绿肥翻压与氮肥减施对水稻产量、品质及土壤肥力的影响

梁琴,周泽弘,马雪清,漆燕*,蒋进,韩文斌,全紫曼,莫坤,李胜,曹卫东

(1.南充市农业科学院，四川 南充 637000；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

中国是世界上较大的水稻生产国之一，占全球水稻种植面积的19.1%，2016年水稻产量占全球的28.5%[1]。水稻是我国重要的粮食作物，由于传统的农业生产过度依赖化肥，尤其是氮肥的过量施用，带来较多的资源浪费，造成耕地质量下降、持续生产能力减弱、稻田生态环境恶化、农业面源污染等问题[2-3]，严重影响了中国稻田生态系统的稳定性和可持续性。如何提升稻田肥力、提高水稻产量和稻米品质成为目前研究的热点[4-5]。

绿肥是天然的清洁有机肥源，具有固氮吸碳、改善土壤物理性状、提高土壤养分含量等作用，对稻田培肥有着十分重要的作用[6-8]。我国南方稻区冬季稻田大都处于闲置状态，利用这一丰富的土地资源种植绿肥潜力巨大。冬绿肥与水稻轮作能够充分利用光、温、水、土等自然资源，明显降低田间杂草，美化农田生态环境，有助于消除病虫害寄居的环境，减少病虫害的发生[9]。山黧豆(Lathyrussativus)属于豆科山黧豆属，抗逆性强，养分含量丰富，也可作为青贮饲料[10-11]。因此，有必要将山黧豆纳入四川稻区水稻轮作体系中，实现水稻优质高产和可持续发展。

稻田绿肥轮作制度具有轻简高效、节本降耗等优点，与可持续发展的理念相符，是落实“双减”行动，紧扣国家绿色农业发展的需要，在解决土壤质量问题、提升经济效益和生态效益的同时，快速推进优质水稻生产发展。程会丹等[12]通过11年定位试验表明，与常规施肥相比，紫云英与化肥配施不同程度地提高了土壤微生物生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮含量，使土壤肥力得到提高；陈静蕊等[13]研究表明，亚热带双季稻种植模式下，长期紫云英还田配合减量施肥对早、晚稻产量和氮肥利用率均有正向作用，且能提高土壤有机质、全氮和速效氮含量。但山黧豆种植翻压对水稻的影响鲜见报道，因此，本研究选用豆科绿肥南选山黧豆，与氮肥减量配施，通过3年连续定位试验，研究冬种山黧豆并减施氮肥对水稻产量、稻米品质及土壤肥力的影响，完善水稻优质、高产栽培技术理论，为构建四川稻区山黧豆种植翻压还田后科学施用氮肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验位于四川省南充市西充县青狮镇(E 105°49′16″、N 31°8′7″)，地处四川盆地浅丘宽谷地貌区，属中亚热带湿润季风气候，海拔386 m，年平均温度17.5 ℃，年降雨量1 204.5 mm，>10 ℃积温5 579.5 ℃，无霜期303 d，年日照1 353 h，供试土壤为水稻土，试验前土壤pH 8.17，有机质25.22 g·kg-1，全氮1.78 g·kg-1，碱解氮83.71 mg·kg-1，有效磷5.01 mg·kg-1，速效钾43.93 mg·kg-1。

1.2 供试材料

供试水稻品种为宜香优2115。试验绿肥品种选用南选山黧豆(川审豆2012008)，该品种为绿肥、饲料兼用型品种，抗逆性好，适合在四川省丘陵区稻田种植[14]，其全氮、全磷、全钾的质量百分比分别为0.58%、0.24%和0.43%。

1.3 试验设计

田间定位试验于2015年9月—2018年9月进行。在种植山黧豆的基础上，按照不同氮肥施用量共设6个处理，分别为冬闲+100% N肥(CK)、山黧豆+60% N肥(GM+N60)、山黧豆+70% N肥(GM+N70)、山黧豆+80% N肥(GM+N80)、山黧豆+不施肥(GM)和冬闲+不施肥(NF)。所施化肥分别为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)和氯化钾(含K2O 60%)。100% N肥指当地常规施肥量，即施用尿素375 kg·hm-2，减氮处理为在此基础上分别减量20%(N80)、30%(N70)和40%(N60)。磷肥和钾肥的施用量分别为750和150 kg·hm-2。其中磷、钾肥全部作基肥一次性施用，氮肥按照基肥∶分蘖肥∶孕穗肥=5∶3∶2分次施用。试验采用随机区组设计，3次重复，共18个小区。小区面积20 m2(5 m×4 m)，各小区四周田埂宽30 cm，埂高30 cm，用聚乙烯薄膜覆盖，防止肥水相互渗漏，区间留50 cm宽的沟，便于灌溉排水，田间管理与大田一致。

每年山黧豆和水稻的播种期和收获期基本一致，山黧豆于每年9月下旬播种，播种量为60 kg·hm-2，次年4月中旬盛花期，于水稻播种前10～15 d定量翻压，翻压量为22 500 kg·hm-2。水稻于4月下旬划行移栽，单株栽插，栽插密度15.0 cm×33.3 cm。

1.4 测定指标及方法

水稻产量性状测定：于2018年水稻成熟期每小区随机收取10穴具有代表性的植株，测定株高、穗长、有效穗数、穗实粒数、千粒重；分区收获，单打单晒，测定小区产量和秸秆产量，并取样进行稻米品质测定。

稻米品质性状：主要测定稻米加工品质(糙米率、精米率和整精米率)、外观品质(垩白度粒率、垩白度、粒长和粒宽)、蛋白质及直链淀粉含量，测定方法参照田菁兰等[15]方法进行。

土壤养分含量：于2018年水稻收获后，按照5点取样法取0—20 cm耕层土壤混合样，分析测定土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量，测定方法按《土壤农业化学分析方法》[16]进行。

1.5 统计分析

利用Excel 2016和SPSS 19.0软件对数据进行整理和分析，采用LSD法和t检验进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对稻谷和秸秆产量的影响

不同处理的稻谷和秸秆产量见表1。与常规施肥(CK)相比，山黧豆与氮肥减量配施均能提高稻谷产量，增产幅度为3.45%～13.84%，GM+N70和GM+N80处理对稻谷产量的增产效果均达到显著水平，其中，以GM+N70处理增产效果最好，稻谷产量达到8 827.90 kg·hm-2，增产13.84%。

不同处理下，水稻的谷草比存在一定差异(表1)，随着山黧豆替代氮肥比例的增加，谷草比先增加后降低，CK处理的谷草比最高，达到1.23，其次为GM+N60和GM+N70处理，谷草比分别为1.12、1.04。说明山黧豆替代30%～40%左右氮肥的水稻谷草比较高，可避免水稻旺长，实现水稻高产。

表1 不同处理的水稻产量Table 1 Yield of rice of different treatments

2.2 不同处理对水稻产量构成因子的影响

水稻理论产量主要由有效穗数、穗粒数、千粒重和结实率等因素构成。不同处理对水稻产量构成因子影响见表2。不同施肥处理对水稻穗长、有效穗数和结实率没有显著影响，对株高、穗粒数和千粒重有一定影响。与CK相比，山黧豆与氮肥减量配施有利于增加水稻株高，提高穗粒数、千粒重和结实率。其中GM+N80处理的株高最高，千粒重最大，结实率最高，分别较CK提高3.71%、4.08%和3.94%，但未达到显著水平；GM+N70处理的穗长最长，穗粒数最多，理论产量最高，较CK分别提高0.77%、9.61%(P<0.05)和17.48%(P<0.05)；GM+N60处理的有效穗最多，较CK增加5.66%。不同处理下水稻理论产量差异明显，山黧豆与氮肥减量配施的水稻理论产量均高于单施化肥和单施绿肥，说明山黧豆与氮肥减量配施可提高水稻产量，其中GM+N70处理对稻谷的增产效果达到显著水平。

表2 不同处理的水稻产量构成因子Table 2 Yield component of rice of different treatments

2.3 不同处理对稻米主要品质性状的影响

不同施肥处理对稻米品质有明显影响(表3)。与CK相比，山黧豆处理及山黧豆与氮肥减量配施处理均能提高稻米的糙米率、精米率、整精米率和蛋白质含量，降低垩白度、垩白粒率和直链淀粉含量。其中，GM处理的糙米率和精米率最高，分别为81.81%和80.98%，均显著高于CK，其次为GM+N80处理；GM处理的蛋白质含量最高，为9.87%，其次为GM+N70处理，均显著高于CK；GM+N70处理的整精米率最高，垩白粒率最低，分别为78.02%和18.11%；GM+N80处理的直链淀粉含量最低，为14.26%，显著低于除GM+N60外的其他处理。由此表明，山黧豆作为绿肥可有效改良稻米品质。

表3 不同处理的稻米品质Table 3 Rice quality indexes of different treatments

2.4 不同处理对土壤肥力的影响

不同处理对土壤肥力的影响见表4。施肥显著提高了土壤中有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量，降低了土壤pH，对有效磷含量无显著影响。山黧豆的施用能明显提高土壤全氮、碱解氮和速效钾含量。其中GM+N80处理的土壤有机质和全氮含量最高，分别较CK提高10.71%和28.17%；GM+N70处理次之，较CK分别提高7.94%和16.02%，均达到显著水平。GM+N70处理的碱解氮、有效磷和速效钾含量最高，分别较CK提高15.19%(P<0.05)、4.09%和24.78%(P<0.05)。由此表明，山黧豆配施能提高土壤肥力，其中GM+N70和GM+N80处理对提高土壤肥力有较好的效果。

表4 不同处理的土壤肥力Table 4 Soil fertility of different fertilizer treatments

3 讨论

3.1 山黧豆与氮肥减施对水稻产量及构成因子的影响

水稻产量受多因素影响，栽培措施尤其是施肥措施是产量的重要影响因素，有研究表明[17-18]，绿肥替代部分氮肥有利于提高双季稻产量和养分利用效率。黄晶等[19]研究表明，翻压紫云英并减施氮肥20%～40%的条件下，水稻产量不会降低；刘思超等[17]研究表明，绿肥替代氮肥的比例为40%时仍能使水稻增产。本研究发现，单施化肥或绿肥均不能提高水稻产量，且单施绿肥与单施氮肥相比，产量略有降低，表明山黧豆不能完全替代氮肥，但与氮肥配施能有效提高水稻产量。张璐等[6]也指出，紫云英不能完全替代氮肥。从绿肥替代氮肥比例来看，随着山黧豆替代氮肥比例的增加，水稻产量先增加，再降低，以山黧豆替代氮肥30%左右产量最优。可能是由于山黧豆占比较少时，山黧豆带来的养分和氮素在水稻整个生育期中逐渐释放，促进了水稻营养生长和生殖生长，从而使产量增加；但随着山黧豆替代氮肥的比例增加，使得土壤微生物量增加，活动活跃，与植株生长出现竞争，影响了水稻植株对养分的吸收及利用，进而影响了水稻产量，与前人研究结论相一致[6,20-21]。

邱才飞等[22]研究发现，施肥主要通过增加水稻有效穗数和穗粒数来提高水稻产量；刘思超等[17]研究也表明，绿肥替代部分氮肥能有效促进水稻的生殖生长及营养生长，提高水稻分蘖能力，增加有效穗数和穗粒数，从而提高水稻产量。但本研究发现，施肥主要通过影响穗粒数来影响水稻产量，对有效穗数、千粒重和结实率影响较小，这与唐海明等[20]的研究结论相一致，但与邱才飞等[22]的研究结果存在一定差异，可能是由于有机肥种类、温度等气候条件差异，且研究水稻为双季稻，早稻生育周期较短等因素造成。

3.2 山黧豆与氮肥减施对稻米主要品质性状的影响

糙米率、精米率、整精米率、垩白、粒型、蛋白质和直链淀粉含量是评价稻米品质的主要指标。其中，整精米率越高，稻米加工品质越高；垩白越少，稻米外观品质越高；蛋白质含量越高、直链淀粉含量越低，稻米营养品质越好。李冠男[23]研究表明，有机肥配施氮、磷和钾肥使稻米的垩白度和垩白粒率增加，降低了稻米的外观品质；但高有机质含量稻田提高了水稻籽粒的蛋白质含量，降低了直链淀粉含量，提高了稻米的营养品质。本研究发现，山黧豆与氮肥减量配施虽然一定程度上降低了稻米的外观品质，但明显提高了稻米的加工品质和营养品质，与前人研究结果相一致[23]，可能是山黧豆翻压延缓了氮肥的肥效，山黧豆也释放大量氮素，导致水稻生殖期土壤仍保持着较高的氮素含量，过高的氮素增加了稻米垩白度，使得稻米外观品质降低。随着山黧豆替代氮肥比例的增加，稻米的加工品质和营养品质先升高后降低，外观品质则相反，以山黧豆替代氮肥20%～30%最优。

3.3 山黧豆与氮肥减施对土壤肥力的影响

有研究表明，种植翻压绿肥能改良土壤肥力[24-26]。程秀洲等[27]研究表明，紫云英翻压与化肥配施，能显著提高土壤有效磷、全磷、缓效钾和全钾含量。本研究表明，连续三年山黧豆翻压，土壤pH降低；而土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量显著提高，即山黧豆替代部分氮肥能显著提高土壤肥力，且以替代20%～30%比例为佳，与程秀洲等[27]研究结果相一致。可能是种植翻压山黧豆后，山黧豆根瘤共生固氮还田，提高了土壤养分含量及养分有效性。但张璐等[6]研究显示，与常规施肥相比，绿肥与化肥氮减量 20%～40%配施处理下土壤全磷、全钾、有效磷和速效钾含量均无显著变化，可能是由于该研究对象已连续9年持续性耕作，紫云英还田对土壤磷和钾含量的影响达到了一种动态平衡。而本研究的研究年限较短，因此，山黧豆与氮肥减量配施能否持续保证土壤养分的供应有待进一步验证。