太湖地區不同輪作模式對土壤肥力和水稻產量的影響

陳鑫 劉勤 張剛

摘要： 為研究太湖流域長期不同輪作方式和施氮水平對稻田土壤肥力指標、水稻產量的影響，設置了輪作方式（休閑-水稻、小麥-水稻、紫云英-水稻、蠶豆-水稻）和施氮水平（0 kg/hm2、120 kg/hm2、180 kg/hm2、240 kg/hm2、300 kg/hm2）2因素。結果表明，與冬季休閑模式相比，綠肥作物輪作模式穩定了土壤pH，提高了土壤含水量和水穩性微團聚體含量，提高了土壤養分含量和微生物生物量氮含量;同時，施肥水平影響了土壤肥力水平，與綠肥作物輪作不施氮相比，適量施氮（120～240 kg/hm2）優化了土壤物理結構，促使養分含量提升，提高了微生物生物量氮含量。進行周年綠肥作物輪作后水稻產量獲得一定提升，且在施氮量為120～180 kg/hm2時水稻產量較高。綜上所述，綠肥作物輪作模式有效提高了土壤肥力，降低了最佳施氮量，并使水稻產量顯著增加。為兼顧養分利用水平、土壤肥力及環境效益、經濟效益，推薦將綠肥作物-水稻輪作模式下稻季施氮量降低至120 kg/hm2左右。

關鍵詞： 水旱輪作;綠肥;施氮水平;土壤肥力;水稻產量

中圖分類號： S511.047?? 文獻標識碼： A?? 文章編號： 1000-4440（2021）04-0874-10

Effects of different crop rotation modes on soil fertility and rice yield in Taihu Region

CHEN Xin1，2，3， LIU Qin1，3， ZHANG Gang1，3

（1.Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008， China;2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049， China;3.Changshu Agroecological Experimental Station， Chinese Academy of Sciences， Suzhou 215555， China）

Abstract： To study the effects of long-term different crop rotations and nitrogen application levels on soil fertility indices and rice yield in Taihu basin， two factors of crop rotation （winter fallow-rice rotation， winter wheat-rice rotation， Chinese milk vetch-rice rotation and broad bean-rice rotation） and nitrogen application level（0 kg/hm2， 120 kg/hm2， 180 kg/hm2， 240 kg/hm2， 300 kg/hm2）were settled. The results showed that， compared with winter fallow mode， green manure crop rotation mode could maintain soil pH， increase soil moisture and improve soil water-stable microaggregates content， while contents of soil nutrients and soil microbial biomass nitrogen was also improved. Meanwhile， soil fertility level was influenced by fertilization level， and compared with green manure crop rotation without nitrogen fertilizer， appropriate application of nitrogen fertilizer （120-240 kg/hm2） improved soil physical structure， thus promoted contents of nutrients and microbial biomass nitrogen. Compared with winter fallow mode， rice yield increased under the mode of successive green manure crop rotations， and rice yield was high under 120-180 kg/hm2 nitrogen applications. In summary， green manure crop rotation mode effectively improved soil fertility， decreased the appropriate nitrogen application and significantly increased rice yield. In consideration of balancing nutrient utilization level， soil fertility， environmental benefits and economic benefits， it is recommended to reduce nitrogen application in paddy fields to 120 kg/hm2 under green manure crop-rice rotation mode.

Key words： upland crop-rice rotation;green manure;nitrogen application level;soil fertility;rice yield

太湖地區是中國重要的稻米產區，為保持高產，區域內化肥用量高達300～350 kg/hm2，遠超當地推薦施肥量。過量施肥不僅導致化肥利用率降低、土壤肥力下降等問題[1]，同時還造成嚴重的農業面源污染。夏水稻-冬小麥是該地區一種主要的耕作模式，但是由于勞動力成本高、小麥產量及質量均不高，且麥季養分淋失嚴重[2]等問題，冬季農田閑置也較為常見。近年來，中國多地按照國家戰略部署，積極探索耕地輪作休耕制度。科學合理的輪作休耕模式與方法對于中國農業未來發展具有重要意義[3]。太湖地區冬季種植綠肥作物[4]，進行稻前還田，達到“以田養田”“以地養地”，對提高稻田土壤肥力、保持水稻高產穩產、環境友好具有重要作用[5-7]。

研究發現，綠肥作物輪作還田對提高土壤有機質、易氧化有機碳、腐殖酸、全氮、堿解氮及磷鉀含量均有著重要作用[8-9]，從而總體上提高了土壤肥力水平。此外，豆科綠肥可以通過固定大氣中的氮氣以減少施氮量，從而降低土壤氮素損失[5，10-12]，通過提供有機質和微量元素平衡土壤的養分供應，并通過改變酶活性提高N、P、S等元素的有效性，通過控制礦化過程使水稻-綠肥作物輪作模式下土壤微生物多樣性和豐度獲得提高[13]，提高作物養分吸收水平[11，14-16]，增加作物產量[17]，同時控制雜草[18]。目前，基于雙季稻區綠肥作物輪作模式的培肥、增產效果已有研究報道。而太湖地區水旱輪作下長期休耕輪作、種植綠肥及不同施氮水平對稻田土壤肥力、水稻產量影響的研究報道較少。本研究利用已運行11年的長期定位試驗，研究長期休耕輪作、種植綠肥作物、稻季補充氮肥對稻田土壤肥力及水稻產量的影響，研究結果對制定科學休耕輪作技術模式、實現農業可持續發展具有重要指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設計

長期試驗點位于常熟農田生態系統國家野外科學觀測研究站內（123°38′ E，31°33′ N），始于2008年6月。供試土壤為湖相沉積物發育的烏柵土，土壤本底（2008年）理化性質如下：pH 7.6，有機質含量38.20 g/kg，全氮含量2.17 g/kg，全磷含量0.82 g/kg，速效磷含量13.10 mg/kg，速效鉀含量174.00 mg/kg。供試水稻為南粳46。設置輪作方式（休閑-水稻、小麥-水稻、紫云英-水稻、蠶豆-水稻）和施氮水平（0 kg/hm2、120 kg/hm2、180 kg/hm2、240 kg/hm2、300 kg/hm2）2因素。施肥和輪作方案見表1。

試驗用肥料為尿素（46.0% N）、氯化鉀（49.8% K2O）、普鈣（5.24% P2O5）。紫云英-水稻、蠶豆-水稻輪作下稻前綠肥全量還田。袁嫚嫚等[5]研究發現，紫云英和蠶豆還田分別提供氮素32.8 kg/hm2及68.8 kg/hm2 。小麥-水稻輪作模式下小麥根茬還田。每個處理設3個重復，小區面積為25.76 m2，隨機排列。

1.2 試驗樣品采集與測定

2019年11月3日水稻收獲后分別采集表層土壤（0～10 cm）和亞層土壤（10～20 cm）樣品，同一小區采集8個點，并將土壤樣品充分混合，去除植株根系以及小石礫后裝入自封袋，一部分立即帶回實驗室過20目篩后測定速效養分含量，一部分風干后分別過20目、100目篩后用于土壤理化性質測定。水稻產量通過全小區籽粒風干質量計算。

土壤含水量采用烘干法測定，土壤水穩性團聚體含量采用濕篩法分離（篩孔孔徑分別為0.053 mm、0.250 mm、0.500 mm、1.000 mm、2.000 mm），pH采用電極法測定，使用Metter Toledo FiveGo3（水土質量比為2.5∶1.0），土壤有機質（SOM）含量采用重鉻酸鉀氧化法測定，全氮（TN）含量采用半微量凱式法測定，堿解氮含量采用堿液擴散法測定，銨態氮、硝態氮用2 mol/L KCl浸提后分別以靛酚藍比色法和220 nm/275 nm分光光度法測定，全磷（TP）含量使用酸溶-鉬銻抗比色法測定，有效磷（AP）含量采用Olsen法測定，速效鉀（AK）含量采用火焰光度法測定。具體參照《農業化學分析方法》[19]。平均質量直徑（MWD）按照下列公式進行計算：

MWD=∑ni=1wi×di

式中，wi代表粒徑范圍內團聚體平均直徑（0.053 mm篩以0.053 mm計，2 mm篩以2 mm計），di 代表相應粒徑范圍團聚體質量占風干土壤總質量的比例（%）。

土壤微生物生物量氮（SMBN）采用三氯甲烷熏蒸-浸提法測定[20]，土壤微生物生物量氮轉化系數為0.45。SMBN含量采用以下公式計算：SMBN含量=（熏蒸土壤微生物生物量氮-未熏蒸土壤微生物生物量氮）/0.45。

1.3 數據處理及分析

采用Microsoft Excel 2016及RStudio Version 1.2.5033軟件對數據進行分析和處理，采用SPSS 21.0進行方差分析（ANOVA）及差異顯著性檢驗（Duncans法，α=0.05）。采用Origin 2017（OriginLab Corporation）及RStudio Version 1.2.5033進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同輪作方式及施氮量對土壤含水量和不同粒徑團聚體的影響

如表2所示，與冬季休閑處理相比，紫云英輪作模式顯著提高了土壤含水量（P<0.05），紫云英（C240）、蠶豆輪作模式（B240）使土壤表層含水量分別提高12.9%、 5.8%，不同輪作方式對土壤亞層含水量未見顯著作用。紫云英、蠶豆輪作下不同施氮水平對土壤含水量影響不明顯。不同輪作模式、施氮水平對土壤平均質量直徑未見顯著作用。

土壤各粒徑團聚體含量如圖1、圖2所示，與冬季休閑相比，紫云英輪作使水穩性大團聚體（粒徑>0.250 mm）含量降低4.0%～24.8%，使水穩性微團聚體（粒徑范圍為0.053～0.250 mm）含量提高12.3%～23.1%;蠶豆輪作使水穩性大團聚體含量降低28.0%～31.3%，使水穩性微團聚體（粒徑范圍為0.053～0.250 mm）含量提高11.3%～20.9%;稻麥輪作下表層土壤微團聚體含量增加37.6%，亞層土壤大團聚體含量增加15.4%。在紫云英輪作下，與輪作不施氮處理相比，施氮促使土壤水穩性團聚體含量增加;在蠶豆輪作下，施氮量為0～180 kg/hm2時土壤水穩性團聚體含量較高。

2.2 不同輪作方式及施氮量對土壤pH和養分含量的影響

如表3所示，與冬季休閑相比，稻麥輪作處理表層土壤pH顯著降低（P<0.05），而紫云英輪作（C240）和蠶豆輪作（B240）將土壤表層pH分別提高了0.4和0.2;不同輪作方式對土壤亞層pH沒有顯著影響。紫云英輪作下施氮量為300 kg/hm2時亞層土壤pH顯著（P<0.05）低于施氮量為0～240 kg/hm2的處理，蠶豆輪作下施氮量為180 kg/hm2時pH明顯低于其他施氮量處理。

在各輪作處理、施氮水平間SOM含量未見顯著差異，但與冬季休閑相比，不同施氮量下紫云英輪作使2個土層SOM含量提高1.2%～20.8%，蠶豆輪作使SOM含量提高0～14.5%，稻麥輪作下SOM含量基本與冬季休閑相等（表3）。

由表3可以看出，與冬季休閑相比，多元化輪作方式顯著提高了稻田土壤TP含量，紫云英輪作、蠶豆輪作、稻麥輪作分別使2個土層土壤TP含量提高5.3%～7.5%、10.7%～13.8%和 6.7%～11.3%。稻麥輪作下稻田表層土壤AP含量明顯高于其他處理（P<0.05），紫云英輪作下表層土壤AP含量相對較低。與冬季休閑相比，蠶豆輪作、稻麥輪作模式使AK含量分別提高了4.3%～16.8%、7.4%～45.8%，而紫云英輪作模式對AK含量未見明顯作用。其中，稻麥輪作模式下AP、AK含量整體較高，這主要是由于周年麥季施入磷鉀肥引致的有效養分含量提升。

綠肥作物輪作并配施適量氮肥對土壤養分維持和提高具有非常重要的作用。在紫云英輪作下，施氮水平未顯著影響TP含量，而在施氮量為180 kg/hm2時，表層土壤AP含量明顯高于其他處理，施氮量為120～240 kg/hm2時AK含量明顯降低（P<0.05）。蠶豆輪作下，B240、B300處理顯著提高了TP含量（P<0.05），提高了10.7%～12.7%;施氮量為240～300 kg/hm2時AP含量顯著提高（P<0.05），施氮量為180～240 kg/hm2時AK含量較低（P<0.05）（表3）。

2.3 不同輪作方式及施氮量對土壤氮組分及含量的影響

如表4所示，紫云英及蠶豆輪作整體上顯著提高了土壤TN和亞層土壤AN含量（P<0.05）。與冬季休閑相比，紫云英輪作（C240）使土壤TN、AN含量分別提高了18.3%～21.0%、6.3%～25.5%，蠶豆輪作（B240）下TN、AN含量分別提高了15.7%～29.2%、7.9%～12.7%，稻麥輪作處理對土壤TN、AN未見顯著作用。同時，紫云英及蠶豆輪作模式降低了土壤礦質氮含量（圖3和圖4）。

由表4所示，與C0、B0處理相比，化肥氮施入總體上提高了土壤氮素水平，各輪作處理土壤TN及AN含量均在施氮量為240 kg/hm2時最高，與0～240 kg/hm2施氮處理相比，施氮量為300 kg/hm2時土壤氮素含量降低。同時，施氮顯著降低（P<0.05）了紫云英輪作下表層土壤礦質氮和銨態氮含量（圖3）。蠶豆輪作下亞層土壤礦質氮和銨態氮含量在施氮量為300 kg/hm2時最高（P<0.05）（圖4）。

2.4 不同輪作方式及施氮量對土壤微生物生物量氮（SMBN）含量的影響

綠肥輪作還田模式影響了稻田土壤氮素營養過程[21]，進而改變了土壤微生物生物量氮含量。不同輪作方式及施氮水平下SMBN含量如表5所示，與冬季休閑處理相比，紫云英輪作下表層土壤SMBN含量提高了54.7%（P<0.05），蠶豆輪作下SMBN含量提高了39.7%～50.4%（P<0.05），稻麥輪作下SMBN含量提高了10.2%～26.5%。

紫云英輪作下，施肥量為0～240 kg/hm2時表層土壤SMBN含量明顯高于C300處理，施氮量為0～180 kg/hm2時亞層土壤SMBN含量明顯高于C240、C300處理。蠶豆輪作下，表層土壤B120處理SMBN含量最高，亞層土壤B240處理SMBN含量最高。

2.5 主成分分析（PCA）評估不同輪作方式和施肥處理土壤肥力水平

對各處理土壤物理、化學、生物性質進行主成分分析（圖5），第1軸、第2軸分別解釋24.6%和14.5%變異，其中SOM、SMBN、TN、TP、含水量、粉砂粒含量（<0.053 mm）以及大團聚體（>0.25 mm）含量是第1軸的主要因子，微團聚體（0.053～0.25 mm）、TP、粉砂粒（<0.053 mm）含量及土壤pH是第2軸的主要因子，其中TP含量、粉砂粒含量對第1、2軸均有較高解釋。

以特征值大于1的成分提取為主成分，以6個主成分（累積方差貢獻為79.1%）作為綜合變量對土壤肥力進行評價。以不同處理土壤累積得分進行排序，結果如表6所示，種植綠肥作物明顯提高了土壤肥力水平，紫云英輪作下肥力排序為C240>C120>C0，蠶豆輪作下肥力排序為B240>B0>B300。

2.6 不同輪作方式和施氮水平對水稻產量的影響

分別選擇輪作1年、6年及11年共計3年的水稻產量數據，分析輪作方式和施氮水平對水稻產量的影響（表7）。可以看出，周年輪作下種植綠肥作物均提高了水稻產量，經過11年輪作后，C240和B240處理下水稻分別增產20.6%及15.5%。隨著綠肥作物輪作年限增加，相對增產率（各處理平均產量與冬季休閑處理產量的比值）提高，其中紫云英輪作下增產效率更高。

由表7還可以看出，與C0、B0處理相比，施氮明顯提高了水稻產量（P<0.05）。經過多年輪作后，CR和BR輪作模式下施氮量為120～180 kg/hm2時水稻產量增產率較高，施氮量為240 kg/hm2時相對增產率分別為65.0%及34.8%。施氮量為120～180 kg/hm2時配合綠肥作物還田處理具有較高的生產效率，施氮量低于前人報道的太湖地區推薦施氮量（205～240 kg/hm2）[2，22]。

3 討論

太湖地區為保證高產，大量使用化肥，然而過量施氮造成氮肥利用率降低、水稻品質降低[23]，不利于土壤肥力提高和產量提升，同時也引起了一系列的環境問題。采取多元化的輪作手段可以減少化肥氮的用量，提高土壤肥力[10，21]、提高作物氮吸收水平和作物品質[23-25]。休耕輪作、種植綠肥能提高土壤含水量、土壤養分含量[7，9，25-26]，提高土壤微生物生物量氮含量，并最終提高土壤供氮能力[21-23，26-27]和水稻產量。

土壤含水量和團聚體組成是土壤物理性質的重要指標。與冬季輪作相比，綠肥作物輪作在一定程度上降低了土壤平均質量直徑。同時，綠肥作物輪作下水穩性大團聚體含量降低，水穩性微團聚體含量升高，并最終導致土壤含水量提高。這主要是由于綠肥作物輪作為土壤提供了有機質，優化了土壤結構，促使土壤微團聚體含量提升，提高了土壤保水保肥能力[28]。

土壤pH及有機質、氮、磷、鉀含量等是主要土壤肥力指標，影響作物生長、養分循環與微生物過程。研究結果表明，與冬季休閑及稻麥輪作模式相比，綠肥作物輪作增加了土壤有機物含量，在有機物分解過程中產生許多具有酸性功能基團的弱酸，通過酸基解離和氨基質子化維持了土壤酸堿平衡和土壤pH穩定[29]。綠肥作物輪作緩解了高氮投入下的土壤酸化風險[30]。此外，綠肥作物輪作提高了土壤有機質含量。綠肥作物能固定大氣中的氮氣，還田后可提高土壤氮容量[21]。在本試驗中，與冬季休閑相比，綠肥作物輪作下土壤全氮及堿解氮含量均明顯提高，但在高氮施入下，氮素礦化、淋溶損失增強，不利于土壤氮庫維持與穩定，使土壤供氮能力降低，綠肥作物輪作具有降低養分淋溶風險[11-12，31]的能力。土壤磷、鉀是土壤養分的重要部分，也是作物生長的重要條件。與冬季休閑相比，綠肥作物輪作下土壤磷鉀含量獲得明顯提升，且隨著施氮量增加有效磷和速效鉀含量增加，這是由于綠肥施入及稻季施氮量增加促使有機磷向無機磷轉化，并通過腐殖質包裹，降低了土壤吸附磷含量[32] ，最終提高了磷的有效性。但是高氮施入不利于作物養分吸收，與施入180 kg/hm2氮肥相比，在稻季補充高量氮時水稻拔節期和抽穗期磷吸收能力降低，磷素吸收減緩，土壤全磷含量增加[33]。

SMBN是反映土壤微生物生物量大小的重要指標，是土壤有機氮中最活躍的部分[21，34-37]，其含量受施肥水平、輪作方式等多因素影響。SMBN含量改變的本質是土壤氮素和氮循環過程的變化。綠肥作物輪作模式提高了水稻收獲季SMBN，這是由于綠肥具有較高的碳氮比，還田后促進了土壤微生物氮循環過程，誘導了微生物氮固定，提高了SMBN[21]。亞層土壤下蠶豆輪作模式顯著提高了SMBN，而紫云英輪作模式下SMBN含量與冬季休閑處理無顯著差異，這是由于紫云英根系較淺，主要影響表層土壤。施氮水平影響了SMBN含量，綠肥作物輪作下施氮量為120 kg/hm2時的SMBN含量均比較高，土壤氮供應和微生物周轉速度快。

通過主成分分析對土壤肥力進行綜合評價，結果表明，土壤綜合肥力排序為紫云英輪作>蠶豆輪作>稻麥輪作>冬季休閑，且綠肥作物輪作在施氮量為120～240 kg/hm2時綜合肥力較高。

輪作1年、6年及11年后的水稻產量變化說明綠肥作物輪作提高了水稻產量，這是由于綠肥作物輪作模式下，綠肥作物提供了均衡的N、P、K、S及微量元素等養分供應，促使了土壤氮循環與固定，并活化了養分，促進了作物養分吸收，使作物健康生長[23，33]。在長期輪作下，紫云英輪作模式增產效率較高。與不施氮相比，施氮顯著提高了水稻產量且在施氮量為120～180 kg/hm2時產量較高，氮肥利用率較高，這是由于綠肥作物輪作模式通過改善土壤微生物群落、提高養分含量降低了推薦施氮量[2，22，25]。但是綠肥作物輪作還田模式下綠肥種類的選擇和還田模式的設置依舊需要進行管理和調整。研究結果表明，綠肥還田后稻田溫室氣體排放加劇，且不同綠肥作物還田后溫室氣體排放量也存在差異，黑麥草-水稻-水稻輪作下周年甲烷排放量較冬季休閑雙季稻模式增加了116.73%，而油菜-水稻-水稻模式較冬季休閑雙季稻模式甲烷排放增加了52.45%，但紫云英輪作下甲烷排放降低了16.33%[38];同時還田模式也影響溫室氣體排放，稻草還田配合綠肥還田下稻田增溫潛勢和溫室氣體排放強度較稻草還田降低[39]。

推測未來幾十年中，隨著磷肥礦資源枯竭，肥料成本將不斷上升，綠肥還田具有良好的補充土壤磷、鉀的作用。將單一的農田利用模式向多樣化的農業輪作模式轉變，提倡采用綠肥作物輪作降低磷鉀肥投入將越來越成為農業發展的新助力。

綜上所述，在長期水旱輪作模式下種植綠肥可以降低當地稻田推薦施氮量，有利于改善水稻生長，增加水稻產量，優化稻田土壤物理結構，維持土壤pH，提高土壤有機質、氮、磷、鉀等養分容量和微生物生物量含量。與此同時，綠肥-水稻輪作下適量施氮對提升肥力、保持養分和提高水稻產量起到了重要作用。在太湖地區長期進行紫云英-水稻輪作和蠶豆-水稻輪作制度下，推薦稻季施氮量為120 kg/hm2。

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（責任編輯：張震林）

收稿日期：2020-12-17

基金項目：國家重點研發計劃（2017YFD0200604）;國家自然科學基金（31400464）

作者簡介：陳 鑫（1995-），男，浙江紹興人，碩士研究生，主要從事土壤養分及土壤微生物變異等相關研究。（E-mail）chenxin@issas.ac.cn

通訊作者：劉 勤，（E-mail）qliu@issas.ac.cn