大麥-雙季稻輪作體系有機(jī)物料與化肥配施對(duì)大麥資源利用效率及產(chǎn)量的影響

張 帆 楊 茜

湖南省土壤肥料研究所, 湖南長(zhǎng)沙 410125

湖南是長(zhǎng)江中游雙季稻主產(chǎn)區(qū), 冬季作物-雙季稻輪作是該區(qū)重要的三熟種植制度。目前對(duì)冬季作物-雙季稻輪作的研究, 冬季作物主要集中在紫云英、油菜、黑麥草及馬鈴薯[1-3], 研究?jī)?nèi)容主要關(guān)注在利用輪作倒茬效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)稻田土地資源的“種養(yǎng)結(jié)合”[4-7]、保障雙季稻穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)[1-8]及稻田固碳減排[9-10]等方面, 但是關(guān)于稻田冬春季光熱水資源利用率的研究極少, 特別是關(guān)于冬季作物大麥目前研究的進(jìn)展還不夠全面深入[11-14]。大麥?zhǔn)鞘澜绲谒拇蠛坦阮愖魑? 在稻田冬閑期種植冬季作物大麥, 能增加一季糧食作物產(chǎn)量, 增加地表綠色覆蓋進(jìn)而減輕或抑制冬春降雨引起的土壤侵蝕和氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)。大麥-雙季稻是湖南雙季稻種植區(qū)的主要水旱輪作種植模式之一。據(jù)湖南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù), 2012—2017年大麥平均播種面積為每年1600 hm2、平均單產(chǎn)為2846 kg hm–2; 2017年大麥單產(chǎn)為3929 kg hm–2, 總產(chǎn)量為5.5×106kg。

施肥是農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的主要技術(shù)管理措施。減施化肥配施有機(jī)物料是減少化肥負(fù)面環(huán)境影響與農(nóng)業(yè)廢棄物肥料化、資源化利用的有效措施之一。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)減肥增效綠色發(fā)展背景下, 當(dāng)前我國(guó)農(nóng)作制也向著生態(tài)環(huán)境友好、資源節(jié)約與高效利用、輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)方向發(fā)展[15-16]。輪作、間套作及復(fù)種等多熟種植模式, 集約高效利用農(nóng)田光熱水土自然資源的同時(shí)必須提高氮磷鉀養(yǎng)分資源利用效率, 以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效。合理利用稻田冬春的光熱水等氣候資源, 優(yōu)化施肥, 對(duì)湖南冬季作物-雙季稻生產(chǎn)具有重要的意義。

本研究以開展了34年的農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“不同施肥對(duì)土壤肥力變化長(zhǎng)期定位試驗(yàn)”長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)基地為依托, 分析比較在大麥-雙季稻輪作模式下不同有機(jī)物料與化肥配施對(duì)大麥光熱水資源利用效率、NPK養(yǎng)分資源利用效率及產(chǎn)量的影響, 旨在為湖南大麥-雙季稻輪作模式的綠色發(fā)展、資源的優(yōu)化配置與高效利用及大麥穩(wěn)產(chǎn)增效的農(nóng)田養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與栽培管理

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)在湖南省寧鄉(xiāng)縣農(nóng)技中心內(nèi)進(jìn)行, 試驗(yàn)小區(qū)均為防滲水泥池, 面積為66.7 m2, 規(guī)格為10 m (長(zhǎng)) ×6.67 m (寬) × 1.35 m (高), 四面及底部均嚴(yán)格密封, 并具有良好排灌設(shè)備。試驗(yàn)開始于1986年, 供試土壤為河沙泥水稻土, 種植制度為大麥-雙季稻。1986年試驗(yàn)前耕層土壤基礎(chǔ)理化性狀為[11]: 土壤有機(jī)質(zhì)29.39 g kg–1, 全氮2.01 g kg–1, 全磷0.59 g kg–1, 全鉀20.6 g kg–1, 有效氮144.1 mg kg–1, 速效磷12.87 mg kg–1, 速效鉀33.0 mg kg–1, pH為6.85。

本研究選擇了長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中4個(gè)施肥處理[11-12]: (1)氮磷鉀化肥處理, 簡(jiǎn)稱NPK; (2) 氮磷鉀化肥+水稻秸稈處理, 簡(jiǎn)稱NPK+straw; (3) 有機(jī)肥氮替代30%化學(xué)氮處理, 簡(jiǎn)稱NPK+LOM, 用有機(jī)肥中氮替代30%化肥氮用量,余下70%氮采用化肥氮; (4) 有機(jī)肥氮替代60%化學(xué)氮處理, 簡(jiǎn)稱NPK+HOM, 用有機(jī)肥中氮替代60%化肥氮用量,余下40%氮采用化肥氮。各處理以等氮量為基準(zhǔn), 不足的氮、磷、鉀肥用化肥補(bǔ)足(氮、磷、鉀化肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀), 保證大麥季、早稻季及晚稻季各施肥處理的N、P2O5和K2O施用量均一致[11-12]。大麥季各施肥處理總施N 157.5 kg hm–2、P2O543.2 kg hm–2和K2O 81.0 kg hm–2; 早稻季各施肥處理總施N 142.5 kg hm–2、P2O554.0 kg hm–2和K2O 63.0 kg hm–2; 晚稻季各施肥處理總施N 157.5 kg hm–2、P2O543.2 kg hm–2和K2O 81.0 kg hm–2。由于該長(zhǎng)期定位試驗(yàn)開始于30多年以前, 受當(dāng)時(shí)條件的限制沒有設(shè)置重復(fù)。

大麥-雙季稻輪作各處理農(nóng)事操作為[11-12]: 大麥季有機(jī)肥2015年開始為腐熟豬糞(2015年以前為腐熟雞糞),早稻季和晚稻季有機(jī)肥均為腐熟雞糞; 氮磷鉀化肥+水稻秸稈處理(NPK+straw)在大麥季、早稻季、晚稻季的稻草施用量分別為3000、2775和3600 kg hm–2; 三季各施肥處理秸稈和有機(jī)肥均于稻田耕地時(shí)作基肥一次性施入; 氮、鉀化肥基追肥比例均按7∶3施用, 基肥在耕地時(shí)施入,大麥季追肥在分蘗期施用, 早、晚稻季追肥均在水稻秧苗移栽后7 d施用; 化肥磷均在耕地時(shí)作基肥一次性施入。湖南自然降雨量主要集中在冬春季, 本研究中大麥季各處理人工灌溉水輸入量年際間變化范圍為375~420 m3hm–2, 主要依據(jù)當(dāng)年大麥生育期內(nèi)自然降雨情況適時(shí)補(bǔ)充分蘗水、或拔節(jié)水、或開花水。各處理大麥季、早稻季及晚稻季灌溉方式均為自流, 麥季排水方式均為自然落干, 各處理各作物季人工灌溉水輸入量均相同。其他管理措施同常規(guī)大田生產(chǎn)。

2019—2020輪作周年里大麥供試品種‘為通0612’(Hordeum vulgareL.), 播種量為250 kg hm–2。于2019年11月8日耕地和施基肥, 11月9日播種大麥, 2020年1月10日追肥, 4月30日收獲。有機(jī)肥氮替代30%化學(xué)氮肥處理(NPK+LOM)和有機(jī)肥氮替代60%化學(xué)氮肥(NPK+HOM)處理在大麥季的有機(jī)肥施用量分別為2671.4 kg hm–2和5340.7 kg hm–2(有機(jī)肥全N、全P、全K含量分別為17.7 g kg–1、3.58 g kg–1、9.29 g kg–1); 氮磷鉀化肥+水稻秸稈處理(NPK+straw)的稻草秸稈全N、全P、全K含量分別為9.1 g kg–1、1.3 g kg–1、18.9 g kg–1。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 氣象因子的監(jiān)測(cè) 所用氣象數(shù)據(jù)由湖南省氣象局提供。利用生成的日值氣象資料, 計(jì)算大麥-雙季稻輪作模式大麥種植季(大麥生育期為2019年11月9日至2020年4月30日)的降雨量、總輻射及≥0℃積溫。2019—2020輪作周年里大麥種植季降雨量為676.4 mm, 太陽(yáng)總輻射為1545.03 MJ m–2, ≥0℃積溫為1994.00。

1.2.2 大麥樣品的采集與測(cè)定 于2020年4月30日,大麥成熟收獲時(shí)從每處理小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的大麥3個(gè)1.0 m2樣方點(diǎn), 計(jì)算每個(gè)樣方點(diǎn)內(nèi)大麥有效穗數(shù), 從每個(gè)樣方點(diǎn)中隨機(jī)選取10株大麥植株(分為大麥籽粒和秸稈)測(cè)定其干物質(zhì)量。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)處理每小區(qū)大麥單打單收,脫粒并曬干去雜質(zhì)測(cè)其籽粒產(chǎn)量。

植株樣均是105℃殺青1.0 h, 80℃烘干至恒重, 測(cè)其各部分干物質(zhì)量后磨碎過篩。采用硫酸-過氧化氫消煮-擴(kuò)散法測(cè)定植株樣全N[15], 采用硫酸-過氧化氫消煮-鉬銻抗比色法測(cè)定植株樣全P[15], 采用硫酸-過氧化氫消煮-火焰光度法測(cè)定植株樣全K[15]。

以取樣的3個(gè)1.0 m2樣方點(diǎn)作為重復(fù), 2019—2020輪作周年里大麥籽粒、秸稈生物量及其NPK養(yǎng)分含量見表1。

表1 大麥-雙季稻輪作有機(jī)物料與化肥配施對(duì)大麥籽粒和秸稈生物量及其NPK養(yǎng)分含量的影響Table 1 Effect of combination of organic material and chemical fertilizer on grain, straw biomass, and NPK nutrient content of barley under barley-double cropping rice rotation system

1.2.3 土壤樣品的采集與測(cè)定 于2020年4月30日即大麥成熟收獲時(shí), 依據(jù)S形5點(diǎn)采樣法用內(nèi)徑20 mm的土鉆, 采集各處理0~30 cm土壤新鮮樣品, 混勻風(fēng)干過篩, 用于測(cè)定土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷及速效鉀[17]。

1.3 物質(zhì)、能量生產(chǎn)與光熱水及養(yǎng)分資源效率分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

1.3.1 干物質(zhì)產(chǎn)能 單位面積生產(chǎn)的干物質(zhì)產(chǎn)量與其干重?zé)嶂?即單位干物質(zhì)熱量)的乘積為干物質(zhì)產(chǎn)能[18]。干重?zé)嶂?GCV)指每千克干物質(zhì)完全燃燒所釋放的能量(kJ kg–1), 本試驗(yàn)中大麥籽粒干重?zé)嶂礫19]為16,066.56 kJ kg–1,大麥秸稈干重?zé)嶂礫19]為13,755.11 kJ kg–1。

干物質(zhì)產(chǎn)能(MJ m–2)=單位面積的干物質(zhì)產(chǎn)量×干重?zé)嶂?/p>

1.3.2 光能生產(chǎn)效率與光能利用率(太陽(yáng)輻射利用率)

太陽(yáng)輻射資源是重要的農(nóng)業(yè)氣候資源之一, 是植物進(jìn)行光合作用的必要條件, 使植物能夠正常生長(zhǎng)、發(fā)育及形成產(chǎn)量[20]。光能生產(chǎn)效率和光能利用率是衡量農(nóng)作物利用太陽(yáng)輻射資源的重要指標(biāo)[21-22], 光能生產(chǎn)效率是指植物通過光合作用將太陽(yáng)能固定為碳水化合物的效率, 其值越高表明植物將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為碳水化合物和有機(jī)物的能力越強(qiáng)[23-24]; 光能利用率是指單位土地面積上作物光合作用所合成的有機(jī)物中貯存的化學(xué)能占照射在該土地面積上的太陽(yáng)光能量的百分?jǐn)?shù)[25]。

光能生產(chǎn)效率(g MJ–1) = 干物質(zhì)生產(chǎn)量/單位面積作物生育期的太陽(yáng)總輻射

光能利用率(%) = 干物質(zhì)產(chǎn)能/單位面積作物生育期的太陽(yáng)總輻射×100%

1.3.3 積溫生產(chǎn)效率 熱量資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要自然資源, 在正常水分條件下, 熱量資源決定了作物的產(chǎn)量及生長(zhǎng)發(fā)育[20]。積溫生產(chǎn)效率是衡量農(nóng)作物利用熱量資源的重要指標(biāo)[18,20-21]。本文統(tǒng)計(jì)大麥生長(zhǎng)期≥0℃積溫作為冬季作物大麥的熱量資源, 即大麥生育期的有效積溫為≥0℃積溫。

積溫生產(chǎn)效率(kg ℃–1d–1hm–2)=單位面積干物質(zhì)生產(chǎn)量/作物生育期的有效積溫

1.3.4 水分生產(chǎn)效率 水分生產(chǎn)效率[18,21]反映水資源(包括自然降雨和人工灌溉水)對(duì)作物產(chǎn)量形成的貢獻(xiàn)。本文冬季作物大麥種植季人工灌溉水輸入量每小區(qū)為375 m3hm–2, 總耗水量為大麥生育期自然降水量與人工灌溉水之和。

水分生產(chǎn)效率(kg m–3) = 單位面積干物質(zhì)生產(chǎn)量(kg hm–2)/總耗水量(m3hm–2)

1.3.5 養(yǎng)分利用效率 養(yǎng)分利用效率是評(píng)價(jià)作物養(yǎng)分吸收和利用的重要指標(biāo), 也是評(píng)價(jià)相關(guān)施肥制度的重要依據(jù)[26]。養(yǎng)分收獲指數(shù)反映了作物吸收養(yǎng)分后在籽粒中的分配比例[26]。養(yǎng)分偏生產(chǎn)力是指單位投入的肥料養(yǎng)分所能生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量[27]。

養(yǎng)分積累總量 = ∑成熟期地上部各部位干物質(zhì)重×各部位養(yǎng)分含量

養(yǎng)分收獲指數(shù)(%) = 籽粒養(yǎng)分積累量/養(yǎng)分積累總量×100%

養(yǎng)分偏生產(chǎn)力(kg kg–1) = 籽粒產(chǎn)量/養(yǎng)分施用量

1.4 大麥產(chǎn)量穩(wěn)定性與可持續(xù)性的統(tǒng)計(jì)分析

產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(sustainable yield index, SYI)和變異系數(shù)(coefficient of variation, CV)是衡量系統(tǒng)持續(xù)生產(chǎn)的重要參數(shù)[1,28]。產(chǎn)量穩(wěn)定性用變異系數(shù)表示, 用來分析同一作物產(chǎn)量在不同年份間的變異程度, 其值越小, 說明產(chǎn)量穩(wěn)定性越高[1,28]。產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)是衡量生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)生產(chǎn)的參數(shù), 其值越大, 說明系統(tǒng)可持續(xù)性越好[1,28]。考慮大麥品種屬性的差異, 本研究運(yùn)用長(zhǎng)期定位試驗(yàn)2011—2020年大麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析大麥產(chǎn)量穩(wěn)定性與產(chǎn)量可持續(xù)性。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel數(shù)據(jù)表和DPS 9.0 (Data Processing System for Practical Statistics)軟件進(jìn)行分析整理數(shù)據(jù), 用Duncan’s新復(fù)極差法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)差異的顯著性水平(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 大麥-雙季稻輪作有機(jī)物料與化肥配施對(duì)大麥光熱水資源利用率的影響

在大麥-雙季稻輪作模式里, 不同有機(jī)物料與化肥配施下大麥的光溫水生產(chǎn)效率與麥季光能利用率見表2。NPK+HOM處理大麥的光溫水生產(chǎn)效率與麥季光能利用率是最高的, 其中NPK+HOM處理大麥光能生產(chǎn)效率比NPK、NPK+straw、NPK+LOM處理分別提高了0.03、0.04、0.02 g MJ–1, 增幅分別為7.7%、10.5%、5.0% (P<0.05); NPK+HOM處理大麥的積溫生產(chǎn)效率、水分生產(chǎn)效率及麥季光能利用率比NPK+straw處理分別提高了0.28 kg ℃–1d–1hm–2、0.08 kg m–3、0.05%, 增幅分別為9.4%、9.6%、9.1% (P<0.05)。

表2 大麥-雙季稻輪作有機(jī)物料與化肥配施對(duì)大麥光熱水資源利用率的影響Table 2 Effect of combination of organic material and chemical fertilizer on solar radiation, GDD (growing degree days), water production efficiency, and radiation use efficiency of barley under barley-double cropping rice rotation system

綜上所述, 從大麥光熱水資源利用率的角度來看, 大麥-雙季稻輪作模式里有機(jī)肥氮替代60%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+HOM)優(yōu)于其他施肥結(jié)構(gòu)。

2.2 大麥-雙季稻輪作有機(jī)物料與化肥配施對(duì)大麥NPK養(yǎng)分利用率的影響

在大麥-雙季稻輪作模式里, 不同有機(jī)物料與化肥配施下大麥的NPK養(yǎng)分利用率見表3。NPK+LOM處理大麥籽粒N積累量比NPK+HOM、NPK、NPK+straw處理分別提高了14.9%、47.3%、55.8% (P<0.05)。NPK+LOM處理大麥籽粒P積累比NPK+HOM提高了8.4% (P>0.05),比NPK、NPK+straw處理分別提高了1.9倍、2.0倍(P<0.05)。NPK+LOM處理大麥籽粒K積累比NPK+HOM、NPK、NPK+straw處理分別提高了12.4%、33.8%、37.8%(P<0.05)。

表3 大麥-雙季稻輪作有機(jī)物料與化肥配施對(duì)大麥NPK利用率的影響Table 3 Effect of combination of organic material and chemical fertilizer on N, P, and K use efficiency of barley under barley-double cropping rice rotation system

NPK+LOM和NPK+HOM處理的NPK養(yǎng)分偏生產(chǎn)力差異不顯著, 但NPK+LOM處理的N、P、K養(yǎng)分偏生產(chǎn)力較NPK+HOM處理分別提高了7.7%、8.5%、8.5% (P>0.05)。NPK+LOM和NPK+HOM處理的NPK養(yǎng)分偏生產(chǎn)力均顯著高于NPK和NPK+straw處理(P<0.05), 其中NPK+LOM處理的N、P、K養(yǎng)分偏生產(chǎn)力比NPK+straw處理分別提高了22.5%、23.4%、23.5% (P<0.05), NPK+HOM處理的N、P、K偏生產(chǎn)力比NPK+straw處理分別提高了13.7%、13.8%、13.8% (P<0.05)。各處理N素收獲指數(shù)無差異(P<0.05)。NPK+straw處理的P素收獲指數(shù)較NPK+LOM和NPK+HOM處理分別顯著提高了10.0%和35.8%(P<0.05)。NPK+LOM處理的P、K素收獲指數(shù)較NPK+HOM處理分別顯著提高了23.4%和30.0% (P<0.05), K素收獲指數(shù)較NPK+straw處理顯著提高了36.7% (P<0.05)。盡管NPK+LOM處理P素收獲指數(shù)低于NPK和NPK+straw處理(P<0.05), 但從大麥籽粒產(chǎn)量及籽粒NPK養(yǎng)分含量(表1)、NPK養(yǎng)分偏生產(chǎn)力、NPK養(yǎng)分收獲指數(shù)等角度綜合考慮, NPK+LOM處理優(yōu)于其他施肥結(jié)構(gòu)。

綜上所述, 從NPK養(yǎng)分資源利用率的角度看, 大麥-雙季稻輪作模式里有機(jī)肥氮替代30%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+LOM)優(yōu)于其他施肥結(jié)構(gòu)。

2.3 大麥-雙季稻輪作有機(jī)物料與化肥配施對(duì)大麥的產(chǎn)量效應(yīng)與產(chǎn)量可持續(xù)特征

大麥-雙季稻輪作有機(jī)物料與化肥配施對(duì)大麥的產(chǎn)量效應(yīng)見圖1。由于品種的原因, 大麥產(chǎn)量年際變化大。從圖1近10年大麥產(chǎn)量演變規(guī)律看, 僅在2017年NPK+straw處理大麥產(chǎn)量低于NPK處理, 其他年份NPK+straw、NPK+LOM及NPK+HOM處理大麥產(chǎn)量均高于NPK處理。除了2016年, 其他各年份NPK+LOM和NPK+HOM處理大麥產(chǎn)量均高于NPK+straw處理。各處理近10年的大麥產(chǎn)量平均值大小排序?yàn)? NPK+LOM(1663 kg hm–2)>NPK+HOM (1637 kg hm–2)>NPK+straw(1511 kg hm–2)>NPK (1353 kg hm–2)。結(jié)合表1的各處理大麥籽粒產(chǎn)量來看, 大麥-雙季稻輪作模式里有機(jī)肥氮替代30%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+LOM)和有機(jī)肥氮替代60%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+HOM)均有益于提高大麥產(chǎn)量。

大麥-雙季稻輪作有機(jī)物料與化肥配施對(duì)大麥產(chǎn)量可持續(xù)特征見圖2。長(zhǎng)期的不同施肥結(jié)構(gòu)管理下, 大麥-雙季稻輪作模式里大麥產(chǎn)量變異系數(shù)(CV)大小排序?yàn)? NPK+straw (0.10) < NPK+HOM (0.12) < NPK (0.16) < NPK+LOM (0.18); 大麥產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)(SYI)大小排序?yàn)?NPK+straw (0.80) > NPK+HOM (0.77) > NPK (0.70) > NPK+LOM (0.69)。其中, NPK+straw處理大麥產(chǎn)量變異系數(shù)最小、產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)最大, 說明NPK+straw有利于大麥穩(wěn)產(chǎn), 是能維持系統(tǒng)可持續(xù)性的施肥結(jié)構(gòu)。從大麥的產(chǎn)量穩(wěn)定性與產(chǎn)量可持續(xù)特征的角度來看, 大麥-雙季稻輪作模式里化肥氮磷鉀+水稻秸稈的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+straw)優(yōu)于其他施肥結(jié)構(gòu)。

2.4 大麥-雙季稻輪作有機(jī)物料與化肥配施對(duì)稻田土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

經(jīng)過34年的田間定位試驗(yàn)后, 大麥-雙季稻輪作不同有機(jī)物料與化肥配施對(duì)稻田土壤化學(xué)性質(zhì)的影響見表4。NPK+HOM處理的稻田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀含量是最高的。從土壤培肥的角度看, 大麥-雙季稻輪作模式里有機(jī)肥氮替代60%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+HOM)優(yōu)于其他施肥結(jié)構(gòu)。

表4 大麥-雙季稻輪作有機(jī)物料與化肥配施對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Table 4 Effect of combined application of organic material and chemical fertilizer on soil chemical properties of barley-double cropping rice rotation system

3 討論

有機(jī)肥農(nóng)田直接消納是農(nóng)業(yè)廢棄物高效利用和維持土壤肥力的重要途徑。經(jīng)過34年的田間定位試驗(yàn)后, 有機(jī)肥氮替代60%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+HOM)在提高土壤肥力上優(yōu)于其他施肥結(jié)構(gòu), 有關(guān)該長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的已有研究也表明[11,13], 有機(jī)肥氮替代60%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+HOM)顯著提高了土壤肥力的生物學(xué)指標(biāo)(土壤微生物與酶活性), 經(jīng)過28年的田間定位試驗(yàn)后該施肥結(jié)構(gòu)稻田土壤全N、全P、全K、有機(jī)質(zhì)含量均高于其他施肥結(jié)構(gòu)。

光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ), 作物通過光合作用形成的有機(jī)物占植株總干物質(zhì)量的95%左右, 礦質(zhì)元素僅占5%左右[29]。磷可作為光合底物或調(diào)節(jié)物直接參與光合作用的各個(gè)環(huán)節(jié), 它在光合、呼吸、核酸合成等生理代謝過程中起著極為重要的作用,適宜的供磷量對(duì)于植物的光合作用極其重要[30]。氮素是葉綠素的重要組成元素, 其含量顯著影響光合生理特性, 適量施氮有利于調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育和改善光合性能[31]。作物的光合作用、干物質(zhì)積累特征與土壤水分、養(yǎng)分的供應(yīng)能力密切相關(guān)[32]。有機(jī)肥氮替代60%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+HOM)在大麥光熱水資源利用率上優(yōu)于其他施肥結(jié)構(gòu)且能提高大麥產(chǎn)量, 原因可能是: 該施肥結(jié)構(gòu)增加了稻田土壤有機(jī)質(zhì)與N、P養(yǎng)分含量(表4)及大麥植株(籽粒和秸稈)全P含量(表1), 大麥將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為碳水化合物和有機(jī)物的能力增強(qiáng)進(jìn)而獲得了較高的大麥地上部分干物質(zhì)量(表1); 同時(shí)該施肥結(jié)構(gòu)增強(qiáng)土壤蓄水保水能力和土壤肥力, 提高作物水分利用率, 進(jìn)而水肥協(xié)同改善大麥光熱資源利用率和產(chǎn)量[32-34]。

有機(jī)物料與化肥配施對(duì)作物養(yǎng)分利用率及產(chǎn)量的影響因替代比例、作物種類、種植制度及農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的不同而存在差異[26,35-39]。大麥-雙季稻輪作模式里, 有機(jī)肥氮替代30%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+LOM)在大麥NPK養(yǎng)分資源利用率上優(yōu)于其他施肥結(jié)構(gòu)且能提高大麥產(chǎn)量, 但化肥氮磷鉀+水稻秸稈的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+straw)大麥產(chǎn)量穩(wěn)定性與可持續(xù)性優(yōu)于其他施肥結(jié)構(gòu)。有機(jī)肥氮替代30%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+LOM) 在大麥NPK養(yǎng)分資源利用率上優(yōu)于有機(jī)肥氮替代60%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+HOM), 原因可能之一是該施肥結(jié)構(gòu)更有益于NPK養(yǎng)分由大麥植株向籽粒輸送并提高了在籽粒中積累的能力(表1和表3)。有機(jī)肥氮替代30%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+LOM)和有機(jī)肥氮替代60%化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+HOM)在大麥NPK養(yǎng)分資源利用率和提高大麥產(chǎn)量上均優(yōu)于化肥氮磷鉀+水稻秸稈的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+straw), 原因可能是: 化肥氮磷鉀+水稻秸稈的施肥結(jié)構(gòu),晚稻秸稈還田后腐解需要一段時(shí)間, 秸稈養(yǎng)分釋放與大麥養(yǎng)分吸收的時(shí)效性不一致; 秸稈還田促進(jìn)了土壤硝化作用, 增加了麥季旱地土壤中氣態(tài)氮損失(NH3和N2O排放)[40]; 秸稈C/N值高, 秸稈前期分解過程中微生物與作物爭(zhēng)氮, 影響作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量[41]; 有機(jī)肥氮替代化學(xué)氮的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+LOM和NPK+HOM)提高了稻田土壤全N、速效NK及有機(jī)質(zhì)含量(表4)。農(nóng)作物秸稈含有豐富的碳、氮、磷、鉀等元素, 禾本科作物吸收的鉀素80%以上存在于秸稈中[42]。農(nóng)作物秸稈還田也是維持土壤肥力、減少化肥投入量的農(nóng)田養(yǎng)分資源管理策略?；实租?水稻秸稈的施肥結(jié)構(gòu)(NPK+straw)大麥產(chǎn)量穩(wěn)定性與可持續(xù)性優(yōu)于其他施肥結(jié)構(gòu), 原因可能是: 該施肥結(jié)構(gòu)也維持了土壤養(yǎng)分的供給能力(表4); 秸稈還田會(huì)增加土壤含水量[40], 該施肥結(jié)構(gòu)下的水氮交互作用維持了大麥產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[43]。我國(guó)水稻秸稈還田氮磷鉀素當(dāng)季釋放率分別為54.9%、60.9%、90.1%[44], 小麥秸稈還田氮磷鉀素當(dāng)季釋放率分別為51.4%、65.3%、93.3%[44]。本研究所選取的田間試驗(yàn)開始于1986年, 受當(dāng)時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際發(fā)展水平所設(shè)置的化肥氮磷鉀+水稻秸稈的施肥結(jié)構(gòu)存在缺陷, 早稻季還田的水稻秸稈是晚稻稻草, 致使大麥和水稻秸稈養(yǎng)分資源均未充分利用, 也增加了還田成本, 更不能滿足當(dāng)前稻作區(qū)節(jié)本增效與農(nóng)業(yè)輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)目標(biāo)和機(jī)械化發(fā)展趨勢(shì)。大麥-雙季稻輪作模式里, 三季作物秸稈原位且全量還田可能將被大田生產(chǎn)實(shí)踐和推廣。今后重要研究任務(wù)包括: 秸稈還田結(jié)合有機(jī)肥與化肥配施調(diào)控大麥資源利用率與產(chǎn)量的協(xié)同提高; 大麥和水稻都是重要的糧食作物, 要以大麥-雙季稻輪作周年施肥統(tǒng)籌管理意識(shí)考慮各季作物的協(xié)同發(fā)展問題, 以實(shí)現(xiàn)三季作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及資源利用效率的提高。