安徽單季稻區(qū)紫云英翻壓的氮肥替代效應(yīng)

卜容燕，韓 上，李 敏，程文龍，胡 潤，鄭仁兵，王 慧，唐 杉，高嵩涓，曹衛(wèi)東，武 際*

（1 安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所/養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境安徽省重點實驗室，安徽合肥 230031；2 池州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，安徽池州 247000；3 霍山縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽霍山 237200；4 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210095；5 中國農(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）

水稻是我國重要的糧食作物，占到全國糧食總產(chǎn)量的1/3以上，水稻的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)對保障我國糧食安全起著至關(guān)重要的作用[1]。氮養(yǎng)分是限制水稻產(chǎn)量的重要因子，外源氮養(yǎng)分的提供是提高水稻產(chǎn)量的重要措施[2]?；示哂蟹市Э?、施用方便等特點。然而也有研究表明，在沒有有機物料的投入下，長期單施化肥易造成土壤理化性質(zhì)變差，從而導(dǎo)致土壤肥力下降[3]。當(dāng)前我國水稻生產(chǎn)中普遍存在氮肥過量施用的現(xiàn)狀[4–5]。大量氮肥的投入不僅沒有帶來產(chǎn)量的同步提升，還造成了一系列的環(huán)境問題，不利于我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[6]。因此如何在兼顧水稻產(chǎn)量與氮肥高效利用的基礎(chǔ)上，提升稻田土壤質(zhì)量、改善農(nóng)田環(huán)境是當(dāng)前我國水稻生產(chǎn)中迫切需要解決的科學(xué)問題。

紫云英是我國南方稻田主要的冬季豆科綠肥，具有固氮活磷、培肥地力作用[7–8]。稻田種植利用紫云英可以減少水稻對化肥的依賴，降低生態(tài)環(huán)境的壓力。周國朋等[9]通過不同地點連續(xù)定位試驗發(fā)現(xiàn)，長期紫云英翻壓還田能有效促進稻田土壤有機質(zhì)積累，提高土壤碳庫活性及可溶性有機質(zhì)的分子量和腐殖化程度。紫云英含有豐富的氮、磷、鉀養(yǎng)分，翻壓還田以后可以釋放供下季水稻吸收利用[10]。高嵩涓等[11]對全國11個聯(lián)合定位試驗930個數(shù)據(jù)匯總分析，明確了冬種紫云英在不減少化肥用量或化肥減施20%的條件下水稻增產(chǎn)效果依然顯著，在化肥減施40%時可保障水稻不減產(chǎn)。魯艷紅等[12]研究表明，在種植利用紫云英的基礎(chǔ)上適量的減少化肥用量不僅不會造成水稻的減產(chǎn)，還能顯著提高收獲指數(shù)。張潁睿等[13]研究也表明，紫云英和化肥配施可以提高肥料的利用效率。因此將紫云英納入稻田種植系統(tǒng)是實現(xiàn)水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

安徽省稻田面積高達220萬hm2，位于全國前列，是我國重要的水稻生產(chǎn)基地。因此在安徽稻田系統(tǒng)建立紫云英與化肥配施的施肥體系具有十分重要的意義。目前在稻田系統(tǒng)冬種紫云英作綠肥的節(jié)肥增效作用已經(jīng)得到廣泛驗證，但是區(qū)域間仍然存在差異。在安徽稻作區(qū)，有關(guān)冬種紫云英與化肥減量配施對水稻產(chǎn)量和氮肥利用率影響的研究鮮見報道。本研究以此為契機，連續(xù)兩年在安徽省兩個水稻主產(chǎn)區(qū)設(shè)置田間試驗，研究稻田種植利用紫云英條件下減施不同比例化學(xué)氮肥對水稻產(chǎn)量、氮素吸收、氮肥利用效率以及土壤養(yǎng)分含量的影響，以期為安徽稻田紫云英翻壓還田后氮肥科學(xué)施用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究的田間試驗分別位于安徽省水稻主產(chǎn)區(qū)的貴池和霍山。貴池試驗點位于安徽省池州市貴池區(qū) (北緯 30°38′8′′，東經(jīng) 117°24′34′′)，該地區(qū)屬于典型的北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量1600 mm，年均日照1800 h，年均氣溫16.5℃，供試土壤屬于河流沖積物發(fā)育的水稻土，質(zhì)地為黏土?；羯皆囼烖c位于安徽省六安市霍山縣 (北緯 31°22′28′′，東經(jīng)116°19′42′′)，該地區(qū)屬于典型的北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量1366 mm，年均日照1750 h，年均氣溫15.3℃，供試土壤屬于河流沖積物發(fā)育的水稻土，質(zhì)地為沙壤土。兩個試驗點的種植制度均為一季中稻。供試土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基礎(chǔ)性質(zhì)Table 1 Basic properties of experimental soils

1.2 試驗設(shè)計

本研究兩個試驗點試驗處理一致，共設(shè)7個處理，包括：冬閑+不施氮肥(–N)和冬閑+常規(guī)施氮(100%N)兩個對照，以及冬種紫云英條件下，施常規(guī)氮肥量的 0% (Mv)、40% (Mv+40%N)、60% (Mv+60%N)、80% (Mv+80%N)和 100% (Mv+100%N) 5 個處理。常規(guī)氮肥用量為202.5 kg/hm2，均施于水稻上，基肥、分蘗肥和穗肥按50%、20%和30%施用。所有處理水稻季均一次性基施P2O575 kg/hm2和K2O 150 kg/hm2，每個處理設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積為20 m2，隨機區(qū)組排列。紫云英采用撒播的方式播種，播種量為30 kg/hm2。次年水稻移栽前20～25 天翻壓，鮮紫云英翻壓量控制在20000～22500 kg/hm2。如果當(dāng)年紫云英生長量不足，補充至20000 kg/hm2；如果紫云英鮮草量超過22500 kg/hm2，多余的部分刈割移出。水稻采用育秧移栽，移栽密度為20萬蔸/hm2。氮、磷、鉀肥料品種分別為尿素(46% N)、過磷酸鈣(12% P2O5)和氯化鉀(60% K2O)。紫云英品種為‘弋江籽’，水稻品種均為當(dāng)?shù)氐闹魍破贩N，其中貴池為‘晶兩優(yōu)華占’，霍山為‘欣降1號’。田間管理按照常規(guī)的栽培技術(shù)要求進行，病蟲害及雜草的防治同當(dāng)?shù)剞r(nóng)田管理措施一致。

1.3 樣品采集與測定

在2017年紫云英播種前，以整個試驗田塊為采樣單元，采用“S”形取樣方法在試驗田塊內(nèi)采集15個點的0—20 cm土壤樣品，用于測定基礎(chǔ)土壤理化性狀。在2019年水稻收獲后，在每個試驗小區(qū)采用“S”形取樣方法在試驗田塊內(nèi)采集6個0—20cm土壤，作為試驗結(jié)束后土壤樣品。采集的土壤樣品剔除雜質(zhì)后，風(fēng)干過篩，供理化性質(zhì)分析用。采用1∶3的土水比、超聲波破碎的方法分離土壤中顆粒有機物和非顆粒有機物，再分別測定有機質(zhì)含量。土壤總有機質(zhì)和顆粒態(tài)有機質(zhì)中碳含量采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤總有機質(zhì)和顆粒態(tài)有機質(zhì)中氮含量采用濃H2SO4消化—流動注射分析儀測定；有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用1 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法測定；pH按照水土比2.5∶1 用pH 計測定[14]。

水稻樣品采集與分析：每季水稻收獲當(dāng)天在每個小區(qū)隨機選擇6株水稻地上部樣品，分器官(籽粒和莖稈)于105℃殺青30 min，然后經(jīng)過60℃烘干磨細過篩。粉碎后的籽粒和莖稈樣品分別采用濃H2SO4–H2O2消化后，用凱氏定氮法測定水稻不同器官氮的含量。

水稻產(chǎn)量：各個小區(qū)單打單收測產(chǎn)。

1.4 計算方法[15]

氮肥利用率 (recovery efficiency of applied N，REN，%)=(U–U0)/ F×100，其中 U、U0 分別為施氮、不施氮處理作物收獲期地上部總吸氮量，F(xiàn)代表氮肥投入量。

氮肥農(nóng)學(xué)效率 (agronomic efficiency of applied N，AEN，kg/kg) 指單位施氮量所增加的作物籽粒產(chǎn)量，AEN=(Y–Y0)/F，其中Y、Y0分別為施氮、不施氮處理作物收獲期水稻產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 17.0軟件進行分析整理，并采用最小顯著性法(LSD)檢驗數(shù)據(jù)差異的顯著性水平(P<0.05為顯著)，所有圖形均用Origin 2017軟件進行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫云英配施減量氮肥對水稻產(chǎn)量的影響

圖1顯示，貴池和霍山兩年試驗不施氮肥處理(–N)水稻平均產(chǎn)量分別為 6367 和 5503 kg/hm2，顯著低于其他處理(P<0.05)；100%N處理水稻平均產(chǎn)量分別為9296和7683 kg/hm2，比–N處理分別增產(chǎn)46.0%和39.6%；Mv處理水稻平均產(chǎn)量分別為7039和6050 kg/hm2，比–N處理分別增產(chǎn)10.6%和9.9%，但顯著低于100%N處理(P<0.05)。這說明在稻田種植利用紫云英有利于增加水稻產(chǎn)量。在翻壓紫云英處理中，Mv+60%N處理兩地、兩年水稻產(chǎn)量平均為8349 kg/hm2，Mv+60%N、Mv+80%N和Mv+100%N處理水稻產(chǎn)量與100%N處理差異不顯著，但顯著高于Mv+40%N和Mv處理(P<0.05)，說明在種植利用紫云英基礎(chǔ)上，施氮量不足常規(guī)施氮的60%時不能滿足水稻的氮素需求，施氮量超過常規(guī)施氮的60%時，水稻的產(chǎn)量不再明顯增加，甚至有降低的趨勢。

圖1 不同處理下貴池和霍山水稻產(chǎn)量(2018和2019)Fig.1 The rice yield in Guichi and Huoshan under different treatments in 2018 and 2019

2.2 紫云英配施減量氮肥對水稻氮素吸收的影響

表2表明，貴池和霍山兩年試驗–N處理水稻平均氮吸收量分別為86.9和74.8 kg/hm2，100%N處理水稻氮素吸收量分別為141.9和118.9 kg/hm2，分別比–N處理增加63.5%和65.7%。貴池和霍山兩年試驗Mv處理水稻氮素吸收量分別平均為97.9和87.2 kg/hm2，分別比–N處理增加12.6%和16.7%，但顯著低于100%N處理(P<0.05)。在種植利用紫云英的基礎(chǔ)上，Mv+60%N、Mv+80%N和Mv+100%N處理水稻氮素吸收量與100%N處理差異不顯著，但顯著高于Mv+40%N和Mv處理(P<0.05)。這說明與100%N處理相比，在種植紫云英的基礎(chǔ)上減少40%常規(guī)氮肥不降低水稻植株對氮素的吸收。

表2 不同處理對水稻氮素吸收量的影響Table 2 The effects of different treatments on N uptake of rice

2.3 紫云英配施減量氮肥對水稻季氮肥利用率的影響

表3表明，貴池和霍山試驗100%N處理氮肥表觀利用率平均為30.1%和25.9%，氮肥農(nóng)學(xué)效率平均為14.7%和11.3%。與100%N處理相比，Mv+40%N、Mv+60%N、Mv+80%N和Mv+100%N處理的水稻季氮肥利用率分別平均提高了46.3%、31.6%、16.1%和4.4%，氮素農(nóng)學(xué)效率分別提高了61.6%、43.6%、23.2%和0.1%。貴池氮肥表觀利用率2018年以Mv+60%N處理最大，而2019年為Mv+40%N處理最大，農(nóng)學(xué)效率也最大；在霍山兩年試驗均是Mv+40%N處理氮肥表觀利用率和氮肥農(nóng)學(xué)效率最大，其次是Mv+60%N處理。

表3 不同處理對水稻季氮肥利用率的影響Table 3 N utilization rate in rice season in different treatments

2.4 紫云英配施減量氮肥對有機質(zhì)組分的影響

氮肥用量和種植利用紫云英均顯著影響土壤有機質(zhì)和活性有機質(zhì)(顆粒態(tài)有機質(zhì))中碳和氮的含量(表4)。在本試驗條件下，所有施肥處理土壤有機質(zhì)中碳含量均顯著高于–N處理。100%N處理貴池和霍山土壤有機質(zhì)中碳含量比–N處理分別增加了6.6%和1.4%。與100%N處理相比，貴池和霍山紫云英配施氮肥增幅分別為3.3%～13.4%和7.6%～13.8%。與總有機質(zhì)變化趨勢相同，貴池和霍山紫云英與化學(xué)氮肥配施處理土壤顆粒態(tài)有機質(zhì)中碳含量比100%N處理增幅分別為14.9%～24.5%和20.6%～32.0%。種植紫云英有利于提高土壤質(zhì)中碳的含量，其中顆粒態(tài)有機碳含量增加幅度高于總有機碳。

表4 2019年不同處理對土壤總有機質(zhì)和顆粒態(tài)有機質(zhì)碳氮的影響(g/kg)Table 4 Total and particulate total organic matter C and N contents in soil under different treatments in 2019

在沒有氮養(yǎng)分投入的條件下，貴池和霍山土壤總有機質(zhì)氮和顆粒態(tài)有機質(zhì)氮含量最低。外源氮養(yǎng)分投入后，這兩種有機質(zhì)組分氮含量明顯增加。與–N處理相比，其中100%N處理，貴池和霍山土壤總有機質(zhì)氮含量分別增加20.6%和14.1%；顆粒態(tài)有機質(zhì)氮含量分別增加33.3%和37.5%。種植利用紫云英且沒有化學(xué)氮肥投入條件下，貴池和霍山土壤總有機質(zhì)氮含量分別增加11.1%和9.0%；顆粒態(tài)有機質(zhì)氮含量分別增加30.6%和16.7%。與100%N處理相比，單種紫云英土壤總有機質(zhì)氮和顆粒態(tài)有機質(zhì)氮的含量降低。在種植翻壓紫云英基礎(chǔ)上，土壤總有機質(zhì)氮和顆粒態(tài)有機質(zhì)氮含量均隨著氮肥用量的增加而增加，貴池和霍山均是Mv+100%N處理最高。其中土壤總有機質(zhì)氮分別增加3.9%和3.1%；顆粒態(tài)有機質(zhì)氮分別增加39.6%和21.2%，顆粒態(tài)有機質(zhì)氮含量增加幅度高于總有機質(zhì)氮含量。

3 討論

3.1 紫云英配施減量氮肥對土壤有機質(zhì)組分的影響

合理地進行有機無機肥配施是提高作物產(chǎn)量、培肥地力，實現(xiàn)化肥零增長的有效途徑[16–18]。大量研究表明，長期紫云英還田有利于改善土壤肥力[19]。一方面大量的紫云英還田可以增加土壤有機碳輸入，提高土壤養(yǎng)分含量；另一方面紫云英可以活化土壤中的養(yǎng)分，提高速效養(yǎng)分的含量[20]。與單施化肥處理相比，紫云英翻壓還田配施減量化肥能夠提升土壤碳和氮的含量。在本研究中，貴池和霍山總有機碳分別增加3.3%～13.4%和7.6%～13.8%。與土壤總碳變化趨勢相同，兩地、兩年土壤全氮含量隨著氮肥用量的增加表現(xiàn)為增加趨勢，當(dāng)紫云英配施60%常規(guī)氮肥時，土壤全氮的含量高于100%N處理。兩地、兩點土壤總有機碳含量隨著氮肥用量的增加表現(xiàn)為增加趨勢。這一方面和紫云英含有大量的碳和氮元素有關(guān)，另一方面施氮肥能夠增加水稻的生物量，從而增加了土壤碳和氮的投入(如：根系、殘茬、根系分泌物等)。不同施肥處理除了增加土壤總有機碳的含量，也明顯增加土壤活性有機碳含量。土壤顆粒態(tài)有機物主要來源于部分分解的動植物殘體，是有機質(zhì)中腐殖化程度較低而活性較高的組分，被認為是微生物活動的重要碳源和氮源，也是土壤有機氮礦化的主要的“庫”[21]。本研究中連續(xù)2年紫云英還田可以提高土壤總有機質(zhì)和顆粒態(tài)有機質(zhì)中碳和氮的含量，其中顆粒態(tài)有機質(zhì)中碳和氮含量增加幅度高于總有機質(zhì)。這是因為紫云英翻壓向土壤中投入的有機物的數(shù)量明顯高于單施化肥處理，增加了土壤顆粒態(tài)有機物質(zhì)來源，有利于物質(zhì)積累。顆粒態(tài)有機質(zhì)含量和組成直接關(guān)系到土壤氮素供應(yīng)能力[22]。由此可見，連續(xù)紫云英還田培育了土壤碳和氮庫，提高了土壤氮素供應(yīng)能力，進而保障了水稻高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。

3.2 紫云英配施減量氮肥對水稻產(chǎn)量和氮素吸收的影響

紫云英作為我國南方稻田主要的有機肥源，不僅可以釋放養(yǎng)分供水稻吸收利用，還可以改善土壤肥力，促進水稻高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)[23–25]。在本試驗條件下，與100%N處理相比，紫云英替代40%化學(xué)氮肥，不會造成水稻減產(chǎn)。這個結(jié)果與高嵩涓等[11]、周興等[26]、張璐等[27]研究結(jié)果一致。紫云英是典型的豆科綠肥，可以通過與根瘤菌共生固氮將大氣中的N2固定在體內(nèi)，研究表明紫云英體內(nèi)50%以上的氮素是來自共生固氮[28]。在本試驗條件下，通過對紫云英的生物量和氮積累量進行估算可知，每年紫云英還田生物量在20000～22500 kg/hm2，帶入的氮素為52～60 kg/hm2，這部分帶入的氮是增加水稻產(chǎn)量和氮素吸收的重要原因。紫云英與化學(xué)氮肥配施，速效的化學(xué)氮肥可以滿足水稻早期對氮素的需求，而紫云英的腐解相對較慢，可以持續(xù)不斷的釋放養(yǎng)分供水稻吸收利用，從而促進水稻的生長發(fā)育[29]。王赟等[30]研究表明紫云英翻壓還田后有利于提高水稻有效穗，從而保證了水稻的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。除此之外，紫云英與化學(xué)氮肥配施促進土壤微生物繁殖，增加土壤微生物對速效氮素的固定，減少礦質(zhì)氮素的損失，提高了水稻季氮肥利用效率[31–32]。本研究也發(fā)現(xiàn)，與單施100%化肥相比，紫云英還田減施化學(xué)氮肥能夠提高水稻季氮肥表觀利用率和農(nóng)學(xué)效率，因而有降低氮損失及環(huán)境污染風(fēng)險的能力。Zhu等[33]研究表明紫云英配合氮肥減施更有利于氮素在土壤耕層的殘留和保存，進而補充了土壤氮庫。15N同位素標(biāo)記試驗也表明，紫云英替代化學(xué)氮肥條件下，水稻收獲后土壤氮肥殘留率是單施化肥的2倍以上，這說明紫云英和化學(xué)氮肥配施可以增加土壤對氮素的固定，減少氮素損失[34]。因此本研究中，第二年試驗種植翻壓紫云英對水稻產(chǎn)量和氮素吸收的增加效果好于第一年，也可能是由于未被第一季水稻作物利用的氮素并未流失，進而提高了土壤氮素供應(yīng)能力，為第二季水稻進一步吸收利用所致。因此在水稻生長中，應(yīng)該充分考慮紫云英的氮肥替代效應(yīng)，合理地進行氮肥用量推薦。

4 結(jié)論

在安徽單季稻區(qū)，冬季種植并翻壓紫云英可以大幅減少化肥氮的投入量，其最大氮素替代效應(yīng)是40%的化學(xué)氮肥，在此替代比例下，水稻產(chǎn)量和氮素吸收與施用常規(guī)氮量無顯著差異，水稻季氮肥利用率和農(nóng)學(xué)效率分別平均提高了31.6%和43.6%，冬種紫云英還顯著提高了土壤顆粒有機質(zhì)中的碳和氮含量，增加了土壤碳、氮的穩(wěn)定性，有利于土壤的培育。