安徽单季稻区紫云英翻压的氮肥替代效应

卜容燕，韩 上，李 敏，程文龙，胡 润，郑仁兵，王 慧，唐 杉，高嵩涓，曹卫东，武 际*

（1 安徽省农业科学院土壤肥料研究所/养分循环与资源环境安徽省重点实验室，安徽合肥 230031；2 池州市农业科学研究所，安徽池州 247000；3 霍山县农业技术推广中心，安徽霍山 237200；4 南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210095；5 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

水稻是我国重要的粮食作物，占到全国粮食总产量的1/3以上，水稻的高产和稳产对保障我国粮食安全起着至关重要的作用[1]。氮养分是限制水稻产量的重要因子，外源氮养分的提供是提高水稻产量的重要措施[2]。化肥具有肥效快、施用方便等特点。然而也有研究表明，在没有有机物料的投入下，长期单施化肥易造成土壤理化性质变差，从而导致土壤肥力下降[3]。当前我国水稻生产中普遍存在氮肥过量施用的现状[4–5]。大量氮肥的投入不仅没有带来产量的同步提升，还造成了一系列的环境问题，不利于我国农业的可持续发展[6]。因此如何在兼顾水稻产量与氮肥高效利用的基础上，提升稻田土壤质量、改善农田环境是当前我国水稻生产中迫切需要解决的科学问题。

紫云英是我国南方稻田主要的冬季豆科绿肥，具有固氮活磷、培肥地力作用[7–8]。稻田种植利用紫云英可以减少水稻对化肥的依赖，降低生态环境的压力。周国朋等[9]通过不同地点连续定位试验发现，长期紫云英翻压还田能有效促进稻田土壤有机质积累，提高土壤碳库活性及可溶性有机质的分子量和腐殖化程度。紫云英含有丰富的氮、磷、钾养分，翻压还田以后可以释放供下季水稻吸收利用[10]。高嵩涓等[11]对全国11个联合定位试验930个数据汇总分析，明确了冬种紫云英在不减少化肥用量或化肥减施20%的条件下水稻增产效果依然显著，在化肥减施40%时可保障水稻不减产。鲁艳红等[12]研究表明，在种植利用紫云英的基础上适量的减少化肥用量不仅不会造成水稻的减产，还能显著提高收获指数。张颍睿等[13]研究也表明，紫云英和化肥配施可以提高肥料的利用效率。因此将紫云英纳入稻田种植系统是实现水稻高产、稳产和可持续发展的重要措施。

安徽省稻田面积高达220万hm2，位于全国前列，是我国重要的水稻生产基地。因此在安徽稻田系统建立紫云英与化肥配施的施肥体系具有十分重要的意义。目前在稻田系统冬种紫云英作绿肥的节肥增效作用已经得到广泛验证，但是区域间仍然存在差异。在安徽稻作区，有关冬种紫云英与化肥减量配施对水稻产量和氮肥利用率影响的研究鲜见报道。本研究以此为契机，连续两年在安徽省两个水稻主产区设置田间试验，研究稻田种植利用紫云英条件下减施不同比例化学氮肥对水稻产量、氮素吸收、氮肥利用效率以及土壤养分含量的影响，以期为安徽稻田紫云英翻压还田后氮肥科学施用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究的田间试验分别位于安徽省水稻主产区的贵池和霍山。贵池试验点位于安徽省池州市贵池区 (北纬 30°38′8′′，东经 117°24′34′′)，该地区属于典型的北亚热带季风气候区，年均降水量1600 mm，年均日照1800 h，年均气温16.5℃，供试土壤属于河流冲积物发育的水稻土，质地为黏土。霍山试验点位于安徽省六安市霍山县 (北纬 31°22′28′′，东经116°19′42′′)，该地区属于典型的北亚热带季风气候区，年均降水量1366 mm，年均日照1750 h，年均气温15.3℃，供试土壤属于河流冲积物发育的水稻土，质地为沙壤土。两个试验点的种植制度均为一季中稻。供试土壤基础理化性质见表1。

表1 供试土壤基础性质Table 1 Basic properties of experimental soils

1.2 试验设计

本研究两个试验点试验处理一致，共设7个处理，包括：冬闲+不施氮肥(–N)和冬闲+常规施氮(100%N)两个对照，以及冬种紫云英条件下，施常规氮肥量的 0% (Mv)、40% (Mv+40%N)、60% (Mv+60%N)、80% (Mv+80%N)和 100% (Mv+100%N) 5 个处理。常规氮肥用量为202.5 kg/hm2，均施于水稻上，基肥、分蘖肥和穗肥按50%、20%和30%施用。所有处理水稻季均一次性基施P2O575 kg/hm2和K2O 150 kg/hm2，每个处理设3次重复，小区面积为20 m2，随机区组排列。紫云英采用撒播的方式播种，播种量为30 kg/hm2。次年水稻移栽前20～25 天翻压，鲜紫云英翻压量控制在20000～22500 kg/hm2。如果当年紫云英生长量不足，补充至20000 kg/hm2；如果紫云英鲜草量超过22500 kg/hm2，多余的部分刈割移出。水稻采用育秧移栽，移栽密度为20万蔸/hm2。氮、磷、钾肥料品种分别为尿素(46% N)、过磷酸钙(12% P2O5)和氯化钾(60% K2O)。紫云英品种为‘弋江籽’，水稻品种均为当地的主推品种，其中贵池为‘晶两优华占’，霍山为‘欣降1号’。田间管理按照常规的栽培技术要求进行，病虫害及杂草的防治同当地农田管理措施一致。

1.3 样品采集与测定

在2017年紫云英播种前，以整个试验田块为采样单元，采用“S”形取样方法在试验田块内采集15个点的0—20 cm土壤样品，用于测定基础土壤理化性状。在2019年水稻收获后，在每个试验小区采用“S”形取样方法在试验田块内采集6个0—20cm土壤，作为试验结束后土壤样品。采集的土壤样品剔除杂质后，风干过筛，供理化性质分析用。采用1∶3的土水比、超声波破碎的方法分离土壤中颗粒有机物和非颗粒有机物，再分别测定有机质含量。土壤总有机质和颗粒态有机质中碳含量采用重铬酸钾容量法测定；土壤总有机质和颗粒态有机质中氮含量采用浓H2SO4消化—流动注射分析仪测定；有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用1 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法测定；pH按照水土比2.5∶1 用pH 计测定[14]。

水稻样品采集与分析：每季水稻收获当天在每个小区随机选择6株水稻地上部样品，分器官(籽粒和茎秆)于105℃杀青30 min，然后经过60℃烘干磨细过筛。粉碎后的籽粒和茎秆样品分别采用浓H2SO4–H2O2消化后，用凯氏定氮法测定水稻不同器官氮的含量。

水稻产量：各个小区单打单收测产。

1.4 计算方法[15]

氮肥利用率 (recovery efficiency of applied N，REN，%)=(U–U0)/ F×100，其中 U、U0 分别为施氮、不施氮处理作物收获期地上部总吸氮量，F代表氮肥投入量。

氮肥农学效率 (agronomic efficiency of applied N，AEN，kg/kg) 指单位施氮量所增加的作物籽粒产量，AEN=(Y–Y0)/F，其中Y、Y0分别为施氮、不施氮处理作物收获期水稻产量。

1.5 数据分析

试验数据采用Excel和SPSS 17.0软件进行分析整理，并采用最小显著性法(LSD)检验数据差异的显著性水平(P<0.05为显著)，所有图形均用Origin 2017软件进行绘制。

2 结果与分析

2.1 紫云英配施减量氮肥对水稻产量的影响

图1显示，贵池和霍山两年试验不施氮肥处理(–N)水稻平均产量分别为 6367 和 5503 kg/hm2，显著低于其他处理(P<0.05)；100%N处理水稻平均产量分别为9296和7683 kg/hm2，比–N处理分别增产46.0%和39.6%；Mv处理水稻平均产量分别为7039和6050 kg/hm2，比–N处理分别增产10.6%和9.9%，但显著低于100%N处理(P<0.05)。这说明在稻田种植利用紫云英有利于增加水稻产量。在翻压紫云英处理中，Mv+60%N处理两地、两年水稻产量平均为8349 kg/hm2，Mv+60%N、Mv+80%N和Mv+100%N处理水稻产量与100%N处理差异不显著，但显著高于Mv+40%N和Mv处理(P<0.05)，说明在种植利用紫云英基础上，施氮量不足常规施氮的60%时不能满足水稻的氮素需求，施氮量超过常规施氮的60%时，水稻的产量不再明显增加，甚至有降低的趋势。

图1 不同处理下贵池和霍山水稻产量(2018和2019)Fig.1 The rice yield in Guichi and Huoshan under different treatments in 2018 and 2019

2.2 紫云英配施减量氮肥对水稻氮素吸收的影响

表2表明，贵池和霍山两年试验–N处理水稻平均氮吸收量分别为86.9和74.8 kg/hm2，100%N处理水稻氮素吸收量分别为141.9和118.9 kg/hm2，分别比–N处理增加63.5%和65.7%。贵池和霍山两年试验Mv处理水稻氮素吸收量分别平均为97.9和87.2 kg/hm2，分别比–N处理增加12.6%和16.7%，但显著低于100%N处理(P<0.05)。在种植利用紫云英的基础上，Mv+60%N、Mv+80%N和Mv+100%N处理水稻氮素吸收量与100%N处理差异不显著，但显著高于Mv+40%N和Mv处理(P<0.05)。这说明与100%N处理相比，在种植紫云英的基础上减少40%常规氮肥不降低水稻植株对氮素的吸收。

表2 不同处理对水稻氮素吸收量的影响Table 2 The effects of different treatments on N uptake of rice

2.3 紫云英配施减量氮肥对水稻季氮肥利用率的影响

表3表明，贵池和霍山试验100%N处理氮肥表观利用率平均为30.1%和25.9%，氮肥农学效率平均为14.7%和11.3%。与100%N处理相比，Mv+40%N、Mv+60%N、Mv+80%N和Mv+100%N处理的水稻季氮肥利用率分别平均提高了46.3%、31.6%、16.1%和4.4%，氮素农学效率分别提高了61.6%、43.6%、23.2%和0.1%。贵池氮肥表观利用率2018年以Mv+60%N处理最大，而2019年为Mv+40%N处理最大，农学效率也最大；在霍山两年试验均是Mv+40%N处理氮肥表观利用率和氮肥农学效率最大，其次是Mv+60%N处理。

表3 不同处理对水稻季氮肥利用率的影响Table 3 N utilization rate in rice season in different treatments

2.4 紫云英配施减量氮肥对有机质组分的影响

氮肥用量和种植利用紫云英均显著影响土壤有机质和活性有机质(颗粒态有机质)中碳和氮的含量(表4)。在本试验条件下，所有施肥处理土壤有机质中碳含量均显著高于–N处理。100%N处理贵池和霍山土壤有机质中碳含量比–N处理分别增加了6.6%和1.4%。与100%N处理相比，贵池和霍山紫云英配施氮肥增幅分别为3.3%～13.4%和7.6%～13.8%。与总有机质变化趋势相同，贵池和霍山紫云英与化学氮肥配施处理土壤颗粒态有机质中碳含量比100%N处理增幅分别为14.9%～24.5%和20.6%～32.0%。种植紫云英有利于提高土壤质中碳的含量，其中颗粒态有机碳含量增加幅度高于总有机碳。

表4 2019年不同处理对土壤总有机质和颗粒态有机质碳氮的影响(g/kg)Table 4 Total and particulate total organic matter C and N contents in soil under different treatments in 2019

在没有氮养分投入的条件下，贵池和霍山土壤总有机质氮和颗粒态有机质氮含量最低。外源氮养分投入后，这两种有机质组分氮含量明显增加。与–N处理相比，其中100%N处理，贵池和霍山土壤总有机质氮含量分别增加20.6%和14.1%；颗粒态有机质氮含量分别增加33.3%和37.5%。种植利用紫云英且没有化学氮肥投入条件下，贵池和霍山土壤总有机质氮含量分别增加11.1%和9.0%；颗粒态有机质氮含量分别增加30.6%和16.7%。与100%N处理相比，单种紫云英土壤总有机质氮和颗粒态有机质氮的含量降低。在种植翻压紫云英基础上，土壤总有机质氮和颗粒态有机质氮含量均随着氮肥用量的增加而增加，贵池和霍山均是Mv+100%N处理最高。其中土壤总有机质氮分别增加3.9%和3.1%；颗粒态有机质氮分别增加39.6%和21.2%，颗粒态有机质氮含量增加幅度高于总有机质氮含量。

3 讨论

3.1 紫云英配施减量氮肥对土壤有机质组分的影响

合理地进行有机无机肥配施是提高作物产量、培肥地力，实现化肥零增长的有效途径[16–18]。大量研究表明，长期紫云英还田有利于改善土壤肥力[19]。一方面大量的紫云英还田可以增加土壤有机碳输入，提高土壤养分含量；另一方面紫云英可以活化土壤中的养分，提高速效养分的含量[20]。与单施化肥处理相比，紫云英翻压还田配施减量化肥能够提升土壤碳和氮的含量。在本研究中，贵池和霍山总有机碳分别增加3.3%～13.4%和7.6%～13.8%。与土壤总碳变化趋势相同，两地、两年土壤全氮含量随着氮肥用量的增加表现为增加趋势，当紫云英配施60%常规氮肥时，土壤全氮的含量高于100%N处理。两地、两点土壤总有机碳含量随着氮肥用量的增加表现为增加趋势。这一方面和紫云英含有大量的碳和氮元素有关，另一方面施氮肥能够增加水稻的生物量，从而增加了土壤碳和氮的投入(如：根系、残茬、根系分泌物等)。不同施肥处理除了增加土壤总有机碳的含量，也明显增加土壤活性有机碳含量。土壤颗粒态有机物主要来源于部分分解的动植物残体，是有机质中腐殖化程度较低而活性较高的组分，被认为是微生物活动的重要碳源和氮源，也是土壤有机氮矿化的主要的“库”[21]。本研究中连续2年紫云英还田可以提高土壤总有机质和颗粒态有机质中碳和氮的含量，其中颗粒态有机质中碳和氮含量增加幅度高于总有机质。这是因为紫云英翻压向土壤中投入的有机物的数量明显高于单施化肥处理，增加了土壤颗粒态有机物质来源，有利于物质积累。颗粒态有机质含量和组成直接关系到土壤氮素供应能力[22]。由此可见，连续紫云英还田培育了土壤碳和氮库，提高了土壤氮素供应能力，进而保障了水稻高产和稳产。

3.2 紫云英配施减量氮肥对水稻产量和氮素吸收的影响

紫云英作为我国南方稻田主要的有机肥源，不仅可以释放养分供水稻吸收利用，还可以改善土壤肥力，促进水稻高产和稳产[23–25]。在本试验条件下，与100%N处理相比，紫云英替代40%化学氮肥，不会造成水稻减产。这个结果与高嵩涓等[11]、周兴等[26]、张璐等[27]研究结果一致。紫云英是典型的豆科绿肥，可以通过与根瘤菌共生固氮将大气中的N2固定在体内，研究表明紫云英体内50%以上的氮素是来自共生固氮[28]。在本试验条件下，通过对紫云英的生物量和氮积累量进行估算可知，每年紫云英还田生物量在20000～22500 kg/hm2，带入的氮素为52～60 kg/hm2，这部分带入的氮是增加水稻产量和氮素吸收的重要原因。紫云英与化学氮肥配施，速效的化学氮肥可以满足水稻早期对氮素的需求，而紫云英的腐解相对较慢，可以持续不断的释放养分供水稻吸收利用，从而促进水稻的生长发育[29]。王赟等[30]研究表明紫云英翻压还田后有利于提高水稻有效穗，从而保证了水稻的高产和稳产。除此之外，紫云英与化学氮肥配施促进土壤微生物繁殖，增加土壤微生物对速效氮素的固定，减少矿质氮素的损失，提高了水稻季氮肥利用效率[31–32]。本研究也发现，与单施100%化肥相比，紫云英还田减施化学氮肥能够提高水稻季氮肥表观利用率和农学效率，因而有降低氮损失及环境污染风险的能力。Zhu等[33]研究表明紫云英配合氮肥减施更有利于氮素在土壤耕层的残留和保存，进而补充了土壤氮库。15N同位素标记试验也表明，紫云英替代化学氮肥条件下，水稻收获后土壤氮肥残留率是单施化肥的2倍以上，这说明紫云英和化学氮肥配施可以增加土壤对氮素的固定，减少氮素损失[34]。因此本研究中，第二年试验种植翻压紫云英对水稻产量和氮素吸收的增加效果好于第一年，也可能是由于未被第一季水稻作物利用的氮素并未流失，进而提高了土壤氮素供应能力，为第二季水稻进一步吸收利用所致。因此在水稻生长中，应该充分考虑紫云英的氮肥替代效应，合理地进行氮肥用量推荐。

4 结论

在安徽单季稻区，冬季种植并翻压紫云英可以大幅减少化肥氮的投入量，其最大氮素替代效应是40%的化学氮肥，在此替代比例下，水稻产量和氮素吸收与施用常规氮量无显著差异，水稻季氮肥利用率和农学效率分别平均提高了31.6%和43.6%，冬种紫云英还显著提高了土壤颗粒有机质中的碳和氮含量，增加了土壤碳、氮的稳定性，有利于土壤的培育。