氮肥减施下翻压冬季绿肥对川东玉米地土壤养分的影响

曾 妮，蔡 艳*，李寒松，李 冰，李珺昭，伍 伟，张洪滔，何 川，李 钟，郑祖平

（1.四川农业大学资源学院，成都 611130；2.南充市农业科学院玉米研究所，四川南充 637000）

随着我国农业可持续发展的日益推进，该过程中土壤肥料问题也日渐突出。我国作为农业大国但耕地资源有限，土壤肥料的运用在培肥土壤、提高农作物产量等方面作用突出[1]。然而，目前关于土壤肥料的使用存在诸多问题，在粮食作物、蔬菜等种植过程中很多农户为获取更高的产量，过度施用化肥而导致土壤养分结构失衡、营养物质流失等问题。玉米是四川盆地旱地主栽粮食作物，具有生长发育旺盛、产量高以及需肥量大等特点[2]，就川东丘陵地区玉米种植技术而言，通过大量施用化学氮肥来保证其充足的养分供应。据调查，当地农民缺少科学施肥意识，单一施用过量氮肥使土壤中氮素过剩，由于该地处于紫色土地区属亚热季风性气候，水土流失严重，土壤氮素在强烈淋洗作用下大量流失[3]，并对周围环境造成污染[4-5]。在此情况下该地区形成氮肥滥用的恶性循环。因此，研究氮肥减量下如何维持土壤养分平衡对川东丘陵地区农业可持续发展具有重大意义。

绿肥是用绿色植物体制成的肥料，能为土壤提供丰富的养分，是公认的无公害生物肥料之一[6]。目前有关翻压绿肥对水稻、油菜和马铃薯土壤养分含量影响已经有大量研究，且化肥减施下的冬季绿肥研究多集中在紫云英[7-9]方面，有关翻压其他绿肥对玉米生育期土壤养分含量影响的研究较少。而有研究表明[10-11]，光叶苕子属豆科绿肥，根系发达，可松土培肥，固氮作用显著；肥田萝卜和黑麦草分别是十字花科、禾本科绿肥，虽固氮能力不及光叶苕子，但两者生物量较大，翻压还田能提供大量养分。选用这3种绿肥能充分考虑到化肥减施后对土壤养分补充的影响。因此，本研究选取上述3种冬季绿肥与玉米轮作进行田间试验，通过绿肥翻压还田后减少化肥施用，进行土壤养分变化的研究，以期为川东丘陵地区减施化肥后保障土壤养分含量不变或提高和筛选出合适的绿肥品种提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

试验点位于四川省阆中市，阆中位于四川盆地北部，嘉陵江中游，属亚热带湿润季风气候区，气候温和，四季分明，年均温度l7℃，极端最高气温39℃，最低气温-4.6℃。常年无霜期290 d，年均日照1 379.8 h，年均降水量1 033.9 mm。

供试土壤：石灰性紫色土，0～20 cm土壤基本性质为：pH 7.5，有机质 19.85 g/kg，全氮 0.62 g/kg，碱解氮 45.15 mg/kg，有效磷 3.65 mg/kg，速效钾177.25 mg/kg。

供试绿肥：光叶苕子（Vicia villosa Roth var.），黑麦草（Lolium perenne L.），肥田萝卜（Raphanus sativus L.），均为冬季绿肥，由江西省农科院土肥资环所统一提供。

供试化肥：尿素（N 46%）——重庆建峰化工股份有限公司，过磷酸钙（P2O512%）——四川省绵阳市俊丹肥业有限公司，硫酸钾（K2O 51%）——国投新疆罗布泊钾盐有限公司。

供试玉米：科茂918，由南充市农业科学院提供。

1.2 试验设计

试验设6个处理（表1），3次重复。小区面积21 m2（7 m×3 m），田间随机区组排列。区组间距0.50 m，区组内小区间距0.20 m。绿肥于每年10月播种，播种量为光叶苕子60 kg/hm2、肥田萝卜11.25 kg/hm2、黑麦草22.5 kg/hm2，3种绿肥混播量分别为45、6和6 kg/hm2，不施用肥料。翌年2月绿肥全量翻压入土。3月播种玉米，其中氮肥减施20%参考文献[12-13]，具体施肥量如表1。本研究基于绿肥翻压2 a后测定结果。

表1 试验设计Table 1 Experiment design kg·hm-2

1.3 土壤样品采集

分别于玉米生长苗期、拔节期、抽丝期、灌浆期和收获期采集土样。于每个小区采用S形法随机选取5个样点，采样深度为0～20 cm。采样时在株间和行间随机采取，组成混合样1 kg左右，去除植物残体等杂质后装入塑封袋带回实验室，风干后过孔径10目（约2 mm）筛和过孔径100目（约 0.15 mm）筛，待测。

1.4 指标测定及方法

土壤养分测定：分别采用半微量凯氏定氮法[14]44、碱解扩散法[14]56、0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法[14]81、1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法测定全氮、碱解氮、有效磷和速效钾的含量[14]106。交换性钙、交换性镁、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌的测定采用ICP-MS法[15]。

玉米地土壤养分含量分级参见全国第二次土壤普查土壤养分等级划分（表2）。

白菜白斑病是秋季对白菜危害较大的病害，大片发生时田间白菜外叶常发黄枯死，严重影响白菜的品质和产量。对种子进行处理是目前生产上防治病害的一种方法，温汤浸种可以在一定程度上提高植株的抗病性，同时对种子进行药剂拌种处理，例如75%百菌清可湿性粉剂，可以预防白菜苗期病害。化学防治是田间防治病害见效最快的方法，也是目前对于病害常采用的防治方法。病害未发生时可用70%代森锰锌可湿性粉剂500倍液或用64%杀毒矾可湿性粉剂600倍液喷雾，每隔10天左右喷1次药，连喷2～3次，能起到较好的防治效果，提早防治既可以减少农药的使用量减少经济投入也可以减轻病害的发生。

表2 全国第二次土壤普查土壤养分等级划分Table 2 Classification of soil nutrient levels in the second national soil survey

1.5 数据处理

所有数据均采用Micosoft Excel 2013整理，采用IBM SPSS Statistics 20软件进行数据方差分析和显著差异分析。方差分析采用单因素方差分析法（one-way ANOVA），差异显著的指标用最小显著法（LSD）进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 氮肥减施下翻压冬季绿肥对土壤大量元素的影响

由表3可知，各处理土壤全氮含量在玉米苗期达到最大值（除L处理），至抽丝期不断降低，而翻压绿肥处理在灌浆期和收获期大多有所提高。同常规施肥处理（NF）相比，减施氮肥后土壤全氮含量在玉米整个生育期显著减少，而减氮基础上全量翻压绿肥后全氮含量均显著提高；其中，混合翻压绿肥后土壤全氮在苗期显著增加了15.00%；收获期时，V、R、L、B处理土壤全氮含量分别提高了20.29%、20.29%、7.25%和30.43%。说明翻压绿肥减施氮肥能提高土壤全氮含量，增强土壤的供氮能力，总体效果表现为B>V、R>L。

由表4可知，从玉米苗期到收获期，与NF对照处理相比，减施氮肥后土壤碱解氮含量降低了5.75%～12.03%；减氮基础上全量翻压冬季绿肥处理土壤碱解氮增加了2.14%～68.94%，以翻压黑麦草处理（L）效果最佳，增幅达21.35%～63.46%。在苗期和收获期，混播处理（B）碱解氮含量最大，分别显著提高了25.31%、68.94%。在玉米生育期内，单施氮肥土壤碱解氮呈递减趋势，而减氮下翻压绿肥其含量由苗期至灌浆期不断降低，收获期时土壤碱解氮含量增加。综合来看，翻压绿肥提高土壤碱解氮的效果表现为L>B>R>V，翻压冬季绿肥且减施氮肥能显著提高玉米收获期的土壤供氮强度使其维持较高生产水平。

表4 不同处理对玉米主要生育时期土壤碱解氮含量的影响Table 4 Effects of different treatments on soil alkali-hydrolyzable nitrogen content in main growth period of maize mg·kg-1

如表5所示，玉米收获期时土壤有效磷含量均低于苗期。同NF处理相比，玉米收获期前减施氮肥后土壤有效磷含量均有减少；而翻压绿肥处理土壤有效磷在收获期有所提高，各翻压绿肥处理分别提高了17.11%、29.25%、2.88%和26.37%，提高有效磷的效果表现为R>B>V>L。说明翻压绿肥后减施氮肥在玉米收获期能有效提高土壤有效磷含量。

表5 不同处理对玉米主要生育时期土壤有效磷含量的影响Table 5 Effects of different treatments on soil available phosphorus content in main growth period of maize mg·kg-1

由表6可知，单施氮肥处理土壤速效钾含量在玉米生育期内呈降低趋势，且RF处理速效钾含量显著低于其他处理。同NF处理相比，RF处理土壤速效钾显著降低；翻压冬季绿肥于玉米苗期和收获期有效提高了速效钾含量，R、L和B处理苗期时分别显著提高了19.28%、19.28%、17.80%，但三者之间差异不显著，且B处理速效钾含量在玉米整个生育期都维持在较高水平，并于收获期显著提高了75.05%。翻压绿肥处理提高土壤速效钾效果表现为B>L>R>V。说明混播光叶苕子、肥田萝卜和黑麦草并全量翻压后减施氮肥效果最佳，能显著提高土壤中速效钾的含量。

表6 不同处理对玉米主要生育时期土壤速效钾含量的影响Table 6 Effects of different treatments on soil available potassium content in main growth period of maize mg·kg-1

2.2 氮肥减施下翻压冬季绿肥对土壤中量元素的影响

由表7可知，与NF处理相比，除玉米抽丝期外，RF处理土壤交换性钙含量显著增加，翻压绿肥处理同样有所增加。R、L、B处理土壤交换性钙含量于玉米收获期以前呈先提高后降低趋势；V、R、B处理交换性钙含量由玉米苗期到收获期总体减少，但未达显著水平，L处理略有提高，亦无显著差异。玉米收获期，各翻压绿肥处理交换性钙较NF处理显著增加了4.80%～10.16%。说明L处理能显著活化土壤中的钙，提高交换性钙的含量。

表7 不同处理对玉米主要生育时期土壤交换性Ca含量的影响Table 7 Effects of different treatments on soil exchangeable calcium content in main growth period of maize mg·kg-1

由表8可知，由玉米苗期到收获期，常规施肥处理交换性镁含量呈显著降低趋势，与之相比，减施氮肥处理（RF）在玉米生长前期及中期交换性镁显著降低，在生长后期又有提高。翻压绿肥处理中，各处理在抽丝期及以前交换性镁含量不断降低，收获期时R和B处理交换性镁含量增加，但B处理未达显著水平；而L处理的土壤交换性镁显著高于其他处理，收获期比NF处理增长14.82%。同RF处理相比，V、R和B处理土壤交换性镁含量收获期时显著降低，但L处理稍有提高。

表8 不同处理对玉米主要生育时期土壤交换性Mg含量的影响Table 8 Effects of different treatments on soil exchangeable magnesiumt content in main growth period of maize mg·kg-1

2.3 氮肥减施下翻压冬季绿肥对土壤微量元素的影响

翻压绿肥后土壤微量元素变化见表9～表12。除玉米灌浆期，减施氮肥后土壤有效铁比常规施肥有所降低，减氮基础上翻压绿肥其有效铁含量增减呈波动变化。与单施化肥处理相比，仅B处理土壤有效Fe含量在收获期略有增加；V、R和L处理在整个玉米生长过程中土壤有效Fe总体呈减少趋势。在玉米生育期内，混合翻压绿肥后土壤有效Fe含量比其他翻压绿肥处理有所增加。说明翻压冬季绿肥对土壤有效Fe含量增加影响不大。

表9 不同处理对玉米主要生育时期土壤有效Fe含量的影响Table 9 Effects of different treatments on soil available iron content in main growth period of maize mg·kg-1

表10 不同处理对玉米主要生育时期土壤有效Mn含量的影响Table 10 Effects of different treatments on soil available manganese content in main growth period of maize mg·kg-1

各处理土壤有效Mn和有效Cu含量在玉米生长过程中总体减少。与NF处理相比，B处理土壤有效Mn含量在玉米拔节期至灌浆期保持在较高水平；RF处理和B处理有效Mn在玉米生长后期（灌浆期至收获期）提高显著，分别提高了26.55%和15.32%；而V、R和L处理土壤有效Mn含量变化不显著（表10）。玉米抽丝期时L处理有效Cu含量比NF处理增加6.25%；B处理有效Cu含量显著增加了10.94%，且比RF处理略有增加，但差异不显著（表11）。

表11 不同处理对玉米主要生育时期土壤有效Cu含量的影响Table 11 Effects of different treatments on soil available copper content in main growth period of maize mg·kg-1

由表12可知，在玉米整个生育期过程，各处理（除R处理）土壤有效Zn的含量有所增加，而翻压绿肥处理（除L处理）土壤有效Zn大致呈先减少后增加的趋势。翻压绿肥处理中，同NF处理相比，R处理苗期时土壤有效Zn显著提高了69.52%；收获期时，V处理和R处理土壤有效Zn的含量略有增加，但差异不显著，而L处理和B处理土壤有效Zn的含量略有减少，同样未达显著水平。说明翻压冬季绿减施氮肥后，对土壤有效Zn含量影响不大。

表12 不同处理对玉米主要生育时期土壤有效Zn含量的影响Table 12 Effects of different treatments on soil available zincin content in main growth period of maize mg·kg-1

3 讨论

种植且翻压绿肥能有效调节土壤养分，促进作物养分供应[16]，如长期种植冬季绿肥能有效提高土壤氮素[17]。不同品种绿肥对土壤养分的促进存在明显差异，豆科绿肥光叶苕子与其根瘤形成高效生物固氮体系，可显著提高土壤全氮含量[18]，于玉米[19]、水稻[20]等作物栽种过程应用普遍；肥田萝卜含有丰富磷素养分，尤其适合缺磷地区种植[21]；有研究表明[22-23]，禾本科黑麦草绿肥平均产量显著高于其他绿肥种类，若以68 000 kg/hm2的黑麦草还田，通过其腐解相当于给每公顷土地供应230 kg的氮和30 kg的磷。翻压绿肥丰富土壤养分，为作物减施化肥提供了可能性。本试验中绿肥翻压与氮肥减量配施对土壤中的全氮、碱解氮、有效磷、速效钾等均有提高，这与袁喆[24]、刘小粉等[25]研究结果一致。刘娜[26]研究发现种植并翻压豆科绿肥供应氮量显著高于休闲处理，翻压绿肥不施氮肥时也能保持氮的投入输出平衡；高桂娟等[27]发现翻压肥田萝卜97 d时其磷养分释放率达到98.10%，可有效提高土壤磷含量。本试验中翻压光叶苕子对于提高土壤氮素效果显著，相比其他绿肥，翻压肥田萝卜后土壤有效磷于玉米收获期显著提高了29.25%，与上述研究结果相符。

本研究结果表明，混播光叶苕子、肥田萝卜和黑麦草3种冬季绿肥对提高土壤N、P、K养分含量效果最佳。据试验测定，其中光叶苕子氮含量最高（14.4 g/kg），黑麦草氮含量最低（9.1 g/kg），但两者钾含量都较高；肥田萝卜含有丰富的磷素养分，平均可达7.5 g/kg；3种绿肥在减氮基础上，单种并翻压植株腐解后均能对应提高相应的土壤养分。光叶苕子N、P、K养分还田量明显高于绿肥混播，两者分别为359.04、292.11 kg/hm2，但试验结果混播处理土壤中的N、P、K养分含量维持状况较翻压光叶苕子更好。结合相关绿肥腐解特性[28-29]，光叶苕子翻压还田后在氮、磷、钾养分快速释放期（还田7～50 d）表现突出[30]，而玉米正处于养分需求量最大的拔节期和抽丝期，光叶苕子还田释放的养分比混播翻压后更多地被玉米吸收利用。川东丘陵区种植并翻压绿肥，既有益于土壤养分供应而减少化肥用量，还在提升玉米产量[31]等方面发挥着重大作用，促进该地区农业可持续发展。

种植3种冬季绿肥及翻压后，玉米地减氮20%下土壤中微量元素钙、镁、铁、锰、铜和锌含量有一定提高或无显著变化，这与熊维亮等[32]在烤烟上的研究结果一致。此外，田想等[33]研究也发现绿肥种植且减施氮肥对果园土壤微量元素无显著影响。说明种植光叶苕子、肥田萝卜和黑麦草确实在一定程度上能替代部分氮肥用量，在肥料减少情况下不会使土壤养分减少，因而达到减施氮肥的效果；但由于绿肥翻压对土壤养分影响需要较长时间来反映，本研究绿肥种植年限较短，对于土壤养分性质的改良效果还有待进行连续多年深入观测。

4 结论

翻压冬季绿肥后减少氮素化肥施用量，能有效增加玉米地土壤中的氮磷钾养分含量，混播光叶苕子、肥田萝卜和黑麦草3种冬季绿肥效果最好，混播绿肥的比例还需要深入探讨；翻压黑麦草在玉米收获期时略有提高土壤交换性钙、镁含量。种植且翻压绿肥后，土壤微量元素增减差异不显著，且无明显变化规律。因此，在川东春玉米种植过程中，可将绿肥纳入其轮作体系，既有益保持土壤养分供应，又能减少化肥施用。