氮鉀減施下紫云英翻壓量對雙季稻產(chǎn)量及氮素利用的影響

聶鑫，魯艷紅，廖育林，程會丹，曹衛(wèi)東，聶軍,3*

(1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；2.湖南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；3.農(nóng)業(yè)部湖南耕地保育科學觀測實驗站，湖南 長沙 410125；4.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

化肥是糧食的“糧食”，在保障糧食安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中具有不可替代的作用[1]。然而，由于化肥的過量施用、盲目施用等問題，帶來糧食生產(chǎn)成本增加、環(huán)境污染風險提高、土壤肥力下降等系列問題[2-4]。這些問題已引起國家和社會各界的關(guān)注。為此，國家農(nóng)業(yè)部2015 年下發(fā)《到2020 年化肥使用量零增長行動方案》[5]。有機肥和無機肥配合施用是能減少化肥施用量、提高肥料利用率的重要措施[6]。綠肥是一種純天然的有機肥，能提供作物養(yǎng)分，提高糧食產(chǎn)量，促進優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，具有減少肥料投入、阻控面源污染、節(jié)能減耗、固定大量CO2等作用[7]。種植綠肥是合理用地、養(yǎng)地的重要措施，因此，現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展呼吁恢復(fù)發(fā)展綠肥生產(chǎn)。

中國南方稻田冬季閑置時間長，為發(fā)展綠肥提供了空間。紫云英是南方稻田最主要的綠肥作物，其自身氮素含量較高，可替代部分化肥的養(yǎng)分[8]。與化肥相比，紫云英腐解的揮發(fā)、分解時效較長，養(yǎng)分釋放緩慢。王建紅等[9]的研究表明，翻壓45 000 kg/hm2紫云英并減量配施化肥可維持水稻高產(chǎn)，同時能顯著提高氮肥的利用效率。馬艷芹等[10]的研究也發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)單施化肥相比，減施氮肥條件下翻壓紫云英可提高氮肥回收效率、氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力。高菊生等[11]的研究發(fā)現(xiàn)，與冬閑對照相比，種植翻壓紫云英顯著提高了稻谷產(chǎn)量、增產(chǎn)潛力和產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)。然而，這些研究大多基于短期試驗取得的結(jié)果。長期定位試驗可全面評價肥料的單項效應(yīng)、復(fù)合效應(yīng)及連續(xù)施用后的累加效應(yīng)和平均效應(yīng)及土壤質(zhì)量變化規(guī)律，越來越被世界各國土壤農(nóng)化科學工作者所重視。本研究中，探索連續(xù)11 年氮鉀減施下紫云英不同翻壓量對雙季稻產(chǎn)量、氮素利用率及土壤氮素的影響，旨在為推動化肥減量增效和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

早稻品種為中早25；晚稻為黃華占；紫云英品種為湖南省土壤肥料研究所選育的湘紫1 號。翻壓紫云英鮮草含水量為88.9%，紫云英干基養(yǎng)分N、P、K 質(zhì)量分數(shù)分別為37.5、3.50、37.2 g/kg。供試土壤為湖積物發(fā)育的紫潮泥。試驗開始前測得0～20 cm 土層土壤的pH 為7.7，有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分數(shù)分別為47.4、3.28、1.26、21.7 g/kg，堿解氮、有效磷、有效鉀質(zhì)量分數(shù)分別為251、15.6、98 mg/kg。N、P、K 化肥品種分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。

1.2 試驗設(shè)計

試驗開始于2008 年，持續(xù)11 年。試驗地位于湖南省南縣(N29°11′、E112°18′)。試驗地海拔高度30 m，屬洞庭湖雙季稻區(qū)，季風濕潤氣候，年平均氣溫16.6 ℃，年平均降水量1238 mm，年日照時間1775 h。

設(shè)當?shù)氐某Ｒ?guī)施肥量處理為T0，其N、P2O5、K2O 分別為150、75、120 kg/hm2；設(shè)4 個減氮、鉀肥翻壓紫云英還田處理，其氮、鉀肥用量為常規(guī)施肥量的80%，磷肥不變，紫云英用量分別為15 000、22 500、30 000、37 500 kg/hm2(分別記為T1、T2、T3、T4)，即紫云英氮素投入量相當于62.4、93.7、124.9、156.1 kg/hm2化肥氮；以不施肥為空白對照(CK)。共6 個處理。每個處理隨機排布，重復(fù)3 次。各試驗小區(qū)長5 m、寬4 m。小區(qū)間用高20 cm、寬30 cm 的田埂覆膜隔離。每個小區(qū)有單獨的排灌系統(tǒng)。晚稻收割前10～15 d 在小區(qū)內(nèi)均勻播撒紫云英種子，播種量為22.5 kg/hm2，不施任何肥料。早稻于每年3 月底育秧，4 月中、下旬移栽，移栽前10 d左右將紫云英稱質(zhì)量翻壓還田，淺水濕潤腐解。晚稻于6 月中旬育秧，7 月中、下旬移栽。晚稻無紫云英翻壓，各處理早稻、晚稻化肥施用量相同。尿素50%作基肥于移栽前1 d 施入；另外50%在分蘗盛期作追肥施入；磷肥和鉀肥均在移栽前作基肥施入?；适┤牒笥描F耙翻入5 cm 深的土層中。早晚兩季水稻收獲后，稻草移走不還田。

1.3 樣品采集與測定

早稻、晚稻成熟后各小區(qū)單打單曬，分別稱質(zhì)量測產(chǎn)。各小區(qū)采集5 株有代表性的水稻植株整樣，用于考種和養(yǎng)分含量測定。晚稻收獲后，采用五點取樣法，從每個小區(qū)采集0～20 cm 土層的土樣。土樣經(jīng)風干、磨樣、過篩后保存，備用。采用常規(guī)方法[12]測定土壤全氮和堿解氮質(zhì)量分數(shù)。

參照文獻[13]的方法，計算產(chǎn)量穩(wěn)定性和產(chǎn)量可持續(xù)性的相關(guān)指標：產(chǎn)量穩(wěn)定性用統(tǒng)計學中的變異系數(shù)(CV)表示，用CV 衡量早稻、晚稻在不同年份不同處理的平均產(chǎn)量間的變異程度，其值越小，產(chǎn)量穩(wěn)定性越高；產(chǎn)量可持續(xù)性用可持續(xù)產(chǎn)量指數(shù)(SYI)表示，SYI 值越高，代表系統(tǒng)可持續(xù)性越好。參照文獻[14]的方法，計算氮素利用率相關(guān)指標，包括稻谷氮素積累量、稻草氮素積累量、水稻氮素積累量、氮素回收利用率、氮素農(nóng)學利用效率、氮素偏生產(chǎn)力、氮素生理利用率。由于紫云英含有大量的氮，本研究中將紫云英所含氮素視為投入土壤中總氮素的一部分來計算，因此，計算中的氮素施入量為化肥氮投入量與紫云英氮投入量之和。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)、圖表采用IBM SPSS Statistic 20.0 和Microsoft Excel 進行處理；數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，用Duncan 新復(fù)極差法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮鉀減施翻壓紫云英對雙季稻產(chǎn)量及穩(wěn)定性的影響

從圖1、圖2、圖3 可知，早季、晚季及全年的水稻產(chǎn)量呈鋸齒狀波動，施肥處理的早季、晚季及全年的水稻產(chǎn)量均顯著高于CK 的。在同一年份不同施肥處理間產(chǎn)量變化趨勢基本一致，但同一處理不同年份間水稻產(chǎn)量波動較大，這可能是各年份之間氣候、降水等環(huán)境因素差異引起的。

圖1 氮鉀減施翻壓紫云英處理連續(xù)11 年的早稻產(chǎn)量Fig.1 The yield of early rice applied Chinese milk vetch with N and K reduction for 11 years

圖2 氮鉀減施翻壓紫云英處理連續(xù)11 年的晚稻產(chǎn)量Fig.2 The yield of early rice applied Chinese milk vetch with N and K reduction for 11 years

圖3 氮鉀減施翻壓紫云英處理連續(xù)11 年全年的水稻產(chǎn)量Fig.3 The yield of annual rice applied Chinese milk vetch with N and K reduction for 11 years

由表1 可知，與CK 相比，單施化肥和減施氮鉀翻壓紫云英處理都顯著提高了早季、晚季及全年的水稻產(chǎn)量，分別增長了81.4%～90.3%、43.1%～47.1%、58.3%～63.5%；施肥處理的產(chǎn)量間的差異無統(tǒng)計學意義；隨著紫云英翻壓量的增大，減施氮鉀翻壓紫云英處理的水稻產(chǎn)量先呈上升趨勢，T3 時產(chǎn)量最高，隨著紫云英翻壓量繼續(xù)增大，水稻產(chǎn)量反而降低，說明翻壓紫云英達到一定量時，其所含氮鉀養(yǎng)分可替代被減施的20%氮鉀化肥維持水稻產(chǎn)量。各處理早季、晚季及全年的水稻產(chǎn)量CV 分別為15.7%～28.7%、15.5%～19.6%、13.4%～18.9%，其中，早稻和全年產(chǎn)量CV 以T3 的最低，而晚稻以T4 的最低。各處理早季、晚季及全年水稻的SYI分別為48.5%～70.6%、58.0%～72.0%、64.8%～75.0%；與CK 相比，施肥處理提高了早季、晚季和全年的SYI；在減施氮鉀翻壓紫云英處理中，早稻和全年的SYI 隨紫云英翻壓量增大到30 000 kg/hm2時最大，繼續(xù)增加紫云英的翻壓量，SYI 反而下降，而晚稻的SYI 隨紫云英翻壓量的增大逐漸增加。

2.2 氮鉀減施翻壓紫云英對雙季稻氮素吸收的影響

通過分析2018 年植株產(chǎn)量(表2)發(fā)現(xiàn)，施肥對水稻產(chǎn)量影響顯著，晚稻的稻谷和稻草產(chǎn)量明顯高于早稻的。與CK 相比，各施肥處理的早稻、晚稻稻谷產(chǎn)量顯著增加，增幅分別為86.8%～99.4%和45.4%～51.5%。與T0 相比，除T3 顯著提高了早稻稻谷產(chǎn)量外，其他施肥處理的稻谷產(chǎn)量間的差異均無統(tǒng)計學意義；隨著紫云英翻壓量的增加，稻谷產(chǎn)量也增加，到T3 時最大，但紫云英翻壓量繼續(xù)增大，水稻產(chǎn)量又有減少的趨勢。稻草在早稻、晚稻的產(chǎn)量趨勢和稻谷的相似，施肥也顯著提高了稻草的產(chǎn)量。

表2 2018 年氮鉀減施翻壓紫云英處理的雙季稻生物量Table 2 The b iomass o f d ouble cropping ri ce a pplied Ch inese milk vetch with N and K reduction in 2018 kg/hm2

從表3 可知，晚稻的稻谷和稻草氮素積累量高于早稻的；與CK 相比，施肥處理顯著提高了稻草、稻谷氮素積累量；與T0 相比，減施氮鉀翻壓紫云英處理顯著提高了稻谷氮素積累量，早稻、晚稻的增幅分別為8.7%～18.6%、4.8%～11.0%；早稻稻谷氮素積累量隨紫云英翻壓量的增加而增加，而晚稻稻谷的氮素積累量先隨紫云英翻壓量的增加而增大，T3 的積累量最大，隨后繼續(xù)增加紫云英翻壓量，氮素積累量反而減少；早稻稻草的氮素積累量變化和稻谷的相似，減施氮鉀翻壓紫云英處理的氮素積累量顯著高于CK 和T0 的，增幅分別為138.1%～176.2%和16.7%～35.4%，而晚稻稻草氮素積累量除T1 的較低外，其他3 個減施氮鉀翻壓紫云英處理與T0 間的晚稻稻草氮素積累量差異無統(tǒng)計學意義。

表3 2018 年氮鉀減施翻壓紫云英處理的雙季稻氮素積累量Table 3 The nit rogen ac cumulation of do uble c ropping r ice applied Chinese milk vetch with N and K reduction in 2018 kg/hm2

2.3 氮鉀減施翻壓紫云英對雙季稻氮素利用率的影響

2.3.1 對總投入氮素利用率的影響

從表4 可知，從氮素回收利用率和偏生產(chǎn)力分析，早稻季T1 的氮素回收利用率最高，T0 的氮素偏生產(chǎn)力最高，在減施氮鉀20%條件下，除T2 的回收利用率外，總投入氮素的回收利用率和偏生產(chǎn)力均隨著紫云英翻壓量的增加而顯著降低，與T0相比，偏生產(chǎn)力降幅為18.8%～45.5%；晚稻變化趨勢與早稻的相反，T0 的氮素回收利用率和偏生產(chǎn)力最低，減施氮鉀20%條件下氮素回收利用率和偏生產(chǎn)力先隨著紫云英翻壓量的增加而增大，T3 時氮素回收利用率和偏生產(chǎn)力均最大，隨后繼續(xù)增加紫云英翻壓量，氮素回收利用率和偏生產(chǎn)力反而減小，與T0 相比，氮素回收利用率和偏生產(chǎn)力的增幅分別為30.5%～51.0%、23.5%～28.6%。從氮素農(nóng)學利用效率和生理利用率分析，早稻T0 的氮素農(nóng)學利用效率和生理利用率均顯著高于其他處理的，除T1外，減施氮鉀20%翻壓紫云英處理的氮素農(nóng)學利用效率和生理利用率均隨著紫云英翻壓量的增加呈下降趨勢，與T0 相比，氮素農(nóng)學利用效率和生理利用率的降幅分別為19.3%～50.0%、18.3%～33.0%；與T0 相比，晚稻減施氮鉀20%翻壓紫云英處理顯著提高了氮素農(nóng)學利用效率，晚稻T3 和T4 顯著提高了氮素生理利用率，且氮素農(nóng)學利用效率和生理利用率先隨紫云英翻壓量的增加而增大，T3 時最大，隨后繼續(xù)增加紫云英翻壓量，氮素農(nóng)學利用效率和生理利用率反而減小。

表4 2018 年氮鉀減施翻壓紫云英處理的雙季稻總投入氮素吸收利用效率Table 4 The to tal ni trogen u ptake and uti lization e fficiency of double cr opping ri ce a pplied C hinese milk v etch with N and K reduction in 2018

2.3.2 對早稻化肥氮素利用率的影響

從表5 可知，在早稻季，與T0 相比，除T4 的化學氮素農(nóng)學利用效率外，減施氮鉀翻壓紫云英處理顯著提高了化學氮素的吸收利用效率；在相同化肥施用量下，隨著紫云英翻壓量的增加，化學氮素的回收利用率和偏生產(chǎn)力呈先增加的趨勢，T3 時最高，隨后繼續(xù)增加紫云英翻壓量，回收利用率和偏生產(chǎn)力反而降低，且T4 的偏生產(chǎn)力顯著低于T3 的；化學氮素的農(nóng)學利用效率則是T2 和T3 的顯著高于T1 和T4 的，且T2 的最高。

表5 2018 年氮鉀減施翻壓紫云英處理的早稻化學氮素吸收利用效率Table 5 The ch emical N u ptake a nd utilization ef ficiency o f early ri ce a pplied Ch inese milk v etch w ith N a nd K reduction in 2018

2.4 氮鉀減施翻壓紫云英對土壤氮素的影響

由圖4 可知，除T3 外，與CK 和T0 相比，減施氮鉀20%翻壓紫云英處理均顯著提高了土壤中全氮和堿解氮質(zhì)量分數(shù)；T2 的土壤全氮質(zhì)量分數(shù)最高，T1 的土壤堿解氮質(zhì)量分數(shù)最高；在減施氮鉀20%翻壓紫云英處理中，T3 的土壤全氮和堿解氮質(zhì)量分數(shù)最低，但與T0 的差異無統(tǒng)計學意義。

圖4 2018 年氮鉀減施翻壓紫云英處理中土壤氮素養(yǎng)分含量Fig.4 The nitrogen contents of soil applied Chinese milk vetch with N and K reduction in 2018

3 結(jié)論與討論

適量紫云英還田可在一定程度上減少化肥的施用量，還能保證水稻產(chǎn)量不降低，甚至有顯著提高[15]。本研究中，紫云英氮素投入量相當于62.4～156.1 kg/hm2化肥氮，通過分析連續(xù)11 年雙季水稻產(chǎn)量可知，與CK 相比，減施氮鉀翻壓紫云英能顯著提高早、晚稻及全年水稻產(chǎn)量，且減施氮鉀翻壓紫云英處理與T0 間的水稻產(chǎn)量差異無統(tǒng)計學意義，隨紫云英翻壓量的增大水稻產(chǎn)量先增加，以T3 處理的增產(chǎn)效果最好，隨后繼續(xù)增加紫云英翻壓量，水稻產(chǎn)量反而降低，這與李雙來等[16]、張麗霞等[17]的研究結(jié)果相似。與CK 相比，減施氮鉀翻壓紫云英處理降低了稻谷產(chǎn)量變異系數(shù)，同時提高了產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)。在20%減肥量的條件下，江西雙季稻區(qū)翻壓紫云英15 000～37 500 kg/hm2顯著提高了雙季稻產(chǎn)量[14]。徐昌旭等[18]研究發(fā)現(xiàn)，翻壓20%～40%紫云英替代等量養(yǎng)分含量的化肥不會降低水稻產(chǎn)量。高菊生等[19]研究也表明，與冬閑相比，雙季稻紫云英輪作種植可顯著提高稻谷產(chǎn)量，同時提高了水稻增產(chǎn)潛力和產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)。本研究結(jié)果也與這些研究結(jié)果類似。

通過比較早、晚稻養(yǎng)分投入量和全年氮素累積量發(fā)現(xiàn)，由于紫云英中氮素的投入，早稻T0 氮素投入量在施肥處理中最低，氮鉀減施翻壓紫云英處理的氮素投入量隨著紫云英翻壓量的增大逐漸增大，早稻季氮素的積累量和投入量呈正相關(guān)，且T3的積累量最大；晚稻季常規(guī)施肥的氮素投入量最大，減施氮鉀翻壓紫云英處理的氮素投入量減少了20%，但氮素積累量的變化趨勢仍和早稻季一致，以T3 的積累量最大，這說明早稻紫云英的氮素在晚稻季發(fā)揮了作用，紫云英帶入的養(yǎng)分也是水稻高產(chǎn)的一個重要原因。

本研究中，在早稻季減施氮鉀翻壓紫云英，提高了化肥氮素的吸收利用率，減少了氮素的損耗流失；在減施氮鉀后翻壓紫云英的總投入氮素利用率并沒有顯著提高，反而在早稻季時，氮素的回收利用率、農(nóng)學利用效率、生理利用率和偏生產(chǎn)力隨紫云英翻壓量的增加呈下降趨勢。這與陳靜蕊等[14]研究的早稻季翻壓紫云英降低了氮素利用率的結(jié)果一致。在晚稻季，所有施肥處理的氮素的回收利用率、農(nóng)學利用效率和偏生產(chǎn)力及T3、T4 的氮素生理利用率均顯著高于T0 的，且此4 個指標均為先隨著紫云英翻壓量的增加呈增大趨勢，T3 時最大，隨后繼續(xù)增加紫云英翻壓量，各指標又略降低。雖然早稻季減施氮鉀翻壓紫云英處理的總投入氮素利用率都較低，有氮素流失的風險，但就晚稻的氮素利用率來看，這部分氮素被固定到了土壤中，并在晚稻季發(fā)揮了后效作用，供水稻吸收利用，提高了晚稻季植株的產(chǎn)量。紫云英翻壓量為37 500 kg/hm2的氮素吸收利用率和產(chǎn)量均小于紫云英翻壓量為30 000 kg/hm2的?？梢?，過量翻壓紫云英不利于氮素的吸收利用，還會造成養(yǎng)分浪費。

長期試驗對土壤氮素的影響表明，除T3 外，與CK 和T0 相比，氮鉀減施翻壓紫云英處理顯著提高了土壤堿解氮和全氮質(zhì)量分數(shù)，雖然在翻壓紫云英量為30 000 kg/hm2時土壤全氮和堿解氮質(zhì)量分數(shù)低于其他氮鉀減施翻壓紫云英處理的，但與T0土壤堿解氮和全氮質(zhì)量分數(shù)的差異無統(tǒng)計學意義。這可能是T3 為了穩(wěn)定高產(chǎn)，從土壤中吸收了大量的氮素，導(dǎo)致其土壤堿解氮和全氮質(zhì)量分數(shù)低于其他氮鉀減施翻壓紫云英處理的；同時早稻季紫云英分解后儲存在土壤中的氮素起到補充作用，晚稻收獲后土壤中全氮和堿解氮含量仍維持在較高水平，與T0 間的差異無統(tǒng)計學意義。

綜合考慮減施氮鉀下紫云英翻壓量對雙季稻產(chǎn)量、氮素利用效應(yīng)及土壤氮素養(yǎng)分水平的影響，在減施氮鉀20%條件下翻壓紫云英量為30 000 kg/hm2左右較適宜。