紫云英不同翻壓量對豫南地區(qū)水稻養(yǎng)分吸收及土壤肥力的影響

張 琳，張麗霞，史鵬飛，丁 麗，杜光輝，呂玉虎

（信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 信陽 464000）

水稻是我國第二大糧食作物和我國65% 以上人口的主食[1]，2022 年種植面積達(dá)2 945.01 萬hm2，占糧食播種面積的24.89%，稻谷總產(chǎn)20 849.50 萬t，占糧食總產(chǎn)的30.37%[2]。水稻的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)對保證豫南地區(qū)糧食供應(yīng)和社會穩(wěn)定具有重要意義。利用綠肥可以保障主作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高土壤肥力并減少化肥投入，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[3]。紫云英是豆科黃芪屬植物，為我國南方稻區(qū)主要的冬季綠肥之一，紫云英-水稻輪作是南方稻區(qū)傳統(tǒng)的耕作模式[4]。目前將紫云英作為作為唯一肥源生產(chǎn)有機(jī)稻米對水稻的產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量、土壤養(yǎng)分的影響并不明確。因此，研究紫云英作為鮮草的合理翻壓量具有重要意義。研究表明，紫云英在培育土壤、改善環(huán)境、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)、減少化肥投入等方面發(fā)揮著重要作用[5-7]。將其翻壓腐解可為后茬作物水稻的生長提供氮、磷、鉀等速效養(yǎng)分，從而達(dá)到在水稻生長期少施或不施化肥條件下能獲得較高產(chǎn)量的目的[8-11]。在保證作物不減產(chǎn)以及土壤地力不降低的前提下，用紫云英替代部分化肥的施肥方式是南方稻區(qū)減少化肥用量、提高肥料利用效率和減少農(nóng)業(yè)面源污染的有效途徑之一[12]。王建紅等[13]研究表明，在南方早稻生產(chǎn)中紫云英的適宜翻壓量為22.5～30.0 t·hm-2。紫云英翻壓量為30 t·hm-2時，漚田時間不少于7 d 覆膜移栽為宜[14]。豫南地區(qū)紫云英翻壓期在4 月上旬，而水稻種植在5 月下旬[15]，間隔期長達(dá)40 d，水稻移栽時紫云英已經(jīng)腐解較為完全，在較高翻壓量時水稻的生長是否會產(chǎn)生不利影響有待試驗進(jìn)一步驗證。本研究旨在探討在紫云英-水稻耕作模式下，將紫云英作為單一肥源時，紫云英不同翻壓量對水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量及土壤養(yǎng)分含量的影響，以此來確定紫云英鮮草的最佳翻壓量，從而為紫云英作為唯一肥源替代化肥的可能性提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗園區(qū)內(nèi)（32°07'N，114°05'E）。該區(qū)域?qū)賮啛釒蚺瘻貛н^渡區(qū)，年均氣溫15.1～15.3 ℃；雨水充沛，年均降水量900～1 400 mm；空氣濕潤，相對濕度年均77%。田間定位試驗始于2014 年，供試土壤為黃棕性潛育型水稻土，試驗前耕層土壤（0～20 cm）pH 值6.8、有機(jī)質(zhì)16.7 g·kg-1、全氮1.40 g·kg-1、堿解氮70.8 mg·kg-1、有效磷14.5 mg·kg-1、速效鉀68.4 mg·kg-1。

1.2 供試材料

試驗選用的紫云英品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N信紫三號，翻壓試驗采用紫云英盛花期地上部鮮草，試驗測得翻壓時鮮草水分含量為84.88%，紫云英干草氮、磷、鉀含量分別為31.40、3.4、12.4 g·kg-1。供試水稻品種為萬隆優(yōu)140。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用大田小區(qū)試驗，采用隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計，每個處理包括4 次重復(fù)，設(shè)置5 個處理：（1）不施化肥和紫云英（CK）；（2）翻壓22.5 t·hm-2紫云英鮮草（GM22.5）；（3） 翻 壓30 t·hm-2紫 云 英 鮮 草（GM30）；（4）翻壓45 t·hm-2紫云英鮮草（GM45）；（5）翻壓60 t·hm-2紫云英鮮草（GM60）。每年于水稻收獲后，設(shè)置翻壓紫云英處理的處理按照每小區(qū)15 g 的紫云英種子播種量進(jìn)行均勻撒播，小區(qū)面積6.66 m2（3.33 m×2.0 m），小區(qū)間筑30 cm 田埂并覆塑料薄膜以防止串水串肥，區(qū)組間留0.5 m 寬的溝，便于進(jìn)排水。

每年于盛花期（4 月上旬）刈割各小區(qū)紫云英地上部，將其全部混合均勻，按各小區(qū)設(shè)置的翻壓量進(jìn)行還田，用鐵鍬將紫云英鮮草均勻切碎并翻入10 cm 深的土層中。水稻于每年5 月下旬劃行移栽，小區(qū)栽插密度為16.7 cm×20.0 cm，每穴2 棵基本苗。田間管理同常規(guī)大田管理一致。不同處理的養(yǎng)分投入量見表1。

表1 不同處理氮、磷、鉀養(yǎng)分投入量 kg·hm-2

1.4 樣品采集與測定

采集翻壓還田前表層土壤和成熟期土壤樣品，采用5 點取樣法在各小區(qū)內(nèi)取0～20 cm 耕層土壤樣品，剔除石礫和植物殘體等雜物，將樣品在室內(nèi)風(fēng)干，磨細(xì)過0.149 mm 和2 mm 篩測定土壤指標(biāo)。于水稻成熟期進(jìn)行水稻測產(chǎn)，各小區(qū)單打單收，風(fēng)干后，測定稻谷和秸稈產(chǎn)量。并將這部分植株用來測定水稻收獲期稻谷和稻草氮、磷、鉀養(yǎng)分含量。

使用元素分析儀（Flash Smart,Thermo Fisher Scientific，美國）測定土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量；采用堿解擴(kuò)散法測定土壤速效氮；采用高氯酸-硫酸法測定土壤全磷含量；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻鈧比色法測定土壤速效磷含量；采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定土壤全鉀和速效鉀含量[16]。水稻植株通過濃硫酸消煮，采用凱氏定氮法測定全氮含量，鉬銻鈧比色法測定全磷含量，火焰光度計法測定全鉀含量[17]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究分析2021 年數(shù)據(jù)，采用Microsoft Excel 2017、SPSS18.0、Graph Pad Prism5.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析及繪圖，并通過Duncan 多重比較驗證0.05水平上的差異顯著性。

以氮素為例，各指標(biāo)計算公式如下：

式中，不施氮區(qū)為CK 處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫云英不同翻壓量對水稻稻谷和秸稈產(chǎn)量的影響

不同紫云英翻壓處理顯著影響了水稻稻谷及秸稈產(chǎn)量（圖1）。與CK 處理相比，各翻壓紫云英處理顯著提高了水稻稻谷產(chǎn)量22.68%～29.44%、秸稈產(chǎn)量31.72%～41.56%。各翻壓紫云英處理稻谷和秸稈產(chǎn)量無差異。當(dāng)綠肥翻壓量由45 t·hm-2增加到60 t·hm-2時，稻谷產(chǎn)量降低0.54%，秸稈產(chǎn)量增加6.28%，推測為翻壓量過大時導(dǎo)致養(yǎng)分投入過高，可能導(dǎo)致水稻后期貪青晚熟，從而影響了稻谷的產(chǎn)量。這說明全量翻壓綠肥并不是越大越好，45 t·hm-2的綠肥翻壓量足以保證水稻的高產(chǎn)。

圖1 紫云英翻壓量對水稻成熟期稻谷及秸稈產(chǎn)量的影響

2.2 紫云英不同翻壓量對水稻成熟期土壤理化性質(zhì)的影響

表2 顯示，與CK 處理相比，翻壓紫云英各處理的水稻成熟期土壤有機(jī)質(zhì)及速效氮含量均顯著增加，增幅分別為13.08%～23.46%和36.03%～93.06%，土壤全氮含量在紫云英翻壓量為30～60 t·hm-2時顯著增加，增幅為10.42%～28.13%，土壤全鉀含量在紫云英翻壓量為45～60 t·hm-2時顯著增加，增幅為12.46%～15.46%，土壤速效鉀含量在紫云英翻壓量為60 t·hm-2時顯著增加，增幅為17.25%。各紫云英翻壓處理土壤全磷和有效磷含量無顯著差異。各翻壓紫云英處理中以GM45 處理土壤有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀、速效氮含量最高。當(dāng)紫云英翻壓量從22.5 t·hm-2增加到30 t·hm-2時，土壤全氮及速效氮含量得到顯著提升，增幅達(dá)9.28%和37.50%，繼續(xù)增加翻壓量，當(dāng)翻壓量為45 t·hm-2時，土壤有機(jī)質(zhì)得到顯著提升，增幅達(dá)9.18%，當(dāng)翻壓量為60 t·hm-2時，土壤速效鉀含量得到顯著提升，增幅達(dá)11.68%。綜上可知，與不施肥處理相比，翻壓紫云英各處理能夠顯著增加水稻成熟期土壤有機(jī)質(zhì)和速效氮含量，但是土壤全鉀和速效鉀含量只有在高紫云英翻壓量（GM45、GM60）條件下才能顯著增加。

表2 水稻成熟期各處理土壤養(yǎng)分含量

2.3 紫云英不同翻壓量對成熟期水稻氮、磷、鉀吸收的影響

圖2 顯示，與CK 處理相比，翻壓紫云英處理稻谷氮吸收量顯著增加，增幅達(dá)46.46%～83.31%，GM45、GM60 處理秸稈氮吸收量顯著增加，增幅為88.48%～117.13%，水稻地上部氮吸收量顯著增加，增幅為44.90%～98.60%。GM45、GM60 處理相比GM30 處理，稻谷氮吸收量顯著增加24.68%～25.16%，GM60 處理秸稈氮吸收量相比GM22.5 和GM30 處理顯著提高了60.06%和41.97%。GM45 和GM60 處理間地上部氮吸收量無顯著差異，但是相比GM22.5 和GM30 處理差異顯著。綜上可知，與CK 處理相比，種植翻壓紫云英可提高水稻成熟期稻谷和秸稈氮吸收量，高量紫云英翻壓量（GM45、GM60） 條件下比低量紫云英翻壓量（GM22.5、GM30）顯著提升了地上部氮吸收量。

圖2 紫云英翻壓量對水稻成熟期氮吸收量的影響

圖3 顯示，與CK 處理相比，種植翻壓紫云英各處理稻谷磷吸收量無顯著差異，秸稈磷吸收量顯著增加，增幅達(dá)96.54%～200.63%，地上部磷吸收量顯著增加達(dá)16.47%～34.61%。GM45 和GM60 處理間秸稈磷吸收量無顯著差異，但是相比GM22.5 和GM30 處理差異顯著。GM45 處理秸稈磷吸收量相比GM22.5 和GM30 處理，增加幅度達(dá)22.28%～25.48%。GM60 處理秸稈磷吸收量相比GM22.5 和GM30 處理，增加幅度達(dá)49.07%～52.96%。由此可知，種植翻壓紫云英可顯著提高成熟期水稻秸稈磷吸收量及地上部磷吸收量。

圖3 紫云英翻壓量對水稻成熟期磷吸收量的影響

圖4 顯示，種植翻壓紫云英各處理稻谷、秸稈鉀吸收量無顯著差異。與CK 處理相比，GM60 處理顯著增加了稻谷和秸稈鉀吸收量，增幅分別為18.72%和31.98%，地上部鉀吸收量顯著增加達(dá)30.09%。

圖4 紫云英翻壓量對水稻成熟期鉀吸收量的影響

2.4 紫云英不同翻壓量對水稻養(yǎng)分利用效率的影響

本研究中將紫云英各翻壓處理的鮮草所含的養(yǎng)分含量作為養(yǎng)分投入量進(jìn)行考慮，從而計算水稻的養(yǎng)分利用率。由表3 可知，從養(yǎng)分回收利用率分析，各紫云英翻壓處理的氮磷鉀養(yǎng)分無顯著性差異。從養(yǎng)分農(nóng)學(xué)利用效率分析，水稻的氮磷鉀農(nóng)學(xué)利用效率隨紫云英翻壓量的增加而降低（P＜0.05）。與紫云英翻壓量為22.5 t·hm-2（GM22.5）相比，紫云英翻壓量為45 t·hm-2時，氮、磷、鉀的農(nóng)學(xué)利用效率降低了35.14%、35.11%、35.14%，隨著紫云英翻壓量的繼續(xù)增加，養(yǎng)分農(nóng)學(xué)利用效率繼續(xù)降低。當(dāng)紫云英翻壓量達(dá)60 t·hm-2時，氮、磷、鉀的農(nóng)學(xué)利用效率相比GM22.5 降低了52.36%、52.33%、52.36%。從養(yǎng)分偏生產(chǎn)力分析，紫云英翻壓量對水稻氮、磷、鉀偏生產(chǎn)力影響顯著。隨著紫云英翻壓量的增加，磷鉀偏生產(chǎn)力顯著降低，當(dāng)紫云英翻壓量達(dá)60 t·hm-2時，氮、磷、鉀的偏生產(chǎn)力相比GM22.5 降低了60.63%、60.01%、60.63%。

表3 不同紫云英翻壓量對水稻養(yǎng)分利用效率的影響

2.5 紫云英不同翻壓量下的水稻產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量與土壤理化性狀之間的關(guān)系

稻谷產(chǎn)量與土壤全氮、全鉀、速效氮、有機(jī)質(zhì)、稻谷吸氮量、稻谷吸鉀量顯著正相關(guān)，稻谷吸氮量與土壤全氮、全磷、全鉀、速效氮、有機(jī)質(zhì)顯著正相關(guān)，稻谷吸磷量與土壤速效氮顯著正相關(guān)，稻谷吸鉀量與土壤全氮、速效氮、稻谷吸氮量、稻谷吸磷量顯著正相關(guān)（表4）。秸稈產(chǎn)量與土壤全氮、速效氮、有機(jī)質(zhì)、秸稈吸氮量、秸稈吸磷量、秸稈吸鉀量顯著正相關(guān)，秸稈吸氮量與土壤全氮、速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)顯著正相關(guān)，秸稈吸磷量與土壤全氮、速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、秸稈吸氮量顯著正相關(guān)，秸稈吸鉀量與土壤全氮、速效鉀、秸稈吸氮量、秸稈吸磷量顯著正相關(guān)（表5）。

表4 稻谷產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量與收獲期土壤性狀的相關(guān)系數(shù)（r）

表5 秸稈產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量與收獲期土壤性狀的相關(guān)系數(shù)（r）

3 討論與結(jié)論

3.1 紫云英翻壓量對水稻產(chǎn)量的影響

紫云英作為南方稻區(qū)重要的有機(jī)肥源之一，因其養(yǎng)分含量豐富，可被用來替代部分化肥[18]。呂玉虎等[19]研究表明，減量20%化肥條件下，水稻產(chǎn)量在紫云英翻壓量為30 t·hm-2時最高；減量40%化肥條件下，水稻產(chǎn)量在紫云英翻壓量為37.5 t·hm-2時最高。張磊等[20]研究表明，在減量20%化肥條件下，江西雙季稻區(qū)水稻產(chǎn)量以紫云英翻壓量為30 t·hm-2時最高。

已有研究結(jié)果表明，利用單季晚稻生產(chǎn)有機(jī)稻米，以紫云英作為單一肥源，當(dāng)紫云英翻壓量為60～90 t·hm-2時可以實現(xiàn)水稻高產(chǎn)[13]。本研究結(jié)果與其相似，全量翻壓紫云英作為唯一肥源時，翻壓量為45 t·hm-2時，稻谷產(chǎn)量最高，繼續(xù)增加翻壓量，稻谷產(chǎn)量降低0.54%，秸稈產(chǎn)量增加6.28%（圖1），原因可能是60 t·hm-2的鮮草翻壓量過大導(dǎo)致養(yǎng)分投入過高，從而引起水稻后期貪青晚熟，進(jìn)而影響了稻谷的產(chǎn)量。紫云英翻壓量為60 t·hm-2時，單季稻仍能正常生長，沒有出現(xiàn)紫云英僵苗現(xiàn)象，這與林多胡等[21]的研究結(jié)果有差異。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是紫云英還田后快速腐解，釋放養(yǎng)分較快[22]，腐解后有較多的氮素固持在土壤中，從而對水稻的生產(chǎn)產(chǎn)生有利作用。已有研究表明，當(dāng)紫云英翻壓量為30、60 t·hm-2時，有效漚田時間不應(yīng)少于7 d 和14 d[14]。本試驗條件下，紫云英翻壓時間為4 月上旬，水稻移栽時間為5 月下旬，紫云英翻壓與水稻移栽之間較長的茬口間隔已使試驗初期的土壤養(yǎng)分環(huán)境發(fā)生改變[23]，這就解釋了紫云英在較高翻壓量時不會對水稻產(chǎn)生毒害的原因。

3.2 紫云英翻壓量對水稻養(yǎng)分吸收和養(yǎng)分利用率的影響

紫云英作冬綠肥具有較低的碳氮比，翻壓后1個月內(nèi)的氮素釋放量可達(dá)90%[24]，能夠為當(dāng)季水稻提供大量的有效態(tài)氮，從而促進(jìn)水稻對氮素的吸收[13]。有研究表明，翻壓綠肥能促進(jìn)水稻對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收，增加水稻養(yǎng)分累積量[23,25-27]。已有研究顯示，種植利用綠肥減施20%化肥提高了水稻產(chǎn)量和早稻稻谷吸氮量、當(dāng)季氮肥利用率和氮肥偏生產(chǎn)力[20]。本研究中，各紫云英翻壓處理的地上部氮素和磷素積累量顯著高于CK 處理，稻谷氮、磷積累量以GM45 處理最高，秸稈中氮、磷、鉀素累積量以GM60處理最高。原因可能是紫云英鮮草翻壓量為45～60 t·hm-2時，對于土壤的養(yǎng)分補(bǔ)給更為充分，導(dǎo)致水稻可利用的養(yǎng)分更多。

本研究中，將紫云英翻壓還田后從養(yǎng)分農(nóng)學(xué)利用效率分析水稻的養(yǎng)分農(nóng)學(xué)利用效率，表現(xiàn)為隨著紫云英翻壓量的增加而降低，但是無顯著差異。這與王建紅等[13]的研究結(jié)果相反。本研究結(jié)果表明，當(dāng)紫云英翻壓量為60 t·hm-2時，氮、磷、鉀的農(nóng)學(xué)利用效率相比GM22.5 處理分別降低了52.36%，52.33%，52.36%。原因可能是本研究施用的紫云英綠肥所含干基養(yǎng)分相較于王建紅等[13]研究中的綠肥養(yǎng)分含量高，導(dǎo)致養(yǎng)分投入過大。從養(yǎng)分偏生產(chǎn)力分析，在翻壓量為22.5 t·hm-2時，氮、磷、鉀養(yǎng)分偏生產(chǎn)力顯著高于其他紫云英翻壓處理，說明紫云英的適量翻壓有利于作物養(yǎng)分的吸收積累，從而提升養(yǎng)分利用效率。

3.3 不同紫云英翻壓量對土壤肥力的影響及其與水稻養(yǎng)分吸收量的關(guān)系

紫云英作綠肥對土壤肥力的提升在提高水稻產(chǎn)量及穩(wěn)定性中有重要作用，且可通過擴(kuò)充土壤養(yǎng)分庫容，從而實現(xiàn)節(jié)肥增效[28]。稻田冬種綠肥不僅提高土壤有機(jī)碳含量，同時也有利于土壤有機(jī)碳生態(tài)功能的穩(wěn)定[29]。本研究中，翻壓紫云英作為單一肥源時，顯著提升了水稻成熟期土壤有機(jī)質(zhì)和速效氮含量（表2），與前人研究結(jié)果[19,30]一致。

已有研究表明，影響水稻產(chǎn)量的肥力因子主要有土壤速效鉀、土壤有效磷和土壤有機(jī)質(zhì)[31]，水稻產(chǎn)量與水稻氮、磷、鉀素的吸收量顯著正相關(guān)[32]。本研究中，稻谷產(chǎn)量與土壤全氮、全鉀、速效氮、有機(jī)質(zhì)、稻谷吸氮量、稻谷吸鉀量顯著正相關(guān)，稻谷吸氮量與土壤全氮、全磷、全鉀、速效氮、有機(jī)質(zhì)顯著正相關(guān)，稻谷吸磷量與土壤速效氮顯著正相關(guān)，稻谷吸鉀量與土壤全氮、速效氮、稻谷吸氮量、稻谷吸磷量顯著正相關(guān)，土壤速效氮顯著影響稻谷產(chǎn)量以及稻谷氮、磷、鉀素吸收量（表4）。與前人研究[30]結(jié)果相似，原因可能是紫云英在翻壓入土后，經(jīng)微生物礦化分解其所含的氮緩慢釋放到稻田土壤中，土壤供氮能力得以增強(qiáng)，從而使后茬作物水稻的可吸收氮素增加，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量。在紫云英-水稻輪作系統(tǒng)中，紫云英的翻壓能滿足水稻對速效養(yǎng)分的需求，從而促進(jìn)其生長。

3.4 結(jié)論

在豫南地區(qū)紫云英-水稻輪作系統(tǒng)中，以紫云英作為單一肥源時，適宜的紫云英翻壓量可實現(xiàn)單季稻的高產(chǎn)。本試驗條件下，相比不施肥處理，翻壓紫云英處理水稻的稻谷產(chǎn)量顯著提高，成熟期土壤有機(jī)質(zhì)和速效氮顯著提高，能夠培育土壤碳庫和氮庫。紫云英翻壓量為22.5 t·hm-2時水稻氮、磷、鉀素偏生產(chǎn)力最高，繼續(xù)增加翻壓量，水稻的養(yǎng)分利用效率降低，不利于養(yǎng)分的高效利用。高量翻壓紫云英（GM45、GM60）時，稻谷及秸稈的氮、磷、鉀累積量最高。因此，翻壓量為45 t·hm-2時既能保證水稻生長，又能促進(jìn)水稻對氮、磷、鉀素養(yǎng)分的吸收，從而實現(xiàn)水稻增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。種植并翻壓紫云英作為單一肥源提高了水稻對氮磷鉀的養(yǎng)分吸收，在完全替代化肥的可能性上還需進(jìn)行進(jìn)一步探討，挖掘其培育土壤碳庫和氮庫的原因，從而對稻田土壤的養(yǎng)分循環(huán)作出進(jìn)一步研究。