周春火，潘曉華，吳建富，石慶華

(1江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院，南昌330045;2江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點實驗室，南昌330045)

合理復(fù)種輪作是農(nóng)田用地和養(yǎng)地相結(jié)合，提高作物產(chǎn)量的一項行之有效的耕作栽培措施。在長江中游雙季稻區(qū)，冬閑+雙季稻、紫云英+雙季稻和油菜+雙季稻是稻田主要的復(fù)種方式［1］。大量研究表明，不同復(fù)種輪作方式下的水稻生長發(fā)育和土壤肥力存在較大差異［2－6］。高菊生等［5］研究表明，與雙季稻冬閑相比，雙季稻與紫云英輪作種植可顯著提高稻谷產(chǎn)量，提高稻田土壤有機(jī)質(zhì)累積量，且土壤活性有機(jī)質(zhì)組分顯著高于雙季稻冬閑，增加微生物碳在土壤有機(jī)碳中的比重的效果好于雙季稻油菜處理。但以往的研究多將油菜作為綠肥作物種植，且雙季稻生產(chǎn)中沒有考慮冬作物帶入土壤的養(yǎng)分，稻草也不還田。為此，本文通過2年定位試驗，在稻草全量還田，并且考慮紫云英翻壓還田帶入和油菜收獲帶走的氮素養(yǎng)分的情況下，研究了3種復(fù)種方式(紫云英+雙季稻、油菜+雙季稻、冬閑+雙季稻)對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成和土壤肥力的影響，旨在為雙季稻區(qū)合理復(fù)種提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計與田間管理

于2009年9月開始，在江西省南昌市恒湖農(nóng)場(北緯29°03、東經(jīng)28°50')進(jìn)行定位試驗，試驗地土壤屬于沖積型水稻土。試驗前土壤的基本理化性狀為:有機(jī)質(zhì)含量13.62g/kg、全氮1.38 g/kg、全磷1.036g/kg、全鉀16.49g/kg、堿解氮 95.50 mg/kg、速效磷32.45 mg/kg、速效鉀108.37 mg/kg、pH5.12。

試驗設(shè)3個處理:1)紫云英 +早稻 +晚稻(ZDD);2)油菜+早稻+晚稻(YDD);3)冬閑+早稻+晚稻(XDD)。各處理小區(qū)面積為100 m2，4次重復(fù)。處理間筑埂隔開，以防串水串肥，稻草粉碎全量還田。供試早、晚稻品種分別為淦鑫203和五豐優(yōu)T025。種植密度早稻為13.3×23.3cm，每蔸3粒谷苗;晚稻為13.3 cm×26.7cm，每蔸2粒谷苗。紫云英品種為“余江大葉”，油菜品種為“湘油5號”，紫云英于前一年晚稻收割前撒播，播種量為30 kg/hm2;油菜育苗移栽，密度97500 plant/hm2。

試驗各處理施用的總氮量相同，即早、晚稻各施純氮 180 kg/hm2、P2O572 kg/hm2和 K2O 180 kg/hm2，所用化學(xué)肥料分別為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀。在紫云英翻耕前、油菜收獲前測定生物量(2010年和2011年紫云英地上部的生物量分別為1.125×104kg/hm2和4.35×104kg/hm2，油菜的生物量分別為4.76×104kg/hm2和5.38×104kg/hm2)，并進(jìn)行含氮量測定。XDD的施氮量為180 kg/hm2;ZDD的施氮量=180－［紫云英含氮量(%)×紫云英生物量］;YDD的施氮量=180+(油菜含氮量－冬種油菜施氮量－油菜苗期含氮量)。施用的氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥為5∶2∶3施用，磷、鉀肥做基肥一次性施用，其中基肥在移栽前1 d施用，分蘗肥在栽后7 d施用，穗肥在2葉露尖時施用，其他大田管理措施一致。

1.2 測定項目及方法

水稻移栽后5 d開始，每隔5 d調(diào)查一次(每小區(qū)定株10蔸)總莖蘗數(shù)，直至抽穗為止。在每季水稻成熟期采用土柱法［7］(取樣直徑20 cm)各處理取3蔸樣，按0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm 3層進(jìn)行根量分析;每季水稻成熟期按5點法取耕層(0—20 cm)土樣測定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量［8］和土壤酶活性［9］;每年晚稻成熟期按5點法分0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm三層取土壤樣品，用于土壤微生物測定［10］;每季水稻成熟時，每小區(qū)調(diào)查30蔸有效穗，按平均數(shù)法取5蔸進(jìn)行考種;每小區(qū)實割30 m2進(jìn)行產(chǎn)量測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同復(fù)種方式對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

試驗結(jié)果表明(表1)，2010年由于早稻分蘗期低溫導(dǎo)致遲發(fā)，晚稻受強(qiáng)寒露風(fēng)影響，產(chǎn)量明顯低于2011年。處理間，無論早稻還是晚稻，冬種紫云英處理的水稻產(chǎn)量最高。2010年早稻處理間差異不大，晚稻 ZDD比 YDD處理高 3.5%，比 XDD高4.1%，差異顯著或極顯著;2011年早、晚稻均以ZDD處理最高，早稻ZDD處理極顯著高于YDD，增幅為6.4%，晚稻ZDD處理極顯著高于XDD，幅度為4.6%。處理間產(chǎn)量的差異主要是有效穗數(shù)不同所致。相關(guān)分析表明，早、晚稻產(chǎn)量與有效穗呈正相關(guān)(r=0.7740*)。

表1 不同處理對水稻產(chǎn)量的影響(kg/hm2)Table 1 Effect of different treatments on rice yield

從表2可以看出，2010年早、晚稻有效穗數(shù)均表現(xiàn)為ZDD＞YDD＞XDD，其中早稻處理間差異顯著或極顯著;早、晚稻每穗粒數(shù)呈 ZDD＞YDD＞XDD，晚稻ZDD與XDD處理差異顯著;結(jié)實率早稻以XDD處理最高，YDD最低，差異顯著或極顯著，晚稻沒有顯著差異;早、晚稻千粒重和成穗率處理間差異不顯著。2011年，早稻有效穗數(shù)ZDD處理顯著高于YDD、XDD，晚稻ZDD與YDD處理相差不大，但極顯著高于XDD;每穗粒數(shù)早稻以YDD處理最高，且顯著高于XDD，晚稻ZDD顯著高于其他處理;早、晚稻結(jié)實率、千粒重和成穗率處理間差異不顯著。

表2 不同處理對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effect of different treatment on yield components of rice

2.2不同復(fù)種方式對水稻分蘗動態(tài)的影響

由圖1可以看出，年度間，各處理在2011年分蘗速率、最高莖蘗數(shù)和成穗率均高于2010年，這與兩年的氣候條件不同有關(guān)。

2010年早稻處理間分蘗數(shù)移栽后0～15 d差異不大，移栽25 d后分蘗數(shù)呈ZDD＞YDD＞XDD，分蘗達(dá)到高峰的時間ZDD處理比YDD和XDD處理晚3～5 d。2011年早稻，移栽后0～10 d處理間分蘗數(shù)幾乎沒有差異，隨后YDD處理分蘗數(shù)增加最快，至移栽后25 d分蘗數(shù)已達(dá)最高值，而XDD和ZDD處理分別比其晚5和10 d;與XDD處理相比，ZDD處理早稻分蘗時間長、速率慢且下降快，YDD處理的早稻分蘗時間短、速度快且下降慢，但莖蘗數(shù)高和成穗率(表2)差異不大，使ZDD、YDD處理的有效穗得以提高;這主要是因為紫云英腐解使分蘗時間延長和冬種油菜收獲推遲使水稻移栽時間推后的原因。

晚稻與早稻有所不同，處理間分蘗動態(tài)規(guī)律相似，最高分蘗數(shù)出現(xiàn)的時間相同。至移栽25 d處理間分蘗數(shù)相差不大，移栽25 d后分蘗數(shù)ZDD處理高于YDD、XDD處理。說明冬種紫云英對晚稻季生育前期生長仍有積極影響。

圖1 不同處理水稻分蘗動態(tài)Fig．1 Dynamic of rice tiller under different treatments

2.3 不同復(fù)種方式對水稻根系的影響

不同處理早、晚稻成熟期根系測定結(jié)果(表3)表明:2年4季水稻根系的總干重以及在0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm土層中的分布均呈 ZDD＞YDD＞XDD的趨勢，且處理間差異達(dá)顯著或極顯著水平，說明冬種紫云英和油菜有利于水稻根系的生長。各處理水稻根系在0—5 cm和5—10 cm土層中分布較多，占根系總量的90%以上，10—20 cm土層中分布根系較少，其中早稻10—20 cm土層中分布的根系ZDD和YDD處理是XDD處理的2.1倍和1.8倍，晚稻為1.9倍和1.5倍。說明冬種紫云英和油菜不僅使各土層水稻根系總量增加，還促進(jìn)水稻根系向下延伸，有利于水稻對養(yǎng)分的吸收。

2.4 不同復(fù)種方式對土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的影響

由圖2可以看出，2年4季水稻成熟期土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈ZDD＞YDD＞XDD的趨勢。復(fù)種1年(2季)后，與試驗前相比，ZDD處理增加了0.1 g/kg，YDD 增加0.01 g/kg，而 XDD 略有減少，ZDD與XDD處理差異達(dá)顯著水平;復(fù)種2年(4季)后，ZDD處理土壤有機(jī)質(zhì)含量分別比YDD、XDD高0.58%、0.95%，差異顯著。土壤全氮含量亦呈ZDD＞YDD＞XDD的趨勢。復(fù)種1年后處理間差異不顯著;復(fù)種2年后，與試驗前相比，各處理土壤全氮含量均有提高，ZDD、YDD和XDD處理的提高幅度分別為 6.52%、2.17%和 0.72%，且 ZDD和XDD處理差異顯著?？梢?，相對冬閑處理，冬種紫云英和油菜種植均有利于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的積累。試驗結(jié)果還可以看出，相對試驗前，XDD處理土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量變化不大，可能與稻草還田對土壤肥力的維持有關(guān)。

表3 不同復(fù)種方式對水稻根量及土層分布的影響Table 3 Effects of different multiple cropping patterns on root dry weight and distribution in soil layer of hybrid rice

2.5 不同復(fù)種方式對土壤微生物的影響

試驗結(jié)果表明(表4)，復(fù)種 1年后，ZDD和YDD處理0—5 cm土層中的微生物數(shù)量差異較小，但極顯著高于XDD處理，增幅分別為31.5%和27.1%;5—10 cm、10—20 cm微生物呈ZDD＞YDD＞XDD，處理間的差異達(dá)顯著或極顯著水平;復(fù)種2年后，不同土層中的微生物數(shù)量ZDD處理均極顯著地高于YDD和XDD，YDD和XDD兩處理的微生物數(shù)量，在0—5 cm和10—20 cm土層中差異不顯著，但在5—10 cm土層中差異極顯著。

從不同類群微生物(表5)來看，復(fù)種1年后，土層中的細(xì)菌數(shù)量ZDD＞YDD＞XDD，差異達(dá)極顯著水平;真菌以YDD處理最高，XDD最少，處理間差異極顯著;放線菌ZDD與XDD處理差異不大，但均極顯著高于YDD處理。復(fù)種2年后，土層中的細(xì)菌數(shù)量與第一年規(guī)律相同;真菌數(shù)量變化較大，以ZDD處理最高，YDD處理最少，處理間差異顯著或極顯著;放線菌數(shù)量XDD＞ZDD＞YDD，處理間達(dá)顯著或極顯著差異。年度間，隨復(fù)種時間延長，細(xì)菌和放線菌數(shù)量各處理明顯增加，這與紫云英腐解量和稻草還田有關(guān)，而真菌數(shù)量YDD處理明顯減少，其原因有待進(jìn)一步研究。

圖2 不同復(fù)種方式對水稻成熟期土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的影響(2010～2011年)Fig．2 Effects of different multiple cropping patterns on Soil organic matter and soil total nitrogen in maturity stage of rice(2010－2011 year)

表4 不同復(fù)種方式對水稻土壤微生物的影響(×106cfu/g)Table 4 Effects of different multiple cropping patterns on soil microbial

表5 復(fù)種方式對水稻土壤微生物類群的影響Table 5 Effects of different multiple cropping patterns on soil microbes

2.6 不同復(fù)種方式對土壤酶活性的影響

土壤酶催化土壤中的一切生物化學(xué)反應(yīng)，對土壤肥力有重要影響。由表6可以看出，水稻收獲后，土壤中脲酶、轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶的活性均表現(xiàn)為ZDD＞YDD＞XDD。其中脲酶活性處理間早稻達(dá)極顯著差異，且晚稻ZDD處理極顯著高于YDD和XDD處理;轉(zhuǎn)化酶活性處理間2年表現(xiàn)不同，2010年早稻ZDD處理極顯著高于YDD、XDD處理，晚稻ZDD、YDD與XDD處理間差異顯著;2011年早、晚差異不顯著;過氧化氫酶活性處理間2年也有不同差異，2010年早稻處理間差異顯著或極顯著，晚稻ZDD與YDD差異不大，但ZDD極顯著高于XDD。2011年早、晚稻過氧化氫酶活性與脲酶活性的規(guī)律相同。土壤酶的活性年際間有一定變化，其原因可能與年度間取樣時的土壤水分、溫度和養(yǎng)分消耗程度等因素有關(guān)。土壤酶活性的大小與土壤理化性質(zhì)有關(guān)，尤其與土壤肥力的關(guān)系十分密切。相關(guān)分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量與土壤中脲酶、過氧化氫酶活性呈顯著或極顯著正相關(guān);土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量與轉(zhuǎn)化酶活性呈正相關(guān)，但沒有達(dá)到顯著水平。

表6 不同復(fù)種方式對土壤酶活性變化的影響Table 6 Effects of different multiple cropping patterns on soil enzyme activity changes

3 討論

本試驗結(jié)果表明，與冬閑處理相比，ZDD處理2年4季水稻產(chǎn)量明顯高于YDD、XDD處理，紫云英替代部分化肥能增加分蘗總量，優(yōu)化穗粒結(jié)構(gòu)而提高產(chǎn)量，其原因是ZDD處理有效穗的提高和每穗粒數(shù)的增加，而YDD和XDD處理相差不大。從養(yǎng)分供應(yīng)過程分析，早稻生育前期紫云英腐解由于溫度較低肥效緩慢，隨著時間延長，土壤養(yǎng)分含量逐漸提高，較好滿足水稻生長對養(yǎng)分的需求，至晚稻季仍產(chǎn)生后效;油菜種植消耗土壤一定養(yǎng)分，至水稻季雖然氮素得到補充，水稻產(chǎn)量并沒有表現(xiàn)明顯優(yōu)勢，但也沒有減產(chǎn)，值得一提的是由于油菜生育期較長，致使早稻移栽時間推遲可能對周年產(chǎn)量有一定的影響，因而生產(chǎn)中應(yīng)注意茬口安排。關(guān)于復(fù)種方式對產(chǎn)量的影響有較多的報道，大部分研究認(rèn)為綠肥作物與雙季稻輪作種植后，水稻產(chǎn)量顯著高于冬閑對照，且以紫云英處理表現(xiàn)最好，但結(jié)論是在不減施化肥的條件下［4，11－13］。另有研究認(rèn)為紫云英替代化肥對產(chǎn)量亦有促進(jìn)作用，但需要控制好紫云英用量［14－15］。劉春增［13］等研究了紫云英與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量100%、80%、60%、40%配施，結(jié)果顯示稻谷產(chǎn)量比僅施化肥處理分別增產(chǎn)4.5%、5.2%、2.8%、0.5%，紫云英還田與當(dāng)?shù)鼗适┯昧康?0%和60%配施是最優(yōu)組合，這與本文結(jié)果相似。

稻田復(fù)種輪作由于水旱交替引起土壤肥力的變化，土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成物質(zhì)，與作物產(chǎn)量和土壤肥力密切相關(guān)。在水作條件下由于還原細(xì)菌的作用增加了有機(jī)質(zhì)的積累，而在旱作時有機(jī)質(zhì)分解加快。復(fù)種輪作模式中，由于冬種作物的莖稈還田，一方面提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，使有效養(yǎng)分源源不斷地分解釋放，另一方面易氧化有機(jī)質(zhì)增加，增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)活性，提高土壤養(yǎng)分的供應(yīng)強(qiáng)度［11］。綠肥作物紫云英為豆科植物，能夠利用根瘤菌共生固氮，紫云英還田既增加土壤氮，也增加了土壤有效磷、鉀和有機(jī)質(zhì)，提高了土壤肥力［5］。冬種綠肥作物對土壤外源有機(jī)物料的增加，有利于增加微生物數(shù)量，這是因為有機(jī)肥本身含有一些微生物，同時有機(jī)肥刺激微生物繁殖［16－17］;冬種綠肥作物在生長過程中所產(chǎn)生的分泌物、凋落物均增加了土壤酶的含量，同時綠肥還田引起來自土壤微生物的土壤酶活性發(fā)生改變［18］。本試驗結(jié)果也表明，與冬閑處理相比，冬種紫云英和油菜提高了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量和微生物總量，促進(jìn)了土壤微生物活動和酶活性的增加。

兩年試驗結(jié)果表明，在總施氮量相同的條件下，不同復(fù)種方式對水稻產(chǎn)量和土壤肥力有明顯影響，其中以紫云英+雙季稻復(fù)種方式表現(xiàn)最佳，對雙季稻區(qū)減少化肥施用和緩解環(huán)境壓力有重要意義。

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