玉米-綠肥輪作體系下光葉紫花苕的氮肥替代和土壤肥力提升效應(yīng)

陳檢鋒，梁 海，王 偉，陳 華，尹 梅，王志遠(yuǎn)，劉 俊,4，陳 軍，高嵩涓，曹衛(wèi)東，付利波*

（1 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南昆明 650205；2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210095；3 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4 云龍縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，云南云龍 271018）

綠肥是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資源，在改善土壤理化性狀、培肥土壤及提高作物產(chǎn)量上有巨大潛力[1-3]。豆科綠肥因具備生物固氮能力，可作為一種綠色清潔的肥源為農(nóng)田輸入較多氮素。研究表明，豆科作物年際固氮量可達(dá)110～227 kg/hm2[4]。將豆科綠肥納入主栽作物輪作體系中，能夠起到替代部分化學(xué)氮肥、減少化學(xué)氮肥投入的作用。有研究發(fā)現(xiàn)在作物與紅三葉輪作體系中，紅三葉的固氮量平均可達(dá)177 kg/hm2[5]，毛葉苕子在豆科綠肥-主栽作物輪作體系中總固氮量可達(dá)到149 kg/hm2[6]。豆科綠肥提供的氮素對(duì)作物生長的貢獻(xiàn)率也有較高的占比，在主栽作物-紅三葉和主栽作物-紅三葉/黑麥草混播體系中達(dá)60%[7]，在小麥-豆科綠肥輪作體系中為7～27 kg/hm2[8]。在旱地農(nóng)業(yè)中實(shí)施豆科綠肥與作物間輪作可起到擴(kuò)充土壤氮庫、減少化肥投入的效果，豆科綠肥翻壓釋放氮素的24.7%被后季小麥吸收，在化肥減量30%的情況下小麥產(chǎn)量與常規(guī)施肥持平，并且土壤全氮含量顯著提升[9-10]。

光葉紫花苕為我國西南旱地最常見的豆科綠肥作物，在該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中適應(yīng)性很強(qiáng)[2]。我國光葉紫花苕主要種植區(qū)的鮮草平均產(chǎn)量為29.7±19.1 t/hm2[11]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，若可通過調(diào)控光葉紫花苕的生長使其生物量達(dá)到滿足后茬作物生長發(fā)育的翻壓量，則可以作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的主要氮源，為有機(jī)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供保障。在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中，形成了光葉紫花苕-玉米輪作體系，該體系能夠充分利用冬閑季節(jié)的水、肥、氣、熱等資源，發(fā)揮光葉紫花苕的生物固氮特性[12]，為后茬玉米的生長提供氮素。但是，光葉紫花苕在玉米生長中的養(yǎng)分供應(yīng)潛力如何，其作為單獨(dú)肥源時(shí)的養(yǎng)分供應(yīng)能力及對(duì)土壤肥力有何影響，尚不明確。通過研究不同翻壓量光葉紫花苕作為唯一肥源對(duì)玉米生長及土壤理化性狀的影響，為豆科綠肥的化肥替代潛力及綠肥的生產(chǎn)能力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

田間定位試驗(yàn)于2017年11月至2019年9月在昆明市嵩明縣小街鎮(zhèn)云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院基地內(nèi) (北緯25°21′11.21″、東經(jīng) 103°6′47.24″，海拔 1910 m) 進(jìn)行。供試土壤為紅色石灰土，質(zhì)地為粘壤土，試驗(yàn)開始前土壤pH為7.1，0—20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量22.1 g/kg，全氮含量0.9 g/kg，全磷含量1.6 g/kg，全鉀含量9.8 g/kg，堿解氮含量76.1 mg/kg，有效磷 (P2O5) 含量30.7 mg/kg，速效鉀 (K2O) 含量144.5 mg/kg。

1.2 供試作物

綠肥品種為光葉紫花苕 (Vicia villosa Roth var.glabrescens)；玉米品種為黑糯1號(hào)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理 (表1)，分別為冬閑+不施氮肥處理 (CK)、不施氮肥+翻壓15000 kg/hm2光葉紫花苕(G1)、不施氮肥+翻壓30000 kg/hm2光葉紫花苕(G2)、不施氮肥+翻壓45000 kg/hm2光葉紫花苕 (G3)及冬閑+常規(guī)氮肥 (FN) ，隨機(jī)區(qū)組排列，每處理3次重復(fù)。綠肥翻壓量通過就地種植與異地移動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

表1 各處理光葉紫花苕翻壓量及氮磷鉀施用量 (kg/hm2)Table 1 Application amounts of smooth vetch and nitrogen, phosphorus and potassium fertilizers under different treatments

定位試驗(yàn)采用光葉紫花苕-玉米輪作體系，光葉紫花苕11月種植，于第二年4月翻壓還田，還田后15 天種植玉米，玉米收獲日期分別為2018年9月20日與2019年9月25日。光葉紫花苕播種量為75 kg/hm2，盛花期還田時(shí)對(duì)各小區(qū)產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)各處理設(shè)定的翻壓量進(jìn)行移除或添加。翻壓還田時(shí)光葉紫花苕的氮、磷、鉀平均含量分別為34.9、3.2、21.6 g/kg。玉米株行距為0.45 m×0.75 m。各處理田間管理措施相同，綠肥作物不施肥，玉米各處理磷鉀肥施用量相同，分別為P2O590 kg/hm2及K2O 90 kg/ hm2，其中常規(guī)100%氮肥處理施氮量為N 270 kg/hm2，各處理的磷鉀肥及FN處理的20%氮肥作為基肥施入，F(xiàn)N處理在玉米苗期追施30%氮肥、大喇叭口期追施50%氮肥。

1.4 樣品采集與測(cè)定

分別于2018和2019年玉米收獲期，采集玉米植株和土壤樣品，并測(cè)定玉米農(nóng)藝性狀 (株高、莖粗、穗位高、穗長、禿穗長、穗粗和單穗重)。玉米按小區(qū)進(jìn)行收獲測(cè)產(chǎn)，收獲后取部分玉米籽粒在烘箱105℃殺青0.5 h后，75℃烘干至恒重，粉碎后測(cè)定籽粒養(yǎng)分含量。玉米籽粒樣品經(jīng)H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮法消化后，利用連續(xù)流動(dòng)分析儀 (SAN++，Skalar，荷蘭) 測(cè)定全氮、全磷含量，用火焰光度計(jì)測(cè)定全鉀含量。

土壤樣品采用五點(diǎn)取樣法采集，堿解氮含量用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬藍(lán)比色法測(cè)定；土壤速效鉀采用pH 7.0的醋酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)用硫酸—重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[13]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS Statistics 21.0、Excel 2017、Origin 2018軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析及作圖，通過R2.7.0中的“gbmplus”包進(jìn)行聚合增強(qiáng)樹分析(ABT)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠肥翻壓量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

圖1顯示，2018年，G1、G2、G3、FN處理的玉米產(chǎn)量分別為8985、10220、10677、11498 kg/hm2。FN處理顯著高于G1及G2處理，與G3處理差異不顯著；G1與CK差異不顯著，顯著低于其他處理。G1、G2、G3處理的產(chǎn)量分別相當(dāng)于FN處理的78.14%、88.88%、92.86%，可見，單獨(dú)翻壓綠肥表現(xiàn)出較好的產(chǎn)量效應(yīng)，特別是高翻壓量能夠保障玉米的產(chǎn)量水平。

試驗(yàn)第二年 (2019年) 的玉米產(chǎn)量表現(xiàn)與第一年有明顯不同，G1、G2、G3、FN處理的產(chǎn)量分別為8712、9179、10032、8807 kg/hm2，G1、G2 和 G3 的產(chǎn)量分別為FN的98.92%、104.22%和113.91% (圖1)。施肥處理的產(chǎn)量均顯著高于CK，雖然施肥處理間無顯著差異，但G3產(chǎn)量顯示出高于FN的潛力，說明連續(xù)翻壓綠肥提高了綠肥的養(yǎng)分供應(yīng)能力。

圖1 不同綠肥翻壓量對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Fig. 1 Maize grain yield affected by green manure incorporation rate

2.2 不同綠肥翻壓量對(duì)玉米農(nóng)藝性狀的影響

表2表明，各施肥處理間玉米農(nóng)藝性狀多無顯著差異，其中，2018年各綠肥處理下玉米農(nóng)藝性狀與FN處理間多無顯著差異。2019年G2處理的玉米莖粗顯著高于FN和G1處理，3個(gè)綠肥處理的株高、穗位高、穗長、穗粗和單穗重與FN處理間無顯著差異。

表2 不同處理下玉米農(nóng)藝性狀Table 2 Agronomy properties of maize under different treatments

2.3 不同綠肥翻壓量對(duì)玉米養(yǎng)分吸收的影響

2018年FN處理籽粒及秸稈氮含量均顯著高于其他各處理，各處理籽粒及秸稈磷、鉀含量多無顯著差異，其中籽粒磷鉀含量分別處于0.25%～0.27%和0.23%～0.26%，秸稈磷鉀含量則分別為0.11%～12%和1.20%～1.59% (表3)。玉米地上部的氮、磷、鉀積累量均以FN處理最高，并且氮積累量顯著高于其他各處理，磷積累量顯著高于CK與G1，鉀積累量顯著高于CK (表4)。表明試驗(yàn)第一年，綠肥的供氮能力相對(duì)較低，而化肥能快速提供速效養(yǎng)分供作物吸收。

2019年的結(jié)果 (表3、表4)表明，各施肥處理的養(yǎng)分含量和積累量差異比上一年明顯減小。籽粒氮、磷、鉀含量以及磷、鉀累積量3個(gè)綠肥處理與化肥處理間多無顯著差異；G1處理秸稈氮含量顯著低于G2，鉀含量顯著低于G3。以G3處理的氮積累量最高，比G 1和F N兩個(gè)處理分別顯著高42.02%及33.91% (表4)，3個(gè)綠肥處理鉀積累均顯著高于FN處理。這表明在試驗(yàn)第二年，各綠肥處理的養(yǎng)分供應(yīng)能力已經(jīng)能夠保障玉米的生產(chǎn)需要，其中高翻壓量的養(yǎng)分供應(yīng)能力可以超過化肥處理。

表3 不同處理下玉米氮、磷、鉀養(yǎng)分含量 (%)Table 3 Nitrogen, phosphorus and potassium contents of maize under different treatments

表4 不同處理下玉米地上部養(yǎng)分積累量(kg/hm2)Table 4 NPK accumulation in above-ground part of maize under different treatments

2.4 不同綠肥翻壓量對(duì)土壤養(yǎng)分及pH的影響

圖2顯示，2018年各處理間土壤全量養(yǎng)分含量均無顯著差異，表明不同施肥處理在試驗(yàn)第一年對(duì)土壤養(yǎng)分的影響不明顯；2019年各處理間土壤全氮及土壤有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為綠肥處理顯著高于FN處理，并且規(guī)律一致，為G3＞G2＞G1＞FN＞CK，其中綠肥處理G1、G2、G3土壤全氮較FN處理分別提高了2.04、4.19及6.50 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)分別提高了2.86、6.09及11.64 g/kg，表明綠肥翻壓對(duì)于云南紅壤旱地的地力提升效果明顯。3個(gè)綠肥處理間，G3處理的土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量最高，顯著高于G2和G1；G2處理顯著高于G1。可見，綠肥翻壓利用后，在第二年即可明顯提升土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量，且提升作用隨著綠肥翻壓量的增加而增強(qiáng)。

圖2 不同處理下玉米收獲期土壤全量養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量Fig. 2 Soil total nutrient and organic matter contents at maize harvest stage under different treatments

圖3表明，2018年不同處理間土壤堿解氮及速效鉀含量無顯著差異。2019年，G2、G3處理的堿解氮含量顯著高于FN處理，分別提升了19.81和20.56 mg/kg。綠肥處理G1、G2、G3的土壤速效鉀含量也顯著高于FN處理，分別提升了33.09、69.35和89.14 mg/kg?？傮w看，各處理的堿解氮與速效鉀含量變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為G3＞G2＞G1＞FN＞CK。此外，兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴莞魈幚黹g的土壤pH與有效磷含量均無顯著差異。

圖3 不同處理下玉米收獲期土壤速效養(yǎng)分含量及pHFig. 3 Available nutrient contents and pH of soil at maize harvest stage under different treatments

2.5 土壤性狀及玉米農(nóng)藝性狀對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)

運(yùn)用聚合增強(qiáng)樹 (ABT) 方法分析了不同處理下的土壤性狀以及農(nóng)藝性狀對(duì)玉米產(chǎn)量的相對(duì)貢獻(xiàn)。各處理的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為全氮＞堿解氮＞全磷＞有機(jī)質(zhì)＞全鉀＞ pH＞速效鉀＞有效磷，其中全氮、堿解氮對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率分別為20.89%與20.51% (圖4)。各農(nóng)藝性狀對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率依次為單穗重＞穗粗＞穗長＞莖粗＞禿穗長＞穗位高＞株高，其中單穗重的貢獻(xiàn)率最大為20.89%，穗粗為19.67% (圖4)。

圖4 不同土壤性狀及玉米性狀對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率Fig. 4 Contribution of soil properties and agronomy traits on maize yield

3 討論

3.1 光葉紫花苕作綠肥對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

輪作豆科綠肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中維持作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)并減少化肥用量的重要措施[14]。有研究發(fā)現(xiàn)豆科綠肥在翻壓量為15000～30000 kg/hm2并減量40%化學(xué)肥料時(shí)作物產(chǎn)量可與常規(guī)施肥產(chǎn)量持平[15]。以往的研究主要針對(duì)綠肥部分替代化學(xué)氮肥時(shí)作物產(chǎn)量及土壤肥力的變化[16-19]，對(duì)豆科綠肥作為單一氮源的供氮潛力研究少見報(bào)道。本研究設(shè)置不同翻壓量光葉紫花苕作為玉米生長的單一氮源，發(fā)現(xiàn)隨著種植年限增加，光葉紫花苕作為單一氮源的各處理玉米產(chǎn)量可與常規(guī)施肥處理相當(dāng)，并且在光葉紫花苕翻壓量超過30000 kg/hm2時(shí)玉米產(chǎn)量有高于常規(guī)施肥處理的趨勢(shì) (圖1)。豆科綠肥在田間進(jìn)行連續(xù)施用時(shí)不僅對(duì)作物穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)有較大貢獻(xiàn)，并隨著年限的增加效果逐漸加強(qiáng)，體現(xiàn)了綠肥對(duì)作物產(chǎn)量影響具有長效性[20-21]，這與本研究結(jié)果一致。光葉紫花苕在適宜的生態(tài)區(qū)種植利用時(shí)具有良好的綜合生物學(xué)性狀，合理的翻壓施用對(duì)玉米莖粗、穗長等農(nóng)藝性狀有一定的提升效果[22]，本試驗(yàn)中玉米單穗重、穗粗及穗長均對(duì)產(chǎn)量有較大貢獻(xiàn)值，體現(xiàn)了綠肥對(duì)玉米農(nóng)藝性狀的影響可能是其增產(chǎn)的主要機(jī)制之一。相較于部分替代化學(xué)氮肥，綠肥作為單一氮源供給作物生長發(fā)育時(shí)需要較大的翻壓量，對(duì)綠肥生物量有較高要求，可以為應(yīng)用綠肥作為主要肥源的有機(jī)農(nóng)業(yè)提供發(fā)展思路。

3.2 光葉紫花苕作綠肥對(duì)玉米養(yǎng)分吸收的影響

豆科綠肥作為氮源供作物生長利用時(shí)，可顯著影響作物的氮素吸收量與積累[23]。研究表明，光葉紫花苕的翻壓量顯著影響玉米氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量及轉(zhuǎn)運(yùn)率[11]。本研究中，在試驗(yàn)第一年常規(guī)施肥處理下籽粒氮含量較之綠肥處理有顯著優(yōu)勢(shì)，第二年在光葉紫花苕翻壓量為45000 kg/hm2時(shí)，籽粒氮素含量與積累量均較常規(guī)施肥有所提高，表明綠肥處理下氮素由地下轉(zhuǎn)運(yùn)至玉米地上部出現(xiàn)提升。不同于化學(xué)氮肥的養(yǎng)分速效性，豆科綠肥作為氮源供給需要在其腐解礦化后才能為作物所吸收利用[24]，其氮素礦化過程的速率隨時(shí)間的增長而逐漸出現(xiàn)下降，在翻壓一個(gè)月后可釋放約90%[25]，而作物在生長早期對(duì)養(yǎng)分需求量較低，后期需求量逐漸增大，綠肥養(yǎng)分釋放特性與作物養(yǎng)分需求特點(diǎn)更為契合，能夠更好地促進(jìn)玉米養(yǎng)分吸收。當(dāng)足量的綠肥翻壓進(jìn)入農(nóng)田系統(tǒng)時(shí)，不僅可以有效促進(jìn)作物氮素吸收，與磷鉀化肥配施還會(huì)對(duì)作物磷鉀養(yǎng)分積累量有積極影響，其促進(jìn)養(yǎng)分吸收的效果還具有長效性，可為后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)[26]。

3.3 光葉紫花苕作綠肥對(duì)土壤肥力的影響

綠肥作物在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用具有良好的土壤培肥效果，其生長過程積累氮、磷、鉀等養(yǎng)分，翻壓還田后可礦化釋放供作物利用；同時(shí)利于土壤有機(jī)質(zhì)形成，對(duì)土壤碳庫增長有著較大貢獻(xiàn)[27-28]。豆科綠肥在其生長過程中可通過生物固氮作用將大氣中游離的氮進(jìn)行固定，翻壓后可為后茬作物提供豐富的氮素，并且通過其生長季根系伸長吸收上茬作物生長后土壤中盈余的磷鉀，但相較于氮鉀，光葉紫花苕磷吸收量明顯較少，在本試驗(yàn)中相較于單施化肥處理，綠肥的翻壓還田不僅帶入了大量的氮素，其吸收的磷鉀也隨之進(jìn)入田間。有研究表明通過紫云英翻壓配合化學(xué)氮肥減量40%的情況下土壤肥力可緩慢提升[29]，并且有研究表明施用綠肥氮素?fù)p失率遠(yuǎn)低于化學(xué)氮肥，因而能更大程度地維持土壤肥力水平[30-31]。本研究中玉米收獲期土壤有效磷、全磷的含量與常規(guī)施肥一致，而堿解氮及速效鉀在2018年不同綠肥處理與化肥處理相近，2019年度呈現(xiàn)隨著光葉紫花苕翻壓量增加而增長的規(guī)律，土壤全氮、全鉀及有機(jī)質(zhì)也有著相似的累積特征。土壤全氮含量對(duì)玉米產(chǎn)量有著最大的貢獻(xiàn)率 (圖4)，即輸入的養(yǎng)分能較大程度地增加土壤全氮及速效氮含量時(shí)，玉米產(chǎn)量可獲得一定程度提升，表明光葉紫花苕主要通過改善土壤全氮含量進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。本試驗(yàn)中，在綠肥作為單一氮源輸入情況下，土壤整體肥力得到了較好的維持，尤其是對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)及氮、鉀養(yǎng)分的提升作用明顯，且試驗(yàn)第二年綠肥作用更佳，表明綠肥連續(xù)種植翻壓具有穩(wěn)定提升土壤養(yǎng)分庫存的潛力[32-33]。

4 結(jié)論

云南旱地玉米生產(chǎn)中以綠肥光葉紫花苕作唯一氮源時(shí)，綠肥翻壓第一年需要高翻壓量 (45000 kg/hm2)才能獲得常規(guī)氮肥相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量，第二年繼續(xù)翻壓，試驗(yàn)綠肥翻壓量均獲得了與常規(guī)氮肥相近的產(chǎn)量水平，高翻壓量更有超越使用化學(xué)氮肥 (270 kg/hm2) 的增產(chǎn)潛力，并且玉米地上部氮積累量與化肥多沒有顯著差異。綠肥翻壓第一年土壤堿解氮、速效鉀、全氮、全鉀及土壤有機(jī)質(zhì)提升不明顯，但第二年繼續(xù)綠肥翻壓則有明顯提高。因此，光葉紫花苕作綠肥連續(xù)翻壓能夠滿足云南旱地玉米生產(chǎn)養(yǎng)分需求，并且綠肥增產(chǎn)、培肥土壤的效應(yīng)隨著翻壓年限增加而更加明顯。