蒙炎成，唐紅琴，李忠義，蒲俊宇，2，鐘菊新，3，董文斌，韋彩會(huì)，莫永誠(chéng)，湯海玲，何鐵光

(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南寧 530007；2.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004)

【研究意義】合理施肥是保證水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵[1]。由于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)度依賴化肥，尤其是氮(N)肥過(guò)量施用產(chǎn)生的肥料增產(chǎn)效應(yīng)減弱、養(yǎng)分利用效率偏低和環(huán)境負(fù)荷增大等負(fù)面問(wèn)題[2-3]，已嚴(yán)重影響我國(guó)稻田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。水稻90%以上的生物量來(lái)自光合產(chǎn)物，而90%以上的光合產(chǎn)物依靠葉片的光合作用產(chǎn)生[4]。N素能增強(qiáng)水稻的光合作用[5]、加速有機(jī)物轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分積累，在水稻產(chǎn)量和優(yōu)質(zhì)稻米的形成中發(fā)揮至關(guān)重要作用[6]。紫云英作為我國(guó)南方稻區(qū)的主要豆科綠肥，生長(zhǎng)期間可與根瘤菌共生固N(yùn)，吸收暫存土壤中盈余的N素[2]，還田礦化后可迅速補(bǔ)充土壤N庫(kù)[7]，從而減少后茬作物化學(xué)N肥的投入[8]。已有研究表明，紫云英與N肥配施可提高水稻N肥利用率、農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力[9]，維持水稻產(chǎn)量[10]。因此，評(píng)價(jià)紫云英還田條件下N肥減施對(duì)水稻光合特性、產(chǎn)量及稻米品質(zhì)的影響，對(duì)探明紫云英在稻田輪作系統(tǒng)中的N肥替代潛力及生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】劉威等[11]研究表明，在湖北稻區(qū)進(jìn)行紫云英與化肥配施可增加水稻有效穗數(shù)、穗實(shí)粒數(shù)、穗粒重、千粒重和結(jié)實(shí)率，從而提高水稻產(chǎn)量。朱啟東等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在湖南稻區(qū)以紫云英配施化肥可增強(qiáng)早稻的光合能力，增加干物質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)早稻增產(chǎn)。才碩等[13]研究指出，在江西稻區(qū)以紫云英與稻草聯(lián)合還田能提高機(jī)插雙季稻葉片的葉綠素含量和光合作用，促進(jìn)植株氮(N)、磷(P)、鉀(K)養(yǎng)分吸收利用，提高水稻產(chǎn)量和改善稻米品質(zhì)。聶良鵬等[14]研究表明，在豫南稻區(qū)進(jìn)行紫云英還田并減施20%～40%化肥可顯著降低土壤有效P含量，水稻產(chǎn)量比常規(guī)施肥提高2.7%～7.1%。卜容燕等[15]研究認(rèn)為，在皖南稻區(qū)以紫云英翻壓還田并減施40% N肥有利于水稻節(jié)肥增效獲得優(yōu)質(zhì)稻米。王飛等[16]研究結(jié)果顯示，在福建稻區(qū)進(jìn)行連續(xù)4年翻壓紫云英可明顯提高黃泥田的農(nóng)田生產(chǎn)力，在減少40%常規(guī)化肥用量的情況下仍可保持水稻穩(wěn)產(chǎn)。胡中澤等[17]研究表明，在江蘇稻區(qū)以盛花期至初莢期的紫云英還田并減少20%N肥投入，可保障水稻高產(chǎn)并降低氨的揮發(fā)排放強(qiáng)度。季衛(wèi)英等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在浙江稻區(qū)以紫云英替代32%化肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)、全N、養(yǎng)分偏生產(chǎn)力均顯著上升，且水稻產(chǎn)量最高。高嵩涓等[19]匯總分析2008—2019年南方8省11個(gè)稻田綠肥聯(lián)合定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冬種紫云英在不減化肥或減施化肥20%條件下增產(chǎn)效果顯著，水稻產(chǎn)量增幅分別為6.53%和4.15%，在減施40%化肥時(shí)仍可保障水稻不減產(chǎn)。【本研究切入點(diǎn)】前人對(duì)紫云英還田的研究較多關(guān)注其翻壓后對(duì)土壤理化性質(zhì)和水稻產(chǎn)量的影響，且主要集中在湖北、湖南、江西、河南、安徽、福建、江蘇和浙江等地的稻區(qū)，系統(tǒng)研究紫云英還田條件下N肥減施對(duì)水稻光合特性、產(chǎn)量性狀及稻米品質(zhì)影響方面的報(bào)道較少。廣西作為華南水稻優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，已廣泛利用冬閑田種植紫云英[20]，但目前關(guān)于廣西稻區(qū)種植利用紫云英替代部分N肥對(duì)水稻光合特性、產(chǎn)量及稻米品質(zhì)影響的研究鮮見報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】在廣西南寧市隆安縣開展多年田間定位試驗(yàn)，定量評(píng)價(jià)紫云英還田條件下化學(xué)N肥減施對(duì)水稻光合特性、產(chǎn)量及稻米品質(zhì)的影響，為桂南稻區(qū)合理利用綠肥生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于廣西南寧市隆安縣那桐鎮(zhèn)定典村(107°51′21″E，23°0′41″N)，該地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫21.6 ℃，年均降水量約1300 mm，平均海拔64 m，土壤類型為典型巖溶區(qū)棕黃色水稻土。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：pH 6.8、有機(jī)質(zhì)31.3 g/kg、全N 1.90 g/kg、堿解N 136.0 mg/kg、速效P 19.4 mg/kg、速效K 161.0 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年10月至2021年7月進(jìn)行，采用綠肥—早稻—晚稻輪作的種植模式。供試綠肥品種為紫云英(桂紫7號(hào))，播種量為30.0 kg/hm2，盛花期原位全量還田。供試水稻品種為桂育9號(hào)，早稻和晚稻常規(guī)施肥量分別為N 180.0 kg/hm2、P2O590.0 kg/hm2和K2O 120.0 kg/hm2，肥料種類分別為尿素(含N 46.4%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O518.0%)和氯化鉀(含K2O 60%)，P肥和K肥作為基肥一次性施入，N肥按m基肥∶m分蘗肥∶m攻穗肥=4∶3∶3分次施入稻田。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 共設(shè)6個(gè)處理，分別為冬閑+不施N肥(對(duì)照，CK)、冬閑+常規(guī)施N(100%N)、紫云英+常規(guī)施N(MV+100%N)、紫云英+80%常規(guī)施N(MV+80%N)、紫云英+60%常規(guī)施N(MV+60%N)和紫云英+40%常規(guī)施N(MV+40%N)。隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，單個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為20.7 m2。

1.3.2 樣品采集與測(cè)試 采用SPAD-502 Plus葉綠素測(cè)定儀測(cè)定SPAD值。在2021年早稻季水稻抽穗期的晴天9：00—11：30，每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)相近的10株水稻，測(cè)定其劍葉上、中、下3個(gè)部位的SPAD值，取平均值作為該小區(qū)的水稻劍葉SPAD值。每小區(qū)選取有代表性的3株水稻，采用LI-6400XT光合測(cè)定儀測(cè)定其劍葉中、上部的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)等。

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素分析 于2021年早稻成熟期考種測(cè)產(chǎn)，各小區(qū)隨機(jī)調(diào)查10蔸水稻的有效穗數(shù)，并取代表性5蔸，測(cè)量穗長(zhǎng)，考查穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重。測(cè)產(chǎn)時(shí)各小區(qū)單打單收，曬干風(fēng)凈后折算成每公頃產(chǎn)量。

1.3.4 稻米品質(zhì)測(cè)定 收集2021年早稻稻谷，采用TP-JLG-2018礱谷機(jī)(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)測(cè)定糙米率和整精米率；采用SC-E型大米外觀品質(zhì)檢測(cè)儀(杭州萬(wàn)深檢測(cè)科技有限公司)測(cè)定稻米堊白度、堊白粒率、粒長(zhǎng)和粒寬；按照NY/T 2639—2014《稻米直鏈淀粉含量的測(cè)定 分光光度法》的方法測(cè)定稻米直鏈淀粉含量，按照GB 5009.5—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》的方法測(cè)定蛋白含量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行整理，以DPS 9.05進(jìn)行方差分析，以SPSS 17.0進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫云英還田條件下N肥減施對(duì)水稻SPAD值及光合特性的影響

由表1可知，與CK相比，紫云英還田配施100%、80%、60%和40%N肥均能顯著提高水稻的SPAD值和Pn(P<0.05，下同)，增幅分別為3.53%～7.29%和10.98%～16.43%；MV+100%N處理水稻的SPAD值和Pn均最高，隨著N肥施用量的減少，其SPAD值和Pn均呈下降趨勢(shì)；與100%N處理相比，MV+100%N處理水稻的SPAD值和Pn分別顯著提高1.53%和2.21%，MV+40%N處理水稻的SPAD值和Pn分別顯著降低2.02%和2.57%；MV+80%N處理水稻的SPAD值和Pn均低于MV+100%N處理，但差異不顯著(P>0.05，下同)，而MV+60%N處理水稻的SPAD值和Pn均顯著低于MV+100%N處理。在Gs方面，與CK相比，紫云英配施100%、80%、60%和40%N肥處理均能顯著提高水稻的Gs，增幅為4.88%～14.63%；與100%N相比，MV+80%N、MV+60%N和MV+40%N處理水稻的Gs分別顯著降4.35%、6.52%和6.52%，而MV+100%N處理與100%N處理無(wú)顯著差異。在Ci方面，與CK相比，各施肥處理水稻的Ci均降低，但處理間無(wú)顯著差異。在Tr方面，與CK相比，各施肥處理的Tr均有所提高，但處理間無(wú)顯著差異。

表1 不同施肥處理對(duì)水稻SPAD值及光合特性的影響

2.2 紫云英還田條件下N肥減施對(duì)水稻產(chǎn)量性狀及產(chǎn)量的影響

由表2可知，與CK相比，紫云英還田配施100%、80%和60%N肥均可顯著提高水稻的有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)和穗粒數(shù)，其中，有效穗數(shù)提高幅度為14.07%～17.75%，穗長(zhǎng)提高幅度為6.33%～7.50%，穗粒數(shù)提高幅度為10.29%～12.48%；與100%N處理相比，MV+100%N處理、MV+80%N處理和MV+60%N處理水稻的有效穗數(shù)和穗長(zhǎng)均有所提高，但差異不顯著，MV+40%N處理的有效穗數(shù)和穗長(zhǎng)降低，但差異不顯著，MV+100%N和MV+80%N處理的穗粒數(shù)分別顯著提高1.99%和1.27%，MV+60%N處理的穗粒數(shù)提高0.12%，但差異不顯著，而MV+40%N處理的穗粒數(shù)顯著降低2.78%；紫云英配施100%、80%、60%和40%N肥處理與CK和100%N處理相比，對(duì)水稻結(jié)實(shí)率與千粒重?zé)o顯著影響。綜上所述，紫云英還田條件下施用80%和60%N肥對(duì)提高水稻產(chǎn)量性狀的效果較佳。

6個(gè)處理水稻的產(chǎn)量排序?yàn)镸V+100%N處理>MV+80%N處理>MV+60%N處理>100%N處理>MV+40%N處理>CK；與CK相比，紫云英還田配施100%、80%、60%和40%N肥均能顯著提高水稻產(chǎn)量，增幅為24.01%～41.85%；與100%N處理相比，隨著N肥施用量的減少，水稻產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)，但MV+100%N、MV+80%N和MV+60%N處理的水稻產(chǎn)量仍分別高于100%N處理12.06%、7.72%和6.64%，差異不顯著，而MV+40%N處理的水稻產(chǎn)量雖較100%N處理減產(chǎn)2.03%，但與MV+80%N、MV+60%N和100%N處理均無(wú)顯著差異。綜合水稻產(chǎn)量性狀的分析結(jié)果，紫云英還田配施N肥主要通過(guò)影響有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)和穗粒數(shù)來(lái)影響水稻產(chǎn)量，其中紫云英還田配施80%和60%N肥對(duì)水稻增產(chǎn)的效果較佳。

2.3 紫云英還田條件下N肥減施對(duì)稻米品質(zhì)的影響

由表3可知，在加工品質(zhì)方面，與CK相比，紫云英配施100%、80%和60%N肥均可顯著提高糙米率和整精米率，其中糙米率升幅為2.06%～3.47%，整精米率升幅為3.43%～5.70%；與100%N處理相比，MV+100%N、MV+80%N、MV+60%N和MV+40%N處理之間的糙米率和整精米率相近，相互間無(wú)顯著差異。在外觀品質(zhì)方面，各處理間的堊白度、堊白粒率、粒長(zhǎng)和長(zhǎng)寬比均無(wú)顯著差異，說(shuō)明紫云英還田條件下N肥減施對(duì)水稻外觀品質(zhì)無(wú)顯著影響。在蒸煮品質(zhì)方面，與CK相比，各施肥處理稻米的直鏈淀粉含量均有所降低(降幅為7.08%～18.06%)，其中MV+80%N、MV+60%N和MV+40%N處理顯著降低，而100%N和MV+100%N處理與CK差異不顯著；與100%N處理相比，隨著N肥施用量的減少，稻米的直鏈淀粉含量呈降低趨勢(shì)，其中MV+80%N、MV+60%N和MV+40%N處理顯著降低，說(shuō)明MV+80%N、MV+60%N和MV+40%N處理稻米的蒸煮品質(zhì)顯著高于CK及其他處理。在營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)方面，與CK相比，各施肥處理均可顯著提高稻米的蛋白含量，提高幅度為7.38%～18.17%；隨著N肥施用量的減少，稻米的蛋白含量呈下降趨勢(shì)，其中MV+100%N、MV+80%N和MV+60%N處理分別較100%N處理提高4.59%、2.78%和0.12%，而MV+40%N處理較100%N處理降低4.96%，但差異不顯著；而與MV+100%N和MV+80%N處理相比，MV+40%N處理稻米的蛋白含量顯著降低，分別降低9.13%和7.53%。

表2 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量性狀及產(chǎn)量的影響

綜上所述，紫云英還田配施60%～100%N肥均有利于改善稻米的加工品質(zhì)、蒸煮品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，但對(duì)外觀品質(zhì)無(wú)顯著影響，其中，紫云英還田條件下施用80%和60%N肥對(duì)改善稻米品質(zhì)的效果較佳。

2.4 水稻光合特性與產(chǎn)量和品質(zhì)的相關(guān)分析

對(duì)水稻光合特性指標(biāo)、產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀和稻米品質(zhì)(外觀品質(zhì)、蒸煮品質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì))進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果(表4)表明，SPAD值與有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、產(chǎn)量、整精米率和蛋白含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，下同)；Pn與有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、整精米率和蛋白含量呈極顯著正相關(guān)，與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；Gs與有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、產(chǎn)量、整精米率和蛋白含量呈極顯著正相關(guān)，與糙米率呈顯著正相關(guān)；Ci與有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、產(chǎn)量和糙米率呈極顯著負(fù)相關(guān)，與直鏈淀粉含量呈極顯著正相關(guān)，與整精米率和蛋白含量呈顯著負(fù)相關(guān)；Tr與糙米率呈顯著正相關(guān)?？梢?，光合特性影響著水稻的產(chǎn)量和稻米品質(zhì)，進(jìn)一步說(shuō)明紫云英還田可通過(guò)提高水稻的SPAD值、Pn和Gs進(jìn)而改善水稻產(chǎn)量性狀、提高水稻產(chǎn)量，以及改善加工品質(zhì)、蒸煮品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

3 討 論

光合物質(zhì)是水稻有機(jī)物質(zhì)的來(lái)源，同時(shí)也是水稻產(chǎn)量形成的重要基礎(chǔ)[21]，一般認(rèn)為水稻產(chǎn)量的80%以上來(lái)源于水稻抽穗后功能葉片的光合作用[22]，而功能葉片的光合作用與SPAD值、光合速率、Tr和Gs密切相關(guān)[23]。N素供應(yīng)水平與作物SPAD值呈顯著正相關(guān)[24]，因此，SPAD值通常被用來(lái)衡量葉片的N含量水平[25]。已有研究表明，增施N肥能提高水稻葉片SPAD值和Pn，從而提高光合作用效率，增加光合同化物積累，提升水稻產(chǎn)量[6，26-27]。盛花期紫云英體內(nèi)的N素約有78%來(lái)源于生物固N(yùn)，還田后每年可將約93.0 kg/hm2N帶入土壤[28]，從而提高水稻生育前期的土壤供N能力，為水稻后期生長(zhǎng)打下豐產(chǎn)基礎(chǔ)[29]。本研究中，與CK相比，紫云英還田配施100%、80%、60%和40%N肥均能顯著提高水稻的SPAD值、Pn和Gs，但隨著N肥施用量的減少，SPAD值、Pn和Gs均呈下降趨勢(shì)。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，水稻產(chǎn)量是養(yǎng)分利用效率最直觀的表征。紫云英作為重要的有機(jī)肥源，替代部分化肥不會(huì)造成水稻減產(chǎn)[30]。高嵩涓等[19]通過(guò)對(duì)8省11個(gè)稻田綠肥聯(lián)合定位試驗(yàn)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)冬種紫云英在不減化肥或化肥減量20%的情況下水稻增產(chǎn)效果顯著，在化肥減施40%時(shí)可保障水稻不減產(chǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK相比，紫云英配施100%、80%、60%和40%N肥均能顯著提高水稻產(chǎn)量；與100%N處理相比，紫云英還田條件下，隨著N肥施用量的減少，水稻產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)，其中，紫云英還田配施80%N肥和60%N肥可保持水稻增產(chǎn)，而紫云英還田配施40%N肥的水稻產(chǎn)量減產(chǎn)2.03%，與張璐等[31]研究認(rèn)為紫云英還田不能完全替代N肥的觀點(diǎn)相符。因此，本研究認(rèn)為，紫云英還田替代N肥的比例以20%～40%為宜；紫云英還田配施N肥主要通過(guò)影響有水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素中的有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)和穗粒數(shù)來(lái)影響水稻產(chǎn)量，與劉思超等[32]的研究結(jié)果一致。

稻米品質(zhì)主要由品種自身的遺傳物質(zhì)決定，同時(shí)也受生長(zhǎng)環(huán)境和栽培措施影響[33]。李冠男等[34]研究表明，有機(jī)肥配施化肥可提高水稻籽粒的蛋白含量，降低直鏈淀粉含量，從而提高稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。孟琳等[35]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代10%～20%N肥，可改善土壤N素供應(yīng)過(guò)程，為水稻生長(zhǎng)持續(xù)提供養(yǎng)分，從而提高水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)。梁琴等[36]研究指出，翻壓綠肥山黧豆與N肥減量配施可明顯提高稻米的加工品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。本研究結(jié)果與李冠男等[34]、孟琳等[35]、梁琴等[36]的研究結(jié)果相似，紫云英還田配施60%～100%N肥有利于改善稻米加工品質(zhì)、蒸煮品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，對(duì)外觀品質(zhì)無(wú)明顯影響；與100%N處理相比，紫云英還田配施80%N肥和60%N肥處理對(duì)稻米的加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)雖無(wú)顯著影響，但可顯著提高稻米的蒸煮品質(zhì)。

光合作用是形成作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)，同時(shí)也是形成稻米品質(zhì)的基礎(chǔ)[37-38]。水稻SPAD值越高，越有利于截取太陽(yáng)輻射增強(qiáng)光合作用和有效利用養(yǎng)分[39]，增加干物質(zhì)積累[40]，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量[41]。本研究相關(guān)分析結(jié)果表明，SPAD值、Pn和Gs等光合作用參數(shù)與有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、產(chǎn)量和蛋白含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，說(shuō)明高光合效率在提高水稻產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)方面具有極大促進(jìn)作用，與韓勇等[42]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

紫云英還田條件下配施100%、80%、60%和40%N肥均可顯著提高水稻劍葉的SPAD值、Pn和Gs等光合指標(biāo)和水稻產(chǎn)量，其中紫云英還田配施80%N肥或60%N肥對(duì)改善稻米加工品質(zhì)、蒸煮品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的效果均較佳，可在優(yōu)質(zhì)水稻生產(chǎn)中參考應(yīng)用。