冯静琪，曹卫东，高嵩涓，张海彬，韩文斌，武 际，何铁光，李忠义，唐红琴，石孝均

（1 西南大学资源环境学院，重庆 400716；2 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；3 南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210095；4 重庆市农产品质量安全中心，重庆409199；5 南充市农业科学院，四川南充 637000；6 安徽省农业科学院土壤肥料研究所，安徽合肥 230031；7 广西农业科学院农业资源与环境研究所，广西南宁 530007）

绿肥作为一种可培肥地力的优质有机肥源，在作物高产稳产和绿色农业发展中有着极其重要的作用[1-2]。在我国南方稻区，将豆科绿肥纳入水稻种植体系是一种可持续且具有良好应用前景的种植模式[1-3]。豆科绿肥可以通过生物固氮向农田生态系统输入大量氮素[4]，翻压还田释放各种养分供后茬作物吸收利用，能够替代部分化肥，其用作冬绿肥对提高作物产量[5-6]、提高耕层土壤养分含量[7-8]、改善土壤结构[9-10]和生物性状[11-13]具有重要意义。

在豆科绿肥-水稻轮作系统中，豆科绿肥的高产栽培是充分发挥其肥田作用的关键环节。适时播种和适宜播量能够通过改善紫云英生长中的光热需求和群落密度，提高其鲜草产量[14-15]，在适宜的水热条件基础上，适当施用化肥和添加有机物料是豆科绿肥高产栽培的关键措施。氮磷钾肥的合理配施可改善豆科绿肥株高、茎粗、分枝数和植株养分累积量，从而提高其鲜草产量[16]；有机物料尤其是作物秸秆的投入可改善土壤结构和养分供给能力，进而影响豆科绿肥的生长[17-18]。

作物秸秆是一种可培肥土壤的清洁资源，秸秆还田为土壤提供大量有机物质，能够改善土壤肥力，稳定作物产量[19-22]。添加有机物料有利于提高豆科绿肥鲜草产量及养分吸收量[18]，但碳氮比较高的禾本科作物秸秆还田后分解速率缓慢，且会导致土壤氮素的短暂固持，对作物养分吸收产生不利影响[23-25]，因此秸秆还田后需配合施用适量速效氮肥以保证作物的氮素供应[26-28]。在不同的土壤类型条件下，需调整合适的化肥和有机物料施用量[29]，更好地促进秸秆腐解[30]。研究发现稻秸配施化肥有利于提高豆科绿肥鲜草产量[18]，但在不同土壤类型条件下如何充分发挥稻秸与氮肥配施的协同效应，促进豆科绿肥生长，尚无可靠的数据支撑。本研究在不同区域设置盆栽试验，研究不同肥力土壤下稻秸配施少量氮肥对豆科绿肥鲜草产量和土壤性状的影响，以期为稻田豆科绿肥高产栽培、促进稻秸资源利用提供依据，进而为稻田土壤培肥提供技术路径。

1 材料与方法

1.1 试验设计

盆栽试验于2018年10月至2019年4月分别在广西南宁、四川南充和安徽合肥进行。供试土壤分别采自当地的0—20 cm稻田耕层土，土壤类型分别为盐渍水稻土、紫色土和黄棕壤，经风干、混匀后，过5 mm筛备用，土壤基本性状见表1。

表1 盆栽土壤基本性状Table 1 Basic properties of test soils used for the pot experiments

试验设稻秸和氮肥两个因素。其中稻秸添加量设 0 (RS0)、1.33 (RS1)、2.67 (RS2) g/kg 干土 (分别相当于0、3000、6000 kg/hm2，其中6000 kg/hm2为当地稻秸全量还田) 3个水平，氮肥量设不施氮(N0)和施N 45 kg/hm2(N45) 2个水平(该施氮量参照田间实践和前期研究所得结论[17])，共6个处理。每处理设4个重复，完全随机排列。供试品种为当地主栽豆科绿肥品种，广西为桂紫7号紫云英，四川为南选山黧豆，安徽为弋江籽紫云英。氮肥为尿素(含N 46%)、磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)、钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。每盆装风干土8 kg，装盆时将剪碎至2～4 cm的稻秸同化肥一起拌入土壤，所有处理磷、钾肥施用量相同，分别为P2O50.06 g/kg干土和K2O 0.06 g/kg干土(相当于P2O590 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2)，全部基施。广西、四川和安徽试验点所用稻秸含氮量分别为0.66%、0.68%和0.70%，碳含量分别为39.23%、39.78%和40.00%，碳氮比分别为59.44、58.50和57.14，分别于2018年11月7日、10月17日和10月29日播种。

1.2 样品采集及指标测定

于豆科绿肥盛花期(广西2019年3月8日，四川3月21日，安徽4月14日)采集土壤和植株样品。地上部植株全盆收获测定鲜草产量后于105℃杀青30 min，70℃烘干至恒重，然后称重、粉碎备用。植株样品采用浓硫酸-过氧化氢消煮后，凯氏定氮法测定全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量，火焰光度计测定全钾含量[31]。

土壤样品于地上部植株收获完毕后采集，将土壤中根系、稻茬等挑出后，用四分法整盆混匀采取。一部分4℃保存，测定土壤无机氮(Nmin)；另一部分自然风干、磨细过2和0.25 mm筛后用于土壤其它性状的测定。具体测试方法：无机氮含量采用2 mol/L氯化钾浸提，连续流动分析仪(AA3，SEAL，德国)测定；土壤pH采用2.5∶1水土比，电位法测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定；土壤有效磷含量采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提—钼锑钪比色法测定；土壤速效钾含量采用1 mol/L醋酸铵提取—原子吸收法测定[31]。

1.3 数据处理

采用SAS 8.1进行方差分析，采用LSD法进行多重比较(P< 0.05为差异显著)。采用偏最小二乘法路径模型(PLS-PM)，应用R 3.6.1中的“plspm”包[32-33]，以稻秸、氮肥和地区为因素，以土壤pH、全氮、速效养分含量以及豆科绿肥地上部养分累积量和鲜草产量为潜在变量，构建模型分析变量和潜在变量之间的多元关系。

2 结果与分析

2.1 稻秸配施氮肥对豆科绿肥鲜草产量和地上部当季氮素回收率的影响

与RS0N0处理相比，稻秸与氮肥配施处理(RS1N45和RS2N45)在盐渍水稻土、紫色土和黄棕壤中分别提高豆科绿肥鲜草产量63.0%～66.0%、35.2%～53.8%和103.6%～117.1%。在盐渍水稻土中，同一施氮水平下，添加稻秸均能提高豆科绿肥鲜草产量，所有处理以RS2N0鲜草产量最高；在稻秸翻压量为RS1水平时，施氮显著提高豆科绿肥鲜草产量。在紫色土中，添加稻秸提高同一氮素水平下的豆科绿肥鲜草产量，其中RS1N0处理鲜草产量最高。在黄棕壤中，不施氮条件下，RS2相较RS1鲜草产量降低，即增加稻秸用量反而降低了紫云英鲜草产量，所有处理以RS2N45的豆科绿肥鲜草产量最高(图1a)。干草产量变化规律与鲜草产量一致 (图1b)。

图1 不同处理豆科绿肥鲜草产量和干草产量Fig. 1 Fresh and hay biomass of leguminous green manures as affected by rice straw turnover and N application

2.2 稻秸配施氮肥对豆科绿肥地上部养分累积量的影响

2.2.1 氮素累积量 不同类型土壤上各处理豆科绿肥地上部氮素含量变化无明显规律(图2a)。与RS0N0处理相比，稻秸与氮肥配施处理在盐渍水稻土、紫色土和黄棕壤中分别提高豆科绿肥地上部氮素累积量19.1%～41.5%、43.7%～67.2%和65.1%～70.5%。在盐渍水稻土中，不同施氮水平均以稻秸翻压量为RS2时的氮素累积量最高。在紫色土中，稻秸翻压量为RS1时，施氮降低豆科绿肥地上部氮素累积量；RS1N0处理的豆科绿肥地上部氮素累积量最高，显著高于RS0N45和RS1N45处理。在黄棕壤中，RS2N45处理的豆科绿肥地上部氮素累积量最高，显著高于不施氮处理(图2b)。

图2 不同处理下豆科绿肥地上部氮素含量和累积量Fig. 2 Shoot N content and N accumulation of leguminous green manures as affected by returning rice straw and N application

2.2.2 磷素累积量 不同类型土壤上各处理豆科绿肥地上部磷素含量变化规律不明显(图3a)。与RS0N0处理相比，稻秸与氮肥配施处理在盐渍水稻土、紫色土和黄棕壤中分别提高豆科绿肥地上部磷素累积量12.1%～68.9%、31.4%～57.3%和37.9%～45.3%。在盐渍水稻土中，不施氮肥条件下，地上部磷素累积量随稻秸添加量增加而增加；N45施氮水平下，随稻秸添加量增加地上部磷素积累量先下降后上升；所有处理以RS2N0处理地上部磷素积累量最高。在紫色土中，不施氮条件下，地上部磷素累积量随稻秸添加量增加先上升后下降；施氮条件下，随稻秸添加量增加先下降后上升。在黄棕壤中，RS1N45与RS2N45处理的地上部磷素累积量显著高于其他处理 (图3b)。

图3 不同处理豆科绿肥地上部磷素含量和累积量Fig. 3 Phosphorus content and accumulation in leguminous green manures as affected by straw turnover and N application

2.2.3 钾素累积量 不同土壤上豆科绿肥地上部钾素含量有明显的变化规律(图4a)。与RS0N0处理相比，稻秸与氮肥配施处理在盐渍水稻土、紫色土和黄棕壤中分别提高豆科绿肥地上部钾素累积量22.0%～58.7%、30.7%～35.0%和89.2%～102.9%。在盐渍水稻土中，同一施氮水平下，地上部钾素累积量随稻秸添加量增加而增加，所有处理以RS2N0处理地上部钾素累积量最高。在紫色土中，RS1N0处理地上部钾素累积量显著高于RS0N0和RS0N45处理。在黄棕壤中，RS1N45与RS2N45处理的豆科绿肥地上部钾素累积量显著高于其他处理(图4b)。

图4 不同处理豆科绿肥地上部钾素含量和累积量Fig. 4 Shoot potassium content and accumulation in leguminous green manures as affected by straw turnover and N application

2.3 稻秸配施氮肥对土壤化学性状的影响

盐渍水稻土和紫色土为碱性土，pH范围分别为7.61～7.74和7.65～7.94，黄棕壤为酸性土，土壤pH在4.86～5.05。在盐渍水稻土中，半量稻秸还田增加了无机氮和有效磷含量，配合氮肥可进一步增加土壤无机氮和有效磷含量；半量秸秆还田(RS1N0)显著提高了土壤速效钾含量，其他处理对土壤速效钾含量无显著影响。在紫色土中，施氮配合秸秆还田以及不施氮秸秆全量还田处理(RS1N45和RS2N45)增加了土壤无机氮含量，有效磷含量在所有处理下整体无显著差异，土壤速效钾含量除单施氮肥与对照无显著差异外，其余处理均降低土壤有效钾含量。在黄棕壤中，秸秆全量还田处理无论是否施用氮肥土壤无机氮含量均增加，不施氮条件下土壤有效磷含量在S2水平与对照没有显著差异，而S1水平以及施用氮肥后的RS1N45和RS2N45处理均显著低于对照，在施和不施用氮肥时，秸秆全量还田均可维持土壤速效钾含量不降低，而秸秆半量还田以及施氮后的3个处理的速效钾含量显著低于RS2N0处理(表2)。因此，盐渍水稻土和紫色土不论是否施用氮肥，秸秆还田均可维持土壤无机氮、和有效磷含量，而在黄棕壤上，半量秸秆还田不施氮肥会降低土壤有效磷和速效钾含量，但秸秆全量还田可以提高有效养分含量，且秸秆还田配合施用氮肥可以减少速效养分含量的降低。

表2 不同处理土壤化学性状Table 2 Soil chemical property in different treatments

2.4 不同影响因子间的相互关系

偏最小二乘法路径模型(PLS-PM)分析结果显示，稻秸、氮肥处理及土壤类型对土壤速效养分含量都有显著正影响(P< 0.05)，以土壤类型的影响程度最大。不同土壤pH和全氮含量差异达极显著水平(P< 0.01)。土壤pH、全氮和速效养分含量对豆科绿肥鲜草产量均有极显著影响(P< 0.01)，其中，土壤全氮为正影响，pH和速效养分含量为负影响。稻秸处理对豆科绿肥生物量和地上部氮、磷、钾累积量均有极显著正影响(P< 0.01)，氮肥处理仅对豆科绿肥生物量有极显著正影响(图5，P< 0.01)。

图5 土壤性质与豆科绿肥鲜草产量和地上部氮、磷、钾累积量的相关性Fig. 5 Correlation of soil properties with fresh biomass,N,P,and K accumulation in leguminous green manure shoots

3种土壤上稻秸还田对鲜草产量均有显著正影响(P< 0.05)，只有黄棕壤上施用氮肥对豆科绿肥鲜草产量有显著影响，且效果大于稻秸处理(图6)。

图6 稻秸还田和施用氮肥对豆科绿肥鲜草产量和地上部氮、磷、钾累积量的作用Fig. 6 Efeect of rice straw,N application on leguminous green manure cropfresh biomass and shoot N,P,and K accumulation in different experimental soils

3 讨论

在我国南方稻田中，豆科绿肥的应用是实现稻田减肥增产的重要措施[4,18,34]。研究表明，添加稻秸能显著提高紫云英鲜草产量，且稻秸与化肥配施增产幅度大于稻秸单独施用[18]，本研究结果与之相似，3种土壤类型中稻秸对豆科绿肥鲜草产量均具有显著正影响(图1、图6)。紫色土和黄棕壤上的研究结果显示，不施用氮肥的情况下全量稻秸还田处理豆科绿肥鲜草产量低于秸秆半量还田处理，这可能是由于稻秸碳氮比较高，还田后出现了土壤微生物与作物争氮的现象，进而影响作物生长和对氮素的吸收利用[23-24]。黄棕壤上研究结果表明氮肥处理相比稻秸对豆科绿肥鲜草产量的影响更大，而在盐渍水稻土和紫色土中，氮肥的作用效果不明显(图1、图6)，这可能是由于安徽试验所用黄棕壤肥力相对较低(表1)，使得增施氮肥的效果更明显，说明在低肥力的黄棕壤中施入氮肥能更好地促进豆科绿肥的生长和产量的形成[18]。稻秸还田条件下，适量添加氮肥可调节还田物料碳氮比，促进稻秸的腐解，使其中的养分被作物充分利用[28]。在实际应用中，稻秸还田时根据土壤类型和肥力合理调控氮肥用量是实现紫云英高产栽培和秸秆资源化利用的重要措施。

3种土壤类型在全量稻秸(6000 kg/hm2)与氮肥配施处理均有较高的豆科绿肥氮、磷、钾素累积量和土壤无机氮含量，且稻秸和氮肥处理对土壤速效养分含量均有显著正影响(表2、图5)。土壤速效钾、有效磷和无机氮含量能够很好地反映植物生长过程中土壤的养分供应能力，大量研究表明，秸秆还田配施化肥可提高土壤氮素和磷素含量[35]，增加土壤速效氮磷钾的生物有效性[36-38]，并提高作物产量和养分吸收利用效率[39-42]。紫色土中，不配施氮肥时，RS2N0较RS1N0明显减少了地上部氮素累积量，可能是由于稻秸较高的碳氮比使其翻压入土后固持土壤有效氮，并严重降低了该地土壤碳氮比，进而影响了作物对氮的吸收[23-24]，而在盐渍水稻土和黄棕壤中随稻秸添加量增加地上部氮素积累量增加。单独添加稻秸条件下，紫色土的豆科绿肥地上部磷和钾素累积量RS1N0处理高于RS2N0处理，可能是由稻秸较高碳氮比造成鲜草产量下降引起的，土壤速效钾含量变化规律与钾素累积量相反，验证了土壤速效养分含量在作物生长中的作用，但土壤有效磷含量变化趋势与地上部磷素累积量相似，可能是由于该试验紫色土有效磷含量较低(表2)。有研究发现，豆科绿肥在缺磷条件下会分泌出大量酸性磷酸酶和有机酸，促进土壤磷活化、增加土壤磷有效性，释放出作物可吸收的无机磷，而生物量大根系生长越旺盛的植株使土壤中被活化的磷就越多[43-44]。

综上所述，在肥力较高的水稻盐渍土和紫色土中，添加稻秸对豆科绿肥鲜草产量和养分累积量有较大影响，施低量氮肥的影响较小；而在低肥力黄棕壤条件下，施氮和添加稻秸对豆科绿肥鲜草产量均有较大影响。因不同地区的主栽豆科绿肥品种和气候条件不同，且本研究采取的盆栽试验，其作物生长条件与田间实际情况有较大差异，因此仍需通过田间试验验证各地豆科绿肥高产栽培的最优施肥配比。

4 结论

稻秸还田不同程度地促进了豆科绿肥对土壤速效养分的吸收，提高了豆科绿肥鲜草产量和地上部氮磷钾累积量。在肥力较高的盐渍水稻土和紫色土上，稻秸全量还田可显著增加豆科绿肥的鲜草产量，配施少量氮肥没有显示出进一步的增产效果。在肥力较低的黄棕壤上，半量(3000 kg/hm2)和全量(6000 kg/hm2)稻秸还田均可显著提高豆科绿肥鲜草产量，但相对半量还田，全量还田需配施氮肥才可充分发挥稻秸还田的增产效果，并缓解土壤中有效养分含量的下降。