翻压山黧豆绿肥与氮肥减施对水稻生长及其养分吸收与产量的影响

周泽弘，梁 琴，全紫曼，漆 燕，莫 坤，韩文斌

(南充市农业科学院，四川南充，637000)

水稻是中国重要的粮食作物，种植面积大，分布广。由于传统的农业生产过度依赖化肥，造成耕地质量下降、持续生产能力减弱、稻田生态环境恶化等突出问题[1-2]，严重制约了中国稻田生产的稳定性和可持续性。目前，如何通过改良水稻耕作措施，提升稻田土壤可持续生产力成为研究的热点[3]。

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、提高土壤肥力等作用[4-5]，是中国南方稻区冬季稻田轮作休耕的重要种植作物[6-7]。四川丘陵区秋季多雨，田间湿度大，时有积水现象，常见绿肥品种如紫云英、光叶苕子耐滞性差，容易造成苗期植株矮小甚至死亡，生物产量低，满足不了田间生产利用[8]；而山黧豆(Lathyrussativus)属于豆科山黧豆属，是抗逆性强，养分含量丰富的绿肥作物，适合稻田生产使用[8-9]。因此，将山黧豆纳入四川稻区水稻轮作体系中，可实现水稻优质高产和可持续发展。

目前，关于稻田冬绿肥对水稻生长和土壤性状的影响及其作用机制已有大量研究[10-13]。如：高嵩涓等[10]通过全国11个联合定位试验结果 (n=930)表明，冬种紫云英在不减肥或者减肥20%条件下增产效果显著，水稻产量增加幅度分别为6.53% 和4.15%，在减施 40% 化肥时可保障水稻与常规施肥相比不减产，同时，紫云英的增产和节肥效应随种植年限的增加而增强。朱强等[11]研究表明，在减少常规施氮量的50% 情况下，与稻草单独还田处理相比，稻草和紫云英联合还田可显著增加稻谷氮素累积量、提高水稻产量，而保持常规施氮量和提高施氮量不能增加水稻的氮素吸收和产量。目前，相关研究多集中于翻压紫云英对水稻生产系统的影响，研究区域多集中于湖南、湖北、安徽、河南等地[10-13]，但有关翻压绿肥(尤其绿肥山黧豆)对四川丘陵区水稻生产的影响鲜有报道。基于此，本研究选用豆科绿肥山黧豆与氮肥减量配施，通过连续3年定位试验，探讨种植翻压绿肥山黧豆减施氮肥对水稻生长、养分吸收及产量的影响，为构建四川稻田绿肥轮作制度体系、推动四川水稻产业绿色发展提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

田间试验在四川省南充市西充县青狮镇(105°49′16″E、31°8′7″N)进行，试验点地处四川盆地浅丘宽谷地貌区，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，无霜期约303 d，年日照1 353 h，供试土壤为水稻土，试验前土壤pH值8.17，有机质25.22 g/kg，全氮1.78 g/kg，有效磷5.01 mg/kg，速效钾43.93 mg/kg。

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)，是一个绿肥、饲料兼用型品种，抗逆性好，适合在四川省丘陵区稻田种植[8]，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

试验于2015年9月～2018年9月进行，共设6个处理：①冬闲+不施肥(NF)；②种植翻压山黧豆+不施氮肥(GM)； ③冬闲+常规氮肥(100%N，CK)； ④种植翻压山黧豆+80%常规氮肥(GM+80%N)；⑤种植翻压山黧豆+70%常规氮肥(GM+70%N)；⑥种植翻压山黧豆+60%常规氮肥(GM+60% N)。供试化肥分别为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)、氯化钾(含K2O 60%)并配合施用，常规施肥量为尿素375 kg/hm2、磷肥750 kg/hm2、钾肥150 kg/hm2(N∶P2O5∶K2O=11.5∶6.0∶6.0)。除无肥对照外其余各处理中磷、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，小区间留50 cm宽沟，便于灌溉排水。

山黧豆和水稻的播种、收获时间每年基本一致，山黧豆于9月下旬按照60 kg/hm2的播种量均匀撒播，次年4月中旬盛花期于水稻移栽前10～15 d按照22 500 kg/hm2翻压量定量翻压。水稻于4月下旬划行移栽，栽插密度为15.0 cm×33.3 cm，栽插单株，于8月下旬收割测产。各处理除绿肥还田方式和氮肥施用量不同外，其他田间管理措施保持一致。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 生育期水稻生育时期内，记载分蘖期(tillering stage，TS)、拔节期(elongating stage，ES)、孕穗期(booting stage，BS)、灌浆期(grain filling stage，GFS)、成熟期(mature stage，MS)等主要生育期。

1.4.2 株高、分蘖数及干物质量在水稻各生育时期，每小区随机选择长势一致的10株水稻进行水稻株高和分蘖数测定，随机刈割5株长势均匀的水稻植株带回实验室，于105℃进行杀青，并于65℃烘干测量水稻干物质量。

1.4.3 叶绿素含量采用便携式叶绿素仪(SPAD-502)测定水稻叶片的叶绿素相对含量(SPAD值)。在水稻分蘖期和拔节期，每个小区测定长势一致的倒一展开叶20片；在水稻孕穗期和灌浆期，每小区测定长势一致的剑叶20片。测定时，以每片叶的上、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。

1.4.4 植株及籽粒养分含量将水稻不同生育时期植株茎、叶、穗等器官及成熟时期水稻籽粒烘干称量、粉碎过筛。全氮含量采用Foss-2300全自动定氮仪测定，磷素含量测定采用钼锑抗比色法，钾素含量测定用火焰光度计法[13]。

1.4.5 水稻产量在水稻成熟期分小区收获，单打单晒，晾干后测定小区籽粒产量和秸秆产量。

1.5 统计分析

试验结果采用Duncan法进行差异显著性分析，显著性水平为0.05；所有统计分析利用Excel 2016和SPSS 19.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对水稻生长的影响

2.1.1 分蘖数由表1可知，在不同生育时期，各处理的水稻分蘖数由大到小顺序均表现为GM+70%N、GM+80%N、GM+60%N、100%N(CK)、GM、NF，而且翻压山黧豆绿肥与氮肥减量配施处理(GM+70%N、GM+80%N、GM+60%N)显著高于常规施肥(100%N)、单施山黧豆绿肥(GM)，后两者又显著高于不施肥处理(NF)；随着生育时期的推进，各处理水稻分蘖数表现出先增长后下降的变化趋势，并均在孕穗期达到最大。与常规施肥处理(100%N)相比，翻压山黧豆绿肥与减量氮肥配施处理水稻有效分蘖数显著提高了33.98%～59.47%，并以GM+70%N处理最佳，如在水稻成熟期，GM+70%N处理水稻有效分蘖数较100%N处理显著增加了34.50%。可见，翻压山黧豆与减施氮肥结合可以有效提高不同生育时期水稻分蘖数。

表1 不同施肥处理下水稻主要生育期分蘖数的变化

2.1.2 株高图1显示，随着生育期推进，水稻株高逐渐增加，与常规施肥(100%N)相比，翻压山黧豆减施氮肥处理均显著提高不同生育时期水稻株高，其株高由大到小顺序均表现为GM+60%～80%N、100%N、GM、NF，且在绿肥与减氮配施处理、常规施肥和单施绿肥处理、不施肥处理间大多存在显著性差异；除孕穗期外，GM+80%N处理水稻株高均高于GM+60%和GM+70%，但处理间差异并不显著(P>0.05)。

2.1.3 干物质积累量由表2可知，与常规施肥(100%N)相比，翻压山黧豆减施氮肥均能显著提高不同生育时期水稻干物质积累量，并以GM+70%N处理增幅最大，在水稻分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期和成熟期分别增加了144.18%、56.93%、17.09%、25.99%和23.19%。在水稻分蘖期、拔节期和孕穗期，翻压山黧豆与减氮配施处理水稻干物质积累量由大到小顺序均表现为GM+70%N、GM+80%N、GM+60%N，且不同处理间差异达到显著水平(P<0.05)；但在水稻灌浆期和成熟期，水稻干物质积累量在GM+60%N和GM+80%N之间的差异并不显著。而只翻压绿肥山黧豆(GM)处理下，水稻干物质积累量在分蘖期、拔节期和灌浆期均比常规施肥处理显著下降(P<0.05)。

2.1.4 叶绿素SPAD值由图2可知，不同生育时期各处理水稻叶片叶绿素含量由大到小顺序为100%N(CK)、GM+60%～80%N、GM、NF，说明各翻压绿肥处理水稻叶片叶绿素含量有所降低。其中，与常规施肥(100%N)处理相比，翻压绿肥与减施氮肥处理(GM+60%～80%N)水稻叶片叶绿素含量在水稻拔节期显著降低，但在其余生育期无显著差异(P>0.05)；单施绿肥处理(GM)的叶片叶绿素含量在拔节期和孕穗期比100%N处理显著降低，在拔节期和灌浆期无显著差异。此外，在水稻各生育期，叶片叶绿素含量在各翻压绿肥山黧豆与减施不同比例氮肥处理间差异并不显著(P>0.05)。

图1 不同施肥处理下水稻各生育期株高的变化Fig.1 The plant height of rice at main growth stages with different fertilization treatments

表2 不同施肥处理下水稻各生育期干物质积累量的变化

2.2 不同施肥处理对水稻养分吸收的影响

2.2.1 植株养分吸收随着生育时期的推进，水稻植株氮、磷、钾养分吸收量均逐渐增加(表3)。在氮素吸收方面，各处理水稻植株氮素吸收量在分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期由大到小顺序均为GM+80%N、GM+70%N、GM+60%N、100%N(CK)、GM、NF，而在成熟期表现为100%N处理氮素吸收量最高，各翻压山黧豆减施氮肥处理次之，但100%N处理与GM+70%N处理差异并不显著(P>0.05)；GM处理氮素吸收量在各生育期始终与100%N处理差异显著。在磷素吸收方面，除成熟期外，各处理水稻不同生育期植株磷素吸收量由大

图2 不同施肥处理下水稻各生育期叶绿素SPAD值的变化Fig.2 The SPAD value of chlorophyll in rice leaves at main growth stages with different fertilization treatments

表3 不同施肥处理下水稻各生育期植株养分吸收情况

到小顺序为GM+70%N、GM+80%N、GM+60%N、100%N(CK)、GM、NF，且同期各处理间大多差异显著；在钾素吸收方面，各处理水稻不同生育期植株钾素吸收量由大到小顺序均为GM+70%N、GM+80%N、GM+60%N、100%N(CK)、GM、NF，且同期的翻压山黧豆减施氮肥各处理间及其与常规施肥处理间始终差异显著。说明在水稻生育前期，翻压山黧豆减施氮肥有助于水稻植株主要养分氮、磷、钾吸收，但在水稻成熟期翻压山黧豆减施氮肥比例过多或过少时均不利于水稻植株氮素吸收。

2.2.2 籽粒养分吸收由表4可知，不同施肥处理对水稻成熟期籽粒养分吸收存在一定影响，翻压山黧豆减施氮肥降低了籽粒氮吸收量，而提高籽粒磷吸收量和钾吸收量。与常规施肥处理(100%N)相比， GM+70%N处理水稻籽粒氮吸收量有所下降但未达到显著水平(P>0.05)，而其水稻籽粒磷吸收量和钾吸收量显著提高(P<0.05)； GM+60%N和GM+80%N处理下水稻籽粒氮吸收量分别显著降低20.67%、19.03%，其磷吸收量和钾吸收量大多显著提高；GM处理的籽粒氮、磷吸收量均比100%N处理显著降低，钾吸收量也明显降低但未达到显著水平。可见，在翻压山黧豆减施30%氮肥时，水稻籽粒养分吸收更为全面，而减施比例过高或者过低则均对水稻氮素吸收有显著的抑制作用。

表4 不同施肥处理下水稻成熟期籽粒养分吸收情况

表5 不同施肥处理水稻产量

2.3 不同施肥处理对水稻产量的影响

由表5可知，与常规施肥处理(100%N)相比，各翻压山黧豆减施氮肥处理均能提高稻谷产量，增产幅度为3.45%～13.84%，GM+70%N和GM+80%N处理对稻谷产量的增产效果均达到显著水平，并以GM+70%N处理增产效果最好；单独翻压山黧豆绿肥处理(GM)的稻谷产量则显著低于常规施肥处理(100%N)。同时，在不同施肥处理下，水稻的秸秆产量与稻谷产量表现相似，且所有翻压山黧豆减施氮肥处理的增幅(13.65%～34.76%)均达到显著水平；另外，水稻的谷草比在各施肥处理间存在显著差异，并以常规施肥(100%N)处理最高(1.23)，并显著高于其他处理；GM+80%N处理的谷草比最低(0.98)，GM、GM+60%N和GM+70%N处理下谷草比分别为1.10、1.12、1.04，均显著高于GM+80%N处理。说明翻压绿肥山黧豆替代30%～40%氮肥处理的水稻谷草比较优，在避免水稻旺长的同时实现水稻高产。

3 讨 论

3.1 翻压山黧豆减施氮肥对水稻生长的影响

促进分蘖成穗和合理的干物质积累与分配是形成水稻优质群体、促进水稻产量形成的物质基础和重要保障[14]。本研究表明，与常规施肥(100%N)相比，翻压山黧豆与氮肥减施能显著提升水稻株高、增加水稻分蘖数、提高水稻干物质积累量，其中以GM+70%N施肥处理提升最为明显，各生育时期水稻株高、有效分蘖数、干物质积累量分别增加了13.32%～ 15.73%、33.98%～59.47%和23.18%～144.18%，且增加速率随着生育时期的推进依次降低。其原因可能是，山黧豆翻压还田后，提高了水稻生育前期土壤供氮能力，从而有利于生长前期水稻生长、养分吸收利用和分蘖早发，确保后期也能维持较高的供肥能力，为水稻后期的生长打好了丰产基础[15]，而且绿肥还田还改善了土壤氮素供应过程，养分释放动态与作物营养特性一致，促进了养分的吸收利用，防止了水稻生长后期早衰，保证了后期光合产物的有效供给，从而提高了群体干物质累积量[14, 16]。同时，本研究还发现，翻压绿肥山黧豆减施氮肥使水稻叶片叶绿素含量有所降低，但降幅并不显著(P>0.05)，这与袁颖红等[17]的研究有一定出入，其原因可能是投入的绿肥品种和还田量存在差异，从而导致叶绿素变化规律出现偏差，因此，翻压绿肥山黧豆对水稻光合特性的影响还需要进一步验证。

3.2 翻压山黧豆减施氮肥对水稻养分吸收的影响

植株养分吸收是其生长发育的基础，不同施肥处理对水稻植株及籽粒氮、磷、钾养分吸收产生了明显的影响。本研究结果表明，在只翻压绿肥和不施用肥料处理下，水稻植株和籽粒的氮、磷、钾养分吸收量均比常规施肥处理显著降低，这与黄晶等[18]研究结果一致，可能是由于这两个处理氮素的投入量较其他处理要小，而影响磷素吸收总量的主导因子不是磷肥而是钾肥和氮肥的原因。在本研究的水稻生育前期，翻压山黧豆减施氮肥有助于水稻植株养分吸收，但在水稻成熟期翻压山黧豆后减施氮肥比例过多或过少时均不利于水稻植株和籽粒氮素吸收。这可能是种植翻压山黧豆后，山黧豆根瘤共生固氮还田后提高了土壤中养分水平，并活化了养分的有效性，使水稻能够吸收利用的氮素总量增加，从而增加了对全氮的吸收总量[19]；本研究进一步表明，翻压山黧豆减施30%氮肥时，水稻植株和籽粒养分吸收更为全面，而减施比例过高或者过低均对水稻氮素吸收有较大影响，这与周兴[20]、张均华[21]等研究结果一致，这可能是因水稻地上部氮吸收总量随施氮量增加而显著增加[22-23]，在水稻生育后期，当氮肥用量减少40%时，绿肥山黧豆所带入的氮并不能弥补减少的氮肥用量，导致氮素总投入量减少，从而使得其地上部氮素养分含量降低，最终降低了其地上部全氮吸收累积总量[19]。

3.3 翻压山黧豆与氮肥减施对水稻产量的影响

水稻产量受自然条件、土壤环境、栽培措施等多方面因素影响，其中栽培措施影响尤为突出[18]。研究表明，种植翻压绿肥替代部分化肥后，有利于水稻增产稳产[20-21]。刘思超等[24]研究表明，绿肥种植翻压后，可替代40%常规化肥投入量，水稻仍能显著增产；周兴等[21]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。本研究发现，翻压绿肥山黧豆减施一定比例氮肥均能有效提高水稻产量，可能是山黧豆植株具有较低的碳氮比，作为绿肥翻压后能够促进土壤微生物的繁殖和有机质分解过程中的养分释放，提高土壤中有效养分含量，促进水稻的生长发育[24]，因此，山黧豆可替代部分化肥氮。但单施绿肥而不施化肥处理的水稻产量有所降低，说明绿肥山黧豆并不能完全替代氮肥，从氮肥替代比例来看，水稻产量出现先增加后降低的趋势，并在替代氮肥30%左右时水稻增产效果最优，其原因可能是在山黧豆还田量较少时，山黧豆养分在水稻生育期逐渐释放和供给，从而持续促进水稻生长并实现增产，但山黧豆还田量较大时，土壤微生物群落增加较大，与水稻植株生长出现养分竞争，从而使水稻增产效果有所下降[25-26]。

4 结 论

翻压山黧豆与氮肥减施能显著提升水稻株高、增加水稻分蘖数、提高水稻干物质积累量，其中以GM+70%N施肥处理提升效果最为明显。翻压山黧豆减施30%氮肥时，水稻植株和籽粒养分吸收更为全面，减施比例过高或者过低，均对水稻氮素吸收有较大影响。翻压山黧豆和不同减氮处理下，水稻产量均有所提高，其中GM+70%N增幅最大为13.84%。可见，种植翻压山黧豆并适量减施氮肥能有效促进水稻生长，提高水稻产量，促进稻田提质增效的可持续发展，是四川水稻种植较好的耕作措施。