紫花苜蓿綠肥對水稻產(chǎn)量和土壤肥力的影響

趙 魯,史冬燕，高小葉，安 淵

(1.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院 農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)(南方)重點實驗室，上海 200240； 2.菏澤學(xué)院生命科學(xué)系，山東 菏澤 274015)

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依賴化肥、忽視有機肥投入的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，長期過量施用化肥普遍造成農(nóng)田土壤退化,肥力下降，化肥利用效率降低,糧食生產(chǎn)成本增加。由此帶來的環(huán)境問題也日益突出，如淺層地下水硝酸鹽污染、地表水富營養(yǎng)化等，嚴(yán)重影響我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量[1-4]。

綠肥因其在改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力上的良好表現(xiàn)而被廣泛應(yīng)用。研究表明，綠肥翻壓后，在土壤微生物的作用下分解礦化，為土壤提供豐富的養(yǎng)分,包括氮、磷、鉀及微量營養(yǎng)元素，同時綠肥也為土壤提供大量、新鮮的有機物質(zhì)，為土壤團(tuán)粒形成提供膠結(jié)劑，使耕層物理結(jié)構(gòu)得到改良，有效提高了土壤肥力[5]。在綠肥植物腐解過程中，綠肥與土壤形成有機-無機復(fù)合膠體，可明顯改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和土壤通透性，有效降低土壤容重，增加土壤的滲透系數(shù)和總孔隙率[4]。長期施用綠肥可提高土壤有機質(zhì)含量，增加土壤的氮素來源，活化和富集土壤中磷和鉀[6]。此外，綠肥可作為碳源，為土壤微生物的生長提供營養(yǎng)，有利于土壤微生物的增加和良好微生物群系的構(gòu)建[7]。

我國綠肥資源比較豐富。目前，南方主要綠肥植物為紫云英(Astragalussinicus)和蠶豆(Viciafaba)，紫花苜蓿作為綠肥使用尚不普及。紫花苜蓿(Medicagosativa)為多年生豆科草本植物，根系發(fā)達(dá)，植株高大，枝葉繁茂，有較強的耐寒、抗旱和再生能力。紫花苜蓿有很強的固氮能力，種植紫花苜蓿能有效增加農(nóng)田土壤氮含量。紫花苜蓿的營養(yǎng)價值非常高，干物質(zhì)中粗蛋白含量高達(dá)15.0%～26.2%，氨基酸、維生素和礦質(zhì)元素種類多、含量高，被稱為“牧草之王”。我國南方稻田大量使用紫云英作為綠肥植物[8-9]，但其干物質(zhì)產(chǎn)量比較低，不足紫花苜蓿產(chǎn)量的1/2[10]，而其他可用綠肥的植物資源十分有限。紫花苜蓿在寧夏和陜西等省常被作為稻田綠肥植物，而在我國南方地區(qū),由于傳統(tǒng)的紫花苜蓿品種耐高溫能力差,不適宜南方種植，因此并未作為綠肥植物普及。但隨著現(xiàn)代育種技術(shù)的提高,大量耐高溫、生長速度快、再生性能強的紫花苜蓿新品種被培育出來，并在南方成功種植，產(chǎn)量非常高。據(jù)安淵等[11]評價不同秋眠級紫花苜蓿在上海的適應(yīng)性的研究報道，高產(chǎn)紫花苜蓿品種3-6月份的干草產(chǎn)量為13 600～16 600 kg·hm-2，占紫花苜蓿全年總產(chǎn)量的53.46%～65.20%。這種生長特性十分有利于利用南方冬閑田種植紫花苜蓿，并將最后一茬苜蓿草作為綠肥改良稻田土壤，建立紫花苜蓿-水稻(Oryzasativa)、紫花苜蓿-秋玉米(Zeamays)等輪作模式。為此，本研究開展了紫花苜蓿作為綠肥，改良稻田土壤的研究，把3-6月份紫花苜?？偖a(chǎn)量的1/3作為綠肥還田，研究紫花苜蓿綠肥對水稻產(chǎn)量和土壤肥力的影響，旨為建立南方冬閑田種植紫花苜蓿、同時兼作綠肥的生產(chǎn)模式提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1試驗地概述 試驗在上海市崇明縣陳家鎮(zhèn)展宏村稻田進(jìn)行，試驗地屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16 ℃，全年無霜期約230 d，年平均降水量為1 200 mm。試驗用紫花苜蓿品種為WL525，由北京正道種業(yè)公司提供。

1.2研究方法 本試驗采用紫花苜蓿作為綠肥，尿素作為氮肥，共設(shè)苜蓿綠肥、施氮肥、苜蓿綠肥+氮肥和對照4個處理。每個處理的小區(qū)面積250 cm×300 cm，重復(fù)3次，共12個小區(qū)，小區(qū)之間用20 cm的土埂隔開。本試驗所用紫花苜蓿由鄰近的紫花苜蓿地種植，刈割后搬運至綠肥試驗田，切碎、翻壓入水稻田土壤表層。苜蓿綠肥用量為鮮草18 000 kg·hm-2,氮肥的施用量為450 kg·hm-2，分別在7月10日和10月15日分兩次施入，每次施入1/2。水稻品種為“秀水128”，行距15 cm，播量為22.5 kg·hm-2。

1.3測定指標(biāo)和方法 土樣的采集：于2010年8月1日、9月1日、10月1日和11月10日分4次取樣，每個小區(qū)取5個點，取土深度為0～20 cm，將5個點的土樣混合、陰干備用；水稻產(chǎn)量：在各處理小區(qū)中隨機取1個100 cm×100 cm的樣方，在11月份收割水稻，晾干，脫粒，稱量；土壤有機質(zhì)：采用重絡(luò)酸鉀容量[7]測定；土壤全氮：采用凱氏定氮法[7]測定；土壤速效磷：采用0.5 mol·L-1NaHCO3法[10]測定；土壤速效鉀：采用乙酸銨浸提-火焰光度計法[10]測定。

1.4數(shù)據(jù)處理 采用SAS 9.1(SAS Institute,USA)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1不同處理對水稻產(chǎn)量的影響 苜蓿綠肥對水稻增產(chǎn)、提高化肥利用率具有顯著的作用(圖1)。苜蓿綠肥和施氮肥處理的水稻產(chǎn)量均明顯高于不施氮肥的對照處理(P<0.05)，分別增產(chǎn)48.2%和58.58%；苜蓿綠肥和施氮肥處理的水稻產(chǎn)量之間差異雖不顯著(P>0.05)；但產(chǎn)量增加幅度達(dá)到8.56%。

圖1 施肥處理對水稻產(chǎn)量的影響

2.2不同處理對稻田土壤營養(yǎng)狀況的影響

2.2.1不同處理下土壤有機質(zhì)的動態(tài)變化 苜蓿綠肥處理明顯增加了土壤有機質(zhì)含量，改善了土壤有機營養(yǎng)(表1)。隨著水稻生長期的延長，氮肥和對照處理的土壤有機質(zhì)含量除10月份出現(xiàn)顯著下降外，其他各月幾乎沒有變化，并且兩處理之間有機質(zhì)含量十分相近，無明顯差異。苜蓿綠肥處理明顯增加了土壤有機質(zhì)含量，8、9和11月份土壤有機質(zhì)含量與對照相比差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。試驗期內(nèi)，苜蓿綠肥+氮處理的土壤有機質(zhì)含量始終在4個處理中處于最高水平，并且在8、9和10月3個月中顯著高于其他處理。同時，苜蓿綠肥和苜蓿綠肥+氮處理的土壤有機質(zhì)含量從8月到10月呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，之后，到11月份再度升高，不同月份之間土壤有機質(zhì)含量差異達(dá)到顯著水平。

2.2.2不同處理下土壤氮含量的動態(tài)變化 苜蓿綠肥顯著增加了土壤總氮含量，改善了土壤的氮素營養(yǎng)(表2)。苜蓿綠肥處理的土壤氮含量在水稻生長前期(8月和9月)顯著高于苜蓿+氮肥、氮肥和對照3個處理(P<0.05)，但在生長后期(10月和11月)，顯著低于苜蓿綠肥+氮肥處理，與其他2個處理之間無顯著差異。試驗期間，苜蓿綠肥+氮肥處理的土壤氮含量均顯著高于施氮肥和對照2個處理。而施氮肥處理的土壤氮含量除8月份顯著低于對照處理外，其余時間彼此差異不顯著(P>0.05)。隨著水稻生長期的延長，4種處理的土壤總氮含量從8月到10月都呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢，隨后在11月份再度明顯升高。

表1 不同處理下土壤有機質(zhì)含量動態(tài)

表2 不同處理下土壤氮含量動態(tài)

2.2.3不同處理下土壤速效磷的動態(tài)變化 除11月份苜蓿綠肥+氮肥處理外，所有苜蓿綠肥處理的土壤速效磷含量均顯著高于氮肥處理和對照(P<0.05)，并且，在8月和11月，苜蓿綠肥處理的土壤速效磷含量顯著高于苜蓿綠肥+氮肥處理，而氮肥處理與對照之間的土壤速效磷含量差異不顯著(P>0.05)。除8、9月份苜蓿處理的土壤速效磷含量明顯下降外，其他各處理的土壤速效磷含量在各月之間差異均不顯著(表3)。

2.2.4不同處理下土壤速效鉀的動態(tài)變化 8-11月間苜蓿綠肥處理的土壤速效鉀含量始終顯著高于對照，依次增加了29.4%、14.0%、17.8%和5.2%，并且高于(9月)或顯著高于(8、10、11月)苜蓿+綠肥處理的土壤速效鉀含量(表 4)。而苜蓿綠肥+氮肥處理的土壤速效鉀含量在8-10月均高于氮肥處理，依次增加了10.0%、3.1%和2.2%，并在8和9月差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。4種處理的土壤速效鉀含量在水稻旺盛生長期均低于水稻成熟期(11月)，并且在水稻成熟期，苜蓿綠肥+氮肥處理的土壤速效鉀含量最低。苜蓿綠肥+氮肥處理的土壤速效鉀含量從8月到10月呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢，隨后在11月份再度明顯升高，并且10月的土壤速效鉀含量與其他3個月差異顯著(P<0.05)。

表3 不同處理下土壤速效磷含量動態(tài) Table 3 Effects of different treatments on the content of phosphorus g·kg-1

表4 不同處理下土壤速效鉀含量動態(tài) Table 4 Effects of different treatments on the content of potassium g·kg-1

3 討論

施用綠肥是恢復(fù)稻田土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高土壤質(zhì)量、增加水稻產(chǎn)量的重要方法。李繼明等[12]長期定位研究發(fā)現(xiàn)，紫云英綠肥對水稻產(chǎn)量有明顯的促進(jìn)作用，增產(chǎn)效果與綠肥施用量呈正相關(guān)[13]，并且，紫云英綠肥對水稻多種農(nóng)藝性狀有明顯的改善作用。長期連續(xù)綠肥還田可提高土壤的基礎(chǔ)產(chǎn)量和最高產(chǎn)量,降低最高產(chǎn)量施肥量[14-15]。紫花苜蓿主要作為豆科牧草種植，而兼作綠肥、改良土壤的研究報道比較少。本研究中，使用紫花苜蓿綠肥明顯提高了水稻產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度接近施用化肥處理的水平，表明紫花苜蓿是一種高效的綠肥植物，能夠為水稻生長提供大量營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)水稻生長。綠肥增產(chǎn)效果與土壤基礎(chǔ)肥力和施肥水平密切相關(guān)。苜蓿綠肥+氮肥處理的水稻產(chǎn)量比施氮肥處理有較大幅度的提高，表明苜蓿綠肥能夠較大幅度提高氮肥的利用效率和增產(chǎn)效率。

有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，對調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分,改善土壤理化性質(zhì)具有重要的作用。在一定范圍內(nèi)，土壤有機質(zhì)含量越高，土壤肥力越高，反之，土壤肥力越低[5，13]。本研究中，施氮肥處理和對照處理的土壤有機質(zhì)含量除10月份出現(xiàn)明顯下降外，其他各月幾乎無明顯變化，并且2個處理的土壤有機質(zhì)含量無明顯差異。說明土壤長期無有機肥投入，土壤理化環(huán)境惡劣，土壤有機質(zhì)積累或分解過程十分緩慢，甚至停止，水稻從土壤中獲得的氮素養(yǎng)分十分有限，生長所需氮素主要來自于化肥。王建紅等[16]研究表明，水稻在齊穗期從土壤中吸收大量的養(yǎng)分，導(dǎo)致土壤有機質(zhì)含量下降，這也許是本研究中10月土壤有機質(zhì)明顯下降的主要原因。長期增施有機肥能顯著提高稻田土壤有機質(zhì)含量和土壤肥力水平，并且增效作用隨著種稻年限的增加而增加[17]。綠肥是增加稻田土壤有機質(zhì)含量的重要措施，蠶豆[18]和紫云英還田后，土壤有機質(zhì)含量分別比試驗前增加5.8%和11.7% ～38.3%[19]。本研究中，苜蓿綠肥處理的土壤有機質(zhì)含量高于或明顯高于對照和施氮處理，顯著改善了土壤有機營養(yǎng),與上述研究結(jié)果相符。此外，苜蓿綠肥+氮肥處理的土壤有機質(zhì)含量在水稻收獲前顯著高于苜蓿綠肥處理，表明苜蓿綠肥與化肥配合施用有助于提高土壤有機質(zhì)積累。其可能的原因一方面是苜蓿綠肥增加了土壤微生物有機質(zhì)；另一方面是適量增施速效養(yǎng)分，促進(jìn)了水稻根系生長，增加根系有機物分泌和根系還田數(shù)量。苜蓿綠肥和苜蓿綠肥+氮肥處理的土壤有機質(zhì)含量從8月到10月呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，之后，在11月份再度升高，并且含量高于試驗前(有機質(zhì)含量為11.87 mg·g-1)，表明苜蓿綠肥處理的土壤有機質(zhì)在水稻收獲后仍有較高的積累，對土壤的改良效果具有累積作用。

由于施用有機肥(包括綠肥)在土壤中有明顯的凈殘留,有助于土壤氮的提高[12]，以蠶豆作綠肥，水稻土壤全氮含量分別比對照和試驗前增加2.0%和2.0%[18]。本研究中，施氮肥處理的土壤氮含量與對照無明顯差異，并在8月份顯著低于對照，對水稻土壤氮的積累作用不明顯；而苜蓿綠肥處理則大幅提高了土壤總氮含量，并在8月和9月顯著高于苜蓿綠肥+氮肥、施氮肥和對照3個處理，表明苜蓿綠肥前期為土壤提供了大量的氮素養(yǎng)分，對土壤氮積累產(chǎn)生明顯影響，同時，也表明在施用苜蓿綠肥的基礎(chǔ)上，配施氮肥能夠明顯促進(jìn)水稻對土壤氮的吸收，增強土壤氮的有效性和供給能力，促進(jìn)水稻生長。隨著水稻生長期的延長，4種處理土壤總氮含量呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，10月降至最低點。這種變化規(guī)律與水稻不同生長發(fā)育期對氮的需求數(shù)量有關(guān)。水稻生長發(fā)育對氮素需求量的順序為:分蘗-齊穗期>移栽-分蘗期>齊穗-成熟期[20]。10月份水稻處于分蘗-齊穗期，對氮的需求量較大，從土壤中吸收的氮量也相應(yīng)增加；而齊穗-成熟期水稻根系老化, 吸收養(yǎng)分能力較弱,這期間主要為植株體內(nèi)養(yǎng)分在各組織器官間的遷移與重新分配,從土壤中吸收氮量較小，另一方面，這個階段稻田處于無水狀態(tài)，地表有機物分解加快，因而，導(dǎo)致11月份土壤氮含量上升。

土壤對磷的吸持作用是影響土壤對作物供磷能力的重要因素，它既與成土母質(zhì)有關(guān)，也受耕種、栽培、施肥等農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的影響[21-22]。綠肥對提高土壤磷含量有重要作用,不僅能增大土壤的磷庫,同時可減少土壤磷的固定，提高土壤磷的有效性[12,18],如施用紫云英，土壤中速效磷含量高達(dá)17.8 mg·kg-1,為試驗前的1.78倍[9]。本研究中，苜蓿綠肥處理的土壤速效磷含量均高于或顯著高于施氮肥和對照處理。這一方面與苜蓿含有較高的磷含量有關(guān)，另一方面，苜蓿綠肥對土壤中難溶性磷酸鹽有較強的溶解和吸附能力,使土壤耕層有效磷得到富集，提高了有效磷的含量。苜蓿綠肥處理在8月份和11月份的土壤速效磷顯著高于苜蓿綠肥+氮肥處理，表明配合氮肥施用，苜蓿綠肥有效促進(jìn)了水稻對磷的吸收能力。

近10年來,土壤鉀缺乏問題隨著大量使用氮肥、磷肥和低投入鉀肥而日趨嚴(yán)重[23]，而施用有機綠肥對土壤速效鉀有良好的活化和富集作用[24]。施用蠶豆綠肥后土壤速效鉀含量分別比對照和試驗前3年增加29.7%和27.5%[18]。本研究中，苜蓿綠肥處理在4個月份中的土壤速效鉀含量都顯著高于對照，這表明苜蓿綠肥為土壤提供了大量的鉀營養(yǎng)。其原因一方面是由于綠肥中含一定量的鉀礦質(zhì)養(yǎng)分，在綠肥腐解后釋放到土壤中，增加了土壤速效鉀含量；另一方面，綠肥腐解過程可形成一些有機酸類物質(zhì)，它們可以溶提并吸收一部分難溶性鉀，使其重新以有效形態(tài)留在土壤中供作物利用[23]。本研究還發(fā)現(xiàn)苜蓿綠肥+氮肥處理在11月份的含量最低，甚至低于對照，表明氮肥和苜蓿綠肥配合施用，有效促進(jìn)了水稻對鉀的吸收，從而促進(jìn)水稻增產(chǎn)。

4 小結(jié)

紫花苜蓿綠肥可顯著提高水稻產(chǎn)量，增加土壤的有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀含量，改善和提高稻田土壤肥力；結(jié)合使用少量氮肥，苜蓿綠肥對水稻的增產(chǎn)作用和土壤有機質(zhì)的積累作用更為明顯，表明苜蓿綠肥能夠有效提高氮肥的利用效率。本研究是將苜蓿草運送到稻田作綠肥，如果在水稻收獲后直接種植紫花苜蓿，將1/3～1/2的苜蓿草作為綠肥還田，改良土壤的效果會更好。本研究結(jié)果對于推動和有效利用南方冬閑田種植紫花苜蓿具有積極的作用。在生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)紫花苜蓿草的同時，提供優(yōu)質(zhì)綠肥，為南方普遍退化的農(nóng)田土壤改良提供一條行之有效的技術(shù)途徑。

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