綠肥稻稈協同還田下氮肥減量的增產和培肥短期效應

　　摘 要：稻田綠肥秸稈協同還田是稻田培肥地力的有效措施，本文基于 2 年田間試驗研究了綠肥稻稈協同還田下氮肥減量對水稻產量、產量構成要素及土壤養分含量的影響。試驗于 2018—2020 年在陜西省漢中市漢臺區進行，設置 5 個處理：(1) 冬閑+水稻秸稈不還田+不施肥(CK);(2) 冬閑+水稻秸稈不還田+常規施氮(NPK);(3) 冬種紫云英+水稻秸稈還田+常規施氮 (GRN1);(4) 冬種紫云英+水稻秸稈還田+減氮 20% (GRN2);(5) 冬種紫云英+水稻秸稈還田+減氮 30% (GRN3)。結果表明：水稻產量方面，年際間差異較大，2019 年度 GRN1 處理‘荃香優 1521’產量最高為 10,047 kg hm-2，顯著高于 NPK 處理，增幅為 6.7%;其次為 GRN2 和 GRN3，但與 NPK 差異不顯著;2020 年度 GRN2 和 GRN3 處理‘黃華占’產量較 NPK 處理顯著增加，增幅分別為 6.6%和 5.8%。綠肥稻稈協同還田處理均可以顯著提高水稻產量，較 CK 和 NPK 增幅分別為 67.9%~83.0% 和 2.8%~6.7%。土壤養分方面，紫云英稻稈協同還田提高了耕層 0~20 cm 土壤有機碳和速效磷，GRN2 處理較 NPK 處理分別提高了 6.8%~13.2%和 9.9%~12.6%。相關分析表明，水稻株高、單株鮮重、根茬鮮重、每穗實粒數及千粒重與水稻產量呈顯著正相關，與 NPK 相比，2 年 GRN2 處理可以顯著提高水稻有效穗 13.0%~29.3%，每穗實粒數 4.5%~14.3%;GRN2 處理可以顯著提高水稻株高 10.4%，單株鮮重 23.6%，根茬鮮重 30.0%。紫云英-水稻輪作條件下，綠肥稻稈協同還田同時氮肥減量 20%，提高了水稻產量性狀及農藝性狀，增強了土壤匯碳功能，增加了土壤養分，從而有利于維持水稻穩產高產，是適宜漢中地區的水稻綠色種植模式。

　　王呂; 崔月貞; 吳玉紅; 郝興順; 張春輝; 王俊義; 劉怡欣; 李小剛; 秦宇航， 作物學報 發表時間：2021-08-06

　　關鍵詞：紫云英-水稻輪作;秸稈還田;水稻產量;產量構成因素;土壤養分

　　化肥的投入使我國水稻單位面積產量大幅增加，但過量施用也給稻田土壤和環境帶來了負面影響。研究發現我國水稻單產從 1961 年的 2079 kg hm-2 增加到 2017 年的 6909 kg hm-2，但化肥投入量，尤其是氮肥的投入量卻增加了 28 倍[1-2]。重化肥尤其是氮肥輕有機肥、綠肥等現象，在我國水稻生產中普遍存在，嚴重影響稻田生態系統的穩定性和可持續性，不利于農業可持續發展[3]。因此如何在保證水稻產量和氮肥高效利用的前提下，緩解稻田農業環境壓力，提高稻田土壤肥力，成了當前研究工作的重點。

　　紫云英是一種優質的稻田冬閑綠肥，研究發現紫云英翻壓還田后，可以改善水稻生長環境，增加土壤養分含量，保證水稻高產和穩產[4]，還可以充分利用冬季水熱資源。同時綠肥還田配合化肥減量還可以提高水稻產量[5]和肥料利用率[6]，且在化肥用量不變的情況下，綠肥和稻稈還田均能提高土壤肥力、防止土壤退化、增加作物產量[7-8]。有研究發現在保證水稻穩產的前提下，紫云英能夠替代 20%~40%的化肥[9-10]。秸稈還田為秸稈資源化利用提供了有效途徑。我國 2015 年水稻秸稈產生量占比農作物秸稈產生量的 22.4%，秸稈綜合化利用率達 80.11%，但仍有 20%的秸稈存在不合理利用現象，秸稈含有豐富的氮、磷、鉀等養分，秸稈還田可以培肥改土，提高水稻產量品質[11-13]，同時秸稈還田配合氮肥減量對培肥地力和提高作物產量也具有積極意義[14]。綠肥和稻稈是稻田土壤重要的有機物料，綠肥和稻稈還田為稻田生態系統的穩定性發展提供了有利條件。前人研究針對紫云英和稻稈單獨還田及其配合氮肥減量方面做了大量工作 [14-17]。也有學者發現紫云英和稻稈聯合還田可以發揮其各自的互補效應，即稻草高鉀素含量可以緩解冬種紫云英土壤鉀的下降，紫云英根瘤固氮可以緩解稻稈腐解引發的作物前期氮素供應不足[18]。綠肥稻稈協同還田配合化肥減量比秸稈單獨還田早稻產量增加 9.2% [19]，二者聯合還田較綠肥單獨還田可以提高土壤有機質 1.4%、全氮 1.5%、速效磷 3.0%、速效鉀 2.5% [20]。紫云英稻稈聯合還田較二者單獨還田對水稻產量的貢獻、肥料利用率及土壤培肥效果更好[21]。因此在稻田開展綠肥、稻稈等有機物料就地還田對培肥改土，減少肥料成本和農業可持續發展具有重要作用[22-23]。雖然有關綠肥稻稈協同還田前人做了相關工作，但對其聯合還田后的節肥效應研究還較少，仍需開展相關研究以明確其聯合還田的節肥效應。綠肥稻稈等有機養分資源還田可以替代化肥、消納廢物、增產增肥，又能推動稻作清潔生產，對農業的可持續發展具有重要意義[24]。本文旨在通過研究綠肥稻稈協同還田下氮肥減量對水稻產量、農藝性狀及土壤養分含量的影響，明確本地區有機物料原位還田后的培肥、增產及減氮效應，為漢中地區氮肥合理使用和稻田綠色高效可持續發展提供理論依據。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗地概況

　　試驗于 2018 年至 2020 年在陜西省漢中市漢臺區市農業科學研究所韓塘基地進行，該區屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫 14℃，年均降水量 800~1000 mm，無霜期 260 d，≥10℃積溫 4480℃。供試土壤類型為潴育性水稻土。試驗前土壤基本理化性質為：pH 5.19 (水土比為 2.5∶1)，有機質 18.78 g kg-1，全氮 1.25 g kg-1，全磷 0.95 g kg-1，全鉀 14.16 g kg-1，速效磷 35.32 mg kg-1，速效鉀 78.91 mg kg-1。

　　1.2 試驗設計

　　試驗采用大區完全隨機區組設計，共設 5 個處理：①冬閑+水稻秸稈不還田+不施肥(CK);②冬閑+水稻秸稈不還田+常規施肥(NPK);③冬種紫云英+水稻秸稈還田+常規施肥(GRN1);④冬種紫云英+水稻秸稈還田+氮肥減量 30% (GRN2);⑤冬種紫云英+水稻秸稈還田+氮肥減量 20% (GRN3)。每個處理重復 3 次，小區面積 20 m2 (4 m×5 m)。供試肥料為洋豐摻混肥料(N∶P2O5∶K2O = 15∶15∶15)，尿素(含 N 46%)，氯化鉀(含 K2O 60%)，常規施肥為純 N 180 kg hm-2，K2O 105 kg hm-2，P2O5 90 kg hm-2，除對照外其余各處理鉀肥和磷肥均作底肥一次性基施，氮肥基追比均為 7∶3，氮肥減量 20%和 30%處理分別在基肥時減少相應 20%和 30%，于水稻分蘗期追施剩余氮肥。水稻收獲后免耕播種紫云英，播種密度為 2.5 kg hm-2，于次年盛花期翻壓還田。2019 年度，供試水稻品種為雜交秈稻‘荃香優 1521’ (漢中農業科學研究所自育新品種)， 2020 年度供試水稻品種為主推優質秈稻‘黃華占’。水稻收獲后水稻秸稈粉碎覆蓋地表，翌年水稻插秧前翻壓還田。

　　1.3 測定項目

　　在水稻收獲期(2019 年 9 月和 2020 年 9 月)分別采集耕層土壤 0~20 cm 樣品。土壤樣品的分析參照《土壤農化分析》[25]。土壤有機質用外加熱-重鉻酸鉀容量法;土壤堿解采用堿解擴散法測定;土壤速效磷采用 0.5 mol L-1 NaHCO3 浸提-鉬銻抗比色法;土壤速效鉀采用 l mol L-1 NH4OAc 浸提-火焰光度法：pH 采用 pH 計測定，水土比為 2.5∶1.0。土壤硝態氮和銨態氮用 l mol L-1 KCl 浸提-連續流動分析儀(AA3)測定[26]。水稻成熟后各小區單獨收獲測產，并根據平均有效穗數取 3 蔸進行考種，調查株高、單株鮮重、根茬鮮重、根長、有效穗、每穗實粒數、千粒重。

　　1.4 數據處理

　　數據應用 Microsoft Excel 2010 程序和 SAS 8.1 統計分析軟件進行處理，使用單因素完全隨機區組設計方差分析和最小顯著性差異法(LSD)對數據均值進行多重比較，Origin 2017 作圖。

　　2 結果與分析

　　2.1 紫云英稻稈協同還田對水稻產量的影響

　　氮肥和生長季顯著或極顯著影響水稻產量(圖 1)。2018—2019 年度‘荃香優 1521’水稻產量表現為 GRN1>GRN2>GRN3>NPK>CK，其中 GRN1 水稻產量最高，為 10,047 kg hm-2，較對照增產 83.0%，較常規施氮增產 6.7%;2019—2020 年度‘黃華占’水稻產量表現為 GRN2>GRN3>GRN1>NPK>CK，其中 GRN2 水稻產量最高，為 9185 kg hm-2，較對照增產 74.2%，較常規施氮增產 6.6%。與 CK 相比，2 年綠肥稻稈協同還田各處理水稻產量均顯著提高，增幅分別為 78.5%~83.0%和 63.4%~74.2%。與 NPK 相比，2018—2019 年 GRN1 處理水稻產量顯著提高，增幅為 6.7%;2019—2020 年 GRN2 和 GRN3 處理水稻產量均顯著提高，增幅為 6.6%和 5.8%。綠肥稻稈協同還田可以顯著增加水稻產量，增幅為 67.9%~83.0%，2018—2019 年綠肥稻稈協同還田對比不施氮處理增產幅度大于 2019—2020 年，綠肥稻稈協同還田減氮 20%~30%比常規施氮增產 4.1%~6.6%。

　　2.2 紫云英稻稈協同還田對水稻產量構成要素的影響

　　氮肥顯著影響水稻有效穗、千粒重和結實率，年度間水稻有效穗、每穗實粒數和千粒重差異顯著，水稻有效穗和每穗實粒數的氮肥和年度交互作用極顯著(表 2)。與 CK 相比，2 年綠肥稻稈協同還田均可以顯著提高水稻有效穗、每穗實粒數及千粒重，2018—2019 年度增幅分別為 86.4%~91.8%、13.9%~31.3%、 3.1%~4.3%，2019—2020 年度增幅分別為 111.1%~134.1%、6.9%~10.3%、7.3%~10.8%。與 NPK 相比， 2018—2019 年，GRN1 和 GRN2 處理均顯著提高水稻每穗實粒數，GRN1 和 GRN2 每穗實粒數增幅分別為 11.2%、14.3%;2019—2020 年度 GRN2 顯著提高水稻每穗實粒數，增幅為 4.5%;2019—2020 年度 GRN2 和 GRN3 可以顯著提高水稻千粒重，增幅為 6.6%和 4.7%。無論是 CK 還是 NPK，2 個生長季綠肥稻稈協同還田各處理均可以顯著提高水稻有效穗。2 年綠肥稻稈協同還田可以提高水稻有效穗 86.4%~134.1%，每穗實粒數 6.9%~31.3%，千粒重 3.1%~10.8%。與 NPK 相比，GRN2 可以提高水稻有效穗 13.0%~29.3%，每穗實粒數 4.5%~14.3%。

　　水稻產量構成要素相關性分析表明(圖 2)，兩年度有效穗、每穗實粒數與千粒重之間均顯著正相關，且均與水稻產量極顯著正相關(P<0.01)。

　　2.3 紫云英稻稈協同還田對土壤養分含量的影響

　　氮肥和年度顯著影響水稻速效磷、速效鉀和土壤有機碳，土壤速效磷和速效鉀的氮肥和年度間交互作用極顯著(表 2)。與 CK 相比，紫云英稻稈協同還田可以顯著提高土壤堿解氮 46.7%~64.9%、礦質氮 12.0%~19.2%，2018—2019 年度紫云英稻稈協同還田土壤速效磷比 CK 顯著提高 13.6%~46.4%，2019—2020 年度紫云英稻稈協同還田土壤速效磷比 CK 顯著提高 9.2%~13.8%，2018—2019 年度紫云英稻稈協同還田土壤有機碳比 CK 顯著提高 17.7%~27.3%，2019—2020 年度 GRN2 和 GRN3 土壤有機碳含量比 CK 顯著提高 4.8%~10.6%，2018—2019 年度 GRN1 和 GRN2 比 CK 顯著提高土壤速效鉀含量 6.4%和 9.9%。與 NPK 相比，GRN2 和 GRN3 顯著提高土壤堿解氮和礦質氮含量，2018—2019 年增幅分別為 19.0%和 18.2%，2019—2020 年為 3.7%和 3.2%;2 年 GRN2 可以顯著提高土壤速效磷含量;2019—2020 年 GRN2 和 GRN3 土壤速效鉀含量提高 12.6%和 11.2%;GRN1 和 GRN2 可以顯著提高 2018—2019 年土壤有機碳含量 11.7% 和 13.2%;GRN2 可以顯著提高 2019—2020 年土壤有機碳含量 6.8%。2 年綠肥稻稈協同還田可以顯著提高土壤速效磷 9.2%~46.4%，堿解氮 46.7%~64.9%，礦質氮 12.0%~19.2%。與 NPK 相比，GRN2 可以顯著提高土壤堿解氮 19.0%，礦質氮 3.7%，速效磷 9.5%~32.8%，速效鉀 9.9%~12.6%，有機碳 6.8%~13.2%。

　　土壤養分相關性分析表明(圖 3)：2019 年土壤堿解氮與速效磷和有機碳顯著正相關;2020 年土壤礦質氮與速效鉀及有機碳極顯著正相關(P<0.01);兩年度土壤速效鉀均與有機碳顯著正相關;堿解氮、礦質氮、速效鉀、速效磷及有機碳均與水稻產量顯著正相關。

　　2.4 紫云英稻稈協同還田對水稻農藝性狀的影響

　　綠肥稻稈協同還田可以影響水稻農藝性狀(表 3)。2019 年度，綠肥稻稈協同還田各處理，與 CK 相比可以顯著提高水稻株高、單株鮮重及根茬鮮重，增幅分別為 12.4%~17.5%、95.6%~163.5%和 93.4%~137.9%;與 NPK 相比，綠肥稻稈協同還田各處理可以增加水稻株高，增幅為 5.6%~10.4%;與 NPK 相比，GRN2 處理顯著提高水稻株高 10.4%、單株鮮重 27.6%、根茬鮮重 30.0%。無論是 CK 還是 NPK，GRN2 處理顯著提高水稻株高、單株鮮重和根茬鮮重。

　　水稻農藝性狀指標相關性分析表明(圖 4)：株高與單株鮮重和根茬鮮重根長極顯著正相關(P<0.01);單株鮮重和根茬鮮重呈極顯著正相關，與地上/地下部分顯著正相關;根長與地上/地下部分和草谷比顯著正相關(P<0.05);株高、單株鮮重和根茬鮮重均與和水稻產量極顯著正相關。

　　3 討論

　　3.1 綠肥稻稈協同還田對水稻產量的影響

　　綠肥稻稈協同還田可以提高水稻產量[27-28]，本文通過 2 年的田間試驗發現，與冬閑-水稻輪作不施肥處理相比，綠肥稻稈協同還田可以提高水稻產量 67.9%~83.0%，與冬閑-水稻輪作常規施肥相比，綠肥稻稈協同還田可以提高水稻產量 4.1%~6.7%，這與前人研究結果相一致。但 2 年間水稻產量存在差異，2019 年度綠肥稻稈協同還田常規施氮處理水稻產量顯著高于常規施氮處理，減氮 20%~30%處理水稻產量有所增加但增產不顯著;2020 年度綠肥稻稈協同還田減氮 20%~30%處理水稻產量顯著高于常規施氮。主要可能是因為 2019 年度供試水稻品種‘荃香優 1521’為雜交稻，2020 年度供試水稻品種‘黃華占’為常規稻，而雜交稻較常規稻對養分的需求量更高[29]。且雜交稻前期生物量的積累是影響產量的重要因素[30]，本試驗中氮肥減量時期為苗期，不利于雜交稻前期發育，因而減氮對雜交秈稻產量的影響大于對常規秈稻的。因此減氮條件下產量有所增加但不顯著。此外，紫云英和稻稈連續 2 年協同還田，土壤肥力逐漸提升，減氮條件下水稻增產顯著。沈亞強等[31]發現稻稈綠肥聯合還田可以提高產量構成因素，其中有效穗數增加顯著。本研究中與冬閑-水稻輪作不施肥相比，綠肥稻稈協同還田可以顯著提高有效穗 86.4%~134.1%、每穗實粒數 6.9%~31.3%和千粒重 3.1%~10.8%，且水稻產量與有效穗、每穗實粒數及千粒重極顯著正相關。這與趙娜等[32]、馬艷芹等[6]的研究結果相一致。紫云英還田配施氮肥能增加水稻有效穗、每穗實粒數及千粒重等經濟學性狀，進而提高水稻產量。這可能是因為紫云英還田在水稻生長前期可以提高土壤氮素供應能力，利于水稻分蘗的發生，進而促進水稻有效穗的增加，水稻秸稈在水稻生殖生長期可以提供鉀素，促進水稻的生殖生長，進而提高水稻千粒重[28]。本研究中，與冬閑-水稻輪作不施肥處理相比，綠肥稻稈協同還田可以提高水稻株高 12.4%~17.5%，單株鮮重 95.6%~163.5%和根茬鮮重 93.4%~137.9%，且水稻產量與株高、單株鮮重、根茬鮮重極顯著正相關。這與郭曉彥等[33]發現紫云英還田配合常規施氮的 60%~80%與常規施氮相比可以顯著提高水稻株高 8.2%~10.4%的結果相一致。這說明綠肥稻稈協同還田水稻產量的增加受產量構成要素和農藝性狀的顯著影響。

　　3.2 綠肥稻稈協同還田對土壤養分的影響

　　紫云英和稻稈均為稻田重要的原位有機肥源，對稻田養分積累有一定的影響。前人在綠肥和稻稈提高土壤肥力上做了大量研究[27,34]。綠肥和稻稈含有大量的營養元素，就地還田后經腐解釋放到土壤中，增加了土壤有機質及氮磷鉀養分，還可以增加微生物群落和數量，從而活化土壤中的氮磷鉀養分，進而提高土壤肥力[28]。本文中連續 2 年紫云英和稻稈協同還田可以提高土壤有機碳 4.8%~27.3%，土壤氮素水平也有所提高，這與劉穎穎等[21]的結果相一致。與冬閑-水稻輪作常規施氮相比，2018—2019 年度綠肥稻稈協同還田常規施氮和減氮 20%可以顯著提高土壤有機質含量，2019—2020 年度表現為綠肥稻稈協同還田減氮 20%顯著提高土壤有機質含量，且冬閑-水稻輪作不施氮對照處理土壤有機碳有所上升，年際間效應顯著。產生這種差異的原因可能是兩年度供試水稻品種不同，對養分的需求有所不同，2019 年度雜交稻‘荃香優 1521’對養分的需求較高，從土壤中帶走的養分增加，水稻產量也比 2020 年度增幅大，一定程度上也會在增加有機物料的投入，如根系、落葉、殘茬等。呂茹潔等[35]通過比較雜交稻和常規稻在不同氮水平下的氮營養指數和氮素虧缺值發現，雜交稻的適宜施氮量為 200 kg hm-2，比常規稻適宜施氮量 160~200 kg hm-2 高，說明雜交稻對氮肥的需求量更大。卜容燕等[36]發現 C/N 高的物料還田會降低作物前期氮素吸收，C/N 低的物料還田可以增加作物氮素吸收。因此利用紫云英和稻稈的互補效應可以協調土壤養分供應和作物養分吸收，從而增加作物吸收養分。本研究中綠肥稻稈協同還田下可以提高土壤速效磷 9.2%~46.4%。趙小軍等[37]研究發現秸稈還田可以促進其他形態磷的轉化，使 0~15 cm 速效磷增加 27%。水稻產量與土壤堿解氮、礦質氮、速效磷、速效鉀及有機碳呈顯著正線性相關。綠肥稻稈協同還田通過增加土壤肥力為水稻營養生長期和生殖生長期提供營養物質，為水稻產量的提高提供營養物質前提。

　　4 結論

　　綠肥稻稈協同還田有利于耕層土壤堿解氮、礦質氮、速效磷和土壤有機碳含量的積累。綠肥稻稈協同還田可以顯著提高水稻產量，減氮 20%~30%條件下可以保證水稻產量不下降且有所增加。綠肥稻稈協同還田可以通過提高水稻農藝性狀(根長、單株鮮重、根茬鮮重)和產量構成要素(有效穗、每穗實粒數)，進而提高水稻產量。因此，紫云英-水稻輪作模式下綠肥稻稈協同還田可以增加水稻產量，改良培肥稻田土壤，改善水稻產量構成要素和農藝性狀，是適宜漢中地區水稻生產的高效綠色栽培種植模式。