綠肥翻壓與氮肥減施對水稻產量、品質及土壤肥力的影響

梁琴,周澤弘,馬雪清,漆燕*,蔣進,韓文斌,全紫曼,莫坤,李勝,曹衛東

(1.南充市農業科學院，四川 南充 637000；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

中國是世界上較大的水稻生產國之一，占全球水稻種植面積的19.1%，2016年水稻產量占全球的28.5%[1]。水稻是我國重要的糧食作物，由于傳統的農業生產過度依賴化肥，尤其是氮肥的過量施用，帶來較多的資源浪費，造成耕地質量下降、持續生產能力減弱、稻田生態環境惡化、農業面源污染等問題[2-3]，嚴重影響了中國稻田生態系統的穩定性和可持續性。如何提升稻田肥力、提高水稻產量和稻米品質成為目前研究的熱點[4-5]。

綠肥是天然的清潔有機肥源，具有固氮吸碳、改善土壤物理性狀、提高土壤養分含量等作用，對稻田培肥有著十分重要的作用[6-8]。我國南方稻區冬季稻田大都處于閑置狀態，利用這一豐富的土地資源種植綠肥潛力巨大。冬綠肥與水稻輪作能夠充分利用光、溫、水、土等自然資源，明顯降低田間雜草，美化農田生態環境，有助于消除病蟲害寄居的環境，減少病蟲害的發生[9]。山黧豆(Lathyrussativus)屬于豆科山黧豆屬，抗逆性強，養分含量豐富，也可作為青貯飼料[10-11]。因此，有必要將山黧豆納入四川稻區水稻輪作體系中，實現水稻優質高產和可持續發展。

稻田綠肥輪作制度具有輕簡高效、節本降耗等優點，與可持續發展的理念相符，是落實“雙減”行動，緊扣國家綠色農業發展的需要，在解決土壤質量問題、提升經濟效益和生態效益的同時，快速推進優質水稻生產發展。程會丹等[12]通過11年定位試驗表明，與常規施肥相比，紫云英與化肥配施不同程度地提高了土壤微生物生物量碳、氮和可溶性有機碳、氮含量，使土壤肥力得到提高；陳靜蕊等[13]研究表明，亞熱帶雙季稻種植模式下，長期紫云英還田配合減量施肥對早、晚稻產量和氮肥利用率均有正向作用，且能提高土壤有機質、全氮和速效氮含量。但山黧豆種植翻壓對水稻的影響鮮見報道，因此，本研究選用豆科綠肥南選山黧豆，與氮肥減量配施，通過3年連續定位試驗，研究冬種山黧豆并減施氮肥對水稻產量、稻米品質及土壤肥力的影響，完善水稻優質、高產栽培技術理論，為構建四川稻區山黧豆種植翻壓還田后科學施用氮肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗位于四川省南充市西充縣青獅鎮(E 105°49′16″、N 31°8′7″)，地處四川盆地淺丘寬谷地貌區，屬中亞熱帶濕潤季風氣候，海拔386 m，年平均溫度17.5 ℃，年降雨量1 204.5 mm，>10 ℃積溫5 579.5 ℃，無霜期303 d，年日照1 353 h，供試土壤為水稻土，試驗前土壤pH 8.17，有機質25.22 g·kg-1，全氮1.78 g·kg-1，堿解氮83.71 mg·kg-1，有效磷5.01 mg·kg-1，速效鉀43.93 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試水稻品種為宜香優2115。試驗綠肥品種選用南選山黧豆(川審豆2012008)，該品種為綠肥、飼料兼用型品種，抗逆性好，適合在四川省丘陵區稻田種植[14]，其全氮、全磷、全鉀的質量百分比分別為0.58%、0.24%和0.43%。

1.3 試驗設計

田間定位試驗于2015年9月—2018年9月進行。在種植山黧豆的基礎上，按照不同氮肥施用量共設6個處理，分別為冬閑+100% N肥(CK)、山黧豆+60% N肥(GM+N60)、山黧豆+70% N肥(GM+N70)、山黧豆+80% N肥(GM+N80)、山黧豆+不施肥(GM)和冬閑+不施肥(NF)。所施化肥分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)。100% N肥指當地常規施肥量，即施用尿素375 kg·hm-2，減氮處理為在此基礎上分別減量20%(N80)、30%(N70)和40%(N60)。磷肥和鉀肥的施用量分別為750和150 kg·hm-2。其中磷、鉀肥全部作基肥一次性施用，氮肥按照基肥∶分蘗肥∶孕穗肥=5∶3∶2分次施用。試驗采用隨機區組設計，3次重復，共18個小區。小區面積20 m2(5 m×4 m)，各小區四周田埂寬30 cm，埂高30 cm，用聚乙烯薄膜覆蓋，防止肥水相互滲漏，區間留50 cm寬的溝，便于灌溉排水，田間管理與大田一致。

每年山黧豆和水稻的播種期和收獲期基本一致，山黧豆于每年9月下旬播種，播種量為60 kg·hm-2，次年4月中旬盛花期，于水稻播種前10～15 d定量翻壓，翻壓量為22 500 kg·hm-2。水稻于4月下旬劃行移栽，單株栽插，栽插密度15.0 cm×33.3 cm。

1.4 測定指標及方法

水稻產量性狀測定：于2018年水稻成熟期每小區隨機收取10穴具有代表性的植株，測定株高、穗長、有效穗數、穗實粒數、千粒重；分區收獲，單打單曬，測定小區產量和秸稈產量，并取樣進行稻米品質測定。

稻米品質性狀：主要測定稻米加工品質(糙米率、精米率和整精米率)、外觀品質(堊白度粒率、堊白度、粒長和粒寬)、蛋白質及直鏈淀粉含量，測定方法參照田菁蘭等[15]方法進行。

土壤養分含量：于2018年水稻收獲后，按照5點取樣法取0—20 cm耕層土壤混合樣，分析測定土壤pH、有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，測定方法按《土壤農業化學分析方法》[16]進行。

1.5 統計分析

利用Excel 2016和SPSS 19.0軟件對數據進行整理和分析，采用LSD法和t檢驗進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對稻谷和秸稈產量的影響

不同處理的稻谷和秸稈產量見表1。與常規施肥(CK)相比，山黧豆與氮肥減量配施均能提高稻谷產量，增產幅度為3.45%～13.84%，GM+N70和GM+N80處理對稻谷產量的增產效果均達到顯著水平，其中，以GM+N70處理增產效果最好，稻谷產量達到8 827.90 kg·hm-2，增產13.84%。

不同處理下，水稻的谷草比存在一定差異(表1)，隨著山黧豆替代氮肥比例的增加，谷草比先增加后降低，CK處理的谷草比最高，達到1.23，其次為GM+N60和GM+N70處理，谷草比分別為1.12、1.04。說明山黧豆替代30%～40%左右氮肥的水稻谷草比較高，可避免水稻旺長，實現水稻高產。

表1 不同處理的水稻產量Table 1 Yield of rice of different treatments

2.2 不同處理對水稻產量構成因子的影響

水稻理論產量主要由有效穗數、穗粒數、千粒重和結實率等因素構成。不同處理對水稻產量構成因子影響見表2。不同施肥處理對水稻穗長、有效穗數和結實率沒有顯著影響，對株高、穗粒數和千粒重有一定影響。與CK相比，山黧豆與氮肥減量配施有利于增加水稻株高，提高穗粒數、千粒重和結實率。其中GM+N80處理的株高最高，千粒重最大，結實率最高，分別較CK提高3.71%、4.08%和3.94%，但未達到顯著水平；GM+N70處理的穗長最長，穗粒數最多，理論產量最高，較CK分別提高0.77%、9.61%(P<0.05)和17.48%(P<0.05)；GM+N60處理的有效穗最多，較CK增加5.66%。不同處理下水稻理論產量差異明顯，山黧豆與氮肥減量配施的水稻理論產量均高于單施化肥和單施綠肥，說明山黧豆與氮肥減量配施可提高水稻產量，其中GM+N70處理對稻谷的增產效果達到顯著水平。

表2 不同處理的水稻產量構成因子Table 2 Yield component of rice of different treatments

2.3 不同處理對稻米主要品質性狀的影響

不同施肥處理對稻米品質有明顯影響(表3)。與CK相比，山黧豆處理及山黧豆與氮肥減量配施處理均能提高稻米的糙米率、精米率、整精米率和蛋白質含量，降低堊白度、堊白粒率和直鏈淀粉含量。其中，GM處理的糙米率和精米率最高，分別為81.81%和80.98%，均顯著高于CK，其次為GM+N80處理；GM處理的蛋白質含量最高，為9.87%，其次為GM+N70處理，均顯著高于CK；GM+N70處理的整精米率最高，堊白粒率最低，分別為78.02%和18.11%；GM+N80處理的直鏈淀粉含量最低，為14.26%，顯著低于除GM+N60外的其他處理。由此表明，山黧豆作為綠肥可有效改良稻米品質。

表3 不同處理的稻米品質Table 3 Rice quality indexes of different treatments

2.4 不同處理對土壤肥力的影響

不同處理對土壤肥力的影響見表4。施肥顯著提高了土壤中有機質、全氮、堿解氮和速效鉀含量，降低了土壤pH，對有效磷含量無顯著影響。山黧豆的施用能明顯提高土壤全氮、堿解氮和速效鉀含量。其中GM+N80處理的土壤有機質和全氮含量最高，分別較CK提高10.71%和28.17%；GM+N70處理次之，較CK分別提高7.94%和16.02%，均達到顯著水平。GM+N70處理的堿解氮、有效磷和速效鉀含量最高，分別較CK提高15.19%(P<0.05)、4.09%和24.78%(P<0.05)。由此表明，山黧豆配施能提高土壤肥力，其中GM+N70和GM+N80處理對提高土壤肥力有較好的效果。

表4 不同處理的土壤肥力Table 4 Soil fertility of different fertilizer treatments

3 討論

3.1 山黧豆與氮肥減施對水稻產量及構成因子的影響

水稻產量受多因素影響，栽培措施尤其是施肥措施是產量的重要影響因素，有研究表明[17-18]，綠肥替代部分氮肥有利于提高雙季稻產量和養分利用效率。黃晶等[19]研究表明，翻壓紫云英并減施氮肥20%～40%的條件下，水稻產量不會降低；劉思超等[17]研究表明，綠肥替代氮肥的比例為40%時仍能使水稻增產。本研究發現，單施化肥或綠肥均不能提高水稻產量，且單施綠肥與單施氮肥相比，產量略有降低，表明山黧豆不能完全替代氮肥，但與氮肥配施能有效提高水稻產量。張璐等[6]也指出，紫云英不能完全替代氮肥。從綠肥替代氮肥比例來看，隨著山黧豆替代氮肥比例的增加，水稻產量先增加，再降低，以山黧豆替代氮肥30%左右產量最優。可能是由于山黧豆占比較少時，山黧豆帶來的養分和氮素在水稻整個生育期中逐漸釋放，促進了水稻營養生長和生殖生長，從而使產量增加；但隨著山黧豆替代氮肥的比例增加，使得土壤微生物量增加，活動活躍，與植株生長出現競爭，影響了水稻植株對養分的吸收及利用，進而影響了水稻產量，與前人研究結論相一致[6,20-21]。

邱才飛等[22]研究發現，施肥主要通過增加水稻有效穗數和穗粒數來提高水稻產量；劉思超等[17]研究也表明，綠肥替代部分氮肥能有效促進水稻的生殖生長及營養生長，提高水稻分蘗能力，增加有效穗數和穗粒數，從而提高水稻產量。但本研究發現，施肥主要通過影響穗粒數來影響水稻產量，對有效穗數、千粒重和結實率影響較小，這與唐海明等[20]的研究結論相一致，但與邱才飛等[22]的研究結果存在一定差異，可能是由于有機肥種類、溫度等氣候條件差異，且研究水稻為雙季稻，早稻生育周期較短等因素造成。

3.2 山黧豆與氮肥減施對稻米主要品質性狀的影響

糙米率、精米率、整精米率、堊白、粒型、蛋白質和直鏈淀粉含量是評價稻米品質的主要指標。其中，整精米率越高，稻米加工品質越高；堊白越少，稻米外觀品質越高；蛋白質含量越高、直鏈淀粉含量越低，稻米營養品質越好。李冠男[23]研究表明，有機肥配施氮、磷和鉀肥使稻米的堊白度和堊白粒率增加，降低了稻米的外觀品質；但高有機質含量稻田提高了水稻籽粒的蛋白質含量，降低了直鏈淀粉含量，提高了稻米的營養品質。本研究發現，山黧豆與氮肥減量配施雖然一定程度上降低了稻米的外觀品質，但明顯提高了稻米的加工品質和營養品質，與前人研究結果相一致[23]，可能是山黧豆翻壓延緩了氮肥的肥效，山黧豆也釋放大量氮素，導致水稻生殖期土壤仍保持著較高的氮素含量，過高的氮素增加了稻米堊白度，使得稻米外觀品質降低。隨著山黧豆替代氮肥比例的增加，稻米的加工品質和營養品質先升高后降低，外觀品質則相反，以山黧豆替代氮肥20%～30%最優。

3.3 山黧豆與氮肥減施對土壤肥力的影響

有研究表明，種植翻壓綠肥能改良土壤肥力[24-26]。程秀洲等[27]研究表明，紫云英翻壓與化肥配施，能顯著提高土壤有效磷、全磷、緩效鉀和全鉀含量。本研究表明，連續三年山黧豆翻壓，土壤pH降低；而土壤有機質、全氮、堿解氮和速效鉀含量顯著提高，即山黧豆替代部分氮肥能顯著提高土壤肥力，且以替代20%～30%比例為佳，與程秀洲等[27]研究結果相一致。可能是種植翻壓山黧豆后，山黧豆根瘤共生固氮還田，提高了土壤養分含量及養分有效性。但張璐等[6]研究顯示，與常規施肥相比，綠肥與化肥氮減量 20%～40%配施處理下土壤全磷、全鉀、有效磷和速效鉀含量均無顯著變化，可能是由于該研究對象已連續9年持續性耕作，紫云英還田對土壤磷和鉀含量的影響達到了一種動態平衡。而本研究的研究年限較短，因此，山黧豆與氮肥減量配施能否持續保證土壤養分的供應有待進一步驗證。