聂鑫，鲁艳红，廖育林，程会丹，曹卫东，聂军,3*

(1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；2.湖南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；3.农业部湖南耕地保育科学观测实验站，湖南 长沙 410125；4.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

化肥是粮食的“粮食”，在保障粮食安全和农业生产发展中具有不可替代的作用[1]。然而，由于化肥的过量施用、盲目施用等问题，带来粮食生产成本增加、环境污染风险提高、土壤肥力下降等系列问题[2-4]。这些问题已引起国家和社会各界的关注。为此，国家农业部2015 年下发《到2020 年化肥使用量零增长行动方案》[5]。有机肥和无机肥配合施用是能减少化肥施用量、提高肥料利用率的重要措施[6]。绿肥是一种纯天然的有机肥，能提供作物养分，提高粮食产量，促进优质农产品生产，具有减少肥料投入、阻控面源污染、节能减耗、固定大量CO2等作用[7]。种植绿肥是合理用地、养地的重要措施，因此，现代绿色农业发展呼吁恢复发展绿肥生产。

中国南方稻田冬季闲置时间长，为发展绿肥提供了空间。紫云英是南方稻田最主要的绿肥作物，其自身氮素含量较高，可替代部分化肥的养分[8]。与化肥相比，紫云英腐解的挥发、分解时效较长，养分释放缓慢。王建红等[9]的研究表明，翻压45 000 kg/hm2紫云英并减量配施化肥可维持水稻高产，同时能显著提高氮肥的利用效率。马艳芹等[10]的研究也发现，与常规单施化肥相比，减施氮肥条件下翻压紫云英可提高氮肥回收效率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力。高菊生等[11]的研究发现，与冬闲对照相比，种植翻压紫云英显著提高了稻谷产量、增产潜力和产量可持续性指数。然而，这些研究大多基于短期试验取得的结果。长期定位试验可全面评价肥料的单项效应、复合效应及连续施用后的累加效应和平均效应及土壤质量变化规律，越来越被世界各国土壤农化科学工作者所重视。本研究中，探索连续11 年氮钾减施下紫云英不同翻压量对双季稻产量、氮素利用率及土壤氮素的影响，旨在为推动化肥减量增效和农业可持续发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

早稻品种为中早25；晚稻为黄华占；紫云英品种为湖南省土壤肥料研究所选育的湘紫1 号。翻压紫云英鲜草含水量为88.9%，紫云英干基养分N、P、K 质量分数分别为37.5、3.50、37.2 g/kg。供试土壤为湖积物发育的紫潮泥。试验开始前测得0～20 cm 土层土壤的pH 为7.7，有机质、全氮、全磷、全钾质量分数分别为47.4、3.28、1.26、21.7 g/kg，碱解氮、有效磷、有效钾质量分数分别为251、15.6、98 mg/kg。N、P、K 化肥品种分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。

1.2 试验设计

试验开始于2008 年，持续11 年。试验地位于湖南省南县(N29°11′、E112°18′)。试验地海拔高度30 m，属洞庭湖双季稻区，季风湿润气候，年平均气温16.6 ℃，年平均降水量1238 mm，年日照时间1775 h。

设当地的常规施肥量处理为T0，其N、P2O5、K2O 分别为150、75、120 kg/hm2；设4 个减氮、钾肥翻压紫云英还田处理，其氮、钾肥用量为常规施肥量的80%，磷肥不变，紫云英用量分别为15 000、22 500、30 000、37 500 kg/hm2(分别记为T1、T2、T3、T4)，即紫云英氮素投入量相当于62.4、93.7、124.9、156.1 kg/hm2化肥氮；以不施肥为空白对照(CK)。共6 个处理。每个处理随机排布，重复3 次。各试验小区长5 m、宽4 m。小区间用高20 cm、宽30 cm 的田埂覆膜隔离。每个小区有单独的排灌系统。晚稻收割前10～15 d 在小区内均匀播撒紫云英种子，播种量为22.5 kg/hm2，不施任何肥料。早稻于每年3 月底育秧，4 月中、下旬移栽，移栽前10 d左右将紫云英称质量翻压还田，浅水湿润腐解。晚稻于6 月中旬育秧，7 月中、下旬移栽。晚稻无紫云英翻压，各处理早稻、晚稻化肥施用量相同。尿素50%作基肥于移栽前1 d 施入；另外50%在分蘖盛期作追肥施入；磷肥和钾肥均在移栽前作基肥施入。基肥施入后用铁耙翻入5 cm 深的土层中。早晚两季水稻收获后，稻草移走不还田。

1.3 样品采集与测定

早稻、晚稻成熟后各小区单打单晒，分别称质量测产。各小区采集5 株有代表性的水稻植株整样，用于考种和养分含量测定。晚稻收获后，采用五点取样法，从每个小区采集0～20 cm 土层的土样。土样经风干、磨样、过筛后保存，备用。采用常规方法[12]测定土壤全氮和碱解氮质量分数。

参照文献[13]的方法，计算产量稳定性和产量可持续性的相关指标：产量稳定性用统计学中的变异系数(CV)表示，用CV 衡量早稻、晚稻在不同年份不同处理的平均产量间的变异程度，其值越小，产量稳定性越高；产量可持续性用可持续产量指数(SYI)表示，SYI 值越高，代表系统可持续性越好。参照文献[14]的方法，计算氮素利用率相关指标，包括稻谷氮素积累量、稻草氮素积累量、水稻氮素积累量、氮素回收利用率、氮素农学利用效率、氮素偏生产力、氮素生理利用率。由于紫云英含有大量的氮，本研究中将紫云英所含氮素视为投入土壤中总氮素的一部分来计算，因此，计算中的氮素施入量为化肥氮投入量与紫云英氮投入量之和。

1.4 数据处理

数据、图表采用IBM SPSS Statistic 20.0 和Microsoft Excel 进行处理；数据进行单因素方差分析，用Duncan 新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 氮钾减施翻压紫云英对双季稻产量及稳定性的影响

从图1、图2、图3 可知，早季、晚季及全年的水稻产量呈锯齿状波动，施肥处理的早季、晚季及全年的水稻产量均显著高于CK 的。在同一年份不同施肥处理间产量变化趋势基本一致，但同一处理不同年份间水稻产量波动较大，这可能是各年份之间气候、降水等环境因素差异引起的。

图1 氮钾减施翻压紫云英处理连续11 年的早稻产量Fig.1 The yield of early rice applied Chinese milk vetch with N and K reduction for 11 years

图2 氮钾减施翻压紫云英处理连续11 年的晚稻产量Fig.2 The yield of early rice applied Chinese milk vetch with N and K reduction for 11 years

图3 氮钾减施翻压紫云英处理连续11 年全年的水稻产量Fig.3 The yield of annual rice applied Chinese milk vetch with N and K reduction for 11 years

由表1 可知，与CK 相比，单施化肥和减施氮钾翻压紫云英处理都显著提高了早季、晚季及全年的水稻产量，分别增长了81.4%～90.3%、43.1%～47.1%、58.3%～63.5%；施肥处理的产量间的差异无统计学意义；随着紫云英翻压量的增大，减施氮钾翻压紫云英处理的水稻产量先呈上升趋势，T3 时产量最高，随着紫云英翻压量继续增大，水稻产量反而降低，说明翻压紫云英达到一定量时，其所含氮钾养分可替代被减施的20%氮钾化肥维持水稻产量。各处理早季、晚季及全年的水稻产量CV 分别为15.7%～28.7%、15.5%～19.6%、13.4%～18.9%，其中，早稻和全年产量CV 以T3 的最低，而晚稻以T4 的最低。各处理早季、晚季及全年水稻的SYI分别为48.5%～70.6%、58.0%～72.0%、64.8%～75.0%；与CK 相比，施肥处理提高了早季、晚季和全年的SYI；在减施氮钾翻压紫云英处理中，早稻和全年的SYI 随紫云英翻压量增大到30 000 kg/hm2时最大，继续增加紫云英的翻压量，SYI 反而下降，而晚稻的SYI 随紫云英翻压量的增大逐渐增加。

2.2 氮钾减施翻压紫云英对双季稻氮素吸收的影响

通过分析2018 年植株产量(表2)发现，施肥对水稻产量影响显著，晚稻的稻谷和稻草产量明显高于早稻的。与CK 相比，各施肥处理的早稻、晚稻稻谷产量显著增加，增幅分别为86.8%～99.4%和45.4%～51.5%。与T0 相比，除T3 显著提高了早稻稻谷产量外，其他施肥处理的稻谷产量间的差异均无统计学意义；随着紫云英翻压量的增加，稻谷产量也增加，到T3 时最大，但紫云英翻压量继续增大，水稻产量又有减少的趋势。稻草在早稻、晚稻的产量趋势和稻谷的相似，施肥也显著提高了稻草的产量。

表2 2018 年氮钾减施翻压紫云英处理的双季稻生物量Table 2 The b iomass o f d ouble cropping ri ce a pplied Ch inese milk vetch with N and K reduction in 2018 kg/hm2

从表3 可知，晚稻的稻谷和稻草氮素积累量高于早稻的；与CK 相比，施肥处理显著提高了稻草、稻谷氮素积累量；与T0 相比，减施氮钾翻压紫云英处理显著提高了稻谷氮素积累量，早稻、晚稻的增幅分别为8.7%～18.6%、4.8%～11.0%；早稻稻谷氮素积累量随紫云英翻压量的增加而增加，而晚稻稻谷的氮素积累量先随紫云英翻压量的增加而增大，T3 的积累量最大，随后继续增加紫云英翻压量，氮素积累量反而减少；早稻稻草的氮素积累量变化和稻谷的相似，减施氮钾翻压紫云英处理的氮素积累量显著高于CK 和T0 的，增幅分别为138.1%～176.2%和16.7%～35.4%，而晚稻稻草氮素积累量除T1 的较低外，其他3 个减施氮钾翻压紫云英处理与T0 间的晚稻稻草氮素积累量差异无统计学意义。

表3 2018 年氮钾减施翻压紫云英处理的双季稻氮素积累量Table 3 The nit rogen ac cumulation of do uble c ropping r ice applied Chinese milk vetch with N and K reduction in 2018 kg/hm2

2.3 氮钾减施翻压紫云英对双季稻氮素利用率的影响

2.3.1 对总投入氮素利用率的影响

从表4 可知，从氮素回收利用率和偏生产力分析，早稻季T1 的氮素回收利用率最高，T0 的氮素偏生产力最高，在减施氮钾20%条件下，除T2 的回收利用率外，总投入氮素的回收利用率和偏生产力均随着紫云英翻压量的增加而显著降低，与T0相比，偏生产力降幅为18.8%～45.5%；晚稻变化趋势与早稻的相反，T0 的氮素回收利用率和偏生产力最低，减施氮钾20%条件下氮素回收利用率和偏生产力先随着紫云英翻压量的增加而增大，T3 时氮素回收利用率和偏生产力均最大，随后继续增加紫云英翻压量，氮素回收利用率和偏生产力反而减小，与T0 相比，氮素回收利用率和偏生产力的增幅分别为30.5%～51.0%、23.5%～28.6%。从氮素农学利用效率和生理利用率分析，早稻T0 的氮素农学利用效率和生理利用率均显著高于其他处理的，除T1外，减施氮钾20%翻压紫云英处理的氮素农学利用效率和生理利用率均随着紫云英翻压量的增加呈下降趋势，与T0 相比，氮素农学利用效率和生理利用率的降幅分别为19.3%～50.0%、18.3%～33.0%；与T0 相比，晚稻减施氮钾20%翻压紫云英处理显著提高了氮素农学利用效率，晚稻T3 和T4 显著提高了氮素生理利用率，且氮素农学利用效率和生理利用率先随紫云英翻压量的增加而增大，T3 时最大，随后继续增加紫云英翻压量，氮素农学利用效率和生理利用率反而减小。

表4 2018 年氮钾减施翻压紫云英处理的双季稻总投入氮素吸收利用效率Table 4 The to tal ni trogen u ptake and uti lization e fficiency of double cr opping ri ce a pplied C hinese milk v etch with N and K reduction in 2018

2.3.2 对早稻化肥氮素利用率的影响

从表5 可知，在早稻季，与T0 相比，除T4 的化学氮素农学利用效率外，减施氮钾翻压紫云英处理显著提高了化学氮素的吸收利用效率；在相同化肥施用量下，随着紫云英翻压量的增加，化学氮素的回收利用率和偏生产力呈先增加的趋势，T3 时最高，随后继续增加紫云英翻压量，回收利用率和偏生产力反而降低，且T4 的偏生产力显著低于T3 的；化学氮素的农学利用效率则是T2 和T3 的显著高于T1 和T4 的，且T2 的最高。

表5 2018 年氮钾减施翻压紫云英处理的早稻化学氮素吸收利用效率Table 5 The ch emical N u ptake a nd utilization ef ficiency o f early ri ce a pplied Ch inese milk v etch w ith N a nd K reduction in 2018

2.4 氮钾减施翻压紫云英对土壤氮素的影响

由图4 可知，除T3 外，与CK 和T0 相比，减施氮钾20%翻压紫云英处理均显著提高了土壤中全氮和碱解氮质量分数；T2 的土壤全氮质量分数最高，T1 的土壤碱解氮质量分数最高；在减施氮钾20%翻压紫云英处理中，T3 的土壤全氮和碱解氮质量分数最低，但与T0 的差异无统计学意义。

图4 2018 年氮钾减施翻压紫云英处理中土壤氮素养分含量Fig.4 The nitrogen contents of soil applied Chinese milk vetch with N and K reduction in 2018

3 结论与讨论

适量紫云英还田可在一定程度上减少化肥的施用量，还能保证水稻产量不降低，甚至有显著提高[15]。本研究中，紫云英氮素投入量相当于62.4～156.1 kg/hm2化肥氮，通过分析连续11 年双季水稻产量可知，与CK 相比，减施氮钾翻压紫云英能显著提高早、晚稻及全年水稻产量，且减施氮钾翻压紫云英处理与T0 间的水稻产量差异无统计学意义，随紫云英翻压量的增大水稻产量先增加，以T3 处理的增产效果最好，随后继续增加紫云英翻压量，水稻产量反而降低，这与李双来等[16]、张丽霞等[17]的研究结果相似。与CK 相比，减施氮钾翻压紫云英处理降低了稻谷产量变异系数，同时提高了产量可持续指数。在20%减肥量的条件下，江西双季稻区翻压紫云英15 000～37 500 kg/hm2显著提高了双季稻产量[14]。徐昌旭等[18]研究发现，翻压20%～40%紫云英替代等量养分含量的化肥不会降低水稻产量。高菊生等[19]研究也表明，与冬闲相比，双季稻紫云英轮作种植可显著提高稻谷产量，同时提高了水稻增产潜力和产量可持续性指数。本研究结果也与这些研究结果类似。

通过比较早、晚稻养分投入量和全年氮素累积量发现，由于紫云英中氮素的投入，早稻T0 氮素投入量在施肥处理中最低，氮钾减施翻压紫云英处理的氮素投入量随着紫云英翻压量的增大逐渐增大，早稻季氮素的积累量和投入量呈正相关，且T3的积累量最大；晚稻季常规施肥的氮素投入量最大，减施氮钾翻压紫云英处理的氮素投入量减少了20%，但氮素积累量的变化趋势仍和早稻季一致，以T3 的积累量最大，这说明早稻紫云英的氮素在晚稻季发挥了作用，紫云英带入的养分也是水稻高产的一个重要原因。

本研究中，在早稻季减施氮钾翻压紫云英，提高了化肥氮素的吸收利用率，减少了氮素的损耗流失；在减施氮钾后翻压紫云英的总投入氮素利用率并没有显著提高，反而在早稻季时，氮素的回收利用率、农学利用效率、生理利用率和偏生产力随紫云英翻压量的增加呈下降趋势。这与陈静蕊等[14]研究的早稻季翻压紫云英降低了氮素利用率的结果一致。在晚稻季，所有施肥处理的氮素的回收利用率、农学利用效率和偏生产力及T3、T4 的氮素生理利用率均显著高于T0 的，且此4 个指标均为先随着紫云英翻压量的增加呈增大趋势，T3 时最大，随后继续增加紫云英翻压量，各指标又略降低。虽然早稻季减施氮钾翻压紫云英处理的总投入氮素利用率都较低，有氮素流失的风险，但就晚稻的氮素利用率来看，这部分氮素被固定到了土壤中，并在晚稻季发挥了后效作用，供水稻吸收利用，提高了晚稻季植株的产量。紫云英翻压量为37 500 kg/hm2的氮素吸收利用率和产量均小于紫云英翻压量为30 000 kg/hm2的。可见，过量翻压紫云英不利于氮素的吸收利用，还会造成养分浪费。

长期试验对土壤氮素的影响表明，除T3 外，与CK 和T0 相比，氮钾减施翻压紫云英处理显著提高了土壤碱解氮和全氮质量分数，虽然在翻压紫云英量为30 000 kg/hm2时土壤全氮和碱解氮质量分数低于其他氮钾减施翻压紫云英处理的，但与T0土壤碱解氮和全氮质量分数的差异无统计学意义。这可能是T3 为了稳定高产，从土壤中吸收了大量的氮素，导致其土壤碱解氮和全氮质量分数低于其他氮钾减施翻压紫云英处理的；同时早稻季紫云英分解后储存在土壤中的氮素起到补充作用，晚稻收获后土壤中全氮和碱解氮含量仍维持在较高水平，与T0 间的差异无统计学意义。

综合考虑减施氮钾下紫云英翻压量对双季稻产量、氮素利用效应及土壤氮素养分水平的影响，在减施氮钾20%条件下翻压紫云英量为30 000 kg/hm2左右较适宜。