麦轮作种植面积最大［2］。水旱轮作对于增加粮食产量、缓解人口压力、保障我国的粮食安全具有十分重要的战略意义。对于水旱轮作而言，施肥是保证其生产力可持续的不可或缺的环节。已有的研究表明，不施肥或施肥不合理不仅不会使产量增加，还会造成肥料浪费和环境污染，如稻麦轮作体系中小麦对氮、磷、钾肥的利用率分别为27.8%，38.9%和22.9%；水稻对氮、磷、钾肥的利用率分别为35.8%，26.8%和41.8%［3］。养分精准管理技术的引进，对促进水旱轮作可持续发展、维持较高的地力水平、缓解因施肥导致的地下水污染、水体富营养化等环境问题都有重要的意义。

1 水旱轮作体系中的精准施肥

1.1 氮肥管理

氮素是水稻生产的主要养分限制因子之一。目前我国水稻生产中氮肥施用量比世界平均水平高出约75%，单季平均施氮量（纯N，下同）为180 kg·hm－2，而在高产田块中，水稻氮肥施用量甚至高达300～450 kg·hm－2，而水稻氮肥吸收利用率仅为30%～35%［4］。氮肥的使用量过多，不仅会造成氮素资源的浪费，同时会进入大气和水体对生态环境造成直接破坏［5］。

王秀斌等［6］研究表明低产田、中产田和高产田（双季水稻年产量分别为＜6 750，6 750～8 250，＞8 250 kg·hm－2）分别在施氮量为120，180和240 kg·hm－2的情况下取得高产，氮肥的贡献率达到最高，氮肥贡献率和氮肥吸收利用率均为低产田＞中产田＞高产田。在太湖地区的稻麦轮作体系中，水稻季的施氮量为210～225 kg· hm－2，小麦季施氮量为169～225 kg·hm－2时，产量和氮肥利用效率的综合效应达到最佳，而当地农民习惯施氮量则高达550～650 kg·hm－2［7－8］。

张福锁等［9］调查的4 218块水稻，氮肥施用量为（209±140）kg·hm－2。对于水稻目前的产量水平来说，推荐施氮量为150～250 kg·hm－2较为合理，若以小于150 kg·hm－2为不足，大于250 kg· hm－2为过量，则施氮不足、合理和过量田块分别占总调查田块的1／3左右。叶静等［10］在浙江省平湖市广陈镇的试验表明，农户常规施肥的氮肥施用量较高，一般为240 kg·hm－2，往往造成水稻贪青晚熟。在推荐施肥量中，减少氮肥施用量，增加磷钾肥施用量，可增产节肥，增加收入。

不同地区甚至不同地块间土壤的氮素含量差异很大，供氮能力也有很大区别。可通过作物诊断迅速确定作物的氮营养状况，并决定是否施氮。范明生［11］建议应用ISPAD仪或硝酸盐反射仪作为作物是否缺氮的诊断工具，以做出相应的施肥决策。但是目前推广难度较大，浙江地区水稻种植以小地块分散经营为主，采用“一炮轰”的施肥方式，为氮肥的管理带来很大不便。建议采用以推荐施肥为主，以具体田块进行微调为辅的施肥原则。

1.2 磷肥管理

不同于氮肥的易挥发和易淋溶，磷在土壤中易被固定，当季施用的磷肥至少有75%以上以固定态或有效态等形式残留在土壤中，虽然当季利用率不高但后效期长达至少12年［12］。无机磷酸盐在土壤溶液中浓度相当低，磷酸离子可以被吸附到带正电荷的矿物质上，如铁和铝氧化物。通过吸附／解吸和沉淀／溶解平衡控制了磷在土壤溶液中的浓度，并且影响磷的化学迁移和生物利用效率［13］。据Darilek等［14］报道，土壤长期处于淹水状态时，只有Fe／Al⁃P增加。Turner等［15］发现土壤的干湿交替过程可提高磷的溶解性，由于干湿交替可以杀死70%的微生物，而微生物量磷是可溶性磷的重要来源。如果迅速风干，微生物细胞会损伤，发生质壁分离或死亡，这一过程伴随着磷的释放。

在水旱轮作的种植模式下，可适当减少水稻季磷的施用来充分挖掘土壤磷的潜力；在旱季作物上则应适当增加磷肥的用量以满足作物需求和节约成本。Yadvinder［16］的研究表明，为获得稳定的作物产量，稻麦系统总的磷（P2O5，下同）投入量为40～50 kg·hm－2，在小麦季，磷的投入至少为26 kg·hm－2，而水稻季磷的用量约15～25 kg· hm－2。不施磷处理，经过3个稻麦轮作周期后，磷素亏缺144.73～145.22 kg·hm－2，随着施磷量的增加，土壤速效磷呈明显递增趋势，高肥力土壤中小麦⁃水稻轮作施用磷45 kg·hm－2就可以维持土壤速效磷平衡［17］。卜容燕等［18］研究表明在水稻⁃油菜体系中，在水稻季施用磷60 kg·hm－2同样可以保证产量和经济效益，因此提出在“重旱轻水”的磷肥策略下，也要考虑水稻季磷肥投入。

磷肥施入土壤后易被土壤中的矿物固定，残效期长，短期内不施磷可能不会造成作物减产，但必然导致土壤中的磷肥力降低，因此施用磷肥应兼顾当前的产量和长远的环境效益。

1.3 钾肥管理

土壤是一个钾库，钾的形态可以分为水溶态、交换态、非交换态和矿物钾；以其对生物的有效性，水溶性钾和交换性钾被看作是速效钾，非交换性钾被看作缓效钾，矿物钾被看作无效钾；各种形态钾之间处于一个相互转化的动态平衡体系中［19］。在水旱轮作种植条件下会增加土壤中钾的淋洗，在淹水条件下，因为土壤中的Fe2＋，Mn2＋等阳离子的增加，能够置换出土壤胶体吸附的更多K＋［20］。植物对钾的需要量很高，一般情况下植物吸钾量会超过吸磷量，与吸氮量相近［21］。随着杂交水稻的推广，作物产量的增加，以及粪便、秸秆等有机肥施用量的减少，使得目前钾肥的投入远不能维持钾素平衡，农田钾素亏缺已成为农业生产持续发展的限制因子之一［22］。

大量试验和调查结果［23］显示，太湖地区农田、浙江杭嘉湖平原中低产区的钾素都是亏缺的，年亏缺量（K2O，下同）分别为52.5，30.75 kg· hm－2；在一年两熟和三熟水旱轮作系统中不施肥的土壤每年钾素亏缺148.2和182.7 kg·hm－2。尽管钾肥的施用在一定的条件下缓解了土壤钾素不足，但在一年两熟和三熟轮作制中施钾土壤平均每年仍亏钾。李继福等［24］在湖北低钾田块（速效钾含量＜100 mg·kg－2）的试验表明，即使在秸秆还田条件下，钾肥用量75 kg·hm－2，虽增产效果显著，但钾肥用量仍然不足。范明生等［25］研究表明在稻⁃麦轮作体系中，优化施钾（112 kg·hm－2）相对农民习惯施钾量（78 kg·hm－2）对农田中钾的负平衡相当，均约亏损182 kg·hm－2。

综上，在低钾田块上的推荐施钾量70～80 kg· hm－2，并不能满足农田的钾平衡的需求，应结合秸秆还田适当增加钾肥的施用，而在中高钾田块上则应当结合秸秆还田适当减少钾肥的施用［23－25］。

对长江中下游地区水旱轮作高产田（产量13 t· hm－2）N，P2O5和K2O最佳施用量分别约为200，145和250 kg·hm－2，施用比例约为1∶0.72∶1.23［26］。

2 水旱轮作体系中的秸秆还田技术

浙江地区水旱轮作种植体系下每年都要产生大量的农作物秸秆，但由于运费较高和化肥的广泛使用等原因，农民一般采用直接将秸秆焚烧的做法，这样就造成了资源浪费和环境污染，不利于土壤的可持续利用［27］。已有的研究表明，秸秆还田对稻麦轮作农田土壤碳库具有显著影响，秸秆还田可增加土壤中总有机碳、微生物生物碳、水溶性有机碳和水稳性团聚体有机碳含量，改善土壤性质。通过减小土壤容重，增加耕层土壤通气孔隙度、总孔隙度、增强土壤保持水分的能力等来改变土壤物理性状。还可通过释放氮、磷、钾以及中微量营养元素被作物吸收利用，来代替部分化肥的使用［27－29］。此外，秸秆还田结合以测定叶片的叶绿素含量为基础的实地氮肥管理，优化氮肥施用量（200 kg· hm－2）和施用时期，相比农民习惯施肥量（300 kg· hm－2）不仅可增加产量，还可以改善稻米品质，提高氮肥利用效率［30］。同样，在秸秆还田条件下，在增产的同时，中、高钾土壤田块比钾肥推荐用量分别减少49.1%，20.0%［24］。

对于稻⁃麦水旱轮作种植体系而言，采用小麦秸秆粉碎直接还田＋水稻秸秆覆盖还田模式组合，可以增加土壤氮磷钾养分含量，改善土壤理化性质，是南方地区麦稻水旱轮作制度下较为合理的秸秆还田方式［28］。操作流程为，麦季水稻机械化收获后稻草直接覆盖地表，免耕精量播种，施用尿素300 kg·hm－2，60%作为基肥，40%作为返青肥，磷钾肥作为基肥一次性施用，为减少甲烷产生可配施一定的腐解剂。小麦收获后，将秸秆直接机械化粉碎后耕翻入土壤。

3 讨论

目前，水旱轮作体系中肥料施用不合理的现象较为严重，偏施氮肥，而磷、钾肥的施用量相对较少，氮肥施用时期与作物最大需求时期不匹配等［9－21，23］。据调查，氮肥施用过量、施用合理、施用不足均占1／3，而大部分农户均在移栽水稻前10 d施用氮肥，这与水稻的需氮规律不相匹配［25］。磷肥施用应“重旱轻水”，充分挖掘作物的根系潜力并充分利用干湿交替过程中磷素的释放。由于每年秸秆从农田中带走大部分钾素，钾肥投入不足，造成大部分农田均处于钾素负平衡的状态。

秸秆还田可以改善土壤理化性质、培肥地力、充分利用秸秆资源、避免因焚烧带来环境污染，在促进作物增产方面有很多报道，但是在增加土壤中速效磷方面仍然存在争议［31］。秸秆还田过程中可适当增加前期氮肥的施用，防止微生物与作物竞争氮素的现象，同时运用养分综合管理技术，可以适当减少氮肥施用总量，调整施用时期，维持或增加产量［25］。应注意相应的钾肥施用量，利用秸秆还田来增加农田中的钾素投入，对于缓解秸秆过剩的压力、维持土壤钾素平衡具有重要意义，但有些地区土壤中钾素处于亏缺状态，即使在秸秆还田的条件下还是要增加钾肥的施用［24－25］。

水旱轮作体系的精准施肥应该以实现粮食高产、资源高效、环境可持续的目标展开，运用养分综合管理技术，确定合理的秸秆还田量以及氮磷钾肥施用量，但最重要的是以“大配方，小调整”为原则做好后续的推广工作，为水旱轮作更好地发挥稳定国家粮食安全战略做出贡献。

［1］ 吴余粮，蒋凯.水旱轮作模式的可持续发展探析［J］.浙江农业科学，2014（6）：813－815.

［2］ 周超亚.南方耕作制度［M］.北京：中国农业出版社，1996：31－37.

［3］ 田秀英，石孝均.不同施肥对稻麦养分吸收利用的影响［J］.重庆师范学院学报：自然科学版，2003，20（2）：44－47.

［4］ 彭少兵，黄见良，钟旭华，等.提高中国稻田氮肥利用率的研究策略［J］.中国农业科学，2002，35（9）：1095－2103.

［5］ 朱兆良.中国土壤氮素研究［J］.土壤学报，2009，45（5）：778－783.

［6］ 王秀斌，徐新朋，孙刚，等.氮肥用量对双季稻产量和氮肥利用率的影响［J］.植物营养与肥料学报，2013，19（6）：1279－2286.

［7］ 张均华，刘建立，张佳宝，等.施氮量对稻麦干物质转运与氮肥利用的影响［J］.作物学报，2010，36（10）：1736－2742.

［8］ 王德建，林静慧，孙瑞娟，等.太湖地区稻麦高产的氮肥适宜用量及其对地下水的影响［J］.土壤学报，2003，40（3）：426－432.

［9］ 张福锁，崔振岭，王激清，等.中国土壤和植物养分管理现状与改进策略［J］.植物学通报，2007，24（6）：687－694.

［10］ 叶静，叶近天，宋仿根，等.水旱轮作制度下稻田精准施肥技术应用效果［J］.浙江农业科学，2013（8）：941－943.

［11］ 范明生，江荣风，张福锁，等.水旱轮作系统作物养分管理策略［J］.应用生态学报，2008，19（2）：424－432.

［12］ 林继熊，林葆，艾卫.磷肥后效与利用率的定位试验［J］.土壤肥料，1995（6）：1－5.

［13］ Hinsinger P.Bioavailability of soil inorganic P in the rhizosphere as affected by root⁃induced chemical changes：a review［J］.Plant and Soil，2001，237：173－295.

［14］ Darilek J L，Sun W X，Huang B，et al.Effect of moisture conditions in rice paddies on phosphorus fractionation in agriculture soils of rapidly developing regions of China［J］. Communications in Soil Science and Plant Analysis，2011，42：1752－2764.

［15］ Turner BL，Hmygarth PM.Changes in bicarbonate⁃extractable inorganic and organic phosphorus by drying pasture soils［J］. Soil Science Society of America Journal，2003，67：344－350.

［16］ Yadvinder⁃Singh，Dobermann A，Bijay⁃Singh，et al.Optimal phosphorusmanagement strategies for wheat⁃rice cropping on a loamy sand［J］.Soil Science Society of America Journal，2000，64（4）：1413－2423.

［17］ 孙泽强，董亮，王学君，等.稻麦轮作体系农田养分循环与养分管理综述［J］.江西农业学报，2014，26（3）：29－34.

［18］ 卜容燕，任涛，鲁剑巍，等.水稻⁃油菜轮作条件下磷肥效应研究［J］.中国农业科学，2014，47（6）：1227－2234.

［19］ 黄绍文，金继运.土壤钾形态及其植物有效性研究进展［J］.土壤肥料，1995（5）：23－29.

［20］ Ponnamperuma F N.The chemistry of submerged soils［J］. Advances in agronomy，1972，24：29－96.

［21］ Liu M，Yu Z，Liu Y，et al.Fertilizer requirements for wheat and maize in China：the QUEFTS approach［J］.Nutrient Cycling in Agroecosystems，2006，74：245－258.

［22］ 谢建昌，周健民.我国土壤钾素研究和钾肥使用的进展［J］.土壤，1999（5）：244－254.

［23］ 王亚艺.水稻⁃油菜轮作中钾肥效应及作物⁃土壤体系钾素动态变化研究［D］.武汉：华中农业大学，2010.

［24］ 李继福，鲁剑巍，任涛，等.稻田不同供钾能力条件下秸秆还田替代钾肥效果［J］.中国农业科学，2014，47（2）：292－302.

［25］ 范明生.水旱轮作系统养分资源综合管理研究［D］.北京：中国农业大学，2005.

［26］ 张国荣.长江中下游地区高产稻田合理施肥［D］.哈尔滨：东北农业大学，2009.

［27］ 刘威，黄丽，鲁剑巍，等.两种保护性耕作对土壤养分、结构和产量的影响［J］.土壤通报，2015，46（2）：420－427.

［28］ 刘世平，聂新涛，张洪程，等.稻麦两熟条件下不同土壤耕作方式与秸秆还田效用分析［J］.农业工程学报，2006，22（7）：48－51.

［29］ 胡乃娟，张四伟，杨敏芳，等.秸秆还田与耕作方式对稻麦轮作农田土壤碳库及结构的影响［J］.南京农业大学学报，2013，36（4）：7－22.

［30］ 徐国伟，谈桂露，王志琴，等.秸秆还田与实地氮肥管理对直播水稻产量、品质及氮肥利用的影响［J］.中国农业科学，2009，42（8）：2736－2746.

［31］ 陈武.水旱轮作条件下秸轩还田的培肥和增产效应［D］.武汉：华中农业大学，2012.

（责任编辑：张才德）

S 511.062

A

0528⁃9017（2015）11⁃1819⁃03

文献著录格式：石子建，李建辉.水旱轮作体系养分管理研究进展［J］.浙江农业科学，2015，56（11）：1819－1821，1824.

DOI 10.16178／j.issn.0528⁃9017.20151136

2015⁃09⁃26

浙江省旱作粮油科技创新团队项目（2011R50026）；衢州市旱作粮油科技创新团队项目；衢州市科技计划项目（2013Y022，20132006，2014Y022）

石子建（1991－），男，河北沧州人，硕士研究生，从事根际磷养分研究工作。E⁃mail：zijiansh＠126.com。

李建辉，博士，从事农业生态学研究工作。E－mail：lijianhui＠yeah.net。