冬季作物-双季稻轮作种植模式氮、磷、钾养分循环与产量可持续性特征*

2019-05-08张帆

中国生态农业学报(中英文) 2019年5期

张帆

张帆

(湖南省土壤肥料研究所长沙 410125)

研究分析农业生态系统NPK养分循环和产量的可持续性, 对实现养分资源优化管理和农业可持续发展具有重要意义。基于长期冬季作物-双季稻轮作种植定位试验, 分析了2004—2017年冬闲-双季稻、马铃薯-双季稻、紫云英-双季稻、黑麦草-双季稻、油菜-双季稻等轮作种植模式早、晚稻产量的可持续性与稳定性; 采用投入产出法(Input-Output Analysis)分析不同轮作种植模式NPK养分循环与平衡状况。结果表明: 1)黑麦草-双季稻模式早稻产量变异系数与可持续性指数分别为0.09和0.81, 说明稻田冬种黑麦草有利于促进早稻产量稳定性和可持续性的提高; 油菜-双季稻模式晚稻产量变异系数与可持续性指数分别为0.07和0.82, 说明稻田冬种油菜有益于晚稻产量稳定性和可持续性的提高; 2)长期冬季作物-双季稻轮作种植未影响水稻产量和糙米NPK养分含量(>0.05); 3)在稻田轮作种植周年内目前的NPK投入水平下, 黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻、马铃薯-双季稻等模式均存在严重的K亏缺现象, K亏缺量分别为375.70 kg(K)·hm-2、279.98 kg(K)·hm-2、363.71 kg(K)·hm-2、93.74 kg(K)·hm-2; 黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻等模式均在冬季作物种植季存在严重的K亏缺现象, K亏缺量分别为240.07 kg(K)·hm-2、89.57 kg(K)·hm-2、140.08 kg(K)·hm-2, 但马铃薯-双季稻模式在马铃薯种植季K盈余为255.21 kg(K)·hm-2; 同时黑麦草-双季稻模式和紫云英-双季稻模式均存在冬季作物种植季存在N亏缺, N亏缺量分别为59.47 kg(N)·hm-2和89.17 kg(N)·hm-2; 油菜-双季稻模式和马铃薯-双季稻模式在晚稻种植季均存在严重的K亏缺现象, K亏缺量分别为45.93 kg(K)·hm-2、124.33 kg(K)·hm-2。冬季作物-双季稻轮作种植模式的养分循环是冬季作物和外部投入的NPK肥料共同驱动的养分循环, 建议科学管理冬季作物和3季的NPK养分投入。

冬季作物; 双季稻; NPK; 养分循环; 产量可持续性指数; 稳定性指数

氮(N)、磷(P)、钾(K)是植物生长发育必需的营养元素。农业生态系统营养元素的循环是影响农业生产力、土壤质量和环境质量的重要过程, 投入和产出之间的平衡也是评价农业可持续生产的重要指标[1]。物质循环的研究有助于调节整个系统养分的平衡, 提高营养元素循环利用率, 掌握生产中养分的投入效率, 进而提高农业生态系统的净生产力和农业可持续发展[2-3]。

以冬闲田开发利用促进农民增收、稻田冬春温、光、水、土资源高效利用及用地与养地相结合为目的的冬季作物-双季稻轮作种植模式是湖南省双季稻区典型的多熟种植制度。目前对该轮作制度的研究主要集中在土壤微生物及酶[4-6]、土壤肥力[7-9]、稻田温室气体[10]、水稻生长[11-12]及效益评价[13]等方面。朱波等[14]研究表明, 在黑麦草()-双季稻()轮作模式中, 黑麦草鲜草翻压还田与尿素混施能够提高氮素利用率和改善稻田氮循环。杨滨娟等[15]研究显示, 在紫云英()-双季稻轮作模式中, 紫云英翻压还田60%且水稻施氮量减少40%能够提高氮素利用率和改善稻田氮循环。鲁艳红等[16]研究表明, 紫云英-双季稻轮作模式可维持水稻稳产、养分高效利用及土壤肥力, 早稻可用紫云英替代40%氮肥、20%钾肥, 晚稻减施40%氮肥、20%钾肥。但关于冬季作物-双季稻轮作种植模式NPK养分循环与水稻产量可持续性的研究极少。

本研究以13年长期冬季作物-双季稻轮作种植模式试验为平台, 分析其早、晚稻产量演变的可持续性与稳定性。同时以每季作物的大田生育期为各种植模式研究的时间边界(包括冬季作物大田生育期、水稻大田生育期), 采用投入产出法(Input-Output Analysis, IOA), 结合定性分析与定量研究, 揭示稻田各季节内及周年NPK养分循环与平衡状况, 以明确冬季作物-双季稻3熟制的养分互补关联, 完善稻田的养分管理, 同时为该模式的资源优化配置、稻季的丰产增效及农业可持续发展提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计与栽培管理

试验在湖南省土壤肥料研究所实验网室内进行, 试验小区均为防渗水泥池, 面积为1.1 m2, 规格为130 cm(长)×85 cm(宽)×100 cm(高), 四面及底部均严格密封, 并具有良好排灌设备。试验开始于2004年9月, 供试土壤为第四纪红黏土发育的红黄泥, 试验前耕层土壤基础理化性状为: 土壤有机碳13.3 g∙kg-1, 全氮1.46 g∙kg-1, 全磷0.81 g∙kg-1, 有效氮154.5 mg∙kg-1, 速效磷39.2 mg∙kg-1, 速效钾120.43 mg∙kg-1, pH为5.40。以冬季作物-双季稻轮作为种植制度, 试验设冬闲-双季稻(CK)、马铃薯()-双季稻(Potato)、黑麦草-双季稻(Ryegrass)、紫云英-双季稻(Milk vetch)、油菜()-双季稻(Rape)5种轮作模式, 采用随机区组排列, 3次重复。冬季作物马铃薯于11月下旬至12月初采用稻草覆盖、穴播种植, 密度为7.5×104穴∙hm-2(大约用马铃薯种子3 000 kg∙hm-2); 冬季作物黑麦草、紫云英、油菜均在晚稻收获10~15 d前套播, 播种量分别为22 kg∙hm-2、37.5 kg∙hm-2、4 kg∙hm-2; 对照处理未种植冬季作物, 主要植物为当地的冬季杂草。早稻移栽时间为每年5月的第1周, 晚稻移栽时间为每年7月的第2周(早稻收获第3天)。早稻和晚稻的插植密度均为20 cm×12.5 cm。早稻收获后其秸秆人工模拟机械粉碎翻压还田, 晚稻收获后秸秆不还田, 部分晚稻秸秆留作马铃薯栽培用。

氮、磷、钾化肥分别用尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)和氯化钾(含K2O 60%)。双季稻和冬季作物种植施肥制度见表1, 其中油菜根据生长情况追施氮肥; 黑麦草生长季刈割2次, 第1次刈割后追施氮肥; 早、晚稻均在移栽后的第7天追施氮肥。早稻移栽种植前的1~2周, 冬季作物均被收获, 其中黑麦草和紫云英被翻压还田用作绿肥, 还田量为25 t∙hm-2; 马铃薯和油菜收获后其秸秆作为绿肥均被全部翻压还田。

表1 不同冬季作物-双季稻轮作模式各作物的施肥量

1.2 样品采集与测定方法

1.2.1 水稻产量稳定性与可持续性的统计分析

运用2004—2017年长期定位试验早、晚稻产量数据分析早、晚稻产量稳定性与产量可持续性[17-19]。

产量稳定性用变异系数(CV)表示, 用来分析同一作物产量在不同年份间的变异程度, 其值越小, 说明产量稳定性越高, 计算方法如下:

产量可持续性指数(SYI)是衡量生态系统可持续生产的参数, 其值越大, 可持续性越好, 计算方法如下:

SYI=(-)/max(2)

式中:max为试验点最高产量

1.2.2 水稻样品的采集与测定

在2017年的早、晚稻收获期, 每重复小区随机取3丛水稻植株, 将植株样品分为地上部分(水稻籽粒和秸秆)和地下部分(即水稻根), 于105 ℃杀青1 h, 75 ℃烘干至恒重, 并测其各部分生物量。植株样全氮采用硫酸-过氧化氢消煮-扩散法测定[20], 全磷采用硫酸-过氧化氢消煮-钼锑抗比色法测定[20], 全钾采用硫酸-过氧化氢消煮-火焰光度法测定[20]。

在2016年和2017年对试验处理每小区单打单收测早稻、晚稻产量及糙米产量并测定糙米和谷壳的N、P、K含量, 测定方法同水稻植株样分析。

1.2.3 冬季作物样品的采集与测定

在2016—2017年轮作周期里, 冬季作物黑麦草每次刈割后, 测定每重复小区鲜草产量, 同时取鲜样0.5 kg测定其生物量; 紫云英翻压还田前, 测定每重复小区鲜草产量, 同时取鲜样0.5 kg测定其生物量; 油菜收获时, 测定每重复小区的油菜籽产量, 同时每重复小区取2株油菜植株测定其植株地上部分(即油菜秸秆)和地下部分(根)生物量; 马铃薯收获时, 测定每重复小区的马铃薯鲜薯产量和秸秆产量, 同时每小区取0.5 kg鲜薯样和0.5 kg马铃薯秸秆鲜样测定其生物量。冬季作物植株样、冬季作物种子的N、P、K含量测定方法同水稻植株样分析。

1.3 冬季作物-双季稻各种植模式系统的研究边界

本研究采用投入产出法(Input-Output Analysis, IOA)分析冬季作物-双季稻不同种植模式稻田各季节内及周年N、P、K养分循环与平衡状况, 因采用投入产出法, 所以各个种植季内作物吸收的N、P、K养分量(包括根、秸秆及籽粒)为系统输出项, 投入的肥料、前茬作物的根及还田的前茬作物秸秆、作物种子为各种植季系统的输入项。

1.4 数据处理

数据处理采用Microsoft Excel 2003软件进行, 方差分析和多重比较采用DPS 3.11(Data Processing System for Practical Statistics)软件进行, 多重比较采用Duncan新复极差法。

2 结果与分析

2.1 长期冬季作物-双季稻轮作种植模式早、晚稻的产量效应与产量可持续特征

2.1.1 早、晚稻的产量效应

从图1a历年早稻产量演变规律看, 仅在2006年、2008年、2013年及2014年部分模式之间表现出一定差异(<0.05), 其他年份各模式间无显著差异; 2006年、2008年及2014年紫云英-双季稻模式的早稻产量最高, 且2008年和2014年的早稻产量显著高于冬闲-双季稻模式(<0.05)。从图1b历年晚稻产量演变规律看, 2010年冬闲-双季稻模式晚稻产量显著高于油菜-双季稻模式(<0.05), 2011年各模式晚稻产量差异显著(<0.05), 其他年份各模式间无显著差异。从表2看, 冬季作物-双季稻轮作12年后对早、晚稻产量及早、晚稻糙米N、P、K养分含量无显著影响。

图1 长期冬季作物-双季稻种植模式对早稻(a)和晚稻(b)的产量效应

CK: 冬闲-双季稻模式; Potato:马铃薯-双季稻模式; Ryegrass: 黑麦草-双季稻模式; Milk vetch: 紫云英-双季稻模式; Rape: 油菜-双季稻模式。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice.

2.1.2 早、晚稻产量稳定性与产量可持续性

长期冬季作物-双季稻轮作种植模式下, 黑麦草-双季稻模式早稻产量变异系数为0.09, 且最小, 产量可持续指数为0.81, 最大, 说明冬种黑麦草有利于促进早稻产量稳定性和可持续性的提高。油菜-双季稻模式晚稻产量变异系数为0.07, 且最小, 产量可持续指数为0.82, 且最大, 说明冬种油菜有利于促进晚稻产量稳定性和可持续性提高(图2)。

2.2 冬季作物-双季稻轮作种植模式NPK养分循环与平衡特征

2.2.1 冬季作物种植季NPK养分循环与平衡特征

在冬季作物种植季节内, 冬季作物-双季稻不同种植模式N输入输出及平衡状况见表3。冬季作物经济目标输出包括收获的马铃薯鲜薯、油菜籽及刈割后饲用的黑麦草。本研究中各模式N输出主要指冬季作物吸收的N量。各模式土壤系统N输入高低顺序为: 马铃薯-双季稻模式>油菜-双季稻模式>黑麦草-双季稻模式>紫云英-双季稻模式, 马铃薯-双季稻模式因采用晚稻稻草覆盖种植, 前茬晚稻秸秆N输入为67.6 kg(N)∙hm-2, 占总输入的59.97%; 油菜-双季稻、黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻等模式N输入主要是化学肥料带入。各模式土壤系统N输出高低顺序为: 黑麦草-双季稻模式>紫云英-双季稻模式>马铃薯-双季稻模式>油菜-双季稻模式。黑麦草-双季稻模式N输出的56.74%被移出稻田土壤系统, 包括第1次刈割移出田的鲜草和第2次刈割后没有被作为绿肥翻压还田的鲜草; 紫云英-双季稻模式N输出的80.52%被用作绿肥翻压还田; 马铃薯-双季稻模式N输出的65.15%为鲜薯带出, N输出的34.85%被用作绿肥翻压还田(主要是马铃薯植株秸秆); 油菜-双季稻模式N输出的51.05%为油菜籽带出, N输出的48.95%被用作绿肥翻压还田(包括油菜秸秆和油菜地下部分)。

在冬季作物种植季节内, 冬季作物-双季稻不同种植模式P输入输出及平衡状况见表3。本研究中各模式土壤系统P输出主要指冬季作物吸收的P量。几种冬季作物种植时均施用了同等数量的磷肥作为基肥, 故黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻模式的土壤系统P输入主要是磷肥带入, 而马铃薯-双季稻模式的土壤系统P输入却包括49.06%的磷肥、20.97%的前茬晚稻秸秆、29.96%的马铃薯种子。各模式土壤系统P输出高低顺序为: 黑麦草-双季稻模式>马铃薯-双季稻模式>油菜-双季稻模式>紫云英-双季稻模式, 黑麦草-双季稻模式P输出的54.87%被移出稻田土壤系统, P输出的45.13%被作为绿肥翻压还田; 马铃薯-双季稻模式P输出的85.16%为鲜薯带出, P输出的14.84%被用作绿肥翻压还田; 油菜-双季稻模式P输出的67.96%为油菜籽带出, P输出的32.04%被用作绿肥翻压还田; 紫云英-双季稻模式P输出的80.17%被用作绿肥翻压还田。

在冬季作物种植季节内, 冬季作物-双季稻不同种植模式K输入输出及平衡状况见表3。本研究中各模式土壤系统K输出主要指冬季作物吸收的K量。几种冬季作物中只有马铃薯种植时施用了钾肥作为基肥, 故黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻模式的土壤系统K输入主要是各自的种子带入, 而马铃薯-双季稻模式的土壤系统K输入中钾肥占66.69%、前茬晚稻秸秆占30.19%、马铃薯种子占3.12%。各模式土壤系统K输出高低顺序为: 黑麦草-双季稻模式>马铃薯-双季稻模式>油菜-双季稻模式>紫云英-双季稻模式, 黑麦草-双季稻模式K输出的61.24%被移出稻田土壤系统, K输出的38.76%被作为绿肥翻压还田; 马铃薯-双季稻模式K输出的49.27%为鲜薯带出, K输出的50.73%被用作绿肥翻压还田; 油菜-双季稻模式K输出的6.38%为油菜籽带出, K输出的93.62%被用作绿肥翻压还田; 紫云英-双季稻模式K输出的83.90%被用作绿肥翻压还田。

表2 不同冬季作物-双季稻轮作模式早、晚稻产量及糙米N、P、K养分含量

CK: 冬闲-双季稻模式; Potato:马铃薯-双季稻模式; Ryegrass: 黑麦草-双季稻模式; Milk vetch: 紫云英-双季稻模式; Rape: 油菜-双季稻模式。同一年份同列不同字母表示在5%水平上差异显著。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice. Different letters in the same column denote significant differences at 5% in the same year.

图2 不同冬季作物-双季稻轮作模式早稻(a)和晚稻(b)产量可持续指数(SYI)与变异系数(CV)

表3 冬季作物-双季稻轮作种植模式冬季作物种植季稻田土壤系统NPK的输入输出

CK: 冬闲-双季稻模式; Potato:马铃薯-双季稻模式; Ryegrass: 黑麦草-双季稻模式; Milk vetch: 紫云英-双季稻模式; Rape: 油菜-双季稻模式。平衡=输入-输出。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice. Balance = input-output.

稻田土壤系统NPK的盈亏状况直接关系到土壤肥力的高低及系统的养分平衡。冬种黑麦草和紫云英在目前的N投入水平下, 均存在严重的N亏缺现象。冬种黑麦草在目前的P投入水平下, 存在P亏缺现象。冬种黑麦草、紫云英、油菜在目前的K投入水平下, 均存在严重的K亏缺现象。

2.2.2 早稻种植季NPK养分循环与平衡特征

在早稻种植季节内, 冬季作物-双季稻不同种植模式NPK输入输出及平衡状况见表4。此处各模式土壤系统NPK输出主要指水稻植株吸收的N量、P量及K量。其输入的差异取决于前茬冬季作物秸秆还田输入的NPK量。与冬闲-双季稻模式相比, 冬种马铃薯、黑麦草、紫云英及油菜均没有影响早稻糙米NPK积累, 却显著影响了早稻根的NPK积累(<0.05)。马铃薯-双季稻模式较其他模式增加了早稻秸秆的K积累(<0.05)。冬季作物-双季稻轮作种植模式NPK输出状况是: NPK输出最高是马铃薯-双季稻模式, 其次是油菜-双季稻模式; NK输出最低的是黑麦草-双季稻模式。

稻田土壤系统NPK的盈亏状况直接关系到土壤肥力的高低及系统的养分平衡。在早稻种植季的NPK投入水平下, 马铃薯-双季稻模式存在P亏缺现象, 冬闲-双季稻模式存在P、K亏缺现象。

2.2.3 晚稻种植季NPK养分循环与平衡特征

在晚稻种植季节内, 冬季作物-双季稻不同种植模式NPK输入输出及平衡状况见表5。此处各模式土壤系统NPK输出主要指晚稻植株吸收的N量、P量及K量。在晚稻种植季节内各处理施肥制度一样, 土壤系统NPK输入的差异均取决于前茬早稻秸秆还田和早稻根所输入的NPK。与对照冬闲相比, 各冬种作物没有显著影响晚稻糙米NPK积累。与其他模式相比, 马铃薯-双季稻模式显著影响水稻地下部分(即晚稻根)的K积累和秸秆N、P及K积累(<0.05)。冬季作物-双季稻种植模式NPK输出状况是: P、K输出最高的是马铃薯-双季稻模式, 其次是冬闲-双季稻模式; N输出最高的是冬闲-双季稻模式; NPK输出最低的是黑麦草-双季稻模式。在晚稻种植季的NPK投入水平下, 冬闲-双季稻、马铃薯-双季稻、紫云英-双季稻及油菜-双季稻模式均存在P亏缺及K严重亏缺现象。

表4 冬季作物-双季稻轮作种植模式早稻季稻田土壤系统NPK的输入输出

CK: 冬闲-双季稻模式; Potato:马铃薯-双季稻模式; Ryegrass: 黑麦草-双季稻模式; Milk vetch: 紫云英-双季稻模式; Rape: 油菜-双季稻模式。平衡=输入-输出。同一元素同列不同字母表示在5%水平上差异显著。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice. Balance = input-output. Different letters in the same column denote significant differences at 5% for the same element.

表5 冬季作物-双季稻轮作种植模式晚稻季稻田土壤系统NPK的输入输出

2.2.4 稻田周年NPK养分循环与平衡特征

在整个冬季作物-双季稻轮作周期内, 各种植模式NPK输入输出及平衡状况见表6、表7及表8。本研究中双季稻的经济目标输出为糙米, 冬季作物经济目标输出包括收获的马铃薯鲜薯、油菜籽及刈割后饲用的黑麦草。

表6 冬季作物-双季稻轮作种植模式稻田周年N的输入输出

CK: 冬闲-双季稻模式; Potato:马铃薯-双季稻模式; Ryegrass: 黑麦草-双季稻模式; Milk vetch: 紫云英-双季稻模式; Rape: 油菜-双季稻模式。平衡=输入-(经济目标输出+非经济目标输出+归还); 循环率=归还量/(经济目标输出+非经济目标输出+归还)×100%。CK: rotation of fallow-double cropping rice; Potato: rotation of potato-double cropping rice; Ryegrass: rotation of ryegrass-double cropping rice; Milk vetch: rotation of milk vetch-double cropping rice; Rape: rotation of rape-double cropping rice. Balance = input-(economic output + noneconomic output + return); Cycling rate = return / (economic output + noneconomic output + return) ×100%.

表7 冬季作物-双季稻轮作种植模式稻田周年P的输入输出

表8 冬季作物-双季稻轮作种植模式稻田周年K的输入输出

紫云英-双季稻种植模式N和P的循环率最高, 油菜-双季稻种植模式K的循环率最高, 说明冬种紫云英有益于稻田生态系统N、P地力的维持和N、P的循环再利用, 冬种油菜有益于稻田生态系统K素地力的维持和K的循环再利用。

稻田土壤系统NPK素的盈亏状况直接关系到土壤肥力的高低及系统的养分平衡。在冬季作物-双季稻轮作周期内的NPK投入水平下, 紫云英-双季稻模式存在N亏缺现象, 冬闲-双季稻和黑麦草-双季稻模式存在P亏缺现象, 所有处理均存在严重的K亏缺现象。

3 讨论与结论

连续13年的冬季作物-双季稻轮作种植模式长期试验结果表明: 稻田冬种黑麦草有利于促进早稻产量稳定性和可持续性的提高, 稻田冬种油菜有益于晚稻产量稳定性和可持续性的提高。原因可能是还田的冬季作物生物量、秸秆C/N及地下部分(根)C蓄积量造成的[11,21-22]。本研究测定被翻压还田的冬季作物秸秆C/N, 马铃薯为14.42, 紫云英为14.54, 黑麦草为19.69, 油菜为43.36(油菜根C/N为68.96)。有机物料C/N是控制有机物料腐解和养分释放的重要因素之一[21], 油菜秸秆和根的C/N大导致其腐解和养分释放会一直持续到晚稻季[22]。黑麦草鲜草翻压还田后养分释放主要在残留物的分解初期可能是促进早稻产量稳定性和可持续性提高的原因之一[23]。

在黑麦草-双季稻轮作种植周年内目前的NPK投入水平下, 存在P亏缺和严重的K亏缺现象, 其中P亏缺为6.28 kg(P)∙hm-2、K亏缺为375.70 kg(K)∙hm-2; 在黑麦草种植季节内存在P亏缺和严重的N、K亏缺现象, 其中P亏缺为5.81 kg(P)∙hm-2、N亏缺为59.47 kg(N)∙hm-2、K亏缺为240.07 kg(K)∙hm-2; 在早稻季、晚稻季存在N盈余, N盈余量分别为112.28 kg(N)∙hm-2、104.10 kg(N)∙hm-2。养分管理中建议科学增加黑麦草种植季节里氮肥、磷肥及钾肥的投入。

本研究年份(2016—2017年冬春季)冬季作物黑麦草刈割了2次, 黑麦草根据冬季生长情况也存在刈割3次[5,9,11], 黑麦草作为饲用每次刈割后均追氮肥, 作为绿肥翻压还田的刈割后不追施氮肥。有研究表明氮肥的施入能显著提高黑麦草产量, 氮磷钾肥料对黑麦草产草量的影响顺序为N>P>K[24-25]。杨曾平等[26]研究表明: 氮肥的施用可以促进黑麦草对P、K的吸收, 钾肥的施用可以促进黑麦草对N、P的吸收, 磷肥的施用可以促进黑麦草对N的吸收, 却不能促进黑麦草对K的吸收。黑麦草刈割后需不需要追磷肥和钾肥？施用量是多少？黑麦草作为绿肥翻压还田量多少合适？黑麦草-双季稻轮作种植模式内, 需对黑麦草和双季稻的养分管理开展相关的定性和定量研究。

在紫云英-双季稻轮作周年内目前的NPK投入水平下, 存在N亏缺和严重的K亏缺现象, 其中N亏缺为16.37 kg(N)∙hm-2、K亏缺为279.98 kg(K)∙hm-2; 在紫云英种植季节里存在严重的N、K亏缺现象, N、K亏缺量分别为89.17 kg(N)∙hm-2和89.57 kg(K)∙hm-2; 在晚稻种植季里存在P亏缺和严重的K亏缺现象, 其中P亏缺为4.19 kg(P)∙hm-2、K亏缺为35.15 kg(K)∙hm-2; 在早稻季、晚稻季均存在N盈余, N盈余量分别为149.39 kg(N)∙hm-2、81.68 kg(N)∙hm-2。养分管理中建议科学增加紫云英和晚稻种植季节里钾肥的投入。

紫云英是豆科绿肥作物, 在南方冬闲田中承担贮C育N的作用, 有研究证明紫云英还田能够替代部分氮肥[15-16]和钾肥[16], 本研究中N亏缺主要是紫云英种植季N亏缺造成的, 紫云英-双季稻种植模式N和P的循环率最高, 冬季作物紫云英的施肥制度及作为绿肥的还田量都会影响到整个农田养分循环与平衡, 因此关于紫云英-双季稻种植模式的养分管理特别是氮肥管理还有待进一步研究。

在马铃薯-双季稻和油菜-双季稻轮作种植周年里目前的NPK投入水平下, 均存在严重的K亏缺现象, 其中马铃薯-双季稻K亏缺为93.74 kg(K)∙hm-2, 油菜-双季稻K亏缺为363.71 kg(K)∙hm-2; 两种轮作种植模式在晚稻种植季里均存在P亏缺和严重的K亏缺现象, 其中马铃薯-双季稻的晚稻种植季K亏缺为124.33 kg(K)∙hm-2, 油菜-双季稻的晚稻种植季K亏缺为45.93 kg(K)∙hm-2; 马铃薯种植季节里存在K盈余[K盈余255.21 kg(K)∙hm-2], 但冬季作物油菜种植季节里存在严重的K亏缺现象[K亏缺140.08 kg(K)∙hm-2]。两种轮作种植模式均在冬季作物种植季、早稻季、晚稻季存在N盈余, 其中马铃薯-双季稻3季的N盈余量分别为26.01 kg(N)∙hm-2、75.77 kg(N)∙hm-2、96.69 kg(N)∙hm-2, 油菜-双季稻3季的N盈余量分别为25.25 kg(N)∙hm-2、83.95 kg(N)∙hm-2、101.84 kg(N)∙hm-2。

养分平衡(nutrients balance)通过监测某一时期内系统中养分的输入和输出来评价该时期内养分(N、P和K等)的盈余和亏缺状态, 从而推断养分利用效率高低和存在的环境风险[3]。通常认为, N素盈余率超过20%即可引起N素对环境的潜在威胁[1]。在对N素盈余状况进行评价时, 不应只简单考虑N素的总投入, 应考虑有机物料N的有效性问题[1]。湖南双季稻区每季氮肥投入一般为150 kg(N)∙hm-2, 本研究中早、晚稻季氮肥投入分别为172.5 kg(N)∙hm-2、225.4 kg(N)∙hm-2。为保障水稻稳产、降低氮肥环境风险, 建议减少马铃薯-双季稻和油菜-双季稻种植模式在双季稻种植季里的氮肥投入。养分管理中应重点调控晚稻的施肥制度, 建议增加磷肥和钾肥的投入。油菜-双季稻轮作种植模式建议油菜种植季节增加钾肥投入。

本研究中因紫云英、黑麦草、油菜均在晚稻收获前1个月套播在晚稻田里, 马铃薯采用晚稻草覆盖种植, 晚稻均不能机械化收割和晚稻秸秆还田。冬季作物-双季稻轮作种植模式的养分循环是冬季作物和外部投入的氮磷钾肥料共同驱动的养分循环, 本研究中晚稻秸秆未还田, 导致农田系统内循环量小, 农田养分循环靠外部投入维持。长期的冬季作物-双季稻轮作种植模式并未显著影响2016年和2017年早、晚稻产量及糙米NPK养分含量, 原因可能是外部投入的NPK化学肥料不合理造成的。水稻机械化收割, 早、晚稻秸秆还田是当前及未来发展的趋势, 也需要对冬季作物的耕作与栽培方式进行突破, 以促进冬季作物-双季稻轮作种植模式的可持续发展。

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Nitrogen, phosphorus and potassium cycling and sustainability of rice yield in a winter crop-double cropping rice rotation system*

ZHANG Fan

(Hunan Soil and Fertilizer Institute, Changsha 410125, China)

The study of nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) nutrient cycling and yield sustainability in agricultural ecosystems is fundamental for achieving optimal nutrient management and sustainable agricultural development. A long-term experiment of a winter crop-double cropping rice rotation system initiated in 2004 on a red paddy soil in Hunan Province, consisting of five treatments, including fallow-double cropping rice (CK), potato-double cropping rice, ryegrass-double cropping rice, milk vetch-double cropping rice, and rape-double cropping rice with three replicates of all the treatments. The sustainability and stability of double cropping rice yields were analyzed, and N, P, and K cycling and balance were calculated based on an Input-Output analysis method. The results indicated: 1) the sustainable yield index (SYI) and yield stability (CV) of early rice in the ryegrass-double cropping rice rotation system were 0.81 and 0.09, respectively. Winter ryegrass in the paddy field promoted the stability and sustainability of early rice yield. The SYI and CV of late rice in the rape-double cropping rice rotation system were 0.82 and 0.07, respectively. Winter rape in the paddy field improved of yield stability and sustainability of late rice. 2) Long-term winter crop-double cropping rice rotation did not significantly affect rice yield and the N, P, and K contents of brown rice (> 0.05). 3) Under the current input level of N, P, K in the annual rotation of winter crop and double cropping rice, the ryegrass-double cropping rice rotation, milk vetch-double cropping rice rotation, rape-double cropping rice rotation, and potato-double cropping rice rotation systems had serious K deficiency; the K deficit was 375.70, 279.98, 363.71, and 93.74 kg(K)·hm-2, respectively. Ryegrass-double cropping rice rotation, milk vetch-double cropping rice rotation, and rape-double cropping rice rotation systems had serious K deficiency in the winter crop planting season, the K deficit was 240.07, 89.57, and 140.08 kg(K)·hm-2, respectively. However, the potato-double cropping rice rotation system had a K surplus of 255.21 kg(K)·hm-2in the potato planting season; simultaneously, both the ryegrass-double cropping rice rotation and milk vetch-double cropping rice rotation systems had a N deficit in the winter crop planting season of 59.47 and 89.17 kg(N)·hm-2, respectively. Both the rape-double cropping rice rotation and potato-double cropping rice rotation systems had serious K deficiency in the late rice planting season of 45.93and 124.33 kg(K)·hm-2, respectively. Nutrient cycling of winter crop-double cropping rice rotation systems was a nutrient cycle driven by winter crops and external N, P, and K fertilizers. Based on the results, the winter crops should be scientifically managed, with the input of N, P, and K in the three seasons.

Winter crop; Double cropping rice; NPK; Nutrient cycling; Sustainable yield index; Stability index

ZHANG Fan, E-mail: zhangfan898@sina.com

Aug. 14, 2018;

Nov. 27, 2018

S365; S344

2096-6237(2019)05-0705-12

10.13930/j.cnki.cjea.180767

2018-08-14

2018-11-27

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0300208).

* 国家重点研发计划专项(2016YFD0300208)资助

张帆. 冬季作物-双季稻轮作种植模式氮、磷、钾养分循环与产量可持续性特征[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(5): 705-716

ZHANG Fan. Nitrogen, phosphorus and potassium cycling and sustainability of rice yield in a winter crop-double cropping rice rotation system[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(5): 705-716

张帆, 主要研究方向为农业生态与耕作制度。E-mail: zhangfan898@sina.com