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

周兴，廖育林，鲁艳红，王宇，聂军*，曹卫东



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

周兴1,2，廖育林2,3，鲁艳红2,3，王宇2,3，聂军2,3*，曹卫东4

(1.湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙410128；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙410125；3.农业部湖南耕地保育科学观测实验站，湖南长沙410125；4.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081)

开展连续5年大田定位试验，研究减量施肥下不同紫云英与稻草利用处理对洞庭湖地区紫潮泥双季稻的产量、产量构成因素及经济效益的影响。结果表明，与单施化肥(F100)相比，不同紫云英、稻草利用处理均能促进水稻增产、稳产，其中紫云英与稻草协同利用的增产效果优于紫云英或稻草单独利用，协同利用处理中又以晚稻高茬稻草还田冬种紫云英(F80+HR+A)处理的效果更好。F80+HR+A处理的早、晚稻，5年平均产量较F100分别增产20.2%、11.9%，稻谷纯收益增加13.7%，边际成本报酬率为3.4元/元。早稻株高、每穗实粒数、千粒质量和晚稻株高、有效穗数、每穗实粒数的增加是水稻增产的主要原因。综上所述，晚稻留高茬还田冬种紫云英，不仅可以提高水稻产量，还可以获得较佳经济收益，减少化肥用量。

减量施肥；紫云英；稻草；水稻产量；经济效益

化肥作为作物所需的速效养分，其重要性不可忽视，而由过量施用化肥所导致的土壤退化、环境恶化等问题日益突出，因此，中国传统农业生产中的有机肥培肥地力重新受到了重视。作为中国传统豆科绿肥作物，紫云英(L.)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，增加土壤微生物量及多样性，改善土壤生态环境[1–2]，并可代替部分化肥[3]。稻草作为一种农业废弃物资源，富含钾素，其钾素的营养功能与化学肥料中钾素营养功能相同，因此，稻草还田能补充土壤钾素营养[4]，同时稻草还田配施化肥能够提高作物产量[5]，但较高碳氮比的稻草中氮磷含量较低，还田腐解后还可能导致微生物短暂固定土壤氮素，从而影响作物的前期生长[6]。对此，笔者拟研究稻草与豆科绿肥联合利用对二者单独利用不利影响的缓解。与秸秆单独还田相比，绿肥与玉米秸秆联合利用可以有效提高作物产量[7]。与秸秆或紫云英单独利用相比，紫云英与水稻秸秆联合利用在减量施肥下有提高一季水稻产量的趋势[8]。绿肥与秸秆联合还田并减少化肥投入比秸秆单独利用时水稻、小麦分别增产5.4%、4.9%[9]。可见，绿肥与秸秆联合利用比秸秆或者绿肥单独利用对作物增产的促进作用更明显。

目前，关于绿肥和秸秆还田对作物产量影响的研究大都侧重于单独利用或者是二者简单联合利用，关于豆科绿肥与秸秆协同利用的研究尚少，尤其是紫云英与稻草协同利用及其协同利用模式尚少见报道。随着农业机械化的发展，稻草留高茬还田已成为一种常见还田模式，因此，笔者开展连续5年(2011—2015年)定位试验，探究紫云英与稻草不同利用模式对双季稻产量及经济效益的影响。现将结果报道如下。

1　材料与方法

1.1　材料

早稻为‘原早1号’；晚稻为‘黄华占’。

1.2　试验设计

试验于2011—2015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′，海拔高度30 m)进行。该地位于洞庭湖双季稻区，属季风湿润气候区，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。供试土壤为河流沉积物发育的紫潮泥。试验前0~20 cm土壤pH为7.7，有机质含量为48.4 g/kg，全氮、全磷、全钾含量分别为3.28、1.28、22.2 g/kg，碱解氮、有效磷、有效钾含量分别为261、15.6、98 mg/kg。

试验共设置处理6个。

1) CK(稻–稻–冬闲，不施任何肥料)。

2) F100(稻–稻–冬闲，单施全量化肥。早稻施N 150 kg/hm2，施P2O575 kg/hm2，施K2O 90 kg/hm2；晚稻施N 180 kg/hm2，施P2O545 kg/hm2，施K2O 120 kg/hm2)。

3) F80+A(稻–稻–紫云英，紫云英原田翻压，氮、磷、钾肥均减量20%)。

4) F80+R(稻–稻–冬闲，稻草原田翻压，氮、磷、钾肥均减量20%)。

5) F80+R+A(稻–稻–紫云英，紫云英与稻草低茬原田利用，氮、磷、钾肥均减量20%)。

6) F80+HR+A(稻–稻–紫云英，晚稻留高茬35~45 cm，紫云英与稻草均原田翻压，其他处理稻草茬高均控制在5~10 cm，氮、磷、钾肥均减量20%)。

每处理3次重复。随机区组排列。小区面积为20 m2。小区间田埂(高20 cm，宽30 cm)覆膜隔离，实行单独排灌。紫云英于每年10月上旬播种，不施任何肥料，播种量为30 kg/hm2。各小区播种量一致。于早稻移栽前10 d测产翻压入田，用浅水湿润腐解。早稻一般每年3月底播种，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。氮肥50%作基肥于移栽前1天施入，50%作追肥在分蘖盛期施入。磷肥和钾肥均在移栽前作基肥施入。基肥施入后立即用铁耙耖入5 cm深的土层中。在水稻整个生育期内，各处理农田管理措施一致。

1.3　样品采集与指标测定

试验前采集0~20 cm耕层土壤用作基本理化性状分析。各小区早、晚稻单打单晒，扬净后测定各小区稻谷的质量。2015年早、晚稻成熟期，于各小区普查25蔸水稻有效穗数，以其中位数为依据，采集长势均匀一致、有代表性的水稻植株5蔸作为考种材料。

1.4　数据处理与分析

用Microsoft Excel 2007处理试验数据，用SPSS 19.0进行差异显著性分析。

净收益＝产值－生产成本。生产成本包括劳动力成本和物质成本[10]。本试验中劳动力成本为该试验基地农户2015年实际劳动力支出，包括翻耕、水稻移栽、杂草与病虫害防治、收割以及管理等劳动力支出，约为6 300元/hm2；新增紫云英利用(播种、开沟)和施肥劳动力成本另外计算。物质成本中的农药、水稻种子、机械以及灌溉等统一按11 640元/hm2计算，新增加投入化肥、紫云英种子费用另外计算。

边际成本报酬率＝(新模式总产值－对照区总产值)／(新模式总成本－对照区总成本)。

新增收益率＝(新模式纯收益－对照区纯收益)/ 对照区纯收益。

2　结果与分析

2.1　各处理双季稻的产量

2.1.1早稻产量

由表1可见，各处理早稻产量随耕种年限推移大致呈现出先升后降的趋势，表明化肥减量下紫云英与稻草利用的增产效果随耕作时间的推移呈递减趋势，这与试验水稻品种、气候条件、试验土壤状况以及田间管理措施等因素有关。比较各处理早稻5年平均产量(因2010年F80+HR+A处理未留高茬，所以该处理2011年早稻产量未纳入统计)，与CK相比，施肥能显著增加早稻的年平均产量，F100、F80+A、F80+R、F80+R+A和F80+HR+A分别增加了73.7%、81.1%、68.9%、84.4%和108.8%，各施肥处理与CK之间的差异显著(<0.05)，其中，除稻草单独利用处理外，各紫云英与稻草利用处理的增产效果均优于单施化肥处理。

表1　各处理早稻的产量

同列数据后不同小写英文字母示差异显著(<0.05)；不同大写英文字母示差异极显著(<0.01)。

减量施肥紫云英与稻草不同利用模式对早稻产量的影响存在一定差异。紫云英单独利用早稻的增产效果优于稻草单独还田的，与F80+R相比，F80+A增产了7.2%。紫云英利用下，不同稻草协同利用模式早稻的产量存在一定差异，与F80+A相比，F80+HR+A处理早稻增产15.3%，二者差异显著(<0.05)；F80+R+A略有增产。不同稻草利用模式下种植紫云英对早稻产量的影响也存在一定差异，与F80+R相比，F80+HR+A增产23.6%，二者差异显著(<0.05)；F80+R+A增产9.2%，二者差异无统计学意义。以上结果表明：紫云英与稻草协同利用模式下紫潮泥稻田早稻的增产效果优于稻草或者紫云英单独利用方式的，其中晚稻留高茬冬种紫云英处理的效果更好。

2.1.2晚稻产量

由表2可见，2011—2015年晚稻产量的年际变化趋势与早稻的变化一致，呈先升后降趋势，但变化幅度比早稻的小。这与晚稻季气候条件、水稻品种等因素有关。CK处理晚稻5年平均产量为5 629 kg/hm2，可见，紫潮泥土壤晚稻基础产量较高，其原因是本身高养分含量的紫潮泥随夏季温度升高而释放了较多养分。F100、F80+A、F80+R、F80+R+A和F80+HR+A处理5年晚稻平均产量分别比CK高26.7%、33.5%、34.6%、38.9%和41.7%，各施肥处理与CK之间的差异显著(<0.05)。这说明化肥减量20%下不同紫云英与稻草利用模式相比单施化肥有助于晚稻增产，其中紫云英与稻草协同利用模式比单施化肥的增产效果更好。

表2　各处理晚稻的产量

同列数据后不同小写英文字母示差异显著(<0.05)；不同大写英文字母示差异极显著(<0.01)。

稻草单独还田与紫云英单独利用晚稻产量之间的差异无统计学意义。紫云英利用下，与F80+A相比，F80+HR+A与F80+R+A处理晚稻产量分别增加了5.3%和3.2%。稻草利用下，与F80+R处理相比，F80+HR+A与F80+R+A处理晚稻产量分别增加了6.2%和4.0%。紫云英与稻草协同利用与二者单独利用晚稻产量之间的差异均无统计学意义。这可能与紫云英、稻草利用模式水稻试验年限较短有关。

2.2　各处理水稻的产量构成要素

各处理早、晚稻的株高、穗长、有效穗数、每穗实粒数、结实率及千粒质量等产量构成因素间存在一定差异(表3)。与CK相比，各施肥处理均显著提高了早、晚稻株高、穗长、有效穗数、每穗实粒数、结实率以及千粒质量，其中紫云英与稻草协同利用模式(F80+HR+A、F80+R+A)的株高、每穗实粒数以及千粒质量均显著高于单施化肥处理。

表3　各处理水稻植株的性状与产量构成因素

同列同一季别数据后不同小写英文字母示差异显著(<0.05)；不同大写英文字母示差异极显著(<0.01)。

减量施肥下，F80+A处理早稻株高、穗长、每穗实粒数、结实率以及千粒质量均优于F80+R的，F80+A处理晚稻的株高和每穗实粒数均显著低于F80+R的。紫云英利用下，与F80+A相比，F80+R+A处理早稻的千粒质量、晚稻的株高及每穗实粒数均显著增加；F80+HR+A处理早稻的每穗实粒数、千粒质量和晚稻的株高、有效穗数、每穗实粒数均显著增加。稻草还田下，与F80+R相比，F80+R+A处理早稻株高、每穗实粒数均显著提高，晚稻每穗实粒数、结实率也有增加；F80+HR+A处理早稻的株高、每穗实粒数和晚稻有效穗数均显著增加。

2.3　各处理的经济效益

以F100处理为对照，计算各紫云英与稻草利用处理的新增纯收益率与边际成本报酬率(表4)。成本均以2015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；早、晚稻谷收购价格分别为2.54、2.70 元/kg；紫云英种子价格为24 元/kg；劳动力工价为每天150 元。

表4　各处理水稻的经济效益

由表4可见，各处理净收益由大到小依次为F80+HR+A、F80+R、F80+R+A、F100、F80+A，各施肥处理比CK分别提高了118.7%、116.8%、112.6%、100.0%和91.5%。

F80+HR+A处理的收益最高，新增纯收益率与边际成本报酬率分别达13.7%、3.4元/元；其次是F80+R+A处理，其新增纯收益率与边际成本报酬率分别为9.2%、2.6 元/元；F80+R处理和F80+A处理的收益较差，F80+R处理的分别为12.2%、–1.3元/元，F80+A处理的分别为–6.2%、–0.1 元/元。这说明化肥减量20%情况下紫云英与稻草协同利用比单施化肥能够提高水稻的生产收益。

减量施肥下，F80+R处理的净收益率高于F80+A处理的。紫云英利用下，与F80+A相比， F80+HR+A与F80+R+A处理的净收益分别上升了21.2%、16.4%。稻草还田下，与F80+R相比，F80+HR+A处理的净收益增加了1.3%，F80+R+A处理的净收益下降了2.7%，表明紫云英与稻草协同利用模式中晚稻留高茬还田冬种紫云英均较紫云英或稻草单独利用能获得较高收益。

3　结论与讨论

本研究结果表明，与单施化肥相比，化肥减量20%下紫云英单独利用能提高水稻产量。株高和千粒质量的增加是水稻增产的主要原因。豆科绿肥与无机肥配施能提高作物产量[3, 11]，其原因在于绿肥养分释放不仅短期内能补充作物生长所需养分，还能改善土壤肥力，促进农田生态系统稳定发展[12]。化肥减量下稻草单独还田相比单施化肥处理早稻的产量有一定下降，晚稻产量有一定上升。稻草还田对水稻的生长及其产量形成有利也有弊，并且与土壤性状、水分和肥料管理等诸多因素有关[13]。一方面，早稻秸秆还田短期内会导致微生物对土壤氮素的固定，可能影响水稻前期生长[6]。随着土壤微生物的碳源消耗，微生物所固定的养分随之释放，加之晚稻季(7—10月)温度升高，稻草腐解加速，其养分释放更有利于晚稻吸收利用。另一方面，双季稻区上一年的晚稻秸秆还田距第2年早稻种植约有5个月休闲期。休闲期内稻草腐解产生的养分受冬季雨水影响易淋失。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]。晚稻留高茬还田可能在保障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，有利于其生长。

近年来，农业面源污染研究受到重视[3, 16–17]，实行有机无机肥结合施用，是减少化肥用量、提高肥料效益的最有效途径[18]。本研究结果表明，与稻草利用模式单施全量化肥相比，在减少20%化肥用量的情况下，连续5年紫云英仍能保持水稻稳产、增产，其中紫云英单独利用、稻草单独还田以及稻草低茬还田冬种紫云英均能维持水稻产量或略有增产，而晚稻草留高茬还田冬种紫云英的增产效果显著。

边际成本报酬率高于2元/元是经济效益极显著的评价标准[19]。本研究中，稻草低茬还田冬种紫云英处理的新增纯收益率与边际成本报酬率分别达9.2%、2.6元/元，晚稻留高茬还田冬种紫云英处理的分别达13.7%、3.4元/元，其经济效益均显著提高。

值得注意的是，农业经济效益受粮食收购价和生产资料及劳动力价格等复杂多变因素的影响，所以对其进行准确评估需要根据实际情况而定。关于紫云英与稻草协同利用下节肥效应的可持续性、土壤养分盈亏以及如何化肥用量调整等问题值得进一步研究。

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责任编辑：王赛群

英文编辑：王库

Effects of Chinese milk vetch and rice straw synergistic dispatching on grain yield and economic benefit of double cropping rice system under fertilizer reduction

ZHOU Xing1, 2, LIAO Yulin2, 3, LU Yanhong2, 3, WANG Yu2, 3, NIE Jun2, 3*, CAO Weidong4

(1.College of Resources and Environment，Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province, Changsha 410125, China; 3.Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Hunan), Ministry of Agriculture, Changsha 410125, China; 4.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

A successive 5-year field experiments were designed to study the effects of different treatments of Chinese milk vetch and rice straw on rice yield, agricultural character and economic benefit at purple soil region in Dongting Lake. Compared to F100, the results showed that different treatments of Chinese milk vetch and rice straw could maintain a stable or slight yield increase under the reduction of 20% chemical fertilizer application. The synergistic effects of Chinese milk vetch and rice straw had advantage over the single treatments of Chinese milk vetch or rice straw on rice yield increase. Synergistic treatment of F80+HR+A, one of Chinese milk vetch + rice straw treatments, was more suitable for increasing 5-year average yield for early, later rice, net income and the rate of remuneration of marginal cost, they were 20.2%, 11.9%, 13.7% and 3.4 Yuan/Yuan respectively, which were greater than that of F100 with the difference reached to the significant level (<0.05). The increase of plant height, filled grain number per panicle, 1000-grain weight in early rice and plant height, efficient panicle, filled grain number per panicle in later rice were the main contributions to high rice yield. Returning high pile of straw and planting Chinese milk vetch in winter not only increased rice yield, but also achieved the best economic benefits, as well as reduced the amount of chemical fertilizer.

reduction fertilizer; Chinese milk vetch; rice straw; rice yield; economic benefits

S511.06

A

1007-1032(2017)05-0469-06

2017–01–22

2017–09–21

国家绿肥产业技术体系项目(CARS–22)；国家重点研发计划项目(2017YFD0301504, 2016YFD0300900)；湖南省农业科学院科技创新项目(2017JC47)；国际植物营养研究所科研项目(IPNI Hunan–18)

周兴(1986—)，男，湖南韶山人，博士研究生，主要从事植物营养与施肥研究，evenxing@sina.cn；*通信作者，聂军，博士，研究员，主要从事土壤与施肥原理研究，junnie@foxmail.com

投稿网址：http://xb.hunau.edu.cn