紫云英和稻草还田替代部分化肥对水稻产量和土壤理化性质的影响

（江西农业大学国土资源与环境学院/江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西南昌 330045）

【研究意义】过量施用化肥导致土壤酸化[1-3]、生产力下降、环境污染加重[4-6]等问题越来越受到广泛的关注。自国家土壤有机质提升项目开展和农业部提出到2020 年实现化肥零增长目标以来，南方稻田紫云英的种植面积得到恢复，且种植面积逐年增加，稻草全量切碎还田现象较为普遍。因此，研究紫云英和稻草还田替代部分化肥对水稻产量和土壤理化性质的影响具有重要的理论和实际意义。【前人研究进展】紫云英和稻草是江西稻区主要的有机肥源。研究表明，紫云英和稻草均含有一定量的碳、氮、磷、钾及硅等营养元素[7-8]，又具有改善土壤理化和生物学性状[9-10]、提高土壤肥力[10]、增加作物产量[7,11-13]等方面的作用。【本研究切入点】目前，有关紫云英、稻草还田对水稻生长发育、产量[7-9,11-13]、养分吸收利用[7,11,14-15]、稻米品质[16-17]、土壤理化和生物学性状[9-10]、温室气体排放[18]等方面已有很多报道，也取得了丰硕的研究成果。但对土壤有效硅[19]和交换性能的报道极少。【拟解决的关键问题】鉴于此，本文以第四纪红色黏土发育的水稻土为研究对象，在等量氮磷钾养分施用条件下，研究紫云英和稻草还田替代部分化肥对双季水稻产量及其构成因素、土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效硅和水溶性硅养分含量及容重、总孔隙度、pH、交换性酸、CEC、盐基饱和度的影响，旨在为南方稻区化肥减量施用和土壤质量提升提供科学依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试早、晚稻品种分别为中嘉早17和五优662。供试土壤为第四纪红色黏土发育的水稻土，常年种植水稻，种植制度为稻-稻-冬闲。试验前土壤基本化学性质见表1。供试的化学肥料为尿素（N 46%）、磷酸二铵（含N15%、P2O542%）和氯化钾（含K2O 60%）。供试紫云英、稻草养分含量见表2。

表1 供试土壤的基本性质Tab.1 Basic properties of soil tested

表2 有机肥中养分含量（占干质量%）Tab.2 Content of nutrients in organic fertilizers applied in this experiment（Percentage of dry weight）

1.2 试验设计

2017 年开始在江西农业大学科技园同一块稻田进行早、晚稻田间定位试验，设4 个处理：单施NPK化肥（F）、紫云英（早稻基肥）+NPK 化肥（G）、紫云英（早稻基肥）+稻草（晚稻基肥）+NPK 化肥（GS）、稻草（早、晚稻基肥）+NPK 化肥（S）。每处理小区面积为24 m2，4 次重复，随机区组排列，小区间筑土埂隔开，并用塑料薄膜覆盖埂体，单排单灌。各处理N、P2O5、K2O 养分用量相等（表3），早、晚稻N∶P2O5∶K2O 施用比例均为2∶1∶2。紫云英鲜草切碎至5～10 cm，每公顷施22 500 kg（折合干草3 937.5 kg），稻草切碎至5～10 cm，每公顷施3 000 kg（干稻草）。作早稻基肥的紫云英和稻草在水稻移栽前20 d施入，作晚稻基肥的稻草在早稻收割后当前施入。紫云英和稻草输入养分用量按实际测定养分含量的结果进行折算，不足的数量用化肥补足。早稻尿素按基肥、分蘖肥、穗肥质量比5∶2∶3施用，晚稻尿素按4∶2∶4施用，早、晚稻氯化钾均按分蘖肥、穗肥质量比7∶3施用，磷酸二铵一次性做基肥施用。人工移栽，早、晚稻栽插密度分别为13.3 cm×23.3 cm和13.3 cm×26.6 cm，其他按常规高产栽培要求进行。

表3 试验处理与养分投入量Tab.3 Experimental treatment and nutrient inputkg/hm2

1.3 测定指标与方法

1.3.1 作物产量及其构成 水稻收割前1 d，各处理在调查有效穗的基础上，按平均有效穗数取每处理代表性植株5蔸进行考种，各小区实割200蔸，脱粒后晒干、称质量、测产。

1.3.2 土壤容重、酸度、CEC和养分含量测定 2017年晚稻成熟期，用环刀法测定表层（0～18 cm）土壤容重，计算土壤总孔隙度[21]。每处理按“S”型线路采集耕作层（0～18 cm）土壤混合样品，供土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效硅、水溶性硅含量以及土壤pH、代换性酸、交换性盐基离子总量和CEC 的测定[22]，然后计算盐基饱和度。有效硅含量采用0.025 mol/L柠檬酸浸提，硅钼蓝比色法测定[22]；土壤水溶性硅含量采用0.02 mol/L CaCl2浸提，土液比为1∶5，25 ℃下振荡12 h，FeSO4还原硅钼蓝比色法测定[23]。

1.4 数据处理

本论文数据均为2017 年的试验数据，运用Excel 2007 和SPSS16.0 软件进行试验数据的处理和统计分析，利用Duncan新复极差法（LSR）进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 紫云英和稻草还田替代部分化肥对水稻产量及其构成因素的影响

表4研究结果显示，在等量氮磷钾养分投入情况下，早稻产量施肥处理间差异不显著，晚稻产量处理G、GS、S 差异不显著，但均显著高于处理F，增幅为9.4%～11.8%（P＜0.05）。说明紫云英和稻草还田有利于提高当年晚稻产量。

产量构成因素中（表4），早稻有效穗数，处理F 显著高于处理G、GS、S，增幅为3.1%～5.7%（P＜0.05），而处理G、GS、S 差异不显著；结实率处理G、GS、S 差异不显著，却均显著高于处理F，增幅为5.4%～8.8%（P＜0.05）；每穗粒数和千粒质量处理间差异不显著。晚稻有效穗数，处理G 与处理F、GS 差异不显著，却显著高于处理S，增幅为3.7%（P＜0.05），处理F、GS、S 差异不显著；每穗粒数处理S 与GS、G 差异不显著，却显著高于处理F，增幅为5.55%（P＜0.05），而处理GS、G、F 差异不显著；结实率处理S≈GS＞G＞F，差异显著，处理S、GS、G 较处理F 增幅为7.1%～13.9%（P＜0.05）；千粒质量处理间差异不显著。说明紫云英和稻草还田有利于提高早、晚稻结实率。

表4 紫云英和稻草还田对早晚稻产量及其构成因素的影响Tab.4 Effects of milk vetch and straw incorporation on grain yield and its components of double cropping rice

2.2 紫云英和稻草还田替代部分化肥对土壤理化性质的影响

2.2.1 对土壤容重和总孔隙度的影响 图1 显示，土壤容重处理F 与处理G 差异不显著，却均显著高于处理GS、S，增幅分别为10.2%～11.3%和7.1%～8.2%（P＜0.05），而处理GS、S 差异不显著。土壤总孔隙度处理GS与处理S差异不显著，却均显著高于处理F、G，增幅分别为5.5%～6.8%和3.0%～4.2%（P＜0.05），而处理F、G差异不显著。说明早、晚季连续采用紫云英和稻草还田替代部分化肥有利于改善通气状况。

图1 紫云英和稻草还田对土壤容重和总孔隙度的影响Fig.1 Effects of milk vetch and straw incorporation on soil bulk density and total porosity

2.2.2 对土壤养分含量的影响 表5 表明，土壤有机质含量处理S≈GS＞G＞F，前三者较后者增幅为10.5%～30.4%（P＜0.05），且差异显著。而处理GS 和S 差异不显著，较处理G 增幅为17.5%～18.0%（P＜0.05），且差异显著。说明在等量氮磷钾养分投入条件下，紫云英和稻草还田替代部分化肥有利于提高土壤有机质含量，且早、晚季连续替代效果更佳。土壤碱解氮含量处理S、GS、G 均显著高于处理F，增幅为18.0%～25.7%（P＜0.05）。说明紫云英、稻草还田替代部分化肥能促进土壤氮素的释放。碱解氮含量处理S 显著高于处理GS、G，增幅分别为6.5%（P＜0.05）和5.4%（P＜0.05），而处理GS 和G 差异不显著。表明稻草还田对土壤有效氮的影响比紫云英或紫云英与稻草还田的效果好，其机理有待进一步研究。土壤有效磷含量变化趋势与碱解氮基本一致。处理S、GS、G均显著高于处理F，增幅为18.0%～37.1%（P＜0.05）。说明紫云英和稻草替代部分化肥能促进土壤磷的释放，提高土壤有效磷含量。而处理S 显著高于处理GS和G，增幅分别为8.9%（P＜0.05）和16.1%（P＜0.05），处理GS、G 差异不显著。表明早、晚季稻草还田有利于土壤磷的释放。土壤速效钾含量由大到小依次为处理S、GS、G、F，但处理间差异不显著。土壤有效硅含量由大到小依次为处理S、GS、G、F，差异显著，前三者较后者增幅为35.8%～60.2%（P＜0.05），这与紫云英、稻草中含有硅养分及其分解过程中产生的中间产物促进土壤硅释放有关，与有关报道基本一致[19]。水溶性硅含量处理间差异不显著。说明紫云英和稻草还田有利于提高土壤有效硅含量，且以稻草还田效果最好。

表5 紫云英和稻草还田对土壤养分含量的影响Tab.5 Effects of milk vetch and straw incorporation on soil physical and chemical properties

相关分析表明，土壤有机质、碱解氮和有效磷含量与有效硅含量均呈线性相关，相关系数分别为0.930 9、0.973 2*和0.991 1*。

2.2.3 对土壤酸度和交换性能的影响 表6表明，与试验前土壤pH相比，处理F土壤pH值有所降低，而处理S、GS和G土壤pH值呈上升趋势。处理S、GS与G差异不显著，但均高于处理F，增幅分别为7.4%（P＜0.05）、5.4%（P＜0.05）和3.7%。说明紫云英和稻草还田有利于调控土壤酸度。土壤交换性酸处理S、GS和G 均显著高于处理F，增幅为51.6%～118.0%（P＜0.05），处理S 显著高于处理GS、G，增幅分别为36.0%（P＜0.05）和43.9%（P＜0.05），而处理GS 与G 差异不显著。土壤CEC 由大到小依次为处理S、GS、G、F，而处理S与处理GS、G差异不显著，却显著高于处理F，增幅为8.0%（P＜0.05），处理F、G、GS差异不显著。表明紫云英和稻草还田有利于提高土壤CEC，增强土壤的保肥性能。盐基饱和度处理F 显著高于处理G、GS和S，增幅为9.2%～17.0%（P＜0.05）。这与处理G、GS和S补充到土壤中的盐基离子少有关。说明紫云英和稻草还田还需适当补充含盐基离子丰富的石灰质肥料和钙镁磷肥。

相关分析表明，土壤pH、交换性酸和CEC与有效硅含量均呈显著线性相关，相关系数分别为0.994 0*、0.950 9*和0.989 5*。

表6 土壤酸度和交换性能的变化Tab.6 Changes of soil acidity and exchange properties

3 结论与讨论

3.1 紫云英和稻草还田对双季水稻产量的影响

研究表明，紫云英和稻草还田能提高水稻产量。黄山等[15]研究指出，与单施NPK 化肥相比，冬种紫云英和稻草联合双季稻草还田早、晚稻产量均有增加的趋势。王璐等[12]研究表明，在相同氮磷钾养分投入水平下，紫云英和稻草还田可以提高免耕抛栽双季水稻产量。紫云英还田是通过改善土壤理化性状，提升土壤肥力而提高水稻产量[25]。曾研华等[7]研究认为，在等量氮磷钾养分施用条件下，稻草全量还田能够增加双季早、晚稻周年产量。3 年定位试验表明，紫云英带籽翻耕还田显著增加水稻有效穗及产量[9]。而本试验结果表明，紫云英、稻草还田处理早稻产量与单施化肥处理差异不显著，晚稻产量均显著高于处理单施化肥处理，增幅为9.4%～11.8%（P＜0.05）。说明紫云英和稻草还田有利于提高当年晚稻产量，这与有关报道不完全一致。这可能与供试水稻品种、稻草还田量与还田时间不同有关。

3.2 紫云英和稻草还田对稻田土壤理化性质的影响

紫云英和稻草还田对提升土壤有机质含量、改善土壤理化和生物学性质等方面具有重要的作用。王伯诚等[9]研究认为，带籽紫云英作为绿肥施用能起到改善土壤理化性质和生物学性质，稳步提高土壤肥力的作用。吴建富等[13]研究表明，稻草全量切碎还田有利于提高土壤碳库管理指数。曾研华等[26]研究指出，稻草全量还田2年（4季）有利于改善土壤物理性状和提高耕作层土壤有机质、碱解氮、速效氮和缓效钾含量。颜志雷等[10]研究显示，化肥与紫云英配合施用能提高土壤有机质、全氮、有效氮含量，而有效磷、速效钾含量呈下降趋势。王璐等[12]研究表明，紫云英和稻草还田可以降低免耕抛栽稻田土壤容重，改善土壤孔隙性，缓解长期免耕导致的土壤板结，有利于土壤养分含量提高。黄山等[27]研究表明，冬种紫云英显著降低了土壤容重，提高了土壤总孔隙度，稻草还田显著提高了土壤pH值，冬种紫云英和稻草还田对土壤有机碳、总氮和碱解氮含量均无显著影响，而稻草还田显著增加了土壤速效磷和速效钾的含量。高明等[19]研究指出，有机肥（稻草和胡豆青）还田有利于提高紫色水稻土有效硅和水溶性硅含量。已有的报道对土壤理化性质的影响并非完全相同，其原因可以与研究的对象、试验周期、肥料用量等因素有关。本研究认为，在等量氮磷钾养分施用情况下，与单施化肥相比，紫云英和稻草还田替代部分化肥有利于降低土壤容重，提高土壤总孔隙度，显著增加土壤有机质、碱解氮、有效磷含量，而对土壤速效钾的影响不大。同时研究还发现，紫云英和稻草还田也能提高土壤有效硅含量，较单施化肥增幅为35.8%～60.2%（P＜0.05），而对土壤水溶性硅含量影响极小。其主要原因一方面是紫云英和稻草中含有一定量的硅，分解后增加了土壤中有效硅的含量；另一方面，紫云英和稻草在分解过程中释放部分有机酸，可活化土壤中的硅，从而提高土壤中有效硅的含量。另外，紫云英和稻草还田还能提高土壤pH 值和CEC，显著提高土壤交换性酸，增幅为51.6%～118.0%（P＜0.05），却降低了土壤盐基饱和度。表明早、晚季连续采用紫云英和稻草还田替代部分化肥有利于改善通气状况，提高土壤有机质含量，促进土壤氮、磷、硅素养分释放，缓解土壤酸化，增强土壤的保肥性能。相关分析表明，土壤有机质、碱解氮和有效磷含量与有效硅含量均呈线性相关，相关系数分别为0.930 9、0.973 2*和0.991 1*。土壤pH、交换性酸和CEC 与有效硅含量均呈显著线性相关，相关系数分别为0.994 0*、0.950 9*和0.989 5*。

综上分析表明，采用紫云英和稻草还田可以缓解南方稻区土壤硅缺乏对水稻生产带来的不利影响。