与西南、华南和东北区域稻作系统的土壤类型不同，南方丘陵区的稻田土壤主要是由红壤发育的水稻土，受成土母质等因素的影响，红壤稻田普遍存在粘粒比例较高、团聚体稳定性差等不利条件^[1]，从而制约了红壤稻田的粮食产能提升。作为红壤稻田分布的主要省份之一，江西省是我国粮食主产省和重要的稻米产区^[2-3]，水稻播种面积常年维持在 340 万 hm² 左右，约占全国水稻播种面积的 11%^[4]。然而，该地区的红壤稻田以单一的水稻种植为主，且 70% 以上为双季稻模式。双季稻模式虽然年产量较高，但较高的劳动力投入强度导致其经济效益较低^[5]，再加上不合理施肥和耕作措施，进一步导致氮磷养分流失，从而带来农田面源污染的风险^[6]。因此，如何在保障稻米粮食安全的前提下，进一步发展多样化的稻作模式就显得十分必要。大量研究表明，与单一的水稻模式相比，油菜-水稻轮作^[7-8]、芋头-水稻轮作^[9]、茄子-水稻轮作^[10]均可显著增加土壤有机质含量和氮磷钾养分供应能力。在南方丘陵区，菇稻轮作是一种新型的种植模式，其可以显著提升红壤稻田的产值，在所有菇类中，以种植大球盖菇效益较好^[11-12]。在大球盖菇种植中，需要投入大量的稻草等农作物秸秆作为碳源，而大量的碳投入显著改善了稻田的团聚体结构和肥力质量。前人研究发现^[13-14]，长期投入秸秆主要通过增加碳投入提升土壤肥力，进而促进水稻产量增加。近年来，在赣东北的红壤稻田上，大球盖菇作为一种主要菇类，在菇稻轮作模式中发展迅速，相关学者对大球盖菇-水稻轮作模式开展了系列研究，但主要集中在经济效益分析^[15]和种植模式的优化等方面^[16]，而目前关于大球盖菇-水稻轮作模式对红壤稻田肥力的具体影响还不明确，特别是不同轮作年限下，红壤稻田的团聚体组分比例、有机质和氮磷钾养分指标的提升幅度还缺乏深入探讨。本研究通过选择大球盖菇-水稻不同轮作年限的红壤稻田，系统分析了水稻产量、土壤有机质和速效氮磷钾养分及团聚体组分的变化特征，并探讨土壤肥力指标与水稻产量的相关关系，旨在为进一步推广大球盖菇-水稻轮作模式提供科学理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地介绍

试验地点位于江西省上饶市铅山县（东经 117.70996°，北纬 28.31549°），地形为典型低山丘陵，属中亚热带温湿型气候，年均气温、年均降水量、年均蒸发量、无霜期和平均年日照时数分别为 17.1～19.7℃、1700～2100 mm、1100～1200 mm、252～274 d 和 1795 h。

1.2 试验设计

供试土壤为水稻土，成土母质为第四纪红黏土。供试大球盖菇为纯稻草露天种植，每年 10 月播种，4—5 月采摘子实体，播种采用穴播法，播后盖 5 cm 厚稻草。播种量为 9000 袋 /hm²。供试水稻品种为天优华占，5 月下旬播种，6 月下旬移栽， 10 月上中旬收获，株距和行距均为 20 cm。

本试验设置 4 个处理，分别为只种植一季水稻的田块（CK）、大球盖菇-水稻轮作年限为 2 年（R2）、5 年（R5）、10 年（R10），于 2021 年选取相应田块展开调查，每个处理选择 3 个田块作为重复，田块面积在 500～1000 m² 之间。水稻季的氮、磷、钾施用量分别为 N 150.75 kg/hm²、P₂O₅ 67.50 kg/hm²、K₂O 116.25 kg/hm²，水稻收割后收集秸秆用于种植大球盖菇，种植大球盖菇每年的秸秆需求量为 30～45 t/hm²，秸秆的有机碳、氮、磷、钾含量分别为 C 340 g/kg、N 9.1 g/kg、P 5.68 g/kg、K 15.41 g/kg。

1.3 样品采集和测定指标

水稻种植前每个小区采用土钻采集 0～20 cm 的耕层土壤样品，每个田块采集 5 个点的样品，混匀风干后分成 2 份，一份采用干筛湿筛相结合的方法进行团聚体分级：即先将风干土分别过 2、0.25 和 0.053 mm 筛子，获得 >2、 0.25～2、0.053～0.25 和 <0.053 mm 组分的样品，然后根据各组分的比例配置成 200 g 的混合样品。进一步将 200 g 混合样品利用团聚体分析仪进行湿筛，竖直上下振荡每 30 min50 次，获得 >2、0.25～2、0.053～0.25 和 <0.053 mm 的团聚体组分样品。

团聚体稳定性评价采用平均重量直径（MWD） 计算^[17]。

$MWD=\sum _{i=1}^n{x}_i{w}_i$

式中，MWD 为平均重量直径，w_i 为对应于 x_i 的团聚体的重量百分比；x_i 为各粒级的平均直径。

另一份用于测定土壤 pH（1∶2.5 土水比浸提， pH 电极测定）、有机质（高锰酸钾容量法）、碱解氮（碱解扩散法）、有效磷（盐酸-硫酸浸提，钼锑抗比色法）、速效钾（醋酸铵浸提，火焰光度计测定）等指标，具体方法参考《土壤农业化学分析方法》^[18]。

1.4 数据处理与分析

采用 Excel 2010 分析试验数据，采用 SPSS 20.0 Duncan 新复极差法检验分析不同处理间差异显著性，土壤肥力指标与水稻产量的量化关系采用线性方程进行拟合，采用 Origin 8.5 作图。

2 结果与分析

2.1 大球盖菇-水稻轮作下水稻产量的变化

大球盖菇-水稻轮作可增加水稻产量（图1），随着轮作年限增加，水稻产量呈增加趋势。与 CK 相比，R5 和 R10 处理的水稻产量分别显著增加了 9.0% 和 12.3%。而 R2 处理则无显著影响 （P>0.05）。

注：柱上不同的小写字母表示处理间存在显著差异（P<0.05），下同。

2.2 大球盖菇-水稻轮作下土壤肥力指标的变化

大球盖菇-水稻轮作下土壤酸化得到改良、土壤有机质和速效氮磷钾养分也得到明显提升（表1）。与 CK 相比，R2、R5 和 R10 处理的土壤 pH 分别增加了 0.26、0.29 和 0.43 个 pH 单位。同时，R5 和 R10 处理下土壤有机质分别比 CK 增加了 42.25% 和 137.67%。与 CK 相比，R5 和 R10 处理的碱解氮分别提高了 22.46% 和 95.13%，有效磷则分别增加了 63.38% 和 79.70%。但对于土壤速效钾，R10 处理比 CK 处理显著提高了 55.42%，而 R2 和 R5 处理的土壤速效钾则与 CK 无显著差异 （P>0.05）。

注：数据后不同的小写字母表示处理间存在显著差异（P<0.05）。

2.3 大球盖菇-水稻轮作下土壤团聚体组分的变化

图2 显示，大球盖菇-水稻轮作 5～10 年可以显著改变土壤团聚体组分（P<0.05），但轮作 2 年不会显著改变土壤团聚体组分（P>0.05）。与 CK 相比，R5 和 R10 处理的 >2 mm 团聚体比例分别增加了 14.3% 和 23.2%。R10 处理的 >2 和 0.25～2 mm 团聚体比例均高于其他处理，而其 0.053～0.25 mm 和 <0.053 mm 团聚体比例则均显著低于其他处理。

图3 表明，随着大球盖菇-水稻轮作年限的增加，土壤团聚体的 MWD 呈逐渐增加趋势。与 CK 相比，R2、R5 和 R10 处理中的 MWD 分别显著增加了 24.28%、52.09% 和 86.55%。

2.4 土壤肥力指标与水稻产量的相关性分析

大球盖菇-水稻轮作下，土壤 pH、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质及 MWD 与水稻产量均呈极显著正相关系（P<0.01）（图4），且可以用线性方程进行拟合。结合线性拟合方程的斜率表明，当土壤 pH 提高 0.1 个单位，水稻产量增加 134.6 kg/hm²； 土壤有机质增加 1 g/kg，水稻产量增加 39.7 kg/hm²； 土壤碱解氮、有效磷和速效钾提高 10 mg/kg，水稻产量增加 58～856 kg/hm²。土壤团聚体 MWD 增加 0.1 mm，水稻产量增加 252.1 kg/hm²。

3 讨论

3.1 菇稻不同轮作年限调控水稻产量变化

与水稻连作相比，不同作物轮作可以显著提升土壤养分供给能力，并促进水稻增产^[19]。因此，合理开展稻田的轮作种植就显得尤为重要。本研究表明，大球盖菇-水稻轮作可以显著增加水稻产量，且水稻产量的增幅随轮作年限的延长而增加，当轮作年限达 5 年以上，水稻产量显著增加。这与胡安永等^[20]的研究结果相同，但增产幅度存在差异，原因一方面与水稻品种和土壤性质有关，另一方面，不同轮作年限的稻草等有机物料还田量也是导致增产幅度存在差异的主要因素。此外，建议进一步开展大球盖菇-水稻轮作年限下经济效益分析，从而为深入推广和应用该种植模式提供更多参数和数据支撑。

3.2 菇稻不同轮作年限下土壤肥力指标与水稻产量的内在关系

与水稻单作模式相比，水旱轮作模式可以显著提升土壤 pH^[21]。本研究也发现，大球盖菇-水稻轮作的土壤 pH 比水稻单作处理显著增加，但轮作年限间土壤 pH 差异不显著。这说明，大球盖菇-水稻轮作可以显著阻控水稻土酸化趋势，原因主要是大球盖菇种植需要大量前茬水稻秸秆^[22]，而大量的水稻秸秆带入了较多的碱性物质和有机碳，从而显著提高土壤 pH。杨彩迪等^[23]研究也证明，水稻秸秆长期还田可以显著增加土壤 pH。同时，水稻秸秆经多年还田可达到良好的碳固存效应，进而有利于土壤有机质增加^[24-25]。本研究同样发现，大球盖菇-水稻轮作有利于增加土壤有机质、速效养分，其均随轮作年限延长而增加，轮作 5 年以上增加幅度达显著水平。前人研究也证实，轮作有利于增加土壤速效氮含量^[26]、调节土壤磷库活性^[27]、促进土壤钾素活化^[9]。原因除了秸秆还田带入的碳、氮磷钾养分之外，种植大球盖菇还促进了土壤中微生物群落多样性的提升，从而更利于土壤氮磷钾的活化^[28]

土壤团聚体可作为表征土壤物理结构的重要指标^[29-30]。前人研究认为，1～10 mm 的水稳定性团聚体组分比较适合作物生长^[31-32]。而当作物长期单作下，土壤中 >0.25 mm 的水稳定性团聚体会遭受不同程度的破坏。刘广深等^[33]研究发现，单作导致土壤结构变差，特别是大团聚体比例显著下降。本研究中，与单作水稻相比，大球盖菇-水稻轮作模式下土壤大团聚体（>0.25 mm）比例显著增加，其中 >2 mm 团聚体组分的比例增幅较高，这表明，大球盖菇-水稻轮作有助于大团聚体形成，从而为土壤养分供应奠定了物理基础^[34]。但也有研究表明，稻田经水旱轮作后土壤大团聚体比例表现为先减少后趋向稳定^[35]。这可能与试验前土壤初始的理化性质有关，而具体原因还有待进一步研究。

团聚体 MWD 是反映土壤团聚体各组分分配的综合指标，一般情况下，土壤团聚体 MWD 值越大，土壤结构越稳定，土壤抗侵蚀能力越强^[36-37]。本研究发现，大球盖菇-水稻轮作显著增加了土壤 MWD，且随着轮作年限的增加，各处理土壤的 MWD 值逐渐增大。由此说明，大球盖菇-水稻轮作能增加土壤结构稳定性，促使土壤形成健康生态环境，从而有利于作物生长。

长期试验研究发现，双季稻系统中土壤有机质和综合肥力质量指数均与水稻产量呈极显著正相关关系^[38-39]。在菇稻系统中，本研究也发现，随着土壤 pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、 MWD 指标的提高，水稻产量呈逐渐增加趋势，这与前人的研究结果相同^[40]。同时，结合线性方程的斜率发现，不同土壤肥力指标对水稻产量的贡献程度不一，这为精准调控土壤肥力指标来实现水稻产量提升奠定了技术参数。但是，由于不同土壤肥力指标与水稻产量拟合方程的斜率不同，且在不同地区，不同研究者获得土壤有机质等指标对水稻产量的贡献程度也存在较大差异^[38-39，41]。因此，如何选择关键指标进行水稻产量提升还有待深入比较和试验验证。

4 结论

与水稻单作相比，大球盖菇-水稻轮作可增加水稻产量，且轮作 5 年以上，水稻产量增幅达显著水平。同时，大球盖菇-水稻轮作显著阻控水稻土酸化、提高土壤有机质和碱解氮、有效磷、速效钾养分含量，增加土壤大团聚体（>0.25 mm）比例。结合线性拟合方程的斜率比较发现，不同土壤肥力指标对水稻产量提升的贡献程度不一，因此，在大球盖菇-水稻轮作系统中，建议因地制宜，针对具体田块的肥力指标高低水平，精准调控土壤 pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾和团聚体平均重量直径等指标，从而达到提升水稻产量的目标。

参考文献