稻田不同水旱复种模式对土壤团聚体及碳氮的影响

摘要： 【目的】探寻更适合南方稻田可持续发展的水旱复种模式。【方法】在江西农业大学科技园开展紫云英−早稻−晚稻（CK）、紫云英−早稻−晚玉米||晚大豆（CRI）、油菜−早稻−晚玉米||晚大豆（RRI）、油菜−早稻−晚稻（RRR） 水旱复种模式的田间对比试验。【结果】土壤有机碳、全氮含量均为CKgt;RRRgt;CRIgt;RRI。种植紫云英模式的R0.250（粒径≥0.250 mm 的团聚体含量） 比种植油菜模式的高，土壤结构的稳定性更强。CRI 的早稻产量高于其他处理。【结论】在南方地区推行紫云英−早稻−晚玉米||晚大豆种植模式（CRI），有利于农业的可持续发展。

关键词： 水旱复种模式；土壤团聚体；土壤碳氮；作物产量；稻田

中图分类号： S181；S344.3 文献标志码： A 文章编号： 1001-411X（2024）06-0949-07

水稻Oryza sativa L.是我国主要的粮食作物，我国约60% 以上的人口以大米为主食。稻田不仅是我国主要的耕地类型，也是我国主要的农田生态系统。我国大部分稻田集中在光、热、水资源丰富的南方地区[1-2]，如长江中游地区，该地区双季稻的高产、稳产为我国粮食安全提供了保障。但是，该区域目前依然存在不少问题，如冬闲田面积增加、种植制度单一等，这不仅导致稻田土壤质量下降，也在一定程度上制约农田生产力的发展。相关研究表明，稻田水旱复种能够提高水分利用率，调整土壤结构，增加土壤养分[3]。农田冬闲季节，土壤长期裸露会造成耕层板结，使理化性状变差，在冬闲田上种植绿肥作物是改善土壤性状的重要措施。中国是世界上绿肥种植面积最大的国家，距今已有3 000多年的历史。种植绿肥不仅可以防治杂草、培土培肥[4]，还可以减少土壤氮素的流失，使土壤营养物质的矿化分解加速，推动土壤养分的流转[5]；绿肥作物还田可以改善土壤结构，提高土壤养分，改变土壤群落组成及功能，从而改良稻田耕地质量[6]。新中国成立后，随着人口增加、水稻品种改良和栽培技术提高以及农业生产条件改善，江西水稻生产种植制度改革，双季稻得到快速发展，成为江西稻田的主要种植模式[7]。油菜Brassica napus L.是传统的十字花科绿肥，适应范围广，易种植，成本低，肥效高，利于有机质的积累，能活化土壤中的磷和钾[4]。另外，油菜还有很多价值，如油菜籽可以榨油，油菜可以食用，还可以作为饲料，具有观赏价值等[8]。大豆Glycine max （L.） Merr.和玉米Zea mays L.均是我国重要作物，不仅可以作为粮食，还可以作为油料和饲料。甜玉米含糖量高，营养价值高，近年来世界各地对甜玉米的需求大幅增加，在可用土地有限的情况下，间作种植模式是满足甜玉米需求的可行途径之一。间作是一种传统、高产的种植制度，有利于提高资源利用效率。如前人研究发现，间作系统，特别是谷物−豆类间作系统，可以提高作物对养分的吸收能力，提高土壤肥力，丰富微生物群落，促进对病虫害及杂草的控制，还可以在一定程度上减少化肥和农药的使用[9]。大豆是豆科作物，与禾本科作物玉米的间作种植模式在农业生产中占有重要地位。禾本科与豆科的合理间作不仅可以提高豆科作物的生物固氮能力，也可以促进禾本科作物对氮素的吸收和利用；另外，还可以增加生态结构的复杂度，形成错落的排列结构，具有良好的生态效益[10]。大豆和玉米间作种植可以节约耕地面积，提升土地利用率，还可以在一定程度上保障玉米和大豆的产量[11]。

土壤团聚体的形成和稳定性是土壤物理、化学和生物作用的综合结果[12]。作为土壤结构的基本单位和土壤的重要组成部分，土壤团聚体与农业生态系统的许多功能有密切联系[ 1 3 ]，如构成土壤有机质[14]、增加土壤碳氮含量[13]、提升作物产量[15] 等。土壤团聚体是评价土壤质量的重要指标，对提升土壤肥力、促进植被生长具有重要意义[16]。研究表明，土壤有机碳、全氮是土壤功能和质量的核心，土壤有机碳是影响土壤团聚体形成的主要因素之一[17]。土壤有机碳、全氮不仅与土壤肥力关系密切，也与土壤团聚体稳定性存在密切关系，具体表现为：第一，土壤有机碳、全氮对土壤团聚体的稳定性影响显著，这是由于土壤有机碳、全氮能提供土壤团聚体形成的胶结物质；第二，稳定的土壤团聚体能够为其中的有机碳、全氮形成物理及化学保护[18-19]。另外，土壤有机碳含量在维持和改善土壤质量、提升土壤肥力和保障作物产量等方面发挥重要作用[20]。土壤微生物生物量包括土壤微生物生物量碳、氮、磷和硫等[21]。土壤微生物生物量碳、氮是土壤中十分活跃的生物组分，它们对环境因子的变化及人为活动的干扰十分敏感，还能调控土壤肥力、植物生长以及群落演替等[22]；因此，常被作为评价土壤质量变化的重要指标。

本研究以中国南方地区传统种植模式紫云英Astragalus sinicus L.−双季稻（“−”表示接茬） 为对照，因为该模式是中国南方地区的传统种植模式，有着悠久的历史[23]，但是长期种植紫云英会导致土壤板结、土壤的次生潜育化以及土壤养分片面消耗等问题[24]。因此，为打破传统，并探寻更为适合的种植模式，本研究设置了另外3 种种植模式，分别是油菜−双季稻、紫云英−早稻−玉米||大豆（“||”表示间作）、油菜−早稻−玉米||大豆，通过田间对比试验，研究稻田不同水旱复种模式对土壤团聚体、土壤有机碳、土壤全氮、植株有机碳、植株全氮、土壤微生物生物量碳、土壤微生物生物量氮含量以及作物产量的影响，以期为优化稻田种植模式、实现农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

紫云英播种量为90 kg/hm2，均匀撒播，不施肥。油菜播种量为15 kg/hm2，均匀撒播，不施肥。早稻在移栽前25～30 d 育秧，移栽时，行距0.2 m、株距0.2 m。早稻施氮量180 kg/hm2，氮肥选用尿素，基肥、分蘖肥、穗肥按质量比1∶2∶1 施用；钾肥施用量120 kg/hm2，钾肥选用氯化钾，分蘖肥、穗肥按质量比2∶1 施用；磷肥施用量90 kg/hm2，选用钙镁磷肥，全部作基肥施用。晚稻移栽时，行距、株距、种植密度均与早稻相同。晚稻施氮量180 kg/hm2，氮肥选用尿素，基肥、分蘖肥、穗肥按质量比1∶1∶1 施用；钾肥施用量120 kg/hm2，钾肥选用氯化钾，全部作分蘖肥施用；磷肥施用量90 kg/hm2，选用钙镁磷肥，全部作基肥施用。玉米间作大豆采用开沟起垄的方式种植，垄宽1.20 m、高0.35 m，每垄种2 行大豆、1 行玉米，玉米两边各1 行大豆。玉米与大豆间的行距0.40 m，玉米株距0.25 m，大豆株距0.20 m。玉米种植密度为每公顷26 060 株，大豆种植密度为每公顷64 242 株。玉米施氮量200 kg/hm2，氮肥选用尿素，基肥、苗肥、孕穗肥按质量比2∶3∶5 施用；钾肥施用量225 kg/hm2，钾肥选用氯化钾，基肥、苗肥、孕穗肥按质量比3∶3∶4 施用；磷肥施用量375kg/hm2，选用钙镁磷肥，全部作基肥施用。

1.4 指标测定

紫云英于盛花期取样，其余作物均在收获期取样。土壤于收获期取样，用“五点取样法”取土样，挑去土样中的杂质，一部分保存于4 ℃ 冰箱，一部分自然风干之后磨细、过筛。

土壤团聚体指标采用湿筛法测定；土壤、植株有机碳含量采用重铬酸钾法−浓硫酸外加热法测定；土壤、植株全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定；土壤微生物生物量碳含量采用氯仿熏蒸−K2SO4 提取法测定；土壤微生物生物量氮含量采用氯仿薰蒸浸提法测定。

1.5 数据分析

试验数据统计及作图采用Excel 2021、Origin2024 软件，采用SPSS 26.0 进行单因素方差分析以及LSD 法多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水旱复种模式对土壤团聚体的影响

不同水旱复种模式对土壤团聚体的影响如表2 所示。各处理不同粒级团聚体分布趋势一致，均以粗大团聚体（粒径≥2.000 mm） 的比例最高，占总土壤质量的71.03%～78.87%；粉黏粒（粒径lt;0.053 mm） 的比例最低，占总土壤质量的0.45%～1.46%；粒径为1.000～lt;2.000 mm 的土壤团聚体质量占总土壤质量的4.44%～8.47%；粒径为0.250～lt;1 . 0 0 0 mm 的土壤团聚体质量占总土壤质量的9.77%～14.34%；微团聚体（粒径为0.053～lt;0.250 mm）占总土壤质量的4.43%～8.76%。通常粒径≥0.250 mm的团聚体是土壤中最好的结构体，它是衡量土壤结构优劣的指标之一，其含量越高，则团聚体稳定性越强，越有利于土壤对养分的转化，可以改善土壤生产力，促进植物生长[25]。各处理R0.250（粒径≥0.250 mm团聚体的含量） 的排序为CKgt;CRIgt;RRIgt;RRR，占总土壤质量的89.97%～94.61%。CK 处理的R0.250 比RRR 显著提高5.16%。结果表明，种植紫云英模式的土壤稳定性比种植油菜的更强。各处理的土壤团聚体平均质量直径和几何平均直径均在处理间无显著差异。

2.2 不同水旱复种模式对土壤有机碳、全氮含量的影响

不同水旱复种模式对土壤有机碳含量的影响如图1A 所示。各处理土壤有机碳含量总量排序为CKgt;RRRgt;CRIgt;RRI，分别为60.74、58.95、54.76、48.31 g/kg。第1 茬作物中，CK、CRI、RRR 的有机碳含量分别比RRI 显著提高32.60%、15.95%、25.54%。第2 茬作物中，CK、CRI、RRR 的有机碳含量分别比RRI 显著高26.49%、11.87%、25.59%。第3 茬作物中，各种植模式间无显著差异。

不同水旱复种模式对土壤全氮含量的影响如图1B 所示。各处理土壤全氮含量总量排序为CKgt;RRRgt;CRIgt;RRI，分别为6.89、6.39、6.10、4.99 g/kg。第1 茬作物中，CK、CRI、RRR 均显著高于RRI，分别高37.89%、24.80%、27.54%。第2 茬作物中，CK、CRI、RRR 均显著高于RRI，分别高37.69%、34.20%、27.24%。第3 茬作物中，CK、CRI、RRR 分别比RRI 高38.86%、9.71%、29.71%。

综上，与间作模式相比，双季稻种植模式更有利于提高土壤有机碳及全氮含量。

2.3 不同水旱复种模式对土壤微生物生物量碳、氮的影响

各处理第2、3 茬作物的土壤微生物生物量碳、氮含量均无显著差异，且土壤微生物生物量碳氮比同样无显著差异。

2.4 不同水旱复种模式对植株有机碳含量的影响

由图2 可知，晚稻的茎、叶有机碳含量差异不显著；而稻穗的有机碳含量，处理RRR 比CK 显著高5.16%。早稻茎、叶、穗，玉米茎、穗以及大豆茎、荚的有机碳含量均在处理间无显著差异。

2.5 不同水旱复种模式对植株全氮含量的影响

由图3 可知，早稻茎的全氮含量，处理C K比RRI 和RRR 显著高34.22%、28.08%。早稻叶的全氮含量，处理CK 比RRI 显著高26.91%。早稻穗的全氮含量在各处理间没有显著差异。晚稻茎、叶、穗，玉米茎、穗以及大豆茎、荚的全氮含量均在处理间无显著差异。

由表3 可知，早稻茎的碳氮比，处理R R I 、RRR 比CK 显著高25.33%、25.13%；早稻叶、穗，以及晚稻茎、叶、穗的碳氮比均在处理间无显著差异。油菜种植模式的早稻碳氮比高于紫云英种植模式。玉米茎、穗的碳氮比均在处理间无显著差异。由表3 可知，大豆茎的碳氮比，处理CRI 比RRI 显著高43.76%；大豆荚的碳氮比在处理间无显著差异。

2.6 不同水旱复种模式对作物产量的影响

对于早稻产量，处理CK、CRI、RRI、RRR 分别为5 015.56、5 828.28、5 613.13、4 487.88 kg/hm2，CRI 比RRR 显著高29.87%；间作模式高于双季稻模式。晚稻、玉米、大豆产量均在处理间无显著差异。

3 讨论与结论

3.1 讨论

种植冬季绿肥是当前农业生产中较为常见的改善土壤肥力的措施，尤其在南方双季稻区。紫云英和油菜是近年来利用面积较大的2 种冬季绿肥。紫云英和油菜翻压都能提高稻田土壤有机碳含量，但是和油菜成熟期翻压相比，紫云英于盛花期翻压，土壤有机碳含量增长速度更快[26]。在本研究中，对于土壤有机碳含量和全氮含量，双季稻种植模式均比间作种植模式高，且种植紫云英的模式高于种植油菜的模式。这可能是由于作物秸秆是增加土壤养分的重要外源物质，秸秆还田不仅可以促进土壤的大团聚体转化，从而提高土壤有机碳和全氮的含量，还可以增加微生物数量，促进土壤生产，提高土壤有机质及土壤养分含量[27]。紫云英作为豆科绿肥的代表，生长速度快，适应性强，可以为后茬作物提供营养物质[28]。紫云英根部含有较多根瘤菌，可以固定空气中的氮，并较好地保存氮，为土壤补充氮元素，满足后续作物的生长需求[29]。油菜是十字花科作物，尽管磷、钾含量比紫云英高，但是紫云英的氮含量更高[30]。

土壤团聚体的分布及比例可以在一定程度上体现土壤结构的好坏。水稳性土壤团聚体的比例对土壤结构稳定性、抗蚀性以及可持续利用等有重要影响[29]。土壤结构的稳定性主要由R0.250 决定，其值越高，土壤团聚体越稳定。本研究中，紫云英还田处理的R0.250 大于油菜还田；这可能是因为种植紫云英有利于在土壤大团聚体中聚集游离态铁和非晶质铁2 种铁氧化物，它们是影响团聚体稳定性的重要因素[31]。不同的种植模式也影响土壤团聚体的组成和稳定性，在本研究中，处理RRI 的R0.250高于RRR；这是因为豆科作物与禾本科作物间作，二者根系交错，根系分泌物增加，为土壤微生物的生长提供了适宜的环境，并且刺激真菌菌丝的生长以及多糖的产生，从而增强土粒的胶结作用，而土壤大团聚体中的胶结物质主要是通过这种胶结作用形成。另外，大团聚体比小团聚体含有更多的土壤有机质，而有机质可以把微团聚体、淤泥和黏土等胶结成大团聚体，从而增加大团聚体的数量[32]。

有研究表明，玉米和大豆间作可以减少水土流失并提高作物产量[33]。冬季作物的种植不仅可以促进土壤养分利用、提升土壤质量，还可以提高下茬作物的产量[34-35]；紫云英具有固氮、富钾和活磷的特点，可以为水稻生长提供充足养分[36]。本研究中，关于早稻产量，间作种植模式高于双季稻种植模式，揭示了间作及冬种绿肥紫云英对早稻的增产作用。

3.2 结论

在稻田不同水旱复种模式下，与油菜种植模式相比，紫云英种植模式更有利于增加土壤有机碳、全氮含量。紫云英翻压还田的R0.250 比油菜翻压还田提高，土壤结构的稳定性更强。与双季稻种植模式相比，间作种植模式可以增强土粒的胶结作用，从而促进大团聚体数量增加。紫云英间作模式比油菜间作模式更有利于提高作物产量。综上所述，与其他处理相比，紫云英−早稻−晚玉米||晚大豆种植模式CRI 更有利于南方双季稻区农业的可持续发展。

参考文献：

[1]周甜， 吴少华， 康建宏， 等. 不同种植模式对水稻籽粒淀粉含量及淀粉关键酶活性的影响[J]. 中国水稻科学，2024， 38（3）： 303-315.

[2]舒业勤， 彭复细， 雷文硕， 等. 稻油复种不同措施下土壤有机碳组分积累及其稳定性特征[J/OL]. 土壤学报（2024-04-08） [2024-07-12]. https：//link.cnki.net/urlid/32.1119.p.20240402.1444.002.

[3]张玮， 周梦瑶， 张乐妍， 等. 多熟复种模式提高南方稻田土壤团聚体稳定性以及有机碳含量[J]. 华北农学报，2023， 38（S1）： 331-338.

[4]HU Q， YANG B， LI N， et al. Effects of mixed sowing ofChinese milk vetch （Astragalus sinicus L. ） and rape onrice yield and soil physical and chemical properties[J].Research on World Agricultural Economy， 2022， 3（1）： 9-15.

[5]代雪宾， 田秀平， 赵秋， 等. 长期冬绿肥翻压对土壤有机氮组分的影响研究[J]. 天津农学院学报， 2023， 30（5）：11-15.

[6]刘宁. 长江中游双季稻区稻田三熟制优化复种方式研究[D]. 南昌： 江西农业大学， 2023.

[7]潘晓华， 李木英， 曾勇军， 等. 江西双季稻主要种植方式及其配套栽培对策[J]. 江西农业大学学报， 2013， 35（1）：1-6.

[8]黄国勤. 中国南方稻田耕作制度发展的成就、问题及战略对策[J]. 华中农业大学学报， 2022， 41（1）： 1-20.

[9]YU X， XIAO S， YAN T， et al. Interspecific competitionas affected by nitrogen application in sweet cornsoybeanintercropping system[J]. Agronomy， 2023，13（9）： 2268.

[10]张曼， 刘全俊， 汤永玉， 等. 玉米大豆间作对玉米产量及节肢动物群落的影响[J]. 应用昆虫学报， 2024， 61（2）：429-441.

[11]胡开明， 陆万山. 大豆—玉米复合种植模式应用分析[J]. 安徽农学通报， 2024， 30（10）： 23-26.

[12]LIU Y H， ZHONG Y Y， HU C， et al. Distribution of microplasticsin soil aggregates after film mulching[J]. SoilEcology Letters， 2023， 5（3）： 230171.

[13]王敬宽， 吕鹏超， 张楷悦， 等. 不同土地利用方式对盐碱地土壤团聚体及碳氮含量的影响[J]. 山东农业科学，2023， 55（10）： 86-94.

[14]李鉴霖， 江长胜， 郝庆菊. 土地利用方式对缙云山土壤团聚体稳定性及其有机碳的影响[J]. 环境科学， 2014，35（12）： 4695-4704.

[15]黑杰， 李先德， 刘吉龙， 等. 轮作模式对农田土壤团聚体及碳氮含量的影响[J]. 中国水土保持科学（中英文），2022， 20（3）： 126-134.

[16]阮文亮， 彭松， 祝晓慧， 等. 减量施氮与间作大豆对甜玉米土壤团聚体及有机碳含量的影响[J]. 四川农业大学学报， 2023， 41（5）： 811-819.

[17]XU L， WANG M， XIE X， et al. Assessment of soil aggregationproperties after conversion from rice to greenhouseorganic cultivation on SOC controlling mechanism[J]. Journal of Soils and Sediments， 2020， 20（4）：1920-1930.

[18]张玉铭， 胡春胜， 陈素英， 等. 耕作与秸秆还田方式对碳氮在土壤团聚体中分布的影响[J]. 中国生态农业学报（中英文）， 2021， 29（9）： 1558-1570.

[19]杨卫君， 惠超， 邓天池， 等. 生物炭对砂壤土团聚体及其碳、氮分布的影响[J]. 中国土壤与肥料， 2022（12）： 1-9.

[20]TANG H， LI C， SHI L， et al. Functional soil organic matterfraction in response to short-term tillage managementunder the double-cropping rice paddy field in southern ofChina[J]. Environmental Science and Pollution Research，2021， 28（35）： 48438-48449.

[21]TANG H， LI C， SHI L， et al. Tillage with crop residue returningmanagement increases soil microbial biomassturnover in the double-cropping rice fields of SouthernChina[J]. Agronomy， 2024， 14（2）： 265.

[22]陈明君， 盛荣， 张文钊， 等. 红壤稻田复种方式对土壤微生物生物量碳、氮的影响[J]. 农业现代化研究， 2023，44（4）： 692-700.

[23]黄国勤. 江南丘陵区农田循环生产技术研究： Ⅰ： 江西绿肥生产的发展[J]. 耕作与栽培， 2008（2）： 1-2.

[24]黄国勤. 南方稻田耕作制度可持续发展面临的十大问题[J]. 耕作与栽培， 2009（3）： 1-2.

[25] EYNARD A， SCHUMACHER T E， LINDSTROM M J，et al. Aggregate sizes and stability in cultivated SouthDakota prairie Ustolls and Usterts[J]. Soil Science Societyof America Journal， 2004， 68（4）： 1360-1365.

[26]朱贵平， 张惠琴， 吴增琪， 等. 紫云英和油菜不同时期翻压对土壤培肥效果的影响[J]. 南方农业学报， 2012，43（2）： 205-208.

[27]熊瑞， 欧阳宁， 欧茜， 等. 秸秆还田与耕作方式对双季稻土壤团聚体及碳氮含量的影响[J]. 浙江农业学报，2024， 36（6）： 1347-1356.

[28]宋佳， 黄晶， 高菊生， 等. 冬种绿肥和秸秆还田对双季稻区土壤团聚体和有机质官能团的影响[J]. 应用生态学报， 2021， 32（2）： 564-570.

[29]李学文. 紫云英和油菜还田对土壤团聚体和有机碳固存的影响[D]. 武汉： 华中农业大学， 2022.

[30]刘陈， 王伟妮， 廖世鹏， 等. 我国油菜绿肥研究进展[J].中国土壤与肥料， 2023（11）： 248-254.

[31]黄雅楠. 绿肥还田下有机碳与矿物的结合特征及团聚体稳定性[D]. 武汉： 华中农业大学， 2023.

[32]杨继芬， 李永梅， 李春培， 等. 大豆玉米间作提高红壤团聚体中真菌群落结构和多样性[J]. 植物营养与肥料学报， 2023， 29（5）： 889-899.

[33]陈小强， 范茂攀， 王自林， 等. 不同种植模式对云南省中部坡耕地水土保持的影响[J]. 水土保持学报， 2015，29（4）： 48-52.

[34]WU A L， JIAO X Y， WANG J S， et al. Sorghum rhizosphereeffects reduced soil bacterial diversity by recruitingspecific bacterial species under low nitrogen stress[J].Science of the Total Environment， 2021， 770： 144742.

[35]CHEN Y， LI S， LIU N， et al. Effects of different types ofmicrobial inoculants on available nitrogen and phosphorus，soil microbial community， and wheat growth in high-P soil[J]. Environmental Science and Pollution Research，2021， 28（18）： 23036-23047.

[36]杜光辉， 张琳， 丁丽， 等. 紫云英与水稻秸秆联合还田配合氮肥减施对水稻产量及氮素营养平衡的影响[J]. 江苏农业学报， 2024， 40（6）： 1012-1019.

【责任编辑 李庆玲】

基金项目：国家重点研发计划（2016YFD0300208）；国家自然科学基金（41661070）