紫云英还田+稻鱼共生对水稻土壤养分及产量的影响

2020-12-10吕广动梁玉刚隆斌庆杨飞翔

西南农业学报 2020年8期

吕广动，黄璜*，梁玉刚，王忍，周晶，隆斌庆，杨飞翔

(1.湖南农业大学农学院/湖南省稻田生态种养工程技术研究中心，湖南长沙 410128；2.娄底职业技术学院，湖南娄底 417000；3.湘西土家族苗族自治州农业科学研究院，湖南吉首 416000)

【研究意义】水稻是我国主要粮食作物之一，目前水稻生产在追求稳产与高产的同时，也面临诸多问题的挑战：农户种粮积极性降低、土壤肥力下降、农业面源污染严重、稻米品质不高等[1-2]。紫云英还田与稻田养鱼是解决当下农业生产中存在诸多问题的两个有效途径，二者结合对于水稻土壤肥力及水稻生产的效应如何，目前研究较少。本研究通过探究“紫云英还田耦合稻鱼共生”耕作模式对水稻土壤养分含量及产量的影响，以期为培肥稻田土壤，促进水稻高效生产，实现水稻生产的可持续发展提供科学依据。【前人研究进展】冬季种植紫云英可以有效改善土壤结构，提高土壤蓄水性，防止水土流失[3-4]，同时紫云英具有良好的固氮和固碳作用,有助于恢复地力，利于第二年水稻生产[5]。紫云英翻耕还田，有利于稻田有机质的积累，提高稻田土壤全氮含量以及氮肥利用率，促进土壤养分的活化[6-8]。研究表明，紫云英还田对双季稻种植的土壤养分积累是正效应，并且对双季稻生产均有增产作用，且对早稻的效用更为明显[9-10]。稻田养鱼作为我国的精典农耕模式，对培肥土壤，提高水稻产量有良好的促进作用。有研究表明，稻田养鱼可以有效提高土壤有机质的含量[11-12]，对土壤全量氮磷影响不明显，全钾含量下降，但有效提高了的土壤速效养分含量[13-14]。稻田养鱼会降低土壤pH，增加土壤温度，改善水稻生长环境，利于水稻生长[12]。稻田养鱼不仅可以提高水稻产量，还可以提高稻米品质，实现水稻高效优质生产[15-16]。并且稻田养鱼的经济效益较单一的种植、养殖都高，有利于提高稻农生产积极性。【本研究的切入点】前人对紫云英还田、稻鱼共生2种耕作模式对水稻土壤养分和产量的影响有较为系统的研究，但以二者结合开展的研究较少，其相互关系如何有待进一步探究。【拟解决的关键问题】本研究开展“紫云英还田耦合稻鱼共生”对土壤肥力的影响规律、产量的形成规律以及紫云英还田与稻鱼共生的相互关系的研究，拟探究“紫云英还田耦合稻鱼共生”模式对水稻土壤养分及产量的影响规律，从而为水稻的高效生产和水稻生产的可持续发展提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本研究于2018年在长沙县路口镇明月村开展，该地区属亚热带湿润气候。年均气温16～20 ℃，全年无霜期260～300 d，日照时数1600～1800 h，年均降水量1472.9 mm，年平均蒸发量1194.9 mm，平均相对湿度81 %。土壤类型为红黄泥水稻土。在紫云英栽种前使用五点取样法，采取土壤背景值并测定其理化性质，其中土壤全氮含量为1.15 g/kg，全磷含量为0.68 g/kg，全钾含量为6.80 g/kg，碱解氮含量为96.91 mg/kg，速效磷含量为21.78 mg/kg，速效钾含量为93.08 mg/kg，有机质含量为21.92 g/kg，pH 6.11。

表1 验处理水平设置

1.2 试验材料

早稻水稻品种选择常规稻中早39；放养鱼苗选择工程鲫、本地草鱼；紫云英品种选择小叶紫云英常德种。

1.3 试验设计

本研究以单季早稻栽培，设置常规水稻栽培(CK)、紫云英还田(ZD)、稻鱼共生(YD)、紫云英还田+稻鱼共生(ZY)共4个处理，其中紫云英还田量为20 t/hm2的鲜草翻压还田。早稻每个处理的试验面积为667 m2，大区试验，不设重复。

1.4 田间管理

早稻于2018年4月17日进行整田，19日插秧，插秧规格为每穴3～4株基本苗，株距为20 cm，行距为25 cm。整田前施入基肥，基肥施用量为氮肥总量的70 %，钾肥总量的90 %和磷肥的90 %，分蘖期追施氮肥总量的20 %，于孕穗期追施复合肥(15N∶15P2O5∶15K2O)，用量为全部氮肥、钾肥和磷肥的10 %；3种化肥的总量：氮肥纯N为150 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 为1∶0.5∶0.8(稻鱼共生追肥时，将水位降至田面以下，并少施多次)。稻鱼共生模式试验田在水稻分蘖盛期放养25 g左右的工程鲫混合10 g左右的草鱼，放养密度为工程鲫400尾/667m2、草鱼100尾/667m2。田中挖“十字”形鱼沟，沟宽30 cm，沟深50 cm。鱼的日常管理做到“定时、定点、定量投喂”，每天投喂玉米粉一次，投喂量为鱼体重的3 %～5 %，水稻收割前排水收鱼。水稻单作模式试验田水肥与其他处理保持一致。

1.5 样品处理与方法

在翻耕前以及水稻分蘖期、拔节期、齐穗期、成熟期对试验区采用五点采样法采集耕作层(0～20 cm)土壤样品，混匀备用。全氮采用凯氏定氮法；全磷采用钼锑抗比色法；全钾采用火焰光度法；碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用0.05 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1(1/2H2SO4)法；速效钾采用NH4OAc浸提，火焰光度法；pH采用电位法；有机质采用重铬酸钾容量法—稀释热法[17]。每个处理采用五点取样法，每点选取3蔸水稻样品进行室内考种，统计产量构成因素并计算理论产量；每个处理采用五点取样法收割5个1 m2的样方，进行实收测产。

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2013整理数据和制表，使用SPSS19.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 紫云英还田+稻鱼共生对土壤全量养分含量的影响

如图1可知，YD、ZD和ZY处理的土壤全氮含量在拔节期至成熟期均显著高于CK处理(P<0.05)，增幅分别为5.00 %～12.10 %、4.17 %～10.48 %、5.83 %～18.18 %；ZY处理的土壤全氮含量在分蘖期至成熟期均高于YD和ZD处理，且与YD处理在成熟期达到显著性差异(P<0.05)，与ZD处理在拔节期至成熟期均差异显著(P<0.05)；成熟期ZY处理土壤全氮含量为1.43 g/kg，较CK、YD、ZD处理分别高出18.18 %、5.93 %、9.16 %，且差异显著(P<0.05)。

如图2可知，YD和ZY处理的土壤全磷含量在分蘖期至成熟期均显著高于CK处理(P<0.05)，增幅分别为4.29 %～17.46 %、6.06 %～20.63 %；ZD处理的土壤全磷含量在分蘖期和拔节期低于CK处理，但在齐穗期和成熟期显著高于CK处理，增幅分别为13.85 %、7.94 %(P<0.05)；ZY处理的土壤全磷含量除拔节期外，其余生育期均高于YD处理，但均无显著差异；ZY处理土壤全磷含量除齐穗期外其余生育期均高于ZD处理，且除齐穗期外均达到显著性差异(P<0.05)；成熟期ZY处理土壤全磷含量为0.76 g/kg，较CK和ZD处理分别高20.63 %和11.76 %，且差异显著(P<0.05)。

图1 不同生育时期土壤全氮含量Fig.1 Total nitrogen in soil at different growth stages

图2 不同生育时期土壤全磷含量Fig.2 Total phosphorus in soil at different growth stages

如图3可知，YD处理的土壤全钾含量在分蘖期和齐穗期显著低于CK处理，但在拔节期和成熟期显著高于CK处理，增幅分别为3.19 %、2.53 %(P<0.05)；ZD处理的土壤全钾含量除拔节期外，其余生育期均低于CK处理，成熟期与CK相比降低了1.97 %，且差异显著(P<0.05)；ZY处理的土壤全钾含量除齐穗期外，其余生育期均高于CK处理，增幅为1.16 %～3.42 %，且除分蘖期外均达到显著性差异(P<0.05)； ZY处理的土壤全钾含量在分蘖期和成熟期高于YD处理，在拔节期和齐穗期低于YD处理，且在分蘖期与成熟期差异显著(P<0.05)；ZY处理的土壤全钾含量除拔节期外，其余生育期均高于ZD处理，且在各生育期均达到显著性差异(P<0.05)；成熟期ZY处理土壤钾磷含量为6.95 g/kg，较CK和ZD处理分别高3.42 %和5.46 %，且差异显著(P<0.05)。

2.2 紫云英还田+稻鱼共生对土壤pH、有机质和速效养分含量的影响

如表2所示，YD和ZY处理的土壤pH在分蘖期至成熟期均低于CK处理，降幅分别为0.02～0.14和0.04～0.12，且除分蘖期外均达到显著性差异(P<0.05)；ZD处理的土壤pH在成熟期高于CK处理，增加了0.04，且达到显著性差异(P<0.05)；ZY处理的土壤pH在拔节期低于YD处理，在齐穗期和成熟期高于YD处理，增幅分别为0.02和0.06，且在成熟期达到显著性差异(P<0.05)；ZY处理的土壤pH在拔节期至成熟期均低于ZD处理，且均达到显著性差异(P<0.05)；成熟期各处理的pH表现为ZD>CK>ZY>YD ，其中ZD处理的土壤pH为6.06，显著高于CK、ZY和YD处理，分别提高了0.04、0.08和0.12个单位。

图3 不同生育时期土壤全钾含量Fig.3 Total potassium in soil at different growth stages

表2 不同生育期土壤pH、有机质含量

ZD和ZY处理的土壤有机质含量在分蘖期至成熟期均显著高于CK处理，增幅分别为5.01 %～14.93 %、6.22 %～16.40 %(P<0.05)；YD处理的土壤有机质含量在分蘖期和拔节期均低于CK处理，但在齐穗期和成熟期均显著高于CK处理，增幅分别为4.65 %、6.63 %(P<0.05)； ZY处理的土壤有机质含量在分蘖期至成熟期均显著高于YD处理(P<0.05)；ZY处理的土壤有机质含量除拔节期外，其余生育期均高于ZD处理，但均无显著性差异；成熟期ZY处理土壤有机质含量为23.00 g/kg，较CK和YD处理分别高出16.40 %和9.16 %，且达到显著性差异(P<0.05)。

由表3可知，ZD和ZY处理的土壤碱解氮含量在拔节期至成熟期均高于CK处理，增幅分别为4.38 %～7.83 %、5.24 %～9.68 %，且均达到显著性差异(P<0.05)；YD处理的土壤碱解氮含量从拔节期至成熟期均高于CK处理，增幅为2.23 %～3.75 %，且于成熟期达到显著性差异(P<0.05)； ZY处理的土壤碱解氮含量在分蘖期至成熟期均高于YD处理，且除分蘖期外均表现出显著性差异(P<0.05)，ZY处理的土壤碱解氮含量从分蘖期至成熟期均高于ZD处理，但均无显著差异；成熟期ZY处理土壤碱解氮含量为97.28 mg/kg，较CK和YD处理分别高7.71 %和3.81 %，且差异显著(P<0.05)。

YD、ZD和ZY处理的土壤速效磷含量在拔节期至成熟期均高于CK处理，增幅分别为14.62 %～18.65 %、7.48 %～22.12 %、4.72 %～15.96 %，且除齐穗期外均表现出显著性差异(P<0.05)； ZY处理的土壤速效磷含量在分蘖期和成熟期高于YD处理，在拔节期和齐穗期低于YD处理，且除齐穗期外均无显著性差异；ZY处理的土壤速效磷含量在分蘖期至齐穗期均低于ZD处理，但在成熟期显著高于ZD处理；成熟期ZY处理土壤速效磷含量为20.78 mg/kg，较CK和ZD处理分别高15.96 %和7.89 %，且达到显著性差异(P<0.05)。

YD处理的土壤速效钾含量拔节期和齐穗期均高于CK处理，增幅为7.65 %和0.74 %，成熟期低于CK处理，且在拔节期和成熟期达到显著性差异(P<0.05)；ZD处理的土壤速效钾含量除拔节期外均低于CK处理，并于齐穗期和成熟期达到显著性差异(P<0.05)；ZY处理的土壤速效钾除拔节期外，均高于CK处理，且在齐穗期和成熟期达到显著性差异(P<0.05)；成熟期各处理的土壤速效钾含量表现为ZY>CK>YD>ZD，其中ZY处理土壤速效钾含量为92.00 mg/kg，较CK、YD、ZD处理高1.85 %、2.60 %、3.76 %，且均达到显著性差异(P<0.05)。

2.3 紫云英还田与稻鱼共生对水稻产量构成因素及产量的影响

由表4可知，各处理的千粒重表现为ZY>CK>YD>ZD，其中ZY处理的千粒重为24.15g，显著高于CK的23.80 g，增加了0.35 g，ZD处理的千粒重较CK降低了0.56 g，且差异显著(P<0.05)。各处理的有效穗表现为CK>ZD>ZY>YD，其中ZY处理的有效穗为306.67万穗/hm2，显著低于CK处理的320.00万穗/hm2，降低了4.17 %，YD处理的有效穗较CK处理降低了12.5 %，且差异显著(P<0.05)；各处理结实率表现为YD>ZY>CK>ZD，其中ZY处理的结实率为66.85 %，较CK处理的62.13 %高4.72 %，且差异显著，YD处理的结实率显著高于CK处理，提高了9.72 %(P<0.05)；各处理穗粒数表现为ZY>YD>CK>ZD，ZY处理的穗粒数为171.25粒，显著高于CK处理的141.94粒，增加了29.31粒，增幅达20.65 %，YD处理的穗粒数较CK处理高15粒，增幅达10.57 %，且差异显著；各处理的理论产量与实际产量表现一致，均为ZY>YD>ZD>CK，其中ZY处理的实际产量达6.29 t/hm2，较CK处理的5.65 t/hm2增加了0.64 t/hm2，增幅达11.33 %，较ZD和YD处理增产6.79 %和4.83 %，均达到显著性差异(P<0.05)；ZD和YD处理较CK增产6.19 %和4.25 %，且差异显著(P<0.05)。

表3 不同生育期土壤有效养分含量

3 讨论

3.1 紫云英还田+稻鱼共生对土壤养分的影响

紫云英具有良好的固氮与固碳作用，种植并翻压紫云英还田可以有效改良土壤耕性，改善土壤微生物群落结构，且在浅水条件下紫云英还田后有较快的腐解速率，利于有机物质的积累以及土壤养分的矿化、释放，提高土壤养分循环速率与效率，即紫云英还田可以有效提高土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量[18-21]。紫云英还田可以有效提高土壤pH，有利于土壤养分转化和利用[22-23]。本研究中，除速效钾外，ZD处理的结果与前人研究结果一致。而ZD处理土壤全磷和全钾的变化规律，在于紫云英积累的磷钾元素，在紫云英腐解前期释放速率较慢，而后期释放速率加快[20]。稻田养鱼对水稻土壤肥力的提高是综合性的，鱼通过游动、采食田间浮游生物，增加了水体溶解氧含量，改善了土壤氧化还原状况[24]，有利于土壤有机物质的矿化释放并提高利用效率。鱼的食性广，其采食行为会改变农田水体群落结构，减少浮游生物对农田养分(尤其是水溶性养分)的占用，有利于养分的积累与利用[15]。残余的饵料是稻鱼系统中土壤有机质的来源之一，且饵料易被分解，是稻鱼系统中农田土壤养分的来源之一。前人研究表明，稻田养鱼可以有效提高土壤全量氮磷钾及其有效态、有机质的含量，但会使土壤pH降低[24,25-26]，这与本研究YD处理的结果一致。而对于紫云英还田耦合稻鱼共生对土壤肥力的影响，前人研究较少。本研究结果显示，ZY处理可以有效提高土壤肥力，ZY处理成熟期土壤全氮、磷、钾和速效氮、磷、钾含量，较CK处理分别提高了18.18 %、20.63 %、3.42 %和7.71 %、15.96 %、1.85 %，且处理效果优于ZD、YD处理，紫云英还田与稻鱼共生对土壤养分含量的影响为协同作用。ZY处理的pH呈下降趋势，但较YD处理下降幅度小，说明紫云英还田可以有效减缓稻田养鱼带来的土壤酸化趋势，并且冬种紫云英较传统的冬闲田，相当于水旱轮作，也是土壤酸化减缓的原因之一。

表4 水稻产量及产量构成指数

3.2 紫云英还田+稻鱼共生对水稻产量的影响

前人研究表明，稻鱼共生与紫云英还田均能有效提高水稻产量[15,27]，这与本研究中的结果是一致的。紫云英还田耦合稻鱼共生对产量提高的效果最为显著。各处理实际产量表现为ZY>YD>ZD>CK，其中ZY处理的实际产量6.29 t/hm2，较CK处理的5.65 t/hm2，增幅达11.33 %。在生产中，分蘖盛期晒田是保证农田基本苗的前提下提高有效分蘖的有效措施，但本试验条件下，ZY、YD处理在土壤氮素供应充足的条件下，分蘖期仍旧淹水，导致无效分蘖增多，有效穗数量相应减少，这与王华等[16]的研究结果一致。据郭松海等的研究[27]，水稻低密度栽培条件下，稻田养鱼主要通过影响水稻的穗长及千粒重来实现水稻的增产，这与本研究ZY处理的产量形成的结果较为一致。稻田养鱼可以为水稻的生长提供适宜的温度与环境，并提供充足的氮素供应，可以充分提高水稻的光合作用，延长水稻分蘖与灌浆时间，利于水稻产量的形成[12,15,28]。紫云英代替氮肥的效用有限[6]，且紫云英在腐解前期会占用一部分的农田氮素，不利于水稻前期生长。紫云英-稻模式在茬口紧、还田量大的情况下，紫云英的腐解过程对水稻生长有毒害的风险[29-30]。因此在紫云英还田的基础上，引入稻鱼共生，可以有效优化水稻全程生长营养供给。而本试验结果表明，紫云英还田耦合稻鱼共生与这2个单一技术比较，在土壤培肥和提高产量方面比单一的紫云英还田和单一的稻鱼共生有显著优势，也说明了2个措施配合的必要性。因此，在应用生态农业技术时，必须统筹短期与长期效应、兼顾阶段与全程。通过本试验，揭示了2个技术配合应用的重要作用，这也是本研究的创新点。