利于水稻氮素吸收的绿肥翻压量和施氮水平研究

杨滨娟，黄国勤，陈洪俊，兰　延

（1 江西农业大学生态科学研究中心，江西南昌 330045；2 土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，江苏南京 210008）

利于水稻氮素吸收的绿肥翻压量和施氮水平研究

杨滨娟1，2，黄国勤1，2*，陈洪俊1，兰延1

（1 江西农业大学生态科学研究中心，江西南昌 330045；2 土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，江苏南京 210008）

【目的】紫云英是我国南方稻区重要的冬季绿肥，具有固定碳素、改善土壤物理性状、提高土壤养分含量等效果，能为后茬水稻提供良好的生长环境。本研究为探明水稻对氮素的吸收利用特性，为水稻高产栽培中氮肥的合理运筹和水稻氮素营养性状改良提供依据。【方法】在“紫云英-双季稻”耕作制度轮作土壤上，进行田间 4×4 双因素裂区试验。每小区收获的紫云英全部翻压为 100% 翻压，设不翻压、翻压 30%、60%、100% 4 个水平；每个翻压水平处理下，设置不施氮肥、施常规氮量（N 150 kg/hm2）的 30%、60% 和 100%，共 16 个处理。分别在分蘖期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、成熟期取水稻植株样品，调查水稻氮素吸收利用特性。【结果】水稻群体干物积累量随生育进程处理间差异逐渐增大。抽穗期以 M30%+N0处理最高，M60%+N60%处理次之，对照（M0+N0）最低，此阶段是水稻群体物质积累量全生育期中差异最大的时期，最高的 M30%+N0处理较对照和其他处理平均高 79.02% 和 45.04%，此阶段的干物质积累量占总干物质积累量的比例为 23.19%～44.23%。分蘖期、灌浆期和成熟期干物积累量均以 M60%+N60%处理最高，对照最低，在成熟期 M60%+N60%处理群体总干物质重为 13.14 t/hm2，较对照高 53.15%。不同生育期水稻植株含氮量和吸氮量处理间不同。孕穗期、抽穗期和成熟期植株含氮量均以 M60%+N60%处理最高，较其他处理平均分别高 20.71%、14.84% 和 15.44%；分蘖期、孕穗期、抽穗期和成熟期植株吸氮量也以 M60%+N60%处理最高，对照最低，氮肥与冬种绿肥有显著协同效应。水稻氮素阶段吸收量及其占总吸收量的比例存在明显差异。分蘖期前、孕穗至抽穗期和抽穗至成熟期均是紫云英翻压 60%+施氮 60% 处理的吸收量高于其他处理，平均分别高 29.89%、79.46% 和 121.1%；而分蘖至孕穗期是M100%+N100%处理达到最大，较其他处理平均高 51.87%。【结论】综合来看，供试条件下，在 “紫云英-双季稻”种植体系中，M60%+N60%处理能够提高氮肥利用效率，改善稻田氮素循环，对于实现水稻氮素高效吸收和利用具有重要意义。

施氮水平；冬种绿肥；氮素吸收利用特性；水稻

氮素是水稻生长必不可少的营养元素之一，在水稻产量形成中具有非常重要的作用［1］。据统计，中国稻田单季氮肥用量平均为 180 kg/hm2，比世界平均水平大约高 75% 左右［1-5］，氮肥吸收利用率仅为30%～35%。化学氮肥的过量施用，不仅降低氮肥利用效率，还极易造成土壤中氮素盈余、资源浪费、水体富营养化等环境问题。因此，根据稻田土壤基础地力，进行合理的养分管理，在增加水稻产量的同时提高氮肥利用率，减少环境污染和温室气体排放，实现水稻优质、高产、高效是当前水稻生产面临的重要课题［2］。梁斌等［6］研究表明有机无机肥长期配施增强了土壤对氮肥的缓冲能力，协调了土壤中氮素固持、释放与作物吸收之间的关系，提高氮肥利用率。另有研究表明，长期有机无机肥配施不仅显著提高土壤有机碳、全氮等含量［7-8］，而且提高土壤微生物量和可溶性有机物等活性有机物的含量［9-11］。

冬季绿肥是一种重要的、养分完全的优质生物肥源［12-13］，含有 15%～20% 的有机物，翻压后可促进土壤有机质的矿化分解和土壤养分的循环与转化［14-18］。尤其是豆科绿肥能够从空气中固定氮素供给后茬作物吸收利用［14］，还可为土壤提供大量的碳源和养分［13］，对缓解化肥资源紧张及节约化肥投入成本有良好的效果［19］。紫云英（Astragalus sinicus）是我国南方稻区重要的冬季绿肥，具有固定碳素、改善土壤物理性状、提高土壤养分含量等效果，能为后茬水稻提供良好的生长环境。王建红等［20］研究表明，将紫云英作为单季晚稻的唯一肥源不会产生僵苗现象，并可获得高产，紫云英翻压处理（30、60、90、120 t/hm2），稻谷中氮、磷、钾吸收量，水稻氮、磷、钾的养分农学利用效率和稻谷产量均以翻压紫云英鲜草 60 t/hm2处理最高。林多胡等［21］研究表明，早稻移栽时紫云英适宜翻压量为 22.5～30.0 t/hm2，增加翻压量会对早稻秧苗生长产生毒害作用。“紫云英-双季稻”复种型农作制度在南方稻区已得到推广应用，对于紫云英翻压量和氮肥施用量也分别开展了大量的研究，但是对于不同紫云英翻压量下水稻相应的施氮量对稻田氮素利用率的研究报道较少。通过试验研究，确定合理的冬季绿肥翻压量及氮肥施用量，旨在缓解农田过量施用化学氮肥导致的土壤氮素盈余，防止水体富营养化、温室效应、生物多样性和生态系统稳定性降低等环境问题，为建立资源节约型新型农作制提供技术支撑和参考依据［22］。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验于 2012～2014年，在江西农业大学科技园水稻试验田（28°46′N、115°55′E）进行。试验地属于亚热带季风性湿润气候，年均太阳总辐射量为 4.79×1013J/hm2，年均日照时数为 1852 h，7、8 月最多，2、3 月最少。光照分布与水稻生长旺季基本同步，对水稻生产有利。年≥ 0℃ 的日积温达 6450℃，年降水量 1624 mm，年平均气温在 17.1～17.8℃ 之间。供试土壤为发育于第四纪的红粘土，为亚热带典型红壤分布区。紫云英含氮量 3.80%。试验前表层0—15cm 土壤 pH 值 5.59、有机质 29.48 g/kg、全氮2.17 g/kg、碱解氮 38.69 mg/kg、全磷 0.49 g/kg、有效磷12.22 mg/kg、全钾 35.85 g/kg、速效钾 30.31 mg/kg。

1.2试验材料与田间试验设计

试验采用裂区组设计，4×4 双因素试验。以每小区收获紫云英全部还田作为 100% 翻压，设不翻压、翻压量 30%、60% 和 100% 4 个水平，编号为M0、M1、M2、M3；以常规施氮量 N 150 kg/hm2为100% 氮量，设不施氮肥，施常规氮量的 30%、60%和 100% 4 个水平，编号为 N0、N1、N2、N3，共 16个处理，3次重复，48 个小区。水稻品种为“隆平006”，紫云英选当地优势品种 “余江大叶籽”，在 9月下旬播种，播种量为 37.5 kg/hm2，播种时用钙镁磷肥（P2O512%）拌种，P2O5用量 45 kg/hm2，所用磷肥在水稻施肥总量中扣除，紫云英在盛花期翻压。化肥种类及用量参照当地习惯施肥：早稻所用化肥为尿素（N 46%）、钙镁磷肥（P2O512%）、氯化钾（K2O 60%）。年常规用量：N 150 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。氮肥按基肥 : 分蘖肥 : 穗肥=6 : 3 : 1 施用。磷肥全部作基肥，一次性施入，钾肥按分蘖肥 : 穗肥=7 : 3 施用。氮、磷基肥在插秧前一天施下，分蘖肥在水稻移栽后 5～7 d 时施用，穗肥在主茎幼穗长 1～2 cm 时施用。其他田间管理措施同一般大田栽培。

1.3测定项目与方法

1.3.1干物质生产特性分别于分蘖期（6月2日）、孕穗期（6月14日）、抽穗期（6月25日）、灌浆期（7月 10日）、成熟期（7月21日），按每小区茎蘖数的平均数取代表性植株 5 穴（小区边行不取），分成叶片、茎鞘和穗（抽穗后）等部分装袋，105℃ 下杀青30 min，80℃ 下烘干至恒重后称重，并折算成每公顷干重，测定各处理植株干物质积累与分配情况。1.3.2 植株氮素的吸收每时期植株干物质积累测定完成后粉碎混匀，采用 H2SO4-H2O2消化，以半微量开氏定氮法测定植株全氮含量［23］。其他计算的指标如下：

氮素积累量=单位面积植株（茎鞘、叶、穗）氮素积累量的总和；

氮素吸收量（kg/hm2）=该时期地上部干物重×含氮率；

氮素总吸收量（kg/hm2）=成熟期地上部干物重×含氮率；

氮素阶段吸收量（kg/hm2）=后一时期氮素吸收量-前一时期氮素吸收量；

氮素阶段吸收率 ［kg/（hm2·d）］=氮素阶段吸收量/前后两时期间隔的天数。

1.4数据处理

运用 Microsoft Excel 2010 处理数据，用SPSS13.0 系统软件进行数据处理和统计分析，用LSD（least significant difference test）进行样本平均数的差异显著性比较。3年试验结果趋势一致，本文取2013年的数据。

2　结果与分析

2.1不同施氮水平和绿肥翻压量下水稻群体干物质积累的差异

2.1.1主要生育期单茎和群体干物重由表1可以看出，施氮和冬种绿肥条件下水稻主要生育期干物质重因生育期不同而有所差异。除了抽穗期 M2N1处理达到最大以外，分蘖期、灌浆期和成熟期的干物重均表现为处理 M2N2处理最高，M0N0处理最低，并随着生育进程干物重的差异逐渐增大。而分蘖期的干物重和灌浆期单茎干物重各处理间差异不显著（P＞0.05）。至成熟期，处理 M2N2群体总干物质重为13.14 t/hm2，较处理 M0N0高 53.15%。

表1　不同施氮水平和绿肥翻压量下水稻主要生育时期单茎重（g， DM）和群体干物重（t/hm2， DM）Table 1　Dry matter weight of single stem and population at main stages under different N levels and green manure plowed

2.1.2主要生育阶段群体干物质积累量及其比例将水稻生长期分为播种期至分蘖期、分蘖期至抽穗期、抽穗期至灌浆期和灌浆期至成熟期 4 个生育阶段，对各生育阶段群体干物质积累量及其占成熟期总干物质积累量的比例进行比较分析。由表2可知，播种期至分蘖期，各处理间群体干物质积累量基本相当，差异不显著（P＞0.05）。分蘖期至抽穗期群体干物质积累量以 M3N2处理最高，较其他处理平均高 34.71%，但差异不显著（P＞0.05）；此阶段的干物质积累量占总干物质积累量的比例为 21.06%～34.45%。抽穗期至灌浆期群体干物质积累量表现为M1N0处理最高，M2N2处理次之，M0N0处理最低，此阶段是施氮和冬种绿肥条件下水稻群体物质积累量在全生育期中差异最大的时期，其中处理 M1N0较处理 M0N0和其他处理平均高 79.02% 和 45.04%；此阶段的干物质积累量占总干物质积累量的比例为23.19%～44.23%。灌浆期至成熟期群体干物质积累量以 M1N2处理最高，较其他处理平均高 85.53%，M0N0处理最低；此阶段的干物质积累量占总干物质积累量的比例为 4.66%～22.31%。

表2　不同处理水稻主要生育阶段干物质积累量和比例Table 2　Dry matter accumulation and contribution rate to the total in main growth periods of rice under different treatments

2.2不同施氮水平和绿肥翻压量下水稻主要生育期植株含氮率和吸氮量的差异

2.2.1植株含氮率的差异由表3可以看出，施氮和冬种绿肥条件下水稻植株含氮率均随生育进程逐渐降低，分蘖期最高，成熟期最低。但不同生育时期水稻植株含氮率在各处理间的差异不同。分蘖期各处理间差异不显著（P＞0.05）。孕穗期、抽穗期和成熟期的植株含氮率均是处理 M2N2达到最大，孕穗期处理 M3N0最低，抽穗期和成熟期 M0N0处理最低，且各处理间的差异均未达到显著水平；在孕穗期、抽穗期和成熟期处理 M2N2较其他处理平均分别高20.71%、14.84% 和 15.44%。

2.2.2植株吸氮量的差异由表3可以看出，施氮和冬种绿肥条件下水稻植株吸氮量均随着生育进程不断增加，至成熟期达最大值。在分蘖期、孕穗期、抽穗期和成熟期均是处理 M2N2最高，处理 M0N0最低，且显著性检验分析表明施氮与冬种绿肥交互作用差异显著，但不同生育时期水稻植株吸氮量在各处理间的差异不同。其中，分蘖期的植株吸氮量处理 M2N2达到最大，较其他处理平均高 29.89%；孕穗期、抽穗期、成熟期的植株吸氮量也均是处理M2N2最高，分别高于其他处理的平均值 23.05%、33.71%和 35.72%，且各处理间均差异显著（P＜0.05）。

表3　不同处理水稻主要生育期植株含氮率和吸氮量Table 3　N content and uptake in rice plant at main growth stages under different treatments

2.3不同施氮水平和绿肥翻压量条件下水稻氮素阶段吸收量的差异

施氮和冬种绿肥条件下水稻氮素阶段吸收量及其占总吸收量的比例存在明显差异（表4）。分蘖期前处理 M2N2的吸收量显著高于其他处理 29.89%，占总吸收量的比例各处理为 35.07%～51.04%；分蘖至孕穗期处理 M3N3较其他处理平均高 51.87%，且各处理间差异显著（P＜0.05），占总吸收量的比例为18.49%～35.60%；孕穗至抽穗期是处理 M2N2的吸收量最高，与其他处理相比高出 79.46%，且处理间差异显著（P＜0.05），占总吸收量的比例各处理为10.24%～22.25%；抽穗至成熟期各处理间差异显著（P＜0.05），表现为 M1N2＞M1N3＞M2N2＞M2N1＞M3N0＞M3N2＞M3N3＞M1N1＞M0N2＞M2N0＞M1N0＞M2N3＞M3N1＞M0N3＞M0N1＞M0N0，以处理 M1N2达到最大，占总吸收量的比例各处理为 4.64%～23.41%。另外，由表4还可以看出，施氮和冬种绿肥条件下水稻氮素阶段吸收量及其占总吸收量的比例均以抽穗至成熟期最小，最大值所处的生育阶段则是分蘖前。

3　讨论

关于氮肥运筹、水分管理等栽培条件对水稻氮素吸收积累特性影响的研究已有较多的报道［24-32］，但关于不同耕作方式水稻氮素吸收积累特性的研究较少。有机物料和化学氮肥配施被认为是提高氮肥利用效率的重要手段之一［33］。通过有机肥料部分替代氮肥可以显著增加水稻产量、水稻氮素吸收量和氮肥利用效率［34-36］。商跃凤［37］研究表明有机-无机氮肥混施不仅可以增加稻谷产量，还可以使氮肥利用率比单施化肥提高 7%～18%。朱波等［22］研究黑麦草鲜草与尿素混施对双季稻田肥料氮利用率及氮循环特征的影响结果表明，双季稻种植下黑麦草替代 50% 尿素与单施尿素相比，氮素吸收量一致，但增加了水稻生物量和稻谷产量，减少了因施用尿素导致的N2O 排放。本研究连续 3年的试验结果表明，施氮和冬种绿肥条件下水稻植株含氮率均随生育进程逐渐降低，分蘖期最高，成熟期最低，而水稻植株吸氮量均随着生育进程不断增加，至成熟期达最大值。但不同生育时期水稻植株含氮率和吸氮量在各处理间有明显差异。徐昌旭等［38］研究了翻压 22.5 t/hm2紫云英鲜草配施不同比例化肥对早稻稻谷和稻草氮、磷、钾养分吸收的影响，认为紫云英翻压并配施 80% 的常规化肥最有利于早稻稻谷和稻草对氮、磷、钾养分的吸收。本研究中孕穗期、抽穗期和成熟期的植株含氮率均是紫云英翻压 60%+施氮 60%达到最大，较其他处理平均分别提高 20.71%、14.84% 和 15.44%。在分蘖期、孕穗期、抽穗期和成熟期的植株吸氮量也是紫云英翻压 60%+施氮 60%最高，对照最低。紫云英翻压量对水稻不同生育期植株氮素含量的影响有一定差异，增加紫云英翻压量，在水稻分蘖期会增加植株的氮含量，但差异不显著；在孕穗期、抽穗期和成熟期，水稻秸秆中的氮含量随着紫云英翻压量由0% 到 60% 逐渐增加，但翻压量 100%（45 t/hm2）时，却有降低的趋势，孕穗期由2.066% 降低到 1.960%，抽穗期由1.711% 降低到 1.556%，成熟期由1.581% 降低到 1.495%。综合上述变化特征和本试验条件，紫云英翻压量达到27 t/hm2时比较合理，说明以紫云英为肥源，翻压量过低，养分供应不足，容易导致水稻减产，增加紫云英翻压量，水稻营养体部分的氮含量会显著增加，其翻压量只要达到一定水平就可以了，过量翻压只会造成水稻营养体部分徒长，而不利于水稻的生长，还会增加水稻病虫害的风险。以紫云英为唯一肥源改变了水稻对氮养分吸收的规律和养分累积量，对稻田土壤养分循环和总量平衡的长期影响还有待进一步研究。

表4　不同处理水稻氮素阶段吸收量和比例Table 4　Periodical N accumulation and ratio to the total under different treatments

4　结论

不同种植方式水稻氮素吸收利用有各自鲜明的特征。施氮和冬种绿肥条件下水稻植株含氮率随生育进程逐渐降低，分蘖期最高，成熟期最低，而植株吸氮量均随着生育进程不断增加，至成熟期达最大值。施氮和冬种绿肥条件下水稻氮素阶段吸收量及其占总吸收量的比例存在明显差异。分蘖期前、孕穗至抽穗期和抽穗至成熟期均是紫云英翻压 60%+施氮 60% 的吸收量高于其他处理；而分蘖至孕穗期是紫云英翻压 100%+施氮 100% 达到最大，占总吸收量的 18.49%～35.60%。在 “紫云英-双季稻” 种植体系中，紫云英翻压 60%+施氮 60% 能够提高氮肥利用效率，改善稻田氮素循环，对于实现水稻氮素高效吸收和利用具有重要意义。

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Optimum combination of winter green manure plowed and nitrogen application levels for high nitrogen uptake and utilization in rice

YANG Bin-juan1，2，HUANG Guo-qin1，2*，CHEN Hong-jun1，LAN Yan1
（1 Research Center on Ecological Science， Jiangxi Agricultural University， Nanchang 330045， China；2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture/Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008， China）

【Objectives】Milk vetch is an important winter green manure crop in the southern rice region of China， which can fix carbon， improve soil physical properties and increase soil nutrient contents. It could also provide a suitable environment for the succeeding rice crop. Characterization of nitrogen（N）uptake and use in rice could provide the basis for optimal N fertilizer application and for significant improvement in N nutrition forhigh-yield cultivation.【Methods】Completely field experiments of 4×4 two-factor were performed continuously for four years in four different sites under milk vetch-double rice cropping system. The returning proportion of the whole harvested milk vetch was set at 0， 30%， 60% and 100%； in each returning level， 0， 30%，60% and 100% of the conventional N fertilizer application rate（N 150 kg/hm2）in this region were set up to form 16 treatments in total and triplicate with each treatment. The N uptake in the tillering， heading， filling and maturity periods of rice was analyzed and N fertilizer use efficiency was calculated.【Results】In the tillering， filling and maturity periods， the highest dry matter accumulation was all from the treatment of M60%+N60%， and the lowest from M0N0， except that in the heading period the highest one was from M30%+N0. With the growth elongation， the difference among the treatments in dry matter accumulation became large. At maturity， the highest population dry matter， weighed 13.14 t/hm2， was in the 60%M+60%N， which was 53.15% higher than that in control. Also during these periods， the difference in dry matter accumulation of rice under different nitrogen application levels and winter green manure system was the greatest. Dry matter accumulation of M30%+N0was 79.02% and 45.04% higher than that of M0N0and the average of all the other treatments， respectively. The ratio of dry matter accumulation to total dry matter in the heading to filling period ranged from 23.19%-44.23%. N content in rice plants was maximized in the booting， heading and maturity periods in treatment of M60%+N60%， which was 20.71%， 14.84% and 15.44% higher than the average of other treatments， respectively. Correspondingly， the highest N uptake was in treatment of M60%+N60%at tillering， booting， heading and maturity， and the lowest in control， N application and green manure showed significant synergy in N contents. Periodic N accumulation and its ratio in total N accumulation in treatment M60%+N60%were significantly higher than all other treatments in the before tillering， booting-heading and heading-maturity periods. In the tillering-booting period， the periodic N accumulation was 51.87% higher in the treatment M100%+N100%than the average of other treatments.【Conclusions】Overall， the 60% of vetch plowed plus 60% of normal N application is effective in increasing N use efficiency and N recycling in the "milk vetch-double rice" system. Therefore， the combination should be recommended for achieving effective nitrogen uptake and utilization.

nitrogen application level； winter green manure； nitrogen uptake and utilization properties； rice

S506；S511

A

1008-505X（2016）05-1187-09

2015-09-15接受日期：2016-01-26

日期：2016-06-03

土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放课题（Y412201413）；国家科技支撑计划课题“鄱阳湖生态经济区绿色高效循环农业技术集成与示范”第 1 研究任务（2012BAD14B14-01）资助。

杨滨娟（1985—），女，山东淄博人，博士，主要从事耕作制度与农业生态研究。E-mail：yangbinjuan27@sina.com

Tel：0791-83828143；E-mail：hgqjxnc@sina.com