平衡施肥对长期大棚茄子-水稻轮作制中作物生长和土壤养分的影响

平衡施肥对长期大棚茄子-水稻轮作制中作物生长和土壤养分的影响

温室蔬菜水稻轮作是中国南方近年来发展迅速的种植制度。通过土壤洪水和水稻季节对养分的吸收，能够消耗温室栽培季节积累的土壤养分，缓解土壤氧化和次生盐渍等温室栽培的连作障碍，确保温室植物的长期高产和效率。大棚蔬菜-水稻轮作还兼顾了效益农业和粮食生产,对于我国农业种植结构调整和粮食安全均具有重要意义,而且已被实践证明是一种可持续的生产模式,如浙江省长兴县的大棚茄子-水稻轮作已经持续了将近20年,在大棚茄子季的高量施肥下,仍保持了良好的土壤肥力。水旱轮作具有悠久的历史,对于水旱轮作制下土壤养分循环和养分供应特征、以及水旱轮作制的合理施肥技术等已进行了很多研究,但目前的研究主要基于小麦-水稻、油菜-水稻等粮油作物轮作,大棚蔬菜-水稻轮作制中合理施肥技术的研究则明显滞后。大棚蔬菜季的高产和高效益诱使农民过量的施入超过作物需求量的肥料,而水稻季则基本不施肥,以利用前季作物施肥的后效为主。虽然通过水稻吸收前季过多肥料有利于降低土壤的次生盐渍化,但大棚栽培季过量的施肥不但影响了养分利用率,而且残留的土壤养分难以满足水稻生长的养分需求,影响了水稻产量。本试验选择浙江省长兴县长期大棚茄子-水稻轮作区,研究在长期水旱轮作下平衡施肥对作物产量、养分吸收和土壤养分的影响,以期为大棚蔬菜-水稻轮作制中合理施肥提供理论依据和技术指导。1材料和方法1.1选择合适的水稻品种,并在运作中种植水稻试验区位于浙江省长兴县雉城镇彭城村(119.97810°E,31.04885°N),距太湖堤坝约200m,因此该区域的合理施肥对太湖流域水体保护也具有重要意义。彭城村大棚茄子-水稻轮作已有超过20年的历史,目前轮作面积超过1000hm2,是长兴县大棚茄子规模化栽培示范基地。每年的11月至次年5月进行大棚茄子栽培,6月至10月则种植水稻。在长期的大棚茄子-水稻轮作下,大棚茄子季产量可达到65000kg·hm-2。但前期调查发现在大棚茄子-水稻轮作制中施肥不均衡,大棚茄子季氮肥施用量超过1000kg·hm-2,磷(P2O5)和钾(K2O)也超过800kg·hm-2,水稻季则基本不施肥。1.2碱解氮/磷的性质供试土壤为淹育水稻土亚类湖松田土属。试验地的土壤pH为6.32,全N2.4g·kg-1,碱解氮173.5mg·kg-1,有效磷146.2mg·kg-1,速效钾440mg·kg-1,有机质为38.7g·kg-1,EC(电导率,electricalconductivity)值为0.58mS·cm-1。供试大棚茄子品种为杭丰1号,水稻品种为嘉33。1.3基肥与基肥的移栽试验设6个处理,采用随机区组排列,小区面积20m2。试验处理及施肥量见表1。试验从2008年11月开始。茄子密度为15000株·hm-2。大棚茄子季基肥占氮肥总量的50%、磷肥总量的55%和钾肥总量的64%,移栽前沟施后覆土。追肥占氮肥总量的50%、磷肥总量的45%和钾肥总量的36%,在2009年3月份茄子开花后开始兑水浇施,共分6次。试验所用的肥料为15-15-15复合肥(尿素、过磷酸钙和氯化钾)。水稻试验从2009年6月大棚茄子结束后开始,其中磷肥和钾肥作基肥一次施用,氮肥按基肥50%、苗肥20%、分蘖肥30%施用,试验用肥料为尿素、过磷酸钙和氯化钾。分别在大棚茄子采收季和水稻收割后按小区测定作物产量。大棚茄子取盛果期茄子植株和果实样,水稻季收割后取植株和稻谷测定养分含量。1.4指标和方法的测量1.4.1样品质量测定将植株样品清洗后用滤纸擦干,称鲜质量。将各处理植株样品在105℃下烘15min杀青,后将温度降到80℃,烘至恒质量,称干质量。1.4.2植物的养分测试植株样品采用浓H2SO4-H2O2消煮,氮用碱解扩散法、磷用钼锑抗比色法、钾用火焰光度法测定。1.4.3土壤养分测定土壤碱解氮采用碱解扩散法、土壤速效P采用Olsen法、土壤速效钾采用1mol·L-1醋酸铵浸提-火焰分光光度法测定。2结果与分析2.1平衡施肥对作物轮作时间的影响2.2不同施肥方式对水稻季养分吸收量的影响对大棚茄子季植株和茄子养分分析结果(图1)表明,OPT-N处理显著降低了茄子植株和果实的氮含量,OPT-1/4N、OPT和OPT+1/4N处理植株氮含量随施氮量的增加略有增加,但变化幅度较小,不同施肥处理对茄子磷和钾的含量无显著影响。水稻季植株和稻谷养分含量也主要受施氮量的影响(图2),其中茄子季OPT+1/4N、水稻季OPT-N处理显著降低了植株和稻谷中的氮含量和钾含量,对稻谷中的磷含量也有显著影响。表明茄子季高达750kg·hm-2的施N量在水稻季的后效较小。不同氮用量对水稻养分含量的影响无统计学意义。OPT-P、OPT-K处理对水稻磷和钾含量也无显著影响。茄子季地上部养分吸收量主要受N肥用量的影响(表3)。OPT-N处理显著降低了茄子氮磷钾吸收量,氮素吸收量随氮肥用量增加略有增加。OPT-P、OPT-K处理对茄子养分吸收量无明显影响,表明在试验条件下不施磷、不施钾处理基本不影响作物对磷钾的吸收,由土壤供给磷钾可基本满足茄子生长的需求。施肥对水稻季养分吸收量的影响与茄子类似,除OPT-N处理明显影响了水稻养分吸收外,OPT-P、OPT-K处理对水稻养分吸收无明显影响,增加N肥用量促进了水稻对N的吸收。2季地上部总N、P2O5、K2O累积量分别在263.7~322.0、134.5~159.5和479.7~556.5kg·hm-2之间。不同施肥处理对2季总养分吸收量有一定影响,减少N肥用量和N肥后移至水稻季的施肥方式均增加了作物的养分吸收量。其中处理1和处理3在总施肥量相等时,茄子季施N肥600kg·hm-2、水稻季施N肥150kg·hm-2比茄子季施N肥750kg·hm-2、水稻季不施N的施肥方式的N、P2O5、K2O吸收量分别增加了27.5、25.0和64.2kg·hm-2。处理2总施N量为637.5kg·hm-2,比处理3减少了15%,但由于减少了茄子季施N量,增加了水稻季施N量,总N、P2O5、K2O吸收量分别比处理3增加了23.6、18.1和76.8kg·hm-2。与2季OPT处理相比,2季-P处理对总养分吸收量无明显影响,2季-K处理对钾吸收量有一定的影响。2.3土壤养分累积通常将不施某种养分时作物对该养分的吸收量视为土壤的供肥能力。从养分吸收量(表3)来看,大棚茄子季N、P2O5、K2O的供肥能力分别为110.9、77.2和270.8kg·hm-2,占OPT处理养分累积量的63.0%、102.8%和94.0%;水稻季N的供肥能力达到了100.8kg·hm-2,占OPT处理养分累积量的72.9%,即使2季缺磷、缺钾,水稻季P2O5和K2O的土壤供肥能力也达到了75.6和233.2kg·hm-2,占OPT处理养分累积量的89.7%和91.1%,说明在长期大棚茄子-水稻轮作下土壤累积的磷和钾基本满足了茄子和水稻的养分需求。土壤养分累积导致施肥表观利用率的降低。茄子季不同氮肥用量的氮肥表观利用率在9.98%~13.62%之间,OPT处理的氮、磷、钾表观利用率分别为10.85%、-0.64%和4.61%。水稻季不同氮肥用量的氮肥表观利用率为19.9%~24.9%,高于大棚茄子季,其中OPT处理的氮、磷、钾表观利用率分别为24.9%、14.7%和25.1%。2季OPT处理磷肥和钾肥的表观利用率也仅为11.5%和8.6%。2.4不同处理对土壤速效养分含量的影响大棚茄子季的高施肥量导致土壤中速效养分大量累积,而且有向下层土壤迁移的趋势(表4~6)。大棚茄子季OPT-N、OPT-P、OPT-K处理由于作物吸收,土壤中碱解氮、速效磷和速效钾含量明显低于其他处理。但各处理茄子季后的表层土壤碱解氮均超过200mg·kg-1,比试验前增加了17%~32.4%,表土速效磷和速效钾含量也明显增加。20~40cm土层土壤碱解氮质量分数在81.9~118.3mg·kg-1之间,速效磷质量分数在61.7~108.3mg·kg-1之间,而速效钾质量分数也达到了226.7~343.0mg·kg-1,40~60cm土层土壤速效养分也有一定的累积。经过水稻季淹水种稻后,土壤速效养分显著下降,特别是2季缺钾处理显著降低了土壤中速效钾含量,其中0~20和20~40cm土层土壤碱解氮含量分别比茄子季后降低了18.1%~25.9%和50.4%~69.2%,速效磷含量降低了2.1%~34.6%和75.2%~85.7%,速效钾含量则降低了64.6%~76.2%和43.2%~61.5%。40~60cm土层土壤养分则受当季耕作的影响较小。3化肥不同对要求下的模拟结果大棚茄子-水稻轮作制兼顾了效益农业和粮食安全,而且已被实践证明是缓解大棚土壤连作障碍的有效措施。但大棚蔬菜-水稻轮作制中不合理的施肥制度不但影响了养分利用率和水稻产量,同时大棚栽培季累积的土壤养分在淹水过程中可能带来环境风险,已成为制约这一轮作制度进一步推广的限制性因素。本试验中土壤氮在茄子季和水稻季的供肥能力分别达到了63.0%和72.9%,2季土壤磷和钾的供肥能力则超过了90%。同时,施肥的养分表观利用率也远低于常规栽培,说明长期大棚茄子-水稻轮作制中大棚茄子季的高施肥量已带来土壤养分的大量累积,应大幅减少施肥量。试验中2季缺氮处理均显著影响了作物产量,表明氮是大棚茄子-水稻轮作制中的主要养分限制因子。但目前大棚茄子季过量施氮肥,水稻季不施氮肥的施肥方式影响了大棚季的养分利用率和水稻季产量。研究结果表明,减少2季总施肥量,并将适量氮肥后移至水稻季的施肥方式可提高大棚季的养分利用率和水稻产量。大棚茄子季450kg·hm-2的施N量已可满足大棚茄子的养分需求,可比农民常规施肥量减少55%,水稻季施N肥150kg·hm-2可达到7000kg·hm-2的产量,低于该地区常规水稻栽培的施N量(225kg·hm-2)。许多研究表明淹水后可提高磷的有效性,本试验中大棚茄子季施入的磷和钾在水稻季也有良好的后效,因此可重视大棚茄子季的磷钾投入量,确保大棚季的高产,但在长期大棚茄子-水稻轮作下,磷和钾的投入量可大幅减少。水旱轮作保留的犁底层可有效阻隔土壤养分的下渗,但在长期大棚茄子-水稻轮作下,大棚季累积的土壤养分仍有向下层土壤迁移的趋势。本试验中大棚茄子季后的20~40cm土层土壤速效氮、磷、钾质量分数分别超过了81.9、61.7和226.7mg·kg-1,即使经过淹水和水稻季吸收,也达到了33、14.1和108.8mg·kg-1,远高于该地区常规水旱轮作下土壤养分含量,因此,大棚茄子-水稻轮作制中合理施肥具有重要的环境效应。对轮作周期内2季作物产量分析结果(表2)表明,氮是现阶段主要的土壤养分限制因子。大棚茄子试验中OPT-N处理显著降低了大棚茄子产量,而水稻试验中OPT-N处理虽然前季施N量达到750kg·hm-2,但仍显著降低了水稻产量,表明水稻产量主要受当季氮肥施用量的影响。2季作物产量均随氮肥施用量增加略有增加,但各处理间产量