减施20%化肥下绿肥翻压量对江西双季稻产量及氮素利用的影响

张 磊，徐昌旭，刘 佳，李 顺，高嵩涓*，曹卫东

（1 南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210095；2 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；3 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081）

种植利用绿肥可以保障主作物高产稳产，提高土壤肥力并减少化肥投入，是实现农业可持续发展的重要措施[1]。豆科绿肥可以通过生物固氮作用固定大气氮素，能够有效培育土壤氮库，提升土壤肥力和作物产量[2-3]。紫云英是我国南方稻田常见的豆科绿肥作物，紫云英-水稻轮作是南方稻区传统的耕作模式[4]。研究表明，冬种紫云英配施氮肥有利于水稻中后期的干物质积累和养分吸收，促进水稻有效穗数、每穗粒数、千粒重等经济性状的形成，从而提高水稻产量[5-7]。冬种紫云英配施减量化肥能够增加土壤碳、氮库储量，改善土壤供氮能力，促进水稻对氮素的吸收利用，同时可减少氮素流失，从而提高稻田系统的氮素利用率[8-12]。紫云英通过生物固氮作用固定的氮素在翻压还田后释放，供后茬作物吸收并培肥土壤。研究发现，紫云英体内氮素约78%来源于生物固氮[13]，紫云英在一个生长季内能固定约32.8 kg/hm2纯氮进入稻田生态系统[14]。在紫云英-水稻轮作系统中，紫云英生长期间能够吸收冬闲期土壤残留的氮素和通过生物固氮作用固定大气氮素，从而减少化肥用量，改善土壤养分。按照紫云英氮素当季利用率50%计算[15]，推算出理论上紫云英能够替代当季化肥氮的量为20.5～73 kg/hm2，表现出较大的替代化肥潜力[16]。紫云英与化肥配施可以增强土壤微生物固定无机氮的能力，从而促进无机氮转化为活性有机氮，有利于稻田氮素固定累积[17]。因此，冬种紫云英配施减量化肥，是南方稻田应用绿肥实现节肥、增效的常用方式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验点位于江西省高安市相城镇渡埠农场江西省农业科学院高安基地(28.25° N, 115.12° E)，土壤类型为黄泥田，海拔110 m，属亚热带季风湿润气候。该地区年降水量1560 mm，年平均气温17.7℃，年日照时数1935.7 h。定位试验始于2016年，试验开始前土壤基本理化性质为：pH 5.82、土壤有机质23.49 g/kg、全氮0.99 g/kg、全钾19.71 g/kg、全磷0.43 g/kg、碱解氮71.88 mg/kg、有效磷12.51 mg/kg、速效钾49.78 mg/kg。

1.2 试验设计

田间定位试验设7个处理，分别为冬闲不施化肥对照(CK)、冬种紫云英不施化肥(GM)、冬闲水稻季常规施用化肥(F100)、紫云英15000 kg/hm2+80%化肥(G1F80)、紫云英22500 kg/hm2+80%化肥(G1.5F80)、紫云英30000 kg/hm2+80%化肥(G2F80)和紫云英37500 kg/hm2+80%化肥(G2.5F80)，其中，GM处理的绿肥翻压量为22500 kg/hm2，F100为当地农民常规施肥量，F80为常规施肥量的80%。本试验中翻压15000、22500、30000和37500 kg/hm2紫云英带入土壤的氮素分别为35.0、52.5、70.0和87.5 kg/hm2。

各小区随机区组排列，每处理3次重复，试验小区面积21 m2。紫云英供试品种为‘余江大叶’，早稻品种为‘中嘉早17’，晚稻品种为‘五丰优T025’。每年9月下旬至10月上旬采用稻底套播方式播种紫云英，播种量为30 kg/hm2。紫云英盛花期测定各小区鲜草产量，紫云英鲜草产量不能满足试验设置翻压量的，从外部移入不足部分，紫云英鲜草在早稻移栽前10～15天就地翻压。所用化肥种类分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)和氯化钾(K2O 60%)。早稻常规施肥处理的化肥用量为N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。减施化肥处理中早稻的氮、磷、钾肥均减施20%，晚稻不减肥。磷、钾肥全部作基肥施入，氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥 = 4∶3∶3，分3次施用。基肥在插秧前1天施用，分蘖肥在移栽后5～7天撒施；穗肥在主茎幼穗长1～2 cm时施用。晚稻常规化肥用量为N 180 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，各处理肥料用量和施用方式相同。

1.3 样品采集与测定

于2020年绿肥翻压前和水稻关键生育期采集土壤和植株样品，采样时期分别为绿肥盛花期(4月1日，即绿肥翻压前1天，S1)、早稻移栽前(4月22日，即绿肥翻压后21天，S2)、早稻分蘖期(5月22日，S3)、早稻拔节期(6月9日，S4)、早稻孕穗期(6月28日，S5)、早稻收获期(7月15日，S6)及晚稻收获期(10月28日，S7)。水稻各生育期每小区随机取3兜水稻植株，于105℃杀青30 min，70℃烘干至恒重，称重、粉碎备用。成熟期测定稻谷产量，各小区单打单收，晒干后称重测产。

采用五点取样法采集0—20 cm耕层土壤，剔除石砾和植物残体等杂物，混匀后根据四分法取土壤样品1 kg左右，分取一半4℃保存以测定土壤含水量和无机氮含量，另一半在室内风干，磨细过2 mm和0.149 mm筛测定其他土壤指标。

土壤全氮和有机质含量使用元素分析仪(Flash Smart, Thermo Fisher Scientific，美国)测定。土壤无机氮含量采用2 mol/L氯化钾浸提，连续流动分析仪(SAN++，Skalar，荷兰)测定；土壤pH采用2.5∶1水土比，电位法测定；土壤速效钾含量采用1 mol/L醋酸铵浸提—火焰光度计测定；土壤有效磷含量采用0.5 mol/L碳酸氢钠提取—钼锑抗比色法测定。植株样品采用浓硫酸—过氧化氢法消煮后，用连续流动分析仪测定全氮含量。

1.4 数据分析

试验数据应用SAS 8.1进行方差分析，Origin Pro 8.5作图。聚合增强树分析 (ABT) 是一种对研究变量中的不同因子进行准确地预测和解释的统计方法[18]，本研究中用于量化土壤性状对水稻产量和吸氮量的贡献率，应用R 2.7.0中的 “gbmplus”包实现分析。

水稻氮素累积速率的计算公式如下：

氮肥利用率(不考虑绿肥还田带入的氮素)相关指标计算公式如下：

抚州历史文化底蕴深厚，散布在各地的古村落，是反映临川文化的载体。这些古村落建筑群以其建筑规模、建筑艺术、文化内涵，向世人展现了抚州古代传统文化，成为弥足珍贵的遗产。抚州乐安县流坑村以规模宏大的传统建筑、风格独特的村落布局而闻名，具有丰富的研究价值，被誉为“千古第一村”，是全国重点文物保护单位和全国首批历史文化名村。流坑古村的保护工作仍处于非常初级的阶段，面临着诸多问题及威胁。

2 结果与分析

2.1 不同紫云英翻压量下的水稻产量和氮素利用率

紫云英配施减常规量20%化肥相对F100提高了水稻产量(表1)。与F100相比，不同紫云英翻压量处理早稻、晚稻及总产量增幅分别为1.32%～11.64%、1.20%～7.81%和3.50%～7.17%。G1F80处理早稻产量最高，相比F100处理显著增加11.64%；G2F80处理晚稻产量最高，相比F100处理显著增加7.81%；G1F80、G1.5F80和G2F80处理双季稻总产量均显著高于F100处理，其中G2F80处理产量最高，相比F100处理显著增加 7.17% (表1)。

表1 2020年不同处理早稻和晚稻产量及增长率Table 1 Grain yields and yield increment of early and late rice under different treatments in 2020

紫云英配施减量化肥处理中，G1F80、G1.5F80和G2.5F80处理早稻稻谷吸氮量相比F100处理分别显著增加20.75%、20.36%和16.01%。G1F80、G1.5F80和G2.5F80处理早稻当季氮肥利用率均显著高于F100处理，相比F100处理显著增加93.01%、95.04%和68.28%。不同紫云英翻压量处理早稻氮肥偏生产力相比F100处理显著增加29.80%～44.92%，其中G1.5F80处理最高。G1F80处理早稻氮肥农学效率最高，相比F100处理显著增加155.65%。早稻氮肥生理利用率相比于F100均无显著差异(表2)。

表2 不同处理下水稻稻谷吸氮量和氮肥当季利用率Table 2 Grain nitrogen uptake and use efficiency of nitrogen fertilizer in current season as affected by milk vetch incorporation

晚稻紫云英配施减量化肥各处理稻谷吸氮量、当季氮肥利用率和氮肥生理利用率相比于F100处理均不显著。G2F80处理晚稻氮肥偏生产力和氮肥农学效率均显著高于F100，分别增加7.82%和21.55% (表2)。

2.2 不同紫云英翻压量下的水稻植株吸氮量及累积规律

早稻分蘖期各处理间植株吸氮量无显著差异，拔节期G1.5F80处理植株吸氮量最高，相比F100显著增加31.23%，收获期G1F80和G1.5F80的植株吸氮量显著高于F100，分别增加16.95%和17.46%。晚稻收获期紫云英翻压量对植株吸氮量的影响与F100无显著差异。在同一生育期，氮素积累量在化肥用量相同的情况下，随着紫云英翻压量的增加，呈现先增加再降低的趋势，紫云英翻压量超过22500 kg/hm2时有所降低(图1)。

图1 水稻主要生育阶段各处理植株吸氮量Fig. 1 Nitrogen uptake of rice plants in each treatment at main growth stages of rice

早稻分蘖期—拔节期G1.5F80处理的植株氮素累积速率显著高于F100处理，也显著高于G2F80和G2.5F80处理。拔节期—孕穗期和孕穗期—早稻收获期各处理之间氮素累积速率差异均不显著。分蘖期—拔节期和拔节期—孕穗期所有处理氮素累积速率均为正值，孕穗期—早稻收获期氮素累积速率CK处理和F100处理为负值，其余处理均为正值(图2)。

图2 早稻各生育期的氮素累积速率Fig. 2 Nitrogen accumulation rate at main growth stages of early rice

2.3 不同紫云英翻压量下土壤pH及养分含量的变化

与F100相比，早稻收获期G1F80、G1.5F80和G2F80处理的pH没有显著降低，而GM、G2.5F80处理pH显著降低；绿肥翻压均提高了土壤有机质含量，除G1.5F80处理外，增幅均达到显著水平，但翻压量处理之间，只有G2.5F80处理的有机质含量显著高于G1.5F80；翻压紫云英显著增加了土壤全氮含量，其中G2.5F80处理最高。不同紫云英翻压量处理速效钾和有效磷含量相比于F100处理差异均不显著(表3)。

表3 早稻和晚稻收获期土壤pH和养分含量Table 3 Soil pH and nutrient content at harvest stages of early and late rice

晚稻收获期，各处理间pH无显著差异；G2.5F80处理的有机质、全氮、有效磷含量均显著高于F100处理，G2F80处理的有机质含量也显著高于F100，G1F80、G1.5F80和G2F80处理的有效磷和速效钾含量与F100处理相比均无显著差异(表3)。

图3表明，在紫云英盛花期、早稻移栽前、早稻分蘖期、早稻收获期和晚稻收获期，不同紫云英翻压量处理土壤硝态氮含量相比于F100处理均无显著差异。早稻拔节期G1F80处理硝态氮含量最高，相比F100处理显著增加14.89%。早稻孕穗期G1.5F80和G2.5F80处理硝态氮含量显著高于F100，分别增加21.49% 和 20.66% (图3A)。

图3 不同时期各处理土壤硝态氮和铵态氮含量Fig. 3 Soil NO3- -N and NH4+ -N contents in each treatment of different periods

紫云英盛花期和早稻拔节期各处理土壤铵态氮含量无显著差异。早稻移栽前G2F80处理铵态氮含量相比F100显著高出76.73%。早稻分蘖期G1F80处理铵态氮含量最高，相比F100显著高出54.77%。早稻孕穗期、早稻收获期和晚稻收获期，均为G2.5F80处理铵态氮含量最高，相比F100处理分别显著增加71.32%、56.13% 和 29.15% (图3B)。

2.4 不同紫云英翻压量下的双季稻产量、吸氮量与土壤理化性状之间的相关性

早稻产量与土壤速效钾、有效磷及早稻吸氮量显著正相关，早稻吸氮量又与土壤速效钾、有效磷显著正相关，早稻收获期土壤NH4+-N含量与全氮、有机质、有效磷呈显著正相关关系，与pH显著负相关(表4)。晚稻产量与土壤速效钾及晚稻吸氮量显著正相关，晚稻收获期土壤NO3--N含量与土壤全氮、有机质、速效钾显著正相关，土壤NH4+-N含量与土壤全氮、有机质、有效磷、NO3--N含量均显著正相关 (表5)。

表4 早稻产量、吸氮量与早稻收获期土壤性状的相关系数(r)Table 4 Correlation coefficients of yield, nitrogen uptake and soil properties at mature stage of early rice

表5 晚稻产量、吸氮量与晚稻收获期土壤性状的相关系数(r)Table 5 Correlation coefficients of yield, nitrogen uptake and soil properties at mature stage of late rice

2.5 不同紫云英翻压量下的土壤性状对水稻产量和吸氮量的贡献

对早稻的产量贡献率较大的土壤性状为速效钾、有效磷、NO3--N，贡献率分别为35.17%、16.56%和14.45%；对晚稻的产量贡献率较大的土壤性状为速效钾、全氮、NH4+-N，贡献率分别为21.22%、20.50%和17.82%；对双季稻的产量贡献率较大的土壤性状为速效钾、NH4+-N、pH，贡献率分别为34.83%、23.59%和12.16% (图4)。

图4 不同土壤性状对水稻产量和吸氮量的贡献率Fig. 4 Contribution rate of different soil properties on rice yield and nitrogen uptake

对早稻的吸氮量贡献率较大的土壤性状为速效钾、有效磷、pH，贡献率分别为40.16%、16.53%和13.88%；对晚稻的吸氮量贡献率较大的土壤性状为全氮、速效钾、NO3--N，贡献率分别为31.02%、25.22%和19.59%；对双季稻的吸氮量贡献率较大的土壤性状为速效钾、NO3--N、NH4+-N，贡献率分别为27.86%、19.97%和15.99% (图4)。

3 讨论

3.1 不同紫云英翻压量配施减量化肥对水稻产量和养分吸收的影响

在水稻生产中，种植利用绿肥可以在保证水稻高产稳产的基础上减少氮肥施用量[2]。紫云英配施减量化肥能够优化水稻产量构成、提高土壤肥力、促进水稻养分吸收，进而实现水稻高产并提高产量稳定性[2]。紫云英鲜草因其较低的碳氮比和较高的含水量，翻压后1个月内的氮素释放量可达90%[19]，能为当季水稻提供大量的有效态氮，进而可替代部分化学氮肥[20]。研究表明，种植利用绿肥减施20%～40%化肥条件下，能够提高土壤有机质含量，维持土壤氮、磷、钾素的供应，并显著提高水稻氮肥偏生产力和氮肥农学效率，进而提高水稻产量[21]。本研究中，相比冬闲水稻季常规施肥处理，冬种紫云英配施80%化肥提高了水稻产量，且提高了早稻稻谷吸氮量、当季氮肥利用率和氮肥偏生产力。说明冬种紫云英配施80%化肥可满足该化肥减施条件下水稻对养分的需求，进而实现化肥减施，与前人[2,3,22]的研究结果一致。相比尿素，紫云英翻压还田后释放的氮素更不易流失，早稻收获后仍残留在土壤中的紫云英氮素被晚稻植株进一步吸收[21]。紫云英不同翻压量处理的晚稻产量均高于冬闲常规施肥处理，说明种植翻压紫云英有较强的后效，在晚稻季仍然有增产节肥效应。前人研究指出，中国水稻的氮肥利用率在28%～41%[23]，氮肥当季利用率在8.9%～78.0%，平均值为28.7%[24]。本研究中，不同紫云英翻压量配施减量20%化肥的早稻当季氮肥利用率大多高于平均值28.7%，而晚稻当季氮肥利用率均远低于平均值28.7%，可能因为紫云英与化肥配施改变了化肥氮的供应过程，使得水稻降低了对化肥氮的依赖程度，吸收来自化肥的氮素减少，吸收来自土壤和绿肥的氮素增多，从而明显降低化肥氮的当季利用率[24-26]。冬种紫云英配施减量化肥能够明显促进水稻氮素吸收。冬种紫云英配施氮肥能促进紫云英的腐解和氮素释放，显著增加土壤活性氮含量和水稻植株各时期的吸氮量，提高土壤氮库库容和土壤的供氮能力[3,17]。本研究中，从分蘖期到早稻收获期，不同紫云英翻压量处理水稻植株吸氮量逐渐增加，而冬闲常规施肥处理在孕穗期—早稻收获期氮素累积速率为负值，吸氮量降低，说明紫云英氮比化肥氮对作物吸收的后效更强，能够有效满足水稻生育后期对氮素的需求。氮肥施用量超过一定水平后施氮的促进氮素吸收作用降低转化为抑制作用，水稻植株吸氮量随之降低，因此当紫云英翻压量过多时，若不合理配施减量化肥，可能会降低土壤氮素的可利用性[17,27-28]，本研究中，在水稻生育期，紫云英翻压量小于22500 kg/hm2时，水稻植株吸氮量随翻压量增加而增加，而翻压量大于22500 kg/hm2时吸氮量明显降低。因此确定紫云英翻压量与氮肥的最佳配施比例有利于高效利用紫云英氮素，有效提高土壤氮素利用率。湖北荆州单季稻种植区两年翻压量试验研究表明，减施20%～40%氮肥，紫云英处理翻压量为 30000 kg/hm2时增产效果最明显，水稻稻谷和稻草产量随着紫云英翻压量增大均呈现先增加后降低的趋势[29]。本研究中，紫云英翻压量为15000 kg/hm2时有最大早稻产量，翻压量为30000 kg/hm2时有最大晚稻产量和双季稻产量。从产量及作物吸氮量等效益方面综合来看，30000 kg/hm2为江西高安双季稻区化肥减施20%条件下紫云英最适翻压量。

3.2 不同紫云英翻压量配施减量化肥对土壤肥力的影响及其与水稻吸氮的关系

土壤速效养分含量反映了土壤的养分供应能力，是实现水稻高产的营养基础[30]。前人研究表明，影响水稻产量的肥力因子主要是土壤速效钾、土壤有效磷和土壤有机质[31]，水稻产量与水稻氮、磷、钾素的吸收量显著正相关[32]。紫云英配施化肥下土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量对水稻产量有显著影响[33]，紫云英翻压还田后，养分释放效率为钾>磷>氮，尤其是钾在紫云英腐解前10天基本释放完全[34-35]，为水稻的生长发育创造了一个良好的环境，促进水稻植株吸收养分，进而实现增产。土壤中速效钾的状况与作物吸收、土壤固持与解吸、绿肥的矿化等过程相关[36]。施用钾肥可以明显提高水稻产量，同时通过促进氮代谢相关酶的活化，显著增强水稻对氮素的吸收，提高氮肥利用率[37-38]。本研究中，土壤速效钾、有效磷、全氮和无机氮含量对水稻产量和植株吸氮量均有较大贡献，其中速效钾含量的贡献率最大，与前人研究结果一致，体现了紫云英对土壤速效养分的影响在提高作物产量上发生了重要作用，同时表明钾素是影响江西双季稻田水稻产量的重要肥力因子，土壤供钾能力是影响水稻生长的重要因素。

紫云英与化肥配施可以培育土壤碳库和氮库，改善土壤理化性状。本研究中，与常规化肥处理相比，冬种紫云英配施减量20%化肥提高了收获期土壤全氮和有机质含量，与前人[8-9,17,39]研究结果一致。本研究中，土壤供氮高峰期出现在水稻分蘖期，分蘖期后水稻增长速率加快，氮素迅速积累。紫云英翻压入土后，经微生物矿化分解其所含氮缓慢释放进稻田土壤里，土壤供氮能力提高，早稻移栽后水稻幼苗期对养分的吸收能力较弱，导致紫云英前期释放的氮素不能被水稻充分利用，无机氮在土壤中积累[40]。水稻分蘖期后根系吸氮能力增强，水稻生长氮素需求变强，恰好与土壤高效供氮期相重合。在紫云英-水稻轮作系统中，紫云英与化肥配施，既能满足水稻对速效养分的需求，又能有一定的后效，为水稻持续不断地提供养分，促进其营养生长和生殖生长。

4 结论

在江西双季稻区，在减施常规量化肥20%的条件下，种植并翻压适量紫云英可有效提升早稻的氮素供应，提高早稻稻谷吸氮量、当季氮肥利用率和氮肥偏生产力，增加早稻和晚稻的产量。翻压高量紫云英有利于培育土壤碳库和氮库，提高土壤无机氮、全氮和有机质含量，提高土壤供氮能力。在供试条件下，紫云英翻压量为30000 kg/hm2的综合增产及提高氮肥效益的效果最好。