豫南紫云英水稻輪作區(qū)減施不同比例氮肥對(duì)水稻養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

王 慧，張 琳，常單娜，周國朋，高嵩涓，曾鬧華，聶良鵬，呂玉虎，曹衛(wèi)東*

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南信陽 464000；3 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210095）

豫南稻區(qū)是河南省的水稻主產(chǎn)區(qū)，種植面積為43.1萬hm2，占全省水稻種植面積的83.4%[1]。氮素是影響水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量最敏感的因素[2]，且與磷、鉀的吸收利用密切相關(guān)[3]。我國南方稻區(qū)單季稻生產(chǎn)中氮肥平均施用量為180 kg/hm2，氮肥利用率僅有30%～35%[2,4–5]，過量施用氮肥造成資源浪費(fèi)的同時(shí)帶來環(huán)境壓力。利用冬閑田種植紫云英能夠充分的利用光熱資源[6]，替代部分氮肥并增加水稻產(chǎn)量，對(duì)維持和提高稻田可持續(xù)發(fā)展意義重大[7–8]。多年多點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)研究表明，紫云英還田配合常規(guī)施肥或者氮肥減施20%水稻分別增產(chǎn)6.53%和4.15%，氮肥減施40%保證水稻不減產(chǎn)[8]；氮肥減施0～40%氮肥利用率增加18.4%～31.1%[9]。種植利用紫云英條件下，氮肥減施20%～40%能夠促進(jìn)水稻生殖生長階段氮的吸收，顯著增加成熟期稻谷氮積累[10]。合理的氮肥運(yùn)籌有助于水稻對(duì)養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[11–12]，進(jìn)一步影響水稻的生產(chǎn)[13]。紫云英體內(nèi)78%的氮來自生物固氮[14]，翻壓還田后能夠補(bǔ)充大量外源氮素[15]，配合氮肥減施仍能夠保證水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定[8]。與單施化肥相比，紫云英配施化肥能夠促進(jìn)水稻對(duì)化肥氮的吸收，水稻對(duì)化肥氮的吸收量增加約19%，氮肥利用效率提高18.20%～20.30%[16]。種植利用紫云英能夠培育土壤碳氮庫[17]，改善土壤供氮能力，促進(jìn)水稻對(duì)氮素的吸收[18]。另外，紫云英腐解過程中釋放的氮比化肥氮肥效更長，能夠滿足水稻后期對(duì)氮的需求[14]，有助于水稻生殖生長過程中對(duì)氮的吸收利用，提高稻谷的氮素積累[10–11]。因此，紫云英可作為南方稻區(qū)替代化肥氮的來源，是南方稻田實(shí)現(xiàn)節(jié)肥增效的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

目前，關(guān)于種植利用紫云英與氮肥配施的研究大多集中在培肥土壤、增加水稻產(chǎn)量等方面。與常規(guī)施肥相比，紫云英配合氮肥減施改變了氮的供應(yīng)模式，該模式下水稻生長過程中養(yǎng)分吸收利用及轉(zhuǎn)運(yùn)狀況如何？土壤養(yǎng)分供應(yīng)能否匹配水稻生育期正常生長的需求？本研究依托豫南地區(qū)“紫云英–單季稻”模式下的田間定位試驗(yàn)，研究紫云英翻壓還田后配合氮肥減施條件下水稻關(guān)鍵生育期養(yǎng)分吸收積累特點(diǎn)及轉(zhuǎn)運(yùn)狀況，分析不同生育期土壤養(yǎng)分含量和水稻養(yǎng)分吸收量與水稻產(chǎn)量的關(guān)系，綜合評(píng)價(jià)稻田種植利用紫云英的氮肥減施效應(yīng)，以期為豫南地區(qū)紫云英水稻輪作模式下氮肥減施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2008—2020年在河南省信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)園區(qū) (N 32°07'，E 114°05')內(nèi)進(jìn)行。該地區(qū)屬于亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)，年平均降水量、年平均氣溫和全年日照時(shí)數(shù)分別為1250 mm、15.2℃和2000 h。供試土壤為黏壤土，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)分別為：pH 6.7、有機(jī)碳含量13.0 g/kg、全氮含量1.3 g/kg、無機(jī)氮含量19.9 mg/kg、有效磷含量16.5 mg/kg 和速效鉀含量 78.2 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用田間定位試驗(yàn)，始于2008年，種植制度為紫云英–單季稻。試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理：1) CK，無紫云英和化肥；2)紫云英+40%氮肥(GN40)；3)紫云英+60%氮肥(GN60)；4)紫云英+80%氮肥(GN80)；5)紫云英+100% 氮肥 (GN100)；6) 100% 化肥(N100)。100%化肥為當(dāng)?shù)厮痉N植推薦施用量，N、P2O5、K2O施用量分別為165.0、112.5和112.5 kg/hm2。供試氮、磷、鉀肥分別是尿素(46% N)、過磷酸鈣(12% P2O5)、氯化鉀(60% K2O)，磷、鉀肥全部做基肥一次施用，氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=7∶2∶1的比例施用。80%、60%、40%氮肥分別指各處理水稻氮肥施用量占推薦施用量的比例，磷鉀肥施用量不減少，與100%氮肥處理保持一致，分蘗肥和穗肥分別在采集該時(shí)期樣品后一天施入。紫云英品種為信紫1號(hào)，于每年9月中下旬均勻撒播于田中，播種量為22.5～30.0 kg/hm2。于紫云英盛花期翻壓，翻壓量均為22500 kg/hm2。定位試驗(yàn)期間的種植制度均為單季稻—紫云英輪作模式，基于多年試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)2020年水稻樣品進(jìn)行處理分析，紫云英盛花期鮮草含水量為90%，22500 kg/hm2紫云英鮮樣所攜帶的N、P2O5、K2O分別為38.37、19.28和21.32 kg/hm2。水稻品種為揚(yáng)兩優(yōu)013。小區(qū)面積為6.6 m2(長 3.3 m、寬 2.0 m)，小區(qū)間用泥埂隔開，覆蓋塑料薄膜防止竄水竄肥，區(qū)組間留0.3 m寬的溝利于灌水排水，試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)重復(fù)，完全隨機(jī)排列。

1.3 樣品的采集與測(cè)定

水稻于2020年5月18日移栽，6月8日、7月7日、8月5日和9月4日分別采集水稻分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期樣品。各關(guān)鍵生育期分別隨機(jī)采集2蔸水稻，生殖生長階段進(jìn)行稻谷和稻秸分離。105℃殺青30 min，65℃烘干至恒重、粉碎，用于氮、磷、鉀養(yǎng)分的測(cè)定。各小區(qū)水稻于成熟期單打單曬，分別稱重計(jì)產(chǎn)。

按照五點(diǎn)取樣法采集土壤樣品，鮮土用于測(cè)定土壤無機(jī)氮，自然風(fēng)干土磨細(xì)過2和0.25 mm篩用于測(cè)定其他土壤理化性狀。

土壤有機(jī)碳 (soil organic carbon，SOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；土壤全氮(total nitrogen，TN)用凱氏定氮法測(cè)定；土壤無機(jī)氮(mineral nitrogen，Nmin)采用 2 mol/L KCl浸提—連續(xù)流動(dòng)分析儀 (德國，SEAL AutoAnalyzer3)測(cè)定；土壤有效磷(avaliable phosphorus，AP)采用0.5 mol/L碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀(available potassium，AK)采用1 mol/L乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定；土壤pH采用土水比1∶2.5電位法測(cè)定。植株樣品采用濃硫酸-過氧化氫法消煮，用凱氏定氮法測(cè)定全氮，釩鉬黃比色法測(cè)定全磷，火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用地上部氮肥農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力[20]評(píng)價(jià)氮肥利用效率，通過養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量、養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)率、養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率[3]來評(píng)價(jià)水稻養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)狀況，具體公式如下：

氮肥農(nóng)學(xué)效率 (kg/kg) =(施氮區(qū)稻谷產(chǎn)量–不施氮區(qū)稻谷產(chǎn)量)/氮肥施用量

氮肥偏生產(chǎn)力 (kg/kg)=施氮區(qū)產(chǎn)量/氮肥施用量

養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量 (kg/hm2)=抽穗期營養(yǎng)體養(yǎng)分累積量–成熟期營養(yǎng)體養(yǎng)分累積量

養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)率 (%)=養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量/抽穗期營養(yǎng)體養(yǎng)分累積量×100

養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率 (%)=養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒養(yǎng)分累積量×100

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 20.0單因素方差分析中的LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。利用R 4.0.5隨機(jī)森林及線性回歸分析不同生育期土壤養(yǎng)分和水稻地上部養(yǎng)分吸收量與水稻產(chǎn)量的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植利用紫云英條件下配施氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量及氮肥利用效率的影響

連續(xù)12年(2008—2020)定位試驗(yàn)產(chǎn)量結(jié)果表明，4個(gè)長期種植利用紫云英配合氮肥處理的水稻產(chǎn)量與N100相比均無顯著差異，但是氮肥效率變化顯著，GN100處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力與N100無顯著差異，GN40、GN60和GN80處理氮肥農(nóng)學(xué)效率分別比N100增加了213.41%、113.70%和79.16%，氮肥偏生產(chǎn)力分別增加了162.17%、75.69%和34.39%，GN40的氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于GN60(表1)。表明種植利用紫云英條件下，施用常規(guī)氮肥量的40%～60%均不降低水稻產(chǎn)量，而氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力得到顯著提升。

表1 2008—2020年不同處理平均稻谷產(chǎn)量及2020年氮肥利用效率Table 1 Average grain yield from 2008–2020 and the N use efficiency in 2020 under different treatments

2.2 種植利用紫云英條件下配施氮肥對(duì)不同生育期水稻生物量的影響

圖1顯示，與N100處理相比，GN100處理水稻拔節(jié)期地上部生物量增加17.03%，抽穗和成熟期秸稈生物量分別增加17.22%和28.22%，稻谷產(chǎn)量無顯著差異；在水稻分蘗期，3個(gè)氮肥減施處理地上部生物量無顯著差異；在拔節(jié)期，GN80處理地上部生物量增加33.32%；在水稻抽穗期，GN60和GN80處理水稻秸稈生物量分別增加51.24%和41.06%；在水稻成熟期，GN80處理秸稈生物量增加20.92%，其他施肥處理無顯著差異。表明GN100和GN80主要增加了拔節(jié)期和抽穗期的秸稈生物量，而沒有增加水稻籽粒產(chǎn)量，GN60和GN40基本可以生產(chǎn)出與N100等量的秸稈和籽粒生物量。

圖1 不同生育期各處理水稻生物量變化Fig.1 Change of aboveground biomass in rice at different growth stages

2.3 種植利用紫云英條件下配施氮肥對(duì)不同生育期水稻氮磷鉀吸收量的影響

圖2顯示，與N100處理相比，GN100處理水稻拔節(jié)期地上部氮吸收量增加75.68%，抽穗期和成熟期秸稈氮吸收量分別增加81.70%和40.31%，成熟期稻谷氮吸收量增加20.13%。與N100處理相比，在水稻分蘗期，種植利用紫云英條件下減施氮肥地上部氮吸收量無顯著差異；在水稻拔節(jié)期，GN80處理地上部氮吸收量增加38.60%；在水稻抽穗期，GN60和GN80處理秸稈氮吸收量分別增加18.91%和15.94%，GN40處理秸稈氮吸收降低23.04%，GN60處理稻谷氮吸收量增加24.07%，GN40和GN80處理稻谷氮吸收量無顯著差異；在水稻成熟期，GN80處理秸稈氮吸收量增加28.02%，GN60和GN80處理稻谷氮吸收量分別增加31.34%和31.79%，GN40處理稻谷氮吸收量無顯著差異。由上可知，與常規(guī)施肥相比，種植利用紫云英條件下配合常規(guī)施肥或者氮肥減施20%～40%提高水稻成熟期秸稈和稻谷氮吸收量，氮肥減施60%顯著提高秸稈氮吸收量同時(shí)保證稻谷氮吸收量不降低。

圖2 不同生育期各處理水稻氮吸收量變化Fig.2 Dynamics of N absorption in rice at different growth stages

圖3顯示，與N100處理相比，GN100處理秸稈磷吸收量在抽穗期和成熟期分別顯著增加81.72%和63.28%。與N100處理相比，種植利用紫云英條件下配合減施氮肥各處理對(duì)分蘗期和拔節(jié)期地上部磷吸收量無顯著影響；在水稻抽穗期，GN40、GN60和GN80處理秸稈磷吸收量分別顯著增加28.65%、108.00%和75.85%，氮肥減施處理對(duì)稻谷磷吸收量無顯著影響；在水稻成熟期，GN40處理秸稈磷吸收量降低39.08%，稻谷磷吸收量無顯著差異，GN60和GN80處理稻谷磷吸收量分別顯著增加14.23%和14.61%。由此可知，種植利用紫云英條件下，配施常規(guī)化肥提高成熟期水稻秸稈磷吸收量，氮肥減施20%～40%促進(jìn)稻谷對(duì)磷吸收，氮肥減施60%秸稈磷吸收量顯著降低而稻谷磷吸收量增加但差異不顯著。

圖3 不同生育期各處理水稻磷吸收量變化Fig.3 Dynamics of P absorption in rice at different growth stages

圖4顯示，與N100處理相比，GN100處理分蘗期水稻地上部鉀吸收量顯著降低25.73%，成熟期秸稈鉀吸收量顯著增加29.89%。與N100處理相比，在水稻分蘗期，GN40處理地上部植株鉀吸收量顯著降低27.52%，GN60和GN80處理鉀吸收量無顯著差異；在水稻拔節(jié)期，GN40處理地上部鉀吸收量顯著降低38.55%；在水稻抽穗期，GN40處理秸稈鉀吸收量顯著降低36.41%，氮肥減施處理對(duì)稻谷鉀吸收量無顯著影響。在水稻成熟期，氮肥減施處理對(duì)秸稈鉀吸收量無顯著影響，GN80處理稻谷鉀吸收量顯著增加10.64%。由圖4可知，種植利用紫云英條件下，配合常規(guī)施肥提高成熟期秸稈鉀的吸收量，對(duì)稻谷鉀的吸收無顯著影響，氮肥減施20%促進(jìn)稻谷對(duì)鉀的吸收，氮肥減施40%～60%對(duì)秸稈和稻谷鉀的吸收無顯著影響。

圖4 不同生育期各處理水稻鉀吸收量變化Fig.4 Dynamics of K absorption in rice at different growth stages

2.4 種植利用紫云英條件下配施氮肥對(duì)氮、磷、鉀養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

表2表明，與N100處理相比，GN100處理水稻氮轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和對(duì)稻谷轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率分別降低8.90 kg/hm2、17.01個(gè)百分點(diǎn)和23.68個(gè)百分點(diǎn)，鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率分別降低33.36 kg/hm2和148.51個(gè)百分點(diǎn)，磷轉(zhuǎn)運(yùn)無顯著差異；GN40處理氮轉(zhuǎn)運(yùn)量降低11.09 kg/hm2，GN60處理氮轉(zhuǎn)運(yùn)量增加12.54 kg/hm2，GN80處理氮轉(zhuǎn)運(yùn)率降低10.60個(gè)百分點(diǎn)，各減氮處理氮轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率無顯著差異；GN40、GN60和GN80處理磷轉(zhuǎn)運(yùn)量分別增加11.32、23.02和18.09 kg/hm2，磷轉(zhuǎn)運(yùn)率分別增加35.92、41.22和39.91個(gè)百分點(diǎn)，磷轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率分別增加39.36、74.60和57.93個(gè)百分點(diǎn)；GN40、GN60和GN80處理鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率無顯著差異。由此可見，與常規(guī)施肥相比，種植利用紫云英條件下，氮肥減施40%能夠更好的滿足稻谷氮、磷養(yǎng)分向稻谷的轉(zhuǎn)移。

表2 不同處理水稻氮、磷、鉀養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)及其對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率Table 2 N, P, andK nutrient transport andcontributionto graininrice under different treatments

2.5 種植利用紫云英條件下氮肥減施后不同生育期的土壤理化性質(zhì)

表3表明，與N100處理相比，GN100處理水稻各生育期土壤有機(jī)碳和全氮含量均顯著增加，拔節(jié)期土壤無機(jī)氮含量顯著增加64.16%，分蘗期、抽穗期和成熟期土壤速效鉀含量分別顯著降低14.48%、11.00%和7.52%。與N100處理相比，GN80處理各生育期的土壤有機(jī)碳和全氮含量均顯著增加，GN40和GN60處理各生育期的土壤有機(jī)碳和全氮含量均有所提升；GN80處理水稻分蘗期、拔節(jié)期和成熟期的土壤無機(jī)氮分別顯著增加217.00%、50.56%和74.39%，GN40和GN60處理水稻分蘗期的土壤無機(jī)氮含量分別顯著增加253.63%和269.84%，其他時(shí)期無顯著差異；GN60和GN80處理土壤有效磷含量在分蘗期分別顯著降低18.05%和18.48%，拔節(jié)期分別顯著降低15.06%和18.20%，抽穗期分別顯著降低20.23%和23.35%；GN40、GN60和GN80處理土壤速效鉀含量在分蘗期分別顯著降低16.14%、21.04%和29.05%、抽穗期分別顯著降低10.00%、15.33%和11.00%和成熟期分別顯著降低8.50%、7.84%和10.68%。由上可知，與常規(guī)施肥相比，紫云英還田配合化肥各處理能夠增加土壤有機(jī)碳和全氮含量，各氮肥減施處理能保證水稻各生育期土壤無機(jī)氮含量充足供應(yīng)，但土壤有效磷和速效鉀含量降低。

2.6 土壤養(yǎng)分、水稻養(yǎng)分吸收量對(duì)水稻產(chǎn)量的綜合影響

利用各生育期土壤養(yǎng)分和水稻地上部養(yǎng)分吸收量分別對(duì)產(chǎn)量做隨機(jī)森林(random forest)分析(圖5)，結(jié)果表明土壤抽穗期有效磷含量對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最高為9.05%，分蘗期、拔節(jié)期和成熟期有效磷含量以及拔節(jié)期和成熟期速效鉀含量對(duì)水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率顯著或極顯著，貢獻(xiàn)率分別為7.52%、8.68%和7.79%及5.01%和7.68%。水稻分蘗期地上部磷吸收量對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最高為13.27%，分蘗期和成熟期地上部氮吸收量以及分蘗期地上部鉀吸收量和抽穗期地上部磷吸收量對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率顯著或極顯著，貢獻(xiàn)率分別是11.16%和6.76%及6.81%和5.90%。由此可知，土壤中磷含量和水稻地上部氮、磷、鉀吸收量對(duì)稻谷產(chǎn)量的形成有重要作用。

圖5 土壤養(yǎng)分和水稻地上部養(yǎng)分吸收量對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率Fig.5 Contribution rate of soil nutrients and aboveground nutrient uptake to rice yield

利用各生育期土壤速效養(yǎng)分和水稻地上部氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量分別表征不同生育期土壤養(yǎng)分和水稻養(yǎng)分吸收量功能多樣性指數(shù)，將各類生態(tài)系統(tǒng)功能作為整體考慮[21]，有利于更全面的理解土壤速效養(yǎng)分和水稻養(yǎng)分吸收量與水稻產(chǎn)量多向性的關(guān)系。與稻谷產(chǎn)量進(jìn)行線性回歸擬合，分析不同生育期土壤養(yǎng)分和水稻養(yǎng)分吸收量功能多樣性指數(shù)對(duì)稻谷產(chǎn)量的影響(圖6)，結(jié)果表明，水稻分蘗期和抽穗期土壤功能多樣性指數(shù)與稻谷產(chǎn)量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且線性擬合的P值均小于0.05，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上達(dá)到95%的置信度水平(圖6a)。水稻生育期地上部養(yǎng)分吸收量與稻谷產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，其中，水稻分蘗期—水稻成熟期線性擬合的P值小于0.001，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上達(dá)到99.9%置信度水平(圖6b)。綜上可知，水稻分蘗期和抽穗期土壤速效養(yǎng)分和水稻各生育期地上部氮、磷、鉀吸收量對(duì)水稻產(chǎn)量形成有顯著影響。

圖6 不同生育期土壤養(yǎng)分及地上氮磷鉀吸收量功能多樣性指數(shù)與產(chǎn)量的線性回歸Fig.6 Linear regression between yield and functional diversity index of soil nutrients and aboveground N, P and K absorption at different growth stages

3 討論

3.1 種植利用紫云英配合氮肥減施對(duì)水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響

利用冬閑田種植豆科綠肥紫云英能夠培肥地力、改善土壤理化性質(zhì)、提高后茬水稻產(chǎn)量[6]。本研究連續(xù)12年的試驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)施肥相比，種植利用紫云英配合氮肥減施20%～60%保證水稻穩(wěn)產(chǎn)(表1)，這與劉春增等[22]關(guān)于種植利用紫云英配合氮肥減施20%～60%保證水稻穩(wěn)產(chǎn)的研究結(jié)果一致，主要原因是紫云英與根瘤菌共生固氮，增加外源氮投入。按照大田翻壓還田量22500 kg/hm2能夠通過生物固氮補(bǔ)充約67.39 kg的外源氮[14, 23]。紫云英作為新鮮有機(jī)物料還田后增強(qiáng)土壤微生物的活性，促進(jìn)水稻對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和利用，有利于后茬水稻有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和實(shí)粒數(shù)等產(chǎn)量組成性狀的形成[24]，保證水稻穩(wěn)產(chǎn)。另外，氮肥減施20%～40%氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力顯著增加(表1)，這與劉春增等[22]、Qaswar等[25]的研究結(jié)果相似。主要原因是與單獨(dú)施用化肥相比，種植利用紫云英條件下配施化肥能提高水稻對(duì)氮的吸收，同時(shí)增加氮在土壤中的殘留量[16]，減少氮素?fù)p失。另外紫云英腐解過程中釋放的氮素比化肥氮能更好的匹配水稻氮素需求，促進(jìn)水稻對(duì)氮的吸收，進(jìn)而提高水稻氮肥利用效率[18]。

3.2 種植利用紫云英配合氮肥減施對(duì)水稻氮磷鉀吸收量和轉(zhuǎn)移量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)與常規(guī)施肥相比，種植利用紫云英條件下氮肥減施60%仍能夠滿足分蘗期水稻對(duì)氮的吸收，主要是生長前期水稻對(duì)養(yǎng)分的需求量較小?；实┤胍卓焖偎獬蒒H4+-N，過量速效氮供應(yīng)容易造成水稻營養(yǎng)生長過旺，生長后期產(chǎn)生脫肥現(xiàn)象[26]。翻壓利用紫云英能夠促進(jìn)土壤微生物繁殖，在水稻生育前期固定較多的礦質(zhì)氮，在水稻生育后期釋放供給水稻吸收利用[18]。紫云英還田配合氮肥減施0～20%顯著提高水稻成熟期稻谷氮吸收量，減施0～60%滿足水稻氮的吸收(圖2)，主要原因是紫云英還田條件下減施氮肥0～60%仍能保證土壤氮供給(表3)，同時(shí)促進(jìn)水稻后期對(duì)氮的吸收利用。研究表明紫云英氮比化肥氮的肥效長[18]，能夠保證后期特別是抽穗期水稻的氮素供應(yīng)，有利于氮素在籽粒中積累。與常規(guī)施肥相比，種植利用紫云英條件下氮肥減施60%仍然能夠滿足水稻生長后期對(duì)磷、鉀的吸收累積(圖3、圖4)，而氮肥減施20%～40%顯著降低土壤有效磷和速效鉀的含量(表3)，氮素的充足供應(yīng)促進(jìn)了水稻對(duì)磷、鉀的吸收，降低土壤磷、鉀養(yǎng)分含量[7, 12, 24]。為了更好的維持土壤磷鉀平衡，在水稻生產(chǎn)過程中不建議減施磷鉀肥。

與常規(guī)施肥相比，種植利用紫云英條件下，配合常規(guī)施肥水稻磷轉(zhuǎn)運(yùn)量沒有顯著差異，氮、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量顯著降低；氮肥減施40%卻顯著提高水稻抽穗期到成熟期氮、磷轉(zhuǎn)運(yùn)量(表2)。晏娟等[27]研究發(fā)現(xiàn)，氮肥施用量大于200 kg/hm2，氮在營養(yǎng)器官中顯著增加而稻谷中無變化。本研究發(fā)現(xiàn)，紫云英配合常規(guī)施肥處理氮肥總施用量高達(dá)232 kg/hm2，且水稻成熟期秸稈氮、磷、鉀吸收量高于其他施肥處理，籽粒氮、磷、鉀吸收量差異不大(圖2、圖3、圖4)，可能是因?yàn)榈毓?yīng)過量促進(jìn)養(yǎng)分在秸稈中積累，導(dǎo)致水稻貪青晚熟，影響?zhàn)B分向稻谷的轉(zhuǎn)移。本研究中水稻生長過程中抽穗期鉀吸收量低于成熟期鉀吸收量，導(dǎo)致水稻鉀轉(zhuǎn)運(yùn)量出現(xiàn)負(fù)值，可能是因?yàn)樗境墒鞎r(shí)鉀回流并儲(chǔ)存于秸稈[28]，或者是因?yàn)樗臼斋@時(shí)沒有完全成熟，有一部分養(yǎng)分仍儲(chǔ)存在秸稈中沒有向稻谷轉(zhuǎn)移[13]。由此可見，種植利用紫云英條件下，減施氮肥有利于促進(jìn)水稻對(duì)養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，提高氮素在稻谷中的分配率[3]。

3.3 土壤養(yǎng)分和水稻養(yǎng)分吸收對(duì)產(chǎn)量的綜合影響

各生育期土壤速效養(yǎng)分隨機(jī)森林分析結(jié)果表明，整個(gè)生長過程中土壤有效磷和速效鉀含量對(duì)水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率顯著(圖5)，可能是因?yàn)榉N植利用紫云英為水稻生長提供足量的氮，促進(jìn)水稻對(duì)磷、鉀的吸收[29]，使得水稻在生長過程中從土壤獲取的磷、鉀不斷增加[30–31]，導(dǎo)致土壤磷、鉀含量成為限制水稻生長的主要因素[32–33]。通過各生育期土壤速效養(yǎng)分功能多樣性指數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)水稻分蘗期和抽穗期土壤速效養(yǎng)分與產(chǎn)量的相關(guān)性最強(qiáng)，主要原因是分蘗期和抽穗期作為水稻養(yǎng)分吸收的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)產(chǎn)量的形成有較大貢獻(xiàn)[11,13]。另外水稻養(yǎng)分吸收量和產(chǎn)量的隨機(jī)森林研究結(jié)果表明，分蘗期磷積累量對(duì)水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最高(圖5)，主要是因?yàn)榉痔Y期有效磷供應(yīng)能夠促進(jìn)水稻根系的生長加快對(duì)養(yǎng)分的吸收[34]，進(jìn)一步提高稻谷產(chǎn)量[35]。

4 結(jié)論

在我國豫南稻區(qū)，種植利用紫云英配合減施氮肥40%，能夠培育土壤碳、氮庫，滿足土壤氮素供應(yīng)，促進(jìn)水稻對(duì)磷、鉀養(yǎng)分的吸收和積累，增加籽粒氮、磷、鉀養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)量，提高氮肥農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)水稻增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。