單季稻紅萍綠肥還田的節肥增產效應

鄧素芳，詹 杰，楊燕秋，鄭慧芬，應朝陽*

（1.福建省農業科學院農業生態研究所，福建 福州 350013；2.國家紅萍資源中心，福建 福州 350013）

0 引言

【研究意義】隨著國家綠色發展戰略和農藥化肥減施政策的提出，充分利用農閑田種植綠肥，還田培肥地力，提高農作物產量和質量，已成為促進化肥減量增效及農業可持續發展的重要手段[1]。紅萍，學名滿江紅（AzollaLam.），江浙一帶又稱綠萍，具有固氮[2]、富鉀[3]、增磷效[4]、培肥[5]等多重生態功能，繁殖力強[6]，是稻田生態系統中一種重要的水生綠肥。通過倒萍（將紅萍埋入土中進行的還田操作）或插秧前耘田翻壓，腐解后釋放的養分可供后茬作物當季利用，替代部分化肥的同時還能改善土壤養分狀況，是實現稻田土壤可持續利用的有效途徑，在稻田化肥減施增效方面具有巨大潛力。開展紅萍綠肥替代化肥效應的量化研究，對于紅萍綠肥利用具有重要的指導意義。【前人研究進展】早在20世紀70～80年代，就有許多學者對稻田紅萍的減肥增效作用進行了研究，在不同耕作制度和施肥水平下紅萍替代化肥的效果不同，如早稻田用紅萍做基肥或套養紅萍作追肥，施用70%紅萍氮可以相當于70%化肥氮的效果（每667m2總施氮量為12.25 kg），而在萍-稻-稻耕作制下，紅萍氮可以替代總施氮量的30%～40%（每667m2施氮量為7～8 kg）[7]。近年來，隨著國家高質量發展戰略的提出，越來越多的學者關注紅萍綠肥利用研究，并將利用從稻田[8-11]擴展到旱地[12-13]，關注點也逐漸從減肥增效[10-11]向固碳減排[9,14]傾斜。而關于稻田紅萍綠肥利用的研究更多地集中在紅萍與水稻共生或紅萍與其他有機物料共同還田方面，如紅萍和水稻秸稈聯合還田，可以促進土壤碳氮礦化[8]；聯合使用紅萍和脲酶抑制劑的施肥模式可以減少農田NH3揮發，促進水稻增產[9]；紅萍與水稻共作，可以減少稻田15%～30%的氮肥施用，減少氨揮發[10]等。紅萍單獨還田在稻田化肥減施方面的研究僅見Malyan的報道，認為紅萍替代25%尿素氮后，水稻仍有增產[11]。【本研究切入點】近年來，隨著耕作制度的變革，單季稻已逐漸發展成為南方稻區水稻（Oryza sativa）生產主要的耕作方式。紅萍作為水生綠肥在新型耕作制度下對水稻化肥減量增效有很好的作用，但其減肥量和減肥效果都不甚明確，這些都亟待開展系統的量化研究。此外，前人通常利用冬閑田（12月至次年4月）養殖紅萍，通過紅萍多次倒萍腐爛起到養地肥田作用，但該法在復種指數高的地區勢必影響冬種面積，且冬季紅萍的繁殖能力不強，有些寒冷地區甚至需要增加防護措施才能保證萍母越冬。實際上在春季，單季稻插秧前（3～5月），氣溫達15 ℃以上時，養殖1～2個月紅萍的產量就可達30 t·hm-2以上[7]。如果擴繁的紅萍就地還田能為當季水稻提供肥效，將為紅萍的利用與化肥減施增效提供新的途徑。【擬解決的關鍵問題】為了明確新型耕作制度下，紅萍還田對單季稻化肥減施及改良土壤的可行性和效果，在福建省糧食主產區浦城縣開展紅萍還田減肥試驗，以春季培養可獲得的30 t·hm-2紅萍鮮萍還田，研究不同減肥處理下紅萍翻壓還田對單季稻生長、產量的影響和改土減肥的效果，旨在為紅萍在單季稻中的利用提供數據支持，對于紅萍在單季稻耕作制度下的減肥增效技術的應用和推廣具有實際意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年5月～10月在福建省浦城縣蓮塘鎮馬西村（經度 118°29′50″，緯度 27°59′2″，海拔255.75 m）進行，還田紅萍為當地冬閑田種植的紅萍，鮮萍平均含水率為92.23%，干物質中含全N 1.94%、全P 0.21%、全K 1.46%。種植的水稻品種為中稻嘉豐優2號。試驗地土壤為灰泥田，土壤肥力為中上水平，耕層土壤（0～20 cm），有機質26.60 g·kg-1，堿解氮 103.83 mg·kg-1，有效磷 49.60 mg·kg-1，速效鉀 68.67 mg·kg-1，pH 4.92。

1.2 試驗設計

試驗共設6個處理，每個處理3次重復。T1：不施紅萍和化肥；T2：常規（配方）施肥；T3：常規（配方）施肥+紅萍還田；T4：減少常規施肥氮、鉀肥用量20%+紅萍還田；T5：減少常規施肥氮、鉀肥用量40%+紅萍還田；T6：減少常規施肥氮、鉀肥用量60%+紅萍還田。紅萍還田量均為30 t·hm-2鮮萍。小區面積24 m2（6 m×4 m），小區間以地溝隔開，外設保護行。各小區隨機區組排列。

1.3 供試肥料及施用方法

試驗中常規施肥水平為 N 180 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2。氮、磷和鉀肥分別為尿素（46% N）、過磷酸鈣（12% P2O5）和氯化鉀（60% K2O）。磷肥全部作基肥，氮肥和鉀肥按m（基肥）∶m（分蘗肥）∶m（穗肥）=4∶3∶3施用。基肥于水稻移栽前1 d施入，分蘗肥在移栽后5～7 d撒施，穗肥在水稻幼穗分化2期施用。各小區施肥及田間管理措施相同。水稻采用單本插秧，株行距23 cm×23 cm。各處理具體施肥量見表1。

表1 不同處理小區施肥量Table 1 Amounts of fertilizer applied on plots for treatments

1.4 田間操作管理

整地耘田后劃出小區，小區田埂包膜，各小區設置獨立進排水口，插秧前10 d將紅萍按處理設置的還田量施入小區，人工翻壓均勻。試驗水稻5月1日播種育秧，5月5日進行小區隔離，5月25日紅萍翻壓入田，6月9日施基肥，6月15日水稻插秧移栽，7月1日施分蘗肥，8月4日施孕穗肥。10月13日收割，小區單打單收，實割測產。

1.5 測定項目及方法

水稻成熟后，各小區單收測產。同時每小區采水稻3穴地上部進行室內考種，記錄稻谷和稻草鮮重產量，測定樣品干重。并取各小區耕層土壤（0～20 cm）測定pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀。其中土壤pH、有效磷和速效鉀的測定分別采用中華人民共和國農業行業標準《NY/T 1377—2007土壤pH的測定》[15]、《NY/T 1121.7—2014 土壤檢測 第7部分：土壤有效磷的測定》[16]和《NY/T 889—2004 土壤速效鉀和緩效鉀含量的測定》[17]的方法；土壤有機質和堿解氮的測定分別采用鮑士旦的重鉻酸鉀容量法——外加熱法和堿解擴散法[18]。

1.6 數據處理與分析

數據用Excel和SPSS 19.0進行統計和分析，以平均值±標準差的形式表示，顯著性分析采用LSD法（P＜0.05）。

文中經濟效益相關指標的計算公式如下：

式中，稻谷單價按2.8 元·kg-1計算，10 000為換算系數，各處理肥料投入量見表1，其中尿素（46%N）、過磷酸鈣（12% P2O5）和氯化鉀（60%K2O）的單價分別按浦城當地市場價格3.6、1.9、4.8 元·kg-1計算。

2 結果與分析

2.1 紅萍還田對水稻產量的影響

紅萍還田對水稻產量有顯著影響（表2）。與無肥處理（T1）相比，不同處理對水稻的增產效應為T4＞T3＞T2＞T5＞T6。其中，T4處理（氮、鉀肥減量20%+紅萍還田）稻谷產量最高，顯著高于除T3外的其他處理（P＜0.05），比常規施肥處理（T2）平均增產11.11%。氮、鉀肥減量40%或60%并輔以紅萍還田的處理（T5和T6），分別比常規施肥處理（T2）減產0.92%、4.86%，但差異未達顯著性水平（P＜0.05）。

表2 紅萍還田對水稻產量的影響Table 2 Effect of Azolla application on rice yield

地上部秸稈產量以T3最高，與T2、T4、T6無顯著差異，但與T1、T5有顯著差異（P＜0.05）。收獲指數T5最高，但與其他處理無顯著性差異。從稻谷產量、秸稈產量和收獲指數結果看，T4處理對提高水稻產量效果最好，說明每公頃翻壓30 t紅萍鮮萍，可以替代常規施肥中20%的氮鉀肥，還能顯著提高稻谷產量。

2.2 紅萍還田對水稻產量構成因素的影響

紅萍還田對水稻產量構成因素的影響結果見表3。各處理對水稻的穗粒數、結實率無顯著影響，但對株高、有效分蘗數、叢穗數、穗長、千粒重有顯著影響。株高以T3最高，與T2、T4無顯著差異，顯著高于 T1、T5、T6（P＜0.05）。有效分蘗數以T4最高，與T2、T3、T5無顯著差異，與T1、T6差異顯著（P＜0.05）。叢穗數以 T3、T4最高，與T5無顯著差異，與 T1、T2、T6差異顯著（P＜0.05）。穗長以T1最低，除T6外，其他處理均顯著高于T1（P＜0.05）。千粒重以T6最高，與T3差異顯著（P＜0.05），與其他處理無顯著性差異。說明減氮鉀肥20%，并輔以紅萍還田的處理（T4）提高了水稻株高、有效分蘗數和叢穗數，且對水稻叢穗數的影響達到顯著性水平（P＜0.05）。而在紅萍還田的情況下，減肥至40%以上，水稻的株高、有效分蘗數開始明顯降低，并在減氮鉀肥60%+紅萍還田處理（T6）下對水稻的有效分蘗數產生顯著降低的影響（P＜0.05）。

表3 紅萍還田對水稻產量構成因素的影響Table 3 Effect of Azolla application on rice yield components

2.3 紅萍還田的經濟效益分析

試驗根據市場價格對各處理進行經濟效益分析比較，結果見表4。紅萍還田主要的成本在于還田紅萍萍母的養殖成本及紅萍萍母的投放人工費，而紅萍還田可結合插秧前耘田一起進行，故與常規施肥處理相比不增加還田費用。據報道，越冬萍母田平均每667 m2花工4個[7]，折工費500元，需肥料或農藥約20元，合計每667 m2耗本約520元。按冬閑田平均每667 m2產萍7 500 kg[7]折算，擴繁每公斤萍母需耗本0.07元。春季單季稻田每667 m2需投放萍母200～250 kg[19]，故每公頃所需母萍的成本約210～262.5元。每公頃投放母萍按1個工計，則稻田紅萍綠肥利用每公頃共需耗本約330～380元。經扣除肥料和紅萍還田成本后，收益以T4處理最好，顯著高于T1、T5和T6處理（P＜0.05），收益比T1處理增加31.17%，比T2處理增加11.07%，增收2 680.58元·hm-2，但未達顯著性水平。說明實施紅萍綠肥還田，不僅能減少后季水稻化肥施用量20%，還能增加經濟收益。

表4 紅萍還田對水稻經濟效益的影響Table 4 Effect of Azolla application on economic benefits for rice farming

2.4 紅萍還田對水稻收獲后土壤養分含量的影響

紅萍還田對水稻收獲后土壤養分含量的影響結果見表5，施化肥顯著降低了土壤pH（P＜0.05），而紅萍還田并減肥的處理（T4、T5、T6）pH比100%施肥的處理（T2）pH均有所提高。可見，利用紅萍還田，減少化肥施用，可以緩解土壤酸化。紅萍還田處理，土壤有機質平均含量均高于無紅萍還田的處理（T2）。其中T3處理有機質含量比T2提高了2.77 g·kg-1，且差異顯著（P＜0.05）。此外，紅萍還田處理的土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量也均比無紅萍還田處理高，但差異沒有顯著性。其中減60%氮鉀肥并輔以紅萍還田的處理（T6）速效鉀含量比100%施肥處理（T2）顯著提高（P＜0.05）。說明紅萍還田替代化肥施用，可減緩化肥引起的土壤酸化的同時，還可以增加土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀等養分的積累。

表5 紅萍還田對水稻收獲后土壤養分含量的影響Table 5 Effect of Azolla application on nutrients in soil after rice harvest

3 討論

3.1 紅萍還田對水稻生長的影響

大量的生產實踐和科學研究已證明紅萍對水稻生長發育具有促進作用[20]，具體表現為前期抑制，中期趕上，后期促進的效果[21]。王在德等[21]研究認為，紅萍還田腐解會釋放大量養分，促進水稻生長，推遲有效分蘗的終止期，株高和生物學產量均高于不施萍的對照。本試驗結果亦是如此。同樣100%施肥，施萍還田處理（T3）的株高，有效分蘗數和生物學產量均高于不施萍的處理（T2）。紅萍還田主要是增進水稻中后期的營養，如果水稻在早期受抑不重，后期供肥適時，就會增加穗數，如果后期供肥不過量，就會增進結實率和千粒重取得增產[21]。本試驗中，紅萍還田顯著增加了水稻叢穗數，并在減施氮鉀肥后，水稻結實率和千粒重有明顯增加。該結果與王在德等[21]的研究結果一致，也反映了本試驗常規施肥處理中水稻后期供肥有過剩的可能。

3.2 紅萍還田的減肥效應

前人對紅萍還田減肥增效作用的研究結果不甚相同，這主要與應用田塊的土壤肥力、水稻需肥特性及耕作制度的不同有關。葉國添等[7]報道，早稻田用紅萍做基肥或套養紅萍作追肥，在每667 m2總施氮量為12.25 kg的情況下，施用70%紅萍氮可以相當于70%化肥氮的效果，而在萍-稻-稻耕作制下，每667 m2施氮量為7～8 kg時，用紅萍氮替代總施氮量的30%～40%，水稻產量還能增產3.46%～5.21%。Malyan等[11]研究認為紅萍替代25%尿素氮后，水稻產量比100%施尿素氮的處理增加14.8%。本試驗是在單季稻耕作制下開展的研究，應用的水稻品種——嘉豐優2號屬于耐肥能力強的品種，試驗地塊的土壤肥力屬于中上水平（土壤有機質26.60 g·kg-1，堿解氮 103.83 mg·kg-1，有效磷 49.60 mg·kg-1，速效鉀68.67 mg·kg-1），此土壤條件下每公頃翻壓30 t紅萍不僅可以替代常規施肥中20%的氮鉀肥（T4），還能顯著增加稻谷產量（比常規施肥增產1.01 t·hm-2，P＜0.05），替代40%的氮鉀肥（T5），稻谷產量雖略有減少，但與常規施肥相比沒有顯著差異（P＞0.05）。可見，調整后期施肥策略（適當減施），可替代更多數量的化肥。此外，前人研究認為紅萍鉀的效益可以達到甚至略高于同數量化肥鉀的效益[22]，本試驗也嘗試利用紅萍替代鉀肥，減氮的同時也減同比例鉀，試驗水稻未出現明顯缺鉀癥狀，說明紅萍的鉀對當季水稻的生產是有效的。

3.3 紅萍還田的經濟效益

明確紅萍還田的經濟效益，是推廣紅萍利用的重要依據。稻田紅萍綠肥利用時，通常是利用冬閑田養萍，隨插秧前的耘田實現紅萍還田，故紅萍還田的成本主要在萍母養殖和投放上。葉國添等[7]對萍母田的產萍量、花工和耗本都做了詳細的統計，每元可平均產萍442 kg。現如今，人工成本大幅上漲，紅萍綠肥利用的成本也隨之升高。經本試驗統計，現如今每元可平均產萍僅14.3 kg，成本增加了近30倍。盡管如此，紅萍還田增產減肥的效益明顯，減氮鉀肥20%，扣除紅萍還田成本后，仍比常規施肥增收2 680.58元·hm-2。另一方面，生態種養的價值在現代化農業中越發凸顯。據報道，南方稻區冬閑田種植紫云英在一個輪作周期中能夠產生1.125萬元·hm-2的生態價值[23]，倘若對紅萍還田的生態效應進行價值核算，預計這部分的效益將遠遠超過水稻增產減肥帶來的直接經濟效益。此外，經多年調查和實踐發現，連年生長紅萍的田塊，每到春季可自然生萍，不需額外投放母萍或作為新增地塊替代施肥的萍母地，這將大大降低紅萍綠肥利用的投入成本，顯著提高紅萍還田的增收效果。可見，實施紅萍還田，尤其是連年紅萍還田，不僅減肥還能增收。

3.4 紅萍還田的改土培肥效果

大量研究表明，施用化肥顯著降低農田土壤pH[24]。而綠肥還田后土壤有機質含量明顯提高，pH值上升[25]。施書蓮等[26]報道，100 kg紅萍的干物質在一年內就可以轉化成39 kg土壤有機質。Singh等[27]的盆栽模擬試驗表明，紅萍還田后，土壤pH呈上升趨勢。本試驗也表明，施用化肥會導致土壤酸化，而紅萍還田并減少氮鉀肥施用可明顯提高土壤pH和有機質，可見紅萍改土培肥效果顯著。研究表明，綠肥還田對土壤肥力的影響及對后茬作物增產節肥效應的發揮隨翻壓年限的增加而增強[28,29]，紅萍亦是如此[30]。利用紅萍還田，減少化肥施用，是改善稻田土壤酸化的有效措施，但紅萍翻壓還田改土培肥需要長期的施用累積，才能達到顯著效果。

4 結論

紅萍還田量達30 t·hm-2時，不僅可以替代常規施肥中20%的氮鉀肥，還能顯著增加稻谷產量（比常規施肥處理增產11.11%，P＜0.05），并達到培肥地力（比常規施肥處理平均增加土壤有機質1.71 g·kg-1，堿解氮 6.42 mg·kg-1，有效磷 1.61 mg·kg-1，速效鉀3.83 mg·kg-1，P＞0.05）的作用，是實現單季稻減肥增效的有效措施。