油-稻轮作下前茬氮肥投入与稻季氮肥运筹对稻田土壤养分、碳库及作物产量的影响

马 鹏， 张宇杰， 林 郸， 吕 旭， 伍杂日曲， 舒川海， 杨志远， 孙永健， 马 均

(四川农业大学水稻研究所/作物生理生态及栽培四川省重点实验室，四川 温江 611130)

作物轮作产生的秸秆是农田土壤有机碳重要的来源[1-2]。秸秆还田可以提高土壤微生物活性和土壤质量，减少因焚烧带来的环境压力，又可以循环补充土壤养分，减少化肥的投入量[3-4]。农业生产中的肥料直接或者间接影响土壤有机碳的矿化和积累[5-7]。研究结果表明土壤碳库管理指数大小表征土壤肥力的高低[8]。刘合明等[9]研究发现用碳库管理指数表征土壤养分和土壤碳素变化状况比土壤有机碳更加有用。农田土壤养分能充分反映农田土壤内部状况，保证农作物的丰产丰收。土壤有机碳是作物生长的养分和土壤微生物生命活动所需营养的重要来源。因此，土壤养分和有机碳可以用于反映秸秆还田和施肥措施的合理性。关于秸秆还田和化肥配施对土壤质量影响的研究比较多[10]，但是多数研究结果反映的是长期定位施肥体系下的累积效应，且大多研究局限于单季稻或者前茬氮肥对土壤有机碳的调控，而揭示短期施肥对土壤有机碳的影响，以及轮作模式下减量施氮与肥料运筹方式对稻田土壤养分、碳库及作物周年生产力的影响研究仍较少。油-稻轮作是四川盆地主要的轮作模式，季节间的干湿交替变化影响着系统氮素的循环，前茬油菜收获后残留在土壤中的氮素对稻田土壤养分、碳库等产生的影响不明。因此，本研究通过田间定位试验，研究在秸秆全量还田条件下，前作减氮和稻季氮肥运筹对稻田土壤养分、碳库及作物周年生产力的影响，以期为油-稻轮作模式减少氮肥投入、优化农业资源利用提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与土壤状况

试验于 2017年10月开始定位，于2019年9月结束定位，在四川省成都市温江区四川农业大学水稻研究所试验基田进行。油菜品种为绵油15号，水稻品种为F优498。供试土壤类型为砂壤土，2017年0～20 cm 土层有机质含量为 24.21 g/kg，全氮 1.52 g/kg，碱解氮114.93 mg/kg，速效磷23.89 mg/kg，速效钾 52.61 mg/kg，pH为6.19。 2年的主要气象数据如图1所示。

1.2 试验设计与实施

试验采用两因素裂区设计，主区为油菜季常规施氮(180 kg/hm2)和减量施氮(150 kg/hm2)2种氮肥投入量，分别用Nc和Nr表示；副区为稻季氮肥运筹方式，即在水稻季施氮量150 kg/hm2基础上设置3个运筹方式：基肥∶分蘖肥∶穗肥=2∶2∶6(M1)、基肥∶分蘖肥∶穗肥=3∶3∶4(M2)和基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶4∶2(M3)。以不施氮处理(M0)为对照，共8个处理，3次重复。小区面积12.9 m2，小区间筑埂(30 cm)并用塑料薄膜包裹，以防串水串肥。

油菜分别于2017年9月13日育苗，10月12日移栽，2018年5月1日收获， 2018年 9月14日育苗，10月13日移栽，2019年5月3日收获，移栽规格50 cm×35 cm。油菜秸秆切成10 cm左右全量还田，秸秆分小区撒施于田间，人工翻耕。油菜季N、P2O5、K2O配比2∶1∶2，氮肥按基肥∶追肥=5∶5配施， 磷、钾肥全作底肥。

水稻采用地膜育秧，2018年4月17日播种，5月23日人工移栽，9月2日收获；2019年4月17日播种，5月24日人工移栽，9月4日收获。移栽规格33.3 cm×16.7 cm，每穴单株。水稻季N、P2O5、K2O配比为2∶1∶2，磷肥(P2O5) 75 kg/hm2、钾肥(K2O) 150 kg/hm2全部作基肥施用，基肥在移栽前1 d施入，蘖肥于移栽后7 d施用，穗肥分促花肥和保花肥(5∶5) 2次于倒4叶和倒2叶期施用。水稻收获后秸杆切碎全量还田到对应小区，其他田间管理同当地高产栽培。各处理秸秆全量还田量如表1所示。

图1 试验阶段气象数据Fig.1 Meteorological data during the test phase

表1 不同氮肥处理油菜和水稻收获后秸秆还田量

1.3 测定项目及方法

1.3.1 样品采集 分别于2018年9月和2019年9月水稻收获前1 d用土钻在试验地各小区采用五点取样法收集0～20 cm土壤样品，拣除杂草等杂物，混合后带回实验室测定土壤养分和土壤碳库含量。

1.3.2 测定方法 土壤pH按照水土比2.5∶1.0(质量比)电位法测定，有机质含量采用K2Cr2O7-H2SO4稀释热法测定，全氮采用FOSS-8400凯氏定氮仪测定，速效磷采用钼锑抗比色法测定，速效钾采用火焰光度法测定，铵态氮采用靛酚蓝比色法测定，硝态氮采用紫外分光光度法测定，土壤总有机碳和可溶性有机碳采用重铬酸钾外加热氧化法测定, 土壤易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化比色法测定[11],土壤微生物碳采用氯仿熏蒸法测定[12]。碳库指数=农田土壤有机碳含量/对照农田土壤有机碳含量。油菜和水稻成熟后，各小区单独收割脱粒，油菜籽和稻谷晒干后分别按标准含水量10.1%和13.5%折算实收产量。周年粮食产量=油菜实际产量+水稻实际产量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016统计数据，采用DPS 9.50数据处理软件进行数据统计分析，用最小显著差数法(LSD)分析不同处理间平均数在P<0.05的差异显著性，采用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 油-稻轮作下前季减量施氮与稻季氮肥运筹对稻田土壤养分含量的影响

油-稻轮作下，前作减量施氮与稻季氮肥运筹对稻田土壤养分含量的影响如表2所示，从整体上看，2年试验结果基本一致，稻田土壤养分含量年度间表现为2019年略高于2018年。与常规施氮(Nc)相比，油菜季减量施氮(Nr)提高了稻田土壤有机质、速效磷和全氮的含量，2年平均增幅分别为18.57%、6.43%和0.83%，全氮增加不明显；降低了速效钾、铵态氮和硝态氮含量，2年平均降幅分别为5.22%、4.65%和5.82%。油菜季Nc处理和Nr处理下，稻季M1、M2、M3相对于M0显著增加了稻田土壤的养分含量，其中以M3增幅最大。在Nc处理下，稻季M3处理相对于M0、M1、M2处理，稻田有机质含量2年平均分别增加25.82%、19.48%和25.77%，全氮分别增加了8.34%、4.21%和9.58%，速效磷分别增加了70.92%、17.98%和20.46%，速效钾分别增加了42.46%、1.87%和3.51%，硝态氮分别增加了65.58%、9.80%和44.47%。在Nr处理下，稻季M3处理相对于M0、M1、M2处理，稻田有机质含量2年平均增幅分别为43.25%、20.37%和2.96%，全氮增幅分别为15.87%、10.21%和22.41%，速效磷增幅分别为69.79%、8.80%和11.59%，速效钾增幅分别为48.51%、6.13%和14.88%，硝态氮增幅分别为54.25%、31.83%和19.71%。油菜季Nr相对于Nc，稻季M3运筹下的稻田有机质、全氮、速效磷含量2年平均分别增加了16.07%、1.07%和2.29%。由此可见，油菜季减施氮肥(Nr)配合稻季 M3 (基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶4∶2) 运筹模式更有利于提高稻田土壤养分含量。

表2 不同施氮处理对稻田土壤养分的影响

2.2 油-稻轮作下前季减量施氮与稻季氮肥运筹对稻田土壤碳库的影响

由表3可知，油-稻轮作下，前作减量施氮与稻季氮肥运筹对稻田土壤碳库的影响各异。从整体上看，2年度试验结果基本一致，稻田土壤碳库和碳库指数年度间表现为2019年略高于2018年。与油菜季Nc处理比较，Nr处理降低了稻田土壤总有机碳、可溶性有机碳和易氧化性碳的含量，2年平均降幅分别为3.95%、1.91%和3.36%，但差异不显著；增加了微生物碳含量，2年平均增加了30.46%。在Nc和Nr处理下，稻季M1、M2、M3处理相对于M0处理显著增加了稻田土壤的总有机碳、可溶性有机碳、微生物碳、易氧化性碳和碳库指数，其中以M3运筹处理增幅最大。在Nc处理下，稻季M3处理相对于M0、M1、M2处理总有机碳含量2年平均增幅分别为8.79%、4.23%和0.88%，可溶性有机碳含量增幅分别为25.76%、13.81%和1.09%，微生物碳增幅分别为32.29%、8.28%和29.60%，易氧化性碳含量增幅分别为28.02%、26.12%和5.63%。在Nr处理下，稻季M3处理相对于M0、M1、M2处理总有机碳含量2年平均增幅分别为20.77%、17.40%和12.34%，可溶性有机碳含量增幅分别为25.57%、1.91%和23.62%，微生物碳含量增幅分别为84.84%、9.11%和56.93%，易氧化性碳含量增幅分别为53.60%、2.28%和8.99%。油菜季Nr处理相对于Nc处理，稻季M3运筹下的土壤总有机碳、微生物碳含量和碳库指数2年平均分别增加了4.18%、45.73%和3.47%。由此可见，油菜季减施氮肥配合稻季 M3 (基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶4∶2) 运筹模式更有利于碳库的增加。

表3 不同施氮处理对稻田土壤碳库的影响

2.3 油-稻轮作下前季减量施氮与稻季氮肥运筹对作物周年产量的影响

油-稻轮作下前季减量施氮与稻季氮肥运筹对作物产量的影响如表4所示，2个年度试验结果基本一致，油菜产量年度间表现为2019年略高于2018年。减量施氮处理(Nr) 相比常规施氮处理(Nc)显著降低了油菜产量，2年平均减产幅度为18.72%，水稻产量2年平均减产幅度为1.11%，差异不显著。在Nc处理和Nr处理下，水稻产量在不同氮肥运筹下均表现为 M3>M2>M1>M0。在Nc处理下，稻季M3处理相对于M1处理和M2处理水稻产量2年平均分别增加4.61%和1.82%，周年产量分别增加3.56%和1.40%。在Nr处理下，稻季M3处理相对于M1和M2处理水稻产量2年平均分别增加6.11%和4.95%，周年总产2年平均分别增加4.83%和4.02%。油菜季Nr处理相对于Nc处理，稻季M3运筹下的水稻产量2年平均增加了1.45%，周年产量降低了3.63%，但差异不显著。从水稻产量和周年总产来看，油菜季减量施氮(减少氮肥投入30 kg/hm2)配合稻季 M3运筹模式 (基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶4∶2) 可以实现水稻高产稳产，同时减少氮肥投入。

表4 不同施氮处理对作物产量的影响

2.4 稻田碳库指标与土壤肥力的相关性

分析2年土壤总有机碳、可溶性有机碳、微生物生物量碳及易氧化碳含量与稻田土壤肥力指标的相关性，结果如表5所示。土壤总有机碳含量与速效钾含量和硝态氮含量呈显著正相关关系；可溶性有机碳含量与土壤速效磷含量呈显著相关关系，而与速效钾含量则呈极显著正相关关系；微生物碳含量与土壤有机质、全氮和速效磷含量呈显著正相关关系；易氧化碳含量与土壤速效磷和铵态氮含量呈显著正相关关系，与速效钾含量呈极显著正相关关系；土壤总有机碳、可溶性有机碳、易氧化碳含量与作物周年产量呈显著正相关关系，其中总有机碳含量与周年产量的相关系数最大(0.84*)。经逐步回归分析，土壤总有机碳含量= 0.254×全氮含量(g/kg)+12.961×有机质含量(g/kg)+0.204×速效磷含量(mg/kg)，可以认为土壤总氮、有机质和速效磷含量与土壤总有机碳含量关联度较大。周年作物产量=0.279×总有机碳含量(g/kg)+8.46×有机质含量(g/kg)+0.196×全氮含量(g/kg)+0.242×速效磷含量(mg/kg)-0.017可溶性有机碳含量(mg/kg)，表明作物周年产量与土壤总有机碳、有机质、全氮、速效磷含量关联度较高，土壤总有机碳、有机质、全氮、速效磷含量是影响作物周年产量的主要因素。

表5 稻田碳库指标与土壤肥力的相关性

3 讨 论

3.1 油-稻轮作下前茬氮肥投入与稻季氮肥运筹对稻田土壤养分、碳库的影响

秸秆还田配施适量化肥能够培肥地力,提高作物产量[13]。杨滨娟等研究结果表明，秸秆还田配施低量氮、磷、钾肥可显著增加土壤全氮、速效钾含量[14]。前人从秸秆还田方式、还田量、还田时间、秸秆还田与化肥配合施用等方面对土壤有机质的影响进行了研究[15-16]。秸秆还田和有机肥配施处理可以增加土壤有效氮和速效磷含量，但速效钾含量随着种植年限的增加呈下降趋势[17]。黄容等[18]研究结果表明，秸秆还田与化肥减量配施处理较常规施肥处理提高了土壤速效氮、速效磷、速效钾的含量，且土壤速效养分随着减量施肥水平的提高呈先增加后降低的趋势。本研究结果表明，在油-稻轮作秸秆全量还田条件下，与油菜季常规施氮(Nc)相比，油菜季减量施氮(Nr)提高了稻田土壤有机质、速效磷和全氮的含量，油菜季减施氮肥(Nr)配合稻季M3运筹对稻田土壤养分含量的提高效果最佳。原因可能是在微生物分解秸秆的过程中适量的氮肥和适宜的氮肥运筹，可以为微生物提高氮源[19]，调节适宜土壤微生物生长的C/N，促进土壤微生物活性，从而加快了微生物对秸秆中有机态养分的分解释放，提高了土壤养分。

土壤碳库是由很多不同稳定性组分组成的，其动态平衡是土壤肥力保持和提高的重要内容。李琳等[20]研究认为秸秆还田能够增加土壤中活性有机碳组分，同时改善有机碳质量。吴玉红等[21]研究发现秸秆还田配施减量肥料能提高土壤有机碳及活性有机碳含量。赵亚南等[22]研究结果表明秸秆还田与化肥配施处理对有机碳含量的提升效果高于单施化肥处理。本研究结果表明，稻田碳库含量在秸秆还田的第2年略高于第1年，原因可能是随着油菜和水稻秸秆逐年归还进入土壤，土壤汇碳功能增强，从而提升了土壤基础地力。本试验条件下，油菜季减量施氮(Nr)下稻季M3运筹对稻田土壤总有机碳和微生物碳含量的提高效果最为显著，但在提高易氧化性碳含量方面没有体现出明显优势。相关分析结果表明，土壤总氮、有机质、速效磷含量与土壤总有机碳含量呈显著正相关关系，可能是因为土壤有机碳的分解受土壤微生物碳氮平衡的影响，土壤C/N在很大程度上影响其分解速率，而油菜季减量施氮(Nr)处理下稻季M3运筹能够控制土壤C/N在适宜的范围(9.01～9.89)，提高土壤微生物活性，加快秸秆腐解，提高土壤有机质等养分含量。另外，水稻季淹水状态降低了土壤矿化和腐殖化的过程[23-25]。张瑞等[26]研究结果表明短期施肥可以同时提高土壤活性有机碳含量，这是因为土壤有机碳由不同活性的碳库组成，短期施肥对土壤有机碳的影响首先表现在活性碳库上，对周转速度较慢的非活性碳库的影响较为缓慢，而长期施肥能维持有机碳持续大量输入，促使各个碳库之间的相互转化，因此非活性碳库也逐渐发生变化，直至碳库间达到动态平衡并维持在一定的比例[27]。

3.2 油-稻轮作下前茬氮肥投入与稻季氮肥运筹对作物产量的影响

农业中化肥零增长是现代农业中发展的目标，不同种植体系中减量施肥得到了广泛关注，很多研究结果表明，在麦-稻、玉米-油菜等轮作体系中减量施肥对产量的影响较小[28-30]。丁文金等[31]研究结果表明，秸秆还田氮肥减量处理对双季稻总产量不会产生明显的负面影响。黄容等[18]研究结果表明，秸秆全量覆盖配合氮肥减量20%～30%处理能够提高水稻产量。本研究结果表明，土壤总有机碳含量与土壤养分和作物周年产量呈显著或极显著正相关关系，土壤总氮、速效磷含量与土壤总有机碳含量的相关度较大，因此，秸秆还田后，应以合理的氮肥用量及合理的氮肥管理方式调节土壤C/N，使得秸秆更快地腐解。否则，会引起C/N失调，起不到增产的效果[32]。本研究结果表明，在油-稻轮作系统下，油菜季减量施氮降低了油菜的产量，而油菜季减量施氮(Nr)，稻季M3 (基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶4∶2)氮肥运筹下水稻产量最高，可能是由于前茬减量施氮，稻田土壤肥力处于较低状态，水稻季后氮前移有利于水稻形成优势群体，而且水田具有较好的水热稳定性, 基础地力对水稻产量的贡献大[33]。此外，也可能是因为水稻季油菜秸秆还田和油菜季水稻秸秆还田的肥料产生的效应有所差别，水稻季油菜秸秆还田后高温和淹水条件有利于油菜秸秆的腐解和养分的释放，加之稻季M3氮肥运筹，弱化了油菜季化肥减量对水稻生长的影响，营造了一个适温环境，加强了土壤水、温、肥的耦合效果，增加了土壤微生物活性，缩短了土壤有机质矿化分解过程，有利于营造对水稻生长有利的环境。这一研究结论与赵亚南等[34]研究的稻-油轮作减量施肥对水稻油菜生长影响的结论一致。本试验中，油菜季减量施氮相比于常规施氮处理降低了油菜的产量，但是随着秸秆还田年限的增加, 油菜减产效应有下降趋势，可能是因为随着油菜和水稻秸秆逐年归还进入土壤，提升了土壤基础地力，化肥减量对油菜产量的影响作用减小。

4 结 论

在油-稻轮作模式下，油菜季减少氮肥投入30 kg/hm2(约18%)，水稻季在施氮150 kg/hm2下以基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶4∶2运筹模式可以有效地改善稻田土壤养分和碳库状况，提高水稻产量。