雙季稻產(chǎn)量和肥料效益對(duì)減量施肥下紫云英與稻草協(xié)同利用的響應(yīng)

廖育林，周 興，魯艷紅，方寶華，劉 洋，聶 軍

（1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長(zhǎng)沙410125；2.農(nóng)業(yè)部湖南耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3.湖南省水稻研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

化肥的施用是提高作物產(chǎn)量、確保我國糧食安全必不可少的手段。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，糧食增產(chǎn)約有50%得益于化肥的施用[1]。但是近年來我國普遍存在過量施用化肥的現(xiàn)象，導(dǎo)致糧食增產(chǎn)效率下降、土壤退化、環(huán)境問題日益突出[2]。因此，如何優(yōu)化施肥管理、提高肥料利用率已經(jīng)成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)?；蕼p量、有機(jī)肥代替部分化肥正是在此背景下發(fā)展起來的養(yǎng)分管理措施，即在保證作物增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的前提下，減少化肥投入，增加有機(jī)肥利用，從而提高肥料利用率，降低對(duì)環(huán)境的污染。

稻草是一種農(nóng)業(yè)廢棄物資源，富含鉀素，還田后能補(bǔ)充土壤鉀素營(yíng)養(yǎng)[3]；同時(shí)，稻草還田配施化肥還被證實(shí)可以提高作物產(chǎn)量[4]。作為中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠肥作物，紫云英（Astragalus sinicusL.）可通過生物固氮、活化和富集土壤中營(yíng)養(yǎng)元素來提高土壤肥力，改善土壤生態(tài)環(huán)境[5–6]；與稻草相比，紫云英的氮、磷含量高、碳氮比低，若兩者聯(lián)合利用可能產(chǎn)生互作效應(yīng)。

研究發(fā)現(xiàn)，減量施肥條件下紫云英與稻草協(xié)同利用將有利于促進(jìn)土壤活性有機(jī)質(zhì)積累，提高雙季稻產(chǎn)量[7-8]。為了解紫云英與稻草協(xié)同利用下雙季稻增產(chǎn)、增收的效果，明確二者協(xié)同利用在化肥減量條件下肥料的利用情況，以湘早秈25和黃華占為材料，研究了減量施肥下紫云英與稻草的協(xié)同利用對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、經(jīng)濟(jì)效益和肥料利用率的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2011～2016年在湖南省益陽市南縣三仙湖鄉(xiāng)萬元橋村（北緯 29°13′，東經(jīng) 112°28′）的雙季稻田上進(jìn)行。該地位于洞庭湖雙季稻區(qū)，屬季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，當(dāng)?shù)睾０胃叨?0 m，多年平均氣溫16.6 ℃，年平均降水量1 237.7 mm，年日照時(shí)間1 775.7 h。供試土壤為洞庭湖地區(qū)的典型水稻土——河流沉積物發(fā)育的紫潮泥。試驗(yàn)前0～20 cm土壤的理化性狀如下：pH值7.7，有機(jī)質(zhì)含量48.4 g/kg，全氮3.28 g/kg，全磷1.28 g/kg，全鉀22.2 g/kg，堿解氮261 mg/kg，有效磷15.6 mg/kg，有效鉀98 mg/kg。供試水稻品種早稻為“湘早秈25”，晚稻為“黃華占”。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置9個(gè)處理，該文只取其中4個(gè)處理進(jìn)行分析：（1）CK（不施用化肥、秸稈不還田、休閑季不種植紫云英）；（2）100%F（單施全量化肥）；（3）80%F+RMv（施用80%全量化肥+稻草低茬還田+冬種紫云英原田利用）；（4）80%F+HRMv（施用80%全量化肥+稻草高茬還田+冬種紫云英原田利用）。處理4中晚稻留高茬35～45 cm，其他處理稻草茬高均控制在5～10 cm。100%F處理中化肥施用量為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量，早稻施肥量為：N、P2O5、K2O分別為150、75、90 kg/hm2；晚稻施肥量為：N、P2O5、K2O分別為180、45、120 kg/hm2，處理3和4中早、晚稻施肥量為100%F處理氮、磷、鉀肥施用量減量20%。

每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)排列，小區(qū)面積為20 m2。小區(qū)間田埂通過覆膜（高20 cm，寬30 cm）隔離，實(shí)行單獨(dú)排灌。紫云英利用小區(qū)于每年9月下旬至10月上旬播種紫云英，各小區(qū)播種量均為30 kg/hm2，不施任何肥料。紫云英在早稻移栽前10 d測(cè)產(chǎn)翻壓入田，灌淺層水濕潤(rùn)腐解。早稻一般在每年3月中下旬播種，4月中下旬移栽。晚稻于6月中旬播種，7月中下旬移栽。N、P、K化肥品種分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。50%氮肥與全部的磷、鉀肥作基肥于移栽前1 d施入，50%氮肥作追肥在分蘗盛期施入?；适┤牒罅⒓从媚景野胰? cm深的土層中。水稻整個(gè)生育期內(nèi)，各處理其他農(nóng)田管理措施保持一致。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)開始前采集0～20 cm耕層土壤分析其基本理化性狀。早、晚稻成熟期，各小區(qū)普查25蔸水稻的有效穗數(shù)，以其中位數(shù)為依據(jù)，采集長(zhǎng)勢(shì)均勻一致、有代表性的5蔸水稻植株作為考種材料，并測(cè)定水稻稻谷和秸稈中的全氮、全磷、全鉀養(yǎng)分含量。各小區(qū)早、晚稻成熟后例行單打單曬，揚(yáng)凈后測(cè)定各小區(qū)稻谷產(chǎn)量。各指標(biāo)采用常規(guī)方法分析[9]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用Microsoft Excel 2010處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，用SPSS19.0進(jìn)行差異顯著性分析。水稻收益=稻谷產(chǎn)值-生產(chǎn)成本。產(chǎn)值以當(dāng)?shù)氐竟仁召弮r(jià)為標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)成本不計(jì)翻耕、水稻移栽、雜草與病蟲害防治、收割以及管理等勞動(dòng)力支出和農(nóng)藥、水稻種子、機(jī)械以及灌溉等物質(zhì)成本，僅計(jì)算新增加投入化肥、紫云英種子物質(zhì)成本和施肥、紫云英管理利用（播種、開溝）勞動(dòng)力成本。

肥料利用率計(jì)算公式[10]：

肥料表觀利用率（%）=（施肥區(qū)植物吸收養(yǎng)分量-無肥區(qū)植物吸收養(yǎng)分量）/施肥量×100

肥料農(nóng)學(xué)利用率（kg/kg）=（施肥區(qū)產(chǎn)量-無肥區(qū)產(chǎn)量）/施肥量。

肥料利用率計(jì)算公式中的施肥量為無機(jī)化肥+稻草、紫云英中養(yǎng)分含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 減量施肥下紫云英與稻草協(xié)同利用對(duì)雙季稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.1.1 稻谷產(chǎn)量 由表1可知，各處理早、晚稻及兩季稻谷產(chǎn)量隨耕種年限的推移均大致表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，這與氣候條件、試驗(yàn)土壤狀況、田間管理等因素有關(guān)。比較各處理6 a每季產(chǎn)量（因2011年80%F+HRMv處理未留高茬，所以該處理2011年早稻產(chǎn)量未納入統(tǒng)計(jì)），早、晚稻谷產(chǎn)量以及兩季稻谷總產(chǎn)每年均以80%F+HRMv的最高，其次是80%F+RMv處理，100%F處理排第三，CK的產(chǎn)量最低。與100%F相比，80%F+HRMv與80%F+RMv早稻6 a平均產(chǎn)量分別增產(chǎn)19.2%、7.3%，晚稻分別增產(chǎn)10.8%、8.4%，兩季稻谷總產(chǎn)分別增加14.5%、7.9%。80%F+HRMv早、晚稻谷產(chǎn)量以及兩季稻谷總產(chǎn)每年較80%F+RMv有一定增長(zhǎng)，增幅不一，6 a來早稻平均增產(chǎn)11.0%，增幅達(dá)顯著水平，晚稻及兩季總產(chǎn)增幅差異未達(dá)顯著水平。這表明紫潮泥稻田中紫云英與稻草協(xié)同利用模式能在減少化肥投入的同時(shí)有效促進(jìn)雙季稻增產(chǎn)。

2.1.2 株高及產(chǎn)量構(gòu)成因素 如表2所示，各處理早、晚稻生長(zhǎng)要素株高以及產(chǎn)量構(gòu)成因素穗長(zhǎng)、有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重等指標(biāo)存在一定差異。與CK相比，各施肥處理顯著提高了早、晚稻株高、穗長(zhǎng)、有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重；與100%F相比，80%F+HRMv處理早稻的株高、每穗實(shí)粒數(shù)和千粒重以及晚稻的株高、有效穗數(shù)和每穗實(shí)粒數(shù)均有顯著提高，80%F+RMv處理早稻的株高、千粒重以及晚稻的每穗實(shí)粒數(shù)也均有顯著提高。這表明，在紫潮泥稻田土壤中，紫云英與稻草協(xié)同利用能改善植株生長(zhǎng)狀況，協(xié)調(diào)各產(chǎn)量構(gòu)成因素之間的平衡，以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的目的。

2.2 減量施肥下紫云英與稻草協(xié)同利用對(duì)雙季稻經(jīng)濟(jì)效益的影響

經(jīng)濟(jì)效益均以2016年當(dāng)?shù)貙?shí)際價(jià)格為參考：N、P2O5、K2O市場(chǎng)價(jià)分別為3.8、5.2、5.3元/kg；水稻早、晚稻谷收購價(jià)格分別為2.50、2.76元/kg；紫云英種子價(jià)格為10元/kg；勞動(dòng)力工價(jià)為180元/d。由表3可知，各處理的收益從高到低排列依次為：80%F+HRMv＞80%F+RMv＞100%F＞CK。 與100%F相比，80%F+HRMv、80%F+RMv處理兩季總收益分別提高了17.2%、13.5%。這表明，與單施全量化肥模式相比，紫云英與稻草協(xié)同利用模式能獲得更高的收益。

2.3 減量施肥下紫云英與稻草協(xié)同利用對(duì)肥料利用率的影響

表1 2011～2016年各處理早、晚稻的產(chǎn)量及兩季的總產(chǎn)量 （kg/hm2）

表2 各處理早、晚稻植株株高及產(chǎn)量構(gòu)成因素的比較

表3 各處理經(jīng)濟(jì)效益的比較

從表4可以看出，各處理肥料表觀利用率存在一定差異。除晚稻鉀（K2O）肥表觀利用率外，紫云英與稻草協(xié)同利用在減量施肥下相較單施全量化肥均能顯著提高化肥表觀利用率（P＜0.05）。同100%F比較，80%F+RMv處理早、晚稻氮（N）肥表觀利用效率分別提高79.0%、140.7%，磷（P2O5）肥表觀利用效率分別提高86.5%、37.5%，早稻鉀（K2O）肥表觀利用效率提高76.6%；80%F+HRMv處理更優(yōu)，其早、晚稻N肥表觀利用效率分別提高100.6%、151.3%，P2O5肥表觀利用效率分別提高97.1%、63.0%，早稻K2O肥表觀利用效率分別提高96.3%。紫云英與稻草協(xié)同利用晚稻鉀肥利用效率低原因可能是富含鉀素且新鮮的秸稈全量還田提高了鉀養(yǎng)分投入量從而降低了鉀素表觀利用效率。

肥料中1 kg N、P2O5、K2O增產(chǎn)稻谷的能力稱 之肥料農(nóng)學(xué)利用率。由表4可知，各施肥處理肥料農(nóng)學(xué)效率存在顯著差異。與100%F相比，80%F+RMv處理的早、晚稻N肥農(nóng)學(xué)利用效率分別提高了75.2%、57.9%，P2O5肥農(nóng)學(xué)利用效率分別提高了83.6%、73.1%，K2O肥農(nóng)學(xué)利用效率分別提高了72.3%、1.3%，兩者之間除晚稻K2O肥農(nóng)學(xué)利用效率外均差異顯著；80%F+HRMv處理的表現(xiàn)更優(yōu)，其早、晚稻N肥農(nóng)學(xué)利用效率分別提高了89.8%、76.6%，P2O5肥農(nóng)學(xué)利用效率分別提高了100.5%、87.0%，K2O肥農(nóng)學(xué)利用效率分別提高了80.4%、17.4%，兩者之間差異均達(dá)顯著水平。

表4 各處理肥料利用效率的比較

3 結(jié)論與討論

連續(xù)6 a的田間定位試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)無機(jī)肥配施能有效促進(jìn)水稻增產(chǎn)。大量前人的研究也證明了此觀點(diǎn)。其原因在于有機(jī)無機(jī)肥的配施使化肥的速效性和有機(jī)肥的持久性結(jié)合，短期內(nèi)能補(bǔ)充作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，而且還能改善土壤肥力、提高作物對(duì)不利環(huán)境因素的耐性、促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展[11-12]。該研究中，與單施全量化肥相比，紫云英與稻草協(xié)同利用即使在化肥減量20%的情況下也能提高水稻產(chǎn)量。一方面稻草富含鉀素，秸稈還田有利于提高土壤中緩效鉀和速效鉀含量[6]；另一方面，豆科作物紫云英具有固氮以及富集養(yǎng)分的能力，冬種紫云英參與雙季稻輪作可顯著提高耕層土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分含量，可減少冬季土壤氮素和還田稻草鉀素的淋失[10,13]。該研究發(fā)現(xiàn)紫云英與稻草協(xié)同利用中晚稻秸稈留高茬還田較低茬還田更有助于增產(chǎn)。原因可能是稻草低茬還田可在土壤和大氣間形成熱與水的屏障層，使土壤與大氣間的熱量及水分交換趨于緩和而起到保溫保水作用[14]，但這種覆蓋產(chǎn)生的阻礙以及遮光反而會(huì)抑制冬季作物出苗，影響冬季作物初期生長(zhǎng)[15]。而晚稻留高茬還田在保溫保墑作用的同時(shí)，弱化遮光效應(yīng)給冬季作物留有生存空間利于其生長(zhǎng)[7]。盡管稻草高茬還田可以有效改善冬季紫云英生長(zhǎng)環(huán)境促進(jìn)其生長(zhǎng)，從而提高土壤有機(jī)肥投入量；但是過量的有機(jī)肥并不能帶來相對(duì)等的產(chǎn)量增加值，反而會(huì)造成農(nóng)田甲烷等溫室氣體的排放，增加地下水NO3-含量，產(chǎn)生不良的環(huán)境影響[16-17]。因此，紫云英與稻草協(xié)同利用下，化肥和有機(jī)肥用量的調(diào)整、節(jié)肥效應(yīng)的可持續(xù)性、稻草高茬還田與冬種紫云英之間養(yǎng)分截留和循環(huán)等問題均有待進(jìn)一步深入探討。

糧食價(jià)格和糧食單產(chǎn)固然是影響農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收益提高的重要因素，但是生產(chǎn)成本的增長(zhǎng)是阻礙糧食生產(chǎn)效益的主要因素[18]。該研究中，紫云英與稻草協(xié)同利用種植收益相比單施全量化肥有一定幅度的上漲，但是紫云英的種植利用增加了種子與管理（播種、開溝等）成本導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工價(jià)的快速上漲使生產(chǎn)成本中人工成本比例顯著提高[19]。2010～2012年單位面積（1 hm2）農(nóng)業(yè)用工累計(jì)減少了22%，但工價(jià)卻累計(jì)上漲了200%，據(jù)調(diào)查試驗(yàn)地近2 a工價(jià)相比2012年漲幅達(dá)20%～30%，這并不利于紫云英與稻草協(xié)同利用模式下水稻收益的進(jìn)一步提高。因此，今后研究還需重點(diǎn)研發(fā)配套機(jī)械以減少勞動(dòng)力成本投入，以便增加該模式在實(shí)際生產(chǎn)中的可行性。

當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的主要瓶頸之一——肥料利用率明顯低于歐美發(fā)達(dá)國家，甚至低于國際平均水平，這不僅導(dǎo)致了化肥大量、甚至過量施用，引起土壤理化性質(zhì)惡化，直接影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的提高；而且直接造成了資源浪費(fèi)，加重了農(nóng)業(yè)負(fù)擔(dān)；同時(shí)，對(duì)環(huán)境也產(chǎn)生了負(fù)面效應(yīng)[20]。有學(xué)者總結(jié)我國糧食生產(chǎn)區(qū)大量田間試驗(yàn)得出，我國水稻氮、磷、鉀肥農(nóng)學(xué)利用效率的平均值分別為10.4、9.0、6.3 kg/kg[21]。該研究中，在減量20%化肥的條件下，紫云英與稻草協(xié)同利用水稻氮、磷、鉀肥農(nóng)學(xué)利用效率平均為14.4、43.8、19.4 kg/kg，明顯高于全國平均水平，也高于杜加銀等[22]的報(bào)道，這是因?yàn)橛袡C(jī)、無機(jī)肥配施促進(jìn)了土壤中有益微生物的生長(zhǎng)，改善了土壤理化性質(zhì)，使肥效供給平穩(wěn)長(zhǎng)效，在供肥強(qiáng)度和容量上更適于作物生長(zhǎng)，從而提高作物肥料利用率[10,23]。該研究中，單施全量化肥處理的稻谷產(chǎn)量雖然與紫云英與稻草協(xié)同利用模式的差異較小，但其肥料利用率卻較低，甚至低于全國平均水平，這與其肥料量有關(guān)，過高的肥料投入量并不能帶來相對(duì)等的產(chǎn)量增加值，除一部分吸收外，多余的部分通過淋溶、揮發(fā)等途徑損失掉，而且過高的養(yǎng)分易導(dǎo)致作物徒長(zhǎng)、倒伏以及病蟲害發(fā)生幾率增加[24]。

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