減施20%化肥下綠肥翻壓量對江西雙季稻產量及氮素利用的影響

張 磊，徐昌旭，劉 佳，李 順，高嵩涓*，曹衛東

（1 南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇南京 210095；2 江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，江西南昌330200；3 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部植物營養與肥料重點實驗室，北京 100081）

種植利用綠肥可以保障主作物高產穩產，提高土壤肥力并減少化肥投入，是實現農業可持續發展的重要措施[1]。豆科綠肥可以通過生物固氮作用固定大氣氮素，能夠有效培育土壤氮庫，提升土壤肥力和作物產量[2-3]。紫云英是我國南方稻田常見的豆科綠肥作物，紫云英-水稻輪作是南方稻區傳統的耕作模式[4]。研究表明，冬種紫云英配施氮肥有利于水稻中后期的干物質積累和養分吸收，促進水稻有效穗數、每穗粒數、千粒重等經濟性狀的形成，從而提高水稻產量[5-7]。冬種紫云英配施減量化肥能夠增加土壤碳、氮庫儲量，改善土壤供氮能力，促進水稻對氮素的吸收利用，同時可減少氮素流失，從而提高稻田系統的氮素利用率[8-12]。紫云英通過生物固氮作用固定的氮素在翻壓還田后釋放，供后茬作物吸收并培肥土壤。研究發現，紫云英體內氮素約78%來源于生物固氮[13]，紫云英在一個生長季內能固定約32.8 kg/hm2純氮進入稻田生態系統[14]。在紫云英-水稻輪作系統中，紫云英生長期間能夠吸收冬閑期土壤殘留的氮素和通過生物固氮作用固定大氣氮素，從而減少化肥用量，改善土壤養分。按照紫云英氮素當季利用率50%計算[15]，推算出理論上紫云英能夠替代當季化肥氮的量為20.5～73 kg/hm2，表現出較大的替代化肥潛力[16]。紫云英與化肥配施可以增強土壤微生物固定無機氮的能力，從而促進無機氮轉化為活性有機氮，有利于稻田氮素固定累積[17]。因此，冬種紫云英配施減量化肥，是南方稻田應用綠肥實現節肥、增效的常用方式。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗點位于江西省高安市相城鎮渡埠農場江西省農業科學院高安基地(28.25° N, 115.12° E)，土壤類型為黃泥田，海拔110 m，屬亞熱帶季風濕潤氣候。該地區年降水量1560 mm，年平均氣溫17.7℃，年日照時數1935.7 h。定位試驗始于2016年，試驗開始前土壤基本理化性質為：pH 5.82、土壤有機質23.49 g/kg、全氮0.99 g/kg、全鉀19.71 g/kg、全磷0.43 g/kg、堿解氮71.88 mg/kg、有效磷12.51 mg/kg、速效鉀49.78 mg/kg。

1.2 試驗設計

田間定位試驗設7個處理，分別為冬閑不施化肥對照(CK)、冬種紫云英不施化肥(GM)、冬閑水稻季常規施用化肥(F100)、紫云英15000 kg/hm2+80%化肥(G1F80)、紫云英22500 kg/hm2+80%化肥(G1.5F80)、紫云英30000 kg/hm2+80%化肥(G2F80)和紫云英37500 kg/hm2+80%化肥(G2.5F80)，其中，GM處理的綠肥翻壓量為22500 kg/hm2，F100為當地農民常規施肥量，F80為常規施肥量的80%。本試驗中翻壓15000、22500、30000和37500 kg/hm2紫云英帶入土壤的氮素分別為35.0、52.5、70.0和87.5 kg/hm2。

各小區隨機區組排列，每處理3次重復，試驗小區面積21 m2。紫云英供試品種為‘余江大葉’，早稻品種為‘中嘉早17’，晚稻品種為‘五豐優T025’。每年9月下旬至10月上旬采用稻底套播方式播種紫云英，播種量為30 kg/hm2。紫云英盛花期測定各小區鮮草產量，紫云英鮮草產量不能滿足試驗設置翻壓量的，從外部移入不足部分，紫云英鮮草在早稻移栽前10～15天就地翻壓。所用化肥種類分別為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)。早稻常規施肥處理的化肥用量為N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。減施化肥處理中早稻的氮、磷、鉀肥均減施20%，晚稻不減肥。磷、鉀肥全部作基肥施入，氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥 = 4∶3∶3，分3次施用?；试诓逖砬?天施用，分蘗肥在移栽后5～7天撒施；穗肥在主莖幼穗長1～2 cm時施用。晚稻常規化肥用量為N 180 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，各處理肥料用量和施用方式相同。

1.3 樣品采集與測定

于2020年綠肥翻壓前和水稻關鍵生育期采集土壤和植株樣品，采樣時期分別為綠肥盛花期(4月1日，即綠肥翻壓前1天，S1)、早稻移栽前(4月22日，即綠肥翻壓后21天，S2)、早稻分蘗期(5月22日，S3)、早稻拔節期(6月9日，S4)、早稻孕穗期(6月28日，S5)、早稻收獲期(7月15日，S6)及晚稻收獲期(10月28日，S7)。水稻各生育期每小區隨機取3兜水稻植株，于105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重，稱重、粉碎備用。成熟期測定稻谷產量，各小區單打單收，曬干后稱重測產。

采用五點取樣法采集0—20 cm耕層土壤，剔除石礫和植物殘體等雜物，混勻后根據四分法取土壤樣品1 kg左右，分取一半4℃保存以測定土壤含水量和無機氮含量，另一半在室內風干，磨細過2 mm和0.149 mm篩測定其他土壤指標。

土壤全氮和有機質含量使用元素分析儀(Flash Smart, Thermo Fisher Scientific，美國)測定。土壤無機氮含量采用2 mol/L氯化鉀浸提，連續流動分析儀(SAN++，Skalar，荷蘭)測定；土壤pH采用2.5∶1水土比，電位法測定；土壤速效鉀含量采用1 mol/L醋酸銨浸提—火焰光度計測定；土壤有效磷含量采用0.5 mol/L碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法測定。植株樣品采用濃硫酸—過氧化氫法消煮后，用連續流動分析儀測定全氮含量。

1.4 數據分析

試驗數據應用SAS 8.1進行方差分析，Origin Pro 8.5作圖。聚合增強樹分析 (ABT) 是一種對研究變量中的不同因子進行準確地預測和解釋的統計方法[18]，本研究中用于量化土壤性狀對水稻產量和吸氮量的貢獻率，應用R 2.7.0中的 “gbmplus”包實現分析。

水稻氮素累積速率的計算公式如下：

氮肥利用率(不考慮綠肥還田帶入的氮素)相關指標計算公式如下：

撫州歷史文化底蘊深厚，散布在各地的古村落，是反映臨川文化的載體。這些古村落建筑群以其建筑規模、建筑藝術、文化內涵，向世人展現了撫州古代傳統文化，成為彌足珍貴的遺產。撫州樂安縣流坑村以規模宏大的傳統建筑、風格獨特的村落布局而聞名，具有豐富的研究價值，被譽為“千古第一村”，是全國重點文物保護單位和全國首批歷史文化名村。流坑古村的保護工作仍處于非常初級的階段，面臨著諸多問題及威脅。

2 結果與分析

2.1 不同紫云英翻壓量下的水稻產量和氮素利用率

紫云英配施減常規量20%化肥相對F100提高了水稻產量(表1)。與F100相比，不同紫云英翻壓量處理早稻、晚稻及總產量增幅分別為1.32%～11.64%、1.20%～7.81%和3.50%～7.17%。G1F80處理早稻產量最高，相比F100處理顯著增加11.64%；G2F80處理晚稻產量最高，相比F100處理顯著增加7.81%；G1F80、G1.5F80和G2F80處理雙季稻總產量均顯著高于F100處理，其中G2F80處理產量最高，相比F100處理顯著增加 7.17% (表1)。

表1 2020年不同處理早稻和晚稻產量及增長率Table 1 Grain yields and yield increment of early and late rice under different treatments in 2020

紫云英配施減量化肥處理中，G1F80、G1.5F80和G2.5F80處理早稻稻谷吸氮量相比F100處理分別顯著增加20.75%、20.36%和16.01%。G1F80、G1.5F80和G2.5F80處理早稻當季氮肥利用率均顯著高于F100處理，相比F100處理顯著增加93.01%、95.04%和68.28%。不同紫云英翻壓量處理早稻氮肥偏生產力相比F100處理顯著增加29.80%～44.92%，其中G1.5F80處理最高。G1F80處理早稻氮肥農學效率最高，相比F100處理顯著增加155.65%。早稻氮肥生理利用率相比于F100均無顯著差異(表2)。

表2 不同處理下水稻稻谷吸氮量和氮肥當季利用率Table 2 Grain nitrogen uptake and use efficiency of nitrogen fertilizer in current season as affected by milk vetch incorporation

晚稻紫云英配施減量化肥各處理稻谷吸氮量、當季氮肥利用率和氮肥生理利用率相比于F100處理均不顯著。G2F80處理晚稻氮肥偏生產力和氮肥農學效率均顯著高于F100，分別增加7.82%和21.55% (表2)。

2.2 不同紫云英翻壓量下的水稻植株吸氮量及累積規律

早稻分蘗期各處理間植株吸氮量無顯著差異，拔節期G1.5F80處理植株吸氮量最高，相比F100顯著增加31.23%，收獲期G1F80和G1.5F80的植株吸氮量顯著高于F100，分別增加16.95%和17.46%。晚稻收獲期紫云英翻壓量對植株吸氮量的影響與F100無顯著差異。在同一生育期，氮素積累量在化肥用量相同的情況下，隨著紫云英翻壓量的增加，呈現先增加再降低的趨勢，紫云英翻壓量超過22500 kg/hm2時有所降低(圖1)。

圖1 水稻主要生育階段各處理植株吸氮量Fig. 1 Nitrogen uptake of rice plants in each treatment at main growth stages of rice

早稻分蘗期—拔節期G1.5F80處理的植株氮素累積速率顯著高于F100處理，也顯著高于G2F80和G2.5F80處理。拔節期—孕穗期和孕穗期—早稻收獲期各處理之間氮素累積速率差異均不顯著。分蘗期—拔節期和拔節期—孕穗期所有處理氮素累積速率均為正值，孕穗期—早稻收獲期氮素累積速率CK處理和F100處理為負值，其余處理均為正值(圖2)。

圖2 早稻各生育期的氮素累積速率Fig. 2 Nitrogen accumulation rate at main growth stages of early rice

2.3 不同紫云英翻壓量下土壤pH及養分含量的變化

與F100相比，早稻收獲期G1F80、G1.5F80和G2F80處理的pH沒有顯著降低，而GM、G2.5F80處理pH顯著降低；綠肥翻壓均提高了土壤有機質含量，除G1.5F80處理外，增幅均達到顯著水平，但翻壓量處理之間，只有G2.5F80處理的有機質含量顯著高于G1.5F80；翻壓紫云英顯著增加了土壤全氮含量，其中G2.5F80處理最高。不同紫云英翻壓量處理速效鉀和有效磷含量相比于F100處理差異均不顯著(表3)。

表3 早稻和晚稻收獲期土壤pH和養分含量Table 3 Soil pH and nutrient content at harvest stages of early and late rice

晚稻收獲期，各處理間pH無顯著差異；G2.5F80處理的有機質、全氮、有效磷含量均顯著高于F100處理，G2F80處理的有機質含量也顯著高于F100，G1F80、G1.5F80和G2F80處理的有效磷和速效鉀含量與F100處理相比均無顯著差異(表3)。

圖3表明，在紫云英盛花期、早稻移栽前、早稻分蘗期、早稻收獲期和晚稻收獲期，不同紫云英翻壓量處理土壤硝態氮含量相比于F100處理均無顯著差異。早稻拔節期G1F80處理硝態氮含量最高，相比F100處理顯著增加14.89%。早稻孕穗期G1.5F80和G2.5F80處理硝態氮含量顯著高于F100，分別增加21.49% 和 20.66% (圖3A)。

圖3 不同時期各處理土壤硝態氮和銨態氮含量Fig. 3 Soil NO3- -N and NH4+ -N contents in each treatment of different periods

紫云英盛花期和早稻拔節期各處理土壤銨態氮含量無顯著差異。早稻移栽前G2F80處理銨態氮含量相比F100顯著高出76.73%。早稻分蘗期G1F80處理銨態氮含量最高，相比F100顯著高出54.77%。早稻孕穗期、早稻收獲期和晚稻收獲期，均為G2.5F80處理銨態氮含量最高，相比F100處理分別顯著增加71.32%、56.13% 和 29.15% (圖3B)。

2.4 不同紫云英翻壓量下的雙季稻產量、吸氮量與土壤理化性狀之間的相關性

早稻產量與土壤速效鉀、有效磷及早稻吸氮量顯著正相關，早稻吸氮量又與土壤速效鉀、有效磷顯著正相關，早稻收獲期土壤NH4+-N含量與全氮、有機質、有效磷呈顯著正相關關系，與pH顯著負相關(表4)。晚稻產量與土壤速效鉀及晚稻吸氮量顯著正相關，晚稻收獲期土壤NO3--N含量與土壤全氮、有機質、速效鉀顯著正相關，土壤NH4+-N含量與土壤全氮、有機質、有效磷、NO3--N含量均顯著正相關 (表5)。

表4 早稻產量、吸氮量與早稻收獲期土壤性狀的相關系數(r)Table 4 Correlation coefficients of yield, nitrogen uptake and soil properties at mature stage of early rice

表5 晚稻產量、吸氮量與晚稻收獲期土壤性狀的相關系數(r)Table 5 Correlation coefficients of yield, nitrogen uptake and soil properties at mature stage of late rice

2.5 不同紫云英翻壓量下的土壤性狀對水稻產量和吸氮量的貢獻

對早稻的產量貢獻率較大的土壤性狀為速效鉀、有效磷、NO3--N，貢獻率分別為35.17%、16.56%和14.45%；對晚稻的產量貢獻率較大的土壤性狀為速效鉀、全氮、NH4+-N，貢獻率分別為21.22%、20.50%和17.82%；對雙季稻的產量貢獻率較大的土壤性狀為速效鉀、NH4+-N、pH，貢獻率分別為34.83%、23.59%和12.16% (圖4)。

圖4 不同土壤性狀對水稻產量和吸氮量的貢獻率Fig. 4 Contribution rate of different soil properties on rice yield and nitrogen uptake

對早稻的吸氮量貢獻率較大的土壤性狀為速效鉀、有效磷、pH，貢獻率分別為40.16%、16.53%和13.88%；對晚稻的吸氮量貢獻率較大的土壤性狀為全氮、速效鉀、NO3--N，貢獻率分別為31.02%、25.22%和19.59%；對雙季稻的吸氮量貢獻率較大的土壤性狀為速效鉀、NO3--N、NH4+-N，貢獻率分別為27.86%、19.97%和15.99% (圖4)。

3 討論

3.1 不同紫云英翻壓量配施減量化肥對水稻產量和養分吸收的影響

在水稻生產中，種植利用綠肥可以在保證水稻高產穩產的基礎上減少氮肥施用量[2]。紫云英配施減量化肥能夠優化水稻產量構成、提高土壤肥力、促進水稻養分吸收，進而實現水稻高產并提高產量穩定性[2]。紫云英鮮草因其較低的碳氮比和較高的含水量，翻壓后1個月內的氮素釋放量可達90%[19]，能為當季水稻提供大量的有效態氮，進而可替代部分化學氮肥[20]。研究表明，種植利用綠肥減施20%～40%化肥條件下，能夠提高土壤有機質含量，維持土壤氮、磷、鉀素的供應，并顯著提高水稻氮肥偏生產力和氮肥農學效率，進而提高水稻產量[21]。本研究中，相比冬閑水稻季常規施肥處理，冬種紫云英配施80%化肥提高了水稻產量，且提高了早稻稻谷吸氮量、當季氮肥利用率和氮肥偏生產力。說明冬種紫云英配施80%化肥可滿足該化肥減施條件下水稻對養分的需求，進而實現化肥減施，與前人[2,3,22]的研究結果一致。相比尿素，紫云英翻壓還田后釋放的氮素更不易流失，早稻收獲后仍殘留在土壤中的紫云英氮素被晚稻植株進一步吸收[21]。紫云英不同翻壓量處理的晚稻產量均高于冬閑常規施肥處理，說明種植翻壓紫云英有較強的后效，在晚稻季仍然有增產節肥效應。前人研究指出，中國水稻的氮肥利用率在28%～41%[23]，氮肥當季利用率在8.9%～78.0%，平均值為28.7%[24]。本研究中，不同紫云英翻壓量配施減量20%化肥的早稻當季氮肥利用率大多高于平均值28.7%，而晚稻當季氮肥利用率均遠低于平均值28.7%，可能因為紫云英與化肥配施改變了化肥氮的供應過程，使得水稻降低了對化肥氮的依賴程度，吸收來自化肥的氮素減少，吸收來自土壤和綠肥的氮素增多，從而明顯降低化肥氮的當季利用率[24-26]。冬種紫云英配施減量化肥能夠明顯促進水稻氮素吸收。冬種紫云英配施氮肥能促進紫云英的腐解和氮素釋放，顯著增加土壤活性氮含量和水稻植株各時期的吸氮量，提高土壤氮庫庫容和土壤的供氮能力[3,17]。本研究中，從分蘗期到早稻收獲期，不同紫云英翻壓量處理水稻植株吸氮量逐漸增加，而冬閑常規施肥處理在孕穗期—早稻收獲期氮素累積速率為負值，吸氮量降低，說明紫云英氮比化肥氮對作物吸收的后效更強，能夠有效滿足水稻生育后期對氮素的需求。氮肥施用量超過一定水平后施氮的促進氮素吸收作用降低轉化為抑制作用，水稻植株吸氮量隨之降低，因此當紫云英翻壓量過多時，若不合理配施減量化肥，可能會降低土壤氮素的可利用性[17,27-28]，本研究中，在水稻生育期，紫云英翻壓量小于22500 kg/hm2時，水稻植株吸氮量隨翻壓量增加而增加，而翻壓量大于22500 kg/hm2時吸氮量明顯降低。因此確定紫云英翻壓量與氮肥的最佳配施比例有利于高效利用紫云英氮素，有效提高土壤氮素利用率。湖北荊州單季稻種植區兩年翻壓量試驗研究表明，減施20%～40%氮肥，紫云英處理翻壓量為 30000 kg/hm2時增產效果最明顯，水稻稻谷和稻草產量隨著紫云英翻壓量增大均呈現先增加后降低的趨勢[29]。本研究中，紫云英翻壓量為15000 kg/hm2時有最大早稻產量，翻壓量為30000 kg/hm2時有最大晚稻產量和雙季稻產量。從產量及作物吸氮量等效益方面綜合來看，30000 kg/hm2為江西高安雙季稻區化肥減施20%條件下紫云英最適翻壓量。

3.2 不同紫云英翻壓量配施減量化肥對土壤肥力的影響及其與水稻吸氮的關系

土壤速效養分含量反映了土壤的養分供應能力，是實現水稻高產的營養基礎[30]。前人研究表明，影響水稻產量的肥力因子主要是土壤速效鉀、土壤有效磷和土壤有機質[31]，水稻產量與水稻氮、磷、鉀素的吸收量顯著正相關[32]。紫云英配施化肥下土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量對水稻產量有顯著影響[33]，紫云英翻壓還田后，養分釋放效率為鉀>磷>氮，尤其是鉀在紫云英腐解前10天基本釋放完全[34-35]，為水稻的生長發育創造了一個良好的環境，促進水稻植株吸收養分，進而實現增產。土壤中速效鉀的狀況與作物吸收、土壤固持與解吸、綠肥的礦化等過程相關[36]。施用鉀肥可以明顯提高水稻產量，同時通過促進氮代謝相關酶的活化，顯著增強水稻對氮素的吸收，提高氮肥利用率[37-38]。本研究中，土壤速效鉀、有效磷、全氮和無機氮含量對水稻產量和植株吸氮量均有較大貢獻，其中速效鉀含量的貢獻率最大，與前人研究結果一致，體現了紫云英對土壤速效養分的影響在提高作物產量上發生了重要作用，同時表明鉀素是影響江西雙季稻田水稻產量的重要肥力因子，土壤供鉀能力是影響水稻生長的重要因素。

紫云英與化肥配施可以培育土壤碳庫和氮庫，改善土壤理化性狀。本研究中，與常規化肥處理相比，冬種紫云英配施減量20%化肥提高了收獲期土壤全氮和有機質含量，與前人[8-9,17,39]研究結果一致。本研究中，土壤供氮高峰期出現在水稻分蘗期，分蘗期后水稻增長速率加快，氮素迅速積累。紫云英翻壓入土后，經微生物礦化分解其所含氮緩慢釋放進稻田土壤里，土壤供氮能力提高，早稻移栽后水稻幼苗期對養分的吸收能力較弱，導致紫云英前期釋放的氮素不能被水稻充分利用，無機氮在土壤中積累[40]。水稻分蘗期后根系吸氮能力增強，水稻生長氮素需求變強，恰好與土壤高效供氮期相重合。在紫云英-水稻輪作系統中，紫云英與化肥配施，既能滿足水稻對速效養分的需求，又能有一定的后效，為水稻持續不斷地提供養分，促進其營養生長和生殖生長。

4 結論

在江西雙季稻區，在減施常規量化肥20%的條件下，種植并翻壓適量紫云英可有效提升早稻的氮素供應，提高早稻稻谷吸氮量、當季氮肥利用率和氮肥偏生產力，增加早稻和晚稻的產量。翻壓高量紫云英有利于培育土壤碳庫和氮庫，提高土壤無機氮、全氮和有機質含量，提高土壤供氮能力。在供試條件下，紫云英翻壓量為30000 kg/hm2的綜合增產及提高氮肥效益的效果最好。