減量化肥配施紫云英對水稻產量穩定性的影響

張成蘭 呂玉虎 劉春增 李本銀 郭曉彥 聶良鵬 張 琳 曹衛東

(1河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2信陽市農業科學院， 河南 信陽 464000；3 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

作物產量穩定性是判斷農田生態系統質量高低的重要指標[1]，其穩定性隨土壤地力、施肥、栽培措施及氣候條件等不同而存在較大差異。因此，研究長期不同施肥條件下作物產量穩定性的高低，對作物高產、穩產及農業的可持續發展具有重要意義。目前，國內外研究者主要采用回歸模型[2]、變異系數[3-4]、可持續性指數[5]、方差分析[6]、穩定性方差[7]和生態價[8]等方法對作物產量穩定性進行分析評價。然而，研究表明，長期定位施肥試驗作物產量的穩定性不僅受施肥處理和環境年際變化的影響，還取決于施肥處理與環境的交互作用[9-10]。因此，如何有效地分析施肥處理與環境的交互作用對于正確評價作物產量穩定性至關重要，冀建華等[8]研究發現，AMMI(additive main effects and multiplicative interaction)模型能很好地解釋施肥處理與環境的互作效應，是評價長期定位施肥條件下作物產量穩定性的有效方法。

紫云英(Astragalus sinicusL．)為豆科黃芪屬，是豫南稻區主要的冬季綠肥。豫南稻區有大量冬閑田，利用冬閑茬口種植翻壓紫云英，可合理銜接水稻生育期，起到填閑、養地的效果[11]。目前關于稻田紫云英種植利用的研究主要集中在改善土壤理化性狀[12]、改善土壤微生物特性[13-14]、提高水稻產量[15]、減少化肥施用[16]等方面，而減量化肥配施紫云英對水稻產量穩定性影響的研究尚鮮見報道。本研究依托信陽試驗園區長期定位試驗平臺，分析長期定位施肥后水稻產量變化趨勢、肥料貢獻率及施肥與環境交互作用特征等，研究長期化肥減量20%和40%配施不同量紫云英對水稻產量穩定性的影響，以期為豫南稻區合理減肥、高產、穩產提供技術支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

供試紫云英品種為信紫1 號，由信陽市農業科學院提供。田間試驗位于信陽市農業科學院試驗園區(32°07′31′′N，114°05′18′′E)，該地區屬亞熱帶向暖溫帶過渡區，日照充足，年均氣溫15．1 ～15．3℃，無霜期220 d 左右，年均降雨量900～1 400 mm，年均相對濕度77%，試驗期內主要氣象變化如圖1 所示。田間定位試驗始于2009年，供試土壤為黃棕壤性潛育型水稻土，土壤基本理化性質：有機質13．0 g.kg-1、全氮1．3 g.kg-1、堿解氮71．5 mg . kg-1、有效磷16．5 mg.kg-1、速效鉀78．2 mg.kg-1、pH 值6．67。

圖1 水稻生育期內主要氣象因子變化Fig.1 Changes of the date of meteorological factors during rice growth period

1.2 試驗設計

田間試驗采用隨機區組設計，共設10 個處理，3次重復：(1)不施肥(CK)；(2)單施化肥(100%F)；(3)80%化肥+22 500 kg.hm-2紫云英(80%F+GM1)；(4)80%化肥+30 000 kg.hm-2紫云英(80%F+GM2)；(5)80%化肥+37 500 kg.hm-2紫云英(80%F+GM3)；(6)80%化肥+45 000 kg.hm-2紫云英(80%F+GM4)；(7)60%化肥+22 500 kg.hm-2紫云英(60%F+GM1)；(8)60%化肥+30 000 kg.hm-2紫云英(60%F+GM2)；(9)60%化肥+37 500 kg.hm-2紫云英(60%F+GM3)；(10)60%化肥+45 000 kg.hm-2紫云英(60%F+GM4)。紫云英原地種植，每年于盛花期按照各處理進行翻壓，多余部分移出小區，量不足時從其他小區移入，盛花期紫云英年均干基養分含量為3．49% N、0．42% P2O5、3．29% K2O，含水率為89．32%。試驗所施化肥，氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。100%化肥指當地常規施肥量(135 kg.hm-2N、67．5 kg.hm-2P2O5、67．5 kg.hm-2K2O)。試驗中磷肥、鉀肥均作基肥一次施用，氮肥按基肥、分蘗肥、孕穗肥各占50%、30%、20%分次施用。小區面積6．66 m2(長3．33 m、寬2．0 m)，小區間筑埂，并覆塑料薄膜防止串水串肥。區組間留0．3 m 寬的溝，便于上水和排水。供試水稻品種為揚兩優013，于每年5月底劃行移栽，小區栽插密度16．7 cm×20 cm，每穴2 ～3 株。移栽后灌淺水使秧苗返青，分蘗肥在移栽后1 周施用，孕穗肥在曬田復水后施用，其他田間管理與大田一致。

1.3 測定項目與方法

試驗于每年水稻成熟后按小區進行人工收割，單打單曬，晾干后測定各小區稻谷產量，并根據公式計算土壤地力貢獻率和肥料貢獻率：

土壤樣品于2018年9月14日水稻收獲后采集，每小區按照5 點采樣法采集0 ～20 cm 土層土樣，風干后測定土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，測定方法參照《土壤農化分析》[17]。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2010 和SPSS 18．0 軟件進行整理和統計分析，方差分析多重比較采用Duncan 法，并在P＜0．05 水平下檢驗差異顯著性，利用Excel 2010和Orgin 8．5 軟件作圖，DPS 7．05 統計軟件進行聯合方差、線性回歸及AMMI 模型分析。AMMI 模型是指加性主效應和乘積交互作用模型[8]，其表達式為：

式中，yij是第i施肥處理在第j年環境因子的平均值。加性參數：μ為總體平均數；αi為第i施肥處理與總平均數的離差；βj為第j年環境因子與總平均數的離差。倍加性參數：λs是s個交互效應主成分軸(incremental principal component analysis，IPCA)的奇異值；γis是第s軸的施肥處理特征向量值；δjs是第s軸的環境因子特征向量值；ρij為提取p個IPCA 軸后留下的殘差。

根據公式計算穩定性參數Di[8]：

式中，s為顯著的IPCA 個數；γis為第i施肥處理在第s個IPCA 上的得分；ws為權重系數，表示每個IPCA所解釋的平方和占全部IPCA 所解釋的平方和的比例。

2 結果與分析

2.1 長期減量化肥配施不同量紫云英對水稻產量及其變化趨勢影響

2．1．1 水稻年均產量 由表1 可知，與CK 相比，施肥顯著提高水稻年均產量，100%F 較CK 水稻增產28．74%，減量20%和40%化肥配施不同量紫云英較CK增產36．81%～40．07%，較100%F 增產6．27%～8．80%，說明化肥減施20%和40%情況下，種植翻壓紫云英仍可提高水稻產量。化肥減施20%和40%條件下，水稻產量隨紫云英翻壓量增加呈先上升后下降的趨勢，均以翻壓37 500 kg.hm-2紫云英水稻產量最高。綜合考慮水稻高產及減肥效益，以60%F+GM3 效果最佳。

2．1．2 水稻產量變化趨勢 由圖2 可知，各施肥處理水稻年產量呈波動趨勢，不同年份間波動較大，相同年份不同處理間波動趨勢大致相似，CK 一直在較低水平波動。根據年產量波動曲線擬合各處理產量趨勢線(表 2)， 其斜率k表示產量的年變化量(kg.hm-2.a-1)。其中減量化肥配施紫云英處理水稻產量趨勢線均高于100%F，以60%F+GM3 產量趨勢線位于最上方，但在2017年后逐漸被60%F+GM4 以73．81 kg.hm-2.a-1的速率趕超，100%F 及CK 水稻產量趨勢線位于最下方。各處理擬合方程k值均為正，說明雖然各處理存在年際波動，但整體趨勢是增長的。減量化肥配施紫云英處理的k值均高于100%F 和CK，說明減量化肥配施紫云英對土壤的培肥改良效果較佳。

表1 不同施肥處理下水稻年均產量Table 1 Average annual yield of rice in different fertilizer treatments

由圖2 可知，相較于水稻年產量的大幅度波動，水稻累積產量隨年際變化呈逐漸上升趨勢，不同處理間始終以CK 最低，其次是100%F。表2 列出了水稻累積產量的擬合方程，方程線性擬合性較好，其直線斜率k可反映水稻產量的增長趨勢，由k值可知，各施肥處理水稻產量的增長趨勢均高于CK，減量化肥配施紫云英處理產量的增長趨勢高于100%F，說明減量化肥配施紫云英更有利于提高稻田土壤的養分供應能力。在減肥20%和40%條件下，水稻產量增長趨勢隨紫云英翻壓量增加先升高后降低，均以翻壓37 500 kg.hm-2紫云英處理最高。

圖2 不同施肥處理下水稻產量年際波動曲線及水稻累積產量變化Fig.2 Annual fluctuation of rice yield and rice cumulative yield in different fertilizer treatments

表2 不同施肥處理下水稻年產量、累積產量變化趨勢Table 2 Trend of rice yield and cumulative rice yield in different fertilizer treatments

2.2 長期減量化肥配施不同量紫云英對水稻產量穩定性影響

2．2．1 水稻產量變異來源 長期不同施肥處理導致不同的土壤肥力水平，而各施肥處理在同一年所對應的氣候、管理條件及大氣沉降等相同，因此可將施肥處理對應的土壤肥力水平作為一個維度，即“施肥”，而每年氣候及其他環境條件作為另一個維度，即“環境”，利用DPS7．05 軟件對10年長期定位試驗水稻產量進行聯合方差、線性回歸及AMMI 模型分析(表3)。聯合方差結果表明，施肥、環境分別占方差分析總平方和的49．75%、37．88%，且二者均達到極顯著差異(P＜0．01)，說明方差分析只是對施肥處理和環境效應進行比較詳細的解釋，而對二者交互作用的解釋并不完全，因此有必要對施肥處理和環境交互作用進行深入分析。線性回歸分析結果表明，聯合回歸、施肥回歸和環境回歸共解釋了平方和的37．85%，而誤差占62．15%，說明線性回歸分析對施肥處理與環境交互作用的解釋仍然較少。AMMI 模型分析結果顯示，IPCA1、IPCA2 和IPCA3 均達到了顯著水平(P＜0．05)，三者平方和分別占互作平方和的56．24%、22．10%、10．60%，三項累積解釋了88．93%的互作平方和，殘差僅占11．07%，說明AMMI 模型能夠較好地分析施肥處理與環境的交互作用。

2．2．2 水稻產量穩定性 以上述第一主成分交互作用(IPCA1)與水稻平均產量繪制雙標圖，圖3 中f1、f2、f3…f10 分別表示施肥處理CK、100%F、80%F+GM1、80%F+GM2、80%F+GM3、80%F+GM4、60%F+GM1、60%F+GM2、60%F+GM3、60%F+GM4，e1、e2、e3…e10 分別表示2009、2010、2011…2018年的環境。由圖3 可知，在水平方向上，施肥(f)比環境(e)的分布范圍廣，說明施肥處理間的變異大于環境；在垂直方向上，如果以IPCA1 ＝0 作一條水平線，施肥處理與環境在同側，表示施肥處理與環境的交互作用為正，反之則表示交互作用為負[18]。f3、f4、f5、f6、f7 與e1、e2、e3、e4、e5、e9 位于水平線同側，說明f3、f4、f5、f6、f7 與2009-2013年及2017年間的互作為正，即表示2009—2013 及2017年環境對80%F+GM1、80%F+GM2、80%F+GM3、80%F+GM4、60%F+GM1 水稻產量的提高有積極作用。f1、f2、f8、f9 與e1、e2、e3、e4、e5、e9 位于水平線兩側，說明f1、f2、f8、f9 與2009—2013 及2017年互作為負，表示2009 ― 2013 及2017年環境對CK、100%F、60%F+GM2、60%F+GM3 水稻產量的提高有消弱作用。圖標越接近水平線表示施肥與環境的互作越小，水稻產量穩定性越好，圖標越靠右表示施肥對水稻產量的增產效果越好。f10、f9、f6、f5 施肥處理水稻產量穩定性較好，f7、f2、f4、f3、f8、f1 施肥處理水稻產量穩定性較差；f4、f9、f8、f5、f3、f10、f7、f6 施肥處理對水稻的增產效果較好，而f2 和f1 的增產效果較差，綜合考慮水稻增產效果和產量穩定性，以f9(60%F+GM3)效果最好。

表3 不同施肥處理下水稻產量的方差分析、線性回歸模型和AMMI 模型分析Table 3 ANOVA, liner regression and AMMI model analysis of the rice yield in different fertilizer treatments

圖3 AMMI 主成分交互作用與產量雙標圖Fig.3 Biplot of AMMI between yields and IPCA1

為定量描述施肥處理對水稻產量穩定性的影響，利用3 個主成分軸的IPCA 值分別計算各施肥處理的穩定性參數Di值(表4)。結果顯示，與圖3 所示的產量穩定性結果基本一致，Di值越小，表示施肥處理的穩定性越高，說明施肥可提高水稻產量穩定性，化肥減施20%和40%均以配施45 000 kg.hm-2紫云英處理產量穩定性最好，其次為配施37 500 kg.hm-2紫云英處理。

表4 不同施肥處理下水稻產量穩定性參數Table 4 Stability parameter of yield of rice yield in different fertilizer treatments

2.3 長期減量化肥配施不同量紫云英對土壤地力貢獻率及肥料貢獻率影響

土壤地力貢獻率及肥料貢獻率在時間上的變化情況如圖4 所示，土壤地力貢獻率能反映土壤生產能力，而肥料貢獻率可反映肥料對作物產量的貢獻率。結果表明，土壤地力貢獻率在2009—2012年由67．43%緩慢上升至79．40%，兩年后下降至60．24%，之后呈緩慢波動趨勢，但總體呈逐漸下降趨勢(y＝-0．414x+904．5；R2＝0．045)。肥料貢獻率隨年際變化呈波動趨勢，相同年份間波動趨勢大致相似，肥料貢獻率與土壤地力貢獻率呈極顯著負相關(r＝-0．867，P＜0．01)。肥料平均貢獻率以60%F+GM3 最高，其次為80%F+GM3，減量化肥配施紫云英處理的肥料貢獻率高于單施化肥處理，但處理間差異并不顯著(P＞0．05)。

圖4 不同施肥處理下土壤地力貢獻率及肥料貢獻率Fig.4 The contribution of soil capacity and contribution rate of fertilizer in different fertilizer treatments

2.4 長期減量化肥配施不同量紫云英對土壤養分影響

由表5 可知，與CK 和單施化肥處理相比，減量化肥配施紫云英顯著提高了土壤有機質含量，且紫云英施用量相同時，減量20%化肥處理土壤有機質含量高于減量40%化肥處理；施肥總體顯著增加了土壤堿解氮含量，單施化肥處理較CK 土壤堿解氮含量增加13．47%，減量化肥配施紫云英較單施化肥處理土壤堿解氮含量增加3．75%～10．36%；施肥顯著增加了土壤有效磷含量，單施化肥和減量化肥配施紫云英處理較CK 土壤有效磷含量分別增加94．43%和69．87% ～105．76%，且減量20%化肥配施紫云英處理土壤有效磷含量高于減量40%化肥配施紫云英處理；施肥增加了土壤速效鉀含量，其中單施化肥和減量化肥配施紫云英處理土壤速效鉀含量分別較CK 增加11．78%和1．65%～16．87%，但處理間差異不顯著。在化肥減施20% 和40%條件下，翻壓 37 500 kg.hm-2和45 000 kg.hm-2紫云英處理的土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量整體高于其他處理。

表5 不同施肥處理下土壤養分(2018年)Table 5 Soil nutrients under different fertilizer treatments in 2018

2.5 土壤養分及氣候因子與水稻產量及產量穩定性相關性分析

由表6 可知，土壤有機質、堿解氮、有效磷含量與水稻產量呈極顯著正相關，而水稻生育期內降雨量、平均氣溫、平均最高氣溫及平均最低氣溫與水稻產量無顯著相關性；土壤堿解氮與產量穩定性參數呈極顯著負相關，說明土壤堿解氮含量的增加有助于提高水稻產量的穩定性。

表6 不同因素與水稻產量及穩定性參數相關性分析Table 6 Correlation analysis of different factors associated with rice yield and Stability parameter

3 討論

3.1 長期減量化肥配施不同量紫云英對水稻產量的影響

大量研究表明[16，19-20]，化肥減施20%～40%條件下，翻壓15 000～45 000 kg.hm-2紫云英仍能保證水稻不減產，本研究也證實了這一結論。10年長期定位試驗結果顯示，減量20%和40%化肥配施紫云英較單施化肥水稻增產6．27%～8．80%，主要是因為紫云英翻壓后釋放出的養分能滿足水稻對速效養分的需求，且紫云英養分后期釋放緩慢，可持續為水稻生長提供所需養分，從而維持和提高水稻產量。化肥減施20%和40%條件下，水稻產量隨紫云英翻壓量增加呈先升高后降低的趨勢。說明當紫云英翻壓量較少時，腐解釋放出的養分被水稻吸收，水稻產量隨紫云英翻壓量的增加而增加；而當紫云英翻壓量過多時，水稻產量反而有所降低，一方面原因是過量紫云英在腐解初期有大量微生物生長繁殖，消耗了土壤中的養分，出現微生物與水稻爭肥現象[19]，造成水稻生育期延遲，導致水稻產量降低；另一方面過量紫云英在腐解過程中產生大量Fe2+、Mn2+等還原性有害物質，影響水稻初期生長發育，進而降低水稻產量[21]。

本研究中單施化肥及減量化肥配施紫云英處理水稻產量變化趨勢線均呈上升趨勢，說明經過多年定位施肥，土壤肥力狀況逐漸提升。黃興成等[22]也指出，長期平衡施用化肥或配施有機肥可以維持和提高土壤綜合肥力。而本研究中不施肥處理產量變化趨勢線總體也呈上升趨勢，這與陳歡等[23]通過32年定位試驗研究小麥產量變化規律得到的不施肥處理呈下降趨勢的結果并不一致，可能與本試驗種植年限較短有關，也可能是因為水旱交替條件下稻田土壤生產力呈升高趨勢[24]。從水稻累積產量變化趨勢看，減量化肥配施紫云英處理產量增長趨勢高于單施化肥處理，說明長期紫云英配施化肥有利于提高稻田土壤的養分供應能力，主要是紫云英翻壓后不僅為土壤提供大量碳源和養分，還能促進土壤有機質的礦化分解和土壤養分的循環轉化[25]，可有效改善稻田土壤質量。

3.2 長期減量化肥配施紫云英對水稻產量穩定性的影響

本研究通過聯合方差、線性回歸及AMMI 模型分析，發現AMMI 模型能較好地解釋施肥處理與環境的交互作用，利用AMMI 模型評價長期定位施肥條件下水稻產量穩定性具有較高的可靠性和科學性。CK、100%F、60%F+GM2、60%F+GM3 處理與80%F+GM1、80%F+GM2、80%F+GM3、80%F+GM4、60%F+GM1 處理與同一年環境的互作效應相反。由圖1 的氣象因子可知，2009―2013 及2017年與2014 ―2016 及2018年環境差異主要體現在降雨量和氣溫上，2012 ―2013年平均最高氣溫高于其他年份，2017年降雨量高于其他年份，說明經過長期不同施肥后，各處理水稻產量對環境變化的響應并不一致。黃晶等[26]曾提出，氣候變化對水稻生產潛力及產量差的影響較為復雜，各處理間作物產量對環境變化的響應隨種植年限的增加而存在差異。由表6 氣候因子與產量相關性分析可知，氣溫及降雨量對水稻產量具有一定消極作用，周文魁[27]也提出水稻生育期內溫度升高、降雨量增加對水稻產量的影響是負面的。AMMI 模型的雙標圖直觀簡潔，便于理解，但所表達的信息具有一定局限性，因此可以將雙標圖與穩定性參數結合起來進行判斷[28-29]。本研究中水稻產量穩定性結果顯示，施肥及減量化肥配施適量紫云英較CK 提高了水稻產量穩定性。說明施肥，尤其是減量化肥配施適量紫云英有利于降低環境、生物等因素對產量的影響，維持和提高稻田生態系統的穩定性。

3.3 長期減量化肥配施紫云英對肥料貢獻率及土壤地力貢獻率的影響

土壤地力貢獻率可以評價農田土壤養分供給力。本研究結果顯示，長期不施肥導致豫南稻田土壤地力貢獻率整體呈下降趨勢，說明長期不施肥且種植水稻過程中，土壤養分被不斷帶走，但當土壤地力衰減到一定程度后，會處于一個相對穩定的狀態，主要是因為雖然長期不施肥，但土壤養分的礦化、灌溉水及大氣沉降等會帶入一部分養分，以維持一定的地力水平[30]。本研究中單施化肥對水稻產量的平均貢獻率為22．02%，減量化肥配施紫云英處理對水稻產量的平均貢獻率為26．56%～27．95%，說明種植翻壓紫云英有利于提高肥料貢獻率。

3.4 長期減量化肥配施紫云英對土壤養分及水稻產量關系的影響

本研究結果顯示，減量20%和40%化肥配施紫云英明顯提高土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，說明紫云英翻壓還田后，在提高土壤有機質含量的同時，還增加土壤中氮、磷、鉀養分含量，這與前人研究結果一致[16，31]。減量40%化肥配施紫云英處理的土壤有效磷含量低于單施化肥處理，主要是紫云英中磷素含量較低，紫云英翻壓腐解后對土壤有效磷補充較少。相關性分析結果表明，水稻產量與土壤有機質、堿解氮、有效磷含量呈極顯著正相關，而與土壤速效鉀含量無顯著相關性，這與陳歡等[23]研究砂姜黑土得到的結果一致，唐杉等[32]通過研究紫云英配施化肥結果表明，水稻產量與有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量呈顯著正相關，說明作物產量與土壤速效鉀含量的相關性可能是受不同土壤類型及土壤鉀庫高低的影響而表現出不同結果。影響水稻產量穩定性的因素較多，本研究中土壤堿解氮含量是影響水稻產量穩定性的主要因素，土壤有機質(PDi＝0．056)、有效磷(PDi＝0．161)、速效鉀(PDi＝0．255)含量對水稻產量穩定性也有一定影響，說明減量化肥配施紫云英能通過培肥土壤提高水稻產量穩定性，這與Bi 等[33]提出的施用有機肥對水稻產量的正效應歸因于土壤肥力提高的結論相似。

4 結論

研究結果表明，長期化肥減量施用并配施紫云英能明顯提高水稻年產量、產量穩定性、肥料貢獻率及土壤養分含量。綜合考慮產量年際變化特征、AMMI 模型評價水稻產量穩定性、肥料貢獻率及土壤養分的結果，以減施化肥40%配施37 500 kg.hm-2紫云英處理為豫南稻區水稻高產、穩產及減肥的最佳施肥模式。本研究僅分析了長期化肥減量施用配施紫云英對水稻產量穩定性的影響，而對產量穩定性提高的機理機制還有待進一步研究。