華北冬綠肥作物養(yǎng)分累積特征及對翻壓前土壤養(yǎng)分的影響

趙 秋，張新建，寧曉光

（天津市農(nóng)業(yè)科學院，天津 300192）

包括天津市在內(nèi)的華北玉米產(chǎn)區(qū)干旱缺水、小麥面積壓減而形成的冬閑田面積逐漸增多[1］。據(jù)統(tǒng)計，華北地區(qū)冬閑田約為2000萬hm2，冬閑期長達4～6個月，土地、光照、水分、溫度、肥力等自然資源豐富，適合發(fā)展冬綠肥的生產(chǎn)與利用，以便解決由于冬閑導致的冬春耕地裸露、水土流失及揚塵等環(huán)境問題[2-3］。

國內(nèi)外研究表明：對比冬閑田，冬綠肥能夠增加冬春地表生物覆蓋，硝態(tài)氮淋溶得到抑制，土壤有機質(zhì)含量明顯提高，農(nóng)田生物多樣性得到提升，主作物產(chǎn)量持續(xù)增加，土壤養(yǎng)分利用效率顯著提高。冬綠肥種植春季還可以提供新鮮的露地蔬菜；提供春季旅游資源，美化環(huán)境，愉悅?cè)藗兊男?情[4-9］。另外，綠肥是純天然的有機肥料，它在生產(chǎn)與利用過程中，通過生物覆蓋和根系物理交叉起到顯著改善土壤物理性狀、耕性以及防止風蝕、水土流失的作用[10-12］。

冬綠肥作物的生物量和養(yǎng)分特性是其用作綠肥的重要指標，也是選擇種植利用綠肥對土壤和主作物影響的重要基礎。研究表明，同一生態(tài)區(qū)域不同冬綠肥作物生物量及養(yǎng)分累積量明顯不同：南方稻田紫云英、毛葉苕子、光葉苕子和肥田蘿卜生物產(chǎn)量在3600 kg/hm2以上，毛葉苕子氮素累積136.4 kg/hm2，肥田蘿卜磷素累積達到11.3 kg/hm2，毛葉苕子鉀素累積151.3 kg/hm2[13］。秋播毛葉苕子、燕麥等作物有較多的氮素累積；毛葉苕子和紫花苜蓿氮素累積可滿足下茬馬鈴薯需氮量的80%～100%[14］。 冬綠肥或者覆蓋作物可在耕作休閑期間通過改變氮吸收及礦化作用，減少硝態(tài)氮從土壤深層向下遷移、深層滲漏和大氣氮氣固定，從而減少土壤氮素流失。作物不同，其減少硝態(tài)氮淋溶損失的作用也有所不同，主要影響因素有綠肥生物產(chǎn)量，土壤中氮素含量，肥料礦化以及土壤水的移動[15-16］。

但是冬綠肥多限于我國南方地區(qū)種植，種類繁多，對南方冬綠肥的研究相對較多，對華北地區(qū)的研究較少。華北地區(qū)尤其是天津市冬季比南方寒冷，熱量資源不足，但仍有一些綠肥作物如二月蘭、毛葉苕子、黑麥草等在不影響主作物的條件下具有很好的適應性并達到很高的生物量[17-19］。 2017～2018年在天津市武清區(qū)研究毛葉苕子、二月蘭、黑麥、黑麥草及混播條件下生物量和營養(yǎng)特性，評價其生態(tài)適應性及作為冬綠肥的潛在作用；同時研究這4種冬綠肥及其混播種植后對翻壓前耕層土壤養(yǎng)分的影響，以期為華北地區(qū)合理 生產(chǎn)和利用冬綠肥、減少水土流失提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在天津市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新基地（39°21′N、 117°10′E，海拔3.6 m）進行。該試驗地屬于暖溫帶半濕潤大陸季風氣候，年均降水量586.1 mm；年均氣溫11.6℃；全年日照時數(shù)2810 h；無霜期203 d。試驗土壤為潮土，試驗前0～20 cm 耕層土壤基礎養(yǎng)分為：有機質(zhì)15.47 g/kg，全氮1.15 g/kg，全磷（P）0.63 g/kg，全鉀（K）18.56 g/kg，堿解氮70.52 mg/kg，有效磷28.29 mg/kg，速效鉀224 mg/kg，pH 8.28。

1.2 供試材料

華北土著栽培二月蘭、土庫曼毛葉苕子、意大利一年生黑麥草，冬牧70黑麥。

1.3 試驗設計

試驗于2017～2018年進行，設7個處理：冬閑（WF）、二月蘭（OrV）、毛葉苕子（VvR）、黑 麥 草（RrG）、黑 麥（SeC）、毛 葉 苕 子+二月蘭混播（VvR+OrV）和毛葉苕子+黑麥混播（VvR+SeC），每個處理3次重復，小區(qū)面積18 m2，隨機排列。二月蘭、毛葉苕子、黑麥、黑麥草、毛葉苕子二月蘭混播、毛葉苕子黑麥混播于9月中下旬玉米收獲后播種，播種量依次為45.0、60.0、60.0、45.0、30.0+22.5、30.0+30.0 kg/hm2。播種后灌出苗水，按照30 t/hm2噴灌形式灌溉，冬綠肥生長期間不施任何肥料和農(nóng)藥，不灌水。翌年4月中下旬后將冬綠肥切碎成2～3 cm小段后翻壓到土壤10～15 cm土層中，并于月末播種春玉米。

1.4 樣品采集及測定

冬綠肥翻壓前即4月25日選取試驗地1 m2，采集地上部和地下部根系（20 cm）的整段植株，沖洗掉根系土壤，冬閑區(qū)取雜草樣（主要為稗草、牛筋草、鴨跖草），將所取植株地上部和根系鮮樣在 105℃殺青2 h，70℃下烘干后稱重。同時采集耕層（0～20 cm）土壤樣品，測定水分和速效養(yǎng)分。

1.5 測試方法

植株樣品用硫酸-過氧化氫消化，采用K2Cr2O7容量法測定植株和根系全碳（TC）；鉬藍比色法測定全磷（TP）；凱氏定氮法測定全氮（TN）；原子吸收火焰光度法測定全鉀（TK）。植株樣品測定地上部和 20 cm土層根系生物量以及干物質(zhì)產(chǎn)量，C、N、P、K累積吸收量按照如下公式計算：X累積吸收量=根系X含量×根系干物重+地上部植株X含量×地上部干物重。土壤養(yǎng)分分析采用常規(guī)分析方法[20］。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2010 和SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和做圖，各處理間的差異顯著性用LSD法檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬綠肥生物產(chǎn)量

7個處理生物產(chǎn)量見表1。方差分析表明，6種綠肥總生物產(chǎn)量、地上部和地下部生物產(chǎn)量均顯著高于冬閑（P＜0.05）。綠肥處理總生物產(chǎn)量在4991～7263 kg/hm2之間，比冬閑高280.3%～453.3%，黑麥處理最高，顯著高于其他綠肥處理。二月蘭處理總生物產(chǎn)量顯著高于毛葉苕子+二月蘭、毛葉苕子和黑麥草處理；毛葉苕子+黑麥處理顯著高于毛葉苕子、黑麥草和毛葉苕子+二月蘭處理，后三者總生物產(chǎn)量之間差異不顯著。與冬閑相比，綠肥處理地上部生物產(chǎn)量比冬閑增加214.4%～386.9%，黑麥最高；地下部生物產(chǎn)量以黑麥草最高（2250 kg/hm2），黑麥次之（2150 kg/hm2），毛葉苕子處理地下部生物產(chǎn)量最低，為1190 kg/hm2。

表1 不同冬綠肥地上部及地下部生物產(chǎn)量及總生物產(chǎn)量（kg/hm2）

2.2 冬綠肥養(yǎng)分特性

從表2看出，6種綠肥黑麥處理TC含量最高，為43.63%，顯著高于二月蘭、黑麥草、毛葉苕子和毛葉苕子+二月蘭，與毛葉苕子+黑麥差異不顯著；其次是二月蘭和毛葉苕子，二者數(shù)值相近，分別為41.46%和41.45%，黑麥草TC含量最低，為40.4%，顯著低于二月蘭和毛葉苕子。毛葉苕子處理TN含量顯著高于其他處理，其次是毛葉苕子+二月蘭處理，數(shù)值為2.9%，顯著高于其他4個處理，再次是黑麥草，與二月蘭、毛葉苕子+黑麥處理間差異不顯著，但都高于黑麥，黑麥數(shù)值僅為1.5%。C/N最高的是黑麥，為29.9，顯著高于其他處理，毛葉苕子C/N最低，為10.9。黑麥草、毛葉苕子處理TP含量顯著高于其他處理，冬閑處理最低。TK含量黑麥處理最高，其次是毛葉苕子+黑麥，顯著高于黑麥草處理，與其他處理間差異不顯著；二月蘭、毛葉苕子、毛葉苕子+二月蘭處理平均值為3.4%，高于黑麥草和冬閑，差異顯著。

表2 不同處理地上部與地下部養(yǎng)分含量

總之，不同綠肥處理TC、TN、TP、TK養(yǎng)分含量有較大差異，C/N因而也不同，豆科作物C/N最小，禾本科作物黑麥C/N最大；養(yǎng)分含量不同，主要是C/N差異會影響冬綠肥本身養(yǎng)分吸收、累積、腐解和釋放，從而對整個生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)分積累與循環(huán)和后茬作物吸收與利用產(chǎn)生較大的影響。

2.3 冬綠肥養(yǎng)分累積特征

從圖1可以看出，冬綠肥處理氮、磷、鉀累積吸收量顯著高于冬閑處理。各綠肥處理地上部氮吸收量在137.2～78.7 kg/hm2之間，毛葉苕子處理最高，黑麥處理最低；地下部氮吸收量在42.8～54.2 kg/hm2之間，二月蘭處理最高，黑麥草處理最低。毛葉苕子處理氮吸收總量最高，為183.3 kg/hm2，顯著高于其他處理；其次是二月蘭、毛葉苕子+黑麥和毛葉苕子+二月蘭處理，顯著高于黑麥和黑麥草處理，前三者和后二者間均差異不顯著。各綠肥處理地上部磷吸收量在20.2～25.9 kg/hm2之間，毛葉苕子處理最高，二月蘭處理最低；地下部磷吸收量在6.6～16.0 kg/hm2之間，黑麥草處理最高，毛葉苕子處理最低。黑麥草處理磷總吸收量最高，為39.9 kg/hm2，顯著高于其他處理；其次是毛葉苕子、黑麥和毛葉苕子+黑麥處理，磷累積吸收量32.5 kg/hm2，高于毛葉苕子+ 二月蘭和二月蘭處理，且差異顯著；毛葉苕子+ 二月蘭磷吸收量最低，為28.7 kg/hm2，與二月蘭間差異不顯著。各綠肥處理地上部鉀吸收量在103.0～183.8 kg/hm2之間，黑麥處理最高，黑麥草處理最低；地下部鉀吸收量在 37.7～77.7 kg/hm2之間，黑麥處理最高，毛葉苕子處理最低。黑麥處理鉀總吸收量最高，為261.4 kg/hm2，顯著高于其他處理（二月蘭除外）；其次是二月蘭處理，顯著高于毛葉苕子處理；毛葉苕子+黑麥處理鉀累積吸收量顯著高于毛葉苕子處理；毛葉苕子鉀吸收量最低，為162.9 kg/hm2，與毛葉苕子+二月蘭和黑麥草處理間差異不顯著。

圖1 冬綠肥生長季內(nèi)氮、磷、鉀養(yǎng)分累積

總之，冬綠肥處理氮、磷和鉀累積吸收量是由其生物產(chǎn)量和植株含氮、磷、鉀量共同決定的。6個冬綠肥處理生長期間均有較高氮、磷、鉀吸收，以毛葉苕子氮吸收最高，以黑麥草磷吸收最高，黑麥鉀吸收最高，綠肥混播處理總氮吸收量介于兩種單播綠肥作物氮、磷和鉀吸收量之間。

2.4 冬綠肥種植對翻壓前土壤養(yǎng)分的影響

由圖2a可見，冬綠肥處理土壤硝態(tài)氮含量顯著低于冬閑處理，降幅為8.46%～46.86%，毛葉苕子處理土壤硝態(tài)氮降低量最小，降低值為2.14 mg/kg，與其他處理間差異顯著；二月蘭和黑麥處理降低量最大，與其他綠肥處理間差異顯著，二者間無顯著差異；黑麥草、毛葉苕子+二月蘭、毛葉苕子+黑麥處理間無顯著差異。與冬閑處理相比，綠肥處理土壤銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)增加趨勢，平均增加1.49 mg/kg，除黑麥草處理外，均達到5%顯著差異水平。毛葉苕子+二月蘭處理土壤銨態(tài)氮含量最高，為5.14 mg/kg，高于毛葉苕子+黑麥處理，但差異不顯著（圖2b）。從圖2c可以看出，綠肥處理土壤有效磷含量呈降低的趨勢，二月蘭和毛葉苕子處理與冬閑處理間差異不顯著；其余綠肥處理土壤有效磷含量平均降低4.85 mg/kg，差異顯著；黑麥草處理土壤有效磷含量最低，為19.04 mg/kg， 與毛葉苕子+二月蘭、毛葉苕子+黑麥和黑麥處理間差異顯著。冬綠肥處理土壤速效鉀含量顯著高于冬閑處理，增幅為14.70～31.87 mg/kg，二月蘭處理增量最高，與毛葉苕子+黑麥處理差異不顯著，與其他綠肥處理差異顯著。毛葉苕子、黑麥草、黑麥和毛葉苕子+二月蘭處理間差異不顯著 （圖2d）。

圖2 不同處理對翻壓前土壤養(yǎng)分的影響

3 討論

3.1 冬綠肥生物產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收

華北平原光熱資源大部分能夠滿足一年兩茬作物種植，但是由于水資源等因素的影響，冬小麥面積逐年下降，而冬綠肥有望彌補由于冬小麥缺失而導致的耕地裸露。春玉米-冬綠肥輪作模式對于周圍生態(tài)環(huán)境以及地力培育意義重大、前景廣闊。在華北地區(qū)能夠與春玉米進行輪作的冬綠肥作物一般應當擁有生物產(chǎn)量大，碳、氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量較高，總養(yǎng)分吸收累積量高，物候期能夠與主作物春玉米生育期匹配，且種植生長和利用可控等特點。研究結(jié)果表明，二月蘭、毛葉苕子、黑麥、黑麥草及其混播地上部及總生物產(chǎn)量均超過了3400和4992 kg/hm2。因為試驗地處北方，光、熱和水資源遠遜于南方，但是黑麥、二月蘭生物產(chǎn)量和南方種植的紫云英和黑麥草的生物產(chǎn)量（4000～10000 kg/hm2）相當[21-22］，遠高于澳洲的黑麥和黑麥草地上部生物量（4000～5000 kg/hm2）[23-24］。本文中為了明確冬綠肥生長期間養(yǎng)分累積及對土壤養(yǎng)分的影響，在冬綠肥種植后進行一次灌水以利出苗，灌水量較小，每公頃30 t。實際應用過程中是在玉米收獲前將綠肥種子撒播至玉米田中，無需灌水，翌年冬綠肥生物量也能達到每公頃3.4 t以上。也就是在冬綠肥生長季完全可以不澆水就能達到高生物量，且具有可持續(xù)性。冬綠肥碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分累積也是能否當作本地區(qū)適宜冬綠肥的關(guān)鍵因素。研究證實，6個冬綠肥處理氮、磷、鉀累積吸收量在123.0、28.7、162.9 kg/hm2以上，將其翻壓入土，能夠為下茬玉米提供高養(yǎng)分有機肥料。毛葉苕子根系生物量較低，依然有較高氮、磷累積；二月蘭根系非常發(fā)達，氮、鉀累積量較高；黑麥有較高的磷、鉀養(yǎng)分累積。黑麥草磷累積較高，氮、鉀累積相對較低。

3.2 冬綠肥種植對翻壓前土壤養(yǎng)分的影響

綠肥作物通過吸收土壤中營養(yǎng)物質(zhì)加強種植系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，否則這些營養(yǎng)物質(zhì)可能會淋溶出土壤層。這些過多的營養(yǎng)物質(zhì)能夠污染地下水，從而降低土壤生產(chǎn)能力。氮素以硝態(tài)氮形態(tài)下最易溶于水，因此更易被淋溶。在玉米生長季末的氮素主要以硝態(tài)氮存在，主要由玉米沒有用完的氮素和有機質(zhì)分解釋放的氮構(gòu)成。研究結(jié)果顯示，冬綠肥種植與生長較冬閑對照土壤硝態(tài)氮含量顯著降低。該結(jié)果與國內(nèi)外一些研究結(jié)論相一致[13，25］。土壤硝態(tài)氮減少最多的為黑麥和二月蘭處理，二者根系發(fā)達，生物量大（表1），吸收較多氮素和水分用于自身生長。黑麥草處理根系發(fā)達，但整體生物量?。ū?），相對吸收的氮素也少。毛葉苕子是豆科作物，固氮性能較高，氮素累積量高（圖1），土壤硝態(tài)氮含量亦較高，然而，與毛葉苕子混播兩個處理雖然也有毛葉苕子的固氮作用，但是耕層無機氮含量顯著降低，其原因可能是與混播毛葉苕子固定氮素被混播中二月蘭或黑麥吸收，形成較大生物產(chǎn)量有關(guān)?？傊G肥-春玉米輪作田土壤硝態(tài)氮顯著降低，從而有效降低冬春季節(jié)土壤氮素淋失風險。

研究發(fā)現(xiàn)種植冬綠肥土壤無機氮構(gòu)成有所改變，不同處理土壤硝態(tài)氮含量均顯著降低，而銨態(tài)氮含量呈增加趨勢。硝態(tài)氮減少的主要原因可能是冬綠肥生長對氮素的吸收。各綠肥處理土壤銨態(tài)氮含量增加程度均高于冬閑處理，其中混播處理增加量最大，可能是作物生長過程中根際土壤微生物作用會促進土壤硝態(tài)氮向銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化有關(guān)[26］。然而，不同冬綠肥對翻壓前土壤氮素轉(zhuǎn)化的效應差異及其機制還需要進一步驗證。

與冬閑對照相比，種植冬綠肥土壤有效磷含量顯著降低，最主要原因是冬綠肥生長吸收了較高的磷素（28.7～39.9 kg/hm2）。黑麥草雖然生物產(chǎn)量相對較低，但其有強大延展型根系，可能在其生長過程中根系分泌更多有機酸類物質(zhì)，這些酸類物質(zhì)可以將閉蓄態(tài)磷（OP）、磷灰石（Ca10-P）及磷酸鐵鹽（Fe-P）轉(zhuǎn)化為磷酸二鈣（Ca2-P）、磷酸八鈣（Ca8-P）及磷酸鋁鹽（Al-P），容易被作物吸收；豆科植物毛葉苕子磷吸收量較高可能是因為其與有益的菌根真菌共生，這些菌根真菌具有一種高效吸收土壤難溶性磷的特性，將磷吸收后傳遞給與其共生豆科冬綠肥作物，從而吸收轉(zhuǎn)化更多土壤中難溶解的磷素。無論哪種冬綠肥作物都是以有機磷形態(tài)保持磷在土壤中循環(huán)的有效方式，所以說綠肥種植雖然短期內(nèi)降低土壤磷供應，實際上促進了磷的有效利用[27-29］。

另外，本研究發(fā)現(xiàn)種植冬綠肥后，土壤速效鉀含量顯著增加。在冬綠肥生長期間需要從土壤中吸收大量鉀素 （171.7～261.4 kg/hm2），土壤速效鉀含量卻增加，可能因為冬綠肥生長期間根系產(chǎn)生大量分泌物將礦物態(tài)鉀或者緩效態(tài)鉀轉(zhuǎn)換成速效鉀形態(tài)，也可能是冬綠肥生長特性影響?zhàn)B分的根表濃度，對主要依靠擴散遷移到根表的養(yǎng)分有效性具有決定性的影響，特別是對于鉀素[30-31］。

4 結(jié)論

供試冬綠肥作物具有較好的生態(tài)適應性，利用冬閑自然資源獲得較高的生物產(chǎn)量及氮磷鉀養(yǎng)分吸收量。冬綠肥提供氮、磷、鉀總量在334.5～423.2 kg/hm2之間，黑麥最高，其次是毛葉苕子、二月蘭，黑麥草最低。

與冬閑對照相比，冬綠肥翻壓前土壤硝態(tài)氮含量降幅為8.46%～46.86%，土壤銨態(tài)氮含量平均增加1.49 mg/kg，土壤無機氮、有效磷含量呈現(xiàn)降低的趨勢，土壤速效鉀含量增幅在14.7～31.87 mg/kg之間。種植冬綠肥作物翻壓前土壤的硝態(tài)氮及有效磷含量顯著降低，潛在減少氮素損失的風險，短期降低土壤磷的供應，從而促進了氮、磷的有效利用；同時增加土壤有效鉀含量，提高了有機態(tài)鉀素含量和耕層鉀素累積。