紫云英替代化肥對土壤養(yǎng)分和水稻產(chǎn)量的影響

季衛(wèi)英，斯林林，王建紅*，徐靜，曹凱，張賢

(1.浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理總站，浙江 杭州 310020； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

施肥是維持水稻高產(chǎn)的重要措施，但過度依賴及過量投入化肥等問題在我國長期存在且日益突出。化肥過量施用不僅降低了肥料利用率，造成資源浪費(fèi)，而且還可能引發(fā)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，加速溫室氣體排放，降低土壤質(zhì)量，污染生態(tài)環(huán)境，甚至影響人體健康[1-2]。在化肥和農(nóng)藥雙減政策的大背景下，減少化肥不合理施用是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和綠色發(fā)展亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題[3]。

種植并利用綠肥是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作的精華，曾經(jīng)對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展做出過巨大貢獻(xiàn)[4]。在沒有大規(guī)模生產(chǎn)和運(yùn)用化肥之前，綠肥還田是稻田培肥的重要舉措之一。我國有著豐富的綠肥資源[5]，常見綠肥氮、磷、鉀養(yǎng)分累積量分別為214、48和165 kg·hm-2。綠肥腐解過程中釋放的養(yǎng)分一定程度上能夠?yàn)橥寥篮秃蟛缱魑锾峁B(yǎng)分[6]，從而減少化肥施用量，達(dá)到降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的目的。

紫云英是常見的豆科綠肥之一。紫云英-單季稻輪作模式的減肥增效作用已得到充分驗(yàn)證。長期定位試驗(yàn)[7]表明，紫云英替代40%的常規(guī)化肥施用量后水稻無顯著減產(chǎn)，同時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量分別增加4.15%和1.74%。本研究通過紫云英-單季稻輪作的田間試驗(yàn)，分析紫云英替代不同比例化肥對土壤養(yǎng)分、水稻產(chǎn)量、水稻養(yǎng)分含量和養(yǎng)分偏生產(chǎn)力的影響，以期為試驗(yàn)區(qū)水田推廣紫云英-單季稻耕作制度下合理施用化肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)在衢州市衢江區(qū)全旺鎮(zhèn)全旺村進(jìn)行。試驗(yàn)田耕作層土壤pH 5.6，有機(jī)質(zhì)28.90 g·kg-1，全氮1.94 g·kg-1，堿解氮162 mg·kg-1，全磷0.48 g·kg-1，有效磷20.0 mg·kg-1，全鉀37.6 g·kg-1，速效鉀 64 mg·kg-1。

供試水稻為秈型兩系雜交稻韻兩優(yōu)332，紫云英品種為寧波大橋種。復(fù)合肥含N 23%、P2O58%、K2O 15%，單質(zhì)肥料分別為市售尿素(N 46%)和氯化鉀(K2O 60%)。

1.2 處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理：冬閑+不施肥(0GM+0CF)；冬閑+常規(guī)化肥(0GM+100%CF)；紫云英+常規(guī)化肥(GM+100%CF)；紫云英+92%化肥(GM+92%CF)；紫云英+84%化肥(GM+84%CF)；紫云英+76%化肥(GM+76%CF)；紫云英+68%化肥(GM+68%CF)；紫云英+60%化肥(GM+60%CF)。小區(qū)面積60 m2，3次重復(fù)，小區(qū)四周筑田埂，并用塑料薄膜隔離，各小區(qū)單灌單排。

紫云英于2019年10月10日播種，播種量為30 kg·hm-2，紫云英生長期間不施用肥料，2020年4月15日盛花期測定鮮樣產(chǎn)量后翻壓，平均還田量62 280 kg·hm-2。水稻于2020年5月15日播種，6月17日移栽，種植密度為22.5 cm×22.5 cm，10月12日收獲。水稻生育期內(nèi)采取適度干濕交替灌溉，其他田間管理措施各小區(qū)均保持一致。水稻移栽前1 d施用復(fù)合肥作基肥，6月28日追施尿素和氯化鉀。常規(guī)氮肥、磷肥和鉀肥總用量分別為276、60和247.5 kg·hm-2。

1.3 測定分析

各小區(qū)隨機(jī)采取10叢成熟期水稻，風(fēng)干后測定有效穗、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素，水稻產(chǎn)量實(shí)收計(jì)產(chǎn)。水稻成熟后在各小區(qū)隨機(jī)采取5叢長勢均勻的水稻，沖洗去除泥土，置于105 ℃殺青30 min后75 ℃烘至恒重。研磨過0.25 mm篩后采用濃硫酸-過氧化氫法消解秸稈和籽粒。植株氮、磷、鉀分別采用蒸餾法、鉬藍(lán)比色法和火焰光度法進(jìn)行測定。

水稻收獲后，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集5個(gè)土壤樣品，并均勻混合后按四分法縮樣。土樣采集完成后風(fēng)干過篩用于測定理化性質(zhì)。按照土∶水1∶2.5測定土壤pH。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法。土壤全氮和堿解氮分別采用半微量凱氏定氮法和氫氧化鈉水解擴(kuò)散法測定。有效磷利用鹽酸-氟化銨按土∶液1∶10浸提后比色測定。速效鉀利用1 mol·L-1乙酸銨按土∶液1∶10浸提后采用火焰光度法測定。

利用Microsoft Excel 2010和SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用Duncan，s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較和差異顯著性檢測(P<0.05)，采用Sigmaplot 10.0進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤養(yǎng)分的影響

不同施肥處理土壤有效磷、速效鉀含量無顯著差異(表1)。0GM+100%CF處理較GM+100%CF處理相比，土壤各理化性質(zhì)無顯著變化，說明常規(guī)化肥施用量下翻壓紫云英短期內(nèi)對土壤養(yǎng)分含量影響不顯著。與CK相比，各施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量分別提高2.73%～8.30%和1.72%～8.05%。GM+68%CF處理有機(jī)質(zhì)和全氮含量最高，較0GM+100%CF處理分別顯著提高5.40%和7.26%，說明在土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的提升效果上，翻壓紫云英可替代32%的常規(guī)化肥施用。翻壓紫云英條件下，化肥施用量由60%提高至92%時(shí)，土壤堿解氮顯著上升。

2.2 對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成要素的影響

與CK相比，各施肥處理水稻產(chǎn)量顯著提高19.64%～79.46%，這主要?dú)w因于施肥能有效提高水稻有效穗(表2)。0GM+100%CF處理與GM+100%CF處理相比，水稻產(chǎn)量及構(gòu)成要素?zé)o顯著變化，說明常規(guī)化肥施用量下翻壓紫云英對水稻產(chǎn)量影響不顯著。翻壓紫云英條件下，減少化肥施用量時(shí)水稻產(chǎn)量呈先下降再上升后下降的趨勢，其中以GM+68%CF處理水稻產(chǎn)量最高。

表2 不同施肥處理的水稻產(chǎn)量及構(gòu)成要素

2.3 對水稻養(yǎng)分含量的影響

施肥未顯著改變籽粒全氮含量、秸稈全磷和全鉀含量(表3)。0GM+100%CF處理與GM+100%CF處理相比，水稻不同組織養(yǎng)分含量無顯著變化，說明常規(guī)化肥施用量下翻壓紫云英與否與水稻籽粒和秸稈養(yǎng)分含量無顯著關(guān)系。GM+60%CF處理水稻籽粒磷含量最低，但GM+60%CF處理水稻秸稈氮含量最高。

表3 不同施肥處理水稻各組織的養(yǎng)分含量

2.4 對養(yǎng)分偏生產(chǎn)力的影響

0GM+100%CF處理與GM+100%CF處理相比，養(yǎng)分偏生產(chǎn)力無顯著變化，說明常規(guī)化肥施用量下翻壓紫云英對氮肥、磷肥和鉀肥偏生產(chǎn)力無顯著影響。無論是否翻壓紫云英，隨著化肥施用量的減少，養(yǎng)分偏生產(chǎn)力呈先上升后下降的趨勢，其中以GM+68%CF處理養(yǎng)分偏生產(chǎn)力最高。與0GM+100%CF處理相比，GM+76%CF處理養(yǎng)分偏生產(chǎn)力顯著提高31.66%～31.93%，GM+68%CF處理養(yǎng)分偏生產(chǎn)力顯著提高52.16%～52.47%，GM+60%CF處理養(yǎng)分偏生產(chǎn)力顯著提高48.21%～48.52%(圖1)。

圖1 不同施肥處理的養(yǎng)分偏生產(chǎn)力

3 小結(jié)與討論

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫云英還田輪作單季稻，當(dāng)季水稻收獲后施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量均不同程度高于CK。在南方雙季稻田中進(jìn)行的紫云英替代化肥試驗(yàn)[8]表明，9 a后不同處理土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量無顯著差異，這可能與其持續(xù)性耕種雙季稻導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的積累和消耗達(dá)到某種動(dòng)態(tài)平衡有關(guān)。與常規(guī)施化肥處理相比，GM+68%CF處理土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著提高，說明紫云英替代部分化肥能顯著提升土壤有機(jī)質(zhì)和全氮，其他養(yǎng)分含量無明顯差異，表明化肥減量32%配合紫云英翻壓短期內(nèi)可維持單季稻田土壤養(yǎng)分供應(yīng)。梁琴等[9]研究指出,山黧豆替代30%的氮肥后顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮，這與本研究結(jié)果一致，豆科綠肥根瘤固氮后還田一定程度上有利于土壤養(yǎng)分積累。

翻壓紫云英條件下，化肥減量8%～40%與單施100%化肥處理相比水稻產(chǎn)量無顯著減產(chǎn)，這與王飛等[10]翻壓18 t·hm-2的紫云英能夠替代常規(guī)化肥施用量的40%而不會(huì)導(dǎo)致水稻減產(chǎn)的結(jié)論是一致的。紫云英綠肥還田能夠替代化肥的主要機(jī)制是,紫云英礦化后有效補(bǔ)充了土壤養(yǎng)分，增加了土壤活性有機(jī)質(zhì)含量[11-12]，本研究中紫云英替代不同用量化肥后，土壤有機(jī)質(zhì)存在不同程度提升的結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。汪玉磊等[13]在新墾耕地的試驗(yàn)表明，紫云英替代60%的常規(guī)用量化肥后水稻未顯著減產(chǎn)，這表明翻壓紫云英能改善稻田養(yǎng)分供應(yīng)，進(jìn)而提高農(nóng)田生產(chǎn)力。隨著紫云英替代化肥比例的增加，水稻產(chǎn)量和養(yǎng)分偏生產(chǎn)力呈先增高后降低的趨勢，本試驗(yàn)條件下以紫云英替代32%化肥處理產(chǎn)量最優(yōu)。這可能歸因于紫云英替代化肥比例過大時(shí)水稻和土壤微生物之間出現(xiàn)競爭從而影響水稻對養(yǎng)分的吸收[14]。

依據(jù)土壤養(yǎng)分、養(yǎng)分偏生產(chǎn)力和水稻產(chǎn)量的表現(xiàn)，試驗(yàn)條件下單季稻田上紫云英替代32%化肥效果最佳，短期內(nèi)具有一定的減肥增效潛能，但長期來看,紫云英替代化肥對土壤養(yǎng)分和水稻產(chǎn)量的影響有待進(jìn)一步驗(yàn)證。