紫云英協(xié)同秸稈還田下氮鉀減施對雙季稻產(chǎn)量及光合特性的影響

胡柯鑫，羅尊長，董春華，孫 梅，洪 曦，謝 宜，周 旋，劉 杰，孫 耿

(1.湖南大學(xué)研究生院 隆平分院，湖南 長沙 410125；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125)

氮、鉀等作為主要營養(yǎng)元素一直影響著水稻的生長發(fā)育，也是保證我國農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要因素[1]。近些年來，化肥氮施用量迅速增加，增產(chǎn)效果漸微，利用率低下，造成農(nóng)田土壤的酸化、板結(jié)，環(huán)境風(fēng)險大大增加[2-5]；氮素的流失，氨與亞硝態(tài)氮揮發(fā)也帶來大氣溫室效應(yīng)、酸雨等一系列環(huán)境問題[6]，成為農(nóng)業(yè)面源污染的重要原因之一。同時，土壤鉀素缺乏與鉀礦資源不足間矛盾也是我國農(nóng)田面臨的重要問題[7]，亟待解決。

紫云英(Astragalussinicus)是我國南方主要的綠肥作物，是一種優(yōu)秀清潔的有機肥資源，含有大量氮素，通過對其翻壓還田增加土壤肥力，改良土壤環(huán)境，在提高水稻產(chǎn)量與品質(zhì)中發(fā)揮重要作用[8-9]。周興等[10]研究表明，紫云英翻壓后，水稻的增產(chǎn)效果更為顯著，增加水稻產(chǎn)值，減少生產(chǎn)成本，提高養(yǎng)分利用效率。稻草秸稈還田能不同程度增加水稻產(chǎn)量及其地上部分鉀素含量，對中、低鉀土壤的鉀肥吸收利用率有顯著提高[11-12]，在養(yǎng)分資源循環(huán)利用、減少環(huán)境污染、培肥土壤等方面均具有重要作用。曾研華等[13]發(fā)現(xiàn)秸稈還田配合化肥減施能增加雙季早、晚稻周年產(chǎn)量與生物量，且雙季早稻增產(chǎn)效應(yīng)高于雙季晚稻。大量研究表明，水稻葉片葉綠素含量、凈光合速率都直接或間接地與水稻干物質(zhì)積累及產(chǎn)量形成有關(guān)[14-15]。田紅剛等[16]研究表明，水稻生育期90%以上干物質(zhì)來自葉片的光合作用，稻谷產(chǎn)量的40%～60%直接來自水稻劍葉的光合作用[17]。韓勇等[18]以遼寧省為例，發(fā)現(xiàn)水稻灌漿中期葉片的Pn與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，與Gs和Tr呈顯著的二次曲線關(guān)系，與Ci呈極顯著的直線關(guān)系。

前人對紫云英、秸稈還田研究較多，但其中涉及對水稻生理指標(biāo)的研究鮮有報道[19-21]。本研究采用周年定位試驗，探究紫云英協(xié)同晚稻秸稈還田替代早稻20%，30%，40%化肥氮及早稻減施40%化肥鉀對雙季稻產(chǎn)量、幼穗分化期葉片光合特性以及早晚稻收獲期土壤理化特征的影響，對指導(dǎo)雙季稻化肥合理減施、水稻增產(chǎn)和地力提升意義重大。

1 材料和方法

1.1 供試地點

試驗于湖南省益陽市赫山區(qū)蘭溪鎮(zhèn)(N 28°34′33″，E 112°25′43″)進行。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，季節(jié)分明，降水豐沛，分配均勻。本區(qū)熱量資源豐富，年平均氣溫介于14～21 ℃，平均年降水量一般在800～1 600 mm。試驗地土壤肥力中等，紅黃泥地塊，質(zhì)地為黏壤，其0～20 cm土壤耕層基本理化性質(zhì)主要肥力性狀為：pH值 5.43，有機質(zhì)22.1 g/kg，全氮2.18 g/kg，全磷0.86 g/kg，全鉀14.8 g/kg；堿解氮181.0 mg/kg，有效磷26.0 mg/kg，速效鉀99.8 mg/kg，緩效鉀190.6 mg/kg。

1.2 供試材料

供試水稻品種：早稻為湘早秈45號，晚稻為玉針香。

供試肥料品種：尿素(含N 46.00%)，過磷酸鈣(含P 12.00%)，氯化鉀(含K 60.00%)。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)6個處理(表1)，每處理3次重復(fù)。小區(qū)面積40 m2(4 m×10 m)，共18個小區(qū)，總面積720 m2(24 m×30 m)，小區(qū)用田埂分開，田埂寬度20 cm，田埂上覆膜，扎入泥下，防止肥水串流。水稻晚稻插值規(guī)格一致，長32株×寬25株。

早稻施肥：T1處理不施肥，無紫云英還田；T2處理施尿素(施用量：326.1 kg/hm2)、過磷酸鈣(以P2O5計，施用量：500.0 kg/hm2)、氯化鉀(以K2O計，施用量：150.0 kg/hm2)，尿素按基肥∶分蘗期∶穗肥= 6∶2∶2施入；T3、T4、T5分別按T2處理氮肥量減施20%，30%，40%，鉀肥量均減施40%，尿素按基肥∶分蘗期∶穗肥=3∶4∶3施入；T3、T4、T5處理前茬晚稻秸稈留高茬后全部還田，水稻移栽前10 d左右紫云英還田，紫云英翻壓量為22 500.0 kg/hm2。T2、T3、T4、T5處理磷肥、鉀肥作基肥一次性施入。

晚稻施肥：T1處理不施肥；T2、T3、T4、T5處理施尿素(施用量：391.3 kg/hm2)、鉀肥(以K2O計，氯化鉀：200.0 kg/hm2)與磷肥(以P2O5計，過磷酸鈣施用量：375.0 kg/hm2)，氮肥按基肥∶分蘗期∶穗肥= 6∶2∶2施入，鉀肥與磷肥均作基肥一次性施入。

表1 雙季稻不同處理施肥設(shè)計

注：N、P、K分別指施用尿素、過磷酸鈣以及氯化鉀，早晚稻施用量不同；+.添加，-.不添加。

Note：N，P and K refer to the application of urea，calcium superphosphate and potassium chloride，respectively, the application amount of early and late rice is different； +.Adding，-.Not adding.

基肥在水稻秧苗移栽前撒施，分蘗肥在移栽后7～10 d施用，穗肥在移栽后40～50 d施用。早稻：2018年4-7月，歷時94 d；晚稻：2018年7-10月，歷時105 d。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 測定指標(biāo) 試驗前采用梅花形五點取樣法取0～20 cm耕層土壤，測定土壤pH值、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀及緩效鉀含量；早晚稻收獲期測定土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質(zhì)含量；早晚稻水稻幼穗分化期測定葉片葉綠素含量(SPAD)與葉片光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)以及蒸騰速率(Tr)；收獲時每個小區(qū)單打單收單曬，測定稻谷和稻草質(zhì)量。

1.4.2 測定方法 土壤化學(xué)性質(zhì)采用常規(guī)分析法測定；pH值采用水∶土= 2.5∶1(V/V)電位計法測定；土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均采用常規(guī)分析方法測定[22]。

水稻幼穗分化期(早稻6月4日，晚稻9月5日)選用倒三葉，其葉片葉綠素含量(SPAD)與葉片光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)以及蒸騰速率(Tr)分別用SPAD 502 葉綠素含量測定儀與LI-6400(Portable Photosynthesis System)進行測定；水稻稻草質(zhì)量與稻谷質(zhì)量等數(shù)據(jù)均用磅秤稱量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

分別利用Microsoft Excel 2016和IBM SPSS Statistics 20.0進行作圖和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對雙季稻幼穗分化期葉片凈光合速率(Pn)的影響

Pn反映的是水稻葉片單位時間內(nèi)積累或增加的有機物(或葡萄糖)量。圖1為雙季稻不同處理水稻葉片Pn。早稻Pn表現(xiàn)為T2>T5>T4>T3>T1，以T2處理最高，較T1與T3處理顯著高17.7%和15.2%(P<0.05)，T4處理較其低7.8%，但與T4和T5差異均未達(dá)顯著水平。晚稻Pn表現(xiàn)為T4>T5>T3>T2>T1，以T4處理Pn最高，達(dá)到16.43 μ mol/(m2·s)，與T5處理差異不顯著，較T1、T2、T3處理顯著高31.8%，27.0%，24.9%(P<0.05)。

圖中不同小寫字母表示早稻或晚稻處理間差異達(dá)5%顯著水平。圖2-6同。

2.2 不同處理對雙季稻幼穗分化期葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響

Gs反映的是植物葉片與外界進行氣體交換的通道開度的量。雙季稻不同處理水稻Gs如圖2所示，早稻以T2處理最高，達(dá)到0.67 mol/(m2·s)，較T1、T3、T4和T5高36.7%，42.6%，31.4%，15.5%，差異顯著(P<0.05)，T4處理較T2處理降低23.9%；晚稻以T4處理最高，較T1和T2高62.2%，55.3%，差異顯著(P<0.05)，較T3和T5處理高25.9%，21.7%，差異不顯著。

2.3 不同處理對雙季稻幼穗分化期葉片胞間CO2濃度(Ci)的影響

Ci指的是葉片內(nèi)部葉肉細(xì)胞間隙的二氧化碳濃度。雙季稻不同處理水稻Ci如圖3所示，早稻以T3處理最高，其次是T4處理，二者較T1處理高18.0%，13.2%，較T2處理高24.6%，19.5%，差異均顯著(P<0.05)，T5處理與其他處理間差異均未達(dá)到顯著水平；晚稻Ci以T1處理最高，達(dá)400.57 μmol/L，顯著高于其他處理(P<0.05)，T4處理較T2處理低1.6%，T2、T3、T4和T5處理間無顯著差異。

圖2 雙季稻不同處理水稻葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)

圖3 雙季稻不同處理水稻葉片胞間CO2濃度(Ci)

2.4 不同處理對雙季稻幼穗分化期葉片蒸騰速率(Tr)的影響

圖4為雙季稻不同處理幼穗分化期葉片蒸騰速率。由圖4可知，早稻葉片Tr表現(xiàn)為T2>T5>T1>T4>T3，T2處理葉片Tr最高，較T3、T4處理高29.4%，26.6%，差異顯著(P<0.05)，T4處理較T2處理低21.0%，T1、T5處理與其他處理差異均未達(dá)到顯著水平；晚稻葉片Tr表現(xiàn)為T4>T5>T3>T2>T1，T2、T3、T4與T5分別較T1處理高11.0%，15.8%，27.4%，24.1%，差異均顯著(P<0.05)，T4與T5處理顯著高于T2處理(P<0.05)，分別高14.8%，11.9%。

2.5 不同處理對雙季稻幼穗分化期葉片葉綠素含量(SPAD)的影響

雙季稻不同處理水稻幼穗分化期葉片葉綠素含量如圖5所示。早稻葉片SPAD值表現(xiàn)為T2>T5>T3>T4 >T1，以T2處理最高，較T1處理高34.3%，差異顯著(P<0.05)，較T3、T4、T5處理高8.6%，10.5%，4.9%，T4處理較T2處理降低9.5%，但差異均未達(dá)到顯著水平。晚稻葉片SPAD值表現(xiàn)為T4>T5> T3>T2>T1，以T4處理最高，其次是T5處理，二者較T1處理高14.8%，11.6%，較T2處理高13.4%，10.3%，差異均顯著(P<0.05)，T3處理與其他處理差異均不顯著。

圖4 雙季稻幼穗分化期葉片蒸騰速率(Tr)

圖5 雙季稻幼穗分化期葉片葉綠素含量(SPAD)

2.6 不同處理對雙季稻收獲期土壤理化性質(zhì)的影響

雙季稻收獲期土壤的理化性質(zhì)如表2所示。除早稻土壤速效鉀與有機質(zhì)含量以T2處理最低外，雙季稻收獲期不同處理土壤速效養(yǎng)分(堿解氮、有效磷、速效鉀含量)與有機質(zhì)含量均以T1處理最低。早稻土壤堿解氮含量以T3處理最高，晚稻以T4處理最高，早晚稻不同處理中均無顯著差異。早晚稻土壤有效磷含量均以T4處理最高，較T2處理高5.1%，12.0%，但差異均未達(dá)顯著水平。早晚稻收獲期土壤速效鉀含量分別以T4、T5處理最高，分別較同季T2處理高48.8%，2.0%；T4處理早稻速效鉀含量顯著高于T2處理，與其他處理差異不顯著；晚稻處理間無顯著差異。早稻收獲期不同處理土壤有機質(zhì)含量介于34.8 ～ 36.8 g/kg，均無顯著差異；晚稻以T4與T5處理有機質(zhì)含量最高，較T1處理高10.2%，9.9%，差異顯著(P<0.05)。

2.7 不同處理對雙季稻產(chǎn)量的影響

雙季稻稻谷與稻草產(chǎn)量如圖6所示。雙季稻不同施肥處理稻谷產(chǎn)量均顯著高于T1處理(P<0.05)。早稻稻谷產(chǎn)量表現(xiàn)為T4>T5>T3>T2>T1，以T4處理最高，較T2處理高6.8%，差異顯著(P<0.05)；晚稻稻谷產(chǎn)量表現(xiàn)為T5>T4>T3>T2>T1，以T5處理較高，T4處理較T2處理高2.0%，但差異未達(dá)顯著水平。早稻稻草產(chǎn)量以T2處理最高，與其他施肥處理無顯著差異，各施肥處理均顯著高于T1處理(P<0.05)；晚稻稻草產(chǎn)量以T5處理最高，T3處理最低，T1、T4、T5處理顯著高于T2、T3處理(P<0.05)。

表2 雙季稻收獲期土壤理化性質(zhì)

注：表中不同小寫字母表示早稻或晚稻處理間差異達(dá)5%顯著水平。

Note：Different lowercase letters in the table indicate that there is a significant difference of 5% between early rice and late rice treatments.

圖6 雙季稻不同處理稻谷與稻草產(chǎn)量

表3為雙季稻不同處理早晚稻總生物量與周年總產(chǎn)量。由表3可知，T4處理早稻總生物量最高，較T1處理顯著高30.3%(P<0.05)，較T2處理高2.5%但差異未達(dá)顯著水平；晚稻總生物量以T5處理最高，較T1處理顯著高22.6%(P<0.05)，較T2處理高6.5%但差異未達(dá)顯著水平。不同施肥處理稻谷周年總產(chǎn)量均顯著高于T1處理(P<0.05)，以T4處理最高，較T2處理高4.5%，但差異未達(dá)顯著水平；稻草周年總產(chǎn)量以T5處理最高，顯著高于T1處理(P<0.05)，與其他施肥處理差異不顯著。

2.8 相關(guān)性分析

表4為雙季稻水稻產(chǎn)量與葉片生理指標(biāo)以及生理指標(biāo)間的相關(guān)性。除葉片Tr與稻谷產(chǎn)量和SPAD值、Ci與Pn和Gs外，早稻產(chǎn)量與生理指標(biāo)以及生理指標(biāo)間均呈正相關(guān)關(guān)系，其中Pn與Gs、Gs與Tr、SPAD值與稻草產(chǎn)量間正相關(guān)性均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。晚稻中，Ci與其他指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且與稻谷產(chǎn)量負(fù)相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平；其他指標(biāo)間均呈正相關(guān)關(guān)系，其中Pn與Tr、Pn與SPAD、Gs與Tr、Gs與SPAD、Tr與SPAD間均存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān)。

表3 雙季稻不同處理總生物量與周年總產(chǎn)量

注：表中不同小寫字母表示同一指標(biāo)不同處理間差異達(dá)5%顯著水平。

Note：Different small letters in the table indicate that the difference between different treatments of the same index is 5% significant.

3 討論與結(jié)論

水稻產(chǎn)量是土壤肥力、氣候條件及人為管理等因素下的綜合表現(xiàn)，施肥是保證水稻增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑，氮、鉀的合理施用顯得尤為重要[8，23]。本試驗中，T4(紫云英協(xié)同晚稻稻草還田替代30%化肥氮、40%化肥鉀)處理的水稻稻谷周年總產(chǎn)量最高，其早稻稻谷產(chǎn)量、晚稻稻谷產(chǎn)量及周年稻谷總產(chǎn)量較T2(常規(guī)施肥)提高6.8%，2.0%，4.5%，與劉威等[24]和廖海燕等[25]研究結(jié)果一致。早稻稻谷產(chǎn)量表現(xiàn)為T4>T5>T3，晚稻表現(xiàn)為T5>T4>T3。紫云英和稻草腐解速率慢，且參與腐解的微生物與水稻發(fā)生爭“氮”現(xiàn)象，早稻季T5處理氮肥減施比例(40%)較高，養(yǎng)分供應(yīng)不足；T3處理氮肥減施20%、鉀肥減施40%，效果與T2處理基本一致，說明紫云英和稻草腐解彌補了減施的氮、鉀肥養(yǎng)分；另外T4處理產(chǎn)量較高可能與紫云英腐解釋放養(yǎng)分搭配氮肥減施30%、鉀肥減施40%與水稻養(yǎng)分需求同步有關(guān)[26]；晚稻季T5處理較高可能與紫云英和稻草腐解與化肥的互作有關(guān)，具體的互作機制有待于進一步研究。

表4 雙季稻水稻產(chǎn)量與生理指標(biāo)及生理指標(biāo)間的相關(guān)性

注：*.在0.05水平上顯著相關(guān)；**.在0.01水平上顯著相關(guān)。

Note：*.Significant correlation at 0.05 level；**.Significant correlation at 0.01 level.

早稻葉片光合速率以常規(guī)施肥處理最高，這可能與早稻常規(guī)施肥的速效氮肥增加了水稻葉片的葉綠素含量，進而提高Pn有關(guān)，與李海濤等[27]研究結(jié)果一致；其他處理均表現(xiàn)為T5>T4>T3，Pn隨氮肥減施比例增加而提高，可能與紫云英翻壓后提供氮素過程偏水稻生育后期有關(guān)，與蘇姍等[28]發(fā)現(xiàn)Pn隨氮肥后移而增加的結(jié)果基本一致。早稻Gs與Pn表現(xiàn)出相同趨勢，楊福等[29]研究在非鹽堿脅迫下Gs對Pn的影響最大，其與Pn的關(guān)系較為復(fù)雜，可能存在著一定的正相關(guān)關(guān)系，與本研究結(jié)論相符。晚稻Pn與Gs均以T4處理最高，T5處理次之，表明紫云英協(xié)同稻草還田下減施30%化肥氮和40%化肥鉀處理能有效促進晚稻葉片的光合作用，增加干物質(zhì)累積，從而實現(xiàn)水稻增產(chǎn)。早稻水稻葉片Ci表現(xiàn)為T3>T4>T5，晚稻葉片Ci不施肥(T1)處理顯著高于其他處理(P<0.05)，陳根云等[30]研究表明，Ci取決于葉片周圍空氣的 CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、葉肉導(dǎo)度和葉肉細(xì)胞的光合活性，水稻Pn越弱，細(xì)胞中CO2被用來進行光合作用的量降低，從而導(dǎo)致胞間CO2濃度(Ci)較高[31]，與本研究吻合。早稻、晚稻幼穗分化期葉片Tr分別以T2與T4處理最高，可能與葉片Gs有直接相關(guān)，葉片氣孔開度越大，蒸騰作用越強；晚稻季幼穗分化期葉片Tr均高于早稻季，可能與晚稻季氣溫較高，光照較強有關(guān)。

雙季稻收獲期紫云英協(xié)同稻草還田不同處理土壤速效鉀、堿解氮、有效磷與有機質(zhì)含量均高于常規(guī)施肥處理，含量略微增加，王璐等[32]研究表明，紫云英協(xié)同稻草還田紫云英和稻草還田可以降低土壤容重，提高土壤養(yǎng)分，與本研究基本一致。與常規(guī)施肥相比，早晚稻收獲期減施化肥氮、鉀處理土壤中養(yǎng)分含量較其他處理高，存在養(yǎng)分盈余，產(chǎn)量也處于較高水平，表明紫云英配合秸稈還田對肥料利用效率有促進作用，與連澤晨[33]研究結(jié)果一致。

晚稻Pn、Gs與雙季稻產(chǎn)量間相關(guān)性強于早稻可能與晚稻季溫度較高，光照較強有關(guān)；陳根云等[30]研究發(fā)現(xiàn)，Pn與Ci間在不同情況下存在正相關(guān)、負(fù)相關(guān)以及無關(guān)的關(guān)系，本試驗中Ci與早、晚稻產(chǎn)量以及生理指標(biāo)間相關(guān)性存在差異，具體原因還有待進一步研究。

紫云英協(xié)同晚稻秸稈還田不同處理均能增強水稻光合作用，提高雙季稻產(chǎn)量，培肥土壤。本研究中，以減施30%化肥氮和40%化肥鉀處理效果最好，與常規(guī)處理相比，兩季稻谷總產(chǎn)量增長4.5%，其早稻稻谷產(chǎn)量增產(chǎn)6.8%，幼穗分化期倒三葉葉片Pn、Gs、Tr及 SPAD值分別降低7.8%，23.9%，21.0%，9.5%，Ci提高19.5%；其晚稻稻谷產(chǎn)量提高2.0%，Pn、Gs、Tr及SPAD值分別提高27.0%，55.3%，14.8%，13.4%，Ci降低1.6%；早晚稻收獲期土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質(zhì)含量均略有提高。