“稻-稻-四季豆”种植制度周年养分调控优化策略研究

蓝华生，黄巧义，吴永沛，唐拴虎，黄 旭，黄建凤，张 木，李 苹，付弘婷

（1. 广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所，广东 广州 510610；2. 广东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部南方植物营养与肥料重点实验室/广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室，广东 广州 510640）

【研究意义】广东省人均耕地面积少，耕地资源紧缺[1]；广东省地处南亚热带，光照充足，水热资源充沛，具备发展多熟种植的热量潜势[2]。目前，“稻-稻-菜”多熟种植制度在广东省发展迅猛，覆盖面积广，但其化肥施用量远高于传统“稻-稻-休闲”种植制度[3]，一方面导致养分资源浪费，另一方面增加了农业面源污染风险[3-5]。因此，开展高效施肥技术研究是实现“稻-稻-菜”种植制度提质增效的关键措施。【前人研究进展】研究发现，“稻-稻-菜”种植制度下适当降低早稻季的化肥用量，有利于提高早稻籽粒产量、品质和效益[6]。同时，早、晚稻轮作后，可有效消解冬种蔬菜季残余的养分，降低农业面源污染风险，提高肥料利用效率[4]。这表明通过对 “稻-稻-菜”种植制度下周年养分用量进行合理运筹，可实现化肥减量增效。张阳等[7]对“大豆-玉米”种植制度的氮磷用量进行合理的周年调控，即玉米季增氮减磷和大豆季减氮增磷并保持周年化肥用量不变，结果发现可显著提高周年作物产量和养分利用效率。王兴仁等[8]也以一个轮作周期作为施肥调控单位对“小麦-玉米”种植制度的氮磷钾肥进行分配，可实现化肥减施、作物增产。【本研究切入点】目前广东省“稻-稻-菜”种植制度的施肥管理方案仍然按照单独作物进行管理，尚缺乏综合不同作物的周年养分管理方案，以致化肥用量偏高、面源污染风险较大。【拟解决的关键问题】本研究在前期研究工作基础上，以“稻-稻-四季豆”三熟种植体系为研究对象，设定不同的氮磷周年调控模式，并比较不同养分周年调控策略对作物产量、土壤养分含量和酶活性的影响，以期获得“稻-稻-菜”三熟种植制度的较优施肥策略，为广东省珠江三角洲“稻-稻-菜”三熟轮作制度合理施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点位于广东江门市台山市都斛镇南村（112°49′36″E、22°15′39″N），年平均气温22.3℃，年平均日照2 006 h，年平均降水量3 500.5 mm以上，无霜期360 d。试验开始于2015年4月，结束于2017年4月。

供试土壤为砂壤土，试验前0～20 cm土层的基本理化性质为：pH 5.71，有机质 18.50 g/kg，碱解氮 116.2 mg/kg，有效磷 26.2 mg/kg，速效钾40.1 mg/kg。

供试作物早稻品种为常规稻品种黄丝占，晚稻水稻品种为新宁丝苗。每年早稻于4月下旬至5月上旬移栽，7月中下旬收获，全生育期约83 d；晚稻于8月上中旬移栽，11月上旬收获，全生育期约93 d；冬种蔬菜为四季豆，品种为泰优15号玉豆（由泰国引进，茂名南方良种蔬菜公司选育）。四季豆于12月中旬播种，1月中旬上架，2月下旬开花，3月下旬开始收获第一批豆，4月底全部收获，全生育期125 d，全年作物覆盖天数约301 d。

1.2 试验方法

试验采用田间小区方式进行，共设3种不同的周年养分调控策略：

（1）CK，常规施肥处理。每季作物的化肥用量均按照常规用量水平，早、晚稻的化肥投入量为N 150 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 130 kg/hm2，四季豆的化肥投入量均为N 180 kg/hm2、P2O570 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2。

（2）LNP，基于土壤-作物周年养分综合管理技术的减氮减磷模式。根据珠江三角洲“稻-稻-菜”三熟种植制度下冬种蔬菜季化肥施用量偏高、土壤残留养分含量较高的现象，将早稻的氮、磷用量降低20%，周年化学氮肥减量6.25%、磷肥减量5.62%。

（3）OLNP，基于冬种蔬菜季化肥投入量较大、土壤盈余量大的现状而采取的周年减氮减磷模式。早稻氮用量降低10%，晚稻磷用量降低10%，冬种蔬菜的氮、磷用量降低10%，周年化学氮肥减量6.87%、磷肥减量7.19%。

早、晚稻采用“新农科”牌水稻控释肥（23∶7∶20），在水稻移栽前全部基施。其中CK早稻和晚稻施用水稻控释肥652 kg/hm2；LNP处理早稻施用水稻控释肥521 kg/hm2和氯化钾肥料43 kg/hm2，晚稻施用水稻控释肥652 kg/hm2；OLNP处理早稻施用水稻控释肥587 kg/hm2、过磷酸钙37 kg/hm2和氯化钾肥料22 kg/hm2，晚稻施用水稻控释肥578 kg/hm2、尿素33 kg/hm2和氯化钾肥料22 kg/hm2。冬种蔬菜采用18∶7∶15复合肥进行施用，基肥施用10%，移栽15、25、35 d后各追施30%。其中CK和LNP处理复合肥施用总量为1 000 kg/hm2，OLNP处理复合肥施用总量为900 kg/hm2和氯化钾肥料25 kg/hm2。

每个处理4次重复，田间随机区组排列，小区面积4.84 m×6.95 m。小区间筑埂后用塑料薄膜包覆隔离，实行单独排灌，防止水肥渗透。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 水稻和四季豆产量 早稻和晚稻成熟期，各小区单独收获、测产。四季豆收成季节每小区单独收获、称重，记录四季豆产量。

1.3.2 水稻产量构成因素 2016年早稻和晚稻水稻收获前，每小区取样5株进行室内考种，包括有效穗数、实粒数、结实率、千粒重。

1.3.3 作物养分含量 于2016年早稻、晚稻和2017年四季豆获时，每个小区随机采集2株长势均匀的植株样品，将各处理的茎叶、穗部和四季豆豆荚样品在105 ℃下杀青30 min，随后在75 ℃下烘至恒重，计算干物质量，粉碎后过0.5 mm 筛，采用H2SO4-H2O2消煮后，采用凯氏定氮法测定全氮含量、钼锑抗比色法测定全磷含量、火焰光度法测定全钾含量。

1.3.4 土壤理化性状 田间试验开始前采集0～20 cm耕层土样作为基础土样，用于测定pH和有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量。于2016年早稻、晚稻和2017年四季豆获时，采集每个小区代表性土壤样品。土壤样品经风干过筛后，采用常规土壤农化分析方法[9]进行理化分析，其中土壤pH（水土比为2.5∶1）用酸度计电位法、有机质用重铬酸钾容量法、土壤碱解氮用碱解扩散法、有效磷用Olsen 法、速效钾用醋酸铵浸提-火焰光度法测定。

1.3.5 土壤酶活性 于2016年早稻、晚稻和2017年四季豆获时，采集每个小区代表性土壤样品，并4℃冷藏保存。土壤过氧化氢酶、脱氢酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶过氧化氢酶的活性分别采用高锰酸钾滴定法、TTC还原法、3，5-二硝基水杨酸比色法、靛酚蓝比色法和磷酸苯二钠比色法进行测定，β-1,4-葡萄糖苷酶采用荧光微型板酶检测方法[10]测定。

试验数据采用Excel 2007 进行处理，采用R软件的Agricolae包进行统计分析，多重比较采用LSD-test法，采用R软件的Ggplot2包进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同养分调控策略的作物产量

由表1可知，与CK相比，LNP和OLNP处理的早稻、晚稻和四季豆产量没有显著降低，表明适当降低冬种四季豆和早稻的氮磷用量对单季作物产量没有显著影响。从周年产量结果来看，LNP处理最高，两年的周年作物产量较CK提高4.83%；OLNP处理相对较低，较CK降低0.78%，没有显著差异。

不同养分调控措施对“稻-稻-菜”三熟轮作体系的作物生物量影响与产量基本一致（表2）。LNP和OLNP处理的早稻、晚稻和四季豆生物量与CK基本一致，没有显著差异。从周年结果来看，LNP处理累积的周年生物量最大，较CK提高1.15%；OLNP处理的周年生物量稍低于CK，但降幅仅0.41%，影响甚微。

表1 养分调控策略对“稻-稻-菜”三熟种植体系作物产量的影响Table 1 Effects of different nutrient regulation strategies on the crop yields under rice-rice-vegetable rotation system

2.2 不同养分调控策略的水稻产量构成因素

不同营养调控措施对“稻-稻-菜”三熟种植体系下早稻和晚稻产量构成因素的影响见表3。总体上，CK的早稻有效穗数最高，其次是OLNP，LNP处理的有效穗数最低；不同营养调控措施对晚稻有效穗数的影响没有规律性的变化特征。不同处理的早稻和晚稻实粒数基本一致。LNP和OLNP处理的早稻结实率均高于CK，达到82%以上；而晚稻不同处理的结实率没有明显变化。早稻期间，CK的千粒重稍微大一点，晚稻期间不同处理的千粒重基本相似。由此可见，在“稻-稻-菜”三熟种植体系下，早稻减氮减磷处理对早稻产量构成因素没有显著影响，可能会降低早稻的有效穗数和千粒重，而其结实率相对较高；晚稻减磷处理对晚稻产量构成因素没有显著影响，其有效穗数、实粒数、结实率和千粒重与常规施肥处理基本一致。

2.3 不同养分调控策略对作物氮、磷、钾养分含量的影响

OLNP的冬种蔬菜氮含量稍低于CK和LNP处理，但差异不显著（图1）。LNP处理的早稻秸秆和籽粒氮含量均低于CK和OLNP 处理，尤其是秸秆氮含量降幅较大，但差异不显著。OLNP处理的早稻秸秆和籽粒氮含量也稍低于CK，差异也不显著。不同养分调控措施间晚稻秸秆和籽粒氮含量基本一致。

表2 养分调控策略对“稻-稻-菜”三熟种植体系作物生物量的影响Table 2 Effects of different nutrient regulation strategies on the biomass of crops under rice-rice-vegetable rotation system

表2 养分调控策略对“稻-稻-菜”三熟种植体系作物产量构成因素的影响Table 2 Effects of different nutrient regulation strategies on the crops yield components under rice-rice-vegetable rotation system

图1 不同养分调控策略对“稻-稻-菜”三熟种植体系作物氮含量的影响Fig. 1 Effects of different nutrient regulation strategies on N content of crops under rice-rice-vegetable rotation system

不同养分调控措施对“稻-稻-菜”三熟种植体系下作物磷含量的影响见图2。从图2可以看出，OLNP处理冬种蔬菜磷含量低于CK和LNP处理，但差异不显著。LNP处理的早稻秸秆和籽粒磷含量均低于CK，籽粒磷含量的差异相对小于秸秆磷含量，但差异均不显著。OLNP处理的早稻秸秆和籽粒磷含量与CK基本相同。

图2 不同养分调控策略对“稻-稻-菜”三熟种植体系作物磷含量的影响Fig. 2 Effects of different nutrient regulation strategies on P content of crops under rice-rice-vegetable rotation system

由图3可知，OLNP处理的冬种蔬菜钾含量稍高于CK，但差异不显著；LNP处理的早稻秸秆和籽粒钾含量也稍高于CK，但差异不显著；OLNP处理的早稻秸秆和籽粒钾含量与CK基本一致。不同处理的晚稻秸秆和籽粒钾含量没有规律性的变化趋势。

图3 不同养分调控策略对“稻-稻-菜”三熟种植体系作物钾含量的影响Fig. 3 Effects of different nutrient regulation strategies on K content of crops under rice-rice-vegetable rotation system

2.4 不同养分调控策略对土壤氮、磷、钾含量的影响

从表4可以看出，冬种蔬菜季的土壤速效氮、磷、钾养分含量显著高于早稻季和晚稻季。与CK相比，OLNP处理可有效降低蔬菜季的土壤碱解氮和有效磷含量，其降幅分别可达到6.10%和9.84%。LNP处理的早稻季土壤碱解氮含量显著低于CK，其降幅达16.75%；LNP处理的早稻季土壤有效磷含量也低于CK，降幅为7.93%，但差异不显著；OLNP处理的早稻季土壤碱解氮含量也低于CK，为8.99%，但差异不显著。晚稻减磷措施（OLNP处理）和常规施肥处理（CK）没有差异。不同养分调控措施对土壤速效钾含量没有显著影响。

2.5 不同养分调控策略对土壤胞外酶活性的影响

“稻-稻-菜”三熟种植制度下，不同养分调控措施的土壤6种胞外酶活性测定结果表明，除脱氢酶活性外，其他胞外酶活性受生长季节的影响极显著，不同养分调控措施仅对蔗糖酶活性有显著影响（表5）。OLNP处理的冬种蔬菜季土壤脲酶活性低于CK，且LNP处理的早稻季土壤脲酶活性也较CK有所降低，但降幅不显著，表明减氮措施对土壤脲酶活性有一定的不利影响，但影响不显著。无论是冬种蔬菜季、早稻季还是晚稻季，不同营养调控策略的土壤酸性磷酸酶活性均没有差异，表明通过适当的减磷措施对土壤酸性磷酸酶活性没有显著影响。LNP和OLNP处理的早稻季土壤蔗糖酶活性均高于CK，其中LNP处理的增幅达到显著水平，表明适当的减氮措施有利于提高土壤蔗糖酶活性。但是，无论是冬种蔬菜季、早稻季还是晚稻季，不同营养调控措施的土壤β-葡糖苷酶活性均没有差异，且无明显变化趋势。不同营养调控措施下土壤过氧化氢酶和脱氢酶活性也没有显著差异。

3 讨论

前期调查发现，“稻-稻-菜”三熟轮作区域的土壤氮磷养分含量远高于“稻-稻-休闲”两熟种植区域（未发表资料）。蔬菜根系系统较小，养分吸收能力相对较弱，为实现高产栽培，需较高的土壤养分浓度。因此，蔬菜种植过程中的氮、磷肥用量远高于大田作物，导致土壤氮磷养分盈余现象普遍[11]。研究表明，蔬菜地土壤全氮、碱解氮、有效磷含量均显著高于稻麦田，并导致土壤pH值降低[12]。本研究结果也表明，冬种蔬菜季的土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量较早稻季和晚稻季提高18.7%和30.8%、12.5%和16.1%、42.5%和122.0%。王强等[11]对稻-菜轮作体系土壤养分调查结果也表明，蔬菜季的耕层土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量较水稻季提高22%、30%和182%以上。章明清等[4]分析稻-菜轮作体系的土壤氮磷养分富集状况，表明蔬菜季的土壤硝态氮和总磷含量均高于水稻季。由此可见，蔬菜季土壤氮、磷养分累积是导致“稻-稻-四季豆”三熟种植体系土壤养分含量较高的主要影响因素。该结果与本研究中养分周年调控策略的设想前提基本一致。

表4 不同养分调控策略对土壤速效氮、磷、钾含量的影响Table 4 Effects of different nutrient regulation strategies on soil available nutrient contents

表5 不同养分调控策略对“稻-稻-菜”三熟种植体系土壤胞外酶活性的影响Table 5 Effects of different nutrient regulation strategies on soil enzyme activities under rice-rice-vegetable rotation system

本研究常规施肥处理中，四季豆的氮、磷、钾用量水平为N180kg/hm2、P2O570 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，在广东省蔬菜推荐施肥用量水平内[20]；早、晚稻的氮、磷、钾用量为N 150 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、 K2O 130 kg/hm2，也为广东省水稻推荐用量配方和用量[21]。本研究比较了早稻减氮磷LNP和蔬菜减氮磷+早稻减氮+晚稻减磷OLNP两种周年养分调控策略对“稻-稻-四季豆”三熟种植制度产量的影响，结果表明LNP和OLNP处理的单季作物产量较常规施肥处理没有出现显著减产，反而LNP处理的周年总产量还稍高于常规施肥处理。减肥措施对早稻的有效分蘖数有一定影响，但有助于提高结实率。李小波等[6]在“稻-稻-薯”三熟种植模式下，早稻化肥减施20%对水稻产量没有显著影响，当化肥减施40%时产量显著降低。李娟等[22]在稻-菜轮作体系中，水稻季采用不施肥的极端减肥措施，水稻产量反而高于常规施肥处理，这可能与蔬菜季积累的氮磷钾养分含量相对较高有关[4]。王强等[11]在稻-菜轮作体系中，尽管蔬菜季的土壤碱解氮含量高达200 mg/kg，水稻季不施氮处理的籽粒产量仍显著低于常规施肥处理。本研究结果表明，OLNP处理对四季豆的氮磷含量没有显著影响，但四季豆出现一定的减产趋势。已有研究结果也表明，蔬菜对氮、磷养分浓度比较敏感，随着养分用量的降低，其产量常出现一定的下降趋势[11]。由此可见，LNP处理降低了氮磷用量，单季作物产量与常规施肥处理基本持平，产量相对稳健；而OLNP处理的四季豆存在一定的减产风险。

本研究常规施肥处理的施肥量采用推荐施肥用量水平，但从土壤理化性状测试结果来看，冬种四季豆期间的土壤碱解氮和有效磷含量高达145.71 mg/kg和50.77 mg/kg，早稻季的土壤碱解氮和有效磷含量也仍高达131.32 mg/kg和45.45 mg/kg，晚稻季的土壤碱解氮含量大幅回落，表明冬种蔬菜季和早稻季的土壤养分流失风险较大。郭智等[3]通过降低氮磷肥的用量水平，也能有效降低土壤养分盈余量。李娟等[13]在稻菜轮作模式下采用经济施肥措施（降低蔬菜季的氮、磷用量），可显著降低土壤磷素的盈余量，同时氮素还出现一定的亏缺。本研究结果也表明，OLNP 处理的冬种蔬菜季土壤有效磷含量显著降低，碱解氮含量有所降低，但差异不显著。已有研究表明，稻-菜轮作体系中，水稻轮作后能有效降低耕层土壤氮、磷养分含量，但其含量仍较高，且氮、磷养分还会随水向下迁移，污染地下水[11,13-14]。本试验中LNP处理降低了早稻季的氮磷用量，土壤碱解氮和有效磷含量均有了一定降低，从而降低氮、磷流失风险。由此可见，LNP处理可以显著降低早稻季的土壤碱解氮含量，OLNP处理可以显著降低冬种蔬菜季的土壤有效磷含量，降低了农田氮磷流失风险。

不同作物轮作可提高土壤微生物丰度和多样性，同时也有利于提高土壤胞外酶活性[15-16]。土壤过氧化氢酶和脱氢酶是土壤中关键的氧化还原酶，反映土壤微生物新陈代谢的整体活性，减轻过氧化物对作物根系的影响[17]。本研究结果表明，不同养分周年调控策略对土壤过氧化氢酶和脱氢酶活性没有显著影响，但是冬种蔬菜季减氮减磷措施和早稻季减氮措施对当季的土壤过氧化氢酶活性有一定的提高效果。蔗糖酶和β-葡糖苷酶是参与土壤碳循环的关键酶[18]。本研究结果表明，“稻-稻-菜”三熟轮作体系中，土壤的蔗糖酶和β-葡糖苷酶除了受生长季节的显著影响外，也受周年养分调控措施的影响。其中，早稻季减氮减磷措施显著提高了土壤蔗糖酶的活性，在冬种蔬菜季，LNP和OLNP处理的土壤β-葡糖苷酶也较CK有所提高。脲酶和酸性磷酸酶是影响氮、磷营养元素循环的关键酶[18]，减氮和减磷措施对脲酶和酸性磷酸酶有一定的降低影响，但差异不显著。曲成闯等[19]研究结果也表明，土壤养分含量会影响土壤养分转化酶的活性。由此可见，LNP和OLNP两种养分周年调控策略对土壤碳循环转化酶有一定的提高效果，但其氮磷养分转化关键酶活性相对较低。

4 结论

本试验结果表明，LNP处理周年氮肥和磷肥减施了6.25%和5.62%，而早稻、晚稻和四季豆产量均没有显著减产，且可有效降低早稻季的土壤速效氮含量，减少养分流失风险，同时还有助于提高土壤蔗糖酶活性。处理周年氮肥和磷肥减施了6.87%%和7.19%，可有效降低冬种蔬菜季土壤有效磷含量，且对作物产量没有显著影响。综合来看，LNP处理的周年养分调控策略相对更优，降低了周年养分投入量，减少养分流失风险，且能保证作物产量。