廖 萍 劉 磊 何宇軒 唐 剛 張 俊 曾勇軍 吳自明 黃 山,*

施石灰和秸稈還田對(duì)雙季稻產(chǎn)量和氮素吸收的互作效應(yīng)

廖 萍1劉 磊1何宇軒1唐 剛1張 俊2曾勇軍1吳自明1黃 山1,*

1教育部和江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 江西農(nóng)業(yè)大學(xué), 江西南昌 330045;2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所, 北京 100081

紅壤稻田面臨土壤酸化和肥力偏低的雙重挑戰(zhàn)。施石灰和秸稈還田分別是稻田土壤酸化改良和培肥的有效措施, 但二者的互作效應(yīng)尚不清楚。本研究連續(xù)4年(2015—2018年)在江西省開展施石灰和秸稈還田雙因素田間定位試驗(yàn), 旨在探明施石灰和秸稈還田對(duì)紅壤雙季稻田水稻產(chǎn)量和氮素吸收的互作效應(yīng)。結(jié)果表明, 施石灰和秸稈還田均顯著提高了早、晚稻的產(chǎn)量和氮素吸收, 且二者具顯著的協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)。秸稈還田下, 施石灰使早稻產(chǎn)量和氮素吸收分別增加10.7%和15.5%; 而在秸稈不還田下, 增幅僅分別為4.4%和9.7%。秸稈還田下, 石灰使晚稻產(chǎn)量和氮素吸收分別提高18.7%和24.6%; 但在秸稈不還田下, 增幅則分別為10.5%和5.7%。施石灰對(duì)早、晚稻產(chǎn)量和氮素吸收的促進(jìn)效應(yīng)隨試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾佣鴾p弱。石灰對(duì)土壤pH值的提升效應(yīng)隨試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)顯著降低。試驗(yàn)4年后, 石灰對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量均無(wú)顯著影響; 秸稈還田顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量, 而對(duì)全氮含量無(wú)顯著影響。因此, 秸稈還田配施石灰能夠協(xié)同實(shí)現(xiàn)雙季稻增產(chǎn)、土壤酸化改良與培肥。本研究表明在此酸性的紅壤雙季稻田上每4年左右施用一次石灰為宜。

土壤酸化; 秸稈還田; 石灰; 雙季稻; 產(chǎn)量; 氮素吸收

全球近一半人口以稻米為主食, 中國(guó)是世界上最大的水稻生產(chǎn)國(guó), 稻米產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的21.8% (http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC)。南方雙季稻區(qū)光溫水資源豐富, 是我國(guó)重要的稻作區(qū)域, 對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要意義(http://www. zzys.moa.gov.cn/)[1], 但其土壤pH較低, 加之長(zhǎng)期施用氮肥, 稻田土壤酸化嚴(yán)重, 已經(jīng)制約了水稻產(chǎn)量的持續(xù)提升[2-3]。

施用石灰是一種改良土壤酸化和提高作物產(chǎn)量的有效措施[4-5]。其作用主要表現(xiàn)為提高土壤pH值和鈣鹽含量, 降低土壤Al3+的毒害作用[6]。適量施用石灰能夠提高土壤緩沖能力, 促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)及其對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用[7]。還能夠提高土壤微生物數(shù)量和酶活性, 促進(jìn)有機(jī)物的礦化速率[8]。然而, 單施石灰雖對(duì)治理稻田土壤酸化效果顯著, 但在提升酸性土壤肥力方面作用有限[4]。

由于雙季稻區(qū)周年產(chǎn)量較高, 秸稈資源豐富, 是一種重要的土壤有機(jī)培肥資源[9]。隨著機(jī)械收獲的普及, 直接原位還田是目前最經(jīng)濟(jì)有效的秸稈資源化利用方式[10]。研究表明[11-12], 長(zhǎng)期秸稈還田能夠提高水稻產(chǎn)量和改善土壤肥力。然而, 在短期內(nèi), 秸稈還田對(duì)水稻的增產(chǎn)效果不明顯[13-14]。主要是因?yàn)榻斩捥嫉容^高, 直接還田后短期內(nèi)會(huì)引起微生物對(duì)氮素的固定, 不利于水稻生長(zhǎng)[8,13,15]。特別是在晚稻季, 由于前后茬時(shí)間緊張, 早稻秸稈還田后快速腐解往往會(huì)抑制晚稻分蘗[14]。而且, 秸稈的堿度較低, 秸稈還田在緩解土壤酸化方面作用有限[16-17]。因此, 我們假設(shè), 石灰和秸稈配施在利用石灰改善土壤酸化和促進(jìn)有機(jī)物分解的同時(shí), 能夠緩解短期內(nèi)秸稈還田的不利影響并發(fā)揮其培肥地力的功能, 對(duì)水稻生長(zhǎng)產(chǎn)生協(xié)同促進(jìn)作用。以往的研究主要側(cè)重對(duì)石灰或秸稈還田效應(yīng)的單獨(dú)分析, 對(duì)兩者的互作效應(yīng)關(guān)注較少[4,18]。我們?cè)谒嵝缘募t壤性雙季稻田上開展石灰和秸稈還田兩因素定位試驗(yàn), 旨在明確二者對(duì)水稻產(chǎn)量、氮素吸收和土壤性狀的互作效應(yīng)以及石灰的有效作用年限, 為南方雙季稻系統(tǒng)的持續(xù)增產(chǎn)、土壤酸化改良和培肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

江西省宜春市上高縣泗溪鎮(zhèn)曾家村(28°31'N, 115°09'E)。試驗(yàn)地屬于典型的亞熱帶氣候, 年平均降雨量和氣溫分別為1650 mm和17.5°C。種植制度為冬季休閑–早稻–晚稻。供試土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育而成的水稻土, 試驗(yàn)前耕層0~15 cm土壤容重1.1 g cm–3、pH 5.2、有機(jī)質(zhì)18.1 g kg–1、全氮1.1 g kg–1、全磷0.4 g kg–1、全鉀3.9 g kg–1、堿解氮115.0 mg kg–1、有效磷15.9 mg kg–1、有效鉀64.0 mg kg–1、土壤黏粒含量(< 0.002 mm) 17.0%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用二因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 小區(qū)面積為25 m2。共設(shè)置4個(gè)處理, 分別為: 1)對(duì)照(CK), 不施石灰、秸稈不還田; 2)施用石灰處理(L), 僅在2015年早稻翻耕前施用一次, 施用量為2.1 t hm–2 [19], 秸稈不還田; 3)秸稈還田處理(RS), 水稻收獲后, 將秸稈切成約10 cm小段后均勻拋撒, 不施石灰; 4)秸稈還田配施石灰處理(L+RS), 石灰和秸稈施用量及施用方式分別同L處理和RS處理。每個(gè)處理3次重復(fù)。4個(gè)處理的氮磷鉀化肥施用量和施用方式相同。氮肥、磷肥和鉀肥早稻施用量分別為純氮120 kg hm–2、純磷33 kg hm–2和純鉀62 kg hm–2; 晚稻施用量分別為純氮150 kg hm–2、純磷33 kg hm–2和純鉀62 kg hm–2。早晚稻均以尿素為氮肥, 基肥、分蘗肥和穗肥施用比例為5∶2∶3; 以鈣鎂磷肥為磷肥, 作基肥一次性施用; 以氯化鉀為鉀肥, 基肥和穗肥施用比例為5∶5。連續(xù)4年定位試驗(yàn)早稻品種均為常規(guī)秈稻中嘉早17, 晚稻品種均為雜交秈稻五優(yōu)308。采用水育秧方式, 2015—2018年早稻播種日期分別為3月22日、3月20日、3月23日和3月22日, 移栽日期分別為4月24日、4月21日、4月22日和4月16日; 晚稻播種日期分別為6月24日、6月22日、6月27日和6月24日, 移栽日期分別為7月22日、7月20日、7月26日和7月20日。早、晚稻的栽插密度分別為13.2 cm × 23.1 cm和13.2 cm × 26.4 cm, 基本苗分別為每穴4株和2株。采用人工插秧和收獲。早、晚稻季田間水分管理均采用移栽后淺水, 分蘗末期排水曬田, 復(fù)水后干濕交替直至收獲前1周左右斷水。冬季休閑期田間水分自然排干。病蟲草害防控按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培模式進(jìn)行。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

1.3.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成和生物量 在水稻成熟期, 調(diào)查每個(gè)小區(qū)120蔸計(jì)算有效穗, 按照平均數(shù)法從各小區(qū)取5蔸水稻, 手工脫粒, 利用水漂法考察穗粒結(jié)構(gòu)。另取各小區(qū)5蔸水稻, 將地上部植株從基部剪除后洗凈, 將莖鞘、葉和穗分開, 于105°C殺青30 min后, 70°C烘干至恒重。從各小區(qū)收割10 m2水稻機(jī)械脫粒后稱重, 并隨機(jī)取1 kg稻谷于70°C烘干測(cè)定含水量, 折合14%標(biāo)準(zhǔn)含水量的水稻產(chǎn)量。

1.3.2 氮素吸收 將植株烘干稱重后, 機(jī)械粉碎, 過(guò)0.25 mm篩。采用Kjeltec 8400全自動(dòng)凱氏定氮儀(福斯集團(tuán)公司, 丹麥)測(cè)定植株各器官氮素含量, 并根據(jù)各器官干物質(zhì)重和氮素含量計(jì)算地上部氮素吸收總量。

1.3.3 土壤性狀 收獲晚稻后, 于各小區(qū)采用五點(diǎn)法取0~15 cm耕層土樣, 自然風(fēng)干后, 過(guò)2 mm篩保存, 待測(cè)相關(guān)土壤屬性。采用PHS-3C pH測(cè)試儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司, 中國(guó))測(cè)定土壤pH值; 重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量; Kjeltec 8400全自動(dòng)凱氏定氮儀(福斯集團(tuán)公司, 丹麥)測(cè)定土壤全氮含量[19]。每年均測(cè)定土壤pH值, 而僅在2018年晚稻收獲后測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 18.0軟件(SPSS Inc., 美國(guó))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 于< 0.05水平進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。對(duì)于早稻和晚稻產(chǎn)量及其構(gòu)成、地上部氮素吸收量、周年產(chǎn)量、周年氮素吸收和土壤pH值采用石灰(L)、秸稈還田(RS)和年份(Y)三因素方差分析。對(duì)于4年總產(chǎn)量、4年總氮素吸收、土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量采用L和RS二因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施石灰和秸稈還田對(duì)早稻的影響

施石灰和秸稈還田均顯著提高早稻產(chǎn)量和氮素吸收(表1)。并且二者具顯著互作效應(yīng)。在秸稈還田條件下, 施石灰使早稻產(chǎn)量和氮素吸收分別增加10.7%和15.5%; 在秸稈不還田條件下, 增幅分別為4.4%和9.7% (圖1)。施石灰和試驗(yàn)?zāi)晗迣?duì)早稻產(chǎn)量和氮素吸收具有顯著互作效應(yīng)。施石灰對(duì)早稻產(chǎn)量和氮素吸收的促進(jìn)效應(yīng)在2016年最大, 之后增幅隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾又饾u降低, 在2018年施石灰對(duì)早稻產(chǎn)量和氮素吸收無(wú)顯著影響。從產(chǎn)量構(gòu)成來(lái)看, 施石灰顯著提高早稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù), 對(duì)結(jié)實(shí)率和千粒重?zé)o顯著性影響。秸稈還田亦顯著提高了早稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù), 但顯著降低了結(jié)實(shí)率。施石灰和秸稈還田對(duì)早稻各產(chǎn)量構(gòu)成因素均無(wú)顯著的互作效應(yīng)。

2.2 施石灰和秸稈還田對(duì)雙季晚稻的影響

與早稻結(jié)果相似, 施石灰和秸稈還田均顯著提高晚稻產(chǎn)量和氮素吸收, 且二者具顯著互作效應(yīng)(表2)。在秸稈還田條件下, 施石灰使晚稻產(chǎn)量和氮素吸收分別提高18.7%和24.6%; 而在秸稈不還田條件下, 增幅分別為10.5%和5.7% (圖2)。另外, 施石灰和試驗(yàn)?zāi)晗迣?duì)晚稻產(chǎn)量和氮素吸收也具有顯著互作效應(yīng)。施用石灰對(duì)晚稻產(chǎn)量的促進(jìn)效應(yīng)在2015年最大(+26.7%), 氮素吸收在2016年增幅最大(+30.7%), 之后增幅逐漸降低, 在2018年施石灰對(duì)晚稻產(chǎn)量和氮素吸收無(wú)顯著影響。施石灰顯著提高了晚稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù), 而對(duì)結(jié)實(shí)率無(wú)顯著性影響。秸稈還田顯著提高了晚稻的每穗粒數(shù), 對(duì)有效穗數(shù)和千粒重均無(wú)顯著影響, 但顯著降低晚稻結(jié)實(shí)率。施石灰和秸稈還田對(duì)晚稻有效穗數(shù)具有顯著的協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)。施石灰和秸稈還田對(duì)晚稻有效穗數(shù)和氮素吸收正的互作效應(yīng)隨試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾颖憩F(xiàn)降低趨勢(shì)(L×RS×Y:< 0.01)。在秸稈還田條件下, 施用石灰對(duì)晚稻氮素吸收的促進(jìn)效應(yīng)在2016年最大(46.7%), 有效穗數(shù)在2015年增幅最大, 達(dá)27.3% (圖2)。

表1 施石灰和秸稈還田對(duì)雙季早稻產(chǎn)量及其構(gòu)成、氮素吸收的影響(F值)

*和**分別表示在0.05和0.01概率水平下差異顯著。

*and**: significant at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

圖1 施石灰和秸稈還田對(duì)雙季早稻產(chǎn)量及其構(gòu)成、氮素吸收的影響(2015–2018)

CK、L、RS和L+RS分別表示對(duì)照、單施石灰、秸稈還田、秸稈還田配施石灰。誤差線表示平均值的標(biāo)準(zhǔn)差(= 3)。同一年份標(biāo)的不同小寫字母的柱值在不同處理間差異顯著(< 0.05)。

CK, L, RS, and L+RS mean control, liming, straw incorporation, and straw incorporation with liming, respectively. Error bars represent the standard deviation of the mean (= 3). Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05 in the same year.

表2 施石灰和秸稈還田對(duì)雙季晚稻產(chǎn)量及其構(gòu)成、氮素吸收的影響(F值)

*和**分別表示在0.05和0.01概率水平下差異顯著。

*and**significant at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

圖2 石灰和秸稈還田對(duì)雙季晚稻產(chǎn)量及其構(gòu)成、氮素吸收的影響(2015–2018)

縮寫同圖1。誤差線表示平均值的標(biāo)準(zhǔn)差(= 3)。同一年份標(biāo)的不同小寫字母的柱值在不同處理間差異顯著(< 0.05)。

Abbreviations are the same as those given in Fig. 1. Error bars represent the standard deviation of the mean (= 3). Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05 in the same year.

2.3 施石灰和秸稈還田對(duì)雙季稻周年產(chǎn)量和氮素吸收的影響

施石灰和秸稈還田均顯著提高周年產(chǎn)量和周年氮素吸收, 且二者具顯著互作效應(yīng)(圖3-a, b)。在秸稈還田條件下, 施石灰使周年產(chǎn)量和周年氮素吸收分別提高15.0%和20.1%; 而在秸稈不還田條件下, 增幅分別為7.9%和7.5%。施石灰和試驗(yàn)?zāi)晗迣?duì)周年產(chǎn)量和周年氮素吸收均具有顯著互作效應(yīng)。施石灰對(duì)周年產(chǎn)量和周年氮素吸收的促進(jìn)效應(yīng)在2016年最大, 之后增幅隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾又饾u降低, 在2018年施石灰對(duì)周年產(chǎn)量和周年氮素吸收無(wú)顯著影響。

施石灰和秸稈還田均顯著提高4年的總產(chǎn)量和總氮素吸收, 且二者具顯著互作效應(yīng)(圖3-c, d)。在秸稈還田條件下, 施石灰使總產(chǎn)量和總氮素吸收分別提高15.0%和20.1%; 而在秸稈不還田條件下, 增幅分別為7.9%和7.5%。

2.4 施石灰和秸稈還田對(duì)土壤pH值的影響

施石灰和秸稈還田均顯著提高土壤pH值, 但無(wú)顯著互作效應(yīng)(圖4)。施石灰與試驗(yàn)?zāi)晗迣?duì)土壤pH值有顯著的互作效應(yīng)。隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾? 施石灰對(duì)土壤pH值的正效應(yīng)減弱, 到2018年4個(gè)處理間無(wú)顯著差異。

2.5 施石灰和秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的影響

試驗(yàn)進(jìn)行4年后, 施石灰對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)無(wú)顯著影響, 而秸稈還田顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)(圖5-a)。施石灰和秸稈還田對(duì)土壤全氮均無(wú)顯著影響(圖5-b),且對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量均無(wú)顯著的互作效應(yīng)。

3 討論

3.1 施石灰和秸稈還田對(duì)雙季稻產(chǎn)量和氮素吸收的互作效應(yīng)

與前人研究一致, 秸稈還田能夠顯著提高雙季早稻的產(chǎn)量和氮素吸收[20]。原因主要是: (1)雙季稻系統(tǒng)較長(zhǎng)的冬閑期有利于晚稻秸稈還田后的腐解礦化[8]。本研究也表明, 晚稻秸稈還田顯著提高了第2年早稻的有效穗數(shù), 說(shuō)明晚稻秸稈還田并不會(huì)導(dǎo)致氮素固定和抑制早稻的分蘗。(2)秸稈自身氮素以及其他營(yíng)養(yǎng)元素的礦化分解能夠提高養(yǎng)分供給[14,21]。(3)秸稈還田能夠改善土壤結(jié)構(gòu), 促進(jìn)根系發(fā)育及其對(duì)土壤養(yǎng)分的吸取[22-23]。此外, 秸稈為土壤微生物提供了大量的碳源, 提高了土壤微生物的數(shù)量和活性[8,24]。然而, 與我們的結(jié)果不同, 有研究表明[13-14], 秸稈還田對(duì)雙季晚稻無(wú)顯著增產(chǎn)效應(yīng)。主要是因?yàn)? 在雙季稻系統(tǒng)早稻秸稈還田到晚稻秧苗移栽僅間隔10 d左右, 加之氣溫較高, 大量高碳氮比秸稈的快速腐解可能會(huì)導(dǎo)致微生物對(duì)土壤氮素的固定、水稻前期根系活力下降, 從而抑制水稻分蘗, 最終影響水稻穗數(shù)[8,14,25]。與前人研究結(jié)果相似, 本研究也發(fā)現(xiàn)秸稈還田導(dǎo)致2015—2017年晚稻有效穗數(shù)下降(圖2-c), 但是晚稻產(chǎn)量卻顯著增加(表2)?？赡苁请m然秸稈還田降低了晚稻有效穗數(shù), 但土壤微生物前期固定的氮素之后又被逐漸釋放, 促進(jìn)了后期水稻的穗分化、光合作用和灌漿速率, 從而提高了每穗粒數(shù)和產(chǎn)量[8]。另外, 筆者推測(cè), 稻田土壤肥力的差異以及不同品種的生長(zhǎng)發(fā)育和需肥特性不同也可能是導(dǎo)致早稻秸稈還田對(duì)晚稻產(chǎn)量效應(yīng)不一致的原因。有研究表明[26], 秸稈還田在低肥力土壤上對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量提升效果更顯著, 有利于水稻增產(chǎn)。

圖3 施石灰和秸稈還田對(duì)雙季稻周年產(chǎn)量(a)、周年氮素吸收(b)、4年總產(chǎn)量(c)和總氮素吸收(d)的影響

縮寫同圖1。誤差線表示平均值的標(biāo)準(zhǔn)差(= 3)。同一年份標(biāo)的不同小寫字母的柱值在不同處理間差異顯著(< 0.05)。

Abbreviations are the same as those given in Fig. 1. Error bars represent the standard deviation of the mean (= 3). Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05 in the same year.

圖4 施石灰和秸稈還田對(duì)土壤pH值的影響(2015–2018)

縮寫同圖1。誤差線表示平均值的標(biāo)準(zhǔn)差(= 3)。同一年份標(biāo)的不同小寫字母的柱值在不同處理間差異顯著(< 0.05)。

Abbreviations are the same as those given in Fig. 1. Error bars represent the standard deviation of the mean (= 3). Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05 in the same year.

圖5 施石灰和秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)(a)和全氮(b)含量的影響(2018年)

縮寫同圖1。誤差線表示平均值的標(biāo)準(zhǔn)差(= 3)。同一年份標(biāo)的不同小寫字母的柱值在不同處理間差異顯著(< 0.05)。

Abbreviations are the same as those given in Fig.1. Error bars represent the standard deviation of the mean (= 3). Bars superscripted by different letters are significantly different at< 0.05 in the same year.

本研究表明, 在酸性稻田上施用石灰能夠顯著提高早、晚稻的產(chǎn)量和氮素吸收, 且和秸稈還田具有顯著的協(xié)同促進(jìn)作用, 這與我們的假設(shè)一致。施石灰和秸稈還田對(duì)早稻產(chǎn)量正的互作效應(yīng)主要是由于二者協(xié)同促進(jìn)了地上部氮素吸收(表1)。這有利于促進(jìn)光合作用和同化物向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn), 增加水稻產(chǎn)量[8,27]。而晚稻正的互作效應(yīng)主要是由于施石灰和秸稈還田對(duì)有效穗數(shù)和氮素吸收具有顯著的協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)(表2)。為什么秸稈還田配施石灰能顯著促進(jìn)水稻氮素吸收？主要是因?yàn)槭夷軌蛱岣咄寥捞嫉x相關(guān)的酶活性, 提高有機(jī)凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速率[8,28], 從而緩解秸稈還田對(duì)土壤速效氮的固定, 進(jìn)而促進(jìn)水稻的氮素吸收和生長(zhǎng)以及產(chǎn)量形成。特別是在晚稻季, 施石灰緩解了早稻秸稈還田對(duì)晚稻前期分蘗的不利影響, 因此施石灰和秸稈還田對(duì)晚稻有效穗數(shù)具有正的互作效應(yīng)。

本研究表明, 施石灰和秸稈還田協(xié)同促進(jìn)雙季稻氮素吸收, 但試驗(yàn)4年后土壤全氮含量無(wú)顯著變化。原因可能是土壤的基礎(chǔ)氮素庫(kù)容較大, 短期內(nèi)水稻對(duì)土壤氮庫(kù)的影響尚未顯現(xiàn), 需要更長(zhǎng)時(shí)間才能探測(cè)出各處理土壤全氮含量的差異。但可以推測(cè), 如果石灰施用下水稻氮素吸收的增加主要是來(lái)自肥料氮(化肥氮或稻草氮), 則石灰能夠提高氮肥利用效率、降低環(huán)境污染; 如果是土壤氮, 則需要關(guān)注土壤氮庫(kù)的平衡和地力的維持。因此, 下一步研究需要采用15N交叉標(biāo)記肥料氮和秸稈氮, 以揭示石灰施用條件下水稻氮素吸收的來(lái)源[15]。另外, 試驗(yàn)進(jìn)行4年后, 秸稈還田顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量, 但在2018年, L、RS和L+RS處理間晚稻產(chǎn)量無(wú)顯著差異。其一, 隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng), 石灰改良土壤酸化的效果在逐漸減弱, 導(dǎo)致其促進(jìn)有機(jī)物礦化的效果下降[28]。其二, 秸稈還田在晚稻季對(duì)水稻生長(zhǎng)的負(fù)效應(yīng)大于早稻季, 主要是由于早稻季的秸稈腐解抑制了晚稻的前期分蘗[14]。最后, 秸稈還田雖然能夠顯著提高土壤有機(jī)質(zhì), 但對(duì)水稻產(chǎn)量的影響還受其他因素的共同作用, 如秸稈的腐解程度、氮素的有效性等[29]。因此, 可能需要更長(zhǎng)時(shí)間的秸稈還田對(duì)土壤培肥的效應(yīng)才能體現(xiàn)在雙季晚稻產(chǎn)量的增加。

3.2 石灰的作用年限

本研究表明, 施石灰和試驗(yàn)?zāi)晗迣?duì)雙季早、晚稻產(chǎn)量和氮素吸收具有顯著互作效應(yīng), 早、晚稻產(chǎn)量分別在2016年和2015年增幅最大(圖1-a, 圖2-a), 氮素吸收均在2016年增幅最大(圖1-b, 圖2-b), 之后增幅逐漸降低。有研究表明[18], 隨著年限的增加, 石灰改良后的酸化土壤容易出現(xiàn)反酸現(xiàn)象。本研究也發(fā)現(xiàn)相似結(jié)果, 石灰改良土壤酸化的效果逐漸減弱, 且試驗(yàn)第4年(2018年)對(duì)土壤pH值無(wú)顯著影響(圖4)。當(dāng)石灰對(duì)土壤pH值的正效應(yīng)減弱時(shí), 石灰對(duì)有機(jī)物礦化的促進(jìn)效果可能也會(huì)隨之降低, 從而降低養(yǎng)分的釋放速率, 減弱其對(duì)水稻產(chǎn)量和氮素吸收的促進(jìn)效應(yīng)[18,28]。到2018年施石灰對(duì)早、晚稻產(chǎn)量和氮素吸收均無(wú)顯著影響。同時(shí), 三因素方差分析表明, 施石灰和秸稈還田對(duì)晚稻氮素吸收的協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)隨試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾右舱w表現(xiàn)降低趨勢(shì)。因此, 隨著化肥氮的持續(xù)施用, 土壤H+會(huì)不斷產(chǎn)生中和石灰的堿性, 土壤pH也會(huì)隨之回落。本研究表明, 在此酸性的紅壤稻田每4年左右施用一次石灰為宜。但是, 應(yīng)該指出, 不同的田塊土壤屬性不同、初始土壤pH值以及施氮量和產(chǎn)量水平也不同, 導(dǎo)致其對(duì)石灰的需要量以及石灰的有效作用年限有所差異[30-32]。因此, 應(yīng)因地制宜根據(jù)水稻產(chǎn)量和土壤酸度的響應(yīng)確定石灰的再次施用時(shí)間[18,32]。

4 結(jié)論

施石灰和秸稈還田能夠協(xié)同提高雙季稻產(chǎn)量, 主要是因?yàn)槎邊f(xié)同促進(jìn)了水稻的氮素吸收。試驗(yàn)4年后, 施石灰對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著性影響, 而秸稈還田顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。因此, 秸稈還田的同時(shí)配施石灰不僅能夠提高雙季稻產(chǎn)量, 而且能夠改良土壤酸化和培肥地力。石灰對(duì)稻田土壤酸化的改良效果到第4年已經(jīng)不顯著。對(duì)酸化的紅壤稻田每4年左右施用一次石灰為宜。但是, 石灰和秸稈還田對(duì)雙季稻產(chǎn)量的協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)是否能夠維持, 且石灰和秸稈配施對(duì)土壤的長(zhǎng)期培肥效果均需持續(xù)監(jiān)測(cè)。

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Interactive effects of liming and straw incorporation on yield and nitrogen uptake in a double rice cropping system

LIAO Ping1, LIU Lei1, HE Yu-Xuan1, TANG Gang1, ZHANG Jun2, ZENG Yong-Jun1, WU Zi-Ming1, and HUANG Shan1,*

1Ministry of Education and Jiangxi Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, Jiangxi, China;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

Soilacidification and low fertility limit crop productivity in red paddy soils. Liming and straw incorporation are effective practices to alleviate soil acidification and improve soil fertility, respectively, while their interaction is still unclear. A four-year field experiment was conducted in a double rice cropping system with red paddy soil in Jiangxi province to examine the interactive effect of liming and straw incorporation on rice yield and nitrogen (N) uptake from 2015 to 2018. Either liming or straw incorporation increased grain yield and N uptake in both early and late rice seasons. Lime application increased yield and N uptake by 10.7% and 15.5% under straw incorporation, while by 4.4% and 9.7% with straw removal in the early rice season, respectively. In contrast, liming enhanced yield and N uptake by 18.7% and 24.6% in the straw-incorporated treatments in the late rice season, respectively, whereas only by 10.5% and 5.7% in the straw-removed treatments. The effect of liming on enhancing grain yield, N uptake and soil pH for both early and late rice diminished in the present of time. Neither soil organic matter nor total N content was significantly affected by liming after the four-year experiment. Straw incorporation significantly increased soil organic matter, but had no effect on total N. Therefore, limes should be applied along with straw incorporation to simultaneously increase double rice yield, alleviate soil acidification, and improve soil fertility on acidic paddies. Besides, our results suggest that limes should be applied approximately every four years in the double rice cropping system with acidic red soil.

soil acidification; straw incorporation; liming; double rice; grain yield; nitrogen uptake

2019-04-01;

2019-08-09;

2019-09-03.

10.3724/SP.J.1006.2020.92016

黃山, E-mail: ecohs@126.com

E-mail: 763979314@qq.com

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31701383)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0301102)資助。

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (31701383) and the National Key Research and Development Program of China (2018YFD0301102).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190902.1810.010.html