重庆地区油菜收获后单作竹豆适宜播期和翻埋期的研究

张学风，王登科，黄蕾，姚露花，栗杨，贺治斌，康林，郭彦军

(西南大学农学与生物科技学院，重庆 400716)

在我国农业生产中，化肥的长期施用使土壤板结程度提高[1]、土壤保墒和供肥能力下降[2]，加上频繁的翻耕作业，导致土壤有机质含量普遍降低、作物生产的稳定性及抗逆性下降[3]。同时，无机化肥的不合理施用导致养分大量流失，对环境的污染程度加剧[4]。绿肥作物是中国传统农业中较为重要的作物之一[5]，也是提高土壤有机质含量的有效措施之一[6]。绿肥作物通过翻埋回田或是堆沤后直接作为有机肥料使用[7]。在南方双季稻区，绿肥轮作尤其是紫云英(Astragalussinicus)-稻(Oryzasativa)-稻-油菜(Brassicanapus)/花生(Arachishypogaea)-稻能提高土壤有机碳质量分数和土壤碳库管理指数，有利于改善土壤质量，提高土壤肥力[8]。在植烟土壤，连年翻压绿肥能够降低土壤紧实度，增强土壤团聚结构的稳定性，提高土壤中细菌、真菌和放线菌的数量以及土壤微生物量碳的含量[9]。绿肥作物翻压入土后，其有机物质的腐解速度与作物品种、翻压时间及其土壤温度有关[10]。如在旱地条件下，山黧豆(Lathyrusquinquenerviu)的氮累积释放量最高，箭筈豌豆(Viciasativa)的磷和钾累积释放量最高，毛苕子(Viciavillosa)各养分的累积释放量都最低[11]。对油菜秸秆和紫云英的研究表明，翻压后腐解过程均呈现出前10～20 d分解较快，后期分解较慢并逐渐趋于平稳的规律，且在翻压90 d后紫云英腐解率达到60.07%，油菜秸秆仅40.8%[12]。对几种热带豆科绿肥腐解特性的研究结果表明，腐解动态差异主要体现在埋样后的60～120 d，且生育期与腐解进程密切相关[13]。

目前，种植绿肥时一般考虑不与主要作物争地。如在两茬作物休闲期种植，或在主要作物收获后进行种植。在南方水稻种植区，秋季水稻收获后种植冷季型绿肥作物，如紫云英、毛苕子、金花菜(Medicagohispida)等，现已形成较为成熟的种植模式[14]。而对于南方秋播作物区，一般秋季播种[如油菜、蚕豆(Viciafaba)、冬小麦(Triticumaestivum)等]，次年4月中下旬收获，之后单作或间作夏季绿肥作物[15]。夏季绿肥作物生长期一般较短，为了获得较高的生物产量须在前茬收获后及时播种，并在下茬播种之前及时翻压。播种过晚，绿肥作物苗期可能遭受高温影响而导致产量下降。翻压过晚，绿肥腐熟和矿化分解不完全，部分分解中间产物将影响后茬作物种子萌发或幼苗生长[16-17]。

竹豆(Phaseoluscalcaratus)是豆科菜豆属一年生短日照藤本植物，根系发达，根瘤较多，一般鲜青产量为29985～52474 kg·hm-2，产量较高的可达67466 kg·hm-2，是果园、夏玉米地优良的夏季绿肥品种[15,18]。在江西中北部地区，4月下旬播种，9月中、下旬盛花，10月下旬种子成熟，生育期一般为180～200 d；北移栽培则营养生长延迟[18]。据张书豪[18]报道，竹豆植株有机碳含量40.2%,全氮2.41%，全磷0.74%,全钾3.50%，刈青粗蛋白含量为16.79%。目前尚无有关油菜收获后单作竹豆适宜播种时间及翻压腐解方面报道，限制了其在生产中的推广应用。鉴于此，本试验以油菜为前茬作物，在其收后，通过设置不同的播期，研究了不同播期下单作竹豆的生育期、株高、地上部/地下部干物质、根冠比及养分含量。同时，通过设置不同翻压时期，采用尼龙袋法研究了竹豆腐解及养分释放情况及翻压后土壤速效养分变化情况。旨在通过选择适宜的竹豆播期及翻压时期，为合理利用竹豆来改良和提高土地利用效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于西南大学农学与生物科技学院实验农场(29°48′ N, 106°24′ E)，属亚热带季风性湿润气候，年平均气温为18.2 ℃，降水量为1084.6 mm。试验期(4-9月)月平均气温分别为18.9、22.5、25.3、28.6、28.5和24.3 ℃；平均降水量分别为94.6、144.2、206.3、169.4、128.6和126.6 mm；月平均日照时数分别为96.8、103.8、97.2、162.5、164.3和104.7 h (1988-2017年)。供试土壤为黏质黄壤，前茬作物为油菜，0～20 cm土壤耕层的基本理化性质为: pH 6.37、有机质 12.4 g·kg-1、全氮 0.73 g·kg-1、全磷 0.12 g·kg-1、全钾3.32 g·kg-1、碱解氮67.4 mg·kg-1、速效磷 8.6 mg·kg-1、速效钾82.5 mg·kg-1。

1.2 供试材料

竹豆购自江西进贤芽苗菜公司。种子发芽率98%，纯净度95%。

1.3 试验设计

共设3个播期，即油菜收获(4月25日)后1周，每隔5 d播种，即2017年5月2日(M2)、5月7日(M7)和5月12日(M12)。播前进行翻耕、旋耕处理，人工除去杂草根系，并按562.2 kg·hm-2撒施复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)。竹豆播量为22.49 kg·hm-2，穴播。小区面积(3 m×5 m)15 m2，每个播期设置9次重复，采用完全随机设计。出苗后定期人工除杂2次，竹豆封垄后基本无杂草。不采取灌水、施肥、中耕等其他管理措施。调查、记录不同播期竹豆的出苗期、封垄期和开花期。

所有小区竹豆高度超过50 cm开始取样，之后每隔15 d取样一次，共计取样3次，即7月4日、7月19日和8月3日。每小区按五点取样法，挖取10株测定伸展高度，然后于65 ℃烘48 h至恒重。地下部取样深度30 cm，自来水清洗干净后，烘干称重。

从每个播期的9个重复中设置3个翻压期，即8月4日(F1)、8月18日(F2)和9月2日(F3)，每个处理3个重复。每次翻压前，按五点取样法刈割20株，于65 ℃烘48 h称重，其余植株直接翻压入土，翻埋深度20 cm。翻压后每隔7 d，按五点取样法采取0～20 cm的土壤样品，风干后制样备测。同时，采用埋袋法[19]，分析竹豆翻压后在土壤中的腐解情况。使用网眼为48 μm的尼龙网缝制成20 cm×15 cm大小的长方形尼龙网袋，每个网袋装入20 g风干竹豆(剪成2 cm 长度)。尼龙袋翻埋深度为20 cm，每小区翻埋3个，并于埋袋后7、14、21 d取出尼龙袋，自来水清洗干净后，于65 ℃烘48 h至恒重。每个处理，设置一个对照样品，即20 g竹豆装入尼龙袋后用自来水清洗，然后于65 ℃烘48 h至恒重。所有植物样品粉碎过筛(0.5 mm)后用于测定氮、磷、钾含量。

1.4 指标测定

称取植物样品约0.5 g，经H2SO4-H2O2加热消煮，消煮液用于植株养分含量的测定。其中，采用凯氏定氮法(半微量凯氏蒸馏)测定全氮含量，采用钼锑抗比色法测定全磷含量，采用火焰分光光度法测定全钾含量[20]。

尼龙袋中养分残留率计算公式：

养分残留率R=(Ct×Mt)/(C0×M0)×100%

式中:R为养分残留率;Ct为t时刻绿肥养分浓度(g·kg-1);Mt为t时刻绿肥干物质量(kg);C0为初始养分浓度(g·kg-1);M0为初始干物质量(kg)。

采用常规土壤化学分析法测定土壤养分指标。采用碱解扩散吸收法测定土壤碱解氮含量，采用钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量；采用火焰光度法测定土壤速效钾含量[20]。

1.5 数据分析

采用SPSS 17.0统计软件，按双因素方差分析方法分析播期与收获期对产量及植物养分含量的影响；按三因素方差分析方法分析播期、翻压期和腐解时间对竹豆干物质、养分残留率及土壤速效养分含量的影响。因交互作用的存在，按单因素分析不同播期各指标的差异，显著水平为P<0.05(最小显著极差法)。

2 结果与分析

2.1 播期对竹豆物候期与株高的影响

竹豆播种时间直接影响其物候期及生长发育(表1)。如5月2日和5月7日播种，其出苗期在播种后7～8 d左右，而5月12日播种时，出苗期在播种后13 d。随着播种期的推迟，竹豆封垄期、开花期也随之推迟，其中5月12日播种时的封垄期较5月2日时的推迟25 d左右。播期也显著影响了竹豆的伸展高度(表2)。生长早期，播种时间越早、高度越高；而所有小区封垄后，前两个播期间无显著差异，最后一个播期的伸展高度均显著低于其他两个播期。

2.2 不同播期对竹豆生物量的影响

播期与测定时期显著影响竹豆地上/地下单株生物量、根冠比及干物质产量，且播期与测定时期存在显著交互作用(表3)。竹豆早期生长缓慢，播种后2个月(7月4日)单株地上生物量不足5 g，之后生长迅速，至8月3日时，单株地上生物量均在16 g之上(图1)，8月19日时，干物质产量均在6000 kg·hm-2以上(图2)。不同测定时期，随着播种期的推迟，竹豆单株地上生物量及干物质产量均显著下降。如8月3日时，推迟5 d与推迟10 d播种，竹豆的干物质产量相较于对照分别减少了7.69%和25.52%。推迟播种显著降低了竹豆早期地下生物量，后期(8月3日)3个播种期间无显著差异。推迟播种后根冠比7月4日时显著下降，7月19日时显著增加，而8月3日时整体无显著差异。

表1 不同播期对竹豆物候期的影响Table 1 Effects of different sowing dates on phenophase of rice bean (月-日Month-day)

表2 不同播期对竹豆伸展高度的影响Table 2 Effects of different sowing dates on extension height of rice bean (cm)

注：同行数值后不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著。

Note: Different lowercase letter after values within each row represent significance atP<0.05.

表3 影响竹豆生长发育及其翻埋腐解因素(播期、收获期、翻压期)的方差分析Table 3 Factors (sowing date, harvesting period, rollover period) influencing the growth and development of rice bean

注：*,P<0.05; **，P<0.01; ***，P<0.001; AB，地上生物量; BB，地下生物量；S×H，播期与收获期互作；S×O，播期与翻压期互作；S×D，播期与腐解时间互作；O×D，翻压期与腐解时间互作；S×O×D，播期、翻压期与腐解时间互作。

Note: *，P<0.05; **,P<0.01; ***,P<0.001; AB, Aboveground biomass; BB, Belowground biomass；S×H, Interaction between sowing date and harvesting period; S×O, Interaction between sowing date and turning period; S×D, Interaction between sowing date and decomposing time; O×D, Interaction between reversal period and decomposing time; S×O×D, Interaction between sowing date, rolling period and decomposing time.

2.3 播期与收获期对竹豆地上部植株养分含量的影响

图1 播期对竹豆地上部、地下部生物量和根冠比的影响Fig.1 Effect of sowing dates on above- and below-ground biomass and the below-/above-ground biomass ratio of rice beans 同一收获期时间数据柱上小写字母不同表示在P<0.05水平上差异显著；M2, 5月2日； M7，5月7日；M12，5月12日；下同。Different lowercase letters above the data bar within each harvest date represented significance at P<0.05; M2, May 2; M7, May 7; M12, May 12; The same below.

图2 播期对不同收获期竹豆干物质产量的影响Fig.2 Effects of sowing dates on dry matter production of rice bean at different harvesting stages

播期与测定时期及其交互作用显著影响竹豆植株全氮、全磷及全钾含量(表3)。就全氮含量而言，7月4日、7月19日和8月3日，推迟10 d播种时的全氮含量显著高于对照和推迟5 d的，而推迟5 d的又显著低于对照；8月19日和9月2日，推迟播种均显著增加了植株全氮含量(图3)。就全磷含量而言，推迟播种后早期(7月4日)全磷含量显著降低，之后显著增加(8月3日时差异不显著)，到9月2日时，3个播期间无显著差异。就全钾含量而言，7月4日时，3个播期间无显著差异，7月19日时，推迟5 d时的显著增加，而推迟10 d时的显著下降，之后推迟播种均显著降低了竹豆全钾含量。整体而言，竹豆植株全氮含量在30～60 g·kg-1，全钾含量在25～50 g·kg-1，二者均显著高于全磷含量(2.5～4.0 g·kg-1)。

2.4 翻压期对不同播期竹豆干物质及其养分在土壤中残留率的影响

播期显著影响了竹豆在土壤中氮残留率，而对干物质残留率、磷和钾残留率无显著影响；翻压期和腐解时间对竹豆干物质和养分残留率均有显著影响(表3)。推迟30 d(F3)翻埋时，竹豆干物质残留率显著高于推迟15 d(F2)和对照(F1)(图4)。播期与翻压期对竹豆氮残留率有显著交互作用(表3)，使得不同播期下翻压期的影响存在差异。如5月2日播种时，推迟翻埋30 d的显著高于其他2个翻压期；而5月7日播种时，翻埋第1周推迟翻埋的氮残留率均显著低于对照；5月12日播种时，推迟30 d翻埋的氮残留率显著高于对照(第1周差异不显著)。播期与翻压期、翻压期与腐解时间对磷残留率有显著交互作用(表3)。如5月2日播种时，翻埋第1周翻压期无显著影响，翻埋第2周随着翻压期的推迟显著增加，而第3周时推迟30 d的磷残留率显著低于对照；5月7日播种时，推迟30 d翻埋的磷残留率显著高于对照(第3周无差异)；5月12日播种时，推迟30 d翻埋的磷残留率均显著高于对照的推迟15 d的。翻压期和腐解时间对钾残留率有显著交互作用(表3)。推迟30 d翻埋时的钾残留率整体高于对照和推迟15 d；而推迟15 d时的钾残留率整体低于对照。整体上，随着翻埋周数的增加，干物质残留率、氮、磷和钾残留率呈现下降趋势。

2.5 翻压期对不同播期竹豆翻压后土壤速效养分含量的影响

图3 播期对不同收获期竹豆地上部植株养分含量的影响Fig.3 Effect of sowing dates on nutrient contents of aboveground plants of rice beans in different harvest periods

图4 翻压期对不同播期竹豆干物质及其养分在土壤中残留率的影响Fig.4 Effects of overturning time of rice beans on the residual ratio of dry matter and nutrients in soils at different sowing date F1, F2, F3分别指3个翻埋期，即8月3日、8月19日和9月2日；1,2,3分别指翻埋后第7、14、21天。下同。F1, F2 and F3 represented three overturning date, Aug 3, Aug 19 and Sep 2; 1, 2, 3 represented the 7th, 14th and 21th days after overturning. The same below.

播期显著影响了竹豆翻压后土壤中的有效钾含量，而对碱解氮和有效磷含量无显著影响；翻压期和腐解时间显著影响了土壤速效养分含量，且对有效磷和有效钾含量有显著交互作用(表3)。整体上，随着翻压期的推迟土壤碱解氮含量有增加趋势。土壤有效磷含量不同播期规律不同。如5月2日播种时，翻压第3周时推迟翻压显著增加了有效磷含量；5月7日播种时，翻压第1周推迟翻压显著降低了有效磷含量，而第3周时又显著增加了有效磷含量；5月12日播种时，翻压第1周也是推迟翻压显著降低了有效磷含量。翻压第1周，不同播期均表现为推迟翻压时的土壤有效钾含量显著高于对照；翻压第3周，不同翻压期对土壤有效钾含量无显著影响，除5月12日播种的显著增加。

图5 翻压期对不同播期竹豆翻压后土壤速效养分含量的影响Fig.5 Effects of overturning time of rice bean on soil available nutrient concentrations at different sowing dates

3 讨论

3.1 竹豆播期对其生长发育和植株养分含量的影响

在多熟制作物生产区，缩短休闲期、延长作物生长时间是提高单位土地面积生产力的有效措施之一[21]。本研究在秋播油菜收获后种植夏季绿肥作物(竹豆),结果发现，随着播期的推迟，竹豆物候期推迟、株高、生物量等降低。这说明提早播种有利于获得竹豆较高的生物产量，促进肥效的发挥[22]。8月之后，竹豆产量增加较为缓慢，说明生长已接近完成阶段。但因该品种对当地的适应性问题，整体开花数量少，且基本没有结荚。今后可引进或选育可结荚品种，逐步提高竹豆在西南地区的推广种植。同时，推迟播种可能影响了竹豆苗期生长发育，使得后期接近成熟时，推迟播种产量依然低于对照。随着播期的推迟，青贮玉米的叶面积、株高、地上部生物量均下降[23]。棉花(Anemonevitifolia)晚播时，棉籽、棉纤维生物量和氮的分配系数降低[24]。推迟播种使草原3号苜蓿在种植密度不变的情况下生物量减小[25]。这些研究结果说明，在适宜条件下提早播种有利于促进作物早期生长发育，获得较高的生物产量。

收获油菜后推迟播种竹豆，可增加植株全氮含量。这与植株的生长发育时期有关。全氮含量随着生育期的进程出现先升后降的趋势，适当晚播植株茎叶全氮含量较高[26]。而全磷和全钾含量在不同测定时期差异较大,说明竹豆不同生育阶段对磷、钾的吸收利用强度不同[27]。就8月翻压期竹豆养分含量而言，推迟播种可提高磷的含量而减少钾的含量。有研究表明，紫云英在9月中旬到10月中旬播种时，后期其地上部分全氮、全磷和全钾含量无显著差异，而当播期推迟至10月之后，后期植株养分含量显著降低[28]。油菜推迟播种使其全氮、全钾及全磷含量出现了先增加后减少的趋势[29]。

3.2 竹豆翻压时期对竹豆养分腐解和土壤速效养分含量的影响

在本研究中，推迟播种竹豆的秸秆翻压腐解效果最佳，翻压后的前14 d腐解速度最快，在翻压后21 d，干物质含量、全氮、全磷、全钾含量分别减少了39.0%，34.4%，40.0%和38.5%。推迟播种植株相对于早期播种植株木质素及粗纤维含量可能相对较低，促进了干物质及养分的释放。对长武怀豆(Glycinemaxcv. changwu)、大豆(Glycinemax)和绿豆(Vignaradiata)的研究发现，3种绿肥均表现为前期腐解快、后期腐解慢，高峰均出现在最初的1个月内，且长武怀豆残留率显著高于大豆和绿豆[30]。对箭筈豌豆、毛苕子、山黧豆腐解特征的研究发现，翻压后15 d内秸秆腐解率较大，养分释放速度从高到低依次是钾、磷、氮[31]。本研究中，竹豆秸秆腐解过程中养分释放速度从高到低也表现为钾、磷、氮。在本试验中，还出现了养分残留率先下降后升高的现象，这与赵娜等[30]的研究结果一致。大量研究发现各种林木的根系在腐解过程中均会出现养分富集现象[32-34]。王瑾等[35]认为养分富集现象的出现可能有两方面原因，一是上层土壤中的养分迁移至尼龙袋中并被绿肥残体而累积，二是绿肥腐解释放出的养分没有被淋失而逐渐累积。本试验中土壤速效养分的变化也出现了先升高后降低的情况，因此第一种可能性较大。

在本研究中，随着翻压期的推迟，土壤碱解氮含量有增加趋势，而有效磷和速效钾含量变化规律不一致。出现这种差异的原因可能有2点。第一，植物养分含量及其粗纤维、木质素含量不同，影响了他们在土壤中的释放。有研究表明，夏闲期种植绿肥对于土壤速效磷、速效钾和碱解氮的增加量主要受绿肥养分含量和生物量影响[36]。第二，不同翻埋期，土壤温度及湿度不同，如9月翻压时的温度低于8月。土壤水热条件的不一致使得不同翻压期养分的腐解速率不同[37]。同时，因不同翻压期土壤温度和水分状况不同，植株释放的养分存在固定、淋失或挥发的差异[38-40]，导致最后土壤速效养分含量存在差异。

较高的生物产量与植株养分含量是优质绿肥的重要指标。为了获得相对高的生物产量，应在前茬油菜收获后，尽早播种。但翻埋回田要取得好的增肥效果，不仅需要生物量的保证，同时也需要植株养分含量相对较高。本研究中，前茬收获后推迟10 d播种可以较好地满足翻埋处理对于生物产量和植株养分含量的要求。同时，在不同翻埋期，土壤水热条件不一致导致秸秆的腐解速率不同。研究认为，25～35 ℃是比较适合秸秆腐解的温度[41]。在重庆地区，8月平均温度为28.5 ℃，高于9月的24.3 ℃，更适合秸秆高效而快速的腐解；且8月翻埋不影响下茬秋季作物的播种。因此，8月是单作竹豆较为适宜的翻埋时间。

4 结论

在重庆地区，油菜收获后，随着竹豆播期的推迟，竹豆物候期推迟、株高、生物量等降低，而植株磷和氮含量增加。秋播油菜收获后推迟10 d播种，可获得相对较高的生物产量和植株养分含量。竹豆秸秆腐解过程中养分释放速度从高到低表现为钾、磷、氮，并存在养分残留率先下降后升高的富集现象。单作竹豆8月初翻压回田时，其秸秆腐解速率较高，且不影响下茬秋播作物的播种，适宜作为单作竹豆的翻埋期。