紫云英不同翻压量对豫南地区水稻养分吸收及土壤肥力的影响

张 琳，张丽霞，史鹏飞，丁 丽，杜光辉，吕玉虎

（信阳市农业科学院，河南 信阳 464000）

水稻是我国第二大粮食作物和我国65% 以上人口的主食[1]，2022 年种植面积达2 945.01 万hm2，占粮食播种面积的24.89%，稻谷总产20 849.50 万t，占粮食总产的30.37%[2]。水稻的优质高产对保证豫南地区粮食供应和社会稳定具有重要意义。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途径[3]。紫云英是豆科黄芪属植物，为我国南方稻区主要的冬季绿肥之一，紫云英-水稻轮作是南方稻区传统的耕作模式[4]。目前将紫云英作为作为唯一肥源生产有机稻米对水稻的产量、养分吸收量、土壤养分的影响并不明确。因此，研究紫云英作为鲜草的合理翻压量具有重要意义。研究表明，紫云英在培育土壤、改善环境、提高农产品产量和品质、减少化肥投入等方面发挥着重要作用[5-7]。将其翻压腐解可为后茬作物水稻的生长提供氮、磷、钾等速效养分，从而达到在水稻生长期少施或不施化肥条件下能获得较高产量的目的[8-11]。在保证作物不减产以及土壤地力不降低的前提下，用紫云英替代部分化肥的施肥方式是南方稻区减少化肥用量、提高肥料利用效率和减少农业面源污染的有效途径之一[12]。王建红等[13]研究表明，在南方早稻生产中紫云英的适宜翻压量为22.5～30.0 t·hm-2。紫云英翻压量为30 t·hm-2时，沤田时间不少于7 d 覆膜移栽为宜[14]。豫南地区紫云英翻压期在4 月上旬，而水稻种植在5 月下旬[15]，间隔期长达40 d，水稻移栽时紫云英已经腐解较为完全，在较高翻压量时水稻的生长是否会产生不利影响有待试验进一步验证。本研究旨在探讨在紫云英-水稻耕作模式下，将紫云英作为单一肥源时，紫云英不同翻压量对水稻产量、养分吸收量及土壤养分含量的影响，以此来确定紫云英鲜草的最佳翻压量，从而为紫云英作为唯一肥源替代化肥的可能性提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于信阳市农业科学院试验园区内（32°07'N，114°05'E）。该区域属亚热带向暖温带过渡区，年均气温15.1～15.3 ℃；雨水充沛，年均降水量900～1 400 mm；空气湿润，相对湿度年均77%。田间定位试验始于2014 年，供试土壤为黄棕性潜育型水稻土，试验前耕层土壤（0～20 cm）pH 值6.8、有机质16.7 g·kg-1、全氮1.40 g·kg-1、碱解氮70.8 mg·kg-1、有效磷14.5 mg·kg-1、速效钾68.4 mg·kg-1。

1.2 供试材料

试验选用的紫云英品种为当地主栽品种信紫三号，翻压试验采用紫云英盛花期地上部鲜草，试验测得翻压时鲜草水分含量为84.88%，紫云英干草氮、磷、钾含量分别为31.40、3.4、12.4 g·kg-1。供试水稻品种为万隆优140。

1.3 试验设计

试验采用大田小区试验，采用随机区组试验设计，每个处理包括4 次重复，设置5 个处理：（1）不施化肥和紫云英（CK）；（2）翻压22.5 t·hm-2紫云英鲜草（GM22.5）；（3） 翻 压30 t·hm-2紫 云 英 鲜 草（GM30）；（4）翻压45 t·hm-2紫云英鲜草（GM45）；（5）翻压60 t·hm-2紫云英鲜草（GM60）。每年于水稻收获后，设置翻压紫云英处理的处理按照每小区15 g 的紫云英种子播种量进行均匀撒播，小区面积6.66 m2（3.33 m×2.0 m），小区间筑30 cm 田埂并覆塑料薄膜以防止串水串肥，区组间留0.5 m 宽的沟，便于进排水。

每年于盛花期（4 月上旬）刈割各小区紫云英地上部，将其全部混合均匀，按各小区设置的翻压量进行还田，用铁锹将紫云英鲜草均匀切碎并翻入10 cm 深的土层中。水稻于每年5 月下旬划行移栽，小区栽插密度为16.7 cm×20.0 cm，每穴2 棵基本苗。田间管理同常规大田管理一致。不同处理的养分投入量见表1。

表1 不同处理氮、磷、钾养分投入量 kg·hm-2

1.4 样品采集与测定

采集翻压还田前表层土壤和成熟期土壤样品，采用5 点取样法在各小区内取0～20 cm 耕层土壤样品，剔除石砾和植物残体等杂物，将样品在室内风干，磨细过0.149 mm 和2 mm 筛测定土壤指标。于水稻成熟期进行水稻测产，各小区单打单收，风干后，测定稻谷和秸秆产量。并将这部分植株用来测定水稻收获期稻谷和稻草氮、磷、钾养分含量。

使用元素分析仪（Flash Smart,Thermo Fisher Scientific，美国）测定土壤有机质和全氮含量；采用碱解扩散法测定土壤速效氮；采用高氯酸-硫酸法测定土壤全磷含量；采用碳酸氢钠浸提-钼锑钪比色法测定土壤速效磷含量；采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定土壤全钾和速效钾含量[16]。水稻植株通过浓硫酸消煮，采用凯氏定氮法测定全氮含量，钼锑钪比色法测定全磷含量，火焰光度计法测定全钾含量[17]。

1.5 数据分析

本研究分析2021 年数据，采用Microsoft Excel 2017、SPSS18.0、Graph Pad Prism5.0 软件进行数据处理分析及绘图，并通过Duncan 多重比较验证0.05水平上的差异显著性。

以氮素为例，各指标计算公式如下：

式中，不施氮区为CK 处理。

2 结果与分析

2.1 紫云英不同翻压量对水稻稻谷和秸秆产量的影响

不同紫云英翻压处理显著影响了水稻稻谷及秸秆产量（图1）。与CK 处理相比，各翻压紫云英处理显著提高了水稻稻谷产量22.68%～29.44%、秸秆产量31.72%～41.56%。各翻压紫云英处理稻谷和秸秆产量无差异。当绿肥翻压量由45 t·hm-2增加到60 t·hm-2时，稻谷产量降低0.54%，秸秆产量增加6.28%，推测为翻压量过大时导致养分投入过高，可能导致水稻后期贪青晚熟，从而影响了稻谷的产量。这说明全量翻压绿肥并不是越大越好，45 t·hm-2的绿肥翻压量足以保证水稻的高产。

图1 紫云英翻压量对水稻成熟期稻谷及秸秆产量的影响

2.2 紫云英不同翻压量对水稻成熟期土壤理化性质的影响

表2 显示，与CK 处理相比，翻压紫云英各处理的水稻成熟期土壤有机质及速效氮含量均显著增加，增幅分别为13.08%～23.46%和36.03%～93.06%，土壤全氮含量在紫云英翻压量为30～60 t·hm-2时显著增加，增幅为10.42%～28.13%，土壤全钾含量在紫云英翻压量为45～60 t·hm-2时显著增加，增幅为12.46%～15.46%，土壤速效钾含量在紫云英翻压量为60 t·hm-2时显著增加，增幅为17.25%。各紫云英翻压处理土壤全磷和有效磷含量无显著差异。各翻压紫云英处理中以GM45 处理土壤有机质、全磷、全钾、速效氮含量最高。当紫云英翻压量从22.5 t·hm-2增加到30 t·hm-2时，土壤全氮及速效氮含量得到显著提升，增幅达9.28%和37.50%，继续增加翻压量，当翻压量为45 t·hm-2时，土壤有机质得到显著提升，增幅达9.18%，当翻压量为60 t·hm-2时，土壤速效钾含量得到显著提升，增幅达11.68%。综上可知，与不施肥处理相比，翻压紫云英各处理能够显著增加水稻成熟期土壤有机质和速效氮含量，但是土壤全钾和速效钾含量只有在高紫云英翻压量（GM45、GM60）条件下才能显著增加。

表2 水稻成熟期各处理土壤养分含量

2.3 紫云英不同翻压量对成熟期水稻氮、磷、钾吸收的影响

图2 显示，与CK 处理相比，翻压紫云英处理稻谷氮吸收量显著增加，增幅达46.46%～83.31%，GM45、GM60 处理秸秆氮吸收量显著增加，增幅为88.48%～117.13%，水稻地上部氮吸收量显著增加，增幅为44.90%～98.60%。GM45、GM60 处理相比GM30 处理，稻谷氮吸收量显著增加24.68%～25.16%，GM60 处理秸秆氮吸收量相比GM22.5 和GM30 处理显著提高了60.06%和41.97%。GM45 和GM60 处理间地上部氮吸收量无显著差异，但是相比GM22.5 和GM30 处理差异显著。综上可知，与CK 处理相比，种植翻压紫云英可提高水稻成熟期稻谷和秸秆氮吸收量，高量紫云英翻压量（GM45、GM60） 条件下比低量紫云英翻压量（GM22.5、GM30）显著提升了地上部氮吸收量。

图2 紫云英翻压量对水稻成熟期氮吸收量的影响

图3 显示，与CK 处理相比，种植翻压紫云英各处理稻谷磷吸收量无显著差异，秸秆磷吸收量显著增加，增幅达96.54%～200.63%，地上部磷吸收量显著增加达16.47%～34.61%。GM45 和GM60 处理间秸秆磷吸收量无显著差异，但是相比GM22.5 和GM30 处理差异显著。GM45 处理秸秆磷吸收量相比GM22.5 和GM30 处理，增加幅度达22.28%～25.48%。GM60 处理秸秆磷吸收量相比GM22.5 和GM30 处理，增加幅度达49.07%～52.96%。由此可知，种植翻压紫云英可显著提高成熟期水稻秸秆磷吸收量及地上部磷吸收量。

图3 紫云英翻压量对水稻成熟期磷吸收量的影响

图4 显示，种植翻压紫云英各处理稻谷、秸秆钾吸收量无显著差异。与CK 处理相比，GM60 处理显著增加了稻谷和秸秆钾吸收量，增幅分别为18.72%和31.98%，地上部钾吸收量显著增加达30.09%。

图4 紫云英翻压量对水稻成熟期钾吸收量的影响

2.4 紫云英不同翻压量对水稻养分利用效率的影响

本研究中将紫云英各翻压处理的鲜草所含的养分含量作为养分投入量进行考虑，从而计算水稻的养分利用率。由表3 可知，从养分回收利用率分析，各紫云英翻压处理的氮磷钾养分无显著性差异。从养分农学利用效率分析，水稻的氮磷钾农学利用效率随紫云英翻压量的增加而降低（P＜0.05）。与紫云英翻压量为22.5 t·hm-2（GM22.5）相比，紫云英翻压量为45 t·hm-2时，氮、磷、钾的农学利用效率降低了35.14%、35.11%、35.14%，随着紫云英翻压量的继续增加，养分农学利用效率继续降低。当紫云英翻压量达60 t·hm-2时，氮、磷、钾的农学利用效率相比GM22.5 降低了52.36%、52.33%、52.36%。从养分偏生产力分析，紫云英翻压量对水稻氮、磷、钾偏生产力影响显著。随着紫云英翻压量的增加，磷钾偏生产力显著降低，当紫云英翻压量达60 t·hm-2时，氮、磷、钾的偏生产力相比GM22.5 降低了60.63%、60.01%、60.63%。

表3 不同紫云英翻压量对水稻养分利用效率的影响

2.5 紫云英不同翻压量下的水稻产量、养分吸收量与土壤理化性状之间的关系

稻谷产量与土壤全氮、全钾、速效氮、有机质、稻谷吸氮量、稻谷吸钾量显著正相关，稻谷吸氮量与土壤全氮、全磷、全钾、速效氮、有机质显著正相关，稻谷吸磷量与土壤速效氮显著正相关，稻谷吸钾量与土壤全氮、速效氮、稻谷吸氮量、稻谷吸磷量显著正相关（表4）。秸秆产量与土壤全氮、速效氮、有机质、秸秆吸氮量、秸秆吸磷量、秸秆吸钾量显著正相关，秸秆吸氮量与土壤全氮、速效氮、速效钾、有机质显著正相关，秸秆吸磷量与土壤全氮、速效氮、速效钾、有机质、秸秆吸氮量显著正相关，秸秆吸钾量与土壤全氮、速效钾、秸秆吸氮量、秸秆吸磷量显著正相关（表5）。

表4 稻谷产量、养分吸收量与收获期土壤性状的相关系数（r）

表5 秸秆产量、养分吸收量与收获期土壤性状的相关系数（r）

3 讨论与结论

3.1 紫云英翻压量对水稻产量的影响

紫云英作为南方稻区重要的有机肥源之一，因其养分含量丰富，可被用来替代部分化肥[18]。吕玉虎等[19]研究表明，减量20%化肥条件下，水稻产量在紫云英翻压量为30 t·hm-2时最高；减量40%化肥条件下，水稻产量在紫云英翻压量为37.5 t·hm-2时最高。张磊等[20]研究表明，在减量20%化肥条件下，江西双季稻区水稻产量以紫云英翻压量为30 t·hm-2时最高。

已有研究结果表明，利用单季晚稻生产有机稻米，以紫云英作为单一肥源，当紫云英翻压量为60～90 t·hm-2时可以实现水稻高产[13]。本研究结果与其相似，全量翻压紫云英作为唯一肥源时，翻压量为45 t·hm-2时，稻谷产量最高，继续增加翻压量，稻谷产量降低0.54%，秸秆产量增加6.28%（图1），原因可能是60 t·hm-2的鲜草翻压量过大导致养分投入过高，从而引起水稻后期贪青晚熟，进而影响了稻谷的产量。紫云英翻压量为60 t·hm-2时，单季稻仍能正常生长，没有出现紫云英僵苗现象，这与林多胡等[21]的研究结果有差异。出现这一现象的原因可能是紫云英还田后快速腐解，释放养分较快[22]，腐解后有较多的氮素固持在土壤中，从而对水稻的生产产生有利作用。已有研究表明，当紫云英翻压量为30、60 t·hm-2时，有效沤田时间不应少于7 d 和14 d[14]。本试验条件下，紫云英翻压时间为4 月上旬，水稻移栽时间为5 月下旬，紫云英翻压与水稻移栽之间较长的茬口间隔已使试验初期的土壤养分环境发生改变[23]，这就解释了紫云英在较高翻压量时不会对水稻产生毒害的原因。

3.2 紫云英翻压量对水稻养分吸收和养分利用率的影响

紫云英作冬绿肥具有较低的碳氮比，翻压后1个月内的氮素释放量可达90%[24]，能够为当季水稻提供大量的有效态氮，从而促进水稻对氮素的吸收[13]。有研究表明，翻压绿肥能促进水稻对氮、磷、钾养分的吸收，增加水稻养分累积量[23,25-27]。已有研究显示，种植利用绿肥减施20%化肥提高了水稻产量和早稻稻谷吸氮量、当季氮肥利用率和氮肥偏生产力[20]。本研究中，各紫云英翻压处理的地上部氮素和磷素积累量显著高于CK 处理，稻谷氮、磷积累量以GM45 处理最高，秸秆中氮、磷、钾素累积量以GM60处理最高。原因可能是紫云英鲜草翻压量为45～60 t·hm-2时，对于土壤的养分补给更为充分，导致水稻可利用的养分更多。

本研究中，将紫云英翻压还田后从养分农学利用效率分析水稻的养分农学利用效率，表现为随着紫云英翻压量的增加而降低，但是无显著差异。这与王建红等[13]的研究结果相反。本研究结果表明，当紫云英翻压量为60 t·hm-2时，氮、磷、钾的农学利用效率相比GM22.5 处理分别降低了52.36%，52.33%，52.36%。原因可能是本研究施用的紫云英绿肥所含干基养分相较于王建红等[13]研究中的绿肥养分含量高，导致养分投入过大。从养分偏生产力分析，在翻压量为22.5 t·hm-2时，氮、磷、钾养分偏生产力显著高于其他紫云英翻压处理，说明紫云英的适量翻压有利于作物养分的吸收积累，从而提升养分利用效率。

3.3 不同紫云英翻压量对土壤肥力的影响及其与水稻养分吸收量的关系

紫云英作绿肥对土壤肥力的提升在提高水稻产量及稳定性中有重要作用，且可通过扩充土壤养分库容，从而实现节肥增效[28]。稻田冬种绿肥不仅提高土壤有机碳含量，同时也有利于土壤有机碳生态功能的稳定[29]。本研究中，翻压紫云英作为单一肥源时，显著提升了水稻成熟期土壤有机质和速效氮含量（表2），与前人研究结果[19,30]一致。

已有研究表明，影响水稻产量的肥力因子主要有土壤速效钾、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]。本研究中，稻谷产量与土壤全氮、全钾、速效氮、有机质、稻谷吸氮量、稻谷吸钾量显著正相关，稻谷吸氮量与土壤全氮、全磷、全钾、速效氮、有机质显著正相关，稻谷吸磷量与土壤速效氮显著正相关，稻谷吸钾量与土壤全氮、速效氮、稻谷吸氮量、稻谷吸磷量显著正相关，土壤速效氮显著影响稻谷产量以及稻谷氮、磷、钾素吸收量（表4）。与前人研究[30]结果相似，原因可能是紫云英在翻压入土后，经微生物矿化分解其所含的氮缓慢释放到稻田土壤中，土壤供氮能力得以增强，从而使后茬作物水稻的可吸收氮素增加，进而提高水稻产量。在紫云英-水稻轮作系统中，紫云英的翻压能满足水稻对速效养分的需求，从而促进其生长。

3.4 结论

在豫南地区紫云英-水稻轮作系统中，以紫云英作为单一肥源时，适宜的紫云英翻压量可实现单季稻的高产。本试验条件下，相比不施肥处理，翻压紫云英处理水稻的稻谷产量显著提高，成熟期土壤有机质和速效氮显著提高，能够培育土壤碳库和氮库。紫云英翻压量为22.5 t·hm-2时水稻氮、磷、钾素偏生产力最高，继续增加翻压量，水稻的养分利用效率降低，不利于养分的高效利用。高量翻压紫云英（GM45、GM60）时，稻谷及秸秆的氮、磷、钾累积量最高。因此，翻压量为45 t·hm-2时既能保证水稻生长，又能促进水稻对氮、磷、钾素养分的吸收，从而实现水稻增产稳产。种植并翻压紫云英作为单一肥源提高了水稻对氮磷钾的养分吸收，在完全替代化肥的可能性上还需进行进一步探讨，挖掘其培育土壤碳库和氮库的原因，从而对稻田土壤的养分循环作出进一步研究。