紫云英-水稻轮作不同肥料配施对生土碳氮和磷肥利用率的影响

曹凯，斯林林，徐静，张贤，王建红

(浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

近年来，我国经济的快速发展占用了大量优质耕地，人地矛盾问题日益凸显，同时也对国家粮食安全构成了严重挑战，因此，迫切要求增加新垦耕地面积以实现占补平衡[1]。我国后备耕地资源不断减少，占补平衡压力不断增大，补充耕地项目呈现上山和入海的趋势，不少地区的滩涂、园地和丘陵坡地成为补充耕地的主要来源[2]。但是这些耕地耕层土壤大部分为生土，即发育不成熟的土壤，由于该种土壤所含的微生物数量、土壤酶活性及养分含量较低，因此，需要通过生物循环的蓄积作用和人为的生产活动等途径才能培育成熟土。

目前，关于生土施肥对土壤养分和作物产量的影响研究已有诸多报道。红壤地区不同母质生土长期定位试验表明，有机无机肥配施和秸秆还田能快速提高生土有机质含量[3]。李霞等[4]在季节性干旱区新垦植烟土壤上发现，保水剂结合豌豆翻压可提高土壤保水能力，增加土壤养分含量，提高烤烟的质量和产量。杨珍平等[5]在黄土母质生土的盆栽试验发现，施用化肥结合豌/麦、苜/麦混作模式改良土壤的综合效应最优。相关研究表明，生土条件下单施氮肥和钾肥以及氮肥钾肥配施均不能使小麦形成正常产量，施用磷肥则显著提高了小麦产量，磷素成为限制小麦生长的第一因素[6]。

紫云英-水稻轮作模式可大幅减少化肥的施用。李增强等[7]研究指出，紫云英还田量为45 t·hm-2条件下，配施60%的化肥用量能够显著增加土壤活性有机碳含量。王建红等[8]同样发现，紫云英最优还田量为45 t·hm-2，同时配施40%的化肥用量较单施100%的化肥用量处理可显著提高水稻产量。这些研究主要集中在常规土壤上通过水稻生长期间施肥分析不同化肥用量间的差异，但是鲜有研究报道生土条件下紫云英生长当年一次性配施不同比例有机肥和无机肥对水稻生长和生土养分的影响。本文通过紫云英-水稻轮作的盆栽试验，研究不同比例腐植酸、氮肥和磷肥一次性基施对水稻产量、生土碳氮和磷肥农学利用率的影响，以期为生土的快速熟化和紫云英-单季稻制度下肥料的合理配施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

盆栽试验地点位于衢州市衢江区全旺镇马蹊村，供试土壤pH 6.10，有机质3.10 g·kg-1，全氮0.24 g·kg-1，有效磷5.80 g·kg-1，速效钾50.79 g·kg-1。土壤适当风干破碎后，过15 mm筛备用。供试紫云英为宁波大桥种，水稻品种为成两优7058。腐植酸有机质740.04 g·kg-1，化学氮肥为尿素(N：46.6%),磷肥为过磷酸钙一水合物(P2O5：56.3%),化学钾肥为氯化钾(K2O：63.2%)。

1.2 处理设计

设置2水平腐植酸用量(H1:0 g·kg-1和H2：20 g·kg-1)，2水平氮肥用量(N1:0 g·kg-1和N2:0.5 g·kg-1)，4水平磷肥用量(P1:0 g·kg-1、P2:0.30 g·kg-1、P3:0.55 g·kg-1和P4:0.80 g·kg-1)，处理分别为：(1)H1N1P1；(2)H1N1P2；(3)H1N1P3；(4)H1N1P4；(5)H1N2P1；(6)H1N2P2；(7)H1N2P3；(8)H1N2P4；(9)H2N1P1；(10)H2N1P2；(11)H2N1P3；(12)H2N1P4；(13)H2N2P1；(14)H2N2P2；(15)H2N2P3；(16)H2N2P4。每个处理设4次重复，共计64盆。

试验于2019年11月开始，每盆装入10 kg风干土，将腐植酸和化肥按照各处理用量一次性施入土壤并搅拌均匀，压实土壤后补充水分约至75%田间持水量。随后每盆播种50粒紫云英种子，待种子出苗后间苗至每盆20株。2020年4月收获紫云英，剪至3 cm小段后全部翻压至土壤中。6月施用基肥，氮肥分两次施入(基肥∶追肥=6∶4)，磷肥和钾肥均一次性基施，其中总N施入量为0.2 g·kg-1，P2O5和K2O施入量均为0.1 g·kg-1。施用基肥后土壤淹水3 d，保持表层水深3 cm，随后每盆移栽1株长势相同的16 d苗龄的水稻幼苗。水稻生长过程中水分和病虫害防治措施保持一致。

1.3 测定分析

试验于2020年10月水稻成熟期采集各盆栽水稻，将稻谷脱粒后晒干至标准含水量，称重测定实际产量。水稻收获后采集0～20 cm土层土样，过2 mm筛于4 ℃保存，用于土壤理化性质分析。土壤可溶性有机碳采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提法，微生物量碳氮采用氯仿熏蒸法，铵态氮和硝态氮利用流动分析仪测定，磷肥农学利用率(kg·kg-1)=(施磷区产量-无磷区产量)/磷肥施用量×1 000。

利用Microsoft Excel 2010和PASW Statistics 18进行数据处理和统计分析，运用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检测，利用Pearson法进行相关分析，制图在SigmaPlot 14.0中完成。

2 结果与分析

2.1 产量

方差分析结果表明，不同施肥处理间的水稻产量存在显著差异，其中以H2N2P3处理产量最高(图1)，继续提高磷肥用量水稻产量无显著变化，说明此时磷肥用量已不再是影响水稻产量的主要因素。H1N2P1处理水稻产量最低，较其他处理显著下降64%～84%，说明生土种植紫云英条件下单施氮肥会明显降低后续水稻产量，配施腐植酸和(或)磷肥均可促进水稻增产。由单施磷肥处理(H1N1P2、H1N1P3和H1N1P4)水稻产量可知，增加磷肥用量在一定程度上有利于水稻产量的提高。同样，单施腐植酸处理(H2N1P1)也可显著增加水稻产量，与不施肥处理(H1N1P1)相比，单施腐植酸处理水稻产量显著提高了64%。

柱上无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。图2同。

2.2 土壤碳氮

施肥后土壤可溶性有机碳和微生物量氮总体呈下降趋势(表1)。与不施肥处理相比，单施氮肥处理土壤可溶性有机碳和微生物量氮分别显著降低37%和62%，单施腐植酸处理土壤可溶性有机碳和微生物量氮分别显著降低28%和49%。单施磷肥条件下，土壤可溶性有机碳随磷肥施用量的增加而提高，但土壤微生物量氮与磷肥施用量则呈负相关关系。单施腐植酸处理土壤微生物量碳含量最高，较其他处理显著提高14%～492%，较不施肥处理显著提高139%，说明仅添加腐植酸就可以明显改善土壤微生物量碳含量。土壤铵态氮和硝态氮含量表现为单施氮肥处理最高，H1N1P2处理含量最低，且存在显著差异。

表1 不同施肥处理下土壤碳氮变化

2.3 水稻产量和土壤碳氮的变异

由表2可知，配施腐植酸可极显著提高水稻产量、微生物量碳和铵态氮40%、5%和1%，极显著降低可溶性有机碳、微生物量氮和硝态氮3%、3%和1%。配施氮肥可极显著提高水稻产量和铵态氮16%和2%，显著增加微生物量碳6%，极显著降低可溶性有机碳和微生物量氮2%和6%。腐植酸和磷肥用量对可溶性有机碳无显著影响。水稻产量随着磷肥施用量的提高而上升，当磷肥用量为0.55 g·kg-1时水稻产量最高，再次提高磷肥用量无益于水稻增产。磷肥用量为0.55 g·kg-1处理较不施用磷肥处理的微生物量碳、微生物量氮、铵态氮和硝态氮分别显著降低29%、24%、16%和19%。

表2 腐植酸、氮肥和磷肥用量对水稻产量和碳氮的影响

2.4 土壤碳氮与水稻产量的相关性

由表3可以看出，水稻产量与微生物量氮和硝态氮之间呈显著负相关关系，说明生土翻压紫云英条件下微生物量氮和硝态氮的减少促进了水稻增产。微生物量氮与硝态氮之间存在显著负相关关系，与铵态氮之间存在极显著负相关关系，说明土壤无机氮和有机氮之间存在着此消彼长的关系。铵态氮和硝态氮之间有极显著正相关关系，这可能是由于铵态氮含量提高后有利于同步转化成硝态氮。

表3 水稻产量和土壤碳氮的相关关系

2.5 磷肥农学利用率

如图2所示，H1N2P3处理磷肥农学利用率较其他处理显著提高72%～1700%。P3和P4水平下不施用腐植酸各处理磷肥农学利用率显著高于各施用腐植酸处理，说明施用腐植酸对磷肥农学利用率产生了显著的负效应。不施用腐植酸条件下，增施氮肥显著提高了磷肥农学利用率，例如H1N2P3处理磷肥农学利用率较H1N1P3处理显著提高了203%，H1N2P4处理磷肥农学利用率较H1N1P4处理显著提高了60%。但在施用腐植酸条件下，氮肥对磷肥农学利用率没有一致的影响，例如H2N1P3处理磷肥农学利用率与H2N2P3处理无显著差异，H2N1P4处理磷肥农学利用率较H2N2P4处理显著降低了76%。因此，在不施用腐植酸条件下可以达到以氮促磷的效果。

图2 P3和P4水平下磷肥利用率变化

3 小结与讨论

紫云英是豆科草本植物，为南方稻田常见的绿肥作物，具有较强的固氮能力。研究表明，氮磷钾配施能明显提高紫云英产量和养分累积量[9]，紫云英还田腐解后能为下季水稻生长提供所需养分，从而促进水稻增产。本文的研究结果表明，腐植酸和氮肥及磷肥合理配施处理的水稻产量较高，这主要归结于有机无机肥料平衡施用明显有利于紫云英生长。氮肥对紫云英鲜草和籽粒的增产效应低于磷肥[10]，生土条件下单施氮肥无法保证紫云英对磷素的摄取，因此，缺磷成为紫云英生长受限的主要因素。单施氮肥一方面降低了紫云英的还田量，另一方面使土壤中富集过多的氮素，进而可能对下季水稻幼苗生长产生毒害作用，最终导致水稻大幅减产。

土壤微生物量碳氮和可溶性有机碳是土壤碳氮储存库中最活跃的组分[11]，对作物生长和土壤养分等有重要影响。虽然这些活性有机质在土壤有机碳氮中的占比较低，但因其对土壤干扰较为灵敏，因此，常作为评价土壤受施肥、灌溉和耕作等措施影响的早期指标[12]。紫云英还田长期定位试验表明，紫云英配施化肥较单独翻压紫云英能显著提高土壤活性有机碳氮[13]。但也有研究发现，长期施用化肥降低了土壤微生物量碳氮含量[14]。本研究中单施磷肥条件下，土壤可溶性有机碳随磷肥施用量的增加而提高。可能是由于生土条件下，增加磷肥施用量有利于提高紫云英生物量，紫云英翻压后在微生物作用下大部分分解成溶解态有机质。

磷肥农学利用率可以直接反映磷肥的增产效果。不同磷水平下小麦蚕豆间作试验表明，不同年际间磷肥农学利用率随磷肥施用量的变化存在差异[15]。这是由于第一年施用45 kg·hm-2的磷肥可以显著提高小麦产量，但第二年等量磷肥对小麦产量无显著影响。本研究中，在不施用腐植酸的条件下增施氮肥可以显著提高磷肥农学利用率，说明在等磷施用量时，增施氮肥显著促进了水稻增产。但是在施用腐植酸条件下，增施氮肥没有表现出这种促进效应。相关研究表明，与普通磷肥相比，添加腐植酸能够抑制土壤对水溶性磷的固定，提高磷肥利用率及提高作物产量[16]。在等磷等腐殖酸用量条件下增施氮肥水稻产量难以有显著的增产，因此,不会提高磷肥农学利用率。