冬作物秸秆还田对双季稻产量和土壤肥力的影响

龙 莉，杨旭初，熊 斌，段 晶，屠乃美*，程艳红，朱青辉

（1湖南农业大学农学院，长沙410128；2永州市茶叶研究所，湖南永州425028）

以高产、优质为目标的多熟制适合中国国情，遍布南北的多熟种植是中国农业的重要内容［1］。南方地区属亚热带季风气候，水热资源良好，有利于多熟制农业的发展［2，3］。但目前存在耕地撂荒、熟制缩减、模式单一、地力衰退、生产力下降等现象，因此，加速土壤培肥，提高耕地质量，具有重要意义。

关于南方双季稻田多熟制增产潜力及培肥，前人已开展了大量研究。其主要措施之一就是通过改冬闲为冬种（绿肥），改善土壤理化性状，提高土壤肥力。高菊生等人［4］在湘南地区开展了双季稻区多熟制复种定位试验，研究结果表明，油菜、紫云英、黑麦草3种绿肥作物长期冬种还田，早晚稻均呈现一定程度的增产，土壤肥力提高，且紫云英—双季稻复种效果最佳。叶桃林等［5］研究表明：长期紫云英—双季稻复种能够较好地增加水稻的有效穗数和粒数，从而增加水稻产量。而王丹英等［6］研究发现，油菜作绿肥还田优势多，成本低，是稻田生物培肥新方式，能以较低的生产成本取得同样的水稻增产效果。长期冬作物—双季稻复种显著提高了稻田土壤有机质含量，不同冬作物提升土壤有机质的效果为紫云英＞黑麦草＞油菜［7］。

目前，对稻田多熟制中单一作物的营养特性和土壤质量变化已有较多研究成果［8～11］，但基于全程机械化生产的研究较少。机械化是现代农业发展的必然趋势，该方面的研究对于多熟制的合理布局、全年养分高效利用和土壤质量改良提升至关重要。因此，笔者开展了基于全程机械化生产的双季稻主要复种制试验，研究不同种植模式下冬季作物秸秆还田对水稻产量和土壤肥力的影响，以期为南方双季稻田生产力提升和土壤培肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于湖南省醴陵市泗汾农场，属亚热带季风湿润气候区，年平均气温18.6℃，年降水量1547.5 mm，年日照时数1757.8 h，＞10℃有效积温3511.1℃。供试土壤为潴育型水稻土，试验前土壤理化性质如表1。

表1 供试土壤理化性质

1.2 试验设计

供试水稻品种：早稻为中早39，晚稻为 H优518。

于2016～2017年进行主要复种制的定位试验。供试的复种方式为：A.紫云英—双季稻；B.黑麦草—双季稻；C.油菜—双季稻；D.马铃薯—双季稻；E.冬闲—双季稻（对照）。采用大区试验，每个处理大区面积200 m2，各处理之间做埂隔离。除马铃薯播种与收获之外，其余处理的田间管理环节均采用机械化作业。

1.3 施肥与田间管理

早、晚稻插植规格均为12 cm×25 cm，即3.3×105蔸／公顷。根据冬季作物秸秆养分含量和还田量，对各处理补充施用化肥，以确保早稻总施肥量均匀一致：N 157.5 kg／hm2、P2O545 kg／hm2和 K2O 112.5 kg／hm2；晚稻总施肥量为：N 180 kg／hm2、P2O545 kg／hm2和 K2O 112.5 kg／hm2。基肥∶蘖肥∶穗肥＝5∶3∶2，分别在移栽后7 d和分蘖末期追施蘖肥和穗肥。基肥为复合肥，N∶P∶K比例为15∶15∶15；蘖肥和穗肥为尿素，含N 46%。2016年，早稻于3月23日播种，4月22日移栽；晚稻于6月27日播种，7月25日移栽。2017年，早稻于3月21日播种，4月26日移栽；晚稻于6月23日播种，7月20日移栽。

1.4 测定项目与方法

（1）土壤养分含量测定。采用5点取样法，分别于早稻和晚稻成熟期取0～20 cm耕层土壤，风干过筛后用于理化分析。测定方法参照文献［12］。

（2）水稻产量及产量构成。成熟期每小区随机选取3个样点（重复），每点调查连续100穴水稻有效穗数，计算单穴有效穗数，然后按平均有效穗数取样5穴，带回实验室考查产量构成因素，计算理论产量。各个区随机实收3个点，每点1 m2，分收分晒，按13.5%的含水量折算实际产量。

1.5 数据统计

数据采用SPSS17.0进行方差分析，Duncan法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 冬季作物秸秆还田对双季稻产量及其构成因素的影响

从表2可知，2016和2017年各处理早稻产量均表现为D＞B＞C＞A＞E，马铃薯—双季稻处理（D）比油菜—双季稻（A）、黑麦草—双季稻（C）和冬闲—双季稻处理（E）分别高 11.5%、8.7%、12.1%和 7.3%、5.7%、8.7%，均达显著差异。2016年各处理晚稻产量为A＞C＞B＞E＞D，油菜—双季稻处理（A）比紫云英—双季稻（B）、马铃薯—双季稻（D）和冬闲－双季稻处理（E）分别高13.7%、14.2%、13.8%，均达显著差异；2017年各处理晚稻产量为C＞D＞A＞B＞E，黑麦草—双季稻处理（C）比油菜—双季稻（A）、紫云英—双季稻（B）和冬闲—双季稻处理（E）分别高 4.1%、5.4%、7.0%，均达显著差异。

2年4季的平均产量大小顺序为D＞B＞C＞A＞E，马铃薯—双季稻（D）、紫云英—双季稻（B）、黑麦草—双季稻（C）和油菜—双季稻处理（A）平均产量比冬闲对照（E）高 6.69%、6.50%、4.76%、4.44%。增产的主要原因是提高了水稻有效穗数和穗粒数，千粒重和结实率差异不大（表3）。

表2 不同处理水稻产量比较 t／hm2

表3 不同处理的水稻产量构成因素比较

2.2 冬季作物秸秆还田对双季稻田土壤肥力的影响

土壤碱解氮含量，试验第二年各处理间的差异大于第一年。紫云英—双季稻（B）一直高于冬闲—双季稻（E），其他处理间的规律不明显。从4季平均值来看，B＞A＞C＞E＞D，B处理最高，为140.3 mg／kg，A处理次之，为 136.2 mg／kg，D处理最低，为128.3 mg／kg（图1－a）。

土壤有效磷含量，油菜—双季稻（A）、黑麦草—双季稻（C）和马铃薯—双季稻（D）在试验的每一季均显著低于冬闲—双季稻（E）（p＜0.05），紫云英—双季稻（B）在试验的每一季均低于冬闲—双季稻（E），其中在第1季、第3季和第4季达显著差异（p＜0.05）。从4季平均值来看，E＞B＞C＞A＞D，E处 理 最 高，为 66.7 mg／kg，B 处 理 次 之，为48.2 mg／kg，D处理最低，为44.1 mg／kg（图1－b）。

土壤速效钾含量，各处理间每一季差异较大，从4季平均值来看，C＞E＞D＞A＞B，C处理最高，为36.8 mg／kg，E处理次之，为 34.3 mg／kg，B处理最低，为29.4 mg／kg（图1－c）。

土壤有机质含量，油菜—双季稻（A）和马铃薯—双季稻（D）在前2季低于冬闲—双季稻（E），在后2季则高于冬闲—双季稻（E）。紫云英—双季稻（B）和黑麦草—双季稻（C）在前3季均低于冬闲—双季稻（E），在第4季高于冬闲—双季稻（E）。从4季平均值来看，A＞D＞E＞B＞C，A处理最高，为27.1 g／kg，D处理次之，为 26.7 g／kg，C处理最低，为25.2 g／kg（图1－d）。

土壤pH值，油菜—双季稻（A）、紫云英—双季稻（B）、黑麦草—双季稻（C）和马铃薯—双季稻（D）处理在4季均低于冬闲—双季稻（E），其中黑麦草—双季稻（C）pH值在4季均显著低于冬闲—双季稻（E）（p＜0.05），下降了0.13～0.38个单位。从4季平均值来看，E＞A＞D＞B＞C，E处理最高，为5.50，A处理次之，为5.42，C处理最低，为5.25（图1－e）。

图1 双季稻田土壤肥力变化情况

为了直观地评价并比较不同处理的土壤肥力，取2年4季的平均值，以对照处理为“1”，将上述5个土壤指标数据进行标准化处理［13］，结果如图2。从图2可以看出：各处理间养分差异主要体现在有效磷和速效钾2个指标上，其余3个指标差异不大。4种冬季作物秸秆还田，土壤pH值和有效磷含量均小于冬闲对照，其中有效磷含量降幅最显著。从土壤培肥效果来看，与冬闲相比，稻田碱解氮含量增幅大小顺序为紫云英＞油菜＞黑麦草，增幅分别为4.41%、1.39%、1.36%；有机质含量增幅大小顺序为油菜＞马铃薯，增幅分别为3.0%、1.2%；速效钾含量增加的只有黑麦草秸秆还田处理，增幅为7.4%。

图2 各处理养分标准化雷达图

3 结论与讨论

研究结果表明，与冬闲对照相比，紫云英、油菜、黑麦草和马铃薯4种冬季作物秸秆还田，均能增加双季稻产量，但增产效果略有差异，增产多少依次为：马铃薯＞紫云英＞黑麦草＞油菜，增幅分别为6.69%、6.50%、4.76%、4.44%。高菊生等人［14］通过研究绿肥—双季稻轮作27年的数据，发现水稻增产效果由大到小依次为：紫云英＞油菜＞黑麦草。本研究结果与其略有不同，原因可能是以下两个方面造成的：一是早稻总养分施入情况不同，存在养分效应差异；二是本试验年限短，受田间管理、气候等因素影响年际波动较大，有待长期试验进一步验证。

冬季绿肥作物秸秆还田，有利于改善土壤性状，提高土壤肥力［15～17］。本研究表明，冬季覆盖作物秸秆还田，土壤pH值和有效磷含量均低于冬闲对照，其中有效磷含量降幅最显著。冬季作物秸秆还田腐解需氧量增加，还原物质增多［18］，导致pH值下降，而土壤有效磷含量下降的原因有待后续进一步试验研究。

水稻增产是群体质量协调发展的结果［19～21］，本研究结果表明，冬季作物秸秆还田主要是提高了水稻有效穗数和穗粒数而实现增产，这与周春火等人［22～24］的研究结果一致。