长期不同施肥处理对红壤稻田土壤性质及晚稻产量与品质的影响

崔新卫，张杨珠，高菊生，高 鹏，彭福元

(1.湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128；2.中国农业科学院,衡阳红壤实验站，湖南 祁阳 426182； 3.湖南省农业科学院 农业环境生态研究所，湖南 长沙 410125)

中国作为世界最大的水稻生产和消费国，开展水稻安全高效生产，对世界粮食安全至关重要[1-2]。肥料在水稻生产中起着至关重要的作用，我国稻田氮肥平均用量为180 kg/hm2，高出世界稻田氮肥平均用量75%[3-4]，而其吸收利用率仅有30%～35%[5]，农学利用率甚至不到发达国家一半[4,6]。大量的化肥通过挥发、径流、渗漏等途径流失，导致大气氮沉降量持续升高[7]、地下水硝酸盐累积、地表水富营养化及温室气体排放增加等一系列生态环境问题[8]。另一方面，随着人民生活水平的提高，对优质稻米的消费需求进一步增强，优质高产同步提升已成为我国水稻生产的重要发展方向[9-10]。因此，如何合理高效施肥以改善土壤肥力水平、提高水稻产量与品质，是人们长期以来关注的焦点。已有大量研究[11-14]表明，有机无机肥合理配施不仅有利于水稻高产稳产，而且能改善稻田土壤养分供应，对于维持稻田可持续生产具有积极效应，但其大多集中于连续1～5季的中短期结果，缺少了长期定位施肥的累积效应研究。而结合长期定位试验的研究结果[15-17]，也主要集中于关注产量或土壤养分动态变化。此外，有关稻米品质的相关报道也主要集中在依托短期试验比较不同品种或不同肥料用量之间的差异变化[10,18]，而依托长期定位试验比较不同肥料组合之间的水稻产量构成、稻米品质、土壤性质及其内在关系鲜见研究。依托始于1982年的中国农业科学院红壤实验站的有机肥和化肥不同组合施用长期定位试验，本试验研究了连续35 a长期不同施肥处理对红壤稻田晚稻土壤理化性质及水稻产量构成与稻米品质的影响，旨在为南方红壤稻田优质高产协同提升目标下的土壤高效培肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验点概况

试验点设在湖南省衡阳市祁阳县官山坪，中国农业科学院衡阳红壤试验站内(E111°52′32″，N26°45′42″)。该区域海拔约120 m，年平均温度18.0 ℃，最高温度36.6～40.0 ℃，≥10.0 ℃的年积温5 600 ℃，年降水量1 250 mm，年蒸发量1 470 mm，无霜期约300 d，年日照时数1 610～1 620 h，太阳辐射量4 550 MJ/m2，温、光、热资源丰富。试验始于1982年进行的有机肥与无机肥配施长期定位试验，供试土壤为第四纪红土母质发育的红壤性稻田，试验开始时土壤耕层基本理化性质为：pH值5.97，有机质19.8 g/kg，全氮1.5 g/kg，碱解氮158.0 mg/kg，全磷0.48 g/kg，有效磷9.6 mg/kg，全钾14.2 g/kg，速效钾65.9 mg/kg，属中低肥力水平。

1.2 试验材料

长期定位试验用水稻品种为当地常用品种，3～5 a更换1次，2016年试验季栽培的晚稻品种为T优207。种植模式为“早稻-晚稻-冬闲”。

1.3 试验设计

试验设7个处理，即：①有机肥(M)；②化学氮、磷、钾肥+有机肥(NPKM)；③化学氮、磷、钾肥(NPK)；④化学氮、钾肥+有机肥(NKM)；⑤化学氮、磷肥+有机肥(NPM)；⑥化学磷、钾肥+有机肥(PKM)；⑦不施肥(NF)。每处理重复3次，小区面积1.8 m ×15 m=27 m2，插秧密度为20 cm×25 cm，即每公顷20万蔸。各小区随机排列，之间用水泥埂分隔。试验开始后各处理每年的早稻季和晚稻季肥料用量均相同，具体见表1。有机肥为腐熟牛粪(养分含量为多年测定平均值，含N 3.2 g/kg，P2O52.5 g/kg，K2O 1.5 g/kg)，化肥为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含 P2O512%)、氯化钾(含K2O 60%)，所有肥料均作底肥一次性施入。其他管理措施与当地稻田一致。2016年6月23日播种，7月20日移栽，10月24日收获。

1.4 测定项目及方法

于晚稻收获前1 d分小区采集土壤和植株样品，各小区随机选取5蔸稻株连根挖出，仔细刮取根区土壤并混合均匀后，剔除石块、根系、动植物残体等杂质，置于干燥阴凉处风干粉碎过筛，用于测定土壤酶活力及理化指标。各小区随机选取5蔸稻株贴地收割后小心无损装入备好的网袋用于风干后考种，而后分小区单打单收测产并取样进行稻米品质分析。

土壤样品基本理化性质测定，采用《土壤农化分析》方法进行[19]。pH采用1∶1水浸-电位法测定；有机碳采用H2SO4-K2Cr2O7外加热法测定；全氮采用半微量凯氏定氮法测定；全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；全钾采用NaOH熔融-火焰光度法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用NaHCO3法测定；速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定；土壤阳离子交换量采用中性乙酸铵交换法测定；交换性钾、钠采用NH4OAc交换-火焰光度法测定；交换性钙、镁采用NH4OAc交换-原子吸收分光光度法测定。溶解性有机碳采用0.5 mol/L K2SO4浸提，TOC法测定。土壤酶活采用《土壤酶及其研究法》测定[20]，脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定；酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定；蔗糖酶与纤维素酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定。稻米品质委托农业部稻米及制品质量监督检验测试中心检测。稻米中蛋白质含量采用凯氏定氮法测定，其他米质指标参照《GB/T 17891-1999 优质稻谷》方法测定[21]。

表1 各处理单季水稻肥料施用量Tab.1 Fertilizer application rates of different treatments for single rice season kg/hm2

1.5 数据整理分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理与作图，采用SPSS 22.0进行统计分析，采用最小显著差异法(Least-Significant Difference，LSD)进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 长期定位不同施肥处理的晚稻产量构成变化

长期不同施肥处理显著影响稻谷产量及其构成因子(表2)。以NPKM处理稻谷实收产量最高，达到7.72 t/hm2，NPM、NKM次之，三者两两之间差异显著，且三者均显著高于其他各处理；而M、PKM、NPK三者产量居中，介于5.60～5.95 t/hm2，无显著性差异；以NF处理产量最低，仅为4.00 t/hm2，显著低于各处理。进一步比较产量构成因子发现，不同施肥处理对结实率和千粒质量无显著影响，但显著影响有效穗数和穗粒数。其中，有效穗数以NPKM最高，显著高于除NPM外的其他各处理，而与NPM无显著差异，M、PKM、NF处理有效穗数相对较低，三者之间无显著性差异，但三者均显著低于NPKM和NPM，而与NPK和NKM两处理无显著性差异；穗粒数以NPKM处理最高，显著高于M、NF两处理，但与NPK、NKM、NPM、PKM处理无显著性差异，而以NF处理最低，显著低于其他各处理，但与M处理无显著差异。可见，长期有机无机肥合理配施(NPKM)，主要通过提高有效穗数和穗粒数，从而实现高产。

表2 长期不同施肥各处理的晚稻产量及其构成比较Tab.2 Comparisons of grain yields and it′s components under long-term different fertilization in reddish paddy soil

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异达5%显著性水平。表3-5同。

Note:Different small letters in the same column indicated significant differences among treatments (P<0.05). The same as Tab.3-5.

2.2 长期定位不同施肥处理的土壤化学性质变化

由表3可以看出，长期不同施肥处理对土壤全钾含量无显著影响，但长期单施化肥处理(NPK)导致土壤pH显著下降，而长期施用有机肥(单施或与化肥配施)可不同程度提高土壤pH，缓解酸化。总有机碳和溶解性有机碳含量各处理之间变化趋势相似，均以NPKM处理最高，M次之，而NPK、NF两处理相对较低，显著低于其他各处理。此外，与NF处理相比，长期施肥各处理均可不同程度提高全氮、碱解氮、全磷、有效磷和速效钾含量，其中，全氮、碱解氮、有效磷含量显著提升，而全磷含量除M、NKM外其他各施肥处理显著提升，速效钾含量除NPK外其他各施肥处理显著提升。且各施肥处理中，该5项指标均以NPKM处理含量相对最高。以上表明，长期有机肥与化肥平衡配施对于协同提升土壤养分与有机碳含量效果最优。

表3 长期不同施肥各处理土壤养分含量比较Tab.3 Comparisons of nutrient properties under long-term different fertilization in reddish paddy soil

2.3 长期定位不同施肥处理的土壤酶活力变化

长期施肥可不同程度提高土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活力水平(图1)。其中，蔗糖酶活性以NPKM处理最高，其显著高于NPK处理而与其他施肥处理无显著差异，酸性磷酸酶以NPM处理最高，NPKM次之，二者无显著差异，但前者显著高于其他各施肥处理，而以NKM处理最低，其显著低于其他各施肥处理。此外，长期施肥可不同程度提高脲酶和纤维素酶活性。其中，以NPKM、M两处理脲酶活性最高，二者显著高于除NKM外的其他各施肥处理，而NPK处理脲酶活性最低，其与NF处理无显著性差异；纤维素酶活以M处理最高，NPKM处理次之，二者显著高于其他各施肥处理，而以NPK、NPM两处理相对较低，其相比于NF处理，虽有不同程度提升，但未达到显著性差异。总体表明，长期施入有机肥或有机肥与氮磷钾平衡配施，可显著提升4种关键酶活。

条柱上方不同小写字母表示处理间差异达5%显著性水平。 Different small letters above columns indicated significant differences among treatments (P<0.05).

2.4 长期定位不同施肥处理的土壤阳离子交换能力变化

长期定位不同施肥处理土壤的交换性阳离子含量、阳离子交换量及盐基饱和度见表4。可以看出，4种阳离子中以交换性钙离子占比最高，为67.26%～70.18%；交换性镁离子次之，为18.01%～20.49%；交换性钾钠离子含量相近，为5.29%～7.02%。其中，交换性钾钠离子含量均以NPKM处理最高，而交换性钙离子含量以NPM处理处理最高，导致交换性阳离子总量以NPKM、NPM两处理最高，二者均显著高于NPK、NKM、NF处理而与M、PKM两处理无显著性差异，而NF处理交换性阳离子总量最低，显著低于各施肥处理。此外，比较阳离子交换量发现，相比于NF处理，各施肥处理均可不同程度显著提高土壤阳离子交换量，以PKM处理效果最优，NPKM处理次之，而NPK处理相对较差，但与NF相比，仍有显著提升。盐基饱和度以NF处理最高，NPK处理次之，二者无显著差异，但二者显著高于其他各处理，而其他各处理间均无显著性差异。

表4 长期不同施肥各处理土壤阳离子交换能力比较Tab.4 Comparisons of cation exchange capacities under long-term different fertilization in reddish paddy soil

2.5 长期定位不同施肥处理对稻米品质的影响

长期不同施肥处理对稻米品质的影响不同(表5)。比较加工品质发现，施肥与否及肥料类型对糙米率无显著影响，但长期施肥可不同程度提高精米率和整精米率，其中，除PKM处理外，其他各施肥处理精米率均显著提升，除M处理外，其他各施肥处理整精米率均显著提升，以NPKM处理精米率和整精米率最高。外观品质中以NF处理垩白粒率和垩白度均最高，而各长期不同施肥处理两项指标均有不同程度降低，其中，以NPKM处理垩白粒率和垩白度降幅最大，分别为2.25百分点，0.35，与NF相比差异显著。食味品质中，胶稠度以NKM处理最高，NPKM处理次之，二者均显著高于NF处理而与其他各处理无显著性差异，直链淀粉含量以NPKM、NKM两处理最高，均为13.55%，二者显著高于NPK、NF两处理而与其他处理无显著差异。蛋白质含量以NPKM处理最高而NF处理最低，二者间差异显著，但二者与其他各处理均无显著性差异，其他5个处理之间也无显著性差异。总体表明，施肥可不同程度提高稻米加工品质、外观品质、食味品质和营养品质，以NPKM处理各项品质指标相对最优。

表5 长期不同施肥各处理稻米品质变化Tab.5 Rice quality characters under long-term different fertilization regimes

3 讨论与结论

施肥提高作物产量[5,22-23]，本研究以化肥氮磷钾配施有机肥处理产量最高(7.72 t/hm2)，较长期不施肥处理(4.0 t/hm2)增产高达93%。分析其原因有二：首先，该处理化肥与有机肥混施，氮磷钾养分投入翻倍，导致产量大幅增加[24]；其次，NF处理长期不施肥种植导致土壤养分持续亏缺，影响产量形成，导致二者产量相差甚远[25]。此外，比较氮磷钾不同组合与有机肥配施4个处理发现，长期缺施氮肥导致水稻减产最大，缺施磷肥次之，而缺施钾肥对水稻产量影响相对较小，表明三者对水稻产量形成的影响为氮>磷>钾，与前人研究结果一致[26-27]。比较产量构成发现，有机无机肥配施主要是通过提升有效穗数和穗粒数来实现高产，进一步佐证了前人的研究结论[18,28]。

施肥是维持稻田可持续生产力的关键技术措施之一，有机肥与化肥合理配施更有利于培肥土壤，为发挥产量潜力夯实基础[29-31]。本研究发现，化肥氮磷钾配施有机肥处理可更好地协同提升土壤养分及有机碳含量，可能是因为有机肥投入促进了土壤团聚体的形成，进而提高了土壤保肥能力所致，其与董春华[25]研究结果相似。然而，施肥与否及肥料组合对土壤全钾含量无显著影响，表明其受土壤母质的影响较大，而受施肥影响相对较小[32]。此外发现，长期施用化学氮磷钾肥导致土壤pH下降而施有机肥(单施或与化肥配施)可不同程度提高土壤pH，与Chen等[33-34]研究结果一致。

土壤酶活性决定了土壤生化反应过程的强度，可一定程度上能反映土壤肥力状况，周礼恺[35]建议将脲酶、蔗糖酶、磷酸酶等酶活性作为土壤肥力评价指标。李文革等[36]认为，蔗糖酶含量增加可促进土壤中有机质转化，进而改善土壤肥力水平。本研究发现，长期施肥可不同程度提高红壤稻田蔗糖酶、酸性磷酸酶、脲酶、纤维素酶活性，而且单施有机肥或有机肥与化肥平衡配施处理4种酶活性明显高于单施化肥处理[25]，而后者的脲酶与纤维素酶活性较其他施肥处理低，可能是长期缺少外源有机物所致[37]。

王桂良等[38]认为，沼液与化肥不同比例配施对出糙率、精米率和整精米率均无显著影响，而本研究发现，施肥可不同程度提高精米率和整精米率，且以氮磷钾、氮磷、氮钾配施有机肥(NPKM、NPM、NKM)相对较优，可能是这3个处理足量施氮所致，张自常等[10]认为，合理的范围内增施氮肥可提高整精米率。此外发现，与长期低氮处理(M、NPK、PKM)相比，高氮处理(NPKM、NKM、NPM)对外观、食味和营养品质的改善效果更为明显，其归因于施氮增加了直链淀粉、蛋白质含量和降低了垩白率、垩白度，并使胶稠度变长[18]。进一步比较发现，化肥氮钾配施有机肥较氮磷配施有机肥处理，其外观和食味品质相对更优，表明钾肥对米质改善效果优于磷肥[39]。

长期化肥氮磷钾配施有机肥可有效提升土壤有机碳及氮磷钾含量，增加阳离子交换量，改善蔗糖酶、酸性磷酸酶、脲酶、纤维素酶活力水平，进而提升有效穗数和穗粒数，确保产量形成；同时可提高精米率、整精米率、直链淀粉和蛋白质含量，降低垩白粒率和垩白度，使胶稠度变长。因此，有机肥与化肥平衡配施可协同提升籽粒产量和稻米品质。