山区长期冬种油菜对中稻产量及土壤肥力的影响研究
摘要 为探索冬种油菜作物利用对山区稻田的生态作用，以冬闲（犁冬晒垡）作为对照，通过连续15年的定位试验，研究了冬种油菜叶花茎根还田利用对后作中稻产量及土壤肥力的影响。结果表明：连续15年油菜-中稻轮作，油菜种植利用2个处理的中稻产量均高于对照，差异达极显著水平，其中育苗移栽油菜处理T1稻谷增产效果最明显，为28.4%；其次是整地直播油菜处理T2，增产20.9%。T1、T2处理土壤有机质、全氮、有效磷及速效钾含量分别增加44.2%～50.8%、43.8%～50.6%、129.6%～163.4%、57.8%～71.0%；但速效钾绝对值仍处稍低状态，在生产上还需重视施钾。处理T1、T2土壤有效硼较缺，亦需注意补硼。处理T1、T2下耕作层厚度比冬闲对照增加28.3%～39.9%，而土壤容重比冬闲对照下降了17.1%～19.4%。综合来看，山区稻田移栽油菜、直播油菜还田利用均有利于增加中稻产量、改善土壤肥力和提高耕地质量。
关键词 冬种油菜；中稻产量；土壤肥力；山区稻田
中图分类号 S158；S511 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）12-0218-04
Abstract In order to explore the use of winter rape crop ecological effects on paddy field in mountain area，taking fallow（plow winter sunning the upturned soil）as controls，by positioning the 15 consecutive years of test，the winter rape leaf stems root field utilization effect on rice yield and soil fertility were studied.The results showed that rice rape rotation for 15 consecutive years，rape planting using two processing of rice yield was higher than that of the control，the difference reached significant level，the T1 treatment effect of transplanting rape rice yield was 28.4%，the most obvious，followed by tillage direct seeding rapeseed T2 treatment，yield increased 20.9%.T1，T2 treatment of soil organic matter，total nitrogen，available phosphorus and available potassium content increased 44.2%～50.8%，43.8%～50.6%，129.6%～163.4%，57.8%～71.0%；but potassium absolute value is still slightly lower，in the production should also pay attention to potassium.T1，T2 treatment of soil available black，also need to pay attention to adding boron.T1，T2 treatment of tillage layer thickness ratio in winter were increased by 28.3%～39.9%，while soil bulk density than fallow decreased by 17.1%～19.4%.In general，the mountain rice transplanting rapeseed，direct seeding rapeseed field utilization was beneficial to increase rice yield，improve soil fertility and improve the quality of cultivated land.
Key words winter rape；rice yield；soil fertility；paddy field in mountain area
稻-稻-肥或稻-肥的轮作方式是我国长江以南稻作区的基本耕作制度。专用绿肥作物紫云英和苕子是豆科植物，是南方平原、丘陵稻田重要的有机肥源，其肥田养地作用非常明显[1-3]。而油菜为油料、绿肥和观光兼用作物，耐寒抗逆性强，尤其适宜在山区稻田种植，可充分利用秋冬及初春光温资源，既收菜籽，又获可观的有机肥，还能美化乡村，让远近游人欣赏田园美景，可谓一举多得。但近年来由于大量农村劳动力转移到非农领域以及稻谷生产的比较效益较低，稻田秋冬闲置的现象增多；加上牲畜养得少，传统农家肥积制投入不足，致使稻谷生产对化肥过于依赖，并造成土壤耕层板结及理化性状变劣，这已成为进一步提高稻谷生产改善品质的限制因子。融水县地处桂北山区，县域大部分稻田海拔800～1 700 m不等，冬季霜冻频仍，乡村交通条件不够便利；主要的耕作制度是一季中稻-冬油菜，以冬种油菜生长过程的落叶落花入土和茎杆残根就地还田以作为有机肥源，并被视作以田养田、用养结合的重要手段。为指导山区农业良性而可持续发展，从1998年起，对该县山区稻田稻-油种植制度进行了长期定位试验，旨在通过长期稻-油轮作，以探讨华南山区稻田轮作制的土壤肥力变化状况及稻谷增产潜力，为华南山区稻谷增产和土壤培肥提供理论基础和科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于1998—2013年连续15年在融水县安太乡洞安村洞安屯中稻田进行。试验地位于东经109°03′20″，北纬25°23′04″，属于中亚热带季风气候，年均气温为16.4 ℃，≥10 ℃积温为5 638.2 ℃，年降雨量2 350 mm，无霜期310 d，年均日照时数1 272.4 h，年均太阳总辐射量354.72 kJ/cm2。试验地前作为油菜-中稻轮作田。供试土壤为沙页岩风化母质发育的潴育沙泥田，土壤质地为壤质。试验前耕层土壤（0～20 cm）pH值5.3，土壤含有机质67.14 g/kg，全氮3.17 g/kg，有效磷18.82 mg/kg，速效钾62.4 mg/kg。
1.2 试验材料
供试作物1：双低油菜。根据3年一换，与当地主栽品种（组合）相一致的原则，先后种植蓉油3号、蓉油4号、史力丰、蓉油8号、德油5号。按品种特性及产量需要，大田肥料施纯氮（N）180～210 kg/hm2、磷素（P2O5）90～120 kg/hm2、钾素（K2O）135～150 kg/hm2，硼砂7.50 kg/hm2。油菜肥料分配：磷肥（钙镁磷）和硼砂全部作基肥；氮肥（尿素）和钾肥（氯化钾）总量的40%作基肥，30%作提苗肥，15%作腊肥，15%作薹肥。
供试作物2：杂交中稻（超级稻）。根据3年一轮换，与当地主栽品种（组合）相一致的原则，先后种植汕优63、Ⅱ优63、两优培九、中浙优1号、新两优6号、中浙优8号。按组合特性及高产需要，大田肥料施纯氮（N）180～195 kg/hm2、磷素（P2O5）75～90 kg/hm2、钾素（K2O）165～180 kg/hm2，具体肥料分配：磷肥全部作基肥；氮肥（尿素）的30%和钾肥（氯化钾）的20%作基肥；氮肥50%和钾肥50%作攻蘖肥；氮肥的15%和钾肥的30%作穗肥；氮肥的5%作攻粒肥。
1.3 试验设计
试验设3个处理：即育苗移栽油菜-中稻（T1）、整地直播油菜-中稻（T2）、冬闲-中稻（CK）。3次重复，随机区组排列，共9个小区；小区面积30 m2（6.0 m×5.0 m）；小区间筑30 cm、高30 cm宽田埂隔开，每季作物均覆盖加厚薄膜以隔绝水肥。试验前各小区土壤肥力均匀一致。
1.4 试验方法
移栽油菜于9月上旬播种育苗，10月上旬左右移栽，种植9万株/hm2（35 cm×30 cm）；直播油菜则于10月上旬穴播，均种植166 740株/hm2（30 cm×20 cm）。冬闲对照（CK）于10月中旬犁冬晒垡休闲。油菜叶、花自然脱落回土，茎枝及根蔸在收后砍短直接还田沤腐。中稻：均于4月中旬播种半水育秧，5月中旬拉线插田，9月上旬收获。每年2种作物各小区单打单收，计算记录产量。每造稻草不还田（根茬忽略）。其余田间管理按常规方法进行。
1.5 试验调查内容
1.5.1 作物生长量考查及成熟考种。油菜自定苗始每小区沿对角线定点10蔸，收集老叶、落花，用1/100分析天平实时称量记录；收获时再称取还田茎杆、残根量数据。每造作物于成熟期，均随机采集有代表性的植株10蔸进行室内考种。油菜考查株高、一二次分枝数、每蔸角果总数、角果长，每角着粒数、千粒重。水稻考查有效穗、株高、每穗总粒数、实粒数和千粒重。
1.5.2 土壤化学性状测定。每年分别于中稻收获后采集各小区土壤样品测定土壤养分变化动态。每处理3次重复取样，用“五点梅花法”取耕层0～20 cm的土样1 kg，土壤pH值用电位法测定，有机质用油浴加热重铬酸钾氧化-容量法测定，全氮用凯氏蒸馏法测定，有效磷用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定，速效钾用乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法测定，有效硼用甲亚胺-H比色法，测定土壤容重用环刀法测定。
2 结果与分析
2.1 长期冬种油菜年际叶花茎根还田状况
双低油菜根系发达，适应性广，耐冻抗寒性强，作为华南山区的冬种油、肥兼用作物，无论是育苗移栽的，还是整地直播的，其叶花茎根生物产量均相当可观。由表1可知，1998—2012年连续15年种植冬油菜的生物產量统计，育苗移栽处理T1年均产量44.3 t/hm2，整地直播处理T2年均产量38.4 t/hm2，T1比T2增加5.9 t/hm2，增幅15.4%，育苗移栽处理的生物产量较高，主要原因是生长环境较好，根扎得深，根系发达，叶茂花繁，茎根粗壮，单株优势明显。整地直播油菜的生物产量，主要依靠播种密度大，植株数量多，而单株性状较弱。
2.2 长期冬种油菜利用对中稻稻谷产量的影响
2.2.1 中稻稻谷年际平均产量。由表2可知，不同处理间稻谷产量差异明显；而同一处理不同年份中稻稻谷产量也波动较大，这与轮换栽种的水稻品种（组合）特性以及当年的气候、病虫害等多方面因素有关。秋冬休闲CK的中稻稻谷年际产量均低于2个冬种油菜处理，说明冬种油菜叶花茎根还田利用能促进水稻增产。但处理T1中稻年际稻谷均高于处理T2，说明育苗移栽油菜对比直播油菜生物产量较高，直接还田有机物量较大，释放出来供禾苗吸收利用的养分量较多。CK单纯施用化肥，没有有机肥投入，中稻稻谷产量较低。多年稻谷产量平均，处理T1 8 601 kg/hm2，处理T2 8 096 kg/hm2，CK 6 696 kg/hm2；处理T1较CK增产1 905 kg/hm2，增幅28.4%；处理T2较CK增产1 400 kg/hm2，增幅20.9%。
2.2.2 2012年中稻稻谷产量。由表3可知，CK稻谷产量最低，平均6 877 kg/hm2；处理T2产量次之，平均8 753 kg/hm2；处理T1产量最高，平均9 453 kg/hm2。产量结果经新复极差法测验，处理T1与CK差异达极显著水平，增产稻谷2 576 kg/hm2，增长37.5%；处理T2较CK增产稻谷1 876 kg/hm2，增幅27.3%，差异达极显著。
2.3 长期冬种油菜利用对土壤有机质含量的影响
由表4可知，本定位试验不同处理对土壤有机质含量有明显的影响，长期冬种油菜的处理T1和处理T2的土壤有机质均随年份增加表现上升趋势。起始值为67.14 g/kg，15年来处理T1土壤有机质含量增长速度最快，至2013年达79.54 g/kg，年增加量为0.83 g/kg；处理T2次之，2013年为76.03 g/kg，土壤有机质含量年增加量为0.59 g/kg。相形之下，CK土壤有机质含量逐年下降，至2013年降为52.73 g/kg，年均下降量为0.96 g/kg。2013年处理T1和处理T2的土壤有机质含量分别为79.54 g/kg和76.03 g/kg，其增长趋势在试验所在地的洞安屯得到了大国印证；该屯已坚持油菜-中稻轮作和油菜叶花茎根还田利用20年，融水县土肥站2013年9月对全屯随机取样调查10块油-稻轮作田土壤的养分测试结果，土壤有机质含量平均达84.1 g/kg，变幅为68.6～103.4 g/kg。
2.4 冬种油菜利用对土壤养分含量的影响
2.4.1 土壤全氮含量年际变化。由表5可知，与土壤有机质变化相似，长期冬种油菜处理T1和处理T2土壤全氮含量均随年份增加而表现上升趋势。起始值为3.17g/kg，处理T1土壤全氮的增长速度最快，2013年为3.75 g/kg，年均增加量为0.039 g/kg；处理T2次之，2013年为3.58 g/kg，年均增加0.027 g/kg。而CK的土壤全氮含量逐年降低，至2013年为2.49 g/kg，这与多年来该处理没有有机肥投入有直接关联。
2.4.2 土壤有效磷含量变化。由表6可知，长期冬种油菜的2个处理T1和T2，土壤有效磷均随年份增加而表现增加趋势。起始值为18.82 mg/kg（为中等等级），处理T1下土壤有效磷的增长值最快，至2013年达38.54 mg/kg（为含量较高等级），年均增加量为1.31 mg/kg。处理T2次之，2013年增长至33.26 mg/kg（为含量较高等级），年均增加量为0.96 mg/kg。CK土壤速效磷逐年降低，至2013年为14.63 mg/kg（为中等等级），年均下降量为0.28 mg/kg。说明长期冬种油菜还田利用能有效改善土壤供磷状况。
2.4.3 土壤速效钾含量变化。由表7可知，长期冬种油菜2个处理的土壤速效钾也随年份增加而表现增加趋势，至2013年处理T1的土壤速效钾含量增至80.7 mg/kg，年均增加1.22 mg/kg；处理T2下的土壤速效钾含量为74.5 mg/kg，年均增加0.81 mg/kg。15年间，育苗移栽油菜和直播油菜的土壤速效钾含量分别增加了18.3、12.1 mg/kg。而CK 2013年的土壤速效钾含量为47.2 mg/kg，15年间下降了15.2 mg/kg，年下降1.01 mg/kg。需要说明的是，15年冬种油菜的处理T1和T2土壤速效钾较CK增长了71%和58%，但仍处于稍低的级别（50～100 mg/kg）。这可能是由于一方面大量的叶花茎根直接还田，分解释放出丰富的速效钾养分，另一方面高产耐肥喜钾的杂交稻组合推广种植，吸收带走了可观的速效钾，钾素的积累与消耗达到了动态平衡，致使土壤速效钾的净累积量不多。换言之，冬种油菜还田利用有助于中稻增产，但必须重视对中稻增补钾肥。
2.4.4 土壤速效硼含量变化。微量元素硼对油菜有着重要的生理功能作用，甘蓝型油菜对硼需要尤为迫切，硼可促进油菜生殖生长，花粉管的萌发和伸长都离不开硼；硼元素直接影响其繁殖器官籽粒的发育。由表8可知，2007—2013年连续7年各处理土壤硼元素测试结果，移栽油菜处理T1与直播油菜处理T2的有效硼含量很相近，平均值分别为0.42和0.43 mg/kg，均为中等等级，都在施硼的临界值（0.5 mg/kg）以下，表明仍有必要施用硼肥。而对照冬闲处理，7年来土壤硼含量平均值0.45 mg/kg，比2个油菜田处理平均值（0.425 mg/kg）增加0.025 mg/kg。表明处理T1和处理T2油菜施入硼数量（含油菜叶花茎根还田释放的养分）与籽粒带走的有效硼数量基本平衡，15年来每年施用硼砂7.5 kg/hm2在油菜-中稻轮作模式下，尚未出现有效硼富集过剩现象，生产上仍需增施。
2.5 土壤容重的变化
土壤容重大小能反映土壤结构、透气性、透水性以及保水保肥能力的高低，与有机质（腐殖质）含量的高低密切相关，是土壤肥力的一个重要物理指标。由表9可知，种植油菜的2个处理，由于每年均对土壤投入较多的生物量，增加了可观的有机质（腐殖质），其土壤容重逐年降低，2007—2013年7年平均年降低0.02 g/cm3；又由于栽培方式不同，生物產量及其还田量有所差异，至2013年处理T1和处理T2的土壤容重分别为1.04 g/cm3和1.07 g/cm3，分别比对照冬闲田（1.29 g/cm3）下降了0.25 g/cm3和0.22 g/cm3，下降率分别为19.4%和17.0%。而对照冬闲田由于持续多年不投入有机肥，其土壤板结紧实，容量呈逐年增加趋势。
2.6 耕作层土壤厚度的变化
耕作层是经长期耕种熟化的表土层，是农作物赖以生存的基础。盛良学等[4]研究认为，长期肥-稻轮作可有效提高土壤肥力和耕作层厚度。本定位试验表明（表10），持续冬油菜叶花茎根还田，可使大量的有机质（腐殖质）富集土壤表层而使耕作层逐年增厚，2007—2013年处理T1耕作层增加4.3 cm，增长16.0%，年均增加0.72 cm；处理T2耕作层增加3.4 cm，增长13.5%，年均增加0.57 cm。对照冬闲处理耕作层7年间减少0.3 cm，下降了1.3%。
3 结论与讨论
3.1 山区长期冬种油菜的稻谷增产效应
冬油菜是南方稻区的主要作物之一，也是南方稻区重要的有机肥源[1-2]。高菊生等[5]通过长期定位试验显示，种植利用各种绿肥，早、晚稻年均增产率分别为16.1%～26.8%和22.0%～31.3%，其中增产效果紫云英>油菜>黑麦草。王丹英等[6]对油菜作绿肥还田的研究结果表明，油菜还田处理对杂交稻的增产效果优于空闲对照，增长10.48%，且达到显著水平。杨滨娟等[7]连续8年的定位试验研究了3种冬绿肥收获后翻压还田对后作水稻产量的影响，结果表明：紫云英-稻-稻、油菜-稻-稻、黑麦草-稻-稻分别比空闲对照增产稻谷为10.48%、7.31%和5.76%。胡宏祥等[8]试验表明，油菜秸秆还田对水稻作物有极显著增产作用（P<0.01）增产幅度在6.02%～21.17%。段勋英试验显示[9]，油菜收割后将角果皮9 t/hm2翻压还田，后茬比对照，小麦增产10.6%，马铃薯增产64.3%。
立足于不宜种植冬绿肥而适宜种植冬油菜的山区实际，本油菜-中稻定位试验研究结果与前人研究的有些相似，即与冬闲对照处理对比，连续15年冬种油菜利用叶花茎根根还田的2个处理T1和T2，一季中稻的稻谷产量均高于冬闲处理，差异达极显著水平，但不同栽培方式的增产效果有所不同，育苗移栽油菜处理T1的稻谷增产效果最佳，达28.4%，整地直播油菜处理T2的增产效果居其次，为20.9%；处理T1比处理T2有所增产，但差异未达显著水平。
这可能是由于育苗移栽的油菜植株个体高大，叶花茎根等生物产量高，其直接还田数量大，分解释放的各种养分多，较能满足后茬中稻的正常生长发育需要；而整地直播油菜虽较省工省力，但植株扎根较浅，个体较弱小，虽播种密度大，但生物产量仍不及前者，还田后释放的各种养分量也不如前者。据田间观察和收后考种比较，处理T1稻谷比处理T2增产的主要因素，一是早生快发，有效穗较多；二是后劲足，实粒多，结实率较高；三是谷粒饱满，千粒重较高。
3.2 长期冬种油菜的培肥地力效应
近年来，大量农村劳动力涌入城镇和其他非农领域就业，留守劳动力数量减少且多数老弱化，加上粮食价格低迷，种粮效益较差，许多农村地区大量施用化肥，而有机肥（农家肥）投入明显减少，致使土壤板结，地力下降，耕地质量变差。众多研究者研究发现通过种植利用紫云英、油菜，能提高土壤有机质含量，增加土壤有效养分[3-8]，但高菊生定位试验研究结果表明，长期种植紫云英和油菜可使土壤有效钾含量降低，可能是因为种植绿肥后水稻产量增加，水稻吸收钾素能力相应增强，消耗土壤钾素较多，致使土壤速效钾缺乏[5]。周江明[10]研究表明，增施有机肥料（含绿肥、稻草、商品有机肥）的处理还有显著改善土壤结构的效果，其耕层土壤平均容重比纯化肥对照下降10.3%。本油-稻定位试验与众研究者结果有部分类似，育苗移栽油菜处理T1和整地直播油菜处理T2的土壤有机质、全氮、有效磷以及耕作层增厚均明显高于冬闲田对照，但速效钾增加缓慢，15年后处理T1净增18.3 mg/kg，其绝对值80.7 mg/kg仍处稍低状态；处理T2净增12.1 mg/kg，其绝对值74.5 mg/kg仍属稍低状态；而冬闲对照处理负增长15.2 mg/kg，其绝对值47.2 mg/kg已处于低等级水平。究其原因，一方面可能是大量的叶花茎根直接还田，分解释放了丰富的速效钾养分，另一方面高产耐肥喜钾的杂交稻组合种植，吸收和带走了可观数量的速效钾，使该养分的积累与消耗达到了动态平衡，每年仅略有累积；而冬闲对照，由于没有足够的钾源，带走的多于投入的，导致土壤速效钾逐年下降。另外土壤速效硼的情形与速效钾相似，处于施硼临界值以下。也就是说，冬种油菜利用能促进后茬中稻高产和增产，提高土壤肥力，但还须重视补充钾肥和硼肥。
本油菜定位试验研究表明，在广西北部山区利用冬闲田种植耐寒抗冻作物油菜，其叶花茎根直接还田利用，对于一季中稻有明顯的增产作用，也能有效提高土壤肥力，但须适当补充钾硼肥。水稻秸秆（稻草）含钾量较高，在南方普遍缺钾的现状下，进行大面积稻草还田是补充土壤钾素的重要举措[11]。稻-油轮作制下，稻草经家畜过腹还田或以垫栏→发酵腐熟→厩肥→还田比较现实；余文良试验表明，在腐熟剂作用下，油菜秸秆腐解加快，释放养分更多，土壤理化性状
更好，中稻增产率达8.4%[12]。
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