“稻-稻-四季豆”種植制度周年養分調控優化策略研究

藍華生，黃巧義，吳永沛，唐拴虎，黃 旭，黃建鳳，張 木，李 蘋，付弘婷

（1. 廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所，廣東 廣州 510610；2. 廣東省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部南方植物營養與肥料重點實驗室/廣東省養分資源循環利用與耕地保育重點實驗室，廣東 廣州 510640）

【研究意義】廣東省人均耕地面積少，耕地資源緊缺[1]；廣東省地處南亞熱帶，光照充足，水熱資源充沛，具備發展多熟種植的熱量潛勢[2]。目前，“稻-稻-菜”多熟種植制度在廣東省發展迅猛，覆蓋面積廣，但其化肥施用量遠高于傳統“稻-稻-休閑”種植制度[3]，一方面導致養分資源浪費，另一方面增加了農業面源污染風險[3-5]。因此，開展高效施肥技術研究是實現“稻-稻-菜”種植制度提質增效的關鍵措施。【前人研究進展】研究發現，“稻-稻-菜”種植制度下適當降低早稻季的化肥用量，有利于提高早稻籽粒產量、品質和效益[6]。同時，早、晚稻輪作后，可有效消解冬種蔬菜季殘余的養分，降低農業面源污染風險，提高肥料利用效率[4]。這表明通過對 “稻-稻-菜”種植制度下周年養分用量進行合理運籌，可實現化肥減量增效。張陽等[7]對“大豆-玉米”種植制度的氮磷用量進行合理的周年調控，即玉米季增氮減磷和大豆季減氮增磷并保持周年化肥用量不變，結果發現可顯著提高周年作物產量和養分利用效率。王興仁等[8]也以一個輪作周期作為施肥調控單位對“小麥-玉米”種植制度的氮磷鉀肥進行分配，可實現化肥減施、作物增產。【本研究切入點】目前廣東省“稻-稻-菜”種植制度的施肥管理方案仍然按照單獨作物進行管理，尚缺乏綜合不同作物的周年養分管理方案，以致化肥用量偏高、面源污染風險較大。【擬解決的關鍵問題】本研究在前期研究工作基礎上，以“稻-稻-四季豆”三熟種植體系為研究對象，設定不同的氮磷周年調控模式，并比較不同養分周年調控策略對作物產量、土壤養分含量和酶活性的影響，以期獲得“稻-稻-菜”三熟種植制度的較優施肥策略，為廣東省珠江三角洲“稻-稻-菜”三熟輪作制度合理施肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點位于廣東江門市臺山市都斛鎮南村（112°49′36″E、22°15′39″N），年平均氣溫22.3℃，年平均日照2 006 h，年平均降水量3 500.5 mm以上，無霜期360 d。試驗開始于2015年4月，結束于2017年4月。

供試土壤為砂壤土，試驗前0～20 cm土層的基本理化性質為：pH 5.71，有機質 18.50 g/kg，堿解氮 116.2 mg/kg，有效磷 26.2 mg/kg，速效鉀40.1 mg/kg。

供試作物早稻品種為常規稻品種黃絲占，晚稻水稻品種為新寧絲苗。每年早稻于4月下旬至5月上旬移栽，7月中下旬收獲，全生育期約83 d；晚稻于8月上中旬移栽，11月上旬收獲，全生育期約93 d；冬種蔬菜為四季豆，品種為泰優15號玉豆（由泰國引進，茂名南方良種蔬菜公司選育）。四季豆于12月中旬播種，1月中旬上架，2月下旬開花，3月下旬開始收獲第一批豆，4月底全部收獲，全生育期125 d，全年作物覆蓋天數約301 d。

1.2 試驗方法

試驗采用田間小區方式進行，共設3種不同的周年養分調控策略：

（1）CK，常規施肥處理。每季作物的化肥用量均按照常規用量水平，早、晚稻的化肥投入量為N 150 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 130 kg/hm2，四季豆的化肥投入量均為N 180 kg/hm2、P2O570 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2。

（2）LNP，基于土壤-作物周年養分綜合管理技術的減氮減磷模式。根據珠江三角洲“稻-稻-菜”三熟種植制度下冬種蔬菜季化肥施用量偏高、土壤殘留養分含量較高的現象，將早稻的氮、磷用量降低20%，周年化學氮肥減量6.25%、磷肥減量5.62%。

（3）OLNP，基于冬種蔬菜季化肥投入量較大、土壤盈余量大的現狀而采取的周年減氮減磷模式。早稻氮用量降低10%，晚稻磷用量降低10%，冬種蔬菜的氮、磷用量降低10%，周年化學氮肥減量6.87%、磷肥減量7.19%。

早、晚稻采用“新農科”牌水稻控釋肥（23∶7∶20），在水稻移栽前全部基施。其中CK早稻和晚稻施用水稻控釋肥652 kg/hm2；LNP處理早稻施用水稻控釋肥521 kg/hm2和氯化鉀肥料43 kg/hm2，晚稻施用水稻控釋肥652 kg/hm2；OLNP處理早稻施用水稻控釋肥587 kg/hm2、過磷酸鈣37 kg/hm2和氯化鉀肥料22 kg/hm2，晚稻施用水稻控釋肥578 kg/hm2、尿素33 kg/hm2和氯化鉀肥料22 kg/hm2。冬種蔬菜采用18∶7∶15復合肥進行施用，基肥施用10%，移栽15、25、35 d后各追施30%。其中CK和LNP處理復合肥施用總量為1 000 kg/hm2，OLNP處理復合肥施用總量為900 kg/hm2和氯化鉀肥料25 kg/hm2。

每個處理4次重復，田間隨機區組排列，小區面積4.84 m×6.95 m。小區間筑埂后用塑料薄膜包覆隔離，實行單獨排灌，防止水肥滲透。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 水稻和四季豆產量 早稻和晚稻成熟期，各小區單獨收獲、測產。四季豆收成季節每小區單獨收獲、稱重，記錄四季豆產量。

1.3.2 水稻產量構成因素 2016年早稻和晚稻水稻收獲前，每小區取樣5株進行室內考種，包括有效穗數、實粒數、結實率、千粒重。

1.3.3 作物養分含量 于2016年早稻、晚稻和2017年四季豆獲時，每個小區隨機采集2株長勢均勻的植株樣品，將各處理的莖葉、穗部和四季豆豆莢樣品在105 ℃下殺青30 min，隨后在75 ℃下烘至恒重，計算干物質量，粉碎后過0.5 mm 篩，采用H2SO4-H2O2消煮后，采用凱氏定氮法測定全氮含量、鉬銻抗比色法測定全磷含量、火焰光度法測定全鉀含量。

1.3.4 土壤理化性狀 田間試驗開始前采集0～20 cm耕層土樣作為基礎土樣，用于測定pH和有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。于2016年早稻、晚稻和2017年四季豆獲時，采集每個小區代表性土壤樣品。土壤樣品經風干過篩后，采用常規土壤農化分析方法[9]進行理化分析，其中土壤pH（水土比為2.5∶1）用酸度計電位法、有機質用重鉻酸鉀容量法、土壤堿解氮用堿解擴散法、有效磷用Olsen 法、速效鉀用醋酸銨浸提-火焰光度法測定。

1.3.5 土壤酶活性 于2016年早稻、晚稻和2017年四季豆獲時，采集每個小區代表性土壤樣品，并4℃冷藏保存。土壤過氧化氫酶、脫氫酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶過氧化氫酶的活性分別采用高錳酸鉀滴定法、TTC還原法、3，5-二硝基水楊酸比色法、靛酚藍比色法和磷酸苯二鈉比色法進行測定，β-1,4-葡萄糖苷酶采用熒光微型板酶檢測方法[10]測定。

試驗數據采用Excel 2007 進行處理，采用R軟件的Agricolae包進行統計分析，多重比較采用LSD-test法，采用R軟件的Ggplot2包進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同養分調控策略的作物產量

由表1可知，與CK相比，LNP和OLNP處理的早稻、晚稻和四季豆產量沒有顯著降低，表明適當降低冬種四季豆和早稻的氮磷用量對單季作物產量沒有顯著影響。從周年產量結果來看，LNP處理最高，兩年的周年作物產量較CK提高4.83%；OLNP處理相對較低，較CK降低0.78%，沒有顯著差異。

不同養分調控措施對“稻-稻-菜”三熟輪作體系的作物生物量影響與產量基本一致（表2）。LNP和OLNP處理的早稻、晚稻和四季豆生物量與CK基本一致，沒有顯著差異。從周年結果來看，LNP處理累積的周年生物量最大，較CK提高1.15%；OLNP處理的周年生物量稍低于CK，但降幅僅0.41%，影響甚微。

表1 養分調控策略對“稻-稻-菜”三熟種植體系作物產量的影響Table 1 Effects of different nutrient regulation strategies on the crop yields under rice-rice-vegetable rotation system

2.2 不同養分調控策略的水稻產量構成因素

不同營養調控措施對“稻-稻-菜”三熟種植體系下早稻和晚稻產量構成因素的影響見表3。總體上，CK的早稻有效穗數最高，其次是OLNP，LNP處理的有效穗數最低；不同營養調控措施對晚稻有效穗數的影響沒有規律性的變化特征。不同處理的早稻和晚稻實粒數基本一致。LNP和OLNP處理的早稻結實率均高于CK，達到82%以上；而晚稻不同處理的結實率沒有明顯變化。早稻期間，CK的千粒重稍微大一點，晚稻期間不同處理的千粒重基本相似。由此可見，在“稻-稻-菜”三熟種植體系下，早稻減氮減磷處理對早稻產量構成因素沒有顯著影響，可能會降低早稻的有效穗數和千粒重，而其結實率相對較高；晚稻減磷處理對晚稻產量構成因素沒有顯著影響，其有效穗數、實粒數、結實率和千粒重與常規施肥處理基本一致。

2.3 不同養分調控策略對作物氮、磷、鉀養分含量的影響

OLNP的冬種蔬菜氮含量稍低于CK和LNP處理，但差異不顯著（圖1）。LNP處理的早稻秸稈和籽粒氮含量均低于CK和OLNP 處理，尤其是秸稈氮含量降幅較大，但差異不顯著。OLNP處理的早稻秸稈和籽粒氮含量也稍低于CK，差異也不顯著。不同養分調控措施間晚稻秸稈和籽粒氮含量基本一致。

表2 養分調控策略對“稻-稻-菜”三熟種植體系作物生物量的影響Table 2 Effects of different nutrient regulation strategies on the biomass of crops under rice-rice-vegetable rotation system

表2 養分調控策略對“稻-稻-菜”三熟種植體系作物產量構成因素的影響Table 2 Effects of different nutrient regulation strategies on the crops yield components under rice-rice-vegetable rotation system

圖1 不同養分調控策略對“稻-稻-菜”三熟種植體系作物氮含量的影響Fig. 1 Effects of different nutrient regulation strategies on N content of crops under rice-rice-vegetable rotation system

不同養分調控措施對“稻-稻-菜”三熟種植體系下作物磷含量的影響見圖2。從圖2可以看出，OLNP處理冬種蔬菜磷含量低于CK和LNP處理，但差異不顯著。LNP處理的早稻秸稈和籽粒磷含量均低于CK，籽粒磷含量的差異相對小于秸稈磷含量，但差異均不顯著。OLNP處理的早稻秸稈和籽粒磷含量與CK基本相同。

圖2 不同養分調控策略對“稻-稻-菜”三熟種植體系作物磷含量的影響Fig. 2 Effects of different nutrient regulation strategies on P content of crops under rice-rice-vegetable rotation system

由圖3可知，OLNP處理的冬種蔬菜鉀含量稍高于CK，但差異不顯著；LNP處理的早稻秸稈和籽粒鉀含量也稍高于CK，但差異不顯著；OLNP處理的早稻秸稈和籽粒鉀含量與CK基本一致。不同處理的晚稻秸稈和籽粒鉀含量沒有規律性的變化趨勢。

圖3 不同養分調控策略對“稻-稻-菜”三熟種植體系作物鉀含量的影響Fig. 3 Effects of different nutrient regulation strategies on K content of crops under rice-rice-vegetable rotation system

2.4 不同養分調控策略對土壤氮、磷、鉀含量的影響

從表4可以看出，冬種蔬菜季的土壤速效氮、磷、鉀養分含量顯著高于早稻季和晚稻季。與CK相比，OLNP處理可有效降低蔬菜季的土壤堿解氮和有效磷含量，其降幅分別可達到6.10%和9.84%。LNP處理的早稻季土壤堿解氮含量顯著低于CK，其降幅達16.75%；LNP處理的早稻季土壤有效磷含量也低于CK，降幅為7.93%，但差異不顯著；OLNP處理的早稻季土壤堿解氮含量也低于CK，為8.99%，但差異不顯著。晚稻減磷措施（OLNP處理）和常規施肥處理（CK）沒有差異。不同養分調控措施對土壤速效鉀含量沒有顯著影響。

2.5 不同養分調控策略對土壤胞外酶活性的影響

“稻-稻-菜”三熟種植制度下，不同養分調控措施的土壤6種胞外酶活性測定結果表明，除脫氫酶活性外，其他胞外酶活性受生長季節的影響極顯著，不同養分調控措施僅對蔗糖酶活性有顯著影響（表5）。OLNP處理的冬種蔬菜季土壤脲酶活性低于CK，且LNP處理的早稻季土壤脲酶活性也較CK有所降低，但降幅不顯著，表明減氮措施對土壤脲酶活性有一定的不利影響，但影響不顯著。無論是冬種蔬菜季、早稻季還是晚稻季，不同營養調控策略的土壤酸性磷酸酶活性均沒有差異，表明通過適當的減磷措施對土壤酸性磷酸酶活性沒有顯著影響。LNP和OLNP處理的早稻季土壤蔗糖酶活性均高于CK，其中LNP處理的增幅達到顯著水平，表明適當的減氮措施有利于提高土壤蔗糖酶活性。但是，無論是冬種蔬菜季、早稻季還是晚稻季，不同營養調控措施的土壤β-葡糖苷酶活性均沒有差異，且無明顯變化趨勢。不同營養調控措施下土壤過氧化氫酶和脫氫酶活性也沒有顯著差異。

3 討論

前期調查發現，“稻-稻-菜”三熟輪作區域的土壤氮磷養分含量遠高于“稻-稻-休閑”兩熟種植區域（未發表資料）。蔬菜根系系統較小，養分吸收能力相對較弱，為實現高產栽培，需較高的土壤養分濃度。因此，蔬菜種植過程中的氮、磷肥用量遠高于大田作物，導致土壤氮磷養分盈余現象普遍[11]。研究表明，蔬菜地土壤全氮、堿解氮、有效磷含量均顯著高于稻麥田，并導致土壤pH值降低[12]。本研究結果也表明，冬種蔬菜季的土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量較早稻季和晚稻季提高18.7%和30.8%、12.5%和16.1%、42.5%和122.0%。王強等[11]對稻-菜輪作體系土壤養分調查結果也表明，蔬菜季的耕層土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量較水稻季提高22%、30%和182%以上。章明清等[4]分析稻-菜輪作體系的土壤氮磷養分富集狀況，表明蔬菜季的土壤硝態氮和總磷含量均高于水稻季。由此可見，蔬菜季土壤氮、磷養分累積是導致“稻-稻-四季豆”三熟種植體系土壤養分含量較高的主要影響因素。該結果與本研究中養分周年調控策略的設想前提基本一致。

表4 不同養分調控策略對土壤速效氮、磷、鉀含量的影響Table 4 Effects of different nutrient regulation strategies on soil available nutrient contents

表5 不同養分調控策略對“稻-稻-菜”三熟種植體系土壤胞外酶活性的影響Table 5 Effects of different nutrient regulation strategies on soil enzyme activities under rice-rice-vegetable rotation system

本研究常規施肥處理中，四季豆的氮、磷、鉀用量水平為N180kg/hm2、P2O570 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，在廣東省蔬菜推薦施肥用量水平內[20]；早、晚稻的氮、磷、鉀用量為N 150 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、 K2O 130 kg/hm2，也為廣東省水稻推薦用量配方和用量[21]。本研究比較了早稻減氮磷LNP和蔬菜減氮磷+早稻減氮+晚稻減磷OLNP兩種周年養分調控策略對“稻-稻-四季豆”三熟種植制度產量的影響，結果表明LNP和OLNP處理的單季作物產量較常規施肥處理沒有出現顯著減產，反而LNP處理的周年總產量還稍高于常規施肥處理。減肥措施對早稻的有效分蘗數有一定影響，但有助于提高結實率。李小波等[6]在“稻-稻-薯”三熟種植模式下，早稻化肥減施20%對水稻產量沒有顯著影響，當化肥減施40%時產量顯著降低。李娟等[22]在稻-菜輪作體系中，水稻季采用不施肥的極端減肥措施，水稻產量反而高于常規施肥處理，這可能與蔬菜季積累的氮磷鉀養分含量相對較高有關[4]。王強等[11]在稻-菜輪作體系中，盡管蔬菜季的土壤堿解氮含量高達200 mg/kg，水稻季不施氮處理的籽粒產量仍顯著低于常規施肥處理。本研究結果表明，OLNP處理對四季豆的氮磷含量沒有顯著影響，但四季豆出現一定的減產趨勢。已有研究結果也表明，蔬菜對氮、磷養分濃度比較敏感，隨著養分用量的降低，其產量常出現一定的下降趨勢[11]。由此可見，LNP處理降低了氮磷用量，單季作物產量與常規施肥處理基本持平，產量相對穩健；而OLNP處理的四季豆存在一定的減產風險。

本研究常規施肥處理的施肥量采用推薦施肥用量水平，但從土壤理化性狀測試結果來看，冬種四季豆期間的土壤堿解氮和有效磷含量高達145.71 mg/kg和50.77 mg/kg，早稻季的土壤堿解氮和有效磷含量也仍高達131.32 mg/kg和45.45 mg/kg，晚稻季的土壤堿解氮含量大幅回落，表明冬種蔬菜季和早稻季的土壤養分流失風險較大。郭智等[3]通過降低氮磷肥的用量水平，也能有效降低土壤養分盈余量。李娟等[13]在稻菜輪作模式下采用經濟施肥措施（降低蔬菜季的氮、磷用量），可顯著降低土壤磷素的盈余量，同時氮素還出現一定的虧缺。本研究結果也表明，OLNP 處理的冬種蔬菜季土壤有效磷含量顯著降低，堿解氮含量有所降低，但差異不顯著。已有研究表明，稻-菜輪作體系中，水稻輪作后能有效降低耕層土壤氮、磷養分含量，但其含量仍較高，且氮、磷養分還會隨水向下遷移，污染地下水[11,13-14]。本試驗中LNP處理降低了早稻季的氮磷用量，土壤堿解氮和有效磷含量均有了一定降低，從而降低氮、磷流失風險。由此可見，LNP處理可以顯著降低早稻季的土壤堿解氮含量，OLNP處理可以顯著降低冬種蔬菜季的土壤有效磷含量，降低了農田氮磷流失風險。

不同作物輪作可提高土壤微生物豐度和多樣性，同時也有利于提高土壤胞外酶活性[15-16]。土壤過氧化氫酶和脫氫酶是土壤中關鍵的氧化還原酶，反映土壤微生物新陳代謝的整體活性，減輕過氧化物對作物根系的影響[17]。本研究結果表明，不同養分周年調控策略對土壤過氧化氫酶和脫氫酶活性沒有顯著影響，但是冬種蔬菜季減氮減磷措施和早稻季減氮措施對當季的土壤過氧化氫酶活性有一定的提高效果。蔗糖酶和β-葡糖苷酶是參與土壤碳循環的關鍵酶[18]。本研究結果表明，“稻-稻-菜”三熟輪作體系中，土壤的蔗糖酶和β-葡糖苷酶除了受生長季節的顯著影響外，也受周年養分調控措施的影響。其中，早稻季減氮減磷措施顯著提高了土壤蔗糖酶的活性，在冬種蔬菜季，LNP和OLNP處理的土壤β-葡糖苷酶也較CK有所提高。脲酶和酸性磷酸酶是影響氮、磷營養元素循環的關鍵酶[18]，減氮和減磷措施對脲酶和酸性磷酸酶有一定的降低影響，但差異不顯著。曲成闖等[19]研究結果也表明，土壤養分含量會影響土壤養分轉化酶的活性。由此可見，LNP和OLNP兩種養分周年調控策略對土壤碳循環轉化酶有一定的提高效果，但其氮磷養分轉化關鍵酶活性相對較低。

4 結論

本試驗結果表明，LNP處理周年氮肥和磷肥減施了6.25%和5.62%，而早稻、晚稻和四季豆產量均沒有顯著減產，且可有效降低早稻季的土壤速效氮含量，減少養分流失風險，同時還有助于提高土壤蔗糖酶活性。處理周年氮肥和磷肥減施了6.87%%和7.19%，可有效降低冬種蔬菜季土壤有效磷含量，且對作物產量沒有顯著影響。綜合來看，LNP處理的周年養分調控策略相對更優，降低了周年養分投入量，減少養分流失風險，且能保證作物產量。