不同水旱轮作方式下氮肥减量对水稻产量及土壤养分的影响

龚明强　易峰　李进前　杨立年　周定邦　王爽　杨景　钱双

摘要 为研究不同水旱轮作方式对水稻产量及周年效益的影响，摸索土壤养分变化规律，减少水稻季氮肥投入量，改善土壤理化性状，在光明米业有限公司崇明种植基地进行了小麦-水稻、油菜-水稻、绿肥（蚕豆）-水稻、休耕-水稻4种不同水旱轮作。结果表明，绿肥-水稻轮作下236.25 kg/hm2施氮处理水稻产量最高，为9 923.22 kg/hm2。从周年经济效益来看，油菜-绿肥轮作方式下262.5 kg/hm2施氮处理下周年经济效益最高，为15 496.89元/hm2。轮作后，土壤有机质周年含量以绿肥-水稻升高最为明显，上升3.3 g/kg。

关键词 水稻;轮作;施氮;土壤养分变化;产量

中图分类号 S344.1+7文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）13-0152-05

Abstract In order to choose the best water and drought rotation system that could increase rice yield， reduce nitrogen application amount and improve soil physical and chemical properties，study on different rotation methods was carried out in the base of Bright Rice Limited Company in Chongming， such as ricewheat rotation， ricerape rotation， ricegreen manure （broad bean） rotation， ricefallow rotation.The results showed that the ricegreen manure rotation treatment obtained 9 923.22 kg/hm2 rice yield with 236.25 kg/hm2 nitrogen input， which was the highest among the four different rotations，from the wholeyear economy benefit， the ricerape rotation with 262.5 kg/hm2 nitrogen input performed better than others， as it gained 15 496.89 yuan/hm2.   About the wholeyear soil fertility change，ricegreen manure rotation showed better， which increased by 3.3 g/kg.

Key words Rice;Rotation;Nitrogen application;Soil nutrient change;Yield

轮作是在同一块土地上科学地轮流种植不同的作物，以达到土壤养分充分利用的一种种植方式。我国早在西汉时就实行休闲轮作。水旱轮作是指在同一田地上有顺序地轮换种植水稻和旱作物的种植方式[1]。轮作较连作的优势，一是不同作物对养分需求的不同，科学合理地吸收土壤中的养分，以防止土壤中某单一元素的滥吸收，造成土壤肥力下降;二是改善土壤环境，调节土壤肥力;减少病虫害的发生，不同作物病虫害也不同，在连作情况下，病虫害发生频率和强度加大，对作物危害更加严重。

笔者于2017年冬季展开小麦-水稻、油菜-水稻、绿肥（蚕豆）-水稻、休耕-水稻4种轮作方式，在不同氮肥用量下对水稻产量及土壤理化性状进行研究，建立较为完善的不同前茬轮作方式对后茬水稻影响的肥料运筹措施。

1 材料与方法

1.1 试验地概况 试验于2017年10月—2018年10月在崇明区跃进农场（121.21E，31.81N）进行，试验田为砂壤土，旱作物种植前测定土壤养分，土壤有机质含量29.5 g/kg，速

效氮含量56.11 mg/kg，速效磷含量24.25 mg/kg，速效钾含量110 mg/kg，pH 8.17。

1.2 试验材料 以水稻品种迟熟中粳南粳9108作为供试材料。

1.3 试验设计 采用双因素设计，其中A为轮作体系，上年水稻收割后，在试验田块分别进行小麦、油菜、蚕豆（绿肥）、休耕处理，次年5月中旬小麦、油菜收获后秸秆全量还田，蚕豆作为绿肥在5月初翻耕沤肥处理。休耕田冬季翻耕，4月底耙田，使冬季杂草翻埋，起到一定的沤肥作用。5月26日种植水稻，试验设小麦-水稻（A1）、油菜-水稻（A2）、绿肥-水稻（A3）、休耕-水稻（A4）4个轮作处理。B为肥料使用，氮常规处理纯氮3 937.50 kg/hm2（B1）、纯氮3 543.75 kg/hm2（B2）、纯氮3 150.00 kg/hm2（B3）、不施肥（B4）4个处理，B1处理与减量施肥B2、B3處理中磷、钾用量保持一致（表1）。各处理间3次重复，各小区间设田埂，独立进排水。磷钾肥料使用复合肥绿先机（氮磷钾含量12-10-14），尿素氮含量46.2%。采用精量机穴播播种，播种量与每穴行间距保持一致。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤养分含量。冬作物种植前、水稻播种前、分蘖期、拔节期、孕穗期、成熟期在各个小区取土样，测定土壤中速效氮、速效钾、速效磷、有机质、pH等。

1.4.2 水稻茎蘖动态。水稻4叶期开始，每隔7 d调查一次苗情，包括叶龄、株高、苗数。

1.4.3 干物质积累量与不同时期植株体内养分含量。分别在分蘖高峰期、拔节期、孕穗期、齐穗期、成熟期按每小区平均分蘖数，取5穴具有代表性的植株，去其根部，穗和植株分开放置，放入烤箱105 ℃杀青，然后70 ℃烘烤至恒重，测定各器官干物重、植株体内N、P、K等养分含量。

1.4.4 产量与产量构成因素。成熟期各处理分3点取样，每个取样点取有代表性的植株100穴，取平均穗数的植株10穴，测定水稻产量构成因素。收割前每重复取12 m2左右植株稻穗，重复3次，测定各处理实际产量。

2 结果与分析

2.1 不同处理茎蘖动态 由表2可知，A1B4无肥处理高峰苗最低，而在同等不施肥条件下，品种和基本苗等一致的情况下，A3B1处理有效穗数为385.95万/hm2，比A1B1、A2B1、A4B1高45.90万/hm2、25.95万/hm2、0.90万/hm2。高峰苗发生时期A2和A3处理比A1、A4处理早7 d，说明A2和A3处理能够促进分蘖早发，提高成穗概率。凌启鸿等[2]研究表明，成穗率是衡量水稻群体质量的重要指标，从水稻成穗率来看，除A4B3略有偏差，各轮作处理间不同氮肥处理成穗率随氮肥施用量增加而降低。

2.2 不同处理各期干物质重积累变化

由表3可知，不施肥处理下，单株干物质重和群体质量均最低，证明施肥对水稻干物质积累有重要影响。分蘖期和拔节期，A1、A2、A4轮作处理，B1施肥处理总干物重和单株质量最高，A3轮作下，以B2施肥处理最高。A3B2比A3B1成熟期单株质量增加了9.69%，可见在A3轮作处理下增加氮肥用量并不一定能有效提高单株质量，可能是由于苗数过多，无效分蘖增加，群体瘦弱。从成熟期总干物重来看，A3B2处理最高达18 618.15 kg/hm2，相比A1B1、A2B1、A4B1轮作最高处理分别增加了3 753.75、2 854.56、1 360.63 kg/hm2，结合表4理论产量分析来看，水稻产量随着成熟期干物重升高而升高。

2.3 不同处理水稻产量及其构成因素 由表4可知，A3B1处理的有效穗比A1B1、A2B1、A4B1高45.90万/hm2、25.95万/hm2、0.90万/hm2。从千粒重来看，各处理随着氮肥施用量增加，千粒重呈下降趋势。从结实率来看，差异性不大，可能是供试品种本身结实率较高的原因。从A1B4、A2B4、A3B4、A4B4几个不施肥处理可以看出，A3B4产量最高，可知水稻-蚕豆轮作下土壤养分较为充足，水稻产量59.06%来自土壤生产力。A1、A2、A4几个处理以B1施肥处理产量最高，水稻产量随氮肥使用量增加而升高，说明这几种处理氮肥施用低于262.5 kg/hm2会影响水稻产量，产量上限不在该研究的范围之内。A3轮作处理下以B2施肥处理产量最高，与B1施肥处理间差异不大，与B3施肥处理之间差异较大，说明A3处理氮肥用量在236.25～262.50 kg/hm2。A3B2处理较A1、A2、A4轮作处理最高产量分别增了1 311.27、433.44、558.45 kg/hm2，而氮肥使用量下降了10百分点，说明A3轮作处理可减少氮肥用量的同时得到较高的产量。

2.4 不同时期植株体内养分动态变化

由图1可知，植株体内全氮含量在分蘖盛期最高，随着生育进程不断降低，分蘖盛期至拔节期下降最快，水稻抽穗至成熟期植株体内全氮含量下降趋于平缓，至成熟期有所回升，植株体内此时的氮含量逐渐转移至籽粒中。从分蘖期植株体内全氮含量来看，A1轮作下，水稻分蘖肥要适当加大氮肥的供应，从而保障植株的正常生长。

由图2可知，植株体内的全钾含量在分蘖至抽穗期下降较为明显，至齐穗期后趋于平缓。由于植株体内钾含量在孕穗拔节前是抽穗成熟期的4～6倍，因此，钾肥施用要重点在拔节前使用，以基肥和拔节肥为主，以充分供应水稻对钾的吸收利用，从而达到高产栽培的要求。

由图3可知，植株体内全磷含量由分蘖盛期到抽穗下降明显，到灌浆前有所上升，接近成熟后缓慢下降。从不同轮作处理来看，A1轮作体系下分蘖期全磷含量明显低于其他几个轮作方式，不同轮作方式施磷量一致的情况下，植株对磷的吸收主要来自土壤，这也间接说明A1轮作方式下在小麦种植过程中土壤中速效磷消耗大于其他轮作方式。

2.5 各轮作体系下土壤有机质含量变化

由图4可知，各轮作方式后土壤有机质含量总体呈增长趋势，秸秆还田后在水稻播种后30  d内有机质含量有一个较快的增长过程，但绿肥还田方式下，有机质增长速度明显超过油菜、小麦、休耕茬，证明绿肥还田后土壤有机质积累量大于油菜、小麦、休耕杂草秸秆还田。分蘖至分蘖高峰期，有机质含量有一个明显

的下降过程，绿肥-水稻、休耕-水稻轮作处理下降高于其他

2个轮作处理，这可能是由于豆科作物分解速度较快、杂草还田量小，此过程中必然消耗大量的速效氮来分解杂草和绿肥茬，由于种植的绿肥是豆科作物蚕豆，其固氮能力较强，田间速效氮含量相比其他轮作处理要高，所以其他作物此时对氮肥的需求较大。水稻抽穗后土壤有机质含量均呈上升趋势，到成熟期后下降到稳定位置。从灌浆到成熟期土壤有机质含量来看，绿肥轮作方式下，有机质下降较为平缓，油菜轮作次之，这一时期土壤有机质含量主要含量受水稻植株根系影响较大，由此可知，绿肥还田对后茬水稻根系生长有较大的促进作用。

2.6 效益分析

由表5可知，周年經济效益以A2B1最高，达15 496.89元//hm2，单季水稻收入以A3B2最高，达12 572.03元/hm2。所以单从效益而言，油菜-水稻轮作效益最大，但从养地用地原则考虑，绿肥-水稻轮作能够有效改良土壤理化性状，增加有机质含量。

3 结论与讨论

水旱轮作为常用的轮作制度，已经使用多年，合理的水旱轮作能够改善土壤环境，增加土壤养分，为作物生长带来有利的因素[3]。Chen等[4]研究结果表明，提高综合的土壤-作物管理技术可在获得作物高产的同时降低肥料使用量减少环境污染。该研究结果表明，氮肥增施会显著增加水稻分蘖数，但绿肥-水稻轮作方式下，分蘖期氮肥增加会导致无效分蘖增多，成穗率和千粒重下降，从而对产量有抑制作用。 水稻分蘖是水稻基本的发育特性，是形成健康高产水稻模式的前提。生产上一般以早促分蘖来提高水稻产量，分蘖迟会影响穗型结构和降低成穗概率，分蘖过多又会增加无效分蘖的产生，增加倒伏的风险[5]。水稻分蘖受氮素影响较大，一般情况下在分蘖期分蘖和氮肥使用量呈正相关，所以在分蘖期合理使用氮肥，保证水稻适宜的穗数，减少无效分蘖，是高产的重要手段[6]。该研究表明绿肥-水稻轮作方式下可适当减少分蘖期氮肥用量，控制合理的分蘖数，保证有效穗的前提下提高成穗率。

苏祖芳等[7]研究表明，在保证获得适宜的穗数前提下，提高群体的茎蘖成穗率，是衡量水稻群体质量的综合指标。凌启鸿等[8]研究表明在合适穗数下，成穗率与抽穗至成熟期水稻干物质积累量呈正相关。产量的形成是一个物质积累和分配的过程，不同的养分管理条件下水稻群体干物质生产能力和分配方式不同，直接影响经济产量的形成。通过对水稻干物质形成过程的了解，可以掌握水稻不同时期对养分的需求，从而调节生产[9]。通过对水稻不同时期体内氮、磷、钾含量的变化，可以总结出不同生育期下，对水稻施肥用量的控制，达到调节养分平衡、保证水稻在适宜条件生长发育的目的。研究表明植株体内氮、磷、钾含量在分蘖期含量最高，灌浆期到成熟期，植株磷和钾含量均呈下降趋势，但氮含量在成熟期有一个上升过程，证明此时植株对氮肥有一定的吸收量。A1轮作方式下在小麦种植过程中土壤中速效磷消耗明显大于其他轮作方式，所以在冬季作物种植过程中要增加磷的补充，防治水稻季土壤磷肥缺失。

该研究结果表明绿肥-水稻轮作下236.25 kg/hm2氮肥处理下水稻产量最大，59.06%产量贡献来自土壤。A3B2处理较其他轮作处理最高产量比较分别增1 311.27、433.44、558.45 kg/hm2，氮肥使用量下降了10百分点，说明稻-绿肥处理可减少氮肥的使用量并能保证水稻产量。

黄国勤等[10]研究认为，稻田轮作生态效应显著，可改善土壤理化性状，土壤通透性大大增强，有效阻止土壤次生潜育化和土壤酸化，从土壤有机质周年含量变化来看，A3轮作方式下土壤有机质周年增长最高为3.3 g/kg。

按周年效益比较，油菜-水稻、小麦-水稻轮作方式效益较高，从土壤有机质变化来看，绿肥-水稻轮作方式土壤理化性状得到改善。

参考文献

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[2] 凌启鸿，苏祖芳，张海泉.水稻成穗率与群体质量的关系及其影响因素的研究[J].作物学报，1995，21（4）：463-469.

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[9] 楊长明，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.

[10] 黄国勤，熊云明，钱海燕，等.稻田轮作系统的生态学分析[J].土壤学报，2006，43（1）：69-78.