不同水旱輪作方式下氮肥減量對水稻產量及土壤養分的影響

龔明強　易峰　李進前　楊立年　周定邦　王爽　楊景　錢雙

摘要 為研究不同水旱輪作方式對水稻產量及周年效益的影響，摸索土壤養分變化規律，減少水稻季氮肥投入量，改善土壤理化性狀，在光明米業有限公司崇明種植基地進行了小麥-水稻、油菜-水稻、綠肥（蠶豆）-水稻、休耕-水稻4種不同水旱輪作。結果表明，綠肥-水稻輪作下236.25 kg/hm2施氮處理水稻產量最高，為9 923.22 kg/hm2。從周年經濟效益來看，油菜-綠肥輪作方式下262.5 kg/hm2施氮處理下周年經濟效益最高，為15 496.89元/hm2。輪作后，土壤有機質周年含量以綠肥-水稻升高最為明顯，上升3.3 g/kg。

關鍵詞 水稻;輪作;施氮;土壤養分變化;產量

中圖分類號 S344.1+7文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）13-0152-05

Abstract In order to choose the best water and drought rotation system that could increase rice yield， reduce nitrogen application amount and improve soil physical and chemical properties，study on different rotation methods was carried out in the base of Bright Rice Limited Company in Chongming， such as ricewheat rotation， ricerape rotation， ricegreen manure （broad bean） rotation， ricefallow rotation.The results showed that the ricegreen manure rotation treatment obtained 9 923.22 kg/hm2 rice yield with 236.25 kg/hm2 nitrogen input， which was the highest among the four different rotations，from the wholeyear economy benefit， the ricerape rotation with 262.5 kg/hm2 nitrogen input performed better than others， as it gained 15 496.89 yuan/hm2. ??About the wholeyear soil fertility change，ricegreen manure rotation showed better， which increased by 3.3 g/kg.

Key words Rice;Rotation;Nitrogen application;Soil nutrient change;Yield

輪作是在同一塊土地上科學地輪流種植不同的作物，以達到土壤養分充分利用的一種種植方式。我國早在西漢時就實行休閑輪作。水旱輪作是指在同一田地上有順序地輪換種植水稻和旱作物的種植方式[1]。輪作較連作的優勢，一是不同作物對養分需求的不同，科學合理地吸收土壤中的養分，以防止土壤中某單一元素的濫吸收，造成土壤肥力下降;二是改善土壤環境，調節土壤肥力;減少病蟲害的發生，不同作物病蟲害也不同，在連作情況下，病蟲害發生頻率和強度加大，對作物危害更加嚴重。

筆者于2017年冬季展開小麥-水稻、油菜-水稻、綠肥（蠶豆）-水稻、休耕-水稻4種輪作方式，在不同氮肥用量下對水稻產量及土壤理化性狀進行研究，建立較為完善的不同前茬輪作方式對后茬水稻影響的肥料運籌措施。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況 試驗于2017年10月—2018年10月在崇明區躍進農場（121.21E，31.81N）進行，試驗田為砂壤土，旱作物種植前測定土壤養分，土壤有機質含量29.5 g/kg，速

效氮含量56.11 mg/kg，速效磷含量24.25 mg/kg，速效鉀含量110 mg/kg，pH 8.17。

1.2 試驗材料 以水稻品種遲熟中粳南粳9108作為供試材料。

1.3 試驗設計 采用雙因素設計，其中A為輪作體系，上年水稻收割后，在試驗田塊分別進行小麥、油菜、蠶豆（綠肥）、休耕處理，次年5月中旬小麥、油菜收獲后秸稈全量還田，蠶豆作為綠肥在5月初翻耕漚肥處理。休耕田冬季翻耕，4月底耙田，使冬季雜草翻埋，起到一定的漚肥作用。5月26日種植水稻，試驗設小麥-水稻（A1）、油菜-水稻（A2）、綠肥-水稻（A3）、休耕-水稻（A4）4個輪作處理。B為肥料使用，氮常規處理純氮3 937.50 kg/hm2（B1）、純氮3 543.75 kg/hm2（B2）、純氮3 150.00 kg/hm2（B3）、不施肥（B4）4個處理，B1處理與減量施肥B2、B3處理中磷、鉀用量保持一致（表1）。各處理間3次重復，各小區間設田埂，獨立進排水。磷鉀肥料使用復合肥綠先機（氮磷鉀含量12-10-14），尿素氮含量46.2%。采用精量機穴播播種，播種量與每穴行間距保持一致。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤養分含量。冬作物種植前、水稻播種前、分蘗期、拔節期、孕穗期、成熟期在各個小區取土樣，測定土壤中速效氮、速效鉀、速效磷、有機質、pH等。

1.4.2 水稻莖蘗動態。水稻4葉期開始，每隔7 d調查一次苗情，包括葉齡、株高、苗數。

1.4.3 干物質積累量與不同時期植株體內養分含量。分別在分蘗高峰期、拔節期、孕穗期、齊穗期、成熟期按每小區平均分蘗數，取5穴具有代表性的植株，去其根部，穗和植株分開放置，放入烤箱105 ℃殺青，然后70 ℃烘烤至恒重，測定各器官干物重、植株體內N、P、K等養分含量。

1.4.4 產量與產量構成因素。成熟期各處理分3點取樣，每個取樣點取有代表性的植株100穴，取平均穗數的植株10穴，測定水稻產量構成因素。收割前每重復取12 m2左右植株稻穗，重復3次，測定各處理實際產量。

2 結果與分析

2.1 不同處理莖蘗動態 由表2可知，A1B4無肥處理高峰苗最低，而在同等不施肥條件下，品種和基本苗等一致的情況下，A3B1處理有效穗數為385.95萬/hm2，比A1B1、A2B1、A4B1高45.90萬/hm2、25.95萬/hm2、0.90萬/hm2。高峰苗發生時期A2和A3處理比A1、A4處理早7 d，說明A2和A3處理能夠促進分蘗早發，提高成穗概率。凌啟鴻等[2]研究表明，成穗率是衡量水稻群體質量的重要指標，從水稻成穗率來看，除A4B3略有偏差，各輪作處理間不同氮肥處理成穗率隨氮肥施用量增加而降低。

2.2 不同處理各期干物質重積累變化

由表3可知，不施肥處理下，單株干物質重和群體質量均最低，證明施肥對水稻干物質積累有重要影響。分蘗期和拔節期，A1、A2、A4輪作處理，B1施肥處理總干物重和單株質量最高，A3輪作下，以B2施肥處理最高。A3B2比A3B1成熟期單株質量增加了9.69%，可見在A3輪作處理下增加氮肥用量并不一定能有效提高單株質量，可能是由于苗數過多，無效分蘗增加，群體瘦弱。從成熟期總干物重來看，A3B2處理最高達18 618.15 kg/hm2，相比A1B1、A2B1、A4B1輪作最高處理分別增加了3 753.75、2 854.56、1 360.63 kg/hm2，結合表4理論產量分析來看，水稻產量隨著成熟期干物重升高而升高。

2.3 不同處理水稻產量及其構成因素 由表4可知，A3B1處理的有效穗比A1B1、A2B1、A4B1高45.90萬/hm2、25.95萬/hm2、0.90萬/hm2。從千粒重來看，各處理隨著氮肥施用量增加，千粒重呈下降趨勢。從結實率來看，差異性不大，可能是供試品種本身結實率較高的原因。從A1B4、A2B4、A3B4、A4B4幾個不施肥處理可以看出，A3B4產量最高，可知水稻-蠶豆輪作下土壤養分較為充足，水稻產量59.06%來自土壤生產力。A1、A2、A4幾個處理以B1施肥處理產量最高，水稻產量隨氮肥使用量增加而升高，說明這幾種處理氮肥施用低于262.5 kg/hm2會影響水稻產量，產量上限不在該研究的范圍之內。A3輪作處理下以B2施肥處理產量最高，與B1施肥處理間差異不大，與B3施肥處理之間差異較大，說明A3處理氮肥用量在236.25～262.50 kg/hm2。A3B2處理較A1、A2、A4輪作處理最高產量分別增了1 311.27、433.44、558.45 kg/hm2，而氮肥使用量下降了10百分點，說明A3輪作處理可減少氮肥用量的同時得到較高的產量。

2.4 不同時期植株體內養分動態變化

由圖1可知，植株體內全氮含量在分蘗盛期最高，隨著生育進程不斷降低，分蘗盛期至拔節期下降最快，水稻抽穗至成熟期植株體內全氮含量下降趨于平緩，至成熟期有所回升，植株體內此時的氮含量逐漸轉移至籽粒中。從分蘗期植株體內全氮含量來看，A1輪作下，水稻分蘗肥要適當加大氮肥的供應，從而保障植株的正常生長。

由圖2可知，植株體內的全鉀含量在分蘗至抽穗期下降較為明顯，至齊穗期后趨于平緩。由于植株體內鉀含量在孕穗拔節前是抽穗成熟期的4～6倍，因此，鉀肥施用要重點在拔節前使用，以基肥和拔節肥為主，以充分供應水稻對鉀的吸收利用，從而達到高產栽培的要求。

由圖3可知，植株體內全磷含量由分蘗盛期到抽穗下降明顯，到灌漿前有所上升，接近成熟后緩慢下降。從不同輪作處理來看，A1輪作體系下分蘗期全磷含量明顯低于其他幾個輪作方式，不同輪作方式施磷量一致的情況下，植株對磷的吸收主要來自土壤，這也間接說明A1輪作方式下在小麥種植過程中土壤中速效磷消耗大于其他輪作方式。

2.5 各輪作體系下土壤有機質含量變化

由圖4可知，各輪作方式后土壤有機質含量總體呈增長趨勢，秸稈還田后在水稻播種后30 ?d內有機質含量有一個較快的增長過程，但綠肥還田方式下，有機質增長速度明顯超過油菜、小麥、休耕茬，證明綠肥還田后土壤有機質積累量大于油菜、小麥、休耕雜草秸稈還田。分蘗至分蘗高峰期，有機質含量有一個明顯

的下降過程，綠肥-水稻、休耕-水稻輪作處理下降高于其他

2個輪作處理，這可能是由于豆科作物分解速度較快、雜草還田量小，此過程中必然消耗大量的速效氮來分解雜草和綠肥茬，由于種植的綠肥是豆科作物蠶豆，其固氮能力較強，田間速效氮含量相比其他輪作處理要高，所以其他作物此時對氮肥的需求較大。水稻抽穗后土壤有機質含量均呈上升趨勢，到成熟期后下降到穩定位置。從灌漿到成熟期土壤有機質含量來看，綠肥輪作方式下，有機質下降較為平緩，油菜輪作次之，這一時期土壤有機質含量主要含量受水稻植株根系影響較大，由此可知，綠肥還田對后茬水稻根系生長有較大的促進作用。

2.6 效益分析

由表5可知，周年經濟效益以A2B1最高，達15 496.89元//hm2，單季水稻收入以A3B2最高，達12 572.03元/hm2。所以單從效益而言，油菜-水稻輪作效益最大，但從養地用地原則考慮，綠肥-水稻輪作能夠有效改良土壤理化性狀，增加有機質含量。

3 結論與討論

水旱輪作為常用的輪作制度，已經使用多年，合理的水旱輪作能夠改善土壤環境，增加土壤養分，為作物生長帶來有利的因素[3]。Chen等[4]研究結果表明，提高綜合的土壤-作物管理技術可在獲得作物高產的同時降低肥料使用量減少環境污染。該研究結果表明，氮肥增施會顯著增加水稻分蘗數，但綠肥-水稻輪作方式下，分蘗期氮肥增加會導致無效分蘗增多，成穗率和千粒重下降，從而對產量有抑制作用。 水稻分蘗是水稻基本的發育特性，是形成健康高產水稻模式的前提。生產上一般以早促分蘗來提高水稻產量，分蘗遲會影響穗型結構和降低成穗概率，分蘗過多又會增加無效分蘗的產生，增加倒伏的風險[5]。水稻分蘗受氮素影響較大，一般情況下在分蘗期分蘗和氮肥使用量呈正相關，所以在分蘗期合理使用氮肥，保證水稻適宜的穗數，減少無效分蘗，是高產的重要手段[6]。該研究表明綠肥-水稻輪作方式下可適當減少分蘗期氮肥用量，控制合理的分蘗數，保證有效穗的前提下提高成穗率。

蘇祖芳等[7]研究表明，在保證獲得適宜的穗數前提下，提高群體的莖蘗成穗率，是衡量水稻群體質量的綜合指標。凌啟鴻等[8]研究表明在合適穗數下，成穗率與抽穗至成熟期水稻干物質積累量呈正相關。產量的形成是一個物質積累和分配的過程，不同的養分管理條件下水稻群體干物質生產能力和分配方式不同，直接影響經濟產量的形成。通過對水稻干物質形成過程的了解，可以掌握水稻不同時期對養分的需求，從而調節生產[9]。通過對水稻不同時期體內氮、磷、鉀含量的變化，可以總結出不同生育期下，對水稻施肥用量的控制，達到調節養分平衡、保證水稻在適宜條件生長發育的目的。研究表明植株體內氮、磷、鉀含量在分蘗期含量最高，灌漿期到成熟期，植株磷和鉀含量均呈下降趨勢，但氮含量在成熟期有一個上升過程，證明此時植株對氮肥有一定的吸收量。A1輪作方式下在小麥種植過程中土壤中速效磷消耗明顯大于其他輪作方式，所以在冬季作物種植過程中要增加磷的補充，防治水稻季土壤磷肥缺失。

該研究結果表明綠肥-水稻輪作下236.25 kg/hm2氮肥處理下水稻產量最大，59.06%產量貢獻來自土壤。A3B2處理較其他輪作處理最高產量比較分別增1 311.27、433.44、558.45 kg/hm2，氮肥使用量下降了10百分點，說明稻-綠肥處理可減少氮肥的使用量并能保證水稻產量。

黃國勤等[10]研究認為，稻田輪作生態效應顯著，可改善土壤理化性狀，土壤通透性大大增強，有效阻止土壤次生潛育化和土壤酸化，從土壤有機質周年含量變化來看，A3輪作方式下土壤有機質周年增長最高為3.3 g/kg。

按周年效益比較，油菜-水稻、小麥-水稻輪作方式效益較高，從土壤有機質變化來看，綠肥-水稻輪作方式土壤理化性狀得到改善。

參考文獻

[1]郭軍， 梅燚， 祖艷俠.設施蔬菜水旱輪作模式[J].農家致富， 2015（13）：29-30.

[2] 凌啟鴻，蘇祖芳，張海泉.水稻成穗率與群體質量的關系及其影響因素的研究[J].作物學報，1995，21（4）：463-469.

[3] 吳余糧，蔣凱.水旱輪作模式的可持續發展探析[J].浙江農業科學，2014（6）：813-815.

[4] CHEN X P， CUI Z L， FAN M S， et al.Producing more grain with lower environmental costs[J].Nature， 2014， 514（7523）： 486-489.

[5] 呂騰飛.肥水管理對長秧齡雜交秈稻群體結構和產量形成的影響[D].雅安：四川農業大學，2015.

[6] 陳浩，張秀英，周游，等.氮肥利用對水稻不同生育期的影響概述[J].大麥與谷類科學，2017，34（1）：11-14.

[7] 蘇祖芳，霍中洋.水稻合理密植研究進展[J].耕作與栽培，2006（5）：6-9.

[8] 凌啟鴻，張洪程，蘇祖芳，等.稻作新理論——水稻葉齡模式[M].北京：科學出版社，1994.

[9] 楊長明，楊林章，顏廷梅，等.不同肥料結構對水稻群體干物質生產及養分吸收分配的影響[J].土壤通報， 2004， 35（2）：199-202.

[10] 黃國勤，熊云明，錢海燕，等.稻田輪作系統的生態學分析[J].土壤學報，2006，43（1）：69-78.