張學風，王登科，黃蕾，姚露花，栗楊，賀治斌，康林，郭彥軍

(西南大學農學與生物科技學院，重慶 400716)

在我國農業(yè)生產中，化肥的長期施用使土壤板結程度提高[1]、土壤保墑和供肥能力下降[2]，加上頻繁的翻耕作業(yè)，導致土壤有機質含量普遍降低、作物生產的穩(wěn)定性及抗逆性下降[3]。同時，無機化肥的不合理施用導致養(yǎng)分大量流失，對環(huán)境的污染程度加劇[4]。綠肥作物是中國傳統(tǒng)農業(yè)中較為重要的作物之一[5]，也是提高土壤有機質含量的有效措施之一[6]。綠肥作物通過翻埋回田或是堆漚后直接作為有機肥料使用[7]。在南方雙季稻區(qū)，綠肥輪作尤其是紫云英(Astragalussinicus)-稻(Oryzasativa)-稻-油菜(Brassicanapus)/花生(Arachishypogaea)-稻能提高土壤有機碳質量分數(shù)和土壤碳庫管理指數(shù)，有利于改善土壤質量，提高土壤肥力[8]。在植煙土壤，連年翻壓綠肥能夠降低土壤緊實度，增強土壤團聚結構的穩(wěn)定性，提高土壤中細菌、真菌和放線菌的數(shù)量以及土壤微生物量碳的含量[9]。綠肥作物翻壓入土后，其有機物質的腐解速度與作物品種、翻壓時間及其土壤溫度有關[10]。如在旱地條件下，山黧豆(Lathyrusquinquenerviu)的氮累積釋放量最高，箭筈豌豆(Viciasativa)的磷和鉀累積釋放量最高，毛苕子(Viciavillosa)各養(yǎng)分的累積釋放量都最低[11]。對油菜秸稈和紫云英的研究表明，翻壓后腐解過程均呈現(xiàn)出前10～20 d分解較快，后期分解較慢并逐漸趨于平穩(wěn)的規(guī)律，且在翻壓90 d后紫云英腐解率達到60.07%，油菜秸稈僅40.8%[12]。對幾種熱帶豆科綠肥腐解特性的研究結果表明，腐解動態(tài)差異主要體現(xiàn)在埋樣后的60～120 d，且生育期與腐解進程密切相關[13]。

目前，種植綠肥時一般考慮不與主要作物爭地。如在兩茬作物休閑期種植，或在主要作物收獲后進行種植。在南方水稻種植區(qū)，秋季水稻收獲后種植冷季型綠肥作物，如紫云英、毛苕子、金花菜(Medicagohispida)等，現(xiàn)已形成較為成熟的種植模式[14]。而對于南方秋播作物區(qū)，一般秋季播種[如油菜、蠶豆(Viciafaba)、冬小麥(Triticumaestivum)等]，次年4月中下旬收獲，之后單作或間作夏季綠肥作物[15]。夏季綠肥作物生長期一般較短，為了獲得較高的生物產量須在前茬收獲后及時播種，并在下茬播種之前及時翻壓。播種過晚，綠肥作物苗期可能遭受高溫影響而導致產量下降。翻壓過晚，綠肥腐熟和礦化分解不完全，部分分解中間產物將影響后茬作物種子萌發(fā)或幼苗生長[16-17]。

竹豆(Phaseoluscalcaratus)是豆科菜豆屬一年生短日照藤本植物，根系發(fā)達，根瘤較多，一般鮮青產量為29985～52474 kg·hm-2，產量較高的可達67466 kg·hm-2，是果園、夏玉米地優(yōu)良的夏季綠肥品種[15,18]。在江西中北部地區(qū)，4月下旬播種，9月中、下旬盛花，10月下旬種子成熟，生育期一般為180～200 d；北移栽培則營養(yǎng)生長延遲[18]。據(jù)張書豪[18]報道，竹豆植株有機碳含量40.2%,全氮2.41%，全磷0.74%,全鉀3.50%，刈青粗蛋白含量為16.79%。目前尚無有關油菜收獲后單作竹豆適宜播種時間及翻壓腐解方面報道，限制了其在生產中的推廣應用。鑒于此，本試驗以油菜為前茬作物，在其收后，通過設置不同的播期，研究了不同播期下單作竹豆的生育期、株高、地上部/地下部干物質、根冠比及養(yǎng)分含量。同時，通過設置不同翻壓時期，采用尼龍袋法研究了竹豆腐解及養(yǎng)分釋放情況及翻壓后土壤速效養(yǎng)分變化情況。旨在通過選擇適宜的竹豆播期及翻壓時期，為合理利用竹豆來改良和提高土地利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于西南大學農學與生物科技學院實驗農場(29°48′ N, 106°24′ E)，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫為18.2 ℃，降水量為1084.6 mm。試驗期(4-9月)月平均氣溫分別為18.9、22.5、25.3、28.6、28.5和24.3 ℃；平均降水量分別為94.6、144.2、206.3、169.4、128.6和126.6 mm；月平均日照時數(shù)分別為96.8、103.8、97.2、162.5、164.3和104.7 h (1988-2017年)。供試土壤為黏質黃壤，前茬作物為油菜，0～20 cm土壤耕層的基本理化性質為: pH 6.37、有機質 12.4 g·kg-1、全氮 0.73 g·kg-1、全磷 0.12 g·kg-1、全鉀3.32 g·kg-1、堿解氮67.4 mg·kg-1、速效磷 8.6 mg·kg-1、速效鉀82.5 mg·kg-1。

1.2 供試材料

竹豆購自江西進賢芽苗菜公司。種子發(fā)芽率98%，純凈度95%。

1.3 試驗設計

共設3個播期，即油菜收獲(4月25日)后1周，每隔5 d播種，即2017年5月2日(M2)、5月7日(M7)和5月12日(M12)。播前進行翻耕、旋耕處理，人工除去雜草根系，并按562.2 kg·hm-2撒施復合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)。竹豆播量為22.49 kg·hm-2，穴播。小區(qū)面積(3 m×5 m)15 m2，每個播期設置9次重復，采用完全隨機設計。出苗后定期人工除雜2次，竹豆封壟后基本無雜草。不采取灌水、施肥、中耕等其他管理措施。調查、記錄不同播期竹豆的出苗期、封壟期和開花期。

所有小區(qū)竹豆高度超過50 cm開始取樣，之后每隔15 d取樣一次，共計取樣3次，即7月4日、7月19日和8月3日。每小區(qū)按五點取樣法，挖取10株測定伸展高度，然后于65 ℃烘48 h至恒重。地下部取樣深度30 cm，自來水清洗干凈后，烘干稱重。

從每個播期的9個重復中設置3個翻壓期，即8月4日(F1)、8月18日(F2)和9月2日(F3)，每個處理3個重復。每次翻壓前，按五點取樣法刈割20株，于65 ℃烘48 h稱重，其余植株直接翻壓入土，翻埋深度20 cm。翻壓后每隔7 d，按五點取樣法采取0～20 cm的土壤樣品，風干后制樣備測。同時，采用埋袋法[19]，分析竹豆翻壓后在土壤中的腐解情況。使用網眼為48 μm的尼龍網縫制成20 cm×15 cm大小的長方形尼龍網袋，每個網袋裝入20 g風干竹豆(剪成2 cm 長度)。尼龍袋翻埋深度為20 cm，每小區(qū)翻埋3個，并于埋袋后7、14、21 d取出尼龍袋，自來水清洗干凈后，于65 ℃烘48 h至恒重。每個處理，設置一個對照樣品，即20 g竹豆裝入尼龍袋后用自來水清洗，然后于65 ℃烘48 h至恒重。所有植物樣品粉碎過篩(0.5 mm)后用于測定氮、磷、鉀含量。

1.4 指標測定

稱取植物樣品約0.5 g，經H2SO4-H2O2加熱消煮，消煮液用于植株養(yǎng)分含量的測定。其中，采用凱氏定氮法(半微量凱氏蒸餾)測定全氮含量，采用鉬銻抗比色法測定全磷含量，采用火焰分光光度法測定全鉀含量[20]。

尼龍袋中養(yǎng)分殘留率計算公式：

養(yǎng)分殘留率R=(Ct×Mt)/(C0×M0)×100%

式中:R為養(yǎng)分殘留率;Ct為t時刻綠肥養(yǎng)分濃度(g·kg-1);Mt為t時刻綠肥干物質量(kg);C0為初始養(yǎng)分濃度(g·kg-1);M0為初始干物質量(kg)。

采用常規(guī)土壤化學分析法測定土壤養(yǎng)分指標。采用堿解擴散吸收法測定土壤堿解氮含量，采用鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量；采用火焰光度法測定土壤速效鉀含量[20]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件，按雙因素方差分析方法分析播期與收獲期對產量及植物養(yǎng)分含量的影響；按三因素方差分析方法分析播期、翻壓期和腐解時間對竹豆干物質、養(yǎng)分殘留率及土壤速效養(yǎng)分含量的影響。因交互作用的存在，按單因素分析不同播期各指標的差異，顯著水平為P<0.05(最小顯著極差法)。

2 結果與分析

2.1 播期對竹豆物候期與株高的影響

竹豆播種時間直接影響其物候期及生長發(fā)育(表1)。如5月2日和5月7日播種，其出苗期在播種后7～8 d左右，而5月12日播種時，出苗期在播種后13 d。隨著播種期的推遲，竹豆封壟期、開花期也隨之推遲，其中5月12日播種時的封壟期較5月2日時的推遲25 d左右。播期也顯著影響了竹豆的伸展高度(表2)。生長早期，播種時間越早、高度越高；而所有小區(qū)封壟后，前兩個播期間無顯著差異，最后一個播期的伸展高度均顯著低于其他兩個播期。

2.2 不同播期對竹豆生物量的影響

播期與測定時期顯著影響竹豆地上/地下單株生物量、根冠比及干物質產量，且播期與測定時期存在顯著交互作用(表3)。竹豆早期生長緩慢，播種后2個月(7月4日)單株地上生物量不足5 g，之后生長迅速，至8月3日時，單株地上生物量均在16 g之上(圖1)，8月19日時，干物質產量均在6000 kg·hm-2以上(圖2)。不同測定時期，隨著播種期的推遲，竹豆單株地上生物量及干物質產量均顯著下降。如8月3日時，推遲5 d與推遲10 d播種，竹豆的干物質產量相較于對照分別減少了7.69%和25.52%。推遲播種顯著降低了竹豆早期地下生物量，后期(8月3日)3個播種期間無顯著差異。推遲播種后根冠比7月4日時顯著下降，7月19日時顯著增加，而8月3日時整體無顯著差異。

表1 不同播期對竹豆物候期的影響Table 1 Effects of different sowing dates on phenophase of rice bean (月-日Month-day)

表2 不同播期對竹豆伸展高度的影響Table 2 Effects of different sowing dates on extension height of rice bean (cm)

注：同行數(shù)值后不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letter after values within each row represent significance atP<0.05.

表3 影響竹豆生長發(fā)育及其翻埋腐解因素(播期、收獲期、翻壓期)的方差分析Table 3 Factors (sowing date, harvesting period, rollover period) influencing the growth and development of rice bean

注：*,P<0.05; **，P<0.01; ***，P<0.001; AB，地上生物量; BB，地下生物量；S×H，播期與收獲期互作；S×O，播期與翻壓期互作；S×D，播期與腐解時間互作；O×D，翻壓期與腐解時間互作；S×O×D，播期、翻壓期與腐解時間互作。

Note: *，P<0.05; **,P<0.01; ***,P<0.001; AB, Aboveground biomass; BB, Belowground biomass；S×H, Interaction between sowing date and harvesting period; S×O, Interaction between sowing date and turning period; S×D, Interaction between sowing date and decomposing time; O×D, Interaction between reversal period and decomposing time; S×O×D, Interaction between sowing date, rolling period and decomposing time.

2.3 播期與收獲期對竹豆地上部植株養(yǎng)分含量的影響

圖1 播期對竹豆地上部、地下部生物量和根冠比的影響Fig.1 Effect of sowing dates on above- and below-ground biomass and the below-/above-ground biomass ratio of rice beans 同一收獲期時間數(shù)據(jù)柱上小寫字母不同表示在P<0.05水平上差異顯著；M2, 5月2日； M7，5月7日；M12，5月12日；下同。Different lowercase letters above the data bar within each harvest date represented significance at P<0.05; M2, May 2; M7, May 7; M12, May 12; The same below.

圖2 播期對不同收獲期竹豆干物質產量的影響Fig.2 Effects of sowing dates on dry matter production of rice bean at different harvesting stages

播期與測定時期及其交互作用顯著影響竹豆植株全氮、全磷及全鉀含量(表3)。就全氮含量而言，7月4日、7月19日和8月3日，推遲10 d播種時的全氮含量顯著高于對照和推遲5 d的，而推遲5 d的又顯著低于對照；8月19日和9月2日，推遲播種均顯著增加了植株全氮含量(圖3)。就全磷含量而言，推遲播種后早期(7月4日)全磷含量顯著降低，之后顯著增加(8月3日時差異不顯著)，到9月2日時，3個播期間無顯著差異。就全鉀含量而言，7月4日時，3個播期間無顯著差異，7月19日時，推遲5 d時的顯著增加，而推遲10 d時的顯著下降，之后推遲播種均顯著降低了竹豆全鉀含量。整體而言，竹豆植株全氮含量在30～60 g·kg-1，全鉀含量在25～50 g·kg-1，二者均顯著高于全磷含量(2.5～4.0 g·kg-1)。

2.4 翻壓期對不同播期竹豆干物質及其養(yǎng)分在土壤中殘留率的影響

播期顯著影響了竹豆在土壤中氮殘留率，而對干物質殘留率、磷和鉀殘留率無顯著影響；翻壓期和腐解時間對竹豆干物質和養(yǎng)分殘留率均有顯著影響(表3)。推遲30 d(F3)翻埋時，竹豆干物質殘留率顯著高于推遲15 d(F2)和對照(F1)(圖4)。播期與翻壓期對竹豆氮殘留率有顯著交互作用(表3)，使得不同播期下翻壓期的影響存在差異。如5月2日播種時，推遲翻埋30 d的顯著高于其他2個翻壓期；而5月7日播種時，翻埋第1周推遲翻埋的氮殘留率均顯著低于對照；5月12日播種時，推遲30 d翻埋的氮殘留率顯著高于對照(第1周差異不顯著)。播期與翻壓期、翻壓期與腐解時間對磷殘留率有顯著交互作用(表3)。如5月2日播種時，翻埋第1周翻壓期無顯著影響，翻埋第2周隨著翻壓期的推遲顯著增加，而第3周時推遲30 d的磷殘留率顯著低于對照；5月7日播種時，推遲30 d翻埋的磷殘留率顯著高于對照(第3周無差異)；5月12日播種時，推遲30 d翻埋的磷殘留率均顯著高于對照的推遲15 d的。翻壓期和腐解時間對鉀殘留率有顯著交互作用(表3)。推遲30 d翻埋時的鉀殘留率整體高于對照和推遲15 d；而推遲15 d時的鉀殘留率整體低于對照。整體上，隨著翻埋周數(shù)的增加，干物質殘留率、氮、磷和鉀殘留率呈現(xiàn)下降趨勢。

2.5 翻壓期對不同播期竹豆翻壓后土壤速效養(yǎng)分含量的影響

圖3 播期對不同收獲期竹豆地上部植株養(yǎng)分含量的影響Fig.3 Effect of sowing dates on nutrient contents of aboveground plants of rice beans in different harvest periods

圖4 翻壓期對不同播期竹豆干物質及其養(yǎng)分在土壤中殘留率的影響Fig.4 Effects of overturning time of rice beans on the residual ratio of dry matter and nutrients in soils at different sowing date F1, F2, F3分別指3個翻埋期，即8月3日、8月19日和9月2日；1,2,3分別指翻埋后第7、14、21天。下同。F1, F2 and F3 represented three overturning date, Aug 3, Aug 19 and Sep 2; 1, 2, 3 represented the 7th, 14th and 21th days after overturning. The same below.

播期顯著影響了竹豆翻壓后土壤中的有效鉀含量，而對堿解氮和有效磷含量無顯著影響；翻壓期和腐解時間顯著影響了土壤速效養(yǎng)分含量，且對有效磷和有效鉀含量有顯著交互作用(表3)。整體上，隨著翻壓期的推遲土壤堿解氮含量有增加趨勢。土壤有效磷含量不同播期規(guī)律不同。如5月2日播種時，翻壓第3周時推遲翻壓顯著增加了有效磷含量；5月7日播種時，翻壓第1周推遲翻壓顯著降低了有效磷含量，而第3周時又顯著增加了有效磷含量；5月12日播種時，翻壓第1周也是推遲翻壓顯著降低了有效磷含量。翻壓第1周，不同播期均表現(xiàn)為推遲翻壓時的土壤有效鉀含量顯著高于對照；翻壓第3周，不同翻壓期對土壤有效鉀含量無顯著影響，除5月12日播種的顯著增加。

圖5 翻壓期對不同播期竹豆翻壓后土壤速效養(yǎng)分含量的影響Fig.5 Effects of overturning time of rice bean on soil available nutrient concentrations at different sowing dates

3 討論

3.1 竹豆播期對其生長發(fā)育和植株養(yǎng)分含量的影響

在多熟制作物生產區(qū)，縮短休閑期、延長作物生長時間是提高單位土地面積生產力的有效措施之一[21]。本研究在秋播油菜收獲后種植夏季綠肥作物(竹豆),結果發(fā)現(xiàn)，隨著播期的推遲，竹豆物候期推遲、株高、生物量等降低。這說明提早播種有利于獲得竹豆較高的生物產量，促進肥效的發(fā)揮[22]。8月之后，竹豆產量增加較為緩慢，說明生長已接近完成階段。但因該品種對當?shù)氐倪m應性問題，整體開花數(shù)量少，且基本沒有結莢。今后可引進或選育可結莢品種，逐步提高竹豆在西南地區(qū)的推廣種植。同時，推遲播種可能影響了竹豆苗期生長發(fā)育，使得后期接近成熟時，推遲播種產量依然低于對照。隨著播期的推遲，青貯玉米的葉面積、株高、地上部生物量均下降[23]。棉花(Anemonevitifolia)晚播時，棉籽、棉纖維生物量和氮的分配系數(shù)降低[24]。推遲播種使草原3號苜蓿在種植密度不變的情況下生物量減小[25]。這些研究結果說明，在適宜條件下提早播種有利于促進作物早期生長發(fā)育，獲得較高的生物產量。

收獲油菜后推遲播種竹豆，可增加植株全氮含量。這與植株的生長發(fā)育時期有關。全氮含量隨著生育期的進程出現(xiàn)先升后降的趨勢，適當晚播植株莖葉全氮含量較高[26]。而全磷和全鉀含量在不同測定時期差異較大,說明竹豆不同生育階段對磷、鉀的吸收利用強度不同[27]。就8月翻壓期竹豆養(yǎng)分含量而言，推遲播種可提高磷的含量而減少鉀的含量。有研究表明，紫云英在9月中旬到10月中旬播種時，后期其地上部分全氮、全磷和全鉀含量無顯著差異，而當播期推遲至10月之后，后期植株養(yǎng)分含量顯著降低[28]。油菜推遲播種使其全氮、全鉀及全磷含量出現(xiàn)了先增加后減少的趨勢[29]。

3.2 竹豆翻壓時期對竹豆養(yǎng)分腐解和土壤速效養(yǎng)分含量的影響

在本研究中，推遲播種竹豆的秸稈翻壓腐解效果最佳，翻壓后的前14 d腐解速度最快，在翻壓后21 d，干物質含量、全氮、全磷、全鉀含量分別減少了39.0%，34.4%，40.0%和38.5%。推遲播種植株相對于早期播種植株木質素及粗纖維含量可能相對較低，促進了干物質及養(yǎng)分的釋放。對長武懷豆(Glycinemaxcv. changwu)、大豆(Glycinemax)和綠豆(Vignaradiata)的研究發(fā)現(xiàn)，3種綠肥均表現(xiàn)為前期腐解快、后期腐解慢，高峰均出現(xiàn)在最初的1個月內，且長武懷豆殘留率顯著高于大豆和綠豆[30]。對箭筈豌豆、毛苕子、山黧豆腐解特征的研究發(fā)現(xiàn)，翻壓后15 d內秸稈腐解率較大，養(yǎng)分釋放速度從高到低依次是鉀、磷、氮[31]。本研究中，竹豆秸稈腐解過程中養(yǎng)分釋放速度從高到低也表現(xiàn)為鉀、磷、氮。在本試驗中，還出現(xiàn)了養(yǎng)分殘留率先下降后升高的現(xiàn)象，這與趙娜等[30]的研究結果一致。大量研究發(fā)現(xiàn)各種林木的根系在腐解過程中均會出現(xiàn)養(yǎng)分富集現(xiàn)象[32-34]。王瑾等[35]認為養(yǎng)分富集現(xiàn)象的出現(xiàn)可能有兩方面原因，一是上層土壤中的養(yǎng)分遷移至尼龍袋中并被綠肥殘體而累積，二是綠肥腐解釋放出的養(yǎng)分沒有被淋失而逐漸累積。本試驗中土壤速效養(yǎng)分的變化也出現(xiàn)了先升高后降低的情況，因此第一種可能性較大。

在本研究中，隨著翻壓期的推遲，土壤堿解氮含量有增加趨勢，而有效磷和速效鉀含量變化規(guī)律不一致。出現(xiàn)這種差異的原因可能有2點。第一，植物養(yǎng)分含量及其粗纖維、木質素含量不同，影響了他們在土壤中的釋放。有研究表明，夏閑期種植綠肥對于土壤速效磷、速效鉀和堿解氮的增加量主要受綠肥養(yǎng)分含量和生物量影響[36]。第二，不同翻埋期，土壤溫度及濕度不同，如9月翻壓時的溫度低于8月。土壤水熱條件的不一致使得不同翻壓期養(yǎng)分的腐解速率不同[37]。同時，因不同翻壓期土壤溫度和水分狀況不同，植株釋放的養(yǎng)分存在固定、淋失或揮發(fā)的差異[38-40]，導致最后土壤速效養(yǎng)分含量存在差異。

較高的生物產量與植株養(yǎng)分含量是優(yōu)質綠肥的重要指標。為了獲得相對高的生物產量，應在前茬油菜收獲后，盡早播種。但翻埋回田要取得好的增肥效果，不僅需要生物量的保證，同時也需要植株養(yǎng)分含量相對較高。本研究中，前茬收獲后推遲10 d播種可以較好地滿足翻埋處理對于生物產量和植株養(yǎng)分含量的要求。同時，在不同翻埋期，土壤水熱條件不一致導致秸稈的腐解速率不同。研究認為，25～35 ℃是比較適合秸稈腐解的溫度[41]。在重慶地區(qū)，8月平均溫度為28.5 ℃，高于9月的24.3 ℃，更適合秸稈高效而快速的腐解；且8月翻埋不影響下茬秋季作物的播種。因此，8月是單作竹豆較為適宜的翻埋時間。

4 結論

在重慶地區(qū)，油菜收獲后，隨著竹豆播期的推遲，竹豆物候期推遲、株高、生物量等降低，而植株磷和氮含量增加。秋播油菜收獲后推遲10 d播種，可獲得相對較高的生物產量和植株養(yǎng)分含量。竹豆秸稈腐解過程中養(yǎng)分釋放速度從高到低表現(xiàn)為鉀、磷、氮，并存在養(yǎng)分殘留率先下降后升高的富集現(xiàn)象。單作竹豆8月初翻壓回田時，其秸稈腐解速率較高，且不影響下茬秋播作物的播種，適宜作為單作竹豆的翻埋期。