史云峰,周娜娜,黎 明,趙牧秋

(海南熱帶海洋學(xué)院 生命科學(xué)與生態(tài)學(xué)院, 海南 三亞 572022)

秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對(duì)土壤肥力的影響

史云峰,周娜娜,黎 明,趙牧秋

(海南熱帶海洋學(xué)院 生命科學(xué)與生態(tài)學(xué)院, 海南 三亞 572022)

為了解秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對(duì)土壤肥力的影響,本研究采用為期2年的連續(xù)田間試驗(yàn),分別設(shè)置水稻-水稻(SS)、水稻-西瓜(SX)、水稻-青瓜(SQ)、水稻-豇豆(SJ)、水稻-黃秋葵(SH)和水稻-草莓(SC)等6個(gè)處理,測(cè)定并比較了試驗(yàn)前后土壤pH和土壤肥力指標(biāo)的變化.研究結(jié)果表明,水稻連作時(shí)秸稈還田處理能夠顯著(P<0.05)提升土壤pH,但對(duì)土壤肥力無顯著(P<0.05)影響;水稻-瓜菜輪作時(shí)秸稈還田,不僅能使土壤pH升高,還能有效提升土壤有機(jī)質(zhì)、全量養(yǎng)分(全氮、全磷、全鉀)及有效養(yǎng)分(堿解氮、有效磷、速效鉀)含量,但水稻與不同種類瓜菜輪作時(shí)對(duì)土壤肥力的影響存在差異.

秸稈還田;水稻;輪作;土壤肥力

0 引言

作物秸稈中含有大量碳、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及豐富的微量元素[1],同時(shí)富含纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)[2].秸稈還田不僅能夠增加土壤中速效養(yǎng)分含量,還能提升土壤有機(jī)質(zhì)水平[3],進(jìn)而降低化肥用量,提高陸地土壤碳匯,優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境,提升作物產(chǎn)量[4],同時(shí)還能起到改善土壤理化性狀、降低土壤板結(jié)和連作障礙等作用,被認(rèn)為是一種資源、環(huán)保的農(nóng)田培肥措施[5].另一方面,輪作也是一種值得提倡的農(nóng)業(yè)耕作方式.輪作是指同一田地不同茬次有順序地輪換種植不同作物,是一種能夠維持地力、改善土壤環(huán)境的農(nóng)業(yè)精細(xì)耕作技術(shù)[6],同時(shí)也可提升土壤微生物數(shù)量和酶活性,尤其對(duì)減輕連作障礙具有積極作用[7].

三亞地區(qū)的勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中已形成非常穩(wěn)定的春水稻-秋瓜菜水旱輪作模式,同時(shí)為了培肥地力也養(yǎng)成了水稻秸稈還田的良好耕作習(xí)慣[8].水稻生長(zhǎng)期較長(zhǎng)且需肥量少,瓜菜生長(zhǎng)速度快且需肥量大,二者的養(yǎng)分需求特征明顯有異.本研究旨在探討秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對(duì)土壤肥力的影響,以期為三亞地區(qū)水旱輪作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的養(yǎng)分管理提供指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于三亞市天涯區(qū)妙林田洋(18°18′19″N,109°27′51″).所在地屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候,年平均氣溫25.4℃(最冷月21.0℃,最熱月28.5℃);年均降雨量1279～1625 mm,集中于4～10月;全年日照時(shí)數(shù)平均為2518.2 h,長(zhǎng)夏無冬、秋春相連、陽光充足,適合發(fā)展熱帶農(nóng)業(yè).試驗(yàn)地地勢(shì)平坦且肥力均勻、灌溉設(shè)施完備.土壤為磚紅壤水稻土,基礎(chǔ)肥力(JC)為:pH 4.75;有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別為19.21、0.95、2.05、5.54 g/kg;堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為109.4、46.3、73.8 mg/kg.

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

種植制度為春水稻-秋瓜菜輪作,水稻于每年2月份種植,7月份收獲;瓜菜于每年9月份種植,次年1月份結(jié)束.試驗(yàn)于2015年春季開始,完成2次輪作循環(huán),于2017年1月份結(jié)束.試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理:水稻-水稻連作(SS)、水稻-西瓜輪作(SX)、水稻-青瓜輪作(SQ)、水稻-豇豆輪作(SJ)、水稻-黃秋葵輪作(SH)和水稻-草莓輪作(SC);試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù).

每年于水稻收獲后,進(jìn)行水稻秸稈留高茬還田,即作物收獲時(shí)將秸稈留下較長(zhǎng)一部分,采用機(jī)械翻耕入土,秸稈還田量為2500 kg/hm2;瓜菜季殘余枝蔓不參與還田.肥料用量參照當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣,具體為:SS處理每茬施用尿素75 kg/hm2、復(fù)合肥(15-15-15)60 kg/hm2;各水稻-瓜菜輪作處理水稻季施肥與SS處理相同,瓜菜季施用商品有機(jī)肥7500 kg/hm2(基肥)、尿素750 kg/hm2(基肥、追肥合計(jì))、復(fù)合肥1200 kg/hm2(基肥、追肥合計(jì)).

1.3樣品采集與測(cè)定

2017年1月份待所有瓜菜采摘完畢后,取耕層0～20 cm土壤樣品(“S”形取樣法),混勻、風(fēng)干后待測(cè).

土壤pH采用電極法測(cè)定,有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定,全氮采用凱氏定氮法測(cè)定,堿解氮采用擴(kuò)散法測(cè)定,全磷采用酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定,有效磷采用Bray法測(cè)定,全鉀采用消煮-火焰光度法測(cè)定,速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對(duì)土壤pH的影響

秸稈還田并實(shí)施水稻-瓜菜輪作2年后,各處理土壤的pH參見圖1.由研究結(jié)果可知,SS處理在每年5000 kg/hm2的秸稈還田和常規(guī)耕作管理?xiàng)l件下,其pH比初始(基礎(chǔ)肥力,JC)時(shí)提升0.53個(gè)單位.各水稻-瓜菜輪作處理,除SX外,與JC比較均有顯著(P<0.05)提升,但SH、SC兩處理土壤pH提升幅度較小,而SQ和SJ提升幅度較大.土壤酸化的原因是土壤中H+的增加或鹽基離子的減少,土壤酸化往往會(huì)導(dǎo)致土壤中化學(xué)平衡遭到嚴(yán)重破壞.土壤酸化程度及速度受自然和人為諸多因素影響,其中不當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)措施是目前加速土壤酸化的主要原因.已有研究表明,秸稈還田和合理輪作均能有效緩解土壤酸化[9],這與本研究的結(jié)論一致.水稻-西瓜(SX)輪作不能改變土壤pH,可能與西瓜根系釋放質(zhì)子較多有關(guān)[10].

注:圖中誤差棒上方不同字母代表差異顯著(P<0.05),下同圖1 不同處理土壤pH

圖2 不同處理土壤有機(jī)質(zhì)含量

2.2秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤不僅是植物生長(zhǎng)的載體,還是自然界重要的碳庫(kù).土壤有機(jī)質(zhì)含量是衡量土壤質(zhì)量及供肥能力的主要指標(biāo)之一.由圖2可知,盡管SS處理秸稈還田量高于水稻-瓜菜輪作處理,但其有機(jī)質(zhì)含量與JC比較沒有顯著(P<0.05)提升;而各水稻-瓜菜輪作處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于JC和SS.這一方面可能由于在瓜菜種植前曾施用商品有機(jī)肥,而有機(jī)肥帶入和轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)的量高于秸稈還田;另一方面可能與輪作刺激土壤微生物活性,加快了土壤中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)的速率有關(guān)[11].同時(shí),這一研究結(jié)果再次證明秸稈還田和水旱輪作有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累.作物秸稈中含有大量有機(jī)物質(zhì),還田后可直接提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量,然而這類有機(jī)物質(zhì)需要在微生物及土壤酶等作用下分解轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)類物質(zhì),才能補(bǔ)充土壤中有機(jī)質(zhì)含量.事實(shí)上,秸稈還田提高土壤有機(jī)質(zhì)含量主要是通過微生物分解還田有機(jī)物料及其腐解物并轉(zhuǎn)化成活性有機(jī)碳來實(shí)現(xiàn).本研究SS處理土壤有機(jī)質(zhì)含量與JC比較沒有顯著提升,可能是秸稈還田持續(xù)時(shí)間較短,且試驗(yàn)所在地氣候高溫濕潤(rùn),土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率較快,秸稈還田導(dǎo)致的土壤有機(jī)質(zhì)的增量與土壤呼吸增強(qiáng)導(dǎo)致的土壤有機(jī)質(zhì)的減量相抵消所導(dǎo)致.

2.3秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對(duì)土壤全氮和堿解氮含量的影響

氮素是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中構(gòu)成生命體的重要成分,也是農(nóng)作物必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素.如圖3所示,水稻連作(SS)秸稈還田處理土壤無論全氮含量還是堿解氮含量均與JC無顯著性差異(P<0.05).除SJ處理外,其他水稻-瓜菜輪作處理土壤全氮含量均有明顯升高,與JC比較提升了29.5%～40.0%,與SS比較提升了9.8%～18.6%.SQ、SH和SC處理土壤堿解氮含量顯著高于JC(P<0.05);但除SQ外,其他水稻-瓜菜輪作處理土壤堿解氮含量均與SS無顯著性差異(P<0.05).通常,秸稈在土壤微生物作用下的礦化作用能促進(jìn)土壤氮素的循環(huán),提升土壤中氮素的有效性,但其效果受秸稈本身的碳/氮和種植過程的氮肥投入量影響:秸稈的碳/氮遠(yuǎn)高于土壤微生物的碳/氮,因此土壤微生物分解秸稈的過程須要吸收土壤中已有的無機(jī)氮,因此高氮肥用量的農(nóng)田(如各水稻-瓜菜輪作處理)有利于土壤微生物對(duì)秸稈的礦化[12].本研究SS處理與JC比較未能顯著提升土壤全氮和堿解氮的含量,也可能與水稻連作處理無機(jī)氮肥用量較低,加之作物吸收,導(dǎo)致秸稈還田后土壤中的碳/氮未能達(dá)到微生物礦化有機(jī)質(zhì)的合理比例有關(guān).

圖3 不同處理土壤全氮(A)和堿解氮(B)含量

2.4秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對(duì)土壤全磷和有效磷含量的影響

SS處理土壤全磷及有效磷含量與JC相比無顯著性(P<0.05)差異(圖4);除SH處理外,其他水稻-瓜菜輪作處理土壤全磷含量均顯著高于JC和SS處理;除SX處理外,其他水稻-瓜菜輪作處理土壤有效磷含量均顯著高于JC和SS處理.作物對(duì)磷素的需求是通過土壤中的磷素循環(huán)來滿足的[13].隨著大量氮肥的投入,土壤有效磷含量已成為許多農(nóng)田生產(chǎn)力的限制因子.在本研究中,水稻-瓜菜處理不僅有大量秸稈還田以補(bǔ)充農(nóng)田作物吸收的磷素,還在種植瓜菜時(shí)投入磷肥以增加土壤有效磷含量;同時(shí)秸稈還田-水旱輪作處理還有利于土壤中磷酸酶活性的提升,進(jìn)而加強(qiáng)土壤有機(jī)磷的礦化[14],因此秸稈還田條件下的水稻-瓜菜輪作有助于土壤全磷和有效磷含量的提升.

圖4 不同處理土壤全磷(A)和有效磷(B)含量

2.5秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對(duì)土壤全鉀和速效鉀含量的影響

不同處理對(duì)土壤全鉀和速效鉀含量的影響與氮、磷基本一致(圖5):在2年的試驗(yàn)結(jié)束后,SS處理土壤全鉀和速效鉀含量與JC均無顯著性差異;除SJ處理外,其他水稻-瓜菜輪作處理土壤全鉀均顯著(P<0.05)高于SS;除SQ處理外,其他水稻-瓜菜輪作處理土壤速效鉀含量均顯著(P<0.05)高于JC.秸稈中的鉀主要以離子態(tài)存在[15],因此秸稈還田后鉀元素向土壤的釋放速率主要受降水量、土壤含水量等因素的影響[16].已有研究表明,水旱輪作時(shí)采取秸稈還田不僅能夠提升土壤的供鉀能力,提高作物產(chǎn)量,還能促進(jìn)土壤中非交換態(tài)鉀素向交換態(tài)鉀素的轉(zhuǎn)化并維持新的動(dòng)態(tài)平衡[17].本研究的結(jié)果進(jìn)一步表明,秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作能夠有效提升土壤全鉀和速效鉀的含量.

圖5 不同處理土壤全鉀(A)和速效鉀(B)含量

3 結(jié) 論

(1)水稻連作時(shí)秸稈還田,2年后農(nóng)田土壤pH提升0.53個(gè)單位;水稻-瓜菜輪作時(shí)秸稈還田,也可有效提升土壤pH,但水稻與不同種類瓜菜輪作時(shí)效果有異.

(2)水稻連作時(shí)秸稈還田,2年后土壤有機(jī)質(zhì)含量未有顯著變化;水稻-瓜菜輪作時(shí)秸稈還田可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量.

(3)水稻連作時(shí)秸稈還田,2年后土壤全量養(yǎng)分(氮、磷、鉀)和有效養(yǎng)分(堿解氮、有效磷、速效鉀)含量均未見升高;水稻-瓜菜輪作時(shí)秸稈還田則可有效提升土壤全量養(yǎng)分和有效養(yǎng)分含量.

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EffectofRice-VegetableRotationonSoilFertilityunderStrawReturning

SHI Yun-feng,ZHOU Na-na, LI Ming, ZHAO Mu-qiu

(School of Life Science and Ecology, Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan 572022, China)

In order to conduct research on the effect of rice-vegetable rotation on soil fertility under straw returning, a field experiment, which lasted two years, was carried out.Six treatments—rice-rice (SS), rice-watermelon (SX), rice-cucumber (SQ), rice-cowpea (SJ), rice-okra (SH), and rice-strawberry (SC) —were set up, and soil pH and fertility indexes were examined before and after the experiment.The results showed that continuous rice cropping increased soil pH significantly (P<0.05) under straw returning, while the soil fertility was unaffected.The treatments of rice-vegetable rotation and straw returning not only raised soil pH, but also promoted soil organic matter, total nutrients (total nitrogen, total phosphorus and total potassium) and available nutrients—alkali hydrolyzable nitrogen, available phosphorus and available potassium—content.The results also indicated that the effect of rotation of rice and various kinds of vegetables are different on soil fertility.

straw returning; rice; rotation; soil fertility

格式：史云峰,周娜娜,黎明,等.秸稈還田條件下水稻-瓜菜輪作對(duì)土壤肥力的影響[J].海南熱帶海洋學(xué)院學(xué)報(bào),2017,24(5):76-80.

2017-08-13

海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20153109);海南耕地改良關(guān)鍵技術(shù)研究與示范專項(xiàng)及其配套項(xiàng)目(HNGDgl201501, 2015PT28); 三亞農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2014NK25)

史云峰(1981-),男,內(nèi)蒙古赤峰人,海南熱帶海洋學(xué)院生命科學(xué)與生態(tài)學(xué)院教授,博士,研究方向?yàn)橥寥琅c植物營(yíng)養(yǎng)學(xué).

趙牧秋(1983-),女,遼寧沈陽人,海南熱帶海洋學(xué)院生命科學(xué)與生態(tài)學(xué)院教授,博士,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué).

S513

A

2096-3122(2017) 05-0076-05

10.13307/j.issn.2096-3122.2017.05.13

(編校李由明)