长江中下游地区紫花苜蓿与玉米周年轮作栽培模式

于 晨，王仪明，马 力，苏连泰，高 鲤，周 鹏，安 渊

（1. 上海交通大学农业与生物学院 / 农业部都市农业重点实验室, 上海 200240；2. 上海鼎瀛农业有限公司, 上海 202171；3. 黄河水利科学研究院, 河南 郑州 450003）

长江中下游地区气候温和，水热资源丰富，可周年种植农作物和牧草，适宜发展高效种植业。目前，该区域以水稻(Oryza sativa)→冬小麦(Triticum aestivum)和玉米→冬小麦轮作栽培为主，长期稻→麦和玉米→小麦轮作和化肥高投入，引起农田土壤有机质含量普遍降低，影响作物持续高产、稳产[1]。近几年，中央1号文件连续把农田土壤改良作为国家农业的重要工作。绿肥作物种植具有改善土壤理化性质、提高土壤质量和作物产量的作用，如施入紫云英(Astragalus sinicus)和蚕豆(Vicia faba)绿肥能够明显提高土壤表层(0 - 20 cm)的氮、磷、钾和有机质含量[2-3]，增加轮作水稻产量[4]。我国南方有较长的绿肥作物种植史，据不完全统计，20世纪70年代绿肥作物种植面积达到1 300万hm2[5]，但在过去50年中，由于劳动力短缺和尿素价格相对较低等因素，绿肥种植的面积和频次迅速下降，成为南方农田土壤质量下降的主要原因之一。

紫花苜蓿(Medicago sativa)为牧草之王，营养价值高，经济效益好，是我国种植面积最大的牧草，广泛种植于北方地区，而受到土地资源、酸性土壤等因素限制，南方地区紫花苜蓿种植规模较小，主要种植在安徽、江苏、云南、上海、湖南等省区的弱酸性土壤，养殖业大量需要的苜蓿草主要依赖于北方调运和国外进口，严重制约了南方草食动物养殖业的发展。紫花苜蓿兼具优良牧草资源和绿肥植物资源双重特性，固氮、培肥、增加土壤有机质的功效显著。如紫花苜蓿与小麦、棉花(Gossypiumspp.)、玉米(Zea mays)、水稻轮作明显提高了土壤氮、磷和有机质含量，增加了轮作作物产量[6-11]。南方有大面积冬闲田，如2012年仅湖南、湖北和江西三省的冬闲田面积就达到225万hm2[12]。利用这些冬闲田于10月下旬到11月上旬播种紫花苜蓿，第2年5月底或第3年5月底分别可收获3茬和11茬苜蓿，干草产量分别可达15 000和37 500 kg·hm-2[13-14]。因此，高效利用这些宝贵的冬闲田资源，研发和建立冬季种植紫花苜蓿，夏季轮作作物的紫花苜蓿-作物周年轮作栽培模式与技术，既可生产南方养殖业紧缺的紫花苜蓿草，又可改良农田，增加作物产量，实现经济效益和生态效益双赢。

上海交通大学农业部都市农业重点实验室已对长江中下游地区冬闲田适宜种植的紫花苜蓿品种进行过评价，已筛选出了适宜种植的紫花苜蓿品种[13]。氮(nitrogen, N)、磷(phosphorous, P)、钾(potassium, K)是植物生长、发育所必需的大量元素，能够明显提高北方地区紫花苜蓿的蛋白质含量，降低酸性洗涤纤维含量，增加苜蓿产量[15-16]，但是南方冬闲田紫花苜蓿施肥技术尚未建立，有待深入研究。紫花苜蓿具有良好的固氮能力、再生性能和较高的氮、磷含量，如果将少量紫花苜蓿再生草作为绿肥还田，对轮作饲料玉米产量和土壤养分有何影响，相关研究尚未见报道。而这些问题的研究和解决对建立南方紫花苜蓿与玉米轮作栽培技术十分必要。因此，本研究设置了秋播紫花苜蓿施肥(NPK复合肥)和夏季轮作玉米并将少部分苜蓿作为绿肥还田两个试验，旨在研究紫花苜蓿→玉米周年轮作模式中，NPK复合肥和苜蓿绿肥分别对紫花苜蓿和玉米生长及土壤养分的影响，为建立长江中下游地区紫花苜蓿与饲料玉米周年轮作栽培模式与技术提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

紫花苜蓿品种选用‘WL903’，秋眠级9.5，由北京正道生态科技有限公司提供。玉米品种选用‘澄海8号’(2019年)和‘先玉335’(2021年)，由上海鼎瀛农业有限公司提供。

1.2 试验设计

试验地设在上海市闵行区，该区域属亚热带季风气候。紫花苜蓿与玉米周年轮作的基本思路是每年9月至11月中旬之间种植紫花苜蓿，次年5月中旬完成2茬紫花苜蓿草收获，此后，苜蓿再生约10 d，株高达30 cm左右，为节约化肥投入，再生苜蓿草作为绿肥耕翻、还田，播种饲料玉米。

1.3 紫花苜蓿施肥试验

紫花苜蓿于2018年9月2号播种，条播，行距20 cm，播量22.5 kg·hm-2，播种3 d后出苗。试验区1月和2月的平均最高温度分别为8和9 ℃，最低温度分别为1和2 ℃，这个期间紫花苜蓿保持绿色，处于休眠状态，2月下旬苜蓿恢复生长。根据研究团队前期开展的冬闲田紫花苜蓿施肥试验结果和文献报道[17]，设置了施肥(NPK复合肥)和对照处理，其中，施肥处理的N、P、K的比例和用量分别为12、7.2和24 g·m-2，合计43.2 g·m-2，由尿素(含N 46%)、磷肥(粉状过磷酸钙，含P2O512%)和钾肥(颗粒状硝酸钾，含N 13 %，含K 38%)配制而成，以不施肥作为对照(CK)。将NPK复合肥等分成两份，分别在苜蓿第1次刈割前20 d (3月15日)和刈割后15 d (4月15日)分两次追施。施肥和对照处理各设3次重复，每个重复小区面积30 m2，小区间隔40 cm，另外，在苜蓿地旁留100 m2空地，撂荒处理，用于土壤养分测定的对照区。

1.4 轮作玉米试验

绿肥添加方式：设置原位添加和异地添加两种方式。原位添加为第2茬苜蓿刈割后10 d (5月20日)，鲜草产量达1.6 kg·m-2(约3 000 kg·hm-2干草)时，将再生苜蓿直接耕翻到土壤中作为绿肥；异地添加为苜蓿刈割后移入未种植苜蓿土壤中(即冬季种植一年生黑麦草(Lolium perenne)地，齐地刈割后添加苜蓿)作为绿肥，添加量为1.6 kg·m-2鲜草(即3 000 kg·hm-2干草)，耕翻、耙平土壤，然后播种玉米，该处理用作原位添加苜蓿的对照处理之一，以便进一步明确原位添加苜蓿对轮作玉米的增产效益。

轮作玉米处理：轮作玉米设置苜蓿绿肥原位添加和不添加(对照)、苜蓿绿肥异地添加和不添加(对照)两个试验，玉米品种分别为‘澄海8号’和‘先玉335’。两个试验分别于2019年6月5日和2021年6月1日穴播玉米(为后补试验)，每穴2粒种子，株行距40 cm，出苗后间苗，每穴留苗1株，密度60 000株·hm-2，播前施NPK基肥725 kg·hm-2, 在拔节期和抽雄授粉期分别沟施尿素300和90 kg·hm-2(含N量为46%)。所有处理3次重复，每个重复(小区)面积50 m2，间隔40 cm。

1.5 测定内容和方法

1.5.1紫花苜蓿和玉米产量测定

紫花苜蓿：分别于2019年4月5日和5月10日进行第1次和第2次刈割，留茬高度5 cm，鲜草样品标记，105 ℃杀青0.5 h，60 ℃烘干至恒重，测其干重，计算干鲜比。

玉米：于玉米成熟期从每个小区中间取2 m2，刈割、称鲜重，然后取2株称重，在烘箱105 ℃杀青1 h，60 ℃烘干至恒重，称其干重，计算干鲜比。

1.5.2植物和土壤养分测定

苜蓿蛋白质和土壤全氮含量采用凯氏定氮仪(Foss-K2300) 测定；苜蓿全 P 、全K和土壤速效钾含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪(PE8000) 测定；土壤速效磷含量采用钼锑抗比色法测定[18]；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定[18]。

1.6 数据分析

采用SAS 9.1 统计分析软件(SAS Institute，US)对数据进行方差分析和最小差异显著法分析(P＜0.05)，采用Excel制图。

2 结果与分析

2.1 施肥对紫花苜蓿生长的影响

施肥促进了紫花苜蓿的生长，株高和产量显著高于对照处理(P＜ 0.05) (图1)。4月和5月份收获的两茬苜蓿株高分别比对照增加16.1%和10.5%，产量分别增加30.4%和11.4%，第1茬草的产量增幅高于第2茬草，说明3月份返青期施肥对促进苜蓿生长十分重要。

图1 施肥对紫花苜蓿株高和产量的影响动态Figure 1 Effect of the NPK fertilizer on the height and yield of alfalfa

2.2 施肥对紫花苜蓿氮、磷、钾含量的影响

施肥明显提高了紫花苜蓿叶片蛋白质含量(P＜0.05)，而对茎蛋白质含量的影响不显著(P＞ 0.05)(图2)。 4月和5月份收获的叶片蛋白质含量分别比对照增加30.9%和7.9%。其中，施肥处理下4月份苜蓿叶片和茎的蛋白质含量依次达到29.7%和22.0%，苜蓿整体品质高；5月份叶片和茎的蛋白质含量依次为31.59%和16.16%，茎部明显老化，蛋白质含量下降显著(P＜ 0.05)，部分原因是第2茬苜蓿收割较晚，株高已达1 m，植株出现一定程度的倒伏，影响苜蓿品质，因此，可适当延迟第1茬草收割时间。

施肥对紫花苜蓿茎和叶的全磷含量作用不显著，但5月份收获紫花苜蓿的叶片全磷含量高于4月份(图2)。施肥对紫花苜蓿叶片钾含量的影响大于茎部。4月份收获，施肥处理的苜蓿叶片钾含量显著低于对照处理(P＜ 0.05)，下降10.83%，而5月份则显著高于对照(P＜ 0.05)。施肥对紫花苜蓿茎部钾含量的影响较小，但5月份茎部钾含量高于4月份(P＜ 0.05)。

图2 施肥对紫花苜蓿茎和叶片蛋白质、磷和钾含量的影响Figure 2 Effect of the NPK fertilizer on the protein, phosphorus and potassium contents in the leaves and stems of alfalfa

2.3 种植紫花苜蓿对土壤养分含量的影响

与未种苜蓿地(撂荒地) 相比，种植紫花苜蓿提高了土壤的全氮、速效磷和有机质含量(表1)，0 -10、10 - 20和20 - 30 cm土层的全氮、速效磷和有机质含量(20 - 30 cm除外)均显著提高(P＜ 0.05)；但速效钾含量呈现相反的变化趋势，撂荒地10 -20和20 - 30 cm土层的速效钾含量显著高于种植苜蓿土壤(P＜ 0.05)。施肥提高了苜蓿地0 - 20 cm土层的总氮和速效磷含量，但与未施肥苜蓿地之间差异不显著(P＞ 0.05)。

表1 紫花苜蓿地与撂荒地土壤养分含量的差异Table 1 Nutrient contents of the soils planted or not planted with alfalfa

2.4 紫花苜蓿绿肥对轮作玉米生长的影响

原位添加苜蓿绿肥(即再生苜蓿还田后轮作玉米)显著促进了轮作玉米(‘澄海8号’)的生长(P＜0.05)，玉米株高和全株生物量分别比对照增加29.5%和40.1% (图3)。为进一步研究紫花苜蓿与玉米轮作的增产效益，在未种植紫花苜蓿的地块添加等量紫花苜蓿绿肥(异地添加)，然后播种玉米(‘先玉335’)，以进一步分析原位添加苜蓿绿肥对玉米的增产效果。结果显示，异地添加苜蓿绿肥仍显著促进玉米生长，但增加幅度低于轮作处理，玉米株高和全株生物量依次比对照增加10.8%和16.7%，说明原位添加苜蓿绿肥对轮作玉米的增产效果显著(P＜ 0.05)。

图3 紫花苜蓿绿肥对玉米生长的影响Figure 3 Effect of alfalfa green manure on corn growth

2.5 紫花苜蓿绿肥对轮作玉米土壤养分含量的影响

原位添加苜蓿绿肥显著提高了土壤养分含量(P＜ 0.05) (表2)，玉米收获后0 - 10和10 - 20 cm土层的全氮含量分别比对照增加58.5%和42.0%；0 - 10、10 - 20和20 - 30 cm土层的速效钾含量分别比对照增加22.3%、16.4%和23.4%；土壤有机质含量分别增加24.1% (10 - 20 cm)和21.7% (20 -30 cm)；对速效磷的影响主要体现在10 - 20 cm土层，增加幅度达到62.0%。

表2 原位添加苜蓿绿肥对玉米田土壤养分含量的影响Table 2 Effect of local application of alfalfa green manure on the nutrient content of corn soil

3 讨论

3.1 施肥促进了冬闲田紫花苜蓿的生长和品质提升

长江中下游地区紫花苜蓿周年常绿，秋季和初冬凉爽的气温比较适宜高秋眠级紫花苜蓿的生长。9月20号播种的紫花苜蓿当年株高可达30 cm，次年4月和5月的干草产量分别达到9 400和7 600 kg·hm-2[13]，表明在南方秋播紫花苜蓿的越冬和次年生长不会受到冬季气温的影响。根据本研究团队多年的实践经验，紫花苜蓿秋播期尽可能提前，最晚不迟于11月中旬，以便苜蓿幼苗利用秋冬季形成良好的根系，为越年快速生长奠定基础。

N、P、K是植物生长必需的营养元素，均衡配施可以有效平衡植物营养，增加产量[15]。在国内不同地区开展的紫花苜蓿施肥试验证明，NPK复合肥可明显促进紫花苜蓿增产，效果比单施N、P、K肥更明显[16,19-21]。就N、P、K单施而言，P肥对苜蓿的增产作用最大，其次是N肥，K肥最小[15]，说明P肥对苜蓿增产十分重要。在我国北方紫花苜蓿主产区，苜蓿氮素营养普遍较好，而P、K营养普遍较差，钼元素缺乏现象严重。49个调查样地数据的相关性分析表明土壤全磷和速效磷含量与产量呈现显著的正相关关系[22]，进一步说明P肥对苜蓿产量形成的重要性。本研究中，施NPK复合肥显著(P＜0.05)提高了前两茬苜蓿的株高和产量，累计增产幅度达到22.7%，NPK复合肥对促进冬闲田紫花苜蓿生长具有重要的作用。施肥时间影响着紫花苜蓿全年生长，从已报道文献资料看，春季施NPK复合肥的增产效果好于夏季[16,23]。本研究中，早春(3月15日)和第1茬收割后10 d (4月15号)施肥显著(P＜0.05)促进了紫花苜蓿的生长。在南方早春，非秋眠紫花苜蓿的生长速度非常快[13,17]，对养分的需求量比较大，同时，南方高密度种植又增加了苜蓿对养分的需求量，因此，本研究采用两次追肥处理可有效补充苜蓿快速生长对养分的消耗，促进苜蓿生长，获得高产。

施肥促进紫花苜蓿增产的同时，也提升了苜蓿的品质。随着施肥量的增加，粗蛋白质含量显著增加，而中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量显著降低[23-24]。本研究中，施肥显著提高了紫花苜蓿叶和全株的氮含量(P＜ 0.05)，第1茬苜蓿(4月)的叶和茎蛋白质含量分别达到29.7%和22.0%，品质非常好。施肥降低了第1茬苜蓿叶片K含量，但明显增加了第2茬叶片的K含量。张丽娟等[25]研究表明，较高的氮肥水平可降低苜蓿叶片的K含量，此时，K成为N吸收和利用的限制因素，说明第一次追肥可适当增加施钾量。

3.2 种植紫花苜蓿增加了土壤养分积累

紫花苜蓿根瘤能够固定空气中游离态氮，增加土壤氮积累。我国半干旱地区，1 hm2苜蓿地每年可固氮100～300 kg，固氮量随着苜蓿种植年限的延长而逐年增加[26]，土壤钾和有机质积累也随之增加[27]，但土壤养分呈现出明显的“表聚性”，主要储存于0 - 20 cm土层，20 cm以下土层的养分含量急剧降低[28-29]。与此相似，本研究中，种植苜蓿显著(P＜ 0.05)增加了土壤氮、速效磷和有机质含量，但降低了土壤速效钾的含量，该结果与第1茬苜蓿叶片钾含量降低相吻合，进一步说明适度增施钾肥对冬闲田苜蓿种植十分必要。

从已报道的文献资料看，氮肥有增加紫花苜蓿草地土壤有机质和降低速效磷含量的作用[30-31]。PK复合肥可提高苜蓿草地表层土壤的N、P含量，效果优于单施P、K肥[16]。与此相似，本研究中施NPK复合肥提高了紫花苜蓿草地0 - 20 cm土层的全氮和速效磷含量，增加幅度分别达到9.2%～10.8%和6.3%～9.5%，说明NPK复合肥对长江中下游地区冬闲田紫花苜蓿草地土壤养分积累具有很好的提升作用。

3.3 紫花苜蓿绿肥促进了轮作玉米生长和土壤养分积累

紫花苜蓿与作物种轮作能有效提高土壤肥力，增加轮作作物产量。如紫花苜蓿对轮作水稻和小麦籽实的增产幅度分别达到8.8%和26.8%[8-9]。玉米是C4植物，充足的养分供应可以高效发挥其生长潜能，增加产量，其中，与紫花苜蓿轮作是非常高效的养分供应方式。与水稻和小麦相比，玉米与紫花苜蓿轮作的增产幅度更大，达到59.1%[7]。本研究中，种植苜蓿并将部分苜蓿还田大幅增加了轮作玉米全株产量，增幅超过40%。这一方面是种植紫花苜蓿提高了土壤有机质，另一方面，苜蓿绿肥含有高活性的N、P、K元素，二者结合为玉米创造了较为适宜的微生物环境，促进有机物分解和土壤养分利用效率，因此大幅促进玉米生长。

研究表明，紫花苜蓿与玉米轮作第1年每公顷固定的N可以代替将近150 kg的N肥，因此，能够有效降低轮作玉米的化肥投入[7]。紫花苜蓿绿肥还田对轮作水稻增产和化肥减施的效果也十分显著。在12 000 kg·hm-2紫花苜蓿鲜草还田的基础上，轮作水稻减施20%氮肥，可以保障水稻高产；减施40%，产量接近常规水平[8]。因此，轮作紫花苜蓿并部分还田是农作物化肥减施的有效措施。与连续种植玉米相比，玉米和紫花苜蓿轮作两年可使土壤有机碳含量增加25%，并且，轮作苜蓿对土壤N的增加效果明显高于轮作大豆(Glycine max)，N肥替代值约是大豆的一倍[7]。本研究中，轮作玉米田0 - 20 cm土层的全氮含量和0 - 30 cm速效钾含量均显著高于对照处理，同时，10 - 20 cm速效磷含量和10 - 30 cm有机质含量也显著增加，表明种植紫花苜蓿并部分还田对轮作玉米田的土壤养分积累有明显的提升作用。

4 结论

长江中下游地区冬闲田种植紫花苜蓿可明显改善农田土壤质量，并且施肥可大幅促进冬闲田紫花苜蓿生长，提高苜蓿产量和品质。将部分紫花苜蓿再生草作为绿肥还田可有效促进轮作饲料玉米的产量，增加土壤养分积累。本研究结果证明在长江中下游地区进行紫花苜蓿与玉米周年轮作，即可获得苜蓿和玉米高产，又可改良农田土壤，是长江中下游地区生态、高效、可持续利用冬闲田的有效种植模式，同时，也是长江中下游地区大力发展紫花苜蓿种植的一条有效途径。