皖南单季稻区种植利用紫云英对水稻产量、氮肥利用率及稻米品质的影响

卜容燕，韩 上，程文龙，胡 润，朱 勤，李 敏，王 慧，唐 杉，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 247100）

近年来，随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对优质稻米的需求进一步提高。稻米的品质除了受水稻基因型和气候条件影响外，肥料的影响不可忽视，尤其是氮肥的投入［1-3］。传统农业在生产中过度依赖化学肥料，不仅带来了较多的资源浪费，还造成了严重的环境污染问题［4］。因此，如何通过合理的施肥来实现水稻产量、品质和肥料利用效率的同步提升是目前亟须解决的问题。

紫云英是传统的稻田豆科绿肥，在我国南方稻作区，利用冬闲田种植紫云英不仅可以充分地利用光热资源［5］，还可以利用其生长过程中的生物固氮作用补充土壤氮库，具有培肥土壤的作用［6-7］。紫云英植株含有丰富的氮素，翻压还田后能释放大量的养分供下季水稻吸收利用［8］。Cai等［9］对紫云英体内的氮来源进行定量化研究发现，有78%的氮素来自生物固氮，翻压还田后带入土壤的氮素高达93 kg/hm2。不同于化学氮肥，Zhu等［10］研究指出紫云英腐解释放的氮更能匹配水稻氮素需求，因此，在稻田系统种植利用紫云英，可在保障水稻产量的同时适当减少化学氮肥投入，具有较高的经济和环境效益［11］。

氮素作为植物体内重要的组成成分，不仅影响水稻的产量，对优质稻米的形成也是至关重要的［12］。长期以来，国内外在施肥对稻米品质方面进行了大量研究，尤其是在氮肥方面开展的研究相对较多。如张洪程等［13］、刘代银等［14］的研究均表明增施氮肥有利于提高稻米加工、营养和食味品质。在不同氮肥种类方面，侯均昊等［15］研究表明，缓控释肥通过缓慢释放养分满足作物不同生长期养分需求来提高稻米的外观和营养品质。周江民［16］研究表明，适宜有机肥和无机肥配施下稻米品质更佳。以上研究均表明氮肥用量和氮肥种类对稻米品质具有明显的影响，然而目前关于种植利用紫云英替代部分氮肥对稻米品质影响的研究鲜见报道。随着人们对优质稻米的需求不断增加，明确紫云英替代部分氮肥对稻米品质的影响具有重要意义。为此，本文利用已有的定位试验研究紫云英替代部分氮肥对水稻产量、氮素吸收、氮肥利用率和品质的综合影响，以期为优质水稻的生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

供试田块位于安徽省池州市贵池区（30°38′8′′N，117°24′34′′ E），该地区属于典型的北亚热带季风气候区，年平均降水量1600 mm，年平均日照时数1800 h，年平均气温16.5℃；供试土壤属于河流冲积物发育的水稻土，质地为黏土。试验前土壤基本理化性质为：有机质20.2 g/kg、全氮1.3 g/kg、有效磷13.1 mg/kg、速效钾62.4 mg/kg、pH 6.10、土壤容重1.25 g/cm3。

1.2 试验设计

田间试验开始于2017年，本研究选取了其中的6个处理，分别为：（1）冬闲，水稻季不施氮肥（简称-N）；（2）冬闲，水稻季施常规氮肥（202.5 kg/hm2）（简称100% N）；（3）种植利用紫云英，水稻季不施氮肥（简称GM）；（4）种植利用紫云英，水稻季施40%常规氮肥（简称GM+40%N）；（5）种植利用紫云英，水稻季施60%常规氮肥（简称GM+60% N）；（6）种植利用紫云英，水稻季施80%常规氮肥（简称GM+80% N）。所有处理紫云英不施肥，水稻季均施用75 kg/hm2磷肥和150 kg/hm2钾肥。每个处理设3次重复，小区面积为20 m2，随机区组排列。水稻季氮肥分基肥、分蘖肥和穗肥3次施用，施用比例分别为50%、20%和30%。各处理磷肥和钾肥均一次性基施。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 d翻压，鲜紫云英翻压量控制在20000～22500 kg/hm2之间。如果当年紫云英生长量不足20000 kg/hm2，则进行补充；如果紫云英鲜草量超过22500 kg/hm2，则刈割移出。通过养分测定，2017～2020年每个试验小区每年紫云英带入的氮量为51.5～55.9 kg/hm2。水稻采用育秧移栽，移栽密度为20万蔸/hm2。氮、磷、钾肥分别为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%）。紫云英品种为“弋江籽”，水稻品种为当地的主推品种“晶两优华占”。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 测定指标及方法

氮素含量：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，分籽粒和茎秆于105℃杀青30 min，然后所有样品经过60℃烘干磨细过筛，用于氮素含量测定。采用浓H2SO4-H2O2消化后用凯氏定氮法测定氮含量［17］。

外观品质：水稻成熟期时在每个小区随机选取代表性植株6蔸，脱粒后采用水漂法选出饱粒，使用砻谷机出糙后，计算糙米率；然后使用精米机（LTJM-2099，浙江托普仪器公司，杭州）出精，计算精米率；使用稻米外观品质检测仪（JMWT12，北京东孚久恒仪器技术有限公司，北京）测定稻米垩白粒率和垩白度。

营养品质：整精米磨成粉末。稻米直链淀粉含量按NY/T 2639-2014《稻米直链淀粉含量的测定 分光光度法》方法测定［18］。蛋白质含量按GB 5009.5-2016《食品中蛋白质的测定方法》［19］方法测定。微波消解后采用ICP-MS型电感藕合等离子质谱仪（美国Thermo Fisher Scientific公司）测定稻米矿质元素（锌、镁、铁、铜和锰）含量。

水稻产量：各个小区单打单收测产。

1.4 计算方法

氮肥利用率（REN，%），反映了作物对施入土壤中肥料氮的回收效率，即REN=（U-U0）/F×100，其中，U、U0分别为施氮、不施氮时作物收获期地上部总吸氮量，F代表氮肥投入量。

1.5 数据分析

试验数据采用Excel 2016和SPSS 17.0进行分析整理，并采用最小显著性法（LSD）检验数据的差异显著性（P＜0.05），采用Origin 2017进行一元二次肥料效应方程拟合，所有图形均用Origin 2017进行绘制。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对水稻产量、氮素吸收和氮肥利用率影响

2.1.1 产量

不同处理下的水稻产量如表1所示。不施氮肥处理（-N）的水稻产量最低，为6313 kg/hm2。常规施氮处理（100% N）水稻产量为9266 kg/hm2，比不施氮肥处理增产46.8%。种植利用紫云英，水稻季不施氮肥处理，水稻产量为7005 kg/hm2，比不施氮肥处理增产11.0%（P＜0.05）。种植利用紫云英的基础上，水稻产量随着氮肥用量（N 81～162 kg/hm2）的增加表现为逐渐增加的趋势，增幅为28.8%～49.6%。在种植翻压紫云英的基础上减施40%化学氮肥后水稻产量与常规施氮处理无显著差异，但是当氮肥用量低于常规氮肥用量40%后水稻产量显著降低，降幅为7.9%（P＜0.05）。

2.1.2 氮素吸收

不同施肥处理对水稻氮素吸收影响较大（表1）。所有施肥处理水稻籽粒和秸秆氮素积累量均显著高 于-N处理（P＜0.05）。其中100% N和GM+80% N处理氮素总吸收量最高，分别为156.7和157.2 kg/hm2。其次是GM+60% N处理，为147.2 kg/hm2，比100% N处理 低6.5%（P＜0.05）。从 水稻不同部位氮素分配角度分析可知，GM+60% N处理籽粒氮素吸收量占总吸收量的比例最大，为65.3%；其次是GM+80% N处理，为63.1%。虽然100% N处理水稻氮素总吸收量较高，但是籽粒氮素吸收量占总吸收量的比例为61.3%，低于种植利用紫云英处理，说明种植利用紫云英配施适宜的氮肥用量有利于促进水稻籽粒氮素的吸收。

2.1.3 氮肥利用率

不同施肥处理对水稻季氮肥利用率具有明显影响（表1）。100% N处理氮肥利用率为33.0%。在种植利用紫云英的基础上，水稻季氮肥利用率为36.8%～41.7%，均显著高于100% N处理（P＜0.05）。以上表明种植利用紫云英有利于提高水稻季氮肥利用率。

表1 不同施肥处理对水稻产量、氮素吸收和氮肥利用率的影响

2.2 不同施肥处理对稻米品质的影响

2.2.1 稻米加工和外观品质

表2表明不同处理对稻米加工和外观品质有明显的影响。与-N处理相比，施肥处理均能提高稻米的糙米率、精米率和整精米率，降低了稻米的垩白度，对垩白粒率影响不显著。其中单施化肥处理稻米的糙米率、精米率和整精米率分别增加2.4%、1.1%和4.1%，垩白度下降6.3%。种植利用紫云英配施60%、80%化学氮肥处理稻米的糙米率、精米率和整精米率均高于单施化肥处理，垩白度低于单施化肥处理。这表明种植利用紫云英的基础上配施合理的氮肥可以有效地改良稻米的加工和外观品质。

表2 不同施肥处理对稻米的加工和外观品质的影响 （%）

2.2.2 稻米直链淀粉和蛋白质含量

由图1可知，不同施肥处理稻米的直链淀粉含量为13.3%～17.6%。不施肥处理稻米的直链淀粉含量最高，施肥均不同程度降低了稻米的直链淀粉含量，降幅为17.6%～24.7%，达到显著水平。从不同施肥处理看，种植利用紫云英基础上配施化学氮肥处理有利于降低稻米的直链淀粉含量，降幅为3.7%～8.4%，GM、GM+40% N和GM+60% N 3个处理的稻米直链淀粉含量最低。

图1 不同施肥处理对稻米的直链淀粉和蛋白质含量的影响

与直链淀粉含量变化趋势不同，不施肥处理稻米蛋白质含量最低，施肥均不同程度地增加了稻米的蛋白质含量。总体上表现为随着氮肥用量的增加表现为增加的趋势。其中GM+80% N和100% N处理稻米蛋白质含量差异不显著，分别为78.4%和77.8%。

2.2.3 稻米矿质元素含量

由表3可知，不同施肥处理下稻米钙、镁、铁、锌含量的变化趋势一致，与-N处理相比，施氮后稻米钙、镁、铁、锌含量增加。100% N处理较-N处理，其钙、镁、铁、锌的含量分别显著提高23.5%、8.8%、3.1%、1.2%。种植利用紫云英可以提高稻米钙、镁、铁、锌的含量，其中以GM+80% N处理增幅最大，其钙、镁、铁、锌的含量较-N处理分别显著提高了41.3%、24.9%、12.7%、4.9%；较100% N处理分别显著提高了14.4%、14.8%、9.4%、3.7%。

表3 不同施肥处理稻米钙、镁、铁、锌含量的影响 （mg/kg）

3 讨论

3.1 不同施肥处理对水稻产量、氮素吸收和氮肥利用率的影响

本试验结果表明，在经过了4年种植利用紫云英后，化学氮肥用量减量40%下水稻产量不减产。这个结果与高嵩涓等［11］研究结果相似。紫云英是典型的豆科绿肥，可以通过与根瘤菌共生固定大气中氮气［5，20］，杨璐［21］研究表明紫云英体内有59%～85%的氮来自生物固氮。在紫云英-水稻轮作系统中，紫云英于盛花期翻压还田后可释放其体内积累的氮素供下茬水稻吸收利用。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之间，带入的氮量为51.5～55.9 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。另外，长期紫云英还田，有利于改善土壤肥力［22-23］。一方面大量的紫云英还田可以增加土壤的有机碳输入，增加土壤养分含量［24］；另一方面低碳氮比的有机物料还田可以增加土壤微生物的多样性和丰富度，改善土壤氮素的有效性［25］。有研究认为，紫云英还田后释放的氮素比化学氮肥更匹配水稻氮营养的需求［10］。氮同位素示踪试验结果表明，紫云英还田后，水稻体内有25%～45%的氮素来源于紫云英［26］，因此，紫云英是水稻很好的养分来源。除此之外，紫云英腐解初期会固定土壤中过多的氮素，减少氮素损失，这部分被固定的氮素在水稻生育后期可以释放供水稻吸收利用［27］。本试验结果也表明，种植利用紫云英的基础上配施适宜的氮肥可以提高水稻季氮肥利用效率，经过了4年紫云英翻压还田后，可以替代水稻季40%的化学氮肥，有利于水稻节肥增效。

3.2 不同施肥处理对稻米品质的影响

稻米的品质除受遗传因素调控外，其生育过程中施肥措施会对稻米品质产生较大的影响［28］。大量研究表明在作物生长过程中氮素营养状况是决定作物产量和品质的关键因素之一［29-30］。孟琳等［31］研究认为有机肥替代10%～20%化学氮肥用量，可以改善土壤氮素供应过程，为水稻的生长持续提供养分，从而提高了水稻的产量和品质。俞卫星等［32］和李武等［33］研究也表明，与速效化学氮肥施用相比，缓释氮肥施用更有利于提高稻米品质。在水稻生长前期施氮主要影响水稻分蘖数和单位面积穗数；水稻生长后期施氮主要是影响水稻的产量和品质［34］。已研究指出紫云英仅生物固氮就能为下茬水稻提供24～55 kg/hm2的氮素营养［35］。Singh等［26］研究发现水稻体内有25%～45%的氮素来源于豆科氮素。Zhu等［10］研究指出紫云英释放的氮素能更好地匹配水稻的氮素需求。除此之外，在改善土壤碳库和氮库的同时，长期紫云英还田也带来了大量的磷、钾和其他的中微量元素等养分，从而促进了水稻的生长和养分吸收，提高了稻米的品质［36］。种植利用紫云英的基础上，合理减施化学氮肥能确保水稻各个时间养分稳定供应，提高了水稻籽粒产量和改善了稻米品质。本研究中氮肥类型和用量均会对稻米品质指标产生不同程度的影响，种植利用紫云英后有利于改善稻米品质，但与100% N处理相比，种植紫云英后，配施的化学氮肥用量不足时对稻米的加工品质影响不大，但不利于稻米的外观品质和营养品质。这与唐继伟等［2］研究结果一致，无论是有机肥氮还是化学氮肥，适宜氮肥用量条件下稻米品质较好，氮肥用量不足或者过量均不利用稻米品质。当达到一定氮用量时，适宜的有机无机配施更有利于提高水稻的品质。在本研究中，GM+80% N处理稻米加工品质、外观品质和营养品质最佳；其次是GM+60% N处理。其中GM+60% N处理稻米的糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、直链淀粉、钙、镁、铁和锌含量与GM+80% N处理差异不显著；但垩白度和蛋白质含量显著低于GM+80% N处理（P＜0.05）；当化学氮肥用量低于60%常规氮肥用量时，水稻的产量和品质均受到不同程度的影响。这说明首先要保障作物的氮素需求，然后进行合理的有机无机配施才是改善水稻品质的关键。梁琴等［36］研究也表明绿肥配施适量的氮肥有利于提高稻米的整精米率。因此在本试验条件下，在种植利用紫云英的基础上减施40%化学氮肥较为合适，有利于水稻获得高产和改善稻米品质。

4 结论

4年田间定位试验研究表明，在长期种植利用紫云英的基础上，适量减水稻季化学氮肥用量对水稻产量、氮素吸收、氮肥利用率和品质均具有显著的影响。与常规施氮处理相比，在种植利用紫云英的基础上，水稻季减施40%化学氮肥不会降低水稻的产量，有利于提高水稻季氮肥利用率和稻米的糙米率、精米率、整精米率、钙、镁、铁及锌含量，降低了垩白度、直链淀粉和蛋白质含量。综合考虑作物的产量、氮肥利用率和品质效应，在本试验条件下，种植利用紫云英、水稻季氮肥减施40%比较适宜，有利于水稻节肥增效并获得优质稻米。