覆盖作物翻压对华北平原春玉米产量和土壤养分的影响

魏 静，郭树芳，翟丽梅*，刘 泰，杨 波，孙本华

（1．中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部面源污染控制重点实验室，北京 100081；2．乌兰察布市农业技术推广站，内蒙古 乌兰察布 012000；3．石家庄铁道大学材料科学与工程学院，河北 石家庄 050043；4．西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100）

华北平原是我国重要的粮食主产区之一，粮食总产量占全国总量的26.4%，但水资源总量仅占全国的7.6%［1］。农业用水是华北平原最主要的水资源消耗途经，尤其是传统的冬小麦-夏玉米一年两熟制中，冬小麦生育期实际耗水量远远高于有效降水量，因此，地下水灌溉成为该地区稳产高产的重要保障［2］。近年来，由于华北平原地下水超采严重，冬小麦种植面积逐渐萎缩，导致大面积农田在冬季处于空闲裸露状态，这不仅造成了大量光热和土地等自然资源的浪费，也使该地区生态环境进一步恶化［3］。在空闲田上种植冬季覆盖作物，是有效利用土地和减少环境压力的有效途径。另外，春玉米生长期与华北平原降水的时间分布耦合度最好［4］，光温水生产潜力均优于夏玉米。因此，在华北平原推广冬季覆盖作物与春玉米轮作模式，有望弥补由于冬小麦的缺失导致的耕地裸露及其环境影响［5］。

在农田冬季休闲期种植覆盖作物是可持续农业发展的重要组成部分［6］。冬季覆盖作物翻压后能够成为优质且养分丰富的生物肥源和有机肥料，有利于增加作物产量，提高土壤肥力和改善耕层性质，从而达到土壤水、肥、气、热的协调。陈如强等［7］认为箭舌豌豆翻压区土壤有机质、有效磷、速效钾和全氮含量分别较闲置区提高了0.63 g·kg-1、2.5 mg·kg-1、9 mg·kg-1和 0.07 g·kg-1。另有研究表明［8］，翻压覆盖作物能提高下季作物0～25 cm层土壤易利用态氮的含量，且增幅达7.10～10.20 mg·kg-1，有利于促进玉米的生长；翻压紫云英和黑麦草与水稻轮作显著提高了土壤微生物量碳和氮含量，最高可达435.48和85.46 mg·kg-1。然而，由于覆盖作物、土壤及气候等的相互作用较复杂，不同种类的覆盖作物对下一季玉米生长季氮的供应的效果也不确定，这直接影响到玉米的氮吸收量和产量及其稳定性［9］。目前，关于华北地区春玉米种植模式下，不同种类冬季覆盖作物翻压对土壤性质以及玉米生长特性影响的研究还较为鲜见。

华北地区的冬季覆盖作物主要有二月兰、肇东苜蓿、冬油菜、草木樨和黑麦草等。因此，本文根据调研结果选择了毛叶苕子、二月兰和冬油菜3种适宜华北地区冬季生长的覆盖作物，探讨其翻压后对华北平原春玉米生长季土壤理化性质、土壤生物学性状以及玉米生长特性的影响，为冬季覆盖作物在华北地区春玉米种植模式下的有效推广和实施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验用土采自国家潮褐土土壤肥力与肥料效益监测站（北京），供试土壤类型为潮褐土，耕作土壤（0～20 cm）基本理化性质：全氮（TN）1.26 g·kg-1，全磷（TP）0.85 g·kg-1，全钾（TK）14.33 g·kg-1，有机质（SOM）21.92 g·kg-1，碱解氮（AN）100.40 mg·kg-1，有效磷（AP）3.79 mg·kg-1，速效钾（AK）95.0 mg·kg-1，pH 值 8.48。

1.2 试验设计

试验于2016年9月至2017年10月在北京市昌平区中国农业科学院国家潮褐土土壤肥力与肥料效益监测站（40°23′13″N，116°29′49″E）进行。该地区属暖温带大陆性季风气候，年平均日照时数2 684 h，平均气温11.8℃，多年平均降水量550.3 mm。

盆栽试验共设4个处理：（1）冬闲-玉米（WFM）；（2）毛叶苕子-玉米（VrM）；（3）二月兰-玉米（OvM）；（4）冬油菜-玉米（BcM），每个处理3次重复，随机区组排列。盆的大小为70 cm×55 cm×50 cm（高），每盆装100 kg风干土，覆盖作物于2016年10月1日播种，播种量为3 g·盆-1，播种方式为条播，把种子均匀地播成两行长条，行与行之间保持一定距离，后用土覆盖并轻轻拍实。覆盖作物生长期间不施任何肥料和农药，无灌溉。覆盖作物播后越年4月底（覆盖作物盛花期）进行全量翻压入土后于5月中下旬播种玉米，不同覆盖作物翻压量及其养分含量见表1。玉米品种为京单28，播种时每穴3粒种子，共4穴，并在玉米三叶期定植为4株，行距为40 cm。玉米季施肥量为 N 6.67、P2O53.34、K2O 2.00 g·盆-1，氮肥用尿素（N 46%），磷肥用过磷酸钙（P2O518%），钾肥为氯化钾（K2O 60%）。在基肥期，施50%的氮肥和全部的磷肥和钾肥，另外50%的氮肥在玉米小喇叭口期进行追施。

表1 不同覆盖作物翻压量及其养分含量

1.3 样品采集与测定方法

在玉米成熟期完全收获玉米植株，分为秸秆、籽粒和根3个部分，分别测定其鲜重，105℃杀青后在70℃干燥箱中干燥至恒定质量，称量计算地上干物质质量；然后分部位取混合样品，将样品粉碎，分别测定秸秆、籽粒和根部的全氮、全磷、全钾含量。在玉米的主要生育期（幼苗期：覆盖作物翻压后40 d；拔节期：覆盖作物翻压后70 d；灌浆期：覆盖作物翻压后127 d；成熟期：覆盖作物翻压后157 d）采用多点取样法采集土壤混合样，带回实验室，剔除石砾及植物残茬等杂物后过2 mm筛混匀，部分鲜土于4℃冰箱中保存，用于测定土壤微生物量碳（SMBC）、土壤微生物量氮（SMBN）、土壤微生物量磷（SMBP）、土壤铵态氮（NH4+-N）和土壤硝态氮（NO3--N）。另一部分土壤进行风干，用于测定土壤的TN、TP、TK、有机碳（SOC）、AN、AP、AK、pH值等指标。

土壤TN、TP、TK、SOC、碱解氮、有效磷、速效钾和pH值等的测定参考《土壤农业化学分析方法》［10］和《土壤农化分析与环境监测》［11］。土壤NO3--N和NH4+-N含量采用0.01 mol·L-1CaCl2浸提，流动分析仪（AA3）测定。SMBC和SMBN采用氯仿熏蒸（0.5 mol·L-1K2SO4）浸提法测定。首先将土样在25℃恒温培养箱中培养7 d，然后称取预处理土样6份（每份12 g）放入烧杯中，将其中3份置于内置50 mL 1 mol·L-1NaOH和50 mL去乙醇氯仿的小烧杯的真空干燥器中，抽真空后保持氯仿沸腾5 min，然后将干燥器移置在黑暗条件下25℃培养24 h，培养结束后再次抽真空完全去除土壤中的氯仿。另外3份做未熏蒸对照试验。将熏蒸和未熏蒸的土样分别转移到100 mL的提取瓶中，加入40 mL 0.5 mol·L-1K2SO4浸提液（水∶土质量比为4∶1）震荡30 min，然后过滤得上清液。上清液中的总有机碳和总有机氮含量用总有机碳分析仪（Vario TOC，Elementar Analysensysteme GmbH， 德国）测定。土壤微生物量磷（SMBP）采用氯仿熏蒸碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定［12-14］。

计算公式：

SMBC（mg·kg-1）=（熏蒸后提取液中有机C含量-未熏蒸对照提取液中有机C含量）/KEC；SMBN（mg·kg-1）=（熏蒸后提取液中全N含量-未熏蒸对照提取液中全N含量）/KEN；

SMBP（mg·kg-1）=（熏蒸后提取液中全P 含量 -未熏蒸对照提取液中全P含量）/（KEP×R）；

式中，KEC、KEN和KEP为转换系数，KEC取0.45，KEN取0.68，KEP取0.40，R（%）为加入无机磷的回收率。

1.4 数据与分析

采用OriginLab 8.5软件作图，采用SPSS 19.0进行单因素方差分析（One-way ANOVA），统计分析处理间作物生物量、土壤理化性质，以及土壤微生物量碳氮磷含量的差异，分析前，对所有数据进行方差齐性检验，方差不齐时进行对数转化，多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 翻压覆盖作物对玉米产量性状及养分吸收量的影响

翻压覆盖作物能够显著提高玉米秸秆产量、籽粒产量以及植株养分吸收量（表2）。其中，与WFM处理相比，OvM处理的玉米秸秆产量和籽粒产量分别提高了33.3%和35.5%（P＜0.05），提高幅度最大。与VrM处理相比，OvM处理和BcM处理玉米秸秆产量和籽粒产量显著提高。此外，与WFM处理相比，BcM处理地上部氮、磷、钾分别提高30.7%、74.7%和57.6%（P＜0.05），而BCM处理地下部磷和OvM处理地下部钾素吸收量提高幅度最大。BcM处理玉米地上部氮磷钾吸收量和地下部磷素吸收量显著高于其他两种覆盖作物（P＜0.05），VrM处理地下部氮吸收量最高，OvM处理玉米地下部钾吸收量最高。

表2 翻压覆盖作物对玉米产量性状及养分吸收量的影响

2.2 翻压覆盖作物对土壤理化性质的影响

由表3可见，覆盖作物翻压后能显著降低土壤容重和土壤pH值（P＜0.05），降幅分别为0.23～0.29 g·cm-3和 0.02～0.03。翻压覆盖作物均能显著提高不同土层的有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮和全钾含量（P＜0.05）。其中，0～10 cm土层土壤中，与WFM处理相比，BcM处理土壤容重和pH值降低幅度最大，分别为21.3%和0.35%；BcM处理的有机质、有效磷、速效钾、全氮和全钾含量提高幅度也最大，分别为5.59%、39.0%、8.50%、10.7%和7.19%；VrM处理碱解氮含量显著提高了14.6%（P＜0.05）。在10～20 cm土层土壤中，BcM处理pH值较WFM处理显著降低了1.6%，而有机质、碱解氮和全氮含量则分别提高了9.8%、8.9%和8.8%（P＜0.05）；与WFM处理相比，有效磷、速效钾和全钾含量则以OvM处理提高幅度最大，分别为62.9%、11.7%和2.6%，而OvM处理全磷含量降低幅度最大，降幅为7.3%，且差异显著（P＜0.05）。总体来说，与VrM处理和OvM处理相比，BcM处理玉米季土壤养分含量提高幅度最大。

翻压覆盖作物能有效降低土壤NH4+-N和NO3--N含量（图1）。随玉米生育期的推进其土壤的NH4+-N和NO3--N含量逐渐降低，且其变化趋势基本一致。土壤NH4+-N和NO3--N含量在玉米幼苗期最高，而在拔节期到成熟期变化较为稳定。其中，幼苗期WFM处理的NH4+-N和NO3--N含量均显著高于翻压覆盖作物处理（P＜0.05），范围分别为 0.50～3.52 和 21.40～33.13 mg·kg-1， 且 在 玉 米整个生育期WFM处理的NH4+-N和NO3--N含量均最高。

图1 翻压覆盖作物对下季玉米生长季土壤NH4+-N和NO3--N的影响

2.3 翻压覆盖作物对土壤微生物量的影响

图2表明，在作物不同生育期，翻压覆盖作物处理的土壤SMBC、SMBN和SMBP含量均显著高于WFM处理（P＜0.05）。其中，在幼苗期（覆盖作物翻压后第40 d），BcM处理的SMBC含量、VrM处理的SMBN含量和OvM处理的SMBP含量提高幅度最大，分别为73.8%、117.0%和210.7%（P＜0.05）。从拔节期到灌浆期，翻压覆盖作物处理的SMBC和SMBN的含量均显著高于WFM处理（P＜0.05），但增幅降低；而各处理SMBP含量在拔节期变化幅度仍比较大，且覆盖处理均显著高于WFM处理，增幅为40.2%～117.5%。成熟期，覆盖作物处理的SMBC、SMBN和SMBP含量相对较低，且与WFM处理差异显著（P＜0.05）。

图2 翻压覆盖作物对下季玉米生长季土壤微生物量的影响

2.4 玉米产量构成因素与相关因素之间的相关性

表4相关分析表明，玉米产量与覆盖作物翻压量、土壤微生物量氮和微生物量磷呈极显著相关关系（P＜0.01），与覆盖作物吸氮量和土壤全氮呈显著相关关系（P＜0.05），与土壤容重和pH值呈极显著负相关关系（P＜0.01）。除土壤微生物量碳以外，玉米氮、磷、钾吸收量与覆盖作物翻压量、吸磷量、吸钾量、微生物量氮、微生物量磷、有机碳和全氮均呈极显著正相关关系（P＜0.01），且与土壤容重呈极显著负相关（P＜0.01）。

表4 玉米产量构成因素与相关因素之间的相关性

3 讨论

3.1 翻压覆盖作物对玉米产量性状及养分吸收量的影响

毛叶苕子、二月兰和冬油菜作为覆盖作物，其生物量和养分特性是影响土壤和主作物的重要因素［12］。本试验结果表明，翻压覆盖作物均显著提高了玉米株高、秸秆产量和籽粒产量，玉米地上部和地下部氮、磷和钾的积累量均显著增加。其原因是翻压覆盖作物配施化肥处理较单施化肥处理供肥能力在玉米整个生育期都较稳定、水平较高，在整个生育后期，还可提供充足的营养，满足玉米后期对养分的生长需求［13］。不同翻压作物对作物特性的影响也不同，本研究中翻压二月兰和冬油菜处理玉米产量提高幅度最大。前人研究也表明［14］，翻压二月兰能够促进春玉米对氮、磷养分的累积，并且翻压后增加了玉米籽粒中氮素的累积量、提高了磷素在子粒中的分配比例。王丹英等［15］认为油菜还田能增加水稻的有效穗数和穗粒数，并能促进光合作用，增加干物质量积累，从而显著提高水稻产量。可能是由于二月兰和冬油菜翻压量较大且翻压时营养成分均衡，翻压后有利于玉米吸收和干物质积累，且冬油菜作为直根系作物，与玉米轮作可以改善土壤理化性质、改善土壤通气性、增强土壤微生物的活性，从而使土壤养分供给能力增强［15］；毛叶苕子作为豆科覆盖作物由于其根瘤菌固定氮素，翻压入土能为玉米提供氮素，从而提高玉米产量。如Anitha等［16］研究认为种植翻压豆科作物可以节省25%的氮肥，同时还使得作物增产原来的11%。

3.2 翻压覆盖作物对土壤理化性质的影响

翻压覆盖作物能显著提高0～10和10～20 cm土层有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮和全钾含量，同时显著降低土壤容重和pH值。本试验中，与冬闲地相比，翻压冬油菜处理的土壤容重和pH值降低幅度最大，其有机质、有效磷、速效钾、全氮和全钾含量在0～10 cm土层中提高幅度最大；10～20 cm土层土壤中的有效磷、速效钾和全钾含量则以翻压二月兰处理提高幅度最大；这可能是由于翻压覆盖作物并配合施用化肥，增加有机物质的含量，改善了土壤理化性状，从而提高了土壤肥力［17-18］，也可能与冬油菜和二月兰根系发达，能够吸收和活化土壤较深层养分及难溶性养分，并将之富集于土壤耕作层供作物吸收利用，还能够解除土壤对氮、磷、钾等元素的固定有关［19-20］。

在本研究玉米生育前期，基肥的施入和翻压覆盖作物进入土壤均增加了土壤氮的投入，由于玉米苗期养分需求量很少，大量的养分滞留在土壤中，导致该时期土壤NH4+-N和NO3--N含量大幅度升高；同时由于播种期至幼苗期几乎没有有效降雨，导致了土壤NH4+-N和NO3--N大量积累，能够促进玉米生长，增加玉米产量、氮素吸收量及肥料利用效果。而在玉米生育后期，土壤NH4+-N和NO3--N含量则大幅度降低，其原因，首先是玉米生长后期所需大量养分所致，其次是玉米生长后期降雨量大，导致土壤NH4+-N和NO3--N随降水向深层运移［21］。各个覆盖作物翻压处理的土壤NH4+-N和NO3--N含量均低于无覆盖作物翻压处理，造成这一现象的主要原因是覆盖作物自身腐解和其翻压对NH4+-N和NO3--N淋洗的抑制作用［21］。

3.3 翻压覆盖作物对土壤微生物量的影响

翻压覆盖作物与化肥配合施用能显著提高土壤微生物量碳、土壤微生物量氮和土壤微生物量磷含量，造成这一变化的原因，与土壤pH值、有机质含量的变化有关。本研究结果表明，各个覆盖作物处理的土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物量磷含量均显著高于单施化肥处理，且随着玉米生育期的推进呈逐渐降低趋势，这可能是因为在玉米幼苗期对养分需求较少，覆盖作物翻入土壤后为微生物提供大量的有机碳源和氮源，使微生物量数量迅速升高［22］，也可能是由于翻压覆盖作物后改善了土壤的通透性，使表层土壤盐分向土体下层淋洗，同时覆盖作物中的有机组分分解形成的有机酸降低了土壤中碱性物质的含量，降低了土壤pH值［23］，增加了微生物活性，从而提高了土壤微生物量含量；进入拔节期以后，营养器官生长迅速，代谢旺盛，对水分和养分的需求迅速增加［24］，覆盖作物中易分解的有机物质逐渐减少，土壤中易矿化分解的有机碳和被土壤固定的部分氮磷养分大量消耗［8］，导致土壤微生物量含量迅速降低。

4 结论

在华北平原，毛叶苕子、二月兰和冬油菜3种冬季覆盖作物翻压后均有利于提高土壤养分含量、微生物生物量含量和玉米产量。其中，与翻压毛叶苕子处理相比，翻压二月兰和冬油菜处理显著提高了玉米产量以及土壤有效磷、速效钾和全钾含量；翻压冬油菜处理地上部养分吸收量显著高于其他两个翻压处理；在整个玉米生育期内，翻压3种冬季覆盖作物均显著提高了土壤微生物量含量，显著降低了土壤无机氮含量，减少了土壤氮素的流失。综上，在华北平原，玉米-冬油菜轮作和玉米-二月兰轮作模式效果较好，玉米-毛叶苕子轮作模式效果次之。