紫花苜蓿绿肥对水稻产量和土壤肥力的影响

赵 鲁,史冬燕，高小叶，安 渊

(1.上海交通大学农业与生物学院 农业部都市农业(南方)重点实验室，上海 200240； 2.菏泽学院生命科学系，山东 菏泽 274015)

我国农业生产依赖化肥、忽视有机肥投入的现象十分严重，长期过量施用化肥普遍造成农田土壤退化,肥力下降，化肥利用效率降低,粮食生产成本增加。由此带来的环境问题也日益突出，如浅层地下水硝酸盐污染、地表水富营养化等，严重影响我国农业生产效率和农产品质量[1-4]。

绿肥因其在改良土壤结构、提高土壤肥力上的良好表现而被广泛应用。研究表明，绿肥翻压后，在土壤微生物的作用下分解矿化，为土壤提供丰富的养分,包括氮、磷、钾及微量营养元素，同时绿肥也为土壤提供大量、新鲜的有机物质，为土壤团粒形成提供胶结剂，使耕层物理结构得到改良，有效提高了土壤肥力[5]。在绿肥植物腐解过程中，绿肥与土壤形成有机-无机复合胶体，可明显改善土壤团粒结构和土壤通透性，有效降低土壤容重，增加土壤的渗透系数和总孔隙率[4]。长期施用绿肥可提高土壤有机质含量，增加土壤的氮素来源，活化和富集土壤中磷和钾[6]。此外，绿肥可作为碳源，为土壤微生物的生长提供营养，有利于土壤微生物的增加和良好微生物群系的构建[7]。

我国绿肥资源比较丰富。目前，南方主要绿肥植物为紫云英(Astragalussinicus)和蚕豆(Viciafaba)，紫花苜蓿作为绿肥使用尚不普及。紫花苜蓿(Medicagosativa)为多年生豆科草本植物，根系发达，植株高大，枝叶繁茂，有较强的耐寒、抗旱和再生能力。紫花苜蓿有很强的固氮能力，种植紫花苜蓿能有效增加农田土壤氮含量。紫花苜蓿的营养价值非常高，干物质中粗蛋白含量高达15.0%～26.2%，氨基酸、维生素和矿质元素种类多、含量高，被称为“牧草之王”。我国南方稻田大量使用紫云英作为绿肥植物[8-9]，但其干物质产量比较低，不足紫花苜蓿产量的1/2[10]，而其他可用绿肥的植物资源十分有限。紫花苜蓿在宁夏和陕西等省常被作为稻田绿肥植物，而在我国南方地区,由于传统的紫花苜蓿品种耐高温能力差,不适宜南方种植，因此并未作为绿肥植物普及。但随着现代育种技术的提高,大量耐高温、生长速度快、再生性能强的紫花苜蓿新品种被培育出来，并在南方成功种植，产量非常高。据安渊等[11]评价不同秋眠级紫花苜蓿在上海的适应性的研究报道，高产紫花苜蓿品种3-6月份的干草产量为13 600～16 600 kg·hm-2，占紫花苜蓿全年总产量的53.46%～65.20%。这种生长特性十分有利于利用南方冬闲田种植紫花苜蓿，并将最后一茬苜蓿草作为绿肥改良稻田土壤，建立紫花苜蓿-水稻(Oryzasativa)、紫花苜蓿-秋玉米(Zeamays)等轮作模式。为此，本研究开展了紫花苜蓿作为绿肥，改良稻田土壤的研究，把3-6月份紫花苜蓿总产量的1/3作为绿肥还田，研究紫花苜蓿绿肥对水稻产量和土壤肥力的影响，旨为建立南方冬闲田种植紫花苜蓿、同时兼作绿肥的生产模式提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1试验地概述 试验在上海市崇明县陈家镇展宏村稻田进行，试验地属北亚热带季风气候，年平均气温16 ℃，全年无霜期约230 d，年平均降水量为1 200 mm。试验用紫花苜蓿品种为WL525，由北京正道种业公司提供。

1.2研究方法 本试验采用紫花苜蓿作为绿肥，尿素作为氮肥，共设苜蓿绿肥、施氮肥、苜蓿绿肥+氮肥和对照4个处理。每个处理的小区面积250 cm×300 cm，重复3次，共12个小区，小区之间用20 cm的土埂隔开。本试验所用紫花苜蓿由邻近的紫花苜蓿地种植，刈割后搬运至绿肥试验田，切碎、翻压入水稻田土壤表层。苜蓿绿肥用量为鲜草18 000 kg·hm-2,氮肥的施用量为450 kg·hm-2，分别在7月10日和10月15日分两次施入，每次施入1/2。水稻品种为“秀水128”，行距15 cm，播量为22.5 kg·hm-2。

1.3测定指标和方法 土样的采集：于2010年8月1日、9月1日、10月1日和11月10日分4次取样，每个小区取5个点，取土深度为0～20 cm，将5个点的土样混合、阴干备用；水稻产量：在各处理小区中随机取1个100 cm×100 cm的样方，在11月份收割水稻，晾干，脱粒，称量；土壤有机质：采用重络酸钾容量[7]测定；土壤全氮：采用凯氏定氮法[7]测定；土壤速效磷：采用0.5 mol·L-1NaHCO3法[10]测定；土壤速效钾：采用乙酸铵浸提-火焰光度计法[10]测定。

1.4数据处理 采用SAS 9.1(SAS Institute,USA)软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1不同处理对水稻产量的影响 苜蓿绿肥对水稻增产、提高化肥利用率具有显著的作用(图1)。苜蓿绿肥和施氮肥处理的水稻产量均明显高于不施氮肥的对照处理(P<0.05)，分别增产48.2%和58.58%；苜蓿绿肥和施氮肥处理的水稻产量之间差异虽不显著(P>0.05)；但产量增加幅度达到8.56%。

图1 施肥处理对水稻产量的影响

2.2不同处理对稻田土壤营养状况的影响

2.2.1不同处理下土壤有机质的动态变化 苜蓿绿肥处理明显增加了土壤有机质含量，改善了土壤有机营养(表1)。随着水稻生长期的延长，氮肥和对照处理的土壤有机质含量除10月份出现显著下降外，其他各月几乎没有变化，并且两处理之间有机质含量十分相近，无明显差异。苜蓿绿肥处理明显增加了土壤有机质含量，8、9和11月份土壤有机质含量与对照相比差异达到显著水平(P<0.05)。试验期内，苜蓿绿肥+氮处理的土壤有机质含量始终在4个处理中处于最高水平，并且在8、9和10月3个月中显著高于其他处理。同时，苜蓿绿肥和苜蓿绿肥+氮处理的土壤有机质含量从8月到10月呈现明显的下降趋势，之后，到11月份再度升高，不同月份之间土壤有机质含量差异达到显著水平。

2.2.2不同处理下土壤氮含量的动态变化 苜蓿绿肥显著增加了土壤总氮含量，改善了土壤的氮素营养(表2)。苜蓿绿肥处理的土壤氮含量在水稻生长前期(8月和9月)显著高于苜蓿+氮肥、氮肥和对照3个处理(P<0.05)，但在生长后期(10月和11月)，显著低于苜蓿绿肥+氮肥处理，与其他2个处理之间无显著差异。试验期间，苜蓿绿肥+氮肥处理的土壤氮含量均显著高于施氮肥和对照2个处理。而施氮肥处理的土壤氮含量除8月份显著低于对照处理外，其余时间彼此差异不显著(P>0.05)。随着水稻生长期的延长，4种处理的土壤总氮含量从8月到10月都呈现出明显下降的趋势，随后在11月份再度明显升高。

表1 不同处理下土壤有机质含量动态

表2 不同处理下土壤氮含量动态

2.2.3不同处理下土壤速效磷的动态变化 除11月份苜蓿绿肥+氮肥处理外，所有苜蓿绿肥处理的土壤速效磷含量均显著高于氮肥处理和对照(P<0.05)，并且，在8月和11月，苜蓿绿肥处理的土壤速效磷含量显著高于苜蓿绿肥+氮肥处理，而氮肥处理与对照之间的土壤速效磷含量差异不显著(P>0.05)。除8、9月份苜蓿处理的土壤速效磷含量明显下降外，其他各处理的土壤速效磷含量在各月之间差异均不显著(表3)。

2.2.4不同处理下土壤速效钾的动态变化 8-11月间苜蓿绿肥处理的土壤速效钾含量始终显著高于对照，依次增加了29.4%、14.0%、17.8%和5.2%，并且高于(9月)或显著高于(8、10、11月)苜蓿+绿肥处理的土壤速效钾含量(表 4)。而苜蓿绿肥+氮肥处理的土壤速效钾含量在8-10月均高于氮肥处理，依次增加了10.0%、3.1%和2.2%，并在8和9月差异达到显著水平(P<0.05)。4种处理的土壤速效钾含量在水稻旺盛生长期均低于水稻成熟期(11月)，并且在水稻成熟期，苜蓿绿肥+氮肥处理的土壤速效钾含量最低。苜蓿绿肥+氮肥处理的土壤速效钾含量从8月到10月呈现出明显下降的趋势，随后在11月份再度明显升高，并且10月的土壤速效钾含量与其他3个月差异显著(P<0.05)。

表3 不同处理下土壤速效磷含量动态 Table 3 Effects of different treatments on the content of phosphorus g·kg-1

表4 不同处理下土壤速效钾含量动态 Table 4 Effects of different treatments on the content of potassium g·kg-1

3 讨论

施用绿肥是恢复稻田土壤团粒结构，提高土壤质量、增加水稻产量的重要方法。李继明等[12]长期定位研究发现，紫云英绿肥对水稻产量有明显的促进作用，增产效果与绿肥施用量呈正相关[13]，并且，紫云英绿肥对水稻多种农艺性状有明显的改善作用。长期连续绿肥还田可提高土壤的基础产量和最高产量,降低最高产量施肥量[14-15]。紫花苜蓿主要作为豆科牧草种植，而兼作绿肥、改良土壤的研究报道比较少。本研究中，使用紫花苜蓿绿肥明显提高了水稻产量，增产幅度接近施用化肥处理的水平，表明紫花苜蓿是一种高效的绿肥植物，能够为水稻生长提供大量营养物质，促进水稻生长。绿肥增产效果与土壤基础肥力和施肥水平密切相关。苜蓿绿肥+氮肥处理的水稻产量比施氮肥处理有较大幅度的提高，表明苜蓿绿肥能够较大幅度提高氮肥的利用效率和增产效率。

有机质是土壤的重要组成部分，对调节土壤养分,改善土壤理化性质具有重要的作用。在一定范围内，土壤有机质含量越高，土壤肥力越高，反之，土壤肥力越低[5，13]。本研究中，施氮肥处理和对照处理的土壤有机质含量除10月份出现明显下降外，其他各月几乎无明显变化，并且2个处理的土壤有机质含量无明显差异。说明土壤长期无有机肥投入，土壤理化环境恶劣，土壤有机质积累或分解过程十分缓慢，甚至停止，水稻从土壤中获得的氮素养分十分有限，生长所需氮素主要来自于化肥。王建红等[16]研究表明，水稻在齐穗期从土壤中吸收大量的养分，导致土壤有机质含量下降，这也许是本研究中10月土壤有机质明显下降的主要原因。长期增施有机肥能显著提高稻田土壤有机质含量和土壤肥力水平，并且增效作用随着种稻年限的增加而增加[17]。绿肥是增加稻田土壤有机质含量的重要措施，蚕豆[18]和紫云英还田后，土壤有机质含量分别比试验前增加5.8%和11.7% ～38.3%[19]。本研究中，苜蓿绿肥处理的土壤有机质含量高于或明显高于对照和施氮处理，显著改善了土壤有机营养,与上述研究结果相符。此外，苜蓿绿肥+氮肥处理的土壤有机质含量在水稻收获前显著高于苜蓿绿肥处理，表明苜蓿绿肥与化肥配合施用有助于提高土壤有机质积累。其可能的原因一方面是苜蓿绿肥增加了土壤微生物有机质；另一方面是适量增施速效养分，促进了水稻根系生长，增加根系有机物分泌和根系还田数量。苜蓿绿肥和苜蓿绿肥+氮肥处理的土壤有机质含量从8月到10月呈现明显的下降趋势，之后，在11月份再度升高，并且含量高于试验前(有机质含量为11.87 mg·g-1)，表明苜蓿绿肥处理的土壤有机质在水稻收获后仍有较高的积累，对土壤的改良效果具有累积作用。

由于施用有机肥(包括绿肥)在土壤中有明显的净残留,有助于土壤氮的提高[12]，以蚕豆作绿肥，水稻土壤全氮含量分别比对照和试验前增加2.0%和2.0%[18]。本研究中，施氮肥处理的土壤氮含量与对照无明显差异，并在8月份显著低于对照，对水稻土壤氮的积累作用不明显；而苜蓿绿肥处理则大幅提高了土壤总氮含量，并在8月和9月显著高于苜蓿绿肥+氮肥、施氮肥和对照3个处理，表明苜蓿绿肥前期为土壤提供了大量的氮素养分，对土壤氮积累产生明显影响，同时，也表明在施用苜蓿绿肥的基础上，配施氮肥能够明显促进水稻对土壤氮的吸收，增强土壤氮的有效性和供给能力，促进水稻生长。随着水稻生长期的延长，4种处理土壤总氮含量呈现明显下降的趋势，10月降至最低点。这种变化规律与水稻不同生长发育期对氮的需求数量有关。水稻生长发育对氮素需求量的顺序为:分蘖-齐穗期>移栽-分蘖期>齐穗-成熟期[20]。10月份水稻处于分蘖-齐穗期，对氮的需求量较大，从土壤中吸收的氮量也相应增加；而齐穗-成熟期水稻根系老化, 吸收养分能力较弱,这期间主要为植株体内养分在各组织器官间的迁移与重新分配,从土壤中吸收氮量较小，另一方面，这个阶段稻田处于无水状态，地表有机物分解加快，因而，导致11月份土壤氮含量上升。

土壤对磷的吸持作用是影响土壤对作物供磷能力的重要因素，它既与成土母质有关，也受耕种、栽培、施肥等农业技术措施的影响[21-22]。绿肥对提高土壤磷含量有重要作用,不仅能增大土壤的磷库,同时可减少土壤磷的固定，提高土壤磷的有效性[12,18],如施用紫云英，土壤中速效磷含量高达17.8 mg·kg-1,为试验前的1.78倍[9]。本研究中，苜蓿绿肥处理的土壤速效磷含量均高于或显著高于施氮肥和对照处理。这一方面与苜蓿含有较高的磷含量有关，另一方面，苜蓿绿肥对土壤中难溶性磷酸盐有较强的溶解和吸附能力,使土壤耕层有效磷得到富集，提高了有效磷的含量。苜蓿绿肥处理在8月份和11月份的土壤速效磷显著高于苜蓿绿肥+氮肥处理，表明配合氮肥施用，苜蓿绿肥有效促进了水稻对磷的吸收能力。

近10年来,土壤钾缺乏问题随着大量使用氮肥、磷肥和低投入钾肥而日趋严重[23]，而施用有机绿肥对土壤速效钾有良好的活化和富集作用[24]。施用蚕豆绿肥后土壤速效钾含量分别比对照和试验前3年增加29.7%和27.5%[18]。本研究中，苜蓿绿肥处理在4个月份中的土壤速效钾含量都显著高于对照，这表明苜蓿绿肥为土壤提供了大量的钾营养。其原因一方面是由于绿肥中含一定量的钾矿质养分，在绿肥腐解后释放到土壤中，增加了土壤速效钾含量；另一方面，绿肥腐解过程可形成一些有机酸类物质，它们可以溶提并吸收一部分难溶性钾，使其重新以有效形态留在土壤中供作物利用[23]。本研究还发现苜蓿绿肥+氮肥处理在11月份的含量最低，甚至低于对照，表明氮肥和苜蓿绿肥配合施用，有效促进了水稻对钾的吸收，从而促进水稻增产。

4 小结

紫花苜蓿绿肥可显著提高水稻产量，增加土壤的有机质、全氮、速效磷、速效钾含量，改善和提高稻田土壤肥力；结合使用少量氮肥，苜蓿绿肥对水稻的增产作用和土壤有机质的积累作用更为明显，表明苜蓿绿肥能够有效提高氮肥的利用效率。本研究是将苜蓿草运送到稻田作绿肥，如果在水稻收获后直接种植紫花苜蓿，将1/3～1/2的苜蓿草作为绿肥还田，改良土壤的效果会更好。本研究结果对于推动和有效利用南方冬闲田种植紫花苜蓿具有积极的作用。在生产优质紫花苜蓿草的同时，提供优质绿肥，为南方普遍退化的农田土壤改良提供一条行之有效的技术途径。

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