绿肥与稻草联合还田配施减量化肥提升双季稻产量并降低气态氮损失

《Journal of Agriculture and Food Research》：Co-incorporation of green manure and rice straw with reduced synthetic fertilizer benefits rice yield while decreasing gaseous N losses in double-cropped rice fields

　　

专业摘要翻译 绿肥与稻草联合还田配施减量化肥可提升双季稻产量并降低气态氮损失。本研究通过为期2年的田间试验，评估了绿肥与稻草联合还田对水稻产量、植株氮吸收、土壤肥力以及氨（NH3）挥发和氧化亚氮（N2O）排放的影响。结果表明，与常规施肥（N100）处理相比，绿肥与稻草联合还田（GRN100和GRN60）使早稻产量分别提高18.2%和12.0%，晚稻产量分别提高2.8%和2.2%，双季稻总产量提高13.3%。绿肥与稻草联合还田显著提高了氮肥利用率（NUE），较常规施肥提高12.5%。在气态氮损失方面，与N100处理相比，GRN100和GRN60处理的年NH3排放量分别显著降低10.3%和30.1%，年N2O排放量分别显著降低13.6%和45.5%。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析表明，氮输入是影响稻田NH3排放的关键因素（β=0.94，p<0.001），而N2O排放主要受氮输入（β=0.79，p<0.01）、速效钾（β=-0.66，p<0.001）、Olsen-P（β=-0.50，p<0.01）、土壤有机碳（SOC，β=0.57，p<0.05）和土壤pH（β=0.27，p<0.05）的共同驱动。研究结果表明，绿肥与稻草联合还田能够在减少化肥施用的同时维持水稻产量和氮吸收，并降低气态氮损失，是中国南方稻区实现可持续农业管理的一种优化策略。

论文解读

一、研究背景与意义

水稻是全球最重要的主粮作物之一，养活了全球约一半人口。随着全球人口持续增长，水稻年产量需增加约1000万吨才能满足未来需求。为保障粮食安全和高产，化学肥料的集约化使用在稻田中已十分普遍，这一现象在中国尤为突出。然而，长期过量施用矿质肥料导致氮肥利用率（NUE）下降，大量施用氮肥通过氨（NH₃）挥发和氧化亚氮（N₂O）排放进入环境，分别使NH₃挥发和N₂O排放增加78%和46%，引发多种环境问题，对人类健康和生态系统服务构成威胁。因此，如何在维持较高作物产量的同时减少气态氮损失，实现可持续和环境友好型农业发展，成为亟待解决的关键问题。

绿肥与稻草联合还田是中国南方稻田广泛采用的农艺措施。豆科绿肥（如紫云英）具有生物固氮能力，翻压入土后可为后茬作物提供氮素；但绿肥含氮量高、碳氮比（C/N）低，翻压后分解迅速，释放的养分可能超过后茬作物需求，多余养分进入水体和大气，威胁周边环境，且分解过程中土壤微生物与作物竞争氧气，可能导致作物减产。相比之下，稻草碳氮比高，分解缓慢，会固定土壤矿质氮，降低作物可利用氮浓度，单独施用稻草可能无法增产甚至减产。由于绿肥或稻草单独施用各有弊端，二者联合还田可有效调节碳氮比，满足后茬作物养分需求，因而在中国南方稻田被广泛采用。

然而，绿肥和稻草作为外源有机投入物，会影响土壤氮动态，进而调节气态氮排放。已有研究对绿肥或稻草单独施用对气态氮排放的影响结论不一，因此有必要系统评估绿肥与稻草联合还田对NH₃和N₂O排放的影响。

二、研究设计与关键技术方法

研究人员在江西省农业科学院高安试验站（28.25°N，115.90°E）开展了一项基于2015年以来的长期定位田间试验，试验期为2022年4月至2023年10月。试验采用随机区组设计，设置9个处理，包括：冬闲不施氮肥对照（CK）、冬闲常规施肥（N100）、稻草+常规施肥（RN100）、绿肥+常规施肥（GN100）、绿肥+稻草联合还田+常规施肥（GRN100）、冬闲60%常规施肥（N60）、稻草+60%常规施肥（RN60）、绿肥+60%常规施肥（GN60）、绿肥+稻草联合还田+60%常规施肥（GRN60），每个处理3次重复。

关键技术方法主要包括：采用海绵吸附和KCl提取法原位监测稻田NH₃通量；采用静态暗箱-气相色谱法测定N₂O通量；利用元素分析仪测定土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）；采用连续流动分析仪测定土壤矿质氮（NO₃^--N和NH₄⁺-N）；采用紫外分光光度法和火焰光度法分别测定Olsen-P和速效钾；采用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析氮输入、土壤参数与NH₃和N₂O排放之间的关系。

三、研究结果

3.1 早稻和晚稻产量、地上部氮吸收及表观氮肥利用率

绿肥和稻草的施用及其交互作用显著影响水稻产量、氮吸收和氮肥利用率。GRN100处理早稻产量最高，达6827 kg ha^-1；与N100相比，GRN100和GRN60处理早稻产量分别提高18.2%和12.0%。晚稻产量以GRN100处理最高（7243 kg ha^-1），GRN100和GRN60较N100分别提高2.8%和2.2%。双季稻总产量以GRN100最高（14070 kg ha^-1），排序为GRN100 > GRN60 > GN100 > GN60 > RN100 > RN60 > N100 > N60 > CK。与N100相比，GN100、GRN100、GN60和GRN60处理的地上部氮吸收分别增加22.2%、31.8%、14.9%和20.3%。氮肥利用率以GRN60最高（57.7%），稻草单独施用显著降低氮肥利用率，RN100和RN60较N100分别降低15.8%和8.9%。

3.2 NH₃和N₂O通量

施肥后NH₃通量显著升高，峰值可达3.0 kg N ha^-1 d^-1，常规施肥处理（RN100、N100和GN100）出现最高NH₃通量。晚稻期NH₃峰值一般为早稻期的2.4-4.6倍。各处理年累计NH₃排放量介于66 kg N ha^-1（CK）至241 kg N ha^-1（RN100）之间，晚稻期贡献年NH₃排放的57.4%-63.9%。与N100相比，GN100和GRN100处理的年NH₃排放量分别显著降低7.5%和10.3%；化肥施用量降低40%后，GN60和GRN60处理年NH₃排放量分别降低27.2%和30.1%。

N₂O通量显著低于NH₃通量，各处理N₂O通量范围为0.003-0.237 kg N ha^-1 d^-1。年N₂O排放量介于3.4 kg N ha^-1（CK）至9.2 kg N ha^-1（GN100）之间，绿肥生长季N₂O排放可忽略不计。与N100相比，GN100和GRN100处理的年N₂O排放量分别显著降低9.2%和13.6%；GN60和GRN60处理分别降低42.5%和45.5%。

3.3 气态氮损失及氮输入输出平衡

年气态氮损失介于68 kg N ha^-1（CK）至245 kg N ha^-1（N100）之间，NH₃排放占气态氮损失的绝大部分（平均97.7%）。与N100相比，GN100和GRN100处理的气态氮损失显著降低约12.4%；GN60和GRN60处理降低约31.7%。氮输入输出平衡范围为-146至-6 kg N ha^-1。NH₃排放占施氮量的45.3%-96.1%，而N₂O排放仅占施氮量的1.0%-1.9%。

3.4 土壤参数

绿肥和/或稻草施用显著影响土壤参数。与N100相比，RN60和GRN60处理的土壤有机碳浓度分别显著提高15.7%和22.4%。土壤全氮浓度范围为1.8-2.5 g N kg^-1，除CK外各处理间无显著差异。GN100和GRN100处理的土壤Olsen-P浓度较N100分别显著提高38.4%和39.0%。稻草施用处理（RN100、GRN100、RN60和GRN60）的土壤速效钾浓度较N100显著提高。

3.5 氮输入、土壤参数与NH₃和N₂O排放的相关性

PLS-PM分析显示，氮输入、土壤pH、SOC、TN、矿质氮、Olsen-P和速效钾浓度共同解释了NH₃和N₂O排放变异的84%和89%。NH₃排放主要由氮输入驱动（β=0.94，p<0.001）；N₂O排放主要受氮输入（β=0.79，p<0.01）、速效钾（β=-0.66，p<0.001）、Olsen-P（β=-0.50，p<0.01）、SOC（β=0.57，p<0.05）和土壤pH（β=0.27，p<0.05）的共同影响。

四、讨论与结论

讨论部分总结： 绿肥与稻草联合还田通过调节混合残体的碳氮比、同步养分释放，为水稻全生育期提供稳定养分，从而提高水稻产量和氮吸收。绿肥（紫云英）具有生物固氮能力，低碳氮比使其翻压后快速分解释放大量养分；稻草高碳氮比、分解缓慢，可长期为水稻提供养分。二者联合还田可弥补单独施用的不足。在NH₃减排方面，化肥减施是降低NH₃排放的有效途径，绿肥和/或稻草施用通过提高土壤有机碳、增强土壤缓冲能力、促进微生物固持有效氮以及改变微生物群落结构等机制进一步降低NH₃排放。在N₂O减排方面，稻田淹水环境促进完全反硝化，将N₂O进一步还原为N₂；绿肥和稻草分解加速氧气消耗，形成严格厌氧环境，进一步促进N₂O向N₂转化，从而降低N₂O排放。

结论翻译： 研究人员开展了为期2年的田间试验，评估绿肥与稻草联合还田对水稻产量、植株氮吸收、土壤肥力以及NH₃和N₂O排放的影响。研究结果表明，绿肥与稻草联合还田显著影响水稻产量和氮吸收以及气态氮排放。与常规施肥相比，绿肥与稻草联合还田显著降低了累计NH₃和N₂O排放量，其中NH₃排放是气态氮损失的主要贡献者。绿肥与稻草联合还田主要通过减少化肥施用来影响NH₃排放，而N₂O排放主要受氮输入、土壤pH、SOC、Olsen-P和速效钾浓度的调控。研究结果表明，绿肥与稻草联合还田能够在减少化肥施用的同时维持水稻产量和氮吸收并降低气态氮损失，是中国南方稻区实现农业可持续发展的优化管理策略。