董春華，馬朝紅，胡柯鑫，何云龍，李萬民，褚 飛，楊曾平

（1. 湖南省土壤肥料研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，湖北 武漢 430064；3. 安鄉(xiāng)縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖南 安鄉(xiāng) 415600）

我國(guó)南方水稻生產(chǎn)的化肥氮施用量持續(xù)增加，導(dǎo)致了因氮肥利用效率低下、氮素?fù)p失嚴(yán)重所致的土壤板結(jié)、農(nóng)田酸化、湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化、大氣溫室效應(yīng)等嚴(yán)重問題[1-6]。因此，通過化肥氮施用技術(shù)優(yōu)化或通過有機(jī)氮替代，以減少化肥氮的施用和降低農(nóng)業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需要解決的重大課題。當(dāng)前化肥氮施用技術(shù)優(yōu)化主要通過前氮后移技術(shù)進(jìn)行[7-8]，有機(jī)氮替代主要是利用綠肥、秸稈、有機(jī)肥等替代部分化肥氮[9]。綠肥、秸稈協(xié)同還田以減少化肥氮施用是目前比較經(jīng)濟(jì)和普遍認(rèn)同的措施。南方稻田綠肥主要是指紫云英，其鮮樣的含氮量約0.6%，翻壓還田后能增加土壤肥力、改良土壤結(jié)構(gòu)，在提高水稻產(chǎn)量與品質(zhì)中發(fā)揮著重要作用[10]。周興等[11]研究表明，紫云英翻壓后水稻的增產(chǎn)效果顯著，能增加水稻產(chǎn)值、減少生產(chǎn)成本、提高養(yǎng)分利用效率。秸稈主要是指稻草，其不僅含有機(jī)氮，還含有豐富的鉀素；稻草秸稈還田在養(yǎng)分資源循環(huán)利用、減少環(huán)境污染、培肥土壤、增加水稻產(chǎn)量、提高鉀肥利用率等方面均具有重要作 用[12-13]。有研究表明，秸稈還田與配施化肥能增加雙季早、晚稻周年產(chǎn)量與生物量，且早稻優(yōu)于晚稻[14]。

紫云英、稻草協(xié)同還田技術(shù)和化肥氮鉀優(yōu)化施用技術(shù)均可減少化肥氮鉀施用量，集成兩者技術(shù)就可能最大限度地降低化肥氮鉀用量。同時(shí)，紫云英與稻草結(jié)合還能調(diào)節(jié)碳氮比，使土壤中的生物活性最大程度被激活。為探討雙季稻化肥氮鉀減施技術(shù)及效果，研究化肥氮鉀優(yōu)化施用及紫云英、秸稈協(xié)同還田集成技術(shù)對(duì)雙季稻產(chǎn)量、光合特性及土壤理化性質(zhì)變化特征的影響并對(duì)其效益進(jìn)行評(píng)估，對(duì)指導(dǎo)雙季稻化肥合理減施、地力培肥及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)在湖南省益陽市赫山區(qū)蘭溪鎮(zhèn)（N 28°34′33″， E 112°25′43″）進(jìn)行。該地屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，冬溫夏熱，四季分明，降水豐沛，季節(jié)分配均勻。熱量資源豐富，年平均氣溫13～20℃，平均年降水量800～1 600 mm。試驗(yàn)地土壤為肥力中等的紅黃泥地塊，質(zhì)地為黏壤，0～20 cm 土壤耕層基本理化性狀為：pH值5.43、有機(jī)質(zhì)22.1 g/kg、全氮2.18 g/kg、全磷0.86 g/kg、全鉀14.8 g/kg、堿解氮181.0 mg/kg、有效磷26.0 mg/kg、速效鉀99.8 mg/kg、緩效鉀190.6 mg/kg。

1.2 供試材料

供試水稻品種：早稻為湘早秈45 號(hào)，晚稻為湘晚秈12 號(hào)。

供試肥料：尿素（含N 46.0%），過磷酸鈣（含P2O512.0%），氯化鉀（含K2O 60.0%）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)5 個(gè)處理，即T1 處理（CK）：不施肥，無紫云英和秸稈還田；T2 處理：為常規(guī)施用化肥，無紫云英和秸稈還田；T3、T4、T5 處理：分別減施20%、30%、40%化肥氮，以紫云英和秸稈還田替代減施的化肥氮，水稻移栽前10 d 左右紫云英翻壓還田。小區(qū)面積40 m2，采用隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)3 次重復(fù)。

各處理氮磷鉀總養(yǎng)分基本保持一致。早稻施肥量：N、P2O5和K2O 分別為10、4 和6 kg/667m2；晚稻施肥量：N、P2O5和K2O 分 別 為12、3 和8 kg/667m2。T2 處理的化肥氮鉀作基肥和分蘗肥施用，比例為3 ∶2。T3、T4、T5 處理的氮肥和鉀肥作基肥、分蘗肥、穗肥3 次施用，早稻的氮肥施用比例為6 ∶2 ∶2、鉀肥施用比例為5 ∶3 ∶2，晚稻的氮肥和鉀肥施用比例均為5∶3∶2。秸稈還田為早稻秸稈粉碎全部還田，晚稻秸稈留高茬，收割部分粉碎全部還田。綠肥和磷肥均作基肥一次性施用。各處理的具體設(shè)置見表1。

表1 雙季稻不同處理施肥設(shè)計(jì)

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 測(cè)定項(xiàng)目試驗(yàn)前采用梅花形五點(diǎn)取樣法取0～20 cm 耕層土壤，測(cè)定土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀及緩效鉀含量；晚稻收獲期測(cè)定稻谷和稻草全氮、全磷、全鉀含量，測(cè)定土壤pH 值及有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、活性有機(jī)碳、堿解氮、有效磷、速效鉀和緩效鉀含量；早晚稻水稻幼穗分化期測(cè)定葉片葉綠素含量（SPAD值）與葉片光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）以及胞間CO2濃度（Ci）；收獲時(shí)每小區(qū)單打單收單曬，測(cè)定稻谷和稻草重量。

1.4.2 測(cè)定方法植株全氮、全磷和全鉀含量分別采用濃H2SO4-H2O2消煮、流動(dòng)注射分析儀和火焰光度計(jì)測(cè)定。土壤化學(xué)性質(zhì)采用常規(guī)分析法測(cè)定，即：pH值采用水∶土=2.5 ∶1（v/v）電位計(jì)法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，土壤中的全氮、全磷和全鉀含量分別采用半微量開氏法、氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法和氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定，土壤中的堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別用堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法和乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[15]。

水稻齊穗期選用劍葉測(cè)定葉綠素含量（SPAD值）、葉片光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2濃度（Ci）。葉綠素含量用SPAD 502 葉綠素含量測(cè)定儀測(cè)定，葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度用LI-6400（Portable Photosynthesis System）進(jìn)行測(cè)定。

稻草重量采用桿秤稱量，稻谷重量采用電子稱稱量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

作圖和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析分別用Microsoft Office Excel 2010 和IBM SPSS Statistics 13.0 軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

由表2 可知，施肥處理的稻谷和稻草產(chǎn)量顯著高于不施肥處理T1（CK），以T4 處理的稻谷和地上部生物總量最高。與T1 相比，T2、T3、T4、T5 處理的早稻稻谷產(chǎn)量分別提高50.9%、56.2%、60.4%和53.1%，地上部生物總量分別提高58.6%、57.2%、60.6%和52.0%；晚稻稻谷產(chǎn)量分別提高62.2%、64.1%、66.0%和63.5%，地上部生物總量分別提高54.4%、63.1%、64.2%和62.1%；雙季水稻的稻谷產(chǎn)量分別提高56.9%、60.5%、63.4%和58.7%，地上部生物總量分別提高56.4%、60.3%、62.5%和57.3%。與常規(guī)施肥處理T2 相比，T4 處理的兩季稻谷總產(chǎn)量增加4.1%，其中早稻和晚稻分別增產(chǎn)6.3%和2.4%。

表2 不同處理的早稻、晚稻與周年雙季水稻的稻谷、稻草產(chǎn)量與地上部生物總量 （kg/hm2）

2.2 不同處理對(duì)早、晚稻齊穗期葉片葉綠素含量的影響

由圖1 可知，施肥處理的葉片SPAD 值均高于不施肥的對(duì)照處理，以T4 處理的葉片SPAD 值最高。與不施肥對(duì)照處理（T1）相比，早稻T2、T3、T4、T5 處理的葉片SPAD 值分別較T1 提高3.5%、3.7%、4.4%和1.2%，其中T2、T3 和T4 都顯著高于T1；晚稻T2、T3、T4、T5 處理的葉片SPAD 值分別較T1提高6.5%、9.9%、10.1%、7.2%，其中T3 和T4 均顯著高于T1。

圖1 不同處理對(duì)早、晚稻齊穗期葉片葉綠素含量的影響

2.3 不同處理對(duì)早、晚稻齊穗期劍葉凈光合速率的影響

凈光合速率（Pn）反映的是水稻葉片單位時(shí)間內(nèi)積累或增加的有機(jī)物（或葡萄糖）量。由圖2 可知，早、晚稻施肥處理的劍葉Pn 均高于不施肥處理，其中早稻施肥處理的與不施肥處理差異顯著；都是T4 處理的劍葉Pn 最高，其次為T5 處理。與不施肥對(duì)照處理（T1）相比，早稻T2、T3、T4、T5 處理的劍葉Pn分別較T1 提高12.0%、14.6%、18.5%和16.1%，T2、T3、T4 和T5 都顯著高于T1；晚稻T2、T3、T4、T5處理的劍葉Pn 分別較T1 提高5.6%、6.4%、7.2%和6.7%，但均無顯著差異。

圖2 不同處理對(duì)早、晚稻齊穗期劍葉凈光合速率的影響

2.4 不同處理對(duì)早、晚稻齊穗期劍葉氣孔導(dǎo)度的影響

氣孔導(dǎo)度（Gs）反映的是植物葉片與外界進(jìn)行氣體交換的通道開度的量。由圖3 可知，早、晚稻施肥處理的劍葉Gs 均高于不施肥處理T1，以T4 處理的劍葉Gs 最高。其中早稻T2、T3、T4 和T5 處理的劍葉Gs 較對(duì)照處理T1 分別提高9.3%、9.3%、18.6%和14.0%，晚稻T2、T3、T4 和T5 處理的劍葉Gs 較對(duì)照處理T1 分別提高16.7%、35.7%、38.1%和23.8%，但早稻與晚稻各處理間均無顯著差異。

圖3 不同處理對(duì)早、晚稻齊穗期劍葉氣孔導(dǎo)度的影響

2.5 不同處理對(duì)早、晚稻齊穗期劍葉胞間CO2 濃度的影響

圖4 不同處理對(duì)早、晚稻齊穗期劍葉胞間CO2 濃度的影響

胞間CO2濃度（Ci）指的是葉片內(nèi)部葉肉細(xì)胞間隙的二氧化碳濃度。由圖4 可知，早、晚稻施肥處理的葉片Ci 均低于不施肥處理T1，以T4 處理的葉片Ci 最低。其中早稻T2、T3、T4 和T5 處理的葉片Ci 較對(duì)照處理T1 分別降低5.1%、6.0%、9.3%和7.6%，晚稻T2、T3、T4 和T5 處理的葉片Ci 較對(duì)照處理T1分別降低4.3%、5.8%、6.2%和5.1%，但早稻與晚稻各處理間也均無顯著差異。

2.6 不同施肥處理的氮磷鉀肥利用效率

施肥處理的早稻、晚稻和雙季水稻的氮磷鉀肥利用效率都高于常規(guī)施肥處理T2，均以T4 處理的最高，其次為T3 處理；氮肥和鉀肥的利用效率是早稻高于晚稻，磷肥的利用效率則是早稻低于晚稻。與常規(guī)施肥處理T2 相比，早稻T3、T4 和T5 的氮肥利用效率分別提高18.6%、19.1%和7.2%，磷肥利用效率分別提高8.2%、15.1%和8.2%，鉀肥利用效率分別提高19.8%、23.5%和11.9%；晚稻T3、T4 和T5 的氮肥利用效率分別提高13.6%、18.3%和10.4%，磷肥利用效率分別提高12.7%、16.0%和10.0%，鉀肥利用效率分別提高21.2%、29.9%和11.5%；雙季水稻T3、T4 和T5 的氮肥利用效率分別提高13.7%、15.9%和8.9%，磷肥利用效率分別提高10.1%、14.8%和9.4%，鉀肥利用效率分別提高20.2%、26.7%和11.3%（表3）。

2.7 不同處理的土壤理化性狀

晚稻收獲期施肥處理的土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳含量，全氮、全磷、全鉀和堿解氮、有效磷、速效鉀含量均高于不施肥對(duì)照處理T1（僅T1 的全鉀稍高于T2），且以紫云英和秸稈還田替代部分化肥氮的處理（T3、T4 和T5）高于常規(guī)施肥處理T2；在T3、T4和T5 處理中，T4 處理的有機(jī)碳含量和全磷、全鉀含量最低，活性有碳含量和堿解氮、有效磷、速效鉀含量最高（表4）。與常規(guī)施肥處理T2 相比，T3、T4 和T5 的有機(jī)碳含量分別提高2.5%、1.0%和1.1%，全氮含量分別提高1.5%、5.3%和1.9%，全磷含量分別提高5.1%、3.4%和5.1%，全鉀含量分別提高4.3%、0.7%和1.3%，活性有機(jī)碳含量分別提高2.6%、3.8%和3.2%，堿解氮含量分別提高1.6%、8.8%和4.8%，有效磷含量分別提高23.4%、32.0%和16.8%，速效鉀含量分別提高16.1%、24.1%和19.0%（表4）。

表3 不同施肥處理的氮磷鉀肥利用效率 （%）

表4 不同處理晚稻收獲期土壤的理化性狀

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

有機(jī)肥的施用是地力培肥的重要途徑之一，氮鉀的合理施用在有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)水稻的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)中非常關(guān)鍵[9,16]。研究中，T4 處理（紫云英和秸稈還田替代30%化肥氮）的早稻、晚稻和雙季水稻的稻谷產(chǎn)量和地上部生物總量均最高，其次為T3 處理（紫云英和秸稈還田替代20%化肥氮），這與郭曉彥等[17]和王慧等[18]的研究結(jié)果基本一致。早稻和晚稻稻谷產(chǎn)量都表現(xiàn)為T4 ＞ T3 ＞ T5，這可能與T5 處理（紫云英和秸稈還田替代40%化肥氮）的紫云英和秸稈協(xié)同還田中碳氮比相對(duì)低、腐解速率相對(duì)慢，導(dǎo)致微生物爭(zhēng)“氮”現(xiàn)象嚴(yán)重、養(yǎng)分供應(yīng)相對(duì)不足有關(guān)；T4 處理的產(chǎn)量相對(duì)較高，可能與紫云英在腐解過程中氮素等養(yǎng)分釋放特征與緩釋肥類似、與水稻對(duì)養(yǎng)分的需求同步性更高，適宜的碳氮比致使土壤生物活性最大和加速了土壤養(yǎng)分循環(huán)有關(guān)[19,20]。

水稻產(chǎn)量與光合作用密切相關(guān)，水稻灌漿期的養(yǎng)分70%來自劍葉的光合作用，因此劍葉光合效應(yīng)對(duì)水稻產(chǎn)量在一定程度上具決定性作用。紫云英和秸稈還田替代部分化肥氮的處理（T3、T4 和T5）的劍葉凈光合速率（Pn）較常規(guī)施肥處理T2 和不施肥處理T1 高，這可能與紫云英翻壓后提供的氮素在偏水稻生育后期有關(guān)，與蘇姍等[21]的研究結(jié)果基本一致。早稻的氣孔導(dǎo)度（Gs）與Pn 表現(xiàn)出相同趨勢(shì)，可能存在一定的正相關(guān)關(guān)系，這與楊福等[22]的研究結(jié)果類似。紫云英和秸稈還田替代部分化肥氮的處理（T3、T4 和T5）的劍葉胞間CO2濃度（Ci）較不施肥處理T1 和常規(guī)施肥處理T2 低，因?yàn)镃i 取決于葉片周圍空氣的CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、葉肉導(dǎo)度和葉肉細(xì)胞的光合活性[23]；水稻的凈光合速率越弱，細(xì)胞中CO2被用來進(jìn)行光合作用的量就降低，從而導(dǎo)致胞間CO2濃度較高[24]。

不同紫云英、稻草協(xié)同還田處理（T3、T4 和T5）雙季稻收獲期土壤有機(jī)質(zhì)和活性有機(jī)質(zhì)及全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分均高于常規(guī)施肥處理T2，這與王璐等[25]的研究結(jié)果一致。紫云英、秸稈協(xié)同還田處理中，T4處理（紫云英和秸稈還田替代30%化肥氮）的有機(jī)碳含量和全磷、全鉀含量最低，活性有機(jī)碳含量和堿解氮、有效磷、速效鉀含量最高，表明合適比例的紫云英和秸稈還田能提升土壤生物活性、促進(jìn)土壤礦化、提高肥料利用效率，這與連澤晨[26]的研究結(jié)果一致。

3.2 結(jié) 論

化肥氮鉀優(yōu)化施用及紫云英、秸稈協(xié)同還田集成技術(shù)能增強(qiáng)雙季稻的光合作用，提高產(chǎn)量，培肥土壤，且以T4 處理（紫云英和秸稈還田替代30%化肥氮）的水稻產(chǎn)量、肥料利用效率和凈光合速率最高，土壤生物活性最強(qiáng)；與常規(guī)施肥處理T2 相比，T4 處理的2 季稻谷總產(chǎn)量增加4.1%，其中早稻和晚稻分別增產(chǎn)6.3%和2.4%，齊穗期劍葉葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）及 SPAD 值明顯提高，土壤活性有機(jī)碳含量和堿解氮、有效磷、速效鉀含量明顯增加。