油菜季施磷结合秸秆还田提高油菜-水稻轮作体系的产量和磷肥利用率

黄 正，张 琪，周宁宁，阿什日轨，冯婷煜，马 鹏，周 林，张荣萍

（西南科技大学生命科学与工程学院, 四川绵阳 621010）

油菜-水稻轮作作为长江流域常见种植制度之一，施用磷肥已成为其高产栽培的技术措施之一[1]。由于磷肥进入土壤后容易与土壤中的 Fe3+、Al3+、Ca2+等离子结合，形成难溶性磷酸盐并被吸附在土壤颗粒的表面，向根系扩散能力偏低，使得磷肥当季利用率仅为10%～25%[2-3]。多年定位试验表明，磷肥肥效缓慢，持续时间长，对后茬作物生长有明显的促进作用[4]。因此，在轮作系统中，提高磷肥当季利用率意义不大，促进对前茬残留磷肥利用来提高轮作系统中周年磷肥累积回收率更应得到关注[5]。研究表明，前茬磷肥用量和土壤含水量是影响前茬残留磷肥后效大小的重要因素[6]。在油-稻水旱轮作中，季节性干湿交替影响土壤磷的化学形态和有效性[7]。旱作时，土壤落干促进对磷的吸附与固定，磷的有效性降低，而水稻季土壤覆水后，由于Fe3+的还原以及Ca-P化合物溶解度增加，磷有效性增加[8]。基于水旱轮作体系中土壤磷有效性动态变化，通常认为应采用“旱重水轻”的磷肥管理策略[9-10]。如袁国印等[11]认为，在玉米-晚稻轮作下，将水稻季磷肥2/3及全部前移至玉米季施用，与常规施磷相比周年磷素利用率提高230%～310%。朱文彬等[12]认为，稻-麦轮作体系中，小麦季施磷而稻季不施磷与传统施磷相比籽粒产量无显著变化，但提高磷肥的利用率。因此，提高水旱轮作体系中磷肥利用效率，应当掌握适宜周年磷肥用量和合理分配比例，充分利用磷肥后效。然而，在当前实际生产中为保证油-稻两季高产与稳定，两季生产中投入大量的磷肥，造成磷肥资源的浪费和加剧环境污染等问题。同时，随着农业机械化程度的提高，秸秆粉碎还田已成为农业生产中秸秆主要处理方式之一[13]。相关研究报道，秸秆腐解过程中，向土壤中归还部分植物吸收磷素，同时会产生有机酸等还原性物质，促进土壤中难溶性磷酸盐的溶解，提高土壤有效磷含量，为栽培生产中磷肥减施提供了较大空间[14-15]。而在油-稻轮作系统中，秸秆还田与周年磷肥用量与分配比例的相关试验研究鲜有报道。为此，本研究通过周年油菜-水稻轮作试验，以当地实际磷肥施用水平为基础，研究秸秆还田和不同施磷处理对油-稻轮作周年物质生产和磷素利用的影响，为油-稻轮作中周年磷肥合理施用提供一定的理论依据和实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点为四川省绵阳市西南科技大学水稻试验基地 (104.67°E，31.31°N)，年均气温约 16.35℃，属亚热带季风湿润气候，季节性降水明显，无霜期270天。试验田土壤为潮土，为本地区典型土壤类型。试验田前作水稻，土质均匀，2018年水稻收获后将试验田改为24个小区，小区四周扎埂，埂宽40 cm、高25 cm，埂上包膜防止串水串肥，小区面积为10.46 m2。定位试验开展前0—20 cm土层土壤的基本理化性质为有机质含量21.5 g/kg、全氮含量1.61 g/kg、碱解氮含量80.3 mg/kg、全磷含量为581 mg/kg、有效磷含量17.52 mg/kg、全钾含量12.8 g/kg、速效钾含量89.55 mg/kg，pH 6.9。

冬油菜-水稻轮作为该地区主要的种植制度，一年两熟。冬油菜试验于2018年10月开始，水稻试验从第一季油菜收获后2019年5月开始，至今仍在进行。冬油菜采用育苗-移栽的方式，每年9上旬左右育苗，10中下旬进行移栽，移栽密度为11.43万株/hm2，次年5月收获。水稻于每年4月上旬进行旱育秧，5月中下旬进行移栽，移栽密度16.38万蔸/hm2，9月下旬收获。供试冬油菜品种为川油46，水稻品种为晶两优534和宜香优2115。

1.2 试验设计

试验采用两因素随机区组设计，设2种秸秆处理：油-稻两季秸秆不还田(T1)和油-稻两季秸秆还田(T2)。设4个周年施磷方式，分别为：油菜季-水稻季均不施磷(P1)、油菜季施 P2O5120 kg/hm2和水稻季施P2O590 kg/hm2(P2)、油菜季施P2O5120 kg/hm2和水稻季不施磷(P3)、油菜季不施磷和水稻季施P2O590 kg/hm2(P4)，共8个处理，每个处理3个重复。不进行秸秆还田的小区，将该小区前茬秸秆地上部移除，秸秆还田的小区将前茬秸秆用粉碎机粉碎至5～7 cm，用旋耕机将秸秆翻入15 cm土层内。供试化肥为尿素(N 46%)、氯化钾(K2O 60%)、过磷酸钙(P2O516%)。所有处理油菜季施N 180 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，氮肥一半底施一半用于越冬肥，钾肥全部基施；水稻季施N 180 kg/hm2、K2O 225 kg/hm2，氮肥按40%、30%、30%的比例分为底肥、分蘖肥、穗肥，钾肥全部基施。磷肥均作为底肥，移栽前1天施用。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 水稻和油菜干物质积累和植株全磷含量测定 在油菜结荚初期、成熟期，各小区取代表性油菜植株3株，用蒸馏水将油菜基部泥土冲洗干净后，将各植株样分为茎杆、叶片、荚果3部分。在水稻齐穗期、成熟期按平均茎蘖数取各时期代表性植株3株，分为茎叶、穗两部分。在烘箱进行105℃杀青处理，杀青时间为30 min，70℃烘干至样品重量不变后，进行样品称重。干样品粉碎，参照有关植株全磷测定方法[16]。

1.3.2 油菜和水稻产量测定 油菜成熟期，取每小区代表性植株5株。将荚果晒干脱粒风选后，测定含水量和籽粒重量用以计算油菜理论产量。水稻成熟期，按每小区平均有效穗选取20株进行考种，脱粒风选后，测定含水量和实粒重，用以计算水稻理论产量。

1.3.3 土样测定 土壤样品分别于油菜、水稻成熟期，采集耕层(0—20 cm)土壤，自然风干，粉碎过0.25 mm筛，分别采用 H2SO4-HClO4酸溶—钼锑抗比色法、0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定土壤全磷和有效磷含量[17]。

1.4 计算方法及数据分析

周年吸磷量(kg/hm2)=油菜季地上部吸磷量+水稻季地上部吸磷量；

周年磷肥吸收利用率(%)=(施磷区周年植株吸磷量-不施磷区周年植株吸磷量)/周年施磷量×100；

营养器官干物质(磷)转出量(kg/hm2)=开花期干物质(磷)积累量-成熟期营养器官干物质(磷)积累量；

花前磷积累率(%)=开花期磷积累量/成熟期磷积累量×100；

花后磷积累率(%)=花后磷积累量/成熟期磷积累量×100；

所有试验数据分析采用Excel 2010和SPSS 7.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与施磷模式对土壤全磷和有效磷含量的影响

表1表明，在T1、T2处理下，油菜季、水稻季的土壤全磷含量、有效磷含量均为P2＞P3＞P4＞P1。油菜季P2处理的土壤全磷两年平均分别较P3和P4增加了6.26%和7.64%，水稻季增加了14.26%和14.48%。油菜季P2处理的土壤有效磷两年平均分别较P3、P4处理增加了22.18%和27.58%，水稻季增加了36.17%和44.94%。P1、P3、P4油菜季土壤全磷含量在2020年较2019年分别下降16.22%～16.33%、3.75%～4.46%、9.35%～9.40%，水稻季下降了23.23%～24.02%、1.09%～1.32%、6.48%～6.96%。而P2下油菜季土壤全磷含量在2020年较2019年增加0.50%～1.32%，水稻季增加了1.56%～2.21%。表明，随种植季数的增加，各施磷模式下土壤含磷量差异逐渐加大。

表1 施磷模式和秸秆还田对油菜、水稻成熟期土壤全磷和有效磷含量的影响(mg/kg)Table 1 Soil total and available phosphorus contents at maturity stages of rape and rice as affected by straw incorporation and P application mode

相同施磷处理下，秸秆还田处理的油菜、水稻成熟期土壤全磷较不还田处理分别增加了0.94%～2.41%、0.90%～5.66%，有效磷含量分别增加了1.34%～24.53%、2.77%～23.41%。

2.2 秸秆还田与施磷模式对油菜-水稻周年产量的影响

无论是否秸秆还田，各处理的油菜和水稻周年产量均表现为 P3＞P4＞P2＞P1 (表2)。P3 处理的周年产量较P2增加了10.14%～27.65%，较P4处理增加了3.02%～14.46%，P4处理周年产量较P2增加了4.47%～14.88%。在油菜季，P3处理的油菜产量较P2增加了0.41～0.60 t/hm2，而P4处理减少了0.06～0.25 t/hm2。表明油菜季施磷肥对油菜有直接的增产效果，只在水稻季施磷肥降低油菜的产量。在水稻季，P3和P4处理的水稻产量较P2有不同程度的提高，品种宜香优2115两处理分别增加了1.12～1.70、0.87～2.41 t/hm2，晶两优534产量两处理分别增加了0.75～1.90、0.76～0.87 t/hm2。表明油菜或者水稻施磷的水稻产量均高于两季都施磷肥，且油菜季施磷的水稻增产效果大于水稻季施磷。

表2 施磷模式和秸秆还田对油菜、水稻及其周年产量的影响(t/hm2)Table 2 Yield of rape, rice and the rotation year as affected by straw incorporation and P application mode

相同施磷模式下，秸秆还田的周年产量较不还田(T1)增加2.96%～7.50%，其中油菜产量显著增加了10.80%，水稻品种晶两优534产量增加了6.65%，宜香优2115产量没有显著增加。

2.3 秸秆还田与施磷模式对油菜-水稻干物质积累与转运量的影响

无论是否秸秆还田，油菜-水稻周年干物质积累量在各施磷处理表现为 P3＞P2＞P4＞P1 (表3)。P3 较P 2、P 4处理周年干物质积累量分别增加了8.39%～9.71%、13.26%～20.99%，P4处理周年干物质量较P2降低了3.03%～10.07%。油菜结荚初期、成熟期的干物质积累量均为P3＞P2＞P4＞P1，成熟期干物质积累量P3处理较P2、P4分别增加了0.95～1.02、1.90～3.21 t/hm2。水稻齐穗期、成熟期干物质积累量均以P3处理最高，P4处理次之，P3处理水稻品种晶两优534和宜香优2115成熟期的干物质积累量较P2处理分别增加了9.43%、9.49%，P4处理两品种分别较P2处理增加了0.80～1.06、0.54～1.09 t/hm2。施磷模式显著影响着水稻茎叶干物质的转出量，两水稻品种茎叶干物质的转出量均表现为P3＞P4＞P2＞P1，其中P3处理晶两优534和宜香优2115的干物质转运量较P2分别增加了17.67%和24.38%。

表3 施磷模式和秸秆还田对油菜、水稻不同生育期干物质积累量及水稻茎叶干物质转运的影响(t/hm2)Table 3 Dry mater accumulation of rape and rice and translocation of rice stem and leaf as affected by straw incorporation and P application mode

相同施磷模式下，秸秆还田显著增加油菜结荚初期、水稻齐穗期干物质积累量。秸秆还田条件下的平均周年干物质积累量较不还田增加了6.35%，油菜成熟期干物质积累量显著增加了10.55%。在水稻季，除P2处理下，秸秆还田(T2)较秸秆不还田(T1)降低了宜香优2115在齐穗期、成熟期的干物质积累量以及茎叶干物质转运量外，在其他施磷模式下秸秆还田(T2)较秸秆不还田(T1)提高了齐穗期、成熟期干物质积累量以及茎叶干物质转运量。晶两优534和宜香优2115的成熟期干物质积累量、茎叶干物质转运量在T2处理较T1处理分别增加4.39%和26.21%、2.83%和11.46%。

2.4 秸秆还田与施磷模式对油菜-水稻周年磷素吸收及运转的影响

从图1可见，无论秸秆还田与否，油菜-水稻周年吸磷量表现为P3＞P2＞P4＞P1，P3处理的周年吸磷量较P2、P4分别增加了1.86%～5.65%、22.38%～34.29%，P4处理较P2周年吸磷量降低了14.27%～22.76%。从油菜-水稻磷素吸收与运转可见(表4)，油菜结荚初期、成熟期地上部吸磷量、花后磷转运量在各施磷处理均为P3＞P2＞P4＞P1，P3处理磷转出量、成熟期地上部吸磷量较P2处理分别增加了22.76%和112.10%，较P4处理分别增加了2.43%和47.30%。在水稻季，两参试品种在齐穗期、成熟期的磷素吸收量均以P3处理最高，成熟期植株吸磷量表现为P3＞P2＞P4＞P1。P3处理晶两优534和宜香优2115成熟期吸磷量较P2处理分别增加了13.60%、8.68%。在不同施磷模式下，两参试水稻品种花前磷素积累率(64.02%～86.93%)均大于花后磷素积累率(13.07%～35.98%)，说明水稻植株磷素积累主要来源于花前。两参试品种花后磷素转运量表现为P3＞P4＞P2＞P1处理，晶两优534和宜香优2115两品种P3处理的磷转运量较P2分别增加了25.78%和14.81%，说明油菜施磷不仅有利于油菜，也有利于水稻磷素的积累和营养器官磷素的转出。

表4 施磷模式和秸秆还田对油菜和水稻不同生育期磷素吸收量及磷转运量的影响Table 4 Phosphorus uptake at different stages and translocation amount of rape-rice as affected by straw incorporation and P application mode

图1 施磷模式和秸秆还田对油菜-水稻轮作体系的周年吸磷量的影响Fig.1 Annual P2O5 uptake of rape-rice rotation system as affected by straw incorporation and P application mode

秸秆还田提高了轮作周年的吸磷量。在P1、P2、P3、P4处理下，T2较T1处理周年吸磷量分别增加了 8.93～8.95、4.57～5.35、4.17～5.12、7.96～8.59 kg/hm2。T2处理油菜的磷转运量、成熟期吸磷量较T1处理分别增加了23.48%、12.29%。在水稻季，T2处理晶两优534和宜香优2115成熟期吸磷量和磷素转运量较T1处理分别显著增加了6.83%和9.22%、10.40%和4.39%。

2.5 秸秆还田与施磷模式对油-稻轮作周年磷素利用影响

如图2所示，秸秆不还田(T1)或还田(T2)条件下，油-稻周年磷肥吸收利用率均在P3处理达到最高，较P2、P4处理分别增加了92.70%、51.72%。T2处理的周年磷肥吸收利用率较T1平均下降了9.90%，说明本试验条件下，秸秆还田提高了减少磷肥投入的潜力。

图2 施磷模式和秸秆还田对对油菜-水稻轮作体系的周年磷肥利用率的影响Fig.2 Annual P2O5 recovery efficiency (APRE) of rape-rice rotation system as affected by straw incorporation and P application mode

3 讨论

3.1 秸秆还田与减磷对土壤磷素养分和油-稻轮作物质生产的影响

增施化学磷肥是解决土壤缺磷和植物磷胁迫的有效途径之一，当前生产中投入大量的磷肥来保证粮食高产[18]。当季磷肥的38%～60%转化为土壤全磷，6.7%～13.6%转化为有效态磷，影响土壤磷养分供应水平[19]。随着秸秆还田技术的普及，秸秆在腐解过程中归还部分植株吸收磷、改善土壤理化性质和磷有效性。相关研究表明：土壤中磷含量和磷库组成与土壤有机质、前茬施磷水平、含水量、土壤氧化还原电位(Eh)值等有着密切的关系[20-21]。在本研究中，P3处理(油菜季施磷120 kg/hm2而水稻季不施磷)在油-稻两季中土壤全磷含量变化较小，同时秸秆还田提高了土壤有效磷含量和全磷含量，而P1处理(油-稻两季均不施磷)造成对土壤磷素净消耗。因此，秸秆还田、周年施磷量的不同以及作物对土壤磷的吸收等，导致不同处理下土壤磷素含量存在差异并随年际增加而增大[22]。

土壤磷素供应水平影响着作物光合效率、物质积累[23]。施磷促进当季作物产量增加的同时，对后茬作物存在明显的增产作用[24]。本研究表明，相同秸秆处理下，油菜季残留的磷肥(P3)或水稻季残留的磷肥(P4)对后茬作物产量和物质积累均有明显的促进作用，其中P3处理(油菜季施磷120 kg/hm2而水稻季不施磷)对周年产量和干物质积累量的促进作用在本试验中最高，而P2处理(油-稻两季常规施磷)周年产量和干物质积累量较P3处理下降。说明过高的土壤磷肥供应会增强作物的呼吸强度，消耗过多养分，不利于作物产量的提高和物质积累[25]。相关研究表明，籽粒灌浆物质主要来源于花后光合同化产物积累和营养器官的转运[26]。在本研究中，水稻干物质积累量和花后茎叶干物质转运量在减磷处理(P3和P4)较油稻两季常规施磷(P2)显著增加，提高了水稻产量。而水稻季残留磷肥(P4)较油稻两季常规施磷(P2)使油菜干物质积累量下降，造成油菜产量降低。卜容燕等[27]研究表明，水稻-油菜轮作下，水稻季残留磷肥后效较油菜施磷导致油菜干物质积累量、产量下降，这与本研究结论相似。

3.2 秸秆还田与减磷对油菜-水稻轮作磷素吸收与利用的影响

水旱轮作体系是提高土壤磷有效性常用的方法[28]。土壤季节性干湿交替过程中影响土壤磷有效性，旱季加剧了土壤对磷的吸附，而在淹水后，有利于土壤中含磷化合物的溶解及释放磷素，提高土壤磷供应能力[29]。因此，在水旱轮作系统中研究磷肥利用效率，一般认为磷肥重点应放在旱季，掌握合理周年磷肥分配比例，通过水稻季促进前茬残留土壤磷肥溶解提高土壤磷有效性，是提高磷肥利用率的前提[30]。如卢亚男等[31]认为，在4年稻麦轮作试验下，通过麦季施磷稻季不施磷的措施来达到麦稻轮作农田减磷的效果在理论上是可行的，同时保证作物在高产量水平。袁国印等[11]在玉-稻轮作下研究发现，当周年总施磷量减15%时，晚稻季磷肥全部前移至玉米季施可同时满足玉米与晚稻对磷肥的需求，从而保证周年作物产量和磷素需求，提高周年磷肥利用效率。在本研究中，与P2 (油-稻两季常规施磷)相比，P3 (油菜季施磷120 kg/hm2而水稻季不施磷)提高油-稻周年干物质积累量、吸磷量和周年磷肥吸收利用效率，P4 (油菜季不施磷而水稻季施磷90 kg/hm2)下油-稻两季磷素吸收量均显著下降，与前人结论相似。同时，在本研究中，秸秆还田会提高油-稻两季土壤全磷含量和有效磷含量，促进油-稻两季磷素吸收。可能原因有：秸秆在土壤腐解过程中释放氮磷钾等养分和改善土壤理化性质，同时促进土壤难溶性磷酸盐溶解，促进作物生长和养分吸收，增加周年干物质积累量和磷素吸收量[32]。王柏寒等[33]也认为，秸秆还田会促进土壤磷循环，增加土壤磷有效性，促进植株对磷素的吸收。在本研究中，再次证明了油-稻轮作体系中稻季减磷增效的可行性，及秸秆还田与磷肥配施提高土壤磷有效性和促进作物增产的作用。此外，对秸秆还田下水稻-油菜轮作周年磷肥施用量与分配还需要进一步研究。

4 结论

油菜-水稻轮作体系下，将全年磷肥用量降低至P5O2120 kg/hm2且全部施在油菜上，不仅满足油菜对磷肥的需求，水稻对油菜秸秆还田带来的磷素营养的吸收利用显著高于磷肥，进而显著促进了油菜-水稻体系的周年磷素吸收和利用，提高干物质积累和转运，实现轮作体系的高产高效。相反，仅在水稻季施磷肥，无论是否水稻秸秆还田，都难以满足油菜的磷素营养，降低轮作体系的周年产量和磷肥效率。因此，在油-稻轮作体系，采用油菜季施磷120 kg/hm2，配合秸秆还田是实现减磷并稳产高效的组合技术。