张 帆 杨 茜

湖南省土壤肥料研究所, 湖南长沙 410125

湖南是长江中游双季稻主产区, 冬季作物-双季稻轮作是该区重要的三熟种植制度。目前对冬季作物-双季稻轮作的研究, 冬季作物主要集中在紫云英、油菜、黑麦草及马铃薯[1-3], 研究内容主要关注在利用轮作倒茬效应以实现稻田土地资源的“种养结合”[4-7]、保障双季稻稳产高产[1-8]及稻田固碳减排[9-10]等方面, 但是关于稻田冬春季光热水资源利用率的研究极少, 特别是关于冬季作物大麦目前研究的进展还不够全面深入[11-14]。大麦是世界第四大禾谷类作物, 在稻田冬闲期种植冬季作物大麦, 能增加一季粮食作物产量, 增加地表绿色覆盖进而减轻或抑制冬春降雨引起的土壤侵蚀和氮磷淋溶风险。大麦-双季稻是湖南双季稻种植区的主要水旱轮作种植模式之一。据湖南农村统计年鉴数据, 2012—2017年大麦平均播种面积为每年1600 hm2、平均单产为2846 kg hm–2; 2017年大麦单产为3929 kg hm–2, 总产量为5.5×106kg。

施肥是农作物稳产高产的主要技术管理措施。减施化肥配施有机物料是减少化肥负面环境影响与农业废弃物肥料化、资源化利用的有效措施之一。在农业生产减肥增效绿色发展背景下, 当前我国农作制也向着生态环境友好、资源节约与高效利用、轻简化生产及产业协调方向发展[15-16]。轮作、间套作及复种等多熟种植模式, 集约高效利用农田光热水土自然资源的同时必须提高氮磷钾养分资源利用效率, 以实现农业增产增效。合理利用稻田冬春的光热水等气候资源, 优化施肥, 对湖南冬季作物-双季稻生产具有重要的意义。

本研究以开展了34年的农业农村部“不同施肥对土壤肥力变化长期定位试验”长期监测基地为依托, 分析比较在大麦-双季稻轮作模式下不同有机物料与化肥配施对大麦光热水资源利用效率、NPK养分资源利用效率及产量的影响, 旨在为湖南大麦-双季稻轮作模式的绿色发展、资源的优化配置与高效利用及大麦稳产增效的农田养分管理提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计与栽培管理

长期定位试验在湖南省宁乡县农技中心内进行, 试验小区均为防渗水泥池, 面积为66.7 m2, 规格为10 m (长) ×6.67 m (宽) × 1.35 m (高), 四面及底部均严格密封, 并具有良好排灌设备。试验开始于1986年, 供试土壤为河沙泥水稻土, 种植制度为大麦-双季稻。1986年试验前耕层土壤基础理化性状为[11]: 土壤有机质29.39 g kg–1, 全氮2.01 g kg–1, 全磷0.59 g kg–1, 全钾20.6 g kg–1, 有效氮144.1 mg kg–1, 速效磷12.87 mg kg–1, 速效钾33.0 mg kg–1, pH为6.85。

本研究选择了长期定位试验中4个施肥处理[11-12]: (1)氮磷钾化肥处理, 简称NPK; (2) 氮磷钾化肥+水稻秸秆处理, 简称NPK+straw; (3) 有机肥氮替代30%化学氮处理, 简称NPK+LOM, 用有机肥中氮替代30%化肥氮用量,余下70%氮采用化肥氮; (4) 有机肥氮替代60%化学氮处理, 简称NPK+HOM, 用有机肥中氮替代60%化肥氮用量,余下40%氮采用化肥氮。各处理以等氮量为基准, 不足的氮、磷、钾肥用化肥补足(氮、磷、钾化肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾), 保证大麦季、早稻季及晚稻季各施肥处理的N、P2O5和K2O施用量均一致[11-12]。大麦季各施肥处理总施N 157.5 kg hm–2、P2O543.2 kg hm–2和K2O 81.0 kg hm–2; 早稻季各施肥处理总施N 142.5 kg hm–2、P2O554.0 kg hm–2和K2O 63.0 kg hm–2; 晚稻季各施肥处理总施N 157.5 kg hm–2、P2O543.2 kg hm–2和K2O 81.0 kg hm–2。由于该长期定位试验开始于30多年以前, 受当时条件的限制没有设置重复。

大麦-双季稻轮作各处理农事操作为[11-12]: 大麦季有机肥2015年开始为腐熟猪粪(2015年以前为腐熟鸡粪),早稻季和晚稻季有机肥均为腐熟鸡粪; 氮磷钾化肥+水稻秸秆处理(NPK+straw)在大麦季、早稻季、晚稻季的稻草施用量分别为3000、2775和3600 kg hm–2; 三季各施肥处理秸秆和有机肥均于稻田耕地时作基肥一次性施入; 氮、钾化肥基追肥比例均按7∶3施用, 基肥在耕地时施入,大麦季追肥在分蘖期施用, 早、晚稻季追肥均在水稻秧苗移栽后7 d施用; 化肥磷均在耕地时作基肥一次性施入。湖南自然降雨量主要集中在冬春季, 本研究中大麦季各处理人工灌溉水输入量年际间变化范围为375~420 m3hm–2, 主要依据当年大麦生育期内自然降雨情况适时补充分蘖水、或拔节水、或开花水。各处理大麦季、早稻季及晚稻季灌溉方式均为自流, 麦季排水方式均为自然落干, 各处理各作物季人工灌溉水输入量均相同。其他管理措施同常规大田生产。

2019—2020轮作周年里大麦供试品种‘为通0612’(Hordeum vulgareL.), 播种量为250 kg hm–2。于2019年11月8日耕地和施基肥, 11月9日播种大麦, 2020年1月10日追肥, 4月30日收获。有机肥氮替代30%化学氮肥处理(NPK+LOM)和有机肥氮替代60%化学氮肥(NPK+HOM)处理在大麦季的有机肥施用量分别为2671.4 kg hm–2和5340.7 kg hm–2(有机肥全N、全P、全K含量分别为17.7 g kg–1、3.58 g kg–1、9.29 g kg–1); 氮磷钾化肥+水稻秸秆处理(NPK+straw)的稻草秸秆全N、全P、全K含量分别为9.1 g kg–1、1.3 g kg–1、18.9 g kg–1。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 气象因子的监测 所用气象数据由湖南省气象局提供。利用生成的日值气象资料, 计算大麦-双季稻轮作模式大麦种植季(大麦生育期为2019年11月9日至2020年4月30日)的降雨量、总辐射及≥0℃积温。2019—2020轮作周年里大麦种植季降雨量为676.4 mm, 太阳总辐射为1545.03 MJ m–2, ≥0℃积温为1994.00。

1.2.2 大麦样品的采集与测定 于2020年4月30日,大麦成熟收获时从每处理小区选择长势均匀的大麦3个1.0 m2样方点, 计算每个样方点内大麦有效穗数, 从每个样方点中随机选取10株大麦植株(分为大麦籽粒和秸秆)测定其干物质量。同时对试验处理每小区大麦单打单收,脱粒并晒干去杂质测其籽粒产量。

植株样均是105℃杀青1.0 h, 80℃烘干至恒重, 测其各部分干物质量后磨碎过筛。采用硫酸-过氧化氢消煮-扩散法测定植株样全N[15], 采用硫酸-过氧化氢消煮-钼锑抗比色法测定植株样全P[15], 采用硫酸-过氧化氢消煮-火焰光度法测定植株样全K[15]。

以取样的3个1.0 m2样方点作为重复, 2019—2020轮作周年里大麦籽粒、秸秆生物量及其NPK养分含量见表1。

表1 大麦-双季稻轮作有机物料与化肥配施对大麦籽粒和秸秆生物量及其NPK养分含量的影响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 土壤样品的采集与测定 于2020年4月30日即大麦成熟收获时, 依据S形5点采样法用内径20 mm的土钻, 采集各处理0~30 cm土壤新鲜样品, 混匀风干过筛, 用于测定土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷及速效钾[17]。

1.3 物质、能量生产与光热水及养分资源效率分析的数据统计方法

1.3.1 干物质产能 单位面积生产的干物质产量与其干重热值(即单位干物质热量)的乘积为干物质产能[18]。干重热值(GCV)指每千克干物质完全燃烧所释放的能量(kJ kg–1), 本试验中大麦籽粒干重热值[19]为16,066.56 kJ kg–1,大麦秸秆干重热值[19]为13,755.11 kJ kg–1。

干物质产能(MJ m–2)=单位面积的干物质产量×干重热值

1.3.2 光能生产效率与光能利用率(太阳辐射利用率)

太阳辐射资源是重要的农业气候资源之一, 是植物进行光合作用的必要条件, 使植物能够正常生长、发育及形成产量[20]。光能生产效率和光能利用率是衡量农作物利用太阳辐射资源的重要指标[21-22], 光能生产效率是指植物通过光合作用将太阳能固定为碳水化合物的效率, 其值越高表明植物将太阳能转化为碳水化合物和有机物的能力越强[23-24]; 光能利用率是指单位土地面积上作物光合作用所合成的有机物中贮存的化学能占照射在该土地面积上的太阳光能量的百分数[25]。

光能生产效率(g MJ–1) = 干物质生产量/单位面积作物生育期的太阳总辐射

光能利用率(%) = 干物质产能/单位面积作物生育期的太阳总辐射×100%

1.3.3 积温生产效率 热量资源是农业生产的重要自然资源, 在正常水分条件下, 热量资源决定了作物的产量及生长发育[20]。积温生产效率是衡量农作物利用热量资源的重要指标[18,20-21]。本文统计大麦生长期≥0℃积温作为冬季作物大麦的热量资源, 即大麦生育期的有效积温为≥0℃积温。

积温生产效率(kg ℃–1d–1hm–2)=单位面积干物质生产量/作物生育期的有效积温

1.3.4 水分生产效率 水分生产效率[18,21]反映水资源(包括自然降雨和人工灌溉水)对作物产量形成的贡献。本文冬季作物大麦种植季人工灌溉水输入量每小区为375 m3hm–2, 总耗水量为大麦生育期自然降水量与人工灌溉水之和。

水分生产效率(kg m–3) = 单位面积干物质生产量(kg hm–2)/总耗水量(m3hm–2)

1.3.5 养分利用效率 养分利用效率是评价作物养分吸收和利用的重要指标, 也是评价相关施肥制度的重要依据[26]。养分收获指数反映了作物吸收养分后在籽粒中的分配比例[26]。养分偏生产力是指单位投入的肥料养分所能生产的作物籽粒产量[27]。

养分积累总量 = ∑成熟期地上部各部位干物质重×各部位养分含量

养分收获指数(%) = 籽粒养分积累量/养分积累总量×100%

养分偏生产力(kg kg–1) = 籽粒产量/养分施用量

1.4 大麦产量稳定性与可持续性的统计分析

产量可持续性指数(sustainable yield index, SYI)和变异系数(coefficient of variation, CV)是衡量系统持续生产的重要参数[1,28]。产量稳定性用变异系数表示, 用来分析同一作物产量在不同年份间的变异程度, 其值越小, 说明产量稳定性越高[1,28]。产量可持续性指数是衡量生态系统可持续生产的参数, 其值越大, 说明系统可持续性越好[1,28]。考虑大麦品种属性的差异, 本研究运用长期定位试验2011—2020年大麦产量数据分析大麦产量稳定性与产量可持续性。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel数据表和DPS 9.0 (Data Processing System for Practical Statistics)软件进行分析整理数据, 用Duncan’s新复极差法检验数据差异的显著性水平(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 大麦-双季稻轮作有机物料与化肥配施对大麦光热水资源利用率的影响

在大麦-双季稻轮作模式里, 不同有机物料与化肥配施下大麦的光温水生产效率与麦季光能利用率见表2。NPK+HOM处理大麦的光温水生产效率与麦季光能利用率是最高的, 其中NPK+HOM处理大麦光能生产效率比NPK、NPK+straw、NPK+LOM处理分别提高了0.03、0.04、0.02 g MJ–1, 增幅分别为7.7%、10.5%、5.0% (P<0.05); NPK+HOM处理大麦的积温生产效率、水分生产效率及麦季光能利用率比NPK+straw处理分别提高了0.28 kg ℃–1d–1hm–2、0.08 kg m–3、0.05%, 增幅分别为9.4%、9.6%、9.1% (P<0.05)。

表2 大麦-双季稻轮作有机物料与化肥配施对大麦光热水资源利用率的影响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

综上所述, 从大麦光热水资源利用率的角度来看, 大麦-双季稻轮作模式里有机肥氮替代60%化学氮的施肥结构(NPK+HOM)优于其他施肥结构。

2.2 大麦-双季稻轮作有机物料与化肥配施对大麦NPK养分利用率的影响

在大麦-双季稻轮作模式里, 不同有机物料与化肥配施下大麦的NPK养分利用率见表3。NPK+LOM处理大麦籽粒N积累量比NPK+HOM、NPK、NPK+straw处理分别提高了14.9%、47.3%、55.8% (P<0.05)。NPK+LOM处理大麦籽粒P积累比NPK+HOM提高了8.4% (P>0.05),比NPK、NPK+straw处理分别提高了1.9倍、2.0倍(P<0.05)。NPK+LOM处理大麦籽粒K积累比NPK+HOM、NPK、NPK+straw处理分别提高了12.4%、33.8%、37.8%(P<0.05)。

表3 大麦-双季稻轮作有机物料与化肥配施对大麦NPK利用率的影响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处理的NPK养分偏生产力差异不显著, 但NPK+LOM处理的N、P、K养分偏生产力较NPK+HOM处理分别提高了7.7%、8.5%、8.5% (P>0.05)。NPK+LOM和NPK+HOM处理的NPK养分偏生产力均显著高于NPK和NPK+straw处理(P<0.05), 其中NPK+LOM处理的N、P、K养分偏生产力比NPK+straw处理分别提高了22.5%、23.4%、23.5% (P<0.05), NPK+HOM处理的N、P、K偏生产力比NPK+straw处理分别提高了13.7%、13.8%、13.8% (P<0.05)。各处理N素收获指数无差异(P<0.05)。NPK+straw处理的P素收获指数较NPK+LOM和NPK+HOM处理分别显著提高了10.0%和35.8%(P<0.05)。NPK+LOM处理的P、K素收获指数较NPK+HOM处理分别显著提高了23.4%和30.0% (P<0.05), K素收获指数较NPK+straw处理显著提高了36.7% (P<0.05)。尽管NPK+LOM处理P素收获指数低于NPK和NPK+straw处理(P<0.05), 但从大麦籽粒产量及籽粒NPK养分含量(表1)、NPK养分偏生产力、NPK养分收获指数等角度综合考虑, NPK+LOM处理优于其他施肥结构。

综上所述, 从NPK养分资源利用率的角度看, 大麦-双季稻轮作模式里有机肥氮替代30%化学氮的施肥结构(NPK+LOM)优于其他施肥结构。

2.3 大麦-双季稻轮作有机物料与化肥配施对大麦的产量效应与产量可持续特征

大麦-双季稻轮作有机物料与化肥配施对大麦的产量效应见图1。由于品种的原因, 大麦产量年际变化大。从图1近10年大麦产量演变规律看, 仅在2017年NPK+straw处理大麦产量低于NPK处理, 其他年份NPK+straw、NPK+LOM及NPK+HOM处理大麦产量均高于NPK处理。除了2016年, 其他各年份NPK+LOM和NPK+HOM处理大麦产量均高于NPK+straw处理。各处理近10年的大麦产量平均值大小排序为: NPK+LOM(1663 kg hm–2)>NPK+HOM (1637 kg hm–2)>NPK+straw(1511 kg hm–2)>NPK (1353 kg hm–2)。结合表1的各处理大麦籽粒产量来看, 大麦-双季稻轮作模式里有机肥氮替代30%化学氮的施肥结构(NPK+LOM)和有机肥氮替代60%化学氮的施肥结构(NPK+HOM)均有益于提高大麦产量。

大麦-双季稻轮作有机物料与化肥配施对大麦产量可持续特征见图2。长期的不同施肥结构管理下, 大麦-双季稻轮作模式里大麦产量变异系数(CV)大小排序为: NPK+straw (0.10) < NPK+HOM (0.12) < NPK (0.16) < NPK+LOM (0.18); 大麦产量可持续指数(SYI)大小排序为:NPK+straw (0.80) > NPK+HOM (0.77) > NPK (0.70) > NPK+LOM (0.69)。其中, NPK+straw处理大麦产量变异系数最小、产量可持续指数最大, 说明NPK+straw有利于大麦稳产, 是能维持系统可持续性的施肥结构。从大麦的产量稳定性与产量可持续特征的角度来看, 大麦-双季稻轮作模式里化肥氮磷钾+水稻秸秆的施肥结构(NPK+straw)优于其他施肥结构。

2.4 大麦-双季稻轮作有机物料与化肥配施对稻田土壤化学性质的影响

经过34年的田间定位试验后, 大麦-双季稻轮作不同有机物料与化肥配施对稻田土壤化学性质的影响见表4。NPK+HOM处理的稻田土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效钾含量是最高的。从土壤培肥的角度看, 大麦-双季稻轮作模式里有机肥氮替代60%化学氮的施肥结构(NPK+HOM)优于其他施肥结构。

表4 大麦-双季稻轮作有机物料与化肥配施对土壤化学性质的影响Table 4 Effect of combined application of organic material and chemical fertilizer on soil chemical properties of barley-double cropping rice rotation system

3 讨论

有机肥农田直接消纳是农业废弃物高效利用和维持土壤肥力的重要途径。经过34年的田间定位试验后, 有机肥氮替代60%化学氮的施肥结构(NPK+HOM)在提高土壤肥力上优于其他施肥结构, 有关该长期定位试验的已有研究也表明[11,13], 有机肥氮替代60%化学氮的施肥结构(NPK+HOM)显著提高了土壤肥力的生物学指标(土壤微生物与酶活性), 经过28年的田间定位试验后该施肥结构稻田土壤全N、全P、全K、有机质含量均高于其他施肥结构。

光合作用是作物产量形成的基础, 作物通过光合作用形成的有机物占植株总干物质量的95%左右, 矿质元素仅占5%左右[29]。磷可作为光合底物或调节物直接参与光合作用的各个环节, 它在光合、呼吸、核酸合成等生理代谢过程中起着极为重要的作用,适宜的供磷量对于植物的光合作用极其重要[30]。氮素是叶绿素的重要组成元素, 其含量显著影响光合生理特性, 适量施氮有利于调控作物生长发育和改善光合性能[31]。作物的光合作用、干物质积累特征与土壤水分、养分的供应能力密切相关[32]。有机肥氮替代60%化学氮的施肥结构(NPK+HOM)在大麦光热水资源利用率上优于其他施肥结构且能提高大麦产量, 原因可能是: 该施肥结构增加了稻田土壤有机质与N、P养分含量(表4)及大麦植株(籽粒和秸秆)全P含量(表1), 大麦将太阳能转化为碳水化合物和有机物的能力增强进而获得了较高的大麦地上部分干物质量(表1); 同时该施肥结构增强土壤蓄水保水能力和土壤肥力, 提高作物水分利用率, 进而水肥协同改善大麦光热资源利用率和产量[32-34]。

有机物料与化肥配施对作物养分利用率及产量的影响因替代比例、作物种类、种植制度及农田生态环境的不同而存在差异[26,35-39]。大麦-双季稻轮作模式里, 有机肥氮替代30%化学氮的施肥结构(NPK+LOM)在大麦NPK养分资源利用率上优于其他施肥结构且能提高大麦产量, 但化肥氮磷钾+水稻秸秆的施肥结构(NPK+straw)大麦产量稳定性与可持续性优于其他施肥结构。有机肥氮替代30%化学氮的施肥结构(NPK+LOM) 在大麦NPK养分资源利用率上优于有机肥氮替代60%化学氮的施肥结构(NPK+HOM), 原因可能之一是该施肥结构更有益于NPK养分由大麦植株向籽粒输送并提高了在籽粒中积累的能力(表1和表3)。有机肥氮替代30%化学氮的施肥结构(NPK+LOM)和有机肥氮替代60%化学氮的施肥结构(NPK+HOM)在大麦NPK养分资源利用率和提高大麦产量上均优于化肥氮磷钾+水稻秸秆的施肥结构(NPK+straw), 原因可能是: 化肥氮磷钾+水稻秸秆的施肥结构,晚稻秸秆还田后腐解需要一段时间, 秸秆养分释放与大麦养分吸收的时效性不一致; 秸秆还田促进了土壤硝化作用, 增加了麦季旱地土壤中气态氮损失(NH3和N2O排放)[40]; 秸秆C/N值高, 秸秆前期分解过程中微生物与作物争氮, 影响作物生长和产量[41]; 有机肥氮替代化学氮的施肥结构(NPK+LOM和NPK+HOM)提高了稻田土壤全N、速效NK及有机质含量(表4)。农作物秸秆含有丰富的碳、氮、磷、钾等元素, 禾本科作物吸收的钾素80%以上存在于秸秆中[42]。农作物秸秆还田也是维持土壤肥力、减少化肥投入量的农田养分资源管理策略。化肥氮磷钾+水稻秸秆的施肥结构(NPK+straw)大麦产量稳定性与可持续性优于其他施肥结构, 原因可能是: 该施肥结构也维持了土壤养分的供给能力(表4); 秸秆还田会增加土壤含水量[40], 该施肥结构下的水氮交互作用维持了大麦产量的稳定性和可持续性[43]。我国水稻秸秆还田氮磷钾素当季释放率分别为54.9%、60.9%、90.1%[44], 小麦秸秆还田氮磷钾素当季释放率分别为51.4%、65.3%、93.3%[44]。本研究所选取的田间试验开始于1986年, 受当时农业生产实际发展水平所设置的化肥氮磷钾+水稻秸秆的施肥结构存在缺陷, 早稻季还田的水稻秸秆是晚稻稻草, 致使大麦和水稻秸秆养分资源均未充分利用, 也增加了还田成本, 更不能满足当前稻作区节本增效与农业轻简化生产目标和机械化发展趋势。大麦-双季稻轮作模式里, 三季作物秸秆原位且全量还田可能将被大田生产实践和推广。今后重要研究任务包括: 秸秆还田结合有机肥与化肥配施调控大麦资源利用率与产量的协同提高; 大麦和水稻都是重要的粮食作物, 要以大麦-双季稻轮作周年施肥统筹管理意识考虑各季作物的协同发展问题, 以实现三季作物高产稳产及资源利用效率的提高。