綠豆/黑豆壓青還田下減量施肥對(duì)宿根甘蔗產(chǎn)量和主要農(nóng)藝性狀的影響

蘇利榮 譚裕模 秦 芳 李琴 曾成城 李忠義韋彩會(huì) 董文斌 梁俊 何鐵光

（1廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，530007，廣西南寧；2廣西益譜檢測(cè)技術(shù)有限公司，530007，廣西南寧）

甘蔗是廣西重要的經(jīng)濟(jì)作物，已成為農(nóng)民增收的支柱產(chǎn)業(yè)。但甘蔗生長(zhǎng)期長(zhǎng)、生物量大，需肥量相對(duì)較多。為了獲得更高的產(chǎn)量，生產(chǎn)上往往大量施用化肥。謝金蘭等[1]和尚懷國(guó)等[2]報(bào)道，我國(guó)多數(shù)蔗區(qū)化肥施用量為N 594～777kg/hm2、P2O5465～513kg/hm2和 K2O 495～585kg/hm2，是世界平均水平的2～3倍。施入土壤的大部分肥料不能被甘蔗直接利用，譚宏偉等[3]研究表明，甘蔗對(duì)氮、磷和鉀肥的利用率分別僅為21.2%、11.6%和21.1%。長(zhǎng)期大量施用化肥，一方面使土壤質(zhì)量變差，化肥當(dāng)季利用率低；另一方面肥料通過(guò)徑流、下滲和揮發(fā)等進(jìn)入水域，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)很大風(fēng)險(xiǎn)[4]。《全國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015-2030年）》指出，化肥過(guò)量投入和耕地質(zhì)量偏低是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙因素。農(nóng)業(yè)部于2015年2月提出《化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，指出到2020年實(shí)現(xiàn)主要農(nóng)作物化肥使用量零增長(zhǎng)的目標(biāo)，肥料的施用將進(jìn)入逐年減少的模式，因此各種肥料替代措施是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)需要關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，利用種植綠肥具有培肥地力[5]、替代化肥[6]、控制污染[7]和提高作物產(chǎn)量等作用。在無(wú)機(jī)肥料推廣以前，綠肥、農(nóng)家肥及其他豆科作物的種植和利用始終作為增加土壤養(yǎng)分供應(yīng)的主要來(lái)源。利用種植綠肥是提高耕地質(zhì)量和減少化肥施用的有效途徑之一。前期研究[8]發(fā)現(xiàn)，新植甘蔗間作綠豆壓青還田替代25%的甘蔗化肥不會(huì)引起減產(chǎn)，但間作黑豆降低了新植蔗的蔗莖產(chǎn)量。為探究次年的宿根蔗種植中繼續(xù)間作2種綠肥翻壓代替化肥對(duì)宿根蔗的產(chǎn)量影響，本研究在新植蔗研究基礎(chǔ)上，主要探究宿根甘蔗―綠豆/黑豆間作壓青還田下減量施肥對(duì)產(chǎn)量和主要農(nóng)藝性狀的影響，為這2種綠肥資源的進(jìn)一步利用提供依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于廣西壯族自治區(qū)隆安縣農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，土壤為赤紅壤。宿根試驗(yàn)是在新植蔗試驗(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)展的，供試甘蔗品種為“桂糖49號(hào)”，綠肥品種為糧肥兼用綠豆品種“桂綠豆3號(hào)”和黑豆，供試肥料為尿素（N=46%）、氯化鉀（K2O=60%）和鈣鎂磷肥（P2O5=18%）、有機(jī)肥（有機(jī)質(zhì)含量45%，N+P2O5+K2O=5%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探討綠肥/有機(jī)肥連續(xù)多年替代甘蔗化肥對(duì)甘蔗生長(zhǎng)的影響，本試驗(yàn)在綠肥/有機(jī)肥替代1年新植蔗化肥的基礎(chǔ)上，于2020年的宿根蔗繼續(xù)設(shè)計(jì)6個(gè)試驗(yàn)處理，分別為常規(guī)施肥（CK）、化肥減施25%+12%營(yíng)養(yǎng)元素當(dāng)量綠豆綠肥還田+13%營(yíng)養(yǎng)元素當(dāng)量有機(jī)肥（H-LY）、化肥減施25%+全量綠豆綠肥還田（H-LQ）、化肥減施25%+25%營(yíng)養(yǎng)元素當(dāng)量有機(jī)肥（H-Y）、化肥減施25%+25%營(yíng)養(yǎng)元素當(dāng)量黑豆綠肥還田（H-HD）和化肥減施25%+全量黑豆綠肥還田（H-HQ）。常規(guī)處理的施肥量為純氮 330kg/hm2、P2O5225kg/hm2和 K2O 360kg/hm2。各處理施肥量如表1。

表1 試驗(yàn)處理及N、P2O5和K2O施用量Table 1 Dosages of N,P2O5and K2O in treatments kg/hm2

基肥為氮肥25%、磷肥100%和鉀肥40%；追肥為氮肥75%、磷肥0%和鉀肥60%。2020年3月7日施用宿根蔗基肥，3月11日在行間間作2行綠/黑豆綠肥，5月21日進(jìn)行大培土及綠肥翻壓。于同年12月4日收獲宿根蔗。在宿根蔗行的兩邊各開(kāi)1條8～10cm深的施肥溝，施肥溝距甘蔗根部10～15cm，施基肥。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

2020年4月9日和16日調(diào)查宿根蔗的總苗數(shù)，統(tǒng)計(jì)甘蔗的發(fā)株數(shù)，4月30日調(diào)查分蘗數(shù)；從2020年6月至11月，以地面到甘蔗正1葉葉耳的高度為準(zhǔn)，每月測(cè)定1次株高。

隨機(jī)從甘蔗行間采取具有代表性的綠豆植株整株（包括根、莖和葉）約2kg/小區(qū)，用自來(lái)水洗凈并用蒸餾水潤(rùn)洗，晾干后稱鮮重。接著把綠豆植株切成2cm的段，混合均勻后取300g樣品于烘箱中105℃殺青30min，再65℃烘至恒重，稱重。最后粉碎至粉末用于測(cè)定氮、磷和鉀含量。綠肥植株氮、磷和鉀含量分別按H2SO4-H2O2消煮―凱氏定氮法、H2SO4-H2O2消煮―鉬抗比色法和H2SO4-H2O2消煮―火焰光度法進(jìn)行測(cè)定。

施完氮、磷、鉀化肥以后，把同一小區(qū)內(nèi)所有的豆肥莖稈拔起，稱重，根據(jù)試驗(yàn)處理要求保留相應(yīng)的綠肥量在小區(qū)內(nèi)。把綠肥均勻覆蓋在甘蔗行上，最后覆土10cm。按小區(qū)分別收獲甘蔗，小區(qū)單獨(dú)稱重。

甘蔗成莖率=收獲期的有效莖數(shù)/拔節(jié)前甘蔗總苗數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007軟件整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan多重比較法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。2種綠肥生物產(chǎn)量及養(yǎng)分含量比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作綠肥生長(zhǎng)情況

如表2所示，2020年宿根甘蔗行間間作綠豆的綠肥產(chǎn)量為12 578.40kg/hm2，其富集的N、P2O5、K2O養(yǎng)分分別為55.60、14.50、67.60kg/hm2。間作黑豆的綠肥產(chǎn)量達(dá)19 045.40kg/hm2，黑豆綠肥富集的N、P2O5、K2O養(yǎng)分分別達(dá)到88.90、20.00、107.10kg/hm2，均顯著高于綠豆綠肥（t產(chǎn)量=-2.491，tN=-2.757，tP2O5=-2.011，tK2O=-2.716)。與 2019 年相比，新植甘蔗間作的綠豆和黑豆綠肥的鮮草產(chǎn)量[8]，2020年宿根蔗間作產(chǎn)生的綠豆綠肥和黑豆綠肥的鮮草產(chǎn)量分別降低25.89%和22.87%?？梢?jiàn)，宿根甘蔗較新植甘蔗降低間種綠肥的鮮草產(chǎn)量。

表2 不同綠肥間作模式下綠肥產(chǎn)量及養(yǎng)分含量Table 2 Yield and nutrient content of green manure in different intercropping modes kg/hm2

2.2 不同處理對(duì)甘蔗前期發(fā)株和分蘗的影響

本試驗(yàn)是在新植試驗(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)展的，新植實(shí)施不同處理后對(duì)甘蔗的總苗數(shù)、有效莖數(shù)和甘蔗產(chǎn)量產(chǎn)生了顯著影響，為明確其差異對(duì)宿根蔗試驗(yàn)有何影響，用2年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)方差分析，發(fā)現(xiàn)除了新植蔗產(chǎn)量與試驗(yàn)處理的交互作用對(duì)宿根甘蔗單莖重有顯著影響外，新植蔗的其他性狀與試驗(yàn)處理的交互作用均未達(dá)到顯著水平，說(shuō)明宿根試驗(yàn)是在比較一致的試驗(yàn)條件下開(kāi)展的。

從2年的試驗(yàn)結(jié)果看，2019年新植蔗間作黑豆綠肥顯著降低了甘蔗的分蘗率（33.44%～33.70%），而間作綠豆綠肥對(duì)甘蔗分蘗的影響不顯著[8]。2020年第1年宿根蔗的前期生長(zhǎng)情況如表3所示，甘蔗間作綠豆綠肥和黑豆綠肥對(duì)宿根甘蔗的發(fā)株數(shù)、分蘗數(shù)和拔節(jié)前總苗數(shù)沒(méi)有顯著影響?？梢?jiàn)，不同種植年限的甘蔗間作綠豆綠肥和黑豆綠肥對(duì)甘蔗前期的生長(zhǎng)影響不同。

表3 不同處理宿根甘蔗發(fā)株和分蘗情況Table 3 Emergence and tillering of ratoon sugarcane in different treatments

2.3 不同處理甘蔗株高變化規(guī)律

6-9月是甘蔗的快速生長(zhǎng)期，該階段甘蔗獲得的株高約占整個(gè)生育期的70%，所以這個(gè)時(shí)期是產(chǎn)量形成的關(guān)鍵期。由圖1可知，不同生育期各處理間的甘蔗株高差異不顯著。說(shuō)明間作對(duì)宿根蔗株高的影響不大。

圖1 不同處理宿根甘蔗株高變化Fig.1 Variation of height of ratoon sugarcane in different treatments

2.4 不同處理甘蔗收獲期性狀

由表4可知，甘蔗有效莖數(shù)依次為H-Y＞CK＞H-LQ＞H-HQ＞H-HD＞H-LY。除了H-LY處理的有效莖數(shù)顯著低于其他處理外，其他處理間的差異均不顯著。說(shuō)明施用有機(jī)肥（H-Y處理）提高了宿根蔗的有效莖數(shù)。

表4 不同處理甘蔗收獲期性狀Table 4 Characteristics of sugarcane harvest period in different treatments

不同處理宿根蔗單莖重表現(xiàn)為H-LY＞H-LQ＞H-HD＞H-HQ＞H-Y＞CK，但不同處理間差異均不顯著，表明宿根蔗間種綠豆綠肥和黑豆綠肥對(duì)甘蔗的單莖重沒(méi)有顯著影響。

蔗莖產(chǎn)量表現(xiàn)為H-Y＞H-LQ＞CK＞H-LY＞H-HQ＞H-HD。其中，H-Y處理的蔗莖產(chǎn)量最高，顯著高于H-HQ和H-HD處理。而CK處理與其他所有處理間差異均不顯著，說(shuō)明25%營(yíng)養(yǎng)元素當(dāng)量有機(jī)肥、12%營(yíng)養(yǎng)元素當(dāng)量綠豆綠肥還田+13%營(yíng)養(yǎng)元素當(dāng)量有機(jī)肥、全量綠豆綠肥還田、25%營(yíng)養(yǎng)元素當(dāng)量黑豆綠肥還田和全量黑豆綠肥還田均可替代25%的宿根甘蔗化肥。同時(shí)，H-LQ處理的甘蔗莖產(chǎn)量略優(yōu)于H-LY處理，但差異未達(dá)到顯著水平。說(shuō)明在甘蔗種植中，一定量的綠肥肥效相當(dāng)于有機(jī)肥的肥效。

從表4可知，甘蔗成莖率表現(xiàn)為H-Y＞CK＞H-HD＞H-HQ＞H-LQ＞H-LY，可見(jiàn)施用有機(jī)肥（H-Y處理）提高了宿根甘蔗成莖率的趨勢(shì)，但各處理間的差異不顯著。

不同處理宿根甘蔗的徑莖如表4。甘蔗莖徑表現(xiàn)為H-HD＞H-HQ＞H-LQ＞CK＞H-LY＞H-Y。其中，H-HD處理最高，顯著高于H-Y處理（10.06%）。而CK處理與其他所有處理間的差異均不顯著。

由表4可知，各處理間的蔗糖錘度表現(xiàn)為H-Y＞H-LQ＞H-LY＞CK＞H-HQ＞H-HD，但各處理沒(méi)有顯著性差異。

2.5 不同處理的經(jīng)濟(jì)效益分析

由表4和表5可知，各處理蔗莖的產(chǎn)值與蔗莖產(chǎn)量一致，均表現(xiàn)為H-Y＞H-LQ＞CK＞H-LY＞H-HQ＞H-HD。從利潤(rùn)看，各處理間沒(méi)有顯著性差異。從產(chǎn)投比數(shù)據(jù)看，各處理的產(chǎn)投比表現(xiàn)為H-LQ＞H-HQ＞H-HD＞CK＞H-LY＞H-Y，其中H-LQ處理與CK、H-LY和H-Y處理的差異均達(dá)到顯著水平，H-LQ處理較H-Y處理顯著高出16.99%。雖然間作綠肥還田的H-LY、H-HD和H-HQ處理的產(chǎn)投比與CK處理的相當(dāng)，但綠肥壓青還田給土壤提供大量的有機(jī)物質(zhì)，對(duì)培肥土壤地力有重要意義，所以兼顧甘蔗利潤(rùn)和培肥地力，甘蔗間作綠肥還田是值得推廣的模式。

表5 不同處理的經(jīng)濟(jì)效益分析Table 5 Analysis of economic benefits in different treatments 萬(wàn)元/hm2 ×104yuan/hm2

3 討論

本試驗(yàn)是在新植試驗(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)展的，新植實(shí)施不同處理后對(duì)甘蔗的總苗數(shù)、有效莖數(shù)和甘蔗產(chǎn)量產(chǎn)生了顯著影響，為明確其差異對(duì)宿根蔗試驗(yàn)有何影響，用2年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)方差分析，發(fā)現(xiàn)除了新植蔗產(chǎn)量與試驗(yàn)處理的交互作用對(duì)宿根蔗單莖重有顯著影響外，新植蔗的其他性狀與試驗(yàn)處理的交互作用均未達(dá)到顯著水平。

間作系統(tǒng)是作物對(duì)光、溫和水等多種資源的競(jìng)爭(zhēng)及作物間相互促進(jìn)協(xié)調(diào)的過(guò)程，間作的優(yōu)劣主要表現(xiàn)在作物的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益上[9]。本研究結(jié)果表明，甘蔗化肥減施25%條件下，間作綠豆綠肥全量還田、12%當(dāng)量間作綠豆綠肥還田+13%當(dāng)量有機(jī)肥替代、25%當(dāng)量有機(jī)肥替代、25%營(yíng)養(yǎng)元素當(dāng)量黑豆綠肥還田和全量黑豆綠肥還田均可替代25%的宿根甘蔗化肥，不會(huì)引起甘蔗減產(chǎn)，甘蔗種植的利潤(rùn)也沒(méi)有顯著差異。

2年的試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是新植蔗還是宿根蔗，間作綠豆綠肥全量還田、12%當(dāng)量間作綠豆綠肥還田+13%當(dāng)量有機(jī)肥替代和當(dāng)量有機(jī)肥替代均表現(xiàn)出穩(wěn)定的肥料替代作用，間作黑豆綠肥還田在宿根蔗中表現(xiàn)出良好的肥料替代作用。從2年結(jié)果看，綠豆綠肥在宿根蔗間作中較新植蔗間作降低綠肥鮮草產(chǎn)量25.89%[8]，相應(yīng)的N、P2O5和K2O總養(yǎng)分量降低36.02%；黑豆綠肥在宿根蔗間作中較新植蔗間作綠肥鮮草產(chǎn)量低22.87%[8]，相應(yīng)的N、P2O5和K2O總養(yǎng)分量降低21.85%?？梢?jiàn)，相對(duì)于新植蔗，宿根甘蔗系統(tǒng)的2種綠肥間作的鮮草產(chǎn)量都較新植蔗表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這可能是由于綠肥與甘蔗對(duì)光照資源競(jìng)爭(zhēng)不同而引起的。新植蔗的綠肥間作種植時(shí)間為4月11日，田間甘蔗出苗約20%，甘蔗對(duì)綠肥苗期生長(zhǎng)不產(chǎn)生遮擋作用，因此綠肥產(chǎn)量較高。而宿根蔗的綠肥間作種植為3月11日，而此時(shí)宿根蔗的平均苗高已經(jīng)有8cm左右，其對(duì)綠肥的出苗及幼苗生長(zhǎng)均有不同程度的遮擋作用，所以在宿根蔗系統(tǒng)中綠肥的鮮草產(chǎn)量均較新植蔗低。前期研究[10]也發(fā)現(xiàn)，綠豆綠肥間作于甘蔗行間的時(shí)間越晚，鮮草產(chǎn)量越低。

苗數(shù)、株高、莖徑、有效莖數(shù)和單莖重等是甘蔗產(chǎn)量形成的重要農(nóng)藝性狀[11]。甘蔗產(chǎn)量是單位面積有效蔗莖的總質(zhì)量，等于有效莖數(shù)和單莖重的乘積[12]。甘蔗品種的產(chǎn)量性狀是遺傳基礎(chǔ)與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果[13]，其中有效莖數(shù)受環(huán)境因素的影響更直接[14]。本試驗(yàn)中，除了H-LY處理的有效莖數(shù)顯著低于其他處理外，其他各處理間的差異不顯著。但在所有處理中，H-LY處理的單莖重最大，從而彌補(bǔ)了有效莖數(shù)的減少對(duì)甘蔗產(chǎn)量的影響，最終蔗莖產(chǎn)量與其他處理無(wú)顯著差異。可見(jiàn)，在一定范圍內(nèi)，甘蔗個(gè)體與群體之間可相互調(diào)節(jié)和平衡，以維持甘蔗的產(chǎn)量性狀。

甘蔗有效莖數(shù)受到甘蔗總苗數(shù)和成莖率的影響[15]。從本試驗(yàn)結(jié)果看，間作綠肥對(duì)宿根蔗的發(fā)株數(shù)、分蘗數(shù)、拔節(jié)前總苗數(shù)和成莖率均沒(méi)有顯著影響，這可能是綠肥間作種植時(shí)甘蔗已經(jīng)出苗約8cm，這時(shí)候綠肥沒(méi)有對(duì)蔗苗造成遮擋的緣故。在間作中，光照資源是影響作物生長(zhǎng)的最主要因素。吳才文等[16]研究苗期間作黃豆對(duì)甘蔗生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響時(shí)指出，栽后即間作黃豆較甘蔗出苗10%間作黃豆顯著降低甘蔗的分蘗數(shù)和后期的有效莖數(shù)。蘇利榮等[10]研究了不同綠肥間作時(shí)期對(duì)甘蔗生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)新植蔗間作綠肥均影響甘蔗的苗數(shù)，但間作時(shí)間越晚，影響越小。本試驗(yàn)的研究還表明，綠肥與甘蔗共生期內(nèi)，如果甘蔗的生長(zhǎng)不受影響，那么后期產(chǎn)量受到的影響很小。因此，有必要研究在保證一定綠肥產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，同時(shí)兼顧方便農(nóng)事操作，將綠肥播種時(shí)間延后，盡量減少綠肥對(duì)甘蔗前期生長(zhǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)綠肥的穩(wěn)定替代效果。

綠肥是一種優(yōu)質(zhì)的生物有機(jī)肥料，將綠肥翻壓到土壤中，可以豐富土壤的有機(jī)質(zhì)和微生物，其降解釋放的養(yǎng)分可改善土壤養(yǎng)分狀況，同時(shí)滿足作物的養(yǎng)分需要[17-18]。本試驗(yàn)通過(guò)間作綠豆綠肥和黑豆綠肥以替代甘蔗25%化肥，直接實(shí)現(xiàn)化肥減施的目的。在兼顧甘蔗產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、資源消耗及蔗地地力提升等方面，通過(guò)不同時(shí)期甘蔗與綠豆綠肥/黑豆綠肥間作方式的組合，形成穩(wěn)定的甘蔗間作綠肥壓青還田模式，對(duì)甘蔗的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)論

間作綠豆綠肥全量還田、12%當(dāng)量間作綠豆綠肥還田+13%當(dāng)量有機(jī)肥替代、當(dāng)量有機(jī)肥替代、25%營(yíng)養(yǎng)元素當(dāng)量黑豆綠肥還田和全量黑豆綠肥還田均可替代25%的宿根甘蔗化肥處理，不會(huì)引起甘蔗減產(chǎn)，也不會(huì)降低甘蔗經(jīng)濟(jì)效益。兼顧甘蔗產(chǎn)量及綠肥鮮草產(chǎn)量，采用新植蔗間作綠豆綠肥、宿根蔗間作黑豆綠肥壓青還田替代甘蔗化肥是值得探討的一種模式。