紫云英與氮肥配施對水稻氮素吸收利用的影響

楊濱娟 張穎睿 袁嘉欣 黃國勤

摘要：為了探明紫云英還田配施減量氮肥的作用機制，為南方稻田合理施肥提供理論指導和技術支撐。在“紫云英-雙季稻”復種型農(nóng)作制度基礎上，采用大田試驗，設置3個梯度的紫云英還田量，并配施相應的減量氮肥，以常規(guī)施肥作對照，分析不同紫云英與氮肥配施比例對水稻產(chǎn)量、干物質積累情況以及氮素積累的影響，并利用施氮量和水稻產(chǎn)量建立純N-紫云英-水稻產(chǎn)量的關系模型。研究表明：紫云英27 000 kg/hm2+純N 120 kg/hm2有提高早稻產(chǎn)量的趨勢，紫云英45 000 kg/hm2+純N 60 kg/hm2的晚稻產(chǎn)量最高，從全年產(chǎn)量來看，紫云英36 000 kg/hm2+純N 90 kg/hm2 表現(xiàn)最佳。與常規(guī)施肥相比，翻壓紫云英還田可以提高早稻中后期干物質積累比例，提高植株氮素積累量和氮收獲指數(shù)。紫云英替代系數(shù)的變化表明，在早稻供氮量充足的情況下，隨著紫云英還田量在全部施肥量中比例的增加，紫云英替代氮肥效應的能力逐漸減弱。

關鍵詞：水稻;施氮水平;紫云英;氮素吸收利用;關系模型

中圖分類號： S551;S344文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）07-0071-07

收稿日期：2020-07-06

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2016YFD0300208）;國家自然科學基金（編號：41661070）。

作者簡介：楊濱娟（1985—），女，山東淄博人，博士，助理研究員，主要從事耕作制度與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究。E-mail：yangbinjuan@jxau.edu.cn。

通信作者：黃國勤，博士，教授，主要從事作物學、生態(tài)學、農(nóng)業(yè)發(fā)展與區(qū)域農(nóng)業(yè)、資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展等研究。E-mail：hgqjxes@sina.com。

長江中下游冬閑田、冬季光溫水熱等資源的合理開發(fā)利用一直是我國重點關注的農(nóng)業(yè)問題[1-2]。江西、湖南等省是我國雙季稻主產(chǎn)區(qū)，但在晚稻收獲后由于茬口緊、冬種作物品種少、經(jīng)濟效益低等原因，90%以上的農(nóng)戶會選擇撂荒，造成土地和光、溫、水、熱資源的嚴重浪費[3-5]。利用冬閑田種植紫云英、油菜等綠肥，可以美化農(nóng)村環(huán)境，帶動當?shù)芈糜萎a(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展[6]，還可以減少粉塵揚灰，降低霧霾指數(shù)，有利于改善空氣質量[7]，能夠防止水土流失，改善土壤肥力，維持稻田生態(tài)環(huán)境[8-9]。氮素是水稻生長必不可少的營養(yǎng)元素之一[10]，但氮肥的過量施用，不僅會導致水稻貪青晚熟、倒伏減產(chǎn)，降低氮肥利用效率[11]，還極易造成土壤中氮素盈余，導致農(nóng)業(yè)資源浪費、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[12]。因此，如何在維持水稻產(chǎn)量的同時提高氮肥利用效率，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)水稻優(yōu)質、高產(chǎn)、高效是當前水稻生產(chǎn)亟待解決的問題[13-14]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部啟動“減肥減藥”行動，力爭在2020年實現(xiàn)農(nóng)作物化肥、農(nóng)藥施用量零增長，如何做到“減肥”但不減產(chǎn)，有機肥的使用是關鍵，提高有機肥的利用率，保證土壤肥力不減，那么基礎產(chǎn)出能力就不會降低[15-17]。胡安永等研究發(fā)現(xiàn)，紫云英—水稻輪作模式下的水稻植株氮素積累量顯著大于冬閑—水稻、小麥—水稻和油菜—水稻[18-19]。Mohanty等研究表明，與單施化肥相比，綠肥和化肥配施可以顯著提高作物氮肥利用率[20]。楊濱娟等研究表明，在紫云英盛花期，翻壓60%的鮮草量配施常規(guī)施氮的60%氮肥可以有效提高氮肥利用效率，改善稻田氮素循環(huán)情況[21]。因此，冬種紫云英配施減量氮肥是目前綠肥在水稻生產(chǎn)中應用的發(fā)展趨勢[22]，但現(xiàn)有研究多是針對紫云英鮮草全量或某特定鮮草量還田后氮肥減施量的研究，鮮有研究不同紫云英鮮草量全量還田條件下氮肥的減施比例。本試驗根據(jù)前期盆栽試驗結果[23]，結合大田紫云英實際生長情況，分析不同紫云英鮮草量全量還田條件下，減施氮肥對水稻產(chǎn)量、干物質積累情況以及氮素積累的影響，利用施氮量和水稻產(chǎn)量建立純N-紫云英-水稻產(chǎn)量的關系模型，旨在探明紫云英還田配施減量氮肥的最優(yōu)模式，為南方稻田合理施肥提供理論指導和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地地理位置與氣候條件

于2015年9月至2017年12月，試驗在江西農(nóng)業(yè)大學科技園水稻試驗田（115°55′E、28°46′N）進行。試驗地屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年均太陽總輻射量為4.79×1013 J/hm2，年均日照時數(shù)為 1 852 h，年均日溫≥0 ℃的積溫達6 450 ℃，年降水量1 624 mm，年平均氣溫在17.1～17.8 ℃。供試土壤為發(fā)育于第四紀的紅黏土，為亞熱帶典型紅壤分布區(qū)。試驗前表層0～15 cm土壤pH值5.97，堿解氮含量23.33 mg/kg，有效磷含量15.58 mg/kg，速效鉀含量34.75 mg/kg，有機質含量24.58 g/kg，全氮含量1.97 g/kg，全磷含量0.23 g/kg，全鉀含量26.49 g/kg。

1.2 試驗設計與材料

根據(jù)前期盆栽試驗結果[23]，在大田試驗中考慮紫云英的實際生長情況，設定4個梯度的紫云英鮮草還田量，即0、27 000、36 000、45 000 kg/hm2，設定4個梯度的早稻氮肥施用量，即純N180（常規(guī)施氮）、120、90、60 kg/hm2。每個處理4次重復，共16個小區(qū)，小區(qū)面積為16.5 m2（5.5 m×3 m），小區(qū)之間用水泥埂隔開，以防止水肥串流。為了使大田試驗更具有實際操作的意義，晚稻施肥不進行減氮處理，按常規(guī)施肥量進行，詳見表1。

供試紫云英為余江大葉籽，早稻為中嘉早17，晚稻為天優(yōu)華占。紫云英播種量分別為510、375、25.5 kg/hm2，播種時間在2016年10月4日，播種時用鈣鎂磷肥（含P2O5 12%）拌種，P2O5用量45 kg/hm2，所用磷肥在水稻施肥總量中扣除，紫云英在盛花期（2017年4月1日）還田，鮮草含水量90.20%，干草含氮量2.74%。早稻于2017年3月27日播種，4月27日移栽，7月23日收割。晚稻于2017年6月28日播種，7月29日移栽，10月29日收割。移栽時行距23 cm，株距20 cm，每小區(qū)338叢（20.48叢/m2）。

常規(guī)施肥種類及用量：每季施純N 180 kg/hm2（肥料品種為尿素，含N 46%），P2O5 90 kg/hm2（肥料品種為鈣鎂磷肥，含P2O5 12%），K2O 120 kg/hm2（肥料品種為氯化鉀，含K2O 60%）。氮肥按基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=3 ∶4 ∶3施用;磷肥作基肥一次性施入;鉀肥按分蘗肥 ∶穗肥=7 ∶3施用?；试诓逖砬? d施下，分蘗肥在水稻移栽后5～7 d時施用，穗肥在主莖幼穗長1～2 cm時施用。其他田間管理措施同一般大田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 作物產(chǎn)量

冬季作物紫云英在其盛花期，采用五點法，每點測1 m2生物量鮮質量。水稻在成熟期每個小區(qū)隨機取5叢植株，自然風干做考種材料，測定穗長、每穗粒數(shù)、實粒數(shù)、千粒質量和有效穗數(shù);水稻收獲時，每個小區(qū)單獨打谷晾曬，測定各小區(qū)產(chǎn)量。

1.3.2 水稻主要生育期含氮量及氮素吸收利用效率測定

每個時期植株干物質積累稱量結束后，將其粉碎混勻，采用H2SO4-H2O2消化，以半微量凱氏定氮法測定植株各器官全氮含量[24]。其他指標計算方法如下[25]：

氮素干物質生產(chǎn)效率（kg/kg）=單位面積植株干物質積累量/單位面積植株氮素積累總量;

氮素稻谷生產(chǎn)效率（kg/kg）=單位面積籽粒產(chǎn)量/單位面積植株氮素積累總量;

氮素收獲指數(shù)=籽粒氮素積累量/地上部氮素積累總量×100%;

氮素減投比=（常規(guī)施氮量-實際施氮量）/紫云英還田氮素總量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)計算統(tǒng)計及繪圖，采用SPSS 19.0軟件進行方差分析和多重比較，在α=0.05水平下進行方差分析，采用Duncans新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 紫云英還田與氮肥配施對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素的影響

從表2可以看出，各處理間的早稻、晚稻和全年產(chǎn)量均差異不顯著。

從表3早稻數(shù)據(jù)可以看出，處理B的穗長最大，處理A最小，且顯著低于處理B和處理C（P<0.05）。處理B的結實率最低，與其他處理間差異顯著（P<0.05），且對照處理A的結實率最高，為82.31%，較處理B高出13.27%。在每穗粒數(shù)、千粒質量和有效穗數(shù)方面，各處理間差異均不顯著。晚稻數(shù)據(jù)顯示，各因素指標的4個處理之間，大小均無顯著性差異?？梢钥闯?，不同的紫云英翻壓量配施減量氮肥能夠保持水稻產(chǎn)量，不會造成水稻減產(chǎn)。

2.2 紫云英還田與氮肥配施對早稻干物質生產(chǎn)特性的影響

2.2.1 早稻主要生育期的干物質量

從圖1可以看出，各時期各處理之間干物質量差異均不顯著。在分蘗期，處理A的干物質量略高于其他處理，而在其他時期，均為處理B最高，各處理之間的差異隨著水稻的生長越來越明顯。在孕穗期、抽穗期和成熟期，各處理干物質量大小趨勢一致。可以看出，紫云英與減量氮肥和常規(guī)施肥對早稻干物質積累影響的差異主要體現(xiàn)在早稻生長的中后期。

2.2.2 早稻主要生育階段干物質積累量和比例

從圖2可以看出，在播種—分蘗期，干物質積累比例最大的是處理A，最小的是處理B;在分蘗—孕穗期干物質積累比例最大的是處理D，最小的是處理C;在孕穗—抽穗期積累比例最大的是處理C，最小的是處理A;在抽穗—成熟期積累比例最大的是處理B，最小的是處理D?？梢缘贸?，紫云英與氮肥減量配施可以提高早稻在孕穗—抽穗期階段的干物質積累比例。

2.3 紫云英還田與氮肥配施對早稻氮素吸收利用的影響

2.3.1 早稻主要生育期各器官含氮量

植株含氮量直接反映了水稻吸收氮素的能力。從表4可以看出，在分蘗期和孕穗期，各處理莖、葉含氮量之間差異均不顯著。到抽穗期，各器官含氮量出現(xiàn)明顯差異，處理D的莖含氮量顯著高于處理B和對照處理A（P<0.05）。在成熟期，莖和葉的含氮量均是處理D最大，成熟期處理C的穗含氮量最高，但各處理間差異不顯著。由此可見，本試驗中3種配施方式下早稻各器官含氮量與常規(guī)施肥方式在同一水平。

2.3.2 早稻主要生育期氮素積累量

從圖3可以看出，各個時期的氮素積累量在各處理間差異均不顯著。在分蘗期，氮素積累量最大的為處理A，在孕穗期、抽穗期和成熟期，氮素積累最高的為處理B，且對照處理A的氮素積累量持續(xù)最低。在成熟期，處理B的氮素積累量比對照處理A高出13.61%，比處理C和D分別高出6.69%、9.40%。由此可見，紫云英翻壓還田配施減量氮肥對早稻氮素積累的影響主要表現(xiàn)在中后期，且氮素積累總量隨著紫云英翻壓比例的增加而減少。

2.3.3 早稻氮素利用效率

由表5可知，氮素干物質生產(chǎn)效率、氮素稻谷生產(chǎn)效率和氮素收獲指數(shù)在各處理之間均無顯著差異。處理C的氮素干物質生產(chǎn)效率為74.98 kg/kg，較對照處理A高1.94%，氮素干物質生產(chǎn)效率最低的為處理D。氮素稻谷生產(chǎn)效率最高的為處理A，高出其他處理平均值 6.02 kg/kg，最低的為處理B。氮素收獲指數(shù)最高的為處理C，比對照處理A高3.07%，處理D的氮素收獲指數(shù)最低。由此可見，本試驗中的3種配施方式下早稻氮素吸收利用效率與常規(guī)施肥方式在同一水平。

2.4 純N-水稻產(chǎn)量關系模型及紫云英替代系數(shù)

2.4.1 純N-水稻產(chǎn)量關系模型

氮肥施用量對水稻生長動態(tài)、干物質積累、產(chǎn)量構成、植株含氮量等的影響，最終反映為對產(chǎn)量的影響。眾多研究表明，水稻產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，其過程可用拋物線方程來描述[26]，其表達式為：

Y=a1+a2N+a3N2。（1）

式中：Y代表水稻產(chǎn)量;N代表純氮施用量;a1、a2、a3為方程系數(shù)。根據(jù)江西農(nóng)業(yè)大學科技園生態(tài)學試驗基地（115°55′E、28°46′N）水稻試驗田近年試驗結果[27]得出，江西農(nóng)業(yè)大學科技園生態(tài)學試驗基地水稻試驗田的純N與水稻產(chǎn)量的回歸統(tǒng)計方程（圖4）為：

Y=4 358.1+18.534N-0.013N2 （r2=0.953 9）。（2）

2.4.2 純N-紫云英還田量-水稻產(chǎn)量關系模型及紫云英替代系數(shù)

在紫云英-雙季稻種植模式系統(tǒng)中，翻壓紫云英還田時其植株中的氮素可代替部分氮肥為水稻提供養(yǎng)分，因此在純N-產(chǎn)量關系中，其純N部分可增加為：純N+紫云英提供的氮。根據(jù)公式（2）可以得出純N-紫云英還田量-水稻產(chǎn)量關系模型，其表達式為：

Y=4 358.1+18.534（N+eM）-0.013（N+eM）2。（3）

式中：M代表紫云英還田量;e為紫云英替代系數(shù)，e的大小反映紫云英還田對氮肥效應替代能力的強弱。

由公式（3）得到2017年紫云英還田量-水稻模式中的紫云英替代系數(shù)（表6），從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著紫云英還田量在全部施肥量中的比例增加，紫云英替代系數(shù)減小。在紫云英還田量為 27 000 kg/hm2 時，紫云英替代系數(shù)最高，為 3.406×10-3;還田量為45 000 kg/hm2時，紫云英替代系數(shù)為2.173×10-3。表中氮素減投比數(shù)據(jù)顯示，各試驗處理的氮素減投比均小于1，說明各處理的紫云英還田氮素總量均大于該處理的氮肥減施量，即該處理在早稻季供氮量充足。

3 討論

綠肥和化肥配合施用，既可以保證水稻需肥高峰期的營養(yǎng)供應，又能保證肥效平穩(wěn)，在水稻中后期可以顯著提高植株對肥料的吸收利用[28-30]。錢晨晨等研究表明，紫云英與氮肥配施的氮素積累量均較單施氮肥有顯著提高，其增幅在6.95%～1868%;且氮收獲指數(shù)以紫云英配施純N 90 kg/hm2 處理最高[31]。廖育林等研究表明， 減少20%施氮量與紫云英配合能夠維持水稻生長季的持續(xù)供氮，促進植株氮素吸收;而減少40%的施氮量與紫云英配合，在早稻中后期供氮充足，有利于氮素向籽粒轉運，提高氮素收獲指數(shù)[32]。有研究表明，大田冬種紫云英有利于水稻對氮素的吸收利用，可以有效提高稻田氮肥利用率[28-29，33]。魯艷紅等通過研究紫云英與氮肥配施對氮素利用率的影響，發(fā)現(xiàn)混施處理的水稻植株氮素積累量較單施氮肥的有所提高[34]。本研究中，紫云英27 000 kg/hm2+純N 180 kg/hm2 和紫云英45 000 kg/hm2+純N 180 kg/hm2 的成熟期氮素積累量較常規(guī)施氮處理有所提高，這與前人的結果一致。但各施肥處理成熟期穗的含氮量低于常規(guī)施氮處理，可能是因為紫云英配施氮肥主要是通過提高水稻干物質，從而提高了氮素積累量。水稻氮肥利用率低是目前水稻生產(chǎn)面臨的重要問題，而且過量施用氮肥不利于水稻對氮肥的吸收利用[35-36]。本研究中，紫云英可以代替一部分氮肥，在保證水稻產(chǎn)量的同時提高氮肥利用率，這與前人研究結果[32，37]類似。另外，紫云英還田的處理氮素稻谷生產(chǎn)效率均較常規(guī)施肥處理低，說明紫云英還田后，顯著提高了早稻干物質積累量，而多吸收的氮素沒有增加早稻產(chǎn)量，這與前人的研究結果[38-40]相似。董作珍等研究發(fā)現(xiàn)，通過施肥水平提高水稻植株氮素積累量，其中更多的氮素是被積累在水稻秸稈中[41]。而本試驗中，紫云英還田的紫云英27 000 kg/hm2+純N 120 kg/hm2和紫云英 36 000 kg/hm2+純N 90 kg/hm2的氮收獲指數(shù)均較常規(guī)施肥的高，說明紫云英還田有利于氮素在籽粒中積累。

劉春增等在河南信陽進行了3年的定位試驗，通過對翻壓紫云英配施減氮處理對土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量的比較分析顯示，紫云英在還田量為22 500 kg/hm2的情況下，化肥使用量可以減少到常規(guī)施用量的40%[42]。周興等在湖南省南縣的4年大田定位試驗結果顯示，紫云英還田量在22 500 kg/hm2的情況下，減少化肥用量20%和40%對水稻增產(chǎn)的效果分別為2.37%、334%[43]。本試驗中，紫云英 27 000 kg/hm2+純N 120 kg/hm2 對早稻增產(chǎn)254%，而紫云英 36 000 kg/hm2+純N 90 kg/hm2和紫云英 45 000 kg/hm2+純N 60 kg/hm2分別造成早稻減產(chǎn)071%、7.43%。各試驗處理的土壤有效養(yǎng)分含量均有提高的趨勢，其中堿解氮、速效鉀和有機質含量及土壤pH值較對照處理平均提高439%、499%、6.91%和1.47%。說明翻壓紫云英還田+≥50%氮肥，在氮素供應充足時，可以維持土壤肥力且不減產(chǎn)，甚至有小幅增產(chǎn)[44]，而當紫云英還田+<50%氮肥時，即使紫云英還田氮素總量充足，也會造成水稻減產(chǎn)，說明紫云英還田的氮素相對于化肥肥料，其氮素供應能力相對不足[45]，進一步說明紫云英可以作為氮肥補充氮源，但不宜作為水稻氮源供應作物[46]。

4 結論

紫云英27 000 kg/hm2+純N 120 kg/hm2有提高早稻產(chǎn)量的趨勢，紫云英45 000 kg/hm2+純N 60 kg/hm2 處理的晚稻產(chǎn)量最高，從全年產(chǎn)量來看，紫云英36 000 kg/hm2+純N 90 kg/hm2處理最佳。與常規(guī)施肥相比，翻壓紫云英還田可以提高早稻中后期干物質積累比例，提高植株氮素積累量和氮收獲指數(shù)。紫云英替代系數(shù)的變化表明，在早稻供氮量充足的情況下，隨著紫云英還田量在全部施肥量中比例的增加，紫云英替代氮肥效應的能力逐漸減弱。各處理的氮素減投比均小于1，即本試驗中翻壓紫云英還田配施減量氮肥處理對早稻供氮量充足。

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