绿肥与稻草联合还田对机插稻光合特性、养分吸收和产量品质的影响

才 硕，时 红，潘晓华，陈 昱，徐 涛，万绍媛

（1.江西省灌溉试验中心站 江西省高效节水与面源污染防治重点实验室，江西 南昌330201；2.江西农业大学 双季稻现代化生产协同创新中心/作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室，江西 南昌330045；3.东华理工大学，江西 南昌330013）

【研究意义】双季稻是我国南方地区重要的农业生产模式，种植“一年两熟”的双季稻对保障我国粮食安全、促进国民经济可持续发展具有重要作用。近年来，随着农村劳动力向城市转移以及农业生产成本和农资价格的大幅上涨，双季稻种植面积呈现逐年减少趋势，加之粗放式的水肥管理，致使稻田土壤生产力、稻米品质持续下降、农业面源污染持续加剧。在我国南方双季稻种植区，冬种绿肥和稻草还田是保持土壤肥力和减少化肥用量的有效措施，绿肥还田能够提高土壤矿质养分活性[1-2]，稻草还田则提高了矿质养分的生物有效性[3-4]，两者均能够改善土壤质量、提高作物产量和品质[5-7]。【前人研究进展】稻草富含大量的碳、氮、磷、钾、硅、微量元素等养分成分，是一种重要的有机肥源[8]。水稻机械化收割为稻草还田提供了现实基础，稻草还田对提高土壤肥力、减少化肥投入和维持农业的可持续发展等方面均具有重要作用[9-11]。但由于稻草中C/N较高，而N、P含量较低，稻草腐解会引起土壤微生物的大量繁殖，对氮素的需求量大大增加，致使土壤水解氮降低，易造成水稻生长前期氮肥供应不足、返青期延长、分蘖期推迟而影响产量[12-13]。有研究表明，稻草与豆科绿肥联合还田能够缓解单独稻草还田下短暂性氮素供应不足问题，并提高水稻产量和氮素利用效率[14]。紫云英（Astra gal us s inicus L.）是我国南方稻田的主要绿肥作物，其固氮作用能够固定空气中的氮素，并对一般作物不易吸收的难溶性磷和微量元素也能够很好地吸收效果。紫云英翻压还田可以补充稻草腐解过程中水稻前期对氮的需求，稻草还田对种植紫云英导致的土壤钾素下降有一定的延缓作用。可见，紫云英和稻草联合还田具有互补作用，能够产生更好的培肥效果和栽培效应[15-16]。【本研究切入点】当前，在农村劳动力紧缺的背景下，大力推行水稻全程机械化生产是稳定双季稻种植的有效途径[17]。机械化插秧是制约水稻全程机械化生产重要瓶颈，机插水稻高产栽培配套技术也成为水稻栽培研究的热点。前人在水稻机插育秧技术[18-19]、群体生长发育[20-21]、养分吸收[22]等方面做了大量研究，但是在机插条件上辅以绿肥还田或稻草还田亦或三者有机结合的相关研究还相对较少。【拟解决的关键问题】本研究旨在探究绿肥与稻草联合还田对机插双季稻叶片光合特性、植株养分吸收以及水稻产量品质等方面的影响，以其为水稻全程机械化以及双季稻生产的可持续发展提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验点位于江西省南昌市南昌县，在江西省灌溉试验中心站研究基地（东经115°58′，北纬28°26′）进行，属亚热带湿润季风性气候，平均气温约18℃，年均降水量约1 530 mm。试验地土壤类型为冲积性黄泥土发育而成的水稻土，早稻栽插前表层土壤（0～20 cm）pH 5.47、有机质23.6 g/kg、全氮1.41 g/kg、全磷0.36 g/kg、碱解氮92.28 mg/kg、速效磷3.47 mg/kg、速效钾167.48 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2013年9月—2014年11月进行，共设4个处理：①空白对照，不施化肥，绿肥与稻草均不还田（CK）；②不施化肥，冬种紫云英+双季稻草全量还田（CK+GM＋RS）；③化肥氮磷钾配施，绿肥与稻草均不还田（NPK）；④化肥氮磷钾配施，冬种紫云英+双季稻草全量还田（NPK+GM＋RS）。试验采用大田试验，小区面积200 m2，3次取样重复。化肥氮磷钾配施采用当地双季稻优化施肥模式[23]，即单施纯氮180 kg/hm2，按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶3∶2施用；磷肥（P2O5）用量为67.5 kg/hm2，做基肥一次性施用；钾肥（K2O）用量为150 kg/hm2，按基肥∶穗肥=9∶11施用。

供试紫云英品种为“余江大叶”，于2013年9月30日按照30 kg/hm2的播种量均匀撒播，2014年4月2日连同前茬晚稻稻草翻压还田，翻耕时实测处理②和④的紫云英鲜草产量分别为32.25 t/hm2和33.80 t/hm2，鲜草平均干物质含量为9.50%，平均氮磷钾养分含量分别为3.33，0.20，3.78 g/kg。稻草均在机械收获时切碎还田，待后季耕作时旋耕入土，收割时实测早、晚稻稻草平均干物质量分别为5.92 t/hm2和6.19 t/hm2，早稻平均氮磷钾养分含量分别为0.72，0.09，2.02 g/kg，晚稻分别为0.75，0.11，2.05 g/kg。

早、晚稻供试品种分别为中嘉早17和H优518，使用富来威2Z-455型水稻插秧机插秧，栽插密度为30 cm和23.8 cm宽窄行距，株距为13.3 cm。早、晚稻分别为于3月24日和6月28日播种，4月17日和7月20日插秧，7月11日和10月20日收割测产。各处理除还田方式和化肥施用不同外，其他管理措施保持一致。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 生育期 记载主要生育时期：主要包括移栽期（transplanting stage，TS）、分蘖初期（early tillering stage，ETS）、幼穗分化期（panicle initiation stage，PIS）、抽穗期（heading stage，HS）和成熟期（mature stage，MS）。

1.3.2 叶绿素含量 采用便携式叶绿素仪（chlorophyll meter，SPAD-502）测定水稻叶片的SPAD值。分蘖初期和幼穗分化期，每小区测定长势基本一致的倒一展开叶20片；抽穗期和成熟期，每小区测定长势一致的剑叶20片。测定时，以每片叶的上部1/3处、中、下部1/3处SPAD读数的平均值作为该叶片的SPAD值，取20片叶的平均值作为该小区的SPAD值。

1.3.3 叶片光合特性 于抽穗期和成熟期，使用CI-340便携式光合测定仪测定叶片净光合速率（photosynthesis rate，Pn）、蒸腾速率（transpiration rate，Tr）、气孔导度（stomatic conductance，Gs）、胞间CO2浓度（intercellular CO2concentration，Ci），每个处理每个小区选定3片剑叶进行测定，取平均值。

1.3.4 植株N、P、K养分测定 将分蘖初期、幼穗分化期、抽穗期和成熟期的植株茎、叶、穗等器官烘干称量、粉碎过筛。植株全氮用Foss-2300全自动定氮仪测定，磷素采用钼锑抗比色法，钾素测定用火焰光度计法。

1.3.5 产量及其构成因素 成熟期采用五点法每小区考查120蔸，计算有效穗数；并根据平均有效穗数取5蔸进行考种，考察穗粒数、结实率、千粒质量；另外每个处理随机选取3点，每点割6 m2测定实际产量。

1.3.6 稻米品质 将当年收获的稻谷储存半年后寄送中国农业部农产品质量检测中心（武汉）委托测定其品质指标。糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白度、粒型（粒长/粒宽）、糊化温度（以碱消值级表示）等指标参照中华人民共和国国家标准《GB/T17891—1999优质稻谷》和农业部部颁行业标准《NY/T593—2002食用稻品种品质》检测。

1.4 计算公式

水稻N、P、K养分利用率的计算公式如下：

1.5 统计分析

采用Excel软件处理数据与制图，运用SPSS 17.0软件对数据进行统计检验和方差分析。不同处理之间的多重比较采用最小显著性检验（Duncan）法，以不同小写字母表示达到P＜0.05显著差异水平。表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 绿肥与稻草联合还田对机插双季稻叶片叶绿素含量的影响

由图1可知，机插早、晚稻不同生育期各处理叶片叶绿素含量由大到小顺序为NPK+GM+RS、NPK、CK+GM+RS和CK，且不同处理间差异均达到显著水平（晚稻成熟期除外）。不施肥条件下，早、晚稻CK+GM+RS处理不同生育期叶片叶绿素含量的增幅均以成熟期最大，分别为6.39%和3.47%；施肥条件下，早、晚稻NPK+GM+RS处理不同时期叶片叶绿素含量的增幅范围分别为2.82%～5.82%、1.46%～4.05%，且最大增幅分别为成熟期和幼穗分化期。可见，绿肥与稻草联合还田可以提高机插双季稻不同生育阶段的叶片叶绿素含量。

图1 绿肥与稻草还田对双季稻叶片叶绿素含量的影响Fig.1 Effects of green manure cultivation and rice straw retention on SPAD of double rice

2.2 绿肥与稻草联合还田对机插双季稻光合特性的影响

从图2可以看出，绿肥与稻草联合还田对机插早、晚稻抽穗期和成熟期叶片光合特性产生一定影响。从净光合速率可以看出，不施肥条件下，早、晚稻CK+GM+RS处理抽穗期叶片光合速率分别显著增加7.48%、3.99%，成熟期分别显著增加7.50%、20.44%；施肥条件下，早、晚稻NPK+GM+RS处理成熟期叶片净光合速率分别增加10.36%和12.78%。从蒸腾速率可以看出，早、晚稻CK+GM+RS处理成熟期叶片蒸腾速率较CK处理分别增加1.41%、5.50%，NPK+GM+RS处理较NPK处理分别增加5.37%、5.15%。从气孔导度可以看出，与CK处理相比，早稻CK+GM+RS处理抽穗期和成熟期叶片气孔导度分别增加0.68%和9.92%，晚稻分别显著增加1.77%和19.11%；与NPK处理相比，早稻NPK+GM+RS处理抽穗期和成熟期叶片气孔导度分别显著增加1.68%和4.61%，晚稻分别显著增加2.56%和12.91%。从胞间CO2浓度可以看出，与CK处理相比，早稻CK+GM+RS处理抽穗期和成熟期叶片胞间CO2浓度分别显著增加1.47%和4.17%，晚稻分别显著增加1.62%和3.04%；与NPK处理相比，早稻NPK+GM+RS处理抽穗期和成熟期叶片胞间CO2浓度分别显著增加1.35%和2.88%，晚稻分别显著增加2.84%和2.92%。说明绿肥与稻草联合还田可以提高机插双季稻叶片光合作用。

图2 绿肥与稻草还田对双季稻叶片光合特性的影响Fig.2 Effects of green manure cultivation and rice straw retention on photosynthetic characteristics of double rice

2.3 绿肥与稻草联合还田对机插双季稻氮磷钾养分吸收的影响

由表1可知，机插早、晚稻分蘖初期、幼穗分化期、抽穗期和成熟期群体氮、磷、钾吸收量由大到小顺序为NPK+GM+RS、NPK、CK+GM+RS和CK。不施肥条件下，早、晚稻CK+GM+RS处理分蘖初期、幼穗分化期、抽穗期的群体氮、磷、钾吸收量均显著增加，且增加幅度较大，早稻增幅范围分别为18.55%～50.13%、34.11%～78.00%、16.84%～51.13%，晚 稻 分别 为6.81%～14.94%、10.45%～29.13%和10.25%～15.73%。施肥条件下，早稻NPK+GM+RS处理不同生育期群体氮、磷、钾吸收量均显著增加，其中氮吸收量以分蘖初期增幅最大，磷、钾吸收量以幼穗分化期增幅最大；晚稻NPK+GM+RS处理分蘖初期、幼穗分化期、抽穗期的群体氮、磷、钾吸收量均显著增加，且增幅较大，增幅范围分别为4.84%～15.20%、6.03%～24.49%和5.59%～15.26%。

表1 绿肥与稻草还田对机插双季稻氮磷钾养分吸收的影响Tab.1 Effects of green manure cultivation and rice straw retention on N，P and K nutrient uptake of machine-transplanted double-season rice

2.4 绿肥与稻草联合还田对机插双季稻氮磷钾养分利用效率的影响

绿肥与稻草联合还田对机插双季稻养分利用效率产生一定影响（表2）。在氮素利用方面，与CK相比，早、晚稻CK+GM+RS处理的收获指数均有所增加，而百千克籽粒需氮量则降低，且仅晚稻百千克籽粒需氮量差异达到显著水平；与NPK相比，早、晚稻NPK+GM+RS处理的收获指数、表观利用率、农学利用率和生理利用率均有所增加，但整体差异不大，仅早、晚稻农学利用率差异达到显著水平。在磷素利用方面，早、晚稻CK+GM+RS处理的收获指数较CK处理分别显著增加2.59%、5.62%，百千克籽粒需磷量分别显著降低4.26%、5.26%；与NPK处理相比，早稻NPK+GM+RS处理的收获指数、表观利用率、农学利用率和生理利用率分别增加0.17%、4.65%（P＜0.05）、8.16%（P＜0.05）和0.99%，晚稻分别增加1.27%、2.57%、5.93%（P＜0.05）和3.31%，早、晚稻百千克籽粒需磷量差异不大。在钾素利用方面，与CK相比，早、晚稻CK+GM+RS处理的收获指数分别增加5.28%（P＜0.05）、5.86%，百千克籽粒需钾量分别降低0.37%、1.03%（P＜0.05）；与NPK处理相比，早稻NPK+GM+RS处理的收获指数和农学利用率分别显著增加7.66%和8.13%，晚稻农学利用率显著增加5.93%，早、晚稻百千克籽粒需钾量差异不显著。

表2 绿肥与稻草联合还田对机插双季稻养分利用效率的影响Tab.2 Effects of winter green manure cultivation and rice straw retention on N，P and K nutrient uptake amount of machine-transplanted double-season rice

2.5 绿肥与稻草联合还田对机插双季稻产量的影响

由表3可知，与CK处理相比，早稻CK+GM+RS处理的产量增加0.24 kg/hm2（增幅8.57%），晚稻产量增加0.29 t/hm2（增幅6.71%）；与NPK处理相比，早稻NPK+GM+RS处理的产量分别增加0.44 t/hm2（增幅5.39%），晚稻产量增加0.22 t/hm2（增幅2.56%）。可见，绿肥与稻草联合还田可以增加双季机插稻产量，且早、晚稻各处理间产量差异均达到显著水平。

表3还表明，机插双季稻各处理结实率和千粒质量表现的规律与单位面积有效穗数和每穗粒数表现规律不一致，其中结实率和千粒质量由大到小顺序为CK+GM+RS、C、NPK+GM+RS和NPK，而单位面积有效穗数和每穗粒数则相反。与CK处理相比，早稻CK+GM+RS处理的有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒质量分别增加8.81%、9.64%、1.03%和0.82%，晚稻分别增加4.30%、4.16%、1.09%和0.15%；与NPK处理相比，早稻CK+GM+RS处理的有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒质量分别增加1.75%、1.82%、1.03%和0.72%，晚稻分别增加1.51%、1.46%、2.99%和0.51%。方差分析表明，除千粒质量外，有效穗数、每穗粒数、结实率处理间差异显著。

表3 绿肥与稻草联合还田对机插双季稻产量及产量构成因素的影响Tab.3 Effects of combination of green manure cultivation and rice straw retention on grain yield and components of machine-transplanted double-season rice

2.6 绿肥与稻草联合还田对机插双季稻稻米品质的影响

由表4可知，绿肥和稻草联合还田对机插双季稻稻米品质产生一定影响。在稻米加工品质方面，与CK处理相比，早稻CK+GM+RS处理的糙米率、精米率和整精米率分别增加0.34%、0.57%和19.26%，晚稻分别增加0.56%、0.38%、3.64%；与NPK处理相比，早稻NPK+GM+RS处理的糙米率、精米率和整精米率分别增加0.66%、0.84%、9.01%，晚稻分别增加0.41%、0.48%、3.32%。在稻米外观品质方面，机插早、晚稻粒长和长宽比处理间均无差异，垩白度由小到大均依次为NPK+GM+RS、NPK、CK+GM+RS和CK；与CK处理相比，早稻CK+GM+RS处理的垩白粒率和垩白度分别降低1.09%和3.88%，晚稻分别显著降低6.96%和6.00%；与NPK处理相比，早稻NPK+GM+RS处理的垩白粒率和垩白度分别显著降低1.88%和10.29%，晚稻分别降低10.17%和8.60%。在蒸熟食用品质方面，机插早晚稻直链淀粉和胶稠度处理间均差异显著，而碱消值处理间差异不显著；机插早、晚稻稻米直链淀粉含量由小到大均依次为NPK+GM+RS、NPK、CK+GM+RS和CK的变化规律，而胶稠度则相反；与CK处理相比，早、晚稻CK+GM+RS处理的直链淀粉含量分别降低0.59%、4.08%，胶稠度分别增加6.67%、3.30%，碱消值分别降低2.03%、2.41%；与NPK处理相比，早、晚稻NPK+GM+RS处理的直链淀粉含量分别降低0.47%、2.34%，胶稠度分别增加12.64%、4.05%，碱消值分别降低4.23%、9.22%。

表4 绿肥与稻草还田对机插双季稻稻米品质的影响Tab.4 Effects of different winter green manure cultivation and rice straw retention treatments on quality of machine-transplanted double-season rice

3 讨论

3.1 绿肥与稻草联合还田对机插双季稻叶片光合特性的影响

光合作用是作物生长发育和产量形成的决定性因素，光合速率是衡量叶片光合作用强弱的重要指标[24]，叶片光合作用与叶绿素含量、蒸腾速率、气孔导度等具有密切的关系[25-26]。研究表明，在传统手工移栽方式下，稻草还田可以提高水稻叶片叶绿素含量、叶片ATP酶的活性以及叶片光合速率，从而提高物质的转运能力，促进同化物向籽粒中运输[27-28]，绿肥还田也能够提高水稻各时期叶绿素含量、叶片净光合速率、气孔导度、水分利用率[29]，两者联合还田则能够显著提高早、晚稻抽穗后叶片叶绿素含量和净光合作用[30]。本研究表明，在机插条件下，无论是不施化肥还是单施化肥的基础上，进行绿肥与稻草联合还田均能够增加早、晚稻各生育阶段叶片叶绿素含量，同时还能够提高抽穗期和成熟期叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间二氧化碳浓度，且抽穗期和成熟期叶片叶绿素含量与净光合速率显著正相关，其中抽穗期相关系数分别为r=0.951*和r=0.975*，成熟期相关系数分别为r=0.991**和r=0.981*。可见，绿肥与稻草联合还田对双季机插稻叶片叶绿素含量和光合特性起到协调促进的作用。

3.2 绿肥与稻草联合还田对机插双季稻养分吸收利用的影响

绿肥和稻草是农田重要的有机肥料资源，两者联合还田在水稻增产、养分吸收利用及土壤培肥等方面已有相关报道[16,30]，但在机插水稻上的研究相对较少。本研究表明，绿肥与稻草联合还田较单施化肥提高了机插双季稻各生育期群体氮磷钾吸收量以及收获指数和生理利用率，尤其显著提高了生育前期的群体养分吸收量和农学利用率，其中早晚稻幼穗分化期氮磷钾吸收量分别提高8.03%和10.71%、55.21%和24.49%、10.26%和9.91%，农学利用率分别提高8.15%和5.95%、8.16%和5.93%、8.13%和5.93%。可见，绿肥与稻草联合还田能够促进机插早晚稻生育前期氮磷钾养分吸收，并有利于抽穗期和成熟期养分的积累和运输，最终提高了机插双季稻的养分利用效率。其原因可能是绿肥与稻草联合还田改善了土壤氮素供应过程，使得养分释放动态与作物营养特性一致，促进了前期养分的吸收利用与干物质积累，保持后期有较高的叶绿素含量水平，保证了后期光合产物的有效供给，从而实现养分吸收与利用的同步提升。

3.3 绿肥与稻草联合还田对机插双季稻产量的影响

大量研究表明，绿肥和稻草单独还田均可以有效提高水稻产量[2,6,11,31]，两者联合还田的增产效果更佳[14-16]。本研究表明，与单施化肥相比，绿肥与稻草联合还田显著提高了机插双季稻产量，早、晚稻分别增产5.39%和2.56%。前人研究[22,32-33]认为，水稻产量与结实期光合生产能力和光合产物的转运以及氮磷钾养分的累积与分配密切相关。范淑秀和陈温福[34]研究证明，水稻产量依赖于后期叶片的光合作用，也就是保持较高的叶绿素含量水平有利于提高产量。本试验结果显示，绿肥与稻草联合还田条件下，早晚稻产量与抽穗期（r=0.997**和r=1.000**）和成熟期（r=0.987*和r=1.000**）叶片叶绿素含量呈显著或极显著正相关，与抽穗期（r=0.926和r=0.977*）和成熟期（r=0.960*和r=0.977*）叶片净光合速率相关性较大，说明绿肥与稻草联合还田提高机插双季稻产量的原因在于提高了水稻生育后期叶片叶绿素含量和光合速率，这与前人研究结果一致。氮磷钾的吸收和利用对水稻产量形成至关重要，水稻各生育期对氮磷钾的吸收及结实期各养分转运间均存在显著的协同效应，且与产量呈显著正相关[35]。本研究表明，机插水稻产量与抽穗期（r=0.981**、r=0.991**、r=0.985**）和成熟期（r=0.983**、r=0.996**、r=0.989**）群体氮、磷、钾吸收量呈极显著正相关，说明绿肥与稻草联合还田促进抽穗期和成熟期群体氮磷钾养分的吸收，这也是机插双季稻产量增加的重要原因。

3.4 绿肥与稻草联合还田对机插双季稻产量品质的影响

稻米品质主要由品种自身的遗传物质决定，同时也受生长环境及栽培措施的影响[36]。有研究发现绿肥或稻草单独还田会对水稻品质产生一定影响，汤文光等[37]通过6年定位试验发现，采用冬种绿肥翻压模式可以提高双季稻米品质，较冬闲模式增加了稻米出糙率、整精米率、胶稠度和直链淀粉含量，降低了垩白米率和垩白大小，而精米率和蛋白质含量则表现不一致。王苏影等[7]研究认为，稻草全量还田在增加水稻产量的同时，也提高了稻谷的加工品质、食味品质和营养品质。刘威[38]研究了绿肥和稻草联合还田对水稻稻米品质的影响，认为两者联合还田较单施化肥可以提高稻米糙米率、直链淀粉、蛋白质含量以及糊化温度，但改善稻米品质指标的差异均不显著。本研究结果表明，不论是不施化肥还是单施化肥，绿肥与稻草联合还田处理均提高了机插双季稻稻米出糙率、精米率、整精米率和胶稠度，降低了垩白度、垩白粒率、直链淀粉含量及碱消值级，从而全面提高了机插水稻稻米加工品质、外观品质和蒸熟食用品质。

4 结论

绿肥与稻草联合还田对双季机插稻的光合特性、养分吸收利用和产量品质产生显著影响，主要表现在4个方面：1）绿肥与稻草联合还田能够提高早、晚稻各生育阶段叶片叶绿素含量以及生育后期叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间二氧化碳浓度，且抽穗期和成熟期叶片叶绿素含量与净光合速率显著相关；2）绿肥与稻草联合还田能够促进机插早、晚稻生育前期氮磷钾养分吸收，并有利于抽穗期和成熟期养分的积累和运输，从而提高氮磷钾养分利用效率；3）绿肥与稻草联合还田较单施化肥显著提高了机插水稻产量，早、晚稻产量分别增加5.39%和2.56%，其增产的原因在于提高了水稻生育后期叶片叶绿素含量和光合速率以及群体氮磷钾养分的吸收与利用；4）绿肥与稻草联合还田提高了机插早、晚稻稻米出糙率、精米率、整精米率和胶稠度，降低了垩白度、垩白粒率、直链淀粉含量及碱消值级，从而提高了机插双季稻稻米品质。