苏南稻田4种冬绿肥养分特性及对翻压前土壤无机氮的影响

白金顺，曹卫东，3*，樊媛媛，高嵩涓

(1农业部植物营养与肥料重点实验室，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081;2中国农业大学资源与环境学院，北京100193;3青海大学，西宁810016)

水稻是我国第一大粮食作物，约占粮食总产量的40%。其中，南方稻区约占我国水稻播种面积的94%。自20世纪90年代以来，由于粮食生产效益低、农村劳务经济发展快等社会和经济原因，南方的冬闲田面积不断扩大［1］。据调查，我国南方16省市区的秋冬种植面积仅占耕地面积的60%左右，冬闲面积近20×106hm2。耕地的大量闲置不仅造成光、热、水、土资源的大量浪费，同时也引起土壤质量退化、养分流失等生态环境问题［2－3］。

利用冬闲田种植绿肥是我国南方稻田重要的传统管理措施，具有填闲、养地、兼用的多功能特点。但20世纪80年代后期，绿肥生产及科研基本处于停滞阶段［2］。近年来，在环境不断恶化和资源耗竭加剧的背景下，高品质、低污染的农业生产愈发受到重视，清洁农业生产的理念被广泛认同。绿肥是纯天然、最清洁的有机肥源，近年研究表明，稻田种植绿肥作物能增加冬季土壤覆盖、提高土壤质量［4］、增加土壤生物多样性［5］和促进后茬作物增产［6］，因此绿肥可以在清洁农业生产中发挥重要作用，在绿色及有机农业生产中具有巨大潜力。

绿肥作物的生物量和养分特性是其用作绿肥的重要指标，也是决定种植利用绿肥对土壤和主作物影响的重要基础。但绿肥作物的生长和养分积累会受到生长环境和作物品种特性的影响，在一定的生态条件下，绿肥作物的品种选择尤为关键。研究表明，同一生态区不同绿肥作物的生物量和营养特性差异明显，同时对土壤性状的影响也不同［7－8］。目前，苏南稻区有机稻米种植逐渐形成规模，其主要措施之一就是种植和利用绿肥作物。在苏南单季稻区，传统是以紫云英为主要绿肥作物，对其他绿肥品种研究较少。由于绿肥品种是决定绿肥培肥和增产效果的主要因素之一，因此为评价不同绿肥作物品种的生态适应性及用作绿肥的潜在作用，2011～2012年在江苏省金坛市研究了冬闲稻田种植紫云英、毛叶苕子、光叶苕子和肥田萝卜的生长与养分特性及其对耕层土壤无机氮的影响，以期为苏南稻区合理种植和利用绿肥、科学进行水稻养分管理和减少农田污染排放提供资源保障。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2011～2012年在江苏省江南春米业有限公司稻米生产基地进行。该试验地位于江苏省金坛市，东经 119°58'，北纬 31°48'，海拔 5 m。年均气温16.7℃，年降水量1144 mm，年日照时数2075 h。试验地土壤为水稻土，pH值8.2，有机碳含量27.0 g/kg，全氮含量1.4 g/kg，速效钾含量117.6 mg/kg，速效磷含量 17.0 mg/kg，土壤铵态氮含量 2.8 kg/hm2，硝态氮含量为29.7 kg/hm2。前季作物为水稻。

1.2 试验设计

试验设5个处理:1)无绿肥对照;2)毛叶苕子(Vicia villosa Roth，hairy vetch，品种为蒙苕 1号);3)光叶苕子(Vicia villosa var．，smooth vetch，品种为云光早苕);4)紫云英(Astragalus sinicus L．，milk vetch，品种为弋阳籽);5)肥田萝卜(Raphanus sativus L．，radish，品种为云南当地生产种)。4次重复，小区面积21 m2，随机区组排列。绿肥作物播种日期为2011年10月26日，播种方式采用人工撒播，播种量参照当前生产推荐用量，分别为毛叶苕子90 kg/hm2，光叶苕子 90 kg/hm2，紫云英 30 kg/hm2，肥田萝卜15 kg/hm2。播种时施氮肥N 20 kg/hm2，在生长期间不进行其他管理。

1.3 样品采集与测定方法

试验于绿肥翻压前(2012年4月8日)进行植株和土壤取样，每个小区选取2个1 m2样方进行测产，取部分小样鲜体在70℃下烘干，然后称重、粉碎并进行养分测定。干物质量由测产鲜样和植株含水量换算得到。另外，在小区中选择有代表性的完整的绿肥植株样(肥田萝卜、毛叶苕子和光叶苕子为5株，紫云英为20株)，先将地上部剪下并称量鲜重，然后挖掘田间耕层土壤植株根系，将根系与土壤初步分离，用纸巾擦拭根表附着的土壤后进行根系鲜重称量，之后将所取根系样进行冲洗，最后将所取植株地上部和根系鲜样在70℃下烘干称重。单位面积根系生物量鲜重和干重分别由测产鲜重和干重与代表性植株样的鲜重根冠比和干重根冠比计算获得。同时，采集耕层(0—20 cm)土壤样品，每个小区采集3钻，混合后带回试验室进行无机氮测定。

植株样品用硫酸－过氧化氢消化，凯氏定氮法测定全氮;钼蓝比色法测定全磷;原子吸收火焰光度计法测定全钾。植株全碳采用重铬酸钾容量法进行测定。土壤无机氮采用2 mol/L的氯化钾浸提—流动注射分析仪测定;土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定;速效钾采用EDTA－铵盐法浸提—原子吸收火焰光度计测定;酸度计测定土壤pH(水土比为2.5∶1)。

1.4 数据分析

试验数据采用SAS统计软件进行统计分析，LSD法检验差异显著性，用 Microsoft Excel 2003作图。

2 结果与分析

2.1 不同绿肥作物的地上部和根系生物量

4种绿肥作物的地上部和根系生物量结果见表1。不同绿肥作物的生物量鲜重与干重均达到较高水平，鲜重与干重分别为24.8～30.7 t/hm2和3.6～4.2 t/hm2，但不同绿肥作物间无显著差异。不同绿肥作物的根系生物量鲜重无显著差异，其根系干重以肥田萝卜最高(0.3 t/hm2)，显著高于光叶苕子(0.1 t/hm2)，三种豆科绿肥作物间无显著差异。绿肥鲜体的含水量普遍较高，其中植株地上部含水量以肥田萝卜最高(88.3%)，光叶苕子最低(84.6%)，绿肥作物的根系含水量间无显著差异。因根系的取样方法未采集耕层以下植株根系，同时采样过程中的侧根和根毛有部分损失，总体根系重量较Gabriel等［7］2011年关于不同绿肥作物根系的报道数据偏低，但与Zhu等［9］2012年关于湖南稻田紫云英耕层的根系重量相当。

表1 不同绿肥作物地上部和根系生物量与植株含水量比较Table 1 Comparison of aerial and roots biomass and plant water content for different green manure crops

2.2 不同绿肥作物的养分特性

从表2可以看出，不同绿肥种类的氮、磷、钾养分含量具有显著不同的特点，毛叶苕子和光叶苕子相对富含氮素(含氮量分别为3.29%和3.46%)，其植株含氮量显著高于紫云英和肥田萝卜，肥田萝卜含氮量最低为1.93%。肥田萝卜相对富含磷(0.31%)，其含磷量显著高于毛叶苕子和光叶苕子，紫云英含磷量最低(0.17%)。与含氮量和含磷量相比，植株含钾量变异相对较小，光叶苕子植株含钾量最低(3.12%)，肥田萝卜最高(3.76%)，二者差异显著。

不同绿肥作物的养分吸收量与其植株养分含量的变化趋势基本一致。4种绿肥作物的养分吸收量有较大变异，三种豆科绿肥作物的吸氮量(101.7～136.4 kg/hm2)均高于十字花科绿肥作物肥田萝卜(69.8 kg/hm2)，其中毛叶苕子和光叶苕子的吸氮量显著高于肥田萝卜。肥田萝卜的吸磷量最高(11.3 kg/hm2)，但与毛叶苕子和光叶苕子的吸磷量无显著差异，紫云英的吸磷量最低(7.1 kg/hm2)，显著低于肥田萝卜和毛叶苕子的吸磷量。对于吸钾量，光叶苕子较其他三种绿肥作物相对较低，与毛叶苕子含钾量相比有显著差异，这主要与光叶苕子的植株含钾量较低有直接关系。

表2 不同绿肥作物植株养分含量、吸收量与C/N比Table 2 Content and uptake of plant nutrients and C/N for different green manure crops

2.3 不同绿肥作物的C/N比特性

不同绿肥作物的碳氮比如表2所示。C/N比是决定绿肥作物翻压后其残体腐解规律和养分释放动态的重要指标。在本研究中，4种绿肥作物的C/N比在14.1～22.7之间，总体规律与植株氮含量相反，依据显著性检验可以分为两类，其中紫云英与肥田萝卜的C/N比相对较高，显著高于毛叶苕子和光叶苕子，后两者间无显著差异。

2.4 不同绿肥种植对耕层土壤含水量和无机氮的影响

从图1可以看出，与无绿肥对照相比，种植不同绿肥作物处理的土壤含水量均有降低趋势，除紫云英外，其他绿肥作物处理的土壤含水量均显著下降。在不同的绿肥作物品种间，种植肥田萝卜的土壤含水量最低，显著低于种植其他三种绿肥作物的土壤含水量。

不同绿肥作物对耕层土壤无机氮含量的影响见图2。受到肥料投入和春季气温回暖土壤矿化增强的影响，与播前土壤无机氮含量相比，无绿肥对照土壤的无机氮、硝态氮和铵态氮含量均表现为增加的趋势，分别增加43.7 kg/hm2、40.4 kg/hm2和3.4 kg/hm2，铵态氮与硝态氮比例差别不大。种植不同绿肥作物的土壤无机氮含量与播前土壤相比有不同表现，种植毛叶苕子和光叶苕子有增加趋势，而种植紫云英和肥田萝卜的有降低趋势，所有种植绿肥作物的土壤铵态氮与硝态氮的比例均表现为增加。

图1 不同绿肥作物种植对土壤水分含量的影响Fig．1 Effects of different green manure crops planting on soil water content

然而，与对照冬闲相比，种植绿肥作物显著降低了耕层土壤无机氮的含量，平均降低38.9 kg/hm2。其中紫云英(55.1 kg/hm2)和肥田萝卜(58.5 kg/hm2)的降低效果显著大于毛叶苕子(16.6 kg/hm2)和光叶苕子(25.4 kg/hm2)。同时种植绿肥作物显著改变了土壤无机氮的构成，但不同品种间表现有所差异。与对照相比，种植绿肥作物显著降低了土壤硝态氮的含量(平均降低45.4 kg/hm2)，而土壤铵态氮的含量有增加趋势(平均增加6.5 kg/hm2)，其中种植毛叶苕子和光叶苕子的土壤铵态氮含量增加显著。不同绿肥作物处理的土壤铵态氮与硝态氮的比例均高于对照土壤，其中种植光叶苕子、紫云英和肥田萝卜的土壤铵态氮与硝态氮的比值增加显著。

图2 不同绿肥作物种植对土壤无机氮的影响Fig．2 Effects of different green manure crops planting on soil mineral nitrogen

3 讨论

由于绿肥生产及其相关的科学研究曾经较长时间内处于停滞状态，当前生产上多以80年代的绿肥品种和技术为主，南方稻田的绿肥品种以喜湿润的紫云英为主，对其他潜在适宜的绿肥品种研究较少［10］。本研究在推荐的简化管理条件下，对4种绿肥作物的生长、营养特性及其对耕层土壤无机氮含量的影响进行了比较研究。

绿肥作物翻压期生物量和养分含量是评价其能否作为绿肥的重要评价指标。一般以每公顷产鲜草达到22.5 t作为绿肥作物适合作绿肥的标准［11］。在本研究中，尽管播种较晚，4种供试绿肥作物均可达到22.5 t/hm2以上的鲜草和3 t/hm2以上的干草产量。可能有两个原因，其一是气候条件适宜绿肥生长，播种后有较好的降水量(328.5 mm)，该降水量与该地区过去5年(2007～2011)的平均降水量相当(341.1 mm);其二是不同绿肥的种植均采用当前主导绿肥品种和推荐的播种量。供试绿肥作物的养分含量有显著差异，豆科绿肥作物因具有较强的共生固氮能力［12］，因此供试的三种豆科作物的含氮量显著高于肥田萝卜。肥田萝卜的植株含磷量最高，有研究表明，十字花科作物可以通过改变根际pH 值［13］或分泌有机酸［14］，从而有效活化土壤中的磷素，增加植株的磷含量。但与其他报道相比［11］，在本研究中紫云英的植株含氮量和含磷量均较低，其原因可能与不同绿肥作物在翻压期处于不同的生育期相关，翻压前毛叶苕子和光叶苕子处于现蕾期，而紫云英处于初花期，研究表明随着生育期延长植物的养分含量有降低趋势［15］。另外，紫云英对根瘤菌具有专一性，一般需要在种植时接种根瘤菌，有研究表明施用菌肥能显著提高紫云英的总吸氮量和固氮量［11］。在本研究中尽管试验田前几季都有紫云英种植，但在种植时未进行接种根瘤菌，这可能影响紫云英的生长和固氮性能以及植株养分吸收量。总体上，供试的4种绿肥作物能积累较多的养分(吸氮量为69.8～136.4 kg/hm2，吸磷量为7.1～11.3 kg/hm2，吸钾量为 117.6 ～151.3 kg/hm2)。Witt和Dobermann［16］利用布置于亚洲6个国家的田间试验获取的约2000组水稻养分数据建立了QUEFTS模型，基于模型的预测结果表明，水稻在5～8 t/hm2的产量水平下其吸氮量为73～127 kg/hm2，吸磷量为13 ～22.6 kg/hm2，吸钾量为72～ 126 kg/hm2。在本研究中4种绿肥作物的氮、钾养分吸收量与水稻氮、钾吸收量基本相当，吸磷量约相当于水稻磷吸收量的50%。

尽管气象条件、管理措施、木质素和纤维素含量能影响绿肥作物残体氮素的释放［17－19］，但 C/N比是表征绿肥作物秸秆在分解过程中氮素释放潜力的有用指标。在本研究中，光叶苕子、毛叶苕子和紫云英的C/N比分别为14.2、14.1和18.9，与其他关于豆科绿肥作物有较低的C/N比报道相一致［20］。肥田萝卜的 C/N比略高于豆科绿肥作物(C/N比为22.5)。有研究表明，C/N比为20是评价秸秆在分解过程中氮素矿化和氮素固定的临界值［21］。因而，对于本研究中的豆科作物翻压作绿肥，后季作物需要考虑前期施氮量适当下调的可能性，而对于肥田萝卜用作绿肥，后季作物的前期需要考虑适当的施氮调整C/N比。

绿肥作物不仅能够翻压作为肥料培肥土壤和供下季作物利用，而且在其生长过程中会影响土壤的无机氮状况。以往的研究更多关注翻压绿肥对后季作物和土壤的影响，而对绿肥在生长期间对土壤无机氮的影响研究较少，国内前人的一些报道主要针对夏闲菜田和华北单作春玉米田中绿肥(覆盖)作物对土壤无机氮的作用［22－23］。本研究结果表明，与对照相比，绿肥作物的生长显著降低了土壤无机氮的含量，该结果与国外一些研究结论相一致［20，24］。其中，肥田萝卜处理耕层无机氮含量的显著降低主要与肥田萝卜为非豆科作物其吸收的氮素来源于土壤有关。另外关于种植紫云英的土壤无机氮含量较种植两种苕子的低，尽管研究认为苕子的固氮性能优于紫云英［11］，Ramosm 等［25］也报道了不同豆科作物植株累积的氮中来源于生物固氮的量可以从39%到80%，然而，紫云英处理耕层无机氮含量显著降低的可能原因与在前面养分含量讨论中提到的本研究中种植时未进行紫云英根瘤菌接种有关。总之，种植绿肥能显著消减稻田旱季土壤中的无机氮，从而有效降低土壤氮素损失的风险，水旱轮作的研究结果表明，水稻季氮素损失中约有50%来源于旱季土壤的无机氮残留［26］。

另外，在本研究中发现种植绿肥显著改变了土壤无机氮的构成，不同处理均显著降低了土壤硝态氮的含量，而铵态氮的含量有增加趋势，种植不同绿肥的土壤铵态氮与硝态氮的比例均表现增加。硝态氮减少的主要原因可能是绿肥植株对氮素的吸收，在本研究中绿肥植株的生长吸收了大量的氮素(69.8 kg/hm2～136.4 kg/hm2)。关于土壤铵态氮含量的增加，有研究表明，硝酸盐的异化作用能促进硝态氮向铵态氮的转化，如Burge和Jackson的室内研究结果表明，番茄根系生长的根际效应激发土壤的微生物活动造成土壤的厌氧环境，并有效促进硝态氮向铵态氮的快速转化［27］。但硝态氮的异化作用使之转变成铵的过程主要发生在厌氧的环境中，而本研究中种植绿肥作物的土壤水分含量较无绿肥作物对照较低，因而这一过程可能不是主要的原因;推测土壤铵态氮含量的增加的原因可能与豆科作物在生长过程中会向土壤中的转移氮素有关［28］，在本研究中种植毛叶苕子、光叶苕子和紫云英的土壤铵态氮含量增加程度均相对高于肥田萝卜，与这一结论相似。其中只有毛叶苕子和光叶苕子处理表现显著，可能与前面讨论的紫云英固氮量较低有关。然而，不同绿肥作物对土壤氮素转化的效应差异及其机制还需要进一步研究。

4 结论

4种供试绿肥作物具有较好的生态适应性，均能有效利用苏南稻田冬春季节的空闲期获得较高的生物量，鲜重、干重分别为24.8～30.7 t/hm2和3.6～4.2t/hm2。绿肥作物植株体内能积累较多的养分，但不同绿肥作物的养分特性差异明显，其中毛叶苕子吸收氮、钾的量最高，肥田萝卜吸磷量最高。种植绿肥作物能够降低土壤的无机氮含量，潜在减少氮素损失的风险。

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