施用化肥显著提高土壤速效养分含量并实现作物增产，但长期施肥导致土壤速效养分盈余增加，水分淋溶及残留氮造成水体和大气的面源污染，同时作物生产力和经济效益也降低^[1-2]。绿肥作物在农业可持续、绿色生产中可发挥重要作用，翻压还田后腐解释放养分成为优质有机肥源，复种绿肥减少土壤养分流失而降低环境污染，樊志龙等^[3]研究表明，休闲期种植绿肥可固持主栽作物生长期间的残余养分，使氮淋失减少 23 kg/hm^2[4]，华北平原春玉米复种轮作二月兰使土壤无机氮残留含量降至 55 kg/hm^2[5]；另外，绿肥还田后土壤有机养分库容增加，速效养分吸纳能力显著提高^[3]。因此，休闲期复种绿肥并翻压还田在充分利用自然资源的同时，能够改善土壤性状，减少养分淋溶，提高土壤肥力，为下茬作物生长提供养分，绿肥还田配合适当减施化肥，作物产量保持稳定^[6-8]，将绿肥作物纳入轮作体系替代部分化肥，成为作物高产、稳产和可持续发展的重要农业措施^[9]。

油菜为十字花科作物，近年来在长江中下游双季稻区、西北和东北地区春小麦或春玉米区的复种填闲用作绿肥具有较为深入的研究^[10-13]，其与紫云英等豆科绿肥相比具有养分均衡、抗逆性强、适应性宽和生产成本低等优势^[14]，能够显著增强后茬作物病虫害生物防治能力，在活化土壤难溶性养分等方面也具有独特的作用^[15]。绿肥油菜还田通过增加土壤微生物门和属水平上有益真菌的相对丰度和降低未知菌群的相对丰度，调节土壤微生态环境^[16-19]，同时降低土壤容重和增加土壤养分含量，最终实现作物增产^[20-21]。研究表明，还田后绿肥养分释放规律对后茬作物具有重要调控效应^[22-25]，翻压长武怀豆和黑麦草其累积腐解率可以达到 80% 以上，且碳和氮的释放率可达 90% 和 85% 以上^[26]。翻埋绿肥可显著提高耕层氮累积，在改善土壤养分状况方面发挥重要作用，但针对油菜用作绿肥生物体的腐解及养分规律报道较少，油菜何时还田效果更佳的研究尚未见报道。因此，本试验采用尼龙网袋埋田法研究油菜用作绿肥在初花期、盛花期、角果成熟期还田对干物质腐解动态及碳、氮、磷和钾释放规律的影响，以期为绿肥油菜合理利用与田间养分管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于 2018 年 9 月至 2020 年 9 月在天津市优质农产品开发示范中心基地（119°47′E，31°89′N） 进行。土壤类型为潮土，0~20 cm 土壤理化性质为 pH 8.60、有机质 13.4 g/kg、全氮 1.39 g/kg、碱解氮 118.1 mg/kg、全磷 0.96 g/kg、有效磷 153.9 mg/kg、全钾 24.5 g/kg、速效钾 273.7 mg/kg。

1.2 试验设计

试验为单因素随机区组设计，3 个油菜还田时期处理分别为初花期（G1）、盛花期（G2）和角果成熟期（G3）。油菜品种为白菜型陇油 12 号，在华北地区能安全越冬。油菜分别于 2018 和 2019 年 9 月 26 日播种，小区面积 92 m²，重复 3 次；翻压还田时间分别为 2019 和 2020 年 4 月 14 日（G1）、5 月 9 日（G2） 及 5 月 23 日（G3）。油菜前茬为春玉米，春玉米氮施用量为 270 kg/hm²、磷和钾均为 157.55 kg/hm²，油菜全生育期不施化肥，灌越冬水和返青水。绿肥翻压还田前，每小区取 1 m²，距地表5 cm 以上油菜全部刈割，测定生物体鲜重，然后采用尼龙网袋埋田法进行腐解试验。取长势均匀的地上部鲜样，将其剪成 3～4 cm 长的小段并充分混匀，装入 20 cm×30 cm 的 0.074 mm 孔径尼龙网袋中，每袋装鲜样 150 g，每个处理共计 33 袋，留取 3 袋测定鲜草含水量及初始养分含量，腐解试验过程中为不破坏小区玉米植株生长环境及方便取样，在春玉米小区边缘挖 20 cm 深沟，将其余 30 袋间隔 15 cm 平铺于沟内后覆土。各还田时期处理腐解试验时间跨度均为 123 d，分别于埋后第 3、10、17、24、31、45、59、73、98、123 d 取样，共取 10 次，每次 3 袋重复。取样后去除尼龙网袋表面的泥土及杂物，取出的油菜残体于 105℃杀青 1 h 后 85℃烘干至恒重，称量干重后用微型植物粉碎机粉碎过 0.2 mm 筛备用。

1.3 样品测定及分析方法

采用重铬酸钾-外加热容量法测定有机质含量，凯氏定氮法测定全氮含量，钒钼黄比色法测定全磷含量，火焰光度法测定全钾含量^[27]。相关计算公式如下^[28]：

累积腐解量（mg）= 初始干物质总量-n d 的干物质总量

累积腐解率（%）= 累积腐解量 / 初始干物质总量 ×100

阶段内平均腐解速率（mg/d）= 阶段内累积腐解量 / 阶段天数

养分累积释放量（mg）= 初始还田干物质量 × 初始养分含量-n d 的干物质总量 ×n d 的养分含量

养分累积释放率（%）= 养分累积释放量 /（初始干物质总量 × 初始干物质养分含量）×100

阶段内平均养分释放速率（mg/d）= 阶段内养分释放量 / 阶段天数 ×1000

1.4 数据处理与分析

用 Excel 2016 进行数据统计，用 SPSS 17.0 进行方差分析，用 SigmaPlot 10.0 进行作图。

2 结果与分析

2.1 绿肥用油菜还田干物质量、初始养分含量及碳氮比

由表1 可知，绿肥油菜不同还田时期的干物质量和初始养分有明显差异。2019 年，G3 处理干草还田量为 10.26×10³ kg/hm²，比 G1 和 G2 处理分别显著增加 196.53% 和 32.22%；2020 年，G2 处理干草还田量显著高于 G1 和 G3 处理，分别增加 49.04%和 51.58%。油菜还田时期推迟，全氮、全磷和全钾含量显著降低，2019 年 G1 处理显著高于 G2 和 G3 处理，而 2020 年 G1、G2 和 G3 处理间全氮和全磷差异均达显著水平，而 G1 和 G2 处理全钾含量显著高于 G3 处理。与速效养分相反，还田时期推迟有机质含量增加，G1 和 G2 处理间无明显差异，但分别比 G3 处理显著减少 14.13% 和 10.55%，因此油菜生物体的碳氮比随还田时期推迟显著降低。

注：同列数据后不同字母表示同一年份下不同处理间 0.05 水平下差异显著。

2.2 绿肥油菜干物质腐解特征

由图1 可知，由于绿肥油菜随还田时期推迟生物体含水量降低，腐解袋内干物质重显著增加，随腐解时间的延长残留量逐渐减少、累积腐解率提高、腐解速率逐渐降低（图1），按照时间与腐解速率可划分为快速、中速和慢速腐解 3 个阶段，分别为还田后 0～17、18～45 和 46～123 d。G1、G2 和 G3 处理干物质快速、中速和慢速腐解阶段两年腐解量均值分别为 13.69、16.04 和 20.66 g，4.10、5.91 和 7.66 g，2.45、1.65 和 2.27 g，至腐解结束时，G1、 G2 和 G3 处理的残留量分别为 1.87、4.06 和 13.38 g。

快速腐解阶段，不同还田时期对油菜干物质腐解速率及累积腐解率具有显著影响，两年间 G1、 G2 和 G3 处理的腐解速率分别为 591.17～1020.29、 735.29～1151.47 和 1006.86～1423.92 mg/d，G1 和 G2 处理间无明显差异，均显著低于 G3 处理；G1、 G2 和 G3 处理累积腐解率分别为 54.98%～66.87%、 51.56%～62.98% 和 44.27%～49.10%，G3 处理显著低于 G1 和 G2 处理。中速腐解阶段，G1 处理两年平均腐解速率（140.40 mg/d），显著低于 G2（211.19 mg/ d）和 G3（273.87 mg/d）处理，但不同处理间累积腐解率分别为 19.72%、22.24% 和 16.91%，处理间无显著差异。慢速腐解阶段，G1、G2 和 G3 处理两年平均干物质腐解速率分别为 31.39、16.69 和 29.10 mg/d， G2 显著低于 G1 和 G3 处理。至试验结束，G1、G2 处理的干物质累积释放率两年平均分别为 91.51%、 85.26%，比 G3 处理显著提高 33.40% 和 24.29%。

2.3 碳释放特征

由图2 可知，碳释放速率随还田期推迟显著降低，0～3 d 为碳快速释放期，G1、G2、G3 处理两年碳释放速率分别为 1274.82 和 501.07、1829.73 和 930.66、3107.04 和 1357.23 mg/d；处理间阶段内碳累积释放率差异不显著，G1、G2 和 G3 处理两年平均分别为 26.05%、30.52% 和 27.48%。4～45 d 为碳中速释放期，G1、G2 和 G3 处理碳释放速率两年平均分别降低至 130.00、143.05 和 197.44 mg/d，但阶段内碳累积释放率最高两年平均占比分别达 55.85%、 44.96% 和 33.96%，不同处理间差异达显著水平。 46～123 d 碳释放进入缓慢期，碳释放速率缓慢且趋于稳定，G1、G2 和 G3 处理碳两年平均释放速率分别为 13.79%、27.24% 和 17.89%。至试验结束，G1 处理两年平均碳累积释放率最高达 94.70%，比 G2 和 G3 处理分别显著增加 12.40% 和 23.42%，且 G2 和 G3 处理间差异显著。

2.4 氮释放特征

绿肥用油菜还田后氮素释放速率表现为前快后慢（图3），还田时期不同释放速率具有显著差异，0～17 d 为 G1 和 G2 处理氮释放快速阶段，而 G3 处理为 0～3 d 为快速释放阶段，G1、G2 和 G3 处理两年日平均氮释放速率分别为 18.46、22.49 和 65.44 mg/d，阶段内累积释放率两年平均分别为 70.23%、 65.51% 和 28.49%。快速释放阶段后，氮进入缓慢释放阶段，G1、G2 和 G3 处理两年日平均氮释放速率分别降至 1.56、1.00 和 2.28 mg/d，试验结束时两年平均最终累积释放率分别为 93.09%、86.20% 和 59.97%，G1 和 G2 处理显著高于 G3 处理。

2.5 磷释放特征

磷释放速率随还田期推迟显著降低（图4）。 0～3 d 为快速释放阶段，G1、G2 和 G3 处理两年日平均释放速率分别为 4.07、7.03 和 12.35 mg/d，处理间差异均达显著水平；4～73 d 为中速释放阶段， G1、G2 和 G3 处理两年平均阶段内释放速率分别为 1.12、0.80 和 0.78 mg/d，累积释放率分别为 69.99%、 61.41% 和 43.25%；74～123 d 磷释放进入缓慢阶段， G1、G2 和 G3 处理两年日平均释放速率分别为 0.15、 0.06 和 0.20 mg/d。至试验结束时 G1 和 G2 处理两年平均累积释放率分别为 88.75% 和 86.51%，比 G3 处理（68.04%）分别显著增加 30.43% 和 27.15%。

2.6 钾释放特征

绿肥油菜还田后钾释放速率表现为前快后慢（图5），且年际间存在差异。2019 年，还田后 0～45 d 为钾快速释放阶段，G1、G2 和 G3 处理日均释放速率分别为 5.99、7.37 和 12.73 mg/d，且处理间差异均达显著水平，G2 处理累积释放率 （94.93%）显著高于 G3 处理（82.68%），二者与 G1 处理（89.41%）均无差异；46～123 d 为缓慢释放阶段，G1、G2 和 G3 处理累积释放率仅分别为 11.20%、4.54% 和 7.97%，试验结束时钾 G1、G2 和 G3 处理最终累积释放率分别为 93.88%、99.47% 和 90.65%，且处理间无显著差异。2020 年，0～31 d 为钾快速释放阶段，G1 和 G2 处理间累积释放率无差异，达 90.46%～93.34%，均显著高于 G3 处理（81.68%）；32～123 d 为缓慢释放阶段，G1、 G2 和 G3 处理累积释放率仅分别为 2.17%、1.04% 和 3.00%；试验结束时 G1 和 G2 处理累积释放率无显著差异，分别达 92.63% 和 94.38%，比 G3 处理分别显著增加 9.39% 和 11.45%。

2.7 养分释放总量

经计算绿肥油菜腐解率及两年平均养分释放量，G1 处理释放的碳、氮、磷和钾分别为 1582.49、 98.37、18.00 和 29.85 kg/hm²，G2 处理分别为 3019.78、 125.15、22.88 和 50.42 kg/hm²，G3 处理分别为 2765.07、 90.55、16.46 和 47.58 kg/hm²。G2 处理碳、氮、磷和钾的两年平均释放量均最大，更能适合后茬作物的养分需求。

3 讨论

3.1 绿肥油菜腐解特征

本研究表明，油菜用作绿肥在初花期、盛花期和角果成熟期还田生物体腐解过程均表现为前快-中缓-后慢的特点，可分为快速腐解（0～17 d）、中速腐解（18～45 d）和慢速腐解（46～123 d） 3 个阶段，最终累积腐解率可达 60.53%～91.87%，这与何万荣等^[29]和张成兰等^[30]在研究毛叶苕子、白三叶和油菜等绿肥作物腐解试验时对绿肥腐解过程分段的结论一致。油菜生物体中含有大量多糖、氨基酸和有机酸等可溶性有机物^[31]，还田初期（0～17 d）可溶性有机物快速释放为土壤微生物提供丰富的碳源，提高微生物活性，促进微生物腐解油菜生物体，因此油菜在此阶段干物质量下降最快，腐解速率最高；中期阶段（18～45 d）随生物体可溶性有机物含量减少，木质素和芳香类物质等的比例增大，微生物腐解此类物质速率降低，所以中期阶段油菜干物质量降低缓慢，腐解速率显著降低；后期阶段（46 d 之后），油菜体内可溶性有机物和养分释放率达 16.91%～22.24%，微生物和酶活性显著降低使油菜生物体腐解速率显著降低^[28，32]。绿肥作物腐解 3 个阶段相似，但非豆科和豆科类绿肥不同腐解阶段时间及持续期不同，董浩等^[33]发现，二月兰和黑麦草在翻压后 21 d 内快速腐解，而毛叶苕子在翻压后 11 d 内腐解较快^[26]，本研究中油菜作绿肥翻压还田后 17 d 内快速腐解，究其原因是不同绿肥作物生物体碳氮比间差异导致快速腐解期持续期不同，氮素能够为微生物分解有机物碳提供动力，毛叶苕子碳氮比最小为 6.69～11.18^[26]，油菜为 13.50～43.71，二月兰和黑麦草分别约为 26.68 和 21.20^[34]，同时试验区域环境差异导致土壤温度和水分对绿肥养分释放也会产生不同影响。

3.2 绿肥油菜养分释放规律

刘新红等^[14]研究表明，油菜作绿肥养分释放表现为前快后慢的释放规律，养分间表现为钾 >碳 >氮 >磷；董浩等^[33]对二月兰、黑麦草和毛叶苕子等绿肥试验也表现为钾 >碳 >氮 >磷的养分释放规律。本试验研究结果与之相似，分析原因应该是钾以离子形式存在植物体内，易溶于液相，释放速率最快；碳和氮主要以难分解的有机物形式存在，释放较为缓慢；而磷素在植物体内以大分子核酸和磷脂存在，胶结程度较高，依赖微生物进行分解释放，故累积释放率最低。但本试验研究结果与李忠义等^[34]关于猫豆和赤小豆绿肥腐解研究得出的钾 >磷 >碳 >氮的结论及魏全全等^[35]关于黄壤旱地豆科绿肥养分释放研究中得出的钾 >磷 >氮的结论不一致，这应该与绿肥种类及不同生态区翻压环境有关，李忠义等^[34]和魏全全等^[35]试验选用豆科绿肥且皆在南方地区进行，本试验选用十字花科绿肥且在我国华北地区进行，不同绿肥养分指标如碳氮比等对腐解速率影响不同，此外绿肥生育时期间的差异导致绿肥初始还田量和养分不同也对绿肥的养分释放特征产生不同影响。

休闲田复种绿肥还田较作物单作减少了单位净现值碳、氮排放^[36]，可实现高产高效与低碳、氮排放的协同效益，固碳潜力可达碳 0.12 Pg/ 年^[38-39]。本研究条件下，华北平原春玉米休闲期种植油菜还田后显著增加养分含量，盛花期还田碳、氮、磷、钾的释放量达最大，分别为 3019.78、125.15、22.88、 50.42 kg/hm²，显著高于豆科绿肥如箭筈豌豆^[35]、紫云英和毛叶苕子^[39]还田时的干物质量及氮、磷释放量，但钾释放量较低。Wells 等^[40]研究发现，非豆科绿肥生长 6 周能快速吸收上茬作物收获后土壤残留氮素，使土壤出现极端低氮环境，显著降低氮素淋溶风险，且翻压还田后通过养分再循环产生显著氮肥效应；杨文元等^[41]研究也表明，麦后复种油菜后还田增加土壤碳投入，同时油菜根系分泌物促进土壤难溶性磷的活化，显著提高有机质和磷含量，但速效钾含量显著降低。因此，华北平原春玉米收获后休闲期复种冬绿肥可以充分吸收利用固定土壤残留氮、磷、钾等速效养分，显著降低养分淋溶造成的面源污染问题，同时经过油菜光合作用进行 CO₂ 同化，油菜盛花期还田干物质量最高，显著增加土壤碳源，并通过养分再循环形成显著养分效应^[37]。

4 结论

绿肥油菜还田腐解特征可分为快速腐解、中速腐解和慢速腐解 3 个阶段，养分释放率表现为钾 >碳 >氮 >磷，累积释放率可分别达 87%、72%、 68%、60% 以上。华北平原春玉米收获后休闲期复种冬油菜作绿肥，可以充分利用土壤残留氮、磷、钾等速效养分，显著降低养分淋溶造成面源污染问题的同时进行 CO₂ 同化，油菜盛花期还田干物质量最高，是适宜还田的时期，碳、氮、磷和钾释放量最高，可分别达 3019.78、125.15、22.88 和 50.42 kg/hm²，显著增加土壤碳源，并通过养分再循环形成显著养分效应，为下茬作物减施化肥提供技术支撑与理论依据。

参考文献