长期不同施肥模式对双季稻田土壤养分及水稻产量的影响

徐一兰，唐海明，程爱武，李益锋，李 永，何 炜，胡赛晶，王跃平

(1.湖南生物机电职业技术学院，湖南 长沙 410127；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；3.湖南省宁乡县农业局，湖南 宁乡 410600)

有机肥是我国重要的肥料来源，它在土壤培肥和保证作物产量方面发挥了十分重要的作用[1]。随着我国农业的快速发展，其施肥习惯发生了明显的变化，有机肥施用量不断减少、化肥施用量不断增加，严重影响了土壤质量、稻田生态环境等方面。合理施用有机肥是改善土壤理化特性、培肥土壤，保证农业可持续发展的重要农艺措施之一。近年来，国内外大量研究者就不同施肥制度下土壤养分、生态环境和作物生长发育等方面开展了大量的研究[2-3]。前人研究结果认为，施用有机肥、有机无机肥配施均有利于改善土壤的理化特性，增强土壤微生物多样性和活性，调节土壤养分循环，提高土壤有机碳含量和有效养分含量，从而有利于减少肥料的流失，提高肥料的利用率、培肥土壤，保持农田生态系统较高的生产力[3-4]。也有研究表明，施用有机肥措施与施用化肥相比，施用有机肥的改土培肥、改善土壤质量的效果优于施用化肥措施[2-3]。

在不同施肥措施条件下，前人对稻田的土壤理化特性、作物生长、植株生物学和营养特性及产量等方面的动态变化开展了相应的研究，徐玲等[5]和邵兴华等[6]研究结果表明，长期有机肥配合施用化肥有利于增加土壤养分含量，提高土壤肥力，增加水稻产量。王绍明[7]认为长期施用厩肥与厩肥配施氮磷措施提高土壤主要养分含量的效果为最佳，培肥土壤，获得较高的水稻产量。董春华等[8]长期大田定位试验结果认为，施用有机肥有利于增加土壤有机质含量，同时也提高了水稻植株地上部干物质积累量，增加了早稻和晚稻产量。唐海明等[9]和徐一兰等[10]研究结果表明，长期有机无肥配施均有利于促进早、晚稻水稻植株干物质积累和改善产量构成因素，增加了水稻产量。杨长明等[11]研究结果表明，有机肥配合施用化肥措施均有利于养分在水稻植株的籽粒部位积累，增加水稻产量。周卫军等[12]研究认为，随着有机无机肥配合施用量的增加，氮在水稻中的累积量和系统生产力也呈增加的变化趋势。

目前，在中国南方双季稻主产区域，不同施肥条件下(有机肥、秸秆还田和有机肥配施化肥)对稻田培肥土壤综合效应和水稻产量及其之间相关性研究还少见报道，尤其是对长期定位试验缺乏系统的研究。因此，本研究以连续31年长期大田定位试验田为基础，开展长期不同施肥措施条件下双季稻田耕层土壤基础养分含量和水稻产量变化的研究，以明确不同施肥模式对双季稻田的培肥效果，从而为维持双季稻田的可持续生产能力提供科学理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

该大田试验开始于1986年，试验田位于湖南省宁乡县农技中心(112°18′，28°07′ N)，海拔36.1 m。试验田土壤为水稻土，河沙泥土种，为典型的双季稻主产区。种植制度为大麦-双季稻，土壤肥力中等，排灌条件良好。试验田的气候条件和试验前耕层土壤(0～20 cm)基础肥力见唐海明等[9]。

1.2 试验设计及田间管理

试验包括5个施肥处理：单施化肥：仅施用氮、磷、钾化肥 (MF：Mineral fertilizer)；秸秆还田+化肥：稻草秸秆还田和化肥 (RF：Rice residues and mineral fertilizer)；30%有机肥：有机肥和化肥的氮施用量分别占总施氮量30%和70% (LOM：30% organic matter and 70% mineral fertilizer)；60%有机肥：有机肥和化肥的氮施用量分别占总施氮量的60%和40% (HOM：60% organic matter and 40% mineral fertilizer)；对照：不施任何肥料(CK：No fertilizer input)。各施肥处理小区的规格，早稻和晚稻生育期各施肥处理的肥料种类与施用量、施肥时期、移栽规格、田间管理措施见唐海明等[9]和徐一兰等[10]。2016年，早稻供试品种为湘早籼45号，于4月5日进行播种，5月3日结合稻田土壤翻耕施用基肥，5月4日移栽，7月25日收获；晚稻供试品种为岳优9113，6月28日播种，7月28日结合稻田土壤翻耕施用基肥，7月29日移栽，11月6日收获。

1.3 样品采集与测定方法

2016年11月，于晚稻成熟期用土钻采集各施肥处理稻田耕层土壤(0～20 cm)样品，风干后过筛，用于测定土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量，其测定方法参照参考文献[13]。

分别于早稻和晚稻成熟期，每个处理随机选择生长一致的水稻3个点，面积均为1 m2，统计该面积内的有效穗数；在各个处理的每一个点中随机选择5穴水稻进行产量构成因素的测定，测定穗粒数、结实率和千粒质量等指标，计算其平均值；同时，测定各处理水稻产量。

1.4 数据统计与分析

所有数据均用Microsoft Excel 2003软件进行处理，采用SPSS软件进行不同处理间各测定指标的方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模下土壤有机质含量动态变化

与对照(CK，无肥)相比，长期有机无机肥配施处理均明显增加了稻田耕层(0～20 cm)土壤有机质含量(图1)。在各施肥处理间，以60%有机肥处理(HOM)耕层土壤有机质(SOM)含量为最高，显著高于其他处理(P<0.05)；其次是30%有机肥处理(LOM)，其SOM含量与秸秆还田+化肥(RF)、化肥(MF)和CK处理之间差异达显著水平(P<0.05)；RF处理耕层土壤有机质含量显著高于CK处理(P<0.05)；MF处理耕层土壤有机质含量高于CK处理，但无显著性差异(P>0.05)。

MF.化肥；RF.秸秆还田+化肥；LOM.30%有机肥+70%化肥；HOM.60%有机肥+40%化肥；CK.无肥。图中不同小写字母表示显著差异(P<0.05)。表1-2、图2同。

MF.Mineral fertilizer；RF.Rice residues and mineral fertilizer；LOM.30% organic matter and 70% mineral fertilizer；HOM.60% organic matter and 40% mineral fertilizer；CK.No fertilizer input.Band represented by different small letters between different treatments are significantly different atP<0.05.The same as Tab.1-2,Fig.2.

图1长期施肥下稻田耕层土壤有机质含量动态变化
Fig.1Dynamicchangeofsoilorganicmattercontentunderdifferentlong-termfertilizermanagementcondition

2.2 不同施肥模式下土壤养分的变化

表1显示，经过31年连续长期定位试验后，各施肥模式间稻田耕层土壤养分含量存在较大的差异。不同施肥处理间土壤全氮、全磷含量均以HOM处理为最高，分别为3.41，2.55 g/kg，均显著高于其他处理；其次是LOM处理，分别为2.77，1.76 g/kg，均显著高于MF和CK处理。各处理间土壤全钾含量和pH值均无显著性差异。HOM和LOM处理土壤碱解氮和有效磷含量均为最高，分别为250.4，212.5 mg/kg和167.5，91.6 mg/kg，均显著高于其他处理。HOM处理土壤速效钾含量为最高，达49.8 mg/kg，显著高于其他处理；其次是LOM和RF处理，均显著高于MF和CK处理。

表1 长期施肥模式下土壤养分的变化(0～20 cm)Tab.1 Dynamic change of soil nutrients under different long-term fertilizer management condition

注：同列内不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。表2同。

Note:Values followed by different small letters within a column are significantly different atP<0.05.The same as Tab.2.

2.3 不同施肥模式下水稻产量构成因素及产量变化

表2表明，早稻MF、RF、LOM和HOM处理有效穗和穗粒数均显著高于CK处理，有效穗分别比CK处理增加147.0，157.5，154.5，159.0万/hm2，穗粒数分别比CK处理增加12.0，15.3，15.8，13.7粒；各处理的结实率和千粒质量均无显著性差异；MF、RF、LOM和HOM处理早稻产量均明显高于CK处理，分别比CK处理增加2 106.0，2 163.0，2 641.5，2 569.5 kg/hm2；其中HOM和LOM处理早稻产量最高，分别比CK处理增加97.67%和95.01%。

晚稻MF、RF、LOM和HOM处理有效穗和穗粒数均显著高于CK处理，有效穗分别比CK处理增加84.0，96.0，91.5，99.0万/hm2，穗粒数分别比CK处理增加22.3，37.9，40.6，42.2粒；各处理的结实率和千粒质量均无显著性差异；MF、RF、LOM和HOM处理晚稻产量均明显高于CK处理，分别比CK处理增加2 293.5，3 118.5，2 827.5，2 685.0 kg/hm2；其中RF和LOM处理晚稻产量最高，分别比CK处理增加103.64%和93.97%。

表2 长期施肥下水稻产量及构成因素的变化Tab.2 Dynamic change of yield and yield component of rice under different long-term fertilizer management condition

图2中可知，不同施肥处理周年水稻产量大小顺序表现为LOM>RF>HOM>MF>CK。周年水稻产量均以LOM处理最高，为11 182.5 kg/hm2，比CK处理增产5 469.0 kg/hm2；其次是RF处理，为10 995.0 kg/hm2，比CK处理增产5 281.5 kg/hm2；HOM和MF处理周年水稻产量分别为10 968.0，10 113.0 kg/hm2，均高于CK处理，分别比CK处理增产5 254.5，4 399.5 kg/hm2。

图2 长期施肥下双季水稻产量的变化Fig.2 Dynamic change of yield of early and late rice under different long-term fertilizer management condition

2.4 土壤养分与水稻产量的相关分析

以土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量为自变量，水稻产量为因变量进行相关性分析，土壤有机质与土壤全氮、全磷、碱解氮、有效磷均具有极显著的正相关(r=0.993**，0.971**，0.950**，0.950**)，与土壤速效钾具有显著的正相关(r=0.802*)。土壤全氮与土壤全磷、碱解氮、有效磷均具有极显著的正相关(r=0.960**，0.952**，0.948**)，与土壤速效钾具有显著的正相关(r=0.864*)。土壤全磷与土壤碱解氮、有效磷均具有极显著的正相关(r=0.856**，0.993**)，与土壤速效钾具有显著的正相关(r=0.758*)。土壤全钾与土壤速效钾具有显著的正相关(r=0.731*)。土壤碱解氮与土壤有效磷、速效钾均具有显著的正相关(r=0.817*，0.821*)。土壤有效磷与土壤速效钾具有显著的正相关(r=0.772*)。而水稻产量与土壤养分均无显著性相关(表3)。

3 讨论

3.1 不同施肥模式对稻田耕层土壤养分的影响

前人试验研究结果表明，有机无机肥配施条件下有利于增加稻田耕层土壤有机质、缓效和速效养分含量[14]。本试验经过长达31年不同施肥模式定位试验后，各施肥处理间土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾含量均存在明显的差异，土壤全钾含量和pH值变化不显著。有机无机肥配施处理较无肥对照处理明显增加了稻田耕层土壤主要养分含量，有利于培肥稻田耕层土壤；其中，以60%和30%有机肥处理的培肥效果较佳，其次是秸秆还田和化肥处理。其原因为施入土壤有机物料(有机肥和秸秆)是提高土壤有机质的主要措施，施入有机物料有利于提高和维持土壤有机质含量在较高水平；长期施用化肥条件下，作物也有大量的根系、茎叶残茬归还于稻田土壤，有利于提高土壤有机物质，单独施用化肥施肥模式的土壤有机质含量明显高于无肥对照。

表3 土壤肥力指标与水稻产量之间的相关性Tab.3 The correlation between the soil fertility index and the grain yield of rice

注：*.5%显著水平；**.1%显著水平。

Note:*.Significant difference at 0.05 level ;**.Significant difference 0.01 at level.

由于化肥氮在土壤中容易转化为氨态氮和硝态氮，造成氨挥发和硝酸盐淋溶[15]，施用化肥对增加土壤中全氮和碱解氮含量的效果低于施用有机肥，有机氮在土壤中分解速度慢，易于在土壤中保留[16]。有机肥与化肥配施对提高土壤全磷和速效磷含量有明显的效果，这是因为一方面施用有机肥有利于增加土壤中有机质含量，从而减少对无机磷固定和促进无机磷溶解[17]，另一方面，长期施用有机肥，有机肥中所含的有机磷在土壤中长期积累也增加了土壤中全磷和速效磷的含量。而化肥施入土壤后很快被土壤固定而转化为缓效态磷，从而极大地降低了有效磷的含量。与其他施肥处理相比，无肥条件下收获作物籽粒和部分茎叶等器官也带走了土壤中的磷，长期在该种施肥条件下，无外源磷素投入，土壤中磷素不断下降，从而降低了土壤中全磷和速效磷含量。长期采取有机肥(鸡粪和秸秆)配合施用化肥均有利于增加土壤中全钾和速效钾含量，其原因可能是钾素在有机肥处理土壤中的转化率高于化肥处理、被土壤固定程度低于化肥处理，因此，在长期施用有机肥条件下促进了土壤中全钾和速效钾的含量[18]。

通过对土壤养分含量与水稻产量的相关分析，表明全氮、碱解氮、全磷、有效磷、速效钾与有机质含量均具有显著的正相关(r=0.993**，0.971**，0.950**，0.950**，0.802*)，这与前人的报道基本一致[5]。前人研究结果表明，土壤肥力与水稻产量之间存在显著的正相关，这表明水稻产量随着土壤肥力的升高不断增加[19]。本试验研究结果表明，土壤养分含量与水稻产量之间均无显著性相关，其原因可能是在本试验的设计之初，所投入的施肥量低于目前所投入的施肥量，目前早稻和晚稻季所施用总N 352.5 kg/hm2、P2O5135.0 kg/hm2和K2O 352.5 kg/hm2 [20]，因此，不同施肥处理水稻产量均低于同一区域的水稻产量；且各施肥处理的土壤养分含量随着施肥年限的增加而增加，其研究结果与董春华等[8]相似。

3.2 不同施肥模式对水稻产量的影响

施肥是维持稻田生产力关键的措施之一，施用化肥和有机肥分别有利于提供速效养分、改善土壤理化特性和提供缓效养分[7]，有机肥配合施用化肥对培肥土壤和维持水稻产量等方面均具有十分重要的现实意义[7，21]。前人研究结果认为，施肥有利于提高早稻和晚稻产量，以有机肥配合施用化肥的效果最佳[8]。本试验结果认为，不同施肥条件下，早稻的产量大小顺序表现为有机肥配施化肥>秸秆还田配施化肥>化肥>无肥；其可能的原因是长期施肥条件下，施用有机肥可促进土壤有机质增加、培肥土壤，由于早稻季生育期相对较短，且外界气温较低，化肥的施用可为植株生长发育提供速效养分，保证植株的生长发育和生物学产量，有利于水稻个体与群体的协调，增加植株有效穗数和提高结实率，改善了产量的经济性状，为水稻高产奠定了基础[9-10]。各施肥处理晚稻产量大小顺序表现为秸秆还田配施化肥>有机肥配施化肥>化肥>无肥；秸秆还田配施化肥条件下晚稻产量最高，其原因为在该种施肥模式条件下改善了稻田土壤理化性质，同时也有利于增强土壤微生物活性和释放土壤中固定的营养元素[22]，为水稻的生长发育和生物学产量提供了物质来源[23]，协调水稻植株个体与群体间的关系，保证了单位面积有效穗数。有机无机肥配施均能获得较高的晚稻产量，其原因是在该种施肥条件下有利于增加土壤养分含量、培肥土壤，有机肥中的养分释放缓慢，配施化肥可为晚稻的生长发育和生物学产量提供均衡的养分，为水稻高产奠定了物质基础。而长期单独施用化肥通过调整土壤部分养分含量，对水稻植株生长、生物学产量及源库关系等方面均造成影响，最终影响水稻产量。

本研究开展了双季稻区不同施肥条件下稻田土壤养分、水稻产量及其之间的相关性的初步研究，而在不同施肥条件下双季稻植株的养分特性、土壤微生物特性的变化特征还有待开展。

[1] 徐明岗，李冬初，李菊梅，等.化肥有机肥配施对水稻养分吸收和产量的影响[J].中国农业科学，2008，41(10)：3133-3139.

[2] Reganold J P.Soil quality and profitability of biodynamic and conventional farming systems：A review[J].American Journal of Alternative Agriculture，1995，10(1)：36-45.

[3] Conacher J，Conacher A.Organic farming and the environment，with particular reference to Australia：A review[J].Biological Agriculture & Horticulture，1998，16(2)：145-171.

[4] 高菊生，黄 晶，董春华，等.长期有机无机肥配施对水稻产量及土壤有效养分影响[J].土壤学报，2014,51(2)：314-324.

[5] 徐 玲，张杨珠，周卫军，等.不同施肥结构下稻田产量及土壤有机质和氮素营养的变化[J].农业现代化研究，2006，27(2)：153-156.

[6] 邵兴华，张建忠，夏雪琴，等.长期施肥对水稻土酶活性及理化特性的影响[J].生态环境学报，2012，21(1)：74-77.

[7] 王绍明.不同施肥方式下紫色水稻土土壤肥力变化规律研究[J].农村生态环境，2000，16(3)：23-26.

[8] 董春华，曾闹华，高菊生，等.长期不同施肥模式下红壤性稻田水稻产量及有机碳含量变化特征[J].中国水稻科学，2014，28(2)：193-198.

[9] 唐海明，程爱武，徐一兰，等.长期有机无机肥配施对双季稻区水稻干物质积累及产量的影响[J].农业现代化研究，2015，36(6)：1091-1098.

[10] 徐一兰，唐海明，程爱武，等.双季稻区长期不同施肥模式对水稻干物质积累及产量的影响[J].安徽农业大学学报，2015，42(5)：674-680.

[11] 杨长明，杨林章，颜廷梅，等.不同肥料结构对水稻群体干物质生产及养分吸收分配的影响[J].土壤通报，2004，35(2)：199-202.

[12] 周卫军，王凯荣，张光远.有机无机结合施肥对红壤稻田土壤氮素供应和水稻生产的影响[J].生态学报，2003，23(5)：914-921.

[13] 鲍士旦.土壤农化分析[M].3版.北京： 中国农业出版社，2000：25-108.

[14] 胡 诚，宋家咏，李 晶，等.长期定位施肥土壤有效磷与速效钾的剖面分布及对作物产量的影响[J].生态环境学报，2012，21(4)：673-676.

[15] Xing G X，Zhu Z L.An assessment of N loss from agricultural fields to the environment in China[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems，2000，57(1)：67-73.

[16] Richter J，Roelcke M.The N-cycle as determined by intensive agriculture-examples from central Europe and China[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems，2000，57(1)：33-46.

[17] 赵晓齐，鲁如坤.有机肥对土壤磷素吸附的影响[J].土壤学报，1991，28(1)：7-13.

[18] 周晓芬，张彦才，李巧云.有机肥料对土壤钾素供应能力及其特点研究[J].中国生态农业学报，2003，11(2)：61-63.

[19] 罗 霄，李忠武，叶芳毅，等.基于PI指数模型的南方典型红壤丘陵区稻田土壤肥力评价[J].地理学报，2011，31(4)：495-499.

[20] 侯红乾，冀建华，刘光荣，等.南方红壤区稻-稻连作体系下氮肥减施模式研究[J].中国水稻科学，2012，26(5)：555-562.

[21] Fan T L，Wang S Y，Tang X M，et al.Grain yield and water use in a long-term fertilization trial in Northwest China[J].Agricultural Water Management，2005，76(1)：36-52.

[22] Tang H M，Xu Y L，Sun J M，et al.Soil enzyme activities and soil microbe population as influenced by long-term fertilizer management under an intensive cropping system[J].Journal of Pure & Applied Microbiology，2014，8(2)：15-23.

[23] 唐 旭，吴春艳，杨生茂，等.长期水稻-大麦轮作体系土壤供氮能力与作物需氮量研究[J].植物营养与肥料学报，2011，17(1)：79-87.