紫云英利用后減施化肥對水稻產量和產值及土壤碳氮含量的影響

周興，李再明，謝堅，廖育林，楊曾平，魯艷紅，聶軍*，曹衛(wèi)東

(1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；2.中南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；3.云溪區(qū)農業(yè)發(fā)展局，湖南 岳陽 414009；4.農業(yè)部湖南耕地保育科學觀測實驗站，湖南 長沙 410125；5.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081)

紫云英利用后減施化肥對水稻產量和產值及土壤碳氮含量的影響

周興1,2，李再明3，謝堅1,4，廖育林1,4，楊曾平1,4，魯艷紅1,4，聶軍1,4*，曹衛(wèi)東5

(1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；2.中南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；3.云溪區(qū)農業(yè)發(fā)展局，湖南 岳陽 414009；4.農業(yè)部湖南耕地保育科學觀測實驗站，湖南 長沙 410125；5.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081)

通過大田定位試驗，研究連續(xù)5年紫云英利用后不同化肥施用量對水稻產量和稻谷經濟效益及土壤碳、氮含量的影響。試驗共設6個處理，處理 CK：不施紫云英和化肥(對照)；處理CF：不施紫云英，施100%化肥(N、P2O5、K2O施用量分別為150、75、120 kg/hm2)；處理A1：紫云英(22 500 kg/hm2，下同)＋100%化肥+100%磷肥；處理A2：紫云英＋80%氮、鉀肥+100%磷肥；處理A3：紫云英＋60%氮、鉀肥+100%磷肥；處理A4：紫云英＋40%氮、鉀肥+100%磷肥。結果表明：施肥可以顯著提高水稻產量，紫云英利用后化肥的增產效果更為顯著，與CF相比，處理A2的早稻產量提高了7.7%，處理A3的水稻產量基本持平；紫云英利用后適當減少化肥用量可以增加水稻產值，與CF相比，處理A1的水稻產值增加了5.92%，處理A2的水稻產值的增加效果次之，增加了4.08%；處理A4提高水稻土壤有機碳和全氮含量的效果明顯優(yōu)于處理CF，A2處理的土壤有機碳、全氮含量比CF顯著降低。綜合以上研究結果，認為翻壓紫云英可以代替部分化肥，增加水稻產量，減少生產成本，提高養(yǎng)分利用效率。

紫云英；化肥施用量；水稻；產量；經濟效益；土壤碳氮含量

湖南省是綠肥生產大省[1]。20世紀70年代，湖南省綠肥播種面積近200萬hm2。20世紀80年代，受化肥大規(guī)模應用、農業(yè)產業(yè)結構調整、農村勞動力轉移以及缺乏政策扶持等因素[2–5]的影響，綠肥播種面積急劇減少。紫云英(Astragalus sincus)是中國南方稻田最主要的綠肥作物。紫云英翻壓還田能夠提高土壤肥力，減少化肥施用量，改良土壤，提升水稻產量和稻米品質，對農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1, 6–8]。筆者探討連續(xù)5年(2008—2012 年)翻壓紫云英定位試驗后，2012年減少化肥(氮肥和鉀肥)用量對水稻產量、稻谷經濟效益以及水稻土壤有機質、全氮含量的影響，旨在更好地了解紫云英在雙季稻生產中發(fā)揮的作用。

1 材料與方法

1.1 材 料

2012年早稻品種為‘兩優(yōu) 25’，晚稻品種為‘金優(yōu)163’。

1.2 試驗點概況

湖南省南縣三仙湖鄉(xiāng)萬元橋村(北緯29°13′，東經112°28′，海拔高度30 m)位于中亞熱帶到北亞熱帶的過渡區(qū)，屬季風濕潤氣候，年平均氣溫16.6 ℃，年平均降水量1 237.7 mm，年日照時間1 775.7 h。供試土壤為河流沉積物發(fā)育的紫潮泥。試驗土壤pH 為7.7，有機質含量為48.4 g/kg，全氮、全磷、全鉀含量分別為 3.28、1.28、22.2 g/kg，堿解氮、有效磷、有效鉀含量分別為261、15.6、98 mg/kg。

1.3 試驗設計

2008—2012年連續(xù)5年翻壓紫云英。2012年3月底播種早稻，4月中、下旬移栽。晚稻于6月中旬播種，7月中、下旬移栽。試驗共設6個處理(表1)。

表1 各處理的肥料施用方案Table 1 Fertilization schemes of different treatments

N、P、K化肥品種分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀?；视谝圃郧? d施入；追肥在分蘗盛期施入；磷肥和鉀肥均在移栽前作基肥施入?；适┤牒罅⒓从描F耙耖入5 cm深的土層中。紫云英于早稻移栽前5 d翻壓入田，用淺水濕潤腐解。小區(qū)面積20 m2。重復3次，隨機區(qū)組排列。各處理早稻、晚稻化肥施用量相同。在水稻整個生育期內，各處理農田管理措施完全一致。2012年收獲時，按小區(qū)單打單曬，揚凈后測定各小區(qū)稻谷產量。收獲后，在各小區(qū)田塊中采用“S”形采集0～15 cm土壤樣品。

1.4 測定指標及方法

土壤碳含量采用濃硫酸–重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮含量采用濃硫酸消煮–凱氏定氮法[9]測定。

1.5 數據處理

用Excel 2003 軟件進行數據處理；用SPSS 19.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 各處理水稻的產量

2.1.1 早稻產量

由表2可見，處理CF與CK早稻稻谷產量間的差異無統(tǒng)計學意義。導致CF處理減產的可能原因是，2012年春季連續(xù)低溫多雨，整個早稻生育期僅有6～8個晴天，水稻生長受到嚴重影響。這說明在災害性氣候條件下，單施化肥并不能保證早稻產量。與CK相比，A1、A2處理的增產幅度較大，分別增產22.1%、16.9%，增產效果顯著(P＜0.05)，表明在紫云英利用的基礎上，施用 100%化肥和80%N、K肥可以維持早稻穩(wěn)產或增產。

表2 2012年各施肥處理早稻稻谷的產量Table 2 Grain yield of early rice under different fertilization treatments in 2012 kg/hm2

表2結果表明，與CF處理相比，A1、A2的早稻產量增產幅度較大，分別增產12.5%、7.7%；A3基本與CF平產；A4表現(xiàn)出一定程度的減產。這表明，在維持稻田平產或增產的前提下，翻壓紫云英22 500 kg/hm2可只施用60%～80%N、K肥，即紫云英施用可大幅度降低水稻生產成本，增加水稻生產效益。

2.1.2 晚稻稻谷的產量

由表3可見，CK晚稻平均產量6 266.7 kg/hm2，說明紫潮泥水稻田土壤晚稻基礎產量較高。這可能是由于夏季溫度的升高，紫潮泥土壤養(yǎng)分釋放較多，因而表現(xiàn)出基礎生產力較高。處理CF和處理A1～A4的晚稻平均產量為7 085.0 kg/hm2，相比CK增產13.1%。與CF相比，A1、A2處理的晚稻產量略有增產；A3、A4處理略有減產，但差異均無統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。以上結果表明，在紫潮泥稻田，早稻移栽前翻壓紫云英22 500 kg/hm2對晚稻具有一定的后續(xù)肥效，在晚稻生產中可以只施用 60%～80%的N、K肥。

表3 2012年各施肥處理晚稻稻谷的產量Table 3 Grain yield of late rice under different fertilization treatments in 2012 kg/hm2

2.1.3 兩季稻谷的總產量

由表4可見，CF和A1～A4處理年平均總產量為12 650.2 kg/hm2，相比CK增產12.3%，增產效果顯著(P＜0.05)。

表4 2012年各處理兩季稻谷的總產量Table 4 Total grain yield of d ouble–rice under different fertilization treatments in 2012 kg/hm2

從表4看出，與CF相比，A1、A2兩季水稻總產量分別增產 7.2%、3.9%，但增產效果不明顯(P＜0.05)；A3、A4均表現(xiàn)出略有減產，但減產幅度無統(tǒng)計學意義。A1、A3較A4分別增產1 779.1、1 359.6 kg/hm2，增幅分別達15.2%、11.6%。兩季水稻的總產量表明，在翻壓紫云英 22 500 kg/hm2條件下，施用40%～80%N、K肥能夠維持水稻產量，其中以施用80%N、K肥的效果最優(yōu)。

2.2 各處理水稻稻谷的經濟效益

不計農藥、灌溉等成本，僅考慮投入化肥、紫云英種子和紫云英播種與施肥勞動力成本以及稻谷收入，分析各處理水稻稻谷的經濟效益。紫云英種子、肥料及稻谷價格以2012年價格(紫云英種子18元/kg；N、P2O5、K2O肥分別為4.67、5.2、5.47 元/kg；早、晚稻稻谷價格分別為2.54、2.60元/kg)為準；勞動力成本按2012年工價(120元/d)計算。試驗結果表明，與CK相比(表5)，CF和A1～A4處理早稻的平均收入減少了3.76%，這是由于早稻受到了災害性氣候的影響。與CF相比(表5)，A1的早稻收入最高，增收幅度達9.18%；其次是A2，增收幅度達5.92%；A3處理早稻收入與CF基本持平；A4減收6.42%。綜上分析可知，翻壓紫云英22 500 kg/hm2后，施用60%～80%N、K肥能明顯提高早稻收入。

表5 各處理水稻的經濟效益Table 5 Economic benefits of rice under different treatments 元/hm2

與CK相比，CF、A1～A4處理晚稻的平均收入增收效果優(yōu)于早稻(表5)，增收706.39元/hm2，增收幅度達4.34%。各施肥處理晚稻經濟效益的增收趨勢與早稻基本相同，增收效果不如早稻。與 CF相比，A1的晚稻增收效果最好，增收606.58元/hm2，增收幅度達3.58%；A2略有增收；A3、A4略有減產。以上結果表明，早稻翻壓紫云英對晚稻增收有一定效果。

由表5可見，CF和A1～A4處理兩季水稻的平均收入與CK基本持平。與CF相比，A1處理兩季水稻的增收效果最好，增收5.92%；其次是A2，增收4.08%；A3處理基本與CF持平；A4減收3.83%。

2.3 各處理水稻成熟期耕層土壤的有機碳含量

2.3.1 早稻成熟期耕層土壤的有機碳含量

試驗前土壤有機碳含量為27.9 g/kg。圖1結果表明，CK土壤有機碳含量較試驗前土壤有機碳含量有一定增長，這可能與每年水稻根茬等殘留物、徑流或灌溉水以及氣候條件等相關。與CK相比，A4和CF的土壤有機碳含量分別提高了6.1%、4.6%，差異均達到了顯著水平(P<0.05)；其次是A1略有提高，但差異無統(tǒng)計學意義；A3和 A2分別下降了12.4%、22.6%，差異均達到顯著水平(P＜0.05)。其原因可能是翻壓紫云英22 500 kg/hm2條件下，80%或60%N、K肥用量能夠有效激發(fā)土壤有機碳的礦化，使有機碳含量下降。A1和A4處理早稻成熟期土壤有機碳含量與CF間的差異均無統(tǒng)計學意義；A2和A3分別比CF降低了26.0%，16.2%，差異均達到顯著水平(P＜0.05)，表明翻壓紫云英22 500 kg/hm2，5年后80%和60%N、K肥用量不利于紫潮泥早稻土壤有機碳含量積累。以上結果表明，在翻壓紫云英22 500 kg/hm2后，早稻成熟期耕層土壤有機碳含量隨著N、K肥施用量從100%降至40%呈先降后升趨勢變化，其中80%N、K肥用量土壤有機碳的積累最少。

圖1 2012年各處理早稻成熟期的土壤有機碳含量Fig.1 Soil organic C content of early rice in mature stage under different treatments in 2012

2.3.2 各處理晚稻成熟期耕層土壤的有機碳含量

由圖2可見，各處理晚稻成熟期土壤的有機碳含量較早稻均有提高。與CK相比，A4土壤有機碳含量提高了5.6%，差異顯著(P＜0.05)；CF、A1和A3與 CK間的差異均無統(tǒng)計學意義；A2下降了17.8%，差異顯著。早稻紫云英利用后，A1和 A3晚稻成熟期土壤有機碳含量與CF基本持平；A2的土壤有機碳積累最少，比CF降低了17.7%，A4提高了5.8%，差異均達到顯著水平。

圖2 2012年不同處理晚稻成熟期土壤的有機碳含量Fig.2 The soil organic C content of late rice in mature stage under different treatments in 2012

2.4 不同處理水稻成熟期耕層土壤的全氮含量

2.4.1 不同處理早稻成熟期耕層土壤的全氮含量

由圖3可見，與CK相比，除了CF土壤全氮含量與CK間的差異無統(tǒng)計學意義外，其余處理土壤全氮含量與CK間的差異均達顯著水平，A4、A1分別提高了15.8%、6.6%；A3、A2分別下降了4.7%、19.5%。與CF相比，各施肥處理土壤全氮含量均與之存在顯著差異，A1處理增加了 4.7%，表明在相同化肥處理下，翻壓紫云英22 500 kg/hm2能夠顯著提高紫潮泥稻田早稻成熟期耕層土壤全氮含量；A2、A3分別下降了21.0%、6.5%；A4提高了13.7%。以上結果表明，紫潮泥稻田早稻翻壓紫云英耕層土壤全氮含量隨60%～100%N、K肥用量的變化趨勢與早稻有機碳含量的變化趨勢類似，其中80%N、K肥施用量土壤的有機碳含氮量最低。

圖3 2012年不同處理早稻成熟期土壤的全氮含量Fig.3 Soil total N content of early rice in mature stage under different treatments in 2012

2.4.2 不同處理晚稻成熟期耕層土壤的全氮含量

圖4結果表明，各處理土壤的全氮含量中只有A2與CK間的差異達到顯著水平(P＜0.05)，A2降低了 13.9%，表明早稻翻壓紫云英，晚稻 80%N、K肥用量不利于土壤全氮積累。晚稻成熟期土壤全氮含量A1比CF提高了5.5%，A2比CF降低了12.5%，其余處理與CF間的差異均無統(tǒng)計學意義。以上結果表明，晚稻成熟期各處理耕層土壤全氮含量的變化趨勢與早稻各處理的基本相似。

圖4 2012年不同處理晚稻成熟期土壤的全氮含量Fig.4 Soil total N content of late rice in mature stage under different treatments in 2012

3 結論與討論

在作物生產中，綠肥利用后，較常規(guī)施肥減量15%～40%化肥或氮肥處理的產量與常規(guī)施肥處理持平或有顯著提高[10–12]。紫云英與化肥配施，一方面能夠滿足水稻對速效養(yǎng)分的利用需求；另一方面因紫云英養(yǎng)分釋放緩慢，可持續(xù)不斷為水稻生長提供所需養(yǎng)分，維持水稻產量。本試驗中，常規(guī)施肥條件下，翻壓紫云英能夠促進水稻穩(wěn)產或增產；等量紫云英翻壓下，80%N、K肥施用量有增產趨勢，60%N、K肥施用量都能夠維持水稻穩(wěn)產。從經濟效益和生態(tài)效益的可持續(xù)發(fā)展來看，與單施化肥處理相比，翻壓紫云英的100%化肥處理能夠提高水稻生產的收入，80%N、K肥施用量的處理能夠維持水稻生產的收入。

有機肥和無機肥配施條件下，直接向土壤輸入外援有機質能夠顯著增加土壤的有機碳含量[8,13–15]。本試驗中，單施化肥能夠有效增加土壤的有機碳含量，這是由于施用化肥能夠促進作物根系生長，增加作物地下部分的生物量，即外源有機質的進入顯著提高了土壤有機碳含量。這與A. Mandal等[16]和尹云峰等[17]的研究結果類似。單施化肥雖然能夠促進作物根系的增加，但也引起土壤碳氮比值降低。土壤碳氮比值降低不僅會導致根系增加的有機碳分解，而且會造成原始有機碳的活化分解，不利于土壤有機碳的積累[13, 18]，因此，施用化肥對土壤有機碳含量的影響是比較復雜的，這與作物、土壤性質、土壤礦化條件等多種因素有關。

本試驗中，紫云英利用后100%化肥處理的土壤有機碳、全氮含量較100%化肥處理的無明顯增加，這可能與土壤性質、作物種類、土壤礦化條件和試驗周期等有關。在紫云英利用下，土壤有機碳、全氮含量隨 N、K肥施用量從 100%降至 40%呈“凹”形變化趨勢，水稻產量則呈遞減趨勢，其中80%N、K肥施用量處理土壤有機質、全氮含量最低，而且顯著低于不施紫云英和化肥處理。這說明在一定紫云英利用下，土壤有機碳、全氮含量與N、K肥施用量和水稻產量有一定的相關性，具體原因有待研究。

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責任編輯：王賽群

英文編輯：王 庫

Effect of reducing chemical fertilizer on rice yield，output value, content of soil carbon and nitrogen after utilizing the milk vetch

ZHOU Xing1,2, LI Zai-ming3，XIE Jian1,4, LIAO Yu-lin1,4,YANG Zeng-ping1,4,LU Yan-hong1,4, NIE Jun1,4*, CAO Wei-dong5
(1.Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province, Changsha 410125, China; 2.Longping Branch of Central South University, Changsha 410125, China; 3.Agricultural Development Bureau of Yunxi Area, Yueyang, Hunan 414009, China; 4.Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Hunan), Ministry of Agriculture, Changsha 410125, China; 5.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

A located field experiment was carried out to study the effects of different amount of chemical fertilizer usage on rice yield, economic benefits of rice, soil carbon(C) and total nitrogen (TN) under ploughing back of Chinese milk vetch for 5 consecutive years. Six treatments were included in the experiment, they are CK (unfertilized), CF (100% chemical fertilizer with the amount of N, P2O5, K2O being 150, 75, 120 kg/hm2respectively), A1(22 500 kg/hm2Chinese milk vetch and 100% chemical fertilizer), A2(Chinese milk vetch and 80% nitrogen and potassium fertilizer and 100% phosphate fertilizer), A3(Chinese milk vetch and 60% nitrogen and potassium fertilizer and 100% phosphate fertilizer), A4(Chinese milk vetch and 40% nitrogen and potassium fertilizer and 100% phosphate fertilizer). The results were asfollows: application of fertilizer could increase the yield of rice, while Chinese milk vetch combined with fertilizer application had a much more increase effect in rice yield. Under the condition of milk vetch application with 22 500 kg/hm2, the early rice yield of the treatment A1was significantly increased by 7.7% compared with that of CF. And the yield of treatment A3was basically identical to or slight increase in comparison with that of CF. Decreasing amount of fertilizers cloud improve output value of rice in the case of the utilization of Chinese milk vetch. The treatment A1increased output value of rice by 5.92% in comparison of CF, and treatment A2was by 4.08% in the next. Treatment A4showed much better effect in increasing soil organic carbon and total nitrogen in the paddy soil than those of treatments applying mineral fertilize only. There was a significant reduction on soil organic carbon and TN in treatment A2in comparison with that of CF. In general, amount of application of milk vetch with 22 500 kg/hm2could replace chemical fertilizer partially, it also could improve rice yield, decrease the production cost, and raise the utilization efficiency of nutrients.

Chinese milk vetch; chemical fertilizer amounts; rice; yield; economic benefits; content of soil C and total N

S142+.1；S143.1

A

1007?1032(2014)03?0225?06

10.13331/j.cnki.jhau.2014.03.001

投稿網址：http://www.hunau.net/qks

2013–11–30

農業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201103005–08)；國家“十二·五”科技支撐計劃項目(2012BAD05B05–3)；國際植物營養(yǎng)研究所科研項目(Hunan–16)

周興(1986—)，男，湖南韶山人，碩士研究生，主要從事植物營養(yǎng)與施肥研究，evenxing@sina.cn；*通信作者，junnie@foxmail.com