混合綠肥還田對雙季稻干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響

張小毅，劉文露，向焱赟，肖峰，田偉，張玉盛，敖和軍*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128)

長期施用大量氮、磷、鉀等化肥會造成養(yǎng)分大量流失，土壤重金屬和有毒物質(zhì)含量增加，土壤微生物活性下降，土壤理化性質(zhì)變劣，進(jìn)而導(dǎo)致一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如土壤退化、水土流失嚴(yán)重、水土富營養(yǎng)化等[1]；因此，急需具備生態(tài)、可持續(xù)、肥效好等特性的產(chǎn)品代替化肥。研究[2-7]表明，豆科與非豆科綠肥混合還田，可以利用其在腐解速率和養(yǎng)分釋放速率上形成的時間差，最大限度地發(fā)揮綠肥肥效，滿足水稻對養(yǎng)分的需求，提高水稻產(chǎn)量，改善土壤肥力。前人研究多是側(cè)重豆科與非豆科綠肥混合還田對土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響，有關(guān)長江中下游稻區(qū)連續(xù)豆科與非豆科綠肥混合還田對雙季稻干物質(zhì)積累與產(chǎn)量的研究報道較少，且具體的混合模式也值得研究和明確。本研究中，通過田間小區(qū)試驗，以豆科綠肥紫云英、箭舌豌豆及非豆科綠肥黑麥草、油菜為材料，研究豆科與非豆科綠肥混合還田對雙季稻葉片光合特性、干物質(zhì)積累、分配規(guī)律及產(chǎn)量的影響，篩選出適合長江中下游雙季稻地區(qū)最佳混合還田模式，以期為合理利用綠肥以及水稻高產(chǎn)、高效栽培提供依據(jù)。

1 試驗區(qū)基本概況

試驗田所在區(qū)域為雙季稻主產(chǎn)區(qū)，種植制度為紫云英-雙季稻。稻田土壤類型為河流沖擊物發(fā)育而成的紫潮泥，土壤肥力中等，試驗前耕作層(0～20 cm)有機(jī)質(zhì)含量13.68 g/kg，全氮含量0.77 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為133.86、19.60、133.66 mg/kg，土壤pH 5.73。

2 材料與方法

2.1 材料

供試豆科綠肥為紫云英和箭舌豌豆，非豆科綠肥為黑麥草和油菜。早稻品種為中早39；晚稻品種為玉針香。水稻種子和綠肥均由湘陰縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局提供。

2.2 試驗設(shè)計

試驗于2018 年4 月至2019 年11 月在湖南省岳陽市湘陰縣白泥湖鄉(xiāng)里湖村(N28°22'，E112°52')進(jìn)行。共設(shè)置6 種還田處理：不施用綠肥，早、晚稻稻草還田(CK)；施用紫云英(22.5 t/hm2)及早、晚稻稻草還田(T1)；施用紫云英(11.25 t/hm2)、黑麥草(11.25 t/hm2)及早、晚稻稻草還田(T2)；施用紫云英(11.25 t/hm2)、油菜(3.75 t/hm2)及早、晚稻稻草還田(T3)；施用箭舌豌豆(11.25 t/hm2)、黑麥草(11.25 t/hm2)及早、晚稻稻草還田(T4)；施用箭舌豌豆(11.25 t/hm2)、油菜3.75(t/hm2)及早、晚稻稻草還田(T5)。其中T1 處理為單一綠肥還田處理，T2、T3、T4、T5 處理為綠肥混合還田處理。試驗采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。3 次重復(fù)。小區(qū)面積40 m2。小區(qū)間用田埂分離，防止水肥串流。早、晚兩季在同一試驗田進(jìn)行。保持小區(qū)排列不變，即在早稻收獲時采用人工收獲與整地，避免破壞小區(qū)田埂，按照原試驗設(shè)計繼續(xù)開展晚稻試驗。為不影響晚稻的生長，早稻秸稈粉碎(5 cm)后翻壓還田，還田量為7.5 t/hm2。晚稻秸稈也全部翻蓋還田。

早、晚稻均采用水育秧，人工移栽，移栽密度為19.98 cm×19.98 cm。早稻4 月中旬移栽，7 月中旬收獲；晚稻7 月中下旬移栽，11 月上旬收獲。綠肥10 月下旬(晚稻收獲前)套播。紫云英單獨還田處理播種量為35 kg/hm2，豆科與非豆科綠肥混合還田處理各綠肥播種量均為17.5 kg/hm2，且豆科綠肥與非豆科綠肥播種面積各占小區(qū)面積一半。綠肥于早稻移栽前5 d 翻壓還田。如果綠肥過多，則帶根移除；不夠，則從其他田塊帶根施入。本試驗總施肥量在當(dāng)?shù)厥┓柿康幕A(chǔ)上減少20%，基肥施用水稻專用復(fù)合肥(N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為20∶8∶12)450 kg/hm2，分蘗期追施尿素(含N 46.4%)75 kg/hm2和氯化鉀(含K2O 60%)112.5 kg/hm2。早、晚稻全生育期內(nèi)不施用化學(xué)除草劑，采用人工除草，其他田間管理措施均與常規(guī)大田生產(chǎn)一致。

2.3 測定項目與方法

2.3.1 葉片SPAD 值的測定

測定前各小區(qū)掛牌標(biāo)記長勢基本一致的10 株水稻，分別在早、晚稻分蘗中期、孕穗始期、抽穗期用便攜式葉綠素儀(Chlorophyll meter，SPAD-502)測定水稻主莖倒一展開葉的SPAD 值，以每片葉的上部1/3 處、中部、下部1/3 處SPAD 讀數(shù)的平均值作為該葉片的SPAD 值，取10 株水稻的平均值作為該小區(qū)葉片的SPAD 值。

2.3.2 葉片凈光合速率的測定

測定前各小區(qū)掛牌標(biāo)記長勢基本一致的3 株水稻，分別在早、晚稻分蘗中期、孕穗始期、抽穗期、成熟期用Li-6400 光合儀(LI-COR，美國)于晴天09:00—11:00 測定水稻植株的凈光合速率，選取水稻主莖倒一展開葉進(jìn)行測定，結(jié)果取其平均值。

2.3.3 干物質(zhì)積累量的測定

于早、晚稻分蘗中期、孕穗始期、抽穗期、成熟期各小區(qū)按平均莖蘗數(shù)取代表性植株5 穴，將水稻植株分為根、莖、葉、穗(齊穗期、成熟期)4 個部位，分別裝袋后于烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，用1/100 電子天平稱量各部位干質(zhì)量，計算各生育期干物質(zhì)群體積累量。

2.3.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)的測定

早、晚稻成熟收割前，按小區(qū)對角線選取有代表性的 12 株水稻，調(diào)查有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、結(jié)實率。收獲時按小區(qū)全收、全打測產(chǎn)，曬干后測定稻谷質(zhì)量和含水量，按標(biāo)準(zhǔn)含水量(13.5%)折算水稻的實際產(chǎn)量。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖；運用SPSS 25.0 進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析；采用LSD法進(jìn)行處理間的多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 豆科與非豆科綠肥混合還田對雙季稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表1 可知，與CK 相比，2 年雙季稻平均增產(chǎn)2.88%～14.74%。2018 年，T1、T2、T3、T4、T5 處理雙季稻產(chǎn)量顯著高于CK，T2、T3、T4、T5 雙季稻產(chǎn)量顯著高于T1，T3、T5、T4、T2、T1、CK 處理的產(chǎn)量依次降低；T3 處理雙季稻產(chǎn)量最高，為17.13 t/hm2，分別較CK、T1 增產(chǎn)14.74%、11.52%；T5 處理的產(chǎn)量次之，為16.98 t/hm2，分別較CK、T1 增產(chǎn)13.73%、10.55%，T3、T5 處理間雙季稻產(chǎn)量差異不顯著。2019 年，各綠肥還田處理T1、T2、T3、T4、T5 產(chǎn)量也顯著高于CK，T3、T4、T5 處理產(chǎn)量均高于T1，T3、T5 處理產(chǎn)量顯著高于T2、T4 處理，T3、T5、T4、T2、T1、CK 處理的產(chǎn)量依次降低；T3處理雙季稻產(chǎn)量最高，為 17.75 t/hm2，分別較CK、T1 增產(chǎn)14.74%、7.12%，T5 處理的產(chǎn)量次之，為 17.23 t/hm2，分別較 CK、T1 增產(chǎn)11.38%、3.98%。

豆科與非豆科綠肥混合還田后對雙季稻產(chǎn)量構(gòu)成因素有影響，2 年的變化趨勢基本一致(表1)。2018 和2019 年早稻產(chǎn)量差異主要來源于有效穗數(shù)和結(jié)實率，其中T2、T3、T4、T5 的有效穗數(shù)和結(jié)實率均高于T1 與CK 的，以T3 處理的最高，T5 處理的次之。2019 年早稻成熟期受天氣影響，導(dǎo)致結(jié)實率低于2018 年的。進(jìn)一步分析顯示，早稻產(chǎn)量與有效穗數(shù)(R2=0.486 4，P＜0.01)和結(jié)實率(R2=0.394 8，P＜0.05)呈正相關(guān)；2 年早稻各處理間穗粒數(shù)差異不顯著，均以CK 和T1 處理的最高；T1、T2、T3、T4、T5 處理的千粒質(zhì)量均高于CK 的，其中，2018 年早稻T5 處理的顯著高于CK，其余各處理間的差異未達(dá)到顯著水平。2019 年早稻各處理間的千粒質(zhì)量的差異不顯著，2年早稻千粒質(zhì)量均以T5 處理的最高。2018 年和2019 年晚稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的表現(xiàn)與早稻基本一致，晚稻產(chǎn)量主要受有效穗數(shù)和結(jié)實率的影響，其中T3、T5 處理有效穗數(shù)顯著高于其余各處理，兩者之間差異不顯著；而T3 處理的結(jié)實率顯著高于T5 處理的，并顯著高于其他各處理。進(jìn)一步分析表明，晚稻產(chǎn)量與有效穗數(shù)(R2=0.657 8，P＜0.01)和結(jié)實率(R2=0.298 0，P＜0.05)呈正相關(guān)。2年晚稻各處理間的穗粒數(shù)差異不顯著；與CK 相比，連續(xù)2 年綠肥還田處理T1、T2、T3、T4、T5能夠提高晚稻的千粒質(zhì)量，其中T1 處理的千粒質(zhì)量顯著高于CK 的。

表1 豆科與非豆科綠肥混合還田處理雙季稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 1 Yield and its components of double cropping rice treated with legume and non-legume green incorporation

3.2 豆科與非豆科綠肥混合還田對雙季稻干物質(zhì)積累的影響

從表2 可以看出，各生育時期早、晚稻群體干物質(zhì)積累量隨生育進(jìn)程的推進(jìn)不斷增加。除早稻分蘗中期外，其他3 個生育期T3、T5、T4、T2、T1、CK 處理的早稻群體干物質(zhì)積累量依次降低，與早稻產(chǎn)量表現(xiàn)出相同的趨勢。在早稻分蘗中期，CK 處理的群體干物質(zhì)積累量高于其余綠肥還田處理，但差異不顯著。早稻群體干物質(zhì)積累量于成熟期達(dá)到最大值，以T3 處理的最高，為16 441.03 kg/hm2，分別比CK、T1 的增加18.12%、11.75%。各處理晚稻群體干物質(zhì)積累量與早稻表現(xiàn)一致。晚稻群體干物質(zhì)積累量于成熟期達(dá)到最大值，以T3 處理的最高，分別比CK、T1 增加11.40%、7.93%。從早、晚稻各生育時期群體干物質(zhì)積累量來看，豆科與非豆科綠肥混合還田處理T3、T5 在增加群體干物質(zhì)量上要優(yōu)于單一豆科綠肥還田處理T1。

表2 2019 年豆科與非豆科綠肥混合還田處理雙季稻群體干物質(zhì)積累量Table 2 Dry matter accumulation of double cropping rice population treated with le gume and no n-legume green inc orporation in 2019

3.3 豆科與非豆科綠肥混合還田對雙季稻葉片SPAD 值的影響

由表3 可知，早稻各處理水稻葉片SPAD 值在孕穗始期和齊穗期高于晚稻的，在齊穗期表現(xiàn)最明顯；分蘗中期CK 葉片SPAD 值顯著高于T1、T2 處理，比T1、T2 處理分別增加7.68%、7.51%；孕穗始期，T3 處理的葉片SPAD 值最高，顯著高于CK，較CK 增加4.07%；齊穗期各處理間葉片SPAD 值差異不顯著。晚稻分蘗中期葉片SPAD 值T3 處理顯著高于CK、T1 處理，比CK、T1 處理分別增加4.80%、3.74%；孕穗始期T3 處理葉片SPAD 值顯著高于其余各處理，T1、T5 處理顯著高于CK、T2 和T4 處理；齊穗期T3、T5、T2、T4、T1、CK 處理水稻葉片SPAD 值依次降低，其中T3、T5 處理的顯著高于CK 的，分別比CK 增加2.14%、2.02%。水稻葉片SPAD 值與葉片葉綠素含量呈顯著正相關(guān)，豆科與非豆科綠肥混合還田處理T3、T5 在提高早、晚稻各生育時期葉片葉綠素含量上表現(xiàn)出較好的優(yōu)勢。

表3 2019 年豆科與非豆科綠肥混合還田處理雙季稻葉片SPAD 值Table 3 Leaf SPAD value of double cropping rice treated with legume and non-legume green incorporation in 2019

3.4 豆科與非豆科綠肥混合還田對雙季稻葉片凈光合速率的影響

由表4 可知，在早稻各生育期，各處理分蘗中期的葉片凈光合速率最高，成熟期的最低；在分蘗中期，CK 葉片凈光合速率顯著高于T1、T4處理，T2、T3 和T5 處理之間差異不顯著；在孕穗期、齊穗期和成熟期，T3、T5 處理葉片凈光合速率顯著高于CK、T1 處理；T3、T5 處理成熟期葉片凈光合速率差異不顯著，較CK 分別提高10.27%、9.68%，較T1 處理分別提高4.34%、3.78%。晚稻中，與CK、T1 處理相比，T3、T5處理能顯著提高各生育時期葉片凈光合速率；在成熟期，T3 處理葉片凈光合速率較CK、T1 處理的分別提高12.53%、10.71%，T5 處理較CK、T1處理分別提高11.90%、10.09%?？芍?，豆科與非豆科綠肥混合還田處理T3、T5 能夠有效延緩成熟期劍葉凈光合速率下降，使劍葉保持較強(qiáng)的光合能力。

表4 2019 年豆科與非豆科綠肥混合還田處理雙季稻葉片凈光合速率Table 4 Leaf net photosynthesis of double cropping rice treated with le gume and non -legume gr een inc orporation in 2019

4 結(jié)論與討論

光合作用是作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要因素。光合速率是衡量葉片光合作用強(qiáng)度的重要指標(biāo)，葉片光合速率與葉綠素含量具有密切的關(guān)系[8]。本研究結(jié)果表明，豆科與非豆科綠肥混合還田處理均能提高早、晚稻孕穗期至成熟期葉片的葉綠素含量，延緩齊穗后劍葉凈光合速率的下降，使“源”保持在較好的水平，這與湯軍[9]的研究結(jié)果一致。綠肥還田后會產(chǎn)生微生物“爭氮”現(xiàn)象，從而影響水稻前期生長發(fā)育[10]。本研究發(fā)現(xiàn)，在早稻分蘗中期產(chǎn)生了微生物“爭氮”現(xiàn)象，各綠肥還田處理葉片凈光合速率均低于CK。而豆科與非豆科綠肥混合還田與單一豆科綠肥還田相比，可以緩解微生物“爭氮” 現(xiàn)象，其原因有可能是豆科與非豆科綠肥腐解過程具有協(xié)同作用，還田后快速腐解并釋放養(yǎng)分，增加土壤礦質(zhì)氮含量，從而有利于緩解水稻生育前期氮素供應(yīng)不足的問題[11]。

作物產(chǎn)量的形成過程實質(zhì)上是干物質(zhì)積累與分配的過程[12]。本研究結(jié)果表明，綠肥還田對早稻分蘗中期群體干物質(zhì)積累產(chǎn)生了抑制作用，這與裴鵬剛等[13]的研究結(jié)果一致。豆科與非豆科綠肥混合還田較豆科綠肥單一還田可以提高早、晚稻各生育時期群體干物質(zhì)積累量，說明豆科與非豆科綠肥混合還田具有協(xié)同促進(jìn)作用，有利于群體干物質(zhì)的積累，在一定程度上起到了增“源”、擴(kuò)“庫”的作用，這與李萍等[7]的研究結(jié)果一致。

水稻產(chǎn)量的高低與植株干物質(zhì)生產(chǎn)和分配的關(guān)系密切。本研究結(jié)果表明，豆科與非豆科綠肥混合還田與豆科綠肥單獨還田、綠肥不還田相比，均有利于提高早、晚稻有效穗數(shù)和結(jié)實率，從而提高早、晚稻產(chǎn)量。其中，以T3 處理(紫云英及油菜還田)和T5 處理(箭舌豌豆及油菜還田)增產(chǎn)較明顯，2 年平均增產(chǎn)14.74%、12.56%。這與陶云彬等[6]的研究結(jié)果一致。究其原因，可能是所采用的豆科綠肥紫云英或箭舌豌豆腐解釋放N 元素較多，但P、K 元素供應(yīng)不足，搭配油菜還田后能提供足夠的P、K 元素，養(yǎng)分供應(yīng)達(dá)到平衡，實現(xiàn)水稻增產(chǎn)。

豆科與非豆科綠肥混合還田可促進(jìn)雙季稻生育后期葉片葉綠素含量的提高，有利于劍葉凈光合速率在生育后期維持較高水平，有效延緩生育后期劍葉凈光合速率的下降，增加雙季稻植株干物質(zhì)積累量，從而提高雙季稻稻谷產(chǎn)量。紫云英與油菜混合還田有利于雙季稻形成高光效群體，促進(jìn)干物質(zhì)積累與分配，顯著提高雙季稻有效穗數(shù)和結(jié)實率，增產(chǎn)效果最明顯。在長江中下游雙季稻稻區(qū)，紫云英及油菜混合還田模式在化肥減量20%的情況下能提高雙季稻產(chǎn)量，具有較好的應(yīng)用前景。