綠肥油菜還田時期對不同施氮量下春玉米產量和土壤養分的影響

蘇 港，王怡針，葛均筑，李子芳，臧鳳艷，王金龍，吳錫冬

(天津農學院 農學與資源環境學院，天津 300384)

華北平原是我國重要的糧食主產區，其耕地面積約占全國耕地面積的21%[1]，在保障我國糧食生產中起著重要作用。該區域糧食產量提升過程中，氮肥貢獻率超過40%[2]，但隨著氮肥施用量的增加，利用率降低，浪費資源的同時又對農業生態系統造成一系列問題。綠色發展理念將主導今后的農業生產，種植業結構調整、耕地用養結合、農作物減氮增效是我國農業生產面臨的主要戰略性任務，綠肥在這些任務中有重要作用。綠肥還田后快速腐解并釋放大量養分，可通過改善土壤理化性狀[3-4]及提升土壤肥力[5-6]而促進作物增產[7-8]，成為化學肥料零增長計劃和土壤有機質提升計劃[9]的重要化學肥料替代源，對農業可持續發展有著重要意義。綠肥還田在固氮活磷、改土培肥、改善土壤微生態環境質量和土壤物理性狀等方面具有重要作用[10-11]。Akter等[4]通過26 a田間試驗發現，綠肥還田可以提高小麥-水稻輪作系統土壤有機質碳、全氮和有效磷含量。研究表明，綠肥還田完全替代化肥短期內對作物穩產增產效果有限，限制了綠肥的應用范圍[12]；紫云英盛花期全氮、全磷和全鉀含量為2.60%，0.13%和1.70%，碳氮比為13～16∶1[13]，但其生物量較小，對微生物發酵分解促進作用有限，不能滿足作物生長需要。因此，如何通過綠肥還田和化肥配施，實現作物高產穩產及化肥合理減施，成為農業可持續發展的研究熱點。綠肥還田配施氮肥對土壤理化性質的影響及其效應機制的研究表明，紫云英翻壓還田20 000～30 000 kg/hm2時，化肥減量20%～40%后，通過顯著提高水稻氮素偏生產力和氮肥農學效率，維持土壤有機質、氮、磷、鉀的供應而顯著提高水稻產量4.15%%～13.20%，是南方稻區兼顧稻米產量和培肥土壤的有效技術措施[14-17]。Martins等[18]長期定位試驗發現，菽麻作綠肥還田配施少量或中等的堆肥促進咖啡田土壤養分平衡的原因在于綠肥的酸化作用可中和部分堿性肥料，減少土壤中鉀、鈣和鎂離子之間的拮抗作用。Yao等[19]研究表明，3種豆科綠肥還田后促進了土壤有機質碳庫和氮庫的積累。已有報道主要研究豆科綠肥生物固氮及減施氮肥角度對下茬作物的調控效應，而關于其他類型作物如十字花科油菜綠肥用翻壓還田的報道較少。

近年來，綠肥作為有機肥的重要來源，在華北平原大面積推廣，但前期研究表明，由于冬季低溫豆科綠肥如毛葉苕子、十字花科綠肥二月蘭等安全越冬難以保障[20]，為此，在華北地區以推廣油菜用作綠肥比較安全。但關于綠肥油菜的還田時期以及還田后對土壤養分的調控效應和對春玉米產量的影響尚未見報道。為此，本試驗研究了華北平原白菜型冬油菜不同時期還田對不同施氮量下春玉米產量及土壤養分的調控效應，以期為華北平原綠肥油菜還田時期的確定及春玉米生產系統減氮增效提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年9月—2020年9月在天津市優質農產品開發示范中心基地進行(119.47′E，31.89′N)。土壤類型為潮土，0～20 cm土壤基本理化性質為有機質13.4 g/kg、全氮1.39 g/kg、堿解氮118.1 mg/kg、全磷0.96 g/kg、有效磷153.9 mg/kg、全鉀24.5 g/kg和速效鉀273.7 mg/kg。試驗點自動氣象站獲取玉米生育期內氣象數據(日均溫、日最高溫、日最低溫、降雨量)(圖1)。

圖1 玉米生育期氣象條件Fig.1 Meteorological conditions at growth stage of maize

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計，主區油菜還田時期分別為無綠肥冬閑田(G0)、初花期(G1)、盛花期(G2)和莢果期(G3)，裂區玉米季施氮量分別為0 (N0)，135 (N135)，270 (N270)，405 (N405)，540 (N540)kg/hm2，按照70%基肥、30%拔節期追肥，每個處理小區重復3次，共60個小區。基肥選用生物質炭基肥(沈陽隆泰生物工程有限公司，N-P2O5-K2O：24-10-10)，追肥選用尿素(N：46%)；P2O5和K2O作為基肥一次性施用均為157.5 kg/hm2，按照肥料養分含量采用過磷酸鈣(P2O5：12%)和硫酸鉀(K2O：50%)配平。

綠肥油菜選用白菜型隴油12號，播種時間均為9月26日，播種量為12 kg/hm2，50 cm等行距開溝撒播。G1、G2和G3處理還田時間分別為次年4月14日、5月9日和5月23日，還田時用粉碎機粉碎滅茬后用旋耕機旋耕還田，油菜生育期內不施肥，常規田間管理。

春玉米供試品種為鄭單958，播收時間分別為2019年5月26日和9月15日與2020年5月30和9月19日，采用60 cm等行距種植，定苗密度67 500株/hm2。小區長6.5 m，寬3.6 m，田間管理措施按照玉米高產田進行。

1.3 測定項目與方法

收獲期每小區中間兩行連續收取20個果穗，置背陰處風干后考種，數取穗粒數，測定百粒質量，取200 g籽粒于鼓風干燥箱85 ℃烘干至恒質量測定干質量，計算含水量后按照14%安全含水量計算百粒質量和產量。

玉米收獲期小區五點取樣法取0～20 cm土樣并充分混勻，待其自然風干后研磨過1.00，0.25 mm篩，采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定有機質，凱氏定氮法測定土壤全氮，堿解擴散法測定堿解氮，鉬銻抗比色法測定全磷，碳酸氫鈉浸提-比色法測定有效磷，原子吸收-火焰光度計法測定全鉀和速效鉀。

1.4 數據處理與分析

Excel 2016進行數據統計，用SPSS 17.0進行二因素方差分析(Duncan多重比較)，Sigma Plot 10.0進行作圖。

2 結果與分析

2.1 春玉米產量及其構成因素分析

由圖2可知，綜合2 a數據不同綠肥油菜還田時期顯著影響春玉米產量，與G0處理相比，G2處理增產幅度5.89%(P<0.05)，產量為9 797.49 kg/hm2；G1和G3處理2019年產量與G0處理無顯著差異，2020年G1處理產量為9 841.57，增幅6.37%，G3處理顯著降低春玉米產量8.43%。綜合2 a數據，與N135相比，施氮量在N270～N540水平玉米產量顯著提高18.38%，21.71%，20.90%，N270、N405和N540間產量差異不顯著。分析不同綠肥還田時期下施氮量對春玉米產量的影響可以看出，G1、G2和G3處理下，產量隨施氮量增加均呈先增后減趨勢，分別在N405、N270和N405施氮量下產量達最高，為10 961.21，11 253.34，10 331.12 kg /hm2，比G0N270增產2.04%，7.21%和-3.82%；G3處理各施氮量下比G0處理產量降低0.59%～8.92%，其中N270減產最小，為0.59%。N135和N270施氮量下G1和G2處理比G0處理顯著增加6.00%，6.28%和6.95%，7.21%，G3處理降低5.80%(P<0.05)，0.59%(P>0.05)；N405和N540施氮量下G1處理比G0處理增加2.04%和0.39%，G2處理降低3.54%和3.91%，G3處理顯著降低3.82%，5.23%。

利用線性加平臺模型模擬可以看出，2019年，G0處理氮肥增產效應(9.30 kg/kg)相比，G1和G2處理氮肥增產效應為9.66，10.40 kg/kg，增幅為3.87%，11.83%；G3處理為8.28 kg/kg，降低10.97%。與G0處理最高產量(10 704.00 kg/hm2)相比，G1、G2和G3處理最高產量分別為10 488，10 168，10 408 kg/hm2，但與G0獲取最高產的施氮量(386 kg/hm2)相比，G1、G2和G3最高產量最佳施氮量分別為317，226，370 kg/hm2，比G0處理降低17.88 %，41.45%和4.15%。2020年，與G0氮肥增產效應(15.71 kg/kg)相比，G1為16.99 kg/kg，比G0處理增幅為8.15%；G2和G3處理氮肥增產效應顯著增加27.82%，31.06%，G1、G2和G3氮肥增產效應比2019年顯著增加75.88%，93.08%，148.67%。G0、G1、G2和G3最高產分別為10 846，11 323，10 831，10 166 kg/hm2，G1、G2和G3處理比G0處理增加4.40%，-0.13%和-6.27%，與G0處理獲得最高產量的施氮量(304 kg/hm2)相比，G1、G2和G3處理降低7.89%，32.57%，10.53%，分別為280，205，272 kg/hm2。

圖中小寫字母表示相同還田時期下不同施氮處理間差異達0.05顯著水平；大寫字母表示綠肥油菜還田時期間差異達0.05顯著水平。圖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，不同綠肥油菜還田時期對玉米穗粒數影響不同。G2處理穗粒數2 a均值為520.97，比G0處理493.48增加5.59%，G1處理2020年穗粒數比G0處理顯著增加8.37%，2019年G0處理無顯著差異，而G3處理穗粒數2019，2020年分別為490.86，462.32，比G0減少4.17%和2.62%。穗粒數隨施氮量增加先增后減，施氮量超過N270增幅不顯著。G1和G2處理下，施氮量達N270后穗粒數增加不顯著，與G0N270處理增幅為5.19%，9.35%；G3處理在N0和N135下，穗粒數顯著減少8.71%，4.70%。綠肥油菜還田時期對百粒質量影響年際間具有差異性，2019年G1、G2和G3處理與G0處理相比增幅為3.32%(P>0.05)，2.25%(P>0.05)和3.66%(P>0.05)；2020年油菜還田降低百粒質量，G1和G2處理未達顯著水平，G3處理顯著降低為6.40%。與N0相比，施氮后百粒質量顯著提高，施氮量增至N270時百粒質量提高不顯著。2019年綠肥油菜還田時期和施氮量的互作效應對百粒質量差異未達顯著水平，2020年與G0相比，G1處理百粒質量僅在N270和N405提高1.06%，4.63%；G2N270百粒質量比G0N270提高4.04%；G3處理各施氮量下比G0百粒質量均減小，其中N270和N405減少1.37%，4.37%(P>0.05)，N0、N135和N540減少7.31%，8.15%，10.51%(P<0.05)。

表1 油菜還田時期對不同施氮量春玉米籽粒產量及構成要素的影響Tab.1 Effects of green manure rape returning stages and different nitrogen application rates on grain yield and components of spring maize

2.2 土壤有機質含量分析

綜合2 a數據，綠肥油菜還田時期對土壤有機質含量的影響具有差異性(圖3)，與G0相比，G1和G2處理有機質含量顯著提高8.28%和11.17%。G3處理對土壤有機質的影響具有年際差異，2019年土壤有機質含量顯著提高4.38%，2020年則差異不顯著。土壤有機質含量隨施量增加先增后減，各施氮量處理比N0顯著提高7.96%～34.68%，且均在N270時達最大(15.04 g/kg)。綠肥還田時期和施氮量互作表現為，與G0相比，N135、N270施氮量下，G1和G2處理均顯著提高土壤有機質含量增幅分別為5.30%和9.96%，10.66%和12.27%，而G3處理在N135水平下土壤有機質含量降低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處理均顯著提高土壤有機質含量，增幅分別為13.20%和21.11%，8.53%和16.67%，16.63%和11.66%。

圖3 綠肥油菜還田時期對不同施氮量土壤有機質的影響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

綜合2 a數據，綠肥油菜還田時期對全氮含量的影響存在顯著差異(圖4)。與G0相比，2019年，G1、G2和G3處理土壤全氮含量比G0處理顯著增大6.01%，5.86%，8.00%，2020年則與G0處理差異不顯著。與N0相比，施氮提高全氮含量7.05%～30.38%(P<0.05)，且隨施氮量增加呈先增加后降低的變化趨勢，G1、G2和G3處理均在N270達最高，分別為1.88，1.89，1.81 g/kg。綠肥還田時期和施氮量互作表現為，N135施氮量下，G1和G3處理土壤全氮含量比G0降低3.19%(P>0.05)，6.41%(P<0.05)，G2處理增幅為2.10%；N270施氮量下G1、G2比G0處理土壤全氮含量顯著增加5.15%，5.38%，G3增幅為1.27%；N405和N540施氮量下G1、G2和G3處理比G0處理顯著增加8.57%，15.35%，7.08%和13.67%，4.53%，11.43%。

G2和G3處理堿解氮均值為114.72，105.92 mg/kg比G0處理增加12.77%(P<0.05)和4.12%(P>0.05)；2019年G1處理堿解氮含量比G0提高8.67%(P<0.05)，2020年則差異未達顯著水平，均值增幅

圖4 綠肥油菜還田時期對不同施氮量土壤氮含量的影響Fig.4 Effect of green manure rape returning stages and different nitrogen application rates on soil nitrogen contents

為4.12%。堿解氮含量隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢，N270處理下達最大(123.08 mg/kg)，N135處理與N0處理差異不顯著，N270、N405和N540處理比N0處理顯著增加28.11%，16.72%，11.19%。綠肥還田時期和施氮量互作表現為，與G0處理同等施氮量下相比，G1和G2處理堿解氮含量增幅分別為5.40%～11.49%和4.71%～21.02%(P<0.05)，G3處理N135施氮量比G0N135處理顯著增加12.50%，其余施氮量下與G0處理同等施氮量下差異不顯著。

2.4 土壤磷含量分析

如圖5所示，不同綠肥油菜還田時期對全磷含量的影響存在顯著差異，且顯著降低速效磷含量。2019年，G2和G3處理土壤全磷含量比G0處理顯著降低8.08%，15.28%，G1處理與G0無顯著差異；2020年，G1、G2、G3處理比G0降低6.70%，10.70%，14.09%(P<0.05)。與N0相比，N270和N405處理全磷含量顯著增加12.86%和7.09%，N135和N540差異不顯著。G1處理在N0和N135下較G0同等施氮量全磷含量顯著降低5.41%，9.65%，N270、N405和N540處理下降低2.37%，0.60%，3.99%(P>0.05)；G2處理各施氮量下比G0處理全磷含量顯著降低6.17%，9.82%，8.47%，7.87%，14.13%；G3處理各施氮量下比G0處理全磷含量顯著降低16.14%，17.29%，16.23%，11.37%，12.08%。

2019年，G1、G2和G3處理土壤速效磷含量與G0處理無顯著差異；2020年，G1、G2和G3處理速效磷含量比G0顯著降低12.28%，13.55%和16.13%。與N0相比，N270和N405處理速效磷含量顯著增加12.86%，7.09%，N135和N540影響不顯著。G1和G2處理N270施氮量下速效磷含量比G0N270處理提高8.64%(P<0.05)，0.40%(P>0.05)，其他施氮量下均低于G0同等施氮處理；G3N270處理比G0N270處理降低0.72%(P>0.05)，其他施氮量下較G0同等施氮量顯著降低16.96%，13.78%，12.51%，5.30%。

圖5 綠肥油菜還田時期對不同施氮量土壤磷含量的影響Fig.5 Effect of green manure rape returning stages and different nitrogen application rates on soil phosphorus contents

2.5 土壤鉀含量分析

由圖6可知，不同綠肥油菜還田時期對土壤全鉀含量的影響較小，2 a內差異均未達顯著水平。2019年氮肥施用量對土壤全鉀影響不顯著，2020年，N135、N270和N405處理土壤全鉀含量顯著增加4.16%，3.87%，6.39%。2019年G1和G2處理土壤速效鉀含量比G0處理顯著增加3.02%，3.42%，2020年增幅不顯著；2019年G3處理與G0處理差異不顯著，2020年顯著降低3.41%。氮肥施用量的增加對土壤速效鉀含量產生顯著影響，N270、N405和N540處理土壤速效鉀含量比N0處理顯著增加17.69%，10.35%，7.20%，N135處理增幅為2.76%(P>0.05)。綠肥還田時期和氮肥的互作效應表現為，G1處理各施氮量下與G0處理同等施氮量下差異不顯著；G2處理N270、N405和N540施氮量下比G0處理同等施氮量下顯著增加5.89%，5.34%，4.29%；G3處理N135和N540施氮量與G0處理差異不顯著，其余施氮量下顯著降低6.08%，5.07%，5.30%。

圖6綠肥油菜還田時期對不同施氮量土壤鉀含量的影響Fig.6 Effect of green manure rape returning stages and different nitrogen application rates on soil potassium content

3 結論與討論

冬種綠肥是改善土壤肥力、提高作物產量的重要農業措施，還田時期不同可調控后茬作物產量構成因素而影響產量，適宜還田時期可顯著增加穗粒數，優化籽粒灌漿過程而提高百粒質量[21-23]。本試驗結果表明，與冬閑田(G0)相比，盛花期(G2)還田因增加春玉米穗粒數增加5.59%，實現增產5.89%，2020年綠肥油菜初花期(G1)穗粒數增加8.37%，增產6.37%，但百粒質量無顯著差異；2020年莢果期(G3)還田導致穗粒數和百粒質量均值降低2.62%，6.40%而減產8.43%。本試驗結果與呂玉虎等[24]、付云章等[25-26]不一致的原因可能在于，其試驗選用豆科綠肥還田后茬作物為水稻，而本試驗綠肥選用十字花科白菜型冬油菜做綠肥且后茬作物為玉米，綠肥類型及后茬作物水作與旱作等差異導致不同綠肥對作物產量及其構成因素不同。一定范圍內，玉米產量隨施氮量增加呈先增后減趨勢，適宜施氮量促進果穗頂部籽粒發育，減少禿尖，擴大籽粒庫容，提高產量[2，27]。綠肥油菜還田，增施氮肥均提高玉米籽粒產量，但在G1和G2處理下施氮量達N270水平后增產不再顯著，比G0N270增產6.28%，7.21%，由線性+平臺模擬結果可以看出，G1和G2處理可在穩定產量的前提下，降低氮肥施用量，其中G2處理最佳施氮量可顯著降低32.57%～41.45%，而G3處理平臺產量具有年際間差異，在綠肥還田后第2年，降低6.27%。且未獲得最高產量前2020年G1、G2和G3處理的氮肥增產效應比2019年顯著增加75.88%，93.08%，148.67%，隨著綠肥還田年限的增加，氮肥對產量的正效應更加顯著。綠肥油菜還田可在穩產下顯著降低氮肥施用量，過量施肥作物產量不會增加甚至減產，翻壓綠肥還田后減少化肥施用，玉米產量也能達到高氮產量水平，翻壓綠肥的節肥效果，可降低生產成本，實現減氮增效。

本研究結果表明，與G0相比，G1和G2處理提高土壤有機質、全氮、堿解氮和速效鉀養分含量；而G3處理對土壤有機質、全氮、堿解氮含量影響不顯著，但顯著降低土壤速效鉀含量3.41%，同時G1、G2和G3處理顯著降低土壤全磷和有效磷含量，對全鉀含量影響不顯著。本研究與李文廣等[28]和張曉琪等[29]的研究結果基本一致，原因在于綠肥油菜初花期和盛花期還田，油菜迅速腐解，釋放有機質和礦質養分；而綠肥油菜莢果期還田油菜腐解慢，養分釋放率低，且油菜植株老化，莖葉纖維素和木質素含量升高，莖葉C/N比增大，導致根系微生物代謝異常，與養分活化相關的酶活性降低，進而土壤養分含量降低。但本研究油菜莢果期還田的結果與朱貴平等[30]的研究結果恰恰相反，其研究表明，油菜盛花期和莢果期還田均可提高土壤中有機質、有效磷、堿解氮、速效鉀含量，且莢果期還田對有效磷和速效鉀的提升效果強于油菜盛花期還田。分析原因在于本試驗在華北地區進行而朱貴平試驗在南方進行，區域間的溫度及土壤含水量等差異導致油菜生物量以及還田后腐解速率等存在差異，從而造成對土壤養分影響的差異性。因此，溫度和水分等環境因素對綠肥腐解的影響機理及區域性差異還有待探究。高菊生等[31]研究表明，紫云英綠肥連續6 a還田后，有機質含量由還田前14.90 g/kg顯著增加至25.50 g/kg，增幅為71.11%，土壤全氮含量比東冬閑田處理增幅為28.23%，但較還田前全氮含量降低3.38%，而冬閑田處理顯著降低21.62%，綠肥紫云英可以顯著增加土壤有機質碳庫，并穩定氮素供應；Thorup-Kristensen等[32]在對豆科、禾本科及十字花科油菜等綠肥吸收土壤氮素進行系列研究后發現，油菜對土壤氮素具有更強的捕獲能力，綠肥類型和播種量間的差異導致對土壤養分含量產生不同影響。

化肥減量配合綠肥還田可以改善土壤理化性狀、增加土壤有機質和速效養分含量，實現減氮增效[33-36]。本試驗發現，綠肥油菜盛花期還田肥施氮量減至270 kg/hm2時玉米籽粒產量最高達11 253.34 kg/hm2，且土壤養分含量也最高，這與劉小粉等[37]、梁琴等[38]、何成芳等[39]的研究結果基本一致。根本原因在于，油菜在生長過程中可分泌蘋果酸、檸檬酸等有機酸，促進土壤中有機質及難溶性礦質離子的礦化，增強土壤養分活性[40-42]；當用作綠肥還田后腐解釋放養分，降低作物對化肥的依賴，適當減少化肥用量不會降低土壤養分分含量導致玉米減產。

綠肥油菜始花期和盛花期還田可提高土壤有機質、氮含量和鉀含量，促進春玉米養分吸收與分配，配合施氮量降低至270 kg/hm2，通過增加穗粒數，實現春玉米產量穩定在10 000 kg/hm2以上，并根據線性加平臺結果可知，最佳氮肥施用量可調整為200～250 kg/hm2。綜上所述，本研究條件下，華北平原地區冬種白菜型油菜用作綠肥，適宜還田時期為始花期至盛花期，可以減氮7.89%～41.45%，可實現華北地區春玉米生產的減氮穩產增效。