紫云英和稻草還田替代部分化肥對(duì)水稻產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的影響

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院/江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330045）

【研究意義】過量施用化肥導(dǎo)致土壤酸化[1-3]、生產(chǎn)力下降、環(huán)境污染加重[4-6]等問題越來越受到廣泛的關(guān)注。自國(guó)家土壤有機(jī)質(zhì)提升項(xiàng)目開展和農(nóng)業(yè)部提出到2020 年實(shí)現(xiàn)化肥零增長(zhǎng)目標(biāo)以來，南方稻田紫云英的種植面積得到恢復(fù)，且種植面積逐年增加，稻草全量切碎還田現(xiàn)象較為普遍。因此，研究紫云英和稻草還田替代部分化肥對(duì)水稻產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的影響具有重要的理論和實(shí)際意義。【前人研究進(jìn)展】紫云英和稻草是江西稻區(qū)主要的有機(jī)肥源。研究表明，紫云英和稻草均含有一定量的碳、氮、磷、鉀及硅等營(yíng)養(yǎng)元素[7-8]，又具有改善土壤理化和生物學(xué)性狀[9-10]、提高土壤肥力[10]、增加作物產(chǎn)量[7,11-13]等方面的作用。【本研究切入點(diǎn)】目前，有關(guān)紫云英、稻草還田對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量[7-9,11-13]、養(yǎng)分吸收利用[7,11,14-15]、稻米品質(zhì)[16-17]、土壤理化和生物學(xué)性狀[9-10]、溫室氣體排放[18]等方面已有很多報(bào)道，也取得了豐碩的研究成果。但對(duì)土壤有效硅[19]和交換性能的報(bào)道極少。【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本文以第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的水稻土為研究對(duì)象，在等量氮磷鉀養(yǎng)分施用條件下，研究紫云英和稻草還田替代部分化肥對(duì)雙季水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效硅和水溶性硅養(yǎng)分含量及容重、總孔隙度、pH、交換性酸、CEC、鹽基飽和度的影響，旨在為南方稻區(qū)化肥減量施用和土壤質(zhì)量提升提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試早、晚稻品種分別為中嘉早17和五優(yōu)662。供試土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的水稻土，常年種植水稻，種植制度為稻-稻-冬閑。試驗(yàn)前土壤基本化學(xué)性質(zhì)見表1。供試的化學(xué)肥料為尿素（N 46%）、磷酸二銨（含N15%、P2O542%）和氯化鉀（含K2O 60%）。供試紫云英、稻草養(yǎng)分含量見表2。

表1 供試土壤的基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of soil tested

表2 有機(jī)肥中養(yǎng)分含量（占干質(zhì)量%）Tab.2 Content of nutrients in organic fertilizers applied in this experiment（Percentage of dry weight）

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017 年開始在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園同一塊稻田進(jìn)行早、晚稻田間定位試驗(yàn)，設(shè)4 個(gè)處理：?jiǎn)问㎞PK化肥（F）、紫云英（早稻基肥）+NPK 化肥（G）、紫云英（早稻基肥）+稻草（晚稻基肥）+NPK 化肥（GS）、稻草（早、晚稻基肥）+NPK 化肥（S）。每處理小區(qū)面積為24 m2，4 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)間筑土埂隔開，并用塑料薄膜覆蓋埂體，單排單灌。各處理N、P2O5、K2O 養(yǎng)分用量相等（表3），早、晚稻N∶P2O5∶K2O 施用比例均為2∶1∶2。紫云英鮮草切碎至5～10 cm，每公頃施22 500 kg（折合干草3 937.5 kg），稻草切碎至5～10 cm，每公頃施3 000 kg（干稻草）。作早稻基肥的紫云英和稻草在水稻移栽前20 d施入，作晚稻基肥的稻草在早稻收割后當(dāng)前施入。紫云英和稻草輸入養(yǎng)分用量按實(shí)際測(cè)定養(yǎng)分含量的結(jié)果進(jìn)行折算，不足的數(shù)量用化肥補(bǔ)足。早稻尿素按基肥、分蘗肥、穗肥質(zhì)量比5∶2∶3施用，晚稻尿素按4∶2∶4施用，早、晚稻氯化鉀均按分蘗肥、穗肥質(zhì)量比7∶3施用，磷酸二銨一次性做基肥施用。人工移栽，早、晚稻栽插密度分別為13.3 cm×23.3 cm和13.3 cm×26.6 cm，其他按常規(guī)高產(chǎn)栽培要求進(jìn)行。

表3 試驗(yàn)處理與養(yǎng)分投入量Tab.3 Experimental treatment and nutrient inputkg/hm2

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 作物產(chǎn)量及其構(gòu)成 水稻收割前1 d，各處理在調(diào)查有效穗的基礎(chǔ)上，按平均有效穗數(shù)取每處理代表性植株5蔸進(jìn)行考種，各小區(qū)實(shí)割200蔸，脫粒后曬干、稱質(zhì)量、測(cè)產(chǎn)。

1.3.2 土壤容重、酸度、CEC和養(yǎng)分含量測(cè)定 2017年晚稻成熟期，用環(huán)刀法測(cè)定表層（0～18 cm）土壤容重，計(jì)算土壤總孔隙度[21]。每處理按“S”型線路采集耕作層（0～18 cm）土壤混合樣品，供土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效硅、水溶性硅含量以及土壤pH、代換性酸、交換性鹽基離子總量和CEC 的測(cè)定[22]，然后計(jì)算鹽基飽和度。有效硅含量采用0.025 mol/L檸檬酸浸提，硅鉬藍(lán)比色法測(cè)定[22]；土壤水溶性硅含量采用0.02 mol/L CaCl2浸提，土液比為1∶5，25 ℃下振蕩12 h，F(xiàn)eSO4還原硅鉬藍(lán)比色法測(cè)定[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本論文數(shù)據(jù)均為2017 年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Excel 2007 和SPSS16.0 軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計(jì)分析，利用Duncan新復(fù)極差法（LSR）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫云英和稻草還田替代部分化肥對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

表4研究結(jié)果顯示，在等量氮磷鉀養(yǎng)分投入情況下，早稻產(chǎn)量施肥處理間差異不顯著，晚稻產(chǎn)量處理G、GS、S 差異不顯著，但均顯著高于處理F，增幅為9.4%～11.8%（P＜0.05）。說明紫云英和稻草還田有利于提高當(dāng)年晚稻產(chǎn)量。

產(chǎn)量構(gòu)成因素中（表4），早稻有效穗數(shù)，處理F 顯著高于處理G、GS、S，增幅為3.1%～5.7%（P＜0.05），而處理G、GS、S 差異不顯著；結(jié)實(shí)率處理G、GS、S 差異不顯著，卻均顯著高于處理F，增幅為5.4%～8.8%（P＜0.05）；每穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量處理間差異不顯著。晚稻有效穗數(shù)，處理G 與處理F、GS 差異不顯著，卻顯著高于處理S，增幅為3.7%（P＜0.05），處理F、GS、S 差異不顯著；每穗粒數(shù)處理S 與GS、G 差異不顯著，卻顯著高于處理F，增幅為5.55%（P＜0.05），而處理GS、G、F 差異不顯著；結(jié)實(shí)率處理S≈GS＞G＞F，差異顯著，處理S、GS、G 較處理F 增幅為7.1%～13.9%（P＜0.05）；千粒質(zhì)量處理間差異不顯著。說明紫云英和稻草還田有利于提高早、晚稻結(jié)實(shí)率。

表4 紫云英和稻草還田對(duì)早晚稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Tab.4 Effects of milk vetch and straw incorporation on grain yield and its components of double cropping rice

2.2 紫云英和稻草還田替代部分化肥對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.2.1 對(duì)土壤容重和總孔隙度的影響 圖1 顯示，土壤容重處理F 與處理G 差異不顯著，卻均顯著高于處理GS、S，增幅分別為10.2%～11.3%和7.1%～8.2%（P＜0.05），而處理GS、S 差異不顯著。土壤總孔隙度處理GS與處理S差異不顯著，卻均顯著高于處理F、G，增幅分別為5.5%～6.8%和3.0%～4.2%（P＜0.05），而處理F、G差異不顯著。說明早、晚季連續(xù)采用紫云英和稻草還田替代部分化肥有利于改善通氣狀況。

圖1 紫云英和稻草還田對(duì)土壤容重和總孔隙度的影響Fig.1 Effects of milk vetch and straw incorporation on soil bulk density and total porosity

2.2.2 對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響 表5 表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量處理S≈GS＞G＞F，前三者較后者增幅為10.5%～30.4%（P＜0.05），且差異顯著。而處理GS 和S 差異不顯著，較處理G 增幅為17.5%～18.0%（P＜0.05），且差異顯著。說明在等量氮磷鉀養(yǎng)分投入條件下，紫云英和稻草還田替代部分化肥有利于提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，且早、晚季連續(xù)替代效果更佳。土壤堿解氮含量處理S、GS、G 均顯著高于處理F，增幅為18.0%～25.7%（P＜0.05）。說明紫云英、稻草還田替代部分化肥能促進(jìn)土壤氮素的釋放。堿解氮含量處理S 顯著高于處理GS、G，增幅分別為6.5%（P＜0.05）和5.4%（P＜0.05），而處理GS 和G 差異不顯著。表明稻草還田對(duì)土壤有效氮的影響比紫云英或紫云英與稻草還田的效果好，其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。土壤有效磷含量變化趨勢(shì)與堿解氮基本一致。處理S、GS、G均顯著高于處理F，增幅為18.0%～37.1%（P＜0.05）。說明紫云英和稻草替代部分化肥能促進(jìn)土壤磷的釋放，提高土壤有效磷含量。而處理S 顯著高于處理GS和G，增幅分別為8.9%（P＜0.05）和16.1%（P＜0.05），處理GS、G 差異不顯著。表明早、晚季稻草還田有利于土壤磷的釋放。土壤速效鉀含量由大到小依次為處理S、GS、G、F，但處理間差異不顯著。土壤有效硅含量由大到小依次為處理S、GS、G、F，差異顯著，前三者較后者增幅為35.8%～60.2%（P＜0.05），這與紫云英、稻草中含有硅養(yǎng)分及其分解過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物促進(jìn)土壤硅釋放有關(guān)，與有關(guān)報(bào)道基本一致[19]。水溶性硅含量處理間差異不顯著。說明紫云英和稻草還田有利于提高土壤有效硅含量，且以稻草還田效果最好。

表5 紫云英和稻草還田對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響Tab.5 Effects of milk vetch and straw incorporation on soil physical and chemical properties

相關(guān)分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷含量與有效硅含量均呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.930 9、0.973 2*和0.991 1*。

2.2.3 對(duì)土壤酸度和交換性能的影響 表6表明，與試驗(yàn)前土壤pH相比，處理F土壤pH值有所降低，而處理S、GS和G土壤pH值呈上升趨勢(shì)。處理S、GS與G差異不顯著，但均高于處理F，增幅分別為7.4%（P＜0.05）、5.4%（P＜0.05）和3.7%。說明紫云英和稻草還田有利于調(diào)控土壤酸度。土壤交換性酸處理S、GS和G 均顯著高于處理F，增幅為51.6%～118.0%（P＜0.05），處理S 顯著高于處理GS、G，增幅分別為36.0%（P＜0.05）和43.9%（P＜0.05），而處理GS 與G 差異不顯著。土壤CEC 由大到小依次為處理S、GS、G、F，而處理S與處理GS、G差異不顯著，卻顯著高于處理F，增幅為8.0%（P＜0.05），處理F、G、GS差異不顯著。表明紫云英和稻草還田有利于提高土壤CEC，增強(qiáng)土壤的保肥性能。鹽基飽和度處理F 顯著高于處理G、GS和S，增幅為9.2%～17.0%（P＜0.05）。這與處理G、GS和S補(bǔ)充到土壤中的鹽基離子少有關(guān)。說明紫云英和稻草還田還需適當(dāng)補(bǔ)充含鹽基離子豐富的石灰質(zhì)肥料和鈣鎂磷肥。

相關(guān)分析表明，土壤pH、交換性酸和CEC與有效硅含量均呈顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.994 0*、0.950 9*和0.989 5*。

表6 土壤酸度和交換性能的變化Tab.6 Changes of soil acidity and exchange properties

3 結(jié)論與討論

3.1 紫云英和稻草還田對(duì)雙季水稻產(chǎn)量的影響

研究表明，紫云英和稻草還田能提高水稻產(chǎn)量。黃山等[15]研究指出，與單施NPK 化肥相比，冬種紫云英和稻草聯(lián)合雙季稻草還田早、晚稻產(chǎn)量均有增加的趨勢(shì)。王璐等[12]研究表明，在相同氮磷鉀養(yǎng)分投入水平下，紫云英和稻草還田可以提高免耕拋栽雙季水稻產(chǎn)量。紫云英還田是通過改善土壤理化性狀，提升土壤肥力而提高水稻產(chǎn)量[25]。曾研華等[7]研究認(rèn)為，在等量氮磷鉀養(yǎng)分施用條件下，稻草全量還田能夠增加雙季早、晚稻周年產(chǎn)量。3 年定位試驗(yàn)表明，紫云英帶籽翻耕還田顯著增加水稻有效穗及產(chǎn)量[9]。而本試驗(yàn)結(jié)果表明，紫云英、稻草還田處理早稻產(chǎn)量與單施化肥處理差異不顯著，晚稻產(chǎn)量均顯著高于處理單施化肥處理，增幅為9.4%～11.8%（P＜0.05）。說明紫云英和稻草還田有利于提高當(dāng)年晚稻產(chǎn)量，這與有關(guān)報(bào)道不完全一致。這可能與供試水稻品種、稻草還田量與還田時(shí)間不同有關(guān)。

3.2 紫云英和稻草還田對(duì)稻田土壤理化性質(zhì)的影響

紫云英和稻草還田對(duì)提升土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤理化和生物學(xué)性質(zhì)等方面具有重要的作用。王伯誠(chéng)等[9]研究認(rèn)為，帶籽紫云英作為綠肥施用能起到改善土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)，穩(wěn)步提高土壤肥力的作用。吳建富等[13]研究表明，稻草全量切碎還田有利于提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)。曾研華等[26]研究指出，稻草全量還田2年（4季）有利于改善土壤物理性狀和提高耕作層土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效氮和緩效鉀含量。顏志雷等[10]研究顯示，化肥與紫云英配合施用能提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮含量，而有效磷、速效鉀含量呈下降趨勢(shì)。王璐等[12]研究表明，紫云英和稻草還田可以降低免耕拋栽稻田土壤容重，改善土壤孔隙性，緩解長(zhǎng)期免耕導(dǎo)致的土壤板結(jié)，有利于土壤養(yǎng)分含量提高。黃山等[27]研究表明，冬種紫云英顯著降低了土壤容重，提高了土壤總孔隙度，稻草還田顯著提高了土壤pH值，冬種紫云英和稻草還田對(duì)土壤有機(jī)碳、總氮和堿解氮含量均無顯著影響，而稻草還田顯著增加了土壤速效磷和速效鉀的含量。高明等[19]研究指出，有機(jī)肥（稻草和胡豆青）還田有利于提高紫色水稻土有效硅和水溶性硅含量。已有的報(bào)道對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響并非完全相同，其原因可以與研究的對(duì)象、試驗(yàn)周期、肥料用量等因素有關(guān)。本研究認(rèn)為，在等量氮磷鉀養(yǎng)分施用情況下，與單施化肥相比，紫云英和稻草還田替代部分化肥有利于降低土壤容重，提高土壤總孔隙度，顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷含量，而對(duì)土壤速效鉀的影響不大。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，紫云英和稻草還田也能提高土壤有效硅含量，較單施化肥增幅為35.8%～60.2%（P＜0.05），而對(duì)土壤水溶性硅含量影響極小。其主要原因一方面是紫云英和稻草中含有一定量的硅，分解后增加了土壤中有效硅的含量；另一方面，紫云英和稻草在分解過程中釋放部分有機(jī)酸，可活化土壤中的硅，從而提高土壤中有效硅的含量。另外，紫云英和稻草還田還能提高土壤pH 值和CEC，顯著提高土壤交換性酸，增幅為51.6%～118.0%（P＜0.05），卻降低了土壤鹽基飽和度。表明早、晚季連續(xù)采用紫云英和稻草還田替代部分化肥有利于改善通氣狀況，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)土壤氮、磷、硅素養(yǎng)分釋放，緩解土壤酸化，增強(qiáng)土壤的保肥性能。相關(guān)分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷含量與有效硅含量均呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.930 9、0.973 2*和0.991 1*。土壤pH、交換性酸和CEC 與有效硅含量均呈顯著線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.994 0*、0.950 9*和0.989 5*。

綜上分析表明，采用紫云英和稻草還田可以緩解南方稻區(qū)土壤硅缺乏對(duì)水稻生產(chǎn)帶來的不利影響。