紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田在黃泥田水稻穩(wěn)產(chǎn)提質(zhì)增效中的作用①

王 飛，王利民，何春梅，劉彩玲，李清華，張 輝，游燕玲，黃毅斌，黃建誠(chéng)

紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田在黃泥田水稻穩(wěn)產(chǎn)提質(zhì)增效中的作用①

王 飛1，王利民1，何春梅1，劉彩玲1，李清華1，張 輝1，游燕玲1，黃毅斌1，黃建誠(chéng)2

(1福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福州 350013；2閩侯縣土壤肥料技術(shù)站，福建閩侯 350100)

為明確紫云英與不同有機(jī)物料還田在黃泥田改土培肥與水稻化肥減量增效中的作用，基于連續(xù)11 a 定位試驗(yàn)，研究了不施肥(T0，CK)、單施化肥(T1)、僅翻壓紫云英(T2)、紫云英與水稻秸稈聯(lián)合還田(T3)、紫云英與牛糞配施還田(T4)，以及紫云英與水稻秸稈聯(lián)合還田+40% 化肥(T5)處理對(duì)水稻產(chǎn)量、籽粒營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及稻田肥力的影響。結(jié)果表明，與CK相比，各施肥處理籽粒歷年平均產(chǎn)量增幅11.4% ～ 21.0%，秸稈平均產(chǎn)量增幅17.1% ～ 40.2%，差異均顯著；其中以T5提升尤為明顯，其籽粒產(chǎn)量與秸稈產(chǎn)量較T1分別提高3.4% 和6.6%；有效穗是產(chǎn)量差異的重要性狀因子。各施肥處理成熟期植株地上部氮、磷、鉀吸收量較CK分別增幅14.3% ～ 30.6%、8.9% ～ 32.7%、2.9% ～ 47.2%，其中氮、磷吸收量以T4最高，鉀吸收量以T5最高。與CK相比，第10年施肥處理籽粒氨基酸總量增幅11.5% ～ 20.6%，必需氨基酸增幅11.1% ～ 19.8%；與T1相比，T5處理的必需氨基酸與氨基酸總量分別提高5.7% 和6.5%，差異顯著。水稻分蘗盛期T5處理土壤微生物生物量碳含量比T1增加15.2%，微生物生物量氮含量增加42.3%，差異均顯著。在水稻成熟期，與T1相比，翻壓紫云英或與有機(jī)物料組合處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量增幅9.7% ～ 16.7%，全氮含量增幅10.9% ～ 14.8%，同樣以T5增幅最為明顯，T4、T5處理的速效鉀含量也顯著高于T1。相關(guān)分析表明，水稻產(chǎn)量、籽粒氨基酸含量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量以及微生物生物量碳氮均呈顯著正相關(guān)。綜上，翻壓紫云英或與有機(jī)物料聯(lián)合還田均不同程度提高了黃泥田土壤養(yǎng)分庫(kù)容，促進(jìn)了植株養(yǎng)分吸收與產(chǎn)量提升，連續(xù)11 a紫云英與秸稈或牛糞聯(lián)合還田可全部替代黃泥田水稻化肥施用，T5處理在提高產(chǎn)量、改善土壤肥力和籽粒氨基酸品質(zhì)方面作用尤為明顯。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、微生物生物量碳氮是影響水稻產(chǎn)量和稻米氨基酸品質(zhì)的重要肥力因子。

紫云英；有機(jī)物料；黃泥田；籽粒氨基酸；土壤性質(zhì)

我國(guó)是世界水稻(L.)生產(chǎn)第一大國(guó)，常年播種面積約 0.3億hm2。在水稻種植過程中，由于長(zhǎng)期大量施用化肥而產(chǎn)生的面源污染等負(fù)面影響日益突出。而另一方面，我國(guó)有機(jī)肥源豐富，年產(chǎn)秸稈約10億t(風(fēng)干)，合計(jì)總養(yǎng)分約2 000萬 t；糞尿類資源實(shí)物量約為 46 億 t (鮮)，養(yǎng)分資源量約為5 000萬 t；綠肥約1億 t(鮮)，合計(jì)總養(yǎng)分約97萬 t[1]。隨著國(guó)家和社會(huì)對(duì)提升耕地質(zhì)量、保障農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和生態(tài)環(huán)境安全日益關(guān)注，利用有機(jī)物料替代部分化肥的水稻科學(xué)種植技術(shù)越來越受重視。研究表明，紫云英、水稻秸稈和畜禽排泄物是水稻生產(chǎn)中替代化肥的常用有機(jī)肥源，是提高水稻產(chǎn)量與品質(zhì)的重要舉措[2-4]。2008—2019 年間開展的11個(gè)聯(lián)合定位試驗(yàn)結(jié)果 (= 930) 表明，冬種紫云英在不減肥或者減肥 20% 條件下增產(chǎn)效果顯著，水稻產(chǎn)量增加幅度分別為 6.53% 和 4.15%[5]。黃棕壤潛育性水稻土連續(xù)種植紫云英并配施化肥，與100% 化肥相比，化肥減施20% ～ 40%，水稻不減產(chǎn)，同時(shí)氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力提高，增幅分別為11.64% ～ 149.65% 和2.66% ～ 149.92%[6]，另外，關(guān)于紫云英、有機(jī)物料與化肥配施對(duì)水稻產(chǎn)量和土壤肥力影響的研究也較多。研究表明，紫云英、稻草和禽糞能有效提高土壤中間團(tuán)聚體和輕組比例，促進(jìn)稻田碳、氮的穩(wěn)定和固定[7]，長(zhǎng)期施肥降低了土壤DOC/SOC，但施用綠肥減緩了DOC/SOC下降，說明綠肥不僅有利于土壤有機(jī)碳提高，同時(shí)有利于土壤有機(jī)碳生態(tài)功能的穩(wěn)定[8]。但是，不同有機(jī)物料由于自身碳氮結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)存在差異[9-10]，其還田施用對(duì)土壤質(zhì)量影響也不盡相同，并最終影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)[11]。此外，受到稻田土壤類型的影響，不同土壤所需的有機(jī)物料種類可能也存在差異，需針對(duì)區(qū)域特定作物、土壤與氣候選擇適宜的有機(jī)物料還田方式。

黃泥田屬滲育型水稻土，是福建等南方稻區(qū)主要的中低產(chǎn)田類型之一。福建黃泥田面積約占水稻土面積的30%，該類土壤主要分布于山地丘陵、山前傾斜平原、濱海臺(tái)地和河谷階地，存在酸、瘦、黏、旱等障礙因素[12]，當(dāng)前承擔(dān)著地力提升與化肥減施增效雙重任務(wù)。有機(jī)物料合理還田能增加黃泥田有機(jī)碳固存，提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)[13-14]。然而，不同種類有機(jī)物料聯(lián)合還田對(duì)黃泥田肥力影響的研究甚少，目前尚不清楚黃泥田綠肥等有機(jī)物料聯(lián)合還田下化肥替代潛力，以及土壤理化性質(zhì)變化與水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)系。為此，基于福建黃泥田連續(xù)11 a的定位試驗(yàn)，研究紫云英與有機(jī)物料聯(lián)合還田對(duì)黃泥田水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收利用及土壤性質(zhì)的影響，探討土壤肥力因子與水稻產(chǎn)量和品質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，旨在為南方中低產(chǎn)田改土培肥、化肥替代及作物品質(zhì)提升提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)在福州市閩侯縣白沙鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)部福建耕地保育科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站。土壤類型為黃泥田，成土母質(zhì)為低丘坡積物。試驗(yàn)前耕層土壤理化性狀：pH 5.26，有機(jī)質(zhì)24.4 g/kg，堿解氮171.6 mg/kg，有效磷13.5 mg/kg，速效鉀83.4 mg/kg。試驗(yàn)始于2009年，設(shè)置6個(gè)處理，分別為不施肥(T0，CK)、單施化肥(T1)、僅翻壓紫云英(T2)、紫云英與水稻秸稈聯(lián)合還田(T3)、紫云英與牛糞配施還田(T4)，以及紫云英與水稻秸稈聯(lián)合還田+40% 化肥(T5)。每處理重復(fù)3次，完全隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為15 m2。小區(qū)間用水泥田埂隔開，筑高20 cm，埋深40 cm，以減少小區(qū)間串水串肥和側(cè)滲。氮肥用尿素，磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用氯化鉀。每茬各施肥處理磷肥全部基施，氮、鉀肥60% 基施，40% 在分蘗期追施。常規(guī)化肥用量為施氮量(N)135 kg/hm2，N:P2O5:K2O=1:0.4:0.7，每年紫云英翻壓量為18 000～22 500 kg/hm2，牛糞用量為3 000 kg/hm2(干基)，秸稈全量還田平均3 750 kg/hm2(干基)。水稻種植密度20×105叢/hm2。紫云英均在盛花期(3—4月份)翻壓，前2 a為異地翻壓，后9 a為原田種植翻壓，干耕翻壓至20 cm土層。2009年紫云英品種為‘弋江籽’，2010—2016年為‘閩紫7號(hào)’，2017年為‘信陽(yáng)籽’，2018—2019年為‘閩紫8號(hào)’。原田種植時(shí)多余的紫云英移出，不足時(shí)從外源補(bǔ)充。紫云英鮮草養(yǎng)分多年均值為有機(jī)碳58.7 g/kg、N 4.0 g/kg、P2O50.9 g/kg、K2O 2.7 g/kg，水分含量85.9%。牛糞干物質(zhì)養(yǎng)分多年均值為有機(jī)碳253.4 g/kg、N 13.5 g/kg、P2O57.7 g/kg和K2O 8.9 g/kg，水稻秸稈干物質(zhì)養(yǎng)分多年均值為有機(jī)碳349.9 g/kg、N 7.9 g/kg、P2O53.5 g/kg和K2O 28.9 g/kg。種植的單季稻品種2009—2011年為‘宜香優(yōu)2292’，2012—2016年為‘中浙優(yōu)1號(hào)’，2017—2019年為‘中浙優(yōu)8號(hào)’。插秧時(shí)間為每年的6月下旬至7月上旬，收割時(shí)間為10月中旬。各處理每年養(yǎng)分投入情況見表1。

表1 紫云英與有機(jī)物料還田下各處理養(yǎng)分每年投入量

注：紫云英翻壓量年均為20 250 kg/hm2。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 植株樣品采集 2017—2019年水稻收割時(shí)，采集各處理小區(qū)的籽粒與秸稈樣品，于105℃殺青15 min，65℃烘干24 h至恒重后磨碎，用于測(cè)定水稻籽粒和秸稈養(yǎng)分含量，2018年(第10年)同時(shí)采集分蘗期水稻植株樣品。植株氮磷鉀采用H2SO4-H2O2消煮，全氮用凱氏法測(cè)定，全磷用釩鉬黃比色法測(cè)定，全鉀用火焰光度計(jì)法測(cè)定[15]；籽粒氨基酸含量按照GB 5009.124—2016檢測(cè)，用全自動(dòng)氨基酸分析儀LA8080進(jìn)行分析。

1.2.2 土壤樣品采集 于2018年水稻分蘗盛期采集各小區(qū)新鮮土樣，置于無菌的自封袋中，封口后置于冰盒中低溫保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，剔除動(dòng)植物殘?bào)w和石塊，采用氯仿熏蒸–0.5 mol/L K2SO4浸提法測(cè)定土壤微生物生物量碳、氮，總有機(jī)碳采用分析儀法測(cè)定，其中，以未熏蒸土樣浸提的氮作為可溶性氮。2017—2019年水稻收獲后，在各處理小區(qū)通過五點(diǎn)采樣法采集0 ～ 20 cm耕層土壤樣品，2019年(第11年)加采環(huán)刀樣品供土壤容重測(cè)定。土樣風(fēng)干后經(jīng)磨細(xì)、過篩，上述均采用常規(guī)分析方法測(cè)定土壤理化性質(zhì)[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

地上部養(yǎng)分吸收量(kg/hm2)=籽粒產(chǎn)量×籽粒養(yǎng)分含量+秸稈產(chǎn)量×秸稈養(yǎng)分含量

土壤養(yǎng)分表觀平衡(kg/hm2)=養(yǎng)分投入–養(yǎng)分輸出

數(shù)據(jù)采用DPS軟件進(jìn)行方差分析LSD多重比較，并進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

連續(xù)11 a紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田的水稻產(chǎn)量動(dòng)態(tài)變化(圖1A、1B)可以看出，不同施肥均明顯增加了水稻籽粒和秸稈產(chǎn)量，T5處理增產(chǎn)效果最為明顯，不同年份籽粒產(chǎn)量較CK增幅6.8% ～ 35.6%；T2處理產(chǎn)量增幅最小，不同年份籽粒產(chǎn)量較CK增幅6.4% ～ 21.2%。從2009—2019年平均產(chǎn)量來看，相比CK，不同施肥處理的水稻籽粒增產(chǎn)11.4% ～ 21.0%，秸稈增產(chǎn)17.1% ～ 40.2%，差異均顯著(圖1C、1D)，其中紫云英與秸稈聯(lián)合還田+40%化肥處理T5效果尤為明顯，其連續(xù)11 a的籽粒與秸稈平均產(chǎn)量分別比T1處理提高3.4% 和6.6%，差異顯著。從年際產(chǎn)量增產(chǎn)效果來看，前3年(2009—2011年)與后3年(2017—2019年)的T5籽粒產(chǎn)量分別比T1提高2.1% 與6.2%，顯示隨著試驗(yàn)進(jìn)程的進(jìn)行，T5與T1的產(chǎn)量差異變幅增幅在進(jìn)一步擴(kuò)大，說明秸稈與紫云英聯(lián)合還田具有較高的化肥替代率與維持水稻增產(chǎn)潛力。另外，在未施用化肥條件下，僅翻壓紫云英的T2處理籽粒產(chǎn)量與秸稈產(chǎn)量分別相當(dāng)于T1的95.2% 與89.0%，差異均顯著，而紫云英與秸稈或牛糞聯(lián)合還田(T3和T4)的水稻產(chǎn)量與T1處理未有明顯的差異，表明對(duì)中低產(chǎn)黃泥田而言，紫云英+秸稈或紫云英+牛糞模式與水稻習(xí)慣施肥產(chǎn)量基本相當(dāng)。

(圖中小寫字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)

從2017—2019年水稻產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)性狀表現(xiàn)進(jìn)一步可以看出(表2)，與CK相比，翻壓紫云英綠肥的有效穗數(shù)增幅23.0% ～ 31.2%，差異均顯著；其中以T5處理增幅最為明顯，其較單施化肥T1處理提高6.6%，差異顯著。紫云英與有機(jī)物料聯(lián)合還田處理的每穗實(shí)粒數(shù)較單施化肥T1處理均有不同程度提高，但未達(dá)到顯著差異。施肥均不同程度提高了千粒重，同樣以T5處理提升最為明顯，較CK提高3.0%，差異顯著；但與單施化肥T1處理相比無明顯差異。說明有效穗是紫云英與有機(jī)物料聯(lián)合還田與單施化肥處理水稻產(chǎn)量差異的重要性狀因子。

2.2 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田對(duì)水稻植株養(yǎng)分累積吸收的影響

從第10年分蘗期各處理水稻植株養(yǎng)分吸收累積來看，與CK相比，施肥均顯著提高了植株氮素含量(表3)，各處理增幅43.1% ～ 64.4%，其中以T5處理增幅最為明顯，其也顯著高于T1處理；施肥植株磷、鉀含量也均有增加的趨勢(shì)，其中T5處理的鉀素含量較CK與T1分別提高42.9%與24.6%，差異均顯著。從2017—2019年成熟期來看，不同施肥處理的籽粒氮、磷、鉀含量總體高于CK，其中T1與T4處理的籽粒氮素含量較CK分別提高12.1% 與12.8%，差異顯著，但與T1相比，紫云英及與有機(jī)物料處理的籽粒氮、磷、鉀含量呈下降趨勢(shì)；施肥處理的秸稈氮、磷、鉀含量較CK呈總體降低趨勢(shì)，但除T2處理秸稈鉀含量較CK顯著降低外，其余各施肥處理秸稈氮、磷、鉀含量與CK相比均無顯著差異。

表2 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田下水稻產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)性狀

注：表中數(shù)據(jù)為2017—2019年考種平均數(shù)據(jù)±標(biāo)準(zhǔn)差。同一列小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)。

表3 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田下水稻籽粒和秸稈養(yǎng)分含量(g/kg)

注：分蘗盛期為2018年平均數(shù)據(jù)±標(biāo)準(zhǔn)差；成熟期為2017—2019年平均數(shù)據(jù)±標(biāo)準(zhǔn)差。表中同行數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)，下表同。

表4顯示，各施肥處理植株籽粒氮、磷、鉀吸收量較CK分別增幅17.2% ～ 32.7%、7.6% ～ 27.9%、4.2% ～ 23.5%，氮、磷吸收量以T4處理最高，鉀吸收量以T3處理最高；秸稈氮、磷、鉀吸收量較CK分別增幅5.9% ～ 41.4%、14.5% ～ 56.5%、17.1% ～ 53.6%，吸收量均以T5處理最高，其與CK差異均顯著，且T5處理磷、鉀吸收量也顯著高于T1；從地上部來看，施肥處理氮、磷、鉀吸收量較CK分別增幅14.3% ～ 30.6%、8.9% ～ 32.7%、2.9% ～ 47.2%，其中氮、磷吸收量以T4處理吸收量最高，鉀吸收量以T5處理最高，各施肥處理氮素吸收量與CK差異均顯著。

從2017—2019年養(yǎng)分表觀盈虧來看(表5)，各施肥處理除T2處理外氮素均實(shí)現(xiàn)平衡或盈余；但各施肥處理的磷素虧缺12.27 ～ 39.35 kg/hm2；從鉀素表觀盈虧來看，T3與T5處理的鉀素表觀呈現(xiàn)盈余，其余處理均呈現(xiàn)虧缺狀態(tài)；表明紫云英與有機(jī)物料聯(lián)合還田，尤其是結(jié)合秸稈還田，有助于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮、鉀養(yǎng)分平衡。

表4 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田下水稻成熟期籽粒和秸稈養(yǎng)分吸收量(kg/hm2)

注：表中數(shù)據(jù)為2017—2019年平均數(shù)據(jù)±標(biāo)準(zhǔn)差，下表同。

表5 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田下土壤養(yǎng)分表觀盈虧

2.3 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田對(duì)水稻籽粒氨基酸含量的影響

籽粒氨基酸是表征稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要成分。從第10年各處理籽粒氨基酸含量來看，與CK相比，施肥均顯著提高了水稻籽粒中必需氨基酸與氨基酸總量(圖2)，其中，籽粒氨基酸總量增幅為11.5% ～ 20.6%，必需氨基酸增幅11.1% ～ 19.8%，均以T5處理最高。與單施化肥T1處理相比，T5處理的必需氨基酸與氨基酸總量分別增加5.7%和6.5%，差異均顯著，而處理T1、T2、T3、T4處理間未有明顯差異。上述說明，紫云英與水稻秸稈聯(lián)合還田，不僅可實(shí)現(xiàn)化肥減量60%，而且可提高籽粒氨基酸品質(zhì)。

圖2 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田下水稻籽粒氨基酸含量(第10年)

2.4 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田對(duì)土壤性質(zhì)的影響

從第10、11年不同處理的土壤性質(zhì)(表6，表7)來看，與CK相比，施肥均不同程度提高了分蘗盛期土壤微生物生物量碳、氮含量，其中微生物生物量碳增幅6.6% ～ 22.9%，除T1外，紫云英與有機(jī)物料組合各處理與CK差異均顯著，其中T5處理提升最為明顯；紫云英與有機(jī)物料組合處理的微生物生物量碳、氮含量均高于單施化肥處理T1，其中T5比T1二者分別提高15.2%、42.3%，差異顯著。對(duì)可溶性氮而言，T4與T5處理的土壤可溶性氮有高于單施化肥處理T1的趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著水平。在水稻成熟期，各處理土壤pH無顯著差異，但與T1相比，翻壓紫云英或紫云英與有機(jī)物料聯(lián)合還田有提高土壤pH的趨勢(shì)。翻壓紫云英或與有機(jī)物料聯(lián)合還田的土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量均顯著高于CK與T1，與T1相比，有機(jī)質(zhì)含量增幅9.7% ～ 16.7%，全氮含量增幅10.9% ～ 14.8%，其中以T5增幅最為明顯，T1處理的土壤有機(jī)質(zhì)及全氮含量與CK無明顯差異。施肥總體有提高土壤堿解氮、有效磷含量的趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著差異水平。施肥同樣提高了土壤速效鉀含量，較CK增幅33.1% ～ 139.5%，其中T3、T4、T5處理與CK差異顯著，T4、T5處理的速效鉀含量也顯著高于T1處理。此外，與T1相比，紫云英與有機(jī)物料還田處理有降低土壤容重的趨勢(shì)。上述結(jié)果說明黃泥田連續(xù)翻壓紫云英或結(jié)合有機(jī)物料還田，耕層養(yǎng)分庫(kù)容增加，微生物活性增強(qiáng)，土壤趨于疏松，土壤理化、生化特性得到一定程度改善。

表6 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田下水稻分蘗期土壤性質(zhì)

注：表中數(shù)據(jù)為2018年平均數(shù)據(jù)±標(biāo)準(zhǔn)差。同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)，下表同。

表7 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田下水稻成熟期土壤性質(zhì)變化

注：容重為2019年數(shù)據(jù)(第11年)，其余為2018年數(shù)據(jù)(第10年)。

2.5 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田下水稻產(chǎn)量、籽粒品質(zhì)與土壤因子間的關(guān)聯(lián)

由表8可知，水稻籽粒、秸稈產(chǎn)量與水稻分蘗盛期土壤微生物生物量碳、氮均呈顯著正相關(guān)。在水稻成熟期，水稻產(chǎn)量、籽粒氨基酸含量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量均呈顯著正相關(guān)。水稻產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)與土壤容重間相關(guān)性并不明顯。上述可知，水稻產(chǎn)量、籽粒氨基酸含量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、微生物生物量碳氮之間密切相關(guān)，長(zhǎng)期紫云英與有機(jī)物料還田有助于土壤理化、生化性質(zhì)改善，進(jìn)而促進(jìn)水稻產(chǎn)量與籽粒氨基酸品質(zhì)提升。

3 討論

3.1 紫云英與有機(jī)物料聯(lián)合還田對(duì)黃泥田土壤性質(zhì)的影響

土壤肥力是農(nóng)田生產(chǎn)力形成的基礎(chǔ)。研究表明，湘南紅壤地區(qū)綠肥聯(lián)合早稻草全部還田和晚稻留高茬還田措施可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，穩(wěn)定土壤氮素供應(yīng)的長(zhǎng)期效果顯著，是湘南紅壤地區(qū)水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展相對(duì)較好的耕作制度[16]。湘南雙季稻區(qū)綠肥還田下，與習(xí)慣施肥相比，綠肥與化肥氮減量 20% ～ 40% 能維持土壤磷素與鉀素的供給，且化肥氮減施 40% 仍能獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，且氮肥利用率最高，產(chǎn)量穩(wěn)定性最好[17]。冬種綠肥可提高土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮和微生物商，是提升土壤肥力的高效措施[18]。黃泥田(滲育型水稻土)為南方丘陵山區(qū)廣泛分布的一類中低產(chǎn)田，以往研究顯示，黃泥田化肥配施有機(jī)肥或結(jié)合秸稈還田處理的土壤固碳速率分別是單施化肥處理的1.59倍、1.32 倍[14]。本研究結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)紫云英與有機(jī)物料還田處理均不同程度提高黃泥田土壤微生物生物量碳氮及土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量，改善了土壤理化、生化性質(zhì)，尤其是紫云英與水稻秸稈聯(lián)合還田+40%化肥處理的效果最為明顯，這可能與紫云英、有機(jī)物料聯(lián)合還田下碳氮適宜配比及良好的生態(tài)功能有關(guān)。例如，畜禽糞便類有機(jī)物料中脂肪酸、蛋白質(zhì)、多糖等成分含量較高，施入土壤后經(jīng)過微生物作用，直接影響土壤碳、氮組分及其含量；秸稈類有機(jī)物料中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量較高，這些成分一般較難礦化，施入土壤后會(huì)提高土壤有機(jī)質(zhì)的重組分含量[6]。紫云英其根瘤具有較強(qiáng)的固氮功能，據(jù)測(cè)算，種植壓青25 000 ～ 30 000 kg/hm2紫云英鮮草一般能增加稻田土壤純氮75 ～ 90 kg[19]。紫云英還田可改變土壤微生物種群結(jié)構(gòu)，有助于形成“激發(fā)效應(yīng)”[20]。綠肥與有機(jī)物料聯(lián)合還田，可能形成良好的碳氮互濟(jì)效果，進(jìn)而促進(jìn)碳氮循環(huán)與良好土壤生態(tài)功能的形成。相關(guān)研究表明，稻稈(C/N 63:1)與豆科綠肥(C/N 14:1)聯(lián)合還田，可緩解二者單獨(dú)應(yīng)用時(shí)氮素固定與碳氮流失問題[21]。稻草–綠肥聯(lián)合還田培肥地力效果明顯，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量均比單獨(dú)翻壓綠肥與秸稈還田增加，且聯(lián)合還田下有效養(yǎng)分提升更為全面[22]。稻秸全量覆蓋與種植綠肥協(xié)同利用模式1 a 后可顯著提高土壤脲酶活性，2 a后顯著提高土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性，3 a后的土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性增幅均是最大[23]。與單獨(dú)利用稻稈與紫云英相比，稻稈與紫云英聯(lián)合還田通過改變產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)降低了甲烷排放[24]。另外，紫云英根系能分泌低分子量的有機(jī)酸，螯合酸性土壤中Al-P和Fe-P中的Al3+、Fe3+，使難溶性Al-P和Fe-P中的P釋放出來供水稻吸收利用[25]。本研究條件下，紫云英與牛糞聯(lián)合還田處理(T4)以及紫云英與秸稈聯(lián)合還田+40% 化肥處理(T5)，在磷素投入低于或相當(dāng)于單施化肥處理(T1)的前提下(表1)，地上部磷素的累積量要高于T1處理(表4)，進(jìn)一步說明紫云英與有機(jī)物料聯(lián)合還田可活化土壤磷素，提高對(duì)土壤磷素的吸收利用能力。

表8 水稻產(chǎn)量及品質(zhì)與土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性

注：籽粒產(chǎn)量與秸稈產(chǎn)量為2018—2019年平均；*、** 分別表示相關(guān)性達(dá)<0.05和<0.01顯著水平；= 18。

3.2 紫云英與有機(jī)物料聯(lián)合還田對(duì)水稻產(chǎn)量及籽粒品質(zhì)的影響

綠肥種植利用是中國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)的精華，也是綠色生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性舉措，為中國(guó)糧食穩(wěn)定和綠色增效發(fā)揮著十分重要的作用[26]。亞熱帶雙季稻種植模式下，適量紫云英還田配施化肥除可減少化肥用量外，也是亞熱帶雙季稻區(qū)兼顧提升稻米產(chǎn)量和培肥土壤的有效技術(shù)，其中化肥減量40% 配合22 500 ～ 30 000 kg/hm2紫云英的配比綜合效果較好[27]。本研究條件下，黃泥田連續(xù)11 a監(jiān)測(cè)研究表明，與單施化肥相比，紫云英與牛糞、秸稈聯(lián)合還田處理(T3、T4、T5)的產(chǎn)量或相當(dāng)，或顯著增產(chǎn)，其中T5處理在減量60% 化肥前提下仍實(shí)現(xiàn)顯著增產(chǎn)3.4%，顯示出紫云英與秸稈聯(lián)合還田在水稻化肥替代方面的巨大潛力。究其原因，首先這可能是紫云英與有機(jī)物料中含有豐富的鉀素及中、微量元素，更能為水稻生長(zhǎng)提供所需均衡養(yǎng)分。相關(guān)研究表明，南方黃泥田水稻增產(chǎn)效果與土壤鉀肥投入量、速效鉀含量及鉀素盈虧量有關(guān)[28]；其次，從養(yǎng)分供應(yīng)速率來看，紫云英與其他有機(jī)物料性質(zhì)存在差異，不同有機(jī)物料腐解1 a后的殘留率表現(xiàn)為綠肥<秸稈<根茬≈有機(jī)肥[29]，即不同的有機(jī)物料腐解速率不同，導(dǎo)致養(yǎng)分釋放與供應(yīng)速率表現(xiàn)差異，紫云英與有機(jī)物料聯(lián)合還田可形成速緩相濟(jì)的供肥速率，保證養(yǎng)分供應(yīng)較穩(wěn)長(zhǎng)，保證水稻生育期不脫肥。從中也可看出，對(duì)于南方丘陵山區(qū)廣泛分布的中低產(chǎn)黃泥田而言，紫云英在水稻營(yíng)養(yǎng)供給方面發(fā)揮著重要作用，連續(xù)多年紫云英與秸稈或牛糞聯(lián)合還田，其水稻產(chǎn)量與習(xí)慣施肥條件下的產(chǎn)量基本相當(dāng)，且隨著時(shí)間延長(zhǎng)，該模式與習(xí)慣施肥的產(chǎn)量差距正在縮小，本研究條件下第10 ～ 11年年籽粒產(chǎn)量甚至高于習(xí)慣施肥(圖1A)，即紫云英與秸稈或牛糞聯(lián)合還田可全部替代化肥施用，這為丘陵山區(qū)中低產(chǎn)田有機(jī)稻生產(chǎn)的肥源選擇提供了新的思路。當(dāng)然，從糧食高產(chǎn)創(chuàng)建與減肥增效帶動(dòng)稻區(qū)綠色發(fā)展考慮，紫云英與水稻秸稈聯(lián)合還田+40% 化肥的模式較適合作為黃泥田稻區(qū)推薦施肥模式。

水稻籽粒氨基酸含量是表征稻米營(yíng)養(yǎng)成分的重要指標(biāo)，與食味品質(zhì)密切相關(guān)，并受施肥措施的影響[11]。與T1處理相比，T5可明顯提高水稻籽粒氨基酸和必需氨基酸含量，其中氮、鉀元素可能起到了積極作用。一方面，水稻植株體內(nèi)氮吸收量增加，可促進(jìn)植株體內(nèi)合成更多的酶和葉綠素，從而加速光合作用，促進(jìn)氨基酸合成[30]，本研究條件下，T5處理分蘗盛期的植株氮素含量較T1提高14.9%，為后期籽粒氨基酸的合成奠定了基礎(chǔ)。另一方面，施鉀一定程度上可提高稻米中清蛋白、球蛋白、谷蛋白等營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較高的蛋白質(zhì)組分和蛋白質(zhì)中賴氨酸、蘇氨酸、精氨酸等必需氨基酸含量，從而在一定程度上改善了稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、食味品質(zhì)和貯藏品質(zhì)[31]。本研究下，T5處理的理論供鉀水平要明顯高于T1(表1)，有利于促進(jìn)籽粒氨基酸含量的提高。值得一提的是，紫云英單獨(dú)翻壓或與有機(jī)物料聯(lián)合還田的處理(T2、T3、T5)籽?？偟?粗蛋白)有低于T1處理的趨勢(shì)。相關(guān)研究表明，對(duì)氮肥而言，一定范圍內(nèi)施氮量越高，稻谷蛋白質(zhì)含量越高[32]。本研究條件下，T2、T3、T4處理的氮總量投入均低于T1，T5雖然總氮投入高于T1，但紫云英與秸稈中的有機(jī)氮素在單季內(nèi)并未充分腐解完全，實(shí)際供應(yīng)的氮素速效養(yǎng)分可能也低于T1處理，從而導(dǎo)致紫云英還田的各處理籽粒蛋白質(zhì)含量并未增加。由于氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位，本研究條件下T5處理的氨基酸含量顯著高于T1，但蛋白質(zhì)含量并未表現(xiàn)相同趨勢(shì)，可能是蛋白質(zhì)合成過程中受到其他因素影響，這有待進(jìn)一步分析。本研究也進(jìn)一步顯示，水稻產(chǎn)量、籽粒氨基酸含量與黃泥田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及速效鉀含量均呈顯著正相關(guān)。對(duì)中低產(chǎn)黃泥田而言，有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量普遍缺乏，提高土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量直接或間接擴(kuò)大了黃泥田養(yǎng)分庫(kù)容，使養(yǎng)分供應(yīng)更加均衡，從而促進(jìn)產(chǎn)量和品質(zhì)提升。上述說明，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、微生物生物量碳氮是影響黃泥田水稻產(chǎn)量、籽粒氨基酸含量的重要肥力因子。

4 結(jié)論

紫云英與不同有機(jī)物料聯(lián)合還田可顯著提高黃泥田水稻產(chǎn)量，尤其是紫云英與秸稈聯(lián)合還田+40% 化肥模式，該模式較單施化肥顯著提升了水稻產(chǎn)量、籽粒氨基酸總量和必需氨基酸含量。有效穗是不同施肥處理產(chǎn)量差異的重要性狀因子。與單施化肥相比，長(zhǎng)期不同有機(jī)物料聯(lián)合還田尤其是紫云英與秸稈聯(lián)合還田+40% 化肥處理明顯提高了分蘗期土壤微生物生物量碳氮含量，并增加了成熟期土壤有機(jī)質(zhì)、全氮與速效鉀含量。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、微生物生物量碳氮是影響水稻產(chǎn)量和稻米氨基酸品質(zhì)的重要肥力因子。綜上，連續(xù)11 a紫云英與不同有機(jī)物料連續(xù)聯(lián)合還田均不同程度提高了黃泥田土壤有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分，促進(jìn)了植株養(yǎng)分吸收，進(jìn)而提升水稻產(chǎn)量和氨基酸品質(zhì)，紫云英+秸稈或紫云英+牛糞還田模式可全部替代黃泥田水稻化肥施用，紫云英與水稻秸稈聯(lián)合還田+40% 化肥模式在提升產(chǎn)量與籽粒氨基酸品質(zhì)以及改善稻田肥力方面作用尤為明顯。

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Effects of Continuous Return of Milk Vetch (L.) and Organic Materials on Stable Yield, Improved Quality and Efficiency in Yellow-mud Paddy Field

WANG Fei1, WANG Limin1, HE Chunmei1, LIU Cailing1, LI Qinghua1, ZHANG Hui1, YOU Yanling1, HUANG Yibin1, HUANG Jiancheng2

(1 Soil and Fertilizer Institute, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013, China; 2 Minhou Station of Soil and Fertilizer Technology, Minhou, Fujian 350100, China)

To evaluate the applying effects of milk vetch and different organic materials on soil amelioration and chemical fertilizer decrement, a 11-year fertilization experiment was conducted since 2009 in thered paddy field in Fuzhou City, Fujian Province. Six fertilization treatments were designed, including T0(CK, without fertilization), T1(chemical fertilizer), T2(milk vetch alone), T3(milk vetch combining straw), T4(milk vetch combining cow dung) and T5(milk vetch combining straw plus 40% chemical fertilizer). The effects of different fertilization on soil nutrients, rice yield, nutritional quality and soil fertility were investigated. The results showed that compared with CK, rice grain and straw yields in fertilization were significantly increased by 11.4%–21.0% and 17.1%–40.2% respectively, especially for the T5, which were significantly increased by 3.4% and 6.6% respectively compared with T1. Effective panicle was an important character factor responsible for yield variation. In addition, compared with CK at mature stage, fertilization increased N, P and K uptake by 14.3%–30.6%, 8.9%–32.7% and 2.9%–47.2% respectively in rice aboveground plants. The highest absorption of N and P were found in T4, and the highest absorption of K was in T5. Total and essential amino acid contents in rice grains under fertilization in the 10thyear were increased by 11.5%–20.6% and 11.1%–19.8% respectively, compared with CK. Furthermore, compared with T1, essential and total amino acid contents in T5were significantly increased by 5.7% and 6.5% respectively. Meanwhile, soil fertility was improved by applying different organic matters, especially for T5, compared with T1, soil microbial biomass carbon (SMBC) and nitrogen (SMBN) concentrations in T5at the peak of tillering stage were significantly increased by 15.2% and 42.3% respectively. Additionally, soil organic matter and total nitrogen contents at mature stage were increased by 9.7%–16.7% and 10.9%-14.8% respectively in organic treatments compared with T1, and T5with the highest increment. In addition, available potassium contents in T4and T5were significantly higher than that of T1. Correlation analysis revealed that the contents of soil organic matter, total nitrogen, available potassium, SMBC and SMBN were significantly positively correlated with rice yield, total and essential amino acid contents, respectively. In conclusion, continuous return of milk vetch and organic materials could ameliorate soil properties, increase nutrient uptake and rice yield. For 11 consecutive years, the combination of Chinese milk vetch and straw or cow dung could replace chemical fertilizer application in yellow-mud paddy field, T5was the best fertilization in increasing rice yield and amino acid quality of rice grains as well as soil fertility. Soil organic matter, total nitrogen, available potassium, SMBC and SMBN are important fertility factors affecting rice yield and amino acid of rice grains.

Chinese milk vetch; Organic materials; Yellow-mud paddy field; Amino acid of grain; Soil property

S142；S141；S156

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.03.004

王飛, 王利民, 何春梅, 等. 紫云英與有機(jī)物料連續(xù)還田在黃泥田水稻穩(wěn)產(chǎn)提質(zhì)增效中的作用. 土壤, 2022, 54(3): 455–463.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題項(xiàng)目(2018YFD02003035*)、福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2020J011358，2021J01479)和國(guó)家綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-22-G-01)資助。

王飛(1976—)，男，福建福州人，本科，副研究員，主要從事土壤資源評(píng)價(jià)與持續(xù)利用研究。E-mail: fjwangfei@163.com