不同轮作模式下优化施肥对水稻产量及磷素积累与分配的影响

孙博,李帅帅,周毅,张莹,陈健,刘田,郭俊杰,凌宁,郭世伟*

(1.南京农业大学资源与环境科学学院/江苏省固体有机废弃物资源化研究重点实验室,江苏 南京 210095;2.安徽科技学院资源与环境科学学院,安徽 凤阳 233100;3.江苏省土肥站,江苏 南京 210036;4.如皋市农业科学研究所,江苏 南通 226575)

磷是植物生长发育的必需营养元素,在土壤中以多种化学形态存在。磷在土壤中的存在形态、含量及生物有效性均受土地利用方式和施肥管理的影响[1]。在大部分农田生态系统中,由于磷肥移动性差且容易被固定在土壤中,磷肥的当季利用率降低。在我国磷肥利用率仅25%,近75%施入土壤的磷素都被固定而积累下来[2]。因此,探究活化土壤磷库和提高磷肥利用率的途径,对磷素资源高效利用具有重要的意义[3]。

水旱轮作系统是我国典型的水稻种植制度,包括水稻-小麦、水稻-油菜、水稻-冬闲田、水稻-结球甘蓝等多种轮作模式,主要分布在长江和淮海流域的10多个省(市),种植面积约470万hm2[4]。目前,对土壤磷素变化研究较多,主要集中在定位施肥及肥效[5]、磷素流失机制[6]、土壤磷素形态及有效性等方面[7-8]。然而,关于不同轮作模式下土壤磷素的形态特征、含量变化及影响因素的研究较少[9]。本文通过Tiessen-P分级方法测定4种水旱轮作模式下水稻季耕层土壤磷库形态组成,探究在不同轮作模式下稻田土壤各级磷库含量变化特征及其磷组分比例,以期了解不同水旱轮作模式对稻田土壤磷库的调控活化作用,从而为通过养分资源管理途径,减少我国稻田生态系统的磷固定,实现高产高效水稻生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验点位于江苏省如皋市农业科学研究所试验田(120°49′E,32°37′N),供试土壤为江淮冲积物形成的薄层高砂土。轮作试验于2015年6月水稻季开始,土壤基础理化性质为:有机质含量21.30 g·kg-1,全氮含量1.22 g·kg-1,全磷含量0.98 g·kg-1,有效磷含量27.9 mg·kg-1,速效钾含量78.33 mg·kg-1,pH7.46。

水稻、小麦、油菜和结球甘蓝品种分别为‘镇稻11号’‘扬麦16号’‘汾油737’和‘绿帅55’,均为当地常规品种。

1.2 试验设计

采用完全随机区组试验设计。设置4种不同水旱轮作模式:水稻-小麦轮作(RW)、水稻-油菜轮作(RO)、水稻-冬闲田(RF)、水稻-结球甘蓝轮作(RC)。每种轮作模式下设3种磷肥施用处理,即:1)不施肥处理(CK);2)优化施肥处理(OPT):氮肥(180 kg·hm-2)按基肥、分蘖肥、穗肥(水稻移栽后41 d)质量比为5∶3∶2施入,磷肥(60 kg·hm-2)全部基施处理,钾肥(75 kg·hm-2)作为基肥、穗肥按质量比为6∶4施入;3)农民习惯处理(FFP):氮肥(300 kg·hm-2)作为基肥与分蘖肥按质量比5∶5施入,磷肥(120 kg·hm-2)与钾肥(75 kg·hm-2)均作为基肥于水稻移栽前一次性施入。共计12个处理。每个处理设置 3个重复,各重复小区面积为40 m2(5 m×8 m)。

经2年4季水旱轮作后,测定分析第5季即2017年水稻季相关指标。水稻移栽时间为2017年6月25日。种植密度为每公顷20.0×104穴,每穴定植2株,株、行距分别为25、13 cm。不同轮作模式肥料施用量见表1。其中氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素(N,46%)、过磷酸钙(P2O5,14%)和氯化钾(K2O,64%)。其他田间管理措施按当地习惯。

表1 不同轮作模式肥料施用量Table 1 Fertilizer application rate of different rotation systems kg·hm-2

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集与分析于2017年11月3日水稻成熟后收获。收获时,在每个小区随机选取4 m2采样,将水稻脱粒晾晒至标准水分20%以下,除去杂物后称质量,测定水稻的实际产量。采集水稻成熟期植株样品,选择长势较一致的3穴植株的地上部位,将其分为叶片、茎秆和穗3个部分,用自来水清洗后再用去离子水洗净,105 ℃杀青30 min,然后于75 ℃烘干至恒质量。粉碎后的叶片、茎秆和穗均采用H2SO4-H2O2消煮,钼锑抗比色法测定各部位的磷素含量。以五点采样法采集耕层土壤,除去植物残体及根系,风干后过0.15 mm筛,贮存待用于土壤Tieseen-P分级测定。2015年土壤为试验前基础土样,土壤样品为每小区五点取样混合,风干后保存。

1.3.2 Tieseen-P分级测定Tiessen和Moir的磷分级体系通过采用连续浸提的方法将有机磷和无机磷分开,用全磷含量与无机磷含量的差值来表示有机磷含量[10]。该方法将土壤磷级分为:1)树脂交换态磷(Resin-P);2)NaHCO3溶液浸提的磷(NaHCO3-P),分为无机(NaHCO3-Pi)、有机(NaHCO3-Po)2种形态;3)NaOH溶液浸提的磷(NaOH-P),分为无机(NaOH-Pi)、有机(NaOH3-Po)2种形态;4)稀HCl溶液浸提的磷(HCl-P);5)残留态磷(Residues-P)。在水稻成熟期采集收获后0～15 cm耕层土壤,采用Tiessen-P分级方法测定土壤各级磷含量。各级磷含量计算公式如下:

(1)

式中:m代表土壤质量;P代表各磷级的磷含量(mg·kg-1);ρ为显色液的浓度(μg·mL-1);V为显色液的体积(mL);V1为浸提液的体积(mL);V2为测定时吸取的浸提液的体积(mL)。将这7种不同磷级按照其稳定性归类为4种磷库,即活性磷库包含Resin-P和NaHCO3-Pi磷级;中稳性磷库包含NaOH-Pi和HCl-P磷级;稳定性磷库为残留态Residues-P磷级;有机磷库包括NaHCO3-Po和NaOH-Po磷级。磷肥利用率及增产率计算公式[11]如下:

磷农学利用率(phosphorus agronomic efficiency,AEp)=(施磷区产量-不施肥区产量)/施磷量

(2)

磷偏生产力(phosphorus partial factor productivity,PFPp)=施磷区产量/施磷量

(3)

增产率(yield increase rate)=(施磷区产量-不施肥区产量)/不施肥区产量×100%

(4)

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2007和SPSS 22.0软件对试验数据进行绘图和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式优化施肥对水稻产量的影响

如图1所示:轮作与施肥均对水稻产量有影响,但二者的交互作用对产量影响不显著。同一轮作模式下,OPT和FFP处理比CK均增加水稻产量,增产率为32.1%～51.6%。同一施肥处理下,CK和FFP处理,4种轮作模式间的水稻产量均无差异;但OPT处理中,RO模式的水稻产量相比RF模式高10.7%(P<0.05),但与其他2种轮作模式的水稻产量无显著差异。

2.2 不同轮作模式优化施肥对水稻磷累积量和分配的影响

从表2可知:轮作和施肥以及二者的交互作用对籽粒磷累积量和总磷累积量有显著影响,且施肥对水稻各部位磷累积量和总磷累积量影响极显著。在成熟期,不同轮作模式下水稻植株磷累积量为12.8～45.2 kg·hm-2,且磷主要累积在籽粒中,占植株总磷累积量的75.0%～89.4%(表3)。与CK处理相比,OPT和FFP处理均可明显提高水稻植株的磷累积量,但磷在籽粒中的累积分配比例下降。同一施肥条件下,在CK和FFP处理下,4种轮作模式间的总磷累积量及各部位间的磷累积量无差异。在OPT处理下,RO和RW模式的植株籽粒磷累积量和总磷累积量显著高于RF和RC模式,分别增加31.5%～53.7%和 20.5%～41.9%。

表2 轮作和施肥对植株磷累积量交互作用的双因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA analysis of different rotations and fertilization on plant phosphorus accumulation

表3 不同轮作模式下植株磷累积量及分配比例Table 3 Plant phosphorus accumulation and distribution ratio of different rotation systems

2.3 不同轮作模式优化施肥对水稻磷素利用率的影响

从表4可知:同一轮作模式下,OPT处理的平均磷农学利用率(AEp)和磷肥偏生产力(PFPp)均高于FFP处理,分别增加91.0%和91.6%。同一施肥处理下,RO模式在4种轮作模式中的磷农学利用率和磷偏生产力最高。在OPT处理中RO模式的磷农学利用率和磷偏生产力分别比其他轮作模式增加10.7%～50.3%和5.7%～10.7%,在FFP处理中分别比其他轮作模式增加23.0%～47.2%和3.4%～12.4%。

表4 不同轮作模式下水稻磷肥利用率Table 4 Rice phosphorus use efficiency under different rotation systems

2.4 不同轮作模式对水稻耕层土壤磷库的影响

2.4.1 不同轮作模式对水稻耕层土壤全磷含量的影响从图2可以看出:土壤中全磷含量变化范围为0.71～1.18 g·kg-1。CK处理土壤全磷含量处于耗竭状态,4种轮作模式土壤全磷含量较试验开始前降低10.1%～27.2%。4种轮作模式下OPT和FFP处理全磷含量较试验开始前分别提高0.41%～4.29%和 2.35%～8.18%。OPT处理的4种轮作模式土壤全磷含量无差异,FFP处理的RW模式土壤全磷含量显著高于其他3种轮作模式(11.3%～15.7%)。

2.4.2 不同轮作模式对水稻耕层土壤各级磷库含量的影响从表5可以看出:轮作和施肥对土壤不同磷素含量的影响不同,但这2种因素的交互对不同形态磷素含量均有显著影响。水稻耕层土壤磷组分以HCl-P和Residues-P为主,其含量分别为370～447 mg·kg-1和190～556 mg·kg-1(表6)。CK处理下,RO模式明显提高土壤中Resin-P、NaHCO3-Pi、HCl-P和NaOH-Po的含量,比其他轮作模式分别提高13.6%～35.2%、30.5%～49.7%、1.7%～10.4%和19.7%～143.0%,而RW和RC模式显著提高土壤中NaHCO3-Po含量(增幅8.47%～26.6%),RF模式显著提高土壤中NaHCO3-Pi含量(11.7%～33.2%)(表6)。OPT处理下,RO模式比其他轮作模式显著提高土壤中NaOH-Pi含量(6.3%～31.1%),RW模式NaHCO3-Pi含量比其他轮作模式提高8.7%～37.7%,RC模式Resin-P和HCl-P含量分别高出其他轮作模式28.4%～35.9%和2.4%～12.4%(表6)。FFP处理下,RO模式明显提高土壤中NaOH-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Po的含量,比其他轮作模式分别提高18.2%～78.6%、7.5%～20.7%和47.9%～311.0%(表6)。

表5 轮作和施肥对土壤不同形态磷素交互作用的双因素方差分析Table 5 Two-way ANOVA analysis of different rotations and fertilization on different forms of phosphorus

表6 不同轮作处理对水稻耕层土壤不同形态磷素含量的影响Table 6 Effect of different rotation treatment on different forms of phosphorus content in rice topsoil mg·kg-1

2.4.3 不同轮作模式对水稻耕层土壤各级磷库比例的影响轮作、施肥以及这2种因素的交互作用对不同土壤磷库影响显著。轮作对土壤活性磷库、中稳性磷库和稳定性磷库影响显著,施肥对有机磷库影响极显著(表7)。

表7 轮作和施肥对土壤不同磷库组成比例交互作用的双因素方差分析Table 7 Two-way ANOVA analysis of different rotations and fertilization on phosphorus pool composition in rice topsoil

从表8可知:轮作各处理的土壤磷库主要以中稳性磷库为主,占总磷库的52.8%～64.8%,其次是稳定性磷库,占总磷库的25.7%～38.4%,活性磷库和有机磷库的比例较低,分别占总磷库的3.7%～6.0%和3.3%～6.0%。与试验开始前相比,同一施肥方式下,4种轮作模式的活性磷库和稳定性磷库的比例降低,而中稳性磷库和有机磷库的比例提高。CK和OPT处理下,4种轮作模式间的土壤各磷库的比例均无差异。FFP处理下,RW模式的活性磷库比例显著低于其他轮作模式32.7%～37.3%,RC模式的中稳性磷库比例高出其他轮作6.4%～21.2%,RO模式的有机磷库较其他轮作模式增加16.0%～52.6%。

表8 不同轮作处理对水稻耕层土壤磷库组成比例的影响Table 8 Effects of different rotation treatments on phosphorus pool composition in rice topsoil %

3 讨论

3.1 不同水旱轮作模式对水稻产量、植株磷累积量及磷肥利用率的影响

磷肥的投入对水稻的生长发育和生理过程都有促进作用,适量磷肥的投入可以提升土壤肥力,提高水稻产量[12-13]。本试验OPT处理水稻产量与FFP处理差异不明显。此外,不同轮作模式下磷肥施用对水稻的增产效果存在一定的差异。周昱磊等[14]研究表明在优化施磷方式下水稻-榨菜轮作模式的水稻产量最高,其次是水稻-小麦轮作,而水稻-闲田轮作模式最低。蔬菜季较高的磷肥施入量是水稻产量增加的原因。本研究中,水稻-油菜轮作的水稻产量大于水稻-小麦轮作,水稻-结球甘蓝轮作大于水稻-冬闲区轮作。可能是前茬作物油菜的根系为直根系,在土壤中易于形成孔径较大的“优先路径”,从而促进后茬作物对养分的吸收和利用,优化水稻群体结构,提高水稻产量[15]。因此,从肥料投入和稳产的角度分析,OPT条件下的RO模式可能更经济、高效。不同作物轮作换茬可以改善土壤理化性状[16],提升土壤肥力[17],提高作物产量[18]。周春火[19]的研究表明,冬季种油菜对水稻磷素吸收有积极作用,这与本试验结果一致。在本试验中水稻-油菜轮作的水稻植株磷累积量表现出明显优势,其原因可能在于稻油轮作有助于提高土壤风化程度,改良土壤结构进而影响土壤养分释放,提高作物产量,增加植株磷累积量[20-21]。郭鑫年等[22]研究表明合理的磷肥用量不仅提高作物产量,同时也促进作物磷素利用率。本试验中,OPT处理的磷农学利用率和磷偏生产力均高于FFP处理,主要原因是OPT处理的磷肥施用量较FFP处理相差1倍(分别是60和120 kg·hm-2),并且本试验中的高砂土具有缓冲性差、通透性强等特点[23],因此水稻对磷肥的利用效率相差非常大,且OPT处理中水稻-油菜轮作的磷农学效率和偏生产力最高,其次是水稻-小麦轮作。由此可见,在本试验中OPT处理RO和RW轮作模式更经济、高效,可能是其促进水稻植株吸收累积相对较多的磷,且保持相对较高的营养器官累积磷的再利用效率,进而增加籽粒产量。

3.2 不同水旱轮作模式水稻季耕层土壤磷库组分的影响

与试验开始前相比,4种轮作模式土壤活性磷库和稳定性磷库的相对含量降低,而中稳性磷库和有机磷库的相对含量提高,说明轮作管理有利于土壤中稳定性磷库向中稳性磷库转换,提高土壤中可利用磷的含量。不施肥的土壤全磷、无机磷将处于耗竭状态[24-26]。本试验中,CK处理下4种轮作模式土壤磷库均损耗,全磷含量和Residues-P含量明显降低。研究表明,长期施用磷肥,土壤全磷、无机磷和有机磷均有不同程度的积累[27-29]。在本试验中,施肥处理的4种轮作模式土壤全磷较CK处理均有所积累。本试验中,施肥可以提高中稳性磷库和有机磷库的比例,但活性磷库比例降低,说明其他形态磷不足以补充作物带走的磷,所以在磷肥管理中必须合理增加磷肥的投入来维持土壤供磷能力,从而增加水稻产量。OPT处理土壤磷库在4种轮作模式间无显著差异,但与CK处理相比,其在水稻-小麦、水稻-油菜、水稻-冬闲区模式土壤中稳性磷库比例提高,表明磷肥的适量投入可以改善土壤磷库组分的有效性,提高有效磷库占总磷库的比例。同时,本研究结果表明不同轮作模式对水稻季土壤无机形态磷的影响不同,OPT处理中水稻-小麦模式的NaHCO3-Pi含量最高,这可能是由于稻麦轮作在稻季淹水条件下氧化还原电位降低,高价铁还原低价铁提高了土壤NaHCO3-Pi含量[30]。水稻-油菜模式的NaOH-Pi含量最高,可能是该轮作能够促进Fe-P和Al-P的水解,减少土壤表面的正电荷,使吸附态磷解吸进而提高NaOH-Pi含量[31]。水稻-结球甘蓝轮作模式的Resin-P和HCl-P含量最高,可能是因为旱季作物的肥料投入量多。一方面对水稻季产生肥效残留效果,另一方面导致大部分磷素被土壤固持,造成水稻季土壤Resin-P含量高,且增加了HCl-P的累积量[32]。