綠肥翻壓與氮肥減施對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤肥力的影響

梁琴,周澤弘,馬雪清,漆燕*,蔣進(jìn),韓文斌,全紫曼,莫坤,李勝,曹衛(wèi)東

(1.南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，四川 南充 637000；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

中國(guó)是世界上較大的水稻生產(chǎn)國(guó)之一，占全球水稻種植面積的19.1%，2016年水稻產(chǎn)量占全球的28.5%[1]。水稻是我國(guó)重要的糧食作物，由于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過度依賴化肥，尤其是氮肥的過量施用，帶來較多的資源浪費(fèi)，造成耕地質(zhì)量下降、持續(xù)生產(chǎn)能力減弱、稻田生態(tài)環(huán)境惡化、農(nóng)業(yè)面源污染等問題[2-3]，嚴(yán)重影響了中國(guó)稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。如何提升稻田肥力、提高水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)成為目前研究的熱點(diǎn)[4-5]。

綠肥是天然的清潔有機(jī)肥源，具有固氮吸碳、改善土壤物理性狀、提高土壤養(yǎng)分含量等作用，對(duì)稻田培肥有著十分重要的作用[6-8]。我國(guó)南方稻區(qū)冬季稻田大都處于閑置狀態(tài)，利用這一豐富的土地資源種植綠肥潛力巨大。冬綠肥與水稻輪作能夠充分利用光、溫、水、土等自然資源，明顯降低田間雜草，美化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，有助于消除病蟲害寄居的環(huán)境，減少病蟲害的發(fā)生[9]。山黧豆(Lathyrussativus)屬于豆科山黧豆屬，抗逆性強(qiáng)，養(yǎng)分含量豐富，也可作為青貯飼料[10-11]。因此，有必要將山黧豆納入四川稻區(qū)水稻輪作體系中，實(shí)現(xiàn)水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。

稻田綠肥輪作制度具有輕簡(jiǎn)高效、節(jié)本降耗等優(yōu)點(diǎn)，與可持續(xù)發(fā)展的理念相符，是落實(shí)“雙減”行動(dòng)，緊扣國(guó)家綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，在解決土壤質(zhì)量問題、提升經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的同時(shí)，快速推進(jìn)優(yōu)質(zhì)水稻生產(chǎn)發(fā)展。程會(huì)丹等[12]通過11年定位試驗(yàn)表明，與常規(guī)施肥相比，紫云英與化肥配施不同程度地提高了土壤微生物生物量碳、氮和可溶性有機(jī)碳、氮含量，使土壤肥力得到提高；陳靜蕊等[13]研究表明，亞熱帶雙季稻種植模式下，長(zhǎng)期紫云英還田配合減量施肥對(duì)早、晚稻產(chǎn)量和氮肥利用率均有正向作用，且能提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效氮含量。但山黧豆種植翻壓對(duì)水稻的影響鮮見報(bào)道，因此，本研究選用豆科綠肥南選山黧豆，與氮肥減量配施，通過3年連續(xù)定位試驗(yàn)，研究冬種山黧豆并減施氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量、稻米品質(zhì)及土壤肥力的影響，完善水稻優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)栽培技術(shù)理論，為構(gòu)建四川稻區(qū)山黧豆種植翻壓還田后科學(xué)施用氮肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)位于四川省南充市西充縣青獅鎮(zhèn)(E 105°49′16″、N 31°8′7″)，地處四川盆地淺丘寬谷地貌區(qū)，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，海拔386 m，年平均溫度17.5 ℃，年降雨量1 204.5 mm，>10 ℃積溫5 579.5 ℃，無(wú)霜期303 d，年日照1 353 h，供試土壤為水稻土，試驗(yàn)前土壤pH 8.17，有機(jī)質(zhì)25.22 g·kg-1，全氮1.78 g·kg-1，堿解氮83.71 mg·kg-1，有效磷5.01 mg·kg-1，速效鉀43.93 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試水稻品種為宜香優(yōu)2115。試驗(yàn)綠肥品種選用南選山黧豆(川審豆2012008)，該品種為綠肥、飼料兼用型品種，抗逆性好，適合在四川省丘陵區(qū)稻田種植[14]，其全氮、全磷、全鉀的質(zhì)量百分比分別為0.58%、0.24%和0.43%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間定位試驗(yàn)于2015年9月—2018年9月進(jìn)行。在種植山黧豆的基礎(chǔ)上，按照不同氮肥施用量共設(shè)6個(gè)處理，分別為冬閑+100% N肥(CK)、山黧豆+60% N肥(GM+N60)、山黧豆+70% N肥(GM+N70)、山黧豆+80% N肥(GM+N80)、山黧豆+不施肥(GM)和冬閑+不施肥(NF)。所施化肥分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)。100% N肥指當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量，即施用尿素375 kg·hm-2，減氮處理為在此基礎(chǔ)上分別減量20%(N80)、30%(N70)和40%(N60)。磷肥和鉀肥的施用量分別為750和150 kg·hm-2。其中磷、鉀肥全部作基肥一次性施用，氮肥按照基肥∶分蘗肥∶孕穗肥=5∶3∶2分次施用。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積20 m2(5 m×4 m)，各小區(qū)四周田埂寬30 cm，埂高30 cm，用聚乙烯薄膜覆蓋，防止肥水相互滲漏，區(qū)間留50 cm寬的溝，便于灌溉排水，田間管理與大田一致。

每年山黧豆和水稻的播種期和收獲期基本一致，山黧豆于每年9月下旬播種，播種量為60 kg·hm-2，次年4月中旬盛花期，于水稻播種前10～15 d定量翻壓，翻壓量為22 500 kg·hm-2。水稻于4月下旬劃行移栽，單株栽插，栽插密度15.0 cm×33.3 cm。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

水稻產(chǎn)量性狀測(cè)定：于2018年水稻成熟期每小區(qū)隨機(jī)收取10穴具有代表性的植株，測(cè)定株高、穗長(zhǎng)、有效穗數(shù)、穗實(shí)粒數(shù)、千粒重；分區(qū)收獲，單打單曬，測(cè)定小區(qū)產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量，并取樣進(jìn)行稻米品質(zhì)測(cè)定。

稻米品質(zhì)性狀：主要測(cè)定稻米加工品質(zhì)(糙米率、精米率和整精米率)、外觀品質(zhì)(堊白度粒率、堊白度、粒長(zhǎng)和粒寬)、蛋白質(zhì)及直鏈淀粉含量，測(cè)定方法參照田菁蘭等[15]方法進(jìn)行。

土壤養(yǎng)分含量：于2018年水稻收獲后，按照5點(diǎn)取樣法取0—20 cm耕層土壤混合樣，分析測(cè)定土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，測(cè)定方法按《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[16]進(jìn)行。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2016和SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，采用LSD法和t檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)稻谷和秸稈產(chǎn)量的影響

不同處理的稻谷和秸稈產(chǎn)量見表1。與常規(guī)施肥(CK)相比，山黧豆與氮肥減量配施均能提高稻谷產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為3.45%～13.84%，GM+N70和GM+N80處理對(duì)稻谷產(chǎn)量的增產(chǎn)效果均達(dá)到顯著水平，其中，以GM+N70處理增產(chǎn)效果最好，稻谷產(chǎn)量達(dá)到8 827.90 kg·hm-2，增產(chǎn)13.84%。

不同處理下，水稻的谷草比存在一定差異(表1)，隨著山黧豆替代氮肥比例的增加，谷草比先增加后降低，CK處理的谷草比最高，達(dá)到1.23，其次為GM+N60和GM+N70處理，谷草比分別為1.12、1.04。說明山黧豆替代30%～40%左右氮肥的水稻谷草比較高，可避免水稻旺長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)。

表1 不同處理的水稻產(chǎn)量Table 1 Yield of rice of different treatments

2.2 不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

水稻理論產(chǎn)量主要由有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率等因素構(gòu)成。不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子影響見表2。不同施肥處理對(duì)水稻穗長(zhǎng)、有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率沒有顯著影響，對(duì)株高、穗粒數(shù)和千粒重有一定影響。與CK相比，山黧豆與氮肥減量配施有利于增加水稻株高，提高穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率。其中GM+N80處理的株高最高，千粒重最大，結(jié)實(shí)率最高，分別較CK提高3.71%、4.08%和3.94%，但未達(dá)到顯著水平；GM+N70處理的穗長(zhǎng)最長(zhǎng)，穗粒數(shù)最多，理論產(chǎn)量最高，較CK分別提高0.77%、9.61%(P<0.05)和17.48%(P<0.05)；GM+N60處理的有效穗最多，較CK增加5.66%。不同處理下水稻理論產(chǎn)量差異明顯，山黧豆與氮肥減量配施的水稻理論產(chǎn)量均高于單施化肥和單施綠肥，說明山黧豆與氮肥減量配施可提高水稻產(chǎn)量，其中GM+N70處理對(duì)稻谷的增產(chǎn)效果達(dá)到顯著水平。

表2 不同處理的水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子Table 2 Yield component of rice of different treatments

2.3 不同處理對(duì)稻米主要品質(zhì)性狀的影響

不同施肥處理對(duì)稻米品質(zhì)有明顯影響(表3)。與CK相比，山黧豆處理及山黧豆與氮肥減量配施處理均能提高稻米的糙米率、精米率、整精米率和蛋白質(zhì)含量，降低堊白度、堊白粒率和直鏈淀粉含量。其中，GM處理的糙米率和精米率最高，分別為81.81%和80.98%，均顯著高于CK，其次為GM+N80處理；GM處理的蛋白質(zhì)含量最高，為9.87%，其次為GM+N70處理，均顯著高于CK；GM+N70處理的整精米率最高，堊白粒率最低，分別為78.02%和18.11%；GM+N80處理的直鏈淀粉含量最低，為14.26%，顯著低于除GM+N60外的其他處理。由此表明，山黧豆作為綠肥可有效改良稻米品質(zhì)。

表3 不同處理的稻米品質(zhì)Table 3 Rice quality indexes of different treatments

2.4 不同處理對(duì)土壤肥力的影響

不同處理對(duì)土壤肥力的影響見表4。施肥顯著提高了土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀含量，降低了土壤pH，對(duì)有效磷含量無(wú)顯著影響。山黧豆的施用能明顯提高土壤全氮、堿解氮和速效鉀含量。其中GM+N80處理的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量最高，分別較CK提高10.71%和28.17%；GM+N70處理次之，較CK分別提高7.94%和16.02%，均達(dá)到顯著水平。GM+N70處理的堿解氮、有效磷和速效鉀含量最高，分別較CK提高15.19%(P<0.05)、4.09%和24.78%(P<0.05)。由此表明，山黧豆配施能提高土壤肥力，其中GM+N70和GM+N80處理對(duì)提高土壤肥力有較好的效果。

表4 不同處理的土壤肥力Table 4 Soil fertility of different fertilizer treatments

3 討論

3.1 山黧豆與氮肥減施對(duì)水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響

水稻產(chǎn)量受多因素影響，栽培措施尤其是施肥措施是產(chǎn)量的重要影響因素，有研究表明[17-18]，綠肥替代部分氮肥有利于提高雙季稻產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率。黃晶等[19]研究表明，翻壓紫云英并減施氮肥20%～40%的條件下，水稻產(chǎn)量不會(huì)降低；劉思超等[17]研究表明，綠肥替代氮肥的比例為40%時(shí)仍能使水稻增產(chǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)，單施化肥或綠肥均不能提高水稻產(chǎn)量，且單施綠肥與單施氮肥相比，產(chǎn)量略有降低，表明山黧豆不能完全替代氮肥，但與氮肥配施能有效提高水稻產(chǎn)量。張璐等[6]也指出，紫云英不能完全替代氮肥。從綠肥替代氮肥比例來看，隨著山黧豆替代氮肥比例的增加，水稻產(chǎn)量先增加，再降低，以山黧豆替代氮肥30%左右產(chǎn)量最優(yōu)?？赡苁怯捎谏谨蠖拐急容^少時(shí)，山黧豆帶來的養(yǎng)分和氮素在水稻整個(gè)生育期中逐漸釋放，促進(jìn)了水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)，從而使產(chǎn)量增加；但隨著山黧豆替代氮肥的比例增加，使得土壤微生物量增加，活動(dòng)活躍，與植株生長(zhǎng)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，影響了水稻植株對(duì)養(yǎng)分的吸收及利用，進(jìn)而影響了水稻產(chǎn)量，與前人研究結(jié)論相一致[6,20-21]。

邱才飛等[22]研究發(fā)現(xiàn)，施肥主要通過增加水稻有效穗數(shù)和穗粒數(shù)來提高水稻產(chǎn)量；劉思超等[17]研究也表明，綠肥替代部分氮肥能有效促進(jìn)水稻的生殖生長(zhǎng)及營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，提高水稻分蘗能力，增加有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，從而提高水稻產(chǎn)量。但本研究發(fā)現(xiàn)，施肥主要通過影響穗粒數(shù)來影響水稻產(chǎn)量，對(duì)有效穗數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率影響較小，這與唐海明等[20]的研究結(jié)論相一致，但與邱才飛等[22]的研究結(jié)果存在一定差異，可能是由于有機(jī)肥種類、溫度等氣候條件差異，且研究水稻為雙季稻，早稻生育周期較短等因素造成。

3.2 山黧豆與氮肥減施對(duì)稻米主要品質(zhì)性狀的影響

糙米率、精米率、整精米率、堊白、粒型、蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量是評(píng)價(jià)稻米品質(zhì)的主要指標(biāo)。其中，整精米率越高，稻米加工品質(zhì)越高；堊白越少，稻米外觀品質(zhì)越高；蛋白質(zhì)含量越高、直鏈淀粉含量越低，稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)越好。李冠男[23]研究表明，有機(jī)肥配施氮、磷和鉀肥使稻米的堊白度和堊白粒率增加，降低了稻米的外觀品質(zhì)；但高有機(jī)質(zhì)含量稻田提高了水稻籽粒的蛋白質(zhì)含量，降低了直鏈淀粉含量，提高了稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn)，山黧豆與氮肥減量配施雖然一定程度上降低了稻米的外觀品質(zhì)，但明顯提高了稻米的加工品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，與前人研究結(jié)果相一致[23]，可能是山黧豆翻壓延緩了氮肥的肥效，山黧豆也釋放大量氮素，導(dǎo)致水稻生殖期土壤仍保持著較高的氮素含量，過高的氮素增加了稻米堊白度，使得稻米外觀品質(zhì)降低。隨著山黧豆替代氮肥比例的增加，稻米的加工品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)先升高后降低，外觀品質(zhì)則相反，以山黧豆替代氮肥20%～30%最優(yōu)。

3.3 山黧豆與氮肥減施對(duì)土壤肥力的影響

有研究表明，種植翻壓綠肥能改良土壤肥力[24-26]。程秀洲等[27]研究表明，紫云英翻壓與化肥配施，能顯著提高土壤有效磷、全磷、緩效鉀和全鉀含量。本研究表明，連續(xù)三年山黧豆翻壓，土壤pH降低；而土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀含量顯著提高，即山黧豆替代部分氮肥能顯著提高土壤肥力，且以替代20%～30%比例為佳，與程秀洲等[27]研究結(jié)果相一致?？赡苁欠N植翻壓山黧豆后，山黧豆根瘤共生固氮還田，提高了土壤養(yǎng)分含量及養(yǎng)分有效性。但張璐等[6]研究顯示，與常規(guī)施肥相比，綠肥與化肥氮減量 20%～40%配施處理下土壤全磷、全鉀、有效磷和速效鉀含量均無(wú)顯著變化，可能是由于該研究對(duì)象已連續(xù)9年持續(xù)性耕作，紫云英還田對(duì)土壤磷和鉀含量的影響達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)平衡。而本研究的研究年限較短，因此，山黧豆與氮肥減量配施能否持續(xù)保證土壤養(yǎng)分的供應(yīng)有待進(jìn)一步驗(yàn)證。