紫云英還田與化肥減量配施對土壤氮素供應和水稻生長的影響

張濟世，張 琳，丁 麗，劉春增*，呂玉虎，鄭春風，張成蘭，聶良鵬，曹衛東，張玉亭

（1 河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南鄭州 450002；2 信陽市農業科學院，河南信陽 464000；3 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

水稻是全球一半以上人口的主要口糧作物，維持水稻可持續生產對于全球糧食安全至關重要[1-2]。中國作為世界上主要的水稻生產國之一，其種植面積占全球的18.5%，產量占全球的28.0%[3-4]?；实耐度雽λ井a量的提升起著決定性作用[5]。據統計，我國水稻生產中化肥用量增長幅度已超過世界平均水平[6]，大量化肥的投入不僅降低了資源利用效率，還會導致土壤質量退化以及溫室氣體排放等一系列生態環境問題，進而影響水稻作物系統的可持續性[7]。有機無機肥配施是一種可持續的生產管理策略，以畜禽糞便為有機肥源的生產方式已經快速發展，但是它們的應用可能會帶來環境風險，如重金屬和抗生素等[8-9]。因此，綠肥作為一種清潔高效的有機肥源獲得了越來越多的關注。

紫云英 (Astragalus sinicusL.)作為普遍種植的豆科綠肥，在水稻冬閑期間種植紫云英可以通過根瘤菌固定大氣中的氮，提高土壤氮庫，進而減少后茬作物氮肥的投入[10]。紫云英還田可以替代部分化肥，不僅減少了化肥用量，提高了資源利用效率，還可以改善土壤結構，增加水穩性大團聚體含量和有機碳的礦化速率，進而提高土壤氮有效性，促進作物對氮營養的吸收和累積，有助于水稻產量的提升[5]。但是不同水稻種植區域紫云英替代化肥的量以及對水稻生產的影響不盡相同。安徽沿江雙季稻區的試驗結果表明，與單施化肥相比，紫云英還田15～30 t/hm2和化肥減量30%配施可以顯著增加水稻產量，提高土壤微生物碳氮含量，改善稻田土壤微環境[11]；也有研究發現，翻壓紫云英22.5 t/hm2可以替換40%化肥，并且保證江西雙季稻產量無顯著降低，同時提高土壤有機質和全氮含量[12]；福建單季稻區的研究發現，在翻壓紫云英18.0 t/hm2與60%常規化肥用量配施情況下仍可以維持水稻產量穩定，同時提高了養分利用效率[13]。

氮是作物生長發育的重要營養元素之一。適宜的氮投入可以滿足作物不同生育階段對氮素的需求，可以更好的協調土壤氮素供應與作物氮需求之間的矛盾，不僅提高了作物產量和氮素利用效率，還可以減少氮素損失帶來的一系列環境問題[14-15]。然而，目前關于紫云英還田與化肥配施的研究更多集中在水稻產量、氮素利用效率以及土壤質量方面，對水稻不同生育時期的干物質積累和群體特征以及根層土壤氮素供應的動態變化卻鮮有報道。因此，本研究選擇不同的紫云英還田與化肥減施的比例組合，比較其對豫南地區稻田土壤氮素供應的影響，包括無機氮的動態變化；分析其對水稻生長發育的影響，包括對氮素的吸收和累積、群體動態發育及干物質累積的影響，探究不同的紫云英還田與化肥減施的比例組合下根層氮素供應與水稻地上部生長特性的協同效應，為豫南稻區找到合適的施肥策略提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于信陽市農業科學院試驗園區 (32°07' N,114°05' E)進行，該區位于河南省南部，屬于亞熱帶向暖溫帶過渡區，年均氣溫15.1℃～15.3℃，年均降雨900～1400 mm。該試驗始于2008年，試驗土壤為黃棕壤性潛育型水稻土，基礎土壤 (0—20 cm)有機碳為12.96 g/kg，堿解氮為71.5 mg/kg，有效磷為16.5 mg/kg，速效鉀為78.2 mg/kg。

1.2 試驗設計

本試驗采用隨機區組試驗設計，包括7個處理： 1)不施肥對照 (CK)；2)100%化肥 (F100)；3)紫云英還田+100%化肥 (MVF100)；4)紫云英還田+80%化肥 (MVF80)；5)紫云英還田+60%化肥(MVF60)；6)紫云英還田+40%化肥 (MVF40)；7)紫云英單獨還田 (MV)。每個處理包括4次重復，共計28個小區。相應處理中化肥用量是指水稻季化肥用量，紫云英種植期間不施肥。每個小區面積為6.66 m2(3.33 m×2.0 m)，小區間筑田埂并覆膜防止串水串肥，梗寬30 cm。施肥類型為尿素 (N 46% )、過磷酸鈣 (P2O512%)和氯化鉀 (K2O 60%)。100%化肥為 N 135 kg/hm2、P2O567.5 kg/hm2、K2O 67.5 kg/hm2，80%、60%和40%化肥分別減少氮和鉀的用量，磷的用量不減少，其中氮肥分3次施用，基肥占50%，分蘗肥占30%，孕穗肥占20%，磷、鉀全部基施。本試驗紫云英選用‘信紫1號’，于2020年水稻收獲后原地種植，于2021年4月上旬紫云英盛花期翻壓22.5 t/hm2，多余部分移出小區，少的補充，其中紫云英鮮草含水量90%，干草含N 37.5 g/kg，含K 35.0 g/kg。供試水稻品種為‘揚兩優 013’，于2021年5月下旬劃行移栽，移栽密度為16.7 cm×20.0 cm，每穴兩棵基本苗，其他田間管理與當地管理方式一致。

1.3 樣品采集與測定

前茬作物為綠肥紫云英，采集翻壓還田前表層土壤 (0—20 cm)，水稻生育時期的表層土樣采集包括3個時期：分蘗盛期 (移栽后33天)、孕穗期 (移栽后67天)和成熟期 (移栽后115天)。將樣品帶回實驗室，立即過5 mm篩，混合均勻用于測定土壤無機氮 (Nmin)含量。土壤樣品經2 mol/L氯化鉀浸提后，用連續流動分析儀測定土壤無機氮 (硝態氮和銨態氮)含量[15]。

于水稻分蘗盛期、孕穗期和成熟期隨機選取3穴植株樣品，成熟期地上部分為秸稈和穗兩部分，將樣品帶回實驗室，于105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重，測定地上部干物質積累量；隨后將樣品磨碎，進行養分含量測定。植物氮含量采用硫酸-過氧化氫消煮和—凱氏定氮法測定[16]。

定點監測水稻莖蘗數動態變化。每個小區選取兩行5穴水稻植株，于分蘗盛期、孕穗期和成熟期進行動態監測其分蘗數。

1.4 計算公式

孕穗期前干物質轉運量 (kg/hm2)=孕穗期干物質積累量-成熟期秸稈干物質積累量；

孕穗期前干物質對穗的貢獻率 (%)=孕穗期前干物質轉運量/成熟期穗干重×100；

孕穗期后干物質輸入穗的量 (kg/hm2)=成熟期穗干重-孕穗期前干物質轉運量；

孕穗期后干物質對穗的貢獻率 (%)=孕穗期后干物質輸入穗的量/成熟期穗干重×100；

氮素吸收利用率 (%)= (成熟期施氮區地上部總吸氮量-成熟期不施氮區地上部總吸氮量)/施氮量×100，(關于公式中的“施氮量”，計算化肥氮投入的氮素吸收利用效率時為化肥氮的投入量，計算總氮投入的氮素吸收利用效率時為化肥氮投入和紫云英氮投入的總和)；

氮素表觀損失量=紫云英輸入氮+化肥輸入氮+紫云英還田前土壤無機氮 (Nmin)+氮素表觀礦化量-成熟期地上部總氮積累量-成熟期土壤無機氮 (Nmin)；

氮素表觀礦化量=對照區作物吸氮量+對照區成熟期土壤無機氮 (Nmin)-對照區紫云英還田前土壤無機氮(Nmin)。

1.5 數據統計與分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2019進行處理，采用SAS軟件進行單因素方差分析和Duncan多重比較法分析不同處理間的差異顯著性 (P＜0.05為差異顯著)，采用Origin 2021軟件進行數據作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻干物質累積與轉運的影響

不同的施肥處理顯著影響了水稻各生育時期的干物質積累量 (圖1)。不同的水稻生育時期下，各施肥處理的干物質累積量均高于不施肥處理。在分蘗盛期，MVF80和F100處理的干物質積累量顯著高于CK 35.59%和31.76%；孕穗期干物質快速積累，不同處理效果逐漸明顯，除了MV處理外，其他處理的干物質積累量均顯著高于CK，其中MVF80處理最高，增加了38.53%，其次是MVF100、F100、MVF40和MVF60處理，這4個處理分別較CK增加了35.87%、35.35%、28.36%和18.60%；在成熟期，與CK相比，不同施肥處理的干物質累積量顯著增加了24.01%～34.58%，其中F100處理增加了24.01%，MVF100和MVF80處理的干物質累積量分別較F100處理顯著增加了8.52%和7.14%，而其他施肥處理較F100處理無顯著差異。

圖1 不同施肥處理下水稻各生育期地上部干物質積累量Fig.1 Aboverground dry matter accumulation of rice at each growth stage under different fertilizer treatments

表1表明，施肥處理的成熟期秸稈和穗干物質積累量均顯著高于CK，分別提高了22.07%～37.62%和25.80%～39.59%；與F100處理相比，紫云英還田處理提高了成熟期秸稈和穗干物質積累量，其中，MVF100處理的秸稈干物質積累量顯著提高了12.75%，MVF80處理的穗干物質積累量顯著提高了10.96%，其他施肥處理較F100處理無顯著差異。孕穗期后干物質輸入是成熟期穗干物質積累的主要來源。MVF60處理孕穗期后干物質輸入穗的量是最高的，對穗干物質積累量的貢獻率也是最高的，顯著高于F100處理，與其他處理差異不顯著；而F100和MVF80處理孕穗期前的干物質轉運量和對穗的干物質積累量的貢獻率是最高的，均高于MVF60處理，其他處理與F100和MVF80處理差異不明顯。

表1 不同施肥處理對水稻干物質轉運的影響Table 1 Effects of different fertilizer treatments on dry matter transportation of rice

2.2 不同施肥處理對水稻莖蘗數動態變化的影響

由圖2可知，與CK相比，施肥處理均增加了水稻不同生育時期的莖蘗數，其中F100處理不同生育時期的莖蘗數最高，較CK處理顯著增加了22.79%～33.08%，但是其成穗率[成熟期(移栽后115天)的莖蘗數/分蘗盛期(移栽后33天)的莖蘗數]是最低的。紫云英還田處理對不同生育時期莖蘗數的影響不盡相同，與CK處理相比，MVF100和MVF80處理在分蘗盛期(移栽后67天)的莖蘗數分別顯著增加了15.82%和18.14%，MVF10、MVF80和MV處理在孕穗期(移栽后67天)的莖蘗數較CK處理顯著增加了12.50%～20.22%，MVF80和MVF60處理較CK處理在成熟期莖蘗數分別顯著增加了15.43%和14.84%。與F100處理相比，MVF80、MVF60 和MVF40處理的分蘗盛期莖蘗數顯著降低了11.22%～17.96%，而成熟期的莖蘗數卻無顯著差異，這主要是因為提高了成穗率。

圖2 不同施肥處理下水稻莖蘗數動態變化Fig.2 Development of the tiller number under different fertilizer treatments

2.3 不同施肥處理對氮素吸收利用的影響

不同施肥處理顯著影響了水稻不同生育時期的地上部氮素積累量 (圖3)。在分蘗盛期，F100、MVF80和MVF100處理的地上部氮素積累量較CK處理分別顯著增加了69.15%、52.46%和37.79%，其他處理與CK處理無顯著差異。對于孕穗期和成熟期的地上部氮素積累量來說，各施肥處理均顯著高于CK處理；MVF80處理的孕穗期地上部氮素積累量較F100處理顯著增加了28.71%，其他處理與F100處理無顯著差異 ；在成熟期，與F100處理相比，MVF100和MVF80處理的地上部氮素積累量分別顯著增加了24.54%和18.74%，而MV處理顯著降低了10.13%，其他處理與F100處理無顯著差異。

圖3 不同施肥處理下水稻各生育期地上部氮素積累量Fig.3 Aboveground nitrogen accumulation of rice at each growth stage under different fertilizer treatments

不同紫云英化肥配合處理水稻成熟期秸稈和穗氮素積累量均顯著高于CK處理 (圖4)，且與F100處理相比，MVF100處理的秸稈和穗氮素積累量分別顯著提高了46.13%和10.56%，MVF80處理的穗氮素積累量顯著提高了19.20%，其他處理與F100處理無顯著差異。

圖4 不同施肥處理水稻成熟期秸稈和穗氮素積累量Fig.4 Nitrogen accumulation in straw and panicle at rice maturity under different fertilizer treatments

隨著化肥氮投入的減少，氮素吸收利用效率逐漸增加。與F100處理相比，紫云英還田與化肥配施處理的氮素吸收利用效率顯著增加了54.48%～183.70%，表現為 MVF40＞MVF60＞MVF80＞MVF100。MV處理的總氮投入的氮素吸收利用效率較F100處理顯著提高了23.97%，其他處理間無顯著差異 (圖5)。

圖5 不同施肥處理水稻氮素吸收利用率Fig.5 Nitrogen recovery efficiency of rice under different fertilizer treatments

2.4 不同施肥處理對土壤無機氮含量的影響

圖6表明，不同施肥處理對不同生育時期的土壤無機氮積累量具有較大的影響。紫云英還田前，F100處理的銨態氮和無機氮含量顯著高于CK處理，硝態氮含量無顯著差異，與F100處理相比，單獨紫云英還田處理和紫云英與化肥配施處理的銨態氮含量均顯著降低，而硝態氮含量顯著增加，只有MVF60、MVF40和MV處理的無機氮含量顯著降低。在分蘗盛期，MV處理的銨態氮含量最高，MVF80處理的無機氮含量最高，均顯著高于CK和MVF100處理，而MVF100和MVF80處理的硝態氮含量顯著高于除MVF40處理外的其他處理。孕穗期，與CK和F100處理相比，MVF80和MVF60處理的硝態氮和無機氮含量顯著增加，而各處理間銨態氮含量無顯著差異。在成熟期紫云英處理間無機氮積累量無顯著差異，MVF100和MVF80處理的銨態氮含量顯著高于CK；與CK和F100處理相比，MVF80和MVF60處理的硝態氮含量顯著增加，MVF100和MVF80處理的無機氮含量顯著增加。

圖6 不同施肥處理對不同水稻生育時期土壤無機氮含量的影響Fig.6 Effects of different fertilizer treatments on soil mineral nitrogen content at different rice growth stages

2.5 不同施肥處理對土壤氮素表觀平衡的影響

土壤氮素表觀平衡是氮素輸入和輸出的差值，本研究氮素輸入項包括紫云英和化肥輸入氮、紫云英還田前土壤無機氮、氮素表觀礦化，輸出項包括成熟期水稻地上部氮積累和土壤無機氮殘留。表2反映了不同施肥處理對土壤氮素表觀平衡的影響，與F100處理相比，MVF100處理的氮素表觀損失量顯著增加了36.15%，這主要是總的氮素投入增加了62.51%；由于MVF80和MVF60處理的總的氮素輸入和輸出均高于F100處理，致使氮素表觀損失量與F100處理無顯著差異；MVF40和MV處理的氮素表觀損失量比F100處理分別顯著降低了27.14%和63.83%，這可能是由于低的化肥氮投入和紫云英還田前土壤無機氮含量造成的。

表2 不同施肥處理對稻田土壤氮素表觀損失量的影響(kg/hm2)Table 2 Effects of different fertilizer treatments on apparent N loss of paddy soils

3 討論

干物質是光合作用的產物，其積累及轉運直接或者間接影響了作物產量的提升，尤其是作物生育后期的干物質積累[15,17]。本研究發現，與CK相比，F100處理提高了水稻孕穗期的干物質積累量和孕穗期前的干物質轉運量，但成熟期穗的干物質積累量低于紫云英處理，其原因可能是化肥養分釋放速度快，提高了作物生育前期的土壤供氮水平，但是養分損失嚴重，不能滿足作物后期對氮素的需求[18]，降低了孕穗期后的干物質輸入穗的量和對穗的貢獻率。而有機肥可以平緩釋放養分，滿足作物生育后期的養分需求，提高水稻營養器官干物質向穗部的運輸，進而提高水稻的產量[19-20]。本研究表明，MVF80處理較CK增加了孕穗期的干物質積累量和孕穗期前的干物質轉運量，與F100處理相比也增加了孕穗期后干物質向穗輸入的量，最終實現了成熟期地上部總干物質和穗干物質積累量的同步提升。而MVF100處理可能是由于氮素供應過量導致水稻生育后期貪青晚熟，影響了干物質向穗部轉移[21-23]；MVF60和MVF40處理可能是由于水稻生育前期的氮肥投入低，導致成熟期干物質積累量偏低。

種植和翻壓紫云英能夠提高稻田土壤供肥特性，促進水稻對養分的吸收利用[24]。氮素是水稻生長發育的重要因子，氮素供應不足會限制水稻的生長發育及氮素吸收，進而影響水稻群體結構及冠層光合功能[25-26]。不同的氮素形態對水稻的生長發育影響不同，其中銨態氮優于硝態氮[27]。本研究表明，在紫云英還田前，F100、MVF100和MVF80處理的土壤具有較高的無機氮含量，尤其是銨態氮含量，進而提高了分蘗盛期的地上部氮素積累量和莖蘗數，但是同時也增加了無效分蘗，進而減少了成穗率，這與周麗燕等[28]的研究結果類似，可能是由于較高的初始根層氮素供應以及外源氮肥投入遠遠超過了水稻生長前期氮素需求，刺激了無效分蘗的產生[29]。隨著水稻的生長，F100處理土壤的無機氮含量逐漸降低，而MVF100和MVF80處理土壤的無機氮含量趨于穩定，其中銨態氮的變化趨勢與無機氮類似，這可能是因為化肥氮投入養分易于淋失，而有機無機肥配施可以減緩氮素的排放或者淋失，優化土壤氮素供應[17]。但是MVF100處理可能是因為氮投入過量，致使水稻生育后期 “源庫不協調”，影響孕穗期后氮素和干物質向穗中轉移，進而成熟期莖蘗數少，秸稈氮素積累量較高[22,30]，這與王艷等[31]的研究結果類似；而MVF80處理由于高的孕穗期根層無機氮含量，孕穗期后干物質和氮素積累較高，成穗率和成熟期穗的氮素積累量較高。

紫云英與化肥配施能夠促進作物對氮素的吸收和積累，不僅提高了作物對氮的吸收利用效率，還可以降低環境風險[32-33]。在本研究中，與單施化肥相比，紫云英還田下化肥減施處理顯著提高了化肥氮的吸收效率，而總氮投入的氮吸收效率多無顯著差異。通過評估土壤氮素表觀損失發現，紫云英還田下化肥減施處理的總氮投入雖高于單施化肥處理，但是氮素表觀損失量較低。這可能是因為紫云英還田不僅可以改善土壤結構，提高土壤對礦質養分的固持，還可以增加土壤氮循環相關的酶及有益微生物的活性，促進農業生態系統內部氮循環利用，具有提升水稻氮素吸收利用效率和降低氮素表觀損失的潛力[24,34-35]。

綜合考慮水稻地上部群體特征和根層土壤氮素供應，在本研究區域紫云英還田配施80%化肥處理效果較好，滿足了水稻不同生育時期的氮素需求，促進了地上部群體發育和干物質積累，但是從氮肥吸收效率和氮素表觀損失來看，仍有優化潛力。在未來，如何優化紫云英還田與化肥配施比例，進一步實現水稻地上部群體特性與根層養分供應的高度協同，實現水稻高產高效，同時減少損失，降低環境風險是我們繼續關注和研究的問題，也將為區域農業綠色可持續生產提供理論參考。

4 結論

紫云英還田條件下，適宜的化肥減施比例可以增加土壤的無機氮含量，提高水稻分蘗成穗，促進地上部氮營養的吸收和積累，進而提高地上部干物質積累量，促進營養器官干物質向穗中轉移和積累。過多的化肥減施雖然可以降低氮素表觀損失，但是也降低水稻生育前期的根層氮素供應，進而影響地上部群體發育和干物質積累。綜合來看，本試驗條件下，紫云英還田配施80%化肥處理可以滿足水稻關鍵生育時期地上部群體發育的根層氮素供應，實現水稻可持續生產。