水稻(Oryza sativa L.)作为一种重要的粮食作物，在全球122个国家广泛种植，是世界上一半人口的主要粮食来源^[1]。提高作物产量、产量的可持续性和土壤质量是发展现代化农业、养活世界不断增长的人口的必要手段^[2]。双季稻种植模式约占我国水稻种植面积的40%，这种模式的可持续生产确保了粮食安全^[3]。化肥在农业生产中已成为不可或缺的部分，粮食产量和品质的提升均离不开化肥的施用^[4]。然而，过去很长一段时间内，农户过量依赖化肥，在产量提高的同时也引起诸多环境问题。研究人员对黑龙江、吉林、山东和河南的调查数据进行分析发现，化肥过量施用达到了46.9 kg/hm^2[5]。农业部于2015年推行《到2020年化肥使用量零增长行动方案》^[6]，大力推进化肥减量提效。2016年我国农业化肥用量5.98×10⁷ t，与2015年相比减少3.80×10⁵ t，这也是我国农业化肥用量自1974年以来首次实现负增长；2020年化肥减量提效工作已取得显著成效，我国氮肥施用量已减至1.83×10⁷ t，较2010年降低22.1%^[7]，但部分省仍存在较大的环境风险^[8]。基于我国基本国情，在减施化肥的基础上保证作物增产、稳产对于满足市场需求、保障粮食安全具有重要意义。

秸秆还田是提高耕地质量的重要举措。2010年，我国的秸秆资源达9.01×10⁸ t，相当于单位耕地面积上6 665.52 kg/hm²，比1980年增加1 601.18 kg/hm^2[9]。柳开楼等^[10]研究发现，合理的秸秆还田能显著促进红壤地区作物的生长和产量提升。秸秆还田配施化肥能显著提高土壤有机质含量，增加土壤固碳速率，扩大土壤碳库^[11]，还能提高土壤有效磷和速效钾等养分含量^[12-13]，从而提高作物产量。此外，添加秸秆还能提高土壤微生物生物量碳、氮，从而促进土壤养分的转化和释放^[14]，显著改善土壤性质。

紫云英(Astragalus sinicus L.)是我国南方广泛种植的稻田绿肥，其翻压还田后能有效地改善土壤生态环境^[15]。Kamran等^[16]研究认为，种植紫云英并翻压还田能提高土壤有机质含量，进而提高土壤稳定性。紫云英不仅能提高土壤碳汇，还能抑制稻田土壤中氮的硝化作用，减少氮损失^[17]。近年来，有研究人员创新性地提出紫云英与秸秆联合利用这一模式，且连续11年的田间定位试验结果表明，紫云英与秸秆联合还田+ 40% 化肥处理可以显著改善稻田肥力，促进植株的养分吸收^[18]。这一模式通过降低土壤碳氮比，改善土壤微生物群落结构^[19]，进而提高土壤肥力和作物产量。

目前，关于化肥与绿肥或秸秆结合的不同模式下双季稻产量及土壤肥力状况变化的研究较多，但对于绿肥和秸秆联合还田的影响，尤其是等养分投入条件下土壤肥力变化的研究较少。由此，本研究基于稻–稻–紫云英轮作体系，设置等养分投入对比试验，利用紫云英和秸秆替代部分化肥，研究其对双季稻产量、土壤肥力状况和植株养分的影响，以筛选紫云英和秸秆替代化肥的适宜比例，为紫云英与秸秆联合利用这一创新技术模式下的化肥投入优化提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况及试验设计

田间定位试验位于湖南省长沙市长沙县高桥镇(28°28'49″ N，113°20'50″ E)，始于2016年。该地处于东南亚季风区，属亚热带季风性湿润气候，年均气温16.8 ℃，年均日照时数1 663 h，年均降水量1 422 mm。试验地土壤类型为第四纪红土发育而成的红黄泥。试验前耕层土壤理化性质如表 1所示。供试早稻品种为常规稻“湘早籼32号”，晚稻品种为杂交稻“深优9586”。

试验共设置6个处理，总养分投入量保持相等：①冬闲+氮、磷、钾化肥(CF)；②冬闲+秸秆低量还田+氮、磷、钾化肥(RSL)；③冬闲+秸秆高量还田+氮、磷、钾化肥(RSH)；④紫云英+氮、磷、钾化肥(MV)；⑤紫云英+秸秆低量还田+氮、磷、钾化肥(MV+RSL)；⑥紫云英+秸秆高量还田+氮、磷、钾化肥(MV+ RSH)。采用随机区组设计，3次重复，小区面积20 m²。小区田埂覆膜隔离，单独排灌。

各处理施肥方案见表 2。秸秆在CF和MV处理中被移除，其余处理高量或低量还田，高量秸秆还田量(干重)为5 000 kg/hm²，低量秸秆还田量(干重)为2 500 kg/hm²。包含紫云英的处理，每年10月下旬播种紫云英，播种量为30 kg/hm²，次年早稻移栽前5 ~ 10 d翻压入田，翻压量(鲜重)为14 000 kg/hm²。MV+RSL和MV+RSH处理在上一年晚稻收获后将秸秆覆盖于田面上，早稻移栽前与紫云英共同翻压还田。早稻于4月中旬移栽，7月中旬收获，晚稻于7月下旬移栽，10月下旬收获。每个处理中紫云英、秸秆和化肥的氮、磷、钾的总投入量相等。氮、磷、钾化肥分别为尿素、钙镁磷肥和氯化钾，所有施肥处理的氮肥和钾肥分两次施用：50% 做基肥，50% 做分蘖肥；磷肥做基肥一次性施用。

1.2 样品采集与测定方法 1.2.1 植株样品

2019年早稻和晚稻收获前采集各小区秸秆与籽粒样品，于105 ℃杀青15 min，65 ℃烘干24 h至恒重后磨碎，用于测定水稻秸秆和籽粒养分含量。植株氮、磷、钾采用H₂SO₄-H₂O₂消煮，全氮用凯氏定氮法测定，全磷用钼锑抗比色法测定，全钾用火焰光度计法测定^[20]。

1.2.2 土壤样品

2019年早稻和晚稻收获后在各小区通过五点取样法采集耕层土壤样品，放置于阴凉处风干后研磨并过筛，土壤pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾均采用常规分析方法测定^[20]。

1.3 数据处理与统计分析

土壤综合肥力指数：

$\mathrm{IFI}_i= \begin{cases}\frac{x}{x_a} & x \leqslant x_{\mathrm{a}} \\ 1+\frac{x-x_{\mathrm{a}}}{x_{\mathrm{c}}-x_{\mathrm{a}}} ? & x_{\mathrm{a}} <x \leqslant x_{\mathrm{c}} \\ 2+\frac{x-x_{\mathrm{c}}}{x_{\mathrm{p}}-x_{\mathrm{c}}} ? & x_{\mathrm{c}} <x \leqslant x_{\mathrm{p}} \\ 3 ? & x>x_{\mathrm{p} ?}\end{cases}$

(1)

式中：IFI_i为养分肥力系数；x为土壤有机质(g/kg)、全氮(g/kg)、有效磷(mg/kg)、速效钾(mg/kg)测定值；x_a与x_p为分级标准下、上限；x_c介于分级标准上、下限间；属性值分级标准(x_a、x_p、x_c)主要参考第二次全国土壤普查标准^[21-23](表 3)。

利用修正的内梅罗公式计算土壤综合肥力指数：

$ \text{IFI}_i=\sqrt{\frac{{\left(\text{IFI}_{i平均}\text{ }\text{ }\right)}^{2}+{\left(\text{IFI}_{i最小}\text{ }\text{ }\right)}^{2}}{2}}\times \frac{n-1}{n} $

(2)

式中：IFI_i平均与IFI_i最小分别为土壤各属性分肥力的平均值和最小值；n为评价指标个数。

所有数据均使用Excel 2010进行整理并计算数据均值和标准误差；使用SPSS 20.0进行统计分析，通过单因素方差分析(one-way ANOVA)识别不同处理间的差异，用最小显著差异(LSD)法检验不同处理间差异的显著性，并对各观测变量进行Pearson相关性分析，在P < 0.05水平检验相关系数显著性；采用Origin 2021绘图。

2 结果与分析 2.1 紫云英和秸秆替代化肥对双季稻产量的影响

紫云英和秸秆替代化肥对双季稻产量的影响如图 1所示。CF处理产量最高，早、晚稻分别为5 640和7 613 kg/hm²，其次是RSL处理(早、晚稻平均产量分别为5 617和7 596 kg/hm²)和MV处理(早、晚稻平均产量分别为5 553和7 370 kg/hm²)。高量秸秆替代化肥显著降低了水稻产量。早稻季，与RSL处理相比，RSH处理的产量降低了7.90%。晚稻季，与CF处理相比，MV+RSL和MV+RSH处理的产量分别降低了8.09% 和9.89%。在种植紫云英的条件下，随着秸秆还田替代化肥比例的增加，水稻产量呈下降趋势。早稻季，与MV处理相比，MV+RSL处理的产量降低了7.49%；与MV+RSL处理相比，MV+RSH处理的产量降低了6.03%。

2.2 紫云英和秸秆替代化肥对土壤肥力的影响 2.2.1 土壤理化性质

各处理土壤理化性质如表 4所示。早稻季，除RSH处理外，各处理土壤有机质含量随着有机物料替代比例的增加而增加，土壤全氮含量与有机质含量变化呈现相同的趋势。与CF处理相比，MV+RSH处理的土壤有机质和全氮含量分别提高了11.66% 和7.86%。与RSH处理相比，MV+RSH处理的土壤速效钾含量提高了41.16%。晚稻季，紫云英和秸秆联合利用模式降低了土壤pH，与RSH处理相比，MV+RSL和MV+RSH处理pH分别降低了2.17% 和2.37%。与CF处理相比，RSH处理的土壤有机质和全氮含量分别提高了11.15% 和7.64%。与RSL处理相比，RSH处理提高了土壤有机质含量和全氮含量。但降低了土壤速效钾含量。与RSH处理相比，MV+RSH处理土壤速效钾含量提高了36.02%。

2.2.2 土壤综合肥力指数

本研究选取土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾作为参评指标，对各处理土壤肥力进行评价(图 2)。紫云英与秸秆联合利用显著提高了土壤综合肥力指数(IFI)。在这一模式中，随着秸秆替代化肥比例的增加，IFI逐渐增加。早稻季，MV+RSH处理IFI最高(1.71)，与CF处理相比提升了11.70%。晚稻季，MV+RSH处理IFI最高(1.71)，与CF处理相比提升了7.02%。

2.3 紫云英和秸秆替代化肥对植株养分含量的影响

各处理植株养分含量如表 5所示。紫云英和秸秆替代化肥的比例不同，氮、磷、钾素在植株体内的分配差异明显。早稻季，与CF处理相比，MV处理秸秆氮含量显著提高，RSH、MV+RSL和MV+RSH处理秸秆钾含量显著提高。与MV处理相比，MV+RSL处理籽粒氮含量显著提高；但与MV+RSL处理相比，MV+RSH处理籽粒氮含量降低了25.13%。晚稻季，与CF处理相比，MV处理和RSH处理显著提高了籽粒磷、钾含量。与MV+RSL处理相比，MV+RSH处理籽粒氮含量降低了24.25%。紫云英和秸秆联合利用模式中，低量秸秆与紫云英配施在早稻季促进了植株对氮素的吸收，但随着秸秆替代化肥的比例增加，植株养分含量有降低的趋势。

3 讨论 3.1 紫云英和秸秆替代化肥对双季稻产量和植株养分含量的影响

我国作物秸秆数量及其养分资源量巨大，充分利用秸秆资源是实现化肥减施增效的重要措施与途径^[24]。研究表明，秸秆直接还田能提高产量^[25]，在减施化肥的基础上利用秸秆能保证产量稳定^{[13, 26]}，秸秆与紫云英配施的增产效果更为显著^[17]。本研究结果表明，在早稻季，与CF处理的产量相比，低量秸秆还田或种植翻压紫云英替代20% 化肥均没有显著减产。与CF处理相比，MV处理的水稻籽粒和秸秆氮含量显著提高，单独种植紫云英并翻压还田提高了土壤全氮含量和速效养分含量(表 4)，促进了植株养分的吸收，从而保证水稻产量的稳定。当化肥替代比例达39% 及以上时，水稻产量出现明显下降。究其原因，一方面，化学氮肥减施量过高，紫云英和秸秆的养分释放较为缓慢，短期内不足以供应作物生长^[27]；另一方面，晚稻季MV+RSL和MV+RSH处理土壤pH有降低的趋势，有机物料投入过多降低了土壤pH，抑制双季稻前期分蘖的发生，导致每穗粒数降低，进而影响产量^[28]。在南方稻田的酸性环境下，可以适量施用石灰等土壤改良剂以更好地维持产量稳定。与MV处理相比，MV+RSL处理显著提高了水稻籽粒氮含量。水稻秸秆的碳氮比较高而紫云英的较低，两者协同还田能调节土壤和微生物的化学计量平衡^[29]，更有利于地上部营养的吸收和积累。值得注意的是，在早稻季和晚稻季中，与MV+RSL处理相比，MV+RSH处理籽粒氮含量均显著降低。秸秆过量还田容易引起微生物与作物竞争有效氮素，短期内对双季稻的生长造成影响^[30]。因此，在紫云英和秸秆联合利用模式下，秸秆的翻压量不宜过高。

3.2 紫云英和秸秆替代化肥对土壤综合肥力的影响

长期大量施用化学氮肥不仅会降低土壤pH，还会降低土壤对酸的缓冲能力，影响土壤肥力。晚稻季，与RSH处理相比，MV+RSL和MV+RSH处理土壤pH降低，在早稻季利用紫云英和秸秆联合还田替代了部分氮肥，所以并没有观察到这一现象。土壤有机质含量和全氮含量是影响作物产量的关键因素。与CF处理相比，其余各处理土壤有机质含量均有所提高，这与前人的研究结果相一致^[31]。CF处理长期没有有机物料投入，导致易分解有机物被微生物优先利用^[32]。紫云英和秸秆等有机物料添加后，能改变土壤微生物的群落和数量^[33]，使土壤基础养分得以被利用，进而提高土壤有机质含量。晚稻季，与CF处理相比，MV处理显著提高了土壤全氮含量。紫云英的运用提高了土壤中的氮素残留量，减少了稻田中的氮素损失^[34]。可能原因是紫云英腐解后的氮素养分供应相较于尿素更慢，也更为稳定^[35]。在早稻季和晚稻季中，与RSH处理相比，MV+RSH处理均显著提高了土壤速效钾含量，紫云英的分解补充了一定的钾素养分^[36]，与秸秆的联合利用也抵消了紫云英所消耗的养分。本文根据第二次全国土壤普查标准，利用修正的内梅罗公式计算土壤综合肥力，以此对土壤肥力进行评价，土壤综合肥力指数值越大，表示土壤肥力越好^[37]。MV+RSH处理土壤综合肥力指数显著高于其余处理。紫云英腐解速率较快，而秸秆的腐解速率较慢，二者的联合利用促进了秸秆的分解及其养分释放^[38]，有利于土壤肥力的提升。

4 结论

在外源养分投入相等的条件下，紫云英和秸秆等有机物料替代部分化肥能够提高稻田土壤肥力水平，促进植株对养分的吸收利用。利用2 500 kg/hm²秸秆替代20% 化肥，在增加土壤有机质、全氮和速效钾含量的同时能保证水稻稳产。紫云英与秸秆联合利用能显著改善土壤肥力状况，但该模式在短期内不宜替代过高比例的化肥，否则可能会有减产的风险。