栽培管理措施對稻麥輪作系統土壤有機碳和氮素積累及作物產量的影響

金朝強 聶立孝

摘要：栽培管理措施會影響稻麥輪作系統中土壤有機碳和氮素養分的積累，進而影響稻麥產量。綜述了本領域最新的研究成果，詳細解析了稻麥輪作系統中土壤的耕作方式、稻麥的種植方式以及水分和氮肥的管理方式影響土壤中有機碳和氮素積累以及稻麥產量的機制，并提出了保持稻麥輪作系統土壤肥力和提高稻麥產量的相關建議，以期為中國的稻麥生產提供一定的理論指導。

關鍵詞：稻麥輪作;耕種方式;水氮運籌;有機碳;氮素

中圖分類號：S158.5? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）14-0012-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.002 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Cultivation management measures will affect the accumulation of organic carbon and nitrogen nutrients in the soil of rice-wheat rotation system， and then affect the yield of rice and wheat. The latest research results in this field were reviewed， and the soil tillage， rice and wheat planting and water and nitrogen management methods which affected soil organic carbon and nitrogen accumulation and rice and wheat yield in rice-wheat rotation system were analyzed in detail，and the relevant suggestions for maintaining the soil fertility and increasing the yield of rice and wheat in rice-wheat rotation system were put forward， in order to provide certain theoretical guidance for rice and wheat production in our country.

Key words： rice-wheat rotation; cultivation practice; water and nitrogen management practice; organic carbon; nitrogen

水稻和小麥都是世界上重要的糧食作物，也是中國分布面積最廣的農作物。稻麥輪作是世界上面積最大的種植方式之一，全球總種植面積達2 400萬hm2，其中，中國的種植面積達1 050萬hm2，且主要分布于長江流域[1]。近年來，人口增加、氣候環境變化以及土地耕作施肥影響下的糧食生產力問題逐漸成為國內外關注的焦點，探討如何維持糧食高產和穩產具有重要意義。土壤有機碳是通過微生物作用所形成的腐殖質、動植物殘體和微生物體中碳的合稱，是植物與土壤生物生命活動所需碳素養分的主要來源，同時也是土壤重要的理化性質之一，與土壤質量和農業生產力密切相關。土壤有機碳還能夠調節土壤的理化性質和生物學特性，提高土壤穩定性，其在土壤中的含量受土壤微生物的種類和豐度的影響較大。因此，研究土壤有機碳的變化對維持全球農業生態系統的可持續性有重要的意義。氮是作物體內許多重要有機化合物的成分之一，也是限制作物生長和產量形成的首要因素，對改善農產品品質也有明顯的作用[2]。土壤中的氮素絕大部分以有機態形式存在，有機氮需經過土壤微生物的礦化作用，轉化成無機氮才能被作物吸收利用。土壤氮素和有機碳存在一定的耦合關系，氮素變化能夠影響土壤的固碳作用[3]，土壤有機碳對氮素的礦化、固定和反硝化也有重要作用[4]，其相互耦合作用對作物生產以及氣候變化等具有重要意義[5]。本研究根據當前的相關文獻，分析和總結了耕種方式和水氮運籌對稻麥輪作系統中土壤有機碳和氮素養分含量以及作物產量的影響，以期為中國的稻麥生產提供一定的理論支持。

1 耕種方式

耕種方式指耕耘土壤和種植作物所采用的方法。中國常見的耕作方式主要有傳統的翻耕和近些年興起的旋耕以及免耕少耕等;常見的水稻種植方式有傳統的手工移栽、直播和機插秧以及與其他一些栽培管理措施搭配結合而成的復合種植方式[6-8]，小麥種植方式相對較少，主要通過手工撒播和機械條播進行種植。土壤耕作和種植作物可以改變土壤環境，進而改變土壤的理化性質和生物學特性。不同耕作和作物種植方式對土壤養分的動態變化和作物產量有很大的影響。

1.1 耕種方式對稻麥輪作系統土壤有機碳的影響

適當的土壤耕作可以提高土壤有機碳含量，提高耕層土壤有機碳密度[9]。不同耕作方式對不同土層有機碳含量的影響不同。在稻麥輪作系統中，與傳統的翻耕相比，免耕可以提高表層土壤有機碳的含量，這主要是因為免耕可以減少進入深層土壤的有機碳的量，使有機碳主要集中于表土層[10-13]。與免耕相比，傳統翻耕會把表層土壤中的有機碳翻入下層土壤中，因而可以提高深層土壤中有機碳的含量。Balesdent等[14]用13C標記區分土壤原有有機質和新輸入的有機質發現，在免耕條件下，新輸入的碳主要集中于表土層，而在傳統耕作條件下新輸入的碳幾乎全部集中于耕作層。總體來說，保護性耕作減少了土壤耕作次數， 減少了土壤中大團聚體的轉化，促進了微團聚體中有機碳的封閉，降低了土壤有機碳的礦化速率[10，11]，有利于土壤有機碳的積累。

在稻麥輪作系統中，水稻的種植方式對稻田土壤的理化性質和生物學特性有很大影響，土壤的理化性質和生物學特性的差異又會影響后茬小麥的生長發育，而小麥的生長發育又會反作用于土壤。因此，在稻麥輪作系統中，水稻的種植方式對整個輪作系統的土壤性質有很大影響。任萬軍等[15]研究發現，與傳統插秧和常規拋秧相比，免耕高留茬拋秧可以明顯提高土壤有機碳、全氮和堿解氮含量。還有研究表明，與常規水作水稻相比，水稻裸地旱作和覆膜旱作均會降低土壤有機碳含量[16，17]。覆秸稈旱作水稻-大麥輪作系統土壤有機碳含量始終高于常規淹水水作水稻-大麥輪作系統、覆蓋薄膜旱作水稻-大麥輪作系統和裸地旱作水稻-大麥輪作系統[17，18]。這可能是因為覆蓋的秸稈持續腐爛，補充了土壤中被消耗的有機碳，同時，覆蓋秸稈改變了輪作系統的土壤環境，使該輪作系統中土壤微生物的種類和豐度與其他3種輪作系統產生差異，對土壤有機碳含量的變化產生了不同影響。

1.2 耕種方式對稻麥輪作系統土壤氮素的影響

任何耕作措施都會對土壤的理化性質產生影響，長期實行單一方式的土壤耕作會產生不利于作物生長的土壤條件[19]，進而影響土壤養分的轉化與循環。有研究表明，在免耕條件下，全氮和速效氮主要集中在土壤表層，旋耕土壤表層全氮和速效氮的含量也高于翻耕土壤，可能是翻耕使得下部的土壤翻到上層，使得上層土壤的全氮和速效氮被稀釋[12，13，20]，均勻分布于耕作層。崔思遠等[21]經過研究也發現，在稻麥輪作系統中，與水稻季翻耕、小麥季旋耕和水稻小麥兩季都旋耕的耕作方式相比，水稻季免耕、小麥季每2年淺旋1次的耕作方式可以明顯提高0～5 cm土壤有機碳和全氮含量，而水稻季翻耕、小麥季旋耕與其他2種耕作方式相比，可以明顯提高10～20 cm土壤全氮含量。總體來說，與連續翻耕相比，免耕或者免耕結合其他耕作方式可以提高土壤氮素儲量[22]。表1為部分研究中不同耕作方式對稻麥輪作系統土壤有機碳和氮素含量的影響。

有研究表明，與傳統移栽和機播水稻相比，水稻直播可以提高耕層土壤有機碳和全氮的含量[23]，為微生物增殖提供充足的養分，有利于土壤養分的逐步釋放，最終有利于水稻產量的提高[24]。有研究發現，與常規水作水稻相比，水稻覆草旱作可以提高稻田土壤中的全氮含量，而水稻裸地旱作和覆膜旱作會降低稻田土壤中全氮和堿解氮含量[16，17]，這可能是因為覆蓋在地面上的草質腐解釋放了大量養分，補充了土壤中消耗的養分，而裸地旱作水稻稻田土壤中通氣條件較好，有利于微生物的增殖和活性的提高，加速了土壤中有機質的礦化和氮素的損失。李勇[8]經過研究發現，旱作水稻后茬大麥的吸氮能力遠大于水作水稻后茬大麥，這主要是受土壤的通氣條件影響。淹水會破壞土壤的團粒結構，使黏粒增加，導致土壤通氣能力下降，不利于麥作根系的生長[25]。表2為部分研究中水稻不同種植方式對稻麥輪作系統土壤有機碳和氮素含量的影響。

1.3 耕種方式對稻麥輪作系統作物產量的影響

大量研究表明，在稻麥輪作系統中，免耕可以提高小麥產量，但對水稻產量的影響有不同說法。免耕會造成水稻減產，可能是因為免耕稻田土壤養分聚集于表層，水稻生育期內免耕稻田表層土壤養分大量損失，導致免耕稻田土壤養分含量低于翻耕稻田，水稻生長中后期供肥不足，早衰減產[12];而免耕提高了水稻產量可能是因為免耕土壤養分含量較高。之所以出現不同結果，可能是受試驗地區氣候條件和種植方式的影響，如水稻季水作免耕稻田土壤養分聚集于表層，隨水分的淋溶和滲漏土壤養分損失較多，導致水稻減產;而水稻季旱作則會減少土壤養分的損失，提高水稻產量。土壤翻耕會導致稻麥輪作系統作物產量降低，主要原因可能是翻耕破壞了耕層原有土壤結構，使土壤養分損失加劇，降低了表層土壤的肥力水平[20]。

水稻季水稻的種植方式會影響水稻生長的小環境，最終影響稻田土壤的特性和水稻產量。李勇[8]的研究結果顯示，覆蓋秸稈旱作水稻能提高或達到常規水作水稻的產量，而覆膜旱作和裸露旱作水稻產量比常規水作水稻分別平均減產7%和21%。李金才等[26]也發現，裸露旱作水稻群體干物質積累量明顯低于常規水作水稻，干物質的運轉和分配也受到一定影響，導致水稻的分蘗成穗率、穗粒數、結實率和粒重均低于常規水作水稻，最終導致水稻產量降低。但梁永超等[27]發現，在超稀植（5.3萬～6.4萬穴/hm2）條件下，覆膜旱作水稻的產量能達到甚至超過淹灌或節水灌溉水稻的產量。而范明生[28]認為，覆蓋秸稈旱作則會造成水稻減產，這可能是受試驗地區氣候條件的影響。有大量研究結果表明，前茬水稻水作導致土壤板實，不利于后茬作物扎根和生長而導致減產[29，30]。孫文娟等[31]的研究表明，水稻旱作后土壤的理化性質優于水作，有利于小麥生長。梅俊豪等[32]的研究結果也證實了這一點。

綜上所述，免耕可以提高土壤有機碳和氮素含量，也可以提高稻麥的周年產量，還可以降低稻麥生產過程中的勞動量，是一種比較理想的耕作方式。但長期免耕會導致土壤板結、養分層次化分布嚴重、播種困難、作物根系無法深扎，而過度耕作則會破壞土壤耕層結構，導致土壤肥力下降、有機質損耗、溫室氣體排放增加等問題。水稻直播可以提高土壤有機碳和全氮的含量，在水肥管理得當的情況下，還可以提高水稻產量，是當前主要推廣的水稻種植方式之一，但直播水稻的抗倒伏能力相對較弱，在稻季強風多發區要慎重選擇。因此，在稻麥生產過程中，耕作方式要多樣化，以免耕為主，其他耕作方式為輔，多種耕作方式交替使用，根據當地的氣象條件選擇合適的種植方式，只有這樣才能持續獲得較高的經濟效益和生態效益。

2 水氮運籌

水分和氮素是作物生長發育過程中必不可少的物質基礎，二者在作物生長發育過程中相輔相成，缺一不可。水稻不同生育時期對水分和氮素的需求量不同，常見的水稻灌溉技術有傳統的淹灌以及近些年新興起的控制灌溉和間歇灌溉等[33];常見的水稻施肥技術有“前促”施肥法、“前促、中控、后補”施肥法、“前穩、中促、后保”施肥法以及新推廣的實地施肥法等;小麥對灌溉的要求相對較低，一般只需要在播種前、越冬前、返青期、拔節期、孕穗期和灌漿期根據土壤墑情進行適量灌溉即可。由于小麥是旱作，氮肥利用率較低，生育期較長，且成熟時間較集中，因此，小麥施肥講究肥隨水施，少量多次，適時適量[7]，只有這樣才能提高氮肥的利用效率，在減少肥料投入的同時獲得高產。

2.1 水氮運籌對稻麥輪作系統土壤有機碳的影響

適當的水分脅迫和提高氮肥施用量都有利于提高土壤有機碳含量。有研究表明，與常規灌溉相比，淹水灌溉會降低土壤有機碳含量，但二者差異不顯著，而淺濕調控灌溉可以提高稻田土壤有機碳含量[34，35]，這可能是因為灌溉方式的不同導致土壤環境產生差異，進而影響了土壤微生物的活性和豐度，最終導致土壤有機碳含量產生差異。黃東邁等[36]用14C標記有機物料模擬旱地和水田的研究結果表明，不論何種土壤，有機質在淹水土壤中的分解速率均快于旱地土壤。在稻麥輪作系統中，稻田淹水能夠促進有機物質的嫌氣分解，增加土壤有機質的積累;而麥季的有氧條件有利于土壤有機質的礦化[37]。

施用肥料的種類會影響土壤有機碳的含量和分布。長期施用有機肥和化肥都會使表層土壤有機碳含量顯著增加，但長期施用有機肥的土壤表土有機碳的累積速度較快，而長期施用化肥的土壤下層有機碳的累積量較多，這可能是因為長期施用有機肥的土壤，有機碳向下的遷移量較少，而長期施用化肥的土壤，有機碳向下的遷移量較多[38，39]。氮肥施用量會影響土壤有機碳的含量和存在形態。有研究結果表明，隨著施氮水平增加，稻田土壤有機碳含量呈先升高后降低趨勢[34]，這是因為適量增施氮肥可以提高土壤微生物活性和豐度，加快土壤中植物殘茬的腐解，釋放更多的有機質。

2.2 水氮運籌對稻麥輪作系統土壤氮素的影響

土壤含水量太高或太低都會導致土壤礦質氮含量的下降[40，41]，這或許是因為土壤含水量太高或太低都會影響土壤微生物的種類、豐度和活性，進而影響土壤氮素的礦化。與淹水灌溉和常規灌溉相比，淺濕調控灌溉可以有效提高土壤全氮、銨態氮和硝態氮含量，因為在淺濕調控灌溉條件下，土壤碳、氮資源充足，通氣狀況良好，有利于土壤微生物的繁殖和活性的提高，進而促進土壤中植物殘茬的腐解，釋放其中的養分，使土壤中養分含量增加[34]，但王偉[35]通過研究發現，淺濕調控灌溉土壤中全氮的含量高于淹水灌溉和常規灌溉，但二者之間差異不顯著。兩組試驗結果不同，可能是受試驗地區土壤條件的影響（表3）。

有研究發現，在稻麥輪作系統中，適量增施氮肥可以提高土壤中全氮的含量[35];土壤的供氮能力和可礦化氮在全氮中的比例也隨施肥量的增加而增加[42]。肥料種類對土壤氮素的礦化過程也有影響。相較于單施化肥或有機肥，有機肥與化肥配施可以明顯提高土壤氮素的礦化勢和礦化率[43];施用雞糞的土壤的氮礦化積累量和礦化率明顯高于施用牛糞和豬糞的土壤[44]，這主要受有機肥中C/N比的影響[45]。

2.3 水氮運籌對稻麥輪作系統作物產量的影響

水分和氮素都是作物生長必不可少的物質。因此，在稻麥輪作系統中，水分和氮素的運籌管理會對周年作物產量產生很大影響。

控制灌溉技術的增產機理為在作物的非關鍵需水期，通過控制土壤水分條件，改變作物生理生態活動，促使作物根系和株型生長更趨合理化[35]。有研究結果顯示，輕度或中度干濕交替灌溉，能夠在減少農田灌溉用水量的同時保證水稻產量[46-48];但也有研究表明，干濕交替灌溉會引起水稻減產[49]。可見干濕交替灌溉對水稻產量表現的影響并不一致，出現這種情況可能是因為在不同試驗中干濕交替的持續時間和程度不同。水氮之間存在相互作用，水分對作物生長發育的影響直接體現在對養分的吸收利用上，嚴重的水分脅迫會抑制作物根系生長，導致根系無法吸收養分，從而降低作物產量[50]。彭世彰等[51]研究表明，水稻根系間斷性地受一定程度的水分脅迫后，會激發根系吸收的補償功能，使葉片氣孔保持在適宜的開度以減少蒸騰失水;在水稻的關鍵需水期，適當的水分脅迫可以促使水稻更有效地利用水分和養分，形成合理的群體結構，進而獲得較高的產量，但如果脅迫程度過重則會嚴重影響水稻產量。Dobermann等[52]認為水分管理措施會影響土壤的供氮能力，進而影響作物產量，水分脅迫條件下不利于土壤有機氮的礦化，此時配施適量氮肥，才能滿足水稻對氮素營養的需求。水分對小麥產量的影響與水稻類似。

在稻麥輪作系統中，氮肥施用量和施用種類都會影響稻麥產量。在中國的農業生產過程中氮肥施用量一般過高[53]。在小麥生產過程中，氮肥施用量過高，會導致小麥前期瘋長，分蘗較多，群體較大且不合理，到生長后期，由于對養分和光照的競爭，會導致分蘗大量死亡，有效分蘗較少;同時，氮肥施用量過高會導致小麥開花延遲，由于小麥生長后期氣溫較高，空氣濕度較低，氮肥施用量高的小麥與氮肥施用量低的小麥的成熟期相差較短，導致氮肥施用量高的小麥子粒灌漿期相對較短，粒重較低[54]，最終導致小麥產量不高。有研究發現，在中國的稻麥生產過程中，在傳統氮肥施用量的基礎上減氮20%不會導致水稻和小麥的產量降低[55]。在稻麥輪作系統中，相較于單施化學氮肥，適量地施用有機肥替代化肥對稻麥的地上部物質累積量和產量都有促進作用[56]。

綜上所述，在稻麥輪作系統中，水稻季選用淺濕調控灌溉不僅有利于水稻產量的提高，還有利于土壤肥力的保持和提高，為后茬小麥的高產打下良好的基礎。同時，肥料的施用最好與水分灌溉充分結合起來，做到以肥濟水、以水調肥、水氮互作，這樣才能提高肥料利用率。適量減施氮肥不僅有利于節約資源，還可以提高稻麥產量并減少對環境造成的污染，獲得較高的經濟效益和生態效益。例如，在中國的長江中下游稻-麥輪作區，在習慣氮肥施用量（水稻季純氮210 kg/hm2，小麥季純氮225 kg/hm2）的基礎上水稻季減施氮肥20%，小麥季減施氮肥40%，只要運籌得當，不僅不會降低稻麥產量，還可以提高氮素利用率[57]。

3 小結

稻麥輪作是中國最重要的作物種植方式之一，優化稻麥輪作模式，減少對農業資源的浪費，提高稻麥產量，對維護中國的糧食安全有重要的意義。但是，當前中國稻麥生產的發展進入了瓶頸階段，如何在減少農業投入和農業生產對環境污染的同時，保證稻麥產量和品質是現代農業工作者面臨的重要問題。根據本研究所述內容，提出以下幾點建議。①改進耕作方式。以免耕少耕為主，在配合使用其他耕作方式的同時，開發新的耕作模式以及配套的機械設備，保證耕作方式的多樣性和高效性，保持土壤的生產力。②因時因地制宜，選擇合適的種植方式。根據當地的氣候條件和土壤狀況選擇合適的稻麥種植方式，必要時可以多種種植方式搭配使用，在種植作物的同時注意土壤肥力的保持和提高。③合理管水，改進灌溉方式。在稻麥生產中，灌水過多和過少都不利于稻麥高產，可以利用當前先進的信息技術以及灌溉設施，創新研究新型灌溉方式，在作物稻麥生產中適時適量供水，提高水資源的利用效率，擴大稻麥輪作的適種區域，保障中國糧食安全。④合理施肥，加快新型肥料的開發應用。不僅是在稻麥生產中，在所有農作物的生產過程中，氮肥施用量過多和過少都不利于作物產量的提高，還會對環境造成不利影響。因此，在稻麥生產過程中，要適量施用氮肥，將施肥與耕種方式、秸稈還田和水分管理相結合，注意有機氮肥和化學氮肥的搭配使用。另外，還要加快新型肥料的研究開發，降低新型肥料的生產成本，提高肥料利用率，在減少勞動投入的同時保持甚至提高土壤肥力，并減少對環境造成的污染，獲得更高的經濟效益和生態效益。

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