冬季轮茬作物养分还田特征及其对水稻产量和稻田水环境的影响

杭杰 肖敏 原海燕 郝小燕 吴悠 李海涛 郭智*

（1 江苏省常州市新北区农业农村局，江苏常州213001；2 江苏省农业科学院循环农业研究中心/农业农村部种养结合重点实验室，南京210014；3 江苏省中国科学院植物研究所，南京210014；第一作者：565263405@qq.com；*通讯作者：guozhi703@163.com）

麦稻轮作是江苏省最为典型的种植模式，常年种植面积达1.30×106hm2，约占耕地面积的35%[1]，且麦稻两大作物对全省粮食产量的贡献率达85%以上[2]，该模式下农田可持续生产对保证江苏乃至全国的粮食安全极为重要。近年来，随着我国粮食产量多年“连增”，农产品品质提升和“藏粮于地”战略的重要性进一步凸显，江苏省从2018 年开始作为国家轮作休耕试点省，在苏南稻麦两熟地区规模化推行小麦季节性轮作休耕，在休耕区域倡导粮绿轮作、粮豆轮作、粮饲轮作，实行用地养地结合。其中，绿肥品种以肥饲兼用、肥菜结合的经济绿肥（如蚕豆、豌豆、苜蓿）为主，或以培肥地力的传统绿肥（如红花草、苕子等）为主。关于冬季绿肥种植对不同区域稻田土壤肥力、水稻产量、养分利用、温光资源利用等已有较多研究[3-9]。然而，在当前粮食持续增产与农业供给侧结构性调整的新形势下，对区域性典型轮作休耕模式的综合效应（农学效应、环境效应和经济效益等）的系统研究缺乏持续监测。基于此，本研究采用大田小区试验系统研究“休闲-水稻”“红花草-水稻”“小麦-水稻”“油菜-水稻”“青饲小麦-水稻”“蚕豆-水稻”等典型轮茬种植模式下，冬季作物养分还田特征及其对水稻产量和稻田表水环境主要参数的影响，并对各轮茬种植模式下的经济效益进行分析，以期为江苏太湖流域稻田种植结构调整提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验点位于江苏省南京市溧水区白马镇江苏省农业科学院植物科学基地（31°36'N，119°11'E），属北亚热带向中亚热带过渡区，年平均气温15.5 ℃，年日照时间2 145.8 h，年降雨量1 036.9 mm，年无霜期237 d。试验于2017 年10 月至2018 年10 月开展。试验田土壤属黄棕壤，质地偏粘，其基本理化性状为：pH 值（土∶H2O为1∶5）6.21±0.05，有机质（16.62±3.15）g/kg，全N（0.87±0.01）g/kg，全P（0.24±0.01）g/kg，速效氮（35.16±1.58）mg/kg，速效磷（11.84±2.23）mg/kg，速效钾（89.23±3.84）mg/kg。为了防止试验小区间发生水分和养分的交换，采用双层塑料薄膜包埋田埂（埋深至少30 cm）将试验小区相互隔开，18 个试验小区（每小区约35 m2，6 种轮茬模式，3 次重复）双排并排排列。

1.2 试验处理

采用大田小区试验，设置休闲-水稻（T1）、红花草-水稻（T2）、小麦-水稻（T3）、油菜-水稻（T4）、青饲小麦-水稻（T5）、蚕豆-水稻（T6）等6 种轮茬种植模式处理。T1 模式下，冬季休闲，不施肥。红花草播种量为60 kg/hm2，于2017 年10 月20 日进行免耕撒播，2018 年5月22 日翻压还田，种植期间以基肥一次性施入N 45 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2（15%-15%-15%复合肥）。小麦品种为宁麦16，播种时间为2017 年11月3 日，播种量225 kg/hm2，撒播，施肥量为N 270 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，钾肥一次性基施，磷肥基肥施用80%、拔节肥施用20%，氮肥基施55%、拔节肥35%、穗肥10%，基肥施用时间为2017 年11 月1 日，并于2018 年3 月3 日和2018 年4 月2 日追施返青拔节肥和穗肥，2018 年6 月1 日收获，秸秆粉碎还田。油菜品种为秦油10 号，2017 年11 月7 日移栽，栽种规格50 cm×25 cm，施肥量为N 270 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，钾肥一次性基施，磷肥基肥施用80%、拔节肥施用20%，氮肥基施55%、拔节肥35%、穗肥10%，2018 年5 月22 日收获，秸秆粉碎还田。“青饲小麦-水稻”种植模式下，施肥量和施肥模式与“小麦-水稻”模式相同，2018 年5 月8 日小麦乳熟期收割，秸秆不还田。蚕豆品种为丰邦1 号，2017 年11 月7 日播种，栽种规格80 cm×20 cm，以基肥一次性施入N 45 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2（15%-15%-15%复合肥），2018 年5 月22 日收获，秸秆粉碎还田。水稻品种采用南粳9108，分别于2017 年6 月16 日、2018年6 月14 日移栽，栽插规格25 cm×13 cm，每丛2～3株，施肥量为N 270 kg/hm2、P2O5135 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2，磷钾肥基肥50%、穗肥50%，氮肥运筹为6∶4。2017 年试验中分别于2018 年6 月15 日、6 月22 日、8月2 日和8 月10 日施用基肥、分蘖肥、促花肥和保花肥；2018 年试验中分别于2018 年6 月13 日、6 月21日、8 月1 日和8 月8 日施用基肥、分蘖肥、促花肥和保花肥。分别于2017 年10 月16 日、2018 年10 月12 日收获。植保、水浆等田间管理同当地水稻高产栽培田。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 供试土壤（0～20 cm）

土壤pH 值用PHS-3C 型pH 计测定；全N、全P、速效N、速效P 和速效K 及有机质含量测定等参照鲍士旦方法[10]。

1.3.2 稻田表水样品

于水稻移栽次日开始，利用针筒抽取稻田田面表水，连续采集1 周，每次每个试验小区至少采集水样200 mL，带回实验室利用全自动流动分析仪（SKALAR San++）及时测定田表水中总磷（TP）、可溶性总磷（DP）含量。

1.3.3 植株样品

于各轮茬作物成熟期/乳熟期进行割方测产，并多点混合采集样品（经济产量部分和废弃物部分），清洗后105℃杀青30 min，60℃烘干至恒质量，研磨、过筛，经H2SO4-H2O2消解后，采用全自动流动分析仪（SKALAR San++）测定全氮、全磷，全钾采用火焰光度计法测定。

1.3.4 水稻产量

于水稻成熟期，测定不同轮茬种植模式水稻株高、实际产量。水稻氮素偏生产力[11]计算公式如下：氮素偏生产力（kg/kg）=水稻产量/施氮量×100%。

1.3.5 经济效益分析

试验过程中，详细记录各种植模式下冬季作物和水稻生产各环节生产资料、机械作业、人工等投入数量和当年价格，以及稻谷产量，并根据当年优质稻收购指导价折算收益情况。

1.4 数据分析

用Excel 2010 和SPSS 13.0 软件进行数据处理，文中所列数据均为3 次重复平均值，各处理的比较采用最小显著差数（LSD）法，凡超过LSD0.05水平的视为显著。

2 结果与分析

2.1 冬季轮茬作物产量及养分还田量

冬季轮茬作物产量（经济产量和秸秆生物量）差异较大，且其养分含量差异较大（表1），导致各轮茬种植模式下，养分还田量差异显著（图1）。由图1 可知，T2模式下，N、P 素还田量均最高，达83.28 kg/hm2和7.79 kg/hm2，分别是T3、T4 和T6 种植模式的2.42～3.56 倍和2.55～4.46 倍（P＜0.05）。同时，K 素还田量由高到低依次为T4、T3、T2、T6，分别为96.58 kg/hm2、89.04 kg/hm2、67.21 kg/hm2和34.76 kg/hm2，且种植模式间差异显著（P＜0.05）。

2.2 冬季作物轮茬对水稻株高的影响

由图2 可知，冬季作物轮茬对后茬水稻株高有一定影响。各种植模式水稻株高由高到低依次为T4、T5、T6、T3、T2、T1。与T3 处理相比，T4、T5、T6 处理的株高提高0.78%～3.01%（P＜0.05），而T1、T2 处理株高降低0.60%～0.95%（处理间差异不显著）。

2.3 冬季作物轮茬对水稻产量的影响

从图3 可见，各轮茬种植模式水稻产量表现为T3＞T4＞T6＞T5＞T2＞T1。T3 模式下水稻产量达8 767.31kg/hm2，较T1 模式和T2 模式分别高6.78%（P＜0.05）和5.01%（P＞0.05）。同时，除T1 模式外，其余种植模式对水稻产量无显著影响。

表1 冬季轮茬作物产量及养分含量

图1 冬季轮茬作物秸秆养分还田量

图2 冬季作物轮茬对水稻株高的影响

2.4 冬季作物轮茬对水稻氮素利用率的影响

氮肥偏生产力作为评估氮肥利用率的重要指标之一，反映了投入单位用量氮肥可生产的粮食产量。由图4 可知，各轮茬种植模式下，水稻氮肥偏生产力表现为T3＞T4＞T6＞T5＞T2＞T1。T3 模式下水稻氮肥偏生产力达32.47 kg/kg，较T1 模式和T2 模式分别高6.78%（P＜0.05）和5.01%（P＞0.05）。同时，除T1 模式外，其余种植模式对水稻氮肥偏生产力均无显著影响。

图3 冬季作物轮茬对水稻产量的影响

图4 冬季作物轮茬对水稻氮肥偏生产力的影响

2.5 冬季作物轮茬对稻田表水质量的影响

由图5 可以看出，各轮茬种植模式下，施用基肥到分蘖肥期间，稻田表水TP、DP 平均含量分别达0.28～0.36 mg/L 和0.19～0.26 mg/L，且在施肥后5～7 d 达到峰值，然后急剧下降。稻田表水磷素浓度几乎都超过了易引发水体富营养化的临界水平，即溶解磷0.05 mg/L 和总磷0.1 mg/L[12]。期间任一次田间排水都存在诱发附近水域水体富营养化的可能。

2.6 冬季作物轮茬稻田周年经济效益分析

作物轮茬条件下稻田生产成本包括冬季作物生产成本和水稻生产成本。从表2 可见，各轮茬种植模式下，冬季轮茬作物生产成本由高到低依次为T4、T3、T5、T6、T2 和T1。水稻生产成本主要涉及育秧成本和大田生产成本两方面。各轮茬种植模式条件下，水稻育秧、大田生产成本基本相同，约16 305 元/hm2（表3、表4）。

图5 冬季作物轮茬对稻田表水磷素（TP、DP）含量的影响

表2 冬季轮茬作物大田生产成本

表3 冬季轮茬种植模式稻田育秧成本 （/元/hm2）

经济效益分析中，稻谷价格参照2018 年国家稻谷（粳稻）收购指导价及当地优质稻价格，未考虑各种植模式处理对米质影响而对稻谷价格的影响，也未考虑土地租金。从表5 可知，周年经济效益由高到低依次为T5、T3、T6、T1、T4 和T2。T4 模式下经济效益较低主要是由于产量水平较低和用工量大所致，T2 模式下经济效益较低主要是由于红花草种子、肥料及用工成本投入较高，且无经济产出所致。但油菜秸秆、红花草直接还田可培肥地力，提高生态效应。

3 讨论

耕地轮作休耕有助于农田化肥减投，降低耕地利用强度，改变过度依赖资源消耗的发展方式，让土地得到休养生息，实现农业可持续发展。本研究中，“休闲-水稻”“红花草-水稻”“蚕豆-水稻”这3 种轮茬种植模式，冬季作物氮磷养分投入较传统“小麦-水稻”种植模式极显著降低，能有效降低此一时期农田面源污染风险。然而，各种植模式下水稻季施肥模式保持一致，本研究重点关注施用基肥到分蘖肥期间稻田表水环境关键参数。众所周知，磷是水体富营养化的关键限制因子，且农田径流磷流失是其重要面源污染源[12]，主要通过地表径流进入周边水体[13]。研究表明，水旱轮作区农田磷素流失主要来自于水稻季，水稻季总磷流失量约占周年流失量的80.59%～85.56%[14]，且稻季土壤磷素径流流失的最大风险时期是在水稻移栽后1 个月内，且这段时期径流中各形态磷浓度均最高，显著高于其他时期径流磷浓度[15]。本研究中，各轮茬种植模式下，施用基肥到分蘖肥期间，稻田表水TP 平均含量达0.28～0.36 mg/L，显著高于我国《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中规定的Ⅲ类水标准限值（0.20 mg/L）。虽然径流水在向地表水体输移过程中，经过排水沟渠中底泥、水生植物和微生物等共同作用而发生的底泥吸附-解吸、植物吸收和微生物同化等系列理化反应，磷素浓度会降低[16]，但无论如何，从稻田周边水体水环境质量安全防控的角度考量，还应重点加强此时期的稻田磷素减排与阻控。

表5 冬季作物轮茬种植模式稻田周年经济效益

事实上，冬季轮茬种植红花草或蚕豆等豆科植物，水稻季可适度减量施肥，并可保证水稻产量，提高化肥氮素利用效率。廖育林等[17]研究表明，与常规施肥相比，红花草还田配合减量施肥能显著提高早稻季化肥氮素利用率、农学效率、偏生产力和氮收获指数。陈静蕊等[6]研究发现，与常规施肥处理相比，减肥40%条件下，每hm2配施15 000～22 500 kg 紫云英早稻产量不减，而配施30 000～37 500 kg 紫云英后早稻产量显著提高。减肥配施紫云英处理早稻化学氮肥的农学利用率、偏生产力及回收率均较常规施肥处理显著提高，但晚稻的氮肥利用率无显著差异。然而，本研究中，在不同种植模式下水稻季施肥模式保持一致，冬季作物轮茬对后茬水稻株高、产量及肥料利用率的影响均不显著。究其原因，可能与土壤基础地力、试验年限及稻季肥水管理等有关，具体机制及长期效应（产量、品质及养分去向等）有待进一步定位监测。

孟宇辉等[18]比较了江淮地区“小麦-水稻”“油菜-水稻”和“休闲-水稻”3 种典型水旱轮作模式下的资源利用效率与经济效益，发现3 种模式水稻季产量差异不显著，主要差异来自冬季作物，小麦产量是油菜的3倍以上。同时，在经济效益方面，“小麦-水稻”模式较“油菜-水稻”模式和“休闲-水稻”模式分别提高59.69%和44.95%。本研究结果与之基本一致。由表2可知，“油菜-水稻”模式成本最高，而其产值却最低（表5），导致周年经济效益较低。可见，提高油菜机械化生产水平是促进“油菜-水稻”模式发展的关键所在[18]。然而，从资源利用效率角度考量，“油菜-水稻”模式的有效积温利用率较高，比“小麦-水稻”模式和“休闲-水稻”模式分别高9.98%和39.33%[18]。本研究中，“红花草-水稻”模式下经济效益较低主要是由于红花草种子、肥料及用工成本投入较高，且无经济产出所致。然而，事实上，通过油菜秸秆、红花草直接还田，可培肥地力，提高生态效应，且较“休闲-水稻”模式极显著提高温光资源利用效率。从周年经济效益角度考量，在未考虑冬茬作物地力培肥且进一步影响稻米品质的基础上，“青饲小麦-水稻”和“蚕豆-水稻”种植模式由于冬茬作物较高收益（表5）和较低生产成本（表2）而具有较高周年经济收益，可进一步推广应用。然而，统筹考虑地力培肥效应、农产品品质提升、经济效益、温光资源利用及环境效应（水环境、温室气体排放、氨挥发等），对各轮茬种植模式进行综合评价，尚待长期监测和进一步系统研究。

4 结论

试验结果表明，不同冬季轮茬作物产量（经济产量、废弃物产量）差异较大，且其养分含量差异较大，导致各轮茬种植模式下养分还田量差异显著。红花草-水稻模式下，N、P 素还田量均最高。从短期效应来看，冬季作物轮茬对后茬水稻株高、产量及肥料利用率的影响均不显著。然而，从环境效应角度考量，不管何种轮茬种植模式，均应充分考虑水稻季基肥到分蘖肥期间稻田水环境效应。监测发现，各模式稻田表水TP、DP平均含量几乎都超过了易引发水体富营养化的临界水平。从周年经济效益角度考量，在未考虑冬茬作物地力培肥且进一步影响稻米品质的基础上，“青饲小麦-水稻”和“蚕豆-水稻”种植模式具有较高收益，可进一步推广应用。