摘要
探讨长期施用不同绿肥条件下对土壤肥力和玉米产量的影响，为西南地区的绿肥选种提供参考依据。依托 7 年长期定位试验，选择 3 种绿肥品种，设置 4 个处理，冬闲 + 常规施肥（CK）、光叶紫花苕 + 常规施肥（CV）、肥田萝卜 + 常规施肥（CR）、黑麦草 + 常规施肥（CL），分析比较不同绿肥处理玉米产量、玉米养分吸收量、土壤养分含量的差异。不同绿肥处理下，2018—2023 年 6 年的平均产量表现为 CV>CR>CL>CK，且各处理之间差异显著。与 CK 相比，不同绿肥处理 2 年玉米籽粒平均氮、磷含量 CV 处理表现得最高，籽粒平均钾含量 CL 处理最高。秸秆平均氮含量 CV 处理较 CK 提升了约 36.5%，秸秆平均磷含量 CL 处理比 CK 提升了约 75%，秸秆平均钾含量 CV 处理显著高于其他处理。从 2 年均值可以看出，CV、CR、CL 处理均不同程度地提升了玉米的籽粒氮、钾含量和秸秆氮、磷、钾含量。与 CK 相比，各处理 2 年的平均籽粒氮吸收量提高了 1.3% ～ 20.0%，籽粒钾吸收量提高了 5.2% ～ 47.9%，籽粒氮吸收效率从 2 年均值可得出提高了 1.5% ～ 20.4%、钾吸收效率 2 年均值提高了 5.0% ～ 52.9%，玉米籽粒吸收量和吸收效率均值表现为 CV>CL>CR>CK。综合来看，不同绿肥处理均提升了土壤养分含量，其中光叶紫花苕对全氮和碱解氮含量的提升效果最明显，肥田萝卜和黑麦草均不同程度提升了土壤的磷、钾含量。因此，在西南地区绿肥选种种植中，选择光叶紫花苕可维持提升玉米产量，且能提高土壤生产力、促进玉米籽粒和秸秆氮、磷、钾养分吸收量、改善土壤肥力。
Abstract
The effects of long-term application of different green manure on soil fertility and maize yield were discussed， so as to provide reference for seed selection of green manure in southwest China．Based on a 7-year long-term fixedposition experiment，three varieties of green manure were selected and four treatments were set up，including no green manure+conventional fertilization（CK），Osmunda glabra+conventional fertilization（CV），radish+conventional fertilization（CR）and ryegrass+conventional fertilization（CL），and the differences of maize yield，maize nutrient absorption and soil nutrient content with different green manure were analyzed and compared．Under different green manure treatments，the average yield in the six years from 2018 to 2023 showed as CV>CR>CL>CK，with significant differences among the treatments．Compared with CK，the average nitrogen and phosphorus content in CV treatment and the average potassium content in CL treatment of maize grain treated with different green manure were the highest in two years．The average nitrogen content of straw in CV treatment was increased by about 36.5% compared with CK，the average phosphorus content of straw in CL treatment was increased by about 75% compared with CK，and the average potassium content of straw in CV treatment was significantly higher than other treatments．From the average value in 2019 and 2023，CV，CR and CL treatments all increased the nitrogen and potassium content of maize grain and the nitrogen，phosphorus and potassium content of straw to varying degrees．Compared with CK，the average grain nitrogen absorption and potassium absorption increased by 1.3%-20.0% and 5.2%-47.9%，respectively，the grain nitrogen absorption efficiency increased by 1.5%- 20.4% and the two-year average potassium absorption efficiency increased by 5.0%-52.9%．The average values of maize grain absorption and absorption efficiency ranked as CV>CL>CR>CK．On the whole，different green manure treatments could improve the soil nutrient content，among which Osmunda glabra had the most obvious effect on improving total nitrogen and alkali-hydrolyzable nitrogen contents，and radish and ryegrass could improve the soil phosphorus and potassium content to varying degrees．Therefore，in the selection and planting of green manure in southwest China，the planting of Osmunda glabra could maintain and improve corn yield，improve soil productivity，promote the absorption of nitrogen，phosphorus and potassium nutrients in maize grain and straw，and improve soil fertility.
Keywords
随着我国农业经济的快速发展，农业生产力不断加强，粮食产量得到大幅提升，与此同时，土壤的承载力却越来越大，导致了土壤的肥力不断下降。增施化肥可以短期给土壤提供养分，但是如果施用量及施用结构不合理会造成土壤板结、农作物种植效益下降、农田环境污染、农业生产成本增加等[1]。绿肥作为一种绿色清洁的肥源，是一种古老而有效的农业实践[2]。研究发现，绿肥就地翻压腐解可以通过增加土壤的有机质含量、改善土壤结构从而提高土壤肥力，与此同时，还能为玉米生长提供充足的营养、提高玉米籽粒的品质，有助于玉米健康生长，使玉米在实际生产过程中有更高的产量和更好的产量稳定性[3-5]。
绿肥分为豆科绿肥和非豆科绿肥[6]。豆科绿肥，通过与根瘤菌的共生作用固定大气中的氮，增加土壤氮素含量，不仅可以减少土壤对化肥的需求，还可以提高土地的生产力，改良土壤[7-8]。非豆科绿肥主要有禾本科和十字花科。禾本科种植为覆盖作物或绿肥时，会促进作物氮素积累量及吸收效率大幅提高[9]，十字花科其深入土壤的根系可以打破土壤板结，提高土壤的透气性和渗透性，快速生长的地上部分能有效覆盖土壤表面，减少水分蒸发，抑制杂草生长[10]。刘小安等[11]研究使用 2 种豆科绿肥和非豆科绿肥进行播种，经研究发现绿肥腐解速率和养分释放速率受绿肥种类和不同绿肥混合的影响。朱小梅等[12]研究发现豆科绿肥和非豆科绿肥腐解时受土壤和气候等不同因素影响，不同时间段内释放出的氮、磷、钾等主要养分和微量元素也有所不同。
因此，不同的绿肥对环境的适应能力存在着很大的差异，由于生态环境、地域、土壤等因素影响，翻耕绿肥对后茬作物产量和质量的影响也是不同的。前人的研究大多数集中在单一豆科绿肥轮作对作物产量、品质及土壤的短期影响。但对不同绿肥种植对土壤的长期影响未见系统报道。光叶紫花苕、黑麦草、肥田萝卜是绿肥种植系统中具有促进土壤质量提升的代表性植物。因此，本研究分别选择光叶紫花苕、黑麦草、肥田萝卜 3 种常用绿肥植物，在云南省昆明市云南农业科学院嵩明基地进行为期 6 年的绿肥种植-翻压-玉米种植试验。旨在研究不同绿肥种植和翻压对土壤肥力及作物产质量的影响，为云南省乃至西南烟区绿肥品种的选择提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在云南省昆明市嵩明县小街镇云南省农业科学院基地（25°21ʹ11.21ʺ N，103°6ʹ47.24ʺ E，海拔 1910 m）开展。该地属亚热带高原季风气候，年平均降水量 987.1 mm，年平均气温 14.2℃。供试土壤为红色石灰土，土壤质地为黏壤。试验开始前，耕层土壤（0～20 cm）基础理化性状：pH 为 7.1，有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为 22.1、0.9、1.6、9.8 g/kg，水解氮、有效磷、速效钾含量分别为 76.1、30.7、144.5 mg/kg。
1.2 试验设计
玉米品种 2018—2022 年选用黑糯 1 号，2023 年选用曲辰 11 号，以光叶紫花苕子、黑麦草、肥田萝卜为绿肥作物，以上均由云南省农业科学院提供。试验于 2017 年 10 月开始种植绿肥，连续 7 年定位，于 2023 年 9 月作物收获后结束，试验数据在各年作物收获后测试。试验共设 4 个处理，分别为冬闲＋常规施肥（CK）、光叶紫花苕＋常规施肥（CV）、肥田萝卜＋常规施肥（CR）和黑麦草＋常规施肥（CL）。绿肥是小春作物，作物收获后播种，第 2 年作物移植前 20 d 就地翻压。试验地小区面积 26.04 m2，每个处理设 3 个重复，随机区组排列，根据当地农户种植习惯进行日常管理。
1.3 样品的采集与测定
分别于 2019、2023 年 9 月，在玉米小区分别采取 3 株测定玉米植株和籽粒的全氮、全磷、全钾含量，玉米产量以各小区田间实际收获量计算。
作物收获后，于 2018—2023 年 9 月采用五点取样法采集各小区土壤样品，样品采集后风干磨碎分别过筛，土壤理化性状的测定分别为：土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定、土壤全氮采用凯氏定氮法测定、土壤全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定、土壤全钾采用碱融-火焰光度法测定、土壤碱解氮采用碱解扩散法测定、土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，土壤速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，测定方法参照《土壤农化分析》[13]。
1.4 相关参数计算
（1）稳定性指数 = 标准差 / 平均产量
（2）可持续性指数 =（平均产量-标准差）/ 该处理年份中最高产量
（3）籽粒养分（氮、磷、钾）吸收量（kg/hm2）= 籽粒干物质重 × 籽粒养分（氮、磷、钾）含量
（4）籽粒养分（氮、磷、钾）吸收效率（%）= 籽粒养分（氮、磷、钾）吸收量 / 施养分（氮、磷、钾）量
1.5 数据分析
试验数据采用 SPSS 22.0、Excel 2018、Origin 2021 进行数据处理、统计分析及作图。
2 结果与分析
2.1 长期种植不同绿肥轮作对土壤养分含量的影响
如图1所示，种植不同绿肥显著提升土壤的有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量。年际之间各处理波动较大。2018 年有机质、速效钾含量最高的是 CV 处理、全氮含量最高的是 CR 处理，全磷、全钾、碱解氮和有效磷各处理差异不大。2019 年全量氮磷钾、速效钾含量各处理差异不大，碱解氮和有效磷含量最高的是 CV 处理。2020 年有机质、全氮含量最高的是 CL 处理，全磷含量各处理差异不大，全钾含量最低的是 CV 处理，碱解氮、有效磷、速效钾含量最高的是 CL 处理。2021 年有机质含量最高的是 CR 处理，全氮、全磷含量 CK 和 CR 处理差异不大，全钾含量各处理差异不大，碱解氮、速效钾含量最高的是 CK，有效磷含量最高的是 CV 处理。2022 年有机质、全氮含量最高的是 CV 处理，全磷、全钾、速效钾含量各处理差异不大，碱解氮含量最高的是 CR 处理，有效磷含量最高的是 CL 处理。 2023 年有机质含量 CR 和 CL 处理差异不大，全氮含量最高的是 CL 处理，全磷含量最高的是 CR 处理，碱解氮、有效磷含量的最高的是 CR 处理，全钾、速效钾含量各处理差异不大。
2.2 长期不同绿肥轮作对玉米籽粒和秸秆氮、磷、钾养分含量的影响
从表1中可以看出，除 2019 年 CK 的秸秆氮和钾含量高于绿肥处理组以外，2019 年籽粒氮磷钾、秸秆氮含量和 2023 年籽粒、秸秆氮磷钾含量与 CK 相比都有差异。与 CK 相比，不同绿肥的处理 2 年玉米籽粒平均氮含量 CV 处理表现得最高，籽粒平均磷含量 CR 处理最高，籽粒平均钾含量 CL 处理最高。2 年玉米秸秆平均氮含量 CV 处理较 CK 处理提升了约 36.5%，秸秆平均磷含量 CL 处理比 CK 提升了约 75.0%，秸秆平均钾含量 CV 处理高于其他处理。从 2 年均值可以看出，除秸秆钾含量外，CV、CR、CL 处理均不同程度地提升了玉米的籽粒氮、磷、钾含量和秸秆氮、磷含量。
图1不同绿肥处理对土壤肥力的影响
表1不同绿肥处理对玉米籽粒与秸秆氮、磷、钾含量的影响
注：表中数据为“平均值 ± 标准差”；同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05），下同。
2.3 长期不同绿肥轮作对玉米籽粒全量氮、磷、钾吸收量和吸收效率的影响
由表2可以看出，2019 年籽粒的氮吸收量各处理之间没有显著差异，到了 2023 年各处理籽粒氮、钾吸收量明显高于 CK。与 CK 相比，各处理 2 年的平均籽粒氮提高了 1.3%～20.0%，籽粒钾提高了 5.2%～47.9%，CV 处理与 CK 之间有显著差异，CV 处理的增幅最大。
表2不同绿肥处理对玉米籽粒养分吸收量的影响
如图2所示，除 2023 年籽粒磷和钾以外，其余各处理各年份养分吸收效率 CV 处理提升较其他处理最为显。由 2 年均值可看出，氮吸收效率和磷吸收效率表现为 CV>CR>CL>CK，钾吸收效率表现为 CV>CL>CR>CK，籽粒氮吸收效率从 2 年均值可得提高了 1.5%～20.4%、钾吸收效率 2 年均值提高了 5.0%～52.9%，以 CV 处理的增幅最高。
2.4 长期不同绿肥轮作对玉米产量的影响
2018—2023 年不同绿肥处理玉米产量如图2所示，各处理间年际间产量波动大，各处理间 6 年平均产量表现为 CV>CR>CL>CK，各处理产量稳定性指数（值越低表明产量越稳定）表现为 CR ＝ CL<CK<CV，产量可持续性指数（值越大作物产量可持续性越高）表现为 CL>CR>CK>CV（表3），综合来看，CR 和 CL 处理具有较高的稳产性和可持续性。
2.5 植株养分含量与土壤养分含量的相关性分析
由图4相关性分析可知，玉米籽粒氮与全氮和碱解氮呈正相关，籽粒磷与全氮、碱解氮、有效磷呈正相关，秸秆氮和全磷呈正相关，秸秆磷和有机质、全氮、有效磷、速效钾呈正相关，秸秆钾和速效钾呈正相关。籽粒磷和全氮、碱解氮、有效磷呈负相关，秸秆氮和有机质呈负相关，秸秆钾和全钾呈负相关。
图2不同绿肥处理对玉米籽粒养分吸收效率的影响
图32018—2023 不同绿肥处理下玉米年际产量动态
表3不同绿肥处理对玉米平均产量的影响
图4玉米植株养分含量和土壤养分含量的相关性分析
注：* 表示 P ≤ 0.05；** 表示 P ≤ 0.01；*** 表示 P ≤ 0.001。
3 讨论
3.1 长期翻压不同绿肥对土壤养分的影响
绿肥植物在生长期间会积累大量的有机质，并在其翻压后释放到土壤中，成为后续作物的养分来源，同时还可以增加土壤中的氮、磷、钾等必要养分的含量，提高土壤的肥力[14-15]。本研究的结果表明，通过种植绿肥均不同程度提高了土壤的全量和速效氮、磷、钾养分及有机质含量。本研究中，在试验开始第一年处理间的养分差异不显著，原因可能是试验处理可能具有累积效应，开始时影响不明显，但随着时间的推进，这些影响逐渐累积并变得明显。同时本试验中绿肥植物可能需要时间来适应当地气候、水分等，自 2019 年适应后，土壤的肥力就开始增长。本研究中，在 2018 和 2021 年 CK 处理的有机质、全氮含量反而高于其他处理，这可能也因为气候的波动导致土壤的养分稍有变化。黄璐等[16]的研究结果表明，种植绿肥能有效改善土壤环境，提升土壤肥力。本研究也证明了，通过长期种植绿肥，到 2023 年土壤的肥力得到显著提升，综合 5 年的土壤肥力数据来看，对全氮、碱解氮提升效果最好的是 CV 处理，这是因为光叶紫花苕具有较强的固氮能力[17]。对有效磷、速效钾、有机质提升效果较好的是黑麦草和肥田萝卜，两者之间差异不大，全磷、全钾处理间的差异较小，这是因为黑麦草和肥田萝卜的深根系统能够改善土壤的通气性，提高土壤对磷、钾的保留能力，减少其流失和淋溶，同时根系分泌的根际物质可以促进土壤微生物的生长，有利于土壤中磷、钾的转化和循环，提高了磷、钾的有效利用[18-19]。因此，光叶紫花苕还田时，需适当补充磷肥和钾肥，黑麦草和肥田萝卜还田时，需适当补充氮肥。
3.2 长期翻压不同绿肥对玉米养分吸收的影响
本研究中，CV、CR、CL 处理玉米秸秆与籽粒氮、磷、钾含量显著高于 CK，表明种植绿肥可促进玉米对矿质养分吸收和利用。这与李虹桥等[20]的研究结果相似。相关性分析表明土壤有机质、全磷、全钾、碱解氮、速效钾与植株氮、磷、钾养分含量具有显著的相关性和显著的直接影响，而不同绿肥处理土壤有机质、全磷、全钾、碱解氮、速效钾含量及氮、磷、钾养分含量均不同程度高于 CK 处理，进而促进了不同绿肥处理对氮、磷、钾养分的吸收和利用。
3.3 长期翻压不同绿肥对玉米产量的影响
合理选择和利用绿肥，能够有效提高玉米产量[5，21-22]。本研究表明，通过种植不同绿肥与 CK 相比，2018—2023 年都显著提升了玉米产量。在本研究中还发现不同绿肥年际间产量变化大，其原因可能是年际气候差异较大。长期不同绿肥种植下玉米平均年产量最高的为光叶紫花苕，研究表明光叶紫花苕作为豆科绿肥，具有较强的固氮能力[17]。它能够与土壤中的根瘤菌共生，将空气中的氮气固定在土壤中，转化为植物可利用的氮素，为玉米提供充足的氮素营养，促进玉米的生长和发育，从而增加玉米产量[23-24]。这与 Yang 等[25]认为绿肥还田可提升土壤有机质含量，同时促进土壤矿化，使有效养分释放速率增加，这一过程具有持久性效果，满足了作物在整个生长周期中的养分需求，维持了产量的稳定性与农业生产的可持续性的研究结果基本一致。
4 结论
综合 6 年数据来看，种植翻压 3 种绿肥，其玉米产量和土壤养分含量的提升表现为光叶紫花苕 >肥田萝卜 >黑麦草。同时，在西南地区绿肥选品种植中，光叶紫花苕在提升土壤氮含量，增加玉米产量，提高作物生产力方面的表现力是最好的，而肥田萝卜和黑麦草可增加土壤磷、钾含量。因此，7 年的定位试验表明，在西南地区选种种植中选择光叶紫花苕作为填闲作物并翻压，可使后茬作物的产量得到有效提升。