紫云英利用后减施化肥对水稻产量和产值及土壤碳氮含量的影响

周兴，李再明，谢坚，廖育林，杨曾平，鲁艳红，聂军*，曹卫东

(1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；2.中南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；3.云溪区农业发展局，湖南 岳阳 414009；4.农业部湖南耕地保育科学观测实验站，湖南 长沙 410125；5.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081)

紫云英利用后减施化肥对水稻产量和产值及土壤碳氮含量的影响

周兴1,2，李再明3，谢坚1,4，廖育林1,4，杨曾平1,4，鲁艳红1,4，聂军1,4*，曹卫东5

(1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；2.中南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；3.云溪区农业发展局，湖南 岳阳 414009；4.农业部湖南耕地保育科学观测实验站，湖南 长沙 410125；5.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081)

通过大田定位试验，研究连续5年紫云英利用后不同化肥施用量对水稻产量和稻谷经济效益及土壤碳、氮含量的影响。试验共设6个处理，处理 CK：不施紫云英和化肥(对照)；处理CF：不施紫云英，施100%化肥(N、P2O5、K2O施用量分别为150、75、120 kg/hm2)；处理A1：紫云英(22 500 kg/hm2，下同)＋100%化肥+100%磷肥；处理A2：紫云英＋80%氮、钾肥+100%磷肥；处理A3：紫云英＋60%氮、钾肥+100%磷肥；处理A4：紫云英＋40%氮、钾肥+100%磷肥。结果表明：施肥可以显著提高水稻产量，紫云英利用后化肥的增产效果更为显著，与CF相比，处理A2的早稻产量提高了7.7%，处理A3的水稻产量基本持平；紫云英利用后适当减少化肥用量可以增加水稻产值，与CF相比，处理A1的水稻产值增加了5.92%，处理A2的水稻产值的增加效果次之，增加了4.08%；处理A4提高水稻土壤有机碳和全氮含量的效果明显优于处理CF，A2处理的土壤有机碳、全氮含量比CF显著降低。综合以上研究结果，认为翻压紫云英可以代替部分化肥，增加水稻产量，减少生产成本，提高养分利用效率。

紫云英；化肥施用量；水稻；产量；经济效益；土壤碳氮含量

湖南省是绿肥生产大省[1]。20世纪70年代，湖南省绿肥播种面积近200万hm2。20世纪80年代，受化肥大规模应用、农业产业结构调整、农村劳动力转移以及缺乏政策扶持等因素[2–5]的影响，绿肥播种面积急剧减少。紫云英(Astragalus sincus)是中国南方稻田最主要的绿肥作物。紫云英翻压还田能够提高土壤肥力，减少化肥施用量，改良土壤，提升水稻产量和稻米品质，对农业生产可持续发展具有重要意义[1, 6–8]。笔者探讨连续5年(2008—2012 年)翻压紫云英定位试验后，2012年减少化肥(氮肥和钾肥)用量对水稻产量、稻谷经济效益以及水稻土壤有机质、全氮含量的影响，旨在更好地了解紫云英在双季稻生产中发挥的作用。

1 材料与方法

1.1 材 料

2012年早稻品种为‘两优 25’，晚稻品种为‘金优163’。

1.2 试验点概况

湖南省南县三仙湖乡万元桥村(北纬29°13′，东经112°28′，海拔高度30 m)位于中亚热带到北亚热带的过渡区，属季风湿润气候，年平均气温16.6 ℃，年平均降水量1 237.7 mm，年日照时间1 775.7 h。供试土壤为河流沉积物发育的紫潮泥。试验土壤pH 为7.7，有机质含量为48.4 g/kg，全氮、全磷、全钾含量分别为 3.28、1.28、22.2 g/kg，碱解氮、有效磷、有效钾含量分别为261、15.6、98 mg/kg。

1.3 试验设计

2008—2012年连续5年翻压紫云英。2012年3月底播种早稻，4月中、下旬移栽。晚稻于6月中旬播种，7月中、下旬移栽。试验共设6个处理(表1)。

表1 各处理的肥料施用方案Table 1 Fertilization schemes of different treatments

N、P、K化肥品种分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。基肥于移栽前1 d施入；追肥在分蘖盛期施入；磷肥和钾肥均在移栽前作基肥施入。基肥施入后立即用铁耙耖入5 cm深的土层中。紫云英于早稻移栽前5 d翻压入田，用浅水湿润腐解。小区面积20 m2。重复3次，随机区组排列。各处理早稻、晚稻化肥施用量相同。在水稻整个生育期内，各处理农田管理措施完全一致。2012年收获时，按小区单打单晒，扬净后测定各小区稻谷产量。收获后，在各小区田块中采用“S”形采集0～15 cm土壤样品。

1.4 测定指标及方法

土壤碳含量采用浓硫酸–重铬酸钾外加热法测定；土壤全氮含量采用浓硫酸消煮–凯氏定氮法[9]测定。

1.5 数据处理

用Excel 2003 软件进行数据处理；用SPSS 19.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 各处理水稻的产量

2.1.1 早稻产量

由表2可见，处理CF与CK早稻稻谷产量间的差异无统计学意义。导致CF处理减产的可能原因是，2012年春季连续低温多雨，整个早稻生育期仅有6～8个晴天，水稻生长受到严重影响。这说明在灾害性气候条件下，单施化肥并不能保证早稻产量。与CK相比，A1、A2处理的增产幅度较大，分别增产22.1%、16.9%，增产效果显著(P＜0.05)，表明在紫云英利用的基础上，施用 100%化肥和80%N、K肥可以维持早稻稳产或增产。

表2 2012年各施肥处理早稻稻谷的产量Table 2 Grain yield of early rice under different fertilization treatments in 2012 kg/hm2

表2结果表明，与CF处理相比，A1、A2的早稻产量增产幅度较大，分别增产12.5%、7.7%；A3基本与CF平产；A4表现出一定程度的减产。这表明，在维持稻田平产或增产的前提下，翻压紫云英22 500 kg/hm2可只施用60%～80%N、K肥，即紫云英施用可大幅度降低水稻生产成本，增加水稻生产效益。

2.1.2 晚稻稻谷的产量

由表3可见，CK晚稻平均产量6 266.7 kg/hm2，说明紫潮泥水稻田土壤晚稻基础产量较高。这可能是由于夏季温度的升高，紫潮泥土壤养分释放较多，因而表现出基础生产力较高。处理CF和处理A1～A4的晚稻平均产量为7 085.0 kg/hm2，相比CK增产13.1%。与CF相比，A1、A2处理的晚稻产量略有增产；A3、A4处理略有减产，但差异均无统计学意义(P＜0.05)。以上结果表明，在紫潮泥稻田，早稻移栽前翻压紫云英22 500 kg/hm2对晚稻具有一定的后续肥效，在晚稻生产中可以只施用 60%～80%的N、K肥。

表3 2012年各施肥处理晚稻稻谷的产量Table 3 Grain yield of late rice under different fertilization treatments in 2012 kg/hm2

2.1.3 两季稻谷的总产量

由表4可见，CF和A1～A4处理年平均总产量为12 650.2 kg/hm2，相比CK增产12.3%，增产效果显著(P＜0.05)。

表4 2012年各处理两季稻谷的总产量Table 4 Total grain yield of d ouble–rice under different fertilization treatments in 2012 kg/hm2

从表4看出，与CF相比，A1、A2两季水稻总产量分别增产 7.2%、3.9%，但增产效果不明显(P＜0.05)；A3、A4均表现出略有减产，但减产幅度无统计学意义。A1、A3较A4分别增产1 779.1、1 359.6 kg/hm2，增幅分别达15.2%、11.6%。两季水稻的总产量表明，在翻压紫云英 22 500 kg/hm2条件下，施用40%～80%N、K肥能够维持水稻产量，其中以施用80%N、K肥的效果最优。

2.2 各处理水稻稻谷的经济效益

不计农药、灌溉等成本，仅考虑投入化肥、紫云英种子和紫云英播种与施肥劳动力成本以及稻谷收入，分析各处理水稻稻谷的经济效益。紫云英种子、肥料及稻谷价格以2012年价格(紫云英种子18元/kg；N、P2O5、K2O肥分别为4.67、5.2、5.47 元/kg；早、晚稻稻谷价格分别为2.54、2.60元/kg)为准；劳动力成本按2012年工价(120元/d)计算。试验结果表明，与CK相比(表5)，CF和A1～A4处理早稻的平均收入减少了3.76%，这是由于早稻受到了灾害性气候的影响。与CF相比(表5)，A1的早稻收入最高，增收幅度达9.18%；其次是A2，增收幅度达5.92%；A3处理早稻收入与CF基本持平；A4减收6.42%。综上分析可知，翻压紫云英22 500 kg/hm2后，施用60%～80%N、K肥能明显提高早稻收入。

表5 各处理水稻的经济效益Table 5 Economic benefits of rice under different treatments 元/hm2

与CK相比，CF、A1～A4处理晚稻的平均收入增收效果优于早稻(表5)，增收706.39元/hm2，增收幅度达4.34%。各施肥处理晚稻经济效益的增收趋势与早稻基本相同，增收效果不如早稻。与 CF相比，A1的晚稻增收效果最好，增收606.58元/hm2，增收幅度达3.58%；A2略有增收；A3、A4略有减产。以上结果表明，早稻翻压紫云英对晚稻增收有一定效果。

由表5可见，CF和A1～A4处理两季水稻的平均收入与CK基本持平。与CF相比，A1处理两季水稻的增收效果最好，增收5.92%；其次是A2，增收4.08%；A3处理基本与CF持平；A4减收3.83%。

2.3 各处理水稻成熟期耕层土壤的有机碳含量

2.3.1 早稻成熟期耕层土壤的有机碳含量

试验前土壤有机碳含量为27.9 g/kg。图1结果表明，CK土壤有机碳含量较试验前土壤有机碳含量有一定增长，这可能与每年水稻根茬等残留物、径流或灌溉水以及气候条件等相关。与CK相比，A4和CF的土壤有机碳含量分别提高了6.1%、4.6%，差异均达到了显著水平(P<0.05)；其次是A1略有提高，但差异无统计学意义；A3和 A2分别下降了12.4%、22.6%，差异均达到显著水平(P＜0.05)。其原因可能是翻压紫云英22 500 kg/hm2条件下，80%或60%N、K肥用量能够有效激发土壤有机碳的矿化，使有机碳含量下降。A1和A4处理早稻成熟期土壤有机碳含量与CF间的差异均无统计学意义；A2和A3分别比CF降低了26.0%，16.2%，差异均达到显著水平(P＜0.05)，表明翻压紫云英22 500 kg/hm2，5年后80%和60%N、K肥用量不利于紫潮泥早稻土壤有机碳含量积累。以上结果表明，在翻压紫云英22 500 kg/hm2后，早稻成熟期耕层土壤有机碳含量随着N、K肥施用量从100%降至40%呈先降后升趋势变化，其中80%N、K肥用量土壤有机碳的积累最少。

图1 2012年各处理早稻成熟期的土壤有机碳含量Fig.1 Soil organic C content of early rice in mature stage under different treatments in 2012

2.3.2 各处理晚稻成熟期耕层土壤的有机碳含量

由图2可见，各处理晚稻成熟期土壤的有机碳含量较早稻均有提高。与CK相比，A4土壤有机碳含量提高了5.6%，差异显著(P＜0.05)；CF、A1和A3与 CK间的差异均无统计学意义；A2下降了17.8%，差异显著。早稻紫云英利用后，A1和 A3晚稻成熟期土壤有机碳含量与CF基本持平；A2的土壤有机碳积累最少，比CF降低了17.7%，A4提高了5.8%，差异均达到显著水平。

图2 2012年不同处理晚稻成熟期土壤的有机碳含量Fig.2 The soil organic C content of late rice in mature stage under different treatments in 2012

2.4 不同处理水稻成熟期耕层土壤的全氮含量

2.4.1 不同处理早稻成熟期耕层土壤的全氮含量

由图3可见，与CK相比，除了CF土壤全氮含量与CK间的差异无统计学意义外，其余处理土壤全氮含量与CK间的差异均达显著水平，A4、A1分别提高了15.8%、6.6%；A3、A2分别下降了4.7%、19.5%。与CF相比，各施肥处理土壤全氮含量均与之存在显著差异，A1处理增加了 4.7%，表明在相同化肥处理下，翻压紫云英22 500 kg/hm2能够显著提高紫潮泥稻田早稻成熟期耕层土壤全氮含量；A2、A3分别下降了21.0%、6.5%；A4提高了13.7%。以上结果表明，紫潮泥稻田早稻翻压紫云英耕层土壤全氮含量随60%～100%N、K肥用量的变化趋势与早稻有机碳含量的变化趋势类似，其中80%N、K肥施用量土壤的有机碳含氮量最低。

图3 2012年不同处理早稻成熟期土壤的全氮含量Fig.3 Soil total N content of early rice in mature stage under different treatments in 2012

2.4.2 不同处理晚稻成熟期耕层土壤的全氮含量

图4结果表明，各处理土壤的全氮含量中只有A2与CK间的差异达到显著水平(P＜0.05)，A2降低了 13.9%，表明早稻翻压紫云英，晚稻 80%N、K肥用量不利于土壤全氮积累。晚稻成熟期土壤全氮含量A1比CF提高了5.5%，A2比CF降低了12.5%，其余处理与CF间的差异均无统计学意义。以上结果表明，晚稻成熟期各处理耕层土壤全氮含量的变化趋势与早稻各处理的基本相似。

图4 2012年不同处理晚稻成熟期土壤的全氮含量Fig.4 Soil total N content of late rice in mature stage under different treatments in 2012

3 结论与讨论

在作物生产中，绿肥利用后，较常规施肥减量15%～40%化肥或氮肥处理的产量与常规施肥处理持平或有显著提高[10–12]。紫云英与化肥配施，一方面能够满足水稻对速效养分的利用需求；另一方面因紫云英养分释放缓慢，可持续不断为水稻生长提供所需养分，维持水稻产量。本试验中，常规施肥条件下，翻压紫云英能够促进水稻稳产或增产；等量紫云英翻压下，80%N、K肥施用量有增产趋势，60%N、K肥施用量都能够维持水稻稳产。从经济效益和生态效益的可持续发展来看，与单施化肥处理相比，翻压紫云英的100%化肥处理能够提高水稻生产的收入，80%N、K肥施用量的处理能够维持水稻生产的收入。

有机肥和无机肥配施条件下，直接向土壤输入外援有机质能够显著增加土壤的有机碳含量[8,13–15]。本试验中，单施化肥能够有效增加土壤的有机碳含量，这是由于施用化肥能够促进作物根系生长，增加作物地下部分的生物量，即外源有机质的进入显著提高了土壤有机碳含量。这与A. Mandal等[16]和尹云峰等[17]的研究结果类似。单施化肥虽然能够促进作物根系的增加，但也引起土壤碳氮比值降低。土壤碳氮比值降低不仅会导致根系增加的有机碳分解，而且会造成原始有机碳的活化分解，不利于土壤有机碳的积累[13, 18]，因此，施用化肥对土壤有机碳含量的影响是比较复杂的，这与作物、土壤性质、土壤矿化条件等多种因素有关。

本试验中，紫云英利用后100%化肥处理的土壤有机碳、全氮含量较100%化肥处理的无明显增加，这可能与土壤性质、作物种类、土壤矿化条件和试验周期等有关。在紫云英利用下，土壤有机碳、全氮含量随 N、K肥施用量从 100%降至 40%呈“凹”形变化趋势，水稻产量则呈递减趋势，其中80%N、K肥施用量处理土壤有机质、全氮含量最低，而且显著低于不施紫云英和化肥处理。这说明在一定紫云英利用下，土壤有机碳、全氮含量与N、K肥施用量和水稻产量有一定的相关性，具体原因有待研究。

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责任编辑：王赛群

英文编辑：王 库

Effect of reducing chemical fertilizer on rice yield，output value, content of soil carbon and nitrogen after utilizing the milk vetch

ZHOU Xing1,2, LI Zai-ming3，XIE Jian1,4, LIAO Yu-lin1,4,YANG Zeng-ping1,4,LU Yan-hong1,4, NIE Jun1,4*, CAO Wei-dong5
(1.Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province, Changsha 410125, China; 2.Longping Branch of Central South University, Changsha 410125, China; 3.Agricultural Development Bureau of Yunxi Area, Yueyang, Hunan 414009, China; 4.Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Hunan), Ministry of Agriculture, Changsha 410125, China; 5.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

A located field experiment was carried out to study the effects of different amount of chemical fertilizer usage on rice yield, economic benefits of rice, soil carbon(C) and total nitrogen (TN) under ploughing back of Chinese milk vetch for 5 consecutive years. Six treatments were included in the experiment, they are CK (unfertilized), CF (100% chemical fertilizer with the amount of N, P2O5, K2O being 150, 75, 120 kg/hm2respectively), A1(22 500 kg/hm2Chinese milk vetch and 100% chemical fertilizer), A2(Chinese milk vetch and 80% nitrogen and potassium fertilizer and 100% phosphate fertilizer), A3(Chinese milk vetch and 60% nitrogen and potassium fertilizer and 100% phosphate fertilizer), A4(Chinese milk vetch and 40% nitrogen and potassium fertilizer and 100% phosphate fertilizer). The results were asfollows: application of fertilizer could increase the yield of rice, while Chinese milk vetch combined with fertilizer application had a much more increase effect in rice yield. Under the condition of milk vetch application with 22 500 kg/hm2, the early rice yield of the treatment A1was significantly increased by 7.7% compared with that of CF. And the yield of treatment A3was basically identical to or slight increase in comparison with that of CF. Decreasing amount of fertilizers cloud improve output value of rice in the case of the utilization of Chinese milk vetch. The treatment A1increased output value of rice by 5.92% in comparison of CF, and treatment A2was by 4.08% in the next. Treatment A4showed much better effect in increasing soil organic carbon and total nitrogen in the paddy soil than those of treatments applying mineral fertilize only. There was a significant reduction on soil organic carbon and TN in treatment A2in comparison with that of CF. In general, amount of application of milk vetch with 22 500 kg/hm2could replace chemical fertilizer partially, it also could improve rice yield, decrease the production cost, and raise the utilization efficiency of nutrients.

Chinese milk vetch; chemical fertilizer amounts; rice; yield; economic benefits; content of soil C and total N

S142+.1；S143.1

A

1007−1032(2014)03−0225−06

10.13331/j.cnki.jhau.2014.03.001

投稿网址：http://www.hunau.net/qks

2013–11–30

农业公益性行业科研专项(201103005–08)；国家“十二·五”科技支撑计划项目(2012BAD05B05–3)；国际植物营养研究所科研项目(Hunan–16)

周兴(1986—)，男，湖南韶山人，硕士研究生，主要从事植物营养与施肥研究，evenxing@sina.cn；*通信作者，junnie@foxmail.com