长江中游地区不同冬种复种方式下水稻产量和土壤氮素特征研究

杨滨娟, 王礼献, 袁嘉欣, 黄国勤

长江中游地区不同冬种复种方式下水稻产量和土壤氮素特征研究

杨滨娟, 王礼献, 袁嘉欣, 黄国勤*

江西农业大学农学院/江西农业大学生态科学研究中心, 南昌 330045

通过连续两年的田间试验, 研究长江中游地区不同冬种复种方式下水稻产量和土壤氮素特征。结果表明: 与冬闲对照处理相比, 稻田冬种作物能够改善水稻产量构成要素, 促进水稻生长发育, 获得较高的群体干物质重, 从而提高水稻产量, 年均产量显著增加了0.15%—3.95%, 2014年早稻和晚稻产量均是大蒜-早稻-晚稻模式最高, 与冬闲对照相比, 分别显著增加了2.91%和3.51%。分蘖期、抽穗期和灌浆期的铵态氮含量均是紫云英-早稻-晚稻模式达到最大, 分蘖盛期和灌浆期显著高出其他处理8.33%—24.80%和12.06%—21.15%。早稻各生育期的微生物量氮均是紫云英-早稻-晚稻模式最高, 且除了成熟期外, 均与其他处理差异显著, 增幅分别为7.64%—17.63%、12.29%—37.71%、2.98%—33.55%。综合来看, 紫云英-早稻-晚稻和大蒜-早稻-晚稻这两种种植模式表现较好, 对于提高水稻产量、维持土壤地力有积极效果, 是适合推广应用的双季稻田冬季农业开发循环模式。

冬种复种; 土壤氮素; 水稻产量; 长江中游地区

0 前言

冬闲季节种植不同作物(绿肥和油料作物等)能改善双季稻田因连年种植产生的土壤质地下降的问题, 同时提高系统生产力, 减轻农作物病虫草害, 促进农田生态环境污染治理[1-4]。高菊生等[5]研究表明, 与冬闲处理相比, 冬季种植作物(紫云英、油菜、黑麦草)的早、晚稻产量均有提高, 且稻谷年平均产量增加, 并提出紫云英-双季稻是值得推广的模式。王丹英等[6]研究表明, 油菜作绿肥还田能增加水稻有效穗数、每穗粒数和干物质积累量。唐海明等[7]研究表明, 稻田冬季覆盖作物的早、晚稻有效穗数、结实率、千粒重比冬闲处理均有所增加, 黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻和马铃薯-双季稻的早稻产量分别增产4.55%、5.35%、1.28%、4.26%, 晚稻产量则分别提高3.85%、4.02%、1.40%、5.96%。王淳[8]研究发现双季稻连作体系稻田土壤中氮素主要以铵态氮形式存在, 硝态氮含量很少, 随着施氮量的增加, 0—40 cm土壤中硝态氮和铵态氮的浓度及累积量明显提高。因此, 合理发展不同复种模式, 能够深入挖掘农业生产潜力, 有利于农业增产和农民增收, 促进农业资源的循环高效利用。但目前, 不同复种模式中依然存在许多问题, 包括生产力下降、养分管理不合理、资源利用效率低和生态环境污染等, 所以寻求科学合理的复种模式, 对于增加作物产量、提高资源利用效率以及改善农田生态环境具有重要意义。本研究通过田间试验, 深入分析比较长江中游地区不同冬种复种方式下水稻产量和土壤氮素特征, 探讨稻田耕作措施对土壤氮素特征的影响, 为确定该地区土壤肥力水平, 建立农田可持续的土壤管理措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2013年9月—2015年11月在地处赣东北典型双季稻区的江西省万年县农科所试验田(28°41′ N, 116°55′ E)进行。万年县作为江西省农业大县, 区位优势明显, 地貌特征表现为“六山一水二分田”。试验地属于亚热带季风气候, 光照充足, 热量资源丰富, 气温季节变化显著。试验期间年平均气温18.6℃, 极端最高气温38.3℃, 极端最低气温-5℃; 年平均降雨量1906 mm; 年平均日照时长1662.65 h; 年平均风速1.3 m·s-1; 年无霜期260 d。试验前表层土壤(0—20 cm)肥力状况为: pH值6.08, 有机质41.81 g·kg-1, 全氮1.97 g·kg-1, 有效磷16.38 mg·kg-1, 速效钾130.00 mg·kg-1, 有机碳24.25 g·kg-1, C/N比12.31, 阳离子交换量5.89 cmol·kg-1。

1.2 试验材料与田间试验设计

试验共设5个处理, 分别为处理A(CK): 冬闲-早稻-晚稻→冬闲-早稻-晚稻; 处理B: 紫云英-早稻-晚稻→紫云英-早稻-晚稻; 处理C: 油菜-早稻-晚稻→油菜-早稻-晚稻; 处理D: 大蒜-早稻-晚稻→大蒜-早稻-晚稻; 处理E: 紫云英-早稻-晚稻→油菜-早稻-晚稻。采用随机区组设计, 每个处理重复3次, 共15个小区, 小区面积为66 m2(11 m×6 m), 小区周围设置1.0—1.5 m的保护隔离带, 试验前各区组土壤肥力状况基本一致。具体试验处理见表1。

供试作物: 2014年早稻品种为“株两优09”, 2015年早稻品种为“欣荣08”, 晚稻品种均为“天优华占”。紫云英品种均为“余江大叶籽”; 2014年油菜品种为“绵丰油18”, 2015年油菜品种为“赣油杂8号”; 大蒜品种均为“山东金乡蒜”。

化肥用量: 早、晚稻施肥一致, 所用化肥为尿素(N 46%)330 kg·hm-2, 钙镁磷肥(P2O512%)420 kg·hm-2, 氯化钾(K2O 60%)202.5 kg·hm-2, 分基肥、蘖肥、穗肥3次撒施。磷肥全部作基肥在水稻移栽前一次性施入, 分蘖肥在移栽后5—7 d 施用, 穗肥在主茎幼穗长1—2 cm时施用; 水稻氮、钾肥施用比例为基肥:分蘖肥:穗肥=5:3:2。紫云英于9月底撒播; 油菜于9月底播种, 育苗后移栽试验田; 大蒜于10月底或11月初播种。次年早稻移栽前15 d全部收割, 紫云英盛花期翻压还田作绿肥, 油菜收获油菜籽, 油菜秸秆作绿肥还田。早稻收获后稻草全部还田, 晚稻收获后稻草半量还田。冬季作物和早晚稻其他田间管理措施同一般大田栽培。

表1 试验设计

注: “—”表示接茬。

1.3 测定项目与方法

水稻考种与测产 于早晚稻成熟期每小区调查60穴, 计算单位面积有效穗数, 按平均穗数取样法每小区取5兜, 风干后考种, 考查穗长、每穗粒数、结实率、千粒重等产量构成要素, 最后分小区单打实收测产。在紫云英盛花期和油菜成熟期, 采用“五点取样法”, 每点测1 m2, 测其秸秆鲜重, 然后烘干测其干重, 油菜籽和大蒜分小区单打实收测产。

土壤养分测定 分别于早稻收获期(2014年7月16日和2015年7月20日)和晚稻收获期(2014年10月15日和2015年10月27日)采用“五点取样法”采集土样, 用土钻(d=5 cm)取0—20 cm的土壤耕层土, 混合均匀, 风干除去杂物过筛后, 用于测定土壤养分各指标。测定方法[9]如下: 土壤pH值采用pH计, 土壤有机质采用重铬酸钾法-浓硫酸外加热法, 全氮采用半微量开氏定氮法, 碱解氮采用碱解扩散法, 有效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法, 速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法。

土壤氮素测定 于2015年早、晚稻分蘖期、抽穗期、灌浆期、收获期用“五点取样法”采集稻田耕作层(0—20 cm)土壤, 一部分于4℃冰箱内冷藏, 用于测定土壤硝态氮、铵态氮、微生物量氮; 另一部分自然风干, 用于测定土壤可矿化氮。土壤硝态氮采用紫外分光光度法[10]; 土壤铵态氮采用KCl浸提-靛酚蓝比色法[10]; 土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸提取-茚三酮比色法[11]; 土壤可矿化氮采用厌氧培养法[12]。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行统计分析。用SPSS17.0系统软件进行数据处理和统计分析, 采用单因素(one-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(=0.05)。利用Microsoft Excel 2010软件作图。图表中数据为3个重复的平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 不同冬种复种方式下双季稻产量及产量构成要素研究

2.1.1 水稻产量 如表2所示, 2014年处理D的早稻和晚稻产量均最高, 与冬闲对照相比, 分别显著增加了2.91%、3.51%(<0.05)。2015年, 与冬闲对照相比, 稻田冬种各处理显著增加了早稻产量(< 0.05), 增幅达2.23%—6.74%, 其中处理D的产量最高, 大小顺序依次为D>B>E>C>A; 处理B、D、E的晚稻产量与冬闲对照差异显著(<0.05), 其中处理B的产量最高, 为8160.00 kg·hm-2, 相比对照, 增产5.36%。从年平均产量来看, 冬种各处理均比冬闲对照有所提高, 增产幅度为0.15%—3.95%, 其中以冬种大蒜处理表现最好, 且与其他处理差异显著(<0.05)。

2.1.2 水稻产量构成要素 由表3可以看出, 2014年各冬种处理的穗长与冬闲处理间差异显著(< 0.05), 增幅为4.50%—5.79%; 处理D的有效穗数较高, 较冬闲处理显著提高了7.79%(<0.05)。晚稻方面, 穗长和结实率最高的均是处理D, 且与对照处理差异显著(<0.05)。2015年早稻处理D的有效穗数和结实率均达到最高, 且与对照处理差异显著(<0.05), 分别增加了6.74%和3.33%; 水稻每穗粒数最高的是处理B, 与对照处理相比, 显著增加了2.51(<0.05)。晚稻则是处理B的有效穗数较高, 其中处理B、D、E均与冬闲处理差异显著(<0.05)。经过两年复种可以看出, 稻田冬种作物能够促进水稻生长发育, 改善水稻产量构成要素, 从而提高水稻产量, 其中以紫云英-早稻-晚稻和大蒜-早稻-晚稻这两种种植模式表现较好。

表2 稻田冬种复种对水稻产量的影响 (kg∙hm-2)

注: 数据为3个重复的平均值±标准误; 同列不同的字母分别表示差异达5%显著水平。下同。

2.2 不同冬种复种方式下土壤养分研究

由表4可知, 2014年早稻处理B的碱解氮和处理D的速效钾达到最大, 且与对照处理差异显著(<0.05)。晚稻处理C的有机质达到最大, 且与其他处理间差异显著(<0.05), 高出3.81%—7.18%; 处理D的有效磷和速效钾均显著高于其他处理, 分别高出13.06—25.06%和15.17%—53.46%。2015年, 除了晚稻pH值是处理E达到最大以外, 早晚稻碱解氮、有效磷和速效钾以及晚稻全氮均是处理D达到最大, 且与对照处理差异显著(<0.05)。从年度均值来看, 除了pH值和有效磷以外, 冬种复种两年后, 土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾都有所提升, 分别增加了7.48%、0.76%、0.14%和40.78%。因此, 稻田冬种有利于土壤肥力的改善, 对于养分积累和吸收有促进作用, 为水稻生长发育提供养分支持, 从而获得较高的水稻产量。

表3 稻田冬种复种对水稻产量构成要素的影响

表4 稻田冬种复种对土壤养分的影响

2.3 不同冬种复种方式下土壤氮素特征研究

2.3.1 土壤无机氮 由图1可知, 由于水稻田长期处于淹水和嫌气状态, 早稻各生育期内土壤硝态氮含量低于7 mg∙kg-1, 并呈现出下降趋势, 且各处理在各生育期内差异不显著(0.05); 晚稻生育期内土壤硝态氮含量低于6 mg∙kg-1, 与早稻一致, 也呈现出下降趋势, 其中在抽穗期和成熟期都是处理E达到最大, 抽穗期处理D、E与处理A、B差异显著(0.05), 增幅达到13.57%—36.93%; 成熟期, 除了处理D以外, 其他处理与冬闲对照差异显著(0.05), 增幅为32.76%—64.37%。

注: 同列不同小写字母表示同一年度不同处理间差异显著(p<0.05), 下同。

Figure 1 Effect of winter crops and multiple cropping in paddy fields on NO3-N contents of soil in 2015

铵态氮方面(图2), 早稻生育期内铵态氮含量均有所增加, 在灌浆期达到最大值, 至成熟期又有小幅下降但各处理均高于分蘖期。分蘖期、抽穗期和灌浆期均是处理B达到最大, 分蘖盛期和灌浆期处理B与其他处理差异显著(0.05), 增幅分别达8.33%—24.80%和12.06%—21.15%。晚稻生育期内铵态氮含量与早稻呈现规律基本一致, 其中分蘖期处理C达到最高, 为18.53 mg∙kg-1, 且与处理B、D、E差异显著(0.05), 增幅为5.85%—20.74%; 抽穗期是冬闲对照处理达到最高, 仅与处理D差异显著(0.05)。由此可知, 水稻田无机氮是以铵态氮为主, 一定程度上硝态氮与铵态氮呈现出此消彼长的趋势。

2.3.2 土壤可矿化氮、微生物量氮 由图3可以看出, 早稻生育期内可矿化氮含量呈现先增加再下降的规律, 至早稻成熟期各处理含量达到最低。分蘖期, 稻田冬种各处理均显著高于冬闲对照处理(0.05), 增幅为28.31%—47.33%; 抽穗期和灌浆期都是处理B达到最高, 且均与冬闲对照处理差异显著(0.05); 成熟期处理D的含量最高, 达到22.87 mg∙kg-1, 且与冬闲对照处理、处理E差异显著(0.05)。晚稻可矿化氮含量的变化规律与早稻一致, 抽穗期和灌浆期均是处理C最高, 与冬闲对照处理相比, 分别显著提高了17.69%和25.92%(0.05); 到成熟期, 处理B的含量最高, 且各处理间差异显著(0.05), 大小顺序依次为B>C>E>D>A。总体而言, 冬种作物有利于土壤可矿化氮含量的提高, 以紫云英-早稻-晚稻复种模式表现较好。

由图4可知, 水稻各生育期微生物量氮含量呈现先下降再增大的规律, 在各生育期内分蘖期的微生物量氮含量最高。早稻各生育期均是处理B最高, 且除了成熟期外, 均与其他处理差异显著(0.05), 增幅分别为7.64%—17.63%、12.29%—37.71%、2.98%—33.55%。晚稻微生物量氮含量的变化规律与早稻保持一致。其中分蘖期处理C最高, 与处理E、冬闲对照处理差异显著(0.05); 抽穗期和灌浆期均是处理D达到最高, 灌浆期各冬种处理较冬闲对照均有显著增加(0.05), 增幅为15.15%—18.81%; 至成熟期处理B的含量最高, 达到74.68 mg∙kg-1, 处理B、D较冬闲处理分别显著提高了5.81%、5.46%(0.05)。总体来讲, 稻田冬种有利于提高土壤微生物量氮含量, 以紫云英-早稻-晚稻复种模式表现较好。

图2 稻田冬种复种对土壤铵态氮含量的影响(2015)

Figure 2 Effect of winter crops and multiple cropping in paddy fields on NH4-N contents of soil in 2015

图3 稻田冬种复种对土壤可矿化氮含量的影响(2015)

Figure 3 Effect of winter crops and multiple cropping in paddy fields on mineralizable nitrogen contents of soil in 2015

图4 稻田冬种复种对土壤微生物量氮含量的影响(2015)

Figure 4 Effect of winter crops and multiple cropping in paddy fields on SMBN contents of soil in 2015

3 讨论

合理的复种能促进作物生产力的提高, 不同复种模式因种植作物不同导致作物生产力存在差异[13-15]。易镇邪等[16]研究发现秸秆还田能够显著提高水稻叶面积、有效穗数、每穗粒数、粒叶比和干物质积累量, 从而提高早稻产量, 其中紫云英-双季稻、油菜-双季稻处理的早稻产量要比冬闲分别高3.1%、1.8%, 晚稻产量则分别比对照处理高15.4%、11.0%, 而且紫云英处理增产效果要好于油菜处理。本研究结果与之类似, 与冬闲对照处理相比, 稻田冬种作物能够改善水稻产量构成因素, 促进水稻生长发育, 获得较高的群体干物质重, 从而提高水稻产量, 年均产量显著增加了0.15%—3.95%, 2014年早稻和晚稻产量均是大蒜-早稻-晚稻处理最高, 与冬闲对照相比, 分别显著增加了2.91%和3.51%。

土壤铵态氮和硝态氮是作物最易吸收利用的氮素形态, 能直接反映出土壤有效氮含量的多少[17-18]。马力等[19]研究结果显示长期施肥或秸秆还田有利于红壤水稻耕作层(0—20 cm)氮素的积累。白金顺等[20]研究结果表明种植绿肥显著改变了土壤无机氮的构成, 不同处理均显著降低了土壤硝态氮的含量, 而铵态氮含量呈增加趋势。本研究中早、晚稻生育期内土壤硝态氮含量分别低于7 mg∙kg-1和6 mg∙kg-1, 均呈现下降趋势, 这可能是水稻生长吸收了土壤中的氮素。分蘖期、抽穗期和灌浆期的铵态氮含量均是紫云英-早稻-晚稻模式达到最大, 分蘖盛期和灌浆期与其他处理差异显著(0.05), 增幅分别达8.33%—24.80%和12.06%—21.15%。铵态氮含量增加可能是硝态氮转化过来的, 有研究表明, 硝酸盐的异化作用能促进硝态氮向铵态氮转化[21]。由此可知, 双季稻田无机氮是以铵态氮为主, 一定程度上硝态氮与铵态氮呈现出此消彼长的趋势。

土壤可矿化氮来源于有机氮矿化释放的氮素, 能反映出潜在土壤氮素的状况。土壤微生物量氮是土壤微生物对氮素矿化与固持作用的综合反映, 它是土壤活性氮素的重要储备库, 也是植物氮素营养的重要来源[17-18]。彭佩钦等[22]研究显示有机无机肥配施能够促进易矿化氮库和较难矿化氮库的积累。本研究表明早稻生育期内稻田土壤可矿化氮含量呈现先增大再下降, 至早稻成熟期各处理含量达到最低的趋势, 抽穗期和灌浆期都是紫云英-早稻-晚稻模式达到最高, 且均与冬闲对照处理差异显著(0.05); 晚稻的变化规律与早稻一致, 成熟期也是紫云英-早稻-晚稻模式表现较好, 且各处理间差异显著(0.05), 大小顺序依次为B>C>E>D>A。这可能是冬季作物秸秆还田腐解及冬种施肥供应了一定的氮素。土壤微生物量氮对于外界条件和人为活动有更为灵敏的反应[23-24]。本研究中水稻生育期内微生物量氮含量呈现先下降再增大的规律, 水稻分蘖期各处理微生物量氮含量最高。早稻各生育期均是紫云英-早稻-晚稻模式最高, 且除了成熟期外, 均与其他处理差异显著(0.05), 增幅分别为7.64%—17.63%、12.29%—37.71%、2.98%—33.55%。整体而言, 稻田冬种有利于提高土壤氮素含量, 维持土壤的肥力, 以紫云英-早稻-晚稻模式表现较好。

4 结论

稻田冬种复种能够提高水稻产量。与冬闲对照处理相比, 稻田冬种作物能够改善水稻产量构成因素, 促进水稻生长发育, 获得较高的群体干物质重, 从而提高水稻产量, 年均产量增产0.15%—3.95%, 以大蒜-早稻-晚稻表现较好。稻田冬种作物提高了无机氮、可矿化氮及微生物量氮含量, 对土壤地力的维持有积极效果, 以紫云英-早稻-晚稻模式表现较好。总的来看, 紫云英-早稻-晚稻和大蒜-早稻-晚稻这两种种植模式表现较好, 是适合推广应用的长江中游双季稻田冬季农业开发循环模式。

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Study on different winter crops and multiple cropping patterns on rice yield and soil nitrogen characteristics in middle reaches of Yangtze River

YANG Binjuan, WANG Lixian, YUAN Jiaxin, HUANG Guoqin*

Research Center on Ecological Science, College of Agronomy, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China

The effects of different winter crops and multiple cropping patterns on rice yield and soil nitrogen characteristics in middle reaches of Yangtze River were evaluated in field trials for two consecutive years.Compared with the control, winter crops could improve rice yield components, promote the rice growth, obtain higher population dry matter, thus improve rice yield in paddy fields. The average annual yield significantly increased from 0.15% to 3.95%. In 2014, the yield of early rice and late rice was the highest under the pattern of garlic-early rice-late rice, which increased by 2.91% and 3.51% respectively compared with the control of winter fallow. The ammonium nitrogen content at tillering stage, heading stage and filling stage reached the maximum under the pattern of milk vetch-early rice-late rice, tillering stage and filling stage were 8.33%-24.80%, 12.06%-21.15% higher than other treatments. The microbial biomass nitrogen of early rice at each growth stage was the highest under the pattern of milk vetch-early rice-late rice. Besides the mature stage, there were significant differences between the pattern of milk vetch-early rice-late rice and other treatments on others stages, which increased 7.64%-17.63%, 12.29%-37.71% and 2.98%-33.55%, respectively. Overall, the planting patterns of milk vetch-early rice-late rice and garlic- rice-rice performed better, which had a positive effect on improving rice yield and maintaining soil fertility, which were suitable for popularization and application of cropping field agricultural development cycle mode in winter.

winter crops and multiple cropping; soil nitrogen; rice yield; in middle reaches of Yangtze River

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.009

S344.1; S153

A

1008-8873(2021)06-075-08

杨滨娟, 王礼献, 袁嘉欣, 等. 长江中游地区不同冬种复种方式下水稻产量和土壤氮素特征研究[J]. 生态科学, 2021, 40(6): 75–82.

YANG Binjuan, WANG Lixian, YUAN Jiaxin, et al. Study on different winter crops and multiple cropping patterns on rice yield and soil nitrogen characteristics in middle reaches of Yangtze River[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 75–82

2020-05-07;

2020-05-18基金项目:国家自然科学基金项目(32160528); 国家重点研发计划项目(2016YFD0300208); 国家科技支撑计划项目(2012BAD14B14-01)

杨滨娟, 博士, 研究方向为耕作制度与农业生态, E-mail: yangbinjuan@jxau.edu.cn

通信作者:黄国勤, 教授, 博士, 研究方向为作物学、生态学、农业发展与区域农业、资源环境与可持续发展等, E-mail: hgqjxes@sina.com