我国是世界柑橘的主产区之一，2020 年柑橘年产量达 4406.31 万 t，种植面积达 287.92 万 hm²，位居全球首位^[1-3]。氮素（N）是作物生长发育必需的大量元素之一。但是，我国在柑橘生产过程中存在氮肥施用过量、产投比低等问题^[4]。例如，我国柑橘主产区氮肥用量达 512.74 kg/hm²，而在欧美等发达国家和地区仅为 200 kg/hm^2[5-6]。长期过量施用化学氮肥不仅会造成资源浪费，还会导致土壤理化性质变差、土壤微生物活性降低以及土壤酸化等一系列环境问题^[7-9]。绿肥种植不仅能够增加土壤有机质、提高土壤微生物活性、改善土壤结构、减少径流和养分损失^[10-14]，还可以从大气固定大量氮（110～227 kg/hm²），作为肥料翻压还田可用来培肥地力^[15]。因此，有效利用绿肥还田并减少化肥用量对于我国柑橘产业绿色发展具有重要意义。

前人关于绿肥替代化肥的潜力在玉米、水稻、小麦等粮食作物上进行了大量研究。吕汉强等^[16] 通过对干旱绿洲灌溉农业区玉米的研究发现，绿肥翻压还田后，玉米地上部植株吸氮量和籽粒吸氮量较不复种绿肥处理显著增加，其氮素利用率和氮肥偏生产力分别提高 20.1% 和 25.8%；苟志文等^[17] 在甘肃省武威市对小麦的研究表明，麦后复种豆科绿肥可有效提高小麦的生长速率、增加千粒重。此外，前人对绿肥替代化肥的潜力也进行了一些研究。张松茂等^[18]在河西灌区研究发现，绿肥对春小麦化学氮肥的替代潜力为 11.3%～36.5%。李旭^[4] 研究显示，与常规施肥相比，柑橘园进行绿肥栽培可减少 15%～30% 的氮肥施用量。绿肥替代化肥后，一方面，绿肥的腐解及养分释放过程能够直接为主作物提供养分^[19-21]；另一方面，绿肥能够改善土壤微生物群落结构及多样性，增加有益菌群，促进养分循环^[22-23]。综上，前人对绿肥替代化肥的研究仅表明绿肥能替代一定比例的化肥，但是对其主作物养分贡献量依然不清楚。

本研究在温室盆栽条件下，采用 ¹⁵N 标记的毛叶苕子替代不同比例化学氮肥，以定量绿肥氮素向柑橘不同部位的转移量，明确不同替代比例下绿肥对柑橘氮素吸收、转移和利用的影响，为柑橘园绿肥替代化肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于 2019 年 4 至 9 月在重庆市北碚区国家紫色土肥力与肥料监测站温室大棚（29°48′N、 106°24′E）中进行。试验地属亚热带季风性湿润气候，平均气温 18.3℃、年平均降水量 1105.4 mm^[24]。供试土壤为紫色土，土壤去除砂砾、枯枝落叶等杂质后过 1 cm 筛。土壤 pH 6.8，土壤有机质含量 8.6 g/kg、碱解氮含量 46.63 mg/kg、有效磷含量 34.74 mg/kg、速效钾含量 101.42 mg/kg。在 2018 年 9 月底，于国家紫色土肥力与肥料监测站农场播种毛叶苕子（Vicia villosa Roth），播种量 45 kg/hm²，在毛叶苕子盛花期，选取长势相似、色泽均匀的毛叶苕子，用 ¹⁵N 同位素[溶液氮浓度0.5 %，¹⁵N 丰度 99 atom%，（¹⁵NH₄）₂SO₄]连续标记 4 d 后，刈割采回，剪碎成 1 cm 小段，混匀备用。绿肥干基养分含量为：全碳 734 g/kg、全氮 42 g/kg、全磷 1.1 g/kg、全钾 7.1 g/kg、碳氮比 17.47，¹⁵N 原子百分数为 52%。供试柑橘为大雅 （Citrus reticulata Blanco．Daya）1 年生幼树，砧木为枳壳（Poncirus trifoliata L. Raf.），购于中国农业科学院柑橘研究所。

试验共设置 5 个处理：1）单施化肥对照 （100%CF）；2）绿肥替代 25% 化学氮肥（25%GM+ 75%CF）；3）绿肥替代化学 50% 氮肥（50%GM+ 50%CF）；4）绿肥替代 75% 化学氮肥（75%GM+ 25%CF）；5）绿肥替代 100% 化学氮肥（100%GM）。每个处理设置 4 个重复。如表1 所示，各处理养分投入量保持一致。化肥氮肥为尿素（N 46%），磷钾肥采用磷酸二氢钾，钾肥为硫酸钾。采用盆钵直径 22 cm、深 30 cm 的米氏盆，每盆装 11.37 kg 干土，将新鲜绿肥和土壤混合后均匀装盆，将柑橘苗 （去除基质）移栽到盆中，土壤含水量保持在田间持水量的 60%。为了排除温室环境的影响，盆钵每隔一段时间随机排列一次。

1.2 测定项目与方法

柑橘生长 6 个月后测定植株各部分生物量，植株样品洗净后 121℃杀青、烘干称重，先用剪刀剪碎后，取一部分用粉碎机（800C，浙江）粉碎测定植株全氮，另外一小份用球磨机（QM100 s，北京）粉碎测定 ¹⁵N 丰度。采用同位素质谱仪（vario PYRO Cube～IsoPrime100，Elementar～Isoprime Ltd.，Cheadle Hulme，UK）分析植株全氮和 ¹⁵N 含量。

采用酸度计法测定土壤 pH，水土比为 2.5∶1，威尔科克斯法（环刀法）测定田间持水量，重铬酸钾容重法测定土壤有机质含量，Olsen 法测定土壤有效磷含量，醋酸铵浸提后采用火焰光度法测定土壤速效钾含量。采用重铬酸钾法测定植物全碳，半微量凯氏法测定绿肥全氮，钒钼黄比色法测定绿肥全磷，火焰光度法测定绿肥全钾。

1.3 计算公式

1.3.1 柑橘各器官氮来源于绿肥的比例（氮贡献率）

氮贡献率 =[样品中 ¹⁵N 丰度-自然丰度（0.365）]/ [（绿肥样品中 ¹⁵N 丰度-自然丰度（0.365）]×100

1.3.2 柑橘各器官 ¹⁵N 吸收量

氮吸收量 = 总氮累积量 × 氮贡献率

总氮累积量 = 生物量 × 植株含氮量

¹⁵N 分配率（%）= 各器官 ¹⁵N吸收量/¹⁵N总吸收量 ×100

1.4 数据统计

试验采用 Excel 2007 处理数据，采用 SPSS 20.0 进行单因素方差分析，采用 Duncan 新复极差法进行显著性检验（0.05 水平），采用 Sigmaplot 14.0 作图。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥替代比例对柑橘生物量的影响

不同氮肥替代比例下柑橘各器官生物量存在显著差异（图1）。柑橘总生物量和根、茎、叶生物量随绿肥替代化肥比例的提高均呈现先上升后稳定的趋势，其中 75%GM+25%CF 处理下柑橘总生物量最高，根、茎和叶生物量分别较 100%CF 处理提高 69.19%、52.74% 和 291.82%。绿肥替代氮肥比例超过 50% 时，柑橘根、茎、叶和总生物量均显著高于 100%CF 和 25%GM+75%CF 处理，增幅为 61.68%～107.51%。

注：柱上小写字母不同表示处理间在 5% 水平差异显著。下同。

2.2 不同氮肥替代比例对柑橘氮素累积的影响

如表2 所示，绿肥替代部分化学氮肥后，柑橘根、茎和叶氮累积量和柑橘总氮累积量显著高于 100%CF 处理，且随着绿肥替代化肥比例的提高，柑橘根和茎氮累积量均呈现先增加后稳定的趋势。75%GM+25%CF 处理下柑橘根氮累积量最高，100%GM 处理柑橘总氮累积量最高。相比 100%CF 处理，75%GM+25%CF 和 100% GM 处理的柑橘茎氮累积量分别显著增加了 14.82% 和 14.94%。

注：同列数据后小写字母不同表示处理间在 5% 水平差异显著。

2.3 不同氮肥替代比例对柑橘各器官氮贡献率的影响

柑橘各器官氮贡献率指柑橘各器官中的氮来源于绿肥的比例，反映了植物器官对绿肥 ¹⁵N 的吸收征调能力^[25]。随着绿肥替代比例的增加，柑橘各器官氮贡献率增加；100%GM 处理下柑橘各器官氮贡献率达到最高，柑橘根、茎和叶的氮来源于绿肥的比例分别为 50.00%、46.81% 和 50.72%，较 25%GM+75%CF 处理分别显著增加了 458.03%、 394.82% 和 475.65%；较 50%GM+50%CF 处理分别显著增加了 140.73%、136.77% 和 142.22%（图2）。

2.4 不同氮肥替代比例对柑橘各器官的 ¹⁵N 分配率的影响

¹⁵N 分配率是各器官中 ¹⁵N 占全株 ¹⁵N 总量的百分率，反映了绿肥氮素在树体内的分布及各器官迁移规律。整体上，绿肥向柑橘贡献的氮素，在柑橘根、茎、叶的分布比例分别为 20%～30%、 20%～23%、46%～56%（图3）；以上表明绿肥氮素被柑橘吸收后主要向叶片转运，但是，相对于其他处理，75%GM+25%CF 处理下，绿肥氮素向柑橘根的贡献量显著增加，同时显著降低了对柑橘叶氮素的贡献量。

3 讨论

3.1 绿肥替代化肥对柑橘生物量及氮素吸收的影响

本研究表明，相较于单施化肥，当绿肥替代氮肥的比例大于 50% 时，柑橘根、茎、叶和总生物量显著提高了 20%～90%，其中绿肥替代氮肥 75% 与 100% 时最为显著（图1）。这说明绿肥释放的养分能够满足柑橘幼苗在生长发育过程中对养分的需求，能够提高柑橘地上部生物量。该研究结果与前人在大田作物上的研究结果不一致。邹正^[26]在烟草上的研究发现，当绿肥替代氮肥的比例为 40% 时，烤烟地上部生物量达到最高；前人对水稻生产中绿肥替代化肥比例的研究发现，绿肥替代 20%～40% 化肥为最佳比例，超过该比例时水稻产量有降低的趋势^[27-28]。以上研究结果有差异的可能原因是柑橘幼苗根吸收氮素的能力有限，其根对氮肥耐受性低^[29]。此外，相比于大田作物，柑橘幼苗对养分需求较低，1 年生柑橘幼苗需氮量约 156 g/ 株^[30]，而全量绿肥翻压还田能够满足柑橘对养分的需求。

虽然绿肥施用后柑橘氮累积量显著增加，但不同绿肥替代比例下的柑橘总氮累积量并未出现显著性差异。这可能是因为相比化学氮肥，绿肥氮素释放较为缓慢，其能够持续满足柑橘对氮素的需求，延长了柑橘根对氮素的吸收时长，从而提高了柑橘氮素累积量。但绿肥替代化肥的比例对柑橘总氮累积量的影响并非单调增或减的变化趋势，而是表现为先增加后稳定的趋势。苟志文等^[17]研究发现，麦后复种绿肥下减氮 15% 处理的氮肥替代潜力较减氮 30% 和减氮 45% 处理的明显提高，而减氮 30% 与减氮 45% 处理的氮肥替代潜力无显著性差异。此外，本研究结果表明，施用绿肥对柑橘根部氮素吸收量影响最大，不同替代比例下柑橘根部氮含量出现显著性差异，其中绿肥替代 75% 氮肥时柑橘根系氮累积量最高。对柑橘氮素分配的研究结果也显示，绿肥替代 75% 氮肥时柑橘根 ¹⁵N 分配率显著高于其余处理（图3）。这说明施用绿肥能提高柑橘氮素的吸收能力，同时也能够对柑橘氮素转移产生影响。杨璐等^[31]研究也发现，绿肥具有促进玉米根生长及提高玉米养分吸收能力的效果，单施绿肥以及绿肥与化肥配施后可提高玉米根生物量、根冠比。出现这种现象可能是因为，柑橘根具有趋肥性和可塑性，对于土壤养分变化反应敏感^[32-33]。绿肥作物残体进入土壤后能显著提升土壤有机质，从而提升土壤微生物的数目和群落丰度，进一步促进土壤养分循环，提高养分有效性；同时残体分解过程中氮的生物固持，减少了氮素的流失，提高了土壤氮素的可利用性^[34-37]。

3.2 不同氮肥替代比例对柑橘氮素贡献及其分配的影响

研究结果显示，柑橘叶、茎、根氮贡献率分别为 34%～56%、19%～26%、26%～32%，该研究结果与前人在化肥中的研究结果相似。前人关于苹果对氮素吸收利用的研究表明，苹果或甜茶树木叶、茎、根中的氮来自肥料的百分比分别为 40%～50%、 10%～20%、20%～30%^[38-40]。表明相比较于氮浓度高的氮肥，在氮肥供应方面也能发挥类似的贡献。此外，本研究还发现，不同处理下柑橘各器官 ¹⁵N 吸收量存在显著性差异，并表现为叶 >根 >茎，表明柑橘叶片对 ¹⁵N 征调能力较强，而贮藏器官（茎和根）对 ¹⁵N 征调能力较弱，这与李红波等^[41]在嘎啦苹果上、赵凤霞等^[42]在甜樱桃上、张进等^[43]在冬枣上对氮素分配特性研究的结果一致，即新梢旺长期根部吸收的 ¹⁵N 优先向新生营养器官运转。绿肥释放的氮素被柑橘根吸收后富集于根，之后转移到柑橘茎，然后向柑橘新生器官（叶）转移，目的是供应柑橘幼苗叶片等新器官建造所需要营养，并进行贮藏，从而保证柑橘幼苗正常生长发育，这也说明绿肥替代氮肥后柑橘氮素分配趋势并未改变。各器官 ¹⁵N 分配的关系也表明柑橘幼苗从绿肥吸收的氮在体内的迁移分布和贮藏主要在叶中，其次是根和茎。绿肥替代 75% 氮肥时柑橘叶片 ¹⁵N 分配率减少，且柑橘根 ¹⁵N 分配率显著高于其余处理，这可能是由于柑橘根吸收利用的绿肥氮未能及时向地上部转移造成的，这说明高绿肥替代比例能够有效促进柑橘根对氮素的吸收利用。

4 结论

绿肥替代化学氮肥能够显著增加柑橘生物量以及氮素累积量，绿肥替代比例为 75% 时较为适宜。绿肥翻压还田后对柑橘氮贡献率随着替代比例的增大而增多，在 100% 替代时达到最大值，平均贡献率为 43.98%。绿肥替代能够改变柑橘氮素分配比率，绿肥替代 75% 氮肥时其向柑橘根氮素的分配增加，柑橘根氮素吸收利用能力增强。

参考文献