雙季稻產量和肥料效益對減量施肥下紫云英與稻草協同利用的響應

廖育林，周 興，魯艷紅，方寶華，劉 洋，聶 軍

（1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙410125；2.農業部湖南耕地保育科學觀測實驗站，湖南 長沙 410125；3.湖南省水稻研究所，湖南 長沙 410125）

化肥的施用是提高作物產量、確保我國糧食安全必不可少的手段。據聯合國糧農組織（FAO）統計，糧食增產約有50%得益于化肥的施用[1]。但是近年來我國普遍存在過量施用化肥的現象，導致糧食增產效率下降、土壤退化、環境問題日益突出[2]。因此，如何優化施肥管理、提高肥料利用率已經成為當前農業生產的一個重要挑戰。化肥減量、有機肥代替部分化肥正是在此背景下發展起來的養分管理措施，即在保證作物增產穩產的前提下，減少化肥投入，增加有機肥利用，從而提高肥料利用率，降低對環境的污染。

稻草是一種農業廢棄物資源，富含鉀素，還田后能補充土壤鉀素營養[3]；同時，稻草還田配施化肥還被證實可以提高作物產量[4]。作為中國傳統農業生產的綠肥作物，紫云英（Astragalus sinicusL.）可通過生物固氮、活化和富集土壤中營養元素來提高土壤肥力，改善土壤生態環境[5–6]；與稻草相比，紫云英的氮、磷含量高、碳氮比低，若兩者聯合利用可能產生互作效應。

研究發現，減量施肥條件下紫云英與稻草協同利用將有利于促進土壤活性有機質積累，提高雙季稻產量[7-8]。為了解紫云英與稻草協同利用下雙季稻增產、增收的效果，明確二者協同利用在化肥減量條件下肥料的利用情況，以湘早秈25和黃華占為材料，研究了減量施肥下紫云英與稻草的協同利用對水稻產量及其構成因素、經濟效益和肥料利用率的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2011～2016年在湖南省益陽市南縣三仙湖鄉萬元橋村（北緯 29°13′，東經 112°28′）的雙季稻田上進行。該地位于洞庭湖雙季稻區，屬季風濕潤氣候，當地海拔高度30 m，多年平均氣溫16.6 ℃，年平均降水量1 237.7 mm，年日照時間1 775.7 h。供試土壤為洞庭湖地區的典型水稻土——河流沉積物發育的紫潮泥。試驗前0～20 cm土壤的理化性狀如下：pH值7.7，有機質含量48.4 g/kg，全氮3.28 g/kg，全磷1.28 g/kg，全鉀22.2 g/kg，堿解氮261 mg/kg，有效磷15.6 mg/kg，有效鉀98 mg/kg。供試水稻品種早稻為“湘早秈25”，晚稻為“黃華占”。

1.2 試驗設計

試驗共設置9個處理，該文只取其中4個處理進行分析：（1）CK（不施用化肥、秸稈不還田、休閑季不種植紫云英）；（2）100%F（單施全量化肥）；（3）80%F+RMv（施用80%全量化肥+稻草低茬還田+冬種紫云英原田利用）；（4）80%F+HRMv（施用80%全量化肥+稻草高茬還田+冬種紫云英原田利用）。處理4中晚稻留高茬35～45 cm，其他處理稻草茬高均控制在5～10 cm。100%F處理中化肥施用量為當地常規施肥量，早稻施肥量為：N、P2O5、K2O分別為150、75、90 kg/hm2；晚稻施肥量為：N、P2O5、K2O分別為180、45、120 kg/hm2，處理3和4中早、晚稻施肥量為100%F處理氮、磷、鉀肥施用量減量20%。

每個處理重復3次，隨機排列，小區面積為20 m2。小區間田埂通過覆膜（高20 cm，寬30 cm）隔離，實行單獨排灌。紫云英利用小區于每年9月下旬至10月上旬播種紫云英，各小區播種量均為30 kg/hm2，不施任何肥料。紫云英在早稻移栽前10 d測產翻壓入田，灌淺層水濕潤腐解。早稻一般在每年3月中下旬播種，4月中下旬移栽。晚稻于6月中旬播種，7月中下旬移栽。N、P、K化肥品種分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。50%氮肥與全部的磷、鉀肥作基肥于移栽前1 d施入，50%氮肥作追肥在分蘗盛期施入?；适┤牒罅⒓从媚景野胰? cm深的土層中。水稻整個生育期內，各處理其他農田管理措施保持一致。

1.3 樣品采集與指標測定

試驗開始前采集0～20 cm耕層土壤分析其基本理化性狀。早、晚稻成熟期，各小區普查25蔸水稻的有效穗數，以其中位數為依據，采集長勢均勻一致、有代表性的5蔸水稻植株作為考種材料，并測定水稻稻谷和秸稈中的全氮、全磷、全鉀養分含量。各小區早、晚稻成熟后例行單打單曬，揚凈后測定各小區稻谷產量。各指標采用常規方法分析[9]。

1.4 數據處理與分析

應用Microsoft Excel 2010處理試驗數據作圖，用SPSS19.0進行差異顯著性分析。水稻收益=稻谷產值-生產成本。產值以當地稻谷收購價為標準，生產成本不計翻耕、水稻移栽、雜草與病蟲害防治、收割以及管理等勞動力支出和農藥、水稻種子、機械以及灌溉等物質成本，僅計算新增加投入化肥、紫云英種子物質成本和施肥、紫云英管理利用（播種、開溝）勞動力成本。

肥料利用率計算公式[10]：

肥料表觀利用率（%）=（施肥區植物吸收養分量-無肥區植物吸收養分量）/施肥量×100

肥料農學利用率（kg/kg）=（施肥區產量-無肥區產量）/施肥量。

肥料利用率計算公式中的施肥量為無機化肥+稻草、紫云英中養分含量。

2 結果與分析

2.1 減量施肥下紫云英與稻草協同利用對雙季稻產量及其構成因素的影響

2.1.1 稻谷產量 由表1可知，各處理早、晚稻及兩季稻谷產量隨耕種年限的推移均大致表現出先升后降的趨勢，這與氣候條件、試驗土壤狀況、田間管理等因素有關。比較各處理6 a每季產量（因2011年80%F+HRMv處理未留高茬，所以該處理2011年早稻產量未納入統計），早、晚稻谷產量以及兩季稻谷總產每年均以80%F+HRMv的最高，其次是80%F+RMv處理，100%F處理排第三，CK的產量最低。與100%F相比，80%F+HRMv與80%F+RMv早稻6 a平均產量分別增產19.2%、7.3%，晚稻分別增產10.8%、8.4%，兩季稻谷總產分別增加14.5%、7.9%。80%F+HRMv早、晚稻谷產量以及兩季稻谷總產每年較80%F+RMv有一定增長，增幅不一，6 a來早稻平均增產11.0%，增幅達顯著水平，晚稻及兩季總產增幅差異未達顯著水平。這表明紫潮泥稻田中紫云英與稻草協同利用模式能在減少化肥投入的同時有效促進雙季稻增產。

2.1.2 株高及產量構成因素 如表2所示，各處理早、晚稻生長要素株高以及產量構成因素穗長、有效穗數、每穗實粒數、結實率和千粒重等指標存在一定差異。與CK相比，各施肥處理顯著提高了早、晚稻株高、穗長、有效穗數、每穗實粒數、結實率和千粒重；與100%F相比，80%F+HRMv處理早稻的株高、每穗實粒數和千粒重以及晚稻的株高、有效穗數和每穗實粒數均有顯著提高，80%F+RMv處理早稻的株高、千粒重以及晚稻的每穗實粒數也均有顯著提高。這表明，在紫潮泥稻田土壤中，紫云英與稻草協同利用能改善植株生長狀況，協調各產量構成因素之間的平衡，以實現增產的目的。

2.2 減量施肥下紫云英與稻草協同利用對雙季稻經濟效益的影響

經濟效益均以2016年當地實際價格為參考：N、P2O5、K2O市場價分別為3.8、5.2、5.3元/kg；水稻早、晚稻谷收購價格分別為2.50、2.76元/kg；紫云英種子價格為10元/kg；勞動力工價為180元/d。由表3可知，各處理的收益從高到低排列依次為：80%F+HRMv＞80%F+RMv＞100%F＞CK。 與100%F相比，80%F+HRMv、80%F+RMv處理兩季總收益分別提高了17.2%、13.5%。這表明，與單施全量化肥模式相比，紫云英與稻草協同利用模式能獲得更高的收益。

2.3 減量施肥下紫云英與稻草協同利用對肥料利用率的影響

表1 2011～2016年各處理早、晚稻的產量及兩季的總產量 （kg/hm2）

表2 各處理早、晚稻植株株高及產量構成因素的比較

表3 各處理經濟效益的比較

從表4可以看出，各處理肥料表觀利用率存在一定差異。除晚稻鉀（K2O）肥表觀利用率外，紫云英與稻草協同利用在減量施肥下相較單施全量化肥均能顯著提高化肥表觀利用率（P＜0.05）。同100%F比較，80%F+RMv處理早、晚稻氮（N）肥表觀利用效率分別提高79.0%、140.7%，磷（P2O5）肥表觀利用效率分別提高86.5%、37.5%，早稻鉀（K2O）肥表觀利用效率提高76.6%；80%F+HRMv處理更優，其早、晚稻N肥表觀利用效率分別提高100.6%、151.3%，P2O5肥表觀利用效率分別提高97.1%、63.0%，早稻K2O肥表觀利用效率分別提高96.3%。紫云英與稻草協同利用晚稻鉀肥利用效率低原因可能是富含鉀素且新鮮的秸稈全量還田提高了鉀養分投入量從而降低了鉀素表觀利用效率。

肥料中1 kg N、P2O5、K2O增產稻谷的能力稱 之肥料農學利用率。由表4可知，各施肥處理肥料農學效率存在顯著差異。與100%F相比，80%F+RMv處理的早、晚稻N肥農學利用效率分別提高了75.2%、57.9%，P2O5肥農學利用效率分別提高了83.6%、73.1%，K2O肥農學利用效率分別提高了72.3%、1.3%，兩者之間除晚稻K2O肥農學利用效率外均差異顯著；80%F+HRMv處理的表現更優，其早、晚稻N肥農學利用效率分別提高了89.8%、76.6%，P2O5肥農學利用效率分別提高了100.5%、87.0%，K2O肥農學利用效率分別提高了80.4%、17.4%，兩者之間差異均達顯著水平。

表4 各處理肥料利用效率的比較

3 結論與討論

連續6 a的田間定位試驗結果表明，有機無機肥配施能有效促進水稻增產。大量前人的研究也證明了此觀點。其原因在于有機無機肥的配施使化肥的速效性和有機肥的持久性結合，短期內能補充作物生長所需養分，而且還能改善土壤肥力、提高作物對不利環境因素的耐性、促進農田生態系統穩定發展[11-12]。該研究中，與單施全量化肥相比，紫云英與稻草協同利用即使在化肥減量20%的情況下也能提高水稻產量。一方面稻草富含鉀素，秸稈還田有利于提高土壤中緩效鉀和速效鉀含量[6]；另一方面，豆科作物紫云英具有固氮以及富集養分的能力，冬種紫云英參與雙季稻輪作可顯著提高耕層土壤有機質、氮、磷等養分含量，可減少冬季土壤氮素和還田稻草鉀素的淋失[10,13]。該研究發現紫云英與稻草協同利用中晚稻秸稈留高茬還田較低茬還田更有助于增產。原因可能是稻草低茬還田可在土壤和大氣間形成熱與水的屏障層，使土壤與大氣間的熱量及水分交換趨于緩和而起到保溫保水作用[14]，但這種覆蓋產生的阻礙以及遮光反而會抑制冬季作物出苗，影響冬季作物初期生長[15]。而晚稻留高茬還田在保溫保墑作用的同時，弱化遮光效應給冬季作物留有生存空間利于其生長[7]。盡管稻草高茬還田可以有效改善冬季紫云英生長環境促進其生長，從而提高土壤有機肥投入量；但是過量的有機肥并不能帶來相對等的產量增加值，反而會造成農田甲烷等溫室氣體的排放，增加地下水NO3-含量，產生不良的環境影響[16-17]。因此，紫云英與稻草協同利用下，化肥和有機肥用量的調整、節肥效應的可持續性、稻草高茬還田與冬種紫云英之間養分截留和循環等問題均有待進一步深入探討。

糧食價格和糧食單產固然是影響農戶經濟收益提高的重要因素，但是生產成本的增長是阻礙糧食生產效益的主要因素[18]。該研究中，紫云英與稻草協同利用種植收益相比單施全量化肥有一定幅度的上漲，但是紫云英的種植利用增加了種子與管理（播種、開溝等）成本導致生產成本增加。調查發現，工價的快速上漲使生產成本中人工成本比例顯著提高[19]。2010～2012年單位面積（1 hm2）農業用工累計減少了22%，但工價卻累計上漲了200%，據調查試驗地近2 a工價相比2012年漲幅達20%～30%，這并不利于紫云英與稻草協同利用模式下水稻收益的進一步提高。因此，今后研究還需重點研發配套機械以減少勞動力成本投入，以便增加該模式在實際生產中的可行性。

當前我國農業發展面臨的主要瓶頸之一——肥料利用率明顯低于歐美發達國家，甚至低于國際平均水平，這不僅導致了化肥大量、甚至過量施用，引起土壤理化性質惡化，直接影響農作物產量和質量的提高；而且直接造成了資源浪費，加重了農業負擔；同時，對環境也產生了負面效應[20]。有學者總結我國糧食生產區大量田間試驗得出，我國水稻氮、磷、鉀肥農學利用效率的平均值分別為10.4、9.0、6.3 kg/kg[21]。該研究中，在減量20%化肥的條件下，紫云英與稻草協同利用水稻氮、磷、鉀肥農學利用效率平均為14.4、43.8、19.4 kg/kg，明顯高于全國平均水平，也高于杜加銀等[22]的報道，這是因為有機、無機肥配施促進了土壤中有益微生物的生長，改善了土壤理化性質，使肥效供給平穩長效，在供肥強度和容量上更適于作物生長，從而提高作物肥料利用率[10,23]。該研究中，單施全量化肥處理的稻谷產量雖然與紫云英與稻草協同利用模式的差異較小，但其肥料利用率卻較低，甚至低于全國平均水平，這與其肥料量有關，過高的肥料投入量并不能帶來相對等的產量增加值，除一部分吸收外，多余的部分通過淋溶、揮發等途徑損失掉，而且過高的養分易導致作物徒長、倒伏以及病蟲害發生幾率增加[24]。

參考文獻：

[1] Roberts T L. Roles of fertilizer in growing world’s food[J]. Bettercrops，2009，93（2）：12-15.

[2] 賴 力，黃賢金，王 輝，等. 中國化肥施用的環境成本估算[J].土壤學報，2009，46（1）：63-69.

[3] 廖育林，鄭圣先，聶 軍，等. 長期施用化肥和稻草對紅壤水稻土肥力和生產力持續性的影響[J]. 中國農業科學，2009，42（10）：3541-3550.

[4] 劉紅江，陳留根，朱普平，等. 稻草還田對小麥產量、地表徑流NPK流失量及土壤肥力的影響[J]. 水土保持學報，2010，（6）：6-10.

[5] 顏志雷，方 宇，陳濟琛，等. 連年翻壓紫云英對稻田土壤養分和微生物學特性的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2014，（5）：1151-1160.

[6] 廖育林，魯艷紅，謝 堅，等. 紫云英配施控釋氮肥對早稻產量及 氮素吸收利用的影響[J]. 水土保持學報，2015，（3）：190-195，201.

[7] 周 興，廖育林，魯艷紅，等. 減量施肥下紫云英與稻草協同利用對雙季稻產量和經濟效益的影響[J]. 湖南農業大學學報（自然科學版），2017，43（5）：469-474.

[8] 周 興，廖育林，魯艷紅，等. 肥料減施條件下水稻土壤有機碳組分對紫云英-稻草協同利用的響應[J]. 水土保持學報，2017，31（3）：283-290.

[9] 鮑士旦. 土壤農化分析（第三版）[M]. 北京：中國農業出版社，2000. 263-270.

[10] 吳萍萍，劉金劍，周 毅，等. 長期不同施肥制度對紅壤稻田肥料利用率的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2008，（2）：277-283.

[11] 高菊生，曹衛東，李冬初，等. 長期雙季稻綠肥輪作對水稻產量及稻田土壤有機質的影響[J]. 生態學報，2011，（16）：4542-4548.

[12] Bi L，Zhang B，Liu G，et al. Long—term effects of organic amendments on the rice yields for double rice cropping systems in subtropical China[J]. Agriculture，Ecosystems & Environment，2009，129：534-541.

[13] 盧 萍，單玉華，楊林章，等. 綠肥輪作還田對稻田土壤溶液氮素變化及水稻產量的影響[J]. 土壤，2006，（3）：270-275.

[14] 胡 實，彭 娜，謝小立，等. 農田秸稈覆蓋保墑研究[J]. 中國農業氣象，2007，28（1）：49-53.

[15] 蘇 偉，魯劍巍，周廣生，等. 稻草還田對油菜生長、土壤溫度及濕度的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2011，（2）：366-373.

[16] 田 卡，張 麗，鐘旭華，等. 稻草還田和冬種綠肥對華南雙季稻產量及稻田CH4排放的影響[J]. 農業環境科學學報，2015，34（3）：592-598.

[17] 彭 華，紀雄輝，吳家梅，等. 不同稻草還田模式下雙季稻田周年CH4排放特征及溫室效應[J]. 農業環境科學學報，2015，34（3）：585-591.

[18] 曾福生，戴 鵬. 糧食生產收益影響因素貢獻率測度與分析[J]. 中國農村經濟，2011，（1）：66-76.

[19] 孫 昊. 我國農戶種糧收益問題實證研究[D]. 北京：中國農業大學，2014.

[20] 解開治，徐培智，張仁陟，等. 化肥減量技術的可行性分析[J]. 廣東農業科學，2007，（5）：55-58.

[21] 張福鎖，王激清，張衛峰，等. 中國主要糧食作物肥料利用率現狀與提高途徑[J]. 土壤學報，2008，（5）：915-924.

[22] 杜加銀，茹 美，倪吾鐘. 減氮控磷穩鉀施肥對水稻產量及養分積累的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2013，19（3）：523-533.

[23] 張小莉，孟 琳，王秋君，等. 不同有機無機復混肥對水稻產量和氮素利用率的影響[J]. 應用生態學報，2009，20（3）：624-630.

[24] 彭少兵，黃見良，鐘旭華，等. 提高中國稻田氮肥利用率的研究策略[J]. 中國農業科學，2002，（9）：1095-1103.