化肥减施下紫云英不同翻压量对双季稻产量及养分利用效率的影响

程会丹1,2,鲁艳红2,3,聂 军2,3,朱启东2,3,聂 鑫1,2,曹卫东4,高雅洁2,3,廖育林1,2,3

(1.湖南大学研究生院 隆平分院,湖南 长沙 410125;2.湖南省土壤肥料研究所,湖南 长沙 410125;3.农业部湖南耕地保育科学观测实验站,湖南 长沙 410125;4.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所,北京 100081)

摘要:为了探索紫云英替代化肥的可行性和适宜翻压量,利用连续11 a田间定位试验,共设置7个处理,分别为CK(不施紫云英和化肥)、GM22.5(单施紫云英22.5 t/hm2)、100%CF(常规施肥)及60%化肥施用量条件下将紫云英翻压量设15.0(GM15.0),22.5(GM22.5),30.0(GM30.0),37.5(GM37.5) t/hm2 4个水平,研究化肥减施下不同紫云英翻压量对双季稻产量、氮磷钾积累量、氮磷钾利用率及土壤肥力的影响。结果表明:与CK相比,施肥处理均能显著增加早晚稻及全年两季籽粒产量(P<0.05),增幅分别为79.1%~91.1%,44.8%~50.7%,56.8%~64.7%。单施紫云英可显著增加水稻产量(P<0.05),与CK相比,早晚稻及全年两季籽粒产量增幅分别为23.9%,12.4%,16.4%。60%化肥与不同量紫云英配施处理早晚稻及全年两季籽粒产量与常规施肥相比差异不显著,紫云英翻压量为15.0~30.0 t/hm2时,早晚稻及全年两季籽粒产量均随紫云英翻压量的增多而提高,当紫云英翻压量多于30.0 t/hm2时,则呈下降趋势。在所有的化肥配施紫云英处理中,早晚稻籽粒氮、磷、钾养分积累量均以翻压紫云英30.0 t/hm2时最高。与常规化肥相比,紫云英与化肥配施可提高氮、钾肥回收利用率、农学效率和偏生产力。与CK相比,各施肥处理均不同程度地提高土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量。紫云英翻压量为22.5~30.0 t/hm2时,土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷含量均显著高于常规化肥处理(P<0.05)。因此,在本试验施用60%化肥条件下长期翻压紫云英有利于促进水稻增产及水稻氮、磷、钾素的吸收,提高双季稻氮、磷、钾养分利用效率及土壤肥力。

关键词:双季稻;紫云英;产量;养分利用效率;定位试验

水稻是我国主要的粮食作物,其种植面积和产量占粮食作物的27%和34%[1]。目前,粮食生产中施肥大多以化肥为主,研究显示,我国主要粮食作物年均化肥施用量占化肥施用总量的47%左右[2],大量施用化肥而忽视有机肥的施用是我国粮食生产中的突出问题。近30多年来,化肥用量快速增长,粮食产量却没有同步增加[3],不仅使农业生产成本增加,还造成土壤酸化,土体板结,养分流失[4],耕地质量下降,由此导致的肥料养分利用率偏低和环境负荷增大等问题日趋突出。近年来,随着国家减肥增效行动的推动,有机肥替代部分化肥被认为是减少化肥用量、提高肥料资源利用效率的有效措施[5]。国内外大量研究表明,有机肥中养分含量丰富,肥效稳定且持续时间长[6],有机肥和化肥配合施用对提高农业可持续生产能力具有重要作用。

绿肥是一种清洁的有机肥源,具有替代部分化肥、改土培肥、净化环境、提高粮食产量和品质等作用[7-8]。其中紫云英绿肥因其养分含量丰富,具有固氮、活磷、增钾等优点[7,9],在我国南方稻作产区被广泛种植。研究表明,紫云英绿肥在促进土壤有机质分解矿化、土壤养分循环和难溶性养分转化等方面有积极作用[10]

在保证作物不减产和土壤地力不降低的前提下,用紫云英替代部分化肥的施肥方式是南方稻田减少化肥用量、提高肥料资源利用效率和减少农业面源污染的有效途径之一[7]。目前,关于翻压一定量紫云英,减施化肥对水稻产量、养分吸收积累和土壤肥力影响等方面的研究报道较多。谢志坚等[11]研究表明,在翻压等量紫云英22.5 t/hm2的情况下,适当减少(20%~40%)化肥用量,可促进早稻产量形成,提高土壤速效养分含量。徐昌旭等[12]研究表明,在翻压22.5 t/hm2紫云英的情况下,水稻田化肥施用量可减少20%~60%,其中以减少20%化肥用量最有利于水稻植株氮、磷、钾素积累。然而,这些研究多基于短期试验,报道了不同化肥减施比例与紫云英配施对双季稻产量、养分积累及土壤肥力的影响。而基于长期定位试验,研究化肥减施条件下不同紫云英翻压量对养分利用效率影响的报道较少。本研究基于11 a定位试验(2008-2018年),分析在60%化肥施用量条件下,不同紫云英翻压量对双季稻产量、养分(氮、磷、钾)吸收利用及土壤肥力影响;在保证水稻稳产、养分利用率提升和土壤肥力稳定基础上,确定化肥投入减量条件下紫云英最适翻压量,为南方稻区紫云英的合理利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验点概况及供试材料

试验于2008-2018年在湖南省南县三仙湖乡万元桥村(112°18′20″E、29°11′29″N)进行。该地处于洞庭湖双季稻区,属亚热带季风湿润气候,海拔30 m,年均气温约16.6 ℃,年日照时数约1 775 h,年降水量约1 238 mm。土壤类型为河湖沉积物发育的紫潮泥。试验前0~20 cm耕层土壤pH值7.7、有机质47.4 g/kg、全氮3.28 g/kg、全磷1.26 g/kg、全钾21.7 g/kg、碱解氮251 mg/kg、有效磷15.6 mg/kg、速效钾98 mg/kg。

试验用紫云英品种为湖南省农业科学院土壤肥料研究所选育的湘紫1号,翻压紫云英鲜草含水量为88.9%,紫云英干基养分含量为N 37.5g/kg 、P 3.50 g/kg、K 37.2 g/kg,紫云英鲜草含水量和干基养分含量均为多年平均值。供试早稻品种为湘早籼45号,晚稻品种为黄华占。

1.2 试验设计

试验按随机区组排列,3次重复,每小区面积为20 m2,共设7个处理,如表1所示。于每年晚稻收获后,设置翻压紫云英处理的各小区按22.5 kg/hm2撒播紫云英种子。每年早稻移栽前10 d(4月中旬),割取各小区紫云英地上部,将其全部混匀后按照各小区设置的翻压量还田,堵住排水口,各小区灌水后,用铁耙将紫云英鲜草均匀耖入10 cm深的土层中。100%CF指当地的常规施肥量,早、晚稻均为N 150 kg/hm2,P2O5 75 kg/hm2, K2O 120 kg/hm2。施用氮、磷、钾肥的种类分别为尿素(N含量46%)、过磷酸钙(P2O5含量12%)、氯化钾(K2O含量60%)。由于紫云英中氮、钾含量丰富,磷含量较少,本试验磷肥施用量不变,氮、钾肥减施40%。早、晚稻不同处理养分投入量见表2。磷肥和钾肥均在移栽前作基肥施入;氮肥50%作基肥施入,50%追肥在分蘖盛期施入;基肥于早、晚稻移栽前1 d施入,施入后立即用铁耙耖入5 cm深的土层中。水稻收获后,所有处理稻草移走不还田。

表1 试验设计
Tab.1 Trial design

处理Treatment种植模式Cropping pattern施肥FertilizationCK稻-稻-冬闲不施紫云英和化肥GM22.5稻-稻-紫云英单施紫云英,紫云英还田量为22.5 t/hm2100%CF稻-稻-冬闲常规施肥,不施紫云英60%CF+GM15.0稻-稻-紫云英紫云英还田量为15.0 t/hm2,氮、钾肥均减量40%60%CF+GM22.5稻-稻-紫云英紫云英还田量为22.5 t/hm2,氮、钾肥均减量40%60%CF+GM30.0稻-稻-紫云英紫云英还田量为30.0 t/hm2,氮、钾肥均减量40%60%CF+GM37.5稻-稻-紫云英紫云英还田量为37.5 t/hm2,氮、钾肥均减量40%

表2 不同处理早晚稻氮、磷、钾养分投入量
Tab.2 Nutrient input rates of N, P and K for different treatments kg/hm2

处理Treatment化肥Chemical fertilizer紫云英Chinese milk vetch合计TotalNPKNPKNPK早稻Early riceCK---------GM22.5---101.9 9.5 101.1 101.9 9.5 101.1 100%CF150.0 32.7 99.6 ---150.0 32.7 99.6 60%CF+GM15.090.0 32.7 59.8 67.9 6.3 67.4 157.9 39.1 127.2 60%CF+GM22.590.0 32.7 59.8 101.9 9.5 101.1 191.9 42.2 160.8 60%CF+GM30.090.0 32.7 59.8 135.9 12.7 134.8 225.9 45.4 194.5 60%CF+GM37.590.0 32.7 59.8 169.8 15.8 168.5 259.8 48.6 228.2 晚稻Late riceCK---------GM22.5---------100%CF150.0 32.7 99.6 ---150.0 32.7 99.6 60%CF+GM15.090.0 32.7 59.8 ---90.0 32.7 59.8 60%CF+GM22.590.0 32.7 59.8 ---90.0 32.7 59.8 60%CF+GM30.090.0 32.7 59.8 ---90.0 32.7 59.8 60%CF+GM37.590.0 32.7 59.8 ---90.0 32.7 59.8

1.3 样品的采集与测定

试验前采集0~20 cm土层基础土样,用于分析土壤基本理化性状。早晚稻成熟后每小区单打单晒,分别称质量计产。2018年早、晚稻成熟期每小区采集5株有代表性的水稻植株样,用于考种和养分含量的测定。于2018年晚稻收获后从每个小区采集0~20 cm表层土壤样品,用于分析土壤养分。土壤养分和植株养分均采用常规方法测定[13]

1.4 养分利用效率等参数的计算[14-15]

以氮为例,计算方法如下:

籽粒氮素积累量(kg/hm2)=籽粒产量×籽粒氮含量;

稻草氮素积累量(kg/hm2)=稻草产量×稻草氮含量;

植株氮素积累量(kg/hm2)=籽粒氮素积累量+稻草氮素积累量;

氮肥回收利用率=(施肥区植株氮素积累量-不施肥区植株氮素积累量)/氮肥施入量×100%(注:不施肥区为CK处理,下同);

氮肥农学利用效率(kg/kg)=(施肥区籽粒产量-不施肥区籽粒产量)/氮肥施入量;

氮肥偏生产力(kg/kg)=施肥区籽粒产量/氮肥施入量;

氮肥生理利用率(kg/kg)=(施肥区籽粒产量-不施肥区籽粒产量)/(施肥区植株氮素积累量-不施肥区植株氮素积累量)。

1.5 数据处理

数据处理及统计分析采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 19.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 化肥减施条件下紫云英不同翻压量对双季稻产量的影响

2018年不同处理早、晚稻产量如表3所示。可以看出,施肥能增加水稻产量,施肥处理早、晚稻及全年两季籽粒产量均显著高于CK和GM22.5处理(P<0.05)。与CK相比,施肥处理早、晚稻及全年两季籽粒产量增长幅度分别为79.1%~91.1%,44.8%~50.7%和56.8%~64.7%;与GM22.5相比,施肥处理早、晚稻及全年两季籽粒产量增长幅度分别为44.6%~54.3%,28.8%~34.0%和34.7%~41.5%。单施紫云英可显著增加水稻产量,GM22.5处理早、晚稻及全年两季籽粒产量分别比CK处理增产23.9%,12.4%,16.4%。60.0%化肥与不同量紫云英配施处理早、晚稻及全年两季籽粒产量与常规化肥处理无显著差异。紫云英翻压量为15.0~30.0 t/hm2时,早、晚稻及全年两季籽粒产量均随紫云英翻压量的增多而提高,当紫云英翻压量多于30.0 t/hm2时,则呈下降趋势。综上所述,本试验施用60%化肥条件下翻压紫云英有利于促进水稻增产,以60%CF+GM30.0处理增产效果最好,同时晚稻季化肥减量时并未减产,这也说明紫云英翻压还田也表现出较好的后效作用。

表3 2018年不同处理早、晚稻产量及增长率
Tab.3 Grain yields and yield increment of different treatments in 2018

处理Treatment早稻Early rice晚稻Late rice两季Total产量/(kg/hm2)Yield增产/%Increment产量/(kg/hm2)Yield增产/%Increment产量/(kg/hm2)Yield增产/%IncrementCK2 737±204d-5 120±128c-7 857±76c- GM22.53 390±104c23.9 5 757±86b12.4 9 147±75b16.4 100%CF5 178±120ab89.2 7 540±151a47.3 12 718±122a61.9 60%CF+GM15.04 903±169b79.1 7 413±332a44.8 12 317±501a56.8 60%CF+GM22.55 167±131ab88.8 7 507±292a46.6 12 673±221a61.3 60%CF+GM30.05 230±200a91.1 7 713±385a50.7 12 943±585a64.7 60%CF+GM37.55 150±156ab88.2 7 470±344a45.9 12 620±422a60.6

注:同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平。表4-7同。

Note:Values followed by different letters in a column are significant difference among treatment at the 5% level.The same as Tab.4-7.

2.2 化肥减施条件下紫云英不同翻压量对双季稻氮、磷、钾养分积累量的影响

不同处理对水稻植株氮、磷、钾素积累量影响见表4。在一定范围内,紫云英翻压量越高,早稻籽粒和稻草氮、磷、钾素积累量越多。早稻籽粒氮、磷、钾养分积累量均以60%CF+GM30.0处理最高,当紫云英还田量多于30.0 t/hm2时,氮的积累量下降,磷、钾素无变化;稻草中氮、钾养分积累量同样以60%CF+GM30.0处理最高,磷的积累量则在60%CF+GM37.5处理最高。晚稻籽粒中氮、磷、钾养分积累量均以60%CF+GM30.0处理最高,稻草氮、磷、钾养分积累量则均在60%CF+GM37.5处理最高。

施肥处理早晚稻籽粒、稻草和植株氮、磷、钾养分积累量均显著高于CK处理 (P<0.05),也显著高于单施紫云英(GM22.5)处理。早稻除60%CF+GM15.0处理植株钾积累量低于100%CF处理,其他处理植株氮、磷、钾养分积累量均高于100%CF处理。晚稻紫云英还田量≤22.5 t/hm2,植株氮积累量显著低于100%CF(P<0.05),紫云英翻压量高于22.5 t/hm2,植株氮积累量较100%CF无显著差异;紫云英翻压15.0,30.0 t/hm2时植株磷积累量显著高于100%CF处理,其他翻压量处理与100%CF相比差异不显著。除60%CF+GM37.5处理植株钾积累量高于100%CF处理,其他翻压紫云英处理则显著低于100%CF处理(P<0.05)。

表4 不同施肥处理早、晚稻植株氮、磷、钾积累量
Tab.4 The N, P and K accumulation in early and late rice plant of different treatments kg/hm2

处理Treatment籽粒Grain稻草Straw总积累量Total accumulationNPKNPKNPK早稻Early riceCK34.8±2.6f7.6±0.6d7.8±0.6c12.7±0.9f1.3±0.1f58.2±4.3e47.5±3.5e8.8±0.7e66.0±4.9eGM22.543.4±1.3e9.2±0.3c8.5±0.3c17.4±0.5e1.6±0.1e78.4±2.4d60.8±1.9d10.8±0.3d87.0±2.7d100%CF63.5±1.5d13.5±0.3b14.8±0.3b25.7±0.6d2.7±0.1d116.4±2.7b89.2±2.1c16.2±0.4c131.1±3.0b60%CF+GM15.067.1±2.3cd13.7±0.5b14.9±0.5b26.6±0.9cd3.4±0.1b104.0±5.0c93.7±3.2bc17.0±0.6c118.9±5.5c60%CF+GM22.568.3±1.7bc15.0±0.4a15.8±0.4a28.2±0.7ab3.1±0.1c117.2±2.9b96.5±2.4b18.1±0.5b133.0±3.3b60%CF+GM30.075.3±2.9a15.7±0.6a16.0±0.6a29.1±1.1a3.4±0.1b129.7±5.0a104.4±4.0a19.1±0.7a145.6±5.6a60%CF+GM37.571.7±2.2ab15.7±0.5a16.0±0.5a27.2±0.8bc4.1±0.1a121.8±3.7b99.0±3.0b19.7±0.6a137.8±4.2ab晚稻Late riceCK64.9±1.6c11.2±0.3e12.3±0.3d28.7±0.7d2.7±0.1e70.3±1.8f93.6±2.3c13.9±0.3e82.6±2.1eGM22.564.2±1.0c12.5±0.2d12.9±0.2d31.7±0.5d3.4±0.1d84.3±1.3e96.0±1.4c16.0±0.2d97.2±1.5d100%CF96.1±1.9ab17.5±0.4b17.4±0.3b58.4±1.2a6.0±0.1c118.8±2.4b154.5±3.1a23.5±0.5c136.3±2.7a60%CF+GM15.092.7±4.2b18.5±0.8b18.5±0.8ab49.1±2.2c6.9±0.3b95.4±4.3d141.9±6.4b25.4±1.1b114.0±5.1c60%CF+GM22.595.9±3.7ab17.6±0.7b18.0±0.7b49.4±1.9c5.9±0.2c98.8±3.8d145.3±5.6b23.5±0.9c116.9±4.5c60%CF+GM30.099.7±5.0a20.5±1.0a19.4±1.0a55.0±2.8b6.9±0.3b107.0±5.4c154.8±7.7a27.4±1.4a126.4±6.3b60%CF+GM37.595.3±4.4b15.6±0.7c16.2±0.7c59.4±2.7a7.5±0.3a126.5±5.8a154.7±7.1a23.1±1.1c142.7±6.6a

2.3 化肥减施条件下紫云英不同翻压量对双季稻氮、磷、钾养分利用效率的影响

由表5可以看出,从化肥回收利用率分析,化肥减施下紫云英各翻压量处理早稻氮、钾肥回收利用率较100%CF处理显著提高(P<0.05),除60%CF+GM15.0处理,其他紫云英与化肥配施处理早稻磷肥回收利用率较100%CF处理显著提高。与100%CF相比,紫云英与化肥配施各处理晚稻氮肥回收利用率均显著提高,且从全年来看,氮肥回收利用率较100%CF提高了18.3~31.4百分点。紫云英与化肥配施处理早晚稻氮肥回收利用率均随着紫云英还田量增加呈现先增加后降低的趋势,均以60%CF+GM30.0处理最高。磷肥回收利用率在早稻表现为随着紫云英翻压量增加而增加,晚稻则随紫云英还田量增加先升高后降低,以60%CF+GM30.0处理最高。早稻钾肥回收利用率与氮类似,最高为60%CF+GM30.0处理,晚稻则随紫云英还田量增加而增加,最高为60%CF+GM37.5处理。

从化肥农学效率和偏生产力分析,减施化肥下紫云英各翻压量处理早晚稻氮、钾肥农学效率和偏生产力均显著高于100%CF处理(P<0.05)。各紫云英不同翻压量处理早晚稻氮、钾肥农学效率和偏生产力变化趋势为(60%CF+GM30.0)>(60%CF+GM22.5)>(60%CF+GM37.5)>(60%CF+GM15.0)。紫云英还田量≤30.0 t/hm2时,早、晚稻磷肥农学效率、偏生产力随着翻压量的增多呈现上升趋势,翻压量高于30.0 t/hm2时,呈下降趋势,但各紫云英不同翻压量处理与100%CF处理相比差异均不显著,这可能是由于投入的紫云英中含磷量较少,紫云英翻压后对土壤有效磷的补充相对较少。

不同施肥处理对早、晚稻化肥生理利用率影响显著(表5)。早稻除了60%CF+GM15.0处理钾肥生理利用率高于100%CF处理,其他所有紫云英还田处理化肥(氮、磷、钾)生理利用率均低于100%CF处理,这可能是由于紫云英还田后带入一部分氮、磷、钾素,供水稻可利用的氮、磷、钾养分总量比100%CF高所致。晚稻除了60%CF+GM37.5氮、钾肥生理利用率显著低于100%CF(P<0.05),其他所有紫云英与化肥配施处理肥料(氮、钾)生理利用率均显著高于100%CF(P<0.05),这可能是由于在施用60%化肥条件下翻压紫云英15.0~30.0 t/hm2时,有利于水稻植株氮、钾素养分的吸收积累,60%CF+GM37.5处理较100%CF处理降低的原因可能是由于紫云英翻压过量,促进了水稻营养生长,抑制其生殖生长导致。晚稻60%CF+GM22.5处理和60%CF+GM37.5处理与其他紫云英还田处理相比表现出较高的磷素生理利用率,但与100%CF差异不显著。

表5 不同处理氮、磷、钾养分吸收利用效率
Tab.5 The N, P and K use efficiency of different treatments

处理Treatment回收利用率/%Recovery efficiency农学效率/(kg/kg)Agronomic efficiency偏生产力/(kg/kg)Partial factor productivity生理利用率/(kg/kg)Physiological efficiencyNPKNPKNPKNPK早稻Early rice100%CF27.8±1.0c22.4±0.9c65.3±2.0d16.3±0.6b32.6±1.2a20.3±0.7b34.5±0.8c69.0±1.6ab43.2±1.0c58.6±0.1a333.2±1.5a37.5±0.2b60%CF+GM15.051.4±7.3b25.1±3.7bc88.5±16.2c24.1±4.0a28.9±4.8a30.1±5.1a54.5±1.9b65.4±2.2b68.1±2.3b46.7±1.3c263.2±5.8b41.1±1.4a60%CF+GM22.554.5±3.7ab28.2±1.9ab112.0±7.8b27.0±2.1a32.4±2.5a33.8±2.6a57.4±1.5ab68.9±1.7ab71.8±1.8ab49.6±0.5b263.0±3.0b36.3±0.3b60%CF+GM30.063.2±7.6a31.5±3.9a133.1±16.0a27.7±4.1a33.2±4.9a34.6±5.1a58.1±2.2a69.7±2.7a72.6±2.8a43.7±1.3d241.5±6.6c31.3±0.9d60%CF+GM37.557.2±2.6ab33.2±1.4a120.1±5.5ab26.8±1.5a32.2±1.8a33.5±1.9a57.2±1.7ab68.7±2.1ab71.5±2.2ab46.9±0.6c221.8±4.0d33.6±0.4c晚稻Late rice100%CF40.6±1.4c29.6±1.0c53.8±1.8c16.1±0.7b32.3±1.4a20.2±0.8b50.3±1.0b100.5±2.0a62.8±1.3b39.8±0.4d250.1±2.9a45.1±0.4d60%CF+GM15.053.6±4.7b35.2±2.5b52.4±5.5c25.5±2.4a30.6±2.9a31.9±3.0a82.4±3.7a98.8±4.4a103.0±4.6a47.5±0.3a199.0±4.9b73.2±0.7a60%CF+GM22.557.5±3.9b29.4±1.8c57.3±4.5c26.5±2.0a31.8±2.3a33.1±2.4a83.4±3.2a100.1±3.9a104.3±4.1a46.1±0.3b247.7±3.1a69.8±0.3b60%CF+GM30.068.0±7.0a41.4±3.5a73.2±8.6b28.8±3.5a34.6±4.1a36.0±4.3a85.7±4.3a102.8±5.1a107.1±5.4a42.4±0.7c191.0±6.5b59.2±0.2c60%CF+GM37.567.9±7.3a28.4±3.0c100.5±10.2a26.1±3.5a31.3±4.2a32.6±4.4a83.0±3.8a99.6±4.6a103.8±4.8a38.4±1.0e252.7±7.3a39.0±1.3e

前人关于有机肥和化肥配施对养分利用效率影响的研究多数仅考虑化肥的养分投入。由于考虑到实际上水稻不仅吸收施入化肥的养分,也吸收施入有机肥的养分。因此,本研究把紫云英各翻压量处理的养分投入量当作化肥养分投入同等考虑,重新计算早稻和全年氮、磷、钾养分回收利用率(表6)。早稻氮养分回收利用率,除60%CF+GM37.5处理外,其他3个处理与100%CF处理无显著差异,其中60%CF+GM15.0处理较高;从全年来看,化肥减施条件下紫云英翻压15.0~30.0 t/hm2时,氮养分回收利用率较100%CF提高了1.5~3.9百分点,但与100%CF相比均无显著差异。早稻磷养分回收利用率较100%CF无显著差异,全年磷养分回收利用率除60%CF+GM30.0处理显著高于100%CF外,其他翻压量处理较100%CF无显著差异。紫云英与化肥配施各处理早稻钾养分回收利用率显著低于100%CF处理(P<0.05),全年钾养分回收利用率也显著低于100%CF处理(P<0.05),这可能一方面由于把紫云英养分当作化肥养分投入同等考虑进去之后导致钾素养分总投入量较大,另一方面由于紫云英是C/N较低的有机物料,其腐解速度较快,钾素较氮素更容易流失,从而导致钾养分的回收利用率较低。

表6 不同施肥处理氮、磷、钾养分回收利用率
Tab.6 The N, P and K recovery use efficiency of different treatments %

处理Treatment早稻Early rice全年两季Annual totalNPKNPK100%CF27.8±1.0a22.4±0.9a65.3±2.0a34.2±0.9a26.0±0.7b59.6±1.5a60%CF+GM15.029.3±4.2a21.0±3.1a41.6±7.6b38.1±4.3a27.5±2.8ab45.0±6.9b60%CF+GM22.525.5±1.7a21.9±1.5a41.6±2.9b35.7±2.0a25.2±1.3b45.8±2.7b60%CF+GM30.025.2±3.0a22.7±2.8a40.9±4.9b37.4±4.0a30.5±3.0a48.5±5.5b60%CF+GM37.519.8±0.9b22.4±0.9a31.4±1.5c32.3±2.5a24.8±1.7b45.9±3.2b

2.4 化肥减施条件下紫云英不同翻压量对土壤肥力的影响

由表7可知,与CK相比,各施肥处理土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷及速效钾含量均有所提高。化肥减量下各紫云英还田处理土壤有机质含量均高于100%CF处理,除60%CF+GM15.0处理外,其他3个处理与100%CF差异显著(P<0.05),其中以紫云英翻压量30.0 t/hm2最高。与100%CF处理相比,除60%CF+GM15.0处理外,其他紫云英还田量显著增加全氮含量,60%CF+GM22.5和60%CF+GM30.0处理还可显著增加碱解氮含量,全氮和碱解氮均以紫云英还田22.5 t/hm2时最高。化肥减量并翻压紫云英处理土壤有效磷含量均显著高于100%CF,增幅为16.3%~39.1%,同样以紫云英翻压22.5 t/hm2最高;60%CF+GM30.0处理土壤有效磷含量较其他紫云英还田量显著降低。紫云英翻压37.5 t/hm2时土壤速效钾含量最高,翻压15.0 t/hm2紫云英土壤速效钾含量与100%CF相比差异不显著,而翻压22.5,30.0 t/hm2紫云英时,土壤速效钾含量与100%CF相比显著降低(P<0.05)。总的来看,施用60%化肥条件下翻压紫云英22.5~30.0 t/hm2更有利于土壤肥力的维持和提高。

表7 2018年晚稻后不同施肥处理土壤养分含量
Tab.7 Soil nutrient content in different treatments after later rice harvesting in 2018

处理Treatment有机质/(g/kg)SOM全氮/(g/kg)Total N碱解氮/(mg/kg)Avail N有效磷/(mg/kg)Avail P速效钾/(mg/kg)Avail KCK43.7±0.5f3.02±0.04e225±6.7d5.63±0.3g87.3±1.7dGM22.547.3±0.4e3.20±0.02d232±8.6cd8.70±0.6f87.8±1.4d100%CF48.4±0.3d3.19±0.07d241±7.8bc21.50±0.5e98.6±2.0ab60%CF+GM15.048.7±0.3d3.22±0.06d230±5.0cd28.00±0.4b95.9±1.8bc60%CF+GM22.553.3±0.6b3.68±0.03a261±5.9a29.90±0.3a93.0±1.1c60%CF+GM30.054.3±0.5a3.37±0.07c254±6.1a25.00±0.8d93.2±1.9c60%CF+GM37.552.4±0.6c3.59±0.06b250±4.9ab26.20±0.3c100.2±2.2a

3 讨论与结论

3.1 减施化肥条件下,翻压适量的紫云英有利于双季稻稳产,同时提高土壤肥力

紫云英作为南方稻田重要的有机肥源,养分含量丰富,其施用能替代部分化肥[16]。谢志坚等[11]研究认为翻压一定量紫云英,适当减少化肥用量,并不降低水稻产量。李双来等[17]研究表明,化肥减施20%情况下,翻压紫云英22.5 t/hm2时早稻产量最高,而翻压量30.0,37.5 t/hm2时,晚稻增产效果最佳;化肥减施40%下,翻压紫云英30 t/hm2早稻产量效应最好,当紫云英翻压量高于30 t/hm2时早、晚稻产量均略有下降。吕玉虎等[18]研究表明,在减量20%化肥条件下,翻压紫云英30 t/hm2时水稻产量最高;在减量40%化肥条件下,翻压紫云英37.5 t/hm2水稻产量最高。

本试验表明,单施紫云英(GM22.5)处理早、晚稻及全年两季籽粒产量均显著低于100%CF处理,这主要是由于紫云英可供氮量(全年投入101.9 kg/hm2)低于100%CF处理(全年投入300 kg/hm2),同时,紫云英所固定的氮不能全部被水稻吸收;另外,尽管通过紫云英施入的钾量与100%CF相当,但是一季施用,可能导致晚稻钾素供应不足。本研究在60%化肥施用量的基础上,早晚稻均以翻压30.0 t/hm2紫云英时产量最高,与李双来等[17]研究结果类似,但与上述吕玉虎等[18]在豫南稻区的研究结果有差异,这可能与气候条件、供试土壤类型及种植制度不同有关。当紫云英翻压量为37.5 t/hm2时早、晚稻产量均较翻压量30.0 t/hm2时略有下降,一方面可能是由于过量紫云英还田后其腐解过程中会产生还原性物质,对早稻产量的形成有负面影响,林多胡等[19]也指出,双季稻田紫云英鲜草的最适翻压量为22.5~30.0 t/hm2,过量翻压可能会对早稻秧苗产生毒害作用;另一方面,这可能与早稻施入过量紫云英腐解后有较多的氮素固持在土壤中,在晚稻生育后期仍有较多氮素供应,导致晚稻生育后期营养生长过旺有关。紫云英翻压15.0 t/hm2时早晚稻及全年籽粒产量,籽粒氮、磷、钾养分累积量较100%CF相比无显著差异,说明在本试验所有的紫云英还田量下,化肥减量40%能够满足水稻植株养分吸收和生长需求;但从土壤肥力维持和提高角度考虑,除60%CF+GM15.0处理外,其他紫云英与化肥配施处理均显著增加了土壤有机质、全氮和碱解氮含量(P<0.05),这与Xie等[20]研究结果类似。因此,综合产量和土壤养分2种因素,在化肥减量40%时,紫云英翻压22.5~30.0 t/hm2时既能保证双季稻稳产,同时提高土壤肥力。

3.2 减施化肥条件下,翻压紫云英提高植株养分利用效率

养分利用效率较低的原因主要是由于肥料不合理施用、养分流失较多及土壤供肥与作物对养分需求不协调导致[14]。紫云英养分含量丰富,翻压后加快土壤活性有机质分解矿化和土壤养分循环与转化,有利于作物养分吸收积累,从而提升肥料利用率[21-22]。鲁艳红等[14]研究表明,紫云英替代等量化肥可促进早晚稻籽粒、稻草及植株氮、钾养分的吸收积累,提高早晚稻氮肥和钾肥的回收利用率、农学效率和偏生产力。本研究与上述研究结果基本一致,说明紫云英养分与化肥养分的合理耦合有利于提高氮、钾肥利用率、农学效率和偏生产力,且对晚稻产生一定的后效。

吴立鹏等[23]研究表明,有机肥和化肥配施是提高氮肥利用率的重要手段之一。宋建群等[24]研究表明,化肥减量20%条件下配施生物有机肥显著提高烟草对氮素的利用率,提高幅度为69.5%。杨晓梅等[25]研究表明,有机无机配施不仅能促进小麦对氮素的吸收利用,还能有效减少氮素损失和环境污染,其中以35%和50%有机氮替代无机氮的效果最好。李菊梅等[26]和魏静等[27]在稻田的研究也表明,有机无机配施能显著降低氨挥发量,减少氮素损失,提高氮肥利用率。陈正刚等[28]研究表明,化肥减量下翻压绿肥光叶苕子可促进玉米对养分的吸收,提高养分利用率。在不考虑绿肥养分条件下,不同比例的化肥与绿肥配施条件下化肥氮利用率较常规施肥提高了3.2%~12.3%;将绿肥养分考虑在内时,不同比例的化肥与绿肥配施氮养分回收利用率较常规施肥提高了2.6%~11.1%[28]。本研究中在不考虑紫云英绿肥养分条件下,减量化肥与不同紫云英翻压量配施全年化肥氮回收利用率较常规施肥提高了18.3~31.4百分点;在考虑紫云英绿肥养分条件下,紫云英翻压15.0~30.0 t/hm2时,全年氮养分回收利用率较常规施肥提高了1.5~3.9百分点。但是60%CF+GM37.5处理氮养分回收利用率较常规施肥处理降低,这可能主要是由于把紫云英养分考虑进去之后导致氮素养分总投入量较大所致。在不考虑绿肥养分时,化肥与绿肥配施处理均不同程度地提高了化肥氮利用率,但本研究中化肥氮回收利用率提高幅度大于陈正刚等[28]研究结果,这可能是由于本研究施用的紫云英绿肥中氮含量较光叶苕子高,且本试验绿肥的施用量也较大,从而较大幅度地提高了植株氮素积累量;当把绿肥养分考虑进去后,氮养分回收利用率均低于化肥氮回收利用率,但紫云英翻压15.0~30.0 t/hm2时,化肥与绿肥配施处理与常规施肥处理相比氮养分回收利用率均有所提高。

连续11 a定位试验中,在60%化肥施用量条件下,紫云英翻压15.0 t/hm2时,双季稻籽粒产量虽然与常规化肥相比无显著差异,但不利于土壤肥力的维持;当翻压量增加至37.5 t/hm2时,籽粒产量略有降低,且不利于养分的高效利用;紫云英翻压22.5~30.0 t/hm2既能保证双季稻稳产,提高养分利用率,同时提升土壤肥力。因此,综合考虑双季稻的产量效应、养分利用效率及土壤培肥效果,在60%化肥施用量的基础上,紫云英翻压量为22.5~30.0 t/hm2时较为适宜,在该条件下双季稻产量、氮磷钾养分吸收利用效率及土壤养分均处于较高水平。

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Effects of the Incorporation of Various Amounts of Chinese Milk Vetch and Reducing Chemical Fertilizer on Yield and Nutrient Use Efficiencies in Double Cropping Rice System

CHENG Huidan1,2, LU Yanhong2,3, NIE Jun2,3,ZHU Qidong2,3, NIE Xin1,2,CAO Weidong4, GAO Yajie2,3,LIAO Yulin1,2,3

(1.Longping Branch, Graduate School of Hunan University, Changsha 410125, China;2.Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province, Changsha 410125, China; 3.Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Hunan), Ministry of Agriculture, Changsha 410125, China; 4.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning,Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract To explore the suitable application rate and the effect of substitution of chemical fertilizer by Chinese milk vetch, an eleven-year field experiments were conducted, which included seven treatments,CK (no application of Chinese milk vetch and chemical fertilizer), GM22.5 (only Chinese milk vetch application 22.5 t/ha), 100%CF (conventional fertilizer), and the Chinese milk vetch application of 15.0 (GM15.0), 22.5 (GM22.5), 30.0 (GM30.0), 37.5 (GM37.5) t/ha with the application of 60% chemical fertilizer,the effects of different application rates of Chinese milk vetch under the condition of reduced chemical fertilizer on yields and nutrient uptakes, nutrient use efficiencies, soil fertility were investigated. The results showed that fertilization treatment significantly improved the grain yields of early rice, late rice and double-rice compared with CK (P<0.05), with an increase of 79.1%-91.1%, 44.8%-50.7% and 56.8%-64.7%, respectively. Application of only Chinese milk vetch could significantly increase rice yield compared with CK, and the grain yields of early, late rice and double-rice increased by 23.9%, 12.4% and 16.4%. The grain yields of early rice, late rice and double-rice under the application of 60% chemical fertilizer incorporate with various amounts of Chinese milk vetch had no significant difference with conventional fertilizer application. The rice yield was increased with the increasing amount of Chinese milk vetch incorporation within 15.0-30.0 t/ha, however, incorporation of Chinese milk vetch over 30.0 t/ha showed negative effects on crop production. In all the treatments combined Chinese milk vetch with fertilizer, the maximum increases of N, P and K nutrients accumulation in grains of early and late rice were obtained under the treatment of Chinese milk vetch application at 30 t/ha. Compared with conventional fertilizer application, combined applying of Chinese milk vetch with fertilizer significantly improved the recovery efficiency, agronomic efficiency, partial factor productivity of N and K fertilizers. Compared with CK, all fertilization treatments increased the concentrations of soil organic matter, total nitrogen, alkalytic N, available P and available K in varying degrees. The Chinese milk vetch incorporation of 22.5-30.0 t/ha significantly increased the concentrations of soil organic matter, total N, alkalytic N and available P compared with 100%CF treatment(P<0.05).Comprehensively, the long-term incorporation of Chinese milk vetch under the conditions of applying 60% chemical fertilizer in this experiment was conducive to promoting the increase of rice yield and the absorption of N, P and K, and improving N, P and K nutrient utilization efficiency and soil fertility of double rice cropping system.

Key words: Double cropping rice; Chinese milk vetch; Yield; Nutrient use efficiency; Site-specific experiment

中图分类号:S142+.1;S143;S511

文献标识码:A

文章编号:1000-7091(2020)03-0143-10

doi:10.7668/hbnxb.20190790

收稿日期:2020-02-16

基金项目:国家重点研发计划“粮食丰产增效科技创新”重点专项(2017YFD0301504;2018YFD03006);国家绿肥产业技术体系(CARS-22-G-11);湖南省重点研发计划项目(2017NK2372);湖南省农业科技创新资金项目(2018ZD02-2)

作者简介:程会丹(1992-),女,河南西华人,在读硕士,主要从事绿肥生产与利用研究。

通讯作者:廖育林(1975-),男,湖南新化人,研究员,博士,主要从事植物营养与作物高效施肥研究。