稻稈與紫云英聯合還田提高黃泥田氮素利用率和土壤肥力

王 飛，李清華，何春梅，劉彩玲，黃毅斌

（福建省農業科學院土壤肥料研究所，福建福州 350013）

南方地帶性紅壤經水耕熟化形成的水稻土質地多粘重、有效養分不足或不平衡[1]。秸稈與綠肥均是農田培肥的重要有機肥料資源，是化肥有效替代肥源。據估計，我國目前年產秸稈約10億t (風干)，合計總養分2000萬 t，其中N約700萬t、P2O5約200 萬 t 和 K2O 約 1000 萬 t；綠肥約 1 億 t (鮮)，合計總養分約97萬 t，其中N約45萬t、P2O5約11萬 t、K2O約41萬t[2]。秸稈還田配施化肥可以提高土壤有機碳、胡敏酸、胡敏素含量及土壤其他養分含量，培肥土壤并提高其穩定性，促進作物增產[3]。楊帆等[4]對我國南方地區的 94個秸稈還田試驗的綜合評價結果表明，秸稈還田后，土壤肥力綜合指數 (SFI)和產量較秸稈不還田平均提高了6.8%和4.4%。徐云連等[5]對巢湖流域連續10年減量化施肥和秸稈還田定位試驗表明，與高產施肥相比，減氮30%、減磷50%+秸稈還田有增產效果，但差異不顯著。稻麥輪作體系下秸稈還田合理配施氮肥，不僅可以獲得最佳經濟收益，還可以獲得較高水稻產量和氮肥利用率[6]。紫云英是南方稻田最主要的冬季綠肥作物，紫云英還田可有效改善土壤理化與生化性狀，減少化肥用量，保障作物穩產高產[7]。早稻田翻壓紫云英22500 kg/hm2后配施化肥，與施用100%化肥相比，翻壓紫云英后適當減少 (20%左右) 化肥施用量，有利于早稻有效穗數、穗粒數及實粒數等經濟學性狀的形成，提高早稻產量[8]。化肥減量30%配施15000～30000 kg/hm2紫云英可以提高安徽沿江雙季稻區水稻產量，同時，紫云英與化肥配施可提高土壤微生物量碳氮、微生物熵及調節土壤微生物群落組成[9]。河南連續7年的水稻定位試驗表明，紫云英配施化肥和單施紫云英效果優于單施化肥[10]。

雖然目前已基本明確秸稈與紫云英還田對作物生長發育和產量形成的影響以及在改土培肥方面的重要作用，但在施氮量相等的前提下，開展秸稈、紫云英連續施用對土壤質量、肥效及生產力的影響研究較少。另外，以往研究中秸稈、紫云英多以單獨還田的多，稻稈與紫云英碳氮比差異較大，平均分別為48.0與13.3[11]，二者聯合還田是否有助于農田生產力提升需要明確。黃泥田為南方紅黃壤區廣泛分布的一類中低產田，約占福建中低產田的40%，具有粘、酸、瘦等特性，如何保證該類中低產田在產量穩步提升的前提下兼顧化肥減施增效值得關注。為此，本研究團隊連續4年在黃泥田上開展試驗，利用稻稈、紫云英聯合還田并與化肥不同配比進行研究，以期明確稻稈、紫云英聯合還田效應，并篩選出稻稈、紫云英聯合還田與化肥配施的適宜組合，為南方黃泥田土壤質量提升及施肥管理優化提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗區位于福建省閩清縣東橋鎮湖洋村。供試土壤為黃泥田，種植制度為單季稻。土壤基本化學性狀：pH 5.3、有機質 29.5 g/kg、堿解氮 162.5 mg/kg、有效磷 11.6 mg/kg、速效鉀 74.0 mg/kg。試驗于2015年開始。試驗為等氮處理，設6個處理：100%化肥 (RM0，CK)、80% 化肥+20% 稻稈+紫云英(RM20)、60% 化肥+40% (稻稈+紫云英，RM40)、40%化肥+60% (稻稈+紫云英，RM60)、20%化肥+80% (稻稈+紫云英，RM80)、100% (稻稈+紫云英，RM100)。每處理設3個重復，小區面積15 m2。

根據《中國有機肥料養分志》稻草與紫云英氮素養分含量及福建區域二者有機肥源全量還田數量(稻稈干物量3750 kg/hm2、紫云英干物量2700 kg/hm2)[11-12]，以稻草與紫云英全量還田氮素實際投入的理論比例約為1∶3作為二者有機物料聯合還田翻壓比例，確定配施20%、40%、60%、80%與100%有機混合物料中的稻稈干物量分別為750、1500、2250、3000 與 3750 kg/hm2，其余氮由外源紫云英補足，相應的紫云英鮮草還田量平均分別為4912、9825、14737、19650、24562 kg/hm2(紫云英鮮草水分含量為88.0%～89.5%)。稻稈干基養分平均含量為有機碳 389.3 g/kg、N 8.7 g/kg、P2O53.3 g/kg、K2O 15.9 g/kg，紫云英干基平均養分含量為有機碳471.6 g/kg、N 37.8 g/kg、P2O58.1 g/kg、K2O 29.5 g/kg。各處理氮磷鉀養分實際投入量如表1。RM0處理施氮 135 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.4∶0.7。各處理磷肥全部作基肥施用；氮鉀肥基肥占60%，分蘗肥占40%。氮肥用尿素，磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用氯化鉀。2015—2018年連續于每年春季紫云英盛花期(4月上旬) 時異地刈割與稻稈 (翻壓前切碎成小于20 cm段撒入) 聯合干耕翻壓至耕層20 cm以下。單季稻6月中旬至下旬移栽，每小區種植160叢，10月上旬收割。供試水稻品種為‘甬優15號’。

表1 各處理具體化肥和稻稈紫云英的氮、磷、鉀養分投入量 (kg/hm2)Table 1 Nitrogen, phosphorus and potassium input from rice straw and milk vetch and chemical fertilizer in each treatment

1.2 測定項目與方法

于每年水稻成熟期 (10月份) 采集各小區植株樣品。隨機方采集各小區地上部植株籽粒與莖葉，同時采集各小區土壤樣品。第4年水稻收獲后土壤采樣按“S”形布點，采集0—20 cm深度5個位點土壤混合成1個樣品，部分土壤鮮樣用于土壤微生物量碳、氮分析，其余土壤自然風干用于土壤理化分析與酶活性分析。水稻籽粒與稻稈鮮樣于105℃烘箱中殺青30 min，65℃烘干至恒重，經粉碎供植株養分含量分析。土壤理化生化性狀與植株養分分析參照魯如坤主編的《土壤農業化學分析方法》[13]測定。具體如下：植株樣品經硫酸–過氧化氫消煮后，全氮采用凱氏定氮法、全磷采用釩鉬黃比色法、全鉀采用火焰光度計法測定；土壤有機碳采用元素分析儀 (美國 TruMax CNS) 測定，土壤堿解氮采用堿解擴散法，土壤有效磷采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法，土壤速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法，土壤容重采用環刀法，土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提—TOC法 (日本TOC-LCSH)測定，pH測定采用的水土比為5∶1。土壤脲酶活性用靛酚藍比色法，轉化酶活性用硫代硫酸鈉滴定法，磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法[14]測定。

1.3 數據分析

地上部養分吸收量 (kg/hm2) = 籽粒產量 × 籽粒養分含量 + 秸稈產量 × 秸稈養分含量

氮素回收率變化 (百分點) = (有機無機肥配施處理地上部氮素吸收量 – 100%化肥處理地上部氮素吸收量)/氮素投入量 × 100[15]

數據采用Excel和DPS軟件進行統計分析，方差分析采用最小顯著性差異法 (LSD) 多重比較。

2 結果與分析

2.1 稻稈與紫云英聯合還田對水稻產量的影響

表2顯示，等氮條件下，與CK相比，稻稈、紫云英聯合還田與化肥不同比例配施均不同程度地提高了水稻產量，其中以RM20處理4年平均籽粒產量與稻稈產量最高，分別提高15.4%與23.6%，差異均達到顯著水平 (P＜ 0.05)，其中第4年該處理籽粒與稻稈產量分別增加21.2%與38.7%。RM40處理4年平均籽粒產量較CK增加，但差異不顯著，而稻稈產量較CK顯著增加18.2% (P＜ 0.05)。由此可看出，水稻產量增幅隨著稻稈、紫云英有機物料配施比例的增加呈下降趨勢。

表2 不同稻稈紫云英聯合還田比例第4年水稻產量及其組成Table 2 Yield and its component characteristics of rice under different proportions of rice straw and milk vetch incorporation into paddy soil over four years

從第4年產量構成來看，除RM100外，稻稈、紫云英聯合還田與化肥不同比例配施的水稻有效穗均較CK增加，其中RM20處理較CK提高29.5%，RM40 處理較 CK 提高 20.2%，差異均顯著 (P＜ 0.05)。各處理每穗實粒數隨稻稈、紫云英有機物料配施比例的增加而增加，其中RM100、RM80處理分別較CK 提高 34.9% 和 26.0%，差異均顯著 (P＜ 0.05)。

2.2 稻稈與紫云英聯合還田對水稻植株養分累積及肥料利用的影響

表3顯示，稻稈、紫云英聯合還田與化肥配施處理的水稻籽粒氮吸收量較CK增加2.4%～15.4%，其中 RM20 處理與 CK 差異顯著 (P＜ 0.05)。除 RM100處理外，其他各有機無機肥配施處理的水稻稻稈氮吸收量較CK增幅為1.9%～23.6%，其中RM20、RM40 處理與 CK 差異均顯著 (P＜ 0.05)。從地上部植株氮吸收總量來看，RM20處理的氮吸收量最大，較 CK 顯著提高 17.6% (P＜ 0.05)。從中也可看出，施有機肥處理地上部氮素吸收量隨稻稈、紫云英有機物料配施比例增加呈下降趨勢，除RM100處理以外，其他處理地上部氮素吸收量均高于CK。從氮素回收率來看，除RM100處理以外，各配施處理的氮素回收率較CK提高2.0～13.5個百分點，但隨有機物料替代比例增加，氮回收率增幅呈下降趨勢，以RM20處理提高最為明顯。說明等氮量投入下，適宜稻稈、紫云英聯合還田與化肥配施均提高了氮素利用水平。

表3 不同稻稈紫云英聯合還田比例下水稻植株氮素4年平均養分吸收量及回收率Table 3 N uptake and recovery efficiency of rice under different proportions of rice straw and milk vetch incorporation into paddy soil over four years

從植株磷、鉀養分吸收來看 (表4)，除RM100處理以外，其他處理稻稈、紫云英聯合還田下的地上部磷、鉀養分吸收均高于CK，其中磷吸收量增幅為2.6%～17.4%，鉀吸收量增幅為2.0%～22.3%，均以RM20處理提升最為明顯，與CK差異均顯著 (P＜0.05)，其次是RM40處理。從中也可看出，與氮吸收趨勢表現相似，施有機肥處理隨著稻稈、紫云英有機物料配施比例的增加，地上部磷、鉀素吸收量呈下降趨勢。

表4 不同稻稈紫云英聯合還田比例下水稻植株磷鉀養分平均吸收量 (kg/hm2)Table 4 Phosphorus and potassium uptake of rice under different proportions of straw and milk vetch incorporation into paddy soil over four years

2.3 稻稈與紫云英聯合還田對水稻土肥力的影響

表5顯示，稻稈、紫云英連續聯合還田改善了水稻土理化性狀。與CK相比，各有機無機肥配施處理pH增幅0.05～0.29個單位，其中RM100處理與CK差異達到顯著水平 (P＜ 0.05)；有機質含量增加 3.76～5.31 g/kg，均較 CK 顯著提高 (P＜ 0.05)；有效磷增幅3.7～10.2 mg/kg，其中RM60、RM80與RM100處理均較CK顯著提高 (P＜ 0.05)；速效鉀增幅28.0～119.2 mg/kg，除RM20處理以外，其余處理均達到顯著差異水平 (P＜ 0.05)。從中也可看出，土壤pH、有機質含量總體隨著有機物料比例的增加而增加，有效磷與速效鉀含量先升高后降低。而容重較CK降幅0.05～0.12 g/cm3，其中RM40與RM60處理較 CK 差異達顯著水平 (P＜ 0.05)。從生化性質 (表 6)來看，稻稈、紫云英聯合還田處理的土壤微生物量碳含量較CK均有不同程度增加，除RM20處理以外，各有機無機肥配施處理的微生物量氮含量較CK有不同程度提高，但與CK均無顯著差異；稻稈、紫云英聯合還田處理的脲酶、酸性磷酸酶活性較CK有不同程度提高，其中RM60處理的脲酶活性提升最為明顯，提高了37.7%，酸性磷酸酶活性以RM40處理提升最為明顯，提高了8.8%，與CK差異顯著 (P＜ 0.05)，但稻稈、紫云英聯合還田的轉化酶活性有不同程度地下降。

表5 不同稻稈紫云英聯合還田比例下第4年土壤的理化性質Table 5 Physicochemical properties of paddy soil as affected by different proportions of rice straw and milk vetch incorporation in the fourth year

表6 不同稻稈紫云英聯合還田比例下第4年土壤的生物化學性質Table 6 Biochemical properties of paddy soil as affected by different proportions of rice straw and milk vetch incorporation in the fourth year

3 討論

3.1 稻稈、紫云英聯合還田提高水稻產量及養分吸收利用率

化肥有機肥配合施用能提高水稻產量和肥料利用率、減少環境污染、培肥土壤，是南方水稻田簡單易行的環境保護性施肥技術[16]。本研究表明，等氮投入下，稻稈、紫云英聯合還田與化肥不同比例配施，均提高了水稻產量與植株養分吸收量，其中氮素回收率較CK提高2.0～13.5個百分點。究其原因，一是稻稈與紫云英聯合還田改善了土壤物理性狀。以往研究表明，福建8個縣域連續3年紫云英壓青還田，土壤容重與基礎土壤相比，平均降低0.1 g/cm3，相對降幅8.7%[17]，秸稈還田有利于降低土壤容重、硬度，增加土壤總孔隙度和有效孔隙的比例[18]。本研究條件下，黃泥田土壤發育于地帶性紅壤，質地粘重，稻稈、紫云英聯合還田與化肥不同比例配施，增加了土壤有機質含量，土壤容重降低0.05～0.12 g/cm3，這促進了土壤疏松通透，有利于改善水稻生長環境，進而提高水稻產量與養分吸收。二是從養分供應角度分析，稻稈、紫云英聯合還田，除了增加必需的中、微量營養元素外，有機物料投入促進了土壤微生物的繁殖，增加了土壤對無機肥料的固持，減少了作物生育前期化肥養分損失。研究表明，南方雙季稻田有機肥與化肥各半配施，氨揮發損失為7.2%～18.2%，而單施化肥氨揮發損失高達37.8%[19]。江蘇常熟稻田在施氮240 kg/hm2水平下，秸稈還田可減少氮淋溶等損失，氮肥總損失率降低6.0%，從而提高水稻對氮肥的利用率，增加產量[20]。本研究條件下，適宜稻稈、紫云英聯合還田總體提高了土壤堿解氮與微生物生物量碳、氮，使得有機無機肥料配施可以獲得較平穩的氮素供應過程，進而提高水稻氮肥吸收利用。三是稻稈與紫云英聯合還田促進了礦質養分的活化與利用。相關研究表明，黃泥田土壤速效鉀含量與土壤鉀盈虧量呈極顯著正相關[21]。本研究中，RM0與RM20處理的鉀素均出現表觀虧缺，分別為16.34與32.22 kg/hm2(表 1、表 4)，但與初始土壤相比，RM0處理土壤速效鉀含量降幅較大，有機物料聯合還田下土壤速效鉀含量降幅較小或增加，這可能是由于有機物料聯合還田下分泌草酸、檸檬酸，一定程度上促進了礦物鉀的分解，進而緩解了土壤速效鉀含量下降。何冰等[22]研究也表明，有機物料分泌的有機酸通過酸化與絡合作用可提高土壤速效鉀含量。值得一提的是，本研究紫云英鮮草利用是從異地刈割移入，這有別于原地種植翻壓，由于黃泥田土壤肥力總體較低，新鮮有機物料的加入可能產生激發效應[23]，激活了土壤微生物活性，促進了土壤有機質礦化與養分活化，從而實現黃泥田生產力的快速提升。

3.2 稻稈、紫云英聯合還田與化肥適宜配比

江西雙季稻紫云英連續6年還田試驗表明，替代20%～40%化肥的耕層土壤有機質、全氮含量及早、晚稻產量均增加，但進一步提高化肥替代比例導致上述指標降低[24]。劉春增等[25]研究表明，從稻谷產量、凈收益和產投比及環境友好性綜合來看，紫云英還田與當地化肥施用量的80%和60%配施是最優組合。本研究進一步表明，等氮量下隨著稻稈、紫云英聯合還田比例的增加，土壤有機質與養分含量逐漸增加而產量增幅卻呈下降趨勢，主要原因可能是隨著有機物料比例的增加，肥料中速效礦質養分含量降低，高量的有機物料投入導致農田系統碳氮比過高，引起水稻生長早期土壤微生物與水稻爭氮，從而影響氮素的早期供應[26]，本研究中成熟期低量有機物料配施處理的有效穗數高于高量有機物料配施處理佐證了這點。但隨著試驗年份的延長，長期配施高量有機肥的基礎地力水平會提升更快，其產量演變可能會逐漸達到甚至超過低量有機物料配施水平，這取決于礦質養分的供應水平與培肥效果。湖南省9個稻田生態系統長期定位監測點表明，等氮條件下長期施用化肥的增產率為115% (早稻) 和68%(晚稻)，低量有機肥 (有機氮占總氮 30%) 施用增產率為 128% (早稻) 和 79% (晚稻)，高量有機肥 (有機氮占總氮 60%)增產率為 123% (早稻) 和 79% (晚稻)，隨著試驗年份延長，低量有機肥配施與單施化肥處理產量差呈現先增加后降低的趨勢，低量有機肥與高量有機肥處理產量差異呈逐步降低的趨勢[27]，而江西雙季稻區進行連續25年的田間定位試驗表明，早晚稻平均產量以30%化肥配合施用70%有機肥最高，高量有機肥配施處理與化肥處理、低量有機肥配施處理的產量差異均呈逐步增加趨勢[28]。本研究條件下，RM20處理的水稻產量最高，是受制于當前黃泥田肥力水平與礦質養分供應，隨著培肥時間的延長，速效礦質養分等肥力因子發生變化，最佳施肥比例可能隨之改變。相關研究表明，低肥力土壤有機肥的替代比例要低，高肥力的土壤有機肥替代比例要高，如棕壤的中低產田，25%有機肥替代獲得與單施化肥相當的產量，繼續增加有機替代比例會降低作物產量，而高肥力農田有機肥替代比例可達70%或75%，仍能維持與單施化肥相當或更高的產量[29-31]；龔海青等[32]研究表明，化肥氮的有機氮替代率70%取決于土壤有機碳含量的高低，黑土土壤有機碳含量達到24.89 g/kg時，有機肥對化肥的替代率趨近95%，達到最大值。本研究中的黃泥田屬滲育性水稻土，具有酸、薄、粘、瘦特點，地力水平總體較低，故應選擇較低配施比例的稻稈、紫云英聯合還田量 (如20%氮素的聯合有機物料替代化肥)，以保證產量穩步提升。

有機物料性質也是影響稻稈、紫云英與化肥適宜配比的因素。推薦施肥量下，雞糞或豬糞單獨施用或配施少量化肥氮，牛糞配施75%左右的化肥氮可實現與化肥相當的氮素利用效率[33]。本研究條件下，稻稈與紫云英有機肥源性質差別較大，稻稈碳氮比約為紫云英的3.5倍，單獨還田均受到一定限制，稻稈與紫云英聯合還田，可形成較好的碳氮互濟、速緩相濟的施肥體系，這種施肥體系效果優于紫云英與稻稈單獨還田[34]，相關研究也表明，晚稻留高茬還田冬種紫云英并還田在產量與經濟效益方面表現出明顯優勢[35]，綠肥與秸稈聯合還田并減少化肥投入比秸稈單獨利用時水稻、小麥分別增產5.4%、4.9%[36]，上述結果表明綠肥與秸稈聯合還田在提升生產力方面具有獨特優勢。由于南方稻區稻稈、紫云英資源均簡單易得，充分利用二者物料性質并結合土壤肥力特性，開展與化肥優化配施具有較大的增產增效與化肥替代潛力，尤其適合于中低產稻田應用。

4 結論

等氮投入下，稻稈、紫云英聯合還田與化肥不同比例配施均提高了福建黃泥田水稻產量，籽粒與秸稈產量均以稻稈紫云英還田氮替代20%化肥氮處理最高，繼續增加替代比例，水稻產量增幅呈降低趨勢。除 RM100處理外，聯合還田提高了水稻地上部植株氮、磷、鉀吸收量，其中氮素回收率較單施化肥提高2.0～13.5個百分點。聯合還田不同程度地提高了土壤pH、有機質、有效磷、速效鉀以及脲酶、酸性磷酸酶活性，而土壤容重呈現下降趨勢。因此，連續進行稻稈、紫云英聯合還田有效提高了黃泥田生產力、肥力質量及水稻氮素利用水平。綜合來看，等氮投入下，稻稈、紫云英聯合還田替代20%～40%化肥可促進水稻增產穩產。