油菜绿肥利用后鲜食玉米生长及磷素利用特征

周 兴，李 莓，邓力超，刘新红，郭一鸣，王同华，曹钟阳，曲 亮

（湖南省作物研究所，湖南省杂交油菜工程技术研究中心，湖南 长沙 410125）

绿肥是我国传统农业主要有机肥源，其栽培利用对我国传统农业生产有着不可替代的地位和意义。在现代农业生产中，由于化肥施用的便捷性及高效性，其施用量越来越大，导致土壤性状恶化、肥力下降等问题，绿肥利用可以改良、培肥土壤，在保障农作物稳产、高产、优质方面中仍有着极其重要的作用[1-2]。

我国南方冬季有大量冬闲田，有可利用的作物茬口间隙，也有大量的烟、果、桑、茶等经济作物行间空地，种植利用包括油菜在内的绿肥不仅能提高土地资源利用率，促进土地资源可持续利用，而且可充分利用温、光、水资源，提高作物产量和种植效益。绿肥对现代农业发展的作用已得到普遍认同，但不同绿肥有着其各自的优势，其中油菜绿肥也有着与其他绿肥不同的明显优势。油菜具有广泛的生产适应性，其植株生物量大，盛花期养分含量均衡且高于其他绿肥，而且其粗长的直根系能对土壤形成天然的深耕效应，改善土壤结构，提高土壤微生物活性及酶活性[3-4]，另外油菜绿肥还有控制杂草、害虫和土传疾病传播的作用[5-6]。研究表明，油菜盛花期还田作绿肥具有高磷含量，其根系和还田后腐解释放的次级代谢产物可活化土壤难溶性磷[7]，且其本身碳氮比更利于微生物腐解利用和后茬作物养分吸收[8]。因此开展油菜作绿肥还田提高土壤肥力、改善后茬作物磷素吸收和利用研究具有重要意义。

磷肥是农业生产中影响产量的重要因素之一，但由于其主要来源于不可再生资源往往受到限制。此外，磷肥易受侵蚀和淋失形成磷素损失而造成水体富营养化和生态系统退化[9]。因此，作物对磷肥投入的依赖对粮食安全构成了威胁。绿肥作物覆盖与主作物轮作因其增强农业和磷素管理整体可持续性的潜力而备受关注[10-12]。种植绿肥（特别是油菜绿肥）在冬闲期覆盖土壤，减少土壤养分淋失，还可通过增加土壤生物活性或吸收保护土壤可溶性磷来提高后茬作物生产中有机或化学矿物磷效率[13]。目前，对油菜作绿肥的研究多集中在与其他绿肥对比对土壤理化性质的影响，鲜有研究将油菜作绿肥引入高养分投入、低磷素利用效率的玉米种植系统，探讨油菜绿肥利用对后茬作物磷素吸收的调控效应。因此，笔者以鲜食玉米为研究对象，连续多年进行油菜作绿肥还田试验，研究油菜绿肥利用下后茬作物的磷素利用特征，以期为促进玉米高产和油菜作绿肥利用下磷肥增效提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

油菜作绿肥还田开始于2014 年，试验地位于湖南省农业科学院作物研究所基地内（北纬28°，东经123°，海拔45.9 m），属于亚热带季风气候区，年平均气温为17.2℃，年平均降水量1 361.6 mm，年日照时间为1 529.3 h。油菜绿肥品种为油肥1 号，供试玉米品种为沣甜糯3 号。试验所用氮、磷、钾肥种类分别为尿素、钙镁磷肥和氯化钾，分别施用N 80 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2。供试土壤为第四纪红土发育的红黄泥，pH 值5.6、有机碳13.2 g/kg、全氮1.22 g/kg、全磷0.77 g/kg、全钾11.8 g/kg、碱解氮114 mg/kg、有效磷41 mg/kg、速效钾115 mg/kg。

1.2 试验设计

试验共设计4 个处理，分别为：（1）CK，玉米—冬闲，施氮钾肥；（2）NPK，冬闲—玉米，施氮磷钾肥；（3）NPKRa，冬种油菜绿肥—玉米，施氮磷钾肥；（4）NKRa，冬种油菜绿肥—玉米，施氮钾肥。氮肥50%作基肥于玉米播种前1 d 施入，50%作追肥在玉米小喇叭口期施入。磷肥和钾肥均作基肥播种前作基肥施入。

试验采用开沟起畦种植，畦宽2 m，小区面积为20 m2，每个处理设置3 次重复，随机区组排列。油菜绿肥于每年10 月上旬（2015 年开始）均匀撒播至小区厢面，不施任何肥料，各油菜播种小区播种量一致，均为15 kg/hm2，油菜绿肥利用小区于油菜结角初期拔出称重后铡成10 cm 长小段均匀翻压入田。

供试玉米于2019 年4 月2 日（油菜翻压后15 d）打穴播种，每穴播3 粒，每畦种3 穴，穴间距为33.3 cm，行距为66.7 cm，待3 叶苗期每穴定植为1 株，种植密度为45 000 株/hm2。为获得与实际生产情况相一致的数据，试验田的管理与常规鲜食玉米生产管理模式保持一致。

1.3 样品采集与测定

试验前多点采集0～20 cm 土层土样，测定其基本理化性状。油菜绿肥翻压时每小区取3 株有代表性的油菜植株。在玉米乳熟收获期（花后20 d）选取试验小区内有代表性的植株10 株，分成茎+鞘+雄穗、叶片、苞叶、穗轴和籽粒5 个部分，先分别测定各部分鲜重和产量构成因素。植株样品均在105℃杀青30 min，70℃烘干至恒重后测定其干物质量，后将各部分干物质分别粉碎，采用H2SO4-H2O2消煮，钒钼黄比色法测定植株含磷量[14]，根据各部位干物质量和全磷含量计算磷素积累量。收获时将各小区果穗全部采收进行测产，根据小区鲜穗产量折算成单位面积产量。

1.4 数据计算与处理

测算磷肥利用效率，分别利用公式（1）至（5）进行计算[15-16]。

磷吸收量（kg）=植株各部位干物质量×植株各部位磷含量 （1）

磷肥收获指数（%）=成熟期籽粒磷素吸收量÷成熟期植株地上部磷素吸收量×100 （2）

磷肥偏生产力（kg／kg）=施磷处理籽粒产量÷施磷量 （3）

磷肥农学效率（kg／kg）=（施磷处理籽粒产量-不施磷处理籽粒产量）÷施磷量 （4）

磷肥利用效率（%）=（施磷处理地上部吸磷总量-不施磷处理地上部吸磷总量）÷施磷量×100 （5）

数据处理与分析采用Microsoft Excel 2016 和IBM SPSS Statistic 19.0 数据处理软件。

2 结果与分析

2.1 鲜食玉米各部位生物量及产量构成特征

由表1 可知，磷肥的施用可提高鲜食玉米的生物量，与不施磷肥（CK）相比，NPKRa 处理鲜食玉米地上部生物量增产最高，提高37.4%；其次是NPK 处理与NKRa 处理，分别提高26.4%和22.5%，差异均达显著水平（P＜0.05）。相比单施化肥（NPK），油菜绿肥利用也有助于提高鲜食玉米地上部生物量，其中NPKRa 处理显著提高8.7%，而NKRa 有一定降低，降幅达3.1%。与CK 相比，除NKRa 处理穗轴生物量外施磷肥处理还显著促进了鲜食玉米叶、茎+鞘+雄穗、苞叶、穗轴和籽粒生物量提高；与NPK 相比，NPKRa 处理茎+鞘+雄穗、苞叶和籽粒分别显著提高了5.5%、21.6%和10.5%，而NKRa 处理仅有穗轴显著低于NPK 处理。由这说明，鲜食玉米地上部生物量增加主要依靠叶、茎和籽粒生物量增加。

鲜食玉米产量的增产与否还需考察其鲜穗产量，磷肥的施用有助于鲜穗产量增加（表1），与CK 相比，NPK 与NKRa 处理鲜穗产量分别显著增加了15.2%和9.2%，而两施磷肥处理之间无显著差异；NPKRa 处理鲜穗产量最高，较CK 增产28.8%。与NPK 相比，油菜绿肥利用下，NPKRa 较NPK 鲜穗产量有显著提高，增幅达11.8%。分析处理之间鲜穗产量构成因素发现（表2），鲜穗产量的增加主要依靠穗粒数、穗粗和穗长。与CK 相比，NPK 和NPKRa 处理的穗粒数分别显著增加了5.4%和6.3%，二者的穗粗分别显著增加了5.1%和5.3%，NKRa则仅有穗粗显著增加了4.8%。

表1 不同处理玉米各部分生物量分配 （kg/hm2）

表2 不同处理玉米产量构成因素

2.2 油菜绿肥利用对鲜食玉米各部位磷素吸收量的影响

不同处理影响鲜食玉米地上部磷素吸收量不同（表3），与CK 相比，单施化肥（NPK）有助于鲜食玉米地上部磷素积累，增幅达10.7%；而油菜绿肥利用下更有助于鲜食玉米地上部磷素吸收量积累，NPKRa 和NKRa 地上部磷素吸收量分别较CK 增加21.8%和18.4%，差异达显著水平（P＜0.05）；施磷肥条件下，NPKRa 和NKRa 处理鲜食玉米地上部磷素吸收量较NPK 分别显著增加了10.1%和7.0%。鲜食玉米地上部磷素吸收量的增加主要受叶、茎、籽粒磷素吸收量影响。与CK 相比，叶部磷素吸收量NPK处理增加36.9%，差异显著；叶、茎、籽粒磷素吸收量NPKRa 处理分别提高了43.0%、9.4%和19.6%，NKRa 处理则分别提高了39.3%、16.8%和16.8%，2个处理均显著提高了叶、茎、籽粒磷素吸收量。施磷肥条件下，油菜绿肥利用处理地上部磷素吸收量增加主要集中在茎和籽粒中，而其他部位无明显差异。

表3 不同处理玉米地上部磷素吸收量 （kg/hm2）

2.3 油菜绿肥下鲜食玉米磷肥利用率差异

由表4 表明，各施磷肥处理磷肥收获指数并无显著差异，这可能是受鲜食玉米地上部磷素分配影响。与NPK 相比，NKRa 处理显著提高了磷肥偏生产力，增幅达23.3%，NPKRa 处理反而显著降低了磷肥偏生产力，这与翻压利用油菜绿肥含磷量有关。与NPK相比，油菜绿肥利用有助于提供磷肥农学效率和磷肥利用率，NPKRa、NKRa 分别显著提高磷肥农学效率45.7%和97.8%，分别提高磷肥利用率4.1%和7.7%。与NKRa 相较，NPKRa 处理受施磷肥量影响，磷肥偏生产力、磷肥农学效率与磷肥利用率显著降低。

表4 不同处理鲜食玉米磷肥利用效率

2.4 油菜绿肥利用对耕层土壤磷含量的影响

由表5 可看出，不同处理对土壤耕层（0～20 cm）全磷含量无显著影响，而影响其有效磷含量。各处理中土壤有效磷含量以NPKRa 处理最高，其次是NKRa 和NPK，最后是CK。与CK 相比，NPKRa 处理土壤有效磷含量显著提高了23.5%，NKRa 和NPK分别提高了12.9%和12.4%；NPKRa 处理土壤有效磷含量较NPK 处理高9.9%。

表5 不同处理对土壤磷含量的影响

3 讨 论

现代农业的发展需求下，化肥大量施用带来了农产品产量大幅提高，但是也导致农产品品质下降、环境面临前所未有的压力等种种问题，因此这促使有机无机配施技术得到迅速发展，特别是绿肥化肥配施技术。大量研究已证明绿肥与化肥配施是提高作物产量和培肥地力的有效措施[17-18]。在试验中，油菜绿肥翻压配施化肥较单施化肥可提高鲜食玉米地上部生物量和鲜穗产量，明显优化了作物对磷素吸收利用效率。究其原因，一方面在于化学磷肥单独施入土壤中，其磷酸根离子极易与土壤胶体中的 Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+等离子发生配位反应络合进而转化形成难溶性磷，影响作物吸收利用而降低了磷素利用效率[19]；第二方面油菜绿肥还田通过土壤微生物腐解产生大量有机酸阴离子直接保护无机磷肥，减少土壤对磷素的固定；第三方面油菜绿肥本身养分均衡且磷、钾含量丰富，经土壤微生物分解后，改善了土壤养分供应过程，使养分较单施化肥处理平稳释放，为作物生长持续供应养分，提高后茬作物群体质量，促进增产[20-21]。此外新鲜物料油菜绿肥还田可活化土壤微生物、酶活性，改善土壤微生物群落组成，且其粗长的直根系能对土壤形成天然的深耕效应，而改善土壤结构，提高土壤有氧呼吸效率与酶活性[3-4]。在研究中，在连续不施磷肥条件下，油菜绿肥配施氮钾肥相比单施化肥可保障鲜食玉米稳产，且显著提高了土壤磷素利用效率。还田有机物料包括油菜绿肥经腐解产生的有机酸如柠檬酸、苹果酸和酒石酸等，消除了土壤固相表面 Fe、Al 络合作用的大量磷吸附位点，减少了土壤对磷的固定，而且将土壤中Al-P、Ca-P 和Fe-P 中磷酸根阴离子交换、溶解和螯合出来，从而使难溶性磷得到释放，提高土壤中有效磷含量[19,22]。经研究发现，与单施化肥比较，种植利用油菜绿肥提高了土壤有效磷含量，对红壤供磷水平的提高具有积极影响，这进一步说明油菜绿肥与化肥配施利用有助于提高磷素利用效率，其可能原因在于油菜绿肥还田对磷肥起到保护作用。

长期定位试验结果发现油菜绿肥—双季稻长期轮作土壤有效磷含量较冬闲—双季稻提高16.3%[23]。在研究中，NPKRa 处理土壤有效磷含量较NPK 处理高9.9%，恰好验证了此观点，而且考虑到有研究认为还田有机物料所含养分可干扰化肥利用效果[19]，研究试验设置的油菜绿肥利用下不施化肥磷处理证明油菜绿肥有助于提高土壤有效磷含量。此外，从理论来看，油菜绿肥利用可有效促进提高土壤有效磷含量、磷肥利用效率及作物产量，这说明油菜绿肥能替代一定量的化肥磷，但是可替代多少化肥磷，结果仍需进一步研究。

4 结 论

多年油菜绿肥利用可有效提高鲜食玉米产量。相比单施化肥，油菜绿肥配施化肥提高鲜食玉米籽粒、茎+鞘+雄穗、鲜穗生物量分别达10.5%、5.5%和11.8%；油菜绿肥利用下不施磷肥可保障鲜食玉米不减产。

油菜绿肥利用可促进鲜食玉米对磷素吸收利用，提高鲜食玉米磷肥利用效率。相比单施化肥，油菜绿肥利用在施磷肥与不施磷肥条件下提高磷肥农学效率分别达45.7%和97.8%，分别提高磷肥利用率2.47 和20.8 个百分点。

多年油菜绿肥利用可有效促进土壤磷活化，相比NPK，NPKRa 处理提高耕层（0～20 cm）土壤有效磷含量9.9%，在不施化学磷肥条件下，油菜绿肥利用也可保障土壤有效磷含量。