紫云英替代化肥对土壤养分和水稻产量的影响

季卫英，斯林林，王建红*，徐静，曹凯，张贤

(1.浙江省耕地质量与肥料管理总站，浙江 杭州 310020； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

施肥是维持水稻高产的重要措施，但过度依赖及过量投入化肥等问题在我国长期存在且日益突出。化肥过量施用不仅降低了肥料利用率，造成资源浪费，而且还可能引发作物产量和品质下降，加速温室气体排放，降低土壤质量，污染生态环境，甚至影响人体健康[1-2]。在化肥和农药双减政策的大背景下，减少化肥不合理施用是实现农业转型升级和绿色发展亟待解决的现实问题[3]。

种植并利用绿肥是我国传统农业耕作的精华，曾经对我国农业发展做出过巨大贡献[4]。在没有大规模生产和运用化肥之前，绿肥还田是稻田培肥的重要举措之一。我国有着丰富的绿肥资源[5]，常见绿肥氮、磷、钾养分累积量分别为214、48和165 kg·hm-2。绿肥腐解过程中释放的养分一定程度上能够为土壤和后茬作物提供养分[6]，从而减少化肥施用量，达到降低农业生产成本的目的。

紫云英是常见的豆科绿肥之一。紫云英-单季稻轮作模式的减肥增效作用已得到充分验证。长期定位试验[7]表明，紫云英替代40%的常规化肥施用量后水稻无显著减产，同时，土壤有机质、全氮含量分别增加4.15%和1.74%。本研究通过紫云英-单季稻轮作的田间试验，分析紫云英替代不同比例化肥对土壤养分、水稻产量、水稻养分含量和养分偏生产力的影响，以期为试验区水田推广紫云英-单季稻耕作制度下合理施用化肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在衢州市衢江区全旺镇全旺村进行。试验田耕作层土壤pH 5.6，有机质28.90 g·kg-1，全氮1.94 g·kg-1，碱解氮162 mg·kg-1，全磷0.48 g·kg-1，有效磷20.0 mg·kg-1，全钾37.6 g·kg-1，速效钾 64 mg·kg-1。

供试水稻为籼型两系杂交稻韵两优332，紫云英品种为宁波大桥种。复合肥含N 23%、P2O58%、K2O 15%，单质肥料分别为市售尿素(N 46%)和氯化钾(K2O 60%)。

1.2 处理设计

试验设8个处理：冬闲+不施肥(0GM+0CF)；冬闲+常规化肥(0GM+100%CF)；紫云英+常规化肥(GM+100%CF)；紫云英+92%化肥(GM+92%CF)；紫云英+84%化肥(GM+84%CF)；紫云英+76%化肥(GM+76%CF)；紫云英+68%化肥(GM+68%CF)；紫云英+60%化肥(GM+60%CF)。小区面积60 m2，3次重复，小区四周筑田埂，并用塑料薄膜隔离，各小区单灌单排。

紫云英于2019年10月10日播种，播种量为30 kg·hm-2，紫云英生长期间不施用肥料，2020年4月15日盛花期测定鲜样产量后翻压，平均还田量62 280 kg·hm-2。水稻于2020年5月15日播种，6月17日移栽，种植密度为22.5 cm×22.5 cm，10月12日收获。水稻生育期内采取适度干湿交替灌溉，其他田间管理措施各小区均保持一致。水稻移栽前1 d施用复合肥作基肥，6月28日追施尿素和氯化钾。常规氮肥、磷肥和钾肥总用量分别为276、60和247.5 kg·hm-2。

1.3 测定分析

各小区随机采取10丛成熟期水稻，风干后测定有效穗、穗粒数、结实率、千粒重等产量构成因素，水稻产量实收计产。水稻成熟后在各小区随机采取5丛长势均匀的水稻，冲洗去除泥土，置于105 ℃杀青30 min后75 ℃烘至恒重。研磨过0.25 mm筛后采用浓硫酸-过氧化氢法消解秸秆和籽粒。植株氮、磷、钾分别采用蒸馏法、钼蓝比色法和火焰光度法进行测定。

水稻收获后，每个小区随机采集5个土壤样品，并均匀混合后按四分法缩样。土样采集完成后风干过筛用于测定理化性质。按照土∶水1∶2.5测定土壤pH。土壤有机质采用重铬酸钾-硫酸氧化法。土壤全氮和碱解氮分别采用半微量凯氏定氮法和氢氧化钠水解扩散法测定。有效磷利用盐酸-氟化铵按土∶液1∶10浸提后比色测定。速效钾利用1 mol·L-1乙酸铵按土∶液1∶10浸提后采用火焰光度法测定。

利用Microsoft Excel 2010和SPSS 13.0软件进行数据处理和统计分析，运用Duncan，s新复极差法进行多重比较和差异显著性检测(P<0.05)，采用Sigmaplot 10.0进行制图。

2 结果与分析

2.1 对土壤养分的影响

不同施肥处理土壤有效磷、速效钾含量无显著差异(表1)。0GM+100%CF处理较GM+100%CF处理相比，土壤各理化性质无显著变化，说明常规化肥施用量下翻压紫云英短期内对土壤养分含量影响不显著。与CK相比，各施肥处理土壤有机质、全氮含量分别提高2.73%～8.30%和1.72%～8.05%。GM+68%CF处理有机质和全氮含量最高，较0GM+100%CF处理分别显著提高5.40%和7.26%，说明在土壤有机质和全氮的提升效果上，翻压紫云英可替代32%的常规化肥施用。翻压紫云英条件下，化肥施用量由60%提高至92%时，土壤碱解氮显著上升。

2.2 对水稻产量及构成要素的影响

与CK相比，各施肥处理水稻产量显著提高19.64%～79.46%，这主要归因于施肥能有效提高水稻有效穗(表2)。0GM+100%CF处理与GM+100%CF处理相比，水稻产量及构成要素无显著变化，说明常规化肥施用量下翻压紫云英对水稻产量影响不显著。翻压紫云英条件下，减少化肥施用量时水稻产量呈先下降再上升后下降的趋势，其中以GM+68%CF处理水稻产量最高。

表2 不同施肥处理的水稻产量及构成要素

2.3 对水稻养分含量的影响

施肥未显著改变籽粒全氮含量、秸秆全磷和全钾含量(表3)。0GM+100%CF处理与GM+100%CF处理相比，水稻不同组织养分含量无显著变化，说明常规化肥施用量下翻压紫云英与否与水稻籽粒和秸秆养分含量无显著关系。GM+60%CF处理水稻籽粒磷含量最低，但GM+60%CF处理水稻秸秆氮含量最高。

表3 不同施肥处理水稻各组织的养分含量

2.4 对养分偏生产力的影响

0GM+100%CF处理与GM+100%CF处理相比，养分偏生产力无显著变化，说明常规化肥施用量下翻压紫云英对氮肥、磷肥和钾肥偏生产力无显著影响。无论是否翻压紫云英，随着化肥施用量的减少，养分偏生产力呈先上升后下降的趋势，其中以GM+68%CF处理养分偏生产力最高。与0GM+100%CF处理相比，GM+76%CF处理养分偏生产力显著提高31.66%～31.93%，GM+68%CF处理养分偏生产力显著提高52.16%～52.47%，GM+60%CF处理养分偏生产力显著提高48.21%～48.52%(图1)。

图1 不同施肥处理的养分偏生产力

3 小结与讨论

试验发现，紫云英还田轮作单季稻，当季水稻收获后施肥处理土壤有机质和全氮含量均不同程度高于CK。在南方双季稻田中进行的紫云英替代化肥试验[8]表明，9 a后不同处理土壤有机质和全氮含量无显著差异，这可能与其持续性耕种双季稻导致有机质的积累和消耗达到某种动态平衡有关。与常规施化肥处理相比，GM+68%CF处理土壤有机质和全氮含量显著提高，说明紫云英替代部分化肥能显著提升土壤有机质和全氮，其他养分含量无明显差异，表明化肥减量32%配合紫云英翻压短期内可维持单季稻田土壤养分供应。梁琴等[9]研究指出,山黧豆替代30%的氮肥后显著提高了土壤有机质和全氮，这与本研究结果一致，豆科绿肥根瘤固氮后还田一定程度上有利于土壤养分积累。

翻压紫云英条件下，化肥减量8%～40%与单施100%化肥处理相比水稻产量无显著减产，这与王飞等[10]翻压18 t·hm-2的紫云英能够替代常规化肥施用量的40%而不会导致水稻减产的结论是一致的。紫云英绿肥还田能够替代化肥的主要机制是,紫云英矿化后有效补充了土壤养分，增加了土壤活性有机质含量[11-12]，本研究中紫云英替代不同用量化肥后，土壤有机质存在不同程度提升的结果也验证了这一点。汪玉磊等[13]在新垦耕地的试验表明，紫云英替代60%的常规用量化肥后水稻未显著减产，这表明翻压紫云英能改善稻田养分供应，进而提高农田生产力。随着紫云英替代化肥比例的增加，水稻产量和养分偏生产力呈先增高后降低的趋势，本试验条件下以紫云英替代32%化肥处理产量最优。这可能归因于紫云英替代化肥比例过大时水稻和土壤微生物之间出现竞争从而影响水稻对养分的吸收[14]。

依据土壤养分、养分偏生产力和水稻产量的表现，试验条件下单季稻田上紫云英替代32%化肥效果最佳，短期内具有一定的减肥增效潜能，但长期来看,紫云英替代化肥对土壤养分和水稻产量的影响有待进一步验证。