化肥氮钾优化施用及紫云英、秸秆协同还田下的双季稻生产效益

董春华，马朝红，胡柯鑫，何云龙，李万民，褚 飞，杨曾平

（1. 湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；2. 湖北省农业科学院植保土肥研究所，湖北 武汉 430064；3. 安乡县农业技术推广中心，湖南 安乡 415600）

我国南方水稻生产的化肥氮施用量持续增加，导致了因氮肥利用效率低下、氮素损失严重所致的土壤板结、农田酸化、湖泊水体富营养化、大气温室效应等严重问题[1-6]。因此，通过化肥氮施用技术优化或通过有机氮替代，以减少化肥氮的施用和降低农业环境风险，成为现代农业需要解决的重大课题。当前化肥氮施用技术优化主要通过前氮后移技术进行[7-8]，有机氮替代主要是利用绿肥、秸秆、有机肥等替代部分化肥氮[9]。绿肥、秸秆协同还田以减少化肥氮施用是目前比较经济和普遍认同的措施。南方稻田绿肥主要是指紫云英，其鲜样的含氮量约0.6%，翻压还田后能增加土壤肥力、改良土壤结构，在提高水稻产量与品质中发挥着重要作用[10]。周兴等[11]研究表明，紫云英翻压后水稻的增产效果显著，能增加水稻产值、减少生产成本、提高养分利用效率。秸秆主要是指稻草，其不仅含有机氮，还含有丰富的钾素；稻草秸秆还田在养分资源循环利用、减少环境污染、培肥土壤、增加水稻产量、提高钾肥利用率等方面均具有重要作 用[12-13]。有研究表明，秸秆还田与配施化肥能增加双季早、晚稻周年产量与生物量，且早稻优于晚稻[14]。

紫云英、稻草协同还田技术和化肥氮钾优化施用技术均可减少化肥氮钾施用量，集成两者技术就可能最大限度地降低化肥氮钾用量。同时，紫云英与稻草结合还能调节碳氮比，使土壤中的生物活性最大程度被激活。为探讨双季稻化肥氮钾减施技术及效果，研究化肥氮钾优化施用及紫云英、秸秆协同还田集成技术对双季稻产量、光合特性及土壤理化性质变化特征的影响并对其效益进行评估，对指导双季稻化肥合理减施、地力培肥及农业可持续发展意义重大。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验在湖南省益阳市赫山区兰溪镇（N 28°34′33″， E 112°25′43″）进行。该地属于亚热带季风性湿润气候，冬温夏热，四季分明，降水丰沛，季节分配均匀。热量资源丰富，年平均气温13～20℃，平均年降水量800～1 600 mm。试验地土壤为肥力中等的红黄泥地块，质地为黏壤，0～20 cm 土壤耕层基本理化性状为：pH值5.43、有机质22.1 g/kg、全氮2.18 g/kg、全磷0.86 g/kg、全钾14.8 g/kg、碱解氮181.0 mg/kg、有效磷26.0 mg/kg、速效钾99.8 mg/kg、缓效钾190.6 mg/kg。

1.2 供试材料

供试水稻品种：早稻为湘早籼45 号，晚稻为湘晚籼12 号。

供试肥料：尿素（含N 46.0%），过磷酸钙（含P2O512.0%），氯化钾（含K2O 60.0%）。

1.3 试验设计

设5 个处理，即T1 处理（CK）：不施肥，无紫云英和秸秆还田；T2 处理：为常规施用化肥，无紫云英和秸秆还田；T3、T4、T5 处理：分别减施20%、30%、40%化肥氮，以紫云英和秸秆还田替代减施的化肥氮，水稻移栽前10 d 左右紫云英翻压还田。小区面积40 m2，采用随机区组排列，设3 次重复。

各处理氮磷钾总养分基本保持一致。早稻施肥量：N、P2O5和K2O 分别为10、4 和6 kg/667m2；晚稻施肥量：N、P2O5和K2O 分 别 为12、3 和8 kg/667m2。T2 处理的化肥氮钾作基肥和分蘖肥施用，比例为3 ∶2。T3、T4、T5 处理的氮肥和钾肥作基肥、分蘖肥、穗肥3 次施用，早稻的氮肥施用比例为6 ∶2 ∶2、钾肥施用比例为5 ∶3 ∶2，晚稻的氮肥和钾肥施用比例均为5∶3∶2。秸秆还田为早稻秸秆粉碎全部还田，晚稻秸秆留高茬，收割部分粉碎全部还田。绿肥和磷肥均作基肥一次性施用。各处理的具体设置见表1。

表1 双季稻不同处理施肥设计

1.4 测定项目与方法

1.4.1 测定项目试验前采用梅花形五点取样法取0～20 cm 耕层土壤，测定土壤pH 值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾及缓效钾含量；晚稻收获期测定稻谷和稻草全氮、全磷、全钾含量，测定土壤pH 值及有机质、全氮、全磷、全钾、活性有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾和缓效钾含量；早晚稻水稻幼穗分化期测定叶片叶绿素含量（SPAD值）与叶片光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）以及胞间CO2浓度（Ci）；收获时每小区单打单收单晒，测定稻谷和稻草重量。

1.4.2 测定方法植株全氮、全磷和全钾含量分别采用浓H2SO4-H2O2消煮、流动注射分析仪和火焰光度计测定。土壤化学性质采用常规分析法测定，即：pH值采用水∶土=2.5 ∶1（v/v）电位计法测定，土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，土壤中的全氮、全磷和全钾含量分别采用半微量开氏法、氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法和氢氧化钠熔融-火焰光度法测定，土壤中的碱解氮、有效磷和速效钾含量分别用碱解扩散法、碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法和乙酸铵浸提-火焰光度法测定[15]。

水稻齐穗期选用剑叶测定叶绿素含量（SPAD值）、叶片光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）和胞间CO2浓度（Ci）。叶绿素含量用SPAD 502 叶绿素含量测定仪测定，叶片光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度用LI-6400（Portable Photosynthesis System）进行测定。

稻草重量采用杆秤称量，稻谷重量采用电子称称量。

1.5 数据处理

作图和数据的统计分析分别用Microsoft Office Excel 2010 和IBM SPSS Statistics 13.0 软件进行。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻产量的影响

由表2 可知，施肥处理的稻谷和稻草产量显著高于不施肥处理T1（CK），以T4 处理的稻谷和地上部生物总量最高。与T1 相比，T2、T3、T4、T5 处理的早稻稻谷产量分别提高50.9%、56.2%、60.4%和53.1%，地上部生物总量分别提高58.6%、57.2%、60.6%和52.0%；晚稻稻谷产量分别提高62.2%、64.1%、66.0%和63.5%，地上部生物总量分别提高54.4%、63.1%、64.2%和62.1%；双季水稻的稻谷产量分别提高56.9%、60.5%、63.4%和58.7%，地上部生物总量分别提高56.4%、60.3%、62.5%和57.3%。与常规施肥处理T2 相比，T4 处理的两季稻谷总产量增加4.1%，其中早稻和晚稻分别增产6.3%和2.4%。

表2 不同处理的早稻、晚稻与周年双季水稻的稻谷、稻草产量与地上部生物总量 （kg/hm2）

2.2 不同处理对早、晚稻齐穗期叶片叶绿素含量的影响

由图1 可知，施肥处理的叶片SPAD 值均高于不施肥的对照处理，以T4 处理的叶片SPAD 值最高。与不施肥对照处理（T1）相比，早稻T2、T3、T4、T5 处理的叶片SPAD 值分别较T1 提高3.5%、3.7%、4.4%和1.2%，其中T2、T3 和T4 都显著高于T1；晚稻T2、T3、T4、T5 处理的叶片SPAD 值分别较T1提高6.5%、9.9%、10.1%、7.2%，其中T3 和T4 均显著高于T1。

图1 不同处理对早、晚稻齐穗期叶片叶绿素含量的影响

2.3 不同处理对早、晚稻齐穗期剑叶净光合速率的影响

净光合速率（Pn）反映的是水稻叶片单位时间内积累或增加的有机物（或葡萄糖）量。由图2 可知，早、晚稻施肥处理的剑叶Pn 均高于不施肥处理，其中早稻施肥处理的与不施肥处理差异显著；都是T4 处理的剑叶Pn 最高，其次为T5 处理。与不施肥对照处理（T1）相比，早稻T2、T3、T4、T5 处理的剑叶Pn分别较T1 提高12.0%、14.6%、18.5%和16.1%，T2、T3、T4 和T5 都显著高于T1；晚稻T2、T3、T4、T5处理的剑叶Pn 分别较T1 提高5.6%、6.4%、7.2%和6.7%，但均无显著差异。

图2 不同处理对早、晚稻齐穗期剑叶净光合速率的影响

2.4 不同处理对早、晚稻齐穗期剑叶气孔导度的影响

气孔导度（Gs）反映的是植物叶片与外界进行气体交换的通道开度的量。由图3 可知，早、晚稻施肥处理的剑叶Gs 均高于不施肥处理T1，以T4 处理的剑叶Gs 最高。其中早稻T2、T3、T4 和T5 处理的剑叶Gs 较对照处理T1 分别提高9.3%、9.3%、18.6%和14.0%，晚稻T2、T3、T4 和T5 处理的剑叶Gs 较对照处理T1 分别提高16.7%、35.7%、38.1%和23.8%，但早稻与晚稻各处理间均无显著差异。

图3 不同处理对早、晚稻齐穗期剑叶气孔导度的影响

2.5 不同处理对早、晚稻齐穗期剑叶胞间CO2 浓度的影响

图4 不同处理对早、晚稻齐穗期剑叶胞间CO2 浓度的影响

胞间CO2浓度（Ci）指的是叶片内部叶肉细胞间隙的二氧化碳浓度。由图4 可知，早、晚稻施肥处理的叶片Ci 均低于不施肥处理T1，以T4 处理的叶片Ci 最低。其中早稻T2、T3、T4 和T5 处理的叶片Ci 较对照处理T1 分别降低5.1%、6.0%、9.3%和7.6%，晚稻T2、T3、T4 和T5 处理的叶片Ci 较对照处理T1分别降低4.3%、5.8%、6.2%和5.1%，但早稻与晚稻各处理间也均无显著差异。

2.6 不同施肥处理的氮磷钾肥利用效率

施肥处理的早稻、晚稻和双季水稻的氮磷钾肥利用效率都高于常规施肥处理T2，均以T4 处理的最高，其次为T3 处理；氮肥和钾肥的利用效率是早稻高于晚稻，磷肥的利用效率则是早稻低于晚稻。与常规施肥处理T2 相比，早稻T3、T4 和T5 的氮肥利用效率分别提高18.6%、19.1%和7.2%，磷肥利用效率分别提高8.2%、15.1%和8.2%，钾肥利用效率分别提高19.8%、23.5%和11.9%；晚稻T3、T4 和T5 的氮肥利用效率分别提高13.6%、18.3%和10.4%，磷肥利用效率分别提高12.7%、16.0%和10.0%，钾肥利用效率分别提高21.2%、29.9%和11.5%；双季水稻T3、T4 和T5 的氮肥利用效率分别提高13.7%、15.9%和8.9%，磷肥利用效率分别提高10.1%、14.8%和9.4%，钾肥利用效率分别提高20.2%、26.7%和11.3%（表3）。

2.7 不同处理的土壤理化性状

晚稻收获期施肥处理的土壤有机碳、活性有机碳含量，全氮、全磷、全钾和碱解氮、有效磷、速效钾含量均高于不施肥对照处理T1（仅T1 的全钾稍高于T2），且以紫云英和秸秆还田替代部分化肥氮的处理（T3、T4 和T5）高于常规施肥处理T2；在T3、T4和T5 处理中，T4 处理的有机碳含量和全磷、全钾含量最低，活性有碳含量和碱解氮、有效磷、速效钾含量最高（表4）。与常规施肥处理T2 相比，T3、T4 和T5 的有机碳含量分别提高2.5%、1.0%和1.1%，全氮含量分别提高1.5%、5.3%和1.9%，全磷含量分别提高5.1%、3.4%和5.1%，全钾含量分别提高4.3%、0.7%和1.3%，活性有机碳含量分别提高2.6%、3.8%和3.2%，碱解氮含量分别提高1.6%、8.8%和4.8%，有效磷含量分别提高23.4%、32.0%和16.8%，速效钾含量分别提高16.1%、24.1%和19.0%（表4）。

表3 不同施肥处理的氮磷钾肥利用效率 （%）

表4 不同处理晚稻收获期土壤的理化性状

3 讨论与结论

3.1 讨 论

有机肥的施用是地力培肥的重要途径之一，氮钾的合理施用在有机无机肥配施对水稻的增产稳产中非常关键[9,16]。研究中，T4 处理（紫云英和秸秆还田替代30%化肥氮）的早稻、晚稻和双季水稻的稻谷产量和地上部生物总量均最高，其次为T3 处理（紫云英和秸秆还田替代20%化肥氮），这与郭晓彦等[17]和王慧等[18]的研究结果基本一致。早稻和晚稻稻谷产量都表现为T4 ＞ T3 ＞ T5，这可能与T5 处理（紫云英和秸秆还田替代40%化肥氮）的紫云英和秸秆协同还田中碳氮比相对低、腐解速率相对慢，导致微生物争“氮”现象严重、养分供应相对不足有关；T4 处理的产量相对较高，可能与紫云英在腐解过程中氮素等养分释放特征与缓释肥类似、与水稻对养分的需求同步性更高，适宜的碳氮比致使土壤生物活性最大和加速了土壤养分循环有关[19,20]。

水稻产量与光合作用密切相关，水稻灌浆期的养分70%来自剑叶的光合作用，因此剑叶光合效应对水稻产量在一定程度上具决定性作用。紫云英和秸秆还田替代部分化肥氮的处理（T3、T4 和T5）的剑叶净光合速率（Pn）较常规施肥处理T2 和不施肥处理T1 高，这可能与紫云英翻压后提供的氮素在偏水稻生育后期有关，与苏姗等[21]的研究结果基本一致。早稻的气孔导度（Gs）与Pn 表现出相同趋势，可能存在一定的正相关关系，这与杨福等[22]的研究结果类似。紫云英和秸秆还田替代部分化肥氮的处理（T3、T4 和T5）的剑叶胞间CO2浓度（Ci）较不施肥处理T1 和常规施肥处理T2 低，因为Ci 取决于叶片周围空气的CO2浓度、气孔导度、叶肉导度和叶肉细胞的光合活性[23]；水稻的净光合速率越弱，细胞中CO2被用来进行光合作用的量就降低，从而导致胞间CO2浓度较高[24]。

不同紫云英、稻草协同还田处理（T3、T4 和T5）双季稻收获期土壤有机质和活性有机质及全量养分和速效养分均高于常规施肥处理T2，这与王璐等[25]的研究结果一致。紫云英、秸秆协同还田处理中，T4处理（紫云英和秸秆还田替代30%化肥氮）的有机碳含量和全磷、全钾含量最低，活性有机碳含量和碱解氮、有效磷、速效钾含量最高，表明合适比例的紫云英和秸秆还田能提升土壤生物活性、促进土壤矿化、提高肥料利用效率，这与连泽晨[26]的研究结果一致。

3.2 结 论

化肥氮钾优化施用及紫云英、秸秆协同还田集成技术能增强双季稻的光合作用，提高产量，培肥土壤，且以T4 处理（紫云英和秸秆还田替代30%化肥氮）的水稻产量、肥料利用效率和净光合速率最高，土壤生物活性最强；与常规施肥处理T2 相比，T4 处理的2 季稻谷总产量增加4.1%，其中早稻和晚稻分别增产6.3%和2.4%，齐穗期剑叶叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）及 SPAD 值明显提高，土壤活性有机碳含量和碱解氮、有效磷、速效钾含量明显增加。