不同土壤改良方式对抬田区水稻生长及土壤养分的影响

陈 昱，时 红，才 硕*，曹 娜，王向光，徐 涛

(1.江西省灌溉试验中心站 江西省高效节水与面源污染防治重点实验室，江西 南昌 330201； 2.江西省农业科学院 园艺研究所，江西 南昌 330200； 3.江西省吉水县八都镇农业技术综合服务站,江西 吉水 331603)

峡江水利枢纽抬田工程总面积达到2400余hm2，抬田规模目前是国内外最大的[1]。抬田工程[2]是指将水库浅水淹没区的耕地，垫高至不低于土地征用线，并对抬高后的耕地进行田间工程建设，完善农田灌排条件，使被抬高后的耕地满足农业生产要求而采取的人工措施。在抬田工程中为避免耕地淹没及作物涝渍灾害和保持耕作土壤水肥，需要对耕地土层结构进行设计，抬田的土层结构从下而上由基础料层、粘土层、耕作土层组成[3]。而耕作土层质量对水稻的生长是至关重要的。有研究表明，抬田工程对耕地土壤的扰动，会使土壤原有的稳定结构遭到破坏，保水保肥能力下降，影响稻田土壤的生产能力，从而降低整个稻田区域的农业生产能力[4-5]。有研究表明，通过土壤改良方式，能有效地改善土壤理化性状，提高土壤养分含量，促进作物吸收水分和养分，从而提高和恢复土壤质量[6-7]。因此，探索土壤改良方式对抬田稻田土壤养分和植株生长的影响机制，对恢复和提高抬田稻田土壤质量、确保水稻高产稳产及水利枢纽工程本身效益具有重要指导意义。

近年来，国内外许多学者就土壤改良方式对土壤理化性质和植株生长发育的影响进行了大量研究。土壤改良剂又称土壤调理剂，可以改善土壤物理性质，促进作物养分吸收，而本身不给植物提供养分[8]。有研究表明，在烟草稻田土壤中添加改良剂可以提高土壤全氮、全磷、全钾含量和pH值，还能提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量，从而有效地改善烟稻田的土壤性质，促使烤烟产量和品质提升[9]。有机肥是施用于土壤为植物提供营养的含碳物料，多来源于动物和植物[10]。LV等研究发现，有机肥与无机肥配施处理后土壤总氮含量比原始土壤提高了135%～191%，同时不同程度地增加了土壤有机碳、全氮、速效氮和速效磷含量[11]。紫云英(AstragalussinicusL.)是豆科黄芪属越年生草本植物，是我国南方稻田主要的冬季绿肥作物。马艳芹等[12]通过翻压紫云英+施用氮肥方式能提高水稻地上部植株群体氮素吸收量，有助于水稻植株的生长，促使水稻的群体干物质量增加。在秸秆还田配施秸秆腐熟剂的研究中发现能够改良低产黄泥田，通过提高土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量，改善土壤结构，从而增加早晚稻的稻谷产量[13]。

抬田工程就是把田抬高使耕地高出水库正常蓄水位，主要的目标为避免耕地被淹没及作物涝渍灾害，保持耕作土壤水肥[14]。由于抬田工程会导致稻田土壤理化和生物学性质发生改变，确保水稻高产稳产成为抬田工程亟待解决的问题。本研究以江西省峡江水利枢纽工程抬田稻田土壤为对象，以土壤改良剂(T2)、生物有机肥(T3)和紫云英还田+秸秆还田(T4)为供试物料，施入土壤进行大田培育试验，调查水稻干物质量和产量及其构成因素，分析水稻对氮和磷的吸收量；水稻收获后采集土壤样品，测定不同处理的土壤养分含量，探究不同土壤改良方式对土壤养分及水稻生长的影响，以期为抬田工程建设高产稳产农田，为当地实现水稻大面积稳产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2014年在吉水县峡江水利枢纽工程抬田稻田白沙村进行，选取抬田后未恢复种植的稻田为研究对象。抬田区试验稻田早稻品种为湘早籼9号，晚稻为湘晚籼12号。土壤基本理化性质为：有机质12.5 g/kg，全氮0.8 g/kg，全磷0.5 g/kg，碱解氮59.7 mg/kg，速效钾26.7 mg/kg，有效磷1.45 mg/kg，pH值5.1。

紫云英于2013年10月初种植于江西省灌溉试验研究基地，在盛花期收割后托运至抬田稻田试验田，根据试验要求进行还田。红中生物有机肥(氮、磷、钾≥6%)、土壤改良剂(贵州产)等均在市场上购买。其中紫云英、生物有机肥、土壤改良剂、早稻秸秆的营养成分见表1。

1.2 试验设计

试验共设4个处理，即不做改良处理的对照(T1)、土壤改良剂(T2)、生物有机肥(T3)、紫云英还田+秸秆还田(T4)，每个处理设3次重复，共计12个小区，小区长28.5 m，宽5.7 m，小区面积为162.5 m2。除晚稻秸秆还田处理外，其他试验处理稻田早、晚稻秸秆均不还田。各试验小区水稻栽插方式、灌溉模式以及病虫害防治等农艺措施均按照当地习惯操作，且处理间保持一致。

土壤改良措施如下：土壤改良剂、生物有机肥分别按3450 kg/hm2和3330 kg/hm2于早、晚稻耕田时一次性施入；早稻选用紫云英鲜草为肥源，播种量为30 kg/hm2，鲜草还田量为30000 kg/hm2，剪碎后于早稻栽插前15 d翻压还田；晚稻采用机械化收割早稻秸秆全量还田。

试验稻田施肥方式如下：早晚稻氮肥用量均为210 kg/hm2，钾肥(K2O)用量为180 kg/hm2，磷肥(P2O5)用量为75 kg/hm2。T1、T2、T4均以45%的复合肥为基肥，T3处理本身就是肥料的一种，故把生物有机肥作为基肥。各处理均以尿素和氯化钾为追肥，具体肥料运筹方式见表2。基肥于移栽前1 d施用，分蘖肥在移栽后10 d施用，孕穗肥在移栽后35 d(叶龄余数为2)时施用。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 干物质的测定 在水稻黄熟期按平均茎蘖数每个小区分别取样3蔸，去除地下部分，按茎、叶、穗分装。在烘箱内恒温105 ℃杀青20 min后80 ℃烘干称重。

表1 不同改良剂的营养成分

表2 不同生育期试验稻田肥料运筹方式 kg/hm2

1.3.2 产量及其构成因素的测定 调查各小区水稻有效穗数(调查蔸数不少于60蔸)，根据各小区水稻平均有效穗数取考种样品5蔸，考种项目包括：穗长、每穗实粒数、每穗空粒数、千粒重。另外每个处理随机选取3点，每点割6 m2测定产量。

1.3.3 植株养分的测定 在早稻抽穗期和黄熟期、晚稻黄熟期，按平均茎蘖数每个小区分别取样3蔸。在烘箱内恒温105 ℃杀青20 min后，80 ℃烘干。烘干后将样品粉碎，过100目筛，植株N含量用FOSS-2300定氮仪测定[15]，植株P含量用钼蓝比色法测定[15]。

1.3.4 稻田土壤理化性质的测定 在早、晚稻收割后用土钻取0～20 cm耕作层新鲜土样。风干土样后，用于测定土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、全磷含量和土壤pH值。采用重铬酸钾滴定法测定土壤有机质，采用碱解扩散法测定土壤碱解氮，采用硫酸-双氧水消煮-蒸馏滴定法测定土壤全氮，采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷，采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾，采用浓硫酸-双氧水消煮-奈氏比色法测定土壤全氮，采用浓硫酸-双氧水消煮-钒钼黄比色法测定土壤全磷，采用电位法测定土壤pH[16]。

1.3.5 相关指标的计算公式 氮(磷)素积累量(kg/hm2)=施氮(磷)处理植株干物质×施氮(磷)植株的含氮量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013进行数据整理和作图，采用SPSS 20.0 软件进行数据统计和单因素方差分析，多重比较采用Duncan 新复极差法，差异显著性水平采用P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同土壤改良方式对水稻产量及其构成因素的影响

如表3所示，不同土壤改良方式均不同程度地提高了水稻产量，且差异显著，但对不同构成因素的影响也各有不同，其中穗长和千粒重无明显差异。与T1(对照)相比，3种土壤改良方式均能提高早稻有效穗，其中以T3处理增幅最高。T3和T4处理可以提高晚稻有效穗，以T4处理增幅最为明显，较对照增加了17.10%。无论是早稻还是晚稻，各处理均能显著提高穗粒数，T2、T3和T4处理早稻穗粒数较对照分别提高了9.07%、18.15%和24.32%；晚稻穗粒数较对照分别提高了22.53%、13.02%和30.88%。早稻产量以T4处理最高，较对照增加了7.58%；晚稻产量以T3处理较高，比对照增加了13.73%。

表3 不同土壤改良方式对水稻产量及其构成因素的影响

注： T1为对照处理；同列数字后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 不同土壤改良方式对水稻干物质的影响

从图1可以看出，不同土壤改良方式对早稻总干物质积累(茎、叶、穗)量影响不大，其中叶片干物质积累存在差异，排序为T3>T1>T4>T2。3种土壤改良方式能提高晚稻总干物质积累量，其中穗和茎干物质积累量增加明显，与对照(T1)相比，T2处理分别增加了1.97%和28.51%；T3处理分别增加了1.04%和34.22%；T4处理分别增加了12.05%和41.39%。

图1 不同土壤改良方式对水稻干物质的影响

2.3 不同土壤改良方式对早、晚稻植株N、P含量的影响

从表4可以看出，不同土壤改良方式可以不同程度地提高早、晚稻植株N、P的含量。就早稻而言，3种土壤改良方式在抽穗期和黄熟期均能显著提高植株N含量，其中以T4处理增幅最为明显，较对照分别增加了18.83%和22.86%；在抽穗期和黄熟期，3种土壤改良方式也能显著提高植株P含量(除黄熟期T2处理)，其中仍以T4处理增幅最为明显，较对照分别增加了10.97%和43.18%。晚稻黄熟期T3和T4处理均能显著提高植株N、P的含量，以T4处理增幅最为明显；与对照相比，T3处理植株N、P的含量分别增加了6.05%和21.41%，T4处理植株N、P的含量分别增加了8.48%和29.05%。

表4 不同土壤改良方式对早、晚稻植株N、P含量的影响 mg/g

2.4 不同土壤改良方式对早、晚稻植株N、P吸收的影响

不同土壤改良方式可以不同程度地提高早、晚稻植株对N、P的吸收(表5)与T1(对照)相比，不同土壤改良方式均不同程度提高了植株氮积累量，且差异显著；而不同土壤改良方式间增加幅度有明显差异，T4处理早稻植株氮积累量的提高幅度要明显大于其他处理，而晚稻以T2处理增幅最为明显。与T1(对照)相比，无论是抽穗期还是黄熟期，3种土壤改良方式均能显著提高早稻植株氮积累量，其中以T4处理增幅最为明显，分别增加了38.54%和27.17%。早稻植株磷积累量仍以T4处理最高，在抽穗期和黄熟期较对照分别增加了26.00%和16.97%。3种土壤改良方式均能不同程度地提高晚稻植株N、P积累量，其中以T2和T4增幅显著，与T1(对照)相比，T2、T3和T4晚稻植株N积累量增幅分别为30.40%、9.14%和12.12%；P积累量增幅分别为21.92%、1.40%和44.34%。

2.5 不同土壤改良方式对耕作层土壤养分的影响

不同土壤改良方式对耕作层土壤养分的影响如表6所示。与T1(对照)相比，无论是早稻还是晚稻，不同土壤改良方式对稻田土壤的pH影响无显著差异；而有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮和全磷等土壤养分含量，不同土壤改良方式有着不同的影响。就早稻而言，T4处理的土壤有效磷、速效钾和全磷含量均最高，且显著高于其他3个处理，与对照相比分别显著增加了39.73%、67.43%和69.45%。有机质、碱解氮和全氮各处理间均无显著差异。在晚稻上，土壤有机质、全氮和全磷含量以T4处理最高，较对照分别增加了27.14%、15.50%和178.80%；碱解氮则以T3处理最高，且显著高于对照，增幅为22.96%；而有效磷、速效钾含量各处理间均无显著差异。可见不同土壤改良方式在一定程度上可以提高耕作层土壤养分。

表5 不同土壤改良方式对早、晚稻植株N、P吸收的影响 kg/hm2

表6 不同土壤改良方式对耕作层土壤养分含量的影响

3 讨论

本研究结果表明，土壤改良方式对水稻产量构成因子及产量有很大的促进作用。在有关土壤改良对水稻生长的影响方面，前人研究发现，施用有机肥能提高结实率，增加千粒重，促进水稻产量增长[17-18]；秸秆还田方式能显著增加水稻有效穗数和水稻群体干物质积累总量，进而收获指数和产量显著增加[19]；长期紫云英还田方式，能增加有效穗数和粒数，从而促进水稻增产[20]。本试验中，无论是早稻还是晚稻，T2、T3和T4处理均能增加水稻穗粒数和产量，这与以上前人研究结果类似；其中T4处理穗粒数均最高，综合表现以T4(紫云英还田+秸秆还田)处理模式较佳。可能的原因是紫云英和秸秆本身就是有机肥的原料之一，含有一些水稻所需的养分[21]，保证水稻生长需求，通过提高穗粒数，促进水稻增产。

土壤养分含量与土壤环境健康程度息息相关，直接影响作物的生长发育和产量高低。多年研究数据表明，抬田工程区域的水稻耕作层土壤养分含量受到抬田工程土壤扰动的影响较大，土壤的结构性能和保肥性能整体呈下降趋势，在一定程度上水稻生长所需土壤养分含量会降低[5]。然而提高土壤养分含量的方法有很多，比如施用化肥是比较直接和有效的方法，但是长期施用化肥易导致土壤板结，因此需要通过其他方式来提高土壤养分含量。研究表明，秸秆还田或紫云英翻埋方式能够增加土壤有效磷和速效钾含量[22]，还可以提高土壤有机质含量[23]；邓小华等采用盆栽试验，通过施用土壤改良剂可以提高土壤养分含量，尤其对提高土壤有机质、碱解氮和有效磷含量最为明显[6]；李影等施用不同种类有机肥研究对土壤养分的影响发现，复方有机菌肥能提高土壤碱解氮、铵态氮和速效钾含量[7]。本试验研究表明，不同土壤改良方式均对耕作层土壤养分产生积极的影响(表6)，土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾等土壤养分，在不同土壤改良方式间有不同表现。在早稻时期，T4处理土壤有效磷、速效钾和全磷含量均最高，而在晚稻时期土壤有机质、全氮和全磷含量最高，且显著高于对照处理。这与吕玉虎等[24]采用紫云英作为稻田绿肥还田的研究中的结论一致，即翻压紫云英处理与空白对比，能显著提高土壤耕层速效钾含量，并且能提高水稻穗粒数。可能原因是紫云英作为绿肥，能通过生物固氮作用，连续不断地补充稻田系统中外源氮素，并且还能够提升土壤磷、钾及微量元素含量，改良土壤养分状况；还有稻草秸秆中钾含量丰富，其C/N值高，而紫云英氮素含量较高，C/N值低，两者配施还田有利于平衡施肥以及调优C/N值，对于水稻增产及土壤培肥起到一定积极作用[25]。

水稻生长发育所需的3种营养元素分别是氮、磷、钾，它们与水稻的高产和稳产紧密相关。国内外关于土壤改良方式对水稻氮、磷、钾养分吸收的影响报道很多，比如绿肥还田[26-27]，稻草还田[28-29]、土壤改良剂或有机肥还田[30-31]，而本试验研究发现3种土壤改良方式均可以不同程度地提高早、晚稻植株N、P的含量，促进水稻植株对N、P养分的吸收，其中以T4处理较对照增幅最为明显，这与本试验水稻干物质量和穗粒数的数据相吻合，也可能是水稻增产的原因之一。有学者设计不施肥、单施化肥、化肥+秸秆还田、化肥+紫云英、化肥+秸秆还田+紫云英5个处理，研究对水稻氮、磷养分吸收的影响，结果表明紫云英+秸秆还田处理的水稻氮、磷养分吸收量均高于其他处理[25]。

综上所述，3种土壤改良方式(土壤改良剂、生物有机肥和紫云英还田+秸秆还田)对水稻产量、植株养分及土壤养分含量均有着显著影响。无论是从土壤养分含量的提升，还是从水稻产量的提高，3种土壤改良方式均起到一定的作用；均能增加耕作层土壤养分含量，促进水稻植株生长，从而增强植株对N、P的吸收和植株N、P积累量，进而提高水稻干物质量，使水稻产量上升。因此，3种土壤改良方式均能提高土壤及植株养分含量，其中以紫云英还田+秸秆还田技术模式较佳。