不同播期对紫云英“信紫1号”生长状况、产量及养分积累的影响

2018-03-20刘春增吕玉虎李本银常单娜潘兹亮曹卫东

中国土壤与肥料 2018年1期

刘春增，吕玉虎，李本银*，常单娜，潘兹亮,曹卫东

(1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所,河南郑州 450002；2.信阳市农业科学院，河南信阳 464000；3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

紫云英(AstragalussinicusL.)又名红花草，属于豆科黄芪属作物，一般在秋季套播于稻田，是我国南方稻田主要的冬季绿肥[1]。紫云英还田可以增加稻田土壤养分，改善稻田的物理、化学及生物学性状，提高水稻产量[2-5]。紫云英通过固氮作用可以减少化肥氮的施用和氮素流失[6-7]，还可以减少稻田温室气体N2O和CH4的排放，对改善稻田的生态环境具有重要意义[8-9]。同时，紫云英可以用作牧草和蔬菜，也可以生产一种营养价值很高的花蜜。

早在1987年，农业部就确定信阳地区是国家级紫云英种子生产基地，信阳地区每年除了向我国南方稻区提供紫云英种子外，同时还出口日本、韩国[10]。豫南稻区存在大量的冬闲田，为紫云英的种植提供了广阔的空间。为了满足紫云英种子内销和出口的需要，选育出了紫云英新品种“信紫1号”[10]。对于选育出来的“信紫1号”新品种需要探明配套的高产栽培管理技术体系，适宜的播期是其中关键的一项技术。播期影响作物的出苗速度、生长状况、养分积累、产量和品质等各个方面[11-13]。紫云英翻压肥田时需要较高的产草量和养分积累量，作为种质资源时则需要较高的种子产量。适时播种可以满足紫云英对光热资源的需求，改善其生长状况从而获得较高的产量。关于播期对紫云英产量及养分积累的影响已有报道[14-15]，但不同的紫云英品种以及不同地区的气候条件和种植制度对播期有不同的要求。紫云英作为绿肥不同于其他作物，它的播种与收获还要与主作物相协调。因此，本文以水稻收获时间为依据设置不同的播期，在田间条件下研究播期对紫云英生长状况、产草量、种子产量、养分积累及生态效应的影响，为豫南稻区紫云英的适宜播期的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验地点在信阳市农业科学研究所试验园区，该地区属亚热带向暖温带过渡区，日照充足，年平均气温15 ℃，无霜期平均220 d左右；年均降水量900～1 400 mm。试验田前季作物为水稻，土壤类型为水稻土，土壤有机质19.85 g/kg、碱解氮80.94 mg/kg、有效磷(P)15.50 mg/kg、速效钾(K)100.62 mg/kg、有效钙3 205.35 mg/kg、有效镁12.65 mg/kg、有效铁95.54 mg/kg、有效锰18.24 mg/kg、有效铜9.87 mg/kg、有效锌22.14 mg/kg、pH 值5.76。

1.2 试验设计

试验设置5个播期，即2015年8月20日、8月30日、9月9日、9月19日、9月29日。紫云英品种为“信紫1号”，该品种苗期生长健壮，后期生长势强，茎叶均为红色，叶片宽大，花浅紫色，每个花序有7～11朵小花，顶生的最多可达30朵，分枝能力和结荚能力均较强，千粒重3.2 g，抗寒、抗旱及抗病力强。本试验紫云英播种量为30 kg/hm2。试验随机区组排列，3次重复，小区面积13 m2。

紫云英播种时，种子与细沙混合均匀后条播，每公顷基施复合肥(15-15-15)750 kg，即N、P2O5、K2O用量均为112.5 kg/hm2。生长过程中不进行追肥，仅根据土壤水分状况进行合理灌溉。各处理于苗期(2015年11月2日)、越冬期(2015年12月2日)、返青期(2016年3月2日)、盛花期(2016年4月15日)每个小区按照S型取10株调查紫云英株高和分枝数；每个处理随机取3个30 cm×50 cm样方，分地上部和根部烘干称重；取盛花期的样品磨碎后进行养分测定。2016年5月25日收获种子，随机取3个1.2 m2的样方收割后装入尼龙网袋，悬挂晾干后脱粒，除去杂质后称重。

1.3 测定项目及方法

植物样品经H2SO4-H2O2消煮，流动注射分析仪测定N、P含量。植物样品经HNO3-HClO4消化，ICP-OES(美国)测定钾和中、微量元素含量[16]。

养分积累量=干物质量×养分含量

1.4 数据处理

Excel 2013处理数据，Origin 8.5作图，Canoco 5主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同播期对紫云英“信紫1号”各生育期生长状况的影响

在紫云英的几个关键时期(苗期、越冬期、返青期、盛花期)对紫云英的生长状况进行调查，选取株高、分枝数、地上部干重、地下部干重几个能够表征生长状况的指标进行分析，由于紫云英鲜重受植株含水量的影响变异较大，本研究选取用干重。由表1可以看出，播期对紫云英的生长状况有一定的影响。不同播期的株高、分枝数、地上干重、地下干重在苗期差异最大，各指标均随播期的推迟而降低，即8月20日最高，9月29日最低，不同播期的株高和地上部干重均差异显著。8月20日、8月30日、9月9日3个播期分枝数无差异，9月19日与29日也无差异，但后两个播期的分枝数均显著低于前3个播期。8月20日与30日的地下部干重差异显著 (P<0.05)，而9月9日与19日间的地下部干重无差异，但这两个播期显著低于前两个播期，又显著高于9月29日。随着生育期进程的推移，不同播期紫云英各指标的差异逐渐变小。盛花期时，不同播期紫云英株高、分枝数已无差异。不同播期地上部和地下部干重还有差异，9月9日的地上部干重最高(4 354.22 kg/hm2)，显著高于9月19日和29日；8月20日的地下部干重最大，与8月30日、9月9日、9月19日均无差异，但这4个播期均显著高于9月29日。综上结果，播期对紫云英的生长状况产生了一定的影响，在苗期影响最大，随生育期的推迟逐渐减小，9月9日前播种有利于获得较高的产草量。

表1 播期对紫云英各生育期生长状况的影响

注：同列中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.2 不同播期对紫云英“信紫1号”种子产量的影响

由图1可知，播期对紫云英种子产量有显著影响。9月19日播种的种子产量最高(1 080 kg/hm2)，8月20日播种的种子产量最低(630 kg/hm2)，前者是后者的1.71倍，差异显著。9月29日播种的产量为962 kg/hm2,显著低于9月19日，显著高于8月20日、8月30日、9月9日。综上结果，9月19日至29日播种有利于获得较高的种子产量。

图1 播期对紫云英“信紫1号”种子产量的影响注：图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.3 不同播期对紫云英“信紫1号”养分吸收的影响

2.3.1 对紫云英“信紫1号”盛花期碳、氮、硫含量及积累量的影响

与其他元素不同的是，紫云英植株中的绝大部分碳、氮和少量的硫是从大气中获得的。由表2可知，播期对盛花期紫云英地上部碳、氮、硫的含量及积累量有一定的影响。紫云英地上部碳含量范围在437.15～457.18 g/kg，变幅较小，8月30日处理最高，9月29日处理最低，不同播期无显著差异。紫云英地上部碳积累量范围在1 465.38～1 773.47 kg/hm2，9月9日处理最高，9月29日最低；9月9日处理的碳积累量显著高于8月20日和30日，8月20日和30日的碳积累量又显著高于9月19日和29日。紫云英地上部氮含量范围在34.42～37.82 g/kg，播期9月9日最高，9月19日最低，前3个播期的氮含量显著高于后2个播期。紫云英地上部氮积累量范围在115.87～164.64 kg/hm2，播期9月9日最高，9月19日最低，9月9日处理的氮积累量显著高于其它播期。紫云英地上部硫含量范围在4.17～6.10 g/kg，播期9月9日最高，9月29日最低，差异显著。紫云英地上部硫积累量范围在13.99～26.61 kg/hm2，播期9月9日最高，9月29日最低；其差异规律与碳积累量差异规律一致。综上结果，在8月20日至9月9日播种有利于获得较高的碳、氮、硫积累量，9月9日播种最适宜。

表2 不同播期对紫云英“信紫1号”盛花期地上部碳、氮、硫含量及积累量的影响

2.3.2 对紫云英“信紫1号”盛花期磷、钾、钙、镁含量及积累量的影响

由表3可以看出，播期对紫云英盛花期地上部磷、钾、钙、镁含量及积累量有一定的影响。紫云英地上部磷含量范围在4.33～5.61 g/kg，随播期的推迟而升高，播期8月20日最低，9月29日最高，差异显著。磷的积累量范围在17.19～22.50 kg/hm2，播期9月9日的积累量最高，并显著高于其它播期，而其它播期无显著差异。钾含量范围在22.06～26.52 g/kg，播期8月20日最低，9月9日最高，差异显著。钾的积累量范围在83.58～115.66 kg/hm2，播期9月9日的积累量最高，并显著高于其它播期，而其它播期无显著差异。钙含量范围在7.63～9.84 g/kg，钙含量随播期的推迟而降低，前4个播期钙含量无显著差异，均显著高于9月29日。钙积累量范围在25.63～38.81 kg/hm2，随播期推迟钙积累量不断降低，播期8月20日最高，9月29日最低，差异显著。镁含量范围在1.76～2.27 g/kg，播期8月30日含量最高，9月29日含量最低，差异显著。镁积累量范围在5.88～8.54 kg/hm2，随播期的推迟镁积累量不断降低，播期8月20日最高，9月29日最低，前3个播期显著高于后2个播期。综上，8月20日至9月9日播种有利于钙、镁的积累，播期8月20日最高；播期对磷积累的影响不明显，磷、钾的积累量均以播期9月9日最高。

表3 不同播期对盛花期“信紫1号”紫云英地上部磷、钾、钙、镁含量及积累量的影响

2.3.3 对紫云英“信紫1号”盛花期铜、锌、铁、锰含量及积累量的影响

由表4可以看出，播期对紫云英盛花期地上部铜、锌、铁、锰含量及积累量有一定的影响。紫云英地上部铜含量范围在7.47～9.09 mg/kg，播期9月9日最高，8月30日最低，差异显著。铜积累量范围在25.83～39.60 g/hm2，播期9月9日最高，显著高于其它播期，9月29日最低。锌含量范围在121.31～185.51 mg/kg，随播期的变化规律与铜含量一致。锌积累量范围在445.45～808.58 g/hm2，播期9月9日最高，8月30日最低，差异显著。铁含量范围在696.32～954.05 mg/kg，播期8月30日最高，9月29日最低，除8月30日外，整体上随播期的推迟而降低。铁积累量范围在2 335.15～3 504.07 g/hm2，前3个播期显著高于后2个播期，播期9月9日最高。锰含量范围在91.30～211.77 mg/kg，播期9月19日含量最高，8月20日最低，差异显著。锰积累量范围在338.22～715.02 g/hm2，播期9月19日最高，8月30日最低，差异显著。综上，9月9日至19日播种有利于铜、锌、锰的积累，播期9月9日最高。

表4 不同播期对紫云英“信紫1号”盛花期地上部微量元素含量及积累量的影响

2.3.4 紫云英“信紫1号”养分积累的主成分分析

由图2可知，主成分分析产生两个主成分，PCA1累积方差贡献率为54.63%，PCA2累积方差贡献率为34.44%，两个成分累积方差贡献率为89.07%。主成分分析结果显示，播期对紫云英的养分积累产生了明显的影响，除8月20日和30日这两个播期的养分积累量较近，其它播期则完全区分开。从图中可以看出，播期9月9日样本与碳、氮、硫、磷、钾、铜、锌积累量的相关性最大，与上述分析结果播期9月9日碳、氮、硫、磷、钾、铜、锌的养分积累量最大相一致；播期9月19日样本与锰的积累量相关性最大，与上述分析结果播期9月29日锰的养分积累量最大相一致；播期8月20日和30日的样本与钙、铁、镁的积累量相关性较好，与上述分析结果钙、铁、镁的积累量在这两个播期较高一致。从图中还可以看出，各养分的积累量均与紫云英的干物质重成正相关关系，这说明获得高的产草量是积累更多的养分的关键。整体来看，9月9日是紫云英获得较高养分积累的最佳播期。

图2 紫云英养分积累的主成分分析

注：图中1～15代表不同的播期：1、2、3代表8月20日；4、5、6代表8月30日；7、8、9代表9月9日；10、11、12代表9月19日；13、14、15代表9月29日。

3 讨论

3.1 不同播期对紫云英“信紫1号”生长状况及产量的影响

播期能够显著影响植物的生长状况[11-13]，本试验中播期对紫云英生长状况的影响在苗期最大，随后逐渐减小。这是因为随播期的推迟积温和光照越来越少，苗期时积温和光照成为限制性因素，早播的紫云英有更多的积温和光照时间，积累更多物质，生长状况更好。进入返青期以后，积温和光照越来越多，紫云英进入快速生长阶段。盛花期时，不同播期紫云英的株高和分枝数已无差异；紫云英的地上和地下干重还有一定差异。早播有利于获得较高的地上部和地下部干重积累量。与本试验结果不同，潘福霞等[14]在湖北荆州市设置不同播期对紫云英生长及养分积累的影响试验，结果发现，随播期的推迟紫云英的各生长指标都逐渐降低。盛花期时，紫云英各生长指标也基本符合随播期的推迟而降低的趋势。这是因为两个试验设置的播期时间不同，本试验所在的河南省信阳市是单季稻区，设置的播期最早是8月20日，最晚是9月29日，而潘福霞等人布置的试验位于湖北省荆州市，属于双季稻区，设置的播期最早是9月25日，最晚是11月6日，播期过晚影响紫云英的出苗数，这是无法通过后期快速生长弥补的。

本试验中,9月9日至19日播种有利于获得较高的种子产量，这是因为早播的紫云英在苗期生长过旺，越冬期时发生了菌核病，从而影响了种子产量。研究表明，在豫南地区紫云英在秋末或者初春很容易发生菌核病[17]，紫云英经过返青期的旺盛生长，抗病性增强，病害停止蔓延。本试验中最低的种子产量(630 kg/hm2)远高于潘福霞等人的试验中最高种子产量(227 kg/hm2)，这主要受地区气候影响，潘福霞试验地处湖北省荆州市，那里每年3月底到4月初紫云英盛花期时正值雨季，紫云英不易授粉，影响开花和结荚，从而无法获得较高的种子产量。信阳地区的紫云英产量一般高于南方地区，这是因为信阳地区地处大别山北麓，每年3月底到4月初光照充足，有利于花粉传播，易于获得较高的种子产量。

3.2 紫云英“信紫1号”的生态效应

紫云英作为冬季覆盖作物，增加了冬季稻田的植被覆盖度，紫云英除了可以固定CO2释放O2，还提高了对SO2、N2O和粉尘等主要空气污染物的净化功能[18]。从本试验的研究结果来看，早播有利于紫云英对碳、氮、硫的积累，即有利于提高紫云英的生态效应。本试验条件下，盛花期时紫云英地上部碳积累范围在1 465.38～1 952.05 kg/hm2。王丽宏等[19]试验发现紫云英地上部碳积累量为1 799.60 kg/hm2，与本研究的紫云英碳蓄积效应相当，但其研究表明相同条件下黑麦草地上部碳蓄积量为4 044.90 kg/hm2，油菜地上部碳积累量为1 023.80 kg/hm2，这说明不同的绿肥品种具有不同的碳蓄积效应。据不完全统计，我国南方15个省区有冬闲水田2 000多万hm2[20]，若用来种植紫云英，按1 500 kg/hm2碳积累量算，则每年南方稻田紫云英地上部碳积累量可达3 000万t以上。

紫云英作为一种豆科绿肥，与根瘤菌结合发生共生固氮作用，在结瘤良好的情况下，固氮量占植株总氮量可达到80%[21]，按紫云英氮积累量140 kg/hm2，来自生物固氮的约110 kg/hm2，可节约大量的能源及工业投入。本研究中紫云英地上部氮含量为34.42～37.33 g/kg，地上部氮积累量范围为115.87～164.64 kg/hm2，远高于其他研究中的结果[7,14]，这可能是本研究中施用了充足的磷肥，磷肥可促进结瘤,达到以磷增氮的效果。不同稻区的试验表明种植翻压紫云英可以减少无机化肥的施用量,紫云英翻压15 000～30 000 kg/hm2，减施化肥20%～40%，仍能保证水稻不减产[2,22-24]，同时减少了稻田氮素流失，减轻农业面源污染。

植物除了从土壤中吸收硫外，还可以从大气中吸收硫化氢、二氧化硫等供生长需要，通过这种方式吸收的硫占植株总硫量10%～20%[25]。本研究中紫云英地上部硫积累量范围在13.99～26.61 kg/hm2，紫云英可从大气中获得的硫为1.40～5.32 kg/hm2，紫云英对大气中硫化物的吸收减轻了大气污染，在一定程度缓解了酸雨危害。

3.3 紫云英“信紫1号”的肥田效应

紫云英作为绿肥最重要的目的就是“以小肥换大肥”[26]，提高土壤肥力，为水稻提供养分，紫云英养分积累对于农业生产具有重要作用。从本试验的研究结果来看，早播有利于大部分养分的积累，特别是钙和镁，磷、钾、铜、锌的积累量则是播期9月9日最高。锰的积累量是播期9月19日最高，9月9日的积累量略低于9月19日，差异并不显著。因此，整体来看，9月9日是获得紫云英最佳养分积累的播期。

紫云英磷的积累量最高为22.50 kg/hm2，远低于投入量(112.5 kg/hm2)，紫云英钾的积累量最高为115.66 kg/hm2，稍高于投入量(112.5 kg/hm2)，说明紫云英对磷的吸收较少，对钾的吸收较多，是一种高氮高钾低磷的作物。在不施用中、微量元素的情况下，紫云英对钙、镁、铜、锌、铁、锰的积累量最高分别可达38.81、8.54、39.60、808.58、3 504.07、715.02 g/hm2，这说明紫云英对土壤中微量元素的活化和富集有一定的作用。这主要是紫云英根系可以分泌各种有机酸[27]，这些有机酸不但可以活化土壤中的难溶性磷，还可以活化土壤中的中、微量金属元素[28]，这些金属元素活化后容易被紫云英吸收，从而促进了中、微量元素在土壤中的循环。

4 结论

不同播期对紫云英“信紫1号”苗期的生长状况影响比较明显，苗期时，紫云英的株高、分枝数、地上部干重、地下部干重均随播期的推迟而逐渐下降，不同播期株高和地上部干重均差异显著。盛花期时，不同播期紫云英株高和分枝数已无显著差异，地上部和地下部干重还有一定的差异。8月20日至9月9日播种有利于获得较高的地上部产草量，9月19日至29日播种能够获得较高的种子产量。养分积累的主成分分析表明，播期对紫云英养分积累产生了明显的影响，8月20日至9月9日播种有利于获得较高的养分积累和生态效应。本试验条件下，紫云英新品种“信紫1号”8月20日至9月9日播种有利于获得较高的产草量、养分积累量和生态效应，9月19日至29日播种能够获得较高的种子产量。生产中应根据紫云英的不同用途选择适宜的播期,做绿肥和饲草时要适当早播(不迟于9月9日)，繁育种子时要适当晚播(不早于9月19日)。

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