皖南單季稻區(qū)種植利用紫云英對水稻產(chǎn)量、氮肥利用率及稻米品質(zhì)的影響

卜容燕，韓 上，程文龍，胡 潤，朱 勤，李 敏，王 慧，唐 杉，武 際*

（1．安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所/養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2．池州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，安徽 池州 247100）

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對優(yōu)質(zhì)稻米的需求進(jìn)一步提高。稻米的品質(zhì)除了受水稻基因型和氣候條件影響外，肥料的影響不可忽視，尤其是氮肥的投入［1-3］。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在生產(chǎn)中過度依賴化學(xué)肥料，不僅帶來了較多的資源浪費，還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題［4］。因此，如何通過合理的施肥來實現(xiàn)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和肥料利用效率的同步提升是目前亟須解決的問題。

紫云英是傳統(tǒng)的稻田豆科綠肥，在我國南方稻作區(qū)，利用冬閑田種植紫云英不僅可以充分地利用光熱資源［5］，還可以利用其生長過程中的生物固氮作用補充土壤氮庫，具有培肥土壤的作用［6-7］。紫云英植株含有豐富的氮素，翻壓還田后能釋放大量的養(yǎng)分供下季水稻吸收利用［8］。Cai等［9］對紫云英體內(nèi)的氮來源進(jìn)行定量化研究發(fā)現(xiàn)，有78%的氮素來自生物固氮，翻壓還田后帶入土壤的氮素高達(dá)93 kg/hm2。不同于化學(xué)氮肥，Zhu等［10］研究指出紫云英腐解釋放的氮更能匹配水稻氮素需求，因此，在稻田系統(tǒng)種植利用紫云英，可在保障水稻產(chǎn)量的同時適當(dāng)減少化學(xué)氮肥投入，具有較高的經(jīng)濟和環(huán)境效益［11］。

氮素作為植物體內(nèi)重要的組成成分，不僅影響水稻的產(chǎn)量，對優(yōu)質(zhì)稻米的形成也是至關(guān)重要的［12］。長期以來，國內(nèi)外在施肥對稻米品質(zhì)方面進(jìn)行了大量研究，尤其是在氮肥方面開展的研究相對較多。如張洪程等［13］、劉代銀等［14］的研究均表明增施氮肥有利于提高稻米加工、營養(yǎng)和食味品質(zhì)。在不同氮肥種類方面，侯均昊等［15］研究表明，緩控釋肥通過緩慢釋放養(yǎng)分滿足作物不同生長期養(yǎng)分需求來提高稻米的外觀和營養(yǎng)品質(zhì)。周江民［16］研究表明，適宜有機肥和無機肥配施下稻米品質(zhì)更佳。以上研究均表明氮肥用量和氮肥種類對稻米品質(zhì)具有明顯的影響，然而目前關(guān)于種植利用紫云英替代部分氮肥對稻米品質(zhì)影響的研究鮮見報道。隨著人們對優(yōu)質(zhì)稻米的需求不斷增加，明確紫云英替代部分氮肥對稻米品質(zhì)的影響具有重要意義。為此，本文利用已有的定位試驗研究紫云英替代部分氮肥對水稻產(chǎn)量、氮素吸收、氮肥利用率和品質(zhì)的綜合影響，以期為優(yōu)質(zhì)水稻的生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

供試田塊位于安徽省池州市貴池區(qū)（30°38′8′′N，117°24′34′′ E），該地區(qū)屬于典型的北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量1600 mm，年平均日照時數(shù)1800 h，年平均氣溫16.5℃；供試土壤屬于河流沖積物發(fā)育的水稻土，質(zhì)地為黏土。試驗前土壤基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)20.2 g/kg、全氮1.3 g/kg、有效磷13.1 mg/kg、速效鉀62.4 mg/kg、pH 6.10、土壤容重1.25 g/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗開始于2017年，本研究選取了其中的6個處理，分別為：（1）冬閑，水稻季不施氮肥（簡稱-N）；（2）冬閑，水稻季施常規(guī)氮肥（202.5 kg/hm2）（簡稱100% N）；（3）種植利用紫云英，水稻季不施氮肥（簡稱GM）；（4）種植利用紫云英，水稻季施40%常規(guī)氮肥（簡稱GM+40%N）；（5）種植利用紫云英，水稻季施60%常規(guī)氮肥（簡稱GM+60% N）；（6）種植利用紫云英，水稻季施80%常規(guī)氮肥（簡稱GM+80% N）。所有處理紫云英不施肥，水稻季均施用75 kg/hm2磷肥和150 kg/hm2鉀肥。每個處理設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積為20 m2，隨機區(qū)組排列。水稻季氮肥分基肥、分蘗肥和穗肥3次施用，施用比例分別為50%、20%和30%。各處理磷肥和鉀肥均一次性基施。紫云英采用撒播的方式播種，播種量為30 kg/hm2。次年水稻移栽前20～25 d翻壓，鮮紫云英翻壓量控制在20000～22500 kg/hm2之間。如果當(dāng)年紫云英生長量不足20000 kg/hm2，則進(jìn)行補充；如果紫云英鮮草量超過22500 kg/hm2，則刈割移出。通過養(yǎng)分測定，2017～2020年每個試驗小區(qū)每年紫云英帶入的氮量為51.5～55.9 kg/hm2。水稻采用育秧移栽，移栽密度為20萬蔸/hm2。氮、磷、鉀肥分別為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）。紫云英品種為“弋江籽”，水稻品種為當(dāng)?shù)氐闹魍破贩N“晶兩優(yōu)華占”。田間管理按照常規(guī)的栽培技術(shù)要求進(jìn)行，病蟲害及雜草的防治同當(dāng)?shù)剞r(nóng)田管理措施一致。

1.3 測定指標(biāo)及方法

氮素含量：每季水稻收獲當(dāng)天在每個小區(qū)隨機選擇6株水稻地上部樣品，分籽粒和莖稈于105℃殺青30 min，然后所有樣品經(jīng)過60℃烘干磨細(xì)過篩，用于氮素含量測定。采用濃H2SO4-H2O2消化后用凱氏定氮法測定氮含量［17］。

外觀品質(zhì)：水稻成熟期時在每個小區(qū)隨機選取代表性植株6蔸，脫粒后采用水漂法選出飽粒，使用礱谷機出糙后，計算糙米率；然后使用精米機（LTJM-2099，浙江托普儀器公司，杭州）出精，計算精米率；使用稻米外觀品質(zhì)檢測儀（JMWT12，北京東孚久恒儀器技術(shù)有限公司，北京）測定稻米堊白粒率和堊白度。

營養(yǎng)品質(zhì)：整精米磨成粉末。稻米直鏈淀粉含量按NY/T 2639-2014《稻米直鏈淀粉含量的測定 分光光度法》方法測定［18］。蛋白質(zhì)含量按GB 5009.5-2016《食品中蛋白質(zhì)的測定方法》［19］方法測定。微波消解后采用ICP-MS型電感藕合等離子質(zhì)譜儀（美國Thermo Fisher Scientific公司）測定稻米礦質(zhì)元素（鋅、鎂、鐵、銅和錳）含量。

水稻產(chǎn)量：各個小區(qū)單打單收測產(chǎn)。

1.4 計算方法

氮肥利用率（REN，%），反映了作物對施入土壤中肥料氮的回收效率，即REN=（U-U0）/F×100，其中，U、U0分別為施氮、不施氮時作物收獲期地上部總吸氮量，F(xiàn)代表氮肥投入量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS 17.0進(jìn)行分析整理，并采用最小顯著性法（LSD）檢驗數(shù)據(jù)的差異顯著性（P＜0.05），采用Origin 2017進(jìn)行一元二次肥料效應(yīng)方程擬合，所有圖形均用Origin 2017進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量、氮素吸收和氮肥利用率影響

2.1.1 產(chǎn)量

不同處理下的水稻產(chǎn)量如表1所示。不施氮肥處理（-N）的水稻產(chǎn)量最低，為6313 kg/hm2。常規(guī)施氮處理（100% N）水稻產(chǎn)量為9266 kg/hm2，比不施氮肥處理增產(chǎn)46.8%。種植利用紫云英，水稻季不施氮肥處理，水稻產(chǎn)量為7005 kg/hm2，比不施氮肥處理增產(chǎn)11.0%（P＜0.05）。種植利用紫云英的基礎(chǔ)上，水稻產(chǎn)量隨著氮肥用量（N 81～162 kg/hm2）的增加表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢，增幅為28.8%～49.6%。在種植翻壓紫云英的基礎(chǔ)上減施40%化學(xué)氮肥后水稻產(chǎn)量與常規(guī)施氮處理無顯著差異，但是當(dāng)?shù)视昧康陀诔Ｒ?guī)氮肥用量40%后水稻產(chǎn)量顯著降低，降幅為7.9%（P＜0.05）。

2.1.2 氮素吸收

不同施肥處理對水稻氮素吸收影響較大（表1）。所有施肥處理水稻籽粒和秸稈氮素積累量均顯著高 于-N處理（P＜0.05）。其中100% N和GM+80% N處理氮素總吸收量最高，分別為156.7和157.2 kg/hm2。其次是GM+60% N處理，為147.2 kg/hm2，比100% N處理 低6.5%（P＜0.05）。從 水稻不同部位氮素分配角度分析可知，GM+60% N處理籽粒氮素吸收量占總吸收量的比例最大，為65.3%；其次是GM+80% N處理，為63.1%。雖然100% N處理水稻氮素總吸收量較高，但是籽粒氮素吸收量占總吸收量的比例為61.3%，低于種植利用紫云英處理，說明種植利用紫云英配施適宜的氮肥用量有利于促進(jìn)水稻籽粒氮素的吸收。

2.1.3 氮肥利用率

不同施肥處理對水稻季氮肥利用率具有明顯影響（表1）。100% N處理氮肥利用率為33.0%。在種植利用紫云英的基礎(chǔ)上，水稻季氮肥利用率為36.8%～41.7%，均顯著高于100% N處理（P＜0.05）。以上表明種植利用紫云英有利于提高水稻季氮肥利用率。

表1 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量、氮素吸收和氮肥利用率的影響

2.2 不同施肥處理對稻米品質(zhì)的影響

2.2.1 稻米加工和外觀品質(zhì)

表2表明不同處理對稻米加工和外觀品質(zhì)有明顯的影響。與-N處理相比，施肥處理均能提高稻米的糙米率、精米率和整精米率，降低了稻米的堊白度，對堊白粒率影響不顯著。其中單施化肥處理稻米的糙米率、精米率和整精米率分別增加2.4%、1.1%和4.1%，堊白度下降6.3%。種植利用紫云英配施60%、80%化學(xué)氮肥處理稻米的糙米率、精米率和整精米率均高于單施化肥處理，堊白度低于單施化肥處理。這表明種植利用紫云英的基礎(chǔ)上配施合理的氮肥可以有效地改良稻米的加工和外觀品質(zhì)。

表2 不同施肥處理對稻米的加工和外觀品質(zhì)的影響 （%）

2.2.2 稻米直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量

由圖1可知，不同施肥處理稻米的直鏈淀粉含量為13.3%～17.6%。不施肥處理稻米的直鏈淀粉含量最高，施肥均不同程度降低了稻米的直鏈淀粉含量，降幅為17.6%～24.7%，達(dá)到顯著水平。從不同施肥處理看，種植利用紫云英基礎(chǔ)上配施化學(xué)氮肥處理有利于降低稻米的直鏈淀粉含量，降幅為3.7%～8.4%，GM、GM+40% N和GM+60% N 3個處理的稻米直鏈淀粉含量最低。

圖1 不同施肥處理對稻米的直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量的影響

與直鏈淀粉含量變化趨勢不同，不施肥處理稻米蛋白質(zhì)含量最低，施肥均不同程度地增加了稻米的蛋白質(zhì)含量?？傮w上表現(xiàn)為隨著氮肥用量的增加表現(xiàn)為增加的趨勢。其中GM+80% N和100% N處理稻米蛋白質(zhì)含量差異不顯著，分別為78.4%和77.8%。

2.2.3 稻米礦質(zhì)元素含量

由表3可知，不同施肥處理下稻米鈣、鎂、鐵、鋅含量的變化趨勢一致，與-N處理相比，施氮后稻米鈣、鎂、鐵、鋅含量增加。100% N處理較-N處理，其鈣、鎂、鐵、鋅的含量分別顯著提高23.5%、8.8%、3.1%、1.2%。種植利用紫云英可以提高稻米鈣、鎂、鐵、鋅的含量，其中以GM+80% N處理增幅最大，其鈣、鎂、鐵、鋅的含量較-N處理分別顯著提高了41.3%、24.9%、12.7%、4.9%；較100% N處理分別顯著提高了14.4%、14.8%、9.4%、3.7%。

表3 不同施肥處理稻米鈣、鎂、鐵、鋅含量的影響 （mg/kg）

3 討論

3.1 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量、氮素吸收和氮肥利用率的影響

本試驗結(jié)果表明，在經(jīng)過了4年種植利用紫云英后，化學(xué)氮肥用量減量40%下水稻產(chǎn)量不減產(chǎn)。這個結(jié)果與高嵩涓等［11］研究結(jié)果相似。紫云英是典型的豆科綠肥，可以通過與根瘤菌共生固定大氣中氮氣［5，20］，楊璐［21］研究表明紫云英體內(nèi)有59%～85%的氮來自生物固氮。在紫云英-水稻輪作系統(tǒng)中，紫云英于盛花期翻壓還田后可釋放其體內(nèi)積累的氮素供下茬水稻吸收利用。在本試驗條件下，通過對紫云英的生物量和氮積累量進(jìn)行估算可知，每年紫云英還田生物量在20000～22500 kg/hm2之間，帶入的氮量為51.5～55.9 kg/hm2，這部分帶入的氮是增加水稻產(chǎn)量和氮素吸收的重要原因。另外，長期紫云英還田，有利于改善土壤肥力［22-23］。一方面大量的紫云英還田可以增加土壤的有機碳輸入，增加土壤養(yǎng)分含量［24］；另一方面低碳氮比的有機物料還田可以增加土壤微生物的多樣性和豐富度，改善土壤氮素的有效性［25］。有研究認(rèn)為，紫云英還田后釋放的氮素比化學(xué)氮肥更匹配水稻氮營養(yǎng)的需求［10］。氮同位素示蹤試驗結(jié)果表明，紫云英還田后，水稻體內(nèi)有25%～45%的氮素來源于紫云英［26］，因此，紫云英是水稻很好的養(yǎng)分來源。除此之外，紫云英腐解初期會固定土壤中過多的氮素，減少氮素?fù)p失，這部分被固定的氮素在水稻生育后期可以釋放供水稻吸收利用［27］。本試驗結(jié)果也表明，種植利用紫云英的基礎(chǔ)上配施適宜的氮肥可以提高水稻季氮肥利用效率，經(jīng)過了4年紫云英翻壓還田后，可以替代水稻季40%的化學(xué)氮肥，有利于水稻節(jié)肥增效。

3.2 不同施肥處理對稻米品質(zhì)的影響

稻米的品質(zhì)除受遺傳因素調(diào)控外，其生育過程中施肥措施會對稻米品質(zhì)產(chǎn)生較大的影響［28］。大量研究表明在作物生長過程中氮素營養(yǎng)狀況是決定作物產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一［29-30］。孟琳等［31］研究認(rèn)為有機肥替代10%～20%化學(xué)氮肥用量，可以改善土壤氮素供應(yīng)過程，為水稻的生長持續(xù)提供養(yǎng)分，從而提高了水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)。俞衛(wèi)星等［32］和李武等［33］研究也表明，與速效化學(xué)氮肥施用相比，緩釋氮肥施用更有利于提高稻米品質(zhì)。在水稻生長前期施氮主要影響水稻分蘗數(shù)和單位面積穗數(shù)；水稻生長后期施氮主要是影響水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)［34］。已研究指出紫云英僅生物固氮就能為下茬水稻提供24～55 kg/hm2的氮素營養(yǎng)［35］。Singh等［26］研究發(fā)現(xiàn)水稻體內(nèi)有25%～45%的氮素來源于豆科氮素。Zhu等［10］研究指出紫云英釋放的氮素能更好地匹配水稻的氮素需求。除此之外，在改善土壤碳庫和氮庫的同時，長期紫云英還田也帶來了大量的磷、鉀和其他的中微量元素等養(yǎng)分，從而促進(jìn)了水稻的生長和養(yǎng)分吸收，提高了稻米的品質(zhì)［36］。種植利用紫云英的基礎(chǔ)上，合理減施化學(xué)氮肥能確保水稻各個時間養(yǎng)分穩(wěn)定供應(yīng)，提高了水稻籽粒產(chǎn)量和改善了稻米品質(zhì)。本研究中氮肥類型和用量均會對稻米品質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生不同程度的影響，種植利用紫云英后有利于改善稻米品質(zhì)，但與100% N處理相比，種植紫云英后，配施的化學(xué)氮肥用量不足時對稻米的加工品質(zhì)影響不大，但不利于稻米的外觀品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)。這與唐繼偉等［2］研究結(jié)果一致，無論是有機肥氮還是化學(xué)氮肥，適宜氮肥用量條件下稻米品質(zhì)較好，氮肥用量不足或者過量均不利用稻米品質(zhì)。當(dāng)達(dá)到一定氮用量時，適宜的有機無機配施更有利于提高水稻的品質(zhì)。在本研究中，GM+80% N處理稻米加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)最佳；其次是GM+60% N處理。其中GM+60% N處理稻米的糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、直鏈淀粉、鈣、鎂、鐵和鋅含量與GM+80% N處理差異不顯著；但堊白度和蛋白質(zhì)含量顯著低于GM+80% N處理（P＜0.05）；當(dāng)化學(xué)氮肥用量低于60%常規(guī)氮肥用量時，水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)均受到不同程度的影響。這說明首先要保障作物的氮素需求，然后進(jìn)行合理的有機無機配施才是改善水稻品質(zhì)的關(guān)鍵。梁琴等［36］研究也表明綠肥配施適量的氮肥有利于提高稻米的整精米率。因此在本試驗條件下，在種植利用紫云英的基礎(chǔ)上減施40%化學(xué)氮肥較為合適，有利于水稻獲得高產(chǎn)和改善稻米品質(zhì)。

4 結(jié)論

4年田間定位試驗研究表明，在長期種植利用紫云英的基礎(chǔ)上，適量減水稻季化學(xué)氮肥用量對水稻產(chǎn)量、氮素吸收、氮肥利用率和品質(zhì)均具有顯著的影響。與常規(guī)施氮處理相比，在種植利用紫云英的基礎(chǔ)上，水稻季減施40%化學(xué)氮肥不會降低水稻的產(chǎn)量，有利于提高水稻季氮肥利用率和稻米的糙米率、精米率、整精米率、鈣、鎂、鐵及鋅含量，降低了堊白度、直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量。綜合考慮作物的產(chǎn)量、氮肥利用率和品質(zhì)效應(yīng)，在本試驗條件下，種植利用紫云英、水稻季氮肥減施40%比較適宜，有利于水稻節(jié)肥增效并獲得優(yōu)質(zhì)稻米。