紅壤旱地上4種冬綠肥適宜播種量研究

陳曉芬，張路平，秦文婧，陳靜蕊，徐樣庚，劉明，李忠佩，徐昌旭，劉佳*

（1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西 南昌330200；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100081；3.鷹潭市余江區(qū)植保植檢站，江西 鷹潭335200；4.中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京210008）

紅壤廣泛分布于我國南方16 ?。▍^(qū)），總面積約218 萬km2，耕地面積占全國耕地總面積的36%，其中紅壤旱地約占該地區(qū)耕地面積的40%［1-2］。紅壤區(qū)氣候溫暖，雨量豐沛，生物類型多樣，自然條件十分優(yōu)越，是我國重要的糧油生產(chǎn)基地［2］。然而，強(qiáng)烈的風(fēng)化淋溶以及長(zhǎng)期以來不合理的土地利用和粗放管理，使紅壤自然肥力低下、養(yǎng)分貧瘠化加?。?-4］。紅壤旱地土壤養(yǎng)分退化程度尤為嚴(yán)重，旱地作物如花生（Arachis hypogaea）［5］、玉米（Zea mays）［6］的平均產(chǎn)量遠(yuǎn)低于北方地區(qū)，大大限制了紅壤區(qū)生產(chǎn)力的提高及可持續(xù)發(fā)展。充分利用紅壤區(qū)良好的水、熱條件，重建紅壤旱地養(yǎng)分庫，提高土壤肥力已成為保障紅壤區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。

諸多研究表明，種植利用綠肥作物在培肥養(yǎng)地、提高后茬作物產(chǎn)量品質(zhì)、替代化肥、保持水土、凈化環(huán)境等方面效果顯著［7-10］。當(dāng)前，我國南方紅壤區(qū)存在較大面積的冬閑旱地，具有種植利用冬綠肥的時(shí)空潛力。在紅壤旱地上發(fā)展冬綠肥，既可以增加南方季節(jié)性休閑期耕地的植被覆蓋度、減少長(zhǎng)期地表裸露造成的養(yǎng)分淋失和徑流損失，又可以通過植物吸收、光合作用、生物固氮等增加土壤系統(tǒng)的養(yǎng)分輸入，從而有效提升紅壤旱地肥力水平［11］。播種量是決定綠肥作物產(chǎn)量及其肥效發(fā)揮的關(guān)鍵因素之一［12-13］。綠肥作物若播種量太少會(huì)導(dǎo)致其生物量不足，達(dá)不到綠肥還田“以小肥換大肥”的目的；若播種量太多，不僅會(huì)造成種子浪費(fèi)，還會(huì)因植株群體過大而抑制自身生長(zhǎng)［14］。一些研究指出，實(shí)際生產(chǎn)中采用的經(jīng)驗(yàn)播種量往往與經(jīng)科學(xué)研究確定的適宜播種量存在較大偏差［13］。因此，有針對(duì)性地探明綠肥品種的適宜播種量是合理利用綠肥作物的重要前提。

我國綠肥種質(zhì)資源豐富，實(shí)踐和研究表明，鼠茅草（Vulpia myuros，禾本科）、毛葉苕子（Vicia villosa，豆科）、冬油菜（Brassica napus，十字花科）和肥田蘿卜（Raphanus sativus，十字花科）均可在紅壤旱地上作為冬綠肥進(jìn)行種植且具有廣泛適應(yīng)性［15-17］。鼠茅草具有須根系的特點(diǎn)，有利于改良土壤結(jié)構(gòu)，還可以提高易受侵蝕土壤的穩(wěn)定性［18］。毛葉苕子根上具有大量根瘤，固氮能力強(qiáng)，是優(yōu)質(zhì)綠肥作物［16］。冬油菜能夠活化釋放土壤中難溶性營養(yǎng)元素，特別是難溶態(tài)磷，從而提高土壤中養(yǎng)分的生物有效性；肥田蘿卜也具有較強(qiáng)的活化土壤中磷和鉀的能力［19-20］。然而，上述綠肥作物在紅壤旱地上種植時(shí)的適宜播種量目前尚不明確，亟須探明。因此，本研究在紅壤旱地上開展鼠茅草、毛葉苕子、冬油菜和肥田蘿卜的小區(qū)試驗(yàn)，設(shè)置不同播種量處理，研究播種量對(duì)不同品種綠肥鮮、干物質(zhì)量，大、中量養(yǎng)分元素含量及積累量的影響，以期確定上述冬綠肥品種在紅壤旱地上的適宜播種量，從而為綠肥作物推廣利用、紅壤旱地科學(xué)培肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究在江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院贛東北紅壤綜合試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行，該試驗(yàn)區(qū)位于江西省撫州市東鄉(xiāng)區(qū)（116°35′11″E，28°10′59″N），屬中亞熱帶濕潤(rùn)氣候，年均溫18.0 °C，年均降水量2180.6 mm，降水集中于每年的3-6月。供試土壤為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤，每年種植一季花生，花生4月中下旬播種，8月下旬收獲。試驗(yàn)前（前茬花生收獲后）耕層土壤pH 為5.50，有機(jī)質(zhì)15.41 g·kg-1，全氮1.14 g·kg-1，堿解氮102.90 mg·kg-1，速效磷69.17 mg·kg-1，速效鉀288.60 mg·kg-1，交換性鈣2484 mg·kg-1，交換性鎂244.80 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試綠肥為一年生鼠茅草、毛葉苕子、冬油菜和肥田蘿卜，其中鼠茅草為禾本科叢生綠肥，毛葉苕子為豆科蔓生綠肥，冬油菜和肥田蘿卜為十字花科直立型綠肥。鼠茅草購自北京嘉禾源碩生態(tài)科技有限公司；毛葉苕子品種為土庫曼毛苕，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所提供；冬油菜品種為中雙11，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所提供；肥田蘿卜品種為贛肥蘿1 號(hào)，由江西省紅壤研究所提供。參考當(dāng)前生產(chǎn)推薦播種量［18，21-23］，考慮到紅壤旱地肥力水平較低，同時(shí)也為方便操作，試驗(yàn)統(tǒng)一設(shè)5 個(gè)播種量處理，分別為15、30、45、60 和75 kg·hm-2。每個(gè)處理3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積9 m2（3 m×3 m）。播種前開溝、整地，施尿素（含N 46%）、鈣鎂磷肥（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%）作為基肥，每個(gè)小區(qū)N、P2O5和K2O 用量均為45 kg·hm-2。綠肥種子于2018年10月17日播種，播種方式為條播，行距為30 cm。2019年4月5日收獲綠肥（大約花生種植前1～2周），收獲時(shí)鼠茅草處于營養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛期，毛葉苕子處于盛花期，冬油菜和肥田蘿卜處于盛花末期。

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

收獲各小區(qū)全部綠肥地上部分，稱取鮮樣質(zhì)量。每個(gè)小區(qū)取鮮草樣1 kg 運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，置于105 °C 烘箱中殺青30 min，而后80 °C 下烘干。烘干樣品經(jīng)粉碎混勻后，采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定植株全碳（C）含量；凱氏定氮法測(cè)定全氮（N）含量；釩鉬黃比色法測(cè)定全磷（P）含量；火焰光度法測(cè)定全鉀（K）含量；植株樣品經(jīng)HNO3-HClO4消化后，采用原子吸收分光光度法測(cè)定鈣（Ca）和鎂（Mg）的含量［24］。養(yǎng)分積累量=干物質(zhì)量×養(yǎng)分含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，PASW 18.0（SPSSinc，Chicago，IL，USA）軟件進(jìn)行方差分析，差異顯著性檢驗(yàn)用Duncan 法（P＜0.05 置信水平）。運(yùn)用Origin 9.0 軟件進(jìn)行繪圖。本研究所列結(jié)果均為3個(gè)重復(fù)測(cè)定結(jié)果的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 播種量對(duì)4 種冬綠肥生物量的影響

不同播種量對(duì)4 種冬綠肥地上部生物量影響顯著（圖1）。播種量為30 kg·hm-2時(shí)，鼠茅草鮮重和干重最高，分別達(dá)4673 和1265 kg·hm-2，播種量大于30 kg·hm-2時(shí)，鼠茅草生物量降低并有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。鼠茅草的鮮重和干重與播種量均呈極顯著的三次函數(shù)關(guān)系，方程擬合結(jié)果顯示，在播種量分別為31.0 和32.3 kg·hm-2時(shí)，鼠茅草的鮮重和干重分別達(dá)到理論最大值。當(dāng)播種量≤60 kg·hm-2時(shí)，毛葉苕子生物量隨播種量的增加而增加，最高鮮重和干重分別為61275 和11305 kg·hm-2。冬油菜生物量的變化趨勢(shì)與毛葉苕子基本一致，播種量為60 kg·hm-2時(shí)，其鮮重和干重最高，分別為24288 和5438 kg·hm-2。同樣地，肥田蘿卜也在播種量為60 kg·hm-2時(shí)鮮重和干重達(dá)到最高，分別為103100 和14972 kg·hm-2。毛葉苕子、冬油菜和肥田蘿卜的生物量（鮮重和干重）均與播種量呈極顯著二次函數(shù)關(guān)系，即隨著播種量的增加，3 種綠肥生物量均呈現(xiàn)出先升高后降低或趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。根據(jù)各擬合方程計(jì)算出毛葉苕子、冬油菜和肥田蘿卜達(dá)到理論最大鮮重時(shí)所對(duì)應(yīng)的播種量分別為59.6、61.4 和63.3 kg·hm-2，達(dá)到理論最大干重時(shí)所對(duì)應(yīng)的播種量則分別為53.1、58.1 和63.0 kg·hm-2。

圖1 不同播種量下4 種冬綠肥地上部生物量Fig.1 Aboveground biomass of the four winter green manures under different seeding rates

2.2 播種量對(duì)4 種冬綠肥養(yǎng)分含量的影響

播種量對(duì)冬綠肥各養(yǎng)分元素含量的影響不同（表1）。在15 和30 kg·hm-2播種量下，鼠茅草C 含量顯著低于播種量為45 和75 kg·hm-2的處理，而N 含量則表現(xiàn)為15 kg·hm-2播種量下最高（38.31 g·kg-1），75 kg·hm-2播種量下最低（32.57 g·kg-1）。隨播種量的增加，鼠茅草P、K 和Mg 的含量均呈降低趨勢(shì)，而Ca 含量卻表現(xiàn)出增加趨勢(shì)。毛葉苕子C 含量總體隨播種量增加而增加，Mg 含量則相反。播種量為60 kg·hm-2時(shí)，毛葉苕子N 和P 含量最高，分別為48.58 g·kg-1和5.99 g·kg-1，而Ca 含量最高時(shí)對(duì)應(yīng)的播種量處理為45 kg·hm-2。對(duì)于毛葉苕子的K含量，播種量對(duì)其影響不顯著。在30 kg·hm-2播種量下，冬油菜C 含量和Ca 含量分別為373.8 g·kg-1和10.79 g·kg-1，均顯著高于其他播種量處理。冬油菜N、P 和K 的含量整體上都隨播種量的增加而降低。播種量≤45 kg·hm-2時(shí)冬油菜Mg 含量較高，平均為2.25 g·kg-1。肥田蘿卜C 含量在30 kg·hm-2播種量下最低（341.0 g·kg-1），但其P、K 和Mg 含量在該播種量下均為最高，分別為4.60 g·kg-1、41.36 g·kg-1和2.87 g·kg-1。隨播種量的增加，肥田蘿卜N 含量呈增加趨勢(shì)。播種量為15 和45 kg·hm-2時(shí)，肥田蘿卜的Ca 含量分別達(dá)到最低值（12.61 g·kg-1）和最高值（15.47 g·kg-1）。

表1 不同播種量下4 種冬綠肥養(yǎng)分含量Table 1 Nutrient contents of the four winter green manures under different seeding rates

4 種冬綠肥養(yǎng)分元素含量與播種量的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，鼠茅草和毛葉苕子的植株C 含量與播種量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（表2）。鼠茅草和冬油菜的N、P、K 含量均與播種量呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而肥田蘿卜的N 含量卻與播種量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。鼠茅草和肥田蘿卜的Ca 含量與播種量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，鼠茅草、毛葉苕子和冬油菜的Mg 含量與播種量則呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 4 種冬綠肥養(yǎng)分含量與播種量的相關(guān)性Table 2 Correlation coefficients between nutrient contents and seeding rates of the four winter green manures

2.3 播種量對(duì)4 種冬綠肥養(yǎng)分積累量的影響

由表3可知，不同播種量下綠肥各養(yǎng)分元素的積累量差異顯著。鼠茅草的C 積累量在45 kg·hm-2播種量下最高，N、P、K 及Mg 積累量在30 kg·hm-2播種量下最高，而Ca 積累量則在播種量為75 kg·hm-2時(shí)最高。毛葉苕子、冬油菜和肥田蘿卜各養(yǎng)分元素的積累量隨播種量的增加總體呈先升后降的趨勢(shì)。毛葉苕子大量元素（C、N、P 和K）及Mg 的積累量在60 kg·hm-2播種量下最高，而Ca 積累量最高時(shí)的播種量為45 kg·hm-2。播種量為60 kg·hm-2時(shí)，冬油菜C、K 和Ca 的積累量最高，其N、P 和Mg 積累量最高時(shí)對(duì)應(yīng)的播種量為45 kg·hm-2。肥田蘿卜的P 積累量隨播種量的增加而增加，其他元素的積累量均在60 kg·hm-2播種量下最高。

表3 不同播種量下4 種冬綠肥養(yǎng)分積累量Table 3 Nutrient accumulation of the four winter green manures under different seeding rates（kg·hm-2）

將供試綠肥各養(yǎng)分元素積累量與播種量的關(guān)系進(jìn)行回歸擬合，得出各元素理論上的最高積累量及其對(duì)應(yīng)的播種量（表4）。鼠茅草的播種量為30.7～32.7 kg·hm-2時(shí)，其大量元素和Mg 的理論積累量最高，鼠茅草Ca 的積累量與播種量的關(guān)系不明顯。毛葉苕子、冬油菜和肥田蘿卜的播種量分別為50.4～63.4、53.5～58.6 和66.4～80.1 kg·hm-2時(shí)，可以獲得各綠肥品種大、中量元素的理論最高積累量。

表4 4 種冬綠肥養(yǎng)分積累量與播種量的關(guān)系Table 4 Relationship between nutrient accumulation and seeding rates of the four winter green manures

2.4 紅壤旱地上4 種冬綠肥適宜播種量范圍

綜合考慮不同播種量條件下4 種冬綠肥在紅壤旱地上的植株鮮重、干重以及大、中量元素的積累量（表5），可確定鼠茅草的最適播種量范圍在30.7～32.7 kg·hm-2，毛葉苕子的最適播種量范圍在50.4～63.4 kg·hm-2，冬油菜的最適播種量范圍在53.5～61.4 kg·hm-2，肥田蘿卜的最適播種量范圍在63.0～80.1 kg·hm-2。

表5 4 種冬綠肥在紅壤旱地上的適宜播種量范圍Table 5 Ranges of appropriate seeding rate of the four winter green manures in upland red soil（kg·hm-2）

3 討論

適宜的播種量是作物高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，高生物量（鮮草產(chǎn)量）是種植綠肥作物的重要目標(biāo)。播種量不同導(dǎo)致群體內(nèi)小氣候因子和土壤微環(huán)境發(fā)生改變，顯著影響作物產(chǎn)量，適宜的種植密度可以構(gòu)建合理的群體結(jié)構(gòu)，最大限度地利用水、肥、光、熱和空間，從而獲得較高的產(chǎn)量［25-26］。研究顯示，作物生物量隨播種量的增加而增加，且一定范圍內(nèi)增產(chǎn)幅度較大，若繼續(xù)增加播種量則增產(chǎn)幅度減小甚至產(chǎn)量下降［25，27-28］，播種量過大也可直接導(dǎo)致部分作物生物量降低［13］。本研究與前人研究結(jié)果一致，隨著播種量增加，供試4 種冬綠肥地上部生物量（鮮重和干重）均表現(xiàn)出先升后降或趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。其中，毛葉苕子、冬油菜和肥田蘿卜的生物量都在60 kg·hm-2播種量下最高，而鼠茅草則在播種量為30 kg·hm-2時(shí)生物量最高?？梢姡煌G肥品種的適宜播種量存在較大差異。

有研究表明，棉花（Gossypiumspp.）單株N、P、K 養(yǎng)分含量隨種植密度的增大而減少［29］；也有研究發(fā)現(xiàn)，播種量對(duì)紫云英（Astragalus sinicus）植株大、中、微量元素含量沒有顯著影響［25］；本研究中，不同播種量處理間綠肥植株大量和中量元素含量均表現(xiàn)出顯著差異。播種量對(duì)同一綠肥如鼠茅草的不同養(yǎng)分元素含量的影響不同，這與胡敏等［22］報(bào)道播種量對(duì)晚播油菜綠肥C、N 影響不顯著，但顯著影響其K 含量的結(jié)果類似。對(duì)于同一種養(yǎng)分元素，不同綠肥品種對(duì)播種量的響應(yīng)也不同。以N、P 和K 為例，鼠茅草和冬油菜的N、P、K 元素含量均與播種量呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而毛葉苕子的N、P、K 含量與播種量的相關(guān)性卻不明顯。特別需要指出的是，本研究發(fā)現(xiàn)鼠茅草的C 和Ca 含量、毛葉苕子的C 含量以及肥田蘿卜的N 和Ca 含量均與播種量呈顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系，這說明較大的群體結(jié)構(gòu)有利于上述綠肥品種協(xié)同吸收C、Ca 或N 等營養(yǎng)元素。綠肥品種能否生物固氮（豆科和非豆科）、根系（直根和須根）和地上部（蔓生、叢生和直立型）形態(tài)學(xué)性狀以及對(duì)土壤中養(yǎng)分元素的特異性需求都可能是導(dǎo)致植株體內(nèi)養(yǎng)分含量對(duì)播種量響應(yīng)差異的重要原因。

綠肥最重要的作用是養(yǎng)分還田，其養(yǎng)分積累量尤為重要。本研究中，隨播種量增加，毛葉苕子、冬油菜和肥田蘿卜的養(yǎng)分積累量總體呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，與以往報(bào)道結(jié)果類似［22，30］。鼠茅草、毛葉苕子、冬油菜和肥田蘿卜翻壓還田后可為土壤提供的C 量分別為292～429 kg·hm-2、2402～4129 kg·hm-2、324～1966 kg·hm-2和2880～5299 kg·hm-2，對(duì)于提高土壤有機(jī)質(zhì)含量具有積極作用。本試驗(yàn)條件下，通過施肥投入的N、P 和K 分別為45.0、19.6 和37.3 kg·hm-2。鼠茅草生物量較低，其N（32.67～44.69 kg·hm-2）和K（27.55～42.60 kg·hm-2）的積累量與化肥投入量相差不大，但P（3.32～5.17 kg·hm-2）積累量遠(yuǎn)低于肥料投入量，說明在本試驗(yàn)條件下鼠茅草對(duì)土壤N、P 和K 的吸收、活化及歸還作用有限。毛葉苕子和肥田蘿卜生物量高，其積累的N、P 和K 量分別是肥料投入量的8.93 和8.69 倍、2.65 和2.23 倍以及9.91 和11.22 倍（以不同播種量的平均值計(jì)算），對(duì)于土壤養(yǎng)分補(bǔ)充具有重要意義。播種量高于15 kg·hm-2時(shí)，冬油菜N 和K 的積累量明顯高于化肥投入量，但P 積累量與投入量相當(dāng)。本研究中，通過施用鈣鎂磷肥投入的Ca 和Mg 分別為120.5 和27.0 kg·hm-2，僅肥田蘿卜在播種量≥30 kg·hm-2時(shí)Ca 積累量高于投入量，Mg 積累量接近投入量。為達(dá)到“以小肥換大肥”目的，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)考慮綠肥生物量并適當(dāng)減少化肥施用量，供試綠肥的適宜肥料用量仍有待于進(jìn)一步研究確定。

相較于只考慮綠肥鮮草產(chǎn)量，通過綜合考慮綠肥的鮮、干物質(zhì)量以及養(yǎng)分元素積累量來確定綠肥品種的適宜播種量范圍，結(jié)果更為客觀全面［30-31］。本研究測(cè)定綠肥地上部生物量以及大、中量養(yǎng)分元素含量并計(jì)算養(yǎng)分積累量，借助擬合方程明確了鼠茅草、毛葉苕子、冬油菜和肥田蘿卜的適宜播種量范圍。然而，在瘠薄紅壤旱地上種植綠肥，本研究得出的冬油菜和肥田蘿卜的適宜播種量明顯高于稻田冬綠肥采用的播種量［23，32］?？梢姡寥罈l件對(duì)綠肥播種量也有較大影響。盡管可以通過提高播種量在紅壤旱地上獲得較高的綠肥產(chǎn)量，但也應(yīng)考慮大量綠肥原地還田的科學(xué)性，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)結(jié)合目標(biāo)產(chǎn)量、推薦還田量等進(jìn)一步有針對(duì)性地確定各綠肥品種的適宜播種量。

4 結(jié)論

播種量會(huì)影響鼠茅草、毛葉苕子、冬油菜和肥田蘿卜的生物量、養(yǎng)分含量及養(yǎng)分積累量。隨著播種量增加，4種冬綠肥地上部生物量（鮮重和干重）呈先上升后下降或趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。養(yǎng)分元素含量對(duì)播種量的響應(yīng)因元素種類和綠肥品種而異，4 種綠肥的養(yǎng)分積累量隨播種量增加總體呈先升后降的趨勢(shì)。綜合考慮綠肥生物量及養(yǎng)分積累量，鼠茅草、毛葉苕子、冬油菜和肥田蘿卜在紅壤旱地上的適宜播種量范圍分別為30.7～32.7 kg·hm-2，50.4～63.4 kg·hm-2，53.5～61.4 kg·hm-2和63.0～80.1 kg·hm-2。