大麥-雙季稻輪作體系有機物料與化肥配施對大麥資源利用效率及產量的影響

張 帆 楊 茜

湖南省土壤肥料研究所, 湖南長沙 410125

湖南是長江中游雙季稻主產區, 冬季作物-雙季稻輪作是該區重要的三熟種植制度。目前對冬季作物-雙季稻輪作的研究, 冬季作物主要集中在紫云英、油菜、黑麥草及馬鈴薯[1-3], 研究內容主要關注在利用輪作倒茬效應以實現稻田土地資源的“種養結合”[4-7]、保障雙季稻穩產高產[1-8]及稻田固碳減排[9-10]等方面, 但是關于稻田冬春季光熱水資源利用率的研究極少, 特別是關于冬季作物大麥目前研究的進展還不夠全面深入[11-14]。大麥是世界第四大禾谷類作物, 在稻田冬閑期種植冬季作物大麥, 能增加一季糧食作物產量, 增加地表綠色覆蓋進而減輕或抑制冬春降雨引起的土壤侵蝕和氮磷淋溶風險。大麥-雙季稻是湖南雙季稻種植區的主要水旱輪作種植模式之一。據湖南農村統計年鑒數據, 2012—2017年大麥平均播種面積為每年1600 hm2、平均單產為2846 kg hm–2; 2017年大麥單產為3929 kg hm–2, 總產量為5.5×106kg。

施肥是農作物穩產高產的主要技術管理措施。減施化肥配施有機物料是減少化肥負面環境影響與農業廢棄物肥料化、資源化利用的有效措施之一。在農業生產減肥增效綠色發展背景下, 當前我國農作制也向著生態環境友好、資源節約與高效利用、輕簡化生產及產業協調方向發展[15-16]。輪作、間套作及復種等多熟種植模式, 集約高效利用農田光熱水土自然資源的同時必須提高氮磷鉀養分資源利用效率, 以實現農業增產增效。合理利用稻田冬春的光熱水等氣候資源, 優化施肥, 對湖南冬季作物-雙季稻生產具有重要的意義。

本研究以開展了34年的農業農村部“不同施肥對土壤肥力變化長期定位試驗”長期監測基地為依托, 分析比較在大麥-雙季稻輪作模式下不同有機物料與化肥配施對大麥光熱水資源利用效率、NPK養分資源利用效率及產量的影響, 旨在為湖南大麥-雙季稻輪作模式的綠色發展、資源的優化配置與高效利用及大麥穩產增效的農田養分管理提供理論依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計與栽培管理

長期定位試驗在湖南省寧鄉縣農技中心內進行, 試驗小區均為防滲水泥池, 面積為66.7 m2, 規格為10 m (長) ×6.67 m (寬) × 1.35 m (高), 四面及底部均嚴格密封, 并具有良好排灌設備。試驗開始于1986年, 供試土壤為河沙泥水稻土, 種植制度為大麥-雙季稻。1986年試驗前耕層土壤基礎理化性狀為[11]: 土壤有機質29.39 g kg–1, 全氮2.01 g kg–1, 全磷0.59 g kg–1, 全鉀20.6 g kg–1, 有效氮144.1 mg kg–1, 速效磷12.87 mg kg–1, 速效鉀33.0 mg kg–1, pH為6.85。

本研究選擇了長期定位試驗中4個施肥處理[11-12]: (1)氮磷鉀化肥處理, 簡稱NPK; (2) 氮磷鉀化肥+水稻秸稈處理, 簡稱NPK+straw; (3) 有機肥氮替代30%化學氮處理, 簡稱NPK+LOM, 用有機肥中氮替代30%化肥氮用量,余下70%氮采用化肥氮; (4) 有機肥氮替代60%化學氮處理, 簡稱NPK+HOM, 用有機肥中氮替代60%化肥氮用量,余下40%氮采用化肥氮。各處理以等氮量為基準, 不足的氮、磷、鉀肥用化肥補足(氮、磷、鉀化肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀), 保證大麥季、早稻季及晚稻季各施肥處理的N、P2O5和K2O施用量均一致[11-12]。大麥季各施肥處理總施N 157.5 kg hm–2、P2O543.2 kg hm–2和K2O 81.0 kg hm–2; 早稻季各施肥處理總施N 142.5 kg hm–2、P2O554.0 kg hm–2和K2O 63.0 kg hm–2; 晚稻季各施肥處理總施N 157.5 kg hm–2、P2O543.2 kg hm–2和K2O 81.0 kg hm–2。由于該長期定位試驗開始于30多年以前, 受當時條件的限制沒有設置重復。

大麥-雙季稻輪作各處理農事操作為[11-12]: 大麥季有機肥2015年開始為腐熟豬糞(2015年以前為腐熟雞糞),早稻季和晚稻季有機肥均為腐熟雞糞; 氮磷鉀化肥+水稻秸稈處理(NPK+straw)在大麥季、早稻季、晚稻季的稻草施用量分別為3000、2775和3600 kg hm–2; 三季各施肥處理秸稈和有機肥均于稻田耕地時作基肥一次性施入; 氮、鉀化肥基追肥比例均按7∶3施用, 基肥在耕地時施入,大麥季追肥在分蘗期施用, 早、晚稻季追肥均在水稻秧苗移栽后7 d施用; 化肥磷均在耕地時作基肥一次性施入。湖南自然降雨量主要集中在冬春季, 本研究中大麥季各處理人工灌溉水輸入量年際間變化范圍為375~420 m3hm–2, 主要依據當年大麥生育期內自然降雨情況適時補充分蘗水、或拔節水、或開花水。各處理大麥季、早稻季及晚稻季灌溉方式均為自流, 麥季排水方式均為自然落干, 各處理各作物季人工灌溉水輸入量均相同。其他管理措施同常規大田生產。

2019—2020輪作周年里大麥供試品種‘為通0612’(Hordeum vulgareL.), 播種量為250 kg hm–2。于2019年11月8日耕地和施基肥, 11月9日播種大麥, 2020年1月10日追肥, 4月30日收獲。有機肥氮替代30%化學氮肥處理(NPK+LOM)和有機肥氮替代60%化學氮肥(NPK+HOM)處理在大麥季的有機肥施用量分別為2671.4 kg hm–2和5340.7 kg hm–2(有機肥全N、全P、全K含量分別為17.7 g kg–1、3.58 g kg–1、9.29 g kg–1); 氮磷鉀化肥+水稻秸稈處理(NPK+straw)的稻草秸稈全N、全P、全K含量分別為9.1 g kg–1、1.3 g kg–1、18.9 g kg–1。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 氣象因子的監測 所用氣象數據由湖南省氣象局提供。利用生成的日值氣象資料, 計算大麥-雙季稻輪作模式大麥種植季(大麥生育期為2019年11月9日至2020年4月30日)的降雨量、總輻射及≥0℃積溫。2019—2020輪作周年里大麥種植季降雨量為676.4 mm, 太陽總輻射為1545.03 MJ m–2, ≥0℃積溫為1994.00。

1.2.2 大麥樣品的采集與測定 于2020年4月30日,大麥成熟收獲時從每處理小區選擇長勢均勻的大麥3個1.0 m2樣方點, 計算每個樣方點內大麥有效穗數, 從每個樣方點中隨機選取10株大麥植株(分為大麥籽粒和秸稈)測定其干物質量。同時對試驗處理每小區大麥單打單收,脫粒并曬干去雜質測其籽粒產量。

植株樣均是105℃殺青1.0 h, 80℃烘干至恒重, 測其各部分干物質量后磨碎過篩。采用硫酸-過氧化氫消煮-擴散法測定植株樣全N[15], 采用硫酸-過氧化氫消煮-鉬銻抗比色法測定植株樣全P[15], 采用硫酸-過氧化氫消煮-火焰光度法測定植株樣全K[15]。

以取樣的3個1.0 m2樣方點作為重復, 2019—2020輪作周年里大麥籽粒、秸稈生物量及其NPK養分含量見表1。

表1 大麥-雙季稻輪作有機物料與化肥配施對大麥籽粒和秸稈生物量及其NPK養分含量的影響Table 1 Effect of combination of organic material and chemical fertilizer on grain, straw biomass, and NPK nutrient content of barley under barley-double cropping rice rotation system

1.2.3 土壤樣品的采集與測定 于2020年4月30日即大麥成熟收獲時, 依據S形5點采樣法用內徑20 mm的土鉆, 采集各處理0~30 cm土壤新鮮樣品, 混勻風干過篩, 用于測定土壤pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷及速效鉀[17]。

1.3 物質、能量生產與光熱水及養分資源效率分析的數據統計方法

1.3.1 干物質產能 單位面積生產的干物質產量與其干重熱值(即單位干物質熱量)的乘積為干物質產能[18]。干重熱值(GCV)指每千克干物質完全燃燒所釋放的能量(kJ kg–1), 本試驗中大麥籽粒干重熱值[19]為16,066.56 kJ kg–1,大麥秸稈干重熱值[19]為13,755.11 kJ kg–1。

干物質產能(MJ m–2)=單位面積的干物質產量×干重熱值

1.3.2 光能生產效率與光能利用率(太陽輻射利用率)

太陽輻射資源是重要的農業氣候資源之一, 是植物進行光合作用的必要條件, 使植物能夠正常生長、發育及形成產量[20]。光能生產效率和光能利用率是衡量農作物利用太陽輻射資源的重要指標[21-22], 光能生產效率是指植物通過光合作用將太陽能固定為碳水化合物的效率, 其值越高表明植物將太陽能轉化為碳水化合物和有機物的能力越強[23-24]; 光能利用率是指單位土地面積上作物光合作用所合成的有機物中貯存的化學能占照射在該土地面積上的太陽光能量的百分數[25]。

光能生產效率(g MJ–1) = 干物質生產量/單位面積作物生育期的太陽總輻射

光能利用率(%) = 干物質產能/單位面積作物生育期的太陽總輻射×100%

1.3.3 積溫生產效率 熱量資源是農業生產的重要自然資源, 在正常水分條件下, 熱量資源決定了作物的產量及生長發育[20]。積溫生產效率是衡量農作物利用熱量資源的重要指標[18,20-21]。本文統計大麥生長期≥0℃積溫作為冬季作物大麥的熱量資源, 即大麥生育期的有效積溫為≥0℃積溫。

積溫生產效率(kg ℃–1d–1hm–2)=單位面積干物質生產量/作物生育期的有效積溫

1.3.4 水分生產效率 水分生產效率[18,21]反映水資源(包括自然降雨和人工灌溉水)對作物產量形成的貢獻。本文冬季作物大麥種植季人工灌溉水輸入量每小區為375 m3hm–2, 總耗水量為大麥生育期自然降水量與人工灌溉水之和。

水分生產效率(kg m–3) = 單位面積干物質生產量(kg hm–2)/總耗水量(m3hm–2)

1.3.5 養分利用效率 養分利用效率是評價作物養分吸收和利用的重要指標, 也是評價相關施肥制度的重要依據[26]。養分收獲指數反映了作物吸收養分后在籽粒中的分配比例[26]。養分偏生產力是指單位投入的肥料養分所能生產的作物籽粒產量[27]。

養分積累總量 = ∑成熟期地上部各部位干物質重×各部位養分含量

養分收獲指數(%) = 籽粒養分積累量/養分積累總量×100%

養分偏生產力(kg kg–1) = 籽粒產量/養分施用量

1.4 大麥產量穩定性與可持續性的統計分析

產量可持續性指數(sustainable yield index, SYI)和變異系數(coefficient of variation, CV)是衡量系統持續生產的重要參數[1,28]。產量穩定性用變異系數表示, 用來分析同一作物產量在不同年份間的變異程度, 其值越小, 說明產量穩定性越高[1,28]。產量可持續性指數是衡量生態系統可持續生產的參數, 其值越大, 說明系統可持續性越好[1,28]。考慮大麥品種屬性的差異, 本研究運用長期定位試驗2011—2020年大麥產量數據分析大麥產量穩定性與產量可持續性。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel數據表和DPS 9.0 (Data Processing System for Practical Statistics)軟件進行分析整理數據, 用Duncan’s新復極差法檢驗數據差異的顯著性水平(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 大麥-雙季稻輪作有機物料與化肥配施對大麥光熱水資源利用率的影響

在大麥-雙季稻輪作模式里, 不同有機物料與化肥配施下大麥的光溫水生產效率與麥季光能利用率見表2。NPK+HOM處理大麥的光溫水生產效率與麥季光能利用率是最高的, 其中NPK+HOM處理大麥光能生產效率比NPK、NPK+straw、NPK+LOM處理分別提高了0.03、0.04、0.02 g MJ–1, 增幅分別為7.7%、10.5%、5.0% (P<0.05); NPK+HOM處理大麥的積溫生產效率、水分生產效率及麥季光能利用率比NPK+straw處理分別提高了0.28 kg ℃–1d–1hm–2、0.08 kg m–3、0.05%, 增幅分別為9.4%、9.6%、9.1% (P<0.05)。

表2 大麥-雙季稻輪作有機物料與化肥配施對大麥光熱水資源利用率的影響Table 2 Effect of combination of organic material and chemical fertilizer on solar radiation, GDD (growing degree days), water production efficiency, and radiation use efficiency of barley under barley-double cropping rice rotation system

綜上所述, 從大麥光熱水資源利用率的角度來看, 大麥-雙季稻輪作模式里有機肥氮替代60%化學氮的施肥結構(NPK+HOM)優于其他施肥結構。

2.2 大麥-雙季稻輪作有機物料與化肥配施對大麥NPK養分利用率的影響

在大麥-雙季稻輪作模式里, 不同有機物料與化肥配施下大麥的NPK養分利用率見表3。NPK+LOM處理大麥籽粒N積累量比NPK+HOM、NPK、NPK+straw處理分別提高了14.9%、47.3%、55.8% (P<0.05)。NPK+LOM處理大麥籽粒P積累比NPK+HOM提高了8.4% (P>0.05),比NPK、NPK+straw處理分別提高了1.9倍、2.0倍(P<0.05)。NPK+LOM處理大麥籽粒K積累比NPK+HOM、NPK、NPK+straw處理分別提高了12.4%、33.8%、37.8%(P<0.05)。

表3 大麥-雙季稻輪作有機物料與化肥配施對大麥NPK利用率的影響Table 3 Effect of combination of organic material and chemical fertilizer on N, P, and K use efficiency of barley under barley-double cropping rice rotation system

NPK+LOM和NPK+HOM處理的NPK養分偏生產力差異不顯著, 但NPK+LOM處理的N、P、K養分偏生產力較NPK+HOM處理分別提高了7.7%、8.5%、8.5% (P>0.05)。NPK+LOM和NPK+HOM處理的NPK養分偏生產力均顯著高于NPK和NPK+straw處理(P<0.05), 其中NPK+LOM處理的N、P、K養分偏生產力比NPK+straw處理分別提高了22.5%、23.4%、23.5% (P<0.05), NPK+HOM處理的N、P、K偏生產力比NPK+straw處理分別提高了13.7%、13.8%、13.8% (P<0.05)。各處理N素收獲指數無差異(P<0.05)。NPK+straw處理的P素收獲指數較NPK+LOM和NPK+HOM處理分別顯著提高了10.0%和35.8%(P<0.05)。NPK+LOM處理的P、K素收獲指數較NPK+HOM處理分別顯著提高了23.4%和30.0% (P<0.05), K素收獲指數較NPK+straw處理顯著提高了36.7% (P<0.05)。盡管NPK+LOM處理P素收獲指數低于NPK和NPK+straw處理(P<0.05), 但從大麥籽粒產量及籽粒NPK養分含量(表1)、NPK養分偏生產力、NPK養分收獲指數等角度綜合考慮, NPK+LOM處理優于其他施肥結構。

綜上所述, 從NPK養分資源利用率的角度看, 大麥-雙季稻輪作模式里有機肥氮替代30%化學氮的施肥結構(NPK+LOM)優于其他施肥結構。

2.3 大麥-雙季稻輪作有機物料與化肥配施對大麥的產量效應與產量可持續特征

大麥-雙季稻輪作有機物料與化肥配施對大麥的產量效應見圖1。由于品種的原因, 大麥產量年際變化大。從圖1近10年大麥產量演變規律看, 僅在2017年NPK+straw處理大麥產量低于NPK處理, 其他年份NPK+straw、NPK+LOM及NPK+HOM處理大麥產量均高于NPK處理。除了2016年, 其他各年份NPK+LOM和NPK+HOM處理大麥產量均高于NPK+straw處理。各處理近10年的大麥產量平均值大小排序為: NPK+LOM(1663 kg hm–2)>NPK+HOM (1637 kg hm–2)>NPK+straw(1511 kg hm–2)>NPK (1353 kg hm–2)。結合表1的各處理大麥籽粒產量來看, 大麥-雙季稻輪作模式里有機肥氮替代30%化學氮的施肥結構(NPK+LOM)和有機肥氮替代60%化學氮的施肥結構(NPK+HOM)均有益于提高大麥產量。

大麥-雙季稻輪作有機物料與化肥配施對大麥產量可持續特征見圖2。長期的不同施肥結構管理下, 大麥-雙季稻輪作模式里大麥產量變異系數(CV)大小排序為: NPK+straw (0.10) < NPK+HOM (0.12) < NPK (0.16) < NPK+LOM (0.18); 大麥產量可持續指數(SYI)大小排序為:NPK+straw (0.80) > NPK+HOM (0.77) > NPK (0.70) > NPK+LOM (0.69)。其中, NPK+straw處理大麥產量變異系數最小、產量可持續指數最大, 說明NPK+straw有利于大麥穩產, 是能維持系統可持續性的施肥結構。從大麥的產量穩定性與產量可持續特征的角度來看, 大麥-雙季稻輪作模式里化肥氮磷鉀+水稻秸稈的施肥結構(NPK+straw)優于其他施肥結構。

2.4 大麥-雙季稻輪作有機物料與化肥配施對稻田土壤化學性質的影響

經過34年的田間定位試驗后, 大麥-雙季稻輪作不同有機物料與化肥配施對稻田土壤化學性質的影響見表4。NPK+HOM處理的稻田土壤有機質、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀含量是最高的。從土壤培肥的角度看, 大麥-雙季稻輪作模式里有機肥氮替代60%化學氮的施肥結構(NPK+HOM)優于其他施肥結構。

表4 大麥-雙季稻輪作有機物料與化肥配施對土壤化學性質的影響Table 4 Effect of combined application of organic material and chemical fertilizer on soil chemical properties of barley-double cropping rice rotation system

3 討論

有機肥農田直接消納是農業廢棄物高效利用和維持土壤肥力的重要途徑。經過34年的田間定位試驗后, 有機肥氮替代60%化學氮的施肥結構(NPK+HOM)在提高土壤肥力上優于其他施肥結構, 有關該長期定位試驗的已有研究也表明[11,13], 有機肥氮替代60%化學氮的施肥結構(NPK+HOM)顯著提高了土壤肥力的生物學指標(土壤微生物與酶活性), 經過28年的田間定位試驗后該施肥結構稻田土壤全N、全P、全K、有機質含量均高于其他施肥結構。

光合作用是作物產量形成的基礎, 作物通過光合作用形成的有機物占植株總干物質量的95%左右, 礦質元素僅占5%左右[29]。磷可作為光合底物或調節物直接參與光合作用的各個環節, 它在光合、呼吸、核酸合成等生理代謝過程中起著極為重要的作用,適宜的供磷量對于植物的光合作用極其重要[30]。氮素是葉綠素的重要組成元素, 其含量顯著影響光合生理特性, 適量施氮有利于調控作物生長發育和改善光合性能[31]。作物的光合作用、干物質積累特征與土壤水分、養分的供應能力密切相關[32]。有機肥氮替代60%化學氮的施肥結構(NPK+HOM)在大麥光熱水資源利用率上優于其他施肥結構且能提高大麥產量, 原因可能是: 該施肥結構增加了稻田土壤有機質與N、P養分含量(表4)及大麥植株(籽粒和秸稈)全P含量(表1), 大麥將太陽能轉化為碳水化合物和有機物的能力增強進而獲得了較高的大麥地上部分干物質量(表1); 同時該施肥結構增強土壤蓄水保水能力和土壤肥力, 提高作物水分利用率, 進而水肥協同改善大麥光熱資源利用率和產量[32-34]。

有機物料與化肥配施對作物養分利用率及產量的影響因替代比例、作物種類、種植制度及農田生態環境的不同而存在差異[26,35-39]。大麥-雙季稻輪作模式里, 有機肥氮替代30%化學氮的施肥結構(NPK+LOM)在大麥NPK養分資源利用率上優于其他施肥結構且能提高大麥產量, 但化肥氮磷鉀+水稻秸稈的施肥結構(NPK+straw)大麥產量穩定性與可持續性優于其他施肥結構。有機肥氮替代30%化學氮的施肥結構(NPK+LOM) 在大麥NPK養分資源利用率上優于有機肥氮替代60%化學氮的施肥結構(NPK+HOM), 原因可能之一是該施肥結構更有益于NPK養分由大麥植株向籽粒輸送并提高了在籽粒中積累的能力(表1和表3)。有機肥氮替代30%化學氮的施肥結構(NPK+LOM)和有機肥氮替代60%化學氮的施肥結構(NPK+HOM)在大麥NPK養分資源利用率和提高大麥產量上均優于化肥氮磷鉀+水稻秸稈的施肥結構(NPK+straw), 原因可能是: 化肥氮磷鉀+水稻秸稈的施肥結構,晚稻秸稈還田后腐解需要一段時間, 秸稈養分釋放與大麥養分吸收的時效性不一致; 秸稈還田促進了土壤硝化作用, 增加了麥季旱地土壤中氣態氮損失(NH3和N2O排放)[40]; 秸稈C/N值高, 秸稈前期分解過程中微生物與作物爭氮, 影響作物生長和產量[41]; 有機肥氮替代化學氮的施肥結構(NPK+LOM和NPK+HOM)提高了稻田土壤全N、速效NK及有機質含量(表4)。農作物秸稈含有豐富的碳、氮、磷、鉀等元素, 禾本科作物吸收的鉀素80%以上存在于秸稈中[42]。農作物秸稈還田也是維持土壤肥力、減少化肥投入量的農田養分資源管理策略。化肥氮磷鉀+水稻秸稈的施肥結構(NPK+straw)大麥產量穩定性與可持續性優于其他施肥結構, 原因可能是: 該施肥結構也維持了土壤養分的供給能力(表4); 秸稈還田會增加土壤含水量[40], 該施肥結構下的水氮交互作用維持了大麥產量的穩定性和可持續性[43]。我國水稻秸稈還田氮磷鉀素當季釋放率分別為54.9%、60.9%、90.1%[44], 小麥秸稈還田氮磷鉀素當季釋放率分別為51.4%、65.3%、93.3%[44]。本研究所選取的田間試驗開始于1986年, 受當時農業生產實際發展水平所設置的化肥氮磷鉀+水稻秸稈的施肥結構存在缺陷, 早稻季還田的水稻秸稈是晚稻稻草, 致使大麥和水稻秸稈養分資源均未充分利用, 也增加了還田成本, 更不能滿足當前稻作區節本增效與農業輕簡化生產目標和機械化發展趨勢。大麥-雙季稻輪作模式里, 三季作物秸稈原位且全量還田可能將被大田生產實踐和推廣。今后重要研究任務包括: 秸稈還田結合有機肥與化肥配施調控大麥資源利用率與產量的協同提高; 大麥和水稻都是重要的糧食作物, 要以大麥-雙季稻輪作周年施肥統籌管理意識考慮各季作物的協同發展問題, 以實現三季作物高產穩產及資源利用效率的提高。