稻秆与紫云英联合还田提高黄泥田氮素利用率和土壤肥力

王 飞，李清华，何春梅，刘彩玲，黄毅斌

（福建省农业科学院土壤肥料研究所，福建福州 350013）

南方地带性红壤经水耕熟化形成的水稻土质地多粘重、有效养分不足或不平衡[1]。秸秆与绿肥均是农田培肥的重要有机肥料资源，是化肥有效替代肥源。据估计，我国目前年产秸秆约10亿t (风干)，合计总养分2000万 t，其中N约700万t、P2O5约200 万 t 和 K2O 约 1000 万 t；绿肥约 1 亿 t (鲜)，合计总养分约97万 t，其中N约45万t、P2O5约11万 t、K2O约41万t[2]。秸秆还田配施化肥可以提高土壤有机碳、胡敏酸、胡敏素含量及土壤其他养分含量，培肥土壤并提高其稳定性，促进作物增产[3]。杨帆等[4]对我国南方地区的 94个秸秆还田试验的综合评价结果表明，秸秆还田后，土壤肥力综合指数 (SFI)和产量较秸秆不还田平均提高了6.8%和4.4%。徐云连等[5]对巢湖流域连续10年减量化施肥和秸秆还田定位试验表明，与高产施肥相比，减氮30%、减磷50%+秸秆还田有增产效果，但差异不显著。稻麦轮作体系下秸秆还田合理配施氮肥，不仅可以获得最佳经济收益，还可以获得较高水稻产量和氮肥利用率[6]。紫云英是南方稻田最主要的冬季绿肥作物，紫云英还田可有效改善土壤理化与生化性状，减少化肥用量，保障作物稳产高产[7]。早稻田翻压紫云英22500 kg/hm2后配施化肥，与施用100%化肥相比，翻压紫云英后适当减少 (20%左右) 化肥施用量，有利于早稻有效穗数、穗粒数及实粒数等经济学性状的形成，提高早稻产量[8]。化肥减量30%配施15000～30000 kg/hm2紫云英可以提高安徽沿江双季稻区水稻产量，同时，紫云英与化肥配施可提高土壤微生物量碳氮、微生物熵及调节土壤微生物群落组成[9]。河南连续7年的水稻定位试验表明，紫云英配施化肥和单施紫云英效果优于单施化肥[10]。

虽然目前已基本明确秸秆与紫云英还田对作物生长发育和产量形成的影响以及在改土培肥方面的重要作用，但在施氮量相等的前提下，开展秸秆、紫云英连续施用对土壤质量、肥效及生产力的影响研究较少。另外，以往研究中秸秆、紫云英多以单独还田的多，稻秆与紫云英碳氮比差异较大，平均分别为48.0与13.3[11]，二者联合还田是否有助于农田生产力提升需要明确。黄泥田为南方红黄壤区广泛分布的一类中低产田，约占福建中低产田的40%，具有粘、酸、瘦等特性，如何保证该类中低产田在产量稳步提升的前提下兼顾化肥减施增效值得关注。为此，本研究团队连续4年在黄泥田上开展试验，利用稻秆、紫云英联合还田并与化肥不同配比进行研究，以期明确稻秆、紫云英联合还田效应，并筛选出稻秆、紫云英联合还田与化肥配施的适宜组合，为南方黄泥田土壤质量提升及施肥管理优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验区位于福建省闽清县东桥镇湖洋村。供试土壤为黄泥田，种植制度为单季稻。土壤基本化学性状：pH 5.3、有机质 29.5 g/kg、碱解氮 162.5 mg/kg、有效磷 11.6 mg/kg、速效钾 74.0 mg/kg。试验于2015年开始。试验为等氮处理，设6个处理：100%化肥 (RM0，CK)、80% 化肥+20% 稻秆+紫云英(RM20)、60% 化肥+40% (稻秆+紫云英，RM40)、40%化肥+60% (稻秆+紫云英，RM60)、20%化肥+80% (稻秆+紫云英，RM80)、100% (稻秆+紫云英，RM100)。每处理设3个重复，小区面积15 m2。

根据《中国有机肥料养分志》稻草与紫云英氮素养分含量及福建区域二者有机肥源全量还田数量(稻秆干物量3750 kg/hm2、紫云英干物量2700 kg/hm2)[11-12]，以稻草与紫云英全量还田氮素实际投入的理论比例约为1∶3作为二者有机物料联合还田翻压比例，确定配施20%、40%、60%、80%与100%有机混合物料中的稻秆干物量分别为750、1500、2250、3000 与 3750 kg/hm2，其余氮由外源紫云英补足，相应的紫云英鲜草还田量平均分别为4912、9825、14737、19650、24562 kg/hm2(紫云英鲜草水分含量为88.0%～89.5%)。稻秆干基养分平均含量为有机碳 389.3 g/kg、N 8.7 g/kg、P2O53.3 g/kg、K2O 15.9 g/kg，紫云英干基平均养分含量为有机碳471.6 g/kg、N 37.8 g/kg、P2O58.1 g/kg、K2O 29.5 g/kg。各处理氮磷钾养分实际投入量如表1。RM0处理施氮 135 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.4∶0.7。各处理磷肥全部作基肥施用；氮钾肥基肥占60%，分蘖肥占40%。氮肥用尿素，磷肥用过磷酸钙，钾肥用氯化钾。2015—2018年连续于每年春季紫云英盛花期(4月上旬) 时异地刈割与稻秆 (翻压前切碎成小于20 cm段撒入) 联合干耕翻压至耕层20 cm以下。单季稻6月中旬至下旬移栽，每小区种植160丛，10月上旬收割。供试水稻品种为‘甬优15号’。

表1 各处理具体化肥和稻秆紫云英的氮、磷、钾养分投入量 (kg/hm2)Table 1 Nitrogen, phosphorus and potassium input from rice straw and milk vetch and chemical fertilizer in each treatment

1.2 测定项目与方法

于每年水稻成熟期 (10月份) 采集各小区植株样品。随机方采集各小区地上部植株籽粒与茎叶，同时采集各小区土壤样品。第4年水稻收获后土壤采样按“S”形布点，采集0—20 cm深度5个位点土壤混合成1个样品，部分土壤鲜样用于土壤微生物量碳、氮分析，其余土壤自然风干用于土壤理化分析与酶活性分析。水稻籽粒与稻秆鲜样于105℃烘箱中杀青30 min，65℃烘干至恒重，经粉碎供植株养分含量分析。土壤理化生化性状与植株养分分析参照鲁如坤主编的《土壤农业化学分析方法》[13]测定。具体如下：植株样品经硫酸–过氧化氢消煮后，全氮采用凯氏定氮法、全磷采用钒钼黄比色法、全钾采用火焰光度计法测定；土壤有机碳采用元素分析仪 (美国 TruMax CNS) 测定，土壤碱解氮采用碱解扩散法，土壤有效磷采用碳酸氢钠提取—钼锑抗比色法，土壤速效钾采用乙酸铵浸提—火焰光度计法，土壤容重采用环刀法，土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提—TOC法 (日本TOC-LCSH)测定，pH测定采用的水土比为5∶1。土壤脲酶活性用靛酚蓝比色法，转化酶活性用硫代硫酸钠滴定法，磷酸酶活性用磷酸苯二钠比色法[14]测定。

1.3 数据分析

地上部养分吸收量 (kg/hm2) = 籽粒产量 × 籽粒养分含量 + 秸秆产量 × 秸秆养分含量

氮素回收率变化 (百分点) = (有机无机肥配施处理地上部氮素吸收量 – 100%化肥处理地上部氮素吸收量)/氮素投入量 × 100[15]

数据采用Excel和DPS软件进行统计分析，方差分析采用最小显著性差异法 (LSD) 多重比较。

2 结果与分析

2.1 稻秆与紫云英联合还田对水稻产量的影响

表2显示，等氮条件下，与CK相比，稻秆、紫云英联合还田与化肥不同比例配施均不同程度地提高了水稻产量，其中以RM20处理4年平均籽粒产量与稻秆产量最高，分别提高15.4%与23.6%，差异均达到显著水平 (P＜ 0.05)，其中第4年该处理籽粒与稻秆产量分别增加21.2%与38.7%。RM40处理4年平均籽粒产量较CK增加，但差异不显著，而稻秆产量较CK显著增加18.2% (P＜ 0.05)。由此可看出，水稻产量增幅随着稻秆、紫云英有机物料配施比例的增加呈下降趋势。

表2 不同稻秆紫云英联合还田比例第4年水稻产量及其组成Table 2 Yield and its component characteristics of rice under different proportions of rice straw and milk vetch incorporation into paddy soil over four years

从第4年产量构成来看，除RM100外，稻秆、紫云英联合还田与化肥不同比例配施的水稻有效穗均较CK增加，其中RM20处理较CK提高29.5%，RM40 处理较 CK 提高 20.2%，差异均显著 (P＜ 0.05)。各处理每穗实粒数随稻秆、紫云英有机物料配施比例的增加而增加，其中RM100、RM80处理分别较CK 提高 34.9% 和 26.0%，差异均显著 (P＜ 0.05)。

2.2 稻秆与紫云英联合还田对水稻植株养分累积及肥料利用的影响

表3显示，稻秆、紫云英联合还田与化肥配施处理的水稻籽粒氮吸收量较CK增加2.4%～15.4%，其中 RM20 处理与 CK 差异显著 (P＜ 0.05)。除 RM100处理外，其他各有机无机肥配施处理的水稻稻秆氮吸收量较CK增幅为1.9%～23.6%，其中RM20、RM40 处理与 CK 差异均显著 (P＜ 0.05)。从地上部植株氮吸收总量来看，RM20处理的氮吸收量最大，较 CK 显著提高 17.6% (P＜ 0.05)。从中也可看出，施有机肥处理地上部氮素吸收量随稻秆、紫云英有机物料配施比例增加呈下降趋势，除RM100处理以外，其他处理地上部氮素吸收量均高于CK。从氮素回收率来看，除RM100处理以外，各配施处理的氮素回收率较CK提高2.0～13.5个百分点，但随有机物料替代比例增加，氮回收率增幅呈下降趋势，以RM20处理提高最为明显。说明等氮量投入下，适宜稻秆、紫云英联合还田与化肥配施均提高了氮素利用水平。

表3 不同稻秆紫云英联合还田比例下水稻植株氮素4年平均养分吸收量及回收率Table 3 N uptake and recovery efficiency of rice under different proportions of rice straw and milk vetch incorporation into paddy soil over four years

从植株磷、钾养分吸收来看 (表4)，除RM100处理以外，其他处理稻秆、紫云英联合还田下的地上部磷、钾养分吸收均高于CK，其中磷吸收量增幅为2.6%～17.4%，钾吸收量增幅为2.0%～22.3%，均以RM20处理提升最为明显，与CK差异均显著 (P＜0.05)，其次是RM40处理。从中也可看出，与氮吸收趋势表现相似，施有机肥处理随着稻秆、紫云英有机物料配施比例的增加，地上部磷、钾素吸收量呈下降趋势。

表4 不同稻秆紫云英联合还田比例下水稻植株磷钾养分平均吸收量 (kg/hm2)Table 4 Phosphorus and potassium uptake of rice under different proportions of straw and milk vetch incorporation into paddy soil over four years

2.3 稻秆与紫云英联合还田对水稻土肥力的影响

表5显示，稻秆、紫云英连续联合还田改善了水稻土理化性状。与CK相比，各有机无机肥配施处理pH增幅0.05～0.29个单位，其中RM100处理与CK差异达到显著水平 (P＜ 0.05)；有机质含量增加 3.76～5.31 g/kg，均较 CK 显著提高 (P＜ 0.05)；有效磷增幅3.7～10.2 mg/kg，其中RM60、RM80与RM100处理均较CK显著提高 (P＜ 0.05)；速效钾增幅28.0～119.2 mg/kg，除RM20处理以外，其余处理均达到显著差异水平 (P＜ 0.05)。从中也可看出，土壤pH、有机质含量总体随着有机物料比例的增加而增加，有效磷与速效钾含量先升高后降低。而容重较CK降幅0.05～0.12 g/cm3，其中RM40与RM60处理较 CK 差异达显著水平 (P＜ 0.05)。从生化性质 (表 6)来看，稻秆、紫云英联合还田处理的土壤微生物量碳含量较CK均有不同程度增加，除RM20处理以外，各有机无机肥配施处理的微生物量氮含量较CK有不同程度提高，但与CK均无显著差异；稻秆、紫云英联合还田处理的脲酶、酸性磷酸酶活性较CK有不同程度提高，其中RM60处理的脲酶活性提升最为明显，提高了37.7%，酸性磷酸酶活性以RM40处理提升最为明显，提高了8.8%，与CK差异显著 (P＜ 0.05)，但稻秆、紫云英联合还田的转化酶活性有不同程度地下降。

表5 不同稻秆紫云英联合还田比例下第4年土壤的理化性质Table 5 Physicochemical properties of paddy soil as affected by different proportions of rice straw and milk vetch incorporation in the fourth year

表6 不同稻秆紫云英联合还田比例下第4年土壤的生物化学性质Table 6 Biochemical properties of paddy soil as affected by different proportions of rice straw and milk vetch incorporation in the fourth year

3 讨论

3.1 稻秆、紫云英联合还田提高水稻产量及养分吸收利用率

化肥有机肥配合施用能提高水稻产量和肥料利用率、减少环境污染、培肥土壤，是南方水稻田简单易行的环境保护性施肥技术[16]。本研究表明，等氮投入下，稻秆、紫云英联合还田与化肥不同比例配施，均提高了水稻产量与植株养分吸收量，其中氮素回收率较CK提高2.0～13.5个百分点。究其原因，一是稻秆与紫云英联合还田改善了土壤物理性状。以往研究表明，福建8个县域连续3年紫云英压青还田，土壤容重与基础土壤相比，平均降低0.1 g/cm3，相对降幅8.7%[17]，秸秆还田有利于降低土壤容重、硬度，增加土壤总孔隙度和有效孔隙的比例[18]。本研究条件下，黄泥田土壤发育于地带性红壤，质地粘重，稻秆、紫云英联合还田与化肥不同比例配施，增加了土壤有机质含量，土壤容重降低0.05～0.12 g/cm3，这促进了土壤疏松通透，有利于改善水稻生长环境，进而提高水稻产量与养分吸收。二是从养分供应角度分析，稻秆、紫云英联合还田，除了增加必需的中、微量营养元素外，有机物料投入促进了土壤微生物的繁殖，增加了土壤对无机肥料的固持，减少了作物生育前期化肥养分损失。研究表明，南方双季稻田有机肥与化肥各半配施，氨挥发损失为7.2%～18.2%，而单施化肥氨挥发损失高达37.8%[19]。江苏常熟稻田在施氮240 kg/hm2水平下，秸秆还田可减少氮淋溶等损失，氮肥总损失率降低6.0%，从而提高水稻对氮肥的利用率，增加产量[20]。本研究条件下，适宜稻秆、紫云英联合还田总体提高了土壤碱解氮与微生物生物量碳、氮，使得有机无机肥料配施可以获得较平稳的氮素供应过程，进而提高水稻氮肥吸收利用。三是稻秆与紫云英联合还田促进了矿质养分的活化与利用。相关研究表明，黄泥田土壤速效钾含量与土壤钾盈亏量呈极显著正相关[21]。本研究中，RM0与RM20处理的钾素均出现表观亏缺，分别为16.34与32.22 kg/hm2(表 1、表 4)，但与初始土壤相比，RM0处理土壤速效钾含量降幅较大，有机物料联合还田下土壤速效钾含量降幅较小或增加，这可能是由于有机物料联合还田下分泌草酸、柠檬酸，一定程度上促进了矿物钾的分解，进而缓解了土壤速效钾含量下降。何冰等[22]研究也表明，有机物料分泌的有机酸通过酸化与络合作用可提高土壤速效钾含量。值得一提的是，本研究紫云英鲜草利用是从异地刈割移入，这有别于原地种植翻压，由于黄泥田土壤肥力总体较低，新鲜有机物料的加入可能产生激发效应[23]，激活了土壤微生物活性，促进了土壤有机质矿化与养分活化，从而实现黄泥田生产力的快速提升。

3.2 稻秆、紫云英联合还田与化肥适宜配比

江西双季稻紫云英连续6年还田试验表明，替代20%～40%化肥的耕层土壤有机质、全氮含量及早、晚稻产量均增加，但进一步提高化肥替代比例导致上述指标降低[24]。刘春增等[25]研究表明，从稻谷产量、净收益和产投比及环境友好性综合来看，紫云英还田与当地化肥施用量的80%和60%配施是最优组合。本研究进一步表明，等氮量下随着稻秆、紫云英联合还田比例的增加，土壤有机质与养分含量逐渐增加而产量增幅却呈下降趋势，主要原因可能是随着有机物料比例的增加，肥料中速效矿质养分含量降低，高量的有机物料投入导致农田系统碳氮比过高，引起水稻生长早期土壤微生物与水稻争氮，从而影响氮素的早期供应[26]，本研究中成熟期低量有机物料配施处理的有效穗数高于高量有机物料配施处理佐证了这点。但随着试验年份的延长，长期配施高量有机肥的基础地力水平会提升更快，其产量演变可能会逐渐达到甚至超过低量有机物料配施水平，这取决于矿质养分的供应水平与培肥效果。湖南省9个稻田生态系统长期定位监测点表明，等氮条件下长期施用化肥的增产率为115% (早稻) 和68%(晚稻)，低量有机肥 (有机氮占总氮 30%) 施用增产率为 128% (早稻) 和 79% (晚稻)，高量有机肥 (有机氮占总氮 60%)增产率为 123% (早稻) 和 79% (晚稻)，随着试验年份延长，低量有机肥配施与单施化肥处理产量差呈现先增加后降低的趋势，低量有机肥与高量有机肥处理产量差异呈逐步降低的趋势[27]，而江西双季稻区进行连续25年的田间定位试验表明，早晚稻平均产量以30%化肥配合施用70%有机肥最高，高量有机肥配施处理与化肥处理、低量有机肥配施处理的产量差异均呈逐步增加趋势[28]。本研究条件下，RM20处理的水稻产量最高，是受制于当前黄泥田肥力水平与矿质养分供应，随着培肥时间的延长，速效矿质养分等肥力因子发生变化，最佳施肥比例可能随之改变。相关研究表明，低肥力土壤有机肥的替代比例要低，高肥力的土壤有机肥替代比例要高，如棕壤的中低产田，25%有机肥替代获得与单施化肥相当的产量，继续增加有机替代比例会降低作物产量，而高肥力农田有机肥替代比例可达70%或75%，仍能维持与单施化肥相当或更高的产量[29-31]；龚海青等[32]研究表明，化肥氮的有机氮替代率70%取决于土壤有机碳含量的高低，黑土土壤有机碳含量达到24.89 g/kg时，有机肥对化肥的替代率趋近95%，达到最大值。本研究中的黄泥田属渗育性水稻土，具有酸、薄、粘、瘦特点，地力水平总体较低，故应选择较低配施比例的稻秆、紫云英联合还田量 (如20%氮素的联合有机物料替代化肥)，以保证产量稳步提升。

有机物料性质也是影响稻秆、紫云英与化肥适宜配比的因素。推荐施肥量下，鸡粪或猪粪单独施用或配施少量化肥氮，牛粪配施75%左右的化肥氮可实现与化肥相当的氮素利用效率[33]。本研究条件下，稻秆与紫云英有机肥源性质差别较大，稻秆碳氮比约为紫云英的3.5倍，单独还田均受到一定限制，稻秆与紫云英联合还田，可形成较好的碳氮互济、速缓相济的施肥体系，这种施肥体系效果优于紫云英与稻秆单独还田[34]，相关研究也表明，晚稻留高茬还田冬种紫云英并还田在产量与经济效益方面表现出明显优势[35]，绿肥与秸秆联合还田并减少化肥投入比秸秆单独利用时水稻、小麦分别增产5.4%、4.9%[36]，上述结果表明绿肥与秸秆联合还田在提升生产力方面具有独特优势。由于南方稻区稻秆、紫云英资源均简单易得，充分利用二者物料性质并结合土壤肥力特性，开展与化肥优化配施具有较大的增产增效与化肥替代潜力，尤其适合于中低产稻田应用。

4 结论

等氮投入下，稻秆、紫云英联合还田与化肥不同比例配施均提高了福建黄泥田水稻产量，籽粒与秸秆产量均以稻秆紫云英还田氮替代20%化肥氮处理最高，继续增加替代比例，水稻产量增幅呈降低趋势。除 RM100处理外，联合还田提高了水稻地上部植株氮、磷、钾吸收量，其中氮素回收率较单施化肥提高2.0～13.5个百分点。联合还田不同程度地提高了土壤pH、有机质、有效磷、速效钾以及脲酶、酸性磷酸酶活性，而土壤容重呈现下降趋势。因此，连续进行稻秆、紫云英联合还田有效提高了黄泥田生产力、肥力质量及水稻氮素利用水平。综合来看，等氮投入下，稻秆、紫云英联合还田替代20%～40%化肥可促进水稻增产稳产。