绿肥油菜还田时期对不同施氮量下春玉米产量和土壤养分的影响

苏 港，王怡针，葛均筑，李子芳，臧凤艳，王金龙，吴锡冬

(天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300384)

华北平原是我国重要的粮食主产区，其耕地面积约占全国耕地面积的21%[1]，在保障我国粮食生产中起着重要作用。该区域粮食产量提升过程中，氮肥贡献率超过40%[2]，但随着氮肥施用量的增加，利用率降低，浪费资源的同时又对农业生态系统造成一系列问题。绿色发展理念将主导今后的农业生产，种植业结构调整、耕地用养结合、农作物减氮增效是我国农业生产面临的主要战略性任务，绿肥在这些任务中有重要作用。绿肥还田后快速腐解并释放大量养分，可通过改善土壤理化性状[3-4]及提升土壤肥力[5-6]而促进作物增产[7-8]，成为化学肥料零增长计划和土壤有机质提升计划[9]的重要化学肥料替代源，对农业可持续发展有着重要意义。绿肥还田在固氮活磷、改土培肥、改善土壤微生态环境质量和土壤物理性状等方面具有重要作用[10-11]。Akter等[4]通过26 a田间试验发现，绿肥还田可以提高小麦-水稻轮作系统土壤有机质碳、全氮和有效磷含量。研究表明，绿肥还田完全替代化肥短期内对作物稳产增产效果有限，限制了绿肥的应用范围[12]；紫云英盛花期全氮、全磷和全钾含量为2.60%，0.13%和1.70%，碳氮比为13～16∶1[13]，但其生物量较小，对微生物发酵分解促进作用有限，不能满足作物生长需要。因此，如何通过绿肥还田和化肥配施，实现作物高产稳产及化肥合理减施，成为农业可持续发展的研究热点。绿肥还田配施氮肥对土壤理化性质的影响及其效应机制的研究表明，紫云英翻压还田20 000～30 000 kg/hm2时，化肥减量20%～40%后，通过显著提高水稻氮素偏生产力和氮肥农学效率，维持土壤有机质、氮、磷、钾的供应而显著提高水稻产量4.15%%～13.20%，是南方稻区兼顾稻米产量和培肥土壤的有效技术措施[14-17]。Martins等[18]长期定位试验发现，菽麻作绿肥还田配施少量或中等的堆肥促进咖啡田土壤养分平衡的原因在于绿肥的酸化作用可中和部分碱性肥料，减少土壤中钾、钙和镁离子之间的拮抗作用。Yao等[19]研究表明，3种豆科绿肥还田后促进了土壤有机质碳库和氮库的积累。已有报道主要研究豆科绿肥生物固氮及减施氮肥角度对下茬作物的调控效应，而关于其他类型作物如十字花科油菜绿肥用翻压还田的报道较少。

近年来，绿肥作为有机肥的重要来源，在华北平原大面积推广，但前期研究表明，由于冬季低温豆科绿肥如毛叶苕子、十字花科绿肥二月兰等安全越冬难以保障[20]，为此，在华北地区以推广油菜用作绿肥比较安全。但关于绿肥油菜的还田时期以及还田后对土壤养分的调控效应和对春玉米产量的影响尚未见报道。为此，本试验研究了华北平原白菜型冬油菜不同时期还田对不同施氮量下春玉米产量及土壤养分的调控效应，以期为华北平原绿肥油菜还田时期的确定及春玉米生产系统减氮增效提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018年9月—2020年9月在天津市优质农产品开发示范中心基地进行(119.47′E，31.89′N)。土壤类型为潮土，0～20 cm土壤基本理化性质为有机质13.4 g/kg、全氮1.39 g/kg、碱解氮118.1 mg/kg、全磷0.96 g/kg、有效磷153.9 mg/kg、全钾24.5 g/kg和速效钾273.7 mg/kg。试验点自动气象站获取玉米生育期内气象数据(日均温、日最高温、日最低温、降雨量)(图1)。

图1 玉米生育期气象条件Fig.1 Meteorological conditions at growth stage of maize

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主区油菜还田时期分别为无绿肥冬闲田(G0)、初花期(G1)、盛花期(G2)和荚果期(G3)，裂区玉米季施氮量分别为0 (N0)，135 (N135)，270 (N270)，405 (N405)，540 (N540)kg/hm2，按照70%基肥、30%拔节期追肥，每个处理小区重复3次，共60个小区。基肥选用生物质炭基肥(沈阳隆泰生物工程有限公司，N-P2O5-K2O：24-10-10)，追肥选用尿素(N：46%)；P2O5和K2O作为基肥一次性施用均为157.5 kg/hm2，按照肥料养分含量采用过磷酸钙(P2O5：12%)和硫酸钾(K2O：50%)配平。

绿肥油菜选用白菜型陇油12号，播种时间均为9月26日，播种量为12 kg/hm2，50 cm等行距开沟撒播。G1、G2和G3处理还田时间分别为次年4月14日、5月9日和5月23日，还田时用粉碎机粉碎灭茬后用旋耕机旋耕还田，油菜生育期内不施肥，常规田间管理。

春玉米供试品种为郑单958，播收时间分别为2019年5月26日和9月15日与2020年5月30和9月19日，采用60 cm等行距种植，定苗密度67 500株/hm2。小区长6.5 m，宽3.6 m，田间管理措施按照玉米高产田进行。

1.3 测定项目与方法

收获期每小区中间两行连续收取20个果穗，置背阴处风干后考种，数取穗粒数，测定百粒质量，取200 g籽粒于鼓风干燥箱85 ℃烘干至恒质量测定干质量，计算含水量后按照14%安全含水量计算百粒质量和产量。

玉米收获期小区五点取样法取0～20 cm土样并充分混匀，待其自然风干后研磨过1.00，0.25 mm筛，采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定有机质，凯氏定氮法测定土壤全氮，碱解扩散法测定碱解氮，钼锑抗比色法测定全磷，碳酸氢钠浸提-比色法测定有效磷，原子吸收-火焰光度计法测定全钾和速效钾。

1.4 数据处理与分析

Excel 2016进行数据统计，用SPSS 17.0进行二因素方差分析(Duncan多重比较)，Sigma Plot 10.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 春玉米产量及其构成因素分析

由图2可知，综合2 a数据不同绿肥油菜还田时期显著影响春玉米产量，与G0处理相比，G2处理增产幅度5.89%(P<0.05)，产量为9 797.49 kg/hm2；G1和G3处理2019年产量与G0处理无显著差异，2020年G1处理产量为9 841.57，增幅6.37%，G3处理显著降低春玉米产量8.43%。综合2 a数据，与N135相比，施氮量在N270～N540水平玉米产量显著提高18.38%，21.71%，20.90%，N270、N405和N540间产量差异不显著。分析不同绿肥还田时期下施氮量对春玉米产量的影响可以看出，G1、G2和G3处理下，产量随施氮量增加均呈先增后减趋势，分别在N405、N270和N405施氮量下产量达最高，为10 961.21，11 253.34，10 331.12 kg /hm2，比G0N270增产2.04%，7.21%和-3.82%；G3处理各施氮量下比G0处理产量降低0.59%～8.92%，其中N270减产最小，为0.59%。N135和N270施氮量下G1和G2处理比G0处理显著增加6.00%，6.28%和6.95%，7.21%，G3处理降低5.80%(P<0.05)，0.59%(P>0.05)；N405和N540施氮量下G1处理比G0处理增加2.04%和0.39%，G2处理降低3.54%和3.91%，G3处理显著降低3.82%，5.23%。

利用线性加平台模型模拟可以看出，2019年，G0处理氮肥增产效应(9.30 kg/kg)相比，G1和G2处理氮肥增产效应为9.66，10.40 kg/kg，增幅为3.87%，11.83%；G3处理为8.28 kg/kg，降低10.97%。与G0处理最高产量(10 704.00 kg/hm2)相比，G1、G2和G3处理最高产量分别为10 488，10 168，10 408 kg/hm2，但与G0获取最高产的施氮量(386 kg/hm2)相比，G1、G2和G3最高产量最佳施氮量分别为317，226，370 kg/hm2，比G0处理降低17.88 %，41.45%和4.15%。2020年，与G0氮肥增产效应(15.71 kg/kg)相比，G1为16.99 kg/kg，比G0处理增幅为8.15%；G2和G3处理氮肥增产效应显著增加27.82%，31.06%，G1、G2和G3氮肥增产效应比2019年显著增加75.88%，93.08%，148.67%。G0、G1、G2和G3最高产分别为10 846，11 323，10 831，10 166 kg/hm2，G1、G2和G3处理比G0处理增加4.40%，-0.13%和-6.27%，与G0处理获得最高产量的施氮量(304 kg/hm2)相比，G1、G2和G3处理降低7.89%，32.57%，10.53%，分别为280，205，272 kg/hm2。

图中小写字母表示相同还田时期下不同施氮处理间差异达0.05显著水平；大写字母表示绿肥油菜还田时期间差异达0.05显著水平。图3—6同。The lowercase letters in the figure indicate that the difference between the nitrogen fertilizer treatments reached a significant level of 0.05；The uppercase letters indicate that the difference reached a significant level of 0.05 between green manure rape returning stages. The same as Fig.3—6.

由表1可知，不同绿肥油菜还田时期对玉米穗粒数影响不同。G2处理穗粒数2 a均值为520.97，比G0处理493.48增加5.59%，G1处理2020年穗粒数比G0处理显著增加8.37%，2019年G0处理无显著差异，而G3处理穗粒数2019，2020年分别为490.86，462.32，比G0减少4.17%和2.62%。穗粒数随施氮量增加先增后减，施氮量超过N270增幅不显著。G1和G2处理下，施氮量达N270后穗粒数增加不显著，与G0N270处理增幅为5.19%，9.35%；G3处理在N0和N135下，穗粒数显著减少8.71%，4.70%。绿肥油菜还田时期对百粒质量影响年际间具有差异性，2019年G1、G2和G3处理与G0处理相比增幅为3.32%(P>0.05)，2.25%(P>0.05)和3.66%(P>0.05)；2020年油菜还田降低百粒质量，G1和G2处理未达显著水平，G3处理显著降低为6.40%。与N0相比，施氮后百粒质量显著提高，施氮量增至N270时百粒质量提高不显著。2019年绿肥油菜还田时期和施氮量的互作效应对百粒质量差异未达显著水平，2020年与G0相比，G1处理百粒质量仅在N270和N405提高1.06%，4.63%；G2N270百粒质量比G0N270提高4.04%；G3处理各施氮量下比G0百粒质量均减小，其中N270和N405减少1.37%，4.37%(P>0.05)，N0、N135和N540减少7.31%，8.15%，10.51%(P<0.05)。

表1 油菜还田时期对不同施氮量春玉米籽粒产量及构成要素的影响Tab.1 Effects of green manure rape returning stages and different nitrogen application rates on grain yield and components of spring maize

2.2 土壤有机质含量分析

综合2 a数据，绿肥油菜还田时期对土壤有机质含量的影响具有差异性(图3)，与G0相比，G1和G2处理有机质含量显著提高8.28%和11.17%。G3处理对土壤有机质的影响具有年际差异，2019年土壤有机质含量显著提高4.38%，2020年则差异不显著。土壤有机质含量随施量增加先增后减，各施氮量处理比N0显著提高7.96%～34.68%，且均在N270时达最大(15.04 g/kg)。绿肥还田时期和施氮量互作表现为，与G0相比，N135、N270施氮量下，G1和G2处理均显著提高土壤有机质含量增幅分别为5.30%和9.96%，10.66%和12.27%，而G3处理在N135水平下土壤有机质含量降低3.01%(P>0.05)，N270水平下G3增加2.51%(P>0.05)；N405、N540施氮量下，G1、G2和G3处理均显著提高土壤有机质含量，增幅分别为13.20%和21.11%，8.53%和16.67%，16.63%和11.66%。

图3 绿肥油菜还田时期对不同施氮量土壤有机质的影响Fig.3 Effect of green manure rape returning stages and different nitrogen application rates on soil organic matter

2.3 土壤氮含量分析

综合2 a数据，绿肥油菜还田时期对全氮含量的影响存在显著差异(图4)。与G0相比，2019年，G1、G2和G3处理土壤全氮含量比G0处理显著增大6.01%，5.86%，8.00%，2020年则与G0处理差异不显著。与N0相比，施氮提高全氮含量7.05%～30.38%(P<0.05)，且随施氮量增加呈先增加后降低的变化趋势，G1、G2和G3处理均在N270达最高，分别为1.88，1.89，1.81 g/kg。绿肥还田时期和施氮量互作表现为，N135施氮量下，G1和G3处理土壤全氮含量比G0降低3.19%(P>0.05)，6.41%(P<0.05)，G2处理增幅为2.10%；N270施氮量下G1、G2比G0处理土壤全氮含量显著增加5.15%，5.38%，G3增幅为1.27%；N405和N540施氮量下G1、G2和G3处理比G0处理显著增加8.57%，15.35%，7.08%和13.67%，4.53%，11.43%。

G2和G3处理碱解氮均值为114.72，105.92 mg/kg比G0处理增加12.77%(P<0.05)和4.12%(P>0.05)；2019年G1处理碱解氮含量比G0提高8.67%(P<0.05)，2020年则差异未达显著水平，均值增幅

图4 绿肥油菜还田时期对不同施氮量土壤氮含量的影响Fig.4 Effect of green manure rape returning stages and different nitrogen application rates on soil nitrogen contents

为4.12%。碱解氮含量随施氮量增加呈先增加后降低趋势，N270处理下达最大(123.08 mg/kg)，N135处理与N0处理差异不显著，N270、N405和N540处理比N0处理显著增加28.11%，16.72%，11.19%。绿肥还田时期和施氮量互作表现为，与G0处理同等施氮量下相比，G1和G2处理碱解氮含量增幅分别为5.40%～11.49%和4.71%～21.02%(P<0.05)，G3处理N135施氮量比G0N135处理显著增加12.50%，其余施氮量下与G0处理同等施氮量下差异不显著。

2.4 土壤磷含量分析

如图5所示，不同绿肥油菜还田时期对全磷含量的影响存在显著差异，且显著降低速效磷含量。2019年，G2和G3处理土壤全磷含量比G0处理显著降低8.08%，15.28%，G1处理与G0无显著差异；2020年，G1、G2、G3处理比G0降低6.70%，10.70%，14.09%(P<0.05)。与N0相比，N270和N405处理全磷含量显著增加12.86%和7.09%，N135和N540差异不显著。G1处理在N0和N135下较G0同等施氮量全磷含量显著降低5.41%，9.65%，N270、N405和N540处理下降低2.37%，0.60%，3.99%(P>0.05)；G2处理各施氮量下比G0处理全磷含量显著降低6.17%，9.82%，8.47%，7.87%，14.13%；G3处理各施氮量下比G0处理全磷含量显著降低16.14%，17.29%，16.23%，11.37%，12.08%。

2019年，G1、G2和G3处理土壤速效磷含量与G0处理无显著差异；2020年，G1、G2和G3处理速效磷含量比G0显著降低12.28%，13.55%和16.13%。与N0相比，N270和N405处理速效磷含量显著增加12.86%，7.09%，N135和N540影响不显著。G1和G2处理N270施氮量下速效磷含量比G0N270处理提高8.64%(P<0.05)，0.40%(P>0.05)，其他施氮量下均低于G0同等施氮处理；G3N270处理比G0N270处理降低0.72%(P>0.05)，其他施氮量下较G0同等施氮量显著降低16.96%，13.78%，12.51%，5.30%。

图5 绿肥油菜还田时期对不同施氮量土壤磷含量的影响Fig.5 Effect of green manure rape returning stages and different nitrogen application rates on soil phosphorus contents

2.5 土壤钾含量分析

由图6可知，不同绿肥油菜还田时期对土壤全钾含量的影响较小，2 a内差异均未达显著水平。2019年氮肥施用量对土壤全钾影响不显著，2020年，N135、N270和N405处理土壤全钾含量显著增加4.16%，3.87%，6.39%。2019年G1和G2处理土壤速效钾含量比G0处理显著增加3.02%，3.42%，2020年增幅不显著；2019年G3处理与G0处理差异不显著，2020年显著降低3.41%。氮肥施用量的增加对土壤速效钾含量产生显著影响，N270、N405和N540处理土壤速效钾含量比N0处理显著增加17.69%，10.35%，7.20%，N135处理增幅为2.76%(P>0.05)。绿肥还田时期和氮肥的互作效应表现为，G1处理各施氮量下与G0处理同等施氮量下差异不显著；G2处理N270、N405和N540施氮量下比G0处理同等施氮量下显著增加5.89%，5.34%，4.29%；G3处理N135和N540施氮量与G0处理差异不显著，其余施氮量下显著降低6.08%，5.07%，5.30%。

图6绿肥油菜还田时期对不同施氮量土壤钾含量的影响Fig.6 Effect of green manure rape returning stages and different nitrogen application rates on soil potassium content

3 结论与讨论

冬种绿肥是改善土壤肥力、提高作物产量的重要农业措施，还田时期不同可调控后茬作物产量构成因素而影响产量，适宜还田时期可显著增加穗粒数，优化籽粒灌浆过程而提高百粒质量[21-23]。本试验结果表明，与冬闲田(G0)相比，盛花期(G2)还田因增加春玉米穗粒数增加5.59%，实现增产5.89%，2020年绿肥油菜初花期(G1)穗粒数增加8.37%，增产6.37%，但百粒质量无显著差异；2020年荚果期(G3)还田导致穗粒数和百粒质量均值降低2.62%，6.40%而减产8.43%。本试验结果与吕玉虎等[24]、付云章等[25-26]不一致的原因可能在于，其试验选用豆科绿肥还田后茬作物为水稻，而本试验绿肥选用十字花科白菜型冬油菜做绿肥且后茬作物为玉米，绿肥类型及后茬作物水作与旱作等差异导致不同绿肥对作物产量及其构成因素不同。一定范围内，玉米产量随施氮量增加呈先增后减趋势，适宜施氮量促进果穗顶部籽粒发育，减少秃尖，扩大籽粒库容，提高产量[2，27]。绿肥油菜还田，增施氮肥均提高玉米籽粒产量，但在G1和G2处理下施氮量达N270水平后增产不再显著，比G0N270增产6.28%，7.21%，由线性+平台模拟结果可以看出，G1和G2处理可在稳定产量的前提下，降低氮肥施用量，其中G2处理最佳施氮量可显著降低32.57%～41.45%，而G3处理平台产量具有年际间差异，在绿肥还田后第2年，降低6.27%。且未获得最高产量前2020年G1、G2和G3处理的氮肥增产效应比2019年显著增加75.88%，93.08%，148.67%，随着绿肥还田年限的增加，氮肥对产量的正效应更加显著。绿肥油菜还田可在稳产下显著降低氮肥施用量，过量施肥作物产量不会增加甚至减产，翻压绿肥还田后减少化肥施用，玉米产量也能达到高氮产量水平，翻压绿肥的节肥效果，可降低生产成本，实现减氮增效。

本研究结果表明，与G0相比，G1和G2处理提高土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾养分含量；而G3处理对土壤有机质、全氮、碱解氮含量影响不显著，但显著降低土壤速效钾含量3.41%，同时G1、G2和G3处理显著降低土壤全磷和有效磷含量，对全钾含量影响不显著。本研究与李文广等[28]和张晓琪等[29]的研究结果基本一致，原因在于绿肥油菜初花期和盛花期还田，油菜迅速腐解，释放有机质和矿质养分；而绿肥油菜荚果期还田油菜腐解慢，养分释放率低，且油菜植株老化，茎叶纤维素和木质素含量升高，茎叶C/N比增大，导致根系微生物代谢异常，与养分活化相关的酶活性降低，进而土壤养分含量降低。但本研究油菜荚果期还田的结果与朱贵平等[30]的研究结果恰恰相反，其研究表明，油菜盛花期和荚果期还田均可提高土壤中有机质、有效磷、碱解氮、速效钾含量，且荚果期还田对有效磷和速效钾的提升效果强于油菜盛花期还田。分析原因在于本试验在华北地区进行而朱贵平试验在南方进行，区域间的温度及土壤含水量等差异导致油菜生物量以及还田后腐解速率等存在差异，从而造成对土壤养分影响的差异性。因此，温度和水分等环境因素对绿肥腐解的影响机理及区域性差异还有待探究。高菊生等[31]研究表明，紫云英绿肥连续6 a还田后，有机质含量由还田前14.90 g/kg显著增加至25.50 g/kg，增幅为71.11%，土壤全氮含量比东冬闲田处理增幅为28.23%，但较还田前全氮含量降低3.38%，而冬闲田处理显著降低21.62%，绿肥紫云英可以显著增加土壤有机质碳库，并稳定氮素供应；Thorup-Kristensen等[32]在对豆科、禾本科及十字花科油菜等绿肥吸收土壤氮素进行系列研究后发现，油菜对土壤氮素具有更强的捕获能力，绿肥类型和播种量间的差异导致对土壤养分含量产生不同影响。

化肥减量配合绿肥还田可以改善土壤理化性状、增加土壤有机质和速效养分含量，实现减氮增效[33-36]。本试验发现，绿肥油菜盛花期还田肥施氮量减至270 kg/hm2时玉米籽粒产量最高达11 253.34 kg/hm2，且土壤养分含量也最高，这与刘小粉等[37]、梁琴等[38]、何成芳等[39]的研究结果基本一致。根本原因在于，油菜在生长过程中可分泌苹果酸、柠檬酸等有机酸，促进土壤中有机质及难溶性矿质离子的矿化，增强土壤养分活性[40-42]；当用作绿肥还田后腐解释放养分，降低作物对化肥的依赖，适当减少化肥用量不会降低土壤养分分含量导致玉米减产。

绿肥油菜始花期和盛花期还田可提高土壤有机质、氮含量和钾含量，促进春玉米养分吸收与分配，配合施氮量降低至270 kg/hm2，通过增加穗粒数，实现春玉米产量稳定在10 000 kg/hm2以上，并根据线性加平台结果可知，最佳氮肥施用量可调整为200～250 kg/hm2。综上所述，本研究条件下，华北平原地区冬种白菜型油菜用作绿肥，适宜还田时期为始花期至盛花期，可以减氮7.89%～41.45%，可实现华北地区春玉米生产的减氮稳产增效。