皖南單季稻區種植利用紫云英對水稻產量、氮肥利用率及稻米品質的影響

卜容燕，韓 上，程文龍，胡 潤，朱 勤，李 敏，王 慧，唐 杉，武 際*

（1．安徽省農業科學院土壤肥料研究所/養分循環與資源環境安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2．池州市農業科學研究所，安徽 池州 247100）

近年來，隨著經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，人們對優質稻米的需求進一步提高。稻米的品質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］。傳統農業在生產中過度依賴化學肥料，不僅帶來了較多的資源浪費，還造成了嚴重的環境污染問題［4］。因此，如何通過合理的施肥來實現水稻產量、品質和肥料利用效率的同步提升是目前亟須解決的問題。

紫云英是傳統的稻田豆科綠肥，在我國南方稻作區，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分供下季水稻吸收利用［8］。Cai等［9］對紫云英體內的氮來源進行定量化研究發現，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93 kg/hm2。不同于化學氮肥，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，在稻田系統種植利用紫云英，可在保障水稻產量的同時適當減少化學氮肥投入，具有較高的經濟和環境效益［11］。

氮素作為植物體內重要的組成成分，不僅影響水稻的產量，對優質稻米的形成也是至關重要的［12］。長期以來，國內外在施肥對稻米品質方面進行了大量研究，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、營養和食味品質。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分滿足作物不同生長期養分需求來提高稻米的外觀和營養品質。周江民［16］研究表明，適宜有機肥和無機肥配施下稻米品質更佳。以上研究均表明氮肥用量和氮肥種類對稻米品質具有明顯的影響，然而目前關于種植利用紫云英替代部分氮肥對稻米品質影響的研究鮮見報道。隨著人們對優質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量、氮素吸收、氮肥利用率和品質的綜合影響，以期為優質水稻的生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

供試田塊位于安徽省池州市貴池區（30°38′8′′N，117°24′34′′ E），該地區屬于典型的北亞熱帶季風氣候區，年平均降水量1600 mm，年平均日照時數1800 h，年平均氣溫16.5℃；供試土壤屬于河流沖積物發育的水稻土，質地為黏土。試驗前土壤基本理化性質為：有機質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%常規氮肥（簡稱GM+40%N）；（5）種植利用紫云英，水稻季施60%常規氮肥（簡稱GM+60% N）；（6）種植利用紫云英，水稻季施80%常規氮肥（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3次重復，小區面積為20 m2，隨機區組排列。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。如果當年紫云英生長量不足20000 kg/hm2，則進行補充；如果紫云英鮮草量超過22500 kg/hm2，則刈割移出。通過養分測定，2017～2020年每個試驗小區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”，水稻品種為當地的主推品種“晶兩優華占”。田間管理按照常規的栽培技術要求進行，病蟲害及雜草的防治同當地農田管理措施一致。

1.3 測定指標及方法

氮素含量：每季水稻收獲當天在每個小區隨機選擇6株水稻地上部樣品，分籽粒和莖稈于105℃殺青30 min，然后所有樣品經過60℃烘干磨細過篩，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：水稻成熟期時在每個小區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；使用稻米外觀品質檢測儀（JMWT12，北京東孚久恒儀器技術有限公司，北京）測定稻米堊白粒率和堊白度。

營養品質：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］。蛋白質含量按GB 5009.5-2016《食品中蛋白質的測定方法》［19］方法測定。微波消解后采用ICP-MS型電感藕合等離子質譜儀（美國Thermo Fisher Scientific公司）測定稻米礦質元素（鋅、鎂、鐵、銅和錳）含量。

水稻產量：各個小區單打單收測產。

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代表氮肥投入量。

1.5 數據分析

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

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻產量、氮素吸收和氮肥利用率影響

2.1.1 產量

不同處理下的水稻產量如表1所示。不施氮肥處理（-N）的水稻產量最低，為6313 kg/hm2。常規施氮處理（100% N）水稻產量為9266 kg/hm2，比不施氮肥處理增產46.8%。種植利用紫云英，水稻季不施氮肥處理，水稻產量為7005 kg/hm2，比不施氮肥處理增產11.0%（P＜0.05）。種植利用紫云英的基礎上，水稻產量隨著氮肥用量（N 81～162 kg/hm2）的增加表現為逐漸增加的趨勢，增幅為28.8%～49.6%。在種植翻壓紫云英的基礎上減施40%化學氮肥后水稻產量與常規施氮處理無顯著差異，但是當氮肥用量低于常規氮肥用量40%后水稻產量顯著降低，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的影響

2.2.1 稻米加工和外觀品質

表2表明不同處理對稻米加工和外觀品質有明顯的影響。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。

表2 不同施肥處理對稻米的加工和外觀品質的影響 （%）

2.2.2 稻米直鏈淀粉和蛋白質含量

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%，達到顯著水平。從不同施肥處理看，種植利用紫云英基礎上配施化學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含量最低，施肥均不同程度地增加了稻米的蛋白質含量?？傮w上表現為隨著氮肥用量的增加表現為增加的趨勢。其中GM+80% N和100% N處理稻米蛋白質含量差異不顯著，分別為78.4%和77.8%。

2.2.3 稻米礦質元素含量

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量、氮素吸收和氮肥利用率的影響

本試驗結果表明，在經過了4年種植利用紫云英后，化學氮肥用量減量40%下水稻產量不減產。這個結果與高嵩涓等［11］研究結果相似。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有59%～85%的氮來自生物固氮。在紫云英-水稻輪作系統中，紫云英于盛花期翻壓還田后可釋放其體內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］。有研究認為，紫云英還田后釋放的氮素比化學氮肥更匹配水稻氮營養的需求［10］。氮同位素示蹤試驗結果表明，紫云英還田后，水稻體內有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，減少氮素損失，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］。本試驗結果也表明，種植利用紫云英的基礎上配施適宜的氮肥可以提高水稻季氮肥利用效率，經過了4年紫云英翻壓還田后，可以替代水稻季40%的化學氮肥，有利于水稻節肥增效。

3.2 不同施肥處理對稻米品質的影響

稻米的品質除受遺傳因素調控外，其生育過程中施肥措施會對稻米品質產生較大的影響［28］。大量研究表明在作物生長過程中氮素營養狀況是決定作物產量和品質的關鍵因素之一［29-30］。孟琳等［31］研究認為有機肥替代10%～20%化學氮肥用量，可以改善土壤氮素供應過程，為水稻的生長持續提供養分，從而提高了水稻的產量和品質。俞衛星等［32］和李武等［33］研究也表明，與速效化學氮肥施用相比，緩釋氮肥施用更有利于提高稻米品質。在水稻生長前期施氮主要影響水稻分蘗數和單位面積穗數；水稻生長后期施氮主要是影響水稻的產量和品質［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［35］。Singh等［26］研究發現水稻體內有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分，從而促進了水稻的生長和養分吸收，提高了稻米的品質［36］。種植利用紫云英的基礎上，合理減施化學氮肥能確保水稻各個時間養分穩定供應，提高了水稻籽粒產量和改善了稻米品質。本研究中氮肥類型和用量均會對稻米品質指標產生不同程度的影響，種植利用紫云英后有利于改善稻米品質，但與100% N處理相比，種植紫云英后，配施的化學氮肥用量不足時對稻米的加工品質影響不大，但不利于稻米的外觀品質和營養品質。這與唐繼偉等［2］研究結果一致，無論是有機肥氮還是化學氮肥，適宜氮肥用量條件下稻米品質較好，氮肥用量不足或者過量均不利用稻米品質。當達到一定氮用量時，適宜的有機無機配施更有利于提高水稻的品質。在本研究中，GM+80% N處理稻米加工品質、外觀品質和營養品質最佳；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；但堊白度和蛋白質含量顯著低于GM+80% N處理（P＜0.05）；當化學氮肥用量低于60%常規氮肥用量時，水稻的產量和品質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，然后進行合理的有機無機配施才是改善水稻品質的關鍵。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上減施40%化學氮肥較為合適，有利于水稻獲得高產和改善稻米品質。

4 結論

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上，適量減水稻季化學氮肥用量對水稻產量、氮素吸收、氮肥利用率和品質均具有顯著的影響。與常規施氮處理相比，在種植利用紫云英的基礎上，水稻季減施40%化學氮肥不會降低水稻的產量，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、直鏈淀粉和蛋白質含量。綜合考慮作物的產量、氮肥利用率和品質效應，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，有利于水稻節肥增效并獲得優質稻米。