双季稻田冬种紫云英“双减双增”绿色高效循环农业模式

杨滨娟， 黄国勤

(江西农业大学生态科学研究中心，江西南昌 330045)

冬季绿肥是南方稻区一种重要的、养分完全的优质生物肥源[1-2]，含有15%～20%的有机物，翻压后腐解矿化快，可促进土壤有机质的矿化分解和土壤养分的循环与转化[3-9]，还能减少土壤侵蚀，有利于水土保持，对退化耕地的改良具有很好的效果[10-12]。尤其是豆科绿肥能够从空气中固定氮素提供给后茬作物吸收利用[4]，还可为土壤提供大量的碳源和养分[2]，对于缓解化肥资源短缺及节约化肥投入成本、提高耕地质量从而保障农业可持续发展具有重要意义[13]。双减双增就是利用豆科绿肥的固氮特性，通过绿肥翻压还田以减少氮肥施用，减少温室气体排放。紫云英(AstragalussinicusL.)又叫红花草，豆科植物，为2年生(越年生)草本植物，是江西乃至南方稻区各省(区、市)主要的冬季绿肥兼牧草，它具有适应性广、产量高、营养成分丰富，容易种植、有利于提高复种指数及缓解冬季劳动力富余等优点，具有固定碳素、改善土壤物理性状、提高土壤养分含量、促进早稻优质高产等效果，还能净化环境、坚持生态平衡，现已成为南方稻区农田中的当家绿肥。双季稻田冬种紫云英双减双增绿色高效循环农业模式采用冬前控水、播期后移、覆盖过冬等技术种植紫云英，并通过以磷增氮、延迟翻压、氮肥前移等加速紫云英的翻压腐解，释放出较多量的无机态氮，减少氮肥施用，减少温室气体排放，以达到增加水稻产量、提高系统综合效益的目的。

1 双减双增技术模式的意义

2015年我国粮食总产量实现“十二连增”，2016年突破 6亿t，为稳定经济社会发展大局发挥了重要作用。水稻是我国第二大粮食作物，种植面积3 013.7万hm2，总产量达 2.04亿t，占我国粮食总产量的1/3以上[14]。江西省水稻常年种植面积为320万hm2，约占全国水稻种植面积的10%，是我国双季稻种植比例最高的省份，水稻总产1 800万t，居全国第2位，人均稻谷占有量居全国第1位[15]。因此，水稻在确保江西粮食安全方面起到了决定性作用，对维护国家粮食安全作出了重要贡献。但应看到粮食逐年增产，农业环境承载力也不断增大。南方双季稻区普遍存在冬闲田面积大[16]、种植结构单一、化肥过量与利用效率低[13，17-20]、光热资源潜力发挥不足等现实问题。不但造成光、热、水、温资源的浪费，还导致土壤板结、酸化、病虫抗(耐)药性上升、环境污染和生态平衡破坏等一系列问题，严重威胁着我国农产品质量和农业生态环境安全[3，21-22]。因此，在获得水稻高产的同时，如何保护农田环境、维持可持续发展是一个亟需解决的问题。

众多研究表明，绿肥和氮肥配施是提高氮肥利用效率的重要手段之一，并可增加土壤有机质活性部分的比例[23-25]。双季稻田冬种绿肥的稻田三熟制是南方传统的种植模式之一。我国南方稻区水、热资源丰富，多数地区适宜复种冬季绿肥。绿肥是生态农业的重要组成部分，是我国传统农业的精华。绿肥的栽培和施用在我国已有悠久的历史，我国是世界上最早施用绿肥的国家之一，曾对我国农业生产起到举足轻重的作用[26-27]。其中，紫云英是我国南方稻区主要的冬种绿肥作物之一，它的根、茎、叶回归土地，沤烂后不仅可以调节土地的酸碱度，而且含有大量的有机物，分解后既能源源不断提供作物所需的各种营养成分，其腐殖质还能降低土壤黏度，改善土壤结构，提高土壤的保水保肥能力，是一种传统有效的有机肥料。众多研究表明，紫云英翻压后不仅能为后茬作物提供大量的养分，还能够增加土壤有机质含量，改善土壤结构和提高土壤肥力[28-29]；同等产量下，鲜紫云英翻压15 000～22 500 kg/hm2，化肥用量可以减少20%～30%。因此，建立有冬季绿肥参与的水稻有机-无机肥料配合施用的施肥体系，对于降低农业生产成本、实现农业生产可持续发展具有十分重要的意义。

2 双减双增技术模式的理论基础

2.1 紫云英腐解速率高，并能释放出大量氮素

作物秸秆作为重要的有机肥资源，含有较丰富的养分和有机质，且施入土壤后在土壤微生物的作用下，能够腐解释放出植物生长发育所需的养分[30-33]。了解绿肥的腐解矿化过程和养分释放规律是合理利用绿肥的基础。紫云英翻压30 d前可以通过腐解、分解转化，从而释放出较多量的无机态氮，并可被作物吸收利用，但只施用紫云英的话，在翻压前期(尤其是10 d前)及营养生长的关键时期不能提供充分的无机态氮，所以需要和化肥配施，使缓效氮和速效氮互相调剂[7，34]。

关于紫云英腐解速率和养分释放规律的研究很多，但结果不尽相同。宋莉等研究表明，绿肥腐解过程和养分释放量呈现出翻压前2周分解速率最快，第3～7周分解速率中等，7周以后较慢并逐渐趋于平稳的规律；翻压后各养分的释放快慢不同，表现为钾>磷>氮>碳，在翻压90 d时钾的累积释放率为95.09%～97.17%，磷的累积释放率为62.65%～87.14%，氮的累积释放率为70.00%～76.48%，碳的累积释放率为39.53%～64.69%[35-36]。宁东峰等认为，绿肥翻压前 3 d 腐解速率最快，以后呈降低趋势并变缓[37]；赵娜等提出，前期腐解快、后期腐解慢，高峰均出现在最初的1个月内[38]。马艳芹通过试验明确了紫云英腐解和氮素释放量主要是前10 d，50～90 d趋于稳定，而40～90 d之间水稻的群体吸氮量占整个生育期的58.90%～71.04%，建议水稻氮肥的运筹应集中在中后期，适当减少基肥(前10 d)的施用量，增加分蘖肥和穗肥(第40～90 d)的施用量[39]。

2.2 紫云英翻压还田和减施氮肥可降低温室气体排放

全球气候变化是当今国际社会普遍关注的问题，其中气候变暖是人类面临的最为严峻的环境问题之一，温室气体(N2O、CH4、CO2)等浓度增高是导致全球变暖的主要原因[40]。大气中CO2、CH4和N2O等温室气体含量增加引起的全球变暖已经成为当今社会面临的重大挑战，它们对全球变暖的贡献率分别为60%、15%和5%[41]。农业是温室气体的主要排放源之一，农业生产对温室气体总排放量的贡献率大约是20%。大气中每年有5%～20%的CO2来源于土壤[42]。农业土壤排放的N2O约占人类活动N2O总排放量的52%[42]；稻田排放的CH4占全球人为CH4总排放量的 12%～16%[42]，二者浓度也正以每年3%和0.22%的速率持续增长[43]。准确合理地核算农业温室气体的排放量，可以为合理制定农业减排措施提供依据。我国稻田主要分布在亚热带地区，该区稻田占全国总面积的31.4%[44]，本研究以江西中亚热带双季稻田作为对象，具有典型代表性。氮肥是植物生长发育必不可少的营养元素之一，我国拥有占世界7%的耕地，却消耗了全球35%的氮肥，是全球氮肥使用大国。合理施用氮肥有助于提高水稻产量和稻米品质，因此确定氮肥合理用量成为当今水稻营养生理研究的热点之一[45]。减少氮肥施用过程和施用后的氮素损失，成为田块区域和国家尺度控制氮肥用量、提高氮肥有效率和降低环境污染、减少温室气体排放的关键[46-47]。此外，如何确定一个最佳施氮水平，在提高水稻产量同时又可减少稻田温室气体排放，也是水稻栽培过程中所急需解决的问题之一。

研究冬季绿肥翻压还田后稻田温室气体排放特征，对于合理利用冬闲田，发展冬季绿肥，以及科学评价不同种植模式具有重要意义。稻田冬季作物覆盖，可以充分利用冬春季光热资源，增加单位面积生物产量和土壤养分，增加碳氮蓄积，保障作物生产安全，同时也可能增加稻田有机物的投入，从而影响稻田温室气体的排放[48]。因此，如何通过冬季种植覆盖作物，减少氮素流失，提高氮素利用率，从而达到减少温室气体排放的目的，是需要进一步探讨的问题。当前关于冬种紫云英还田后对稻田温室气体排放的影响结论并不一致，相关学者研究认为，豆科绿肥还田促进了稻田甲烷菌的生长及土壤的反硝化作用，对稻田土壤CH4和N2O的排放有极大的促进效应[49-54]。相关学者则认为，绿肥还田后可替代部分化肥，减少因施用化肥导致的温室气体排放[55-57]。唐海明等研究表明，冬季覆盖作物残茬还田后，早、晚稻田CH4和N2O排放量均明显高于冬闲-双季稻；翻耕稻草覆盖马铃薯-双季稻的稻田CH4和N2O综合温室效应总和最高，冬季覆盖作物残茬还田明显提高稻田CH4和N2O排放量[48]。

2.3 紫云英翻压还田和减施氮肥可对水稻生产产生协同促进效应，实现节肥增产

施用绿肥能提高土壤养分特别是有机质、速效钾、速效磷和碱解氮，进而提高作物的产量和品质。徐昌旭等研究发现，水稻田翻压紫云英后，可以减少20%～40%氮肥施用量，既增加土壤中有效养分含量，有利于水稻植株对养分的吸收，水稻又不出现减产[58-59]；而且翻压22 500 kg/hm2的紫云英后，与配施100%化肥(N，50 kg/hm2)相比，减少20%化肥用量有利于水稻地上部对养分的吸收，促进茎秆和籽粒中干物质的累积[60]。郭晓彦等研究发现，翻压15 000～22 500 kg/hm2的紫云英在减少20%～40%的氮肥用量时能够保证水稻的正常生长[61]。高菊生等通过对连续27年长期不同轮作制度定位试验的研究结果表明，与冬闲处理相比较，冬种绿肥能促进水稻增产[62]，且以冬种紫云英的增产幅度最大[63]。相关研究结果表明，在紫云英翻压22 500 kg/hm2条件下，与紫云英配施100%化肥相比，施用80%化肥用量可有效促进早稻有效穗数、每穗粒数以及实粒数等产量构成，而且水稻产量并未出现减产，甚至有提高早稻产量的趋势[64-65]。卢萍等研究结果表明，种植冬季绿肥还田能在一定程度上提高土壤供氮能力，减少无机氮肥的用量，不会对水稻产量产生影响[66]。

3 双减双增技术模式的具体内容

(1)冬前控水。在水稻收获前，保持水稻土壤含水量≤30%，控制土壤低水分含量，保持土壤一定的压缩性，提高稻田土壤的硬度和抗辗压能力，从而可减轻机械作业时对紫云英幼苗的损伤程度。(2)播期后移。在晚稻收获前10 d播种，避开了紫云英生长发育的关键期与水稻收获时机械作业对稻田辗压的重叠期，减少对紫云英种子的破坏程度，提高紫云英的出苗和生长发育能力。(3)覆盖过冬。晚稻收获后，撒一薄层稻草(以能透光为度)遮盖幼苗，冬季可以遮阳保湿、防霜防冻，有利于紫云英稻田保墒、越冬和正常生长，提高其产量。(4)以磷增氮。在紫云英冬季生长和分枝高峰期，重施冬肥，撒施钙镁磷肥225～300 kg/hm2，有条件可加施草木灰750～1 500 kg/hm2保暖越冬。磷肥、钾肥可促进分枝，提高抗寒能力，过磷酸钙和氯化钾提倡分次施用，以延长肥效，避免徒长。(5)延期翻压。在早稻移栽前5～7 d翻压紫云英，紫云英翻压与早稻移栽间隔时间较短有利于水稻产量的提高，这主要与紫云英腐解和养分释放规律有关。(6)氮肥前移，加速腐解。在翻压紫云英的同时配施氮肥，使缓效氮和速效氮互相调剂，进一步加速腐解，从而释放出较多量的无机态氮被水稻吸收利用。(7)减施氮肥。紫云英全量还田条件下，可以有效补充土壤中的有效氮，减少常规施氮量 150 kg/hm2的40%，即早、晚稻分别施氮90 kg/hm2。

双减双增技术模式的流程见图1。

4 双减双增技术模式规程

4.1 冬种紫云英栽培技术

4.1.1 选用良种，拌肥播种 紫云英品种选用余江大叶籽。播前选晴好天气晒种4～5 h，按照2 ∶1的比例将细沙与种子混合，洒水湿润后，装在布袋里反复摇转摩擦，磨去蜡质层(种子量较大时用碾米机磨去蜡质层)，然后用2%～3%盐水选种，清除病粒和空秕率，用0.2%钼酸铵溶液浸种24 h，捞出晾干，随后用75 kg/hm2钙镁磷肥与300～375 kg/hm2土杂肥混合均匀，再与晾干的种子充分拌匀，拌后即播。

4.1.2 适时播种，培育壮苗 紫云英在晚稻收获10 d前播种，避开紫云英生长发育的关键期与水稻收获时机械作业对稻田辗压的重叠期，减少对紫云英种子的破坏程度，以利于水稻成熟和紫云英出苗、生长。紫云英播种量为 37.5 kg/hm2，播种时按田定量、分畦匀播，落籽均匀。

4.1.3 冬前控水，抗旱防渍 在晚稻分蘖末期结合晒田开出三沟轮廓，大田一般要开十字沟、厢沟、田边沟或中心排水沟。播种紫云英时，应保持土壤湿润或有1～2 cm薄水层，以便种子吸水发芽。在水稻收获前，保持水稻土壤含水量≤30%，控制土壤低水分含量，保持土壤一定的压缩性，提高稻田土壤的硬度和抗辗压能力，从而可减轻机收晚稻时对紫云英幼苗的损伤程度。

4.1.4 稻草覆盖，保墒防冻 晚稻收获后，趁田土湿润时撒一薄层稻草(以能透光为度)遮盖幼苗，并将多余的稻草清出田间或集中在稻田一角堆沤，严禁在紫云英田焚烧稻草，以免烧死或灼伤幼苗。覆盖稻草冬季可以遮阳保湿、防霜防冻，有利于紫云英稻田保墒、越冬和正常生长，有利于提高其产量。

4.1.5 重施冬肥，促发分枝 10月中下旬是紫云英冬季生长和分枝高峰期，施肥时间掌握在割稻后15 d内完成，一般撒施钙镁磷肥225～300 kg/hm2，有条件可加施草木灰750～1 500 kg/hm2保暖越冬。在苗期和初花期各喷施硼、钼等微量元素各1次，可起到保花保荚、防止早衰和提高结实率的作用。

4.1.6 追施春肥，助推高产 春季是紫云英的旺长期，一般立春过后，天气回暖，紫云英茎叶生长快，需肥量加大，此时要及时追施肥料。追肥时间以2月下旬至3月初为宜，施尿素37.5～45.0 kg/hm2、氯化钾45～60 kg/hm2，达到以小肥换大肥、以无机肥换有机肥的目的。

4.1.7 适时翻压，培肥地力 在早稻移栽前5～7 d犁翻压青，紫云英翻压与早稻移栽间隔时间较短有利于水稻产量提高，压青时结合撒石灰225～300 kg/hm2，使其充分腐烂，中和酸性，紫云英翻压量以22 500～30 000 kg/hm2为宜，多出的部分可以割走翻入其他田块。结合耕翻将紫云英翻入土层，深度掌握在耕层范围内，要求压严、压实，与土壤密合无空隙。耕翻后及时上水，保持水层20 d，以加快紫云英腐解。在翻压紫云英的同时配施氮肥45 kg/hm2，使缓效氮和速效氮互相调剂，进一步加速腐解，从而释放出较多量的无机态氮被水稻吸收利用。

4.2 水稻栽培技术

4.2.1 准备秧田，选种备种 选择无污染、地势平坦、排水良好、水源方便、土质肥沃的中性旱地做秧田，秧田长期固定，连年培肥、消灭杂草。在3月下旬选晴天翻耕秧田。选用适合本地生产条件，优质、丰产、抗(耐)病虫性强、商品性好的水稻品种，种子质量符合GB/4404.1—1999的规定。按照“增加半斤种，增产一担谷”行动要求适当增加用种量，备种 37.5 kg/hm2。

4.2.2 浸种催芽，精量匀播 浸种前将种子摊晒2～3 d，浸种时先用清水选种，去掉杂质和病粒。将选好的种子用强氯精兑水浸种12 h，捞出用清水洗净沥干后催芽，催芽露白即可播种。采用湿播旱育方式，早稻在3月25日前后播种，晚稻在6月底播种。早稻秧龄25～30 d，晚稻秧龄30～35 d。具体的播期、播量因品种及茬口而定。双季晚稻要确保9月下旬前齐穗。

4.2.3 秧田管理，培育壮苗 播种后做到沟中有水，畦田无水。秧苗1叶1心期喷施敌磺钠，防止秧苗发生绵腐病和立枯病；2叶期后，采用沟灌，烈日“跑马水”，晴天平沟水，阴天半沟水，雨天排干水，2叶1心期后，水可以上厢面；2～3叶期注意以水调温，以水护苗，外界气温稳定在18 ℃左右，能揭农膜时，及时揭掉农膜，降温炼苗，防止高温伤苗，防秧苗徒长，有利于增强秧苗素质和培育带蘖壮秧。揭膜时，先灌水上厢面，防止秧苗失水发生青枯死苗。2叶期秧田施 37.5 kg/hm2尿素，促进秧苗健壮生长。插秧前4～5 d施 60～75 kg/hm2尿素和37.5 kg/hm2钾肥，促发新根，防病防虫。

4.2.4 适时移栽，宽行密植 插秧前2～3 d精细平整大田，待大田沉实后栽插。早稻移栽在4月中下旬，晚稻在7月中下旬，早稻行距为20 cm，株距为14 cm；晚稻行距为20 cm，株距为17 cm。

4.2.5 重施基肥，早施追肥 施足基肥，增施磷肥、钾肥。早稻、晚稻所用化肥为尿素(N 46%)、钙镁磷肥(P2O512%)、氯化钾(K2O 60%)，周年常规用量为N、P2O5、K2O为150、90、120 kg/hm2，紫云英翻压后，氮肥施用量减至90 kg/hm2。氮肥早稻按基肥 ∶分蘖肥 ∶穗肥=6 ∶3 ∶1施用，晚稻按 基肥 ∶分蘖 肥 ∶穗肥=5 ∶3 ∶2施用。磷肥全部作基肥，一次性施入，钾肥按分蘖肥 ∶穗肥=7 ∶3施用。氮、磷基肥在插秧前1 d施下，分蘖肥在水稻移栽后5～7 d时施用，穗肥在主茎幼穗长1～2 cm时施用。

4.2.6 好气灌溉，科学管水 在整个水稻生育期间，除施肥、病虫草害防治以及抽穗扬花需要保持浅水层以外，主要采用间歇灌溉为主，使土壤处于富氧状态，促进根系生长，增强根系活力。当茎蘖数达穗数苗的90%左右开始多次搁田，以控制高峰苗。生育后期采用干湿交替灌溉，有水抽穗，干湿壮籽，成熟前5～7 d断水，以协调根系对水、气的需求，直至成熟。

4.2.7 病虫草害，综合防治 始终坚持“预防为主，综合防治”的方针。秧田期间重点防治稻蓟马，在秧苗移栽前3～5 d 喷施1次长效农药，带药下田。其他时间的病虫防治，根据本地区的病虫预测预报和大田病虫发生情况，选用高效、长效、环保农药，使用先进施药机械打药防治，以提高防治效果和农药利用率。

4.2.8 及时收割，清洁贮存 在水稻齐穗后25～30 d，成熟度达90%左右时及时收割。做到雨后叶片未干不收获，叶面有露水不收获。切忌长时间堆垛在公路上打场暴晒，以防污染和品质下降。贮运时注意单收单贮单运，仓库要消毒、除虫、灭鼠，进仓后注意检查温度和湿度，防霉、防鼠害，运输时不与其他物质混载。

5 结论

密切结合南方双季稻区冬季绿肥生产实际，致力于解决江西双季稻区冬闲田逐年增加、冬季稻田生产力低下、资源利用效率低、无机肥料大量施用而导致的耕地土壤理化性状变差、养分管理不合理、环境污染等瓶颈问题，以绿色、高效、循环为研究思路，从农业资源内部循环、冬季资源高效利用、化肥减量投入着手，提出了主攻冬季作物，优化冬作-双季稻作物高产种植制度的思路，对冬种紫云英的用地养地效应与资源高效利用效应、冬种紫云英的增产潜力和生态效应、冬种紫云英条件下紫云英腐解与养分释放规律、稻田温室气体排放规律、全球增温潜势等进行科技攻关，获得了冬前控水、播期后移、覆盖过冬等种植技术，研发了以磷增氮、延迟翻压、氮肥前移等腐解技术，集成了冬种紫云英双减双增绿色高效循环农业模式，并进行了大面积的推广应用。建立了江西省万年县农业科学研究所、余江县农业科学研究所、余江县邓家埠水稻原种场、江西农业大学科技园试验田4个实验基地。在万年县、余江县累计建立核心区1 667.67 hm2，在万年县、余江县、新建区、安义县、永修县建立示范区2万hm2，技术辐射区22.32万hm2。

鉴于冬种紫云英资源高效利用循环农业模式在南方三熟区的突出影响，促进了双减双增绿色高效循环农业模式在鄱阳湖生态经济区的转化应用，并取得了以下显著的经济、社会和生态效益：2012—2016年，紫云英茎叶量147.70万t，提高光能利用效率幅度达到 31.52%，温室气体减排量966.02万t，固碳量240.8万t。相对于常规模式施肥(150 kg/hm2)减少了60 kg/hm2，可节约生产成本3 486.15元/hm2。项目实施5年以来，可新增收入1.97亿元。