單季稻紅萍綠肥還田的節(jié)肥增產(chǎn)效應(yīng)

鄧素芳，詹 杰，楊燕秋，鄭慧芬，應(yīng)朝陽*

（1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建 福州 350013；2.國家紅萍資源中心，福建 福州 350013）

0 引言

【研究意義】隨著國家綠色發(fā)展戰(zhàn)略和農(nóng)藥化肥減施政策的提出，充分利用農(nóng)閑田種植綠肥，還田培肥地力，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，已成為促進(jìn)化肥減量增效及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段[1]。紅萍，學(xué)名滿江紅（AzollaLam.），江浙一帶又稱綠萍，具有固氮[2]、富鉀[3]、增磷效[4]、培肥[5]等多重生態(tài)功能，繁殖力強(qiáng)[6]，是稻田生態(tài)系統(tǒng)中一種重要的水生綠肥。通過倒萍（將紅萍埋入土中進(jìn)行的還田操作）或插秧前耘田翻壓，腐解后釋放的養(yǎng)分可供后茬作物當(dāng)季利用，替代部分化肥的同時還能改善土壤養(yǎng)分狀況，是實(shí)現(xiàn)稻田土壤可持續(xù)利用的有效途徑，在稻田化肥減施增效方面具有巨大潛力。開展紅萍綠肥替代化肥效應(yīng)的量化研究，對于紅萍綠肥利用具有重要的指導(dǎo)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】早在20世紀(jì)70～80年代，就有許多學(xué)者對稻田紅萍的減肥增效作用進(jìn)行了研究，在不同耕作制度和施肥水平下紅萍替代化肥的效果不同，如早稻田用紅萍做基肥或套養(yǎng)紅萍作追肥，施用70%紅萍氮可以相當(dāng)于70%化肥氮的效果（每667m2總施氮量為12.25 kg），而在萍-稻-稻耕作制下，紅萍氮可以替代總施氮量的30%～40%（每667m2施氮量為7～8 kg）[7]。近年來，隨著國家高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的提出，越來越多的學(xué)者關(guān)注紅萍綠肥利用研究，并將利用從稻田[8-11]擴(kuò)展到旱地[12-13]，關(guān)注點(diǎn)也逐漸從減肥增效[10-11]向固碳減排[9,14]傾斜。而關(guān)于稻田紅萍綠肥利用的研究更多地集中在紅萍與水稻共生或紅萍與其他有機(jī)物料共同還田方面，如紅萍和水稻秸稈聯(lián)合還田，可以促進(jìn)土壤碳氮礦化[8]；聯(lián)合使用紅萍和脲酶抑制劑的施肥模式可以減少農(nóng)田NH3揮發(fā)，促進(jìn)水稻增產(chǎn)[9]；紅萍與水稻共作，可以減少稻田15%～30%的氮肥施用，減少氨揮發(fā)[10]等。紅萍單獨(dú)還田在稻田化肥減施方面的研究僅見Malyan的報道，認(rèn)為紅萍替代25%尿素氮后，水稻仍有增產(chǎn)[11]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來，隨著耕作制度的變革，單季稻已逐漸發(fā)展成為南方稻區(qū)水稻（Oryza sativa）生產(chǎn)主要的耕作方式。紅萍作為水生綠肥在新型耕作制度下對水稻化肥減量增效有很好的作用，但其減肥量和減肥效果都不甚明確，這些都亟待開展系統(tǒng)的量化研究。此外，前人通常利用冬閑田（12月至次年4月）養(yǎng)殖紅萍，通過紅萍多次倒萍腐爛起到養(yǎng)地肥田作用，但該法在復(fù)種指數(shù)高的地區(qū)勢必影響冬種面積，且冬季紅萍的繁殖能力不強(qiáng)，有些寒冷地區(qū)甚至需要增加防護(hù)措施才能保證萍母越冬。實(shí)際上在春季，單季稻插秧前（3～5月），氣溫達(dá)15 ℃以上時，養(yǎng)殖1～2個月紅萍的產(chǎn)量就可達(dá)30 t·hm-2以上[7]。如果擴(kuò)繁的紅萍就地還田能為當(dāng)季水稻提供肥效，將為紅萍的利用與化肥減施增效提供新的途徑?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為了明確新型耕作制度下，紅萍還田對單季稻化肥減施及改良土壤的可行性和效果，在福建省糧食主產(chǎn)區(qū)浦城縣開展紅萍還田減肥試驗(yàn)，以春季培養(yǎng)可獲得的30 t·hm-2紅萍鮮萍還田，研究不同減肥處理下紅萍翻壓還田對單季稻生長、產(chǎn)量的影響和改土減肥的效果，旨在為紅萍在單季稻中的利用提供數(shù)據(jù)支持，對于紅萍在單季稻耕作制度下的減肥增效技術(shù)的應(yīng)用和推廣具有實(shí)際意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2021年5月～10月在福建省浦城縣蓮塘鎮(zhèn)馬西村（經(jīng)度 118°29′50″，緯度 27°59′2″，海拔255.75 m）進(jìn)行，還田紅萍為當(dāng)?shù)囟e田種植的紅萍，鮮萍平均含水率為92.23%，干物質(zhì)中含全N 1.94%、全P 0.21%、全K 1.46%。種植的水稻品種為中稻嘉豐優(yōu)2號。試驗(yàn)地土壤為灰泥田，土壤肥力為中上水平，耕層土壤（0～20 cm），有機(jī)質(zhì)26.60 g·kg-1，堿解氮 103.83 mg·kg-1，有效磷 49.60 mg·kg-1，速效鉀 68.67 mg·kg-1，pH 4.92。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)共設(shè)6個處理，每個處理3次重復(fù)。T1：不施紅萍和化肥；T2：常規(guī)（配方）施肥；T3：常規(guī)（配方）施肥+紅萍還田；T4：減少常規(guī)施肥氮、鉀肥用量20%+紅萍還田；T5：減少常規(guī)施肥氮、鉀肥用量40%+紅萍還田；T6：減少常規(guī)施肥氮、鉀肥用量60%+紅萍還田。紅萍還田量均為30 t·hm-2鮮萍。小區(qū)面積24 m2（6 m×4 m），小區(qū)間以地溝隔開，外設(shè)保護(hù)行。各小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列。

1.3 供試肥料及施用方法

試驗(yàn)中常規(guī)施肥水平為 N 180 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2。氮、磷和鉀肥分別為尿素（46% N）、過磷酸鈣（12% P2O5）和氯化鉀（60% K2O）。磷肥全部作基肥，氮肥和鉀肥按m（基肥）∶m（分蘗肥）∶m（穗肥）=4∶3∶3施用?；视谒疽圃郧? d施入，分蘗肥在移栽后5～7 d撒施，穗肥在水稻幼穗分化2期施用。各小區(qū)施肥及田間管理措施相同。水稻采用單本插秧，株行距23 cm×23 cm。各處理具體施肥量見表1。

表1 不同處理小區(qū)施肥量Table 1 Amounts of fertilizer applied on plots for treatments

1.4 田間操作管理

整地耘田后劃出小區(qū)，小區(qū)田埂包膜，各小區(qū)設(shè)置獨(dú)立進(jìn)排水口，插秧前10 d將紅萍按處理設(shè)置的還田量施入小區(qū)，人工翻壓均勻。試驗(yàn)水稻5月1日播種育秧，5月5日進(jìn)行小區(qū)隔離，5月25日紅萍翻壓入田，6月9日施基肥，6月15日水稻插秧移栽，7月1日施分蘗肥，8月4日施孕穗肥。10月13日收割，小區(qū)單打單收，實(shí)割測產(chǎn)。

1.5 測定項(xiàng)目及方法

水稻成熟后，各小區(qū)單收測產(chǎn)。同時每小區(qū)采水稻3穴地上部進(jìn)行室內(nèi)考種，記錄稻谷和稻草鮮重產(chǎn)量，測定樣品干重。并取各小區(qū)耕層土壤（0～20 cm）測定pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀。其中土壤pH、有效磷和速效鉀的測定分別采用中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 1377—2007土壤pH的測定》[15]、《NY/T 1121.7—2014 土壤檢測 第7部分：土壤有效磷的測定》[16]和《NY/T 889—2004 土壤速效鉀和緩效鉀含量的測定》[17]的方法；土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮的測定分別采用鮑士旦的重鉻酸鉀容量法——外加熱法和堿解擴(kuò)散法[18]。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)用Excel和SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計和分析，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，顯著性分析采用LSD法（P＜0.05）。

文中經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)指標(biāo)的計算公式如下：

式中，稻谷單價按2.8 元·kg-1計算，10 000為換算系數(shù)，各處理肥料投入量見表1，其中尿素（46%N）、過磷酸鈣（12% P2O5）和氯化鉀（60%K2O）的單價分別按浦城當(dāng)?shù)厥袌鰞r格3.6、1.9、4.8 元·kg-1計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅萍還田對水稻產(chǎn)量的影響

紅萍還田對水稻產(chǎn)量有顯著影響（表2）。與無肥處理（T1）相比，不同處理對水稻的增產(chǎn)效應(yīng)為T4＞T3＞T2＞T5＞T6。其中，T4處理（氮、鉀肥減量20%+紅萍還田）稻谷產(chǎn)量最高，顯著高于除T3外的其他處理（P＜0.05），比常規(guī)施肥處理（T2）平均增產(chǎn)11.11%。氮、鉀肥減量40%或60%并輔以紅萍還田的處理（T5和T6），分別比常規(guī)施肥處理（T2）減產(chǎn)0.92%、4.86%，但差異未達(dá)顯著性水平（P＜0.05）。

表2 紅萍還田對水稻產(chǎn)量的影響Table 2 Effect of Azolla application on rice yield

地上部秸稈產(chǎn)量以T3最高，與T2、T4、T6無顯著差異，但與T1、T5有顯著差異（P＜0.05）。收獲指數(shù)T5最高，但與其他處理無顯著性差異。從稻谷產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和收獲指數(shù)結(jié)果看，T4處理對提高水稻產(chǎn)量效果最好，說明每公頃翻壓30 t紅萍鮮萍，可以替代常規(guī)施肥中20%的氮鉀肥，還能顯著提高稻谷產(chǎn)量。

2.2 紅萍還田對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

紅萍還田對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響結(jié)果見表3。各處理對水稻的穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率無顯著影響，但對株高、有效分蘗數(shù)、叢穗數(shù)、穗長、千粒重有顯著影響。株高以T3最高，與T2、T4無顯著差異，顯著高于 T1、T5、T6（P＜0.05）。有效分蘗數(shù)以T4最高，與T2、T3、T5無顯著差異，與T1、T6差異顯著（P＜0.05）。叢穗數(shù)以 T3、T4最高，與T5無顯著差異，與 T1、T2、T6差異顯著（P＜0.05）。穗長以T1最低，除T6外，其他處理均顯著高于T1（P＜0.05）。千粒重以T6最高，與T3差異顯著（P＜0.05），與其他處理無顯著性差異。說明減氮鉀肥20%，并輔以紅萍還田的處理（T4）提高了水稻株高、有效分蘗數(shù)和叢穗數(shù)，且對水稻叢穗數(shù)的影響達(dá)到顯著性水平（P＜0.05）。而在紅萍還田的情況下，減肥至40%以上，水稻的株高、有效分蘗數(shù)開始明顯降低，并在減氮鉀肥60%+紅萍還田處理（T6）下對水稻的有效分蘗數(shù)產(chǎn)生顯著降低的影響（P＜0.05）。

表3 紅萍還田對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 3 Effect of Azolla application on rice yield components

2.3 紅萍還田的經(jīng)濟(jì)效益分析

試驗(yàn)根據(jù)市場價格對各處理進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析比較，結(jié)果見表4。紅萍還田主要的成本在于還田紅萍萍母的養(yǎng)殖成本及紅萍萍母的投放人工費(fèi)，而紅萍還田可結(jié)合插秧前耘田一起進(jìn)行，故與常規(guī)施肥處理相比不增加還田費(fèi)用。據(jù)報道，越冬萍母田平均每667 m2花工4個[7]，折工費(fèi)500元，需肥料或農(nóng)藥約20元，合計每667 m2耗本約520元。按冬閑田平均每667 m2產(chǎn)萍7 500 kg[7]折算，擴(kuò)繁每公斤萍母需耗本0.07元。春季單季稻田每667 m2需投放萍母200～250 kg[19]，故每公頃所需母萍的成本約210～262.5元。每公頃投放母萍按1個工計，則稻田紅萍綠肥利用每公頃共需耗本約330～380元。經(jīng)扣除肥料和紅萍還田成本后，收益以T4處理最好，顯著高于T1、T5和T6處理（P＜0.05），收益比T1處理增加31.17%，比T2處理增加11.07%，增收2 680.58元·hm-2，但未達(dá)顯著性水平。說明實(shí)施紅萍綠肥還田，不僅能減少后季水稻化肥施用量20%，還能增加經(jīng)濟(jì)收益。

表4 紅萍還田對水稻經(jīng)濟(jì)效益的影響Table 4 Effect of Azolla application on economic benefits for rice farming

2.4 紅萍還田對水稻收獲后土壤養(yǎng)分含量的影響

紅萍還田對水稻收獲后土壤養(yǎng)分含量的影響結(jié)果見表5，施化肥顯著降低了土壤pH（P＜0.05），而紅萍還田并減肥的處理（T4、T5、T6）pH比100%施肥的處理（T2）pH均有所提高?？梢姡眉t萍還田，減少化肥施用，可以緩解土壤酸化。紅萍還田處理，土壤有機(jī)質(zhì)平均含量均高于無紅萍還田的處理（T2）。其中T3處理有機(jī)質(zhì)含量比T2提高了2.77 g·kg-1，且差異顯著（P＜0.05）。此外，紅萍還田處理的土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量也均比無紅萍還田處理高，但差異沒有顯著性。其中減60%氮鉀肥并輔以紅萍還田的處理（T6）速效鉀含量比100%施肥處理（T2）顯著提高（P＜0.05）。說明紅萍還田替代化肥施用，可減緩化肥引起的土壤酸化的同時，還可以增加土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分的積累。

表5 紅萍還田對水稻收獲后土壤養(yǎng)分含量的影響Table 5 Effect of Azolla application on nutrients in soil after rice harvest

3 討論

3.1 紅萍還田對水稻生長的影響

大量的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究已證明紅萍對水稻生長發(fā)育具有促進(jìn)作用[20]，具體表現(xiàn)為前期抑制，中期趕上，后期促進(jìn)的效果[21]。王在德等[21]研究認(rèn)為，紅萍還田腐解會釋放大量養(yǎng)分，促進(jìn)水稻生長，推遲有效分蘗的終止期，株高和生物學(xué)產(chǎn)量均高于不施萍的對照。本試驗(yàn)結(jié)果亦是如此。同樣100%施肥，施萍還田處理（T3）的株高，有效分蘗數(shù)和生物學(xué)產(chǎn)量均高于不施萍的處理（T2）。紅萍還田主要是增進(jìn)水稻中后期的營養(yǎng)，如果水稻在早期受抑不重，后期供肥適時，就會增加穗數(shù)，如果后期供肥不過量，就會增進(jìn)結(jié)實(shí)率和千粒重取得增產(chǎn)[21]。本試驗(yàn)中，紅萍還田顯著增加了水稻叢穗數(shù)，并在減施氮鉀肥后，水稻結(jié)實(shí)率和千粒重有明顯增加。該結(jié)果與王在德等[21]的研究結(jié)果一致，也反映了本試驗(yàn)常規(guī)施肥處理中水稻后期供肥有過剩的可能。

3.2 紅萍還田的減肥效應(yīng)

前人對紅萍還田減肥增效作用的研究結(jié)果不甚相同，這主要與應(yīng)用田塊的土壤肥力、水稻需肥特性及耕作制度的不同有關(guān)。葉國添等[7]報道，早稻田用紅萍做基肥或套養(yǎng)紅萍作追肥，在每667 m2總施氮量為12.25 kg的情況下，施用70%紅萍氮可以相當(dāng)于70%化肥氮的效果，而在萍-稻-稻耕作制下，每667 m2施氮量為7～8 kg時，用紅萍氮替代總施氮量的30%～40%，水稻產(chǎn)量還能增產(chǎn)3.46%～5.21%。Malyan等[11]研究認(rèn)為紅萍替代25%尿素氮后，水稻產(chǎn)量比100%施尿素氮的處理增加14.8%。本試驗(yàn)是在單季稻耕作制下開展的研究，應(yīng)用的水稻品種——嘉豐優(yōu)2號屬于耐肥能力強(qiáng)的品種，試驗(yàn)地塊的土壤肥力屬于中上水平（土壤有機(jī)質(zhì)26.60 g·kg-1，堿解氮 103.83 mg·kg-1，有效磷 49.60 mg·kg-1，速效鉀68.67 mg·kg-1），此土壤條件下每公頃翻壓30 t紅萍不僅可以替代常規(guī)施肥中20%的氮鉀肥（T4），還能顯著增加稻谷產(chǎn)量（比常規(guī)施肥增產(chǎn)1.01 t·hm-2，P＜0.05），替代40%的氮鉀肥（T5），稻谷產(chǎn)量雖略有減少，但與常規(guī)施肥相比沒有顯著差異（P＞0.05）?？梢?，調(diào)整后期施肥策略（適當(dāng)減施），可替代更多數(shù)量的化肥。此外，前人研究認(rèn)為紅萍鉀的效益可以達(dá)到甚至略高于同數(shù)量化肥鉀的效益[22]，本試驗(yàn)也嘗試?yán)眉t萍替代鉀肥，減氮的同時也減同比例鉀，試驗(yàn)水稻未出現(xiàn)明顯缺鉀癥狀，說明紅萍的鉀對當(dāng)季水稻的生產(chǎn)是有效的。

3.3 紅萍還田的經(jīng)濟(jì)效益

明確紅萍還田的經(jīng)濟(jì)效益，是推廣紅萍利用的重要依據(jù)。稻田紅萍綠肥利用時，通常是利用冬閑田養(yǎng)萍，隨插秧前的耘田實(shí)現(xiàn)紅萍還田，故紅萍還田的成本主要在萍母養(yǎng)殖和投放上。葉國添等[7]對萍母田的產(chǎn)萍量、花工和耗本都做了詳細(xì)的統(tǒng)計，每元可平均產(chǎn)萍442 kg。現(xiàn)如今，人工成本大幅上漲，紅萍綠肥利用的成本也隨之升高。經(jīng)本試驗(yàn)統(tǒng)計，現(xiàn)如今每元可平均產(chǎn)萍僅14.3 kg，成本增加了近30倍。盡管如此，紅萍還田增產(chǎn)減肥的效益明顯，減氮鉀肥20%，扣除紅萍還田成本后，仍比常規(guī)施肥增收2 680.58元·hm-2。另一方面，生態(tài)種養(yǎng)的價值在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中越發(fā)凸顯。據(jù)報道，南方稻區(qū)冬閑田種植紫云英在一個輪作周期中能夠產(chǎn)生1.125萬元·hm-2的生態(tài)價值[23]，倘若對紅萍還田的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行價值核算，預(yù)計這部分的效益將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水稻增產(chǎn)減肥帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益。此外，經(jīng)多年調(diào)查和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，連年生長紅萍的田塊，每到春季可自然生萍，不需額外投放母萍或作為新增地塊替代施肥的萍母地，這將大大降低紅萍綠肥利用的投入成本，顯著提高紅萍還田的增收效果。可見，實(shí)施紅萍還田，尤其是連年紅萍還田，不僅減肥還能增收。

3.4 紅萍還田的改土培肥效果

大量研究表明，施用化肥顯著降低農(nóng)田土壤pH[24]。而綠肥還田后土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯提高，pH值上升[25]。施書蓮等[26]報道，100 kg紅萍的干物質(zhì)在一年內(nèi)就可以轉(zhuǎn)化成39 kg土壤有機(jī)質(zhì)。Singh等[27]的盆栽模擬試驗(yàn)表明，紅萍還田后，土壤pH呈上升趨勢。本試驗(yàn)也表明，施用化肥會導(dǎo)致土壤酸化，而紅萍還田并減少氮鉀肥施用可明顯提高土壤pH和有機(jī)質(zhì)，可見紅萍改土培肥效果顯著。研究表明，綠肥還田對土壤肥力的影響及對后茬作物增產(chǎn)節(jié)肥效應(yīng)的發(fā)揮隨翻壓年限的增加而增強(qiáng)[28,29]，紅萍亦是如此[30]。利用紅萍還田，減少化肥施用，是改善稻田土壤酸化的有效措施，但紅萍翻壓還田改土培肥需要長期的施用累積，才能達(dá)到顯著效果。

4 結(jié)論

紅萍還田量達(dá)30 t·hm-2時，不僅可以替代常規(guī)施肥中20%的氮鉀肥，還能顯著增加稻谷產(chǎn)量（比常規(guī)施肥處理增產(chǎn)11.11%，P＜0.05），并達(dá)到培肥地力（比常規(guī)施肥處理平均增加土壤有機(jī)質(zhì)1.71 g·kg-1，堿解氮 6.42 mg·kg-1，有效磷 1.61 mg·kg-1，速效鉀3.83 mg·kg-1，P＞0.05）的作用，是實(shí)現(xiàn)單季稻減肥增效的有效措施。