赣北地区稻-稻-紫云英轮作体系减施化肥对水稻产量、氮素吸收及土壤供氮能力的影响

常单娜，王 慧†，周国朋，高嵩涓，刘 佳，徐昌旭，曹卫东*

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 / 北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室 / 农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；2 南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210095；3 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，江西南昌 330200）

水稻 (OryzasativaL.) 是我国最主要的粮食作物之一，其种植面积占粮食种植总面积的25.75%，产量占粮食总产量的31.64%[1]，对我国粮食安全具有重要意义。近年来水稻生产消耗的化肥增长幅度超过55%，产量却停滞在6～7 t/hm2[2]，过量施用化肥造成资源浪费的同时带来巨大的环境压力[3-4]。紫云英(AstragalussinicusL.) 是我国南方普遍种植的豆科绿肥作物，利用冬闲田种植紫云英，能够充分利用光热资源，其生长阶段可通过生物固氮补充土壤氮库，翻压还田替代部分氮肥。多年多点联网试验结果表明，种植利用紫云英可减施化肥20%～40%，水稻不减产，且提高氮肥利用率[5-6]。紫云英替代25%氮肥，能显著降低单位粮食产量的全球增温潜势和温室气体强度[7]。据报道，紫云英体内的氮素78%来自生物固氮[8]，种植利用紫云英能够培育土壤氮库，改善土壤供氮能力，促进水稻对氮素的吸收。研究种植利用紫云英减施化肥对水稻氮素吸收及土壤供氮能力的影响，对稻田化肥减施和耕地质量提升等行动具有重要的支撑作用。与化学氮肥相比，紫云英腐解过程中释放的氮肥效更长。同时，翻压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[9]。水稻在生长发育过程中所吸收的氮素有52%～83%来源于土壤中的氮素[10-11]。土壤中90%以上氮素以有机态氮的形式存在，有机态氮矿化成无机态氮才能被作物吸收利用[12]。土壤供氮能力是指在作物生长期间土壤能为作物提供的可利用有效氮的量，这部分氮主要是土壤残留无机氮和可矿化有机氮。土壤的供氮能力是决定作物高产稳产的主要因素和确定合理施氮量的重要依据[13-14]。研究表明，单施氮肥或者氮肥配施有机肥均可提高土壤供氮能力，且有机肥配施氮肥效果优于单施氮肥[15-18]。也有研究发现，无论在旱地还是稻田单施氮肥对土壤供氮能力无显著影响，配施有机肥后，显著提高土壤供氮能力[19-21]。

目前，有关种植利用豆科绿肥对土壤供氮能力的影响鲜见报道。紫云英水稻轮作是合理利用冬闲稻田，维持和提高稻田生产力的高效手段。一方面，紫云英作为豆科绿肥通过与根瘤菌共生固氮，补充土壤氮库；另一方面，种植利用紫云英通过调控土壤中的自生固氮微生物对土壤的自生固氮能力也有一定的影响[22]。种植利用紫云英减施不同比例氮肥改变了氮的供应模式，该模式下水稻生长过程中氮素的吸收状况如何？土壤供氮能力能否满足水稻生育期氮素的正常需求？通过设置于江西高安市的紫云英-水稻轮作田间定位试验，研究种植利用紫云英条件下，早稻减施化肥对水稻氮素吸收和土壤供氮能力的影响，为我国赣北双季稻区紫云英-水稻轮作体系化肥减施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验始于2016 年，试验地点位于江西省高安市江西省农业科学院高安基地(28°15′22.03′′N，115°07′36.83′′E)。该区域属于亚热带季风气候，年平均降水量1530 mm，年平均气温17.5℃，无霜期273天。供试土壤为第四纪红色黏土母质发育的红黄泥。2016 年试验地初始土壤理化性状为：pH 5.82、有机质23.49 g/kg、全氮0.99 g/kg、全钾19.71 g/kg、全磷0.43 g/kg、无机氮71.88 mg/kg、有效磷12.51 mg/kg、速效钾49.78 mg/kg。

1.2 试验设计

采用田间定位试验，种植制度为紫云英—早稻—晚稻。试验设置了6 个处理：1) CK，无紫云英和化肥；2) GF40，紫云英+40%化肥；3) GF60，紫云英+60% 化肥；4) GF80，紫云英+80% 化肥；5)GF100，紫云英+100%化肥；6) F100，100%化肥。100%化肥为当地水稻种植推荐施用量，减肥处理早稻氮、磷、钾肥分别为常规处理氮、磷、钾用量的40% (GF40)、60% (GF60)、80% (GF80)，晚稻氮磷钾肥用量按常规施肥量，绿肥季不施肥(具体用量见表1)。磷、钾肥全部作基肥一次施用，氮肥按基肥∶分蘖肥∶孕穗肥=4∶3∶3 分次施用。供试紫云英品种为赣紫1 号，于每年9 月下旬至10 月上旬采用稻底套播的方式播种，播种量为30 kg/hm2。在盛花期测定各小区鲜草产量，全部收割混匀后按照22500 kg/hm2翻压量进行翻压。早稻品种为‘中嘉早17’，晚稻品种为‘五丰优T025’。各小区面积21 m2，小区之间用泥埂隔开，覆盖塑料薄膜防止串肥串水，区组间留水沟利于排水灌水, 试验设置 3 个重复，完全随机排列。

表1 各处理早稻和晚稻化肥施用量(kg/hm2)Table 1 Fertilizer application rate for early and late rice in each treatment

1.3 样品的采集与测定

分别于2021 年5 月22 日、6 月9 日、6 月28 日和7 月18 日采集早稻分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期土样和水稻样品，于2021 年10 月27 日采集晚稻成熟期土样和水稻样品。水稻样品采集方法为每个生育期分别随机采集3 蔸水稻，营养生长阶段不作处理，生殖生长阶段将稻谷和稻秸分离。105℃杀青30 min，65℃烘干至恒重，粉碎，用于全氮的测定。定位试验早稻和晚稻于每年成熟期各小区单打单晒，分别称重计产。

土壤样品采集方法为每个生育期按照五点取样法采集，鲜土用于土壤无机氮的测定，自然风干土磨细过0.25 mm 筛用于测定土壤全氮。土壤无机氮(Nmin，mineral nitrogen) 采用2 mol/L KCl 浸提—连续流动分析仪 (德国，SEAL AutoAnalyzer3) 测定。植株样品采用浓硫酸-过氧化氢法消煮，凯氏定氮法测定全氮含量[23]。

土壤供氮能力采用淹水培养，分别称取两份20.0 g 鲜土，1 份加入100 mL 1 mol/L 的氯化钾浸提，振荡1 h 后过滤，用于土壤起始供氮能力的测定；1 份放入150 mL 塑料瓶中，加入20 mL 蒸馏水(土水比1∶1))，密闭摇匀，置于(40±1)℃恒温培养箱中培养1 周，培养结束后，加入80 mL、1.25 mol/L氯化钾溶液以稀释成1 mol/L 氯化钾浸提液，振荡1 h 后过滤，用于土壤总供氮能力的测定，培养结束后土壤的测定值与起始未培养土壤的测定值之差即为土壤潜在供氮能力[24]。

1.4 数据处理及计算方法

试验数据采用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Origin 2021作图。氮肥利用效率、增产率及土壤供氮能力计算公式如下：

氮肥利用率(N use efficiency，%) = (施肥区作物总吸氮量-不施肥区作物总吸氮量)/氮肥施用量×100

氮肥农学效率(N agronomy efficiency，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(N partial factor productivity，kg/kg) =施氮区产量/氮肥施用量

增产率(yield increase rate，%) = (减施化肥处理水稻产量-常规施肥处理水稻产量)/常规施肥处理水稻产量×100

土壤潜在供氮能力(potential soil N supply capacity，mg/kg) = 培养后土壤无机氮(总供氮能能力)-培养前土壤无机氮(初始供氮能力)

其中，水稻不同生育期氮素吸收与土壤供氮能力的相关性分析，对两组数据进行标准化处理，标准化公式为Z=(X-)/SD，式中，Z代表标准化后的值；X是样本值；代表平均值，是样本数据的平均值；SD代表标准差，是样本数据的标准差。

2 结果与分析

2.1 种植利用紫云英条件下早稻减施化肥对早稻晚稻产量及生物量的影响

连续6 年定位试验产量结果(图1)表明，与常规施肥处理(F100 处理)相比，种植利用紫云英早稻季减施化肥20%，晚稻季正常施肥，显著增加了早稻产量，平均增产707.80 kg/hm2，平均增产率为10.12%；种植利用紫云英早稻季减施化肥40%和60%，晚稻季正常施肥能够保证早稻和晚稻不减产。

图1 不同处理早稻、晚稻历年产量(2016—2021 年)Fig.1 Early and late rice grain yield of different treatments from 2016 to 2021

与F100 处理相比，种植利用紫云英第1 年，早稻季减施化肥20%，晚稻季正常施肥，增加早稻产量，增产率为16.50%；早稻季减施化肥40% 和60%，晚稻季正常施肥，降低早稻产量，分别减产18.83% 和3.80%。种植利用紫云英第2 年到第6年，早稻季减施化肥20%、40% 和60%，晚稻季正常施肥，均能增加早稻产量，平均增产率分别为9.00%、4.70%和1.00%。与F100 处理相比，种植利用紫云英早稻减施化肥20%、40%和60%，晚稻正常施肥，晚稻的6 年平均增产率分别为1.83%、2.68%和-0.13% (图2)。由此可见，种植利用紫云英条件下，早稻季减施化肥20%，晚稻季正常施肥，能显著增加早稻产量。早稻季减施化肥40%和60%，晚稻季正常施肥，能满足早稻和晚稻的正常生产。种植利用紫云英对早稻增产效果明显高于晚稻，且其增产效果随种植年限的增加而增加。

图2 早稻和晚稻减肥处理相对于常规化肥增产率 (2016—2021 年)Fig.2 The yield increase rate of fertilizer reduction treatments relative to conventional fertilizer rate in early and late rice from 2016 to 2021

从水稻移栽天数与地上部生物量变化(图3)可以看出，与F100 处理相比，GF100 处理早稻分蘖期地上部生物量增加39.45%，其他时期无显著差异；晚稻成熟期稻谷生物量增加9.48%；GF40、GF60、GF80 处理早稻分蘖期地上部生物量分别增加43.61%、52.08%和47.50%，拔节期无显著差异，抽穗期和成熟期稻秸生物量分别显著降低19.60% 和14.07%、22.90%和11.11%、19.15%和8.6%，抽穗期GF40处理稻谷生物量显著降低19.09%，成熟期稻谷生物量均无显著差异；晚稻成熟期，GF60 处理稻秸生物量增加6.96%，GF40、GF60、GF80 处理稻谷生物量分别增加7.76%、8.62%和9.48%。以上结果表明种植翻压紫云英条件下，早稻季减施化肥60%，晚稻季正常施肥，基本能够满足双季稻的正常生长和产量稳定。

图3 不同生育期各处理水稻地上部生物量Fig.3 Aboveground biomass of rice at different growth stages

2.2 种植利用紫云英条件下早稻减施化肥对水稻氮素利用效率及氮素吸收的影响

表2 显示，与F100 处理相比，GF100 处理晚稻氮肥农学效率显著增加25.15%。与F100 处理相比，GF40、GF60 和GF80 处理早稻氮肥利用率分别显著增加39.21%、27.08%和21.37%；晚稻分别显著增加39.91%、57.16%、45.14%。GF40 处理早稻氮肥农学效率显著增加99.77%，GF40、GF60、GF80 处理晚稻氮肥农学效率分别显著增加20.61%、22.88%和17.17%。GF40、GF60 和GF80 处理早稻氮肥偏生产力分别显著增加140.28%、55.33%、23.09%，晚稻无显著差异。可知，种植利用紫云英早稻季减施化肥20%、40%和60%，晚稻季正常施肥，显著提高早稻晚稻氮肥利用率、晚稻氮肥农学效率和早稻氮肥偏生产力。

表2 不同处理早稻晚稻氮肥利用效率Table 2 The nitrogen use efficiency of early and late rice in each treatment

图4 显示，与F100 处理相比，早稻季，GF100处理分蘖期地上部氮吸收量增加35.79%，早稻其他生育期及晚稻成熟期无显著差异。与F100 处理相比，早稻季，分蘖期GF40、GF60、GF80 处理地上部氮吸收量分别显著增加74.23%、69.50% 和43.04%；拔节期无显著差异；抽穗期GF40 和GF60处理稻秸氮吸收量分别显著降低22.81%和22.12%；GF40 处理稻谷氮吸收量显著降低26.79%；成熟期GF40、GF60 和GF80 处理秸秆氮素吸收量分别显著降低32.61%、31.97%和22.40%，GF40 和GF60 处理稻谷氮吸收量分别显著降低21.16% 和11.43%，GF80 处理稻谷氮吸收量无显著差异；晚稻成熟期GF40、GF60 和GF80 处理稻秸氮吸收量分别显著增加27.51%、35.34%和23.87%，稻谷氮吸收量分别显著增加18.21%、29.23%和26.19%。可知，种植利用紫云英条件下早稻季减施化肥20%，晚稻季正常施肥，能满足早稻成熟期稻谷氮吸收，早稻季减施化肥40%和60%，晚稻季正常施肥，早稻成熟期稻谷氮素吸收量显著降低，早稻季减施化肥20%、40%和60%，晚稻季正常施肥，晚稻季稻谷氮素吸收量显著增加。

图4 不同生育期各处理水稻地上部氮吸收量Fig.4 Shoot N absorption of rice at different growth stages

2.3 种植翻压紫云英条件下早稻减施化肥对土壤供氮能力的影响

图5 显示，与F100 相比，初始供氮能力除抽穗期GF80 外，其余施肥处理早稻各生育期均无显著差异，晚稻成熟期GF60 和GF80 土壤初始供氮能力显著高于F100。与F100 处理相比，GF100 处理早稻分蘖期、抽穗期和晚稻成熟期土壤潜在供氮能力分别显著增加21.92%、27.98% 和89.58%。GF40、GF60 和GF80 处理显著增加了早稻季分蘖期、拔节期、抽穗期及晚稻成熟期土壤潜在供氮能力，增幅为21.38～316.31%，GF60 处理早稻成熟期土壤潜在供氮能力显著增加32.16%。与F100 处理相比，GF100 处理显著增加了早稻分蘖期、早稻抽穗期、晚稻成熟期土壤总供氮能力，分别增加18.50%、24.70%和99.43%。早稻季减施化肥20%、40%和60%，晚稻季正常施肥，显著增加了早稻季分蘖期、拔节期、抽穗期及晚稻成熟期土壤总供氮能力，增幅为18.50%～250.61%。早稻各生育期(分蘖期除外)和晚稻成熟期土壤总供氮能力和潜在供氮能力均以GF60 和GF80 最大，GF60 在早稻成熟期土壤总供氮及潜在能力显著高于GF80，而GF80 在晚稻成熟期的土壤潜在供氮能力显著高于GF60。综上，种植利用紫云英早稻减施化肥40%显著增加早稻和晚稻成熟期土壤总供氮能力。

图5 水稻不同生育期土壤供氮能力Fig.5 Soil nitrogen supply capacity at early and late rice different stages

2.4 种植翻压紫云英条件下早稻减施化肥对土壤速效磷钾含量的影响

图6 显示，与F100 处理相比，早稻分蘖期、拔节期和抽穗期，减肥各处理能维持土壤有效磷含量不降低，早稻成熟期减肥各处理土壤有效磷含量显著降低，GF40、GF60 和GF80 处理分别降低33.15%、28.22% 和18.75%。早稻分蘖期GF40、GF60 和GF80 处理土壤速效钾分别降低41.72%、25.52% 和21.21%，成熟期GF40 处理土壤速效钾显著降低26.83%。由此可见，种植利用紫云英早稻季减施化肥处理在早稻分蘖期、拔节期和抽穗期能够维持土壤有效磷的供应，在早稻拔节期和抽穗期能够维持土壤速效钾的供应，但早稻成熟期减施化肥40%和60%土壤有效磷含量显著降低，减施化肥60%处理速效钾含量显著降低。因此，要维持土壤有效磷和速效钾的供应磷钾肥减量不宜超过20%。

图6 早稻不同生育期和晚稻成熟期土壤有效磷和速效钾含量Fig.6 Soil available phosphorus and potassium content at different stages of early rice and maturing stage of late rice

2.5 土壤供氮能力与水稻氮素吸收的相关性分析

将早稻各生育期土壤供氮能力和氮吸收量标准化处理后，进行线性回归拟合，分析早稻季不同生育期土壤供氮能力对水稻氮吸收量的影响(图7)。结果表明，土壤总供氮能力、潜在供氮能力、初始供氮能力与水稻地上部氮吸收量均呈极显著正相关，一元线性拟合的P值均小于0.01，在统计上达95%的置信度水平。由此可知，种植翻压紫云英可通过增加土壤供氮能力，促进水稻地上部氮素吸收。

图7 土壤供氮能力与早稻地上部氮素吸收的相关性Fig.7 Correlation between soil nitrogen supply capacity and shoot nitrogen uptake of early rice

3 讨论

3.1 种植利用紫云英条件下早稻减施化肥保证水稻稳产、提高氮肥利用效率

在我国南方稻区，利用冬闲田种植紫云英能 够培肥土壤、促进水稻养分吸收、提高水稻产量[5]。本研究连续6 年定位试验结果表明，种植利用紫 云英条件下早稻季减施化肥20%，晚稻季正常施肥，能显著增加早稻产量。早稻季减施化肥40% 和60%，晚稻季正常施肥，能够保证早稻、晚稻 不减产。王慧等[25]在湘北的研究结果表明，早稻季减施化肥60%、晚稻季减施化肥40%，仍能保证早稻、晚稻不减产。程会丹等[26]发现，早稻减施化肥40%，紫云英翻压量为15.0～30.0 t/hm2，能保证早 稻晚稻及全年稻谷稳产，且随紫云英翻压量的增加水稻产量增加。主要原因是紫云英与根瘤菌共生固氮，翻压量为22.5 t/hm2时可通过生物固氮带入约67.39 kg 外源氮素[8]。虽然紫云英不能带来外源磷钾，但紫云英可通过根系分泌草酸等有机酸活化土壤中难溶性磷，翻压还田后增加土壤有效磷含量[27-28]。同时，紫云英的根系密集、分布较深，可以将土壤深层的矿物钾活化为有效钾[29]。种植利用紫云英可 促进水稻对土壤中磷钾养分的吸收，提高磷肥和 钾的利用效率[30]，在替代氮肥的同时，替代部分磷 钾肥。

与单施化肥相比，紫云英配合化肥能够提高氮肥的利用率[5,25,31]。本研究中，种植利用紫云英早稻季减施化肥20%、40%和60%，晚稻季正常施肥，显著提高早稻和晚稻氮肥利用率、晚稻氮肥农学效率和早稻氮肥偏生产力。研究表明紫云英氮素的释放供应符合早稻生育需要，氮的吸收大致呈S 曲线，分蘖至拔节期为吸氮高峰期[32]。紫云英与化肥配施有利于水稻吸收外源氮素，且水稻地上部吸收氮的差异主要来自于紫云英矿化的氮源[33]。分蘖前水稻对氮的需求量较小，化肥氮施入易快速水解成NH4+-N，过量速效氮供应易造成氮的损失，化肥氮的损失高达50%[31]。紫云英翻压还田后促进土壤微生物的生长繁殖固定较多的矿质氮减少氮素的损失，氮的后效更长，能够满足水稻后期对氮的需求[9]，进而提高水稻氮肥利用效率。

3.2 种植利用紫云英早稻减施化肥提高土壤供氮能力，促进水稻地上部氮的吸收

作物既能吸收土壤有效氮库中的矿质氮，又能吸收土壤有机氮库矿化出的矿化氮[14]。起始矿质氮作为土壤的初始供氮能力，土壤有机氮库矿化出的矿化氮是土壤潜在供氮能力，两者的加和是土壤总供氮能力[12]。研究表明土壤供氮能力越高, 作物对氮肥的依赖性越弱，氮肥施用量减少，氮肥利用率越高，水稻氮素吸收越高[10,11,34-35]。与常规施肥相比，早稻季减施化肥20%、40%和60%，晚稻季正常施肥，显著增加水稻生育期的土壤潜在供氮能力和总供氮能力。紫云英翻压还田后分解，产生多数为大分子疏水性的可溶性有机氮，大分子的芳香族化合物易被黏质的稻田土壤吸附固持，减少氮的损失[36]。紫云英中当季氮残留率为37.6%～62.4%，损失率为7.8%～38.6% (氮的损失率远小于化肥氮)[32,37]。因此，长期翻压紫云英有助于提升水稻土氮的保存能力。各种生物培养法测定的土壤供氮能力与盆栽试验的作物吸氮量均表现显著正相关[24,38-39]。陈德立等[13]的研究结果也表明盆栽条件下土壤的供氮量与作物氮素吸收呈显著正相关，但田间条件下两者并无相关性。本研究中厌氧生物培养法测得的早稻生育期土壤供氮能力与水稻地上部氮吸收呈显著正相关。本研究中，种植利用紫云英条件下，早稻季减施化肥20%、40%和60%抽穗期和成熟期秸秆氮均显著低于常规化肥处理，主要原因是常规施肥施氮量高，追肥造成氮素的奢侈吸收，氮素吸收量高，水稻贪青晚熟，早稻生育期短，早稻收获时吸收的氮素尚未转化到籽粒中，大部分积累在秸秆中，结实率低。实际生产中，种植利用紫云英条件下，早稻季氮肥用量必须减量，早稻减肥20%能够保证水稻增产，且地上部和稻谷氮吸收量不降低。早稻季减施化肥40%和60%，早稻生育期间，土壤总供氮能力显著高于常规化肥，但土壤磷钾养分供应不足，水稻氮素的积累需要土壤氮磷钾养分的协同供应。因此，为保证土壤养分的平衡供应，赣北地区水稻生产过程中早稻的氮肥可减施60%，磷钾肥减施不宜超过20%。

4 结论

在我国赣北双季稻区，种植翻压紫云英条件下，早稻减施化肥60%晚稻正常施肥，能够增加土壤总供氮能力和潜在供氮能力，提高氮肥利用率和生产效率，实现水稻稳产。早稻减施化肥20%可进一步提升早稻和晚稻产量，满足早稻稻谷氮素吸收，增加晚稻稻谷氮素吸收。