蘇南稻田4種冬綠肥養(yǎng)分特性及對(duì)翻壓前土壤無(wú)機(jī)氮的影響

白金順，曹衛(wèi)東，3*，樊媛媛，高嵩涓

(1農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081;2中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193;3青海大學(xué)，西寧810016)

水稻是我國(guó)第一大糧食作物，約占糧食總產(chǎn)量的40%。其中，南方稻區(qū)約占我國(guó)水稻播種面積的94%。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于糧食生產(chǎn)效益低、農(nóng)村勞務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快等社會(huì)和經(jīng)濟(jì)原因，南方的冬閑田面積不斷擴(kuò)大［1］。據(jù)調(diào)查，我國(guó)南方16省市區(qū)的秋冬種植面積僅占耕地面積的60%左右，冬閑面積近20×106hm2。耕地的大量閑置不僅造成光、熱、水、土資源的大量浪費(fèi)，同時(shí)也引起土壤質(zhì)量退化、養(yǎng)分流失等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題［2－3］。

利用冬閑田種植綠肥是我國(guó)南方稻田重要的傳統(tǒng)管理措施，具有填閑、養(yǎng)地、兼用的多功能特點(diǎn)。但20世紀(jì)80年代后期，綠肥生產(chǎn)及科研基本處于停滯階段［2］。近年來(lái)，在環(huán)境不斷惡化和資源耗竭加劇的背景下，高品質(zhì)、低污染的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)愈發(fā)受到重視，清潔農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的理念被廣泛認(rèn)同。綠肥是純天然、最清潔的有機(jī)肥源，近年研究表明，稻田種植綠肥作物能增加冬季土壤覆蓋、提高土壤質(zhì)量［4］、增加土壤生物多樣性［5］和促進(jìn)后茬作物增產(chǎn)［6］，因此綠肥可以在清潔農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，在綠色及有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有巨大潛力。

綠肥作物的生物量和養(yǎng)分特性是其用作綠肥的重要指標(biāo)，也是決定種植利用綠肥對(duì)土壤和主作物影響的重要基礎(chǔ)。但綠肥作物的生長(zhǎng)和養(yǎng)分積累會(huì)受到生長(zhǎng)環(huán)境和作物品種特性的影響，在一定的生態(tài)條件下，綠肥作物的品種選擇尤為關(guān)鍵。研究表明，同一生態(tài)區(qū)不同綠肥作物的生物量和營(yíng)養(yǎng)特性差異明顯，同時(shí)對(duì)土壤性狀的影響也不同［7－8］。目前，蘇南稻區(qū)有機(jī)稻米種植逐漸形成規(guī)模，其主要措施之一就是種植和利用綠肥作物。在蘇南單季稻區(qū)，傳統(tǒng)是以紫云英為主要綠肥作物，對(duì)其他綠肥品種研究較少。由于綠肥品種是決定綠肥培肥和增產(chǎn)效果的主要因素之一，因此為評(píng)價(jià)不同綠肥作物品種的生態(tài)適應(yīng)性及用作綠肥的潛在作用，2011～2012年在江蘇省金壇市研究了冬閑稻田種植紫云英、毛葉苕子、光葉苕子和肥田蘿卜的生長(zhǎng)與養(yǎng)分特性及其對(duì)耕層土壤無(wú)機(jī)氮的影響，以期為蘇南稻區(qū)合理種植和利用綠肥、科學(xué)進(jìn)行水稻養(yǎng)分管理和減少農(nóng)田污染排放提供資源保障。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2011～2012年在江蘇省江南春米業(yè)有限公司稻米生產(chǎn)基地進(jìn)行。該試驗(yàn)地位于江蘇省金壇市，東經(jīng) 119°58'，北緯 31°48'，海拔 5 m。年均氣溫16.7℃，年降水量1144 mm，年日照時(shí)數(shù)2075 h。試驗(yàn)地土壤為水稻土，pH值8.2，有機(jī)碳含量27.0 g/kg，全氮含量1.4 g/kg，速效鉀含量117.6 mg/kg，速效磷含量 17.0 mg/kg，土壤銨態(tài)氮含量 2.8 kg/hm2，硝態(tài)氮含量為29.7 kg/hm2。前季作物為水稻。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理:1)無(wú)綠肥對(duì)照;2)毛葉苕子(Vicia villosa Roth，hairy vetch，品種為蒙苕 1號(hào));3)光葉苕子(Vicia villosa var．，smooth vetch，品種為云光早苕);4)紫云英(Astragalus sinicus L．，milk vetch，品種為弋陽(yáng)籽);5)肥田蘿卜(Raphanus sativus L．，radish，品種為云南當(dāng)?shù)厣a(chǎn)種)。4次重復(fù)，小區(qū)面積21 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。綠肥作物播種日期為2011年10月26日，播種方式采用人工撒播，播種量參照當(dāng)前生產(chǎn)推薦用量，分別為毛葉苕子90 kg/hm2，光葉苕子 90 kg/hm2，紫云英 30 kg/hm2，肥田蘿卜15 kg/hm2。播種時(shí)施氮肥N 20 kg/hm2，在生長(zhǎng)期間不進(jìn)行其他管理。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

試驗(yàn)于綠肥翻壓前(2012年4月8日)進(jìn)行植株和土壤取樣，每個(gè)小區(qū)選取2個(gè)1 m2樣方進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，取部分小樣鮮體在70℃下烘干，然后稱(chēng)重、粉碎并進(jìn)行養(yǎng)分測(cè)定。干物質(zhì)量由測(cè)產(chǎn)鮮樣和植株含水量換算得到。另外，在小區(qū)中選擇有代表性的完整的綠肥植株樣(肥田蘿卜、毛葉苕子和光葉苕子為5株，紫云英為20株)，先將地上部剪下并稱(chēng)量鮮重，然后挖掘田間耕層土壤植株根系，將根系與土壤初步分離，用紙巾擦拭根表附著的土壤后進(jìn)行根系鮮重稱(chēng)量，之后將所取根系樣進(jìn)行沖洗，最后將所取植株地上部和根系鮮樣在70℃下烘干稱(chēng)重。單位面積根系生物量鮮重和干重分別由測(cè)產(chǎn)鮮重和干重與代表性植株樣的鮮重根冠比和干重根冠比計(jì)算獲得。同時(shí)，采集耕層(0—20 cm)土壤樣品，每個(gè)小區(qū)采集3鉆，混合后帶回試驗(yàn)室進(jìn)行無(wú)機(jī)氮測(cè)定。

植株樣品用硫酸－過(guò)氧化氫消化，凱氏定氮法測(cè)定全氮;鉬藍(lán)比色法測(cè)定全磷;原子吸收火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀。植株全碳采用重鉻酸鉀容量法進(jìn)行測(cè)定。土壤無(wú)機(jī)氮采用2 mol/L的氯化鉀浸提—流動(dòng)注射分析儀測(cè)定;土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定;速效鉀采用EDTA－銨鹽法浸提—原子吸收火焰光度計(jì)測(cè)定;酸度計(jì)測(cè)定土壤pH(水土比為2.5∶1)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法檢驗(yàn)差異顯著性，用 Microsoft Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠肥作物的地上部和根系生物量

4種綠肥作物的地上部和根系生物量結(jié)果見(jiàn)表1。不同綠肥作物的生物量鮮重與干重均達(dá)到較高水平，鮮重與干重分別為24.8～30.7 t/hm2和3.6～4.2 t/hm2，但不同綠肥作物間無(wú)顯著差異。不同綠肥作物的根系生物量鮮重?zé)o顯著差異，其根系干重以肥田蘿卜最高(0.3 t/hm2)，顯著高于光葉苕子(0.1 t/hm2)，三種豆科綠肥作物間無(wú)顯著差異。綠肥鮮體的含水量普遍較高，其中植株地上部含水量以肥田蘿卜最高(88.3%)，光葉苕子最低(84.6%)，綠肥作物的根系含水量間無(wú)顯著差異。因根系的取樣方法未采集耕層以下植株根系，同時(shí)采樣過(guò)程中的側(cè)根和根毛有部分損失，總體根系重量較Gabriel等［7］2011年關(guān)于不同綠肥作物根系的報(bào)道數(shù)據(jù)偏低，但與Zhu等［9］2012年關(guān)于湖南稻田紫云英耕層的根系重量相當(dāng)。

表1 不同綠肥作物地上部和根系生物量與植株含水量比較Table 1 Comparison of aerial and roots biomass and plant water content for different green manure crops

2.2 不同綠肥作物的養(yǎng)分特性

從表2可以看出，不同綠肥種類(lèi)的氮、磷、鉀養(yǎng)分含量具有顯著不同的特點(diǎn)，毛葉苕子和光葉苕子相對(duì)富含氮素(含氮量分別為3.29%和3.46%)，其植株含氮量顯著高于紫云英和肥田蘿卜，肥田蘿卜含氮量最低為1.93%。肥田蘿卜相對(duì)富含磷(0.31%)，其含磷量顯著高于毛葉苕子和光葉苕子，紫云英含磷量最低(0.17%)。與含氮量和含磷量相比，植株含鉀量變異相對(duì)較小，光葉苕子植株含鉀量最低(3.12%)，肥田蘿卜最高(3.76%)，二者差異顯著。

不同綠肥作物的養(yǎng)分吸收量與其植株養(yǎng)分含量的變化趨勢(shì)基本一致。4種綠肥作物的養(yǎng)分吸收量有較大變異，三種豆科綠肥作物的吸氮量(101.7～136.4 kg/hm2)均高于十字花科綠肥作物肥田蘿卜(69.8 kg/hm2)，其中毛葉苕子和光葉苕子的吸氮量顯著高于肥田蘿卜。肥田蘿卜的吸磷量最高(11.3 kg/hm2)，但與毛葉苕子和光葉苕子的吸磷量無(wú)顯著差異，紫云英的吸磷量最低(7.1 kg/hm2)，顯著低于肥田蘿卜和毛葉苕子的吸磷量。對(duì)于吸鉀量，光葉苕子較其他三種綠肥作物相對(duì)較低，與毛葉苕子含鉀量相比有顯著差異，這主要與光葉苕子的植株含鉀量較低有直接關(guān)系。

表2 不同綠肥作物植株養(yǎng)分含量、吸收量與C/N比Table 2 Content and uptake of plant nutrients and C/N for different green manure crops

2.3 不同綠肥作物的C/N比特性

不同綠肥作物的碳氮比如表2所示。C/N比是決定綠肥作物翻壓后其殘?bào)w腐解規(guī)律和養(yǎng)分釋放動(dòng)態(tài)的重要指標(biāo)。在本研究中，4種綠肥作物的C/N比在14.1～22.7之間，總體規(guī)律與植株氮含量相反，依據(jù)顯著性檢驗(yàn)可以分為兩類(lèi)，其中紫云英與肥田蘿卜的C/N比相對(duì)較高，顯著高于毛葉苕子和光葉苕子，后兩者間無(wú)顯著差異。

2.4 不同綠肥種植對(duì)耕層土壤含水量和無(wú)機(jī)氮的影響

從圖1可以看出，與無(wú)綠肥對(duì)照相比，種植不同綠肥作物處理的土壤含水量均有降低趨勢(shì)，除紫云英外，其他綠肥作物處理的土壤含水量均顯著下降。在不同的綠肥作物品種間，種植肥田蘿卜的土壤含水量最低，顯著低于種植其他三種綠肥作物的土壤含水量。

不同綠肥作物對(duì)耕層土壤無(wú)機(jī)氮含量的影響見(jiàn)圖2。受到肥料投入和春季氣溫回暖土壤礦化增強(qiáng)的影響，與播前土壤無(wú)機(jī)氮含量相比，無(wú)綠肥對(duì)照土壤的無(wú)機(jī)氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，分別增加43.7 kg/hm2、40.4 kg/hm2和3.4 kg/hm2，銨態(tài)氮與硝態(tài)氮比例差別不大。種植不同綠肥作物的土壤無(wú)機(jī)氮含量與播前土壤相比有不同表現(xiàn)，種植毛葉苕子和光葉苕子有增加趨勢(shì)，而種植紫云英和肥田蘿卜的有降低趨勢(shì)，所有種植綠肥作物的土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的比例均表現(xiàn)為增加。

圖1 不同綠肥作物種植對(duì)土壤水分含量的影響Fig．1 Effects of different green manure crops planting on soil water content

然而，與對(duì)照冬閑相比，種植綠肥作物顯著降低了耕層土壤無(wú)機(jī)氮的含量，平均降低38.9 kg/hm2。其中紫云英(55.1 kg/hm2)和肥田蘿卜(58.5 kg/hm2)的降低效果顯著大于毛葉苕子(16.6 kg/hm2)和光葉苕子(25.4 kg/hm2)。同時(shí)種植綠肥作物顯著改變了土壤無(wú)機(jī)氮的構(gòu)成，但不同品種間表現(xiàn)有所差異。與對(duì)照相比，種植綠肥作物顯著降低了土壤硝態(tài)氮的含量(平均降低45.4 kg/hm2)，而土壤銨態(tài)氮的含量有增加趨勢(shì)(平均增加6.5 kg/hm2)，其中種植毛葉苕子和光葉苕子的土壤銨態(tài)氮含量增加顯著。不同綠肥作物處理的土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的比例均高于對(duì)照土壤，其中種植光葉苕子、紫云英和肥田蘿卜的土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的比值增加顯著。

圖2 不同綠肥作物種植對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮的影響Fig．2 Effects of different green manure crops planting on soil mineral nitrogen

3 討論

由于綠肥生產(chǎn)及其相關(guān)的科學(xué)研究曾經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于停滯狀態(tài)，當(dāng)前生產(chǎn)上多以80年代的綠肥品種和技術(shù)為主，南方稻田的綠肥品種以喜濕潤(rùn)的紫云英為主，對(duì)其他潛在適宜的綠肥品種研究較少［10］。本研究在推薦的簡(jiǎn)化管理?xiàng)l件下，對(duì)4種綠肥作物的生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)特性及其對(duì)耕層土壤無(wú)機(jī)氮含量的影響進(jìn)行了比較研究。

綠肥作物翻壓期生物量和養(yǎng)分含量是評(píng)價(jià)其能否作為綠肥的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般以每公頃產(chǎn)鮮草達(dá)到22.5 t作為綠肥作物適合作綠肥的標(biāo)準(zhǔn)［11］。在本研究中，盡管播種較晚，4種供試綠肥作物均可達(dá)到22.5 t/hm2以上的鮮草和3 t/hm2以上的干草產(chǎn)量?？赡苡袃蓚€(gè)原因，其一是氣候條件適宜綠肥生長(zhǎng)，播種后有較好的降水量(328.5 mm)，該降水量與該地區(qū)過(guò)去5年(2007～2011)的平均降水量相當(dāng)(341.1 mm);其二是不同綠肥的種植均采用當(dāng)前主導(dǎo)綠肥品種和推薦的播種量。供試綠肥作物的養(yǎng)分含量有顯著差異，豆科綠肥作物因具有較強(qiáng)的共生固氮能力［12］，因此供試的三種豆科作物的含氮量顯著高于肥田蘿卜。肥田蘿卜的植株含磷量最高，有研究表明，十字花科作物可以通過(guò)改變根際pH 值［13］或分泌有機(jī)酸［14］，從而有效活化土壤中的磷素，增加植株的磷含量。但與其他報(bào)道相比［11］，在本研究中紫云英的植株含氮量和含磷量均較低，其原因可能與不同綠肥作物在翻壓期處于不同的生育期相關(guān)，翻壓前毛葉苕子和光葉苕子處于現(xiàn)蕾期，而紫云英處于初花期，研究表明隨著生育期延長(zhǎng)植物的養(yǎng)分含量有降低趨勢(shì)［15］。另外，紫云英對(duì)根瘤菌具有專(zhuān)一性，一般需要在種植時(shí)接種根瘤菌，有研究表明施用菌肥能顯著提高紫云英的總吸氮量和固氮量［11］。在本研究中盡管試驗(yàn)田前幾季都有紫云英種植，但在種植時(shí)未進(jìn)行接種根瘤菌，這可能影響紫云英的生長(zhǎng)和固氮性能以及植株養(yǎng)分吸收量?？傮w上，供試的4種綠肥作物能積累較多的養(yǎng)分(吸氮量為69.8～136.4 kg/hm2，吸磷量為7.1～11.3 kg/hm2，吸鉀量為 117.6 ～151.3 kg/hm2)。Witt和Dobermann［16］利用布置于亞洲6個(gè)國(guó)家的田間試驗(yàn)獲取的約2000組水稻養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)建立了QUEFTS模型，基于模型的預(yù)測(cè)結(jié)果表明，水稻在5～8 t/hm2的產(chǎn)量水平下其吸氮量為73～127 kg/hm2，吸磷量為13 ～22.6 kg/hm2，吸鉀量為72～ 126 kg/hm2。在本研究中4種綠肥作物的氮、鉀養(yǎng)分吸收量與水稻氮、鉀吸收量基本相當(dāng)，吸磷量約相當(dāng)于水稻磷吸收量的50%。

盡管氣象條件、管理措施、木質(zhì)素和纖維素含量能影響綠肥作物殘?bào)w氮素的釋放［17－19］，但 C/N比是表征綠肥作物秸稈在分解過(guò)程中氮素釋放潛力的有用指標(biāo)。在本研究中，光葉苕子、毛葉苕子和紫云英的C/N比分別為14.2、14.1和18.9，與其他關(guān)于豆科綠肥作物有較低的C/N比報(bào)道相一致［20］。肥田蘿卜的 C/N比略高于豆科綠肥作物(C/N比為22.5)。有研究表明，C/N比為20是評(píng)價(jià)秸稈在分解過(guò)程中氮素礦化和氮素固定的臨界值［21］。因而，對(duì)于本研究中的豆科作物翻壓作綠肥，后季作物需要考慮前期施氮量適當(dāng)下調(diào)的可能性，而對(duì)于肥田蘿卜用作綠肥，后季作物的前期需要考慮適當(dāng)?shù)氖┑{(diào)整C/N比。

綠肥作物不僅能夠翻壓作為肥料培肥土壤和供下季作物利用，而且在其生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)影響土壤的無(wú)機(jī)氮狀況。以往的研究更多關(guān)注翻壓綠肥對(duì)后季作物和土壤的影響，而對(duì)綠肥在生長(zhǎng)期間對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮的影響研究較少，國(guó)內(nèi)前人的一些報(bào)道主要針對(duì)夏閑菜田和華北單作春玉米田中綠肥(覆蓋)作物對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮的作用［22－23］。本研究結(jié)果表明，與對(duì)照相比，綠肥作物的生長(zhǎng)顯著降低了土壤無(wú)機(jī)氮的含量，該結(jié)果與國(guó)外一些研究結(jié)論相一致［20，24］。其中，肥田蘿卜處理耕層無(wú)機(jī)氮含量的顯著降低主要與肥田蘿卜為非豆科作物其吸收的氮素來(lái)源于土壤有關(guān)。另外關(guān)于種植紫云英的土壤無(wú)機(jī)氮含量較種植兩種苕子的低，盡管研究認(rèn)為苕子的固氮性能優(yōu)于紫云英［11］，Ramosm 等［25］也報(bào)道了不同豆科作物植株累積的氮中來(lái)源于生物固氮的量可以從39%到80%，然而，紫云英處理耕層無(wú)機(jī)氮含量顯著降低的可能原因與在前面養(yǎng)分含量討論中提到的本研究中種植時(shí)未進(jìn)行紫云英根瘤菌接種有關(guān)?？傊N植綠肥能顯著消減稻田旱季土壤中的無(wú)機(jī)氮，從而有效降低土壤氮素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)，水旱輪作的研究結(jié)果表明，水稻季氮素?fù)p失中約有50%來(lái)源于旱季土壤的無(wú)機(jī)氮?dú)埩簦?6］。

另外，在本研究中發(fā)現(xiàn)種植綠肥顯著改變了土壤無(wú)機(jī)氮的構(gòu)成，不同處理均顯著降低了土壤硝態(tài)氮的含量，而銨態(tài)氮的含量有增加趨勢(shì)，種植不同綠肥的土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的比例均表現(xiàn)增加。硝態(tài)氮減少的主要原因可能是綠肥植株對(duì)氮素的吸收，在本研究中綠肥植株的生長(zhǎng)吸收了大量的氮素(69.8 kg/hm2～136.4 kg/hm2)。關(guān)于土壤銨態(tài)氮含量的增加，有研究表明，硝酸鹽的異化作用能促進(jìn)硝態(tài)氮向銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，如Burge和Jackson的室內(nèi)研究結(jié)果表明，番茄根系生長(zhǎng)的根際效應(yīng)激發(fā)土壤的微生物活動(dòng)造成土壤的厭氧環(huán)境，并有效促進(jìn)硝態(tài)氮向銨態(tài)氮的快速轉(zhuǎn)化［27］。但硝態(tài)氮的異化作用使之轉(zhuǎn)變成銨的過(guò)程主要發(fā)生在厭氧的環(huán)境中，而本研究中種植綠肥作物的土壤水分含量較無(wú)綠肥作物對(duì)照較低，因而這一過(guò)程可能不是主要的原因;推測(cè)土壤銨態(tài)氮含量的增加的原因可能與豆科作物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)向土壤中的轉(zhuǎn)移氮素有關(guān)［28］，在本研究中種植毛葉苕子、光葉苕子和紫云英的土壤銨態(tài)氮含量增加程度均相對(duì)高于肥田蘿卜，與這一結(jié)論相似。其中只有毛葉苕子和光葉苕子處理表現(xiàn)顯著，可能與前面討論的紫云英固氮量較低有關(guān)。然而，不同綠肥作物對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化的效應(yīng)差異及其機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

4種供試綠肥作物具有較好的生態(tài)適應(yīng)性，均能有效利用蘇南稻田冬春季節(jié)的空閑期獲得較高的生物量，鮮重、干重分別為24.8～30.7 t/hm2和3.6～4.2t/hm2。綠肥作物植株體內(nèi)能積累較多的養(yǎng)分，但不同綠肥作物的養(yǎng)分特性差異明顯，其中毛葉苕子吸收氮、鉀的量最高，肥田蘿卜吸磷量最高。種植綠肥作物能夠降低土壤的無(wú)機(jī)氮含量，潛在減少氮素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)。

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