冬季种养结合对双季稻生长与土壤肥力的影响

张浪 周玲红 魏甲彬 成小琳 徐华勤肖志祥 唐启源 唐剑武

土壤肥沃程度是影响水稻高产的要素，施肥是水稻高产的基本措施，但生产上盲目过量使用化肥常会造成土壤耕层破坏和农田环境恶化[1]，因此，探索既能保障水稻稳产又能保育农田生态的农田利用新模式尤为紧迫且必要。稻田冬季绿肥还田-培肥土壤模式，前人已经做了大量研究，主要集中在土壤养分特征[2]、作物产量[3-4]、微生物学特征等方面[5]。在土壤养分及微生物方面，绿肥腐解既能提高有机质含量，活化土壤养分[6]，又能供后季作物养分吸收[7]；紫云英配施化肥能促进微生物的生长，有改善土壤养分的作用[8]。绿肥还田还能抑制杂草的生长[9]，避免土壤水分的蒸发和养分的逸散；在作物产量方面，紫云英翻耕还田后提高稻田有机质含量[10]，进而达到增产效果[11]；油菜还田能提高水稻叶面积指数、光合速率和干物质积累量[6]。诸多研究充分证实种植绿肥还田能调节水稻源库关系[12]，进而优化水稻群体结构[13]，提高水稻产量[14]。

绿肥种植虽然可以培肥地力和促进作物增产，但由于绿肥的直接经济效益不明显，农民种植绿肥的积极性并不高[15]。不过，饲草过腹还田能有效促进土壤质量提升，使作物增产[16]，作为一种经济效益和生态效益双赢的循环农业模式，在环境问题日益严重的当今社会正被大力推广，该类模式特别是稻田种养结合综合利用模式的效果和机理已经越来越受到学者的重视[17]。紫云英、黑麦草等冬季绿肥具有较高的营养价值，同时也是一种优质牧草。采用冬种紫云英和黑麦草结合养鸡模式[18]，紫云英和黑麦草作为高蛋白饲料可节省养鸡成本，鸡粪原位腐解实现绿肥过腹(鸡粪)还田，成鸡在春节前出栏具有较好的经济效益,鸡出栏后绿肥继续生长，还可有足够的生物量翻压进入土壤，为后季水稻提供有机肥源。本课题组的前期研究表明，该冬季种养模式能显著提高土壤微生物量碳氮和土壤可溶性碳氮的含量[19]，是一种良好的固碳减排措施[20]。本研究进一步报道冬季种养模式对稻田土壤养分及双季稻产量的影响，以期为南方实现生态效益与经济效益双赢的稻田生态保育提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2014－2015年在湖南农业大学耘园试验基地进行。试验基地属亚热带季风性湿润气候，土壤基础地力如下：有机质20.02 g/kg，全N 6.67 g/kg，全P 0.45 g/kg，全K 4.89 g/kg，pH值6.2。试验设置了5个处理：紫云英养鸡(milk vetch+chicken,MC)、黑麦草养鸡(ryegrass+chicken,RC)、单种黑麦草(ryegrass,R)、单种紫云英(milk vetch,M)，对照为冬闲(Winter Fallow,WF)，3次重复，小区面积14×10=140 m2。冬季阶段各小区皆不施肥。

2014年10 月中旬撒播黑麦草和紫云英，播种量分别为40和23 kg/hm2；2014年11月25日将苗龄30 d的鸡放入稻田，用笼子(尺寸3 m×3 m)养鸡(30只)，每笼每天补充玉米粉5 kg为鸡饲料，鸡饲料含N为1.80%。各养鸡小区内每7 d挪动一次鸡笼；2015年2月2日结束养鸡，且小区紫云英和黑麦草继续生长；2015年3月27日翻压绿肥和鸡粪，翻耕深度20 cm。RC、MC、R和M处理还田量分别为14.88、8.55、13.23和15.61 t/hm2，RC处理黑麦草N、P和K养分还田量约为372、40.18和306.53 kg/hm2，MC处理紫云英N、P和K还田量分别为235.13、56.43和163.31 kg/hm2，R处理N、P和K还田量分别为330.75、35.72和272.54 kg/hm2，M处理N、P和K还田量分别为429.28、103.03和298.15 kg/hm2，新鲜鸡粪原位还田量约为94.3 t/hm2，故鸡粪肥N、P2O5和K2O还田量分别约含为463.19、422.72 和 391.24 kg/hm2。

生长季早、晚稻采用育苗移栽种植双季稻。早稻供试品种为中嘉早17，移栽规格为16.7 cm×20 cm，每穴4苗。2015年4月18日播种，5月5日移栽，7月12日收获；晚稻供试品种为湘晚籼12，晚稻移栽规格20 cm×20 cm，每穴2苗。2015年6月27日播种，7月25日移栽，11月6日收获。早、晚稻分别在5月28日和8月19日达分蘖盛期开始晒田，持续7 d。水稻生育期各小区施肥量一致，但均减少肥料施用量，且基肥均不施氮肥。早稻施尿素(折合成纯氮)74.25 kg/hm2，施过磷酸钙(折合成P2O5)60 kg/hm2，施氯化钾(折合成 K2O)60 kg/hm2，晚稻则分别为102 kg/hm2，60 kg/hm2， 60 kg/hm2。早稻氮肥按m分蘖肥∶m穗肥=7∶3施用，晚稻氮肥按m分蘖肥∶m穗肥∶m粒肥=5∶3∶2 施用；早、晚稻磷肥做基肥一次性施用；早、晚稻钾肥按m基肥∶m穗肥=1∶1施用。其中，早稻的基肥、分蘖肥和穗肥的施用时间分别为5月4日、5月17日和6月16日，晚稻基肥、分蘖肥、穗肥和粒肥的施用时间分别为7月24日、8月3日、8月30日和9月12日。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤的采集与测定

取样时间分别为早稻种植前(2015年4月21日)、早稻苗期(5月13日)、分蘖盛期(5月28日)、孕穗期(6月11日)、齐穗期(6月27日)、成熟期(7月12日)；晚稻苗期(8月3日)、分蘖盛期(8月19日)、孕穗期(9月11日)、齐穗期(9月24日)、成熟期(11月6日)。采用5点取样法将采集完的土壤带回实验室后风干研磨过筛处理(其中早、晚到收获后均为成熟期土样)，取土深度为20 cm。土壤有机质含量测定采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法；土壤全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法；土壤全氮采用流动分析仪法；土壤全钾采用NaOH熔融-火焰光度法；土壤速效磷采用0.5 mol/LNaHCO3法；土壤速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法；土壤铵态氮采用靛酚蓝比色法[21]。硝态氮采用紫外分光光度法[22]。

1.2.2 植株生长指标及产量的测定

分蘖动态从移栽期起，各小区定点10蔸，每隔7 d记录一次茎蘖数，直至齐穗期；干物质量于早晚稻分蘖中期、孕穗期、齐穗期和成熟期4个时期按照平均数取样5蔸植株，剪去根，把茎鞘、叶、穗等分开放进牛皮纸袋中，105℃下杀青30 min后80℃下烘干至恒重，称量后计算出干物质产量；采用长×宽积系数法计算叶面积指数；早、晚稻收获时每小区连续调查 120穴的有效穗数进行室内考种；每个小区实割200穴植株脱粒后测算出实际产量。

1.3 统计分析

用SPSS 12.5软件处理系统进行数据分析，并用SigmaPlot 12.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 冬季种养对土壤肥力的影响

2.1.1 土壤有机质含量

土壤有机质含量随时间推移呈现先下降后增加的态势(图1)。与早稻种植前相比，早稻收获后各处理有机质含量均不同程度降低，晚稻收获后R和M处理有机质含量有所增加(图1)。与WF相比，整个生育期RC、MC、R和M处理土壤有机质含量变化范围分别为17.36%～21.96%、17.87%～22.95%、12.06%～13.47%和15.84%～16.21%，(图1)。与WF相比，M、R和MC、RC均能提高稻田有机质含量(P<0.05)，而与单种草相比，养鸡过腹还田后更有利于有机质含量的提升。

图1 种养结合对双季稻田土壤有机质含量的影响Fig.1. Effects of rice planting combined with chicken grazing on soil organic matter in double-cropping paddy field.

2.1.2 全氮、全磷和全钾

图2表明，早稻种植前和早、晚稻收获后，MC处理全氮含量最高，RC、R和M处理次之，WF最低。与WF相比，整个生育期RC、MC、R和M的全氮含量变化范围分别为73.73%～166.67%、129.41%～250.48%、70.34%～97.14%和66.91%～153.33%，具有显著差异(P<0.05)；土壤全磷含量变化范围为0.76～1.07 g/kg。无论是早稻种植前、早稻收获后，还是晚稻收获后，M处理全磷含量最高。早稻种植前，M较WF处理增加35.53%。早稻收获后，各处理之间无显著差异。晚稻收获后R、M较WF分别增加30.26%和40.79%(P<0.05)。在整个生育期，土壤全钾含量变化范围为13.45～16.35 g/kg，但各处理之间差异不显著。上述结果表明，较其他处理而言，MC处理能显著提高土壤全氮含量，M处理在提高全磷含量方面优于其他处理，各处理对全钾含量基本无显著影响。

2.1.3 铵态氮含量

由图3可见，土壤铵态氮含量随早稻生育期的变化呈先增长后下降的趋势，且在分蘖期达到最大值；晚稻基本上也呈现先增后降趋势，除了R处理外，其他处理的峰值都在分蘖期。在早稻分蘖期、晚稻返青期和分蘖期RC和MC处理铵态氮合量显著高于其他处理(P<0.05)。早稻在分蘖期达最高值，晚稻在生育前期较高，早晚稻在成熟期急剧下降。早晚稻整个双季稻生长季基本表现为MC＞RC＞M＞R＞WF。上述结果说明，在整个水稻生长季，相比其他各处理，铵态氮含量以MC和RC处理较高，MC处理最高。

图2 种养结合对双季稻田土壤全氮、磷、钾含量的影响Fig.2. Effects of rice planting combined with chicken grazing on soil total nitrogen content, total phosphorus content and total potassium content in double-cropping paddy field.

图3 种养结合对稻田土壤铵态氮含量的影响Fig.3. Effects of rice planting combined with chicken grazing on ammonium nitrogen content in soil of paddy field.

2.1.4 硝态氮含量

早稻硝态氮含量随生育期推进呈先降后增再降的趋势，且在返青期达最大值；晚稻则表现出“M”型变化趋势，NO3－-N含量分蘖期和齐穗期有两个峰值，其中分蘖期达最大值，灌浆期和成熟期急剧下降(图4)。在不同处理条件下，早稻和晚稻NO3－-N变幅较大，分别为1.41～15.57和0.59～11.92 mg/kg(图4)。早晚稻整个双季稻生长季基本表现为MC＞RC＞M＞R＞WF(图4)。上述结果说明，RC和MC处理下硝态氮含量显著高于WF，且MC处理最佳。

2.1.5 速效磷含量

图5显示，从双季稻整个生育期来看，除晚稻孕穗期外，土壤速效磷含量均以M处理最高。早稻速效磷含量均表现为M处理最高，除孕穗期和齐穗期外，M相比其他处理达到显著水平。早稻生长期速效磷含量变化较小，晚稻则相反；晚稻齐穗期速效磷含量降到最低，在成熟期达到最高值。早稻生育期间各处理显著高于WF处理，齐穗期、晚稻返青期和灌浆期，MC和M显著高于其他处理(P<0.05)。早、晚稻整个双季稻生长季速效磷含量基本表现为M＞MC＞RC＞R＞WF。除了晚稻孕穗期外，各处理之间速效磷含量以M处理最高。

2.2 冬季种养对后季双季稻产量及其构成的影响

2.2.1 分蘖消长动态

分蘖是水稻生长的一个重要特性，无论是早稻还是晚稻，随生育期的推进，分蘖数呈“S”型增长曲线，即先增加，达到最高分蘖数之后，逐渐下降并趋于稳定(图6)。早稻各处理除M和WF外，均在移栽后17 d达最高分蘖数，早稻RC、MC和M处理后期的有效分蘖数显著高于R和WF处理，晚稻分蘖数RC和MC高于其他处理。整个双季稻生长季除M处理外，均表现为MC＞RC＞M＞R＞WF，即MC处理下早晚稻的分蘖数更多。

2.2.2 叶面积系数的动态变化

图7表明，除WF外，早晚稻各处理分蘖期至孕穗期水稻叶面积系数逐渐上升，孕穗后叶面积系数逐渐下降。早稻RC和MC基本高于其他处理，在孕穗期与M和R差异显著。晚稻各生育时期RC、MC和M处理均高于R和WF，孕穗期和灌浆期与WF差异显著(P<0.05)。

图4 种养结合对双季稻田土壤硝态氮含量的影响Fig.4. Effects of rice planting combined with chicken grazing on soil nitrate nitrogen in double-cropping paddy field.

图5 种养结合对双季稻田土壤速效磷的影响Fig.5. Effects of rice planting combined with chicken grazing on soil available phosphorus content in double-cropping paddy field.

图6.种养结合对水稻分蘖数的动态变化Fig.6.Dynamics of rice tiller numbers under rice planting combined with chicken grazing.

由图7可知，早稻的叶面积系数与WF相比，在分蘖期RC、MC分别增加了130.72%、90.12%。在孕穗期与WF相比，RC、MC分别增加了99.04%和92.68%。RC在分蘖期比R和M分别增加61.52%和66.98%，在孕穗期增加了36.72%和22.02%。MC与R和M相比，在分蘖期分别增加了39.34%和44.05%，在孕穗期分别增加了38.56%和23.66%；与WF相比，晚稻叶面积系数在分蘖期RC、MC、R、M分别增加了25.60%、42.52%、13.09%和35.60%。在成熟期MC、RC、R、M与WF相比，分别提高了 62.16%、89.55%、41.01%和69.57%。这表明MC和RC更有利于提高后季水稻叶面积系数，R和M处理优于WF。

2.2.3 干物质量的动态变化

水稻各主要生育时期干物质积累测定结果如图8所示，早、晚稻干物质产量随水稻的生长逐渐增加，早、晚稻均表现为RC、MC＞R、M＞WF。早稻齐穗期前干物质量RC和MC显著高于其他处理(P<0.05)，孕穗期和成熟期RC和MC与R和M相近，但高于WF。而晚稻除分蘖盛期外，各处理呈MC＞RC＞M＞R＞WF。与对照WF相比，RC、MC、R和M处理下干物质量早稻分别增加了25.88%、25.55%、20.05%和19.34%；晚稻分别增加了31.71%、43.06%、17.61%和27.63%。早晚稻RC和MC的干物质量产量比R和M分别提高了4.57、5.48%和3.19、21.64%。这表明MC和RC处理更有利于后季水稻干物质量积累，R和M处理优于WF。

图7 种养结合对到水稻叶面积系数的动态变化Fig.7.Dynamics of rice leaf area index under rice planting combined with chicken grazing.

图8 种养结合对水稻干物质量的动态变化Fig.8.Dynamics of dry matter weight of rice under rice planting combined with chicken grazing.

2.2.4 产量及其构成

由表1可知，无论是早稻还是晚稻，理论产量均表现为MC＞RC＞R＞M＞WF，RC和MC均显著高于R、M和WF，MC处理的水稻产量最高，其次为RC处理。RC、MC处理下，早晚稻的有效穗均显著高于WF，增幅分别为26.90%、23.51%和24.65%、33.34%。早稻有效穗数RC显著高于R和M，分别高出10.80%和9.34%；晚稻有效穗数RC和MC显著高于M，分别高出11.32%和19.12%。每穗粒数早、晚稻均以M最高，且晚稻M和WF处理显著高于RC和MC处理(P<0.05)。实际产量RC和MC显著高于WF(P<0.05)。由此表明，MC和RC处理更有利于提高后季水稻产量，且MC为最佳处理，WF最低。

2.3 双季稻产量、各产量构成因素与土壤各化学性状之间的相关性分析

由表2可知，不同成熟期土壤养分含量与双季稻理论产量构成之间存在不同程度的相关性，以此影响水稻产量。就早稻而言，铵态氮含量与叶面积、干物质、有效穗数显著相关(P<0.05)；速效磷含量与分蘖数和叶面积指数显著相关(P<0.05)；全氮含量与分蘖数、干物质量显著相关(P<0.05)，与有效穗数极显著相关(P<0.01)，相关系数达到r=0.9613。全磷含量与叶面积指数显著相关(P<0.05)；有机质含量与干物质量和有效穗数显著相关(P<0.05)。这说明提高土壤铵态氮、全氮和有机质含量，进而提高了早稻有效穗数。对晚稻而言，硝态氮含量与干物质量显著相关(P<0.05)，与有效穗数极显著相关(P<0.01)；全氮与叶面积指数和干物质量显著相关(P<0.05)；有机质含量与分蘖数、干物质量极显著相关(相关系数r=0.9647、r=0.9852)；全钾与有效穗数显著相关(P<0.05)。说明硝态氮、铵态氮、有机质含量主要提高了晚稻有效穗数，全钾提高了每穗粒数。

表1 种养结合对水稻产量构成因素的影响Table 1. Effects of rice planting combined with chicken grazing on yield components of rice.

表2 双季稻产量、各产量构成因素与土壤理化性状之间的相关性Table 2.Correlation between rice yields,yield components and soil chemical properties.

总的来说，对于早稻，铵态氮、有机质和全氮含量主要影响水稻有效穗数；对于晚稻，硝态氮、铵态氮、有机质含量影响水稻有效穗数，以此达到增产。这表明冬季种养结合模式有利于提高后季水稻有效穗数。

3 讨论

绿肥还田能提高土壤养分和优化土壤结构[23-24]。如紫云英还田矿化后土壤氮含量升高，已经得到大量研究证实[25]，而黑麦草还田亦可使土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量增加[26]，其根茬腐解液中还存在促进水稻生长的活性物质，具有增产效益[27]。同时，有研究表明畜粪等有机肥还田也有良好培肥地力的效果[28]，而绿肥和牛粪混合堆腐后增加水溶性有机组分，更有利于作物吸收[29]。本研究通过冬闲稻田设置种草结合原位养鸡试验发现，与单种紫云英和黑麦草相比，种紫云英和黑麦草与养鸡组合显著提高水稻生育期土壤有机质和全氮含量，铵态氮和硝态氮的含量也显著增加。产生这种结果的原因可能是一方面田间原位放养鸡啄食紫云英或黑麦草后，代谢产生的鲜鸡粪中水分、粗脂肪、粗蛋白和粗灰分等含量很高，在微生物的作用下腐解成土壤养分，而这些腐解物中的有机成分易与水分子及土壤本身养分元素发生重组，活化了土壤养分，建立了新的土壤养分动态平衡[30]。而且，成年鸡啄食过程扰动了稻田土壤，提高了微生物的活性，加速了微生物的新陈代谢[31]。另一方面，早稻种植前，翻压的紫云英和黑麦草腐烂后，增加了土壤有机质[26]、氮含量[25]等。关于土壤磷变化过程不同研究结果不一致。赵鲁等[32]发现苜蓿茎叶还田显著提高了土壤速效磷含量，也有研究表明鸡粪能有效提高土壤磷素，秸秆还田能提高土壤钾的含量，两者配施益于互补[33]，但本研究中单种紫云英后土壤全磷和速效磷含量高于绿肥过腹还田处理，且土壤全氮处理之间无显著差异，其可能原因与紫云英和黑麦草的秸秆原位过腹还田后土壤淋失作用有关，这还需进一步探究其机理。

产量是评估农艺措施效果的主要指标。产量相关因素如分蘖数、叶面积系数、有效穗数、干物质量提高有利于促进水稻增产[34]，究其原因，可能是叶片光合作用合成干物质的速度加快，提高了水稻群体质量和光能利用率，促进产量的形成，同时也是源增库扩的结果[35]。胡志华等[36]研究发现紫云英结合猪粪和稻草覆盖模式利于水稻增产。马艳芹等[37]研究发现紫云英配施缓控氮肥在有效促进水稻增产的同时可提高氮肥利用率。也有研究表明，22500 kg/hm2紫云英搭配70%化肥的增产效果较好[38]。本研究发现较冬闲和单种绿肥相比，冬种紫云英和黑麦草过腹(鸡粪)还田后水稻产量相关因素如分蘖数、叶面积系数、有效穗数、干物质量均有提高，产量也得到促进。其原因可能是田间原位新鲜鸡粪腐解后与土壤养分建立更高层次的养分平衡，可以长期缓效及时补充作物对土壤养分的转化和吸收，而且早稻种植前翻耕绿肥、动物粪便与植物残体在土壤中又能发生互作[29]，促进后期植株对养分的持续利用，更加利于水稻的生长发育。

水稻产量、产量构成因素与土壤各化学性状之间关系极为密切。杨滨娟等[39]通过连续8年的试验，发现稻田冬种绿肥模式下水稻产量、产量构成与土壤碱解氮、有机质、pH值存在显著相关，这是改良土壤养分状况进而优化水稻产量构成的结果。本研究相关分析结论与之类似，土壤铵态氮、有机质、全氮和硝态氮含量与水稻产量显著相关，其主要原因是重塑的土壤养分结构增加，水稻有效穗数，表明本研究中冬季种养模式促进水稻增产的机制在于促进水稻植株对土壤氮素、有机质含量等的吸收，转化为水稻产量构成因素中有效穗数的增加。黄山等[40]的研究结果同样表明有机肥处理主要是通过提高有效穗数影响产量，本研究进一步证实了这一论点。

胡志华等[36]发现，绿肥紫云英与其他有机肥(秸秆、猪粪等)配施系统经济效益显著高于单一施用绿肥紫云英，绿肥过腹还田模式中的畜禽粪便等有机肥来自于原位养鸡，同样具有较好的增产效果。本研究利用冬季休闲稻田种草结合养鸡，鸡粪和绿肥的还田减少了化肥的投入量，降低了大量施用化肥造成的环境污染问题，减少了有机肥堆沤和运输的成本，稻田散养的生态土鸡在春节前上市具有良好的市场，而同样促进水稻增产，从而进一步提高了稻田生态系统的经济效益[41]。

与单种绿肥相比，将绿肥作为饲草通过养殖畜禽过腹还田，组建农田种养结合模式更有利于促进农作物增产[42-43]。而在可供选择的冬闲田养殖畜禽中，鸡的饲喂操作简便，在冬闲田种养结合模式上具有较好的发展潜力。章学东等[44]研究了冬闲田种草养鸡对土壤及后季作物的影响，发现撒播黑麦草两月后放养优质黄鸡于围栏内，种草养鸡的玉米单穗重对单种草提高13.1%，平均亩产量提高38.1%，土壤有机质含量也明显提高，与本研究的结论相似。本研究还发现，紫云英养鸡过腹还田后增产效果优于黑麦草养鸡过腹，黑麦草秸秆还田有助于土壤有机质含量的提升，而紫云英秸秆还田对土壤氮素的提升更有益，其与鸡粪结合后的增产效果可能与稻田土壤本身的碳氮比有关，具体的养分转化机理还不明晰。在冬闲田种养结合复合模式中，草的生长、鸡的采食和鸡粪腐解过程中的碳氮转化动态变化，还有待于进一步研究。

4 结论

较传统的冬闲或单种草相比，冬种紫云英和黑麦草过腹(鸡粪)还田能有效提高土壤有机质含量和全氮含量铵态氮、硝态氮含量，且冬季种植紫云英过腹(鸡粪)还田效果最好。与冬闲或单种绿肥相比，冬季种植紫云英和黑麦草过腹(鸡粪)还田更有利于水稻分蘖数、叶面积系数和干物质量与产量的提高，而且，冬季种植紫云英过腹(鸡粪)还田效果更佳。因此，冬季种植绿肥过腹还田不仅利用空闲农田产出了生态畜禽产品，并能满足后季水稻生长的养分需求，同时易于稻田土壤用养循环，具有较大的发展潜力。

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