冬绿肥-春玉米轮作对土壤有机磷形态及其有效性的影响

张 茜，赵 秋，向春阳，史昕倩，杜 锦

(1.天津市农业科学院，天津 300192；2.天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300384)

绿肥是指以新鲜植物体就地翻压、异地施用或经沤、堆后主要作为肥料的栽培农作物，从而可以使土壤理化性状得到改善，提升土壤肥力，改良土壤结构环境，丰富土壤微生物，促进作物生长，达到提高后茬作物产量的目的[1-3]。我国是最早种植绿肥的国家[4]，绿肥能够通过生物作用富集土壤中的磷且其本身又具有生长周期短、养分全面丰富、分解迅速、有效性好等特点，因此，绿肥的施用能有效调整化学肥料的施用结构[5]，绿肥翻压并且减少化肥用量，会使得土壤酸性磷酸酶的活性提高[6]。磷肥施入土壤后，大多被固定，且随着外源磷施入量的增加，磷的固定量也会增加，而通过间作、轮作冬绿肥等方式均可以促进土壤磷素的活化，提高土壤有效磷含量[7-9]。绿肥根系会分泌苹果酸、柠檬酸等有机酸，有利于土壤中难溶性磷溶解活化[10]，能够有效增加土壤中有效磷的含量、促进土壤良性循环[11-12]。

磷素既是作物生长发育必需的营养元素，也是限制作物优质高产的营养元素之一[13]。土壤中的有机磷主要以肌醇磷酸盐、磷脂、核酸等形式存在，不同有机磷化合物因结构、分子大小和稳定性差异，导致其生物有效性差异很大[14]，有机磷的分级方法大多采用的是Bowman等[15]提出的土壤有机磷的浸提法，根据有机磷生物有效性将其分为活性有机磷(LOP)、中活性有机磷(MLOP)、中稳性有机磷(MROP)和高稳性有机磷(HROP)4 个组分，各有机磷形态被作物吸收利用难度依次增加[16]。土壤的有机磷经矿化后，成为作物磷的重要磷源，其有效性与土壤供磷能力关系密切。因此，施用有机肥后土壤有机磷的变化也逐渐成为近年来研究的热点。通过现有研究可以得知，各绿肥处理土壤LOP的含量均远远大于未翻压绿肥土壤LOP的含量，MLOP的含量水平得到显著提升，施用绿肥后却使得MROP的含量持续下降，但不同品种绿肥对于同一有机磷形态的变化幅度具有显著性差异[17]；施用绿肥等有机肥可以使有机磷各形态的含量均得到提高，但每个形态提高的幅度不同[18]，绿肥自身的含磷量越高，土壤中磷矿化的速度就会越快[19]。

华北玉米种植区长期存在的“掠夺式经营”，致使现有的耕地质量下降，且有机成分投入少，导致土壤磷素含量较低，磷素利用率下降，致使玉米产量和品质受到影响。并且，华北地区土壤为潮土，偏碱性，土壤磷库小，供磷能力不足。冬绿肥-春玉米轮作是华北地区一种新的种植制度，二月兰(Orychophragmusviolaceus)、毛叶苕子(ViciavillosaRoth)、黑麦草(LoliumperenneL.)和冬油菜(BrassicacampestrisL.)经过筛选是可以作为与春玉米进行轮作的冬绿肥品种，具有较高的生物产量并且越冬性稳定，不仅能够很好地适应本地环境，且有较高的生物量和碳、氮、磷、钾累积吸收量。

为了进一步验证冬绿肥长期翻压对土壤有机磷形态的影响及对磷素有效性的提高，本研究在天津市武清开发区进行冬绿肥-玉米轮作模式的长期定位试验，通过探讨不同冬绿肥作物翻压还田后对土壤有机磷形态的变化及玉米磷吸收等的影响，旨在为华北地区合理种植绿肥改善土壤供磷状况提供科技支撑及理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于天津市武清开发区天津市农业科学院创新基地(N39°21′，E 117°10′)，海拔3.60 m，该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温11.60 ℃，无霜期203 d左右，年降水量586.10 mm。供试土壤为潮土，0～20 cm耕层土壤基本养分情况如下:

pH 8.28,有机质、全氮、硝态氮、全磷、全钾分别为18.30,1.17,4.65,0.59,30.03 g/kg，有效磷、速效钾分别为9.70,265.14 mg/kg。

1.2 试验设计

本试验设冬闲、二月兰、毛叶苕子、黑麦草、冬油菜5个处理，代号分别为CK、EYL、MS、HMC、DYC，每个重复3次，共计15个小区，每个小区面积18 m2，随机区组排列，冬绿肥生长期间不施加肥料与农药，设有灌溉设施。

自2012年起每年9月播种绿肥，二月兰、毛叶苕子、冬油菜和黑麦草的播种量分别为100，150，100，100 kg/hm2，翌年4月收获计产后切碎成2～3 cm的小段翻压入土壤10～15 cm，播种春玉米，玉米施肥量为 N 225.00 kg/hm2、P2O545.00 kg/hm2、K2O 225.00 kg/hm2。其中，氮肥1/3作基肥，2/3在玉米小喇叭口期追施；磷肥和钾肥全部基施。氮肥用尿素(含N 46%)，磷肥用磷酸二铵(含N 18%、P2O546%)，钾肥为氧化钾(含K2O 60%)。

1.3 土壤样品采集与测定分析

2011年，试验开始前在每个小区多点取0～20 cm耕层混合土样1个作为基础土样，测定土壤养分和化学性质；2012年后，每年种冬绿肥，翻压后种植玉米，在每年玉米成熟后多点取样法取土壤样品于室内风干；冬绿肥翻压前选取1 m2，采集地上和地下20 cm植株和根部，冲洗掉根上土壤，于105 ℃下杀青30 min，65 ℃下烘干至恒质量，测定生物量以及干物质产量并粉碎，对其进行全量养分的测定。

土样基本养分和理化性状测定采用鲍士旦[19]提供的方法，其中土壤pH值采用水浸提法(水土比为2.5∶1.0)，有机质采用重铬酸钾外加热法，全氮采用半微量凯氏法，全磷全钾采用高氯酸-氢氟酸消煮比色法，有效磷采用碳酸氢钠浸提比色法，速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度计法，土壤有机磷组分测定采用 Bowman-Cole有机磷形态分组方法[11]。

1.4 数据分析

所有的数据均采用平均值±标准差表示。试验数据采用Excel 2017方法进行数据统计；采用 SPSS 21.0对数据进行差异分析，采用单因素方差分析(ANOVA)、Duncan 检验和Pearson相关系数分析，比较不同处理间磷形态的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 冬绿肥-春玉米轮作对土壤全磷含量的影响

土壤全磷是土壤有机磷素和无机磷素的总和，可以反映磷库大小以及潜在的供磷能力。由图1可知，随着冬绿肥与春玉米轮作时间的延长，土壤全磷含量逐年增加，各处理土壤全磷增长量从高到低依次为MS>EYL>DYC>HMC>CK，其年均增长率分别为8.07%，6.80%，6.55%，5.19%，4.26%。与2012年相比，2019年不同冬绿肥翻压处理土壤全磷含量累计增加0.20～0.38 g/kg，由于后茬玉米施入磷肥，CK处理也随着年限增加，但上升幅度最小，其土壤全磷增量仅为0.20 g/kg；土壤全磷含量的差异也随冬绿肥-春玉米轮作年限而增大，2013年时，土壤全磷含量不同处理间的差异不显著，2014年仅翻压毛叶苕子处理显著高于CK(P<0.05)，但从2015年起，4个不同冬绿肥处理土壤全磷含量均显著高于CK处理(P<0.05)，到2019年时，翻压毛叶苕子土壤全磷含量显著高于其他处理，翻压黑麦草土壤全磷含量增幅在4个冬绿肥处理中最小，显著低于翻压其他3个冬绿肥处理(P<0.05)。综上，天津地区冬绿肥与春玉米轮作土壤全磷含量显著增加，尤以毛叶苕子与玉米轮作效果最佳。

不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。图2—5同。Different lowercase letters indicate significant difference(P<0.05).The same as Fig.2—5.

2.2 冬绿肥-春玉米轮作对土壤有效磷含量的影响

由图2可知，随着冬绿肥与春玉米轮作时间的延长，土壤有效磷也呈现上升趋势。与轮作前(2012年)相比，2019年各处理土壤有效磷含量具有较大增加，各处理土壤有效磷增长量从高到低依次为DYC>HMC>MS>EYL>CK，其年均增长率分别为48.34%，31.61%，20.61%，15.18%，7.33%。翻压冬油菜处理比CK(2019年)土壤有效磷含量增加6.09～31.82 mg/kg，且翻压冬油菜处理土壤有效磷含量显著高于其他处理(P<0.05)。综上所述，长期不同冬绿肥品种翻压对土壤中有效磷含量均有显著提升，提升最大的为冬油菜。

图2 不同处理土壤有效磷含量的差异Fig.2 Difference of available phosphorus content in different treatments

2.3 冬绿肥-春玉米轮作对土壤各形态有机磷的影响

由表1得出，不同冬绿肥与春玉米轮作对土壤中各形态有机磷含量影响不同。其中，除2013年DYC处理和2014年EYL处理外，不同年份各绿肥处理土壤LOP含量均高于CK处理，但不同年份，不同处理之间土壤LOP含量变化不同，其中2014年后的EYL和MS呈先上升后下降的趋势，HMC处理在2013—2016年呈逐年上升趋势，DYC从2016年基本稳定在12 mg/kg左右，CK处理LOP含量在不同年份中变化不大，始终处于较低水平，2015—2018年显著低于翻压冬绿肥的每个处理(P<0.05)。不同年份、不同处理土壤MLOP含量变化也不同，从2014年开始，CK处理就显著低于冬绿肥各处理，EYL处理在2013—2016年显著高于其他处理(P<0.05)，DYC处理在2018年和2019年显著高于其他处理(P<0.05)。2019年HMC、EYL和MS处理土壤MLOP含量与CK处理相比分别增长了5.23，2.08，0.61 mg/kg，DYC处理下降了1.78 mg/kg，土壤MROP含量随着冬绿肥与春玉米轮作年限增加而增加，到2019年，不同处理与基础土样(0.63 mg/kg)相比，分别增长了18.10(HMC)，15.70(EYL)，13.48(MS)，12.87(CK)，11.09 mg/kg(DYC)，不同处理之间不同年份差异不同，2013年，MS显著高于CK，到了2019年，DYC处理显著低于其他处理，EYL和HMC处理显著高于CK和MS处理。土壤HROP含量，DYC、CK和MS处理均随冬绿肥与春玉米轮作年限增加而呈上升趋势，EYL和HMC处理不同年份变化不大，均处于在较低水平。每年土壤HROP含量，DYC处理都显著高于其他处理，EYL、MS和HMC处理显著低于CK和DYC处理(P<0.05)。

表1 不同处理土壤各形态有机磷含量的差异Tab.1 Differences in the contents of various forms of organic phosphorus in different soil treatments mg/kg

2.4 冬绿肥/春玉米轮作对土壤有机磷形态转化的影响

图3为土壤各形态有机磷的转化量，各形态有机磷转化量为某形态有机磷在2019年的含量与其在2013年含量的差值。图4为土壤各形态有机磷转化率，各形态有机磷转化率为某形态有机磷变化量占有机磷变化总量的百分比。从图4可以看出，在2013—2019年，土壤中磷向LOP转化量为正值有DYC、HMC和MS处理，分别为7.22，6.49，1.20 mg/kg。CK和EYL处理的LOP处于消耗状态，转化量分别为-1.17，-1.90 mg/kg，转化率排序为：HMC(3.42%)>DYC(2.90%)>MS(0.42%)>EYL(-0.74%)>CK(-0.75%)。土壤中磷向MLOP方面转化情况是，CK的MLOP转化量为负，处于消耗状态，为-15.32 mg/kg，DYC、HMC、MS和EYL处理的转化量均为正，分别为18.76，17.85，6.81，2.97 mg/kg。MLOP转化率排序为HMC(9.39%)>DYC(7.50%)>MS(2.36%)>EYL(1.16%)>CK(-9.82%)。向MROP转化量都是正值，不同处理排序为HMC(17.47 mg/kg)>EYL(15.11 mg/kg)>CK(12.62 mg/kg)>MS(11.32 mg/kg)>DYC(9.07 mg/kg)，转化率排序为HMC(9.19%)>CK(8.09%)>EYL(5.90%)>MS(3.93%)>DYC(3.64%)，冬闲CK和4个冬绿肥处理的MROP含量都在积累。向HROP转化量是CK、MS和DYC处理为正值，分别为4.69，6.02，6.13 mg/kg，而EYL和MS转化量为负值，分别为-0.28，-0.98 mg/kg。翻压EYL和MS抑制了磷素向高稳态的转化。

图3 土壤各形态有机磷转化量Fig.3 Conversion amount of various forms of soil organic phosphorus

图4 土壤各形态有机磷转化率Fig.4 Conversion rate of various forms of soil organic phosphorus

2.5 土壤各形态有机磷与玉米籽粒含磷量之间的关系

2.5.1 冬绿肥-春玉米轮作对玉米籽粒含磷量的影响 由图5可知，冬绿肥与春玉米多年轮作后，2019年各翻压绿肥处理玉米籽粒全磷含量与CK处理间的差异显著，CK处理显著低于冬绿肥处理，DYC处理显著高于EYL和MS处理(P<0.05)，与HMC处理差异不显著。冬绿肥处理玉米籽粒全磷含量排序为DYC(0.39 g/kg)>HMC(0.37 g/kg)>MS(0.36 g/kg)>EYL(0.33 g/kg)，分别较CK处理玉米籽粒全磷含量提高了0.17，0.15，0.14，0.11 g/kg。

图5 不同处理2019年玉米籽粒含磷量Fig.5 Phosphorus content in corn kernels of different treatments in 2019

2.5.2 玉米籽粒含磷量和各形态有机磷的相关性分析 从表2可以看出，经过Pearson相关分析，玉米籽粒含磷量和LOP、MLOP、MROP和HROP的相关系数分别为0.816，0.952，0.122，-0.064，其中LOP和MLOP与玉米籽粒含磷量呈极显著正相关。由此可知，有机磷中的LOP和MLOP为玉米的有效磷源。

表2 玉米籽粒含磷量与土壤各形态有机磷之间的关系Tab.2 The relationship between the phosphorus content of corn kernels and various forms of soil organic phosphorus

3 结论与讨论

研究表明，施用绿肥可有效提升土壤有机磷含量[20-21]，也有试验结果证实，翻压有机肥料土壤中MROP的含量水平会得到明显提升；对于有机磷向HROP转化有一定的抑制效果[22]。研究还得出，绿肥根际能够分泌酸性物质，能直接加速土壤磷的活化，改变土壤磷素形态；同时，根际土壤具有的碳沉积作用，使土壤有机质得到积累，进而刺激根际微生物，使其活性得到显著提高，促进根际磷素形态的转化进程[22]。由绿肥等有机物中增加的磷在土壤中存在的形态至关重要，且绿肥有机磷的矿化受土壤微生物、矿化速率、环境因子和绿肥生物量等多种因素的影响，并且绿肥中磷的释放和矿化与绿肥本身的含磷量呈现出正相关[23]；土壤中可利用磷与添加的绿肥磷含量呈正相关[24]。

本研究供试土壤pH值为8.28，为碱性土，全磷含量为0.59 g/kg、有效磷含量为9.70 mg/kg，说明供试土壤磷库小、供磷强度低，因此，扩大土壤磷库、提升土壤供磷能力是非常重要的。本试验在华北农田纳入冬绿肥，通过冬绿肥与春玉米多年轮作发现，土壤中的全磷含量和有效磷含量都有所提高，这与杨旭燕[20]研究结果(绿肥翻压后，土壤全磷、有效磷等基本养分含量都得到显著性提升，供磷能力较闲田比较得到明显的提高)一致。本研究得出，冬绿肥与春玉米多年轮作可提高土壤有机磷含量，主要是提高了LOP的含量和MLOP含量，稳定态磷库的含量随之降低。表明绿肥活化了土壤难溶性磷，且土壤生物可利用性较高的磷组分随着利用年限的增加而增加，这与Kolawole等[25]的研究结果相似。主要是由于绿肥生长期间向土壤中释放有机酸，其还田后在微生物作用下也会产生有机酸，有机酸与磷酸根存在着与土壤矿物的竞争吸附和铁、铝等金属离子的络合，在一定程度上减少了土壤磷的吸附位点，提高土壤磷素有效性[26]；另一方面，绿肥还田后土壤肥力逐渐提升，促进土壤团粒结构形成，提高土壤水稳性团聚体含量，改善了土壤通透性和保水保肥性[27]，更适宜土壤微生物的生长和活动，有利于土壤难溶性磷向活性及中稳性磷形态转化。

冬绿肥与春玉米多年轮作后，土壤全磷含量年均增长量最高的绿肥为毛叶苕子，有效磷增量最多的为冬油菜，在提升土壤有机磷的有效性上，应选取能显著增加土壤有机磷总量和主要磷源LOP、MLOP且尽量避免HROP增加的冬绿肥品种。其中，冬油菜处理的有效磷含量、LOP和MLOP含量均增加最多。因此，在华北地区石灰性潮土上，选取冬油菜绿肥与春玉米轮作可显著提高土壤有机磷含量及有效性。