豫南紫云英水稻轮作区减施不同比例氮肥对水稻养分吸收和转运的影响

王 慧，张 琳，常单娜，周国朋，高嵩涓，曾闹华，聂良鹏，吕玉虎，曹卫东*

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 / 农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；2 信阳市农业科学院，河南信阳 464000；3 南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210095）

豫南稻区是河南省的水稻主产区，种植面积为43.1万hm2，占全省水稻种植面积的83.4%[1]。氮素是影响水稻生长发育和产量最敏感的因素[2]，且与磷、钾的吸收利用密切相关[3]。我国南方稻区单季稻生产中氮肥平均施用量为180 kg/hm2，氮肥利用率仅有30%～35%[2,4–5]，过量施用氮肥造成资源浪费的同时带来环境压力。利用冬闲田种植紫云英能够充分的利用光热资源[6]，替代部分氮肥并增加水稻产量，对维持和提高稻田可持续发展意义重大[7–8]。多年多点联网试验研究表明，紫云英还田配合常规施肥或者氮肥减施20%水稻分别增产6.53%和4.15%，氮肥减施40%保证水稻不减产[8]；氮肥减施0～40%氮肥利用率增加18.4%～31.1%[9]。种植利用紫云英条件下，氮肥减施20%～40%能够促进水稻生殖生长阶段氮的吸收，显著增加成熟期稻谷氮积累[10]。合理的氮肥运筹有助于水稻对养分的吸收和转运[11–12]，进一步影响水稻的生产[13]。紫云英体内78%的氮来自生物固氮[14]，翻压还田后能够补充大量外源氮素[15]，配合氮肥减施仍能够保证水稻产量的稳定[8]。与单施化肥相比，紫云英配施化肥能够促进水稻对化肥氮的吸收，水稻对化肥氮的吸收量增加约19%，氮肥利用效率提高18.20%～20.30%[16]。种植利用紫云英能够培育土壤碳氮库[17]，改善土壤供氮能力，促进水稻对氮素的吸收[18]。另外，紫云英腐解过程中释放的氮比化肥氮肥效更长，能够满足水稻后期对氮的需求[14]，有助于水稻生殖生长过程中对氮的吸收利用，提高稻谷的氮素积累[10–11]。因此，紫云英可作为南方稻区替代化肥氮的来源，是南方稻田实现节肥增效的重要物质基础。

目前，关于种植利用紫云英与氮肥配施的研究大多集中在培肥土壤、增加水稻产量等方面。与常规施肥相比，紫云英配合氮肥减施改变了氮的供应模式，该模式下水稻生长过程中养分吸收利用及转运状况如何？土壤养分供应能否匹配水稻生育期正常生长的需求？本研究依托豫南地区“紫云英–单季稻”模式下的田间定位试验，研究紫云英翻压还田后配合氮肥减施条件下水稻关键生育期养分吸收积累特点及转运状况，分析不同生育期土壤养分含量和水稻养分吸收量与水稻产量的关系，综合评价稻田种植利用紫云英的氮肥减施效应，以期为豫南地区紫云英水稻轮作模式下氮肥减施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2008—2020年在河南省信阳市农业科学研究所试验园区 (N 32°07'，E 114°05')内进行。该地区属于亚热带向暖温带过渡区，年平均降水量、年平均气温和全年日照时数分别为1250 mm、15.2℃和2000 h。供试土壤为黏壤土，土壤基础理化性质分别为：pH 6.7、有机碳含量13.0 g/kg、全氮含量1.3 g/kg、无机氮含量19.9 mg/kg、有效磷含量16.5 mg/kg 和速效钾含量 78.2 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用田间定位试验，始于2008年，种植制度为紫云英–单季稻。试验设置6个处理：1) CK，无紫云英和化肥；2)紫云英+40%氮肥(GN40)；3)紫云英+60%氮肥(GN60)；4)紫云英+80%氮肥(GN80)；5)紫云英+100% 氮肥 (GN100)；6) 100% 化肥(N100)。100%化肥为当地水稻种植推荐施用量，N、P2O5、K2O施用量分别为165.0、112.5和112.5 kg/hm2。供试氮、磷、钾肥分别是尿素(46% N)、过磷酸钙(12% P2O5)、氯化钾(60% K2O)，磷、钾肥全部做基肥一次施用，氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=7∶2∶1的比例施用。80%、60%、40%氮肥分别指各处理水稻氮肥施用量占推荐施用量的比例，磷钾肥施用量不减少，与100%氮肥处理保持一致，分蘖肥和穗肥分别在采集该时期样品后一天施入。紫云英品种为信紫1号，于每年9月中下旬均匀撒播于田中，播种量为22.5～30.0 kg/hm2。于紫云英盛花期翻压，翻压量均为22500 kg/hm2。定位试验期间的种植制度均为单季稻—紫云英轮作模式，基于多年试验的基础上对2020年水稻样品进行处理分析，紫云英盛花期鲜草含水量为90%，22500 kg/hm2紫云英鲜样所携带的N、P2O5、K2O分别为38.37、19.28和21.32 kg/hm2。水稻品种为扬两优013。小区面积为6.6 m2(长 3.3 m、宽 2.0 m)，小区间用泥埂隔开，覆盖塑料薄膜防止窜水窜肥，区组间留0.3 m宽的沟利于灌水排水，试验设置4个重复，完全随机排列。

1.3 样品的采集与测定

水稻于2020年5月18日移栽，6月8日、7月7日、8月5日和9月4日分别采集水稻分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期样品。各关键生育期分别随机采集2蔸水稻，生殖生长阶段进行稻谷和稻秸分离。105℃杀青30 min，65℃烘干至恒重、粉碎，用于氮、磷、钾养分的测定。各小区水稻于成熟期单打单晒，分别称重计产。

按照五点取样法采集土壤样品，鲜土用于测定土壤无机氮，自然风干土磨细过2和0.25 mm筛用于测定其他土壤理化性状。

土壤有机碳 (soil organic carbon，SOC)采用重铬酸钾外加热法测定；土壤全氮(total nitrogen，TN)用凯氏定氮法测定；土壤无机氮(mineral nitrogen，Nmin)采用 2 mol/L KCl浸提—连续流动分析仪 (德国，SEAL AutoAnalyzer3)测定；土壤有效磷(avaliable phosphorus，AP)采用0.5 mol/L碳酸氢钠提取—钼锑抗比色法测定；土壤速效钾(available potassium，AK)采用1 mol/L乙酸铵浸提—火焰光度计法测定；土壤pH采用土水比1∶2.5电位法测定。植株样品采用浓硫酸-过氧化氢法消煮，用凯氏定氮法测定全氮，钒钼黄比色法测定全磷，火焰光度计法测定全钾[19]。

1.4 数据处理

利用地上部氮肥农学效率和偏生产力[20]评价氮肥利用效率，通过养分转运量、养分转运率、养分转运贡献率[3]来评价水稻养分转运状况，具体公式如下：

氮肥农学效率 (kg/kg) =(施氮区稻谷产量–不施氮区稻谷产量)/氮肥施用量

氮肥偏生产力 (kg/kg)=施氮区产量/氮肥施用量

养分转运量 (kg/hm2)=抽穗期营养体养分累积量–成熟期营养体养分累积量

养分转运率 (%)=养分转运量/抽穗期营养体养分累积量×100

养分转运贡献率 (%)=养分转运量/成熟期籽粒养分累积量×100

试验数据采用 Microsoft Excel 2019 进行数据整理，采用SPSS 20.0单因素方差分析中的LSD法进行显著性检验(P<0.05)。利用R 4.0.5随机森林及线性回归分析不同生育期土壤养分和水稻地上部养分吸收量与水稻产量的关系。

2 结果与分析

2.1 种植利用紫云英条件下配施氮肥对水稻产量及氮肥利用效率的影响

连续12年(2008—2020)定位试验产量结果表明，4个长期种植利用紫云英配合氮肥处理的水稻产量与N100相比均无显著差异，但是氮肥效率变化显著，GN100处理的氮肥农学效率和氮肥偏生产力与N100无显著差异，GN40、GN60和GN80处理氮肥农学效率分别比N100增加了213.41%、113.70%和79.16%，氮肥偏生产力分别增加了162.17%、75.69%和34.39%，GN40的氮肥偏生产力显著高于GN60(表1)。表明种植利用紫云英条件下，施用常规氮肥量的40%～60%均不降低水稻产量，而氮肥农学效率和氮肥偏生产力得到显著提升。

表1 2008—2020年不同处理平均稻谷产量及2020年氮肥利用效率Table 1 Average grain yield from 2008–2020 and the N use efficiency in 2020 under different treatments

2.2 种植利用紫云英条件下配施氮肥对不同生育期水稻生物量的影响

图1显示，与N100处理相比，GN100处理水稻拔节期地上部生物量增加17.03%，抽穗和成熟期秸秆生物量分别增加17.22%和28.22%，稻谷产量无显著差异；在水稻分蘖期，3个氮肥减施处理地上部生物量无显著差异；在拔节期，GN80处理地上部生物量增加33.32%；在水稻抽穗期，GN60和GN80处理水稻秸秆生物量分别增加51.24%和41.06%；在水稻成熟期，GN80处理秸秆生物量增加20.92%，其他施肥处理无显著差异。表明GN100和GN80主要增加了拔节期和抽穗期的秸秆生物量，而没有增加水稻籽粒产量，GN60和GN40基本可以生产出与N100等量的秸秆和籽粒生物量。

图1 不同生育期各处理水稻生物量变化Fig.1 Change of aboveground biomass in rice at different growth stages

2.3 种植利用紫云英条件下配施氮肥对不同生育期水稻氮磷钾吸收量的影响

图2显示，与N100处理相比，GN100处理水稻拔节期地上部氮吸收量增加75.68%，抽穗期和成熟期秸秆氮吸收量分别增加81.70%和40.31%，成熟期稻谷氮吸收量增加20.13%。与N100处理相比，在水稻分蘖期，种植利用紫云英条件下减施氮肥地上部氮吸收量无显著差异；在水稻拔节期，GN80处理地上部氮吸收量增加38.60%；在水稻抽穗期，GN60和GN80处理秸秆氮吸收量分别增加18.91%和15.94%，GN40处理秸秆氮吸收降低23.04%，GN60处理稻谷氮吸收量增加24.07%，GN40和GN80处理稻谷氮吸收量无显著差异；在水稻成熟期，GN80处理秸秆氮吸收量增加28.02%，GN60和GN80处理稻谷氮吸收量分别增加31.34%和31.79%，GN40处理稻谷氮吸收量无显著差异。由上可知，与常规施肥相比，种植利用紫云英条件下配合常规施肥或者氮肥减施20%～40%提高水稻成熟期秸秆和稻谷氮吸收量，氮肥减施60%显著提高秸秆氮吸收量同时保证稻谷氮吸收量不降低。

图2 不同生育期各处理水稻氮吸收量变化Fig.2 Dynamics of N absorption in rice at different growth stages

图3显示，与N100处理相比，GN100处理秸秆磷吸收量在抽穗期和成熟期分别显著增加81.72%和63.28%。与N100处理相比，种植利用紫云英条件下配合减施氮肥各处理对分蘖期和拔节期地上部磷吸收量无显著影响；在水稻抽穗期，GN40、GN60和GN80处理秸秆磷吸收量分别显著增加28.65%、108.00%和75.85%，氮肥减施处理对稻谷磷吸收量无显著影响；在水稻成熟期，GN40处理秸秆磷吸收量降低39.08%，稻谷磷吸收量无显著差异，GN60和GN80处理稻谷磷吸收量分别显著增加14.23%和14.61%。由此可知，种植利用紫云英条件下，配施常规化肥提高成熟期水稻秸秆磷吸收量，氮肥减施20%～40%促进稻谷对磷吸收，氮肥减施60%秸秆磷吸收量显著降低而稻谷磷吸收量增加但差异不显著。

图3 不同生育期各处理水稻磷吸收量变化Fig.3 Dynamics of P absorption in rice at different growth stages

图4显示，与N100处理相比，GN100处理分蘖期水稻地上部钾吸收量显著降低25.73%，成熟期秸秆钾吸收量显著增加29.89%。与N100处理相比，在水稻分蘖期，GN40处理地上部植株钾吸收量显著降低27.52%，GN60和GN80处理钾吸收量无显著差异；在水稻拔节期，GN40处理地上部钾吸收量显著降低38.55%；在水稻抽穗期，GN40处理秸秆钾吸收量显著降低36.41%，氮肥减施处理对稻谷钾吸收量无显著影响。在水稻成熟期，氮肥减施处理对秸秆钾吸收量无显著影响，GN80处理稻谷钾吸收量显著增加10.64%。由图4可知，种植利用紫云英条件下，配合常规施肥提高成熟期秸秆钾的吸收量，对稻谷钾的吸收无显著影响，氮肥减施20%促进稻谷对钾的吸收，氮肥减施40%～60%对秸秆和稻谷钾的吸收无显著影响。

图4 不同生育期各处理水稻钾吸收量变化Fig.4 Dynamics of K absorption in rice at different growth stages

2.4 种植利用紫云英条件下配施氮肥对氮、磷、钾养分转运的影响

表2表明，与N100处理相比，GN100处理水稻氮转运量、转运率和对稻谷转运贡献率分别降低8.90 kg/hm2、17.01个百分点和23.68个百分点，钾转运量、转运贡献率分别降低33.36 kg/hm2和148.51个百分点，磷转运无显著差异；GN40处理氮转运量降低11.09 kg/hm2，GN60处理氮转运量增加12.54 kg/hm2，GN80处理氮转运率降低10.60个百分点，各减氮处理氮转运贡献率无显著差异；GN40、GN60和GN80处理磷转运量分别增加11.32、23.02和18.09 kg/hm2，磷转运率分别增加35.92、41.22和39.91个百分点，磷转运贡献率分别增加39.36、74.60和57.93个百分点；GN40、GN60和GN80处理钾转运量、转运率和转运贡献率无显著差异。由此可见，与常规施肥相比，种植利用紫云英条件下，氮肥减施40%能够更好的满足稻谷氮、磷养分向稻谷的转移。

表2 不同处理水稻氮、磷、钾养分转运及其对籽粒的贡献率Table 2 N, P, andK nutrient transport andcontributionto graininrice under different treatments

2.5 种植利用紫云英条件下氮肥减施后不同生育期的土壤理化性质

表3表明，与N100处理相比，GN100处理水稻各生育期土壤有机碳和全氮含量均显著增加，拔节期土壤无机氮含量显著增加64.16%，分蘖期、抽穗期和成熟期土壤速效钾含量分别显著降低14.48%、11.00%和7.52%。与N100处理相比，GN80处理各生育期的土壤有机碳和全氮含量均显著增加，GN40和GN60处理各生育期的土壤有机碳和全氮含量均有所提升；GN80处理水稻分蘖期、拔节期和成熟期的土壤无机氮分别显著增加217.00%、50.56%和74.39%，GN40和GN60处理水稻分蘖期的土壤无机氮含量分别显著增加253.63%和269.84%，其他时期无显著差异；GN60和GN80处理土壤有效磷含量在分蘖期分别显著降低18.05%和18.48%，拔节期分别显著降低15.06%和18.20%，抽穗期分别显著降低20.23%和23.35%；GN40、GN60和GN80处理土壤速效钾含量在分蘖期分别显著降低16.14%、21.04%和29.05%、抽穗期分别显著降低10.00%、15.33%和11.00%和成熟期分别显著降低8.50%、7.84%和10.68%。由上可知，与常规施肥相比，紫云英还田配合化肥各处理能够增加土壤有机碳和全氮含量，各氮肥减施处理能保证水稻各生育期土壤无机氮含量充足供应，但土壤有效磷和速效钾含量降低。

2.6 土壤养分、水稻养分吸收量对水稻产量的综合影响

利用各生育期土壤养分和水稻地上部养分吸收量分别对产量做随机森林(random forest)分析(图5)，结果表明土壤抽穗期有效磷含量对产量的贡献率最高为9.05%，分蘖期、拔节期和成熟期有效磷含量以及拔节期和成熟期速效钾含量对水稻产量的贡献率显著或极显著，贡献率分别为7.52%、8.68%和7.79%及5.01%和7.68%。水稻分蘖期地上部磷吸收量对产量的贡献率最高为13.27%，分蘖期和成熟期地上部氮吸收量以及分蘖期地上部钾吸收量和抽穗期地上部磷吸收量对产量的贡献率显著或极显著，贡献率分别是11.16%和6.76%及6.81%和5.90%。由此可知，土壤中磷含量和水稻地上部氮、磷、钾吸收量对稻谷产量的形成有重要作用。

图5 土壤养分和水稻地上部养分吸收量对产量的贡献率Fig.5 Contribution rate of soil nutrients and aboveground nutrient uptake to rice yield

利用各生育期土壤速效养分和水稻地上部氮、磷、钾养分吸收量分别表征不同生育期土壤养分和水稻养分吸收量功能多样性指数，将各类生态系统功能作为整体考虑[21]，有利于更全面的理解土壤速效养分和水稻养分吸收量与水稻产量多向性的关系。与稻谷产量进行线性回归拟合，分析不同生育期土壤养分和水稻养分吸收量功能多样性指数对稻谷产量的影响(图6)，结果表明，水稻分蘖期和抽穗期土壤功能多样性指数与稻谷产量均呈显著正相关关系，且线性拟合的P值均小于0.05，在统计学上达到95%的置信度水平(图6a)。水稻生育期地上部养分吸收量与稻谷产量呈显著或极显著正相关关系，其中，水稻分蘖期—水稻成熟期线性拟合的P值小于0.001，在统计学上达到99.9%置信度水平(图6b)。综上可知，水稻分蘖期和抽穗期土壤速效养分和水稻各生育期地上部氮、磷、钾吸收量对水稻产量形成有显著影响。

图6 不同生育期土壤养分及地上氮磷钾吸收量功能多样性指数与产量的线性回归Fig.6 Linear regression between yield and functional diversity index of soil nutrients and aboveground N, P and K absorption at different growth stages

3 讨论

3.1 种植利用紫云英配合氮肥减施对水稻产量和氮肥利用效率的影响

利用冬闲田种植豆科绿肥紫云英能够培肥地力、改善土壤理化性质、提高后茬水稻产量[6]。本研究连续12年的试验结果表明，与常规施肥相比，种植利用紫云英配合氮肥减施20%～60%保证水稻稳产(表1)，这与刘春增等[22]关于种植利用紫云英配合氮肥减施20%～60%保证水稻稳产的研究结果一致，主要原因是紫云英与根瘤菌共生固氮，增加外源氮投入。按照大田翻压还田量22500 kg/hm2能够通过生物固氮补充约67.39 kg的外源氮[14, 23]。紫云英作为新鲜有机物料还田后增强土壤微生物的活性，促进水稻对土壤养分的吸收和利用，有利于后茬水稻有效穗数、穗粒数和实粒数等产量组成性状的形成[24]，保证水稻稳产。另外，氮肥减施20%～40%氮肥农学效率和氮肥偏生产力显著增加(表1)，这与刘春增等[22]、Qaswar等[25]的研究结果相似。主要原因是与单独施用化肥相比，种植利用紫云英条件下配施化肥能提高水稻对氮的吸收，同时增加氮在土壤中的残留量[16]，减少氮素损失。另外紫云英腐解过程中释放的氮素比化肥氮能更好的匹配水稻氮素需求，促进水稻对氮的吸收，进而提高水稻氮肥利用效率[18]。

3.2 种植利用紫云英配合氮肥减施对水稻氮磷钾吸收量和转移量的影响

本研究发现与常规施肥相比，种植利用紫云英条件下氮肥减施60%仍能够满足分蘖期水稻对氮的吸收，主要是生长前期水稻对养分的需求量较小。化肥氮施入易快速水解成NH4+-N，过量速效氮供应容易造成水稻营养生长过旺，生长后期产生脱肥现象[26]。翻压利用紫云英能够促进土壤微生物繁殖，在水稻生育前期固定较多的矿质氮，在水稻生育后期释放供给水稻吸收利用[18]。紫云英还田配合氮肥减施0～20%显著提高水稻成熟期稻谷氮吸收量，减施0～60%满足水稻氮的吸收(图2)，主要原因是紫云英还田条件下减施氮肥0～60%仍能保证土壤氮供给(表3)，同时促进水稻后期对氮的吸收利用。研究表明紫云英氮比化肥氮的肥效长[18]，能够保证后期特别是抽穗期水稻的氮素供应，有利于氮素在籽粒中积累。与常规施肥相比，种植利用紫云英条件下氮肥减施60%仍然能够满足水稻生长后期对磷、钾的吸收累积(图3、图4)，而氮肥减施20%～40%显著降低土壤有效磷和速效钾的含量(表3)，氮素的充足供应促进了水稻对磷、钾的吸收，降低土壤磷、钾养分含量[7, 12, 24]。为了更好的维持土壤磷钾平衡，在水稻生产过程中不建议减施磷钾肥。

与常规施肥相比，种植利用紫云英条件下，配合常规施肥水稻磷转运量没有显著差异，氮、钾转运量显著降低；氮肥减施40%却显著提高水稻抽穗期到成熟期氮、磷转运量(表2)。晏娟等[27]研究发现，氮肥施用量大于200 kg/hm2，氮在营养器官中显著增加而稻谷中无变化。本研究发现，紫云英配合常规施肥处理氮肥总施用量高达232 kg/hm2，且水稻成熟期秸秆氮、磷、钾吸收量高于其他施肥处理，籽粒氮、磷、钾吸收量差异不大(图2、图3、图4)，可能是因为氮素供应过量促进养分在秸秆中积累，导致水稻贪青晚熟，影响养分向稻谷的转移。本研究中水稻生长过程中抽穗期钾吸收量低于成熟期钾吸收量，导致水稻钾转运量出现负值，可能是因为水稻成熟时钾回流并储存于秸秆[28]，或者是因为水稻收获时没有完全成熟，有一部分养分仍储存在秸秆中没有向稻谷转移[13]。由此可见，种植利用紫云英条件下，减施氮肥有利于促进水稻对养分的吸收和转运，提高氮素在稻谷中的分配率[3]。

3.3 土壤养分和水稻养分吸收对产量的综合影响

各生育期土壤速效养分随机森林分析结果表明，整个生长过程中土壤有效磷和速效钾含量对水稻产量的贡献率显著(图5)，可能是因为种植利用紫云英为水稻生长提供足量的氮，促进水稻对磷、钾的吸收[29]，使得水稻在生长过程中从土壤获取的磷、钾不断增加[30–31]，导致土壤磷、钾含量成为限制水稻生长的主要因素[32–33]。通过各生育期土壤速效养分功能多样性指数分析，发现水稻分蘖期和抽穗期土壤速效养分与产量的相关性最强，主要原因是分蘖期和抽穗期作为水稻养分吸收的关键时期，对产量的形成有较大贡献[11,13]。另外水稻养分吸收量和产量的随机森林研究结果表明，分蘖期磷积累量对水稻产量的贡献率最高(图5)，主要是因为分蘖期有效磷供应能够促进水稻根系的生长加快对养分的吸收[34]，进一步提高稻谷产量[35]。

4 结论

在我国豫南稻区，种植利用紫云英配合减施氮肥40%，能够培育土壤碳、氮库，满足土壤氮素供应，促进水稻对磷、钾养分的吸收和积累，增加籽粒氮、磷、钾养分转运量，提高氮肥农学效率和偏生产力，实现水稻增产稳产。