化肥減施條件下紫云英翻壓量對土壤物理特性和水稻產量的影響

劉小粉 劉春增 賈萌萌 潘茲亮

摘要：為明確不同紫云英翻壓量對土壤物理特性和水稻產量的影響，研究設置不施肥（CK）、僅施化肥（F100%）、60%化肥分別與15 000、22 500、30 000、37 500 kg/hm2紫云英配施（依次為F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM3、F60%+GM4）6個長期定位試驗處理，研究土壤持水供水能力、容重、孔隙度、團聚性、土壤養分、水稻產量等的變化情況及其相關關系。結果表明：（1）與CK相比，60%化肥配施不同量紫云英使土壤容重降低9.8%～15.6%，F100%處理無變化;總孔隙度與容重相反，有效孔隙占比變化趨勢為：CK≤F100%、F60%+GM4 、F60%+GM3、F60%+GM2≤F60%+GM1;持水供水能力表現為F60%+GM1、F60%+GM3≥F60%+GM4、F60%+GM2≥F100%≥CK;團聚體含量和穩定性在處理間無顯著差異，但施紫云英處理均顯著提高大團聚有機碳含量。（2）與CK相比，5個施肥處理均顯著提高水稻產量，但相互間無顯著差異。（3）相關分析表明，土壤持水能力與容重、孔隙度、有效孔隙比例、土壤有機碳、大團聚體有機碳、速效氮均顯著相關;水稻產量不僅與以上土壤理化特性顯著相關，標準回歸系數進一步表明，影響水稻產量的因素排序為：速效磷>土壤有機碳>速效氮>容重>有效孔隙比例。綜上所述，單施化肥對于土壤物理特性影響沒有化肥-紫云英配施效果好，化肥施用量為60%時，紫云英施用量并非越高越好，用量為15 000～30 000 kg/hm2時綜合效果最好。

關鍵詞：紫云英;化肥減施;持水能力;土壤容重;孔隙度;團聚性;土壤養分;水稻產量

中圖分類號： S152.4;S511.06 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2021）16-0067-07

紫云英是南方稻田常見綠肥作物，它還是優質的牧草作物、蜜源植物和季節性蔬菜，開花時觀賞性也很強，在農業資源綜合利用方面潛力巨大。紫云英作為農業資源其優勢主要和它自身含有重要的礦質營養物質有關，因此，通常其種質資源品質性狀的評價主要依據紫云英中碳、氮、磷、鉀等營養成分的含量[1]。研究表明，紫云英作為清潔的有機肥源，在土壤改良、培肥地力和改善生態環境方面都能發揮重要作用[2]。紫云英輪作或翻壓還田能提高土壤養分、促進養分活化和利于作物吸收利用養分[3-4]，從而改善土壤團粒結構[5-6]、提高作物產量[3-7]及獲得較高的經濟效益[8]。因此，紫云英翻壓還田是南方稻區受青睞的土壤培肥方式。

河南信陽地區為我國典型單季稻產區，每年冬季有大量冬閑田，在地方財政支持下，近年來農民習慣在冬閑田種植紫云英以培肥土壤。在培肥方面，眾多研究發現，紫云英翻壓還田能提升土壤有機碳[9-10]，因其固氮能力強土壤不用施氮肥，但需要配施適量化學磷鉀肥、有機肥或秸稈才能補充土壤中磷鉀損失，提高水稻產量[5，10-11]。研究還發現，紫云英翻壓量為22 500 kg/hm2時，化肥施用量從習慣施肥量（100%化肥）減至60%，土壤持水供水能力最強[10]，且能保證水稻不減產[5]，呂玉虎等進一步研究發現，紫云英和化肥合理配施能保證水稻增產、穩產[3，12]。因此，冬閑田種綠肥情況下，60%化肥施用量在該地區得到廣泛推廣。目前，翻壓紫云英情況下配施化肥用量的研究已得到廣泛開展，而關于紫云英翻壓量的研究較少，已有相關研究主要集中在對土壤養分、水稻產量、固碳和微生物等方面[3，12-16]，紫云英翻壓量不同如何影響土壤物理特性鮮有報道。鑒于此，本研究以定位試驗為基礎，探討化肥施用量減至60%時，紫云英翻壓量不同對土壤物理特性及水稻產量的影響，并分析二者之間的關系。為改善土壤結構、合理利用紫云英和提高水稻產量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗位于河南省信陽市（32°07′N，114°05′E），試驗已開展5年（2009—2013年）的定位試驗。供試土壤為水稻土（耕層質地為黏壤），種植制度為一年一熟，冬季種植紫云英以培肥。每年水稻收獲后各試驗小區撒播紫云英種子，播量為30 kg/hm2，水稻插秧前把紫云英用小型旋耕機翻壓還田。試驗設置6個處理：不施肥（CK）;僅施化肥（F100%，為當地習慣施肥量）;60%化肥分別與15 000、22 500、30 000、37 500 kg/hm2紫云英配施（分別用F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM3和F60%+GM4表示）。100%化肥為當地習慣施肥量，所施氮肥、磷肥、鉀肥種類分別為尿素225 kg/hm2、過磷酸鈣135 kg/hm2、氯化鉀135 kg/hm2，其中磷肥、鉀肥全部基施，氮肥按基肥 ∶ 分蘗肥 ∶ 孕穗肥=3 ∶ 2 ∶ 1比例施用。紫云英翻壓量均以鮮草計質量，每年于盛花期實現原地翻壓還田，依據各處理用量不同，多余部分移出小區，不足部分由其他小區補充。每個處理設置3個重復小區，小區面積6.67 m2，小區之間筑田埂，同時用塑料膜隔開以防串水串肥，區組間留0.25 m寬溝以便灌排及實施其他田間管理。2009—2013年各小區水稻供試品種依次為珍輻糯、豫秈9號、珍珠糯、兩優6326和揚兩優013，于每年5月下旬進行插秧，株距為16.7 cm、行距為20 cm，每穴插栽秧苗2～3株，其他田間管理措施與大田一致。

1.2 樣品采集與測定

2013年水稻收獲后采集0～15 cm土層土壤樣品。采用烘干法測定土壤容重并計算總孔隙度（土粒密度取2.65 g/cm3），同時用100 cm3環刀采集原狀土并用高速離心機法測定土壤持水曲線，持水曲線和比水容量分別用公式（1）、公式（2）擬合[17]：

式中：θ為質量含水量，%;S為土壤水吸力，MPa;C為比水容量，cm3/（MPa·g）;a、b為方程擬合參數，a能反映土壤持水性能的大小;a×b值越大，表示土壤供水能力越強。田間持水量（0.03 MPa）和萎蔫含水量（1.5 MPa）依據公式（1）計算，二者相減為土壤有效含水量。依據有效水含量和總孔隙度可計算出有效孔隙比例（有效孔隙占總孔隙百分數）。

土壤團聚體分離采用濕篩法[18]分成≥0.25 mm、<0.25 mm 2個粒級，團聚體質量百分比和平均直徑分別采用公式（3）、公式（4）計算：

式中：xi為團聚體平均直徑;wi為對應粒徑團聚體的質量。

土壤和團聚體有機碳含量采用外加熱法測定;土壤全氮、全磷和全鉀含量分別采用采用凱氏定氮法、硫酸-高氯酸消煮法和氫氟酸-高氯酸消煮法測定;有效氮、磷、鉀含量分別采用堿解蒸餾法、碳酸氫鈉浸提法、乙酸銨浸提法測定[19]。2009—2012年間水稻種植品種分別為為珍輻糯、豫秈9號、珍珠糯和兩優6326，水稻產量為各小區實打實收。

1.3 統計分析

采用SPSS 19.0和ANOVA方法進行處理間的顯著性差異分析（α=0.05）;采用Pearson法進行相關分析，同時用SPSS 19.0進行線性標準回歸分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤水力特性、容重及孔隙度的影響

從圖1可以看出，S≤0.06 MPa時，60%化肥分別與15 000、22 500、30 000、37 500 kg/hm2紫云英配施（依次簡稱為F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM3、F60%+GM4）的4個處理，其持水曲線均高于不施肥（CK）和僅施化肥（F100%）;當0.06≤S≤1.5 MPa時，持水曲線高低趨勢為F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM4>F100%、F60%+GM3、CK。在持水曲線上選取田間持水量、萎蔫含水量、有效水含量進行定量比較發現（表1）：萎蔫含水量變化范圍為19.7～20.2 g/g，處理間無顯著差異（P<0.05）;與CK（29.4 g/g）相比，5個施肥處理的田間持水量提高2%～11%，處理間顯著性差異表現為F60%+GM1≥F60%+GM3、F60%+GM4、F60%+GM2、F100%≥CK;有效含水量在處理間差異性為F60%+GM3≥F60%+GM1≥F60%+GM4、F60%+GM2≥F100%≥CK。表明施肥能提高土壤持水能力，單施化肥沒有化肥-紫云英配施效果好;化肥施用量為60%時，并非紫云英施用量越高持水能力越強，綜合分析看出，紫云英用量為 15 000、30 000 kg/hm2時土壤持水能力最強，即F60%+GM1、F60%+GM3 2個處理土壤持水能力最強。

土壤持水能力和土壤容重與孔隙狀況密切相關。從表1可看出，CK和F100% 2個處理土壤容重最大（均為1.38 g/cm3），F60%+GM3容重最小（1.16 g/cm3），比CK和F100%顯著降低15.6%，F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM4 3個處理則分別降低9.8%、6.5%、10.4%。土壤總孔隙度在處理間的變化趨勢與容重相反，即為CK、F100%≤F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM4≤F60%+GM3。有效孔隙比例與土壤總孔隙度稍有不同，在處理間的差異顯著性規律為CK≤F100%、F60%+GM4 、F60%+GM3、F60%+GM2≤F60%+GM1。表明并非紫云英翻壓量越大，容重減少越大，孔隙增加越多。有效孔隙比例的增加并非和總孔隙度一致。

不同處理比水容量見表2。當S=0.01 MPa時，CK比水容量最小，為2.10 cm3/（MPa·g），F60%+GM3和F60%+GM1比水容量最大，分別為2.62、2.60 cm3/（MPa·g），分別比CK處理增大24.8%、23.8%，分別比F100%處理增大20.2%、19.3%，比水容量在所有處理間變化趨勢為F60%+GM3、F60%+GM1≥F60%+GM4、F60%+GM2≥F100%≥CK。當S=1.5 MPa時，F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM3、F60%+GM4比水容量分別比CK增大12.6%、9.3%、10.6%、10.6%，分別比F100%處理增大9.2%、6.1%、7.4%、7.4%。整體看來，在考察吸力范圍內（0.01～1.5 MPa），比水容量在處理間變化趨勢基本與持水能力一致（即與S=0.01 MPa時相似）;并且隨水吸力增加，各處理比水容量均逐漸減小，處理間差異逐漸減小，但在所有處理間大小趨勢保持不變。因此，與CK相比，F100%處理土壤供水能力變化不顯著，化肥施用量為60%時，翻壓紫云英有利于提高土壤供水能力，尤其紫云英翻壓量為15 000、30 000 kg/hm2時土壤供水能力最強，即F60%+GM3、F60%+GM1 2個處理土壤供水能力最強。

2.2 不同處理對土壤團聚性及有機碳含量的影響

不同處理下土壤團聚體分布、團聚體穩定性及有機碳含量變化情況見表3。大團聚體（≥0.25 mm）是土壤中占絕對優勢的粒級，占比變化范圍為76.3%～85.9%，相應的，微團聚（<0.25 mm）變化范圍為14.1%～23.7%，二者在處理間均無顯著差異。團聚體平均質量直徑（MWD）大小為 3.2～3.6，處理間變化趨勢與大團聚體占比一致，處理間無顯著差異。但是，>0.25 mm大團聚體有機碳含量在處理間發生了顯著變化：與CK相比，F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM3、F60%+GM4有機碳含量分別顯著增加18.4%、23.4%、17.7%、19.1%，F100%處理增幅為7.1%，但處理間差異不顯著。<0.25 mm微團聚有機碳含量在各處理間無顯著差異。

2.3 不同處理對土壤養分含量的影響

從表4可以看出，與CK相比，60%化肥與不同量紫云英配施均顯著提高土壤有機碳含量，F100%處理效果不顯著。土壤全氮含量、全鉀含量、速效鉀含量在處理間差異不顯著。速效氮含量處理間變化趨勢為F60%+GM4、F60%+GM3、F60%+GM1≥F60%+GM2、F100%≥CK。與CK相比，5個施肥處理全磷含量、速效磷含量分別顯著提高14.3%～17.0%、1.0～1.2倍，但5個處理間差異不顯著。單從土壤養分變化看，可充分利用冬閑田種植紫云英翻壓還田替代40%化肥，紫云英翻壓量在15 000～37 500 kg/hm2 均可達到單施100%化肥一樣的效果，且與單施100%化肥相比，還能顯著提高土壤有機碳含量。因此，提倡60%化肥與紫云英配合施用。

2.4 不同處理對水稻產量的影響

從圖2可以看出，在2009—2012年間，與CK不施肥相比，5個施肥處理水稻產量均顯著增加，每年增幅范圍依次為25%～48%、41%～51%、24%～28%、18%～26%。在2010—2012年間，無論水稻品種如何變化，水稻產量在5個施肥處理間均無顯著差異，但試驗開始當年（2009年），水稻產量在5個施肥處理間顯著性差異表現為F60%+GM1、F60%+GM2>F60%+GM3、F60%+GM4>F100%。另外，CK處理4年平均產量為7 620 kg/hm2，5個施肥處理水稻產量比CK提高28%～36%。表明在增產方面，單施化肥和化肥-紫云英配施效果基本一樣。

2.5 水稻產量、土壤物理特性、養分含量之間相關分析

處理間產生顯著性差異的各變量的相關性見表5。土壤容重、總孔隙度均與土壤有機碳、速效氮顯著相關;有效孔隙比例除與土壤有機碳、速效氮顯著相關外，還與大團聚體有機碳極顯著正相關;田間持水量與容重、總孔隙度、大團聚體有機碳顯著相關，與有效孔隙比例、土壤有機碳、速效氮極顯著相關;有效含水量與大團聚體有機碳顯著相關，與容重、總孔隙度、有效孔隙比例、田間持水量、土壤有機碳、速效氮極顯著相關;水稻產量（4年平均值）與土壤有效孔隙比例、>0.25 mm大團聚體有機碳含量顯著正相關，與土壤全磷含量、速效磷含量極顯著正相關;速效氮含量與土壤、大團聚體有機碳顯著正相關;速效磷含量僅與全磷含量極顯著正相關;除以上描述，其他均相關不顯著。

3 討論與結論

3.1 不同處理對土壤物理特性的影響

土壤持水曲線是土壤含水量和土壤水吸力之間關系的曲線，它能反映土壤持水能力強弱，吸力相同時，曲線越低表明持水能力越弱，反之土壤持水能力越強。在該研究中，田間持水量在處理間顯著性差異表現為F60%+GM1≥F60%+GM3、F60%+GM4、F60%+GM2、F100%≥CK，有效含水量在處理間差異性為F60%+GM3≥F60%+GM1≥F60%+GM4、F60%+GM2≥F100%≥CK。化肥施用量為60%時，配施不同量紫云英的處理土壤田持和有效水含量提高，直接原因可能是容重降低、總孔隙度和有效孔隙度降低，楊曾平等通過長期定位試驗表明，雙季稻種植制度下，冬閑田種油菜、紫云英、黑麥草處理耕層土壤容重比冬閑田降低3.0%～5.1%，土壤總孔隙度則增加26.0%～33.4%，毛管孔隙增0.6%～9.7%，說明添加紫云英改善了土壤通透性，使土壤結構得到改善[15]。本研究還通過對比發現，與60%化肥配施不同量紫云英相比，單施100%化肥對土壤物理特性的改善效果較差，說明引起土壤以上物理特性改變的主要原因是綠肥納入。劉小粉等研究進一步證明，在紫云英翻壓量為22 500 kg/hm2時，化肥施用量越少，土壤持水能力越強[10]。說明綠肥是引起土壤物理特性變化的主因。本試驗結果還表明，在化肥施用量為60%時，紫云英翻壓量并非越高越好，紫云英用量為15 000～30 000 kg/hm2時，對土壤物理特性的綜合影響最優。

比水容量指土壤水吸力增加1個單位土壤所釋出水量，反映不同吸力時土壤有效水含量，可作為衡量土壤供水能力和土壤抗旱性的指標[20]。就植物生長而言，比水容量數值大，則植物吸水容易，反之則吸水困難。試驗中比水容量隨水吸力或者在處理間的變化趨勢與土壤持水特征基本一致。

土壤團聚體作為衡量土壤物理質量好壞的指標之一，其中大團聚體含量增加更有利于土壤結構改善。研究發現，與CK相比，各施肥處理并未引起>0.25 mm大團聚體顯著變化。Yang等發現，紫云英種植可促進耕層水穩性大團聚體形成[13]。同為稻田，這種差異可能主要由試驗年限不同導致：本試驗開展僅為5年，對方試驗已進行20余年，需進一步研究。值得強調的是，雖然大團聚體含量在處理間無顯著性差異，但在化肥-紫云英配施的4個處理中>0.25 mm大團聚體有機碳含量均顯著提高，而<0.25 mm微團聚體有機碳含量在所有處理間無顯著差異，再結合土壤有機碳含量情況，說明以紫云英形式進入土壤中的新鮮有機物料首先被固持在了>0.25 mm大團聚體中，而大團聚體對有機碳有良好的物理保護作用[21-22]，長遠來看將利于土壤有機碳提升和良好團粒結構形成。萬水霞等發現，化肥-紫云英配施能使部分處理有機碳含量提高[16]。高菊生等發現，輪作紫云英可顯著提高土壤有機碳含量[7]，本研究結果與之一致，說明紫云英種植和翻壓還田是增加土壤有機碳的重要途徑。Whalen等認為，土壤有機碳增加是投入有機物料的直接和間接作用所致[23]。一方面，新投入的有機物料自身作為直接的碳投入，能增加土壤有機碳含量;另一方面，投入有機物料能提高作物產量和秸稈量及促進根系發育，從而間接增加土壤碳投入。另外，盡管微生物量碳只占很少比例（約1.7%～3.0%），但新鮮物料投入后會引起微生物大量繁殖，這些對土壤有機碳積累的貢獻也不可忽視[24]。

研究表明，土壤持水能力與土壤結構、土壤黏粒和有機碳含量密切相關[25]，它是土壤結構和物質組成的復合函數[26-27]。表5通過田間持水量、有效含水量展示了土壤持水能力與土壤其他物理特性、養分含量的相關性，發現田間持水量、有效含水量均與容重、總孔隙度、有效孔隙比例、土壤有機碳、大團聚體有機碳、速效氮顯著相關，甚至極顯著相關，說明土壤持水能力變化是土壤物理結構（包括容重、孔隙、團聚體含量等）和物質組成（包括有機碳含量、速效氮含量等）共同作用的結果。從表5還可以看出，土壤這些物理特性之間、養分含量之間以及物理特性與養分含量之間也密切相關，互相影響。Yang等發現，紫云英種植可促進耕層水穩性大團聚體形成，從而提高土壤持水量[13]。Liu等通過20多年田間試驗進一步發現，土壤持水能力在不同粒徑團聚體間存在顯著差異，除了與團聚體有機碳含量有關外，還和團聚體機械組成密切相關[25]。這些變化都由農業管理措施改變引起。本研究還通過對比發現，與60%化肥配施不同量紫云英相比，單施100%化肥對土壤物理特性的改善效果較差，說明引起土壤以上物理特性改變的主要原因是綠肥納入，并且在化肥施用量一定時，綠肥用量并非越多越好，該試驗F60%+GM1、F60%+GM3處理（即60%化肥配施15 000 kg/hm2或30 000 kg/hm2紫云英）綜合表現最好。

3.2 不同處理對水稻產量的影響

本研究發現，化肥-紫云英配施與單施100%化肥均能顯著提高水稻產量，在2010—2012年間處理間差異不顯著，即為F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM3、F60%+GM4、F100%>CK，僅在試驗開展第一年（2009年），處理間顯著性差異表現為F60%+GM1、F60%+GM2>F60%+GM3、F60%+GM4>F100%>CK。說明僅從增產角度看，化肥施用量為60%時，紫云英翻壓量并非越多越好。呂玉虎等發現，水稻產量隨紫云英翻壓量增加出現先升后降趨勢，認為可能和紫云英翻壓量過大時水稻營養生長過旺、生殖生長受到抑制有關[3]。萬水霞等認為，70%化肥與22 500 kg/hm2紫云英配施較適合安徽沿江雙季稻區早稻生產[16]。張成蘭等綜合考慮水稻高產、穩產及減肥效益，認為60%化肥與37 500 kg/hm2紫云英配施效果最佳[12]。二者推薦施肥最佳組合不同，可能與地域、種植制度不同有關：前者為安徽沿江雙季稻產區，后者為淮海單季稻產區。另外，2個研究僅從水稻增產角度考慮，并未考慮不同施肥措施對土壤物理特性的影響，而要保證農業可持續發展，首先就應該保證土壤可持續發展。因此，本研究從土壤物理特性和養分變化的角度，同時定性（表5）和定量（表6）分析顯著影響水稻產量的因素以及各因素影響程度大小。

從表5可以看出，水稻產量（4年平均值）與土壤有效孔隙比例、>0.25 mm大團聚體有機碳含量顯著正相關，與土壤全磷含量、速效磷含量極顯著正相關。但這僅是定性分析，并不能定量化各因素的影響程度。因此，通過水稻產量與土壤理化性質之間的標準回歸分析（除表5中所列各指標外，其他土壤性質在處理間無顯著差異，故不考慮其影響），進而通過標準回歸系數來評價各土壤性質對水稻產量的影響程度。研究發現SPSS系統自動排除了土壤總孔隙度、田間持水量、有效含水量、大團聚體有機碳含量、全磷含量5個自變量（說明他們與未排除自變量存在高度線性相關），只保留了土壤容重、有效孔隙比例、土壤有機碳含量、速效氮含量、速效磷含量5個自變量，標準回歸系數見表6。由標準回歸系數大小看出，影響水稻產量的重要因素排序為：速效磷含量>土壤有機碳含量>速效氮含量>容重>有效孔隙比例。整體看來，土壤養分對水稻產量的影響要大于土壤物理特性。如速效磷每變化1個標準單位，水稻產量就變化1.132個標準單位，而容重每變化1個標準單位，水稻產量則變化0.283個標準單位，速效磷含量對水稻產量的影響程度是容重的4倍。

本研究通過5年長期定位試驗發現：單施100%化肥和60%化肥-紫云英配施對水稻增產效果無顯著差異，單施100%化肥對土壤物理特性的改善效果沒有60%化肥-紫云英配施效果好;化肥施用量為60%時，紫云英施用量并非越高越好，用量為15 000～30 000 kg/hm2時對土壤物理特性綜合改善效果最好;水稻產量與土壤物理特性顯著相關，標準回歸分析發現，土壤養分對水稻產量的影響大于土壤物理特性，其原因和機制還有待進一步研究闡明。

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