绿肥生产利用方式对云南高原红壤理化性状及玉米产量的影响

刘建香，郭树芳，雷宝坤，郭云周

（云南省农业科学院农业环境资源研究所, 云南昆明 650205）

红壤是云南高原最具代表性的旱地土壤，其生产力是影响云南高原旱作农业产出的主要因素。施用农家肥、草木灰以及种植绿肥等曾是中国传统农业长期维持耕地地力的重要措施。化肥工业、育种技术的发展使农业生产跃上高产台阶，然而长期大量偏施化肥，给耕地土壤质量[1–6]和生态环境带来巨大压力[7]。

绿肥生产利用已成为化肥零增长条件下农业的绿色、可持续发展和生态文明建设的重要组成部分。近年来，绿肥研究不断扩展，涵盖了绿肥种质资源搜集、整理与创新[8]、绿肥养分积累与腐解释放规律[9–11]、高效生产技术模式[12]、增产效果[9,13]、化肥替代[14]、土壤肥力性状[13，15–21]、土壤有机质（功能有机物[22]、有机碳[23–24]、溶解性有机碳 DOM[18,25–27])、土壤生物（多样性[19,24,28–30]、微生物生物量碳[17]和氮、微生物商[31]、功能性微生物[32]）、土壤酶活性[17, 20,30]和养分有效性与转化[32]、氮素吸收利用[33–34]、溶解性有机氮 (DON)[27]、高产土壤保育[35–37]、退化土壤修复[38]等。其中，不少绿肥方面的研究已经深入到机理层面，进一步推动了绿肥生产利用研究，同时更好地服务于农业生产实践。然而，不同绿肥生产利用对云南高原红壤旱地生产力的保育和持续利用影响研究较为缺乏，值得深入研究。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验位于云南省曲靖市麒麟区越州镇新田村(N 25.30182°，E 103.90001°)，属亚热带季风气候区，干湿季节分明，年平均气温14.5℃，年均降雨量1008 mm。土壤为老冲积母质发育的红壤，基础性状为有机质38.41 g/kg、碱解氮150.2 mg/kg、速效磷 52.3 mg/kg、速效钾 161.2 mg/kg、pH 5.72。

1.2 试验设计

绿肥生产利用田间定位试验共设5个处理：1)冬春休闲–玉米(CK)；2)种植并翻压肥田萝卜–玉米(R)；3)种植并翻压光叶紫花苕子–玉米(V)；4)冬闲-翻压外源光叶紫花苕子–玉米(EV)；5)光叶紫花苕子根茬还田–玉米(RV，根茬数量为EV的10%左右)，在8月中旬玉米成熟收获前穴播套种光叶紫花苕子，盛花期刈割移走光叶紫花苕子的茎叶。EV处理3月上/中旬翻压来自其它地块的光叶紫花苕子鲜草15 t/hm2。每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积为 36 m2。

试验始于2011年9月，2019年9月结束。R处理每年8月末至9月初玉米成熟期穴播肥田萝卜，播种量为15 kg/hm2，11月下旬至12月上旬荚果期翻压，翻压量为15 t/hm2，翻压深度0.2 m；V处理每年8月中旬玉米成熟期穴播光叶紫花苕子，播种量为60 kg/hm2，次年3月上/中旬盛花期翻压，翻压鲜草量15 t/hm2，翻压深度0.2 m。每年4月中旬采用宽窄行穴播玉米，宽行行距为0.8 m，窄行行距为0.4 m，株距为0.24 m，播种并浇水覆土后覆盖地膜，9月中旬收获玉米。

肥田萝卜和光叶紫花苕子主要养分含量见表1。

表1 绿肥氮磷钾与有机碳平均含量(g/kg)Table 1 The average N, P, K and organic carbon content in green manures

各处理玉米的化肥施用量和施肥方法相同，均为 N 210 kg/hm2、P2O530 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2，氮肥(尿素，N 46%)分2次于拔节期和大喇叭口期追施，追施比例为3∶7；磷肥(过磷酸钙，P2O516%)和钾肥(硫酸钾，K2O 50%)作基肥一次性施用。肥田萝卜和光叶紫花苕子不施肥。

1.3 样品采集及测定

玉米收获时，采用多点取样法取各小区 0—20 cm土层土壤样品，混合、自然风干后用于测定土壤养分。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，速效磷采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定，速效钾采用NH4Ac浸提—火焰光度法测定[39]。土壤容重用环刀法测定，用环刀取每个小区0—20 cm土壤，置于105℃烘箱中烘干至恒重，计算土壤容重。玉米收获时各小区实收测产。

1.4 数据处理

试验数据采用 Excel 2017、DPS 7.05软件进行数据处理和统计分析，用SPSS 18.0软件对数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，若处理间差异显著，采用Duncan法在0.05水平上进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 绿肥生产利用方式对玉米产量的影响

表2表明，8季平均玉米产量以EV处理最高，R处理最低，二者差异显著。各绿肥处理的玉米产量与对照无显著差异，其中种植并翻压光叶紫花苕子和翻压外源光叶紫花苕子处理玉米产量分别比对照增加了377和848 kg/hm2，增幅分别为3.36%和7.56%。说明外源绿肥向红壤净输入养分，最有利于玉米产量的提高。

表2 不同绿肥生产利用方式对玉米产量的影响(kg/hm2)Table 2 Effects of different green manure production and utilization on maize yield

2.2 绿肥生产利用方式对红壤容重和有机质含量的影响

绿肥生产利用6年后(2017年)红壤容重均比对照显著降低，但各绿肥生产利用方式间差异不显著(图1)。对照处理的土壤容重最大，为1.19 g/cm3，种植并翻压肥田萝卜、种植并翻压光叶紫花苕子、翻压外源光叶紫花苕子和光叶紫花苕子根茬还田处理土壤容重分别降低了8.61%、10.46%、9.87%和7.20%。这是由于连续生产利用绿肥，输入有机碳，促进了土壤团粒结构的形成，增加了土壤孔隙度，因而降低了土壤容重。

图1 不同绿肥还田方式下红壤容重Fig. 1 The bulk density of red soils under different patterns of green manure use

表3表明，4种绿肥利用方式处理8年土壤有机质平均值均显著高于对照，种植并翻压肥田萝卜、翻压外源光叶紫花苕子、光叶紫花苕子根茬还田、种植并翻压光叶紫花苕子处理分别提高红壤有机质3.92%、5.53%、8.78%、14.03%，且处理间差异显著，从高到低顺序为V>RV>EV>R。肥田萝卜提高土壤有机质的效果不如3个光叶紫花苕子处理，一方面是由于翻压时光叶紫花苕子含水量约为75%，肥田萝卜含水量约为80%，翻压相同重量的鲜草，光叶紫花苕子干物质比肥田萝卜多25%；另一方面，紫花苕子大田生长期长达6个月，且根系发达，而肥田萝卜大田生长期仅2～3个月且须根少，有机碳含量也低于光叶紫花苕子。

表3 不同绿肥生产利用方式下的红壤有机质含量(g/kg)Table 3 Organic matter contents of red soils under different patterns of green manure use

不同绿肥还田处理影响土壤有机质的特点也不同。与初始土壤有机质含量38.41 g/kg相比，翻压外源光叶紫花苕子处理(EV)土壤有机质在2012年低于对照，2013年开始高于对照，但除2014、2015年外其他年份皆低于V和RV处理；肥田萝卜处理的土壤有机质在2013—2015年趋于降低，自2016年起转为高于对照，8年平均含量显著低于V和RV。其原因与前面相同。

2.3 绿肥利用方式对红壤碱解氮含量的影响

表4表明，与初始红壤碱解氮含量150.2 mg/kg相比，对照红壤碱解氮降低，绿肥处理红壤碱解氮在前5年也有所降低，但在第6和第7年增加，以V处理增加幅度最大，R处理增加最少。从8年的平均值来看，与对照相比，V、EV和RV处理土壤碱解氮含量分别增加了24.21%、14.66%和13.76 %，种植并翻压肥田萝卜无显著变化，土壤碱解氮仅增加0.70%。这是由于豆科绿肥的生物固氮作用增加了氮素输入，肥田萝卜则消耗土壤氮素。因此，豆科绿肥生产利用能够提高红壤碱解氮含量，加之有机质含量增加，从而维持和扩充红壤氮库，种植并翻压光叶紫花苕子增加红壤碱解氮积累最多，种植并翻压肥田萝卜对红壤的氮库、碱解氮含量影响不明显。

表4 不同绿肥生产利用方式对红壤碱解氮含量的影响(mg/kg)Table 4 Effects of different green manure production and utilization on alkali-hydrolyzed nitrogen in red soil

2.4 绿肥生产利用方式对红壤速效磷含量的影响

从8年的平均值来看，EV处理土壤速效磷含量最高为44.6 mg/kg，是唯一高于对照的处理，R处理土壤速效磷显著降低了8.23%，V和RV处理变化不明显。EV处理土壤的磷为净输入，V处理土壤磷素没有净输入，RV处理由于刈割并移走紫花苕子茎叶，土壤输出了磷素；R处理的土壤也没有磷素净输入，因此，种植绿肥的3个处理土壤的速效磷含量均低于施用外源绿肥的处理(表5)。

表5 不同绿肥生产利用方式对红壤速效磷含量的影响(mg/kg)Table 5 Effects of different green manure production and utilization on available phosphorus in red soil

与初始土壤速效磷含量52.3 mg/kg相比，不同处理土壤速效磷含量均有不同程度的降低。这表明红壤上绿肥–玉米系统消耗土壤速效磷，P2O530 kg/hm2的施磷量略显不足。

2.5 绿肥生产利用方式对红壤速效钾含量的影响

表6表明，玉米收获时，红壤速效钾含量是来源于自存的及钾肥和绿肥腐解释放的钾被玉米吸收利用之后所剩余的含量，其中翻压外源光叶紫花苕子(EV)和种植并翻压光叶紫花苕子(V)处理土壤速效钾含量较高，光叶紫花苕子根茬还田(RV)处理土壤速效钾含量最低。与初始土壤速效钾含量161.2 mg/kg相比，所有处理土壤速效钾含量均下降，其中光叶紫花苕子根茬还田处理下降幅度最大，其次是对照，翻压外源光叶紫花苕子和种植并翻压光叶紫花苕子处理降低幅度较小。从8年的平均值来看，与对照相比，翻压外源光叶紫花苕子和种植并翻压光叶紫花苕子处理土壤速效钾含量分别增加了55.31% 和 40.18% (P < 0.05)，而其他绿肥处理土壤速效钾含量无显著变化，其中种植并翻压肥田萝卜处理土壤速效钾含量增加6.64%，光叶紫花苕子根茬还田处理土壤速效钾含量降低10.74%。翻压外源光叶紫花苕子处理，光叶紫花苕子中的钾为净输入，地膜玉米收获后红壤速效钾含量较高；种植并翻压光叶紫花苕子处理，光叶紫花苕子中的钾吸收自本田，没有钾素净输入，地膜玉米收获后红壤速效钾含量低于翻压外源光叶紫花苕子处理；种植并翻压肥田萝卜处理，肥田萝卜中的钾吸收自本田，没有钾素净输入，地膜玉米收获后红壤速效钾含量较低；种植光叶紫花苕子刈割并移走地上茎叶，钾素为净输出，地膜玉米收获后红壤速效钾含量最低，这是唯一速效钾含量低于对照的处理，比对照处理降低了 9.7 mg/kg。

表6 不同绿肥生产利用方式对红壤速效钾含量的影响(mg/kg)Table 6 Effects of different green manure production and utilization on available potassium in red soil

3 讨论

土壤结构、有机质和速效养分含量与土壤生产力密切相关，提升土壤生产力就是要为农作物营造良好的土壤结构以及营养条件，这样才能维持土壤高产稳产。长江中下游农区秸秆还田量平均为3990 kg/hm2, 平均增加土壤有机碳0.151%；华南地区秸秆还田量平均为4875 kg/hm2，平均增加土壤有机碳0.125%[40]。长期有机无机肥配施可逐步提高红壤有机质含量，但其提高程度与使用有机肥的量和性质有关[41]。任科宇等[42]收集并分析了全国已公开发表的109篇文献，包含不施肥(CK)、单施化肥(NPK)和化肥配施有机肥(NPKM)处理的402组作物产量，发现与NPK相比，NPKM处理下作物的产量平均提高了4.7 %，其中小麦、玉米和水稻的增产率分别为5.6%、7.6%和4.5%。荣湘民等[43]研究表明，合理的有机与无机肥料配合施用可降低土壤容重，提高土壤含水量与土壤肥力，促进玉米生长，提高玉米籽粒产量和品质。较合理的有机无机肥料配合施用比例为25%～50%有机肥加75%～50%化肥。不同施肥制度对土壤培肥效果依次表现为高量有机肥>常量有机肥>常量有机无机肥配施>高量化肥>常量化肥>不施肥[44]。长期施用有机肥、有机无机肥配施能提高褐土微生物生物量碳、氮，增加脲酶及碱性磷酸酶活性[45]。与NPK处理相比，猪粪有机无机复合肥替代部分化肥对水稻和小麦的产量无显著影响，但能提高土壤微生物生物量碳、氮，增加土壤细菌丰富度和均匀度指数[46]。土壤结构的改善决定于输入有机碳的总量，且与其组成和特征有关，有机碳组成和特征不同，微团聚体和大团聚体的稳定性也不同[47]。有机–无机肥配施可降低红壤容重，使土壤中粒径大于5 mm机械稳定性大团聚体增加2%～42 %，增施有机肥不仅有利于红壤大团聚体的形成，还有利于改善土壤团聚体结构及其稳定性[48]。长期有机无机肥配施可明显改善土壤的物理结构，又可增加土壤养分含量，减少粒径>5 mm的非团粒结构的数量，增加粒径0.25～5 mm团聚体的含量，大团聚体中含有更多的全碳、全氮、全磷，对养分的保持有重要作用[49]。上述研究结果表明，增施粪肥、秸秆等有机肥以及化肥有机肥配施，是保持和提升耕地土壤良好理化性状的有效措施。

本研究结果表明，不同绿肥生产利用方式降低红壤容重7.20%～10.46%，提高红壤有机质3.92%～14.03%，增加碱解氮含量0.70%～24.21%，肥田萝卜、光叶紫花苕子生产利用提高红壤速效钾含量6.64 %～55.31%，种植并翻压光叶紫花苕子、翻压外源光叶紫花苕子增产玉米377、848 kg/hm2，增幅3.36%、7.56%。可见，绿肥能够保持和提升云南高原红壤生产力，其中以豆科绿肥效果最佳。

有研究结果也表明，绿肥生产利用也是维持和提升土壤肥力的有效措施。如绿肥、麦秸还田是提高土壤有机质含量的重要措施，翻压绿肥、麦秸各半可增加粮食产量[50]。翻压黑麦草在烟株移栽后30天时土壤容重降低了0.064 g/cm3，在烟株整个生育期，土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别提高了12.18%～30.84%、6.82%～21.46%、62.19%～119.20%和40.02%～85.44%，能较好地调节土壤pH，翻压量为22500 kg/hm2的效果最好[51]。光叶紫花苕子综合生物学性状较好，是提高玉米直径、高度、生物学产量及养分含量的较好绿肥品种，尤其在缺磷地区是较好的补磷绿肥[13]。冬种紫云英+早、晚稻秸秆全量还田显著增加了水稻土中超大团聚体 (粒径>2 mm)和大团聚体 (粒径 0.25～2 mm)的含量，并促进了两种团聚体内芳香碳等惰性碳的积累[21]。Gao等[25]研究发现，种植翻压绿肥后，土壤可溶解有机碳(DOC)含量显著提高，即长期施用紫云英和油菜后土壤DOM的组成更加复杂，增加了DOM的芳香化程度、腐殖质化程度和平均分子量，使DOM在红壤中更加稳定。常单娜等[26]研究指出，种植翻压绿肥增加了土壤DOM含量，提高了土壤DOM的芳香性、疏水性、腐殖化程度、平均分子量，增加了土壤DOM的稳定性。

绿肥在保持和提升土壤生产力方面，具有绿色、健康、效果好等突出优点，但不同类型绿肥以及不同生产利用方式效果是有差异的。豆科绿肥由于具有生物固氮作用，生产利用能扩充土壤氮库，并供给后茬主作物吸收利用；非豆科绿肥生产需要消耗土壤氮素。豆科和非豆科绿肥生产，都能活化和富集土壤矿质养分，但还田后腐解、释放养分有一个过程，不同养分释放速率不同。因此，主作物上绿肥与化肥配合施用，更能发挥绿肥优势。

综上所述，绿肥与粪肥等有机肥一样，都能够维持和提升土壤生产力，为农作物营造良好的土壤结构以及营养条件，有利于土壤可持续利用和作物的高产、稳产。

4 结论

在云南高原红壤上，长期种植并翻压光叶紫花苕子和肥田萝卜，甚至只还田光叶紫花苕子根茬均可提高土壤有机质含量，降低土壤容重，但是还田方式影响着作物的增产效果，光叶紫花苕子的效果显著优于肥田萝卜。种植并翻压光叶紫花苕子可以提高玉米产量，而种植并翻压肥田萝卜的玉米产量较低。翻压光叶紫花苕子可提高红壤碱解氮含量，但收获茎叶会造成红壤速效钾亏损；种植并翻压肥田萝卜对红壤碱解氮含量影响不明显，但消耗土壤的速效磷。翻压外源光叶紫花苕子带入的氮、磷、钾养分提高了红壤中的碱解氮、速效磷、速效钾含量，因而提高玉米产量的效果也最好。