油菜綠肥利用后鮮食玉米生長及磷素利用特征

周 興，李 莓，鄧力超，劉新紅，郭一鳴，王同華，曹鐘陽，曲 亮

（湖南省作物研究所，湖南省雜交油菜工程技術研究中心，湖南 長沙 410125）

綠肥是我國傳統農業主要有機肥源，其栽培利用對我國傳統農業生產有著不可替代的地位和意義。在現代農業生產中，由于化肥施用的便捷性及高效性，其施用量越來越大，導致土壤性狀惡化、肥力下降等問題，綠肥利用可以改良、培肥土壤，在保障農作物穩產、高產、優質方面中仍有著極其重要的作用[1-2]。

我國南方冬季有大量冬閑田，有可利用的作物茬口間隙，也有大量的煙、果、桑、茶等經濟作物行間空地，種植利用包括油菜在內的綠肥不僅能提高土地資源利用率，促進土地資源可持續利用，而且可充分利用溫、光、水資源，提高作物產量和種植效益。綠肥對現代農業發展的作用已得到普遍認同，但不同綠肥有著其各自的優勢，其中油菜綠肥也有著與其他綠肥不同的明顯優勢。油菜具有廣泛的生產適應性，其植株生物量大，盛花期養分含量均衡且高于其他綠肥，而且其粗長的直根系能對土壤形成天然的深耕效應，改善土壤結構，提高土壤微生物活性及酶活性[3-4]，另外油菜綠肥還有控制雜草、害蟲和土傳疾病傳播的作用[5-6]。研究表明，油菜盛花期還田作綠肥具有高磷含量，其根系和還田后腐解釋放的次級代謝產物可活化土壤難溶性磷[7]，且其本身碳氮比更利于微生物腐解利用和后茬作物養分吸收[8]。因此開展油菜作綠肥還田提高土壤肥力、改善后茬作物磷素吸收和利用研究具有重要意義。

磷肥是農業生產中影響產量的重要因素之一，但由于其主要來源于不可再生資源往往受到限制。此外，磷肥易受侵蝕和淋失形成磷素損失而造成水體富營養化和生態系統退化[9]。因此，作物對磷肥投入的依賴對糧食安全構成了威脅。綠肥作物覆蓋與主作物輪作因其增強農業和磷素管理整體可持續性的潛力而備受關注[10-12]。種植綠肥（特別是油菜綠肥）在冬閑期覆蓋土壤，減少土壤養分淋失，還可通過增加土壤生物活性或吸收保護土壤可溶性磷來提高后茬作物生產中有機或化學礦物磷效率[13]。目前，對油菜作綠肥的研究多集中在與其他綠肥對比對土壤理化性質的影響，鮮有研究將油菜作綠肥引入高養分投入、低磷素利用效率的玉米種植系統，探討油菜綠肥利用對后茬作物磷素吸收的調控效應。因此，筆者以鮮食玉米為研究對象，連續多年進行油菜作綠肥還田試驗，研究油菜綠肥利用下后茬作物的磷素利用特征，以期為促進玉米高產和油菜作綠肥利用下磷肥增效提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

油菜作綠肥還田開始于2014 年，試驗地位于湖南省農業科學院作物研究所基地內（北緯28°，東經123°，海拔45.9 m），屬于亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫為17.2℃，年平均降水量1 361.6 mm，年日照時間為1 529.3 h。油菜綠肥品種為油肥1 號，供試玉米品種為灃甜糯3 號。試驗所用氮、磷、鉀肥種類分別為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀，分別施用N 80 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2。供試土壤為第四紀紅土發育的紅黃泥，pH 值5.6、有機碳13.2 g/kg、全氮1.22 g/kg、全磷0.77 g/kg、全鉀11.8 g/kg、堿解氮114 mg/kg、有效磷41 mg/kg、速效鉀115 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗共設計4 個處理，分別為：（1）CK，玉米—冬閑，施氮鉀肥；（2）NPK，冬閑—玉米，施氮磷鉀肥；（3）NPKRa，冬種油菜綠肥—玉米，施氮磷鉀肥；（4）NKRa，冬種油菜綠肥—玉米，施氮鉀肥。氮肥50%作基肥于玉米播種前1 d 施入，50%作追肥在玉米小喇叭口期施入。磷肥和鉀肥均作基肥播種前作基肥施入。

試驗采用開溝起畦種植，畦寬2 m，小區面積為20 m2，每個處理設置3 次重復，隨機區組排列。油菜綠肥于每年10 月上旬（2015 年開始）均勻撒播至小區廂面，不施任何肥料，各油菜播種小區播種量一致，均為15 kg/hm2，油菜綠肥利用小區于油菜結角初期拔出稱重后鍘成10 cm 長小段均勻翻壓入田。

供試玉米于2019 年4 月2 日（油菜翻壓后15 d）打穴播種，每穴播3 粒，每畦種3 穴，穴間距為33.3 cm，行距為66.7 cm，待3 葉苗期每穴定植為1 株，種植密度為45 000 株/hm2。為獲得與實際生產情況相一致的數據，試驗田的管理與常規鮮食玉米生產管理模式保持一致。

1.3 樣品采集與測定

試驗前多點采集0～20 cm 土層土樣，測定其基本理化性狀。油菜綠肥翻壓時每小區取3 株有代表性的油菜植株。在玉米乳熟收獲期（花后20 d）選取試驗小區內有代表性的植株10 株，分成莖+鞘+雄穗、葉片、苞葉、穗軸和籽粒5 個部分，先分別測定各部分鮮重和產量構成因素。植株樣品均在105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重后測定其干物質量，后將各部分干物質分別粉碎，采用H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法測定植株含磷量[14]，根據各部位干物質量和全磷含量計算磷素積累量。收獲時將各小區果穗全部采收進行測產，根據小區鮮穗產量折算成單位面積產量。

1.4 數據計算與處理

測算磷肥利用效率，分別利用公式（1）至（5）進行計算[15-16]。

磷吸收量（kg）=植株各部位干物質量×植株各部位磷含量 （1）

磷肥收獲指數（%）=成熟期籽粒磷素吸收量÷成熟期植株地上部磷素吸收量×100 （2）

磷肥偏生產力（kg／kg）=施磷處理籽粒產量÷施磷量 （3）

磷肥農學效率（kg／kg）=（施磷處理籽粒產量-不施磷處理籽粒產量）÷施磷量 （4）

磷肥利用效率（%）=（施磷處理地上部吸磷總量-不施磷處理地上部吸磷總量）÷施磷量×100 （5）

數據處理與分析采用Microsoft Excel 2016 和IBM SPSS Statistic 19.0 數據處理軟件。

2 結果與分析

2.1 鮮食玉米各部位生物量及產量構成特征

由表1 可知，磷肥的施用可提高鮮食玉米的生物量，與不施磷肥（CK）相比，NPKRa 處理鮮食玉米地上部生物量增產最高，提高37.4%；其次是NPK 處理與NKRa 處理，分別提高26.4%和22.5%，差異均達顯著水平（P＜0.05）。相比單施化肥（NPK），油菜綠肥利用也有助于提高鮮食玉米地上部生物量，其中NPKRa 處理顯著提高8.7%，而NKRa 有一定降低，降幅達3.1%。與CK 相比，除NKRa 處理穗軸生物量外施磷肥處理還顯著促進了鮮食玉米葉、莖+鞘+雄穗、苞葉、穗軸和籽粒生物量提高；與NPK 相比，NPKRa 處理莖+鞘+雄穗、苞葉和籽粒分別顯著提高了5.5%、21.6%和10.5%，而NKRa 處理僅有穗軸顯著低于NPK 處理。由這說明，鮮食玉米地上部生物量增加主要依靠葉、莖和籽粒生物量增加。

鮮食玉米產量的增產與否還需考察其鮮穗產量，磷肥的施用有助于鮮穗產量增加（表1），與CK 相比，NPK 與NKRa 處理鮮穗產量分別顯著增加了15.2%和9.2%，而兩施磷肥處理之間無顯著差異；NPKRa 處理鮮穗產量最高，較CK 增產28.8%。與NPK 相比，油菜綠肥利用下，NPKRa 較NPK 鮮穗產量有顯著提高，增幅達11.8%。分析處理之間鮮穗產量構成因素發現（表2），鮮穗產量的增加主要依靠穗粒數、穗粗和穗長。與CK 相比，NPK 和NPKRa 處理的穗粒數分別顯著增加了5.4%和6.3%，二者的穗粗分別顯著增加了5.1%和5.3%，NKRa則僅有穗粗顯著增加了4.8%。

表1 不同處理玉米各部分生物量分配 （kg/hm2）

表2 不同處理玉米產量構成因素

2.2 油菜綠肥利用對鮮食玉米各部位磷素吸收量的影響

不同處理影響鮮食玉米地上部磷素吸收量不同（表3），與CK 相比，單施化肥（NPK）有助于鮮食玉米地上部磷素積累，增幅達10.7%；而油菜綠肥利用下更有助于鮮食玉米地上部磷素吸收量積累，NPKRa 和NKRa 地上部磷素吸收量分別較CK 增加21.8%和18.4%，差異達顯著水平（P＜0.05）；施磷肥條件下，NPKRa 和NKRa 處理鮮食玉米地上部磷素吸收量較NPK 分別顯著增加了10.1%和7.0%。鮮食玉米地上部磷素吸收量的增加主要受葉、莖、籽粒磷素吸收量影響。與CK 相比，葉部磷素吸收量NPK處理增加36.9%，差異顯著；葉、莖、籽粒磷素吸收量NPKRa 處理分別提高了43.0%、9.4%和19.6%，NKRa 處理則分別提高了39.3%、16.8%和16.8%，2個處理均顯著提高了葉、莖、籽粒磷素吸收量。施磷肥條件下，油菜綠肥利用處理地上部磷素吸收量增加主要集中在莖和籽粒中，而其他部位無明顯差異。

表3 不同處理玉米地上部磷素吸收量 （kg/hm2）

2.3 油菜綠肥下鮮食玉米磷肥利用率差異

由表4 表明，各施磷肥處理磷肥收獲指數并無顯著差異，這可能是受鮮食玉米地上部磷素分配影響。與NPK 相比，NKRa 處理顯著提高了磷肥偏生產力，增幅達23.3%，NPKRa 處理反而顯著降低了磷肥偏生產力，這與翻壓利用油菜綠肥含磷量有關。與NPK相比，油菜綠肥利用有助于提供磷肥農學效率和磷肥利用率，NPKRa、NKRa 分別顯著提高磷肥農學效率45.7%和97.8%，分別提高磷肥利用率4.1%和7.7%。與NKRa 相較，NPKRa 處理受施磷肥量影響，磷肥偏生產力、磷肥農學效率與磷肥利用率顯著降低。

表4 不同處理鮮食玉米磷肥利用效率

2.4 油菜綠肥利用對耕層土壤磷含量的影響

由表5 可看出，不同處理對土壤耕層（0～20 cm）全磷含量無顯著影響，而影響其有效磷含量。各處理中土壤有效磷含量以NPKRa 處理最高，其次是NKRa 和NPK，最后是CK。與CK 相比，NPKRa 處理土壤有效磷含量顯著提高了23.5%，NKRa 和NPK分別提高了12.9%和12.4%；NPKRa 處理土壤有效磷含量較NPK 處理高9.9%。

表5 不同處理對土壤磷含量的影響

3 討 論

現代農業的發展需求下，化肥大量施用帶來了農產品產量大幅提高，但是也導致農產品品質下降、環境面臨前所未有的壓力等種種問題，因此這促使有機無機配施技術得到迅速發展，特別是綠肥化肥配施技術。大量研究已證明綠肥與化肥配施是提高作物產量和培肥地力的有效措施[17-18]。在試驗中，油菜綠肥翻壓配施化肥較單施化肥可提高鮮食玉米地上部生物量和鮮穗產量，明顯優化了作物對磷素吸收利用效率。究其原因，一方面在于化學磷肥單獨施入土壤中，其磷酸根離子極易與土壤膠體中的 Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+等離子發生配位反應絡合進而轉化形成難溶性磷，影響作物吸收利用而降低了磷素利用效率[19]；第二方面油菜綠肥還田通過土壤微生物腐解產生大量有機酸陰離子直接保護無機磷肥，減少土壤對磷素的固定；第三方面油菜綠肥本身養分均衡且磷、鉀含量豐富，經土壤微生物分解后，改善了土壤養分供應過程，使養分較單施化肥處理平穩釋放，為作物生長持續供應養分，提高后茬作物群體質量，促進增產[20-21]。此外新鮮物料油菜綠肥還田可活化土壤微生物、酶活性，改善土壤微生物群落組成，且其粗長的直根系能對土壤形成天然的深耕效應，而改善土壤結構，提高土壤有氧呼吸效率與酶活性[3-4]。在研究中，在連續不施磷肥條件下，油菜綠肥配施氮鉀肥相比單施化肥可保障鮮食玉米穩產，且顯著提高了土壤磷素利用效率。還田有機物料包括油菜綠肥經腐解產生的有機酸如檸檬酸、蘋果酸和酒石酸等，消除了土壤固相表面 Fe、Al 絡合作用的大量磷吸附位點，減少了土壤對磷的固定，而且將土壤中Al-P、Ca-P 和Fe-P 中磷酸根陰離子交換、溶解和螯合出來，從而使難溶性磷得到釋放，提高土壤中有效磷含量[19,22]。經研究發現，與單施化肥比較，種植利用油菜綠肥提高了土壤有效磷含量，對紅壤供磷水平的提高具有積極影響，這進一步說明油菜綠肥與化肥配施利用有助于提高磷素利用效率，其可能原因在于油菜綠肥還田對磷肥起到保護作用。

長期定位試驗結果發現油菜綠肥—雙季稻長期輪作土壤有效磷含量較冬閑—雙季稻提高16.3%[23]。在研究中，NPKRa 處理土壤有效磷含量較NPK 處理高9.9%，恰好驗證了此觀點，而且考慮到有研究認為還田有機物料所含養分可干擾化肥利用效果[19]，研究試驗設置的油菜綠肥利用下不施化肥磷處理證明油菜綠肥有助于提高土壤有效磷含量。此外，從理論來看，油菜綠肥利用可有效促進提高土壤有效磷含量、磷肥利用效率及作物產量，這說明油菜綠肥能替代一定量的化肥磷，但是可替代多少化肥磷，結果仍需進一步研究。

4 結 論

多年油菜綠肥利用可有效提高鮮食玉米產量。相比單施化肥，油菜綠肥配施化肥提高鮮食玉米籽粒、莖+鞘+雄穗、鮮穗生物量分別達10.5%、5.5%和11.8%；油菜綠肥利用下不施磷肥可保障鮮食玉米不減產。

油菜綠肥利用可促進鮮食玉米對磷素吸收利用，提高鮮食玉米磷肥利用效率。相比單施化肥，油菜綠肥利用在施磷肥與不施磷肥條件下提高磷肥農學效率分別達45.7%和97.8%，分別提高磷肥利用率2.47 和20.8 個百分點。

多年油菜綠肥利用可有效促進土壤磷活化，相比NPK，NPKRa 處理提高耕層（0～20 cm）土壤有效磷含量9.9%，在不施化學磷肥條件下，油菜綠肥利用也可保障土壤有效磷含量。