平衡施肥對長期大棚茄子-水稻輪作制中作物生長和土壤養(yǎng)分的影響

平衡施肥對長期大棚茄子-水稻輪作制中作物生長和土壤養(yǎng)分的影響

溫室蔬菜水稻輪作是中國南方近年來發(fā)展迅速的種植制度。通過土壤洪水和水稻季節(jié)對養(yǎng)分的吸收，能夠消耗溫室栽培季節(jié)積累的土壤養(yǎng)分，緩解土壤氧化和次生鹽漬等溫室栽培的連作障礙，確保溫室植物的長期高產(chǎn)和效率。大棚蔬菜-水稻輪作還兼顧了效益農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn),對于我國農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和糧食安全均具有重要意義,而且已被實踐證明是一種可持續(xù)的生產(chǎn)模式,如浙江省長興縣的大棚茄子-水稻輪作已經(jīng)持續(xù)了將近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。水旱輪作具有悠久的歷史,對于水旱輪作制下土壤養(yǎng)分循環(huán)和養(yǎng)分供應(yīng)特征、以及水旱輪作制的合理施肥技術(shù)等已進行了很多研究,但目前的研究主要基于小麥-水稻、油菜-水稻等糧油作物輪作,大棚蔬菜-水稻輪作制中合理施肥技術(shù)的研究則明顯滯后。大棚蔬菜季的高產(chǎn)和高效益誘使農(nóng)民過量的施入超過作物需求量的肥料,而水稻季則基本不施肥,以利用前季作物施肥的后效為主。雖然通過水稻吸收前季過多肥料有利于降低土壤的次生鹽漬化,但大棚栽培季過量的施肥不但影響了養(yǎng)分利用率,而且殘留的土壤養(yǎng)分難以滿足水稻生長的養(yǎng)分需求,影響了水稻產(chǎn)量。本試驗選擇浙江省長興縣長期大棚茄子-水稻輪作區(qū),研究在長期水旱輪作下平衡施肥對作物產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收和土壤養(yǎng)分的影響,以期為大棚蔬菜-水稻輪作制中合理施肥提供理論依據(jù)和技術(shù)指導。1材料和方法1.1選擇合適的水稻品種,并在運作中種植水稻試驗區(qū)位于浙江省長興縣雉城鎮(zhèn)彭城村(119.97810°E,31.04885°N),距太湖堤壩約200m,因此該區(qū)域的合理施肥對太湖流域水體保護也具有重要意義。彭城村大棚茄子-水稻輪作已有超過20年的歷史,目前輪作面積超過1000hm2,是長興縣大棚茄子規(guī)模化栽培示范基地。每年的11月至次年5月進行大棚茄子栽培,6月至10月則種植水稻。在長期的大棚茄子-水稻輪作下,大棚茄子季產(chǎn)量可達到65000kg·hm-2。但前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)在大棚茄子-水稻輪作制中施肥不均衡,大棚茄子季氮肥施用量超過1000kg·hm-2,磷(P2O5)和鉀(K2O)也超過800kg·hm-2,水稻季則基本不施肥。1.2堿解氮/磷的性質(zhì)供試土壤為淹育水稻土亞類湖松田土屬。試驗地的土壤pH為6.32,全N2.4g·kg-1,堿解氮173.5mg·kg-1,有效磷146.2mg·kg-1,速效鉀440mg·kg-1,有機質(zhì)為38.7g·kg-1,EC(電導率,electricalconductivity)值為0.58mS·cm-1。供試大棚茄子品種為杭豐1號,水稻品種為嘉33。1.3基肥與基肥的移栽試驗設(shè)6個處理,采用隨機區(qū)組排列,小區(qū)面積20m2。試驗處理及施肥量見表1。試驗從2008年11月開始。茄子密度為15000株·hm-2。大棚茄子季基肥占氮肥總量的50%、磷肥總量的55%和鉀肥總量的64%,移栽前溝施后覆土。追肥占氮肥總量的50%、磷肥總量的45%和鉀肥總量的36%,在2009年3月份茄子開花后開始兌水澆施,共分6次。試驗所用的肥料為15-15-15復合肥(尿素、過磷酸鈣和氯化鉀)。水稻試驗從2009年6月大棚茄子結(jié)束后開始,其中磷肥和鉀肥作基肥一次施用,氮肥按基肥50%、苗肥20%、分蘗肥30%施用,試驗用肥料為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。分別在大棚茄子采收季和水稻收割后按小區(qū)測定作物產(chǎn)量。大棚茄子取盛果期茄子植株和果實樣,水稻季收割后取植株和稻谷測定養(yǎng)分含量。1.4指標和方法的測量1.4.1樣品質(zhì)量測定將植株樣品清洗后用濾紙擦干,稱鮮質(zhì)量。將各處理植株樣品在105℃下烘15min殺青,后將溫度降到80℃,烘至恒質(zhì)量,稱干質(zhì)量。1.4.2植物的養(yǎng)分測試植株樣品采用濃H2SO4-H2O2消煮,氮用堿解擴散法、磷用鉬銻抗比色法、鉀用火焰光度法測定。1.4.3土壤養(yǎng)分測定土壤堿解氮采用堿解擴散法、土壤速效P采用Olsen法、土壤速效鉀采用1mol·L-1醋酸銨浸提-火焰分光光度法測定。2結(jié)果與分析2.1平衡施肥對作物輪作時間的影響2.2不同施肥方式對水稻季養(yǎng)分吸收量的影響對大棚茄子季植株和茄子養(yǎng)分分析結(jié)果(圖1)表明,OPT-N處理顯著降低了茄子植株和果實的氮含量,OPT-1/4N、OPT和OPT+1/4N處理植株氮含量隨施氮量的增加略有增加,但變化幅度較小,不同施肥處理對茄子磷和鉀的含量無顯著影響。水稻季植株和稻谷養(yǎng)分含量也主要受施氮量的影響(圖2),其中茄子季OPT+1/4N、水稻季OPT-N處理顯著降低了植株和稻谷中的氮含量和鉀含量,對稻谷中的磷含量也有顯著影響。表明茄子季高達750kg·hm-2的施N量在水稻季的后效較小。不同氮用量對水稻養(yǎng)分含量的影響無統(tǒng)計學意義。OPT-P、OPT-K處理對水稻磷和鉀含量也無顯著影響。茄子季地上部養(yǎng)分吸收量主要受N肥用量的影響(表3)。OPT-N處理顯著降低了茄子氮磷鉀吸收量,氮素吸收量隨氮肥用量增加略有增加。OPT-P、OPT-K處理對茄子養(yǎng)分吸收量無明顯影響,表明在試驗條件下不施磷、不施鉀處理基本不影響作物對磷鉀的吸收,由土壤供給磷鉀可基本滿足茄子生長的需求。施肥對水稻季養(yǎng)分吸收量的影響與茄子類似,除OPT-N處理明顯影響了水稻養(yǎng)分吸收外,OPT-P、OPT-K處理對水稻養(yǎng)分吸收無明顯影響,增加N肥用量促進了水稻對N的吸收。2季地上部總N、P2O5、K2O累積量分別在263.7~322.0、134.5~159.5和479.7~556.5kg·hm-2之間。不同施肥處理對2季總養(yǎng)分吸收量有一定影響,減少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養(yǎng)分吸收量。其中處理1和處理3在總施肥量相等時,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吸收量分別增加了27.5、25.0和64.2kg·hm-2。處理2總施N量為637.5kg·hm-2,比處理3減少了15%,但由于減少了茄子季施N量,增加了水稻季施N量,總N、P2O5、K2O吸收量分別比處理3增加了23.6、18.1和76.8kg·hm-2。與2季OPT處理相比,2季-P處理對總養(yǎng)分吸收量無明顯影響,2季-K處理對鉀吸收量有一定的影響。2.3土壤養(yǎng)分累積通常將不施某種養(yǎng)分時作物對該養(yǎng)分的吸收量視為土壤的供肥能力。從養(yǎng)分吸收量(表3)來看,大棚茄子季N、P2O5、K2O的供肥能力分別為110.9、77.2和270.8kg·hm-2,占OPT處理養(yǎng)分累積量的63.0%、102.8%和94.0%;水稻季N的供肥能力達到了100.8kg·hm-2,占OPT處理養(yǎng)分累積量的72.9%,即使2季缺磷、缺鉀,水稻季P2O5和K2O的土壤供肥能力也達到了75.6和233.2kg·hm-2,占OPT處理養(yǎng)分累積量的89.7%和91.1%,說明在長期大棚茄子-水稻輪作下土壤累積的磷和鉀基本滿足了茄子和水稻的養(yǎng)分需求。土壤養(yǎng)分累積導致施肥表觀利用率的降低。茄子季不同氮肥用量的氮肥表觀利用率在9.98%~13.62%之間,OPT處理的氮、磷、鉀表觀利用率分別為10.85%、-0.64%和4.61%。水稻季不同氮肥用量的氮肥表觀利用率為19.9%~24.9%,高于大棚茄子季,其中OPT處理的氮、磷、鉀表觀利用率分別為24.9%、14.7%和25.1%。2季OPT處理磷肥和鉀肥的表觀利用率也僅為11.5%和8.6%。2.4不同處理對土壤速效養(yǎng)分含量的影響大棚茄子季的高施肥量導致土壤中速效養(yǎng)分大量累積,而且有向下層土壤遷移的趨勢(表4~6)。大棚茄子季OPT-N、OPT-P、OPT-K處理由于作物吸收,土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀含量明顯低于其他處理。但各處理茄子季后的表層土壤堿解氮均超過200mg·kg-1,比試驗前增加了17%~32.4%,表土速效磷和速效鉀含量也明顯增加。20~40cm土層土壤堿解氮質(zhì)量分數(shù)在81.9~118.3mg·kg-1之間,速效磷質(zhì)量分數(shù)在61.7~108.3mg·kg-1之間,而速效鉀質(zhì)量分數(shù)也達到了226.7~343.0mg·kg-1,40~60cm土層土壤速效養(yǎng)分也有一定的累積。經(jīng)過水稻季淹水種稻后,土壤速效養(yǎng)分顯著下降,特別是2季缺鉀處理顯著降低了土壤中速效鉀含量,其中0~20和20~40cm土層土壤堿解氮含量分別比茄子季后降低了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%,速效鉀含量則降低了64.6%~76.2%和43.2%~61.5%。40~60cm土層土壤養(yǎng)分則受當季耕作的影響較小。3化肥不同對要求下的模擬結(jié)果大棚茄子-水稻輪作制兼顧了效益農(nóng)業(yè)和糧食安全,而且已被實踐證明是緩解大棚土壤連作障礙的有效措施。但大棚蔬菜-水稻輪作制中不合理的施肥制度不但影響了養(yǎng)分利用率和水稻產(chǎn)量,同時大棚栽培季累積的土壤養(yǎng)分在淹水過程中可能帶來環(huán)境風險,已成為制約這一輪作制度進一步推廣的限制性因素。本試驗中土壤氮在茄子季和水稻季的供肥能力分別達到了63.0%和72.9%,2季土壤磷和鉀的供肥能力則超過了90%。同時,施肥的養(yǎng)分表觀利用率也遠低于常規(guī)栽培,說明長期大棚茄子-水稻輪作制中大棚茄子季的高施肥量已帶來土壤養(yǎng)分的大量累積,應(yīng)大幅減少施肥量。試驗中2季缺氮處理均顯著影響了作物產(chǎn)量,表明氮是大棚茄子-水稻輪作制中的主要養(yǎng)分限制因子。但目前大棚茄子季過量施氮肥,水稻季不施氮肥的施肥方式影響了大棚季的養(yǎng)分利用率和水稻季產(chǎn)量。研究結(jié)果表明,減少2季總施肥量,并將適量氮肥后移至水稻季的施肥方式可提高大棚季的養(yǎng)分利用率和水稻產(chǎn)量。大棚茄子季450kg·hm-2的施N量已可滿足大棚茄子的養(yǎng)分需求,可比農(nóng)民常規(guī)施肥量減少55%,水稻季施N肥150kg·hm-2可達到7000kg·hm-2的產(chǎn)量,低于該地區(qū)常規(guī)水稻栽培的施N量(225kg·hm-2)。許多研究表明淹水后可提高磷的有效性,本試驗中大棚茄子季施入的磷和鉀在水稻季也有良好的后效,因此可重視大棚茄子季的磷鉀投入量,確保大棚季的高產(chǎn),但在長期大棚茄子-水稻輪作下,磷和鉀的投入量可大幅減少。水旱輪作保留的犁底層可有效阻隔土壤養(yǎng)分的下滲,但在長期大棚茄子-水稻輪作下,大棚季累積的土壤養(yǎng)分仍有向下層土壤遷移的趨勢。本試驗中大棚茄子季后的20~40cm土層土壤速效氮、磷、鉀質(zhì)量分數(shù)分別超過了81.9、61.7和226.7mg·kg-1,即使經(jīng)過淹水和水稻季吸收,也達到了33、14.1和108.8mg·kg-1,遠高于該地區(qū)常規(guī)水旱輪作下土壤養(yǎng)分含量,因此,大棚茄子-水稻輪作制中合理施肥具有重要的環(huán)境效應(yīng)。對輪作周期內(nèi)2季作物產(chǎn)量分析結(jié)果(表2)表明,氮是現(xiàn)階段主要的土壤養(yǎng)分限制因子。大棚茄子試驗中OPT-N處理顯著降低了大棚茄子產(chǎn)量,而水稻試驗中OPT-N處理雖然前季施N量達到750kg·hm-2,但仍顯著降低了水稻產(chǎn)量,表明水稻產(chǎn)量主要受當季氮肥施用量的影響。2季作物產(chǎn)量均隨氮肥施用量增加略有增加,但各處理間產(chǎn)量