稻田不同水旱復(fù)種模式對(duì)土壤團(tuán)聚體及碳氮的影響

摘要： 【目的】探尋更適合南方稻田可持續(xù)發(fā)展的水旱復(fù)種模式。【方法】在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園開展紫云英?早稻?晚稻（CK）、紫云英?早稻?晚玉米||晚大豆（CRI）、油菜?早稻?晚玉米||晚大豆（RRI）、油菜?早稻?晚稻（RRR） 水旱復(fù)種模式的田間對(duì)比試驗(yàn)?！窘Y(jié)果】土壤有機(jī)碳、全氮含量均為CKgt;RRRgt;CRIgt;RRI。種植紫云英模式的R0.250（粒徑≥0.250 mm 的團(tuán)聚體含量） 比種植油菜模式的高，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更強(qiáng)。CRI 的早稻產(chǎn)量高于其他處理。【結(jié)論】在南方地區(qū)推行紫云英?早稻?晚玉米||晚大豆種植模式（CRI），有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 水旱復(fù)種模式；土壤團(tuán)聚體；土壤碳氮；作物產(chǎn)量；稻田

中圖分類號(hào)： S181；S344.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1001-411X（2024）06-0949-07

水稻Oryza sativa L.是我國主要的糧食作物，我國約60% 以上的人口以大米為主食。稻田不僅是我國主要的耕地類型，也是我國主要的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。我國大部分稻田集中在光、熱、水資源豐富的南方地區(qū)[1-2]，如長江中游地區(qū)，該地區(qū)雙季稻的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)為我國糧食安全提供了保障。但是，該區(qū)域目前依然存在不少問題，如冬閑田面積增加、種植制度單一等，這不僅導(dǎo)致稻田土壤質(zhì)量下降，也在一定程度上制約農(nóng)田生產(chǎn)力的發(fā)展。相關(guān)研究表明，稻田水旱復(fù)種能夠提高水分利用率，調(diào)整土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤養(yǎng)分[3]。農(nóng)田冬閑季節(jié)，土壤長期裸露會(huì)造成耕層板結(jié)，使理化性狀變差，在冬閑田上種植綠肥作物是改善土壤性狀的重要措施。中國是世界上綠肥種植面積最大的國家，距今已有3 000多年的歷史。種植綠肥不僅可以防治雜草、培土培肥[4]，還可以減少土壤氮素的流失，使土壤營養(yǎng)物質(zhì)的礦化分解加速，推動(dòng)土壤養(yǎng)分的流轉(zhuǎn)[5]；綠肥作物還田可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分，改變土壤群落組成及功能，從而改良稻田耕地質(zhì)量[6]。新中國成立后，隨著人口增加、水稻品種改良和栽培技術(shù)提高以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件改善，江西水稻生產(chǎn)種植制度改革，雙季稻得到快速發(fā)展，成為江西稻田的主要種植模式[7]。油菜Brassica napus L.是傳統(tǒng)的十字花科綠肥，適應(yīng)范圍廣，易種植，成本低，肥效高，利于有機(jī)質(zhì)的積累，能活化土壤中的磷和鉀[4]。另外，油菜還有很多價(jià)值，如油菜籽可以榨油，油菜可以食用，還可以作為飼料，具有觀賞價(jià)值等[8]。大豆Glycine max （L.） Merr.和玉米Zea mays L.均是我國重要作物，不僅可以作為糧食，還可以作為油料和飼料。甜玉米含糖量高，營養(yǎng)價(jià)值高，近年來世界各地對(duì)甜玉米的需求大幅增加，在可用土地有限的情況下，間作種植模式是滿足甜玉米需求的可行途徑之一。間作是一種傳統(tǒng)、高產(chǎn)的種植制度，有利于提高資源利用效率。如前人研究發(fā)現(xiàn)，間作系統(tǒng)，特別是谷物?豆類間作系統(tǒng)，可以提高作物對(duì)養(yǎng)分的吸收能力，提高土壤肥力，豐富微生物群落，促進(jìn)對(duì)病蟲害及雜草的控制，還可以在一定程度上減少化肥和農(nóng)藥的使用[9]。大豆是豆科作物，與禾本科作物玉米的間作種植模式在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。禾本科與豆科的合理間作不僅可以提高豆科作物的生物固氮能力，也可以促進(jìn)禾本科作物對(duì)氮素的吸收和利用；另外，還可以增加生態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，形成錯(cuò)落的排列結(jié)構(gòu)，具有良好的生態(tài)效益[10]。大豆和玉米間作種植可以節(jié)約耕地面積，提升土地利用率，還可以在一定程度上保障玉米和大豆的產(chǎn)量[11]。

土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性是土壤物理、化學(xué)和生物作用的綜合結(jié)果[12]。作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單位和土壤的重要組成部分，土壤團(tuán)聚體與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的許多功能有密切聯(lián)系[ 1 3 ]，如構(gòu)成土壤有機(jī)質(zhì)[14]、增加土壤碳氮含量[13]、提升作物產(chǎn)量[15] 等。土壤團(tuán)聚體是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，對(duì)提升土壤肥力、促進(jìn)植被生長具有重要意義[16]。研究表明，土壤有機(jī)碳、全氮是土壤功能和質(zhì)量的核心，土壤有機(jī)碳是影響土壤團(tuán)聚體形成的主要因素之一[17]。土壤有機(jī)碳、全氮不僅與土壤肥力關(guān)系密切，也與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性存在密切關(guān)系，具體表現(xiàn)為：第一，土壤有機(jī)碳、全氮對(duì)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性影響顯著，這是由于土壤有機(jī)碳、全氮能提供土壤團(tuán)聚體形成的膠結(jié)物質(zhì)；第二，穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體能夠?yàn)槠渲械挠袡C(jī)碳、全氮形成物理及化學(xué)保護(hù)[18-19]。另外，土壤有機(jī)碳含量在維持和改善土壤質(zhì)量、提升土壤肥力和保障作物產(chǎn)量等方面發(fā)揮重要作用[20]。土壤微生物生物量包括土壤微生物生物量碳、氮、磷和硫等[21]。土壤微生物生物量碳、氮是土壤中十分活躍的生物組分，它們對(duì)環(huán)境因子的變化及人為活動(dòng)的干擾十分敏感，還能調(diào)控土壤肥力、植物生長以及群落演替等[22]；因此，常被作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)。

本研究以中國南方地區(qū)傳統(tǒng)種植模式紫云英Astragalus sinicus L.?雙季稻（“?”表示接茬） 為對(duì)照，因?yàn)樵撃Ｊ绞侵袊戏降貐^(qū)的傳統(tǒng)種植模式，有著悠久的歷史[23]，但是長期種植紫云英會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)、土壤的次生潛育化以及土壤養(yǎng)分片面消耗等問題[24]。因此，為打破傳統(tǒng)，并探尋更為適合的種植模式，本研究設(shè)置了另外3 種種植模式，分別是油菜?雙季稻、紫云英?早稻?玉米||大豆（“||”表示間作）、油菜?早稻?玉米||大豆，通過田間對(duì)比試驗(yàn)，研究稻田不同水旱復(fù)種模式對(duì)土壤團(tuán)聚體、土壤有機(jī)碳、土壤全氮、植株有機(jī)碳、植株全氮、土壤微生物生物量碳、土壤微生物生物量氮含量以及作物產(chǎn)量的影響，以期為優(yōu)化稻田種植模式、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

紫云英播種量為90 kg/hm2，均勻撒播，不施肥。油菜播種量為15 kg/hm2，均勻撒播，不施肥。早稻在移栽前25～30 d 育秧，移栽時(shí)，行距0.2 m、株距0.2 m。早稻施氮量180 kg/hm2，氮肥選用尿素，基肥、分蘗肥、穗肥按質(zhì)量比1∶2∶1 施用；鉀肥施用量120 kg/hm2，鉀肥選用氯化鉀，分蘗肥、穗肥按質(zhì)量比2∶1 施用；磷肥施用量90 kg/hm2，選用鈣鎂磷肥，全部作基肥施用。晚稻移栽時(shí)，行距、株距、種植密度均與早稻相同。晚稻施氮量180 kg/hm2，氮肥選用尿素，基肥、分蘗肥、穗肥按質(zhì)量比1∶1∶1 施用；鉀肥施用量120 kg/hm2，鉀肥選用氯化鉀，全部作分蘗肥施用；磷肥施用量90 kg/hm2，選用鈣鎂磷肥，全部作基肥施用。玉米間作大豆采用開溝起壟的方式種植，壟寬1.20 m、高0.35 m，每壟種2 行大豆、1 行玉米，玉米兩邊各1 行大豆。玉米與大豆間的行距0.40 m，玉米株距0.25 m，大豆株距0.20 m。玉米種植密度為每公頃26 060 株，大豆種植密度為每公頃64 242 株。玉米施氮量200 kg/hm2，氮肥選用尿素，基肥、苗肥、孕穗肥按質(zhì)量比2∶3∶5 施用；鉀肥施用量225 kg/hm2，鉀肥選用氯化鉀，基肥、苗肥、孕穗肥按質(zhì)量比3∶3∶4 施用；磷肥施用量375kg/hm2，選用鈣鎂磷肥，全部作基肥施用。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

紫云英于盛花期取樣，其余作物均在收獲期取樣。土壤于收獲期取樣，用“五點(diǎn)取樣法”取土樣，挑去土樣中的雜質(zhì)，一部分保存于4 ℃ 冰箱，一部分自然風(fēng)干之后磨細(xì)、過篩。

土壤團(tuán)聚體指標(biāo)采用濕篩法測(cè)定；土壤、植株有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀法?濃硫酸外加熱法測(cè)定；土壤、植株全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；土壤微生物生物量碳含量采用氯仿熏蒸?K2SO4 提取法測(cè)定；土壤微生物生物量氮含量采用氯仿薰蒸浸提法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及作圖采用Excel 2021、Origin2024 軟件，采用SPSS 26.0 進(jìn)行單因素方差分析以及LSD 法多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水旱復(fù)種模式對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

不同水旱復(fù)種模式對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響如表2 所示。各處理不同粒級(jí)團(tuán)聚體分布趨勢(shì)一致，均以粗大團(tuán)聚體（粒徑≥2.000 mm） 的比例最高，占總土壤質(zhì)量的71.03%～78.87%；粉黏粒（粒徑lt;0.053 mm） 的比例最低，占總土壤質(zhì)量的0.45%～1.46%；粒徑為1.000～lt;2.000 mm 的土壤團(tuán)聚體質(zhì)量占總土壤質(zhì)量的4.44%～8.47%；粒徑為0.250～lt;1 . 0 0 0 mm 的土壤團(tuán)聚體質(zhì)量占總土壤質(zhì)量的9.77%～14.34%；微團(tuán)聚體（粒徑為0.053～lt;0.250 mm）占總土壤質(zhì)量的4.43%～8.76%。通常粒徑≥0.250 mm的團(tuán)聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，它是衡量土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的指標(biāo)之一，其含量越高，則團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)，越有利于土壤對(duì)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，可以改善土壤生產(chǎn)力，促進(jìn)植物生長[25]。各處理R0.250（粒徑≥0.250 mm團(tuán)聚體的含量） 的排序?yàn)镃Kgt;CRIgt;RRIgt;RRR，占總土壤質(zhì)量的89.97%～94.61%。CK 處理的R0.250 比RRR 顯著提高5.16%。結(jié)果表明，種植紫云英模式的土壤穩(wěn)定性比種植油菜的更強(qiáng)。各處理的土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑均在處理間無顯著差異。

2.2 不同水旱復(fù)種模式對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮含量的影響

不同水旱復(fù)種模式對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響如圖1A 所示。各處理土壤有機(jī)碳含量總量排序?yàn)镃Kgt;RRRgt;CRIgt;RRI，分別為60.74、58.95、54.76、48.31 g/kg。第1 茬作物中，CK、CRI、RRR 的有機(jī)碳含量分別比RRI 顯著提高32.60%、15.95%、25.54%。第2 茬作物中，CK、CRI、RRR 的有機(jī)碳含量分別比RRI 顯著高26.49%、11.87%、25.59%。第3 茬作物中，各種植模式間無顯著差異。

不同水旱復(fù)種模式對(duì)土壤全氮含量的影響如圖1B 所示。各處理土壤全氮含量總量排序?yàn)镃Kgt;RRRgt;CRIgt;RRI，分別為6.89、6.39、6.10、4.99 g/kg。第1 茬作物中，CK、CRI、RRR 均顯著高于RRI，分別高37.89%、24.80%、27.54%。第2 茬作物中，CK、CRI、RRR 均顯著高于RRI，分別高37.69%、34.20%、27.24%。第3 茬作物中，CK、CRI、RRR 分別比RRI 高38.86%、9.71%、29.71%。

綜上，與間作模式相比，雙季稻種植模式更有利于提高土壤有機(jī)碳及全氮含量。

2.3 不同水旱復(fù)種模式對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的影響

各處理第2、3 茬作物的土壤微生物生物量碳、氮含量均無顯著差異，且土壤微生物生物量碳氮比同樣無顯著差異。

2.4 不同水旱復(fù)種模式對(duì)植株有機(jī)碳含量的影響

由圖2 可知，晚稻的莖、葉有機(jī)碳含量差異不顯著；而稻穗的有機(jī)碳含量，處理RRR 比CK 顯著高5.16%。早稻莖、葉、穗，玉米莖、穗以及大豆莖、莢的有機(jī)碳含量均在處理間無顯著差異。

2.5 不同水旱復(fù)種模式對(duì)植株全氮含量的影響

由圖3 可知，早稻莖的全氮含量，處理C K比RRI 和RRR 顯著高34.22%、28.08%。早稻葉的全氮含量，處理CK 比RRI 顯著高26.91%。早稻穗的全氮含量在各處理間沒有顯著差異。晚稻莖、葉、穗，玉米莖、穗以及大豆莖、莢的全氮含量均在處理間無顯著差異。

由表3 可知，早稻莖的碳氮比，處理R R I 、RRR 比CK 顯著高25.33%、25.13%；早稻葉、穗，以及晚稻莖、葉、穗的碳氮比均在處理間無顯著差異。油菜種植模式的早稻碳氮比高于紫云英種植模式。玉米莖、穗的碳氮比均在處理間無顯著差異。由表3 可知，大豆莖的碳氮比，處理CRI 比RRI 顯著高43.76%；大豆莢的碳氮比在處理間無顯著差異。

2.6 不同水旱復(fù)種模式對(duì)作物產(chǎn)量的影響

對(duì)于早稻產(chǎn)量，處理CK、CRI、RRI、RRR 分別為5 015.56、5 828.28、5 613.13、4 487.88 kg/hm2，CRI 比RRR 顯著高29.87%；間作模式高于雙季稻模式。晚稻、玉米、大豆產(chǎn)量均在處理間無顯著差異。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

種植冬季綠肥是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為常見的改善土壤肥力的措施，尤其在南方雙季稻區(qū)。紫云英和油菜是近年來利用面積較大的2 種冬季綠肥。紫云英和油菜翻壓都能提高稻田土壤有機(jī)碳含量，但是和油菜成熟期翻壓相比，紫云英于盛花期翻壓，土壤有機(jī)碳含量增長速度更快[26]。在本研究中，對(duì)于土壤有機(jī)碳含量和全氮含量，雙季稻種植模式均比間作種植模式高，且種植紫云英的模式高于種植油菜的模式。這可能是由于作物秸稈是增加土壤養(yǎng)分的重要外源物質(zhì)，秸稈還田不僅可以促進(jìn)土壤的大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，從而提高土壤有機(jī)碳和全氮的含量，還可以增加微生物數(shù)量，促進(jìn)土壤生產(chǎn)，提高土壤有機(jī)質(zhì)及土壤養(yǎng)分含量[27]。紫云英作為豆科綠肥的代表，生長速度快，適應(yīng)性強(qiáng)，可以為后茬作物提供營養(yǎng)物質(zhì)[28]。紫云英根部含有較多根瘤菌，可以固定空氣中的氮，并較好地保存氮，為土壤補(bǔ)充氮元素，滿足后續(xù)作物的生長需求[29]。油菜是十字花科作物，盡管磷、鉀含量比紫云英高，但是紫云英的氮含量更高[30]。

土壤團(tuán)聚體的分布及比例可以在一定程度上體現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)的好壞。水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體的比例對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗蝕性以及可持續(xù)利用等有重要影響[29]。土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要由R0.250 決定，其值越高，土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定。本研究中，紫云英還田處理的R0.250 大于油菜還田；這可能是因?yàn)榉N植紫云英有利于在土壤大團(tuán)聚體中聚集游離態(tài)鐵和非晶質(zhì)鐵2 種鐵氧化物，它們是影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要因素[31]。不同的種植模式也影響土壤團(tuán)聚體的組成和穩(wěn)定性，在本研究中，處理RRI 的R0.250高于RRR；這是因?yàn)槎箍谱魑锱c禾本科作物間作，二者根系交錯(cuò)，根系分泌物增加，為土壤微生物的生長提供了適宜的環(huán)境，并且刺激真菌菌絲的生長以及多糖的產(chǎn)生，從而增強(qiáng)土粒的膠結(jié)作用，而土壤大團(tuán)聚體中的膠結(jié)物質(zhì)主要是通過這種膠結(jié)作用形成。另外，大團(tuán)聚體比小團(tuán)聚體含有更多的土壤有機(jī)質(zhì)，而有機(jī)質(zhì)可以把微團(tuán)聚體、淤泥和黏土等膠結(jié)成大團(tuán)聚體，從而增加大團(tuán)聚體的數(shù)量[32]。

有研究表明，玉米和大豆間作可以減少水土流失并提高作物產(chǎn)量[33]。冬季作物的種植不僅可以促進(jìn)土壤養(yǎng)分利用、提升土壤質(zhì)量，還可以提高下茬作物的產(chǎn)量[34-35]；紫云英具有固氮、富鉀和活磷的特點(diǎn)，可以為水稻生長提供充足養(yǎng)分[36]。本研究中，關(guān)于早稻產(chǎn)量，間作種植模式高于雙季稻種植模式，揭示了間作及冬種綠肥紫云英對(duì)早稻的增產(chǎn)作用。

3.2 結(jié)論

在稻田不同水旱復(fù)種模式下，與油菜種植模式相比，紫云英種植模式更有利于增加土壤有機(jī)碳、全氮含量。紫云英翻壓還田的R0.250 比油菜翻壓還田提高，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更強(qiáng)。與雙季稻種植模式相比，間作種植模式可以增強(qiáng)土粒的膠結(jié)作用，從而促進(jìn)大團(tuán)聚體數(shù)量增加。紫云英間作模式比油菜間作模式更有利于提高作物產(chǎn)量。綜上所述，與其他處理相比，紫云英?早稻?晚玉米||晚大豆種植模式CRI 更有利于南方雙季稻區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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【責(zé)任編輯 李慶玲】

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0300208）；國家自然科學(xué)基金（41661070）