成 臣 汪建軍 程慧煌 羅 亢 曾勇軍 石慶華 商慶銀
(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)雙季稻現(xiàn)代化生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心/作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330045)
作物秸稈作為農(nóng)作物最主要的副產(chǎn)品,含有大量有機(jī)質(zhì)和豐富的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素[1]。秸稈還田是增加農(nóng)田土壤有機(jī)碳的重要途徑之一,可以改善農(nóng)田土壤理化性狀,提高土壤質(zhì)量和養(yǎng)分循環(huán)利用效率,增加作物產(chǎn)量,是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和再利用的良好形式,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已廣泛應(yīng)用[2]。但是,在秸稈還田利用方面存在較多問(wèn)題,如秸稈腐解難、利用率低,產(chǎn)生還原性有毒物質(zhì),易發(fā)生與作物爭(zhēng)氮和誘發(fā)病蟲(chóng)害等現(xiàn)象[3],從而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育和土壤質(zhì)量的轉(zhuǎn)變方向與強(qiáng)度。因此,如何優(yōu)化作物秸稈利用方式,緩解秸稈還田對(duì)作物生長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響,對(duì)保障我國(guó)糧食安全和土壤質(zhì)量提高具有重要意義。
在秸稈還田過(guò)程中,不同利用方式對(duì)秸稈腐解、水稻生產(chǎn)發(fā)育的影響不同[4]。目前,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈還田常與耕作措施配合實(shí)施,不僅可以改善土壤的水、肥、氣、熱狀況,同時(shí)還可以增加作物產(chǎn)量,并能夠提高良好的生態(tài)、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益,是確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效措施和重要途徑[5]。田慎重等[6]研究了不同耕作方式和秸稈還田對(duì)麥田土壤有機(jī)碳含量的影響,表明秸稈還田下各耕作方式土壤有機(jī)碳均顯著提高,但不同耕作方式存在顯著差異。趙亞麗等[7]表明,與常規(guī)耕作秸稈不還田相比,秸稈還田后深耕和深松均提高冬小麥和夏玉米成熟期干物質(zhì)積累,周年產(chǎn)量也分別增加18.0%和19.3%。雖然秸稈還田與耕作措施配合實(shí)施對(duì)農(nóng)田土壤和作物產(chǎn)量的研究較多[8-10],但主要集中在旱地或者稻麥輪作系統(tǒng),而在雙季稻系統(tǒng)中研究較少。
雙季稻種植模式是中國(guó)南方稻區(qū)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,秸稈資源豐富且相對(duì)集中。然而,針對(duì)南方雙季稻區(qū)秸稈還田與耕作制度的最佳組合方式目前并不明確。為此,本文通過(guò)秸稈全量還田條件下設(shè)置不同耕作方式,旨在研究耕作方式和秸稈還田對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響,為實(shí)現(xiàn)南方雙季稻區(qū)秸稈合理利用、水稻高產(chǎn)和提高農(nóng)田土壤質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)地點(diǎn)位于江西省進(jìn)賢縣溫圳鎮(zhèn)楊溪村(116°5'28″E,28°20'10″N)。供試土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的潴育型水稻土(酸性簡(jiǎn)育水耕人為土)。試驗(yàn)前0~20 cm耕層土壤有機(jī)碳含量21.8 g kg-1,全氮3.74 g kg-1,有效磷24.5 mg kg-1,速效鉀98.0 mg kg-1,pH 5.31。
試驗(yàn)時(shí)間為2012年11月至2015年11月。試驗(yàn)設(shè)計(jì)4種處理方式,(1)翻耕與秸稈不還田(CT):水稻收獲后秸稈全部移出田間,水稻拋秧前用鏵式犁翻地1遍,再用旋耕機(jī)旋地2遍,耕深約15 cm;(2)翻耕與秸稈還田(CTS):水稻收獲后秸稈粉碎全量還田,水稻拋秧前用鏵式犁翻地1遍,再用旋耕機(jī)旋地2遍,耕深約15cm;(3)旋耕與秸稈還田(RTS):水稻收獲后秸稈粉碎全量還田,水稻拋秧前用旋耕機(jī)旋地4遍,耕深約8 cm;(4)免耕與秸稈還田(NTS):水稻收獲后秸稈全量粉碎覆蓋還田,不進(jìn)行整地,水稻免耕拋秧。每個(gè)處理分別設(shè)3次重復(fù),各小區(qū)面積均為54 m2,隨機(jī)區(qū)組排列。雙季稻種植供試早稻和晚稻品種分別為中嘉早17和五豐優(yōu)T025,水分管理及其他大田栽培措施均按高產(chǎn)技術(shù)規(guī)程[11]進(jìn)行。
本試驗(yàn)中氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素(含N 46.4%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)。早稻N、P2O5和K2O用量分別為150 kg hm-2、75 kg hm-2和135 kg hm-2,其中氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3施用,磷肥做基肥一次性施用,鉀肥按基肥:穗肥=7∶3施用。晚稻N、P2O5和K2O用量分別為180 kg hm-2、75 kg hm-2和150 kg hm-2,其中氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶2∶4施用,磷肥和鉀肥施用比例同早稻。試驗(yàn)前稻田為當(dāng)?shù)爻R?guī)雙季稻生產(chǎn)區(qū),于2012年冬季開(kāi)始至2015年晚稻收獲結(jié)束,開(kāi)展為期三年的定位試驗(yàn)研究。秸稈采用全量還田方式,水稻秸稈由久保田半喂入式聯(lián)合收割機(jī)收割水稻時(shí)同步進(jìn)行粉碎,其切割長(zhǎng)度為 5 cm左右。早稻收獲后,將各小區(qū)水稻秸稈粉碎施入相應(yīng)小區(qū)中作晚稻基肥,晚稻收獲后各小區(qū)水稻秸稈粉碎施入相應(yīng)小區(qū)表層作次年早稻基肥。
產(chǎn)量及其構(gòu)成因素:在成熟期,每處理調(diào)查3個(gè)重復(fù),每重復(fù)調(diào)查100蔸有效穗數(shù)。按平均有效穗選取考種樣,每小區(qū)分別取樣5蔸,調(diào)查每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率及千粒重。每小區(qū)選取6 m2進(jìn)行實(shí)際測(cè)產(chǎn)。
莖蘗動(dòng)態(tài):水稻移栽后每小區(qū)定點(diǎn)20蔸,每5天調(diào)查一次莖蘗數(shù),直至抽穗期。
土壤理化性狀測(cè)定:晚稻成熟收獲期進(jìn)行土壤采集,各小區(qū)按S形路線隨機(jī)取5個(gè)點(diǎn)的土樣,采樣深度為0~20 cm。土樣充分混勻后揀去植物殘根和石礫等,經(jīng)風(fēng)干、磨碎過(guò)篩,按照《土壤農(nóng)化分析》[12]進(jìn)行土壤容重、pH、全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)碳等的測(cè)定。
基于主成分分析的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)研究[13-14]:對(duì)不同年份不同處理的6個(gè)土壤理化性狀指標(biāo)(容重、pH、全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)碳)組成矩陣進(jìn)行主成分分析,選取累計(jì)百分率≥85%的主成分因子,選取主成分的特征向量構(gòu)建主成分方程計(jì)算出各處理各因子主成分分值,再用各公因子的特征值貢獻(xiàn)率作為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和,即得各處理土壤質(zhì)量綜合得分。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010和DPS 7.05軟件進(jìn)行分析和處理,方差分析采用最小顯著差異法(LSD)多重比較。
與CT處理相比,2013—2015年CTS處理早稻和晚稻平均產(chǎn)量分別增加3.6%和3.8%。與CTS處理相比,NTS處理早稻和晚稻平均產(chǎn)量分別降低5.2%和6.4%,其中,晚稻產(chǎn)量顯著降低;相反,RTS處理早稻和晚稻平均產(chǎn)量分別增加6.1%和3.1%(表1)。
與CT處理相比,2013—2015年CTS處理早稻平均有效穗數(shù)增加2.3%,但晚稻平均有效穗數(shù)降低4.0%,其中2014年顯著低于CT處理。與CTS處理相比,RTS處理早稻和晚稻平均有效穗數(shù)分別增加3.9%和1.3%(除2015年晚稻外);NTS處理早稻和晚稻平均有效穗數(shù)分別降低5.8%和7.9%,其中2013年和2015年有效穗數(shù)顯著降低(p<0.05)。
表1 秸稈還田條件下不同耕作方式的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 1 Grain yield and yield components in paddy fields incorporated with rice straw,relative to tillage pattern
秸稈還田對(duì)早稻和晚稻莖蘗動(dòng)態(tài)的影響不同(圖1)。與CT處理相比,早稻CTS處理群體分蘗能力強(qiáng),高峰苗數(shù)增加,而無(wú)效分蘗多,成穗率降低,群體最終有效穗數(shù)仍然高;而晚稻中,與CT處理相比,CTS處理群體分蘗能力弱,高峰苗數(shù)減少,而無(wú)效分蘗少,成穗率增加,最終群體有效穗數(shù)降低。
在秸稈還田下,不同耕作方式早稻和晚稻莖蘗動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致,RTS和CTS處理移栽后分蘗能力高于NTS處理,早稻和晚稻高峰苗數(shù)均增加,而RTS和CTS處理早稻和晚稻分蘗下降較為迅速,但由于高峰苗數(shù)多,最終RTS和CTS處理群體有效穗數(shù)均高于NTS。
圖1 秸稈還田條件下不同耕作方式水稻莖蘗動(dòng)態(tài)變化(以2013年為例)Fig. 1 Dynamics of rice tillering in paddy fields incorporated with rice straw,relative to tillage pattern(in 2013)
2013年,各處理間土壤各項(xiàng)指標(biāo)均無(wú)顯著差異(p>0.05,表2)。2013—2015年,CT處理土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮(TN)、有效磷(AP)和速效鉀(AK)含量呈降低趨勢(shì),相反,CTS、RTS和NTS處理SOC、TN、AP和AK含量顯著增加。CT處理土壤容重?zé)o顯著變化,而秸稈還田下各處理土壤容重均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。
2015年,與CT處理相比,CTS處理土壤SOC、TN、AP和AK含量分別增加9.7%、7.5%、24.8%和28.7%(p<0.05)。與CTS處理相比,NTS處理土壤SOC、TN、AP和AK含量分別降低3.0%、0.8%、3.1%和6.5%,而RTS處理分別增加1.3%、0.5%、1.7%和4.4%。與CT相比,CTS處理土壤容重(BD)降低4.1%;與CTS相比,NT處理BD增加9.7%(p<0.05),而RTS處理BD降低1.1%。與CT相比,CTS處理土壤pH降低1.9%(p<0.05);與CTS相比,NT處理土壤pH降低0.6%,而RTS處理土壤pH增加0.4%。
表2 秸稈還田條件下不同耕作方式對(duì)土壤理化性狀的影響Table 2 Soil physical and chemical properties of the field incorporated with rice straw relative to tiilage patern
本文分別選擇BD、pH、AP、AK、SOC和TN等6個(gè)指標(biāo)衡量土壤肥力質(zhì)量狀況。將累積貢獻(xiàn)百分率≥85%作為提取原則,得到2個(gè)主成分,累積貢獻(xiàn)率為96.69%(表3),因子1和因子2的特征值分別為4.642和1.160,貢獻(xiàn)率分別為77.36%和19.33%。第1主成分因子(F1)與AP、AK、SOC及TN等指標(biāo)上的載荷系數(shù)較大,可以設(shè)為土壤養(yǎng)分因子;第2主成分因子(F2)在BD和pH的載荷系數(shù)最大,該主成分可認(rèn)定為土壤容重因子和pH因子。
通過(guò)因子1和因子2得分與各因子的特征值百分率作為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和計(jì)算得出土壤肥力質(zhì)量得分(表4)。2013—2015年,CT處理土壤肥力質(zhì)量呈下降趨勢(shì),秸稈還田條件下各處理土壤肥力質(zhì)量均呈增加趨勢(shì),其中,2015年RTS處理分別高于CTS和NTS處理16.4%和80.4%。
表3 土壤肥力質(zhì)量性狀的主成分提取及旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Table 3 Principal component extraction and rotated component matrix of soil fertility quality
表4 各因子得分及土壤肥力質(zhì)量得分Table 4 Scores of principal components and general scores of soil fertility quality relative to treatment
秸稈還田是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的有機(jī)肥來(lái)源之一,大多數(shù)研究者認(rèn)為秸稈還田利于提高作物產(chǎn)量[6,15]。本研究也表明,與秸稈不還田相比,秸稈還田處理早稻和晚稻三年平均增產(chǎn)分別為3.6%和3.8%。秸稈還田對(duì)土壤質(zhì)量提升有積極影響,有效增加土壤全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)碳含量,而秸稈不還田條件下土壤肥力質(zhì)量呈下降趨勢(shì)。但在本研究條件下,秸稈還田后不同耕作方式對(duì)產(chǎn)量的影響顯著。結(jié)果表明,與常規(guī)翻耕相比,秸稈還田條件下免耕處理早稻和晚稻平均產(chǎn)量分別降低5.2%和6.4%,其中,晚稻產(chǎn)量顯著降低(p<0.05);相反,旋耕處理早稻和晚稻平均產(chǎn)量分別增加6.1%和3.1%。這與許菁等[16]和陳敏等[17]研究結(jié)果相似,可能因?yàn)楦鞣绞礁淖兞送寥婪柿|(zhì)量從而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況。
在秸稈還田條件下,旋耕和常規(guī)翻耕均能有效改良土壤[8],但是翻耕處理土壤耕層較深,土溫和土壤含水率較低,秸稈還田腐解速度下降,旋耕處理土壤養(yǎng)分含量提升幅度高于常規(guī)耕作[18]。姬強(qiáng)等[19]研究認(rèn)為,秸稈還田條件下,與傳統(tǒng)耕作相比旋耕土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳提高23.0%,對(duì)土壤顆粒有機(jī)碳的影響也表現(xiàn)同樣規(guī)律。陳敏等[17]研究認(rèn)為,旋耕處理土壤速效養(yǎng)分高于傳統(tǒng)翻耕,土壤有效養(yǎng)分供應(yīng)能力得到提高,土壤質(zhì)量高是水稻高產(chǎn)的基礎(chǔ),因而旋耕達(dá)到增產(chǎn)作用。本研究結(jié)果與之相同,與常規(guī)翻耕處理相比,旋耕處理水稻莖蘗易早發(fā)快發(fā),分蘗能力和有效穗數(shù)均高于常規(guī)翻耕,旋耕處理土壤養(yǎng)分含量也高于常規(guī)翻耕,最終得到高產(chǎn)。旋耕相對(duì)常規(guī)翻耕具有增產(chǎn)優(yōu)勢(shì),是旋耕處理土壤肥力質(zhì)量好的表現(xiàn)。
與傳統(tǒng)耕作相比,在免耕與秸稈覆蓋還田條件下,微生物種類(lèi)與數(shù)量少,導(dǎo)致免耕秸稈腐解速度慢、利用效率低[20],秸稈氮素等養(yǎng)分滲漏損失成倍增加[21],同時(shí),免耕處理土壤易板結(jié),連續(xù)免耕土壤質(zhì)量相對(duì)下降,水稻生長(zhǎng)受到抑制,從而產(chǎn)量低于常規(guī)耕作[22]。本研究表明,免耕處理產(chǎn)量低于常規(guī)翻耕處理,產(chǎn)量下降主要受有效穗數(shù)的影響,早稻和晚稻有效穗數(shù)平均分別降低5.8%和7.9%,其中2013年和2015年顯著降低。連續(xù)免耕土壤養(yǎng)分含量降低、容重顯著增加以及土壤酸化加劇是導(dǎo)致免耕處理產(chǎn)量下降的主要原因。這與一些研究報(bào)道不同,吳建富等[23]研究認(rèn)為稻田實(shí)行免耕前兩年產(chǎn)量與翻耕無(wú)顯著差異,之后免耕產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這主要與連續(xù)免耕土壤物理性質(zhì)變差、土壤養(yǎng)分在表層土壤富集不利于土壤水分的保持有關(guān)。莫亞麗[24]研究表明,短期連續(xù)免耕水稻產(chǎn)量高于常規(guī)翻耕,直至第5年免耕產(chǎn)量才呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。甚至還有連續(xù)免耕11年不減產(chǎn)的報(bào)道[25]。連續(xù)免耕作物產(chǎn)量降低存在年限差異,同時(shí)存在與之截然相反的免耕增產(chǎn)報(bào)道,這可能與不同土壤質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境、作物類(lèi)型及栽培措施等相關(guān),對(duì)此尚有待進(jìn)一步研究。
中國(guó)南方雙季稻區(qū)秸稈資源豐富,但在秸稈利用過(guò)程中存在一系列的問(wèn)題,通過(guò)何種方式合理利用秸稈資源是目前南方雙季稻生產(chǎn)最重要問(wèn)題之一。何虎等[26]研究表明,水稻秸稈全量還田后配施適量氮肥可以提高晚稻產(chǎn)量,配施純氮180 kg hm-2產(chǎn)量最高,其中,在總施氮量相同條件下,以基肥∶分蘗肥∶穗肥為5∶2∶3的施氮比例水稻產(chǎn)量最高,其可作為雙季稻區(qū)秸稈全量還田后的推薦施氮比例。胡誠(chéng)等[27]研究表明,在南方雙季稻區(qū)秸稈還田配施秸稈腐熟劑可以提高雙季稻產(chǎn)量,提高土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)以及增加土壤腐殖質(zhì)含量與活性。據(jù)張武益等[28]報(bào)道,與持續(xù)淹水處理相比,干濕交替灌溉能夠有效緩解秸稈還田的負(fù)面影響,增加水稻后期干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量。本研究表明,通過(guò)耕作方式也可以合理有效地利用秸稈,在秸稈全量還田條件下旋耕處理在產(chǎn)量和土壤肥力質(zhì)量方面表現(xiàn)優(yōu)于翻耕和免耕處理。這與李靜等[29]、湯文光等[30]研究結(jié)果較為一致。不同耕作方式下秸稈還田效益的差異,應(yīng)與不同耕作方式下土壤環(huán)境如土壤結(jié)構(gòu)及土壤微生物性狀等不同有關(guān)[31]。耕作改變土壤的物理結(jié)構(gòu),影響稻稈在耕層土壤中的分布和數(shù)量,使秸稈腐解與利用不同,從而直接或間接影響土壤肥力和水稻生長(zhǎng)發(fā)育[26,28]。
土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)是對(duì)目標(biāo)土壤生產(chǎn)力等方面進(jìn)行綜合鑒定,近年來(lái),對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法開(kāi)展了大量的研究工作,但迄今為止尚無(wú)統(tǒng)一的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法,目前,研究者多采用主成分分析法來(lái)定量評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量[32]。本文采用主成分分析法對(duì)不同耕作制度進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn),RTS處理土壤肥力質(zhì)量綜合得分和產(chǎn)量均表現(xiàn)最好,因此,采用主成分分析結(jié)果基本能夠客觀反映不同耕作模式的土壤肥力質(zhì)量,有助于分析不同耕作措施對(duì)土壤肥力質(zhì)量的影響。CT處理的土壤肥力質(zhì)量綜合得分表現(xiàn)最低,但產(chǎn)量表現(xiàn)并非最差,土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的高低并不能完全反映農(nóng)田的真實(shí)生產(chǎn)力水平,且本試驗(yàn)僅對(duì)6個(gè)土壤理化指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),并未能體現(xiàn)出土壤肥力質(zhì)量的完整信息,從而造成CT處理土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與作物生產(chǎn)力不一致。
在南方紅壤雙季稻區(qū),秸稈還田能提高水稻產(chǎn)量和稻田土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷和速效鉀等含量,連續(xù)定位試驗(yàn)3年后顯著提升稻田土壤肥力質(zhì)量,但秸稈還田條件下不同耕作方式對(duì)水稻產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的影響存在差異。與常規(guī)耕作相比,旋耕處理早稻和晚稻平均產(chǎn)量分別增加6.1%和3.1%,而免耕處理早稻和晚稻平均產(chǎn)量分別降低5.2%和6.4%。秸稈還田條件下不同耕作方式土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷和速效鉀等含量以及土壤肥力質(zhì)量均呈增加趨勢(shì),其中,旋耕處理土壤肥力質(zhì)量高于常規(guī)翻耕和免耕處理。因此,秸稈還田條件下雙季稻生產(chǎn)適宜采用機(jī)械旋耕的種植方式。
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