紫云英稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻干物質積累、氮素轉運及產量的影響

王 呂 吳玉紅,* 秦宇航 淡亞彬 陳 浩 郝興順 田霄鴻

1 漢中市農業技術推廣與培訓中心, 陜西漢中 723000; 2 西北農林科技大學資源環境學院, 陜西楊凌 721000

氮肥對糧食增產貢獻率高達40%左右[1], 在保障糧食安全中發揮著至關重要的作用, 水稻作為主要糧食作物, 以氮肥大量投入為主要手段的氮肥管理模式, 已成為當前我國水稻增產的主要途徑[2-3]。相關研究表明[4]我國稻田單季稻氮肥平均用量為180 kg hm-2, 高出世界平均水平75%左右, 過量施氮導致耕地基礎地力對作物產量的貢獻不足60%[5], 氮肥利用率僅有30%～40%[6], 氮肥當季回收率和農學效率分別為27.3%和11.3 kg kg-1, 較同期世界水平分別低20%和10%[7]; 同時也導致經濟效益下降, 潛在的農業面源導致的污染環境風險逐漸凸顯[8]。高施氮量和氮肥利用率偏低成為制約我國水稻產業高質量綠色發展的關鍵因素。如何在保證作物產量的前提下, 減少氮肥用量, 提高氮肥利用率, 降低環境污染, 是保障糧食安全的關鍵。因此在實施化肥減量行動的大背景下, 探究氮肥減量增效具有重要現實意義。

綠肥和秸稈作為清潔有機肥源, 在培肥地力、替代化肥、促進增產方面發揮著重要作用, 是助力化肥減量和農業綠色高質量發展的有效措施[9]。我國綠肥年種植面積達448.6 萬公頃, 折合氮肥約為39.5～80.8 萬噸[10], 尤其是豆科綠肥有較高的氮肥替代潛力。水稻秸稈資源豐富, 年產量約占秸稈總量的29%[11], 綠肥和水稻秸稈協同還田具有“碳氮互濟”的特性, 較二者單獨還田更有利于培肥地力, 促進作物穩產高產[12]。相關研究表明綠肥和化肥配施可以有效提高水稻干物質積累[13], 進而提高籽粒氮素累積量、氮收獲指數[14]、氮肥利用率[15]。秸稈還田能促進成熟期植株對氮素吸收, 有利于灌漿期稻株氮素的代謝, 顯著提高氮肥農學利用率和生理利用率[16-17]。在紫云英-水稻、小麥-水稻、油菜-水稻和冬閑-水稻4 種輪作模式中, 以紫云英-水稻輪作模式下水稻植株氮素積累量最高[18-19]。紫云英和水稻秸稈二者聯合還田配合氮肥減量可以顯著增加水稻氮素累積量、增加籽粒產量[20]。漢中是優質秈稻最佳適生區, 研究紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻生長和氮素吸收轉運的影響, 旨在為本地區水稻綠色高效栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019—2021 年在陜西省漢中市農業技術推廣與培訓中心(漢中市農業科學研究所)漢臺區韓塘水稻綜合試驗基地進行, 該區屬亞熱帶濕潤季風氣候, 日均氣溫24.0 ℃, 降雨量252.6 mm, 空氣濕度為82%, 供試土壤類型為潴育性水稻土。水稻移栽前土壤理化性狀為pH 5.19 (水土比為2.5∶1.0),有機質18.78 g kg-1、全氮1.25 g kg-1、全磷0.95 g kg-1、全鉀14.16 g kg-1、速效磷35.32 mg kg-1、速效鉀78.91 mg kg-1。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計, 共設5 個處理: 1) 冬閑水稻秸稈不還田, 不施肥(CK); 2) 冬閑水稻秸稈不還田, 常規施氮(NPK); 3) 冬作紫云英水稻秸稈還田, 常規施氮(GRN100); 4) 冬作紫云英水稻秸稈還田, 氮肥減量20% (GRN80); 5) 冬作紫云英水稻秸稈還田, 氮肥減量30% (GRN70)。每個處理重復3次, 小區面積4 m×5 m=20 m2。各減氮處理僅在基肥時減少相應比例。供試肥料為洋豐摻混肥料(N∶P2O5∶K2O = 19∶19∶19), 尿素(含N46%), 氯化鉀(含K2O 60%), 常規施肥為純氮180 kg hm-2, K2O 105 kg hm-2, P2O590 kg hm-2, 其中鉀肥和磷肥均作底肥一次性基施, 氮肥基追比為7∶3, 于水稻分蘗期追施。供試品種為常規優質秈稻‘黃華占’, 水稻收獲后免耕播種紫云英, 播種量37.5 kg hm-2, 水稻秸稈粉碎覆蓋還田, 翌年紫云英盛花期連同上茬水稻秸稈粉碎翻壓還田, 紫云英翻壓還田量為18,000 kg hm-2。水稻移栽株距為15.6 cm, 行距為25.6 cm。肥料用量、稻稈和紫云英還田量及氮含量見表1。

表1 肥料施用量和水稻秸稈紫云英還田量及氮含量Table 1 Fertilizer application, rice straw and Chinese milk vetch return and nitrogen content

1.2.1 測定項目與方法 水稻成熟后各小區單獨收獲測產, 并根據平均有效穗數取3 穴進行考種,調查有效穗、每穗實粒數、千粒重。干物重及全氮的測定: 分別于齊穗期和成熟期, 每小區取代表性稻株3 穴。分莖鞘、葉和穗, 105℃下殺青1 h, 75℃烘干至恒重, 分別稱重。計算各器官及植株干物重。將植株各器官粉碎, 測定其氮素含量。植株全氮采用H2SO4-H2O2消煮法測定[21]。

1.2.2 相關指標計算方法 植株干物重(kg hm-2) =葉片干物重+莖鞘干物重+穗部干物重[22]; 植株氮素積累量(kg hm-2) = 葉片干物重×葉片氮含量+莖鞘干物重×莖鞘氮含量+穗干物重×穗氮含量[22]; 氮素轉運量(kg hm-2) = 齊穗期氮素積累量-成熟期氮素積累量[22]; 氮素轉運率(%) = 氮素轉運量/齊穗期氮素積累量×100[22]; 穗氮增加量(kg hm-2) = 成熟期穗部氮素積累量-齊穗期穗部氮素積累量[22]; 氮素轉運效率(N transportation efficiency, NTE, %)=單株抽穗后莖葉氮表觀輸出量(抽穗期莖葉氮總量-成熟期莖葉氮總量)/抽穗期莖葉氮總積累量×100[23]; 氮素轉運貢獻率(N transportation contribution rate, NTCR,%)=單株抽穗后莖葉氮的表觀輸出量/成熟期籽粒氮素積累量×100[23]; 氮素收獲指數(N harvest index,%)=成熟期籽粒氮吸收量/植株氮素總累積量×100[22];氮素干物質生產效率(N dry matter production efficiency, NDMPE, kg kg-1)=植株氮累積量/成熟期總干物重[24]; 氮肥農學效率(N agronomic efficiency,NAE, kg kg-1)=(施氮區稻谷產量-無氮區稻谷產量)/施氮量[22]; 氮肥偏生產力(N partial factor productivity, NPFP, kg kg-1)=施氮區稻谷產量/施氮量[23]; 氮素回收率(N recovery efficiency, NRE, %)=(施氮區水稻成熟期植株氮累積量-不施氮區水稻成熟期植株氮累積量)/施氮量×100[22]; 氮肥生理利用率(N Physiological efficiency, NPE, kg kg-1)=(施氮區稻谷產量-無氮區稻谷產量)/(施氮區地上部氮累積量-無氮區地上部氮累積量)[24]。

1.3 數據處理

數據應用Microsoft Excel 2010 程序和SAS 8.1統計分析軟件進行處理, 使用雙因素完全隨機區組設計方差分析和最小顯著性差異法(LSD)對數據均值進行多重比較, Origin 2017 進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻產量及其構成要素的影響

年度(S)、氮肥(N)及其交互作用(S×N)極顯著影響水稻產量、有效穗和每穗實粒數, 氮肥、年度間水稻千粒重差異顯著或極顯著(表 2)。2020 和2021 年水稻產量均表現為: GRN80＞GRN70＞GRN100＞NPK＞CK, 均以 GRN80水稻產量最高,2020 年為9185 kg hm-2, 2021 年為11,024 kg hm-2。2020 年, 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70分別顯著提高水稻有效穗19.14%、29.32%、16.61%,提高每穗實粒數3.43%、4.54%、1.38%, 提高千粒重2.83%、6.60%、4.69%; 與GRN100相比, GRN80顯著提高水稻有效穗 8.54%, 提高每穗實粒數1.07%, 提高千粒重3.66%。2021 年, 與NPK 相比,GRN100、GRN80、GRN70分別顯著提高每穗實粒數10.63%、9.11%、9.60%, 提高千粒重0.47%、1.94%、0.66%, GRN100、GRN80提高水稻有效穗2.47%、9.64%; 與GRN100相比, GRN80顯著提高水稻有效穗7.00%, 提高千粒重1.46%。紫云英水稻秸稈協同還田各處理提高了2020 和2021 年水稻產量, 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70兩年分別增產3.50%、7.65%和6.37%; 與GRN100相比, GRN80、GRN70兩年分別增產4.00%和2.77%。2 年總體而言, 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70分水稻有效穗平均增長10.80%、19.48%、8.30%, 每穗實粒數7.03%、6.82%、5.49%, 千粒重1.65%、4.27%、2.67%; 與GRN100相比, GRN80水稻有效穗平均增長7.77%, 千粒重2.56%。

2.2 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻干物重的影響

氮肥極顯著影響齊穗期和成熟期莖鞘、葉片、穗干物重(P＜0.01), 成熟期葉片、穗干物重受年度(S)顯著影響, 莖鞘、葉片干物重受年度和氮肥交互作用(N×S)的極顯著影響(表3)。2020 年水稻齊穗期(圖1-a), 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70分別顯著提高齊穗期莖鞘干物重30.30%、26.32%、28.70%,顯著提高葉片干物重43.03%、42.63%、35.86%, 提高穗干物重35.71%、71.43%、40.91%, 顯著提高植株干物重34.52%、37.77%、32.42%; 與GRN100相比, GRN80和GRN70提高穗干物重26.31%、3.83%。2020 年成熟期(圖1-c), 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70分別提高莖鞘干物重6.23%、29.98%、21.58%, 葉片干物重14.03%、8.07%、10.53%, 植株干物重3.59%、16.38%、5.82%; 與GRN100相比,GRN80分別顯著提高莖鞘、穗、植株干物重22.35%、13.57%、12.34%。2021 年水稻齊穗期(圖1-b), 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70分別顯著提高齊穗期莖鞘干物重24.59%、24.77%、25.50%, 顯著提高葉片干物重64.46%、57.85%、53.72%, 顯著提高穗干物重30.82%、52.20%、37.73%, 顯著提高植株干物重35.94%、37.95%、34.78%; 與GRN100相比,GRN80和GRN70提高穗干物重16.35%、5.29%。2021年成熟期(圖1-d), 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70分別提高齊穗期莖鞘干物重7.52%、21.17%、6.41%, 顯著提高葉片干物重31.85%、38.85%、31.21%, 顯著提高植株干物重4.40%、13.70%、5.32%,GRN80顯著提高穗干物重7.77%; 與GRN100相比,GRN80分別顯著提高莖鞘、穗、植株干物重12.69%、8.26%和 8.90%。2 年總體而言, 與 NPK 相比,GRN100、GRN80、GRN70齊穗期莖鞘干物重平均增長27.44%、25.54%、44.79%, 葉片53.74%、50.24%、44.79%, 穗33.76%、61.81%、39.32%, 植株35.23%、37.86%、33.60%; GRN100、GRN80、GRN70成熟期莖鞘干物重平均增長6.87%、25.57%、13.99%, 葉片22.94%、23.46%、20.87%, 植株3.99%、15.04%、5.57%。與GRN100相比, GRN80和GRN70齊穗期穗干物重平均增長21.33%、4.56%; GRN80成熟期莖鞘、穗、植株干物重平均增長17.52%、10.91%、10.62%。

圖1 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻干物重的影響Fig. 1 Effect of straw-green manure return and nitrogen reduction applications on dry weight of rice

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

齊穗期莖鞘、葉片、穗干物重分配和成熟期葉片、穗干物重分配年度(S)間差異顯著或極顯著, 氮肥(N)極顯著影響齊穗期葉片干物重分配、成熟期莖鞘、穗干物重分配, 成熟期葉片、穗干物重分配年度和氮肥的交互作用(N×S)極顯著(表3)。水稻齊穗期各器官干物重占比為莖鞘＞穗＞葉片(圖2-a), 分別平均占比40.49%、37.76%、21.76%。水稻成熟期各器官干物重占比為穗＞莖鞘＞葉片(圖2-b), 分別平均占比61.16%、25.12%、13.73%。與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70齊穗期葉片干物重分配增幅為16.82%、6.11%、10.13%, 成熟期莖鞘干物重分配增幅2.89%、9.41%、8.32%, 葉片增幅15.88%、3.62%、11.49%; 與GRN100相比, GRN80、GRN70莖鞘干物重分配齊穗期增幅1.92%、4.74%, 成熟期增幅6.34%、5.28%。

圖2 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻干物重分配的影響Fig. 2 Effect of straw-green manure return and nitrogen reduction applications on dry weight partioning of rice

2.3 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對器官氮素累積量的影響

氮肥極顯著影響齊穗期和成熟期莖鞘、葉片、穗氮累積量(P＜0.01), 齊穗期莖鞘、穗氮累積量和成熟期葉片、穗氮累積量年際間(S)差異顯著或極顯著,齊穗期莖鞘、葉片氮累積量和成熟期器官氮累積量年度和氮肥的交互作用(N×S)極顯著(表3)。2020 年水稻齊穗期(圖3-a), 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70分別顯著提高齊穗期莖鞘氮累積量69.59%、84.03%、42.08%, 顯著提高葉片氮累積量53.16%、54.70%、50.50%, 提高穗氮累積量22.60%、45.90%、45.35%, 顯著提高植株氮累積量52.49%、61.86%、47.03%; 與GRN100相比, GRN80提高莖鞘、葉片、植株氮累積量8.52%、1.01%、6.14%, GRN80和GRN70提高穗氮累積量19.06%、18.56%。2020 年成熟期(圖3-c), 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70氮累積量莖鞘顯著增長46.92%、61.49%、55.59%, 葉片62.62%、34.01%、47.54%, 植株24.15%、23.55%、17.56%, 提高穗氮累積量8.51%、12.99%、1.38%; 與GRN100相比, GRN80和GRN70顯著提高莖鞘氮累積量 9.92%、5.90%, GRN80顯著提高穗氮累積量4.13%。2021 年水稻齊穗期(圖3-b), 與NPK 相比,GRN100、GRN80、GRN70分別顯著提高齊穗期莖鞘氮累積量42.24%、37.15%、27.61%, 顯著提高葉片氮累積量85.41%、63.18%、50.33%, 顯著提高穗氮累積量30.54%、37.98%、45.36%, 顯著提高植株氮累積量63.03%、51.02%、42.60%; 與GRN100相比,GRN80和GRN70提高穗氮累積量5.70%、11.36%。2021 年成熟期(圖3-d), 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70分別顯著提高莖鞘氮累積量62.33%、48.08%、41.63%, 顯著提高葉片氮累積量121.01%、75.33%、83.68%, 顯著提高穗氮累積量24.92%、26.94%、11.47%, 顯著提高植株氮累積量43.07%、35.16%、23.54%。2 年總體而言, 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70齊穗期莖鞘氮累積量顯著平均增長55.89%、60.59%、34.84%, 葉片69.28%、58.94%、50.41%, 穗26.57%、41.94%、45.35%, 植株57.76%、56.44%、44.81%; GRN100、GRN80、GRN70成熟期莖鞘氮累積量平均增長54.62%、54.78%、48.61%, 葉片91.81%、54.67%、65.61%, 穗16.71%、19.96%、6.42%, 植株33.61%、29.35%、20.55%。與GRN100相比, GRN80和GRN70齊穗期穗氮累積量平均增長12.38%、14.96%。

圖3 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻氮素累積量的影響Fig. 3 Effect of straw-green manure return and nitrogen reduction applications on nitrogen accumulation

齊穗期莖鞘、葉片、穗氮累積量分配和成熟期莖鞘、穗氮累積量分配受氮肥極顯著影響, 齊穗期莖鞘、葉片氮累積量分配年度和氮肥的交互作用極顯著, 成熟期葉片、穗氮累積量分配年度、年度和氮肥的交互作用極顯著(表3)。水稻齊穗期各器官氮累積量分配表現為葉片＞莖鞘＞穗(圖4-a), 分別占比51.74%、30.16%、18.11%。水稻成熟期各器官干物質占比為穗＞葉片＞莖鞘(圖4-b), 分別占比66.43%、17.60%、15.96%。與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70齊穗期葉片氮累積量分配增幅為 7.01%、1.81%、3.80%, 成熟期莖鞘氮累積量分配增幅16.85%、19.87%、23.32%, 葉片增幅 40.51%、16.20%、33.86%; 與GRN100相比, GRN80、GRN70齊穗期穗氮累積量分配增幅為12.97%、25.02%, 成熟期莖鞘氮累積量分配增幅2.58%、5.54%。

圖4 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻氮素累積量分配的影響Fig. 4 Effect of straw-green manure return and nitrogen reduction applications on nitrogen accumulation partioning of rice

2.4 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻氮轉運的影響

齊穗后莖鞘、葉片、穗氮轉運量、莖鞘、葉片氮轉運率受年際(S)、氮肥(N)、年際和氮肥交互作用(N×S)的顯著或極顯著影響, 氮素轉運效率、氮轉運貢獻率受年際(S)和氮肥(N)的極顯著影響(表 3,P＜0.01)。2020 年, 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70分別顯著提高莖鞘氮轉運量 94.77%、109.07%、27.01%, 葉片氮轉運量74.03%、77.25%、57.83%, 提高葉片轉運率3.10%、12.30%、3.14%,GRN100和GRN80顯著提高莖鞘轉運率16.54%、14.87%, 穗中氮增量8.90%、3.44%; 與GRN100相比,GRN80提高莖鞘、葉片氮轉運量7.34%、1.85%。2021年, 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70分別提高莖鞘氮轉運量12.39%、20.91%、6.77%, 顯著提高葉片氮轉運量72.08%、58.61%、37.88%, GRN100和GRN80顯著提高穗中氮增量23.77%、24.66%; 與GRN100相比, GRN80提高莖鞘氮轉運量和穗中氮增量7.58%、0.72%。2 年總體而言, 與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70莖鞘氮轉運量平均增長53.58%、64.99%、16.89%, 葉片增長73.05%、67.93%、47.85%,GRN100和GRN80顯穗中氮增量平均增長20.15%、19.76%, 氮轉運貢獻率41.09%、37.01%、27.75%; 與GRN100相比, GRN80莖鞘氮轉運量平均增長7.46%,GRN80和GRN70氮轉運貢獻率分別減少2.89%、10.44%。GRN80莖鞘轉運率、葉片轉運率、氮素轉運效率, 與NPK 相比, 分別增長1.53%、2.49%、3.66%; 與GRN100相比, 分別增長2.73%、9.35%、6.86% (圖5)。

圖5 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻氮轉運的影響Fig. 5 Effect of straw-green manure return and nitrogen reduction applications on nitrogen transport of rice

2.5 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對氮素利用特征的影響

氮素收獲指數、氮素干物質生產效率、氮素回收率、氮肥生理利用率受年度(S)、氮肥(N)、年度和氮肥交互作用(N×S)的顯著或極顯著影響, 氮肥農學效率、氮肥偏生產力受年度(S)、氮肥(N)的顯著或極顯著影響(表3)。與NPK 相比, GRN100、GRN80、GRN70分別顯著降低氮素干物質生產效率20.92%、10.64%、12.25%, 降低氮肥生理利用率32.89%、24.61%、17.88%, 氮肥農學效率增幅7.81%、46.26%、63.03%, 氮素回收率顯著增加57.36%、90.47%、97.19%, 氮肥偏生產力增加3.55%、34.66%、52.00%;與GRN100相比, GRN80和GRN70氮素干物質生產效率增加 13.00%、10.97%, 氮肥生理利用率增加12.34%、22.37%, 氮肥農學效率顯著增加35.66%、51.21%, 氮素回收率顯著增加21.04%、25.52%, 氮肥偏生產力增加30.04%、46.79% (圖6)。

(圖5)

圖6 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻氮素利用特征的影響Fig. 6 Effect of straw-green manure return and nitrogen reduction applications on characteristics of nitrogen utilization

3 討論

3.1 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻產量和干物質量的影響

紫云英和水稻秸稈協同還田條件下氮肥減施20%～40%可以穩定或提高水稻產量[12,25]。本試驗中與冬閑常規施氮相比, 紫云英水稻秸稈協同還田各處理水稻2 年平均增產3.50%～7.65%, 與GRN100相比, 減氮 20%和減氮 30%增產幅度達 4.00%和2.77%。本試驗中兩季紫云英還田量相同, GRN100紫云英氮含量比減氮20%高1.32%, 比減氮30%高5.34%, 水稻秸稈還田量均以減氮20%和30%高于常規施氮, 分別平均增長10.85%和3.80%, 氮含量平均增長24.25%和13.59%。秸稈還田能促進作物對氮素的吸收, 與化肥配施時, 秸稈中的氮素礦化率能提高3.7%, 可增大土壤氮庫, 提升土壤供氮潛力,進而提高作物產量[26], 且秸稈還田增產幅度隨年限的增加穩步增長[27]。紫云英增產節肥潛力隨種植年限的增加而增加, 其還田腐解后釋放的養分可促進作物根系生長, 提高其對養分的吸收利用效率, 進而提高水稻產量[28]。本試驗中GRN100、GRN80、GRN70紫云英翻壓還田前氮累積量分別為55.93、55.20、53.09 kg hm-2, 各處理水稻生育季氮素總用量實際分別為235.93、199.20、179.09 kg hm-2, 紫云英還田增加了氮素供應, 從而促進了水稻生長。綠肥水稻秸稈協同還田可以增加水稻產量構成要素,提高水稻產量[25], 本試驗中與冬閑常規施氮相比,紫云英水稻秸稈協同還田各處理有效穗增加8.30%～19.48%, 每穗實粒數5.49%～7.03%, 千粒重1.65%～4.27%。地上部干物質積累與分配對水稻產量的影響較大[8,29], 而氮肥用量及氮素來源會影響水稻地上部干物質的積累[30]。本研究中與冬閑常規施氮相比,紫云英水稻秸稈協同還田各處理齊穗期2 年莖鞘、葉片、穗干物質量平均增長25.54%～44.79%、44.79%～53.74%、33.76%～61.81%, 成熟期莖鞘、葉片增長6.87%～25.57%、20.87%～23.46%; 紫云英水稻秸稈協同還田下減氮20%比常規施氮提高齊穗期穗干物質量21.33%, 提高成熟期莖鞘、穗干物質量17.52%、10.91%, 才碩等[31-32]研究表明綠肥與水稻秸稈聯合還田可以顯著提高早、晚稻干物質積累和群體生長率, 氮肥減量后移有利于水稻抽穗后保持較高的群體生長速率, 進而增加抽穗后干物質積累量, 實現水稻減肥增產[33]。紫云英與水稻秸稈聯合還田可以改善土壤氮素供應, 提高氮素有效性, 尤其是保障水稻生育后期氮素供應[34], 從而促進后期干物質轉運積累, 本試驗中紫云英水稻秸稈協同還田下減氮20%處理2 年水稻平均群體生長率達14.08 g m-2d-1,而常規施肥為12.16 g m-2d-1。相關研究也顯示[35-36],水稻田種植綠肥有助于干物質積累, 常規施肥減氮20%條件下, 翻壓綠肥可以提高水稻植株干物質積累18.8%, 這與本文研究結果相一致。

3.2 紫云英水稻秸稈協同還田與氮肥減量配施對水稻氮素吸收和利用的影響

稻田種植紫云英聯合水稻秸稈翻壓還田有利于培育土壤氮庫, 促進水稻對氮素的吸收利用, 提高稻田氮肥利用率, 水稻季可減施部分化學氮肥[37-38]。本試驗中兩季紫云英水稻秸稈協同還田各處理可以提高水稻齊穗期莖鞘、葉片、穗氮累積量, 且與GRN100相比, 減氮20%和30%更有利于穗中氮累積量。成熟期GRN100植株氮累積量均高于其他處理, 可能是因為氮投入過量, 致使水稻生育后期“源庫不協調”,影響孕穗期后氮素和干物質向穗中轉移, 秸稈氮素積累量較高[39-40]。本試驗中成熟期紫云英水稻秸稈協同還田各處理穗氮累積量占比植株66.43%, 說明營養生長期是植株氮素吸收和轉移的關鍵時期, 與NPK 相比, 成熟期紫云英水稻秸稈協同還田提高了莖鞘、葉片、穗氮累積量, 且增加了莖鞘、葉片氮轉運量?？赡苁且驗樽显朴⑺窘斩掃€田后促進了土壤微生物的繁殖和養分的釋放, 提高了土壤養分含量, 協調水稻個體和群體生長, 顯著提高了水稻地上部分的干物質量和群體吸氮量, 尤其是提高了水稻中后期的群體干物質量和吸氮量[41], 增加了水稻葉及莖鞘儲備物質向穗部轉移量[42], 進而提高了作物產量。前人大量研究表明, 紫云英綠肥還田和水稻秸稈還田均有利于水稻對氮素的吸收利用, 能夠提高水稻的氮肥利用率[38,43]。本試驗中, 紫云英水稻秸稈協同還田比NPK 提高了氮肥農學效率、氮素回收率和氮肥偏生產力, 且與GRN100相比, 減氮20%和30%均提高了氮素干物質生產效率、氮肥生理利用率、氮肥農學效率、氮素回收率和氮肥偏生產力, 表明紫云英水稻秸稈協同還田減氮 20%和30%可以為水稻整個生育期提供相對平衡的氮素供應, 促進氮素吸收, 提高氮肥利用率。這與陳靜蕊等[44]研究結果相一致, 早稻各減肥配施紫云英處理比常規施肥能顯著提高氮肥農學利用率、偏生產力和回收率。朱嘉俊等[45]研究發現, 紫云英和秸稈還田下減施氮肥可顯著提高氮素利用率; 張璐等[46]發現綠肥配施常規化肥或氮減量20%～40%化肥均能顯著提高水稻氮肥偏生產力和氮肥農學效率。水稻秸稈與豆科綠肥聯合利用可實現碳氮協調效應,有機無機配施促進了微生物的生長繁殖, 使水稻生育期前期固定了較多的礦質氮, 在水稻生育中后期這些氮素被吸收利用, 從而提高了水稻氮素的吸收利用。

漢中位于陜西南部, 是陜西省水稻的主產區,面積和總產占全省水稻的70%左右, 是最佳優質秈稻的適生區, 同時也是南水北調中線工程水源涵養地, 但是本區域化肥使用量普遍較大, 有機肥投入嚴重缺乏, 稻田土壤質量退化, 農業面源污染潛在分析較大, 制約了農業綠色高質量發展, 科學適度輪作休耕對提升耕地綜合生產能力和推動農業綠色高質量發展具有重要意義。秸稈和綠肥是清潔有機肥源, 綠肥秸稈協同還田是落實兩藏戰略(藏糧于地、藏糧于技)及雙碳戰略的主要技術路徑, 對農田化肥減量、提升耕地質量、固碳減排從而保障糧食安全具有重要意義。推廣應用紫云英水稻秸稈協同還田種植模式有利于構建本區域多元化種植結構, 提升耕地質量。稻田是重要的溫室氣體排放源,施用綠肥、稻草等外源有機物料會直接或間接影響到溫室氣體的排放。有研究認為稻-綠輪作體系中水稻季的溫室氣體排放低于稻-麥輪作, 綠肥水稻秸稈聯合還田可以降低溫室效應[47]; 也有研究認為綠肥水稻秸稈聯合還田會增加溫室氣體的排放[48],針對綠肥和水稻秸稈聯合還田下水稻季溫室氣體排放的相關報道較少, 二者聯合還田所引起的正負效應結論不一, 因此下一步有必要針對性的開展綠肥水稻秸稈聯合還田下水稻溫室氣體排放方面的研究。

4 結論

與常規施用化肥相比, 紫云英水稻秸稈協同還田可以增加水稻產量, 提高水稻產量構成要素(有效穗、每穗實粒數、千粒重), 提高水稻齊穗期和成熟期莖鞘、葉片、穗干物質量和氮累積量, 增加莖鞘、葉片氮轉運量, 提高氮肥農學效率、氮素回收率、氮肥偏生產力; 與GRN100相比, 減氮20%和30%可以增加水稻產量, 提高齊穗期穗氮累積量, 提高氮素干物質生產效率、氮肥生理利用率、氮肥農學效率、氮素回收率和氮肥偏生產力。紫云英水稻秸稈協同還田減氮20%和30%的農業管理措施符合化肥零增長和農業綠色可持續發展理念, 是適宜漢中地區水稻生產的綠色高效栽培模式。