长期化肥和有机肥施用对双季稻根茬生物量及养分积累特征的影响

柳开楼，张会民，韩天富，周利军，李大明，胡志华，黄庆海，叶会财，徐小林，胡惠文

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，南昌330046）

土壤肥料·节水灌溉·农业生态环境

长期化肥和有机肥施用对双季稻根茬生物量及养分积累特征的影响

柳开楼1,2，张会民1，韩天富1，周利军2，李大明2，胡志华2，黄庆海2，叶会财2，徐小林2，胡惠文2

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，南昌330046）

【目的】作物根茬还田不仅促进作物吸收的养分归还农田系统，而且可以培肥土壤。然而，在双季稻区，有关不同施肥措施下根茬生物量的变化及养分积累特征则仍不明确。【方法】基于1981年开始的进贤双季稻长期定位试验，于 2012年分别采集早晚稻成熟期不施肥（CK）、氮磷钾肥（NPK）、2倍的氮磷钾肥（2NPK）和氮磷钾肥与有机肥配施（NPKOM）处理的水稻秸秆、籽粒、根茬和土壤样品，分析不同施肥处理下根茬生物量及氮磷钾养分积累量的变化趋势，探讨影响根茬生物量及养分积累量的关键肥力因子。【结果】根茬生物量和养分积累量及占总植株的比例均呈现出早稻季明显高于晚稻季，且有机无机肥配施处理可以显著提升水稻的根茬生物量及氮磷钾养分积累量。与NPK处理相比，NPKOM处理的早稻根茬生物量及氮磷钾积累量分别增加了20.58%、17.34%、270.66%和37.89%，晚稻季根茬生物量及氮磷钾积累量的增幅为23.85%、17.88%、262.55%和37.96%。但是，在早稻季，NPKOM处理的根茬生物量及氮钾养分积累量占总植株的比例则分别比NPK处理降低了22.18%、33.90%和26.70%，晚稻季NPKOM处理的降幅分别为4.91%、39.41%和27.06%，而根茬磷素的比例则呈增加趋势。进一步通过多元回归分析发现，在所有肥力指标中，土壤全磷和有效磷是影响水稻根茬生物量及氮磷钾养分积累量的关键肥力因子（P＜0.05）。【结论】长期有机无机肥配施可以显著增加根茬生物量及氮磷钾养分积累量，但却显著降低了根茬氮钾养分占总植株的比例。且当其他条件相同的情况下，施肥措施主要通过土壤磷含量调控早晚稻的根茬生物量及养分积累量。

根茬生物量；养分积累；土壤肥力；双季稻；长期试验；化肥；有机肥

Abstract:【Objective】 Rice root returned to soil not only promotes mineral nutrients returned to soil, but also improves soil fertility. However, little information is reported about the root biomass and root nutrients accumulation. 【Method】 Based on the long-term field experiment started from 1981, four treatments were chosen, (1) no fertilizer treatment (CK), (2) nitrogen (N),phosphorus (P) and potassium (K) fertilizers (NPK), (3) Double rates of NPK fertilizers (2NPK), (4) NPK + manure (NPKOM). Thesoil and plant were sampled and measured in 2012. The changes of rice root biomass and their N, P, K contents were analyzed, then,the response of soil fertility factor to root were explored. 【Result】 Rice root biomass, nutrient accumulation and their proportions in whole plant were shown that early rice was significantly higher than that of late rice among all treatments, meanwhile,application of chemical and organic fertilizers increased significantly root biomass and nutrient accumulation in both rice growing seasons than other treatments. Compared with NPK, the root biomass and N, P and K accumulation in early rice growing season increased by 20.58%, 17.34%, 270.66% and 37.89%, respectively; and correspondingly the values in later rice season were 23.85%,17.88%, 262.55% and 37.96%, respectively. However, compared with early rice, the proportions of root biomass, N and K accumulation in whole plant in NPKOM treatment in the late rice growing season decreased by 22.18%, 33.90% and 26.70%,respectively; and correspondingly the values in NPK treatment were 4.91%, 39.41% and 27.06%, respectively. Conversely, the proportions of root P accumulation in whole plant in NPKOM treatment in late rice growing season showed an increase tread in comparing with early rice growing season. Further, its multivariate regression analysis showed that soil total P and available P contents were key factors in the increase of rice root biomass and the accumulation of N, P, K in root. 【Conclusion】 Long-term application of organic and inorganic fertilizers increased rice root biomass and nutrient accumulation, but decreased the proportions of rice root N and K accumulation in whole plant. Moreover, soil P content played an important role in rice root growth and nutrient accumulation.

Key words:root biomass; nutrient accumulation; soil fertility; double rice system; long-term field experiment; chemical fertilizer; organic fertilizer

0 引言

【研究意义】在中国的水稻生产中，位于长江中下游的双季稻种植模式一直处于国家水稻生产的主导地位，为国家和地区的粮食安全与稳定发挥着巨大作用[1]。水稻根茬还田既补充了土壤碳源，又归还了大量的氮磷钾养分，从而使水稻土维持一定的肥力水平[2]。因此，研究水稻根茬变化对于土壤培肥和化学肥料减施均具有十分重要的意义。【前人研究进展】目前，在有关水稻根茬的计算中，人们普遍采用其占总生物量的15%进行统计，缺乏对施肥因素的考虑。大量研究证实，施肥措施可以显著影响水稻的根系生长和形态结构[3-5]。因此，研究和量化不同施肥措施下水稻根茬生物量和养分积累量，对于分析土壤肥力质量变化的影响因素具有重要的意义。在前人的研究中，由于对根茬生物量的重视不够以及相关数据的缺失，很多人在模型预测和有机碳平衡研究中往往把不同施肥措施下的根茬生物量占地上部的比例简单设为统一的量，从而导致研究结果存在较大的不确定性[6-8]。以往的研究表明，在不同的施肥措施中，有机无机肥配施可以显著提高水稻籽粒和秸秆生物量，并显著增加了土壤有机质和氮磷钾养分含量[9-10]。同时，这些土壤肥力指标的提升可以显著影响水稻根系乃至根茬的生物量和养分累积。要文倩等[11]研究表明，与籽实、秸秆相比，不同施肥方式对水稻根茬生物量的影响更加明显。苗惠田等[12]研究表明，在潮土上氮磷钾肥配施及有机无机肥配施能有效提高碳同化物在玉米植株、籽粒和穗轴中的分配比例，从而降低碳同化物在茎叶和根茬中的分配比例及其C/N。因此，根茬及其养分对不同施肥措施的响应存在显著差异，且施肥措施导致的土壤肥力变化也可以显著影响根茬生长。李忠佩等[13]等研究认为，增加土壤全氮含量可以显著降低水稻根茬占总生物量的比例。【本研究切入点】目前，长期施肥试验的研究主要集中在施肥-土壤-产量三者的关系上，而从根茬角度研究长期不同施肥措施的差异性则主要集中在玉米根茬上[14-17]。在我国的双季稻区，早晚稻的生育期、品种特性及生长环境条件差异较大，且早稻的根茬还田会直接影响晚稻生长，但目前有关不同施肥措施对早晚稻根茬的影响还不是十分明确。【拟解决的关键问题】本研究基于长达32年的双季稻定位试验，分别在早晚稻成熟期采集了不施肥（CK）、施氮磷钾肥（NPK）、施2倍的氮磷钾肥（2NPK）和氮磷钾肥与有机肥配施（NPKOM）处理的土壤和水稻秸秆、籽粒、根茬样品，以期量化不同施肥措施下根茬生物量和养分累积量及所占比例，并结合土壤肥力指标探讨了影响根茬生物量和养分积累量的关键指标，从而为指导双季稻区的土壤肥力质量调控提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江西省进贤县张公镇江西省红壤研究所内，经纬度为 116°20'24″E、28°15'30″N。该试验区属中亚热带季风气候，年均降雨量1 727 mm，年蒸发量1 100 mm。年均气温17.7—18.5 °C，最冷月（1月）平均气温为4.6 °C，最热月（7月）平均气温为28.0—29.8 °C。海拔高度25—30 m，为典型的低丘红壤地区，土壤类型为第四纪红黏土发育的潴育型水稻土，剖面构型为：A－P－W1－W2－G。1981年试验开始时耕层土壤pH 6.90，有机碳16.30 g·kg-1，全氮1.49 g·kg-1，全磷 0.48 g·kg-1，全钾 10.39 g·kg-1，碱解氮144.00 mg·kg-1，有效磷（NaHCO3-P）4.15 mg·kg-1，速效钾（NH4OAc-K）80.52 mg·kg-1。

1.2 试验设计

本研究选取了4个施肥处理，分别为（CK）不施肥处理；（NPK）施用氮肥、磷肥和钾肥，早稻季和晚稻季的N、P2O5和K2O均为90、45和75 kg·hm-2；（2NPK）施用2倍的氮肥、磷肥和钾肥，早稻季和晚稻季的 N、P2O5和 K2O 用量均为 180、90和 150 kg·hm-2；（NPKOM）施用氮肥、磷肥和钾肥（早稻季和晚稻季的 N、P2O5和 K2O 均为 90、45和 75 kg·hm-2），同时早稻季施紫云英（鲜重 22 500 kg·hm-2）和晚稻季施新鲜猪粪（鲜重22 500 kg·hm-2）。每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积46.7 m2。氮肥、磷肥和钾肥的种类为尿素（N为46%）、钙镁磷肥（P2O5为12.5%）和氯化钾（K2O为60%），鲜紫云英含水量为80.50%，烘干后紫云英有机碳、氮、磷、钾含量分别为46.70%、0.80%、0.22%、0.70%；鲜猪粪含水量70.60%，有机碳、氮、磷、钾含量分别为34.00%、1.20%、0.90%、1.00%。其中磷肥、有机肥全部做基肥一次性施用，氮肥70%做基肥，30%在返青期做追肥施用，钾肥50%做基肥，50%在返青期做追肥施用。

1.3 测定指标

籽粒、秸秆和根茬生物量：水稻样品于2012年早稻和晚稻成熟期采集，每个小区采集水稻8 株。水稻根茬采集方法为铁锹挖取，取样深度为0—40 cm。取出的水稻植株分开籽粒、秸秆和根茬，其中籽粒和秸秆的生物量按照常规方法烘干称重；而根茬样品用干净尼龙网袋包裹后带回实验室，将水稻根茬放在0.15 mm 筛中用清水洗去附着的土壤，防止细小根系损失，清水洗净后再用蒸馏水冲洗，105℃杀青0.5 h，85℃烘干，烘干后测定根茬生物量。粉碎并过0.25 mm筛备用。

籽粒、秸秆和根茬养分含量：所有样品经H2SO4-H2O2消煮后，全氮用微量凯氏定氮法测定，全磷用钼锑抗比色法测定，全钾用火焰光度计法测定。

根茬生物量及氮磷钾养分占总植株比例的计算公式如下：

在式（1）—（4）中，BProot表示根茬生物量占总生物量的比例（%），Broot、Bgrain和Bstraw分别表示根茬、籽粒和秸秆的生物量（kg·hm-2）；NProot、PProot、和 KProot表示根茬氮磷钾积累量占总植株的比例（%），Nroot、Ngrain和Nstraw分别表示根茬、籽粒和秸秆的氮含量（g·kg-1），Proot、Proot和 Proot分别表示根茬、籽粒和秸秆的磷含量（g·kg-1），Kroot、Kgrain和Kstraw分别表示根茬、籽粒和秸秆的钾含量（g·kg-1）。

数据记录和整理采用Microsoft Excel 2003；数据统计分析采用SPSS 13.0，多重比较采用LSD分析法，多元回归统计方法采用SAS 9.1软件进行；作图采用Origin 8.1。

2 结果

2.1 长期施肥下双季稻的根茬生物量变化特征

不同施肥措施的早晚稻根茬生物量存在显著差异。图1结果表明，早晚稻根茬生物量均表现出有机无机肥配施（NPKOM）处理最高，2倍氮磷钾肥（2NPK）和氮磷钾肥（NPK）处理次之，不施肥（CK）处理最低。与 CK处理相比，NPKOM处理的早晚稻根茬生物量分别增加了29.24%和32.35%；与NPK处理相比，NPKOM 处理的早晚稻根茬生物量分别增加了20.58%和23.85%。其中早稻季各处理的根茬生物量均存在显著差异，但晚稻季则呈现出 NPKOM和2NPK处理间、NPK和CK处理间差异不显著。两季合计的趋势与早稻季一致，也呈现出 NPKOM＞2NPK＞NPK＞CK，且NPKOM处理的两季合计根茬生物量比CK处理增加了30.79%，比NPK处理提高了22.21%。

图1 长期化肥和有机肥施用下早晚稻的根茬生物量变化Fig. 1 Root biomass of early and late rice in long-term application of chemical and organic fertilizers

图 2 长期化肥和有机肥施用下早晚稻的根茬占总生物量的比例Fig. 2 The proportion of root biomass in whole plant of early and late rice in long-term application of chemical and organic fertilizers

图2表明，在红壤双季稻区，连续32年施肥下，早稻季各处理根茬占总生物量的比例分别为 8.76%—12.72%，而晚稻季则明显较低（7.94%—8.90%），两季合计的比例为8.33%—10.44%。在不同处理之间，早稻季均表现出 CK处理中根茬占总生物量的比例最高，其次为NPK和2NPK，NPKOM处理最低；在晚稻季，虽然各处理差异不显著（P＞0.05），但也呈现出与早稻相似的规律；两季合计的结果也显示NPKOM处理显著较低，其根茬占总生物量的比例比 CK降低了 31.14%，比 NPK处理降低了22.18%。因此，有机无机肥配施显著降低了根茬占生物量的比例。

表1 长期化肥和有机肥施用下早晚稻的根茬养分含量Table 1 Root nutrient contents of early and late rice in long-term application of chemical and organic fertilizers

2.2 长期施肥下双季稻的根茬养分含量和累积特征

不同施肥措施显著影响早晚稻的根茬氮磷钾含量（表1）。与CK处理相比，早稻季NPK、2NPK和NPKOM处理的根茬含氮量分别增加了38.15%、44.44%和34.44%，晚稻季的增幅分别为38.66%、48.70%和31.97%，而NPK、2NPK和NPKOM处理间则不存在显著差异。但是在根茬磷钾含量上，早晚稻则呈现出 NPKOM ＞ 2NPK ＞ NPK ＞ CK（除了晚稻季根茬含钾量表现出 NPKOM、NPK和 2NPK＞CK之外）。

水稻根茬养分累积量可以综合表征其生物量和养分含量。从表2可以看出，水稻根茬中积累的养分以氮素和钾素最多，其次为磷素。早稻季、晚稻季和两季合计的根茬氮积累量规律为2NPK、NPKOM ＞ NPK＞ CK，而磷钾积累量则呈现出 NPKOM ＞ 2NPK ＞NPK ＞ CK。这表明长期有机无机肥配施可以显著增加根茬氮磷钾养分积累量。从两季合计来看，NPKOM处理的氮、磷、钾养分积累量分别比 CK增加为74.15%、530.77%、184.47%，比NPK增加17.62%、264.44%、37.95%。

表2 长期化肥和有机肥施用下早晚稻的根茬养分积累量Table 2 Root nutrient accumulation of early and late rice in long-term application of chemical and organic fertilizers

在双季稻上，长期不同施肥可以显著影响根茬氮磷钾养分占总植株的比例（表3）。在早稻季，根茬积累的氮素和钾素比例以CK处理最高、NPK和2NPK次之，NPKOM处理最低，其中NPKOM处理的氮素所占比例分别比 CK和 NPK处理降低了38.17%和33.90%，钾素所占比例的降幅分别为35.21%、26.70%；而根茬积累的磷素比例则呈现出NPKOM ＞ CK ＞ 2NPK ＞ NPK，NPKOM 处理分别比CK和NPK增加了 31.98%和89.79%。与早稻季相比，晚稻季和两季合计中各处理根茬氮磷钾所占比例明显偏低，但各处理间的规律与早稻季一致。因此，长期有机无机肥配施可以显著降低根茬氮钾养分占总植株的比例，但显著增加了根茬磷素的比例。

表 3 长期化肥和有机肥施用下早晚稻的根茬氮磷钾养分积累量占总植株的比例Table 3 Proportion of root nutrients accumulation to whole plant of early and late rice in long-term application of chemical and organic fertilizers

2.3 根茬生物量及养分积累量对土壤肥力的响应关系

土壤肥力状况可以影响水稻根茬的生物量及养分积累量，多元回归分析表明（表 4），在所有肥力指标中，土壤全磷和有效磷是影响水稻根茬生物量及氮磷钾养分积累量的关键因子（P＜0.05）；而对于根茬生物量及氮磷钾养分占总植株的比例等指标，除了土壤碱解氮是影响水稻根茬磷素占总植株比例的关键因子之外，也呈现出土壤全磷和有效磷是关键的影响因子。因此，在双季稻区，当其他条件一致的情况下，土壤全磷和有效磷含量是调控水稻根茬生物量及养分积累量的关键驱动因子。

表4 土壤肥力因子与根茬生物量及养分积累量的多元线性回归（逐步回归）分析Table 4 Analysis of multiple linear regressions (stepwise regression) for root biomass, root nutrients accumulation, and soil fertility factors

3 讨论

根系对于作物的养分吸收具有重要的支撑作用[18-19]，而在作物收割后，根茬又可以进一步补充土壤养分库容，从而在一定程度上维持了土壤肥力质量。在本研究中，早晚稻的根茬生物量受施肥措施影响较大，与其他处理相比，有机无机肥配施可以显著促进作物根系生长[20]，从而提升根茬生物量。这主要与土壤培肥促进了地上部和地下部的协同生长有关[12,21-23]，且有机无机肥配施可以通过改善土壤物理、化学和生物学性质来促进作物根系的生长发育[24-25]，而良好的根系又进一步促进了养分向地上部运输[24]，从而保障作物高产。因此，有机无机肥配施是双季稻区合理的施肥措施。早晚稻季根茬占总生物量的比例存在较大差异，早稻季的比例为 8.76%—12.72%，而晚稻季则明显较低，为7.94%—8.90%，这一方面与早晚稻的品种特性有关，与早稻相比，晚稻的生育期和产量均明显较高，从而可能影响了根茬与总生物量的比例。另一方面，早稻的根茬还田也可以直接影响晚稻季的根系生长。与根茬生物量对施肥措施的响应不同，各处理间根茬占总生物量的比例则表现出CK处理最高，其次为NPK和2NPK，NPKOM处理最低，且各处理在早稻季的差异均达显著水平。李忠佩等[13]的研究也表明，土壤全氮含量越高，根茬占总生物量的比例越低。这可能是土壤养分水平太低，作物生长主要倾向于根系合成[21]，以获得更多的土壤养分有关。

不同施肥措施可以导致根茬生物量及其氮磷钾养分吸收和转运的差异[26-28]。在本研究中，施肥处理的根茬含氮量均显著高于不施肥处理，但各施肥处理间则不存在显著差异。这可能与根茬中的氮素向叶片和籽粒中转运有关。而在根茬磷钾含量上，各处理均呈现出有机无机肥配施处理最高，且其根茬的氮磷钾养分积累量也显著较高。因此，与其他施肥处理相比，有机无机肥配施可以通过根茬归还给土壤较多的氮磷钾养分[11]。然而，不同处理中根茬氮磷钾养分占总植株的比例则呈现出：长期有机无机肥配施显著降低根茬氮钾养分占总植株的比例，但显著增加了根茬磷素的比例。这可能与长期施肥通过影响土壤肥力改变籽粒、秸秆和根茬中氮磷钾的吸收、运移和分配有关[16]。有研究表明，有机无机肥配施可以延缓作物根系活力的下降幅度，从而使较多的养分向籽粒供应[29]。对于有机无机肥配施增加根茬磷素比例，则可能与有机肥投入较多的磷素有关[30]。

植物根系可以快速适应不同的土壤环境和肥力条件[31]，且较高的土壤肥力水平能够进一步促进根系生长[31-32]。在红壤地区，土壤中的铝、铁离子对磷素有强烈的固定作用，而施用的钙镁磷肥则大量在土壤中累积[33]，从而导致水稻的磷素利用率不高。同时，相比钙镁磷肥，紫云英和猪粪等有机肥中的磷素更容易被水稻根系吸收。本研究通过多元回归分析也证明，在所有肥力指标中，土壤全磷和有效磷是影响水稻根茬生物量及氮磷钾养分积累量的关键因子（P＜0.05）。因此，在双季稻区，通过有机无机肥配施调控土壤磷素含量是影响水稻根茬生长及养分积累的重要途径，且大量的水稻根茬还田可以在化肥减施的基础上补充土壤养分和培肥土壤，进而保持土壤的健康可持续性。但是，由于不同地区水稻种植中的水分管理和土壤类型差异较大，因此，影响水稻根茬的关键因子还有待进一步研究。

4 结论

在红壤区“早稻—晚稻—冬闲”模式下，与其他施肥处理相比，有机无机肥配施是提升早晚稻根茬生物量和氮磷钾养分积累量的最佳途径。但根茬及其养分积累量占总植株的比例均表现出早稻季明显高于晚稻季，这有利于进一步区分和细化早晚稻季的土壤培肥和化肥减施措施。

多元回归分析表明，当其他条件一致的情况下，土壤全磷和有效磷含量是影响早晚稻根茬生物量及养分积累量的关键肥力因子。因此，通过有机无机肥配施提升土壤磷素含量是调控水稻根茬生长的重要途径。

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（责任编辑 李云霞）

Effects of Long-Term Application of Chemical and Organic Fertilizers on Root Biomass and Nutrient in Double Cropping Rice System

LIU KaiLou1,2, ZHANG HuiMin1, HAN TianFu1, ZHOU LiJun2, LI DaMing2, HU ZhiHua2, HUANG QingHai2,YE HuiCai2, XU XiaoLin2, HU HuiWen2
(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2Jiangxi Institute of Red Soil/National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330046)

2017-03-04；接受日期：2017-04-26

国家重点研发计划重点专项（2016YFD0300901）、国家公益性行业（农业）科研专项（201203030）、江西省自然科学基金（20151BAB214008）、农业部植物营养与肥料学科群2014年开放基金课题

联系方式：柳开楼，Tel：15070822925；E-mail：liukailou@163.com。通信作者张会民，E-mail：zhanghuimin@caas.cn。通信作者黄庆海，E-mail：hqh0791@vip.sina.com