周興,廖育林,魯艷紅,王宇,聶軍*,曹衛(wèi)東
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減量施肥下紫云英與稻草協(xié)同利用對(duì)雙季稻產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響
周興1,2,廖育林2,3,魯艷紅2,3,王宇2,3,聶軍2,3*,曹衛(wèi)東4
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410128;2.湖南省土壤肥料研究所,湖南長(zhǎng)沙410125;3.農(nóng)業(yè)部湖南耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,湖南長(zhǎng)沙410125;4.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京100081)
開展連續(xù)5年大田定位試驗(yàn),研究減量施肥下不同紫云英與稻草利用處理對(duì)洞庭湖地區(qū)紫潮泥雙季稻的產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素及經(jīng)濟(jì)效益的影響。結(jié)果表明,與單施化肥(F100)相比,不同紫云英、稻草利用處理均能促進(jìn)水稻增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn),其中紫云英與稻草協(xié)同利用的增產(chǎn)效果優(yōu)于紫云英或稻草單獨(dú)利用,協(xié)同利用處理中又以晚稻高茬稻草還田冬種紫云英(F80+HR+A)處理的效果更好。F80+HR+A處理的早、晚稻,5年平均產(chǎn)量較F100分別增產(chǎn)20.2%、11.9%,稻谷純收益增加13.7%,邊際成本報(bào)酬率為3.4元/元。早稻株高、每穗實(shí)粒數(shù)、千粒質(zhì)量和晚稻株高、有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)的增加是水稻增產(chǎn)的主要原因。綜上所述,晚稻留高茬還田冬種紫云英,不僅可以提高水稻產(chǎn)量,還可以獲得較佳經(jīng)濟(jì)收益,減少化肥用量。
減量施肥;紫云英;稻草;水稻產(chǎn)量;經(jīng)濟(jì)效益
化肥作為作物所需的速效養(yǎng)分,其重要性不可忽視,而由過量施用化肥所導(dǎo)致的土壤退化、環(huán)境惡化等問題日益突出,因此,中國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有機(jī)肥培肥地力重新受到了重視。作為中國(guó)傳統(tǒng)豆科綠肥作物,紫云英(L.)可通過生物固氮、活化和富集土壤中營(yíng)養(yǎng)元素來提高土壤肥力,增加土壤微生物量及多樣性,改善土壤生態(tài)環(huán)境[1–2],并可代替部分化肥[3]。稻草作為一種農(nóng)業(yè)廢棄物資源,富含鉀素,其鉀素的營(yíng)養(yǎng)功能與化學(xué)肥料中鉀素營(yíng)養(yǎng)功能相同,因此,稻草還田能補(bǔ)充土壤鉀素營(yíng)養(yǎng)[4],同時(shí)稻草還田配施化肥能夠提高作物產(chǎn)量[5],但較高碳氮比的稻草中氮磷含量較低,還田腐解后還可能導(dǎo)致微生物短暫固定土壤氮素,從而影響作物的前期生長(zhǎng)[6]。對(duì)此,筆者擬研究稻草與豆科綠肥聯(lián)合利用對(duì)二者單獨(dú)利用不利影響的緩解。與秸稈單獨(dú)還田相比,綠肥與玉米秸稈聯(lián)合利用可以有效提高作物產(chǎn)量[7]。與秸稈或紫云英單獨(dú)利用相比,紫云英與水稻秸稈聯(lián)合利用在減量施肥下有提高一季水稻產(chǎn)量的趨勢(shì)[8]。綠肥與秸稈聯(lián)合還田并減少化肥投入比秸稈單獨(dú)利用時(shí)水稻、小麥分別增產(chǎn)5.4%、4.9%[9]??梢?,綠肥與秸稈聯(lián)合利用比秸稈或者綠肥單獨(dú)利用對(duì)作物增產(chǎn)的促進(jìn)作用更明顯。
目前,關(guān)于綠肥和秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量影響的研究大都側(cè)重于單獨(dú)利用或者是二者簡(jiǎn)單聯(lián)合利用,關(guān)于豆科綠肥與秸稈協(xié)同利用的研究尚少,尤其是紫云英與稻草協(xié)同利用及其協(xié)同利用模式尚少見報(bào)道。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展,稻草留高茬還田已成為一種常見還田模式,因此,筆者開展連續(xù)5年(2011—2015年)定位試驗(yàn),探究紫云英與稻草不同利用模式對(duì)雙季稻產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響?,F(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。
早稻為‘原早1號(hào)’;晚稻為‘黃華占’。
試驗(yàn)于2011—2015年在湖南省益陽市南縣三仙湖鄉(xiāng)萬元橋村(北緯29°13′,東經(jīng)112°28′,海拔高度30 m)進(jìn)行。該地位于洞庭湖雙季稻區(qū),屬季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū),年平均氣溫16.6 ℃,年平均降水量1 237.7 mm,年日照時(shí)間1 775.7 h。供試土壤為河流沉積物發(fā)育的紫潮泥。試驗(yàn)前0~20 cm土壤pH為7.7,有機(jī)質(zhì)含量為48.4 g/kg,全氮、全磷、全鉀含量分別為3.28、1.28、22.2 g/kg,堿解氮、有效磷、有效鉀含量分別為261、15.6、98 mg/kg。
試驗(yàn)共設(shè)置處理6個(gè)。
1) CK(稻–稻–冬閑,不施任何肥料)。
2) F100(稻–稻–冬閑,單施全量化肥。早稻施N 150 kg/hm2,施P2O575 kg/hm2,施K2O 90 kg/hm2;晚稻施N 180 kg/hm2,施P2O545 kg/hm2,施K2O 120 kg/hm2)。
3) F80+A(稻–稻–紫云英,紫云英原田翻壓,氮、磷、鉀肥均減量20%)。
4) F80+R(稻–稻–冬閑,稻草原田翻壓,氮、磷、鉀肥均減量20%)。
5) F80+R+A(稻–稻–紫云英,紫云英與稻草低茬原田利用,氮、磷、鉀肥均減量20%)。
6) F80+HR+A(稻–稻–紫云英,晚稻留高茬35~45 cm,紫云英與稻草均原田翻壓,其他處理稻草茬高均控制在5~10 cm,氮、磷、鉀肥均減量20%)。
每處理3次重復(fù)。隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積為20 m2。小區(qū)間田埂(高20 cm,寬30 cm)覆膜隔離,實(shí)行單獨(dú)排灌。紫云英于每年10月上旬播種,不施任何肥料,播種量為30 kg/hm2。各小區(qū)播種量一致。于早稻移栽前10 d測(cè)產(chǎn)翻壓入田,用淺水濕潤(rùn)腐解。早稻一般每年3月底播種,4月中、下旬移栽。晚稻于6月中旬播種,7月中、下旬移栽。N、P、K化肥品種分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。氮肥50%作基肥于移栽前1天施入,50%作追肥在分蘗盛期施入。磷肥和鉀肥均在移栽前作基肥施入?;适┤牒罅⒓从描F耙耖入5 cm深的土層中。在水稻整個(gè)生育期內(nèi),各處理農(nóng)田管理措施一致。
試驗(yàn)前采集0~20 cm耕層土壤用作基本理化性狀分析。各小區(qū)早、晚稻單打單曬,揚(yáng)凈后測(cè)定各小區(qū)稻谷的質(zhì)量。2015年早、晚稻成熟期,于各小區(qū)普查25蔸水稻有效穗數(shù),以其中位數(shù)為依據(jù),采集長(zhǎng)勢(shì)均勻一致、有代表性的水稻植株5蔸作為考種材料。
用Microsoft Excel 2007處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),用SPSS 19.0進(jìn)行差異顯著性分析。
凈收益=產(chǎn)值-生產(chǎn)成本。生產(chǎn)成本包括勞動(dòng)力成本和物質(zhì)成本[10]。本試驗(yàn)中勞動(dòng)力成本為該試驗(yàn)基地農(nóng)戶2015年實(shí)際勞動(dòng)力支出,包括翻耕、水稻移栽、雜草與病蟲害防治、收割以及管理等勞動(dòng)力支出,約為6 300元/hm2;新增紫云英利用(播種、開溝)和施肥勞動(dòng)力成本另外計(jì)算。物質(zhì)成本中的農(nóng)藥、水稻種子、機(jī)械以及灌溉等統(tǒng)一按11 640元/hm2計(jì)算,新增加投入化肥、紫云英種子費(fèi)用另外計(jì)算。
邊際成本報(bào)酬率=(新模式總產(chǎn)值-對(duì)照區(qū)總產(chǎn)值)/(新模式總成本-對(duì)照區(qū)總成本)。
新增收益率=(新模式純收益-對(duì)照區(qū)純收益)/ 對(duì)照區(qū)純收益。
2.1.1早稻產(chǎn)量
由表1可見,各處理早稻產(chǎn)量隨耕種年限推移大致呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì),表明化肥減量下紫云英與稻草利用的增產(chǎn)效果隨耕作時(shí)間的推移呈遞減趨勢(shì),這與試驗(yàn)水稻品種、氣候條件、試驗(yàn)土壤狀況以及田間管理措施等因素有關(guān)。比較各處理早稻5年平均產(chǎn)量(因2010年F80+HR+A處理未留高茬,所以該處理2011年早稻產(chǎn)量未納入統(tǒng)計(jì)),與CK相比,施肥能顯著增加早稻的年平均產(chǎn)量,F(xiàn)100、F80+A、F80+R、F80+R+A和F80+HR+A分別增加了73.7%、81.1%、68.9%、84.4%和108.8%,各施肥處理與CK之間的差異顯著(<0.05),其中,除稻草單獨(dú)利用處理外,各紫云英與稻草利用處理的增產(chǎn)效果均優(yōu)于單施化肥處理。
表1 各處理早稻的產(chǎn)量
同列數(shù)據(jù)后不同小寫英文字母示差異顯著(<0.05);不同大寫英文字母示差異極顯著(<0.01)。
減量施肥紫云英與稻草不同利用模式對(duì)早稻產(chǎn)量的影響存在一定差異。紫云英單獨(dú)利用早稻的增產(chǎn)效果優(yōu)于稻草單獨(dú)還田的,與F80+R相比,F(xiàn)80+A增產(chǎn)了7.2%。紫云英利用下,不同稻草協(xié)同利用模式早稻的產(chǎn)量存在一定差異,與F80+A相比,F(xiàn)80+HR+A處理早稻增產(chǎn)15.3%,二者差異顯著(<0.05);F80+R+A略有增產(chǎn)。不同稻草利用模式下種植紫云英對(duì)早稻產(chǎn)量的影響也存在一定差異,與F80+R相比,F(xiàn)80+HR+A增產(chǎn)23.6%,二者差異顯著(<0.05);F80+R+A增產(chǎn)9.2%,二者差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。以上結(jié)果表明:紫云英與稻草協(xié)同利用模式下紫潮泥稻田早稻的增產(chǎn)效果優(yōu)于稻草或者紫云英單獨(dú)利用方式的,其中晚稻留高茬冬種紫云英處理的效果更好。
2.1.2晚稻產(chǎn)量
由表2可見,2011—2015年晚稻產(chǎn)量的年際變化趨勢(shì)與早稻的變化一致,呈先升后降趨勢(shì),但變化幅度比早稻的小。這與晚稻季氣候條件、水稻品種等因素有關(guān)。CK處理晚稻5年平均產(chǎn)量為5 629 kg/hm2,可見,紫潮泥土壤晚稻基礎(chǔ)產(chǎn)量較高,其原因是本身高養(yǎng)分含量的紫潮泥隨夏季溫度升高而釋放了較多養(yǎng)分。F100、F80+A、F80+R、F80+R+A和F80+HR+A處理5年晚稻平均產(chǎn)量分別比CK高26.7%、33.5%、34.6%、38.9%和41.7%,各施肥處理與CK之間的差異顯著(<0.05)。這說明化肥減量20%下不同紫云英與稻草利用模式相比單施化肥有助于晚稻增產(chǎn),其中紫云英與稻草協(xié)同利用模式比單施化肥的增產(chǎn)效果更好。
表2 各處理晚稻的產(chǎn)量
同列數(shù)據(jù)后不同小寫英文字母示差異顯著(<0.05);不同大寫英文字母示差異極顯著(<0.01)。
稻草單獨(dú)還田與紫云英單獨(dú)利用晚稻產(chǎn)量之間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。紫云英利用下,與F80+A相比,F(xiàn)80+HR+A與F80+R+A處理晚稻產(chǎn)量分別增加了5.3%和3.2%。稻草利用下,與F80+R處理相比,F(xiàn)80+HR+A與F80+R+A處理晚稻產(chǎn)量分別增加了6.2%和4.0%。紫云英與稻草協(xié)同利用與二者單獨(dú)利用晚稻產(chǎn)量之間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這可能與紫云英、稻草利用模式水稻試驗(yàn)?zāi)晗掭^短有關(guān)。
各處理早、晚稻的株高、穗長(zhǎng)、有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率及千粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成因素間存在一定差異(表3)。與CK相比,各施肥處理均顯著提高了早、晚稻株高、穗長(zhǎng)、有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率以及千粒質(zhì)量,其中紫云英與稻草協(xié)同利用模式(F80+HR+A、F80+R+A)的株高、每穗實(shí)粒數(shù)以及千粒質(zhì)量均顯著高于單施化肥處理。
表3 各處理水稻植株的性狀與產(chǎn)量構(gòu)成因素
同列同一季別數(shù)據(jù)后不同小寫英文字母示差異顯著(<0.05);不同大寫英文字母示差異極顯著(<0.01)。
減量施肥下,F(xiàn)80+A處理早稻株高、穗長(zhǎng)、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率以及千粒質(zhì)量均優(yōu)于F80+R的,F(xiàn)80+A處理晚稻的株高和每穗實(shí)粒數(shù)均顯著低于F80+R的。紫云英利用下,與F80+A相比,F(xiàn)80+R+A處理早稻的千粒質(zhì)量、晚稻的株高及每穗實(shí)粒數(shù)均顯著增加;F80+HR+A處理早稻的每穗實(shí)粒數(shù)、千粒質(zhì)量和晚稻的株高、有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)均顯著增加。稻草還田下,與F80+R相比,F(xiàn)80+R+A處理早稻株高、每穗實(shí)粒數(shù)均顯著提高,晚稻每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率也有增加;F80+HR+A處理早稻的株高、每穗實(shí)粒數(shù)和晚稻有效穗數(shù)均顯著增加。
以F100處理為對(duì)照,計(jì)算各紫云英與稻草利用處理的新增純收益率與邊際成本報(bào)酬率(表4)。成本均以2015年當(dāng)?shù)貙?shí)際價(jià)格為參考:N、P2O5、K2O市場(chǎng)價(jià)分別為3.8、5.2、5.3 元/kg;早、晚稻谷收購(gòu)價(jià)格分別為2.54、2.70 元/kg;紫云英種子價(jià)格為24 元/kg;勞動(dòng)力工價(jià)為每天150 元。
表4 各處理水稻的經(jīng)濟(jì)效益
由表4可見,各處理凈收益由大到小依次為F80+HR+A、F80+R、F80+R+A、F100、F80+A,各施肥處理比CK分別提高了118.7%、116.8%、112.6%、100.0%和91.5%。
F80+HR+A處理的收益最高,新增純收益率與邊際成本報(bào)酬率分別達(dá)13.7%、3.4元/元;其次是F80+R+A處理,其新增純收益率與邊際成本報(bào)酬率分別為9.2%、2.6 元/元;F80+R處理和F80+A處理的收益較差,F(xiàn)80+R處理的分別為12.2%、–1.3元/元,F(xiàn)80+A處理的分別為–6.2%、–0.1 元/元。這說明化肥減量20%情況下紫云英與稻草協(xié)同利用比單施化肥能夠提高水稻的生產(chǎn)收益。
減量施肥下,F(xiàn)80+R處理的凈收益率高于F80+A處理的。紫云英利用下,與F80+A相比, F80+HR+A與F80+R+A處理的凈收益分別上升了21.2%、16.4%。稻草還田下,與F80+R相比,F(xiàn)80+HR+A處理的凈收益增加了1.3%,F(xiàn)80+R+A處理的凈收益下降了2.7%,表明紫云英與稻草協(xié)同利用模式中晚稻留高茬還田冬種紫云英均較紫云英或稻草單獨(dú)利用能獲得較高收益。
本研究結(jié)果表明,與單施化肥相比,化肥減量20%下紫云英單獨(dú)利用能提高水稻產(chǎn)量。株高和千粒質(zhì)量的增加是水稻增產(chǎn)的主要原因。豆科綠肥與無機(jī)肥配施能提高作物產(chǎn)量[3, 11],其原因在于綠肥養(yǎng)分釋放不僅短期內(nèi)能補(bǔ)充作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分,還能改善土壤肥力,促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展[12]?;蕼p量下稻草單獨(dú)還田相比單施化肥處理早稻的產(chǎn)量有一定下降,晚稻產(chǎn)量有一定上升。稻草還田對(duì)水稻的生長(zhǎng)及其產(chǎn)量形成有利也有弊,并且與土壤性狀、水分和肥料管理等諸多因素有關(guān)[13]。一方面,早稻秸稈還田短期內(nèi)會(huì)導(dǎo)致微生物對(duì)土壤氮素的固定,可能影響水稻前期生長(zhǎng)[6]。隨著土壤微生物的碳源消耗,微生物所固定的養(yǎng)分隨之釋放,加之晚稻季(7—10月)溫度升高,稻草腐解加速,其養(yǎng)分釋放更有利于晚稻吸收利用。另一方面,雙季稻區(qū)上一年的晚稻秸稈還田距第2年早稻種植約有5個(gè)月休閑期。休閑期內(nèi)稻草腐解產(chǎn)生的養(yǎng)分受冬季雨水影響易淋失。稻草低茬還田可在土壤和大氣間形成熱與水的屏障層,使土壤與大氣間的熱量及水分交換趨于緩和而起到保溫、保水作用[14],但這種覆蓋產(chǎn)生的阻礙以及遮光反而會(huì)抑制冬季作物出苗,影響冬季作物初期生長(zhǎng)[15]。晚稻留高茬還田可能在保障保溫保墑作用的同時(shí)弱化遮光效應(yīng),給冬季作物留有生存空間,有利于其生長(zhǎng)。
近年來,農(nóng)業(yè)面源污染研究受到重視[3, 16–17],實(shí)行有機(jī)無機(jī)肥結(jié)合施用,是減少化肥用量、提高肥料效益的最有效途徑[18]。本研究結(jié)果表明,與稻草利用模式單施全量化肥相比,在減少20%化肥用量的情況下,連續(xù)5年紫云英仍能保持水稻穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn),其中紫云英單獨(dú)利用、稻草單獨(dú)還田以及稻草低茬還田冬種紫云英均能維持水稻產(chǎn)量或略有增產(chǎn),而晚稻草留高茬還田冬種紫云英的增產(chǎn)效果顯著。
邊際成本報(bào)酬率高于2元/元是經(jīng)濟(jì)效益極顯著的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19]。本研究中,稻草低茬還田冬種紫云英處理的新增純收益率與邊際成本報(bào)酬率分別達(dá)9.2%、2.6元/元,晚稻留高茬還田冬種紫云英處理的分別達(dá)13.7%、3.4元/元,其經(jīng)濟(jì)效益均顯著提高。
值得注意的是,農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益受糧食收購(gòu)價(jià)和生產(chǎn)資料及勞動(dòng)力價(jià)格等復(fù)雜多變因素的影響,所以對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估需要根據(jù)實(shí)際情況而定。關(guān)于紫云英與稻草協(xié)同利用下節(jié)肥效應(yīng)的可持續(xù)性、土壤養(yǎng)分盈虧以及如何化肥用量調(diào)整等問題值得進(jìn)一步研究。
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責(zé)任編輯:王賽群
英文編輯:王庫(kù)
Effects of Chinese milk vetch and rice straw synergistic dispatching on grain yield and economic benefit of double cropping rice system under fertilizer reduction
ZHOU Xing1, 2, LIAO Yulin2, 3, LU Yanhong2, 3, WANG Yu2, 3, NIE Jun2, 3*, CAO Weidong4
(1.College of Resources and Environment,Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province, Changsha 410125, China; 3.Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Hunan), Ministry of Agriculture, Changsha 410125, China; 4.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)
A successive 5-year field experiments were designed to study the effects of different treatments of Chinese milk vetch and rice straw on rice yield, agricultural character and economic benefit at purple soil region in Dongting Lake. Compared to F100, the results showed that different treatments of Chinese milk vetch and rice straw could maintain a stable or slight yield increase under the reduction of 20% chemical fertilizer application. The synergistic effects of Chinese milk vetch and rice straw had advantage over the single treatments of Chinese milk vetch or rice straw on rice yield increase. Synergistic treatment of F80+HR+A, one of Chinese milk vetch + rice straw treatments, was more suitable for increasing 5-year average yield for early, later rice, net income and the rate of remuneration of marginal cost, they were 20.2%, 11.9%, 13.7% and 3.4 Yuan/Yuan respectively, which were greater than that of F100 with the difference reached to the significant level (<0.05). The increase of plant height, filled grain number per panicle, 1000-grain weight in early rice and plant height, efficient panicle, filled grain number per panicle in later rice were the main contributions to high rice yield. Returning high pile of straw and planting Chinese milk vetch in winter not only increased rice yield, but also achieved the best economic benefits, as well as reduced the amount of chemical fertilizer.
reduction fertilizer; Chinese milk vetch; rice straw; rice yield; economic benefits
S511.06
A
1007-1032(2017)05-0469-06
2017–01–22
2017–09–21
國(guó)家綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS–22);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0301504, 2016YFD0300900);湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2017JC47);國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所科研項(xiàng)目(IPNI Hunan–18)
周興(1986—),男,湖南韶山人,博士研究生,主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與施肥研究,evenxing@sina.cn;*通信作者,聶軍,博士,研究員,主要從事土壤與施肥原理研究,junnie@foxmail.com
投稿網(wǎng)址:http://xb.hunau.edu.cn