冬綠肥-春玉米輪作對土壤有機(jī)磷形態(tài)及其有效性的影響

張 茜，趙 秋，向春陽，史昕倩，杜 錦

(1.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，天津 300192；2.天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384)

綠肥是指以新鮮植物體就地翻壓、異地施用或經(jīng)漚、堆后主要作為肥料的栽培農(nóng)作物，從而可以使土壤理化性狀得到改善，提升土壤肥力，改良土壤結(jié)構(gòu)環(huán)境，豐富土壤微生物，促進(jìn)作物生長，達(dá)到提高后茬作物產(chǎn)量的目的[1-3]。我國是最早種植綠肥的國家[4]，綠肥能夠通過生物作用富集土壤中的磷且其本身又具有生長周期短、養(yǎng)分全面豐富、分解迅速、有效性好等特點(diǎn)，因此，綠肥的施用能有效調(diào)整化學(xué)肥料的施用結(jié)構(gòu)[5]，綠肥翻壓并且減少化肥用量，會使得土壤酸性磷酸酶的活性提高[6]。磷肥施入土壤后，大多被固定，且隨著外源磷施入量的增加，磷的固定量也會增加，而通過間作、輪作冬綠肥等方式均可以促進(jìn)土壤磷素的活化，提高土壤有效磷含量[7-9]。綠肥根系會分泌蘋果酸、檸檬酸等有機(jī)酸，有利于土壤中難溶性磷溶解活化[10]，能夠有效增加土壤中有效磷的含量、促進(jìn)土壤良性循環(huán)[11-12]。

磷素既是作物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，也是限制作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的營養(yǎng)元素之一[13]。土壤中的有機(jī)磷主要以肌醇磷酸鹽、磷脂、核酸等形式存在，不同有機(jī)磷化合物因結(jié)構(gòu)、分子大小和穩(wěn)定性差異，導(dǎo)致其生物有效性差異很大[14]，有機(jī)磷的分級方法大多采用的是Bowman等[15]提出的土壤有機(jī)磷的浸提法，根據(jù)有機(jī)磷生物有效性將其分為活性有機(jī)磷(LOP)、中活性有機(jī)磷(MLOP)、中穩(wěn)性有機(jī)磷(MROP)和高穩(wěn)性有機(jī)磷(HROP)4 個(gè)組分，各有機(jī)磷形態(tài)被作物吸收利用難度依次增加[16]。土壤的有機(jī)磷經(jīng)礦化后，成為作物磷的重要磷源，其有效性與土壤供磷能力關(guān)系密切。因此，施用有機(jī)肥后土壤有機(jī)磷的變化也逐漸成為近年來研究的熱點(diǎn)。通過現(xiàn)有研究可以得知，各綠肥處理土壤LOP的含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未翻壓綠肥土壤LOP的含量，MLOP的含量水平得到顯著提升，施用綠肥后卻使得MROP的含量持續(xù)下降，但不同品種綠肥對于同一有機(jī)磷形態(tài)的變化幅度具有顯著性差異[17]；施用綠肥等有機(jī)肥可以使有機(jī)磷各形態(tài)的含量均得到提高，但每個(gè)形態(tài)提高的幅度不同[18]，綠肥自身的含磷量越高，土壤中磷礦化的速度就會越快[19]。

華北玉米種植區(qū)長期存在的“掠奪式經(jīng)營”，致使現(xiàn)有的耕地質(zhì)量下降，且有機(jī)成分投入少，導(dǎo)致土壤磷素含量較低，磷素利用率下降，致使玉米產(chǎn)量和品質(zhì)受到影響。并且，華北地區(qū)土壤為潮土，偏堿性，土壤磷庫小，供磷能力不足。冬綠肥-春玉米輪作是華北地區(qū)一種新的種植制度，二月蘭(Orychophragmusviolaceus)、毛葉苕子(ViciavillosaRoth)、黑麥草(LoliumperenneL.)和冬油菜(BrassicacampestrisL.)經(jīng)過篩選是可以作為與春玉米進(jìn)行輪作的冬綠肥品種，具有較高的生物產(chǎn)量并且越冬性穩(wěn)定，不僅能夠很好地適應(yīng)本地環(huán)境，且有較高的生物量和碳、氮、磷、鉀累積吸收量。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證冬綠肥長期翻壓對土壤有機(jī)磷形態(tài)的影響及對磷素有效性的提高，本研究在天津市武清開發(fā)區(qū)進(jìn)行冬綠肥-玉米輪作模式的長期定位試驗(yàn)，通過探討不同冬綠肥作物翻壓還田后對土壤有機(jī)磷形態(tài)的變化及玉米磷吸收等的影響，旨在為華北地區(qū)合理種植綠肥改善土壤供磷狀況提供科技支撐及理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于天津市武清開發(fā)區(qū)天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新基地(N39°21′，E 117°10′)，海拔3.60 m，該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫11.60 ℃，無霜期203 d左右，年降水量586.10 mm。供試土壤為潮土，0～20 cm耕層土壤基本養(yǎng)分情況如下:

pH 8.28,有機(jī)質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、全磷、全鉀分別為18.30,1.17,4.65,0.59,30.03 g/kg，有效磷、速效鉀分別為9.70,265.14 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)冬閑、二月蘭、毛葉苕子、黑麥草、冬油菜5個(gè)處理，代號分別為CK、EYL、MS、HMC、DYC，每個(gè)重復(fù)3次，共計(jì)15個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積18 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，冬綠肥生長期間不施加肥料與農(nóng)藥，設(shè)有灌溉設(shè)施。

自2012年起每年9月播種綠肥，二月蘭、毛葉苕子、冬油菜和黑麥草的播種量分別為100，150，100，100 kg/hm2，翌年4月收獲計(jì)產(chǎn)后切碎成2～3 cm的小段翻壓入土壤10～15 cm，播種春玉米，玉米施肥量為 N 225.00 kg/hm2、P2O545.00 kg/hm2、K2O 225.00 kg/hm2。其中，氮肥1/3作基肥，2/3在玉米小喇叭口期追施；磷肥和鉀肥全部基施。氮肥用尿素(含N 46%)，磷肥用磷酸二銨(含N 18%、P2O546%)，鉀肥為氧化鉀(含K2O 60%)。

1.3 土壤樣品采集與測定分析

2011年，試驗(yàn)開始前在每個(gè)小區(qū)多點(diǎn)取0～20 cm耕層混合土樣1個(gè)作為基礎(chǔ)土樣，測定土壤養(yǎng)分和化學(xué)性質(zhì)；2012年后，每年種冬綠肥，翻壓后種植玉米，在每年玉米成熟后多點(diǎn)取樣法取土壤樣品于室內(nèi)風(fēng)干；冬綠肥翻壓前選取1 m2，采集地上和地下20 cm植株和根部，沖洗掉根上土壤，于105 ℃下殺青30 min，65 ℃下烘干至恒質(zhì)量，測定生物量以及干物質(zhì)產(chǎn)量并粉碎，對其進(jìn)行全量養(yǎng)分的測定。

土樣基本養(yǎng)分和理化性狀測定采用鮑士旦[19]提供的方法，其中土壤pH值采用水浸提法(水土比為2.5∶1.0)，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用半微量凱氏法，全磷全鉀采用高氯酸-氫氟酸消煮比色法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提比色法，速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)法，土壤有機(jī)磷組分測定采用 Bowman-Cole有機(jī)磷形態(tài)分組方法[11]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有的數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2017方法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；采用 SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析，采用單因素方差分析(ANOVA)、Duncan 檢驗(yàn)和Pearson相關(guān)系數(shù)分析，比較不同處理間磷形態(tài)的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬綠肥-春玉米輪作對土壤全磷含量的影響

土壤全磷是土壤有機(jī)磷素和無機(jī)磷素的總和，可以反映磷庫大小以及潛在的供磷能力。由圖1可知，隨著冬綠肥與春玉米輪作時(shí)間的延長，土壤全磷含量逐年增加，各處理土壤全磷增長量從高到低依次為MS>EYL>DYC>HMC>CK，其年均增長率分別為8.07%，6.80%，6.55%，5.19%，4.26%。與2012年相比，2019年不同冬綠肥翻壓處理土壤全磷含量累計(jì)增加0.20～0.38 g/kg，由于后茬玉米施入磷肥，CK處理也隨著年限增加，但上升幅度最小，其土壤全磷增量僅為0.20 g/kg；土壤全磷含量的差異也隨冬綠肥-春玉米輪作年限而增大，2013年時(shí)，土壤全磷含量不同處理間的差異不顯著，2014年僅翻壓毛葉苕子處理顯著高于CK(P<0.05)，但從2015年起，4個(gè)不同冬綠肥處理土壤全磷含量均顯著高于CK處理(P<0.05)，到2019年時(shí)，翻壓毛葉苕子土壤全磷含量顯著高于其他處理，翻壓黑麥草土壤全磷含量增幅在4個(gè)冬綠肥處理中最小，顯著低于翻壓其他3個(gè)冬綠肥處理(P<0.05)。綜上，天津地區(qū)冬綠肥與春玉米輪作土壤全磷含量顯著增加，尤以毛葉苕子與玉米輪作效果最佳。

不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)。圖2—5同。Different lowercase letters indicate significant difference(P<0.05).The same as Fig.2—5.

2.2 冬綠肥-春玉米輪作對土壤有效磷含量的影響

由圖2可知，隨著冬綠肥與春玉米輪作時(shí)間的延長，土壤有效磷也呈現(xiàn)上升趨勢。與輪作前(2012年)相比，2019年各處理土壤有效磷含量具有較大增加，各處理土壤有效磷增長量從高到低依次為DYC>HMC>MS>EYL>CK，其年均增長率分別為48.34%，31.61%，20.61%，15.18%，7.33%。翻壓冬油菜處理比CK(2019年)土壤有效磷含量增加6.09～31.82 mg/kg，且翻壓冬油菜處理土壤有效磷含量顯著高于其他處理(P<0.05)。綜上所述，長期不同冬綠肥品種翻壓對土壤中有效磷含量均有顯著提升，提升最大的為冬油菜。

圖2 不同處理土壤有效磷含量的差異Fig.2 Difference of available phosphorus content in different treatments

2.3 冬綠肥-春玉米輪作對土壤各形態(tài)有機(jī)磷的影響

由表1得出，不同冬綠肥與春玉米輪作對土壤中各形態(tài)有機(jī)磷含量影響不同。其中，除2013年DYC處理和2014年EYL處理外，不同年份各綠肥處理土壤LOP含量均高于CK處理，但不同年份，不同處理之間土壤LOP含量變化不同，其中2014年后的EYL和MS呈先上升后下降的趨勢，HMC處理在2013—2016年呈逐年上升趨勢，DYC從2016年基本穩(wěn)定在12 mg/kg左右，CK處理LOP含量在不同年份中變化不大，始終處于較低水平，2015—2018年顯著低于翻壓冬綠肥的每個(gè)處理(P<0.05)。不同年份、不同處理土壤MLOP含量變化也不同，從2014年開始，CK處理就顯著低于冬綠肥各處理，EYL處理在2013—2016年顯著高于其他處理(P<0.05)，DYC處理在2018年和2019年顯著高于其他處理(P<0.05)。2019年HMC、EYL和MS處理土壤MLOP含量與CK處理相比分別增長了5.23，2.08，0.61 mg/kg，DYC處理下降了1.78 mg/kg，土壤MROP含量隨著冬綠肥與春玉米輪作年限增加而增加，到2019年，不同處理與基礎(chǔ)土樣(0.63 mg/kg)相比，分別增長了18.10(HMC)，15.70(EYL)，13.48(MS)，12.87(CK)，11.09 mg/kg(DYC)，不同處理之間不同年份差異不同，2013年，MS顯著高于CK，到了2019年，DYC處理顯著低于其他處理，EYL和HMC處理顯著高于CK和MS處理。土壤HROP含量，DYC、CK和MS處理均隨冬綠肥與春玉米輪作年限增加而呈上升趨勢，EYL和HMC處理不同年份變化不大，均處于在較低水平。每年土壤HROP含量，DYC處理都顯著高于其他處理，EYL、MS和HMC處理顯著低于CK和DYC處理(P<0.05)。

表1 不同處理土壤各形態(tài)有機(jī)磷含量的差異Tab.1 Differences in the contents of various forms of organic phosphorus in different soil treatments mg/kg

2.4 冬綠肥/春玉米輪作對土壤有機(jī)磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響

圖3為土壤各形態(tài)有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化量，各形態(tài)有機(jī)磷轉(zhuǎn)化量為某形態(tài)有機(jī)磷在2019年的含量與其在2013年含量的差值。圖4為土壤各形態(tài)有機(jī)磷轉(zhuǎn)化率，各形態(tài)有機(jī)磷轉(zhuǎn)化率為某形態(tài)有機(jī)磷變化量占有機(jī)磷變化總量的百分比。從圖4可以看出，在2013—2019年，土壤中磷向LOP轉(zhuǎn)化量為正值有DYC、HMC和MS處理，分別為7.22，6.49，1.20 mg/kg。CK和EYL處理的LOP處于消耗狀態(tài)，轉(zhuǎn)化量分別為-1.17，-1.90 mg/kg，轉(zhuǎn)化率排序?yàn)椋篐MC(3.42%)>DYC(2.90%)>MS(0.42%)>EYL(-0.74%)>CK(-0.75%)。土壤中磷向MLOP方面轉(zhuǎn)化情況是，CK的MLOP轉(zhuǎn)化量為負(fù)，處于消耗狀態(tài)，為-15.32 mg/kg，DYC、HMC、MS和EYL處理的轉(zhuǎn)化量均為正，分別為18.76，17.85，6.81，2.97 mg/kg。MLOP轉(zhuǎn)化率排序?yàn)镠MC(9.39%)>DYC(7.50%)>MS(2.36%)>EYL(1.16%)>CK(-9.82%)。向MROP轉(zhuǎn)化量都是正值，不同處理排序?yàn)镠MC(17.47 mg/kg)>EYL(15.11 mg/kg)>CK(12.62 mg/kg)>MS(11.32 mg/kg)>DYC(9.07 mg/kg)，轉(zhuǎn)化率排序?yàn)镠MC(9.19%)>CK(8.09%)>EYL(5.90%)>MS(3.93%)>DYC(3.64%)，冬閑CK和4個(gè)冬綠肥處理的MROP含量都在積累。向HROP轉(zhuǎn)化量是CK、MS和DYC處理為正值，分別為4.69，6.02，6.13 mg/kg，而EYL和MS轉(zhuǎn)化量為負(fù)值，分別為-0.28，-0.98 mg/kg。翻壓EYL和MS抑制了磷素向高穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)化。

圖3 土壤各形態(tài)有機(jī)磷轉(zhuǎn)化量Fig.3 Conversion amount of various forms of soil organic phosphorus

圖4 土壤各形態(tài)有機(jī)磷轉(zhuǎn)化率Fig.4 Conversion rate of various forms of soil organic phosphorus

2.5 土壤各形態(tài)有機(jī)磷與玉米籽粒含磷量之間的關(guān)系

2.5.1 冬綠肥-春玉米輪作對玉米籽粒含磷量的影響 由圖5可知，冬綠肥與春玉米多年輪作后，2019年各翻壓綠肥處理玉米籽粒全磷含量與CK處理間的差異顯著，CK處理顯著低于冬綠肥處理，DYC處理顯著高于EYL和MS處理(P<0.05)，與HMC處理差異不顯著。冬綠肥處理玉米籽粒全磷含量排序?yàn)镈YC(0.39 g/kg)>HMC(0.37 g/kg)>MS(0.36 g/kg)>EYL(0.33 g/kg)，分別較CK處理玉米籽粒全磷含量提高了0.17，0.15，0.14，0.11 g/kg。

圖5 不同處理2019年玉米籽粒含磷量Fig.5 Phosphorus content in corn kernels of different treatments in 2019

2.5.2 玉米籽粒含磷量和各形態(tài)有機(jī)磷的相關(guān)性分析 從表2可以看出，經(jīng)過Pearson相關(guān)分析，玉米籽粒含磷量和LOP、MLOP、MROP和HROP的相關(guān)系數(shù)分別為0.816，0.952，0.122，-0.064，其中LOP和MLOP與玉米籽粒含磷量呈極顯著正相關(guān)。由此可知，有機(jī)磷中的LOP和MLOP為玉米的有效磷源。

表2 玉米籽粒含磷量與土壤各形態(tài)有機(jī)磷之間的關(guān)系Tab.2 The relationship between the phosphorus content of corn kernels and various forms of soil organic phosphorus

3 結(jié)論與討論

研究表明，施用綠肥可有效提升土壤有機(jī)磷含量[20-21]，也有試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，翻壓有機(jī)肥料土壤中MROP的含量水平會得到明顯提升；對于有機(jī)磷向HROP轉(zhuǎn)化有一定的抑制效果[22]。研究還得出，綠肥根際能夠分泌酸性物質(zhì)，能直接加速土壤磷的活化，改變土壤磷素形態(tài)；同時(shí)，根際土壤具有的碳沉積作用，使土壤有機(jī)質(zhì)得到積累，進(jìn)而刺激根際微生物，使其活性得到顯著提高，促進(jìn)根際磷素形態(tài)的轉(zhuǎn)化進(jìn)程[22]。由綠肥等有機(jī)物中增加的磷在土壤中存在的形態(tài)至關(guān)重要，且綠肥有機(jī)磷的礦化受土壤微生物、礦化速率、環(huán)境因子和綠肥生物量等多種因素的影響，并且綠肥中磷的釋放和礦化與綠肥本身的含磷量呈現(xiàn)出正相關(guān)[23]；土壤中可利用磷與添加的綠肥磷含量呈正相關(guān)[24]。

本研究供試土壤pH值為8.28，為堿性土，全磷含量為0.59 g/kg、有效磷含量為9.70 mg/kg，說明供試土壤磷庫小、供磷強(qiáng)度低，因此，擴(kuò)大土壤磷庫、提升土壤供磷能力是非常重要的。本試驗(yàn)在華北農(nóng)田納入冬綠肥，通過冬綠肥與春玉米多年輪作發(fā)現(xiàn)，土壤中的全磷含量和有效磷含量都有所提高，這與楊旭燕[20]研究結(jié)果(綠肥翻壓后，土壤全磷、有效磷等基本養(yǎng)分含量都得到顯著性提升，供磷能力較閑田比較得到明顯的提高)一致。本研究得出，冬綠肥與春玉米多年輪作可提高土壤有機(jī)磷含量，主要是提高了LOP的含量和MLOP含量，穩(wěn)定態(tài)磷庫的含量隨之降低。表明綠肥活化了土壤難溶性磷，且土壤生物可利用性較高的磷組分隨著利用年限的增加而增加，這與Kolawole等[25]的研究結(jié)果相似。主要是由于綠肥生長期間向土壤中釋放有機(jī)酸，其還田后在微生物作用下也會產(chǎn)生有機(jī)酸，有機(jī)酸與磷酸根存在著與土壤礦物的競爭吸附和鐵、鋁等金屬離子的絡(luò)合，在一定程度上減少了土壤磷的吸附位點(diǎn)，提高土壤磷素有效性[26]；另一方面，綠肥還田后土壤肥力逐漸提升，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，改善了土壤通透性和保水保肥性[27]，更適宜土壤微生物的生長和活動(dòng)，有利于土壤難溶性磷向活性及中穩(wěn)性磷形態(tài)轉(zhuǎn)化。

冬綠肥與春玉米多年輪作后，土壤全磷含量年均增長量最高的綠肥為毛葉苕子，有效磷增量最多的為冬油菜，在提升土壤有機(jī)磷的有效性上，應(yīng)選取能顯著增加土壤有機(jī)磷總量和主要磷源LOP、MLOP且盡量避免HROP增加的冬綠肥品種。其中，冬油菜處理的有效磷含量、LOP和MLOP含量均增加最多。因此，在華北地區(qū)石灰性潮土上，選取冬油菜綠肥與春玉米輪作可顯著提高土壤有機(jī)磷含量及有效性。