绿肥稻秆协同还田下氮肥减量的增产和培肥短期效应
摘 要：稻田绿肥秸秆协同还田是稻田培肥地力的有效措施，本文基于 2 年田间试验研究了绿肥稻秆协同还田下氮肥减量对水稻产量、产量构成要素及土壤养分含量的影响。试验于 2018—2020 年在陕西省汉中市汉台区进行，设置 5 个处理：(1) 冬闲+水稻秸秆不还田+不施肥(CK);(2) 冬闲+水稻秸秆不还田+常规施氮(NPK);(3) 冬种紫云英+水稻秸秆还田+常规施氮 (GRN1);(4) 冬种紫云英+水稻秸秆还田+减氮 20% (GRN2);(5) 冬种紫云英+水稻秸秆还田+减氮 30% (GRN3)。结果表明：水稻产量方面，年际间差异较大，2019 年度 GRN1 处理‘荃香优 1521’产量最高为 10,047 kg hm-2，显著高于 NPK 处理，增幅为 6.7%;其次为 GRN2 和 GRN3，但与 NPK 差异不显著;2020 年度 GRN2 和 GRN3 处理‘黄华占’产量较 NPK 处理显著增加，增幅分别为 6.6%和 5.8%。绿肥稻秆协同还田处理均可以显著提高水稻产量，较 CK 和 NPK 增幅分别为 67.9%~83.0% 和 2.8%~6.7%。土壤养分方面，紫云英稻秆协同还田提高了耕层 0~20 cm 土壤有机碳和速效磷，GRN2 处理较 NPK 处理分别提高了 6.8%~13.2%和 9.9%~12.6%。相关分析表明，水稻株高、单株鲜重、根茬鲜重、每穗实粒数及千粒重与水稻产量呈显著正相关，与 NPK 相比，2 年 GRN2 处理可以显著提高水稻有效穗 13.0%~29.3%，每穗实粒数 4.5%~14.3%;GRN2 处理可以显著提高水稻株高 10.4%，单株鲜重 23.6%，根茬鲜重 30.0%。紫云英-水稻轮作条件下，绿肥稻秆协同还田同时氮肥减量 20%，提高了水稻产量性状及农艺性状，增强了土壤汇碳功能，增加了土壤养分，从而有利于维持水稻稳产高产，是适宜汉中地区的水稻绿色种植模式。
王吕; 崔月贞; 吴玉红; 郝兴顺; 张春辉; 王俊义; 刘怡欣; 李小刚; 秦宇航， 作物学报 发表时间：2021-08-06
关键词：紫云英-水稻轮作;秸秆还田;水稻产量;产量构成因素;土壤养分
化肥的投入使我国水稻单位面积产量大幅增加，但过量施用也给稻田土壤和环境带来了负面影响。研究发现我国水稻单产从 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却增加了 28 倍[1-2]。重化肥尤其是氮肥轻有机肥、绿肥等现象，在我国水稻生产中普遍存在，严重影响稻田生态系统的稳定性和可持续性，不利于农业可持续发展[3]。因此如何在保证水稻产量和氮肥高效利用的前提下，缓解稻田农业环境压力，提高稻田土壤肥力，成了当前研究工作的重点。
紫云英是一种优质的稻田冬闲绿肥，研究发现紫云英翻压还田后，可以改善水稻生长环境，增加土壤养分含量，保证水稻高产和稳产[4]，还可以充分利用冬季水热资源。同时绿肥还田配合化肥减量还可以提高水稻产量[5]和肥料利用率[6]，且在化肥用量不变的情况下，绿肥和稻秆还田均能提高土壤肥力、防止土壤退化、增加作物产量[7-8]。有研究发现在保证水稻稳产的前提下，紫云英能够替代 20%~40%的化肥[9-10]。秸秆还田为秸秆资源化利用提供了有效途径。我国 2015 年水稻秸秆产生量占比农作物秸秆产生量的 22.4%，秸秆综合化利用率达 80.11%，但仍有 20%的秸秆存在不合理利用现象，秸秆含有丰富的氮、磷、钾等养分，秸秆还田可以培肥改土，提高水稻产量品质[11-13]，同时秸秆还田配合氮肥减量对培肥地力和提高作物产量也具有积极意义[14]。绿肥和稻秆是稻田土壤重要的有机物料，绿肥和稻秆还田为稻田生态系统的稳定性发展提供了有利条件。前人研究针对紫云英和稻秆单独还田及其配合氮肥减量方面做了大量工作 [14-17]。也有学者发现紫云英和稻秆联合还田可以发挥其各自的互补效应，即稻草高钾素含量可以缓解冬种紫云英土壤钾的下降，紫云英根瘤固氮可以缓解稻秆腐解引发的作物前期氮素供应不足[18]。绿肥稻秆协同还田配合化肥减量比秸秆单独还田早稻产量增加 9.2% [19]，二者联合还田较绿肥单独还田可以提高土壤有机质 1.4%、全氮 1.5%、速效磷 3.0%、速效钾 2.5% [20]。紫云英稻秆联合还田较二者单独还田对水稻产量的贡献、肥料利用率及土壤培肥效果更好[21]。因此在稻田开展绿肥、稻秆等有机物料就地还田对培肥改土，减少肥料成本和农业可持续发展具有重要作用[22-23]。虽然有关绿肥稻秆协同还田前人做了相关工作，但对其联合还田后的节肥效应研究还较少，仍需开展相关研究以明确其联合还田的节肥效应。绿肥稻秆等有机养分资源还田可以替代化肥、消纳废物、增产增肥，又能推动稻作清洁生产，对农业的可持续发展具有重要意义[24]。本文旨在通过研究绿肥稻秆协同还田下氮肥减量对水稻产量、农艺性状及土壤养分含量的影响，明确本地区有机物料原位还田后的培肥、增产及减氮效应，为汉中地区氮肥合理使用和稻田绿色高效可持续发展提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于 2018 年至 2020 年在陕西省汉中市汉台区市农业科学研究所韩塘基地进行，该区属亚热带湿润季风气候，年均气温 14℃，年均降水量 800~1000 mm，无霜期 260 d，≥10℃积温 4480℃。供试土壤类型为潴育性水稻土。试验前土壤基本理化性质为：pH 5.19 (水土比为 2.5∶1)，有机质 18.78 g kg-1，全氮 1.25 g kg-1，全磷 0.95 g kg-1，全钾 14.16 g kg-1，速效磷 35.32 mg kg-1，速效钾 78.91 mg kg-1。
1.2 试验设计
试验采用大区完全随机区组设计，共设 5 个处理：①冬闲+水稻秸秆不还田+不施肥(CK);②冬闲+水稻秸秆不还田+常规施肥(NPK);③冬种紫云英+水稻秸秆还田+常规施肥(GRN1);④冬种紫云英+水稻秸秆还田+氮肥减量 30% (GRN2);⑤冬种紫云英+水稻秸秆还田+氮肥减量 20% (GRN3)。每个处理重复 3 次，小区面积 20 m2 (4 m×5 m)。供试肥料为洋丰掺混肥料(N∶P2O5∶K2O = 15∶15∶15)，尿素(含 N 46%)，氯化钾(含 K2O 60%)，常规施肥为纯 N 180 kg hm-2，K2O 105 kg hm-2，P2O5 90 kg hm-2，除对照外其余各处理钾肥和磷肥均作底肥一次性基施，氮肥基追比均为 7∶3，氮肥减量 20%和 30%处理分别在基肥时减少相应 20%和 30%，于水稻分蘖期追施剩余氮肥。水稻收获后免耕播种紫云英，播种密度为 2.5 kg hm-2，于次年盛花期翻压还田。2019 年度，供试水稻品种为杂交籼稻‘荃香优 1521’ (汉中农业科学研究所自育新品种)， 2020 年度供试水稻品种为主推优质籼稻‘黄华占’。水稻收获后水稻秸秆粉碎覆盖地表，翌年水稻插秧前翻压还田。
1.3 测定项目
在水稻收获期(2019 年 9 月和 2020 年 9 月)分别采集耕层土壤 0~20 cm 样品。土壤样品的分析参照《土壤农化分析》[25]。土壤有机质用外加热-重铬酸钾容量法;土壤碱解采用碱解扩散法测定;土壤速效磷采用 0.5 mol L-1 NaHCO3 浸提-钼锑抗比色法;土壤速效钾采用 l mol L-1 NH4OAc 浸提-火焰光度法：pH 采用 pH 计测定，水土比为 2.5∶1.0。土壤硝态氮和铵态氮用 l mol L-1 KCl 浸提-连续流动分析仪(AA3)测定[26]。水稻成熟后各小区单独收获测产，并根据平均有效穗数取 3 蔸进行考种，调查株高、单株鲜重、根茬鲜重、根长、有效穗、每穗实粒数、千粒重。
1.4 数据处理
数据应用 Microsoft Excel 2010 程序和 SAS 8.1 统计分析软件进行处理，使用单因素完全随机区组设计方差分析和最小显著性差异法(LSD)对数据均值进行多重比较，Origin 2017 作图。
2 结果与分析
2.1 紫云英稻秆协同还田对水稻产量的影响
氮肥和生长季显著或极显著影响水稻产量(图 1)。2018—2019 年度‘荃香优 1521’水稻产量表现为 GRN1>GRN2>GRN3>NPK>CK，其中 GRN1 水稻产量最高，为 10,047 kg hm-2，较对照增产 83.0%，较常规施氮增产 6.7%;2019—2020 年度‘黄华占’水稻产量表现为 GRN2>GRN3>GRN1>NPK>CK，其中 GRN2 水稻产量最高，为 9185 kg hm-2，较对照增产 74.2%，较常规施氮增产 6.6%。与 CK 相比，2 年绿肥稻秆协同还田各处理水稻产量均显著提高，增幅分别为 78.5%~83.0%和 63.4%~74.2%。与 NPK 相比，2018—2019 年 GRN1 处理水稻产量显著提高，增幅为 6.7%;2019—2020 年 GRN2 和 GRN3 处理水稻产量均显著提高，增幅为 6.6%和 5.8%。绿肥稻秆协同还田可以显著增加水稻产量，增幅为 67.9%~83.0%，2018—2019 年绿肥稻秆协同还田对比不施氮处理增产幅度大于 2019—2020 年，绿肥稻秆协同还田减氮 20%~30%比常规施氮增产 4.1%~6.6%。
2.2 紫云英稻秆协同还田对水稻产量构成要素的影响
氮肥显著影响水稻有效穗、千粒重和结实率，年度间水稻有效穗、每穗实粒数和千粒重差异显著，水稻有效穗和每穗实粒数的氮肥和年度交互作用极显著(表 2)。与 CK 相比，2 年绿肥稻秆协同还田均可以显著提高水稻有效穗、每穗实粒数及千粒重，2018—2019 年度增幅分别为 86.4%~91.8%、13.9%~31.3%、 3.1%~4.3%，2019—2020 年度增幅分别为 111.1%~134.1%、6.9%~10.3%、7.3%~10.8%。与 NPK 相比， 2018—2019 年，GRN1 和 GRN2 处理均显著提高水稻每穗实粒数，GRN1 和 GRN2 每穗实粒数增幅分别为 11.2%、14.3%;2019—2020 年度 GRN2 显著提高水稻每穗实粒数，增幅为 4.5%;2019—2020 年度 GRN2 和 GRN3 可以显著提高水稻千粒重，增幅为 6.6%和 4.7%。无论是 CK 还是 NPK，2 个生长季绿肥稻秆协同还田各处理均可以显著提高水稻有效穗。2 年绿肥稻秆协同还田可以提高水稻有效穗 86.4%~134.1%，每穗实粒数 6.9%~31.3%，千粒重 3.1%~10.8%。与 NPK 相比，GRN2 可以提高水稻有效穗 13.0%~29.3%，每穗实粒数 4.5%~14.3%。
水稻产量构成要素相关性分析表明(图 2)，两年度有效穗、每穗实粒数与千粒重之间均显著正相关，且均与水稻产量极显著正相关(P<0.01)。
2.3 紫云英稻秆协同还田对土壤养分含量的影响
氮肥和年度显著影响水稻速效磷、速效钾和土壤有机碳，土壤速效磷和速效钾的氮肥和年度间交互作用极显著(表 2)。与 CK 相比，紫云英稻秆协同还田可以显著提高土壤碱解氮 46.7%~64.9%、矿质氮 12.0%~19.2%，2018—2019 年度紫云英稻秆协同还田土壤速效磷比 CK 显著提高 13.6%~46.4%，2019—2020 年度紫云英稻秆协同还田土壤速效磷比 CK 显著提高 9.2%~13.8%，2018—2019 年度紫云英稻秆协同还田土壤有机碳比 CK 显著提高 17.7%~27.3%，2019—2020 年度 GRN2 和 GRN3 土壤有机碳含量比 CK 显著提高 4.8%~10.6%，2018—2019 年度 GRN1 和 GRN2 比 CK 显著提高土壤速效钾含量 6.4%和 9.9%。与 NPK 相比，GRN2 和 GRN3 显著提高土壤碱解氮和矿质氮含量，2018—2019 年增幅分别为 19.0%和 18.2%，2019—2020 年为 3.7%和 3.2%;2 年 GRN2 可以显著提高土壤速效磷含量;2019—2020 年 GRN2 和 GRN3 土壤速效钾含量提高 12.6%和 11.2%;GRN1 和 GRN2 可以显著提高 2018—2019 年土壤有机碳含量 11.7% 和 13.2%;GRN2 可以显著提高 2019—2020 年土壤有机碳含量 6.8%。2 年绿肥稻秆协同还田可以显著提高土壤速效磷 9.2%~46.4%，碱解氮 46.7%~64.9%，矿质氮 12.0%~19.2%。与 NPK 相比，GRN2 可以显著提高土壤碱解氮 19.0%，矿质氮 3.7%，速效磷 9.5%~32.8%，速效钾 9.9%~12.6%，有机碳 6.8%~13.2%。
土壤养分相关性分析表明(图 3)：2019 年土壤碱解氮与速效磷和有机碳显著正相关;2020 年土壤矿质氮与速效钾及有机碳极显著正相关(P<0.01);两年度土壤速效钾均与有机碳显著正相关;碱解氮、矿质氮、速效钾、速效磷及有机碳均与水稻产量显著正相关。
2.4 紫云英稻秆协同还田对水稻农艺性状的影响
绿肥稻秆协同还田可以影响水稻农艺性状(表 3)。2019 年度，绿肥稻秆协同还田各处理，与 CK 相比可以显著提高水稻株高、单株鲜重及根茬鲜重，增幅分别为 12.4%~17.5%、95.6%~163.5%和 93.4%~137.9%;与 NPK 相比，绿肥稻秆协同还田各处理可以增加水稻株高，增幅为 5.6%~10.4%;与 NPK 相比，GRN2 处理显著提高水稻株高 10.4%、单株鲜重 27.6%、根茬鲜重 30.0%。无论是 CK 还是 NPK，GRN2 处理显著提高水稻株高、单株鲜重和根茬鲜重。
水稻农艺性状指标相关性分析表明(图 4)：株高与单株鲜重和根茬鲜重根长极显著正相关(P<0.01);单株鲜重和根茬鲜重呈极显著正相关，与地上/地下部分显著正相关;根长与地上/地下部分和草谷比显著正相关(P<0.05);株高、单株鲜重和根茬鲜重均与和水稻产量极显著正相关。
3 讨论
3.1 绿肥稻秆协同还田对水稻产量的影响
绿肥稻秆协同还田可以提高水稻产量[27-28]，本文通过 2 年的田间试验发现，与冬闲-水稻轮作不施肥处理相比，绿肥稻秆协同还田可以提高水稻产量 67.9%~83.0%，与冬闲-水稻轮作常规施肥相比，绿肥稻秆协同还田可以提高水稻产量 4.1%~6.7%，这与前人研究结果相一致。但 2 年间水稻产量存在差异，2019 年度绿肥稻秆协同还田常规施氮处理水稻产量显著高于常规施氮处理，减氮 20%~30%处理水稻产量有所增加但增产不显著;2020 年度绿肥稻秆协同还田减氮 20%~30%处理水稻产量显著高于常规施氮。主要可能是因为 2019 年度供试水稻品种‘荃香优 1521’为杂交稻，2020 年度供试水稻品种‘黄华占’为常规稻，而杂交稻较常规稻对养分的需求量更高[29]。且杂交稻前期生物量的积累是影响产量的重要因素[30]，本试验中氮肥减量时期为苗期，不利于杂交稻前期发育，因而减氮对杂交籼稻产量的影响大于对常规籼稻的。因此减氮条件下产量有所增加但不显著。此外，紫云英和稻秆连续 2 年协同还田，土壤肥力逐渐提升，减氮条件下水稻增产显著。沈亚强等[31]发现稻秆绿肥联合还田可以提高产量构成因素，其中有效穗数增加显著。本研究中与冬闲-水稻轮作不施肥相比，绿肥稻秆协同还田可以显著提高有效穗 86.4%~134.1%、每穗实粒数 6.9%~31.3%和千粒重 3.1%~10.8%，且水稻产量与有效穗、每穗实粒数及千粒重极显著正相关。这与赵娜等[32]、马艳芹等[6]的研究结果相一致。紫云英还田配施氮肥能增加水稻有效穗、每穗实粒数及千粒重等经济学性状，进而提高水稻产量。这可能是因为紫云英还田在水稻生长前期可以提高土壤氮素供应能力，利于水稻分蘖的发生，进而促进水稻有效穗的增加，水稻秸秆在水稻生殖生长期可以提供钾素，促进水稻的生殖生长，进而提高水稻千粒重[28]。本研究中，与冬闲-水稻轮作不施肥处理相比，绿肥稻秆协同还田可以提高水稻株高 12.4%~17.5%，单株鲜重 95.6%~163.5%和根茬鲜重 93.4%~137.9%，且水稻产量与株高、单株鲜重、根茬鲜重极显著正相关。这与郭晓彦等[33]发现紫云英还田配合常规施氮的 60%~80%与常规施氮相比可以显著提高水稻株高 8.2%~10.4%的结果相一致。这说明绿肥稻秆协同还田水稻产量的增加受产量构成要素和农艺性状的显著影响。
3.2 绿肥稻秆协同还田对土壤养分的影响
紫云英和稻秆均为稻田重要的原位有机肥源，对稻田养分积累有一定的影响。前人在绿肥和稻秆提高土壤肥力上做了大量研究[27,34]。绿肥和稻秆含有大量的营养元素，就地还田后经腐解释放到土壤中，增加了土壤有机质及氮磷钾养分，还可以增加微生物群落和数量，从而活化土壤中的氮磷钾养分，进而提高土壤肥力[28]。本文中连续 2 年紫云英和稻秆协同还田可以提高土壤有机碳 4.8%~27.3%，土壤氮素水平也有所提高，这与刘颖颖等[21]的结果相一致。与冬闲-水稻轮作常规施氮相比，2018—2019 年度绿肥稻秆协同还田常规施氮和减氮 20%可以显著提高土壤有机质含量，2019—2020 年度表现为绿肥稻秆协同还田减氮 20%显著提高土壤有机质含量，且冬闲-水稻轮作不施氮对照处理土壤有机碳有所上升，年际间效应显著。产生这种差异的原因可能是两年度供试水稻品种不同，对养分的需求有所不同，2019 年度杂交稻‘荃香优 1521’对养分的需求较高，从土壤中带走的养分增加，水稻产量也比 2020 年度增幅大，一定程度上也会在增加有机物料的投入，如根系、落叶、残茬等。吕茹洁等[35]通过比较杂交稻和常规稻在不同氮水平下的氮营养指数和氮素亏缺值发现，杂交稻的适宜施氮量为 200 kg hm-2，比常规稻适宜施氮量 160~200 kg hm-2 高，说明杂交稻对氮肥的需求量更大。卜容燕等[36]发现 C/N 高的物料还田会降低作物前期氮素吸收，C/N 低的物料还田可以增加作物氮素吸收。因此利用紫云英和稻秆的互补效应可以协调土壤养分供应和作物养分吸收，从而增加作物吸收养分。本研究中绿肥稻秆协同还田下可以提高土壤速效磷 9.2%~46.4%。赵小军等[37]研究发现秸秆还田可以促进其他形态磷的转化，使 0~15 cm 速效磷增加 27%。水稻产量与土壤碱解氮、矿质氮、速效磷、速效钾及有机碳呈显著正线性相关。绿肥稻秆协同还田通过增加土壤肥力为水稻营养生长期和生殖生长期提供营养物质，为水稻产量的提高提供营养物质前提。
4 结论
绿肥稻秆协同还田有利于耕层土壤碱解氮、矿质氮、速效磷和土壤有机碳含量的积累。绿肥稻秆协同还田可以显著提高水稻产量，减氮 20%~30%条件下可以保证水稻产量不下降且有所增加。绿肥稻秆协同还田可以通过提高水稻农艺性状(根长、单株鲜重、根茬鲜重)和产量构成要素(有效穗、每穗实粒数)，进而提高水稻产量。因此，紫云英-水稻轮作模式下绿肥稻秆协同还田可以增加水稻产量，改良培肥稻田土壤，改善水稻产量构成要素和农艺性状，是适宜汉中地区水稻生产的高效绿色栽培种植模式。