翻壓山黧豆綠肥與氮肥減施對水稻生長及其養分吸收與產量的影響

周澤弘，梁 琴，全紫曼，漆 燕，莫 坤，韓文斌

(南充市農業科學院，四川南充，637000)

水稻是中國重要的糧食作物，種植面積大，分布廣。由于傳統的農業生產過度依賴化肥，造成耕地質量下降、持續生產能力減弱、稻田生態環境惡化等突出問題[1-2]，嚴重制約了中國稻田生產的穩定性和可持續性。目前，如何通過改良水稻耕作措施，提升稻田土壤可持續生產力成為研究的熱點[3]。

綠肥是天然的清潔有機肥源，具有固氮吸碳、改善土壤物理性狀、提高土壤肥力等作用[4-5]，是中國南方稻區冬季稻田輪作休耕的重要種植作物[6-7]。四川丘陵區秋季多雨，田間濕度大，時有積水現象，常見綠肥品種如紫云英、光葉苕子耐滯性差，容易造成苗期植株矮小甚至死亡，生物產量低，滿足不了田間生產利用[8]；而山黧豆(Lathyrussativus)屬于豆科山黧豆屬，是抗逆性強，養分含量豐富的綠肥作物，適合稻田生產使用[8-9]。因此，將山黧豆納入四川稻區水稻輪作體系中，可實現水稻優質高產和可持續發展。

目前，關于稻田冬綠肥對水稻生長和土壤性狀的影響及其作用機制已有大量研究[10-13]。如：高嵩涓等[10]通過全國11個聯合定位試驗結果 (n=930)表明，冬種紫云英在不減肥或者減肥20%條件下增產效果顯著，水稻產量增加幅度分別為6.53% 和4.15%，在減施 40% 化肥時可保障水稻與常規施肥相比不減產，同時，紫云英的增產和節肥效應隨種植年限的增加而增強。朱強等[11]研究表明，在減少常規施氮量的50% 情況下，與稻草單獨還田處理相比，稻草和紫云英聯合還田可顯著增加稻谷氮素累積量、提高水稻產量，而保持常規施氮量和提高施氮量不能增加水稻的氮素吸收和產量。目前，相關研究多集中于翻壓紫云英對水稻生產系統的影響，研究區域多集中于湖南、湖北、安徽、河南等地[10-13]，但有關翻壓綠肥(尤其綠肥山黧豆)對四川丘陵區水稻生產的影響鮮有報道。基于此，本研究選用豆科綠肥山黧豆與氮肥減量配施，通過連續3年定位試驗，探討種植翻壓綠肥山黧豆減施氮肥對水稻生長、養分吸收及產量的影響，為構建四川稻田綠肥輪作制度體系、推動四川水稻產業綠色發展提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

田間試驗在四川省南充市西充縣青獅鎮(105°49′16″E、31°8′7″N)進行，試驗點地處四川盆地淺丘寬谷地貌區，中亞熱帶濕潤季風氣候，海拔386 m，年平均溫度17.5 ℃，年降雨量1 204.5 mm，無霜期約303 d，年日照1 353 h，供試土壤為水稻土，試驗前土壤pH值8.17，有機質25.22 g/kg，全氮1.78 g/kg，有效磷5.01 mg/kg，速效鉀43.93 mg/kg。

1.2 供試材料

供試水稻品種為‘宜香優2115’。試驗綠肥品種選用南選山黧豆(川審豆2012008)，是一個綠肥、飼料兼用型品種，抗逆性好，適合在四川省丘陵區稻田種植[8]，其全氮、全磷、全鉀的質量百分比分別為0.58%、0.24%和0.43%。

1.3 試驗設計

試驗于2015年9月～2018年9月進行，共設6個處理：①冬閑+不施肥(NF)；②種植翻壓山黧豆+不施氮肥(GM)； ③冬閑+常規氮肥(100%N，CK)； ④種植翻壓山黧豆+80%常規氮肥(GM+80%N)；⑤種植翻壓山黧豆+70%常規氮肥(GM+70%N)；⑥種植翻壓山黧豆+60%常規氮肥(GM+60% N)。供試化肥分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、氯化鉀(含K2O 60%)并配合施用，常規施肥量為尿素375 kg/hm2、磷肥750 kg/hm2、鉀肥150 kg/hm2(N∶P2O5∶K2O=11.5∶6.0∶6.0)。除無肥對照外其余各處理中磷、鉀肥全部作基肥一次性施用，氮肥按照基肥∶分蘗肥∶孕穗肥=5∶3∶2分次施用。試驗采用隨機區組設計，3次重復，共18個小區。小區面積20 m2(5 m×4 m)，各小區四周田埂寬30 cm，埂高30 cm，用聚乙烯薄膜覆蓋，防止肥水相互滲漏，小區間留50 cm寬溝，便于灌溉排水。

山黧豆和水稻的播種、收獲時間每年基本一致，山黧豆于9月下旬按照60 kg/hm2的播種量均勻撒播，次年4月中旬盛花期于水稻移栽前10～15 d按照22 500 kg/hm2翻壓量定量翻壓。水稻于4月下旬劃行移栽，栽插密度為15.0 cm×33.3 cm，栽插單株，于8月下旬收割測產。各處理除綠肥還田方式和氮肥施用量不同外，其他田間管理措施保持一致。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 生育期水稻生育時期內，記載分蘗期(tillering stage，TS)、拔節期(elongating stage，ES)、孕穗期(booting stage，BS)、灌漿期(grain filling stage，GFS)、成熟期(mature stage，MS)等主要生育期。

1.4.2 株高、分蘗數及干物質量在水稻各生育時期，每小區隨機選擇長勢一致的10株水稻進行水稻株高和分蘗數測定，隨機刈割5株長勢均勻的水稻植株帶回實驗室，于105℃進行殺青，并于65℃烘干測量水稻干物質量。

1.4.3 葉綠素含量采用便攜式葉綠素儀(SPAD-502)測定水稻葉片的葉綠素相對含量(SPAD值)。在水稻分蘗期和拔節期，每個小區測定長勢一致的倒一展開葉20片；在水稻孕穗期和灌漿期，每小區測定長勢一致的劍葉20片。測定時，以每片葉的上、中、下部1/3處SPAD讀數的平均值作為該葉片的SPAD值，取20片葉的平均值作為該小區的SPAD值。

1.4.4 植株及籽粒養分含量將水稻不同生育時期植株莖、葉、穗等器官及成熟時期水稻籽粒烘干稱量、粉碎過篩。全氮含量采用Foss-2300全自動定氮儀測定，磷素含量測定采用鉬銻抗比色法，鉀素含量測定用火焰光度計法[13]。

1.4.5 水稻產量在水稻成熟期分小區收獲，單打單曬，晾干后測定小區籽粒產量和秸稈產量。

1.5 統計分析

試驗結果采用Duncan法進行差異顯著性分析，顯著性水平為0.05；所有統計分析利用Excel 2016和SPSS 19.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻生長的影響

2.1.1 分蘗數由表1可知，在不同生育時期，各處理的水稻分蘗數由大到小順序均表現為GM+70%N、GM+80%N、GM+60%N、100%N(CK)、GM、NF，而且翻壓山黧豆綠肥與氮肥減量配施處理(GM+70%N、GM+80%N、GM+60%N)顯著高于常規施肥(100%N)、單施山黧豆綠肥(GM)，后兩者又顯著高于不施肥處理(NF)；隨著生育時期的推進，各處理水稻分蘗數表現出先增長后下降的變化趨勢，并均在孕穗期達到最大。與常規施肥處理(100%N)相比，翻壓山黧豆綠肥與減量氮肥配施處理水稻有效分蘗數顯著提高了33.98%～59.47%，并以GM+70%N處理最佳，如在水稻成熟期，GM+70%N處理水稻有效分蘗數較100%N處理顯著增加了34.50%。可見，翻壓山黧豆與減施氮肥結合可以有效提高不同生育時期水稻分蘗數。

表1 不同施肥處理下水稻主要生育期分蘗數的變化

2.1.2 株高圖1顯示，隨著生育期推進，水稻株高逐漸增加，與常規施肥(100%N)相比，翻壓山黧豆減施氮肥處理均顯著提高不同生育時期水稻株高，其株高由大到小順序均表現為GM+60%～80%N、100%N、GM、NF，且在綠肥與減氮配施處理、常規施肥和單施綠肥處理、不施肥處理間大多存在顯著性差異；除孕穗期外，GM+80%N處理水稻株高均高于GM+60%和GM+70%，但處理間差異并不顯著(P>0.05)。

2.1.3 干物質積累量由表2可知，與常規施肥(100%N)相比，翻壓山黧豆減施氮肥均能顯著提高不同生育時期水稻干物質積累量，并以GM+70%N處理增幅最大，在水稻分蘗期、拔節期、孕穗期、灌漿期和成熟期分別增加了144.18%、56.93%、17.09%、25.99%和23.19%。在水稻分蘗期、拔節期和孕穗期，翻壓山黧豆與減氮配施處理水稻干物質積累量由大到小順序均表現為GM+70%N、GM+80%N、GM+60%N，且不同處理間差異達到顯著水平(P<0.05)；但在水稻灌漿期和成熟期，水稻干物質積累量在GM+60%N和GM+80%N之間的差異并不顯著。而只翻壓綠肥山黧豆(GM)處理下，水稻干物質積累量在分蘗期、拔節期和灌漿期均比常規施肥處理顯著下降(P<0.05)。

2.1.4 葉綠素SPAD值由圖2可知，不同生育時期各處理水稻葉片葉綠素含量由大到小順序為100%N(CK)、GM+60%～80%N、GM、NF，說明各翻壓綠肥處理水稻葉片葉綠素含量有所降低。其中，與常規施肥(100%N)處理相比，翻壓綠肥與減施氮肥處理(GM+60%～80%N)水稻葉片葉綠素含量在水稻拔節期顯著降低，但在其余生育期無顯著差異(P>0.05)；單施綠肥處理(GM)的葉片葉綠素含量在拔節期和孕穗期比100%N處理顯著降低，在拔節期和灌漿期無顯著差異。此外，在水稻各生育期，葉片葉綠素含量在各翻壓綠肥山黧豆與減施不同比例氮肥處理間差異并不顯著(P>0.05)。

圖1 不同施肥處理下水稻各生育期株高的變化Fig.1 The plant height of rice at main growth stages with different fertilization treatments

表2 不同施肥處理下水稻各生育期干物質積累量的變化

2.2 不同施肥處理對水稻養分吸收的影響

2.2.1 植株養分吸收隨著生育時期的推進，水稻植株氮、磷、鉀養分吸收量均逐漸增加(表3)。在氮素吸收方面，各處理水稻植株氮素吸收量在分蘗期、拔節期、孕穗期、灌漿期由大到小順序均為GM+80%N、GM+70%N、GM+60%N、100%N(CK)、GM、NF，而在成熟期表現為100%N處理氮素吸收量最高，各翻壓山黧豆減施氮肥處理次之，但100%N處理與GM+70%N處理差異并不顯著(P>0.05)；GM處理氮素吸收量在各生育期始終與100%N處理差異顯著。在磷素吸收方面，除成熟期外，各處理水稻不同生育期植株磷素吸收量由大

圖2 不同施肥處理下水稻各生育期葉綠素SPAD值的變化Fig.2 The SPAD value of chlorophyll in rice leaves at main growth stages with different fertilization treatments

表3 不同施肥處理下水稻各生育期植株養分吸收情況

到小順序為GM+70%N、GM+80%N、GM+60%N、100%N(CK)、GM、NF，且同期各處理間大多差異顯著；在鉀素吸收方面，各處理水稻不同生育期植株鉀素吸收量由大到小順序均為GM+70%N、GM+80%N、GM+60%N、100%N(CK)、GM、NF，且同期的翻壓山黧豆減施氮肥各處理間及其與常規施肥處理間始終差異顯著。說明在水稻生育前期，翻壓山黧豆減施氮肥有助于水稻植株主要養分氮、磷、鉀吸收，但在水稻成熟期翻壓山黧豆減施氮肥比例過多或過少時均不利于水稻植株氮素吸收。

2.2.2 籽粒養分吸收由表4可知，不同施肥處理對水稻成熟期籽粒養分吸收存在一定影響，翻壓山黧豆減施氮肥降低了籽粒氮吸收量，而提高籽粒磷吸收量和鉀吸收量。與常規施肥處理(100%N)相比， GM+70%N處理水稻籽粒氮吸收量有所下降但未達到顯著水平(P>0.05)，而其水稻籽粒磷吸收量和鉀吸收量顯著提高(P<0.05)； GM+60%N和GM+80%N處理下水稻籽粒氮吸收量分別顯著降低20.67%、19.03%，其磷吸收量和鉀吸收量大多顯著提高；GM處理的籽粒氮、磷吸收量均比100%N處理顯著降低，鉀吸收量也明顯降低但未達到顯著水平。可見，在翻壓山黧豆減施30%氮肥時，水稻籽粒養分吸收更為全面，而減施比例過高或者過低則均對水稻氮素吸收有顯著的抑制作用。

表4 不同施肥處理下水稻成熟期籽粒養分吸收情況

表5 不同施肥處理水稻產量

2.3 不同施肥處理對水稻產量的影響

由表5可知，與常規施肥處理(100%N)相比，各翻壓山黧豆減施氮肥處理均能提高稻谷產量，增產幅度為3.45%～13.84%，GM+70%N和GM+80%N處理對稻谷產量的增產效果均達到顯著水平，并以GM+70%N處理增產效果最好；單獨翻壓山黧豆綠肥處理(GM)的稻谷產量則顯著低于常規施肥處理(100%N)。同時，在不同施肥處理下，水稻的秸稈產量與稻谷產量表現相似，且所有翻壓山黧豆減施氮肥處理的增幅(13.65%～34.76%)均達到顯著水平；另外，水稻的谷草比在各施肥處理間存在顯著差異，并以常規施肥(100%N)處理最高(1.23)，并顯著高于其他處理；GM+80%N處理的谷草比最低(0.98)，GM、GM+60%N和GM+70%N處理下谷草比分別為1.10、1.12、1.04，均顯著高于GM+80%N處理。說明翻壓綠肥山黧豆替代30%～40%氮肥處理的水稻谷草比較優，在避免水稻旺長的同時實現水稻高產。

3 討 論

3.1 翻壓山黧豆減施氮肥對水稻生長的影響

促進分蘗成穗和合理的干物質積累與分配是形成水稻優質群體、促進水稻產量形成的物質基礎和重要保障[14]。本研究表明，與常規施肥(100%N)相比，翻壓山黧豆與氮肥減施能顯著提升水稻株高、增加水稻分蘗數、提高水稻干物質積累量，其中以GM+70%N施肥處理提升最為明顯，各生育時期水稻株高、有效分蘗數、干物質積累量分別增加了13.32%～ 15.73%、33.98%～59.47%和23.18%～144.18%，且增加速率隨著生育時期的推進依次降低。其原因可能是，山黧豆翻壓還田后，提高了水稻生育前期土壤供氮能力，從而有利于生長前期水稻生長、養分吸收利用和分蘗早發，確保后期也能維持較高的供肥能力，為水稻后期的生長打好了豐產基礎[15]，而且綠肥還田還改善了土壤氮素供應過程，養分釋放動態與作物營養特性一致，促進了養分的吸收利用，防止了水稻生長后期早衰，保證了后期光合產物的有效供給，從而提高了群體干物質累積量[14, 16]。同時，本研究還發現，翻壓綠肥山黧豆減施氮肥使水稻葉片葉綠素含量有所降低，但降幅并不顯著(P>0.05)，這與袁穎紅等[17]的研究有一定出入，其原因可能是投入的綠肥品種和還田量存在差異，從而導致葉綠素變化規律出現偏差，因此，翻壓綠肥山黧豆對水稻光合特性的影響還需要進一步驗證。

3.2 翻壓山黧豆減施氮肥對水稻養分吸收的影響

植株養分吸收是其生長發育的基礎，不同施肥處理對水稻植株及籽粒氮、磷、鉀養分吸收產生了明顯的影響。本研究結果表明，在只翻壓綠肥和不施用肥料處理下，水稻植株和籽粒的氮、磷、鉀養分吸收量均比常規施肥處理顯著降低，這與黃晶等[18]研究結果一致，可能是由于這兩個處理氮素的投入量較其他處理要小，而影響磷素吸收總量的主導因子不是磷肥而是鉀肥和氮肥的原因。在本研究的水稻生育前期，翻壓山黧豆減施氮肥有助于水稻植株養分吸收，但在水稻成熟期翻壓山黧豆后減施氮肥比例過多或過少時均不利于水稻植株和籽粒氮素吸收。這可能是種植翻壓山黧豆后，山黧豆根瘤共生固氮還田后提高了土壤中養分水平，并活化了養分的有效性，使水稻能夠吸收利用的氮素總量增加，從而增加了對全氮的吸收總量[19]；本研究進一步表明，翻壓山黧豆減施30%氮肥時，水稻植株和籽粒養分吸收更為全面，而減施比例過高或者過低均對水稻氮素吸收有較大影響，這與周興[20]、張均華[21]等研究結果一致，這可能是因水稻地上部氮吸收總量隨施氮量增加而顯著增加[22-23]，在水稻生育后期，當氮肥用量減少40%時，綠肥山黧豆所帶入的氮并不能彌補減少的氮肥用量，導致氮素總投入量減少，從而使得其地上部氮素養分含量降低，最終降低了其地上部全氮吸收累積總量[19]。

3.3 翻壓山黧豆與氮肥減施對水稻產量的影響

水稻產量受自然條件、土壤環境、栽培措施等多方面因素影響，其中栽培措施影響尤為突出[18]。研究表明，種植翻壓綠肥替代部分化肥后，有利于水稻增產穩產[20-21]。劉思超等[24]研究表明，綠肥種植翻壓后，可替代40%常規化肥投入量，水稻仍能顯著增產；周興等[21]研究表明，翻壓紫云英并減施氮肥20%～40%的條件下，水稻產量不會降低。本研究發現，翻壓綠肥山黧豆減施一定比例氮肥均能有效提高水稻產量，可能是山黧豆植株具有較低的碳氮比，作為綠肥翻壓后能夠促進土壤微生物的繁殖和有機質分解過程中的養分釋放，提高土壤中有效養分含量，促進水稻的生長發育[24]，因此，山黧豆可替代部分化肥氮。但單施綠肥而不施化肥處理的水稻產量有所降低，說明綠肥山黧豆并不能完全替代氮肥，從氮肥替代比例來看，水稻產量出現先增加后降低的趨勢，并在替代氮肥30%左右時水稻增產效果最優，其原因可能是在山黧豆還田量較少時，山黧豆養分在水稻生育期逐漸釋放和供給，從而持續促進水稻生長并實現增產，但山黧豆還田量較大時，土壤微生物群落增加較大，與水稻植株生長出現養分競爭，從而使水稻增產效果有所下降[25-26]。

4 結 論

翻壓山黧豆與氮肥減施能顯著提升水稻株高、增加水稻分蘗數、提高水稻干物質積累量，其中以GM+70%N施肥處理提升效果最為明顯。翻壓山黧豆減施30%氮肥時，水稻植株和籽粒養分吸收更為全面，減施比例過高或者過低，均對水稻氮素吸收有較大影響。翻壓山黧豆和不同減氮處理下，水稻產量均有所提高，其中GM+70%N增幅最大為13.84%。可見，種植翻壓山黧豆并適量減施氮肥能有效促進水稻生長，提高水稻產量，促進稻田提質增效的可持續發展，是四川水稻種植較好的耕作措施。