紫云英协同秸秆还田下氮钾减施对双季稻产量及光合特性的影响

胡柯鑫，罗尊长，董春华，孙 梅，洪 曦，谢 宜，周 旋，刘 杰，孙 耿

(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)

氮、钾等作为主要营养元素一直影响着水稻的生长发育，也是保证我国农业持续稳定发展的重要因素[1]。近些年来，化肥氮施用量迅速增加，增产效果渐微，利用率低下，造成农田土壤的酸化、板结，环境风险大大增加[2-5]；氮素的流失，氨与亚硝态氮挥发也带来大气温室效应、酸雨等一系列环境问题[6]，成为农业面源污染的重要原因之一。同时，土壤钾素缺乏与钾矿资源不足间矛盾也是我国农田面临的重要问题[7]，亟待解决。

紫云英(Astragalussinicus)是我国南方主要的绿肥作物，是一种优秀清洁的有机肥资源，含有大量氮素，通过对其翻压还田增加土壤肥力，改良土壤环境，在提高水稻产量与品质中发挥重要作用[8-9]。周兴等[10]研究表明，紫云英翻压后，水稻的增产效果更为显著，增加水稻产值，减少生产成本，提高养分利用效率。稻草秸秆还田能不同程度增加水稻产量及其地上部分钾素含量，对中、低钾土壤的钾肥吸收利用率有显著提高[11-12]，在养分资源循环利用、减少环境污染、培肥土壤等方面均具有重要作用。曾研华等[13]发现秸秆还田配合化肥减施能增加双季早、晚稻周年产量与生物量，且双季早稻增产效应高于双季晚稻。大量研究表明，水稻叶片叶绿素含量、净光合速率都直接或间接地与水稻干物质积累及产量形成有关[14-15]。田红刚等[16]研究表明，水稻生育期90%以上干物质来自叶片的光合作用，稻谷产量的40%～60%直接来自水稻剑叶的光合作用[17]。韩勇等[18]以辽宁省为例，发现水稻灌浆中期叶片的Pn与产量呈显著正相关，与Gs和Tr呈显著的二次曲线关系，与Ci呈极显著的直线关系。

前人对紫云英、秸秆还田研究较多，但其中涉及对水稻生理指标的研究鲜有报道[19-21]。本研究采用周年定位试验，探究紫云英协同晚稻秸秆还田替代早稻20%，30%，40%化肥氮及早稻减施40%化肥钾对双季稻产量、幼穗分化期叶片光合特性以及早晚稻收获期土壤理化特征的影响，对指导双季稻化肥合理减施、水稻增产和地力提升意义重大。

1 材料和方法

1.1 供试地点

试验于湖南省益阳市赫山区兰溪镇(N 28°34′33″，E 112°25′43″)进行。该区属于亚热带季风性湿润气候，季节分明，降水丰沛，分配均匀。本区热量资源丰富，年平均气温介于14～21 ℃，平均年降水量一般在800～1 600 mm。试验地土壤肥力中等，红黄泥地块，质地为黏壤，其0～20 cm土壤耕层基本理化性质主要肥力性状为：pH值 5.43，有机质22.1 g/kg，全氮2.18 g/kg，全磷0.86 g/kg，全钾14.8 g/kg；碱解氮181.0 mg/kg，有效磷26.0 mg/kg，速效钾99.8 mg/kg，缓效钾190.6 mg/kg。

1.2 供试材料

供试水稻品种：早稻为湘早籼45号，晚稻为玉针香。

供试肥料品种：尿素(含N 46.00%)，过磷酸钙(含P 12.00%)，氯化钾(含K 60.00%)。

1.3 试验设计

本试验采用随机区组设计，设6个处理(表1)，每处理3次重复。小区面积40 m2(4 m×10 m)，共18个小区，总面积720 m2(24 m×30 m)，小区用田埂分开，田埂宽度20 cm，田埂上覆膜，扎入泥下，防止肥水串流。水稻晚稻插值规格一致，长32株×宽25株。

早稻施肥：T1处理不施肥，无紫云英还田；T2处理施尿素(施用量：326.1 kg/hm2)、过磷酸钙(以P2O5计，施用量：500.0 kg/hm2)、氯化钾(以K2O计，施用量：150.0 kg/hm2)，尿素按基肥∶分蘖期∶穗肥= 6∶2∶2施入；T3、T4、T5分别按T2处理氮肥量减施20%，30%，40%，钾肥量均减施40%，尿素按基肥∶分蘖期∶穗肥=3∶4∶3施入；T3、T4、T5处理前茬晚稻秸秆留高茬后全部还田，水稻移栽前10 d左右紫云英还田，紫云英翻压量为22 500.0 kg/hm2。T2、T3、T4、T5处理磷肥、钾肥作基肥一次性施入。

晚稻施肥：T1处理不施肥；T2、T3、T4、T5处理施尿素(施用量：391.3 kg/hm2)、钾肥(以K2O计，氯化钾：200.0 kg/hm2)与磷肥(以P2O5计，过磷酸钙施用量：375.0 kg/hm2)，氮肥按基肥∶分蘖期∶穗肥= 6∶2∶2施入，钾肥与磷肥均作基肥一次性施入。

表1 双季稻不同处理施肥设计

注：N、P、K分别指施用尿素、过磷酸钙以及氯化钾，早晚稻施用量不同；+.添加，-.不添加。

Note：N，P and K refer to the application of urea，calcium superphosphate and potassium chloride，respectively, the application amount of early and late rice is different； +.Adding，-.Not adding.

基肥在水稻秧苗移栽前撒施，分蘖肥在移栽后7～10 d施用，穗肥在移栽后40～50 d施用。早稻：2018年4-7月，历时94 d；晚稻：2018年7-10月，历时105 d。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 测定指标 试验前采用梅花形五点取样法取0～20 cm耕层土壤，测定土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾及缓效钾含量；早晚稻收获期测定土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量；早晚稻水稻幼穗分化期测定叶片叶绿素含量(SPAD)与叶片光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)以及蒸腾速率(Tr)；收获时每个小区单打单收单晒，测定稻谷和稻草质量。

1.4.2 测定方法 土壤化学性质采用常规分析法测定；pH值采用水∶土= 2.5∶1(V/V)电位计法测定；土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量均采用常规分析方法测定[22]。

水稻幼穗分化期(早稻6月4日，晚稻9月5日)选用倒三叶，其叶片叶绿素含量(SPAD)与叶片光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)以及蒸腾速率(Tr)分别用SPAD 502 叶绿素含量测定仪与LI-6400(Portable Photosynthesis System)进行测定；水稻稻草质量与稻谷质量等数据均用磅秤称量。

1.5 数据处理

分别利用Microsoft Excel 2016和IBM SPSS Statistics 20.0进行作图和数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对双季稻幼穗分化期叶片净光合速率(Pn)的影响

Pn反映的是水稻叶片单位时间内积累或增加的有机物(或葡萄糖)量。图1为双季稻不同处理水稻叶片Pn。早稻Pn表现为T2>T5>T4>T3>T1，以T2处理最高，较T1与T3处理显著高17.7%和15.2%(P<0.05)，T4处理较其低7.8%，但与T4和T5差异均未达显著水平。晚稻Pn表现为T4>T5>T3>T2>T1，以T4处理Pn最高，达到16.43 μ mol/(m2·s)，与T5处理差异不显著，较T1、T2、T3处理显著高31.8%，27.0%，24.9%(P<0.05)。

图中不同小写字母表示早稻或晚稻处理间差异达5%显著水平。图2-6同。

2.2 不同处理对双季稻幼穗分化期叶片气孔导度(Gs)的影响

Gs反映的是植物叶片与外界进行气体交换的通道开度的量。双季稻不同处理水稻Gs如图2所示，早稻以T2处理最高，达到0.67 mol/(m2·s)，较T1、T3、T4和T5高36.7%，42.6%，31.4%，15.5%，差异显著(P<0.05)，T4处理较T2处理降低23.9%；晚稻以T4处理最高，较T1和T2高62.2%，55.3%，差异显著(P<0.05)，较T3和T5处理高25.9%，21.7%，差异不显著。

2.3 不同处理对双季稻幼穗分化期叶片胞间CO2浓度(Ci)的影响

Ci指的是叶片内部叶肉细胞间隙的二氧化碳浓度。双季稻不同处理水稻Ci如图3所示，早稻以T3处理最高，其次是T4处理，二者较T1处理高18.0%，13.2%，较T2处理高24.6%，19.5%，差异均显著(P<0.05)，T5处理与其他处理间差异均未达到显著水平；晚稻Ci以T1处理最高，达400.57 μmol/L，显著高于其他处理(P<0.05)，T4处理较T2处理低1.6%，T2、T3、T4和T5处理间无显著差异。

图2 双季稻不同处理水稻叶片气孔导度(Gs)

图3 双季稻不同处理水稻叶片胞间CO2浓度(Ci)

2.4 不同处理对双季稻幼穗分化期叶片蒸腾速率(Tr)的影响

图4为双季稻不同处理幼穗分化期叶片蒸腾速率。由图4可知，早稻叶片Tr表现为T2>T5>T1>T4>T3，T2处理叶片Tr最高，较T3、T4处理高29.4%，26.6%，差异显著(P<0.05)，T4处理较T2处理低21.0%，T1、T5处理与其他处理差异均未达到显著水平；晚稻叶片Tr表现为T4>T5>T3>T2>T1，T2、T3、T4与T5分别较T1处理高11.0%，15.8%，27.4%，24.1%，差异均显著(P<0.05)，T4与T5处理显著高于T2处理(P<0.05)，分别高14.8%，11.9%。

2.5 不同处理对双季稻幼穗分化期叶片叶绿素含量(SPAD)的影响

双季稻不同处理水稻幼穗分化期叶片叶绿素含量如图5所示。早稻叶片SPAD值表现为T2>T5>T3>T4 >T1，以T2处理最高，较T1处理高34.3%，差异显著(P<0.05)，较T3、T4、T5处理高8.6%，10.5%，4.9%，T4处理较T2处理降低9.5%，但差异均未达到显著水平。晚稻叶片SPAD值表现为T4>T5> T3>T2>T1，以T4处理最高，其次是T5处理，二者较T1处理高14.8%，11.6%，较T2处理高13.4%，10.3%，差异均显著(P<0.05)，T3处理与其他处理差异均不显著。

图4 双季稻幼穗分化期叶片蒸腾速率(Tr)

图5 双季稻幼穗分化期叶片叶绿素含量(SPAD)

2.6 不同处理对双季稻收获期土壤理化性质的影响

双季稻收获期土壤的理化性质如表2所示。除早稻土壤速效钾与有机质含量以T2处理最低外，双季稻收获期不同处理土壤速效养分(碱解氮、有效磷、速效钾含量)与有机质含量均以T1处理最低。早稻土壤碱解氮含量以T3处理最高，晚稻以T4处理最高，早晚稻不同处理中均无显著差异。早晚稻土壤有效磷含量均以T4处理最高，较T2处理高5.1%，12.0%，但差异均未达显著水平。早晚稻收获期土壤速效钾含量分别以T4、T5处理最高，分别较同季T2处理高48.8%，2.0%；T4处理早稻速效钾含量显著高于T2处理，与其他处理差异不显著；晚稻处理间无显著差异。早稻收获期不同处理土壤有机质含量介于34.8 ～ 36.8 g/kg，均无显著差异；晚稻以T4与T5处理有机质含量最高，较T1处理高10.2%，9.9%，差异显著(P<0.05)。

2.7 不同处理对双季稻产量的影响

双季稻稻谷与稻草产量如图6所示。双季稻不同施肥处理稻谷产量均显著高于T1处理(P<0.05)。早稻稻谷产量表现为T4>T5>T3>T2>T1，以T4处理最高，较T2处理高6.8%，差异显著(P<0.05)；晚稻稻谷产量表现为T5>T4>T3>T2>T1，以T5处理较高，T4处理较T2处理高2.0%，但差异未达显著水平。早稻稻草产量以T2处理最高，与其他施肥处理无显著差异，各施肥处理均显著高于T1处理(P<0.05)；晚稻稻草产量以T5处理最高，T3处理最低，T1、T4、T5处理显著高于T2、T3处理(P<0.05)。

表2 双季稻收获期土壤理化性质

注：表中不同小写字母表示早稻或晚稻处理间差异达5%显著水平。

Note：Different lowercase letters in the table indicate that there is a significant difference of 5% between early rice and late rice treatments.

图6 双季稻不同处理稻谷与稻草产量

表3为双季稻不同处理早晚稻总生物量与周年总产量。由表3可知，T4处理早稻总生物量最高，较T1处理显著高30.3%(P<0.05)，较T2处理高2.5%但差异未达显著水平；晚稻总生物量以T5处理最高，较T1处理显著高22.6%(P<0.05)，较T2处理高6.5%但差异未达显著水平。不同施肥处理稻谷周年总产量均显著高于T1处理(P<0.05)，以T4处理最高，较T2处理高4.5%，但差异未达显著水平；稻草周年总产量以T5处理最高，显著高于T1处理(P<0.05)，与其他施肥处理差异不显著。

2.8 相关性分析

表4为双季稻水稻产量与叶片生理指标以及生理指标间的相关性。除叶片Tr与稻谷产量和SPAD值、Ci与Pn和Gs外，早稻产量与生理指标以及生理指标间均呈正相关关系，其中Pn与Gs、Gs与Tr、SPAD值与稻草产量间正相关性均达到显著水平(P<0.05)。晚稻中，Ci与其他指标均呈负相关关系，且与稻谷产量负相关关系达到极显著水平；其他指标间均呈正相关关系，其中Pn与Tr、Pn与SPAD、Gs与Tr、Gs与SPAD、Tr与SPAD间均存在显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关。

表3 双季稻不同处理总生物量与周年总产量

注：表中不同小写字母表示同一指标不同处理间差异达5%显著水平。

Note：Different small letters in the table indicate that the difference between different treatments of the same index is 5% significant.

3 讨论与结论

水稻产量是土壤肥力、气候条件及人为管理等因素下的综合表现，施肥是保证水稻增产稳产的重要途径，氮、钾的合理施用显得尤为重要[8，23]。本试验中，T4(紫云英协同晚稻稻草还田替代30%化肥氮、40%化肥钾)处理的水稻稻谷周年总产量最高，其早稻稻谷产量、晚稻稻谷产量及周年稻谷总产量较T2(常规施肥)提高6.8%，2.0%，4.5%，与刘威等[24]和廖海燕等[25]研究结果一致。早稻稻谷产量表现为T4>T5>T3，晚稻表现为T5>T4>T3。紫云英和稻草腐解速率慢，且参与腐解的微生物与水稻发生争“氮”现象，早稻季T5处理氮肥减施比例(40%)较高，养分供应不足；T3处理氮肥减施20%、钾肥减施40%，效果与T2处理基本一致，说明紫云英和稻草腐解弥补了减施的氮、钾肥养分；另外T4处理产量较高可能与紫云英腐解释放养分搭配氮肥减施30%、钾肥减施40%与水稻养分需求同步有关[26]；晚稻季T5处理较高可能与紫云英和稻草腐解与化肥的互作有关，具体的互作机制有待于进一步研究。

表4 双季稻水稻产量与生理指标及生理指标间的相关性

注：*.在0.05水平上显著相关；**.在0.01水平上显著相关。

Note：*.Significant correlation at 0.05 level；**.Significant correlation at 0.01 level.

早稻叶片光合速率以常规施肥处理最高，这可能与早稻常规施肥的速效氮肥增加了水稻叶片的叶绿素含量，进而提高Pn有关，与李海涛等[27]研究结果一致；其他处理均表现为T5>T4>T3，Pn随氮肥减施比例增加而提高，可能与紫云英翻压后提供氮素过程偏水稻生育后期有关，与苏姗等[28]发现Pn随氮肥后移而增加的结果基本一致。早稻Gs与Pn表现出相同趋势，杨福等[29]研究在非盐碱胁迫下Gs对Pn的影响最大，其与Pn的关系较为复杂，可能存在着一定的正相关关系，与本研究结论相符。晚稻Pn与Gs均以T4处理最高，T5处理次之，表明紫云英协同稻草还田下减施30%化肥氮和40%化肥钾处理能有效促进晚稻叶片的光合作用，增加干物质累积，从而实现水稻增产。早稻水稻叶片Ci表现为T3>T4>T5，晚稻叶片Ci不施肥(T1)处理显著高于其他处理(P<0.05)，陈根云等[30]研究表明，Ci取决于叶片周围空气的 CO2浓度、气孔导度、叶肉导度和叶肉细胞的光合活性，水稻Pn越弱，细胞中CO2被用来进行光合作用的量降低，从而导致胞间CO2浓度(Ci)较高[31]，与本研究吻合。早稻、晚稻幼穗分化期叶片Tr分别以T2与T4处理最高，可能与叶片Gs有直接相关，叶片气孔开度越大，蒸腾作用越强；晚稻季幼穗分化期叶片Tr均高于早稻季，可能与晚稻季气温较高，光照较强有关。

双季稻收获期紫云英协同稻草还田不同处理土壤速效钾、碱解氮、有效磷与有机质含量均高于常规施肥处理，含量略微增加，王璐等[32]研究表明，紫云英协同稻草还田紫云英和稻草还田可以降低土壤容重，提高土壤养分，与本研究基本一致。与常规施肥相比，早晚稻收获期减施化肥氮、钾处理土壤中养分含量较其他处理高，存在养分盈余，产量也处于较高水平，表明紫云英配合秸秆还田对肥料利用效率有促进作用，与连泽晨[33]研究结果一致。

晚稻Pn、Gs与双季稻产量间相关性强于早稻可能与晚稻季温度较高，光照较强有关；陈根云等[30]研究发现，Pn与Ci间在不同情况下存在正相关、负相关以及无关的关系，本试验中Ci与早、晚稻产量以及生理指标间相关性存在差异，具体原因还有待进一步研究。

紫云英协同晚稻秸秆还田不同处理均能增强水稻光合作用，提高双季稻产量，培肥土壤。本研究中，以减施30%化肥氮和40%化肥钾处理效果最好，与常规处理相比，两季稻谷总产量增长4.5%，其早稻稻谷产量增产6.8%，幼穗分化期倒三叶叶片Pn、Gs、Tr及 SPAD值分别降低7.8%，23.9%，21.0%，9.5%，Ci提高19.5%；其晚稻稻谷产量提高2.0%，Pn、Gs、Tr及SPAD值分别提高27.0%，55.3%，14.8%，13.4%，Ci降低1.6%；早晚稻收获期土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量均略有提高。