化肥减施条件下紫云英翻压量对土壤物理特性和水稻产量的影响

刘小粉 刘春增 贾萌萌 潘兹亮

摘要：为明确不同紫云英翻压量对土壤物理特性和水稻产量的影响，研究设置不施肥（CK）、仅施化肥（F100%）、60%化肥分别与15 000、22 500、30 000、37 500 kg/hm2紫云英配施（依次为F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM3、F60%+GM4）6个长期定位试验处理，研究土壤持水供水能力、容重、孔隙度、团聚性、土壤养分、水稻产量等的变化情况及其相关关系。结果表明：（1）与CK相比，60%化肥配施不同量紫云英使土壤容重降低9.8%～15.6%，F100%处理无变化;总孔隙度与容重相反，有效孔隙占比变化趋势为：CK≤F100%、F60%+GM4 、F60%+GM3、F60%+GM2≤F60%+GM1;持水供水能力表现为F60%+GM1、F60%+GM3≥F60%+GM4、F60%+GM2≥F100%≥CK;团聚体含量和稳定性在处理间无显著差异，但施紫云英处理均显著提高大团聚有机碳含量。（2）与CK相比，5个施肥处理均显著提高水稻产量，但相互间无显著差异。（3）相关分析表明，土壤持水能力与容重、孔隙度、有效孔隙比例、土壤有机碳、大团聚体有机碳、速效氮均显著相关;水稻产量不仅与以上土壤理化特性显著相关，标准回归系数进一步表明，影响水稻产量的因素排序为：速效磷>土壤有机碳>速效氮>容重>有效孔隙比例。综上所述，单施化肥对于土壤物理特性影响没有化肥-紫云英配施效果好，化肥施用量为60%时，紫云英施用量并非越高越好，用量为15 000～30 000 kg/hm2时综合效果最好。

关键词：紫云英;化肥减施;持水能力;土壤容重;孔隙度;团聚性;土壤养分;水稻产量

中图分类号： S152.4;S511.06 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2021）16-0067-07

紫云英是南方稻田常见绿肥作物，它还是优质的牧草作物、蜜源植物和季节性蔬菜，开花时观赏性也很强，在农业资源综合利用方面潜力巨大。紫云英作为农业资源其优势主要和它自身含有重要的矿质营养物质有关，因此，通常其种质资源品质性状的评价主要依据紫云英中碳、氮、磷、钾等营养成分的含量[1]。研究表明，紫云英作为清洁的有机肥源，在土壤改良、培肥地力和改善生态环境方面都能发挥重要作用[2]。紫云英轮作或翻压还田能提高土壤养分、促进养分活化和利于作物吸收利用养分[3-4]，从而改善土壤团粒结构[5-6]、提高作物产量[3-7]及获得较高的经济效益[8]。因此，紫云英翻压还田是南方稻区受青睐的土壤培肥方式。

河南信阳地区为我国典型单季稻产区，每年冬季有大量冬闲田，在地方财政支持下，近年来农民习惯在冬闲田种植紫云英以培肥土壤。在培肥方面，众多研究发现，紫云英翻压还田能提升土壤有机碳[9-10]，因其固氮能力强土壤不用施氮肥，但需要配施适量化学磷钾肥、有机肥或秸秆才能补充土壤中磷钾损失，提高水稻产量[5，10-11]。研究还发现，紫云英翻压量为22 500 kg/hm2时，化肥施用量从习惯施肥量（100%化肥）减至60%，土壤持水供水能力最强[10]，且能保证水稻不减产[5]，吕玉虎等进一步研究发现，紫云英和化肥合理配施能保证水稻增产、稳产[3，12]。因此，冬闲田种绿肥情况下，60%化肥施用量在该地区得到广泛推广。目前，翻压紫云英情况下配施化肥用量的研究已得到广泛开展，而关于紫云英翻压量的研究较少，已有相关研究主要集中在对土壤养分、水稻产量、固碳和微生物等方面[3，12-16]，紫云英翻压量不同如何影响土壤物理特性鲜有报道。鉴于此，本研究以定位试验为基础，探讨化肥施用量减至60%时，紫云英翻压量不同对土壤物理特性及水稻产量的影响，并分析二者之间的关系。为改善土壤结构、合理利用紫云英和提高水稻产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验位于河南省信阳市（32°07′N，114°05′E），试验已开展5年（2009—2013年）的定位试验。供试土壤为水稻土（耕层质地为黏壤），种植制度为一年一熟，冬季种植紫云英以培肥。每年水稻收获后各试验小区撒播紫云英种子，播量为30 kg/hm2，水稻插秧前把紫云英用小型旋耕机翻压还田。试验设置6个处理：不施肥（CK）;仅施化肥（F100%，为当地习惯施肥量）;60%化肥分别与15 000、22 500、30 000、37 500 kg/hm2紫云英配施（分别用F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM3和F60%+GM4表示）。100%化肥为当地习惯施肥量，所施氮肥、磷肥、钾肥种类分别为尿素225 kg/hm2、过磷酸钙135 kg/hm2、氯化钾135 kg/hm2，其中磷肥、钾肥全部基施，氮肥按基肥 ∶ 分蘖肥 ∶ 孕穗肥=3 ∶ 2 ∶ 1比例施用。紫云英翻压量均以鲜草计质量，每年于盛花期实现原地翻压还田，依据各处理用量不同，多余部分移出小区，不足部分由其他小区补充。每个处理设置3个重复小区，小区面积6.67 m2，小区之间筑田埂，同时用塑料膜隔开以防串水串肥，区组间留0.25 m宽沟以便灌排及实施其他田间管理。2009—2013年各小区水稻供试品种依次为珍辐糯、豫籼9号、珍珠糯、两优6326和扬两优013，于每年5月下旬进行插秧，株距为16.7 cm、行距为20 cm，每穴插栽秧苗2～3株，其他田间管理措施与大田一致。

1.2 样品采集与测定

2013年水稻收获后采集0～15 cm土层土壤样品。采用烘干法测定土壤容重并计算总孔隙度（土粒密度取2.65 g/cm3），同时用100 cm3环刀采集原状土并用高速离心机法测定土壤持水曲线，持水曲线和比水容量分别用公式（1）、公式（2）拟合[17]：

式中：θ为质量含水量，%;S为土壤水吸力，MPa;C为比水容量，cm3/（MPa·g）;a、b为方程拟合参数，a能反映土壤持水性能的大小;a×b值越大，表示土壤供水能力越强。田间持水量（0.03 MPa）和萎蔫含水量（1.5 MPa）依据公式（1）計算，二者相减为土壤有效含水量。依据有效水含量和总孔隙度可计算出有效孔隙比例（有效孔隙占总孔隙百分数）。

土壤团聚体分离采用湿筛法[18]分成≥0.25 mm、<0.25 mm 2个粒级，团聚体质量百分比和平均直径分别采用公式（3）、公式（4）计算：

式中：xi为团聚体平均直径;wi为对应粒径团聚体的质量。

土壤和团聚体有机碳含量采用外加热法测定;土壤全氮、全磷和全钾含量分别采用采用凯氏定氮法、硫酸-高氯酸消煮法和氢氟酸-高氯酸消煮法测定;有效氮、磷、钾含量分别采用碱解蒸馏法、碳酸氢钠浸提法、乙酸铵浸提法测定[19]。2009—2012年间水稻种植品种分别为为珍辐糯、豫籼9号、珍珠糯和两优6326，水稻产量为各小区实打实收。

1.3 统计分析

采用SPSS 19.0和ANOVA方法进行处理间的显著性差异分析（α=0.05）;采用Pearson法进行相关分析，同时用SPSS 19.0进行线性标准回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤水力特性、容重及孔隙度的影响

从图1可以看出，S≤0.06 MPa时，60%化肥分别与15 000、22 500、30 000、37 500 kg/hm2紫云英配施（依次简称为F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM3、F60%+GM4）的4个处理，其持水曲线均高于不施肥（CK）和仅施化肥（F100%）;当0.06≤S≤1.5 MPa时，持水曲线高低趋势为F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM4>F100%、F60%+GM3、CK。在持水曲线上选取田间持水量、萎蔫含水量、有效水含量进行定量比较发现（表1）：萎蔫含水量变化范围为19.7～20.2 g/g，处理间无显著差异（P<0.05）;与CK（29.4 g/g）相比，5个施肥处理的田间持水量提高2%～11%，处理间显著性差异表现为F60%+GM1≥F60%+GM3、F60%+GM4、F60%+GM2、F100%≥CK;有效含水量在处理间差异性为F60%+GM3≥F60%+GM1≥F60%+GM4、F60%+GM2≥F100%≥CK。表明施肥能提高土壤持水能力，单施化肥没有化肥-紫云英配施效果好;化肥施用量为60%时，并非紫云英施用量越高持水能力越强，综合分析看出，紫云英用量为 15 000、30 000 kg/hm2时土壤持水能力最强，即F60%+GM1、F60%+GM3 2个处理土壤持水能力最强。

土壤持水能力和土壤容重与孔隙状况密切相关。从表1可看出，CK和F100% 2个处理土壤容重最大（均为1.38 g/cm3），F60%+GM3容重最小（1.16 g/cm3），比CK和F100%显著降低15.6%，F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM4 3个处理则分别降低9.8%、6.5%、10.4%。土壤总孔隙度在处理间的变化趋势与容重相反，即为CK、F100%≤F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM4≤F60%+GM3。有效孔隙比例与土壤总孔隙度稍有不同，在处理间的差异显著性规律为CK≤F100%、F60%+GM4 、F60%+GM3、F60%+GM2≤F60%+GM1。表明并非紫云英翻压量越大，容重减少越大，孔隙增加越多。有效孔隙比例的增加并非和总孔隙度一致。

不同处理比水容量见表2。当S=0.01 MPa时，CK比水容量最小，为2.10 cm3/（MPa·g），F60%+GM3和F60%+GM1比水容量最大，分别为2.62、2.60 cm3/（MPa·g），分别比CK处理增大24.8%、23.8%，分别比F100%处理增大20.2%、19.3%，比水容量在所有处理间变化趋势为F60%+GM3、F60%+GM1≥F60%+GM4、F60%+GM2≥F100%≥CK。当S=1.5 MPa时，F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM3、F60%+GM4比水容量分别比CK增大12.6%、9.3%、10.6%、10.6%，分别比F100%处理增大9.2%、6.1%、7.4%、7.4%。整体看来，在考察吸力范围内（0.01～1.5 MPa），比水容量在处理间变化趋势基本与持水能力一致（即与S=0.01 MPa时相似）;并且随水吸力增加，各处理比水容量均逐渐减小，处理间差异逐渐减小，但在所有处理间大小趋势保持不变。因此，与CK相比，F100%处理土壤供水能力变化不显著，化肥施用量为60%时，翻压紫云英有利于提高土壤供水能力，尤其紫云英翻压量为15 000、30 000 kg/hm2时土壤供水能力最强，即F60%+GM3、F60%+GM1 2个处理土壤供水能力最强。

2.2 不同处理对土壤团聚性及有机碳含量的影响

不同处理下土壤团聚体分布、团聚体稳定性及有机碳含量变化情况见表3。大团聚体（≥0.25 mm）是土壤中占绝对优势的粒级，占比变化范围为76.3%～85.9%，相应的，微团聚（<0.25 mm）变化范围为14.1%～23.7%，二者在处理间均无显著差异。团聚体平均质量直径（MWD）大小为 3.2～3.6，处理间变化趋势与大团聚体占比一致，处理间无显著差异。但是，>0.25 mm大团聚体有机碳含量在处理间发生了显著变化：与CK相比，F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM3、F60%+GM4有机碳含量分别显著增加18.4%、23.4%、17.7%、19.1%，F100%处理增幅为7.1%，但处理间差异不显著。<0.25 mm微团聚有机碳含量在各处理间无显著差异。

2.3 不同处理对土壤养分含量的影响

从表4可以看出，与CK相比，60%化肥与不同量紫云英配施均显著提高土壤有机碳含量，F100%处理效果不显著。土壤全氮含量、全钾含量、速效钾含量在处理间差异不显著。速效氮含量处理间变化趋势为F60%+GM4、F60%+GM3、F60%+GM1≥F60%+GM2、F100%≥CK。与CK相比，5个施肥处理全磷含量、速效磷含量分别显著提高14.3%～17.0%、1.0～1.2倍，但5个处理间差异不显著。单从土壤养分变化看，可充分利用冬闲田种植紫云英翻压还田替代40%化肥，紫云英翻压量在15 000～37 500 kg/hm2 均可达到单施100%化肥一樣的效果，且与单施100%化肥相比，还能显著提高土壤有机碳含量。因此，提倡60%化肥与紫云英配合施用。

2.4 不同处理对水稻产量的影响

从图2可以看出，在2009—2012年间，与CK不施肥相比，5个施肥处理水稻产量均显著增加，每年增幅范围依次为25%～48%、41%～51%、24%～28%、18%～26%。在2010—2012年间，无论水稻品种如何变化，水稻产量在5个施肥处理间均无显著差异，但试验开始当年（2009年），水稻产量在5个施肥处理间显著性差异表现为F60%+GM1、F60%+GM2>F60%+GM3、F60%+GM4>F100%。另外，CK处理4年平均产量为7 620 kg/hm2，5个施肥处理水稻产量比CK提高28%～36%。表明在增产方面，单施化肥和化肥-紫云英配施效果基本一样。

2.5 水稻产量、土壤物理特性、养分含量之间相关分析

处理间产生显著性差异的各变量的相关性见表5。土壤容重、总孔隙度均与土壤有机碳、速效氮显著相关;有效孔隙比例除与土壤有机碳、速效氮显著相关外，还与大团聚体有机碳极显著正相关;田间持水量与容重、总孔隙度、大团聚体有机碳显著相关，与有效孔隙比例、土壤有机碳、速效氮极显著相关;有效含水量与大团聚体有机碳显著相关，与容重、总孔隙度、有效孔隙比例、田间持水量、土壤有机碳、速效氮极显著相关;水稻产量（4年平均值）与土壤有效孔隙比例、>0.25 mm大团聚体有机碳含量显著正相关，与土壤全磷含量、速效磷含量极显著正相关;速效氮含量与土壤、大团聚体有机碳显著正相关;速效磷含量仅与全磷含量极显著正相关;除以上描述，其他均相关不显著。

3 讨论与结论

3.1 不同处理对土壤物理特性的影响

土壤持水曲线是土壤含水量和土壤水吸力之间关系的曲线，它能反映土壤持水能力强弱，吸力相同时，曲线越低表明持水能力越弱，反之土壤持水能力越强。在该研究中，田间持水量在处理间显著性差异表现为F60%+GM1≥F60%+GM3、F60%+GM4、F60%+GM2、F100%≥CK，有效含水量在处理间差异性为F60%+GM3≥F60%+GM1≥F60%+GM4、F60%+GM2≥F100%≥CK。化肥施用量為60%时，配施不同量紫云英的处理土壤田持和有效水含量提高，直接原因可能是容重降低、总孔隙度和有效孔隙度降低，杨曾平等通过长期定位试验表明，双季稻种植制度下，冬闲田种油菜、紫云英、黑麦草处理耕层土壤容重比冬闲田降低3.0%～5.1%，土壤总孔隙度则增加26.0%～33.4%，毛管孔隙增0.6%～9.7%，说明添加紫云英改善了土壤通透性，使土壤结构得到改善[15]。本研究还通过对比发现，与60%化肥配施不同量紫云英相比，单施100%化肥对土壤物理特性的改善效果较差，说明引起土壤以上物理特性改变的主要原因是绿肥纳入。刘小粉等研究进一步证明，在紫云英翻压量为22 500 kg/hm2时，化肥施用量越少，土壤持水能力越强[10]。说明绿肥是引起土壤物理特性变化的主因。本试验结果还表明，在化肥施用量为60%时，紫云英翻压量并非越高越好，紫云英用量为15 000～30 000 kg/hm2时，对土壤物理特性的综合影响最优。

比水容量指土壤水吸力增加1个单位土壤所释出水量，反映不同吸力时土壤有效水含量，可作为衡量土壤供水能力和土壤抗旱性的指标[20]。就植物生长而言，比水容量数值大，则植物吸水容易，反之则吸水困难。试验中比水容量随水吸力或者在处理间的变化趋势与土壤持水特征基本一致。

土壤团聚体作为衡量土壤物理质量好坏的指标之一，其中大团聚体含量增加更有利于土壤结构改善。研究发现，与CK相比，各施肥处理并未引起>0.25 mm大团聚体显著变化。Yang等发现，紫云英种植可促进耕层水稳性大团聚体形成[13]。同为稻田，这种差异可能主要由试验年限不同导致：本试验开展仅为5年，对方试验已进行20余年，需进一步研究。值得强调的是，虽然大团聚体含量在处理间无显著性差异，但在化肥-紫云英配施的4个处理中>0.25 mm大团聚体有机碳含量均显著提高，而<0.25 mm微团聚体有机碳含量在所有处理间无显著差异，再结合土壤有机碳含量情况，说明以紫云英形式进入土壤中的新鲜有机物料首先被固持在了>0.25 mm大团聚体中，而大团聚体对有机碳有良好的物理保护作用[21-22]，长远来看将利于土壤有机碳提升和良好团粒结构形成。万水霞等发现，化肥-紫云英配施能使部分处理有机碳含量提高[16]。高菊生等发现，轮作紫云英可显著提高土壤有机碳含量[7]，本研究结果与之一致，说明紫云英种植和翻压还田是增加土壤有机碳的重要途径。Whalen等认为，土壤有机碳增加是投入有机物料的直接和间接作用所致[23]。一方面，新投入的有机物料自身作为直接的碳投入，能增加土壤有机碳含量;另一方面，投入有机物料能提高作物产量和秸秆量及促进根系发育，从而间接增加土壤碳投入。另外，尽管微生物量碳只占很少比例（约1.7%～3.0%），但新鲜物料投入后会引起微生物大量繁殖，这些对土壤有机碳积累的贡献也不可忽视[24]。

研究表明，土壤持水能力与土壤结构、土壤黏粒和有机碳含量密切相关[25]，它是土壤结构和物质组成的复合函数[26-27]。表5通过田间持水量、有效含水量展示了土壤持水能力与土壤其他物理特性、养分含量的相关性，发现田间持水量、有效含水量均与容重、总孔隙度、有效孔隙比例、土壤有机碳、大团聚体有机碳、速效氮显著相关，甚至极显著相关，说明土壤持水能力变化是土壤物理结构（包括容重、孔隙、团聚体含量等）和物质组成（包括有机碳含量、速效氮含量等）共同作用的结果。从表5还可以看出，土壤这些物理特性之间、养分含量之间以及物理特性与养分含量之间也密切相关，互相影响。Yang等发现，紫云英种植可促进耕层水稳性大团聚体形成，从而提高土壤持水量[13]。Liu等通过20多年田间试验进一步发现，土壤持水能力在不同粒径团聚体间存在显著差异，除了与团聚体有机碳含量有关外，还和团聚体机械组成密切相关[25]。这些变化都由农业管理措施改变引起。本研究还通过对比发现，与60%化肥配施不同量紫云英相比，单施100%化肥对土壤物理特性的改善效果较差，说明引起土壤以上物理特性改变的主要原因是绿肥纳入，并且在化肥施用量一定时，绿肥用量并非越多越好，该试验F60%+GM1、F60%+GM3处理（即60%化肥配施15 000 kg/hm2或30 000 kg/hm2紫云英）综合表现最好。

3.2 不同处理对水稻产量的影响

本研究发现，化肥-紫云英配施与单施100%化肥均能显著提高水稻产量，在2010—2012年间处理间差异不显著，即为F60%+GM1、F60%+GM2、F60%+GM3、F60%+GM4、F100%>CK，仅在试验开展第一年（2009年），处理间显著性差异表现为F60%+GM1、F60%+GM2>F60%+GM3、F60%+GM4>F100%>CK。说明仅从增产角度看，化肥施用量为60%时，紫云英翻压量并非越多越好。吕玉虎等发现，水稻产量随紫云英翻压量增加出现先升后降趋势，认为可能和紫云英翻压量过大时水稻营养生长过旺、生殖生长受到抑制有关[3]。万水霞等认为，70%化肥与22 500 kg/hm2紫云英配施较适合安徽沿江双季稻区早稻生产[16]。张成兰等综合考虑水稻高产、稳产及减肥效益，认为60%化肥与37 500 kg/hm2紫云英配施效果最佳[12]。二者推荐施肥最佳组合不同，可能与地域、种植制度不同有关：前者为安徽沿江双季稻产区，后者为淮海单季稻产区。另外，2个研究仅从水稻增产角度考虑，并未考虑不同施肥措施对土壤物理特性的影响，而要保证农业可持续发展，首先就应该保证土壤可持续发展。因此，本研究从土壤物理特性和养分变化的角度，同时定性（表5）和定量（表6）分析显著影响水稻产量的因素以及各因素影响程度大小。

从表5可以看出，水稻产量（4年平均值）与土壤有效孔隙比例、>0.25 mm大团聚体有机碳含量显著正相关，与土壤全磷含量、速效磷含量极显著正相关。但这仅是定性分析，并不能定量化各因素的影响程度。因此，通过水稻产量与土壤理化性质之间的标准回归分析（除表5中所列各指标外，其他土壤性质在处理间无显著差异，故不考虑其影响），进而通过标准回归系数来评价各土壤性质对水稻产量的影响程度。研究发现SPSS系统自动排除了土壤总孔隙度、田间持水量、有效含水量、大团聚体有机碳含量、全磷含量5个自变量（说明他们与未排除自變量存在高度线性相关），只保留了土壤容重、有效孔隙比例、土壤有机碳含量、速效氮含量、速效磷含量5个自变量，标准回归系数见表6。由标准回归系数大小看出，影响水稻产量的重要因素排序为：速效磷含量>土壤有机碳含量>速效氮含量>容重>有效孔隙比例。整体看来，土壤养分对水稻产量的影响要大于土壤物理特性。如速效磷每变化1个标准单位，水稻产量就变化1.132个标准单位，而容重每变化1个标准单位，水稻产量则变化0.283个标准单位，速效磷含量对水稻产量的影响程度是容重的4倍。

本研究通过5年长期定位试验发现：单施100%化肥和60%化肥-紫云英配施对水稻增产效果无显著差异，单施100%化肥对土壤物理特性的改善效果没有60%化肥-紫云英配施效果好;化肥施用量为60%时，紫云英施用量并非越高越好，用量为15 000～30 000 kg/hm2时对土壤物理特性综合改善效果最好;水稻产量与土壤物理特性显著相关，标准回归分析发现，土壤养分对水稻产量的影响大于土壤物理特性，其原因和机制还有待进一步研究阐明。

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