双季稻-油菜耕作制对土壤肥力质量长期演变的影响

2019-12-182潘博薛毅张亮张振华2

土壤与作物 2019年4期

2潘博薛毅张亮张振华2

(1.湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128；2.南方粮油作物协同创新中心，湖南长沙 410128)

0 引言

双季稻(Oryzasativa)和油菜(Brassicacampestris)轮作是南方水旱轮作制的主要形式之一。与传统的双季稻-休闲耕作制度相比，油菜季的引入不仅带来栽培方式、作物营养元素需求的差异，也引起了土壤的干湿交替循环，必然改变土壤养分的来源和平衡，进而影响着土壤肥力质量的演变方向，保障耕地资源可持续发展。已有关于稻-油轮作对土壤养分(特别是速效养分)含量影响的研究结果并不一致。李辉等研究发现，长期稻-油轮作显著降低土壤有机质含量[1]；但也有研究表明，稻-稻-油轮作有助于土壤有机质积累[2-3]。研究发现，稻-油轮作还能显著提高土壤碱解氮和速效磷含量[4-5]。目前，稻-油轮作对土壤养分的影响研究大多集中在大量元素，在中、微量元素方面仍有待深入探索。土壤中、微量元素的丰缺强烈影响作物的生长发育，董建江等[6]研究表明，与稻-闲轮作相比，稻-油轮作能够提高土壤有效态Cu及Zn含量。土壤肥力质量是土壤特性的综合反映，对土壤条件的动态变化反应敏感[7]。相关研究表明，长期双季稻-油菜轮作还能改良土壤结构，提升土壤肥力质量等级，但是否具有普适性仍有待验证，而肥力质量的提升机理也值得深入研究[8-9]。

湖南省湘南地处中亚热带，水热资源丰富，一直是传统的水稻和油菜生产基地[2]。有研究表明，与传统的双季稻-冬闲模式相比，长期的双季稻-油菜种植制度有助于提高水稻产量和养分利用率，但其潜在的机理仍不清楚[9-10]。本研究选取湘南典型(稻-稻-油轮作)稻田为研究对象，并以毗邻的稻-稻-冬闲稻田作为对照，研究稻-稻-油轮作制下不同土层和根际/非根际土壤中大、中、微量元素含量的差异，评价水稻土的肥力质量等级，为明确南方双季稻-油菜轮作制的增产、增效机理提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究样地概况

研究样地位于湖南省湘南郴州市安仁县渡口乡松林村(26°79′N，113°19′E)，属油菜传统产区；研究地位于罗霄山脉中段的平原低岗地带，海拔75～100 m。该区属亚热带湿润季风气候，年均气温17.7 ℃，降水量1 430 mm。据调查，自1985年(种植水稻)，当地传统稻田耕作制度主要为稻-稻-油和稻-稻-闲，初始土壤性状良好，水稻开始轮作至2015年早稻季取样。成土母质为紫红色碎屑岩风化物，发育土种为紫泥田。水稻和油菜季施用的氮、磷、钾肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾，折合成纯N、P2O5和K2O分别约为180 kg·hm-2、90 kg·hm-2和90 kg·hm-2。其中，水稻季采取一次性施肥方式，油菜季氮肥(尿素)按照基肥∶苗肥∶薹肥=5∶3∶2的比例施用，磷肥(过磷酸钙)、钾肥(氯化钾)全部当作基肥施用。其他农艺管理措施(如作物栽培、病虫害及灌排水)均按当地习惯进行。试验所用的水稻品种为“中华11号”，油菜品种为“香优15号”，均为当地使用的常规品种。长期稻-稻-闲轮作水稻年均产量为14 346 kg·hm-2，长期稻-稻-油轮作水稻年均产量为15 254 kg·hm-2。

1.2 土壤样品采集和分析

2015年7月，在地势平坦的开阔地，选取长期(>30 a以上)稻-稻-油和稻-稻-闲耕作制度的毗邻稻田各5块，每块面积>2 000 m2，各田块两两相距<200 m。早稻黄熟期，在各田块内按“S型路线”随机挖掘土坑10～12个，在各土坑处分别采集0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土壤样品，同一田块10～12个土坑同一土层的样品混匀。在各土坑附近，随机选取健壮水稻植株3～5株，以植株为中心，挖掘20 cm×20 cm×20 cm土块，带回室内，用放大镜、镊子和软毛刷，仔细分离并收集根系5 mm范围内的根际土壤。

采用电位法(水∶土为2.5∶1)测定土壤pH；高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定土壤有机质；凯氏定氮法测定土壤全氮(TN)；酸溶-钼锑钪比色法测定土壤全磷(TP)；氢氧化钠熔融法测定土壤全钾(TK)；靛酚蓝比色法测定土壤碱解氮(AN)；碳酸氢钠浸提-钼锑钪比色法测定土壤有效磷(AP)；乙酸铵提取法测定速效钾(AK)；中性乙酸铵交换-ICP法测定土壤有效态钙、镁(ACa、AMg)；盐酸浸提-ICP法测定有效态铁、锰、铜、锌(AFe、AMn、ACu、AZn)[11]。

采用Microsoft Excel 2010软件计算变量的均值及标准差；基于SPSS 19.0软件，应用配对样本T检验，比较不同耕作制度下土层、根际和非根际变量的差异；应用主成分分析法和聚类分析(最短距离法)，评价两种耕作制度的土壤肥力等级；统计显著性水平设为0.05。

2 结果分析

2.1 两种轮作制度下土壤pH和有机质的含量分析

长期稻-稻-油和稻-稻-闲耕作制度下，不同土层、根际和非根际土壤pH分别介于5.08～5.71和4.61～6.15，未观察到显著差异(图1)。但是，与稻-稻-闲相比，长期稻-稻-油轮作导致土壤有机质含量显著下降了9%～11%，一定程度上与水稻(稻-稻-油)根际土壤有机质的含量下降有关(图1)。

注：不同小写字母代表处理间差异在0.05水平上显著。下同。 Note: Different small letters mean significant differences at 0.05 level.The same is as below.图1 稻-稻-油和稻-稻-闲不同土层、根际和非根际土壤pH和有机质含量Fig.1 Soil pH and organic matter contents among different soil layers,or in rhizosphere and bulk soils under rice-rice-rape and rice-rice-fallow rotation systems

2.2 两种轮作制度下土壤全量养分和速效养分含量

较稻-稻-闲轮作，长期稻-稻-油轮作不仅大幅提高了土壤TP和AP含量(19%～56%和21%～35%)，也明显提高了根际土壤TP和AP含量(14%和46%)(图2)。但是，长期稻-稻-油和稻-稻-闲耕作制度下，土壤TN、TK、AN和AK含量均未观察到显著差异(图2)。其中，长期稻-稻-油和稻-稻-闲轮作土壤TN、AN含量分别介于1.58～2.14 g·kg-1和105～175 mg·kg-1之间，TK和AK含量分别介于19.9～22.1 g·kg-1和42.0～76.4 mg·kg-1之间。

2.3 两种轮作制度下土壤中、微量元素含量分析

与稻-稻-闲相比，长期稻-稻-油轮作也显著降低了土壤有效态Ca、Mg含量(10%～33%和14%～42%)，同时还导致根际和非根际土壤有效态Ca含量分别降低了19%和10%、有效态Mg含量分别降低了26%和14%；根际土壤有效态Fe含量显著降低了32%(图3)。

相反的是，与稻-稻-闲相比，长期稻-稻-油轮作大幅提高了土壤有效态Cu、Zn含量(20%～28%和8%～36%)及10～20 cm底土有效态Fe含量(47%)，同时还导致根际和非根际土壤有效态Zn含量分别升高了7%和22%，非根际土壤有效态Cu含量升高了36%；小幅提高了根际土壤有效态Mn含量(8%)(图3)。这可能与油菜根际酸化，还原土壤中的高价Mn有关。

2.4 基于主成分-聚类分析的土壤肥力质量评价

主成分分析表明，稻-稻-油轮作下，前3个主成分的贡献率分别是61%、20%和12% ；稻-稻-闲轮作下，前2个主成分的贡献率分别是76%、18%(表1)。长期稻-稻-油轮作下，主成分1携带变量：pH、土壤有机质、TN、AN、AK和有效态Zn；主成分2携带变量：AP、TK和有效态Fe、Mn、Cu；主成分3携带变量TP和有效态Ca、Mg。长期稻-稻-闲轮作下，主成分1携带变量：pH、土壤有机质、TN、AN、AP、AK以及有效态Ca、Mg、Fe、Cu、Zn；主成分2携带变量：TP、TK、有效态Mn(表2)。

当主成分个数达到2个时，累积贡献率>85%，故提取前2个主成分用作综合评价，较之长期稻-稻-闲，稻-稻-油轮作明显改善了非根际土壤的肥力质量(表3)。在此基础上的聚类分析表明，稻-稻-油和稻-稻-闲轮作制度下，土壤肥力质量由高到低可划分为6个等级：I-高(NR-Y、5-10F、R-F)>II-较高(0-5Y)>III-中等(R-Y)>IV-较低(5-10Y、NR-F、0-5F)>V-低(10-20Y)>VI-最低(10-20F)(图4)。

稻-稻-油土壤肥力质量均在I-III等级(除底土层)，而稻-稻-闲各土层和非根际土壤肥力质量大多在III-VI等级。0～10 cm土壤肥力质量在I-IV等级，而10～20 cm土壤肥力质量在V、VI等级。稻-稻-油根际土壤肥力质量(III级)低于非根际土壤(I级)，但稻-稻-闲根际土壤肥力质量(I级)高于非根际土壤(V级)。

图3 稻-稻-油和稻-稻-闲不同土层、根际和非根际土壤的中、微量养分含量Fig.3 Middle and micro nutrients contents among different soil layers,or in rhizosphere and bulk soils under rice-rice-rape and rice-rice-fallow rotation systems

表1 特征值、贡献率及累积贡献率Table 1 Characteristic value,contribution rate,and cumulative contribution rate

表2 各指标主成分的特征向量Table 2 The principal component vectors between all the indexes

表3主成分综合得分
Table3Compositescoresoftheprincipalcomponents

耕作制度Rotation system土壤来源Source of soil主成分1Component 1主成分2Component 2综合得分Composite score排序Order稻-稻-油Rice-rice-rape0～5 cm-0.2370.5950.35835～10 cm-0.122-0.154-0.276410～20 cm-1.217-1.064-2.2815根际1.564-0.7600.8052非根际0.0121.3831.3951稻-稻-闲Rice-rice-fallow0～5 cm0.335-1.352-1.01745～10 cm0.3131.1031.417210～ 20 cm-1.6630.313-1.3505根际1.0120.6211.6341非根际0.001-0.686-0.6843

注：NR、R、Y和F分别代表非根际、根际、稻-稻-油和稻-稻-闲。 Note:NR,R,Y,and F indicate non-rhizosphere,rhizosphere,rice-rice-rape,and rice-rice-fallow,respectively.图4 聚类树形图Fig.4 Arborescence of cluster analysis

3 讨论

南方水田引入冬种油菜后，土壤有机质和养分含量会有升高、不变或降低的变化趋势。长达30 a的定位试验和2 a短期大田试验均发现，较稻-稻-闲轮作，稻-稻-油轮作能够显著提高土壤有机质含量，原因可能是冬种油菜(用作绿肥，地上部分保留)，油菜植株全部翻压还田，为土壤带来更多的有机物输入[2,12]。有研究报道，与稻-闲轮作相比，稻-油轮作下土壤有机质含量差异不大，原因可能与样地的初始有机质含量较高有关[5]。也有报道，稻-油轮作较之冬水田平作，土壤有机质含量降低了23%[1]。本研究中，较稻-稻-闲轮作，长期稻-稻-油轮作土壤有机质含量下降了9%～11%，原因可能有3方在：一是稻-稻-油根际土壤有机质含量更低(图1)，土壤来源于根际的有机质投入可能更低；二是在长期稻-稻-油水旱轮作过程中，频繁的土壤干湿交替、油菜栽培和耕作加速土壤有机碳的矿化损失[13-14]；而稻-稻-闲冬季保持休闲状态，几乎无人为干扰，有利于有机质的保存和积累；三是油菜栽培中的施肥、慢生根瘤菌固氮为土壤带来额外的活性氮，激发土壤微生物对有机质的分解和矿化[15-16]。本研究与高菊生等[2]在长期定位试验中将油菜翻压入田用作绿肥不同的是，油菜生产中收获地上部分(如秸秆、角果)并移出稻田，土壤有机质归还量相对减少。由于长期双季稻-油菜轮作显著降低了土壤有机质，双季稻-油菜轮作生产中有必要适当补充土壤有机质投入(如增施有机肥、秸秆还田)，弥补土壤有机质损失，以维系稻-稻-油轮作的长期可持续生产。

相反的是，水田引入冬种油菜后，一般可以较大幅度提高土壤磷素含量，以有效磷含量提高更为明显。较稻-闲轮作，稻-油轮作土壤TP、AP含量分别提高了14%～40%和31%～106%；长达10 a的定位试验表明，较稻-闲，稻-油轮作土壤TP含量差异不大，但AP含量却高出一倍；单季稻改制稻-油土壤AP含量呈上升趋势[5,17-18]。本研究中，较稻-稻-闲，稻-稻-油轮作土壤TP、AP含量分别提高了14%～56%和21%～46%。油菜季施肥和秸秆还田显然增加了额外的土壤磷投入，同时稻-稻-油轮作土壤频繁干湿交替，促进了土壤矿物态-磷的溶解、活化和解析[19]；此外，干湿交替引起土壤有机质加速矿化的“Birch效应”，可能增加了活性磷(例如MBP)含量，由此提升了土壤AP含量[20-22]。类似地，水田冬种油菜后，土壤TK和AK含量也小幅度提高了5%、6%[12]。土壤的中量元素是作物生长必需的营养元素。本研究中，与稻-稻-闲相比，稻-稻-油轮作土壤的有效态Ca、Mg含量分别降低了10%～33%和14%～42%；原因可能有3方面：一是收获油菜带出Ca、Mg；二是油菜栽培、翻耕会加速表土盐基离子(如Ca、Mg)淋失[23]；三是相比稻-稻-闲以还原性为主的土壤环境，而稻-稻-油轮作干湿交替更为频繁，土壤氧化与还原环境交替，土壤排水性能增强，土壤pH呈下降趋势(图1)，可能引起土壤胶体Ca、Mg吸附能力下降[24-25]。

主成分-聚类分析是土壤肥力质量评价中的新兴手段。稻田土壤肥力的主要贡献因子一般与施肥、耕作制度和母质有关[26-28]。本研究中，稻-稻-油和稻-稻-闲轮作下土壤肥力的主成分(1、2)携带的变量不同，反映水田不同耕作制度下土壤肥力质量具有不同的主控因素。稻-稻-油轮作土壤肥力质量等级高于稻-稻-闲轮作，可能在于稻-稻-油轮作下，土壤磷素及微量元素(如Cu、Zn)的活性明显增强；此外，水稻和油菜2种作物从土壤中吸收的养分不同，减少单一水稻对土壤中同种元素的吸收，有利于土壤养分平衡、综合肥力质量提升[29]。稻-稻-油轮作根际土壤肥力质量等级高于非根际土壤，可能与稻-稻-油根际土壤有效态中、微量元素(Fe、Cu)低于非根际土壤有关，反映稻-稻-油轮作耕作制度下(与稻-稻-闲相比)，水稻根系可能具有更强的中、微量养分吸收能力，这也可以部分解释双季稻-油菜耕作制度有助于提高水稻产量和养分利用效率[30-31]。卢胜等[9]研究表明，较稻-稻-闲，长期稻-稻-油轮作水稻年均增产6.3%。