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

陳檢鋒，梁 海，王 偉，陳 華，尹 梅，王志遠，劉 俊,4，陳 軍，高嵩涓，曹衛東，付利波*

（1 云南省農業科學院農業環境資源研究所，云南昆明 650205；2 南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇南京 210095；3 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部植物營養與肥料重點實驗室，北京 100081；4 云龍縣農業農村局，云南云龍 271018）

綠肥是我國傳統農業生產的重要資源，在改善土壤理化性狀、培肥土壤及提高作物產量上有巨大潛力[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田輸入較多氮素。研究表明，豆科作物年際固氮量可達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氮肥、減少化學氮肥投入的作用。有研究發現在作物與紅三葉輪作體系中，紅三葉的固氮量平均可達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到149 kg/hm2[6]。豆科綠肥提供的氮素對作物生長的貢獻率也有較高的占比，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60%[7]，在小麥-豆科綠肥輪作體系中為7～27 kg/hm2[8]。在旱地農業中實施豆科綠肥與作物間輪作可起到擴充土壤氮庫、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%的情況下小麥產量與常規施肥持平，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，在該地區農業生產系統中適應性很強[2]。我國光葉紫花苕主要種植區的鮮草平均產量為29.7±19.1 t/hm2[11]，在農業生產中，若可通過調控光葉紫花苕的生長使其生物量達到滿足后茬作物生長發育的翻壓量，則可以作為農業生產過程中的主要氮源，為有機農業發展提供保障。在長期的生產實踐中，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的水、肥、氣、熱等資源，發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分供應潛力如何，其作為單獨肥源時的養分供應能力及對土壤肥力有何影響，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能力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

田間定位試驗于2017年11月至2019年9月在昆明市嵩明縣小街鎮云南省農業科學院基地內 (北緯25°21′11.21″、東經 103°6′47.24″，海拔 1910 m) 進行。供試土壤為紅色石灰土，質地為粘壤土，試驗開始前土壤pH為7.1，0—20 cm土層土壤有機質含量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。

1.3 試驗設計

試驗設5個處理 (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+常規氮肥 (FN) ，隨機區組排列，每處理3次重復。綠肥翻壓量通過就地種植與異地移動進行調整。

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，盛花期還田時對各小區產量進行測量，并根據各處理設定的翻壓量進行移除或添加。翻壓還田時光葉紫花苕的氮、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，FN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，并測定玉米農藝性狀 (株高、莖粗、穗位高、穗長、禿穗長、穗粗和單穗重)。玉米按小區進行收獲測產，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，粉碎后測定籽粒養分含量。玉米籽粒樣品經H2SO4-H2O2聯合消煮法消化后，利用連續流動分析儀 (SAN++，Skalar，荷蘭) 測定全氮、全磷含量，用火焰光度計測定全鉀含量。

土壤樣品采用五點取樣法采集，堿解氮含量用堿解擴散法測定；土壤有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬藍比色法測定；土壤速效鉀采用pH 7.0的醋酸銨浸提—火焰光度計法測定；土壤有機質用硫酸—重鉻酸鉀氧化法測定[13]。

1.5 數據分析

試驗數據采用SPSS Statistics 21.0、Excel 2017、Origin 2018軟件進行數據處理、統計分析及作圖，通過R2.7.0中的“gbmplus”包進行聚合增強樹分析(ABT)。

2 結果與分析

2.1 不同綠肥翻壓量對玉米產量的影響

圖1顯示，2018年，G1、G2、G3、FN處理的玉米產量分別為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處理的產量分別相當于FN處理的78.14%、88.88%、92.86%，可見，單獨翻壓綠肥表現出較好的產量效應，特別是高翻壓量能夠保障玉米的產量水平。

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

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

2.2 不同綠肥翻壓量對玉米農藝性狀的影響

表2表明，各施肥處理間玉米農藝性狀多無顯著差異，其中，2018年各綠肥處理下玉米農藝性狀與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 不同處理下玉米農藝性狀Table 2 Agronomy properties of maize under different treatments

2.3 不同綠肥翻壓量對玉米養分吸收的影響

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)。表明試驗第一年，綠肥的供氮能力相對較低，而化肥能快速提供速效養分供作物吸收。

2019年的結果 (表3、表4)表明，各施肥處理的養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兩個處理分別顯著高42.02%及33.91% (表4)，3個綠肥處理鉀積累均顯著高于FN處理。這表明在試驗第二年，各綠肥處理的養分供應能力已經能夠保障玉米的生產需要，其中高翻壓量的養分供應能力可以超過化肥處理。

表3 不同處理下玉米氮、磷、鉀養分含量 (%)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 不同綠肥翻壓量對土壤養分及pH的影響

圖2顯示，2018年各處理間土壤全量養分含量均無顯著差異，表明不同施肥處理在試驗第一年對土壤養分的影響不明顯；2019年各處理間土壤全氮及土壤有機質含量均表現為綠肥處理顯著高于FN處理，并且規律一致，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，土壤有機質分別提高了2.86、6.09及11.64 g/kg，表明綠肥翻壓對于云南紅壤旱地的地力提升效果明顯。3個綠肥處理間，G3處理的土壤全氮、有機質含量最高，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質含量，且提升作用隨著綠肥翻壓量的增加而增強。

圖2 不同處理下玉米收獲期土壤全量養分及有機質含量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。總體看，各處理的堿解氮與速效鉀含量變化趨勢一致，均表現為G3＞G2＞G1＞FN＞CK。此外，兩個試驗年份各處理間的土壤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 土壤性狀及玉米農藝性狀對玉米產量的貢獻

運用聚合增強樹 (ABT) 方法分析了不同處理下的土壤性狀以及農藝性狀對玉米產量的相對貢獻。各處理的貢獻率表現為全氮＞堿解氮＞全磷＞有機質＞全鉀＞ pH＞速效鉀＞有效磷，其中全氮、堿解氮對玉米產量的貢獻率分別為20.89%與20.51% (圖4)。各農藝性狀對玉米產量的貢獻率依次為單穗重＞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玉米產量的貢獻率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玉米產量的影響

輪作豆科綠肥是農業生產中維持作物穩產高產并減少化肥用量的重要措施[14]。有研究發現豆科綠肥在翻壓量為15000～30000 kg/hm2并減量40%化學肥料時作物產量可與常規施肥產量持平[15]。以往的研究主要針對綠肥部分替代化學氮肥時作物產量及土壤肥力的變化[16-19]，對豆科綠肥作為單一氮源的供氮潛力研究少見報道。本研究設置不同翻壓量光葉紫花苕作為玉米生長的單一氮源，發現隨著種植年限增加，光葉紫花苕作為單一氮源的各處理玉米產量可與常規施肥處理相當，并且在光葉紫花苕翻壓量超過30000 kg/hm2時玉米產量有高于常規施肥處理的趨勢 (圖1)。豆科綠肥在田間進行連續施用時不僅對作物穩產、增產有較大貢獻，并隨著年限的增加效果逐漸加強，體現了綠肥對作物產量影響具有長效性[20-21]，這與本研究結果一致。光葉紫花苕在適宜的生態區種植利用時具有良好的綜合生物學性狀，合理的翻壓施用對玉米莖粗、穗長等農藝性狀有一定的提升效果[22]，本試驗中玉米單穗重、穗粗及穗長均對產量有較大貢獻值，體現了綠肥對玉米農藝性狀的影響可能是其增產的主要機制之一。相較于部分替代化學氮肥，綠肥作為單一氮源供給作物生長發育時需要較大的翻壓量，對綠肥生物量有較高要求，可以為應用綠肥作為主要肥源的有機農業提供發展思路。

3.2 光葉紫花苕作綠肥對玉米養分吸收的影響

豆科綠肥作為氮源供作物生長利用時，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運量及轉運率[11]。本研究中，在試驗第一年常規施肥處理下籽粒氮含量較之綠肥處理有顯著優勢，第二年在光葉紫花苕翻壓量為45000 kg/hm2時，籽粒氮素含量與積累量均較常規施肥有所提高，表明綠肥處理下氮素由地下轉運至玉米地上部出現提升。不同于化學氮肥的養分速效性，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間的增長而逐漸出現下降，在翻壓一個月后可釋放約90%[25]，而作物在生長早期對養分需求量較低，后期需求量逐漸增大，綠肥養分釋放特性與作物養分需求特點更為契合，能夠更好地促進玉米養分吸收。當足量的綠肥翻壓進入農田系統時，不僅可以有效促進作物氮素吸收，與磷鉀化肥配施還會對作物磷鉀養分積累量有積極影響，其促進養分吸收的效果還具有長效性，可為后續農業生產服務[26]。

3.3 光葉紫花苕作綠肥對土壤肥力的影響

綠肥作物在農業系統中應用具有良好的土壤培肥效果，其生長過程積累氮、磷、鉀等養分，翻壓還田后可礦化釋放供作物利用；同時利于土壤有機質形成，對土壤碳庫增長有著較大貢獻[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入田間。有研究表明通過紫云英翻壓配合化學氮肥減量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損失率遠低于化學氮肥，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年度呈現隨著光葉紫花苕翻壓量增加而增長的規律，土壤全氮、全鉀及有機質也有著相似的累積特征。土壤全氮含量對玉米產量有著最大的貢獻率 (圖4)，即輸入的養分能較大程度地增加土壤全氮及速效氮含量時，玉米產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而影響作物產量。本試驗中，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，尤其是對土壤有機質及氮、鉀養分的提升作用明顯，且試驗第二年綠肥作用更佳，表明綠肥連續種植翻壓具有穩定提升土壤養分庫存的潛力[32-33]。

4 結論

云南旱地玉米生產中以綠肥光葉紫花苕作唯一氮源時，綠肥翻壓第一年需要高翻壓量 (45000 kg/hm2)才能獲得常規氮肥相當的產量，第二年繼續翻壓，試驗綠肥翻壓量均獲得了與常規氮肥相近的產量水平，高翻壓量更有超越使用化學氮肥 (270 kg/hm2) 的增產潛力，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、全鉀及土壤有機質提升不明顯，但第二年繼續綠肥翻壓則有明顯提高。因此，光葉紫花苕作綠肥連續翻壓能夠滿足云南旱地玉米生產養分需求，并且綠肥增產、培肥土壤的效應隨著翻壓年限增加而更加明顯。