冬绿肥联合稻秆还田对水稻产量及稻田土壤肥力的影响

崔月贞，王 吕，吴玉红，郝兴顺，张春辉，秦宇航，吴建静

(汉中市农业科学研究所，陕西 汉中 723000)

水稻是我国的重要粮食作物，其高产稳产对保障我国粮食安全具有重要意义，但生产中化肥和农药过量施用现象较为普遍[1]，这不仅影响水稻产量和品质的提升，而且造成稻田土壤养分失衡、土壤生产力下降、农业面源污染等问题日益凸显[2]。因此，寻求绿色高效的培肥措施十分必要。秸秆作为最重要的有机物料，原位直接还田可有效提高土壤肥力，改善土壤结构和耕性[3-4]。绿肥是一种养分全面、绿色环保的优质生物肥源，翻压还田能够提高土壤有机质、碱解氮等养分含量，增强土壤蔗糖酶、脲酶等的活性，提高土壤微生物数量和微生物群落物种丰富度、优势度，改善土壤微生物环境等，同时冬季种植绿肥具有保水保墒、有效抑制田间杂草生长的功效[5-6]。秸秆和绿肥联合还田是提高水稻产量、改善土壤理化性质、减少面源污染的重要措施，可以达到“以田养田、以地养地、用养结合”的目的，是一种高效提高土壤生产力和可持续发展的栽培方式[7-8]。目前关于稻田绿肥和秸秆还田对南方双季稻产量与品质、土壤养分含量、土壤理化性质和土壤结构等方面的研究较多[9-11]。

汉中是陕西省水稻主产区，也是优质籼稻的适宜生态种植区，常年种植面积933万hm2左右，年产稻谷55万～60万t，占全省水稻种植面积和总产量的70%以上，占汉中地区粮食播种面积和总产量的30%和50%[12-13]。该地区主要种植制度为冬季种植油菜，存在种植制度较为单一、不够科学合理等问题，加之近年来粮油种植效益低下及劳动力短缺问题，撂荒冬闲田比例呈逐步上升趋势[14-15]，因此冬闲田利用及培肥地力技术急需解决。探索冬季种植绿肥原位还田联合稻秆还田技术，对提高汉中盆地水稻产量、改革单一的种植制度、实行科学的冬绿肥利用和减少农业面源污染具有重要意义。但是关于冬绿肥联合稻秆还田对陕西南部地区水稻生产及稻田土壤微生物和酶活性影响的研究较少，因此本研究通过连续2年的定位试验，研究了紫云英、毛苕子、油菜、冬闲联合稻秆还田对水稻籽粒产量及其构成要素、稻田土壤微生物和酶活性的影响，为探索适宜汉中水稻生产的绿色栽培技术提供科学依据，也为陕南水稻生产的可持续发展和耕地质量的提升提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于陕西省汉中市农业科学研究所韩塘试验基地进行。该地位于33°08′03″N，107°00′40″E，海拔约500 m，属亚热带湿润季风性气候，年平均气温14 ℃，年均降水量800～1 000 mm，无霜期235 d，年均日照时数1 400 h，≥10 ℃的年积温4 480 ℃。供试土壤为水稻土，试验前土壤基本理化性质：pH值6.58，有机质含量15.64 g/kg，碱解氮含量1.24 g/kg，速效钾含量104.12 mg/kg，速效磷含量17.27 mg/kg。

供试肥料：尿素(质量分数≥46.4%)，由四川美丰化工有限公司生产；复合掺混肥(N、P、K质量比为19∶19∶19，总养分质量分数≥57%)，由湖北浩斯特化肥有限公司生产。

供试品种：供试水稻品种杂交籼稻‘荃香优1521’，由汉中市农业科学研究所提供；常规优质籼稻‘黄华占’，由广东省农业科学院水稻研究所提供。供试油菜品种为‘丰油737’，种子由湖南省农业科学研究院作物研究所提供；供试紫云英品种‘闽紫7号’，种子由福建省农业科学院土壤肥料研究所提供；供试毛苕子品种‘光叶紫花苕’，种子由江苏天之福绿化工程有限公司提供。

1.2 试验设计及田间操作

1.2.1 试验设计 试验于2018年9月至2020年10月进行。试验共设置冬闲和稻秆不还田(WSN)、冬闲和稻秆还田(WS)、紫云英和稻秆还田(CS)、油菜和稻秆还田(RS)、毛苕子和稻秆还田(HS) 5个处理。其中CS、HS处理是从2018年开始，每年9月下旬将毛苕子和紫云英免耕直播，翌年5月绿肥作物盛花期原位翻压还田； RS处理是9月下旬播种油菜，5月上旬油菜收获后秸秆原位翻压还田；稻秆还田处理均是9月份水稻收获后秸秆全量粉碎还田;WSN处理是9月份水稻收获后秸秆移出田块。所有处理在水稻季施肥量为N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 92.5 kg/hm2。

1.2.2 田间操作 试验采用随机区组设计，小区面积为20 m2(4 m×5 m)，每个处理重复3次。2019年供试水稻品种为杂交籼稻‘荃香优1521’，4月15日育秧，5月25日插秧，株行距16.5 cm×30.0 cm，9月26日收获。2020年供试水稻品种为常规优质籼稻‘黄华占’，4月16日育秧，5月27日插秧，移栽密度16.5 cm×26.5 cm，9月24日收获。各小区间设置田埂隔开，避免水肥相互渗透，田埂宽0.4 m。试验区间和四周设有灌溉渠，渠宽0.5 m。水稻田间栽培管理同当地大田模式。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 水稻测产及考种 2019年9月和2020年9月分别在水稻成熟后收割，各小区调查具有代表性的水稻植株 60 穴，统计有效穗数，随机取 10 穴进行考种，测定穗粒数、千粒质量。各小区四边除去50 cm，剩余按实收单独脱粒计产。

1.3.2 土壤养分含量、微生物和酶活性测定 (1)土壤样品采集。 在水稻移栽前(2020年5月26日)和水稻收获后(2020年9月29日)采集土壤样品。采用梅花5点取样法，采集0～20 cm土层土壤样品，去除可见的植物根系和石砾后混匀，用无菌袋密封。土样分为两部分，一部分过孔径2.0 mm筛后，于4 ℃冰箱保鲜冷藏，用于土壤微生物数量的测定；另一部分在室内自然风干、磨细，过孔径1.0 mm筛备用，用于土壤养分含量和土壤酶活性的测定。

(2)测定指标及方法。土壤有机质含量采用外加热-重铬酸钾容量法[16]测定，土壤速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，土壤速效钾含量采用l mol /L NH4OAc浸提-火焰光度法测定，土壤全氮含量采用l mol/L KCl浸提-连续流动分析仪(AA3)测定[17]。土壤微生物(细菌、真菌、放线菌)数量采用稀释涂平板法测定[18]。土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，酶活性以24 h后1 g土壤中NH3-N的质量(mg)表示；土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，酶活性以24 h后1 g干土消耗0.1 mol/L KMnO4的体积(mL)表示；土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，酶活性以24 h后1 g土生成葡萄糖的质量(mg)表示；土壤脱氢酶活性用氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法测定，酶活性以24 h后1 g土中生成的三苯基甲(TPF)的质量(μg)表示。土壤酶总活性按下式计算。

式中：Xi表示各种供试土壤第i种土壤酶活性的测定值，X表示各供试土壤相同酶活性的平均值，Et表示土壤酶总活性[19]。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010对试验数据进行处理和绘图，并用 SPSS 12.0进行方差分析，采用Duncan新复极差法对相关数据进行差异显著性检验，采用积距Pearson双侧检验法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 冬绿肥联合稻秆还田对水稻产量及其构成要素的影响

由表1可以看出，稻秆还田各处理水稻产量显著高于稻秆不还田处理，绿肥联合稻秆还田处理水稻产量又高于冬闲稻秆还田处理，其中紫云英、毛苕子联合稻秆还田处理水稻产量显著高于其他处理，但二者之间水稻产量差异不显著。2019年水稻产量表现为HS>CS>RS>WS>WSN，其中HS处理水稻产量最高，为10 550.53 kg/hm2，较WSN处理增产14.9%，较WS处理增产8.3%；2020年水稻产量表现为CS>HS>RS>WS>WSN，其中CS处理水稻产量最高，为9 315.53 kg/hm2，较WSN处理增产14.1%，较WS处理增产8.9%，差异均显著。可见，冬绿肥联合稻秆还田对水稻产量增产效果明显，并且紫云英和毛苕子联合稻秆还田的增产效果优于油菜联合稻秆还田处理。

由表1还可以看出，绿肥联合稻杆还田可以提高水稻有效穗数和穗粒数。与WSN处理相比，2019年稻秆还田处理水稻有效穗数和穗粒数增幅分别为40.2%～44.5%和2.8%～16.9%，2020年增幅分别为39.1%～53.6%和15.3%～21.9%。水稻穗粒数均以CS处理最高，其次为HS，二者较WSN分别增加16.9%～21.9%和9.1%～19.3%，说明冬种紫云英和毛苕子联合稻秆还田处理可显著增加水稻有效穗数和穗粒数。各处理间水稻千粒质量无显著差异。

表1 冬绿肥联合稻秆还田对水稻产量及其构成要素的影响

2.2 冬绿肥联合稻秆还田对稻田土壤养分含量的影响

由图1可以看出，冬绿肥联合稻秆还田明显提高了稻田土壤养分含量。2020年9月，冬季休闲联合稻秆还田处理的稻田土壤速效钾、速效磷、有机质和全氮含量均显著高于稻秆不还田处理。土壤速效磷和全氮含量均表现为CS>HS>RS>WS>WSN，CS处理显著高于RS、WS和WSN处理，但与HS处理差异不显著。土壤有机质含量表现为CS>RS>HS>WS>WSN，CS处理显著高于HS、WS和WSN处理，但与RS处理差异不显著。土壤速效钾含量表现为RS>HS>CS>WS>WSN，RS处理显著高于CS、WS和WSN处理，但与HS处理差异不显著。可见，冬绿肥联合稻秆还田具有明显增加土壤养分含量的作用，并且以紫云英联合稻秆还田处理效果最好。

图1 冬绿肥联合稻秆还田对水稻收获后土壤养分含量的影响

相关性分析结果表明，2020年9月土壤速效磷和全氮含量均与水稻产量呈极显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.983和0.978，土壤速效钾和有机质含量均与水稻产量呈显著正相关(P<0.05)，相关系数分别为0.921和0.896。

2.3 冬绿肥联合稻秆还田对稻田土壤微生物的影响

2.3.1 微生物数量 由表2可以看出，冬绿肥联合稻秆还田和水稻生育期明显影响稻田土壤微生物数量。水稻移栽前和水稻收获后，WS处理稻田土壤微生物总数较WSN处理分别增加99.03%和28.09%；与WSN处理比较，CS、RS和HS处理稻田土壤微生物总数分别增加70.15%～336.19%，48.57%～183.11%和57.33%～293.55%。可见，不同冬绿肥联合稻秆还田对土壤微生物总数的提升效果均有显著增强，并且以紫云英联合稻秆还田对土壤微生物总数提升效果最好。

由表2还可知，与WSN处理比较，CS、HS和RS处理稻田土壤细菌数量在水稻移栽前增幅分别为348.86%，304.55%和189.77%，在水稻收获后增幅分别为73.68%，63.16%和55.26%。冬绿肥联合稻秆还田对稻田土壤真菌数量有明显抑制作用，在水稻收获后，与WSN处理比较，CS、HS和RS处理对稻田土壤真菌数量抑制率分别为36.99%，16.44%和13.70%。冬绿肥联合稻秆还田对稻田土壤放线菌数量有一定提高作用，与WSN处理比较，CS、HS和RS处理稻田土壤放线菌数量在水稻移栽前增幅分别为20.25%，6.90%和9.36%，在水稻收获后增幅分别为51.46%，25.00%和11.04%。可见冬绿肥联合稻秆还田对土壤细菌数量有明显提高作用，并且水稻移栽前的增幅大于收获后。

表2 冬绿肥联合稻秆还田对稻田土壤微生物数量的影响

相关性分析结果表明，水稻移栽前和水稻收获后，土壤细菌和放线菌数量均与水稻产量呈显著正相关(P<0.05)，而土壤真菌数量与水稻产量呈显著负相关(P<0.05)。

2.3.2 微生物群落结构 土壤微生物中细菌与真菌数量的比值(B/F)可作为土壤肥力的衡量指标，其与土壤养分含量呈显著正相关。由图2可以看出，水稻移栽前和水稻收获后，WS处理B/F值显著高于WSN处理，CS处理B/F值均显著高于其他各处理。可见紫云英联合稻秆还田处理对B/F值提升效果最好。

相关性分析结果表明，土壤微生物B/F值与水稻产量呈正相关，相关系数为0.83。

由图3可以看出，冬绿肥联合秸秆还田对土壤微生物结构有一定的调整作用。水稻移栽前，WS处理土壤微生物中细菌占比高于WSN处理，而土壤真菌、放线菌占比低于WSN处理。CS、HS和RS处理土壤细菌占比均显著高于WSN处理，而土壤真菌、放线菌占比均低于WSN处理，且后者差异显著。水稻收获后，CS、HS和RS处理土壤细菌占比均显著高于WSN处理，而土壤真菌、放线菌占比均低于WSN处理, 且后者差异显著。可见，冬绿肥联合稻秆还田提高了土壤细菌比例，降低了真菌和放线菌比例，将土壤微生物由真菌型结构向细菌型结构调整，有效地改善了土壤微生物群落结构。

图3 冬绿肥联合稻秆还田对稻田土壤微生物比例的影响

2.4 冬绿肥联合稻秆还田对稻田土壤酶活性的影响

由表3可以看出，冬绿肥联合稻秆还田显著影响土壤酶活性。水稻收获后，与WSN处理比较，CS、HS和RS处理稻田土壤酶总活性分别增加27.29%，21.96%和19.81%。CS处理土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、脱氢酶活性均显著高于其他处理，较WSN处理分别增加17.69%，3.85%，35.36%和62.32%。可见，冬绿肥联合稻秆还田对土壤酶活性具有明显增强作用，并且紫云英联合稻秆还田的增强效果最好。

表3 冬绿肥联合稻秆还田对水稻收获后土壤酶活性的影响

相关性分析结果表明，水稻收获后土壤过氧化氢酶、脲酶活性与水稻产量呈显著正相关(P<0.05)，土壤蔗糖酶、脱氢酶活性与水稻产量呈正相关。

3 讨 论

研究表明，绿肥与稻草联合还田能够提高南方双季稻产量[20]，这与本研究中紫云英和毛苕子联合稻秆还田能够提高汉中盆地水稻产量的结果一致。本研究结果显示，水稻有效穗数和穗粒数以紫云英联合稻秆还田处理最高，相关性分析结果表明，水稻籽粒产量与有效穗数和穗粒数呈显著正相关，这与廖育林等[21]的研究结果一致，说明紫云英联合稻秆还田主要通过促进水稻有效穗数和穗粒数的增加来达到水稻籽粒产量提高的目的。

绿肥和秸秆还田均能提高土壤质量，稻草高茬-紫云英联合还田具有提升土壤养分、改善土壤肥力的作用[22]。本研究中，绿肥联合稻秆还田能够明显提高土壤有机质、速效钾、速效磷和全氮含量，其中紫云英联合稻秆还田处理土壤的速效磷、有机质和全氮含量高于其他各处理，表明紫云英的培肥作用比油菜 、毛苕子联合稻秆还田或者单独稻秆还田更强。

微生物作为土壤微生态环境中生理活性最强的部分之一，在营养元素的循环利用、土壤肥力的保持与提高等方面有着极其重要的作用[23]。本研究结果表明，紫云英联合稻秆还田可显著提高土壤细菌、放线菌和微生物总量，这与杨曾平等[24]就长期种植绿肥对红壤性稻田土壤微生物影响的研究结果一致。本研究发现，在水稻移栽前，紫云英和毛苕子联合稻秆还田处理可有效改善稻田土壤微生物群落结构，在土壤微生物总量中细菌比例上调，而真菌和放线菌比例下调，B/F值升高。这可能是由于紫云英和毛苕子与稻秆还田后降低了土壤C/N，提高了土壤养分含量，这不仅促进了水稻地上部和根系生长，同时为土壤微生物繁殖提供了充足的碳源，促进了土壤细菌的繁殖，抑制了土壤真菌数量的增加，使土壤微生物由真菌型向细菌型结构调整，从而达到改善土壤微生物环境的效果。本研究还发现，在水稻移栽前和收获后，紫云英联合稻秆还田处理的B/F值高于其他处理，说明紫云英具有持续改善土壤微生物群落结构、提高土壤生物活性的作用，较毛苕子和油菜更具潜在优势，但其具体如何发挥作用还有待进一步探索。

土壤酶主要由土壤动物、根系产生，或来自残体分解和土壤微生物代谢过程，其活性高低能反映出土壤的生物活性和生化反应强度。土壤酶活性与土壤肥力和土壤健康状况密切相关，是衡量土壤生态环境质量的重要生物学指标[25-26]。刘国顺等[27]研究表明，连年翻压绿肥可显著增加土壤酶活性，这与本研究结果一致，原因可能在于绿肥根系在生长过程中对土壤形成穿刺效应，根老化凋亡后，土壤形成很多微孔隙，秸秆还田腐解后也能增加土壤的孔隙度，在改善土壤根系通透性方面两者起到双重作用，有效增强了土壤含氧量，从而提高了土壤酶活性。由相关性分析可知，土壤脲酶和过氧化氢酶活性与水稻籽粒产量呈显著正相关，说明紫云英联合稻秆还田主要通过增加土壤脲酶和过氧化氢酶活性，从而提高了土壤的生物活性，进一步促进了水稻籽粒产量的增加。

4 结 论

冬绿肥联合稻秆还田有利于水稻产量增加，以及耕层土壤速效钾、速效磷、有机质和全氮含量的积累。冬绿肥联合稻秆还田显著提高了土壤微生物总数，使土壤细菌比例上调，而真菌和放线菌比例下调，有效地改善了土壤微生物群落结构。冬绿肥联合稻秆还田有利于土壤脲酶、脱氢酶、蔗糖酶活性的增强。紫云英联合稻秆还田表现效果最佳，毛苕子和油菜联合稻秆还田表现相当。因此，冬种紫云英联合稻杆还田有利于水稻产量增加和土壤养分含量提升，同时有利于土壤微生物群落结构改善和土壤酶活性增强，为适宜汉中地区水稻生产的绿色高效栽培种植模式。