種植翻壓紫云英配施化肥對稻田土壤理化性狀和水稻產(chǎn)量的影響

聶良鵬，郭利偉，鄭春風，呂玉虎，張 夢，李本銀，潘茲亮，李 杰

（1信陽市農(nóng)業(yè)科學院，河南信陽464000；2河南省農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，鄭州450002）

0 引言

紫云英是中國南方稻區(qū)傳統(tǒng)的冬季綠肥作物之一，具有改善土壤理化性狀，提高土壤肥力，提高水稻產(chǎn)量和品質的作用[1-3]。近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強以及鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的崛起，紫云英在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域重新得到了人們的重視，大量應用隨之而來[4-5]，綠肥紫云英的快速發(fā)展勢必對保持水稻可持續(xù)生產(chǎn)發(fā)展具有重要意義。豫南稻區(qū)水稻生產(chǎn)上化肥投入量大、有機肥料投入比例偏低，稻田種植制度單一，稻田養(yǎng)分循環(huán)利用率低，輕視土壤培肥，耕地質量開始退化，已成為豫南稻區(qū)水稻生產(chǎn)的主要制約因素并日趨嚴重[6-7]。呂玉虎等[6]指出，減施20%和40%化肥配施紫云英可使土壤堿解氮和有機質含量顯著增加，并較100%化肥處理顯著提高產(chǎn)量。良好的農(nóng)田耕層構造可以協(xié)調土壤的水分和養(yǎng)分狀況，為作物高產(chǎn)奠定良好的土壤基礎[8]；土壤孔隙的變化可以引發(fā)其他理化性能的改變[9]。劉春增等[10]指出，紫云英配施化肥條件下，隨著化肥用量的減少有利于良好土壤結構的形成。紫云英被翻壓后，通過土壤微生物的作用改變土壤孔隙，進而改善其他理化性狀，從而培肥土壤提高作物產(chǎn)量。2009年以來，紫云英翻壓還田配施減量化肥對稻田土壤養(yǎng)分、水稻產(chǎn)量及穩(wěn)定性等方面多有研究報道[10-12]，前人多是從土壤理化性狀中化學性狀及產(chǎn)量這塊進行研究。而長期定位試驗條件下，紫云英翻壓還田配施減量化肥對土壤理化性狀中物理性狀尤其是土壤容重、孔隙度等的影響鮮有報道。本文依托于信陽市農(nóng)業(yè)科學院試驗園區(qū)長期定位試驗，研究紫云英配施化肥對稻田土壤容重、孔隙度、養(yǎng)分以及水稻產(chǎn)量的影響，旨在明確紫云英配施減量化肥對稻田土壤理化性狀和水稻產(chǎn)量的影響，以期為豫南稻區(qū)合理減肥、培肥和增產(chǎn)機制提供理論基礎和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于信陽市農(nóng)業(yè)科學院試驗園區(qū)(N 32°07'，E 114°05')，該地屬亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)，四季分明，年平均日照1900～ 2100 h；年平均氣溫15.1～ 15.3℃；年平均降水量900～ 1400 mm；相對濕度年均77%。田間定位試驗始于2008年，供試土壤為黃棕壤性潛育型水稻土，試驗前土壤基本理化性質為：pH 6.4，土壤容重1.30 g/cm3，有機質20.4 g/kg，全氮1.30 g/kg，堿解氮53.3 mg/kg，有效磷10.5 mg/kg，速效鉀74.9 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用2因素隨機區(qū)組設計，3次重復，共設6個處理：(1)對照不施肥(CK)；(2)100%化肥(100%F)；(3)紫云英＋100%化肥(MV+100%F)；(4)紫云英+80%化肥(MV+80%F)；(5)紫云英+60%化肥(MV+60%F)；(6)紫云英+40%化肥(MV+40%F)。紫云英原地種植，供試品種為‘信紫1號’，每年盛花期（4月10日左右）翻壓22500 kg/hm2，多余的移出小區(qū)，不夠的從別的小區(qū)移入?；势贩N氮肥為尿素、磷肥為過磷酸鈣、鉀肥為氯化鉀。100%化肥指當?shù)爻Ｒ?guī)施肥量，施用量為N 225 kg/hm2、P2O5135 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2，化肥中的磷鉀肥全部基施，氮肥按基肥:分蘗肥:孕穗肥=3:2:1分次施入。小區(qū)面積6.66 m2，長3.33 m，寬2.0 m，小區(qū)間筑埂，上覆塑料薄膜防止串水串肥。區(qū)組間留0.3 m寬的水溝，便于灌水和排水。水稻供試品種為‘Y兩優(yōu)689’，于每年4月下旬育秧，5月下旬劃行移栽，9月中旬收獲，小區(qū)栽插密度30萬穴/hm2，每穴2棵秧苗。移栽后灌淺水使秧苗返青，分蘗肥在移栽后1周施用，孕穗肥在曬田復水后施用，其他田間管理同常規(guī)大田管理一致。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 土壤容重、孔隙測定 于2018年和2019年9月下旬水稻收獲后用環(huán)刀采集0～ 20 cm土層土樣，測定土壤容重、土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度[13]；其計算公式如(1)～ (3)所示。

式中：Z0為環(huán)刀重(g)；Z1為飽和重(g)（環(huán)刀內土壤充分吸水直至飽和）；Z2為環(huán)刀內土壤吸水至飽和排出重力水后重量(g)（環(huán)刀內土壤充分吸水至飽和后靜置12 h）；Z3為烘干土重和環(huán)刀重(g)；V為環(huán)刀體積(cm3)。

1.3.2 土壤養(yǎng)分測定 用土鉆采集0～ 20 cm土層土樣，風干后測定土壤堿解氮（堿解擴散法）、有效磷（Olsen法）、速效鉀（醋酸銨浸提-火焰光度法）、有機質（重鉻酸鉀外加熱法）[14]。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素測定 成熟期每個處理取具有代表性植株10穴，測定株高、有效穗、穗實粒數(shù)，風干后測定千粒重。各小區(qū)單打單收，風干后測定小區(qū)稻谷產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2007和DPS7.05軟件對2年數(shù)據(jù)進行處理分析，用最小顯著極差法（LSD法）進行多重比較，采用兩年數(shù)據(jù)平均值進行做表。

2 結果與分析

2.1 翻壓紫云英條件下減施化肥對水稻收獲期土壤容重的影響

由表1可以看出，翻壓等量紫云英下不同減肥處理對水稻收獲期土壤容重、土壤孔隙度影響差異顯著。常年施用100%化肥處理的土壤容重顯著高于其他處理，MV+100%F除外；MV+100%F的土壤容重顯著高于其他幾個減肥處理(MV+80%F、MV+60%F、MV+40%F)以及CK；3個減肥處理的土壤容重均顯著小于其他處理，3個減肥處理之間差異不顯著。6個處理土壤總孔隙度大小表現(xiàn)為MV+80%F＞MV+40%F＞MV+60%F＞MV+100%F＞CK＞100%F，減肥處理與其他處理之間差異顯著；CK土壤總孔隙度大于100%F，小于翻壓紫云英處理，其中CK與3個減肥處理之間差異顯著。翻壓紫云英配施減量化肥處理比MV+100%F能顯著提高土壤毛管孔隙度；翻壓紫云英處理比CK和100%F能顯著提高土壤毛管孔隙度。

表1 不同施肥處理對收獲期土壤容重的影響

2.2 翻壓紫云英條件下減施化肥對水稻收獲期土壤養(yǎng)分含量的影響

由表2可知，6個處理土壤堿解氮的大小順序表現(xiàn)為MV+80%F＞MV+100%F＞MV+60%F＞MV+40%F＞100%F＞CK，其中，除MV+100%F與MV+60%F，100%F與MV+40%F之間差異不顯著外，其他處理之間差異均顯著；與對照不施肥相比，其他施肥處理較對照增加59.6%～ 90.2%的堿解氮；翻壓紫云英后減氮20%～ 40%與100%F處理相比，土壤堿解氮還能顯著提高，說明翻壓紫云英可以替代20%～ 40%氮肥。與對照不施肥相比，施肥顯著增加了土壤有效磷含量，增加幅度達到53.8%～ 93.1%；與MV+100%F相比，翻壓等量紫云英下化肥減施20%～ 60%顯著降低了土壤有效磷含量，各減肥處理之間的土壤有效磷含量無顯著差異。與對照不施肥相比，100%F速效鉀含量略有提高，差異不顯著；與CK相比，紫云英配施化肥土壤速效鉀含量顯著降低，降幅5.5%～ 17.8%。與對照不施肥相比，紫云英配施化肥可顯著提高土壤有機質含量，增幅為15.0%～ 26.0%；與100%F處理相比，翻壓紫云英處理顯著提高土壤有機質含量。

表2 不同施肥處理對收獲期土壤養(yǎng)分含量的影響

2.3 翻壓紫云英條件下減施化肥對水稻產(chǎn)量的影響

6種處理水稻產(chǎn)量大小順序為：MV+80%F＞MV+60%F＞MV+100%F＞100%F＞MV+40%F＞CK（表3），除MV+100%F與MV+60%F，100%F與MV+40%F之間差異不顯著外，其他處理之間差異均顯著；相對于CK，各施肥處理產(chǎn)量提高30.0%～ 39.6%，在翻壓等量紫云英22500 kg/hm2下，化肥用量減少20%和40%，水稻產(chǎn)量比100%F均有所增加，分別增產(chǎn)7.1%和2.7%；相對于100%F，翻壓紫云英后，化肥用量減少60%，水稻只減產(chǎn)0.3%，化肥用量不減少的情況下，水稻增產(chǎn)2.5%。

表3 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量的影響

2.4 翻壓紫云英條件下減施化肥對水稻產(chǎn)量性狀的影響

與不施肥對照相比，各施肥處理顯著提高了水稻株高，各施肥處理之間無顯著差異（表4）。與不施肥和單施化肥相比，翻壓紫云英處理顯著提高了水稻有效穗，各翻壓處理之間無顯著差異。與CK相比，100%F提高了實粒數(shù)，差異不顯著，翻壓紫云英處理顯著降低了實粒數(shù)。各翻壓紫云英處理及CK和100%F對水稻千粒重無顯著影響。綜合產(chǎn)量來看，翻壓紫云英處理主要是通過提高水稻有效穗來提高產(chǎn)量。

表4 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量性狀的影響

3 討論與結論

3.1 翻壓紫云英條件下減施化肥對稻田理化性狀的影響

秸稈還田可以降低土壤容重和緊實度，增加土壤孔隙度，提高土壤肥力和生物活性[15]。作物秸稈的充分利用對下茬作物的生長和地力培肥具有重要促進作用[16]。紫云英種植翻壓還田可以固定、活化、富集土壤中的養(yǎng)分，提高土壤有機質含量、改善農(nóng)田土壤微環(huán)境、改良土壤理化性狀[12]。本研究結果表明，100%F和MV+100%F土壤容重顯著高于其他處理，長期翻壓等量紫云英配合化肥減施處理能顯著降低土壤容重；這可能是因為常年施用化肥，造成土壤板結導致土壤容重增大；本試驗中翻壓等量紫云英配施減量化肥能顯著提高土壤總孔隙度，且翻壓紫云英和減施化肥均可以顯著提高土壤毛管孔隙度；這可能是因為紫云英在被翻壓腐解的過程中，莖桿殘體的結構變化及腐解過程中分解轉化釋放的物質使土壤毛管孔隙度和土壤總孔隙度增大。土壤孔隙的改變能夠影響土壤水肥的利用，進而影響作物產(chǎn)量[17]，產(chǎn)量數(shù)據(jù)的變化進一步印證此結論（表3），關于土壤孔隙的改變是直接影響土壤水肥的利用還是通過微生物的作用間接改變土壤水肥的利用還有待進一步研究。

綠肥與化肥配施能提高土壤養(yǎng)分及有機質含量，尤其是長期定位試驗條件下的全氮、全磷含量[12]。施用綠肥能提高土壤養(yǎng)分，尤其是有機質、速效鉀、速效磷和堿解氮含量，從而提高作物的產(chǎn)量和品質[18-19]。本試驗結果指出，翻壓紫云英可以提高土壤有機質和堿解氮含量，這與前人的研究結果基本一致[10,18]。而與MV+100%F相比，翻壓等量紫云英下化肥減施20%～ 60%卻顯著降低了土壤有效磷、速效鉀含量，這可能是由于作物從土壤中帶走了較多的磷、鉀；而紫云英含磷量少，腐解后對土壤有效磷補充較少[6]；長年減肥磷素、鉀素得不到補充導致有效磷、速效鉀含量顯著下降，因此，為了維持稻田土壤養(yǎng)分含量平衡，不建議減施磷鉀肥。在翻壓等量紫云英時，化肥施用量不同是引起有效養(yǎng)分變化的主要因素[10]。本試驗結果表明，在翻壓等量紫云英條件下，化肥減施雖然提高了土壤堿解氮和有機質含量，卻顯著降低了土壤有效磷、速效鉀含量，這可能跟綠肥必須與適量化肥配施才能發(fā)揮其增產(chǎn)潛力有關[12]。

3.2 翻壓紫云英條件下減施化肥對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的影響

土壤孔隙度的改善能改良土壤養(yǎng)分狀況，進而提高小麥和玉米的產(chǎn)量[20]。合理種植并適時翻壓紫云英，能有效提高水稻產(chǎn)量，提升土壤肥力和土壤質量，對水稻可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義[19,21-22]。已有研究表明紫云英翻壓量15000～ 30000 kg/hm2時，減施化肥20%～ 40%，水稻仍能保證不減產(chǎn)[23-25]。本研究結果表明，紫云英翻壓量22500 kg/hm2時，化肥減施20%～ 40%，與100%F相比，水稻產(chǎn)量增加2.7%～ 7.1%，與前人研究結果一致。與常規(guī)施肥相比，MV+100%F產(chǎn)量提高2.5%，表明紫云英與化肥配施有助于水稻產(chǎn)量的提高，這是由于紫云英翻壓還田后，提高了土壤總孔隙度和毛管孔隙度，進而改善土壤的水肥條件，從而提高水稻產(chǎn)量。王建紅等[26]研究認為，與不施肥處理相比，施化肥主要是增加水稻實粒數(shù)，翻壓紫云英主要是顯著增加有效穗，兩者對籽粒千粒重沒有影響。徐昌旭等[22]指出，不同施肥方法對早稻實粒數(shù)影響顯著，對晚稻實粒數(shù)及千粒重無顯著影響。本研究表明，與不施肥處理相比，翻壓紫云英配施化肥處理顯著提高水稻株高、有效穗，顯著降低了水稻實粒數(shù)，對水稻千粒重沒有影響，這可能是由于翻壓紫云英配施化肥處理在水稻生長發(fā)育前期經(jīng)過紫云英鮮草有機物的礦化產(chǎn)生足夠多的養(yǎng)分供水稻進行營養(yǎng)生長和生殖生長，故其株高和有效穗顯著增加，但隨著生育時期的推移，翻壓紫云英各處理提供的養(yǎng)分不足以維持多出來的有效穗的穗粒數(shù)的養(yǎng)分供給，出現(xiàn)脫肥現(xiàn)象，故其實粒數(shù)顯著降低；千粒重主要受品種特性影響[22]，故翻壓紫云英配施化肥處理對千粒重無顯著影響。綜合產(chǎn)量及產(chǎn)量三要素來看，翻壓紫云英主要是通過提高有效穗來實現(xiàn)水稻高產(chǎn)。