双季稻产量和肥料效益对减量施肥下紫云英与稻草协同利用的响应

廖育林，周 兴，鲁艳红，方宝华，刘 洋，聂 军

（1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙410125；2.农业部湖南耕地保育科学观测实验站，湖南 长沙 410125；3.湖南省水稻研究所，湖南 长沙 410125）

化肥的施用是提高作物产量、确保我国粮食安全必不可少的手段。据联合国粮农组织（FAO）统计，粮食增产约有50%得益于化肥的施用[1]。但是近年来我国普遍存在过量施用化肥的现象，导致粮食增产效率下降、土壤退化、环境问题日益突出[2]。因此，如何优化施肥管理、提高肥料利用率已经成为当前农业生产的一个重要挑战。化肥减量、有机肥代替部分化肥正是在此背景下发展起来的养分管理措施，即在保证作物增产稳产的前提下，减少化肥投入，增加有机肥利用，从而提高肥料利用率，降低对环境的污染。

稻草是一种农业废弃物资源，富含钾素，还田后能补充土壤钾素营养[3]；同时，稻草还田配施化肥还被证实可以提高作物产量[4]。作为中国传统农业生产的绿肥作物，紫云英（Astragalus sinicusL.）可通过生物固氮、活化和富集土壤中营养元素来提高土壤肥力，改善土壤生态环境[5–6]；与稻草相比，紫云英的氮、磷含量高、碳氮比低，若两者联合利用可能产生互作效应。

研究发现，减量施肥条件下紫云英与稻草协同利用将有利于促进土壤活性有机质积累，提高双季稻产量[7-8]。为了解紫云英与稻草协同利用下双季稻增产、增收的效果，明确二者协同利用在化肥减量条件下肥料的利用情况，以湘早籼25和黄华占为材料，研究了减量施肥下紫云英与稻草的协同利用对水稻产量及其构成因素、经济效益和肥料利用率的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2011～2016年在湖南省益阳市南县三仙湖乡万元桥村（北纬 29°13′，东经 112°28′）的双季稻田上进行。该地位于洞庭湖双季稻区，属季风湿润气候，当地海拔高度30 m，多年平均气温16.6 ℃，年平均降水量1 237.7 mm，年日照时间1 775.7 h。供试土壤为洞庭湖地区的典型水稻土——河流沉积物发育的紫潮泥。试验前0～20 cm土壤的理化性状如下：pH值7.7，有机质含量48.4 g/kg，全氮3.28 g/kg，全磷1.28 g/kg，全钾22.2 g/kg，碱解氮261 mg/kg，有效磷15.6 mg/kg，有效钾98 mg/kg。供试水稻品种早稻为“湘早籼25”，晚稻为“黄华占”。

1.2 试验设计

试验共设置9个处理，该文只取其中4个处理进行分析：（1）CK（不施用化肥、秸秆不还田、休闲季不种植紫云英）；（2）100%F（单施全量化肥）；（3）80%F+RMv（施用80%全量化肥+稻草低茬还田+冬种紫云英原田利用）；（4）80%F+HRMv（施用80%全量化肥+稻草高茬还田+冬种紫云英原田利用）。处理4中晚稻留高茬35～45 cm，其他处理稻草茬高均控制在5～10 cm。100%F处理中化肥施用量为当地常规施肥量，早稻施肥量为：N、P2O5、K2O分别为150、75、90 kg/hm2；晚稻施肥量为：N、P2O5、K2O分别为180、45、120 kg/hm2，处理3和4中早、晚稻施肥量为100%F处理氮、磷、钾肥施用量减量20%。

每个处理重复3次，随机排列，小区面积为20 m2。小区间田埂通过覆膜（高20 cm，宽30 cm）隔离，实行单独排灌。紫云英利用小区于每年9月下旬至10月上旬播种紫云英，各小区播种量均为30 kg/hm2，不施任何肥料。紫云英在早稻移栽前10 d测产翻压入田，灌浅层水湿润腐解。早稻一般在每年3月中下旬播种，4月中下旬移栽。晚稻于6月中旬播种，7月中下旬移栽。N、P、K化肥品种分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。50%氮肥与全部的磷、钾肥作基肥于移栽前1 d施入，50%氮肥作追肥在分蘖盛期施入。基肥施入后立即用木耙耙入5 cm深的土层中。水稻整个生育期内，各处理其他农田管理措施保持一致。

1.3 样品采集与指标测定

试验开始前采集0～20 cm耕层土壤分析其基本理化性状。早、晚稻成熟期，各小区普查25蔸水稻的有效穗数，以其中位数为依据，采集长势均匀一致、有代表性的5蔸水稻植株作为考种材料，并测定水稻稻谷和秸秆中的全氮、全磷、全钾养分含量。各小区早、晚稻成熟后例行单打单晒，扬净后测定各小区稻谷产量。各指标采用常规方法分析[9]。

1.4 数据处理与分析

应用Microsoft Excel 2010处理试验数据作图，用SPSS19.0进行差异显著性分析。水稻收益=稻谷产值-生产成本。产值以当地稻谷收购价为标准，生产成本不计翻耕、水稻移栽、杂草与病虫害防治、收割以及管理等劳动力支出和农药、水稻种子、机械以及灌溉等物质成本，仅计算新增加投入化肥、紫云英种子物质成本和施肥、紫云英管理利用（播种、开沟）劳动力成本。

肥料利用率计算公式[10]：

肥料表观利用率（%）=（施肥区植物吸收养分量-无肥区植物吸收养分量）/施肥量×100

肥料农学利用率（kg/kg）=（施肥区产量-无肥区产量）/施肥量。

肥料利用率计算公式中的施肥量为无机化肥+稻草、紫云英中养分含量。

2 结果与分析

2.1 减量施肥下紫云英与稻草协同利用对双季稻产量及其构成因素的影响

2.1.1 稻谷产量 由表1可知，各处理早、晚稻及两季稻谷产量随耕种年限的推移均大致表现出先升后降的趋势，这与气候条件、试验土壤状况、田间管理等因素有关。比较各处理6 a每季产量（因2011年80%F+HRMv处理未留高茬，所以该处理2011年早稻产量未纳入统计），早、晚稻谷产量以及两季稻谷总产每年均以80%F+HRMv的最高，其次是80%F+RMv处理，100%F处理排第三，CK的产量最低。与100%F相比，80%F+HRMv与80%F+RMv早稻6 a平均产量分别增产19.2%、7.3%，晚稻分别增产10.8%、8.4%，两季稻谷总产分别增加14.5%、7.9%。80%F+HRMv早、晚稻谷产量以及两季稻谷总产每年较80%F+RMv有一定增长，增幅不一，6 a来早稻平均增产11.0%，增幅达显著水平，晚稻及两季总产增幅差异未达显著水平。这表明紫潮泥稻田中紫云英与稻草协同利用模式能在减少化肥投入的同时有效促进双季稻增产。

2.1.2 株高及产量构成因素 如表2所示，各处理早、晚稻生长要素株高以及产量构成因素穗长、有效穗数、每穗实粒数、结实率和千粒重等指标存在一定差异。与CK相比，各施肥处理显著提高了早、晚稻株高、穗长、有效穗数、每穗实粒数、结实率和千粒重；与100%F相比，80%F+HRMv处理早稻的株高、每穗实粒数和千粒重以及晚稻的株高、有效穗数和每穗实粒数均有显著提高，80%F+RMv处理早稻的株高、千粒重以及晚稻的每穗实粒数也均有显著提高。这表明，在紫潮泥稻田土壤中，紫云英与稻草协同利用能改善植株生长状况，协调各产量构成因素之间的平衡，以实现增产的目的。

2.2 减量施肥下紫云英与稻草协同利用对双季稻经济效益的影响

经济效益均以2016年当地实际价格为参考：N、P2O5、K2O市场价分别为3.8、5.2、5.3元/kg；水稻早、晚稻谷收购价格分别为2.50、2.76元/kg；紫云英种子价格为10元/kg；劳动力工价为180元/d。由表3可知，各处理的收益从高到低排列依次为：80%F+HRMv＞80%F+RMv＞100%F＞CK。 与100%F相比，80%F+HRMv、80%F+RMv处理两季总收益分别提高了17.2%、13.5%。这表明，与单施全量化肥模式相比，紫云英与稻草协同利用模式能获得更高的收益。

2.3 减量施肥下紫云英与稻草协同利用对肥料利用率的影响

表1 2011～2016年各处理早、晚稻的产量及两季的总产量 （kg/hm2）

表2 各处理早、晚稻植株株高及产量构成因素的比较

表3 各处理经济效益的比较

从表4可以看出，各处理肥料表观利用率存在一定差异。除晚稻钾（K2O）肥表观利用率外，紫云英与稻草协同利用在减量施肥下相较单施全量化肥均能显著提高化肥表观利用率（P＜0.05）。同100%F比较，80%F+RMv处理早、晚稻氮（N）肥表观利用效率分别提高79.0%、140.7%，磷（P2O5）肥表观利用效率分别提高86.5%、37.5%，早稻钾（K2O）肥表观利用效率提高76.6%；80%F+HRMv处理更优，其早、晚稻N肥表观利用效率分别提高100.6%、151.3%，P2O5肥表观利用效率分别提高97.1%、63.0%，早稻K2O肥表观利用效率分别提高96.3%。紫云英与稻草协同利用晚稻钾肥利用效率低原因可能是富含钾素且新鲜的秸秆全量还田提高了钾养分投入量从而降低了钾素表观利用效率。

肥料中1 kg N、P2O5、K2O增产稻谷的能力称 之肥料农学利用率。由表4可知，各施肥处理肥料农学效率存在显著差异。与100%F相比，80%F+RMv处理的早、晚稻N肥农学利用效率分别提高了75.2%、57.9%，P2O5肥农学利用效率分别提高了83.6%、73.1%，K2O肥农学利用效率分别提高了72.3%、1.3%，两者之间除晚稻K2O肥农学利用效率外均差异显著；80%F+HRMv处理的表现更优，其早、晚稻N肥农学利用效率分别提高了89.8%、76.6%，P2O5肥农学利用效率分别提高了100.5%、87.0%，K2O肥农学利用效率分别提高了80.4%、17.4%，两者之间差异均达显著水平。

表4 各处理肥料利用效率的比较

3 结论与讨论

连续6 a的田间定位试验结果表明，有机无机肥配施能有效促进水稻增产。大量前人的研究也证明了此观点。其原因在于有机无机肥的配施使化肥的速效性和有机肥的持久性结合，短期内能补充作物生长所需养分，而且还能改善土壤肥力、提高作物对不利环境因素的耐性、促进农田生态系统稳定发展[11-12]。该研究中，与单施全量化肥相比，紫云英与稻草协同利用即使在化肥减量20%的情况下也能提高水稻产量。一方面稻草富含钾素，秸秆还田有利于提高土壤中缓效钾和速效钾含量[6]；另一方面，豆科作物紫云英具有固氮以及富集养分的能力，冬种紫云英参与双季稻轮作可显著提高耕层土壤有机质、氮、磷等养分含量，可减少冬季土壤氮素和还田稻草钾素的淋失[10,13]。该研究发现紫云英与稻草协同利用中晚稻秸秆留高茬还田较低茬还田更有助于增产。原因可能是稻草低茬还田可在土壤和大气间形成热与水的屏障层，使土壤与大气间的热量及水分交换趋于缓和而起到保温保水作用[14]，但这种覆盖产生的阻碍以及遮光反而会抑制冬季作物出苗，影响冬季作物初期生长[15]。而晚稻留高茬还田在保温保墒作用的同时，弱化遮光效应给冬季作物留有生存空间利于其生长[7]。尽管稻草高茬还田可以有效改善冬季紫云英生长环境促进其生长，从而提高土壤有机肥投入量；但是过量的有机肥并不能带来相对等的产量增加值，反而会造成农田甲烷等温室气体的排放，增加地下水NO3-含量，产生不良的环境影响[16-17]。因此，紫云英与稻草协同利用下，化肥和有机肥用量的调整、节肥效应的可持续性、稻草高茬还田与冬种紫云英之间养分截留和循环等问题均有待进一步深入探讨。

粮食价格和粮食单产固然是影响农户经济收益提高的重要因素，但是生产成本的增长是阻碍粮食生产效益的主要因素[18]。该研究中，紫云英与稻草协同利用种植收益相比单施全量化肥有一定幅度的上涨，但是紫云英的种植利用增加了种子与管理（播种、开沟等）成本导致生产成本增加。调查发现，工价的快速上涨使生产成本中人工成本比例显著提高[19]。2010～2012年单位面积（1 hm2）农业用工累计减少了22%，但工价却累计上涨了200%，据调查试验地近2 a工价相比2012年涨幅达20%～30%，这并不利于紫云英与稻草协同利用模式下水稻收益的进一步提高。因此，今后研究还需重点研发配套机械以减少劳动力成本投入，以便增加该模式在实际生产中的可行性。

当前我国农业发展面临的主要瓶颈之一——肥料利用率明显低于欧美发达国家，甚至低于国际平均水平，这不仅导致了化肥大量、甚至过量施用，引起土壤理化性质恶化，直接影响农作物产量和质量的提高；而且直接造成了资源浪费，加重了农业负担；同时，对环境也产生了负面效应[20]。有学者总结我国粮食生产区大量田间试验得出，我国水稻氮、磷、钾肥农学利用效率的平均值分别为10.4、9.0、6.3 kg/kg[21]。该研究中，在减量20%化肥的条件下，紫云英与稻草协同利用水稻氮、磷、钾肥农学利用效率平均为14.4、43.8、19.4 kg/kg，明显高于全国平均水平，也高于杜加银等[22]的报道，这是因为有机、无机肥配施促进了土壤中有益微生物的生长，改善了土壤理化性质，使肥效供给平稳长效，在供肥强度和容量上更适于作物生长，从而提高作物肥料利用率[10,23]。该研究中，单施全量化肥处理的稻谷产量虽然与紫云英与稻草协同利用模式的差异较小，但其肥料利用率却较低，甚至低于全国平均水平，这与其肥料量有关，过高的肥料投入量并不能带来相对等的产量增加值，除一部分吸收外，多余的部分通过淋溶、挥发等途径损失掉，而且过高的养分易导致作物徒长、倒伏以及病虫害发生几率增加[24]。

参考文献：

[1] Roberts T L. Roles of fertilizer in growing world’s food[J]. Bettercrops，2009，93（2）：12-15.

[2] 赖 力，黄贤金，王 辉，等. 中国化肥施用的环境成本估算[J].土壤学报，2009，46（1）：63-69.

[3] 廖育林，郑圣先，聂 军，等. 长期施用化肥和稻草对红壤水稻土肥力和生产力持续性的影响[J]. 中国农业科学，2009，42（10）：3541-3550.

[4] 刘红江，陈留根，朱普平，等. 稻草还田对小麦产量、地表径流NPK流失量及土壤肥力的影响[J]. 水土保持学报，2010，（6）：6-10.

[5] 颜志雷，方 宇，陈济琛，等. 连年翻压紫云英对稻田土壤养分和微生物学特性的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2014，（5）：1151-1160.

[6] 廖育林，鲁艳红，谢 坚，等. 紫云英配施控释氮肥对早稻产量及 氮素吸收利用的影响[J]. 水土保持学报，2015，（3）：190-195，201.

[7] 周 兴，廖育林，鲁艳红，等. 减量施肥下紫云英与稻草协同利用对双季稻产量和经济效益的影响[J]. 湖南农业大学学报（自然科学版），2017，43（5）：469-474.

[8] 周 兴，廖育林，鲁艳红，等. 肥料减施条件下水稻土壤有机碳组分对紫云英-稻草协同利用的响应[J]. 水土保持学报，2017，31（3）：283-290.

[9] 鲍士旦. 土壤农化分析（第三版）[M]. 北京：中国农业出版社，2000. 263-270.

[10] 吴萍萍，刘金剑，周 毅，等. 长期不同施肥制度对红壤稻田肥料利用率的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2008，（2）：277-283.

[11] 高菊生，曹卫东，李冬初，等. 长期双季稻绿肥轮作对水稻产量及稻田土壤有机质的影响[J]. 生态学报，2011，（16）：4542-4548.

[12] Bi L，Zhang B，Liu G，et al. Long—term effects of organic amendments on the rice yields for double rice cropping systems in subtropical China[J]. Agriculture，Ecosystems & Environment，2009，129：534-541.

[13] 卢 萍，单玉华，杨林章，等. 绿肥轮作还田对稻田土壤溶液氮素变化及水稻产量的影响[J]. 土壤，2006，（3）：270-275.

[14] 胡 实，彭 娜，谢小立，等. 农田秸秆覆盖保墒研究[J]. 中国农业气象，2007，28（1）：49-53.

[15] 苏 伟，鲁剑巍，周广生，等. 稻草还田对油菜生长、土壤温度及湿度的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2011，（2）：366-373.

[16] 田 卡，张 丽，钟旭华，等. 稻草还田和冬种绿肥对华南双季稻产量及稻田CH4排放的影响[J]. 农业环境科学学报，2015，34（3）：592-598.

[17] 彭 华，纪雄辉，吴家梅，等. 不同稻草还田模式下双季稻田周年CH4排放特征及温室效应[J]. 农业环境科学学报，2015，34（3）：585-591.

[18] 曾福生，戴 鹏. 粮食生产收益影响因素贡献率测度与分析[J]. 中国农村经济，2011，（1）：66-76.

[19] 孙 昊. 我国农户种粮收益问题实证研究[D]. 北京：中国农业大学，2014.

[20] 解开治，徐培智，张仁陟，等. 化肥减量技术的可行性分析[J]. 广东农业科学，2007，（5）：55-58.

[21] 张福锁，王激清，张卫峰，等. 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径[J]. 土壤学报，2008，（5）：915-924.

[22] 杜加银，茹 美，倪吾钟. 减氮控磷稳钾施肥对水稻产量及养分积累的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2013，19（3）：523-533.

[23] 张小莉，孟 琳，王秋君，等. 不同有机无机复混肥对水稻产量和氮素利用率的影响[J]. 应用生态学报，2009，20（3）：624-630.

[24] 彭少兵，黄见良，钟旭华，等. 提高中国稻田氮肥利用率的研究策略[J]. 中国农业科学，2002，（9）：1095-1103.