綠肥生產(chǎn)利用方式對云南高原紅壤理化性狀及玉米產(chǎn)量的影響

劉建香，郭樹芳，雷寶坤，郭云周

（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）

紅壤是云南高原最具代表性的旱地土壤，其生產(chǎn)力是影響云南高原旱作農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的主要因素。施用農(nóng)家肥、草木灰以及種植綠肥等曾是中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)長期維持耕地地力的重要措施?；使I(yè)、育種技術(shù)的發(fā)展使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)躍上高產(chǎn)臺階，然而長期大量偏施化肥，給耕地土壤質(zhì)量[1–6]和生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力[7]。

綠肥生產(chǎn)利用已成為化肥零增長條件下農(nóng)業(yè)的綠色、可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分。近年來，綠肥研究不斷擴(kuò)展，涵蓋了綠肥種質(zhì)資源搜集、整理與創(chuàng)新[8]、綠肥養(yǎng)分積累與腐解釋放規(guī)律[9–11]、高效生產(chǎn)技術(shù)模式[12]、增產(chǎn)效果[9,13]、化肥替代[14]、土壤肥力性狀[13，15–21]、土壤有機(jī)質(zhì)（功能有機(jī)物[22]、有機(jī)碳[23–24]、溶解性有機(jī)碳 DOM[18,25–27])、土壤生物（多樣性[19,24,28–30]、微生物生物量碳[17]和氮、微生物商[31]、功能性微生物[32]）、土壤酶活性[17, 20,30]和養(yǎng)分有效性與轉(zhuǎn)化[32]、氮素吸收利用[33–34]、溶解性有機(jī)氮 (DON)[27]、高產(chǎn)土壤保育[35–37]、退化土壤修復(fù)[38]等。其中，不少綠肥方面的研究已經(jīng)深入到機(jī)理層面，進(jìn)一步推動了綠肥生產(chǎn)利用研究，同時(shí)更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。然而，不同綠肥生產(chǎn)利用對云南高原紅壤旱地生產(chǎn)力的保育和持續(xù)利用影響研究較為缺乏，值得深入研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)位于云南省曲靖市麒麟?yún)^(qū)越州鎮(zhèn)新田村(N 25.30182°，E 103.90001°)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，干濕季節(jié)分明，年平均氣溫14.5℃，年均降雨量1008 mm。土壤為老沖積母質(zhì)發(fā)育的紅壤，基礎(chǔ)性狀為有機(jī)質(zhì)38.41 g/kg、堿解氮150.2 mg/kg、速效磷 52.3 mg/kg、速效鉀 161.2 mg/kg、pH 5.72。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

綠肥生產(chǎn)利用田間定位試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理：1)冬春休閑–玉米(CK)；2)種植并翻壓肥田蘿卜–玉米(R)；3)種植并翻壓光葉紫花苕子–玉米(V)；4)冬閑-翻壓外源光葉紫花苕子–玉米(EV)；5)光葉紫花苕子根茬還田–玉米(RV，根茬數(shù)量為EV的10%左右)，在8月中旬玉米成熟收獲前穴播套種光葉紫花苕子，盛花期刈割移走光葉紫花苕子的莖葉。EV處理3月上/中旬翻壓來自其它地塊的光葉紫花苕子鮮草15 t/hm2。每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為 36 m2。

試驗(yàn)始于2011年9月，2019年9月結(jié)束。R處理每年8月末至9月初玉米成熟期穴播肥田蘿卜，播種量為15 kg/hm2，11月下旬至12月上旬莢果期翻壓，翻壓量為15 t/hm2，翻壓深度0.2 m；V處理每年8月中旬玉米成熟期穴播光葉紫花苕子，播種量為60 kg/hm2，次年3月上/中旬盛花期翻壓，翻壓鮮草量15 t/hm2，翻壓深度0.2 m。每年4月中旬采用寬窄行穴播玉米，寬行行距為0.8 m，窄行行距為0.4 m，株距為0.24 m，播種并澆水覆土后覆蓋地膜，9月中旬收獲玉米。

肥田蘿卜和光葉紫花苕子主要養(yǎng)分含量見表1。

表1 綠肥氮磷鉀與有機(jī)碳平均含量(g/kg)Table 1 The average N, P, K and organic carbon content in green manures

各處理玉米的化肥施用量和施肥方法相同，均為 N 210 kg/hm2、P2O530 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2，氮肥(尿素，N 46%)分2次于拔節(jié)期和大喇叭口期追施，追施比例為3∶7；磷肥(過磷酸鈣，P2O516%)和鉀肥(硫酸鉀，K2O 50%)作基肥一次性施用。肥田蘿卜和光葉紫花苕子不施肥。

1.3 樣品采集及測定

玉米收獲時(shí)，采用多點(diǎn)取樣法取各小區(qū) 0—20 cm土層土壤樣品，混合、自然風(fēng)干后用于測定土壤養(yǎng)分。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定，速效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用NH4Ac浸提—火焰光度法測定[39]。土壤容重用環(huán)刀法測定，用環(huán)刀取每個(gè)小區(qū)0—20 cm土壤，置于105℃烘箱中烘干至恒重，計(jì)算土壤容重。玉米收獲時(shí)各小區(qū)實(shí)收測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Excel 2017、DPS 7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，若處理間差異顯著，采用Duncan法在0.05水平上進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠肥生產(chǎn)利用方式對玉米產(chǎn)量的影響

表2表明，8季平均玉米產(chǎn)量以EV處理最高，R處理最低，二者差異顯著。各綠肥處理的玉米產(chǎn)量與對照無顯著差異，其中種植并翻壓光葉紫花苕子和翻壓外源光葉紫花苕子處理玉米產(chǎn)量分別比對照增加了377和848 kg/hm2，增幅分別為3.36%和7.56%。說明外源綠肥向紅壤凈輸入養(yǎng)分，最有利于玉米產(chǎn)量的提高。

表2 不同綠肥生產(chǎn)利用方式對玉米產(chǎn)量的影響(kg/hm2)Table 2 Effects of different green manure production and utilization on maize yield

2.2 綠肥生產(chǎn)利用方式對紅壤容重和有機(jī)質(zhì)含量的影響

綠肥生產(chǎn)利用6年后(2017年)紅壤容重均比對照顯著降低，但各綠肥生產(chǎn)利用方式間差異不顯著(圖1)。對照處理的土壤容重最大，為1.19 g/cm3，種植并翻壓肥田蘿卜、種植并翻壓光葉紫花苕子、翻壓外源光葉紫花苕子和光葉紫花苕子根茬還田處理土壤容重分別降低了8.61%、10.46%、9.87%和7.20%。這是由于連續(xù)生產(chǎn)利用綠肥，輸入有機(jī)碳，促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，增加了土壤孔隙度，因而降低了土壤容重。

圖1 不同綠肥還田方式下紅壤容重Fig. 1 The bulk density of red soils under different patterns of green manure use

表3表明，4種綠肥利用方式處理8年土壤有機(jī)質(zhì)平均值均顯著高于對照，種植并翻壓肥田蘿卜、翻壓外源光葉紫花苕子、光葉紫花苕子根茬還田、種植并翻壓光葉紫花苕子處理分別提高紅壤有機(jī)質(zhì)3.92%、5.53%、8.78%、14.03%，且處理間差異顯著，從高到低順序?yàn)閂>RV>EV>R。肥田蘿卜提高土壤有機(jī)質(zhì)的效果不如3個(gè)光葉紫花苕子處理，一方面是由于翻壓時(shí)光葉紫花苕子含水量約為75%，肥田蘿卜含水量約為80%，翻壓相同重量的鮮草，光葉紫花苕子干物質(zhì)比肥田蘿卜多25%；另一方面，紫花苕子大田生長期長達(dá)6個(gè)月，且根系發(fā)達(dá)，而肥田蘿卜大田生長期僅2～3個(gè)月且須根少，有機(jī)碳含量也低于光葉紫花苕子。

表3 不同綠肥生產(chǎn)利用方式下的紅壤有機(jī)質(zhì)含量(g/kg)Table 3 Organic matter contents of red soils under different patterns of green manure use

不同綠肥還田處理影響土壤有機(jī)質(zhì)的特點(diǎn)也不同。與初始土壤有機(jī)質(zhì)含量38.41 g/kg相比，翻壓外源光葉紫花苕子處理(EV)土壤有機(jī)質(zhì)在2012年低于對照，2013年開始高于對照，但除2014、2015年外其他年份皆低于V和RV處理；肥田蘿卜處理的土壤有機(jī)質(zhì)在2013—2015年趨于降低，自2016年起轉(zhuǎn)為高于對照，8年平均含量顯著低于V和RV。其原因與前面相同。

2.3 綠肥利用方式對紅壤堿解氮含量的影響

表4表明，與初始紅壤堿解氮含量150.2 mg/kg相比，對照紅壤堿解氮降低，綠肥處理紅壤堿解氮在前5年也有所降低，但在第6和第7年增加，以V處理增加幅度最大，R處理增加最少。從8年的平均值來看，與對照相比，V、EV和RV處理土壤堿解氮含量分別增加了24.21%、14.66%和13.76 %，種植并翻壓肥田蘿卜無顯著變化，土壤堿解氮僅增加0.70%。這是由于豆科綠肥的生物固氮作用增加了氮素輸入，肥田蘿卜則消耗土壤氮素。因此，豆科綠肥生產(chǎn)利用能夠提高紅壤堿解氮含量，加之有機(jī)質(zhì)含量增加，從而維持和擴(kuò)充紅壤氮庫，種植并翻壓光葉紫花苕子增加紅壤堿解氮積累最多，種植并翻壓肥田蘿卜對紅壤的氮庫、堿解氮含量影響不明顯。

表4 不同綠肥生產(chǎn)利用方式對紅壤堿解氮含量的影響(mg/kg)Table 4 Effects of different green manure production and utilization on alkali-hydrolyzed nitrogen in red soil

2.4 綠肥生產(chǎn)利用方式對紅壤速效磷含量的影響

從8年的平均值來看，EV處理土壤速效磷含量最高為44.6 mg/kg，是唯一高于對照的處理，R處理土壤速效磷顯著降低了8.23%，V和RV處理變化不明顯。EV處理土壤的磷為凈輸入，V處理土壤磷素沒有凈輸入，RV處理由于刈割并移走紫花苕子莖葉，土壤輸出了磷素；R處理的土壤也沒有磷素凈輸入，因此，種植綠肥的3個(gè)處理土壤的速效磷含量均低于施用外源綠肥的處理(表5)。

表5 不同綠肥生產(chǎn)利用方式對紅壤速效磷含量的影響(mg/kg)Table 5 Effects of different green manure production and utilization on available phosphorus in red soil

與初始土壤速效磷含量52.3 mg/kg相比，不同處理土壤速效磷含量均有不同程度的降低。這表明紅壤上綠肥–玉米系統(tǒng)消耗土壤速效磷，P2O530 kg/hm2的施磷量略顯不足。

2.5 綠肥生產(chǎn)利用方式對紅壤速效鉀含量的影響

表6表明，玉米收獲時(shí)，紅壤速效鉀含量是來源于自存的及鉀肥和綠肥腐解釋放的鉀被玉米吸收利用之后所剩余的含量，其中翻壓外源光葉紫花苕子(EV)和種植并翻壓光葉紫花苕子(V)處理土壤速效鉀含量較高，光葉紫花苕子根茬還田(RV)處理土壤速效鉀含量最低。與初始土壤速效鉀含量161.2 mg/kg相比，所有處理土壤速效鉀含量均下降，其中光葉紫花苕子根茬還田處理下降幅度最大，其次是對照，翻壓外源光葉紫花苕子和種植并翻壓光葉紫花苕子處理降低幅度較小。從8年的平均值來看，與對照相比，翻壓外源光葉紫花苕子和種植并翻壓光葉紫花苕子處理土壤速效鉀含量分別增加了55.31% 和 40.18% (P < 0.05)，而其他綠肥處理土壤速效鉀含量無顯著變化，其中種植并翻壓肥田蘿卜處理土壤速效鉀含量增加6.64%，光葉紫花苕子根茬還田處理土壤速效鉀含量降低10.74%。翻壓外源光葉紫花苕子處理，光葉紫花苕子中的鉀為凈輸入，地膜玉米收獲后紅壤速效鉀含量較高；種植并翻壓光葉紫花苕子處理，光葉紫花苕子中的鉀吸收自本田，沒有鉀素凈輸入，地膜玉米收獲后紅壤速效鉀含量低于翻壓外源光葉紫花苕子處理；種植并翻壓肥田蘿卜處理，肥田蘿卜中的鉀吸收自本田，沒有鉀素凈輸入，地膜玉米收獲后紅壤速效鉀含量較低；種植光葉紫花苕子刈割并移走地上莖葉，鉀素為凈輸出，地膜玉米收獲后紅壤速效鉀含量最低，這是唯一速效鉀含量低于對照的處理，比對照處理降低了 9.7 mg/kg。

表6 不同綠肥生產(chǎn)利用方式對紅壤速效鉀含量的影響(mg/kg)Table 6 Effects of different green manure production and utilization on available potassium in red soil

3 討論

土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量與土壤生產(chǎn)力密切相關(guān)，提升土壤生產(chǎn)力就是要為農(nóng)作物營造良好的土壤結(jié)構(gòu)以及營養(yǎng)條件，這樣才能維持土壤高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。長江中下游農(nóng)區(qū)秸稈還田量平均為3990 kg/hm2, 平均增加土壤有機(jī)碳0.151%；華南地區(qū)秸稈還田量平均為4875 kg/hm2，平均增加土壤有機(jī)碳0.125%[40]。長期有機(jī)無機(jī)肥配施可逐步提高紅壤有機(jī)質(zhì)含量，但其提高程度與使用有機(jī)肥的量和性質(zhì)有關(guān)[41]。任科宇等[42]收集并分析了全國已公開發(fā)表的109篇文獻(xiàn)，包含不施肥(CK)、單施化肥(NPK)和化肥配施有機(jī)肥(NPKM)處理的402組作物產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)與NPK相比，NPKM處理下作物的產(chǎn)量平均提高了4.7 %，其中小麥、玉米和水稻的增產(chǎn)率分別為5.6%、7.6%和4.5%。榮湘民等[43]研究表明，合理的有機(jī)與無機(jī)肥料配合施用可降低土壤容重，提高土壤含水量與土壤肥力，促進(jìn)玉米生長，提高玉米籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)。較合理的有機(jī)無機(jī)肥料配合施用比例為25%～50%有機(jī)肥加75%～50%化肥。不同施肥制度對土壤培肥效果依次表現(xiàn)為高量有機(jī)肥>常量有機(jī)肥>常量有機(jī)無機(jī)肥配施>高量化肥>常量化肥>不施肥[44]。長期施用有機(jī)肥、有機(jī)無機(jī)肥配施能提高褐土微生物生物量碳、氮，增加脲酶及堿性磷酸酶活性[45]。與NPK處理相比，豬糞有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥替代部分化肥對水稻和小麥的產(chǎn)量無顯著影響，但能提高土壤微生物生物量碳、氮，增加土壤細(xì)菌豐富度和均勻度指數(shù)[46]。土壤結(jié)構(gòu)的改善決定于輸入有機(jī)碳的總量，且與其組成和特征有關(guān)，有機(jī)碳組成和特征不同，微團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性也不同[47]。有機(jī)–無機(jī)肥配施可降低紅壤容重，使土壤中粒徑大于5 mm機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體增加2%～42 %，增施有機(jī)肥不僅有利于紅壤大團(tuán)聚體的形成，還有利于改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性[48]。長期有機(jī)無機(jī)肥配施可明顯改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，又可增加土壤養(yǎng)分含量，減少粒徑>5 mm的非團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的數(shù)量，增加粒徑0.25～5 mm團(tuán)聚體的含量，大團(tuán)聚體中含有更多的全碳、全氮、全磷，對養(yǎng)分的保持有重要作用[49]。上述研究結(jié)果表明，增施糞肥、秸稈等有機(jī)肥以及化肥有機(jī)肥配施，是保持和提升耕地土壤良好理化性狀的有效措施。

本研究結(jié)果表明，不同綠肥生產(chǎn)利用方式降低紅壤容重7.20%～10.46%，提高紅壤有機(jī)質(zhì)3.92%～14.03%，增加堿解氮含量0.70%～24.21%，肥田蘿卜、光葉紫花苕子生產(chǎn)利用提高紅壤速效鉀含量6.64 %～55.31%，種植并翻壓光葉紫花苕子、翻壓外源光葉紫花苕子增產(chǎn)玉米377、848 kg/hm2，增幅3.36%、7.56%?？梢?，綠肥能夠保持和提升云南高原紅壤生產(chǎn)力，其中以豆科綠肥效果最佳。

有研究結(jié)果也表明，綠肥生產(chǎn)利用也是維持和提升土壤肥力的有效措施。如綠肥、麥秸還田是提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的重要措施，翻壓綠肥、麥秸各半可增加糧食產(chǎn)量[50]。翻壓黑麥草在煙株移栽后30天時(shí)土壤容重降低了0.064 g/cm3，在煙株整個(gè)生育期，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別提高了12.18%～30.84%、6.82%～21.46%、62.19%～119.20%和40.02%～85.44%，能較好地調(diào)節(jié)土壤pH，翻壓量為22500 kg/hm2的效果最好[51]。光葉紫花苕子綜合生物學(xué)性狀較好，是提高玉米直徑、高度、生物學(xué)產(chǎn)量及養(yǎng)分含量的較好綠肥品種，尤其在缺磷地區(qū)是較好的補(bǔ)磷綠肥[13]。冬種紫云英+早、晚稻秸稈全量還田顯著增加了水稻土中超大團(tuán)聚體 (粒徑>2 mm)和大團(tuán)聚體 (粒徑 0.25～2 mm)的含量，并促進(jìn)了兩種團(tuán)聚體內(nèi)芳香碳等惰性碳的積累[21]。Gao等[25]研究發(fā)現(xiàn)，種植翻壓綠肥后，土壤可溶解有機(jī)碳(DOC)含量顯著提高，即長期施用紫云英和油菜后土壤DOM的組成更加復(fù)雜，增加了DOM的芳香化程度、腐殖質(zhì)化程度和平均分子量，使DOM在紅壤中更加穩(wěn)定。常單娜等[26]研究指出，種植翻壓綠肥增加了土壤DOM含量，提高了土壤DOM的芳香性、疏水性、腐殖化程度、平均分子量，增加了土壤DOM的穩(wěn)定性。

綠肥在保持和提升土壤生產(chǎn)力方面，具有綠色、健康、效果好等突出優(yōu)點(diǎn)，但不同類型綠肥以及不同生產(chǎn)利用方式效果是有差異的。豆科綠肥由于具有生物固氮作用，生產(chǎn)利用能擴(kuò)充土壤氮庫，并供給后茬主作物吸收利用；非豆科綠肥生產(chǎn)需要消耗土壤氮素。豆科和非豆科綠肥生產(chǎn)，都能活化和富集土壤礦質(zhì)養(yǎng)分，但還田后腐解、釋放養(yǎng)分有一個(gè)過程，不同養(yǎng)分釋放速率不同。因此，主作物上綠肥與化肥配合施用，更能發(fā)揮綠肥優(yōu)勢。

綜上所述，綠肥與糞肥等有機(jī)肥一樣，都能夠維持和提升土壤生產(chǎn)力，為農(nóng)作物營造良好的土壤結(jié)構(gòu)以及營養(yǎng)條件，有利于土壤可持續(xù)利用和作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

4 結(jié)論

在云南高原紅壤上，長期種植并翻壓光葉紫花苕子和肥田蘿卜，甚至只還田光葉紫花苕子根茬均可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤容重，但是還田方式影響著作物的增產(chǎn)效果，光葉紫花苕子的效果顯著優(yōu)于肥田蘿卜。種植并翻壓光葉紫花苕子可以提高玉米產(chǎn)量，而種植并翻壓肥田蘿卜的玉米產(chǎn)量較低。翻壓光葉紫花苕子可提高紅壤堿解氮含量，但收獲莖葉會造成紅壤速效鉀虧損；種植并翻壓肥田蘿卜對紅壤堿解氮含量影響不明顯，但消耗土壤的速效磷。翻壓外源光葉紫花苕子帶入的氮、磷、鉀養(yǎng)分提高了紅壤中的堿解氮、速效磷、速效鉀含量，因而提高玉米產(chǎn)量的效果也最好。