油稻稻三熟制下作物产量和土壤碳氮含量对不同培肥措施的响应

2023-12-13李亚贞陈明肖小军黄天宝韩德鹏熊文许煜峰夏晶周莺万长艳黄建清肖国滨

土壤与作物 2023年4期

李亚贞，陈明，肖小军，黄天宝，韩德鹏，熊文，许煜峰，夏晶，周莺，万长艳，黄建清，肖国滨

（江西省红壤及种质资源研究所/江西省红壤耕地保育重点实验室/农业农村部江西耕地保育科学观测实验站, 江西南昌 330046）

0 引言

在南方丘陵区，双季稻模式是该地区粮食生产的主要模式，其对该地区粮食安全与稳定起到至关重要的作用[1-2]。但是，在双季稻模式的冬闲期，冬季填闲作物较少[3]，再加上传统的绿肥种植效益较低[4]，从而导致了冬闲期土地资源的浪费。近年来，随着早熟油菜品种的发展，适宜双季稻冬闲期种植的油菜品种数量增多，油-稻-稻模式在该地区发展迅速[5-6]。但是，由于油-稻-稻模式集约化程度高、作物养分需求大，亟需开展三熟制稻田土壤合理培肥措施研究。

大量研究表明，长期施用有机肥是提高土壤肥力和作物产量的关键措施[7-8]。然而，由于传统的畜禽粪便等有机肥存在味道刺鼻、不易运输等问题，再加上存在重金属和有机污染的风险，其在农业生产中推广难度大[9-11]。生物质炭是近年来土壤学研究的热点，主要是木屑、农业和工业活动产生的有机废弃物，同时也有清洁环保等优势，在农业和环境中有重大的应用前景[12-14]。前人研究表明，5 ～ 40 t·hm-2用量的生物质炭可以连续3 年使红壤旱地油菜、甘薯作物保持增产，并可以提高土壤中微生物量碳和氮及土壤氮素生物活性[15]。同时，也有研究表明，生物质炭除了增加有机碳投入之外，其含有的微孔结构和较高的比表面积可以有效活化土壤养分，并显著改良土壤结构[16-17]。但是，目前有关生物质炭的研究主要集中在一季稻、双季稻和稻-麦-油轮作等种植模式上[18-20]，而在油-稻-稻三熟制作物上的研究较少，尤其是仅在冬闲作物上培肥，对双季稻产量和土壤肥力的影响还鲜有报道。猪粪作为传统有机肥研究较多，司绍诚等[21]通过长期定位试验研究发现，施用猪粪可有效改善旱地红壤酸度强、养分少等肥力限制条件，提高土壤肥力健康水平及作物产量。长期定位试验下，施用猪粪显著提高了水稻的产量[22]。土壤微生物量碳是土壤有机质中活性较高的部分，微生物量氮是土壤氮素的一个重要储备库[23]，土壤微生物学特性可以反映土壤质量的变化，并可用作评价土壤健康的生物指标[24]。而可溶性有机碳、氮和微生物量碳、氮关系密切，在土壤活性碳和氮储存库中不断处于源库转换中[25]。

因此，本研究通过设计田间试验，比较了等氮条件下有机肥猪粪和生物质炭对三熟制作物产量和土壤碳氮含量的影响，以期为三熟制作物的土壤培肥提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验开始于2015 年12 月，在江西省进贤县江西省红壤及种质资源研究所（116°20′24″E，28°15′30″N）进行。该地属中亚热带季风气候，干湿季节明显，3 ～ 6 月为雨季，7 ～ 9 月为旱季，地形为典型低山丘陵，供试土壤为第四纪黏土母质发育的红壤水田，质地较黏重。试验前土壤基础理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验随机区组排列，设3 个处理：在正常化肥施用基础上，不施有机物料（CK）、施猪粪（PM）和施生物质炭（BC），3 次重复，小区宽4 m，长8 m，面积32 m2。种植模式为油菜-早稻-晚稻，油菜品种为阳光131，免耕直播，分别于2017 年10 月28 日、2018 年10 月30 日播种，于2018 年4 月26 日、2019 年4 月25 日收获，平均生育期179 d。

早稻品种为株两优538， 2018 年于4 月10 日播种，5 月4 日移栽；2019 年于4 月12 日播种，5 月5 日移栽。晚稻品种为五优308， 2018 年于6 月20 日播种，7 月23 日移栽，2019 年于6 月18 日播种，7 月21 日移栽。N 肥按基肥：分蘖肥：穗肥用量比5∶2∶3 分施，P 肥作基肥一次施入，K 肥按照基肥：穗肥用量比7∶3 分施。每穴栽植 2 ～ 3 粒谷苗，行株距23.3 cm×16.6 cm，早稻、晚稻均人工插秧。

试验只油菜季施用有机物料和生物质炭，猪粪为腐熟的干猪粪，江西聚余丰农资有限公司生产，N 含量8.28 g·kg-1，P2O5含量6.24 g·kg-1，K2O 含量5.38 g·kg-1，有机质384 g·kg-1；生物质炭为河南省商丘三利新能源公司生产，用小麦秸秆为原料，生物质炭N 含量5.23 g·kg-1，P2O5含量5.12 g·kg-1，K2O 含量18.65 g·kg-1，有机质587 g·kg-1。油菜施肥量为：N 180 kg·hm-2，P2O575 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2，CK 处理不施用猪粪和生物质炭，PM 处理施用猪粪，BC 处理施用生物质炭。统一处理氮肥用量，处理具体施肥量见表2，猪粪和生物质碳施肥量为：1 500 kg·hm-2、2 500 kg·hm-2，按表2 施肥量猪粪折合氮肥量为12.42 kg·hm-2，生物质炭折合氮肥量为13.08 kg·hm-2，其余氮肥为尿素（含N 46.4%）；磷肥为钙镁磷肥（含磷12.5%）；钾肥为氯化钾（含钾60%）。田间水分管理及其他栽培措施参照高产技术规程进行。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 产量测定

在油菜成熟期，每个小区单独收割，晒干脱粒称重，水稻成熟期在每个小区中心实割250 穴，脱粒、晒干后称重，分别计算实际产量。

1.3.2 微生物量碳和氮和可溶性有机碳和氮测定

于2018 和2019 年的晚稻季收获期每个小区按5 点取样法采集耕层（0 ～ 20 cm）土壤混合样品，带回室内，挑出根系、石块等杂质，按四分法分出一半鲜样做微生物量碳和氮，剩余一半样品做可溶性有机碳和可溶性有机氮，并保存于4℃冰箱中。土壤微生物量碳（SMBC）、土壤微生物量氮（SMBN）采用氯仿熏蒸法-碳氮自动分析法测定[26]。可溶性有机碳（SDOC）、可溶性有机氮（SDON）按水土比为2∶1 体积比浸提，可溶性有机碳用有机碳分析仪测定，可溶性有机氮采用碱性过硫酸钾氧化法测定[27]。

1.4 数据分析

采用Excel 2003 进行数据处理，统计分析采用SAS 9.1 进行，各处理的产量、土壤微生物量碳和氮、可溶性碳和氮差异采用LSD 进行显著性分析，土壤酶活性与土壤微生物量碳和氮、速效氮、磷、钾和产量的相互关系采用线性方程拟合。其余图件均采用Origin 8.1 进行制作。

2 结果分析

2.1 不同培肥措施对作物产量的影响

在三熟制模式下，施用有机物料可以提高冬油菜、早稻和晚稻的籽粒产量（表3）。在等氮条件下，与不施用有机肥料（CK）相比，2018 年猪粪（PM）和生物质炭（BC）冬油菜产量分别提高了27.0%和34.5%；早稻产量分别提升8.9%、12.3%；晚稻分别产量提升5.7%、11.1%；三季作物总产量显著增加8.9%、13.8%（P＜ 0.05）。2019 年的趋势与2018 年基本一致，PM 处理的油菜、早稻、晚稻和三季作物总产量分别比CK 处理显著提高了23.4%、9.9%、8.1%和10.3%（P＜ 0.05），BC 处理的冬油菜、早晚稻和三季作物总产量的增幅分别为31.4%、15.1%、11.7%和15.1%（P＜ 0.05）。两种有机肥间比较发现，除了2018 年的晚稻季，PM 和BC 处理单季作物产量间则无显著差异，但是，三季作物总产量均呈现出BC 处理显著高于PM 处理。

表3 不同有机物料施用下作物产量变化Table 3 Variation of crop yield under different fertilizationskg·hm-2

2.2 不同培肥措施对土壤微生物量碳和氮的影响

2.3 不同培肥措施对土壤可溶性有机碳和氮含量的影响

与土壤微生物量碳和氮的结果相似，施用有机物料显著提升土壤可溶性有机碳和氮含量（图2）。且各处理在2019 年的含量明显高于2018 年（除了CK 的可溶性有机碳含量之外）。与CK 相比，PM 处理的可溶性有机碳含量在2018 年和2019 年分别显著提高了29.6%和56.0%（P＜ 0.05），可溶性有机氮含量的增幅分别为46.2%和23.6%（P＜ 0.05）。同时，BC 处理的可溶性有机碳含量在2018 年和2019 年分别比CK 显著增加了39.2%和54.7%（P＜ 0.05），可溶性有机氮含量在2018 年和2019 年的增幅分别为53.8%和25.3%（P＜ 0.05）。

图1 有机物料施用下土壤微生物量碳和氮变化Fig. 1 Changes of soil microbial biomass carbon and nitrogen under different fertilizations

2.4 土壤碳氮指标与作物产量的相关关系

通过对土壤微生物量碳和氮及可溶性有机碳和氮含量与三季作物总产量进行相关性分析，结果显示，2018、2019 年土壤微生物量氮与三季作物总产量呈显著正相关关系（P＜ 0.05），其余指标相关性不显著（图3）。

图3 土壤微生物量碳和氮及可溶性碳和氮含量与作物产量的相关关系Fig. 3 Correlation between soil microbial biomass carbon and nitrogen and soil dissolved organic carbon and nitrogen content and crop yield

土壤微生物量碳和氮及可溶性有机碳和氮含量与三季作物总产量存在密切关系，且均可以用线性方程进行拟合。通过拟合方程（表4）表明，当土壤碳和氮指标每增加1 mg·kg-1，2018 年的作物产量可以增加19.9 ～ 243 kg·hm-2，2019 年的作物产量增速为17.0 ～ 173 kg·hm-2。同时，结合相关系数表明，在所有4 个碳氮指标中，土壤微生物量氮含量与三季作物总产量的相关系数最高，呈显著正相关关系，这说明土壤微生物量氮含量是本试验影响作物产量的关键因子。

表4 土壤微生物量碳和氮及可溶性碳和氮含量与作物产量的拟合方程Table 4 Fitting equation of soil microbial biomass carbon and nitrogen and soluble carbon and nitrogen content with crop yield

3 讨论

在三熟制模式下，传统有机肥猪粪和生物质炭均可以显著提高作物产量。这与前人的研究结果相似[7-8,18-20]。宁川川等[7]研究指出施用有机肥能够改善土壤肥力水平和土壤物理性状，优化土壤微生物组成，可以显著提高作物产量。本试验条件下，油菜当季施用传统有机肥猪粪和生物质炭均显著提高了油菜、早稻和晚稻的产量，尤其是当季油菜产量，传统有机肥猪粪产量较常规施肥提高了27.0%，施用生物质炭提高了34.5%。三季合计的产量可比仅施用化肥处理提高8.1% ～ 23.4%。这与前人研究结果一致，罗佳等[28]使用3 种不同粪肥的有机肥等氮量施入油菜后，研究表明有机肥增加了植株对氮素的吸收，改变了土壤微生物结构，与单施用化肥相比，油菜籽产量较化肥增产12.7%～33.2%。李轶等[29]也研究表明，沼渣沼液配合施用和猪粪化肥配合施用可以增加油菜鲜重。

同时，本试验研究发现，试验4 年后，在等氮条件下，三季合计的产量表现出生物炭显著高于传统有机肥，而施用多年后，生物质炭和猪粪对产量影响如何，还有待进一步研究。在双季稻区，施用生物质炭可以促进水稻生长并增加水稻籽粒产量，且随黑炭用量增加而逐渐增加的趋势[30]，这与本研究结果有相似之处。造成猪粪和生物质炭产量差异的原因，可能与生物质炭的结构特性有关[17,19]，生物质炭具有巨大的比表面积以及疏松的结构，当生物质炭施入土壤后，降低土壤容重并增加土壤孔隙度，提高了土壤团聚体稳定性[15]。有研究表明，高温裂解的生物质炭富含微孔结构，且比表面积较高，其对土壤养分的保蓄供应作用显著[27]，显著提升了烤烟根系干物质重量，提高了植株总体地上部生物量和总干物质重，同时在改善烤烟土壤微生态和调控烤烟生理特性等方面具有积极效应。另一方面，生物质炭在土壤中容易与土壤胶体结合[31-32]，不易流失，而猪粪的氮磷养分则容易在淹水条件下随径流和地下水淋失[33-34]。但是，由于生物质炭的种类较多，不同来源的生物质炭和施用量对作物的增产幅度不一[17-19]。本试验条件下，仅探讨了以小麦秸秆为原料制成的生物质炭，因此，关于三熟制下不同种类生物质炭作用效果和生物质炭用量还有待进一步开展相关研究。

与化肥处理相比，在本研究中，猪粪和生物质炭处理均可以提高土壤微生物碳和氮含量和可溶性碳和氮含量，但猪粪和生物质炭处理间则无显著差异。主要原因是由于猪粪和生物质炭有机物料的施用，通过有机和无机配施，增加了土壤碳源，从而使作物根系生物量增加，和不施用有机物料的处理相比，改变了作物生长环境，促进了土壤中微生物的繁殖，因为大量的有机碳含量可以通过调控土壤微生物群落进一步提高土壤微生物量碳氮含量[34-36]。施娴等[37]研究指出，猪粪配施烟草专用肥后，土壤中微生物数量和酶活性均明显提升。在减少化肥有机替代情况下也可以改良土壤微生物环境，研究表明化肥替代施用有机肥显著增加了可培养细菌和固氮菌的数量，有利于土壤养分供应和土壤氮素的补充[38]。因此，加入有机物料配合施用化肥提高了土壤微生物量碳和氮含量，因为有机和无机肥配合施用有显著的正交互作用，可以作为指示土壤肥力的重要指标[39]，这也是本试验条件下，作物产量提高的主要原因之一。

另外，有机肥中较多的有机氮可能进一步激发了土壤微生物的活性[40]，从而提高了土壤微生物量和可溶性有机氮含量。有研究表明，较多的有机碳投入可以促进作物根系生长，而旺盛的根系活性可以分泌较多的有机酸，进而促进了土壤氮、磷养分活化[41]。但是，也有研究表明，外源肥料投入的合理碳氮比是衡量作物高产的关键[42]，土壤微生物生长需要合理的碳氮比，而不合理的碳氮比投入则不利于土壤培肥和作物增产。因此，关于三熟制下合理的碳氮比投入还有待深入分析，这也是进一步开展不同类型有机肥和用量的原因。本研究进一步通过拟合方程表明，土壤微生物量氮含量是作物增产的关键指标，这充分说明土壤氮素对作物产量的重要性[43-45]。因为生物质碳施用后，对土壤微生物量氮提高效果更为明显，主要是由于生物质碳可能通过对氮素的吸附及转化等满足微生物对氮素的需求[15]。同时，有机肥与化肥配施后，有机肥矿化释放氮素作为微生物量氮的重要给源[35]。土壤氮素的矿化和固持大多是在土壤微生物的参与下进行的，且土壤微生物氮也是土壤氮素周转中的活性库之一[41]，微生物量氮指标变化和土地利用、地力、季节有关[27,35,40]。本试验位于亚热带季风区的水热条件充足，能保证微生物繁衍所需的外部环境条件，微生物活动旺盛[40]，这可能是土壤微生物量氮含量是作物增产的关键指标的原因。