氮肥減施下翻壓冬季綠肥對(duì)川東玉米地土壤養(yǎng)分的影響

曾 妮，蔡 艷*，李寒松，李 冰，李珺昭，伍 偉，張洪滔，何 川，李 鐘，鄭祖平

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；2.南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，四川南充 637000）

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的日益推進(jìn)，該過(guò)程中土壤肥料問(wèn)題也日漸突出。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)但耕地資源有限，土壤肥料的運(yùn)用在培肥土壤、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等方面作用突出[1]。然而，目前關(guān)于土壤肥料的使用存在諸多問(wèn)題，在糧食作物、蔬菜等種植過(guò)程中很多農(nóng)戶為獲取更高的產(chǎn)量，過(guò)度施用化肥而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)失衡、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失等問(wèn)題。玉米是四川盆地旱地主栽糧食作物，具有生長(zhǎng)發(fā)育旺盛、產(chǎn)量高以及需肥量大等特點(diǎn)[2]，就川東丘陵地區(qū)玉米種植技術(shù)而言，通過(guò)大量施用化學(xué)氮肥來(lái)保證其充足的養(yǎng)分供應(yīng)。據(jù)調(diào)查，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民缺少科學(xué)施肥意識(shí)，單一施用過(guò)量氮肥使土壤中氮素過(guò)剩，由于該地處于紫色土地區(qū)屬亞熱季風(fēng)性氣候，水土流失嚴(yán)重，土壤氮素在強(qiáng)烈淋洗作用下大量流失[3]，并對(duì)周圍環(huán)境造成污染[4-5]。在此情況下該地區(qū)形成氮肥濫用的惡性循環(huán)。因此，研究氮肥減量下如何維持土壤養(yǎng)分平衡對(duì)川東丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

綠肥是用綠色植物體制成的肥料，能為土壤提供豐富的養(yǎng)分，是公認(rèn)的無(wú)公害生物肥料之一[6]。目前有關(guān)翻壓綠肥對(duì)水稻、油菜和馬鈴薯土壤養(yǎng)分含量影響已經(jīng)有大量研究，且化肥減施下的冬季綠肥研究多集中在紫云英[7-9]方面，有關(guān)翻壓其他綠肥對(duì)玉米生育期土壤養(yǎng)分含量影響的研究較少。而有研究表明[10-11]，光葉苕子屬豆科綠肥，根系發(fā)達(dá)，可松土培肥，固氮作用顯著；肥田蘿卜和黑麥草分別是十字花科、禾本科綠肥，雖固氮能力不及光葉苕子，但兩者生物量較大，翻壓還田能提供大量養(yǎng)分。選用這3種綠肥能充分考慮到化肥減施后對(duì)土壤養(yǎng)分補(bǔ)充的影響。因此，本研究選取上述3種冬季綠肥與玉米輪作進(jìn)行田間試驗(yàn)，通過(guò)綠肥翻壓還田后減少化肥施用，進(jìn)行土壤養(yǎng)分變化的研究，以期為川東丘陵地區(qū)減施化肥后保障土壤養(yǎng)分含量不變或提高和篩選出合適的綠肥品種提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)點(diǎn)位于四川省閬中市，閬中位于四川盆地北部，嘉陵江中游，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，年均溫度l7℃，極端最高氣溫39℃，最低氣溫-4.6℃。常年無(wú)霜期290 d，年均日照1 379.8 h，年均降水量1 033.9 mm。

供試土壤：石灰性紫色土，0～20 cm土壤基本性質(zhì)為：pH 7.5，有機(jī)質(zhì) 19.85 g/kg，全氮 0.62 g/kg，堿解氮 45.15 mg/kg，有效磷 3.65 mg/kg，速效鉀177.25 mg/kg。

供試綠肥：光葉苕子（Vicia villosa Roth var.），黑麥草（Lolium perenne L.），肥田蘿卜（Raphanus sativus L.），均為冬季綠肥，由江西省農(nóng)科院土肥資環(huán)所統(tǒng)一提供。

供試化肥：尿素（N 46%）——重慶建峰化工股份有限公司，過(guò)磷酸鈣（P2O512%）——四川省綿陽(yáng)市俊丹肥業(yè)有限公司，硫酸鉀（K2O 51%）——國(guó)投新疆羅布泊鉀鹽有限公司。

供試玉米：科茂918，由南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理（表1），3次重復(fù)。小區(qū)面積21 m2（7 m×3 m），田間隨機(jī)區(qū)組排列。區(qū)組間距0.50 m，區(qū)組內(nèi)小區(qū)間距0.20 m。綠肥于每年10月播種，播種量為光葉苕子60 kg/hm2、肥田蘿卜11.25 kg/hm2、黑麥草22.5 kg/hm2，3種綠肥混播量分別為45、6和6 kg/hm2，不施用肥料。翌年2月綠肥全量翻壓入土。3月播種玉米，其中氮肥減施20%參考文獻(xiàn)[12-13]，具體施肥量如表1。本研究基于綠肥翻壓2 a后測(cè)定結(jié)果。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experiment design kg·hm-2

1.3 土壤樣品采集

分別于玉米生長(zhǎng)苗期、拔節(jié)期、抽絲期、灌漿期和收獲期采集土樣。于每個(gè)小區(qū)采用S形法隨機(jī)選取5個(gè)樣點(diǎn)，采樣深度為0～20 cm。采樣時(shí)在株間和行間隨機(jī)采取，組成混合樣1 kg左右，去除植物殘?bào)w等雜質(zhì)后裝入塑封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后過(guò)孔徑10目（約2 mm）篩和過(guò)孔徑100目（約 0.15 mm）篩，待測(cè)。

1.4 指標(biāo)測(cè)定及方法

土壤養(yǎng)分測(cè)定：分別采用半微量凱氏定氮法[14]44、堿解擴(kuò)散法[14]56、0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法[14]81、1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量[14]106。交換性鈣、交換性鎂、有效鐵、有效錳、有效銅和有效鋅的測(cè)定采用ICP-MS法[15]。

玉米地土壤養(yǎng)分含量分級(jí)參見(jiàn)全國(guó)第二次土壤普查土壤養(yǎng)分等級(jí)劃分（表2）。

白菜白斑病是秋季對(duì)白菜危害較大的病害，大片發(fā)生時(shí)田間白菜外葉常發(fā)黃枯死，嚴(yán)重影響白菜的品質(zhì)和產(chǎn)量。對(duì)種子進(jìn)行處理是目前生產(chǎn)上防治病害的一種方法，溫湯浸種可以在一定程度上提高植株的抗病性，同時(shí)對(duì)種子進(jìn)行藥劑拌種處理，例如75%百菌清可濕性粉劑，可以預(yù)防白菜苗期病害。化學(xué)防治是田間防治病害見(jiàn)效最快的方法，也是目前對(duì)于病害常采用的防治方法。病害未發(fā)生時(shí)可用70%代森錳鋅可濕性粉劑500倍液或用64%殺毒礬可濕性粉劑600倍液噴霧，每隔10天左右噴1次藥，連噴2～3次，能起到較好的防治效果，提早防治既可以減少農(nóng)藥的使用量減少經(jīng)濟(jì)投入也可以減輕病害的發(fā)生。

表2 全國(guó)第二次土壤普查土壤養(yǎng)分等級(jí)劃分Table 2 Classification of soil nutrient levels in the second national soil survey

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Micosoft Excel 2013整理，采用IBM SPSS Statistics 20軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析和顯著差異分析。方差分析采用單因素方差分析法（one-way ANOVA），差異顯著的指標(biāo)用最小顯著法（LSD）進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥減施下翻壓冬季綠肥對(duì)土壤大量元素的影響

由表3可知，各處理土壤全氮含量在玉米苗期達(dá)到最大值（除L處理），至抽絲期不斷降低，而翻壓綠肥處理在灌漿期和收獲期大多有所提高。同常規(guī)施肥處理（NF）相比，減施氮肥后土壤全氮含量在玉米整個(gè)生育期顯著減少，而減氮基礎(chǔ)上全量翻壓綠肥后全氮含量均顯著提高；其中，混合翻壓綠肥后土壤全氮在苗期顯著增加了15.00%；收獲期時(shí)，V、R、L、B處理土壤全氮含量分別提高了20.29%、20.29%、7.25%和30.43%。說(shuō)明翻壓綠肥減施氮肥能提高土壤全氮含量，增強(qiáng)土壤的供氮能力，總體效果表現(xiàn)為B>V、R>L。

由表4可知，從玉米苗期到收獲期，與NF對(duì)照處理相比，減施氮肥后土壤堿解氮含量降低了5.75%～12.03%；減氮基礎(chǔ)上全量翻壓冬季綠肥處理土壤堿解氮增加了2.14%～68.94%，以翻壓黑麥草處理（L）效果最佳，增幅達(dá)21.35%～63.46%。在苗期和收獲期，混播處理（B）堿解氮含量最大，分別顯著提高了25.31%、68.94%。在玉米生育期內(nèi)，單施氮肥土壤堿解氮呈遞減趨勢(shì)，而減氮下翻壓綠肥其含量由苗期至灌漿期不斷降低，收獲期時(shí)土壤堿解氮含量增加。綜合來(lái)看，翻壓綠肥提高土壤堿解氮的效果表現(xiàn)為L(zhǎng)>B>R>V，翻壓冬季綠肥且減施氮肥能顯著提高玉米收獲期的土壤供氮強(qiáng)度使其維持較高生產(chǎn)水平。

表4 不同處理對(duì)玉米主要生育時(shí)期土壤堿解氮含量的影響Table 4 Effects of different treatments on soil alkali-hydrolyzable nitrogen content in main growth period of maize mg·kg-1

如表5所示，玉米收獲期時(shí)土壤有效磷含量均低于苗期。同NF處理相比，玉米收獲期前減施氮肥后土壤有效磷含量均有減少；而翻壓綠肥處理土壤有效磷在收獲期有所提高，各翻壓綠肥處理分別提高了17.11%、29.25%、2.88%和26.37%，提高有效磷的效果表現(xiàn)為R>B>V>L。說(shuō)明翻壓綠肥后減施氮肥在玉米收獲期能有效提高土壤有效磷含量。

表5 不同處理對(duì)玉米主要生育時(shí)期土壤有效磷含量的影響Table 5 Effects of different treatments on soil available phosphorus content in main growth period of maize mg·kg-1

由表6可知，單施氮肥處理土壤速效鉀含量在玉米生育期內(nèi)呈降低趨勢(shì)，且RF處理速效鉀含量顯著低于其他處理。同NF處理相比，RF處理土壤速效鉀顯著降低；翻壓冬季綠肥于玉米苗期和收獲期有效提高了速效鉀含量，R、L和B處理苗期時(shí)分別顯著提高了19.28%、19.28%、17.80%，但三者之間差異不顯著，且B處理速效鉀含量在玉米整個(gè)生育期都維持在較高水平，并于收獲期顯著提高了75.05%。翻壓綠肥處理提高土壤速效鉀效果表現(xiàn)為B>L>R>V。說(shuō)明混播光葉苕子、肥田蘿卜和黑麥草并全量翻壓后減施氮肥效果最佳，能顯著提高土壤中速效鉀的含量。

表6 不同處理對(duì)玉米主要生育時(shí)期土壤速效鉀含量的影響Table 6 Effects of different treatments on soil available potassium content in main growth period of maize mg·kg-1

2.2 氮肥減施下翻壓冬季綠肥對(duì)土壤中量元素的影響

由表7可知，與NF處理相比，除玉米抽絲期外，RF處理土壤交換性鈣含量顯著增加，翻壓綠肥處理同樣有所增加。R、L、B處理土壤交換性鈣含量于玉米收獲期以前呈先提高后降低趨勢(shì)；V、R、B處理交換性鈣含量由玉米苗期到收獲期總體減少，但未達(dá)顯著水平，L處理略有提高，亦無(wú)顯著差異。玉米收獲期，各翻壓綠肥處理交換性鈣較NF處理顯著增加了4.80%～10.16%。說(shuō)明L處理能顯著活化土壤中的鈣，提高交換性鈣的含量。

表7 不同處理對(duì)玉米主要生育時(shí)期土壤交換性Ca含量的影響Table 7 Effects of different treatments on soil exchangeable calcium content in main growth period of maize mg·kg-1

由表8可知，由玉米苗期到收獲期，常規(guī)施肥處理交換性鎂含量呈顯著降低趨勢(shì)，與之相比，減施氮肥處理（RF）在玉米生長(zhǎng)前期及中期交換性鎂顯著降低，在生長(zhǎng)后期又有提高。翻壓綠肥處理中，各處理在抽絲期及以前交換性鎂含量不斷降低，收獲期時(shí)R和B處理交換性鎂含量增加，但B處理未達(dá)顯著水平；而L處理的土壤交換性鎂顯著高于其他處理，收獲期比NF處理增長(zhǎng)14.82%。同RF處理相比，V、R和B處理土壤交換性鎂含量收獲期時(shí)顯著降低，但L處理稍有提高。

表8 不同處理對(duì)玉米主要生育時(shí)期土壤交換性Mg含量的影響Table 8 Effects of different treatments on soil exchangeable magnesiumt content in main growth period of maize mg·kg-1

2.3 氮肥減施下翻壓冬季綠肥對(duì)土壤微量元素的影響

翻壓綠肥后土壤微量元素變化見(jiàn)表9～表12。除玉米灌漿期，減施氮肥后土壤有效鐵比常規(guī)施肥有所降低，減氮基礎(chǔ)上翻壓綠肥其有效鐵含量增減呈波動(dòng)變化。與單施化肥處理相比，僅B處理土壤有效Fe含量在收獲期略有增加；V、R和L處理在整個(gè)玉米生長(zhǎng)過(guò)程中土壤有效Fe總體呈減少趨勢(shì)。在玉米生育期內(nèi)，混合翻壓綠肥后土壤有效Fe含量比其他翻壓綠肥處理有所增加。說(shuō)明翻壓冬季綠肥對(duì)土壤有效Fe含量增加影響不大。

表9 不同處理對(duì)玉米主要生育時(shí)期土壤有效Fe含量的影響Table 9 Effects of different treatments on soil available iron content in main growth period of maize mg·kg-1

表10 不同處理對(duì)玉米主要生育時(shí)期土壤有效Mn含量的影響Table 10 Effects of different treatments on soil available manganese content in main growth period of maize mg·kg-1

各處理土壤有效Mn和有效Cu含量在玉米生長(zhǎng)過(guò)程中總體減少。與NF處理相比，B處理土壤有效Mn含量在玉米拔節(jié)期至灌漿期保持在較高水平；RF處理和B處理有效Mn在玉米生長(zhǎng)后期（灌漿期至收獲期）提高顯著，分別提高了26.55%和15.32%；而V、R和L處理土壤有效Mn含量變化不顯著（表10）。玉米抽絲期時(shí)L處理有效Cu含量比NF處理增加6.25%；B處理有效Cu含量顯著增加了10.94%，且比RF處理略有增加，但差異不顯著（表11）。

表11 不同處理對(duì)玉米主要生育時(shí)期土壤有效Cu含量的影響Table 11 Effects of different treatments on soil available copper content in main growth period of maize mg·kg-1

由表12可知，在玉米整個(gè)生育期過(guò)程，各處理（除R處理）土壤有效Zn的含量有所增加，而翻壓綠肥處理（除L處理）土壤有效Zn大致呈先減少后增加的趨勢(shì)。翻壓綠肥處理中，同NF處理相比，R處理苗期時(shí)土壤有效Zn顯著提高了69.52%；收獲期時(shí)，V處理和R處理土壤有效Zn的含量略有增加，但差異不顯著，而L處理和B處理土壤有效Zn的含量略有減少，同樣未達(dá)顯著水平。說(shuō)明翻壓冬季綠減施氮肥后，對(duì)土壤有效Zn含量影響不大。

表12 不同處理對(duì)玉米主要生育時(shí)期土壤有效Zn含量的影響Table 12 Effects of different treatments on soil available zincin content in main growth period of maize mg·kg-1

3 討論

種植且翻壓綠肥能有效調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分，促進(jìn)作物養(yǎng)分供應(yīng)[16]，如長(zhǎng)期種植冬季綠肥能有效提高土壤氮素[17]。不同品種綠肥對(duì)土壤養(yǎng)分的促進(jìn)存在明顯差異，豆科綠肥光葉苕子與其根瘤形成高效生物固氮體系，可顯著提高土壤全氮含量[18]，于玉米[19]、水稻[20]等作物栽種過(guò)程應(yīng)用普遍；肥田蘿卜含有豐富磷素養(yǎng)分，尤其適合缺磷地區(qū)種植[21]；有研究表明[22-23]，禾本科黑麥草綠肥平均產(chǎn)量顯著高于其他綠肥種類，若以68 000 kg/hm2的黑麥草還田，通過(guò)其腐解相當(dāng)于給每公頃土地供應(yīng)230 kg的氮和30 kg的磷。翻壓綠肥豐富土壤養(yǎng)分，為作物減施化肥提供了可能性。本試驗(yàn)中綠肥翻壓與氮肥減量配施對(duì)土壤中的全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀等均有提高，這與袁喆[24]、劉小粉等[25]研究結(jié)果一致。劉娜[26]研究發(fā)現(xiàn)種植并翻壓豆科綠肥供應(yīng)氮量顯著高于休閑處理，翻壓綠肥不施氮肥時(shí)也能保持氮的投入輸出平衡；高桂娟等[27]發(fā)現(xiàn)翻壓肥田蘿卜97 d時(shí)其磷養(yǎng)分釋放率達(dá)到98.10%，可有效提高土壤磷含量。本試驗(yàn)中翻壓光葉苕子對(duì)于提高土壤氮素效果顯著，相比其他綠肥，翻壓肥田蘿卜后土壤有效磷于玉米收獲期顯著提高了29.25%，與上述研究結(jié)果相符。

本研究結(jié)果表明，混播光葉苕子、肥田蘿卜和黑麥草3種冬季綠肥對(duì)提高土壤N、P、K養(yǎng)分含量效果最佳。據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，其中光葉苕子氮含量最高（14.4 g/kg），黑麥草氮含量最低（9.1 g/kg），但兩者鉀含量都較高；肥田蘿卜含有豐富的磷素養(yǎng)分，平均可達(dá)7.5 g/kg；3種綠肥在減氮基礎(chǔ)上，單種并翻壓植株腐解后均能對(duì)應(yīng)提高相應(yīng)的土壤養(yǎng)分。光葉苕子N、P、K養(yǎng)分還田量明顯高于綠肥混播，兩者分別為359.04、292.11 kg/hm2，但試驗(yàn)結(jié)果混播處理土壤中的N、P、K養(yǎng)分含量維持狀況較翻壓光葉苕子更好。結(jié)合相關(guān)綠肥腐解特性[28-29]，光葉苕子翻壓還田后在氮、磷、鉀養(yǎng)分快速釋放期（還田7～50 d）表現(xiàn)突出[30]，而玉米正處于養(yǎng)分需求量最大的拔節(jié)期和抽絲期，光葉苕子還田釋放的養(yǎng)分比混播翻壓后更多地被玉米吸收利用。川東丘陵區(qū)種植并翻壓綠肥，既有益于土壤養(yǎng)分供應(yīng)而減少化肥用量，還在提升玉米產(chǎn)量[31]等方面發(fā)揮著重大作用，促進(jìn)該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

種植3種冬季綠肥及翻壓后，玉米地減氮20%下土壤中微量元素鈣、鎂、鐵、錳、銅和鋅含量有一定提高或無(wú)顯著變化，這與熊維亮等[32]在烤煙上的研究結(jié)果一致。此外，田想等[33]研究也發(fā)現(xiàn)綠肥種植且減施氮肥對(duì)果園土壤微量元素?zé)o顯著影響。說(shuō)明種植光葉苕子、肥田蘿卜和黑麥草確實(shí)在一定程度上能替代部分氮肥用量，在肥料減少情況下不會(huì)使土壤養(yǎng)分減少，因而達(dá)到減施氮肥的效果；但由于綠肥翻壓對(duì)土壤養(yǎng)分影響需要較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)反映，本研究綠肥種植年限較短，對(duì)于土壤養(yǎng)分性質(zhì)的改良效果還有待進(jìn)行連續(xù)多年深入觀測(cè)。

4 結(jié)論

翻壓冬季綠肥后減少氮素化肥施用量，能有效增加玉米地土壤中的氮磷鉀養(yǎng)分含量，混播光葉苕子、肥田蘿卜和黑麥草3種冬季綠肥效果最好，混播綠肥的比例還需要深入探討；翻壓黑麥草在玉米收獲期時(shí)略有提高土壤交換性鈣、鎂含量。種植且翻壓綠肥后，土壤微量元素增減差異不顯著，且無(wú)明顯變化規(guī)律。因此，在川東春玉米種植過(guò)程中，可將綠肥納入其輪作體系，既有益保持土壤養(yǎng)分供應(yīng)，又能減少化肥施用。