减量化肥配施紫云英对水稻产量稳定性的影响

张成兰 吕玉虎 刘春增 李本银 郭晓彦 聂良鹏 张 琳 曹卫东

(1河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2信阳市农业科学院， 河南 信阳 464000；3 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

作物产量稳定性是判断农田生态系统质量高低的重要指标[1]，其稳定性随土壤地力、施肥、栽培措施及气候条件等不同而存在较大差异。因此，研究长期不同施肥条件下作物产量稳定性的高低，对作物高产、稳产及农业的可持续发展具有重要意义。目前，国内外研究者主要采用回归模型[2]、变异系数[3-4]、可持续性指数[5]、方差分析[6]、稳定性方差[7]和生态价[8]等方法对作物产量稳定性进行分析评价。然而，研究表明，长期定位施肥试验作物产量的稳定性不仅受施肥处理和环境年际变化的影响，还取决于施肥处理与环境的交互作用[9-10]。因此，如何有效地分析施肥处理与环境的交互作用对于正确评价作物产量稳定性至关重要，冀建华等[8]研究发现，AMMI(additive main effects and multiplicative interaction)模型能很好地解释施肥处理与环境的互作效应，是评价长期定位施肥条件下作物产量稳定性的有效方法。

紫云英(Astragalus sinicusL．)为豆科黄芪属，是豫南稻区主要的冬季绿肥。豫南稻区有大量冬闲田，利用冬闲茬口种植翻压紫云英，可合理衔接水稻生育期，起到填闲、养地的效果[11]。目前关于稻田紫云英种植利用的研究主要集中在改善土壤理化性状[12]、改善土壤微生物特性[13-14]、提高水稻产量[15]、减少化肥施用[16]等方面，而减量化肥配施紫云英对水稻产量稳定性影响的研究尚鲜见报道。本研究依托信阳试验园区长期定位试验平台，分析长期定位施肥后水稻产量变化趋势、肥料贡献率及施肥与环境交互作用特征等，研究长期化肥减量20%和40%配施不同量紫云英对水稻产量稳定性的影响，以期为豫南稻区合理减肥、高产、稳产提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

供试紫云英品种为信紫1 号，由信阳市农业科学院提供。田间试验位于信阳市农业科学院试验园区(32°07′31′′N，114°05′18′′E)，该地区属亚热带向暖温带过渡区，日照充足，年均气温15．1 ～15．3℃，无霜期220 d 左右，年均降雨量900～1 400 mm，年均相对湿度77%，试验期内主要气象变化如图1 所示。田间定位试验始于2009年，供试土壤为黄棕壤性潜育型水稻土，土壤基本理化性质：有机质13．0 g.kg-1、全氮1．3 g.kg-1、碱解氮71．5 mg . kg-1、有效磷16．5 mg.kg-1、速效钾78．2 mg.kg-1、pH 值6．67。

图1 水稻生育期内主要气象因子变化Fig.1 Changes of the date of meteorological factors during rice growth period

1.2 试验设计

田间试验采用随机区组设计，共设10 个处理，3次重复：(1)不施肥(CK)；(2)单施化肥(100%F)；(3)80%化肥+22 500 kg.hm-2紫云英(80%F+GM1)；(4)80%化肥+30 000 kg.hm-2紫云英(80%F+GM2)；(5)80%化肥+37 500 kg.hm-2紫云英(80%F+GM3)；(6)80%化肥+45 000 kg.hm-2紫云英(80%F+GM4)；(7)60%化肥+22 500 kg.hm-2紫云英(60%F+GM1)；(8)60%化肥+30 000 kg.hm-2紫云英(60%F+GM2)；(9)60%化肥+37 500 kg.hm-2紫云英(60%F+GM3)；(10)60%化肥+45 000 kg.hm-2紫云英(60%F+GM4)。紫云英原地种植，每年于盛花期按照各处理进行翻压，多余部分移出小区，量不足时从其他小区移入，盛花期紫云英年均干基养分含量为3．49% N、0．42% P2O5、3．29% K2O，含水率为89．32%。试验所施化肥，氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。100%化肥指当地常规施肥量(135 kg.hm-2N、67．5 kg.hm-2P2O5、67．5 kg.hm-2K2O)。试验中磷肥、钾肥均作基肥一次施用，氮肥按基肥、分蘖肥、孕穗肥各占50%、30%、20%分次施用。小区面积6．66 m2(长3．33 m、宽2．0 m)，小区间筑埂，并覆塑料薄膜防止串水串肥。区组间留0．3 m 宽的沟，便于上水和排水。供试水稻品种为扬两优013，于每年5月底划行移栽，小区栽插密度16．7 cm×20 cm，每穴2 ～3 株。移栽后灌浅水使秧苗返青，分蘖肥在移栽后1 周施用，孕穗肥在晒田复水后施用，其他田间管理与大田一致。

1.3 测定项目与方法

试验于每年水稻成熟后按小区进行人工收割，单打单晒，晾干后测定各小区稻谷产量，并根据公式计算土壤地力贡献率和肥料贡献率：

土壤样品于2018年9月14日水稻收获后采集，每小区按照5 点采样法采集0 ～20 cm 土层土样，风干后测定土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量，测定方法参照《土壤农化分析》[17]。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2010 和SPSS 18．0 软件进行整理和统计分析，方差分析多重比较采用Duncan 法，并在P＜0．05 水平下检验差异显著性，利用Excel 2010和Orgin 8．5 软件作图，DPS 7．05 统计软件进行联合方差、线性回归及AMMI 模型分析。AMMI 模型是指加性主效应和乘积交互作用模型[8]，其表达式为：

式中，yij是第i施肥处理在第j年环境因子的平均值。加性参数：μ为总体平均数；αi为第i施肥处理与总平均数的离差；βj为第j年环境因子与总平均数的离差。倍加性参数：λs是s个交互效应主成分轴(incremental principal component analysis，IPCA)的奇异值；γis是第s轴的施肥处理特征向量值；δjs是第s轴的环境因子特征向量值；ρij为提取p个IPCA 轴后留下的残差。

根据公式计算稳定性参数Di[8]：

式中，s为显著的IPCA 个数；γis为第i施肥处理在第s个IPCA 上的得分；ws为权重系数，表示每个IPCA所解释的平方和占全部IPCA 所解释的平方和的比例。

2 结果与分析

2.1 长期减量化肥配施不同量紫云英对水稻产量及其变化趋势影响

2．1．1 水稻年均产量 由表1 可知，与CK 相比，施肥显著提高水稻年均产量，100%F 较CK 水稻增产28．74%，减量20%和40%化肥配施不同量紫云英较CK增产36．81%～40．07%，较100%F 增产6．27%～8．80%，说明化肥减施20%和40%情况下，种植翻压紫云英仍可提高水稻产量。化肥减施20%和40%条件下，水稻产量随紫云英翻压量增加呈先上升后下降的趋势，均以翻压37 500 kg.hm-2紫云英水稻产量最高。综合考虑水稻高产及减肥效益，以60%F+GM3 效果最佳。

2．1．2 水稻产量变化趋势 由图2 可知，各施肥处理水稻年产量呈波动趋势，不同年份间波动较大，相同年份不同处理间波动趋势大致相似，CK 一直在较低水平波动。根据年产量波动曲线拟合各处理产量趋势线(表 2)， 其斜率k表示产量的年变化量(kg.hm-2.a-1)。其中减量化肥配施紫云英处理水稻产量趋势线均高于100%F，以60%F+GM3 产量趋势线位于最上方，但在2017年后逐渐被60%F+GM4 以73．81 kg.hm-2.a-1的速率赶超，100%F 及CK 水稻产量趋势线位于最下方。各处理拟合方程k值均为正，说明虽然各处理存在年际波动，但整体趋势是增长的。减量化肥配施紫云英处理的k值均高于100%F 和CK，说明减量化肥配施紫云英对土壤的培肥改良效果较佳。

表1 不同施肥处理下水稻年均产量Table 1 Average annual yield of rice in different fertilizer treatments

由图2 可知，相较于水稻年产量的大幅度波动，水稻累积产量随年际变化呈逐渐上升趋势，不同处理间始终以CK 最低，其次是100%F。表2 列出了水稻累积产量的拟合方程，方程线性拟合性较好，其直线斜率k可反映水稻产量的增长趋势，由k值可知，各施肥处理水稻产量的增长趋势均高于CK，减量化肥配施紫云英处理产量的增长趋势高于100%F，说明减量化肥配施紫云英更有利于提高稻田土壤的养分供应能力。在减肥20%和40%条件下，水稻产量增长趋势随紫云英翻压量增加先升高后降低，均以翻压37 500 kg.hm-2紫云英处理最高。

图2 不同施肥处理下水稻产量年际波动曲线及水稻累积产量变化Fig.2 Annual fluctuation of rice yield and rice cumulative yield in different fertilizer treatments

表2 不同施肥处理下水稻年产量、累积产量变化趋势Table 2 Trend of rice yield and cumulative rice yield in different fertilizer treatments

2.2 长期减量化肥配施不同量紫云英对水稻产量稳定性影响

2．2．1 水稻产量变异来源 长期不同施肥处理导致不同的土壤肥力水平，而各施肥处理在同一年所对应的气候、管理条件及大气沉降等相同，因此可将施肥处理对应的土壤肥力水平作为一个维度，即“施肥”，而每年气候及其他环境条件作为另一个维度，即“环境”，利用DPS7．05 软件对10年长期定位试验水稻产量进行联合方差、线性回归及AMMI 模型分析(表3)。联合方差结果表明，施肥、环境分别占方差分析总平方和的49．75%、37．88%，且二者均达到极显著差异(P＜0．01)，说明方差分析只是对施肥处理和环境效应进行比较详细的解释，而对二者交互作用的解释并不完全，因此有必要对施肥处理和环境交互作用进行深入分析。线性回归分析结果表明，联合回归、施肥回归和环境回归共解释了平方和的37．85%，而误差占62．15%，说明线性回归分析对施肥处理与环境交互作用的解释仍然较少。AMMI 模型分析结果显示，IPCA1、IPCA2 和IPCA3 均达到了显著水平(P＜0．05)，三者平方和分别占互作平方和的56．24%、22．10%、10．60%，三项累积解释了88．93%的互作平方和，残差仅占11．07%，说明AMMI 模型能够较好地分析施肥处理与环境的交互作用。

2．2．2 水稻产量稳定性 以上述第一主成分交互作用(IPCA1)与水稻平均产量绘制双标图，图3 中f1、f2、f3…f10 分别表示施肥处理CK、100%F、80%F+GM1、80%F+GM2、80%F+GM3、80%F+GM4、60%F+GM1、60%F+GM2、60%F+GM3、60%F+GM4，e1、e2、e3…e10 分别表示2009、2010、2011…2018年的环境。由图3 可知，在水平方向上，施肥(f)比环境(e)的分布范围广，说明施肥处理间的变异大于环境；在垂直方向上，如果以IPCA1 ＝0 作一条水平线，施肥处理与环境在同侧，表示施肥处理与环境的交互作用为正，反之则表示交互作用为负[18]。f3、f4、f5、f6、f7 与e1、e2、e3、e4、e5、e9 位于水平线同侧，说明f3、f4、f5、f6、f7 与2009-2013年及2017年间的互作为正，即表示2009—2013 及2017年环境对80%F+GM1、80%F+GM2、80%F+GM3、80%F+GM4、60%F+GM1 水稻产量的提高有积极作用。f1、f2、f8、f9 与e1、e2、e3、e4、e5、e9 位于水平线两侧，说明f1、f2、f8、f9 与2009—2013 及2017年互作为负，表示2009 ― 2013 及2017年环境对CK、100%F、60%F+GM2、60%F+GM3 水稻产量的提高有消弱作用。图标越接近水平线表示施肥与环境的互作越小，水稻产量稳定性越好，图标越靠右表示施肥对水稻产量的增产效果越好。f10、f9、f6、f5 施肥处理水稻产量稳定性较好，f7、f2、f4、f3、f8、f1 施肥处理水稻产量稳定性较差；f4、f9、f8、f5、f3、f10、f7、f6 施肥处理对水稻的增产效果较好，而f2 和f1 的增产效果较差，综合考虑水稻增产效果和产量稳定性，以f9(60%F+GM3)效果最好。

表3 不同施肥处理下水稻产量的方差分析、线性回归模型和AMMI 模型分析Table 3 ANOVA, liner regression and AMMI model analysis of the rice yield in different fertilizer treatments

图3 AMMI 主成分交互作用与产量双标图Fig.3 Biplot of AMMI between yields and IPCA1

为定量描述施肥处理对水稻产量稳定性的影响，利用3 个主成分轴的IPCA 值分别计算各施肥处理的稳定性参数Di值(表4)。结果显示，与图3 所示的产量稳定性结果基本一致，Di值越小，表示施肥处理的稳定性越高，说明施肥可提高水稻产量稳定性，化肥减施20%和40%均以配施45 000 kg.hm-2紫云英处理产量稳定性最好，其次为配施37 500 kg.hm-2紫云英处理。

表4 不同施肥处理下水稻产量稳定性参数Table 4 Stability parameter of yield of rice yield in different fertilizer treatments

2.3 长期减量化肥配施不同量紫云英对土壤地力贡献率及肥料贡献率影响

土壤地力贡献率及肥料贡献率在时间上的变化情况如图4 所示，土壤地力贡献率能反映土壤生产能力，而肥料贡献率可反映肥料对作物产量的贡献率。结果表明，土壤地力贡献率在2009—2012年由67．43%缓慢上升至79．40%，两年后下降至60．24%，之后呈缓慢波动趋势，但总体呈逐渐下降趋势(y＝-0．414x+904．5；R2＝0．045)。肥料贡献率随年际变化呈波动趋势，相同年份间波动趋势大致相似，肥料贡献率与土壤地力贡献率呈极显著负相关(r＝-0．867，P＜0．01)。肥料平均贡献率以60%F+GM3 最高，其次为80%F+GM3，减量化肥配施紫云英处理的肥料贡献率高于单施化肥处理，但处理间差异并不显著(P＞0．05)。

图4 不同施肥处理下土壤地力贡献率及肥料贡献率Fig.4 The contribution of soil capacity and contribution rate of fertilizer in different fertilizer treatments

2.4 长期减量化肥配施不同量紫云英对土壤养分影响

由表5 可知，与CK 和单施化肥处理相比，减量化肥配施紫云英显著提高了土壤有机质含量，且紫云英施用量相同时，减量20%化肥处理土壤有机质含量高于减量40%化肥处理；施肥总体显著增加了土壤碱解氮含量，单施化肥处理较CK 土壤碱解氮含量增加13．47%，减量化肥配施紫云英较单施化肥处理土壤碱解氮含量增加3．75%～10．36%；施肥显著增加了土壤有效磷含量，单施化肥和减量化肥配施紫云英处理较CK 土壤有效磷含量分别增加94．43%和69．87% ～105．76%，且减量20%化肥配施紫云英处理土壤有效磷含量高于减量40%化肥配施紫云英处理；施肥增加了土壤速效钾含量，其中单施化肥和减量化肥配施紫云英处理土壤速效钾含量分别较CK 增加11．78%和1．65%～16．87%，但处理间差异不显著。在化肥减施20% 和40%条件下，翻压 37 500 kg.hm-2和45 000 kg.hm-2紫云英处理的土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量整体高于其他处理。

表5 不同施肥处理下土壤养分(2018年)Table 5 Soil nutrients under different fertilizer treatments in 2018

2.5 土壤养分及气候因子与水稻产量及产量稳定性相关性分析

由表6 可知，土壤有机质、碱解氮、有效磷含量与水稻产量呈极显著正相关，而水稻生育期内降雨量、平均气温、平均最高气温及平均最低气温与水稻产量无显著相关性；土壤碱解氮与产量稳定性参数呈极显著负相关，说明土壤碱解氮含量的增加有助于提高水稻产量的稳定性。

表6 不同因素与水稻产量及稳定性参数相关性分析Table 6 Correlation analysis of different factors associated with rice yield and Stability parameter

3 讨论

3.1 长期减量化肥配施不同量紫云英对水稻产量的影响

大量研究表明[16，19-20]，化肥减施20%～40%条件下，翻压15 000～45 000 kg.hm-2紫云英仍能保证水稻不减产，本研究也证实了这一结论。10年长期定位试验结果显示，减量20%和40%化肥配施紫云英较单施化肥水稻增产6．27%～8．80%，主要是因为紫云英翻压后释放出的养分能满足水稻对速效养分的需求，且紫云英养分后期释放缓慢，可持续为水稻生长提供所需养分，从而维持和提高水稻产量。化肥减施20%和40%条件下，水稻产量随紫云英翻压量增加呈先升高后降低的趋势。说明当紫云英翻压量较少时，腐解释放出的养分被水稻吸收，水稻产量随紫云英翻压量的增加而增加；而当紫云英翻压量过多时，水稻产量反而有所降低，一方面原因是过量紫云英在腐解初期有大量微生物生长繁殖，消耗了土壤中的养分，出现微生物与水稻争肥现象[19]，造成水稻生育期延迟，导致水稻产量降低；另一方面过量紫云英在腐解过程中产生大量Fe2+、Mn2+等还原性有害物质，影响水稻初期生长发育，进而降低水稻产量[21]。

本研究中单施化肥及减量化肥配施紫云英处理水稻产量变化趋势线均呈上升趋势，说明经过多年定位施肥，土壤肥力状况逐渐提升。黄兴成等[22]也指出，长期平衡施用化肥或配施有机肥可以维持和提高土壤综合肥力。而本研究中不施肥处理产量变化趋势线总体也呈上升趋势，这与陈欢等[23]通过32年定位试验研究小麦产量变化规律得到的不施肥处理呈下降趋势的结果并不一致，可能与本试验种植年限较短有关，也可能是因为水旱交替条件下稻田土壤生产力呈升高趋势[24]。从水稻累积产量变化趋势看，减量化肥配施紫云英处理产量增长趋势高于单施化肥处理，说明长期紫云英配施化肥有利于提高稻田土壤的养分供应能力，主要是紫云英翻压后不仅为土壤提供大量碳源和养分，还能促进土壤有机质的矿化分解和土壤养分的循环转化[25]，可有效改善稻田土壤质量。

3.2 长期减量化肥配施紫云英对水稻产量稳定性的影响

本研究通过联合方差、线性回归及AMMI 模型分析，发现AMMI 模型能较好地解释施肥处理与环境的交互作用，利用AMMI 模型评价长期定位施肥条件下水稻产量稳定性具有较高的可靠性和科学性。CK、100%F、60%F+GM2、60%F+GM3 处理与80%F+GM1、80%F+GM2、80%F+GM3、80%F+GM4、60%F+GM1 处理与同一年环境的互作效应相反。由图1 的气象因子可知，2009―2013 及2017年与2014 ―2016 及2018年环境差异主要体现在降雨量和气温上，2012 ―2013年平均最高气温高于其他年份，2017年降雨量高于其他年份，说明经过长期不同施肥后，各处理水稻产量对环境变化的响应并不一致。黄晶等[26]曾提出，气候变化对水稻生产潜力及产量差的影响较为复杂，各处理间作物产量对环境变化的响应随种植年限的增加而存在差异。由表6 气候因子与产量相关性分析可知，气温及降雨量对水稻产量具有一定消极作用，周文魁[27]也提出水稻生育期内温度升高、降雨量增加对水稻产量的影响是负面的。AMMI 模型的双标图直观简洁，便于理解，但所表达的信息具有一定局限性，因此可以将双标图与稳定性参数结合起来进行判断[28-29]。本研究中水稻产量稳定性结果显示，施肥及减量化肥配施适量紫云英较CK 提高了水稻产量稳定性。说明施肥，尤其是减量化肥配施适量紫云英有利于降低环境、生物等因素对产量的影响，维持和提高稻田生态系统的稳定性。

3.3 长期减量化肥配施紫云英对肥料贡献率及土壤地力贡献率的影响

土壤地力贡献率可以评价农田土壤养分供给力。本研究结果显示，长期不施肥导致豫南稻田土壤地力贡献率整体呈下降趋势，说明长期不施肥且种植水稻过程中，土壤养分被不断带走，但当土壤地力衰减到一定程度后，会处于一个相对稳定的状态，主要是因为虽然长期不施肥，但土壤养分的矿化、灌溉水及大气沉降等会带入一部分养分，以维持一定的地力水平[30]。本研究中单施化肥对水稻产量的平均贡献率为22．02%，减量化肥配施紫云英处理对水稻产量的平均贡献率为26．56%～27．95%，说明种植翻压紫云英有利于提高肥料贡献率。

3.4 长期减量化肥配施紫云英对土壤养分及水稻产量关系的影响

本研究结果显示，减量20%和40%化肥配施紫云英明显提高土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量，说明紫云英翻压还田后，在提高土壤有机质含量的同时，还增加土壤中氮、磷、钾养分含量，这与前人研究结果一致[16，31]。减量40%化肥配施紫云英处理的土壤有效磷含量低于单施化肥处理，主要是紫云英中磷素含量较低，紫云英翻压腐解后对土壤有效磷补充较少。相关性分析结果表明，水稻产量与土壤有机质、碱解氮、有效磷含量呈极显著正相关，而与土壤速效钾含量无显著相关性，这与陈欢等[23]研究砂姜黑土得到的结果一致，唐杉等[32]通过研究紫云英配施化肥结果表明，水稻产量与有机质、全氮、有效磷、速效钾含量呈显著正相关，说明作物产量与土壤速效钾含量的相关性可能是受不同土壤类型及土壤钾库高低的影响而表现出不同结果。影响水稻产量稳定性的因素较多，本研究中土壤碱解氮含量是影响水稻产量稳定性的主要因素，土壤有机质(PDi＝0．056)、有效磷(PDi＝0．161)、速效钾(PDi＝0．255)含量对水稻产量稳定性也有一定影响，说明减量化肥配施紫云英能通过培肥土壤提高水稻产量稳定性，这与Bi 等[33]提出的施用有机肥对水稻产量的正效应归因于土壤肥力提高的结论相似。

4 结论

研究结果表明，长期化肥减量施用并配施紫云英能明显提高水稻年产量、产量稳定性、肥料贡献率及土壤养分含量。综合考虑产量年际变化特征、AMMI 模型评价水稻产量稳定性、肥料贡献率及土壤养分的结果，以减施化肥40%配施37 500 kg.hm-2紫云英处理为豫南稻区水稻高产、稳产及减肥的最佳施肥模式。本研究仅分析了长期化肥减量施用配施紫云英对水稻产量稳定性的影响，而对产量稳定性提高的机理机制还有待进一步研究。