紫云英还田与化肥减施对早稻影响的综合评价

唐先干，徐昌旭，谢金水，袁福生，刘 佳，刘光荣，李祖章

(江西省农业科学院 土壤肥料与资源环境研究所，江西 南昌 330200)

水稻是我国主要的粮食作物，随着社会、经济的发展，耕地面积逐渐减少，以及人们消费需求的增加，为保障粮食安全和稻米品质，提高水稻产量和品质在水稻研究中愈发重要。虽然水稻高产品种对产量的提高起了重要作用，但在食味蒸煮与营养品质等方面已不能满足市场的需求[1]。关于绿肥对水稻品质的影响，汤文光等[2]的研究表明在稻田冬种黑麦草、紫云英、油菜和马铃薯等绿肥均不同程度提高了水稻的产量，改善了稻米的品质。符冠富等[3]的研究表明，在冬闲稻田种植马铃薯、黑麦草、油菜、燕麦草均明显提高了稻米的整精米率和蛋白质含量，但降低了稻米的垩白度、直链淀粉含量和胶稠度。因此，通过绿肥还田改善稻米品质是一种较好的途径。

紫云英(Astragalussmicus)是我国南方重要的冬季绿肥，具有固氮固碳、提高土壤养分含量、改善土壤生境等作用。紫云英对提高水稻产量、维持水稻可持续发展具有重要意义[4-8]。前人的研究主要集中在种植利用紫云英后增加作物产量和改良土壤等方面，而有关紫云英对水稻品质的影响，以及水稻品质与养分吸收相互作用的研究报道较少。受地区性气候条件的影响，加上淋溶、作物吸收及养分投入不平衡等导致南方水稻土中碱性离子含量低，土壤多呈酸性，因此研究种植紫云英还田后土壤Ca、Mg、Si对水稻品质与养分吸收的影响，将有助于提高养分利用率和改善稻米品质。本文通过田间定位试验，研究了南方冬闲田种植利用紫云英对早稻产量、品质的影响，以及早稻养分吸收与土壤肥力之间的相互影响，旨在为南方稻田早稻施肥及改善稻米品质的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区状况

试验田位于江西省高安市江西省农业科学院高安基地(N28°15′22.03″，E115°07′36.83″)。该区域属亚热带季风气候。境内年平均降雨量1530 mm，气温17.5 ℃，无霜期273 d。供试土壤为第四纪亚红黏土母质发育的中潴黄泥田。试验地土壤养分状况：pH值为5.82,有机质含量为23.49 g/kg,全氮含量为0.99 g/kg,全磷含量为0.43 g/kg,全钾含量为19.71 g/kg,碱解氮含量为71.88 mg/kg,有效磷含量为12.51 mg/kg,速效钾含量为49.78 mg/kg。

1.2 供试材料

供试紫云英品种为赣紫1号;在紫云英盛花期就地翻压做早稻基肥;紫云英在盛花期的鲜草养分含量为N 0.30%、P2O50.08%、K2O 0.23%。供试水稻品种为中嘉早17。

1.3 试验设计

试验设5个处理：对照(CK)，不施用任何肥料；100%化肥(F10)处理，早稻化肥施用量为N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2；处理G10F8，紫云英翻压15000 kg/hm2+80%化肥；处理G15F8，紫云英翻压22500 kg/hm2+80%化肥；处理G20F8，紫云英翻压30000 kg/hm2+80%化肥。各试验处理设置3次重复，随机区组排列，小区面积21 m2，各小区用农膜包覆的田埂隔开，独立排灌。供试化肥种类为尿素、过磷酸钙与氯化钾。磷肥、钾肥全部作基肥；化学氮肥的40%作基肥，30%作分蘖肥，30%作幼穗分化肥。紫云英在早稻移栽前10 d(盛花期)翻压。试验小区水稻移栽规格为14 cm×26 cm。于2018年4月24日移栽，7月24日收割，试验为期3个月。

1.4 样品采集

对每个试验小区单独计量稻谷产量。在测定稻谷产量前，用五点取样法在各小区采集早稻植株样5蔸，用于室内考种，测定每穗粒数、实粒数、千粒重、结实率等产量构成因子。

在早稻收获后，采用多点混合取样法用土钻在各小区采集0～20 cm土层土壤样品，剔除石块、植物残根等杂物，混合装袋后带回实验室；将土壤样品自然风干，在研磨、过筛分装后测定养分含量。

1.5 土壤、植株养分及稻米品质的测定

土壤与植株养分含量的测定参照《土壤农业化学分析方法》[9]进行；土壤pH值的测定用pH计法；土壤有机质含量的测定用油浴加热-重铬酸钾容量法；全氮含量的测定用凯氏定氮法；全磷含量的测定用HClO4-H2SO4-钼锑抗比色法；全钾含量的测定用NaOH熔融火焰光度法；碱解氮含量的测定用1.0 mol/L NaOH碱解扩散法；速效钾含量的测定用1.0 mol/L NH4OAc-火焰光度计法；有效磷含量的测定用Olsen法；交换性钙、镁含量的测定用乙酸铵交换-原子吸收分光光度法。

将植株用H2SO4-H2O2消煮分解后，用自动定氮仪法测定全氮含量；用钼锑抗比色法测定全磷含量；用火焰光度计法测定全钾含量。用HNO3-HClO4消煮植株后采用原子吸收分光光度法测定钙、镁含量；用质量称重法测定硅含量。

稻米品质的测定委托农业农村部稻米及制品质量监督检验测试中心(中国水稻研究所)进行。其中，垩白粒率、垩白度和胶稠度的测定根据GB/T 17891─1999；出糙率的测定依据GB/T 5495─2008；整精米率的测定根据GB 1350─2009；直链淀粉含量的测定依据GB 15683─2008；长宽比的测定根据GB/T 17891─1999；蛋白质含量的测定根据NY/T 3─1982。

1.6 参数计算与数据分析

养分吸收量(kg/hm2)=单位面积植株干物重×植株养分含量。

用Microsoft Excel 2010、DPS数据处理软件对试验数据进行统计分析，应用LSD法检验各处理间的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 紫云英还田对早稻产量与品质的影响

2.1.1 早稻产量 从表1可以看出，各处理的结实率与千粒重都无显著差异。处理F10比CK增产69.8%，差异达显著水平，F10增产的主要原因是有效穗数和穗粒数的增加。紫云英配施化肥处理的穗粒数都低于F10处理，但有效分蘖数以G15F8处理最高。G15F8的理论与实际产量都达到了F10处理(100%化肥)的水平，而G10F8与G20F8处理的水稻产量相对于F10处理有所下降。表明化肥减量20%后，紫云英还田22500 kg/hm2更能保障早稻的产量。

表1 不同处理的早稻产量与产量构成因子

2.1.2 早稻品质 与CK相比，F10处理的早稻糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、蛋白质含量均显著增加，而碱消值、直链淀粉含量显著下降(见表2)，表明F10处理提高了稻米的品质与蛋白质含量，但外观品质与碱消值下降。与F10处理相比，紫云英配施化肥处理的整精米率有增加的趋势，垩白度、垩白粒率、胶稠度有下降的趋势，特别是G15F8处理能有效降低早稻的垩白并显著增加整精米率。

表2 紫云英还田对早稻品质的影响

如表3所示，紫云英还田处理的早稻产量与糙米率、精米率、整精米率、蛋白质含量呈极显著正相关，与碱消值、直链淀粉含量呈极显著负相关，表明在紫云英还田条件下，早稻产量与碾米品质、蛋白质含量呈正效应，与碱消值、直链淀粉含量呈负效应。

表3 紫云英还田处理的早稻产量与稻米品质指标间的相关系数

2.2 早稻养分吸收及其与品质的关系

2.2.1 籽粒养分含量 从表4可以看出：F10处理的水稻籽粒N含量比CK增加了45%，P含量增加了8.9%，K含量下降了6.8%，差异均达到了显著水平；G10F8处理的水稻籽粒N含量比F10增加了11.2%，P含量增加了17.5%，差异都达到了显著水平；G15F8处理的籽粒N含量比F10下降了5.6%，K含量显著下降了6.3%；G20F8处理的籽粒N、P、K含量与F10相比差异不显著；CK的水稻籽粒Ca、Mg含量较低，Si含量较高；F10处理的籽粒Ca含量比CK增加了6.0%，Mg含量显著增加了19.6%，Si含量显著降低了27.7%；与F10相比，G10F8处理的籽粒Ca含量增加了16.5%，G15F8处理的籽粒Mg含量增加了10.8%，G20F8处理的籽粒Si含量增加了14.3%，差异均达到了显著水平。

2.2.2 籽粒养分吸收量 由图1可见，F10处理的籽粒吸N量比CK增加了146%，吸P量增加了84.9%，吸K量增加了58.1%，差异均达到了极显著水平。与F10处理相比，G10F8处理的籽粒吸N量增加了6.6%，吸P量显著增加了12.7%；G15F8处理的籽粒吸N量下降了6.9%，吸K量显著降低了8.3%。由于处理G10F8的籽粒N、P含量较高，G15F8的籽粒N、K含量较低(表4)，因此相对于F10处理而言，G10F8处理有促进籽粒对N、P吸收利用的趋势，G15F8处理有降低籽粒对N、K吸收利用的趋势。

图中同系列柱状图上的不同小写字母表示不同处理间的差异达到了5%的显著水平。

表4 紫云英还田对早稻籽粒养分含量的影响

与CK相比，F10处理的籽粒吸Ca量增加了75.9%，吸Mg量增加了87.7%，吸Si量增加了22.9%，差异均达到了显著水平(图1)。与处理F10相比，G10F8的籽粒吸Ca量、G15F8的籽粒吸Mg量、G20F8的籽粒吸Si量分别增加了10.6%、13.9%、8.7%，差异也均达到了显著水平；同时由于处理G10F8的籽粒含Ca量、G15F8的籽粒含Mg量、G20F8的籽粒含Si量都显著升高(表4)，说明相对于F10处理，G10F8、G15F8、G20F8能分别促进籽粒对Ca、Mg、Si的吸收利用。

2.2.3 早稻品质与籽粒养分吸收的相关性 在表5中，糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、蛋白质含量与籽粒含N量呈显著正相关，与籽粒含Si量呈显著负相关；碱消值、直链淀粉含量与籽粒含N量呈显著负相关，与籽粒含Si量呈显著正相关；精米率、整精米率、蛋白质含量与籽粒含P量呈显著正相关。上述结果表明籽粒含Si量对早稻品质的影响效应与籽粒含N量相反，而籽粒含P量对碾米品质、蛋白质含量的影响效应与籽粒含N量相同。

2.3 土壤养分与早稻品质的关系

2.3.1 土壤养分 如表6所示，与CK相比，F10处理的土壤全氮含量增加，全磷、碱解氮、速效钾与交换性钙、镁含量显著增加。与F10处理相比，紫云英配施化肥处理的土壤全钾、碱解氮、有效磷含量有升高的趋势，但土壤速效钾、交换性Ca、Mg含量有降低的趋势。土壤碱解氮含量增加的原因可能是在种植利用紫云英后生物固氮以及土壤生物和非生物对土壤氮的固定能力增强；而土壤速效钾、交换性钙和交换性镁含量之所以下降，主要是因为在早稻推荐施肥水平下钾肥投入减少以及长期缺少钙、镁肥。

表5 籽粒养分含量与早稻品质指标间的相关系数

表6 紫云英还田对土壤养分含量的影响

土壤养分含量与籽粒养分含量间的相关性分析结果(表7)表明：籽粒Ca、Mg含量与土壤有机质含量呈显著正相关；籽粒N含量与土壤碱解氮、交换性镁含量呈显著正相关；籽粒Ca、P含量与土壤碱解氮含量呈显著正相关；籽粒K含量与土壤交换性镁含量呈显著负相关；籽粒Si含量与土壤全磷含量呈显著负相关。上述结果说明土壤有机质含量对籽粒Ca、Mg含量，以及土壤碱解氮含量对籽粒Ca、P含量均具有间接正效应；土壤碱解氮、交换性镁含量对籽粒N含量具有间接正效应；土壤全磷含量对籽粒Si含量，以及土壤交换性镁含量对籽粒K含量均具有间接负效应。

表7 土壤养分含量与籽粒养分含量间的相关系数

2.3.2 土壤养分对早稻品质的影响 从表8可知：土壤交换性镁含量与籽粒直链淀粉含量呈显著负相关，与蛋白质含量呈显著正相关；土壤全磷、交换性镁含量与糙米率呈显著正相关；土壤碱解氮含量与精米率呈显著正相关；土壤有效磷含量与垩白度呈显著负相关，与整精米率呈显著正相关。上述结果表明土壤交换性镁含量对稻米的蛋白质含量、糙米率具有间接正效应，对直链淀粉含量具有间接负效应；土壤有效磷含量对垩白度具有间接负效应，对整精米率具有间接正效应；土壤碱解氮含量对精米率，以及土壤全磷含量对糙米率均具有间接正效应。

3 讨论

3.1 紫云英还田对早稻产量与品质的影响

曹卫东等[10]通过汇总2008～2019年间8省11个定位试验共930个数据发现，冬种紫云英在不减化肥或者减化肥20%条件下水稻增产效果显著，增产幅度分别为6.53%或者4.15%。本试验也同样发现紫云英还田22500 kg/hm2+化肥减量20%处理更能保障早稻的产量。

在本研究中，紫云英配施化肥处理有增加早稻整精米率和降低垩白度、垩白粒率的趋势，特别是处理G15F8(紫云英翻压22500 kg/hm2+80%化肥)能有效降低稻米垩白和增加整精米率。紫云英配施化肥处理对早稻稻米蒸煮品质和营养品质影响不明显。本研究结果与汤文光等[2]在湖南晚稻上的试验结果略有不同，可能是因为紫云英还田对早稻的影响效应大于晚稻。国内绝大多数研究都是围绕水稻产量与肥料利用率进行的，有关有机物料还田提高水稻产量和肥料利用率已有很多报道，但对于有机物料还田是否可以提高水稻品质还是有争议的。在水稻生产过程中，稻米品质的形成受到品种、环境以及栽培等因素的影响。关于有机物料还田对水稻品质的影响，刘世平等[11]研究表明，秸秆还田后稻米蛋白质含量提高，直链淀粉含量略增，胶稠度变硬，食味品质有变劣的趋势；陈培峰等[12]研究认为秸秆覆盖下的水稻在出糙率、整精米率以及直链淀粉含量方面均有所降低；曾研华等[13]研究发现，稻草还田能提高双季稻的食味品质，但降低了外观品质和营养品质，影响晚稻的加工品质；严奉君等[14]研究认为麦秆覆盖能够有效改善稻米的蒸煮品质与外观品质。以上研究观点不一致可能与还田的有机物料类型不同有关，因为不同区域不同时期的有机物料对土壤酶活性的影响不同，因而在稻米品质形成过程中所起的作用亦不同[3]，产生的结果也不一致。

表8 土壤养分含量与稻米品质之间的相关系数

3.2 紫云英还田下早稻养分吸收和土壤肥力的相互影响

不同紫云英还田量配施不同的化肥量对水稻养分吸收利用的影响是不同的。王建红等[15]认为，在翻压45000 kg/hm2紫云英鲜草后，水稻N、P、K的总吸收量以配施80%化肥处理最高，而稻谷P、K养分吸收量以配施40%化肥量处理最高。杨滨娟等[16]发现，水稻在分蘖期前、孕穗至抽穗期和抽穗至成熟期的养分吸收量均以紫云英翻压60%+施氮60%处理最高；而在分蘖至孕穗期的养分吸收量以紫云英翻压100%+施氮100%处理最高。本研究也发现，与F10(100%化肥)相比，G15F8有降低籽粒吸收N、K的趋势，G10F8有促进籽粒吸收N、P的趋势，处理G10F8、G15F8、G20F8能分别促进籽粒对Ca、Mg、Si的吸收利用。南方稻田冬种紫云英不仅能充分利用冬季的水、热资源，还可以在高产稳产的同时改善和提高土壤肥力[17-21]。高菊生等[22]研究认为，紫云英的种植与还田能较快提高土壤有机质、全氮、碱解氮和有效磷含量，特别是活性有机质所占比例最高，但最需要外界钾素的补充。本研究同样发现，与F10处理相比，紫云英配施化肥处理的土壤速效钾、交换性钙、交换性镁含量有降低的趋势。土壤有机质含量对籽粒Ca、Mg含量，以及土壤碱解氮含量对籽粒Ca、P含量均具有间接正效应；土壤碱解氮、交换性镁含量对籽粒N含量具有间接正效应；土壤全磷含量对籽粒Si含量，以及土壤交换性镁含量对籽粒K含量均具有间接负效应。南方红壤性水稻土呈酸性，淋溶、作物吸收及养分投入不平衡会导致土壤中碱性离子含量低。有研究发现，稻米钙含量与直链淀粉含量呈显著正相关，稻米钙、镁含量与淀粉谱的黏滞特性关系密切[23]；在缺钙条件下，稻米垩白米率、垩白度、直链淀粉含量和崩解值显著增加，胶稠度和碱消值显著降低，稻米的外观品质和食味品质变劣；水稻结实前中期根系分泌的K+、Ca2+与稻米垩白米率、垩白度和直链淀粉含量均呈显著或极显著负相关[24]。所以在南方地区化肥减量施用配合紫云英还田是否能促进早稻养分吸收利用、改善稻米品质，需要对碱性离子Ca、Mg做进一步研究。

3.3 早稻品质与养分吸收、土壤肥力之间的相互影响

在南方稻区早稻灌浆成熟期通常气温高，导致早稻垩白粒率高，本试验的早稻垩白粒率>50%。在本研究中，紫云英还田配施化肥处理的土壤有效磷含量有增加的趋势，稻米垩白粒率有下降的趋势，特别是G15F8能显著降低稻米垩白和增加整精米率；此外，土壤有效磷含量与整精米率呈显著正相关，籽粒P含量与精米率、整精米率呈显著正相关，因此提高土壤有效磷含量和早稻籽粒P含量，有利于间接降低早稻的垩白粒率，并提高碾米品质。

一般地，南方早籼稻的直链淀粉含量高，碱消值低，本试验的水稻直链淀粉含量在27%左右，碱消值在5.2左右。有研究认为，施用镁肥能改善稻米的外观品质和食味品质，提高稻谷的整精米率和蛋白质含量[25-26]。本试验证实土壤交换性镁含量对稻米蛋白质含量、糙米率具有间接正效应，对直链淀粉含量具有间接负效应。因此，提高土壤交换性镁含量还有利于降低南方早籼稻的直链淀粉含量。今后在南方稻田种植紫云英并还田利用的同时，可适量增施镁肥，这样能间接改善早稻的品质。

本试验发现，籽粒N含量与糙米率、精米率、整精米率、蛋白质含量呈显著正相关，与碱消值、直链淀粉含量呈显著负相关。一般认为碱消值越大，稻米的蒸煮品质越好。有研究表明，降低蛋白质含量有助于改善稻米的食味品质[27-30]。由于本试验中籽粒Si含量对水稻品质的影响效应与籽粒N含量相反，故通过提高籽粒Si含量可以进一步降低蛋白质含量并增加碱消值，平衡籽粒N、Si含量有利于稻米品质的提升。商全玉等[31]研究认为，施用硅肥能显著改善稻米的品质，主要表现为稻米的糙米率、精米率和整精米率显著提高，稻米的垩白粒率和垩白度显著降低。金正勋等[32]发现，适量施用硅肥有利于降低稻米的直链淀粉含量，进而提高稻米的蒸煮和食味品质。王力等[33]认为在倒二叶期施用锌肥、硅肥能提高稻米的蒸煮和食味品质。南方红壤性稻田土壤有效硅含量低，普查结果显示，我国50%的耕地面积缺硅[34]，其中江西水稻土缺硅面积占91.5%[35]，故今后南方稻区在紫云英还田配合化肥减施的同时，增施硅肥可以改善早稻的品质。

4 结论

紫云英配施化肥处理有降低稻米垩白和增加整精米率的趋势，其中减量20%化肥+紫云英还田22500 kg/hm2处理在保障早稻产量的同时能显著增加整精米率和降低稻米垩白。籽粒P含量与精米率、整精米率、蛋白质含量呈显著正相关；籽粒N含量与糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、蛋白质含量呈显著正相关，与碱消值、直链淀粉含量呈显著负相关；籽粒Si含量对早稻品质的影响效应与籽粒N含量相反。土壤交换性镁含量对糙米率、蛋白质含量具有间接正效应，对直链淀粉含量具有间接负效应；土壤有效磷含量对垩白度具有间接负效应，对整精米率具有间接正效应；土壤碱解氮含量对精米率，以及土壤全磷含量对糙米率均具有间接正效应。建议今后南方稻区在紫云英还田配合化肥减量施用的同时，适量增施硅、镁、磷肥，以改善早稻稻米的品质。