水旱轮作模式下作物配置和肥水优化对作物产量及土壤养分的影响

潘艳华，王攀磊，郭玉蓉，王应学，刘树芳，张 庆，朱红业*，戴陆园

(1.云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南 昆明 650205；2.农业部嵩明农业环境科学观测实验站，云南 昆明 650205；3.云南省科学技术协会，云南 昆明 650021 )

【研究意义】水旱轮作是水稻与其它旱地作物在同一田块上有序轮换种植的一种作物种植体系[1]，在中国西南地区分布广泛，水旱轮作面积超过300万hm2[2]。水旱环境的交替循环使得土壤水热条件转换强烈，直接影响土壤养分的转化、迁移和积累，形成了独特的土壤肥力[3-5]。而不同轮作作物的养分需求差异也增加了养分管理的复杂性。此外，由于西南水旱轮作区轮作作物多样、土壤环境差异较大[6-9]，使得不同轮作模式之间作物养分需求、种植管理方式及土壤环境均存在较大差异，继而影响作物生产力和土壤可持续发展。因此，轮作作物合理配置、养分资源合理管理是保证水旱轮作体系生产力持续提升和可持续发展的必要条件。【前人研究进展】近年来，众多学者针对水旱轮作区的作物生产力和土壤肥力开展了了大量工作，认为水旱轮作生产力呈现徘徊不前的趋势主要是由于①农田复种指数偏高，一年多熟现象较普遍，用养地矛盾突出；②长期大量施用化肥造成土壤退化；③水旱季土壤的供肥水平不一，导致有效供肥能力不足。【本研究切入点】本文通过开展水旱轮作长期定位试验，设置不同轮作模式及不同管理措施，统计作物产值及测定土壤肥力，比较分析轮作作物和施肥制度对作物经济效益和土壤养分的影响。【拟解决的关键问题】文章拟为水旱轮作系统优化养分管理和资源高效利用提供理论依据，以期建立高效的水旱轮作模式及科学的肥水管理方法，提高土壤持续生产力。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点为云南省昆明市嵩明县小街镇墩白村云南省农业科学院嵩明基地(25°21′23″N，103°06′39″E)，属亚热带高原季风气候，年平均气温15 ℃，年均日照2200 h，年降水量1035 mm。试验土壤为典型山原红壤耕地，试验前土壤基础理化性状如表1所示(2013年5月取样)。试验从2013年开始，夏季种植水稻，冬季种植蔬菜，并自2015年起，冬季作物固定为蚕豆、大蒜。

1.2 试验设计

本试验为4处理3重复随机区组设计，每个处理小区面积为60 m2。种植模式为稻-菜轮作，稻后通过裂区处理分别种植大蒜及鲜食蚕豆。试验处理如下：处理CK，空白对照；处理CF(Convention Fertilizer)，习惯处理，施肥及灌溉均与当地习惯一致；处理OF(Optimization Fertilizer)，优化处理，适当增施有机肥、减少氮肥、平衡施用磷钾肥，节水科学灌溉。处理OI(Optimization fertilizer and irrigation)，优化处理+稻草覆盖。各处理不同作物肥料施用量见表2。

1.3 试验实施

水稻种植季为5-10月，蚕豆、大蒜种植季为10月至次年5月。水稻收获后，把各试验小区裂区，分别种植蚕豆和大蒜。蚕豆种植：水稻收获后，在试验田尚湿润时将蚕豆种子浅按进土壤表层下1～2 cm。大蒜种植：翻挖、晾晒、耙细后再种植。

施肥方式：水稻：20 %氮、50 %磷钾作基肥，与有机肥一起在插秧前整地时施用，40 %氮、50 %磷钾作分蘖肥，余40 %氮作孕穗肥。蚕豆：50 %氮、100 %磷、50 %钾在蚕豆出苗后10～15 d施用，剩余肥料在开花前施用，有机肥在播种后撒施。大蒜：20 %氮、50 %磷钾作基肥，在整地时施用，40 %氮、50 %磷钾肥料在蒜薹开始抽生时施用，40 %氮在蒜苔抽生后30 d施用，有机肥整地后施于播种沟内。

灌溉方法：CK和习惯处理采用常规大水漫灌方式(水稻灌水量7500 t/hm2，蚕豆、大蒜灌水300 t/hm2)，优化处理采用节水浅薄灌，总体灌水量比习惯处理减少20 %，其中水稻OI处理在优化处理灌水量基础上再减少10 %。旱作季OI处理蚕豆、大蒜种植后在地表覆盖干稻草3000 kg/hm2。

表1 土壤基础理化性状Table 1 Initial soil physical and chemical property

各处理不同作物农资投入成本见表3。

1.4 数据统计

1.4.1 土壤养分测定 2013年试验开始时取土测定土壤基础理化性状(表1)，每年分别在水稻、蚕豆/大蒜收获后取土测样。测定指标为pH、有机质、速效氮、有效磷、速效钾。

1.4.2 产量、生物量测定 水稻产量以稻谷干重计，蚕豆产量以蚕豆鲜重计，大蒜产量分别以蒜苔、蒜头计。生物量均以鲜重计。

1.4.3 产投比计算 产投比=[水稻产值+蚕豆(大蒜)产值]/成本。产值计算：稻谷以4 元/kg计算，鲜食蚕豆3 元/kg，蒜苔及蒜头按当年市场平均价计算，2015年10 元/kg，2016-2017年12 元/kg。农资成本按表3所示计算。

1.4.4 统计方法 数据处理使用SAS 9.0，方差分析多重比较检验方法为Student-Newmnan-Keuls。作图使用Origin 2017软件。

2 结果与分析

2.1 基于产量和效益的轮作模式评价

2.1.1 产量、生物量 2015-2017年稻豆、稻蒜水旱轮作模式下产量及生物量如图1所示。从图看出，无论轮作模式或施肥处理，作物产量和生物量(水稻+蚕豆/大蒜)的差异趋势表现一致。

结果表明，在相同轮作模式下，施肥处理轮作作物(水稻+蚕豆、水稻+大蒜)的产量、生物量显著高于未施肥处理。2015-2017年施肥处理的稻豆产量在27.04～36.29 t/hm2，显著高于CK的15.88～20.10 t/hm2(P<0.05)；施肥处理的稻蒜产量在15.68～22.05 t/hm2，显著高于CK的12.59～13.78 t/hm2(P<0.05)，可见施肥可显著提高作物产量。此外，常规施肥处理CF和优化施肥处理OF的作物产量、生物量均高于OI处理，但差异不显著(P>0.05)。可见，在减少氮磷化肥施用量及灌水量20 %，总体成本比习惯生产降低的情况下，适当增施有机肥，仍然能维持较高的水稻产量，但灌水量比优化处理再减少10 %的OI，水稻产量却受到较大影响，产量平均比习惯及优化处理减产11 %以上，说明适宜的灌水量才能保障水稻获得正常产量，这与水稻的生理特性密切相关。

从轮作模式来看，稻豆轮作作物产量、生物量均显著高于稻蒜轮作，与作物特性和利用方式有关，蚕豆植株比大蒜高大且以鲜食利用计产，所以产量、生物量高于大蒜。以常规处理CF为例，2015-2017年稻豆作物平均产量为34.27 t/hm2，而稻蒜平均产量为20.36 t/hm2，显著低于稻豆轮作(P<0.05)。

表2 各处理水稻、蚕豆、大蒜施肥量Table 2 Fertilization of rice, broad bean, and garlic planting with different treatments

表3 各处理化肥、有机肥、农药及灌水成本Table 3 The cost of chemical fertilizer, organic fertilizer, pesticide and irrigation with different treatments

注：纯N、P2O5按5元/kg计，K2O按6元/kg计，有机肥按500元/t计，灌溉水按0.5元/t计。
Note:The cost of chemical fertilizer was calculated by 5 yuan/kg of N, P2O5and 6 yuan/kg of K2O. The cost of irrigation was calculated by 0.5 Yuan/t.

不同年份产量、生物量由于年际气候不同有一定差异，但不同轮作模式及施肥处理下作物产量、生物量总体趋势大体相同，3年平均大小顺序为CF>OF>OI>CK。

2.1.2 产值、产投比 2015-2017年稻豆、稻蒜轮作模式下产值、产投比如图1所示。①产值。从各施肥处理间的产值差异来看，在相同轮作模式下，施肥处理轮作作物的产值显著高于未施肥处理，常规施肥处理CF和优化施肥处理OF之间作物产值相近，均略高于OI处理，但差异不显著。具体而言，2015-2017年施肥处理的稻豆产值在8.89～11.70 万元/hm2，显著高于CK的5.21～6.59 t/hm2(P<0.05)，平均产值增加81.00 %；稻蒜产值在13.73～18.79 万元/hm2，显著高于CK的11.14～11.88 万元/hm2(P<0.05)，平均产值增加47.39 %。不同轮作模式的产值差异较大，与产量和生物量的差异相反，稻蒜轮作产值均显著高于稻豆轮作。同样以常规处理CF为例，2015-2017年稻蒜平均产值为17.55 万元/hm2，显著高于稻豆产值11.20 万元/hm2(P<0.05)，同比增加56.70 %。②产投比。结果显示，相同轮作模式下，未施肥处理轮作作物的产投比显著高于施肥处理，而施肥处理间差异不显著。具体而言，2015-2017年施肥处理的稻豆产投比在8.59～10.93，低于CK的12.40～15.69(P<0.05)；而施肥处理的稻蒜产投比在11.98～15.97，低于CK的15.0～27.35(P<0.05)。其主要原因在于CK产量虽低于施肥处理，但由于未投入农资，成本较低，因此产投比反而高于施肥处理。但农作物种植的目的，是通过合理的投入，获得相应的产出，没有投入的生产模式不可持续，也不符合农业生产习惯。稻蒜轮作的产投比显著高于稻豆轮作。以常规处理CF为例，2015-2017年稻蒜平均产投比为14.55，显著高于稻豆产投比9.99(P<0.05)，同比增加45.65 %。

2.2 水旱轮作土壤养分变化规律

2.2.1 pH 土壤pH结果表明不同施肥处理间无显著差异，而水旱季间差异显著。具体而言，水稻种植季土壤pH显著高于旱季土壤，2017年水稻种植季土壤pH均值7.45，显著高于蚕豆6.70及大蒜6.32(P<0.05)。蚕豆和大蒜土壤pH无显著差异(P>0.05)。就年际变化来看，土壤pH呈下降趋势，旱季土壤pH值从2013年的6.84降至2017年的6.32(图2)。

2.2.2 有机质 5年水旱轮作结果表明，长期施用有机肥可提高土壤有机质(图2)。2017年土壤有机质数据显示，水稻季OF土壤有机质为39.23 g/kg，高于CK、CF、OI的37.64～37.89 g/kg；蚕豆种植土壤OF、OI的土壤有机质分别为41.91、41.34 g/kg，高于CK、CF的39.04、40.43 g/kg；大蒜种植土壤OF、OI的土壤有机质分别为42.73、43.00 g/kg，高于CK、CF的39.21、42.53 g/kg。但差异均不显著(P>0.05)。

就水旱轮作交替期土壤有机质变化规律而言，在同等施肥条件下，旱季土壤(无论蚕豆、大蒜)有机质略高于水稻种植季土壤。2017年蚕豆、大蒜种植土壤有机质平均含量分别为40.68 和41.87 g/kg，高于水稻种植季的38.11 g/kg，但方差分析结果差异不显著(P>0.05)。就年际间土壤有机质变化趋势看，2013-2017年土壤有机质整体呈先降低后增加的趋势，2013年5-10月，土壤有机质由43.06 g/kg降至33.61～36.21 g/kg，此后有机质含量逐步升高，2017年5月增至39.13～42.32 g/kg。

2.2.3 氮 不同处理的土壤速效氮含量在177.48～191.93 mg/kg。整体而言，无论水季、旱季，不同施肥处理条件下土壤速效氮含量无显著差异，各处理速效氮含量高低差异表现为：水稻季OF>CK、CF、OI，蚕豆季OF、OI>CK、CF，大蒜季CF、OF、OI>CK，差异不显著(P>0.05,图2)。

周年水旱季土壤速效氮含量差异表现为：旱季(大蒜>蚕豆)>水季(水稻)，三者速效氮平均含量分别为207.77、167.63和129.85 mg/kg，其中大蒜土壤速效氮含量显著高于水稻(P<0.05)。从年际间土壤速效氮变化趋势来看，土壤速效氮含量整体呈先降低后增加的趋势，在试验初期水稻种植季土壤速效氮急剧降低，由156.77 mg/kg降至110.58～121.02 mg/kg，随后速效氮逐年升高，2017年5月增至177.48～191.93 mg/kg，施肥处理平均增加了21.25 %。常规施肥处理土壤全氮含量增加了30.31 %，优化处理平均增加了36.18 %。

2.2.4 磷 就不同施肥处理来看，水稻、蚕豆、大蒜种植季施肥土壤的有效磷含量均高于对照，且蚕豆、大蒜之间呈显著差异(P<0.05)。不同处理的土壤有效磷含量在8.69～16.59 mg/kg，其中施肥处理(CF、OF、OI)平均含量为16.03 mg/kg，CK平均含量为8.69 mg/kg(图2)。

周年内水旱季土壤有效磷含量差异表现趋势与速效氮一致，即：旱季(大蒜>蚕豆)>水季(水稻)，三者有效磷平均含量分别为16.05、12.34和9.30 mg/kg，其中大蒜和水稻土壤有效磷含量呈显著差异(P<0.05)。从年际变化趋势来看，2013-2016年土壤有效磷含量基本保持稳定，变化趋势不明显，但2017年施肥处理略有上升，总体而言，5年间施肥处理的土壤有效磷含量由9.84 mg/kg增至15.74～16.59 mg/kg，施肥处理平均增加了62.91 %。全磷含量无明显变化。

图1 2015-2017年稻豆、稻蒜轮作模式下作物产量、生物量、产值及产投比Fig.1 Crop yield, biomass, output value and VCR under rice-broad bean and rice-garlic rotation between 2015-2017

2.2.5 钾 不同处理的土壤速效钾含量在122.46～254.29 mg/kg。结果显示，施肥处理的土壤速效钾含量高于对照。不同种植季，不同施肥处理的土壤速效钾含量差异表现不一致。在水稻种植季，OF土壤速效钾含量高于其它处理，为160 mg/kg，而其余处理均在130.00～138.60 mg/kg，但差异不显著(P>0.05)；蚕豆、大蒜种植季施肥处理间无显著差异，速效钾含量分别在138.56～177.80 mg/kg和199.94～254.29 mg/kg，均高于对照的122.46和142.58 mg/kg，但差异亦不显著(P>0.05,图2)。

水旱季土壤速效钾含量差异表现趋势与速效氮、有效磷一致，即：旱季(大蒜>蚕豆)>水季(水稻)，三者速效钾平均含量分别为200.70 、147.61和141.90 mg/kg，差异不显著(P>0.05)。从年际变化趋势来看，2013-2017年土壤速效钾含量整体呈增加趋势，旱季土壤速效钾含量由2013年100 mg/kg 升至2017的132.52～202.96 mg/kg。总体而言，5年间土壤速效钾含量增加了32.52 %，施肥处理平均增加了88.04 %。全钾含量增加了27.64 %。

2.3 小 结

(1)施肥可显著提高作物产量、产值，相比于对照，施肥处理的稻豆产量增加82.66 %，产值增加81.00 %，稻蒜产量增加49.92 %，产值增加47.39 %；在适当减少氮肥施用量及灌水量的情况下增施有机肥，水旱轮作的作物产量、产值、产投比基本不受影响，但灌水量相比习惯处理减少超过20 %时，水稻产量不同程度受影响，2015年影响最明显，其次是2017年，OI处理水稻产量相比习惯及优化处理平均减产约10 %，这与水稻的生理特性有关，说明适当的灌水量才能保障水稻的正常生长。稻草覆盖对作物产量也有负面影响，稻草覆盖后，无论大蒜或蚕豆，产量均比相同施肥灌溉条件下不覆盖的处理降低，蚕豆、大蒜减产幅度接近10 %，可能与试验点冬季气温较低，覆盖后影响土壤积温有关。从土壤养分看，施肥可提高速效氮、有效磷和速效钾含量，施用有机肥可提高土壤有机质含量；相比于对照，施肥处理速效氮、有效磷和速效钾含量分别增加了5.65 %、66.98 %和28.30 %，施用有机肥土壤有机质提高了6.85 %。

(2)稻后种植不同作物，产值量差异较大。稻豆轮作作物产量高于稻蒜轮作，但产值、产投比均低于稻蒜轮作。稻豆轮作作物产量相比稻蒜增加68.32 %，而稻蒜轮作产值比稻豆轮作增加56.70 %，产投比增加45.65 %。从土壤养分看，稻蒜轮作土壤有机质、速效氮、有效磷、速效钾含量均高于稻豆轮作，分别增加了2.93 %、23.94 %、30.09 %和35.96 %。而pH值相对较低为6.32，低于稻豆轮作的6.70。因此稻后作物种类的优化选择，因地制宜配置附加值较高的作物，是提高水旱轮作系统生产力，获得水旱轮作系统周年高效益的前提。

图2稻豆、稻蒜轮作土壤理化性质及变化趋势Fig.2 Soil physical and chemical properties and variation trend under rice-broad bean and rice-garlic rotation

(3)水旱轮作交替可显著影响土壤pH、有机质及速效氮磷钾含量。旱季土壤有机质、速效氮、有效磷、速效钾含量相比水季分别增加8.31 %、44.55 %、52.61 %和22.73 %，主要因为稻季降雨量大，土壤水分渗漏多，加之径流流失影响，导致养分流失较旱季大。而旱季pH值相对较低，平均值为6.51，低于水季的7.45，主要与稻田灌水后土壤H+离子稀释有关。

(4)经过5年水旱轮作后，有明显变化趋势的土壤肥力指标有：土壤pH下降，旱季土壤pH值从6.84降至6.32；优化处理土壤有机质含量保持不变，常规施肥处理有机质降低了3.67 %，说明增施有机肥能提高土壤有机质含量；施肥处理土壤速效氮、有效磷、速效钾含量分别增加了21.25 %、62.91 %和88.04 %；全氮、全钾含量分别增加了33.24 %和27.64 %，施肥能提高相应营养元素含量。

3 讨 论

3.1 水旱轮作对土壤养分的影响

水旱轮作体系中，随着季节性的干湿交替及氧化还原过程更替进行，土壤中一些变价元素的形态和有效性也随之发生变化，从而影响土壤养分含量[10]。本试验数据显示，旱季土壤的有机质、速效氮、有效磷、速效钾含量相比水季均有所增加。

对于水旱轮作土壤有机质的分解和累积规律，可能受多种因素影响，而最终表现出有机质含量的降低或增加，则是多种因素综合作用下平衡的结果。可能存在的一种因素是水旱条件改变了土壤的氧化还原状态，在旱作氧化状态下利于有机质的分解，而在水作还原条件下土壤还原菌占优势，有机物质进行嫌气分解，腐殖化系数较高，利于有机质的累积[11]。根据范明生等人[10]的研究，另一种存在因素是人为耕作，即在水季稻田耕作在移栽水稻前进行带水耕耙，将耕层土壤打浆使大土粒分散成微团粒或细小粘粒，这种过程破坏了土壤的团聚体结构，促进土壤有机质的分解。此外，稻季高温、高湿，利于有机质分解，而旱季降雨量少，温度低，微生物活性较低，利于有机质累积，从本试验结果来看，旱季土壤有机质高于水季。

3.2 增施有机肥对作物经济效益及土壤养分的影响

在适当减少氮磷化肥施用量及灌水量的情况下增施有机肥，不仅不会影响作物产量，还有利于土壤有机质积累，和李忠芳[7-8]等人的研究结果一致。而浅薄灌水处理可能由于灌水较少，土壤水分含量较低，利于土壤有机质分解，因此有机质含量略低于优化处理。

3.3 水旱轮作作物配置的经济效益及土壤养分

稻-菜轮作是生产中普遍存在的种植方式，稻后种植不同作物，产量/值差异较大。稻后作物种类的优化选择，是提高水旱轮作系统生产力，获得高产值的前提。本试验结果表明，稻蒜轮作的经济效益高于稻豆轮作。大蒜施肥量较蚕豆高，但产量仅为蚕豆的一半，然而由于大蒜单价较高，市场平均价则达10～12元/kg，此外大蒜蒜头和蒜苔均可以售卖，而鲜食蚕豆市均价相对大蒜较低，平均仅3元/kg，因此，虽然大蒜产量远不及蚕豆，但产值却远高于蚕豆。如以追求高产高效为目的，则可以选择稻后种植大蒜代替目前生产中较多的蚕豆种植方式。

稻蒜轮作的土壤速效氮、有效磷、速效钾含量均高于稻豆轮作，这主要和种植两种作物的施肥量有关，大蒜化肥施肥量相比蚕豆高出50 %左右，因此稻蒜轮作土壤养分含量高于稻豆轮作。

3.4 水肥优化及覆盖对水旱轮作周年效益的影响

①化肥减量效应。在氮肥施用量比习惯生产减少约20 %，并适当增施有机肥，平衡施用磷钾肥的前提下，并不影响作物产量。②节水效应。在正常气候条件下，无论是水稻季、还是旱作季，减少水分灌溉量20 %，并采用科学的灌溉方式，并不会影响作物产量，但水分减量超过20 %时，会造成水稻10 %左右的减产。③覆盖影响。在气候冷凉的地区，冬季覆盖对作物产量产值有一定负面影响，当季作物产量/值降低10 %左右。但随着年限增加，稻草不断分解，对土壤有机质的累积有积极作用，并能有效改善土壤结构。综上所述，水肥优化处理增施有机肥增加了一定成本，但总体成本仍然小于习惯处理，而且单季与周年均能获得较高的经济产量，从而获得较高的产值和经济效益。

4 结 论

水旱轮作系统中，稻后种植大蒜代替目前生产中较多的种植蚕豆方式，可获得较高经济效益，提高水旱轮作系统周年生产力。在正常气候条件下，无论是水稻季、还是旱作季，采用科学的灌溉方式，减少水分用量20 %，并不会影响作物产量。在适当增施有机肥的前提下，减少氮肥用量20 %，并根据作物特性平衡施用磷钾肥，对作物产量产值无明显影响，还能增加土壤有机质含量，长期坚持，能改善土壤质量，保护环境，维持耕地高效持续生产力。

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