紫云英与化肥配施对水稻生长及磷素利用的影响

张济世，刘春增，吕玉虎，王守刚，曹卫东，张玉亭

（1. 河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所/河南省农业生态环境重点实验室，河南 郑州 450002；2. 信阳市农业科学院，河南 信阳 464000；3. 中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

水稻是我国第二大粮食作物，国家统计局数据显示，2021 年我国水稻种植面积为2.99×107hm2，占粮食作物总种植面积的25.44%，产量为2.13×108t，占粮食总产量的31.17%[1]。因此，提高水稻产量对粮食安全至关重要。磷是水稻生长过程中不可缺少的营养元素，施磷对实现水稻高产至关重要[2]。然而，土壤磷易被铁、铝氧化物吸附或者以钙磷的形式析出，并转化为难溶性磷[3]，不易被作物吸收和利用。因此，长期单一磷肥的投入不仅降低肥料利用效率，还会造成土壤磷大量累积，制约作物生产[4-5]。并且过多的磷在土壤中积累，不仅会加剧磷矿资源的耗竭，还可能会导致磷的流失，造成环境污染[6]。

豆科绿肥（如紫云英）可以通过其根系生长调控土壤酶活性，进而提高土壤磷养分有效性，促进作物对磷的吸收和累积[7-9]；而翻压豆科绿肥可以为下茬作物生长提供磷养分，提高土壤供磷特性[9-11]。已有研究表明，紫云英与化肥配施可以增加土壤磷素水平，促进土壤磷素向有效态转化，提高磷的有效性[12-13]。然而，针对紫云英与化肥配施调控磷利用的研究更多集中在土壤供磷水平的变化上，而对水稻不同时期地上部生长和磷素吸收利用对土壤供磷水平变化协同机制影响的研究却鲜有报道。

良好的群体结构与功能是水稻实现高产高效的关键。水稻叶片是获取光能和进行光合作用的主要器官，而光合作用又是作物干物质积累的重要来源[14-16]。有研究表明，作物叶面积过大会导致群体郁闭、叶片之间相互遮挡，进而降低光合效率，影响作物生长[17]。因此，适宜的叶面积对于光能等自然资源的截获、群体光合能力和干物质积累量的提升至关重要[18-19]。低土壤供磷量会对植物叶片的扩展产生影响，降低叶片总叶面积，限制光合作用，抑制作物生长[20]，而适量供磷提高了小麦叶面积指数和干物质积累[21]。但是，在紫云英与化肥配施条件下，不同生育时期土壤供磷水平如何影响水稻叶面积指数，进而影响干物质积累却鲜有报道。

因此，拟基于紫云英与化肥配施的长期定位试验，通过分析紫云英化肥配施对土壤供磷特性、水稻磷素吸收、叶面积指数及干物质积累的影响，初步探究水稻植株磷含量、叶面积指数和干物质积累对土壤供磷特性的响应及其之间的关系，为磷肥管理和磷资源高效利用、实现水稻绿色持续可生产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验地位于信阳市农业科学院试验园区（N32°07′，E114°05′）内。该区属于亚热带向暖温带过渡区，年均气温15 ℃，年降雨900～1 400 mm。长期定位试验始于2008年，试验土壤为黄棕壤性潜育型水稻土，土壤有机碳12.96 g/kg、碱解氮71.5 mg/kg、有效磷16.5 mg/kg、速效钾78.2 mg/kg。

1.2 试验设计

该长期定位试验共设6 个处理：不施肥（CK）、单施化肥（F100）、等量紫云英还田（22.50 t/hm2）与不同用量化肥配施（100%化肥，MVF100；80%化肥，MVF80；60%化肥，MVF60；40%化肥，MVF40）。其 中，100% 化 肥 用 量 为N 135 kg/hm2、P2O567.5 kg/hm2、K2O 67.5 kg/hm2，80%、60%、40%化肥分别减少氮和钾的用量，不减少磷的用量。氮肥分3 次施入，基肥∶分蘖肥∶穗肥为5∶3∶2；磷钾肥全部基施。肥料类型为尿素（46% N）、过磷酸钙（12%P2O5）和氯化钾（60% K2O）。采用随机区组试验设计，每个处理包括4 次重复，共计24 个小区，每个小区面积为6.66 m2（3.33 m×2.0 m）。小区间筑田埂并覆膜防止串水串肥，埂宽30 cm。

本研究分析2021 年试验数据。前茬作物为豆科绿肥紫云英，于盛花期（2021 年4 月上旬）翻压还田，用量为鲜质量22.50 t/hm2，多余部分移出小区，不足的补充，其中紫云英鲜草含水量90%，干草含磷3.40 g/kg。供试水稻品种为扬两优013，于2021年5 月下旬划行移栽，移栽规格为16.7 cm×20 cm，每穴2棵苗，其他田间管理与当地管理方式一致。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤有效磷含量 采集2021 年水稻孕穗期（移栽后67 d）和成熟期（移栽后115 d）的表层土样（0～20 cm）。将样品置于阴凉通风处风干后，磨碎、过1 mm 筛，用于测定土壤有效磷含量。采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗吸光光度法测定土壤有效磷含量[21]。

1.3.2 干物质积累和磷含量 于2021 年水稻孕穗期和成熟期随机选取3 穴植株样品，成熟期植株分为秸秆和穗两部分，将样品带回实验室，105 ℃杀青1 h，75 ℃烘干至恒质量；随后将样品磨碎，进行磷含量测定。植物磷含量采用硫酸-过氧化氢消煮和钒钼黄吸光光度法测定[22]。植株磷积累量为植株磷含量和干物质积累量的乘积。

1.3.3 叶面积指数 于2021 年水稻孕穗期和成熟期，每个小区随机选取2 穴水稻植株，摘下所有叶片，从中选取10 片代表性叶片，采用长宽系数法计算其单叶叶面积[长×宽×校正系数（0.7）]，然后称其鲜质量和总叶片鲜质量，折算叶面积指数[23]。

1.4 数据统计与分析

试验数据采用Excel 2019 进行处理，采用SAS 8.2 软件进行单因素方差分析和Duncan’s 多重比较法分析不同处理差异显著性（P＜0.05），采用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 紫云英与化肥配施对水稻成熟期干物质积累量的影响

不同施肥处理显著影响了水稻成熟期植株、秸秆和穗干物质积累量（图1）。与CK 相比，各施肥处理显著提高了植株总干物质积累量24.01%～34.58%、秸秆干物质积累量22.08%～37.76%和穗干物质积累量25.75%～39.66%。MVF100 和MVF80 处理的植株总干物质积累量显著高于F100 处理8.52%、7.14%。MVF100 处理秸秆干物质积累量显著高于F100 处理12.84%。MVF80 处理具有最高的穗干物质积累量，其次是MVF60 处理，分别高于F100 处理11.05%、4.94%，但是处理间无显著差异。推测养分投入过高，可能会导致水稻后期贪青晚熟，影响穗干物质的积累。

图1 紫云英与化肥配施对水稻成熟期干物质积累量的影响Fig.1 Effect of Chinese milk vetch combined with chemical fertilizer on dry matter accumulation of rice at maturity

2.2 紫云英与化肥配施对水稻孕穗期和成熟期叶面积指数的影响

由图2 可知，与CK 相比，施肥处理显著增加了水稻孕穗期叶面积指数25.23%～62.92%和成熟期叶面积指数35.62%～77.50%。对于孕穗期叶面积指数来说，F100 处理最高，随着化肥减量的增加逐渐降低，化肥减量60%（MVF40）时最低，且显著低于F100 处理23.13%，这说明在等量紫云英还田下化肥减施超过一定量时可能会影响水稻孕穗期的生长。MVF100 和MVF60 处理的成熟期叶面积指数高于F100 处理，而MVF80 和MVF40 处理的成熟期叶面积指数低于F100 处理，但是处理间无显著差异。综上，单施化肥的处理养分释放较快，不能满足作物生育后期的养分需求，进而影响了水稻成熟期的叶面积指数。

图2 紫云英与化肥配施对水稻孕穗期（a）和成熟期（b）叶面积指数的影响Fig.2 Effect of Chinese milk vetch combined with chemical fertilizer on leaf area indexes of rice at booting（a）and maturity（b）

2.3 紫云英与化肥配施对水稻植株磷含量、积累量及土壤有效磷含量的影响

续表1 紫云英与化肥配施对水稻孕穗期和成熟期植株磷含量和积累量以及土壤有效磷含量的影响Tab.1（Continued） Effect of Chinese milk vetch combined with chemical fertilizer on shoot phosphorus content and accumulation，and soil available phosphorus content at booting and maturity of rice

不同的施肥处理显著影响了水稻孕穗期和成熟期植株磷含量、磷积累量（表1）。孕穗期，各施肥处理与CK 相比显著提高了植株磷含量21.12%～40.52%和植株磷积累量54.67%～90.52%；与F100相比，MVF100、MVF80 和MVF60 处理提高了植株磷含量，仅MVF100 处理显著提高了植株磷含量13.19%，MVF100 和MVF80 处理的植株磷积累量较高，但是与F100相比，处理间无显著差异。成熟期，各施肥处理的植株磷含量和植株磷积累量均显著高于CK，分别高20.13%～30.19%、53.19%～71.30%；而与F100相比，各处理间均无显著差异。对于土壤有效磷含量来说，不同施肥处理均显著高于CK 处理，而与F100 相比，成熟期其他施肥处理均提高了土壤有效磷含量，但是差异不显著。

表1 紫云英与化肥配施对水稻孕穗期和成熟期植株磷含量和累积量以及土壤有效磷含量的影响Tab.1 Effect of Chinese milk vetch combined with chemical fertilizer on shoot phosphorus content and accumulation，and soil available phosphorus content at booting and maturity of rice

2.4 土壤有效磷含量、植株磷含量、叶面积指数和成熟期干物质积累之间的关系

图4 土壤有效磷含量对水稻成熟期干物质积累的影响Fig.4 Effect of soil available phosphorus content on dry matter accumulation at maturity of rice

土壤有效磷含量显著影响了植株磷含量、叶面积指数和成熟期干物质积累，且呈现二次曲线关系（图3—4）。通过拟合方程可知，孕穗期达到最高植株磷含量和叶面积指数的土壤有效磷含量分别为12.90、9.08 mg/kg，成熟期达到最高植株磷含量和叶面积指数的土壤有效磷含量分别为7.70、9.06 mg/kg。水稻成熟期实现最大植株总干物质积累20.01 t/hm2、秸秆干物质积累9.53 t/hm2和穗干物质积累10.57 t/hm2的最佳土壤有效磷含量分别为8.13、9.28、7.56 mg/kg。以上表明，过多的磷养分供应会导致作物秸秆干物质积累的增加和穗干物质积累的降低。

植株磷含量显著影响了叶面积指数，且呈现二次曲线关系（图5）。通过拟合方程可知，在孕穗期和成熟期，达到最高叶面积指数所需植株磷含量分别为3.24、2.02 g/kg，继续增加植株磷含量将会降低叶面积指数。

图5 植株磷含量对水稻孕穗期和成熟期叶面积指数的影响Fig.5 Effect of shoot phosphorus content on leaf area index at booting and maturity of rice

孕穗期和成熟期的叶面积指数均显著影响了成熟期干物质积累（图6）。孕穗期叶面积指数与植株总干物质积累、穗干物质积累的关系符合线性-平台关系，而与秸秆干物质积累的关系符合二次曲线关系（图6a）；达到水稻成熟期植株总干物质积累量19.15 t/hm2和穗干物质积累量10.15 t/hm2平台的临界孕穗期叶面积指数分别为9.51、9.29，而达到最大秸秆干物质积累量9.31 t/hm2所需的孕穗期叶面积指数为13.23，继续增加叶面积指数并不会进一步提高成熟期干物质积累量。

成熟期叶面积指数与植株总干物质积累、秸秆干物质积累和穗干物质积累均呈现二次曲线关系（图6b）；通过拟合方程可知，达到最高植株总干物质积累19.56 t/hm2、秸秆干物质积累9.89 t/hm2和穗干物质积累10.33 t/hm2所需的成熟期叶面积指数分别为7.94、12.42、7.02。

图6 孕穗期（a）和成熟期（b）叶面积指数对水稻成熟期干物质积累的影响Fig.6 Effect of leaf area index of booting（a）and maturity（b）on rice dry matter accumulation of maturity

3 结论与讨论

紫云英还田与化肥配施是我国南方稻田重要农业生产技术，不仅可以在一定程度上减少化肥用量，还可以提高土壤供肥特性，进而确保水稻稳产，甚至增产[24-25]。干物质积累是光合作用的产物，对水稻生长和产量形成具有重要意义[26]。本研究中，与CK 相比，单施化肥以及紫云英还田与化肥配施处理均显著提高了水稻成熟期干物质积累量，其中紫云英还田与化肥配施效果较好，尤其是MVF100和MVF80处理，可能是因为紫云英还田与化肥配施增加了养分投入，提高了土壤的供肥能力[9，27]，进而提高了水稻干物质积累，这与徐昌旭等[28]的结果一致。然而，MVF100 虽然具有最高的秸秆干物质积累量，但是穗干物质积累量却略低于MVF80 和MVF60 处理，可能是因为MVF100 处理相对较高的养分投入致使水稻生育后期叶面积指数较高，叶片持绿性强，贪青晚熟[29-30]，增加了秸秆干物质积累量，却影响了干物质向穗中转移和积累，这与张颖睿等[31]的结果类似。

叶面积指数是衡量作物群体结构和光合作用的重要指标[32]，合理的叶面积指数有利于作物生长和干物质积累[33]。本研究中，与紫云英与化肥配施处理相比，单施化肥处理显著增加了孕穗期叶面积指数，却降低了成熟期干物质积累量，这可能是因为过高的叶面积指数会导致叶片之间相互遮挡，不利于光能截获，进而限制光合作用和干物质积累[16]。本研究结果还表明，孕穗期和成熟期叶面积指数均与水稻成熟期干物质积累呈现显著相关关系，以穗干物质积累为例，水稻孕穗期和成熟期合理的叶面积指数分别为9.29、7.02，继续增加叶面积指数可能会提高秸秆干物质积累量，但是并不会进一步提高穗干物质积累量，这与ZHANG 等[19]和陈秀秀[21]在玉米和小麦上的研究结果类似。

已有研究表明，叶面积指数的大小由土壤有效磷和植株磷含量决定[19]。本研究结果表明，不施肥条件下土壤有效磷含量、植株磷含量以及叶面积指数均最低，其原因一方面可能是低土壤供磷水平会影响作物叶片的生长发育，导致叶面积下降[34]；另一方面可能是低植株磷含量会降低核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶的含量，进而影响光合作用[35]。而紫云英与化肥配施由于化肥和紫云英的添加提高了外源养分资源的投入，增加了土壤有效磷含量和植株磷含量，叶面积指数也随之提高，而当叶面积指数达到临界值时，继续增加土壤有效磷含量和植株磷含量，叶面积指数不会进一步提高。上述结果与张伟[16]在小麦上的研究结果类似，其原因可能为过高的土壤供磷水平会造成地上部植株对磷过量吸收，当植株磷含量超过一定阈值之后，多余的磷将会被储存在液泡中，不参与光合反应[19]。本研究结果还表明，紫云英与化肥配施处理的孕穗期叶面积指数均高于达到最大的水稻穗干物质积累量所需的叶面积指数，而只有MVF60处理的成熟期叶面积指数接近该叶面积指数，这也暗示了紫云英与化肥配施处理在孕穗期土壤有效磷和植株磷供应量过多，降低了磷资源的利用效率，而成熟期的土壤有效磷和植株磷的供应量偏低。需进一步优化紫云英与化肥配施技术，满足水稻后期磷的供应。

在我国南方稻田生产体系中，紫云英还田替代部分氮钾肥而不调控磷肥的做法比较普遍。然而，不合理的磷资源投入会造成土壤磷的积累，降低磷的利用效率，进而危害生态环境[4-6]。因此，在未来的研究工作中，应通过优化紫云英与化肥配施技术，重视磷肥管理，调控水稻不同生育时期的磷养分供应，进一步实现紫云英-水稻轮作体系的磷资源高效利用。综合考虑成熟期穗干物质积累量、叶面积指数、植株磷含量、土壤磷含量及其相关关系，以紫云英还田与化肥减量40%配施处理（MVF60）对水稻生长及磷素利用的效果最优。