化肥減施下紫云英不同翻壓量對雙季稻產量及養分利用效率的影響

程會丹,魯艷紅,聶 軍,朱啟東,聶 鑫,曹衛東,高雅潔,廖育林,3

(1.湖南大學研究生院 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；3.農業部湖南耕地保育科學觀測實驗站,湖南 長沙 410125；4.中國農業科學院 農業資源與農業區劃研究所,北京 100081)

水稻是我國主要的糧食作物,其種植面積和產量占糧食作物的27%和34%[1]。目前，糧食生產中施肥大多以化肥為主,研究顯示，我國主要糧食作物年均化肥施用量占化肥施用總量的47%左右[2],大量施用化肥而忽視有機肥的施用是我國糧食生產中的突出問題。近30多年來,化肥用量快速增長,糧食產量卻沒有同步增加[3],不僅使農業生產成本增加,還造成土壤酸化,土體板結,養分流失[4],耕地質量下降,由此導致的肥料養分利用率偏低和環境負荷增大等問題日趨突出。近年來,隨著國家減肥增效行動的推動,有機肥替代部分化肥被認為是減少化肥用量、提高肥料資源利用效率的有效措施[5]。國內外大量研究表明,有機肥中養分含量豐富,肥效穩定且持續時間長[6],有機肥和化肥配合施用對提高農業可持續生產能力具有重要作用。

綠肥是一種清潔的有機肥源,具有替代部分化肥、改土培肥、凈化環境、提高糧食產量和品質等作用[7-8]。其中紫云英綠肥因其養分含量豐富,具有固氮、活磷、增鉀等優點[7,9],在我國南方稻作產區被廣泛種植。研究表明,紫云英綠肥在促進土壤有機質分解礦化、土壤養分循環和難溶性養分轉化等方面有積極作用[10]。

在保證作物不減產和土壤地力不降低的前提下,用紫云英替代部分化肥的施肥方式是南方稻田減少化肥用量、提高肥料資源利用效率和減少農業面源污染的有效途徑之一[7]。目前,關于翻壓一定量紫云英,減施化肥對水稻產量、養分吸收積累和土壤肥力影響等方面的研究報道較多。謝志堅等[11]研究表明,在翻壓等量紫云英22.5 t/hm2的情況下,適當減少(20%～40%)化肥用量,可促進早稻產量形成,提高土壤速效養分含量。徐昌旭等[12]研究表明，在翻壓22.5 t/hm2紫云英的情況下,水稻田化肥施用量可減少20%～60%,其中以減少20%化肥用量最有利于水稻植株氮、磷、鉀素積累。然而,這些研究多基于短期試驗,報道了不同化肥減施比例與紫云英配施對雙季稻產量、養分積累及土壤肥力的影響。而基于長期定位試驗,研究化肥減施條件下不同紫云英翻壓量對養分利用效率影響的報道較少。本研究基于11 a定位試驗(2008-2018年),分析在60%化肥施用量條件下,不同紫云英翻壓量對雙季稻產量、養分(氮、磷、鉀)吸收利用及土壤肥力影響；在保證水稻穩產、養分利用率提升和土壤肥力穩定基礎上,確定化肥投入減量條件下紫云英最適翻壓量,為南方稻區紫云英的合理利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗點概況及供試材料

試驗于2008-2018年在湖南省南縣三仙湖鄉萬元橋村(112°18′20″E、29°11′29″N)進行。該地處于洞庭湖雙季稻區,屬亞熱帶季風濕潤氣候,海拔30 m,年均氣溫約16.6 ℃,年日照時數約1 775 h,年降水量約1 238 mm。土壤類型為河湖沉積物發育的紫潮泥。試驗前0～20 cm耕層土壤pH值7.7、有機質47.4 g/kg、全氮3.28 g/kg、全磷1.26 g/kg、全鉀21.7 g/kg、堿解氮251 mg/kg、有效磷15.6 mg/kg、速效鉀98 mg/kg。

試驗用紫云英品種為湖南省農業科學院土壤肥料研究所選育的湘紫1號,翻壓紫云英鮮草含水量為88.9%,紫云英干基養分含量為N 37.5g/kg 、P 3.50 g/kg、K 37.2 g/kg,紫云英鮮草含水量和干基養分含量均為多年平均值。供試早稻品種為湘早秈45號,晚稻品種為黃華占。

1.2 試驗設計

試驗按隨機區組排列,3次重復,每小區面積為20 m2,共設7個處理,如表1所示。于每年晚稻收獲后,設置翻壓紫云英處理的各小區按22.5 kg/hm2撒播紫云英種子。每年早稻移栽前10 d(4月中旬),割取各小區紫云英地上部,將其全部混勻后按照各小區設置的翻壓量還田,堵住排水口,各小區灌水后,用鐵耙將紫云英鮮草均勻耖入10 cm深的土層中。100%CF指當地的常規施肥量,早、晚稻均為N 150 kg/hm2,P2O575 kg/hm2, K2O 120 kg/hm2。施用氮、磷、鉀肥的種類分別為尿素(N含量46%)、過磷酸鈣(P2O5含量12%)、氯化鉀(K2O含量60%)。由于紫云英中氮、鉀含量豐富,磷含量較少,本試驗磷肥施用量不變,氮、鉀肥減施40%。早、晚稻不同處理養分投入量見表2。磷肥和鉀肥均在移栽前作基肥施入；氮肥50%作基肥施入,50%追肥在分蘗盛期施入；基肥于早、晚稻移栽前1 d施入,施入后立即用鐵耙耖入5 cm深的土層中。水稻收獲后,所有處理稻草移走不還田。

表1 試驗設計Tab.1 Trial design

表2 不同處理早晚稻氮、磷、鉀養分投入量Tab.2 Nutrient input rates of N, P and K for different treatments kg/hm2

1.3 樣品的采集與測定

試驗前采集0～20 cm土層基礎土樣,用于分析土壤基本理化性狀。早晚稻成熟后每小區單打單曬,分別稱質量計產。2018年早、晚稻成熟期每小區采集5株有代表性的水稻植株樣,用于考種和養分含量的測定。于2018年晚稻收獲后從每個小區采集0～20 cm表層土壤樣品,用于分析土壤養分。土壤養分和植株養分均采用常規方法測定[13]。

1.4 養分利用效率等參數的計算[14-15]

以氮為例,計算方法如下:

籽粒氮素積累量(kg/hm2)=籽粒產量×籽粒氮含量；

稻草氮素積累量(kg/hm2)=稻草產量×稻草氮含量；

植株氮素積累量(kg/hm2)=籽粒氮素積累量+稻草氮素積累量；

氮肥回收利用率=(施肥區植株氮素積累量-不施肥區植株氮素積累量)/氮肥施入量×100%(注:不施肥區為CK處理,下同)；

氮肥農學利用效率(kg/kg)=(施肥區籽粒產量-不施肥區籽粒產量)/氮肥施入量；

氮肥偏生產力(kg/kg)=施肥區籽粒產量/氮肥施入量；

氮肥生理利用率(kg/kg)=(施肥區籽粒產量-不施肥區籽粒產量)/(施肥區植株氮素積累量-不施肥區植株氮素積累量)。

1.5 數據處理

數據處理及統計分析采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 19.0軟件進行。

2 結果與分析

2.1 化肥減施條件下紫云英不同翻壓量對雙季稻產量的影響

2018年不同處理早、晚稻產量如表3所示。可以看出,施肥能增加水稻產量,施肥處理早、晚稻及全年兩季籽粒產量均顯著高于CK和GM22.5處理(P<0.05)。與CK相比,施肥處理早、晚稻及全年兩季籽粒產量增長幅度分別為79.1%～91.1%,44.8%～50.7%和56.8%～64.7%；與GM22.5相比,施肥處理早、晚稻及全年兩季籽粒產量增長幅度分別為44.6%～54.3%,28.8%～34.0%和34.7%～41.5%。單施紫云英可顯著增加水稻產量,GM22.5處理早、晚稻及全年兩季籽粒產量分別比CK處理增產23.9%,12.4%,16.4%。60.0%化肥與不同量紫云英配施處理早、晚稻及全年兩季籽粒產量與常規化肥處理無顯著差異。紫云英翻壓量為15.0～30.0 t/hm2時,早、晚稻及全年兩季籽粒產量均隨紫云英翻壓量的增多而提高,當紫云英翻壓量多于30.0 t/hm2時,則呈下降趨勢。綜上所述,本試驗施用60%化肥條件下翻壓紫云英有利于促進水稻增產，以60%CF+GM30.0處理增產效果最好，同時晚稻季化肥減量時并未減產,這也說明紫云英翻壓還田也表現出較好的后效作用。

表3 2018年不同處理早、晚稻產量及增長率Tab.3 Grain yields and yield increment of different treatments in 2018

注：同列數據后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平。表4-7同。

Note：Values followed by different letters in a column are significant difference among treatment at the 5% level.The same as Tab.4-7.

2.2 化肥減施條件下紫云英不同翻壓量對雙季稻氮、磷、鉀養分積累量的影響

不同處理對水稻植株氮、磷、鉀素積累量影響見表4。在一定范圍內,紫云英翻壓量越高,早稻籽粒和稻草氮、磷、鉀素積累量越多。早稻籽粒氮、磷、鉀養分積累量均以60%CF+GM30.0處理最高,當紫云英還田量多于30.0 t/hm2時,氮的積累量下降,磷、鉀素無變化；稻草中氮、鉀養分積累量同樣以60%CF+GM30.0處理最高,磷的積累量則在60%CF+GM37.5處理最高。晚稻籽粒中氮、磷、鉀養分積累量均以60%CF+GM30.0處理最高,稻草氮、磷、鉀養分積累量則均在60%CF+GM37.5處理最高。

施肥處理早晚稻籽粒、稻草和植株氮、磷、鉀養分積累量均顯著高于CK處理 (P<0.05),也顯著高于單施紫云英(GM22.5)處理。早稻除60%CF+GM15.0處理植株鉀積累量低于100%CF處理,其他處理植株氮、磷、鉀養分積累量均高于100%CF處理。晚稻紫云英還田量≤22.5 t/hm2,植株氮積累量顯著低于100%CF(P<0.05),紫云英翻壓量高于22.5 t/hm2,植株氮積累量較100%CF無顯著差異；紫云英翻壓15.0，30.0 t/hm2時植株磷積累量顯著高于100%CF處理,其他翻壓量處理與100%CF相比差異不顯著。除60%CF+GM37.5處理植株鉀積累量高于100%CF處理,其他翻壓紫云英處理則顯著低于100%CF處理(P<0.05)。

表4 不同施肥處理早、晚稻植株氮、磷、鉀積累量Tab.4 The N, P and K accumulation in early and late rice plant of different treatments kg/hm2

2.3 化肥減施條件下紫云英不同翻壓量對雙季稻氮、磷、鉀養分利用效率的影響

由表5可以看出,從化肥回收利用率分析,化肥減施下紫云英各翻壓量處理早稻氮、鉀肥回收利用率較100%CF處理顯著提高(P<0.05),除60%CF+GM15.0處理,其他紫云英與化肥配施處理早稻磷肥回收利用率較100%CF處理顯著提高。與100%CF相比,紫云英與化肥配施各處理晚稻氮肥回收利用率均顯著提高,且從全年來看,氮肥回收利用率較100%CF提高了18.3～31.4百分點。紫云英與化肥配施處理早晚稻氮肥回收利用率均隨著紫云英還田量增加呈現先增加后降低的趨勢,均以60%CF+GM30.0處理最高。磷肥回收利用率在早稻表現為隨著紫云英翻壓量增加而增加,晚稻則隨紫云英還田量增加先升高后降低,以60%CF+GM30.0處理最高。早稻鉀肥回收利用率與氮類似，最高為60%CF+GM30.0處理,晚稻則隨紫云英還田量增加而增加，最高為60%CF+GM37.5處理。

從化肥農學效率和偏生產力分析,減施化肥下紫云英各翻壓量處理早晚稻氮、鉀肥農學效率和偏生產力均顯著高于100%CF處理(P<0.05)。各紫云英不同翻壓量處理早晚稻氮、鉀肥農學效率和偏生產力變化趨勢為(60%CF+GM30.0)>(60%CF+GM22.5)>(60%CF+GM37.5)>(60%CF+GM15.0)。紫云英還田量≤30.0 t/hm2時,早、晚稻磷肥農學效率、偏生產力隨著翻壓量的增多呈現上升趨勢,翻壓量高于30.0 t/hm2時,呈下降趨勢,但各紫云英不同翻壓量處理與100%CF處理相比差異均不顯著,這可能是由于投入的紫云英中含磷量較少,紫云英翻壓后對土壤有效磷的補充相對較少。

不同施肥處理對早、晚稻化肥生理利用率影響顯著(表5)。早稻除了60%CF+GM15.0處理鉀肥生理利用率高于100%CF處理,其他所有紫云英還田處理化肥(氮、磷、鉀)生理利用率均低于100%CF處理,這可能是由于紫云英還田后帶入一部分氮、磷、鉀素,供水稻可利用的氮、磷、鉀養分總量比100%CF高所致。晚稻除了60%CF+GM37.5氮、鉀肥生理利用率顯著低于100%CF(P<0.05),其他所有紫云英與化肥配施處理肥料(氮、鉀)生理利用率均顯著高于100%CF(P<0.05),這可能是由于在施用60%化肥條件下翻壓紫云英15.0～30.0 t/hm2時,有利于水稻植株氮、鉀素養分的吸收積累,60%CF+GM37.5處理較100%CF處理降低的原因可能是由于紫云英翻壓過量,促進了水稻營養生長,抑制其生殖生長導致。晚稻60%CF+GM22.5處理和60%CF+GM37.5處理與其他紫云英還田處理相比表現出較高的磷素生理利用率，但與100%CF差異不顯著。

表5 不同處理氮、磷、鉀養分吸收利用效率Tab.5 The N, P and K use efficiency of different treatments

前人關于有機肥和化肥配施對養分利用效率影響的研究多數僅考慮化肥的養分投入。由于考慮到實際上水稻不僅吸收施入化肥的養分,也吸收施入有機肥的養分。因此,本研究把紫云英各翻壓量處理的養分投入量當作化肥養分投入同等考慮,重新計算早稻和全年氮、磷、鉀養分回收利用率(表6)。早稻氮養分回收利用率，除60%CF+GM37.5處理外,其他3個處理與100%CF處理無顯著差異,其中60%CF+GM15.0處理較高；從全年來看,化肥減施條件下紫云英翻壓15.0～30.0 t/hm2時,氮養分回收利用率較100%CF提高了1.5～3.9百分點,但與100%CF相比均無顯著差異。早稻磷養分回收利用率較100%CF無顯著差異,全年磷養分回收利用率除60%CF+GM30.0處理顯著高于100%CF外,其他翻壓量處理較100%CF無顯著差異。紫云英與化肥配施各處理早稻鉀養分回收利用率顯著低于100%CF處理(P<0.05),全年鉀養分回收利用率也顯著低于100%CF處理(P<0.05),這可能一方面由于把紫云英養分當作化肥養分投入同等考慮進去之后導致鉀素養分總投入量較大,另一方面由于紫云英是C/N較低的有機物料,其腐解速度較快,鉀素較氮素更容易流失,從而導致鉀養分的回收利用率較低。

表6 不同施肥處理氮、磷、鉀養分回收利用率Tab.6 The N, P and K recovery use efficiency of different treatments %

2.4 化肥減施條件下紫云英不同翻壓量對土壤肥力的影響

由表7可知,與CK相比,各施肥處理土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷及速效鉀含量均有所提高。化肥減量下各紫云英還田處理土壤有機質含量均高于100%CF處理,除60%CF+GM15.0處理外,其他3個處理與100%CF差異顯著(P<0.05),其中以紫云英翻壓量30.0 t/hm2最高。與100%CF處理相比,除60%CF+GM15.0處理外,其他紫云英還田量顯著增加全氮含量,60%CF+GM22.5和60%CF+GM30.0處理還可顯著增加堿解氮含量,全氮和堿解氮均以紫云英還田22.5 t/hm2時最高。化肥減量并翻壓紫云英處理土壤有效磷含量均顯著高于100%CF,增幅為16.3%～39.1%,同樣以紫云英翻壓22.5 t/hm2最高；60%CF+GM30.0處理土壤有效磷含量較其他紫云英還田量顯著降低。紫云英翻壓37.5 t/hm2時土壤速效鉀含量最高,翻壓15.0 t/hm2紫云英土壤速效鉀含量與100%CF相比差異不顯著,而翻壓22.5，30.0 t/hm2紫云英時,土壤速效鉀含量與100%CF相比顯著降低(P<0.05)。總的來看，施用60%化肥條件下翻壓紫云英22.5～30.0 t/hm2更有利于土壤肥力的維持和提高。

表7 2018年晚稻后不同施肥處理土壤養分含量Tab.7 Soil nutrient content in different treatments after later rice harvesting in 2018

3 討論與結論

3.1 減施化肥條件下,翻壓適量的紫云英有利于雙季稻穩產,同時提高土壤肥力

紫云英作為南方稻田重要的有機肥源,養分含量豐富,其施用能替代部分化肥[16]。謝志堅等[11]研究認為翻壓一定量紫云英,適當減少化肥用量,并不降低水稻產量。李雙來等[17]研究表明,化肥減施20%情況下,翻壓紫云英22.5 t/hm2時早稻產量最高,而翻壓量30.0,37.5 t/hm2時,晚稻增產效果最佳；化肥減施40%下,翻壓紫云英30 t/hm2早稻產量效應最好,當紫云英翻壓量高于30 t/hm2時早、晚稻產量均略有下降。呂玉虎等[18]研究表明,在減量20%化肥條件下,翻壓紫云英30 t/hm2時水稻產量最高；在減量40%化肥條件下,翻壓紫云英37.5 t/hm2水稻產量最高。

本試驗表明,單施紫云英(GM22.5)處理早、晚稻及全年兩季籽粒產量均顯著低于100%CF處理,這主要是由于紫云英可供氮量(全年投入101.9 kg/hm2)低于100%CF處理(全年投入300 kg/hm2),同時,紫云英所固定的氮不能全部被水稻吸收；另外,盡管通過紫云英施入的鉀量與100%CF相當,但是一季施用,可能導致晚稻鉀素供應不足。本研究在60%化肥施用量的基礎上,早晚稻均以翻壓30.0 t/hm2紫云英時產量最高,與李雙來等[17]研究結果類似,但與上述呂玉虎等[18]在豫南稻區的研究結果有差異,這可能與氣候條件、供試土壤類型及種植制度不同有關。當紫云英翻壓量為37.5 t/hm2時早、晚稻產量均較翻壓量30.0 t/hm2時略有下降,一方面可能是由于過量紫云英還田后其腐解過程中會產生還原性物質,對早稻產量的形成有負面影響,林多胡等[19]也指出,雙季稻田紫云英鮮草的最適翻壓量為22.5～30.0 t/hm2,過量翻壓可能會對早稻秧苗產生毒害作用；另一方面,這可能與早稻施入過量紫云英腐解后有較多的氮素固持在土壤中,在晚稻生育后期仍有較多氮素供應,導致晚稻生育后期營養生長過旺有關。紫云英翻壓15.0 t/hm2時早晚稻及全年籽粒產量,籽粒氮、磷、鉀養分累積量較100%CF相比無顯著差異,說明在本試驗所有的紫云英還田量下,化肥減量40%能夠滿足水稻植株養分吸收和生長需求；但從土壤肥力維持和提高角度考慮,除60%CF+GM15.0處理外,其他紫云英與化肥配施處理均顯著增加了土壤有機質、全氮和堿解氮含量(P<0.05),這與Xie等[20]研究結果類似。因此,綜合產量和土壤養分2種因素,在化肥減量40%時,紫云英翻壓22.5～30.0 t/hm2時既能保證雙季稻穩產,同時提高土壤肥力。

3.2 減施化肥條件下,翻壓紫云英提高植株養分利用效率

養分利用效率較低的原因主要是由于肥料不合理施用、養分流失較多及土壤供肥與作物對養分需求不協調導致[14]。紫云英養分含量豐富,翻壓后加快土壤活性有機質分解礦化和土壤養分循環與轉化,有利于作物養分吸收積累,從而提升肥料利用率[21-22]。魯艷紅等[14]研究表明,紫云英替代等量化肥可促進早晚稻籽粒、稻草及植株氮、鉀養分的吸收積累,提高早晚稻氮肥和鉀肥的回收利用率、農學效率和偏生產力。本研究與上述研究結果基本一致,說明紫云英養分與化肥養分的合理耦合有利于提高氮、鉀肥利用率、農學效率和偏生產力,且對晚稻產生一定的后效。

吳立鵬等[23]研究表明,有機肥和化肥配施是提高氮肥利用率的重要手段之一。宋建群等[24]研究表明,化肥減量20%條件下配施生物有機肥顯著提高煙草對氮素的利用率,提高幅度為69.5%。楊曉梅等[25]研究表明,有機無機配施不僅能促進小麥對氮素的吸收利用,還能有效減少氮素損失和環境污染,其中以35%和50%有機氮替代無機氮的效果最好。李菊梅等[26]和魏靜等[27]在稻田的研究也表明，有機無機配施能顯著降低氨揮發量,減少氮素損失,提高氮肥利用率。陳正剛等[28]研究表明,化肥減量下翻壓綠肥光葉苕子可促進玉米對養分的吸收,提高養分利用率。在不考慮綠肥養分條件下,不同比例的化肥與綠肥配施條件下化肥氮利用率較常規施肥提高了3.2%～12.3%；將綠肥養分考慮在內時,不同比例的化肥與綠肥配施氮養分回收利用率較常規施肥提高了2.6%～11.1%[28]。本研究中在不考慮紫云英綠肥養分條件下,減量化肥與不同紫云英翻壓量配施全年化肥氮回收利用率較常規施肥提高了18.3～31.4百分點；在考慮紫云英綠肥養分條件下,紫云英翻壓15.0～30.0 t/hm2時,全年氮養分回收利用率較常規施肥提高了1.5～3.9百分點。但是60%CF+GM37.5處理氮養分回收利用率較常規施肥處理降低,這可能主要是由于把紫云英養分考慮進去之后導致氮素養分總投入量較大所致。在不考慮綠肥養分時,化肥與綠肥配施處理均不同程度地提高了化肥氮利用率,但本研究中化肥氮回收利用率提高幅度大于陳正剛等[28]研究結果,這可能是由于本研究施用的紫云英綠肥中氮含量較光葉苕子高,且本試驗綠肥的施用量也較大,從而較大幅度地提高了植株氮素積累量；當把綠肥養分考慮進去后,氮養分回收利用率均低于化肥氮回收利用率,但紫云英翻壓15.0～30.0 t/hm2時,化肥與綠肥配施處理與常規施肥處理相比氮養分回收利用率均有所提高。

連續11 a定位試驗中,在60%化肥施用量條件下,紫云英翻壓15.0 t/hm2時,雙季稻籽粒產量雖然與常規化肥相比無顯著差異,但不利于土壤肥力的維持；當翻壓量增加至37.5 t/hm2時,籽粒產量略有降低,且不利于養分的高效利用；紫云英翻壓22.5～30.0 t/hm2既能保證雙季稻穩產,提高養分利用率,同時提升土壤肥力。因此,綜合考慮雙季稻的產量效應、養分利用效率及土壤培肥效果,在60%化肥施用量的基礎上,紫云英翻壓量為22.5～30.0 t/hm2時較為適宜,在該條件下雙季稻產量、氮磷鉀養分吸收利用效率及土壤養分均處于較高水平。