于 晨,王儀明,馬 力,蘇連泰,高 鯉,周 鵬,安 淵
(1. 上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院 / 農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240;2. 上海鼎瀛農(nóng)業(yè)有限公司, 上海 202171;3. 黃河水利科學(xué)研究院, 河南 鄭州 450003)
長江中下游地區(qū)氣候溫和,水熱資源豐富,可周年種植農(nóng)作物和牧草,適宜發(fā)展高效種植業(yè)。目前,該區(qū)域以水稻(Oryza sativa)→冬小麥(Triticum aestivum)和玉米→冬小麥輪作栽培為主,長期稻→麥和玉米→小麥輪作和化肥高投入,引起農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍降低,影響作物持續(xù)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)[1]。近幾年,中央1號文件連續(xù)把農(nóng)田土壤改良作為國家農(nóng)業(yè)的重要工作。綠肥作物種植具有改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量的作用,如施入紫云英(Astragalus sinicus)和蠶豆(Vicia faba)綠肥能夠明顯提高土壤表層(0 - 20 cm)的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量[2-3],增加輪作水稻產(chǎn)量[4]。我國南方有較長的綠肥作物種植史,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),20世紀(jì)70年代綠肥作物種植面積達(dá)到1 300萬hm2[5],但在過去50年中,由于勞動(dòng)力短缺和尿素價(jià)格相對較低等因素,綠肥種植的面積和頻次迅速下降,成為南方農(nóng)田土壤質(zhì)量下降的主要原因之一。
紫花苜蓿(Medicago sativa)為牧草之王,營養(yǎng)價(jià)值高,經(jīng)濟(jì)效益好,是我國種植面積最大的牧草,廣泛種植于北方地區(qū),而受到土地資源、酸性土壤等因素限制,南方地區(qū)紫花苜蓿種植規(guī)模較小,主要種植在安徽、江蘇、云南、上海、湖南等省區(qū)的弱酸性土壤,養(yǎng)殖業(yè)大量需要的苜蓿草主要依賴于北方調(diào)運(yùn)和國外進(jìn)口,嚴(yán)重制約了南方草食動(dòng)物養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。紫花苜蓿兼具優(yōu)良牧草資源和綠肥植物資源雙重特性,固氮、培肥、增加土壤有機(jī)質(zhì)的功效顯著。如紫花苜蓿與小麥、棉花(Gossypiumspp.)、玉米(Zea mays)、水稻輪作明顯提高了土壤氮、磷和有機(jī)質(zhì)含量,增加了輪作作物產(chǎn)量[6-11]。南方有大面積冬閑田,如2012年僅湖南、湖北和江西三省的冬閑田面積就達(dá)到225萬hm2[12]。利用這些冬閑田于10月下旬到11月上旬播種紫花苜蓿,第2年5月底或第3年5月底分別可收獲3茬和11茬苜蓿,干草產(chǎn)量分別可達(dá)15 000和37 500 kg·hm-2[13-14]。因此,高效利用這些寶貴的冬閑田資源,研發(fā)和建立冬季種植紫花苜蓿,夏季輪作作物的紫花苜蓿-作物周年輪作栽培模式與技術(shù),既可生產(chǎn)南方養(yǎng)殖業(yè)緊缺的紫花苜蓿草,又可改良農(nóng)田,增加作物產(chǎn)量,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益雙贏。
上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已對長江中下游地區(qū)冬閑田適宜種植的紫花苜蓿品種進(jìn)行過評價(jià),已篩選出了適宜種植的紫花苜蓿品種[13]。氮(nitrogen, N)、磷(phosphorous, P)、鉀(potassium, K)是植物生長、發(fā)育所必需的大量元素,能夠明顯提高北方地區(qū)紫花苜蓿的蛋白質(zhì)含量,降低酸性洗滌纖維含量,增加苜蓿產(chǎn)量[15-16],但是南方冬閑田紫花苜蓿施肥技術(shù)尚未建立,有待深入研究。紫花苜蓿具有良好的固氮能力、再生性能和較高的氮、磷含量,如果將少量紫花苜蓿再生草作為綠肥還田,對輪作飼料玉米產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分有何影響,相關(guān)研究尚未見報(bào)道。而這些問題的研究和解決對建立南方紫花苜蓿與玉米輪作栽培技術(shù)十分必要。因此,本研究設(shè)置了秋播紫花苜蓿施肥(NPK復(fù)合肥)和夏季輪作玉米并將少部分苜蓿作為綠肥還田兩個(gè)試驗(yàn),旨在研究紫花苜?!衩字苣贻喿髂J街校琋PK復(fù)合肥和苜蓿綠肥分別對紫花苜蓿和玉米生長及土壤養(yǎng)分的影響,為建立長江中下游地區(qū)紫花苜蓿與飼料玉米周年輪作栽培模式與技術(shù)提供理論指導(dǎo)。
紫花苜蓿品種選用‘WL903’,秋眠級9.5,由北京正道生態(tài)科技有限公司提供。玉米品種選用‘澄海8號’(2019年)和‘先玉335’(2021年),由上海鼎瀛農(nóng)業(yè)有限公司提供。
試驗(yàn)地設(shè)在上海市閔行區(qū),該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候。紫花苜蓿與玉米周年輪作的基本思路是每年9月至11月中旬之間種植紫花苜蓿,次年5月中旬完成2茬紫花苜蓿草收獲,此后,苜蓿再生約10 d,株高達(dá)30 cm左右,為節(jié)約化肥投入,再生苜蓿草作為綠肥耕翻、還田,播種飼料玉米。
紫花苜蓿于2018年9月2號播種,條播,行距20 cm,播量22.5 kg·hm-2,播種3 d后出苗。試驗(yàn)區(qū)1月和2月的平均最高溫度分別為8和9 ℃,最低溫度分別為1和2 ℃,這個(gè)期間紫花苜蓿保持綠色,處于休眠狀態(tài),2月下旬苜?;謴?fù)生長。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)前期開展的冬閑田紫花苜蓿施肥試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)報(bào)道[17],設(shè)置了施肥(NPK復(fù)合肥)和對照處理,其中,施肥處理的N、P、K的比例和用量分別為12、7.2和24 g·m-2,合計(jì)43.2 g·m-2,由尿素(含N 46%)、磷肥(粉狀過磷酸鈣,含P2O512%)和鉀肥(顆粒狀硝酸鉀,含N 13 %,含K 38%)配制而成,以不施肥作為對照(CK)。將NPK復(fù)合肥等分成兩份,分別在苜蓿第1次刈割前20 d (3月15日)和刈割后15 d (4月15日)分兩次追施。施肥和對照處理各設(shè)3次重復(fù),每個(gè)重復(fù)小區(qū)面積30 m2,小區(qū)間隔40 cm,另外,在苜蓿地旁留100 m2空地,撂荒處理,用于土壤養(yǎng)分測定的對照區(qū)。
綠肥添加方式:設(shè)置原位添加和異地添加兩種方式。原位添加為第2茬苜蓿刈割后10 d (5月20日),鮮草產(chǎn)量達(dá)1.6 kg·m-2(約3 000 kg·hm-2干草)時(shí),將再生苜蓿直接耕翻到土壤中作為綠肥;異地添加為苜蓿刈割后移入未種植苜蓿土壤中(即冬季種植一年生黑麥草(Lolium perenne)地,齊地刈割后添加苜蓿)作為綠肥,添加量為1.6 kg·m-2鮮草(即3 000 kg·hm-2干草),耕翻、耙平土壤,然后播種玉米,該處理用作原位添加苜蓿的對照處理之一,以便進(jìn)一步明確原位添加苜蓿對輪作玉米的增產(chǎn)效益。
輪作玉米處理:輪作玉米設(shè)置苜蓿綠肥原位添加和不添加(對照)、苜蓿綠肥異地添加和不添加(對照)兩個(gè)試驗(yàn),玉米品種分別為‘澄海8號’和‘先玉335’。兩個(gè)試驗(yàn)分別于2019年6月5日和2021年6月1日穴播玉米(為后補(bǔ)試驗(yàn)),每穴2粒種子,株行距40 cm,出苗后間苗,每穴留苗1株,密度60 000株·hm-2,播前施NPK基肥725 kg·hm-2, 在拔節(jié)期和抽雄授粉期分別溝施尿素300和90 kg·hm-2(含N量為46%)。所有處理3次重復(fù),每個(gè)重復(fù)(小區(qū))面積50 m2,間隔40 cm。
1.5.1紫花苜蓿和玉米產(chǎn)量測定
紫花苜蓿:分別于2019年4月5日和5月10日進(jìn)行第1次和第2次刈割,留茬高度5 cm,鮮草樣品標(biāo)記,105 ℃殺青0.5 h,60 ℃烘干至恒重,測其干重,計(jì)算干鮮比。
玉米:于玉米成熟期從每個(gè)小區(qū)中間取2 m2,刈割、稱鮮重,然后取2株稱重,在烘箱105 ℃殺青1 h,60 ℃烘干至恒重,稱其干重,計(jì)算干鮮比。
1.5.2植物和土壤養(yǎng)分測定
苜蓿蛋白質(zhì)和土壤全氮含量采用凱氏定氮儀(Foss-K2300) 測定;苜蓿全 P 、全K和土壤速效鉀含量采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(PE8000) 測定;土壤速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定[18];土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定[18]。
采用SAS 9.1 統(tǒng)計(jì)分析軟件(SAS Institute,US)對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和最小差異顯著法分析(P<0.05),采用Excel制圖。
施肥促進(jìn)了紫花苜蓿的生長,株高和產(chǎn)量顯著高于對照處理(P< 0.05) (圖1)。4月和5月份收獲的兩茬苜蓿株高分別比對照增加16.1%和10.5%,產(chǎn)量分別增加30.4%和11.4%,第1茬草的產(chǎn)量增幅高于第2茬草,說明3月份返青期施肥對促進(jìn)苜蓿生長十分重要。
圖1 施肥對紫花苜蓿株高和產(chǎn)量的影響動(dòng)態(tài)Figure 1 Effect of the NPK fertilizer on the height and yield of alfalfa
施肥明顯提高了紫花苜蓿葉片蛋白質(zhì)含量(P<0.05),而對莖蛋白質(zhì)含量的影響不顯著(P> 0.05)(圖2)。 4月和5月份收獲的葉片蛋白質(zhì)含量分別比對照增加30.9%和7.9%。其中,施肥處理下4月份苜蓿葉片和莖的蛋白質(zhì)含量依次達(dá)到29.7%和22.0%,苜蓿整體品質(zhì)高;5月份葉片和莖的蛋白質(zhì)含量依次為31.59%和16.16%,莖部明顯老化,蛋白質(zhì)含量下降顯著(P< 0.05),部分原因是第2茬苜蓿收割較晚,株高已達(dá)1 m,植株出現(xiàn)一定程度的倒伏,影響苜蓿品質(zhì),因此,可適當(dāng)延遲第1茬草收割時(shí)間。
施肥對紫花苜蓿莖和葉的全磷含量作用不顯著,但5月份收獲紫花苜蓿的葉片全磷含量高于4月份(圖2)。施肥對紫花苜蓿葉片鉀含量的影響大于莖部。4月份收獲,施肥處理的苜蓿葉片鉀含量顯著低于對照處理(P< 0.05),下降10.83%,而5月份則顯著高于對照(P< 0.05)。施肥對紫花苜蓿莖部鉀含量的影響較小,但5月份莖部鉀含量高于4月份(P< 0.05)。
圖2 施肥對紫花苜蓿莖和葉片蛋白質(zhì)、磷和鉀含量的影響Figure 2 Effect of the NPK fertilizer on the protein, phosphorus and potassium contents in the leaves and stems of alfalfa
與未種苜蓿地(撂荒地) 相比,種植紫花苜蓿提高了土壤的全氮、速效磷和有機(jī)質(zhì)含量(表1),0 -10、10 - 20和20 - 30 cm土層的全氮、速效磷和有機(jī)質(zhì)含量(20 - 30 cm除外)均顯著提高(P< 0.05);但速效鉀含量呈現(xiàn)相反的變化趨勢,撂荒地10 -20和20 - 30 cm土層的速效鉀含量顯著高于種植苜蓿土壤(P< 0.05)。施肥提高了苜蓿地0 - 20 cm土層的總氮和速效磷含量,但與未施肥苜蓿地之間差異不顯著(P> 0.05)。
表1 紫花苜蓿地與撂荒地土壤養(yǎng)分含量的差異Table 1 Nutrient contents of the soils planted or not planted with alfalfa
原位添加苜蓿綠肥(即再生苜蓿還田后輪作玉米)顯著促進(jìn)了輪作玉米(‘澄海8號’)的生長(P<0.05),玉米株高和全株生物量分別比對照增加29.5%和40.1% (圖3)。為進(jìn)一步研究紫花苜蓿與玉米輪作的增產(chǎn)效益,在未種植紫花苜蓿的地塊添加等量紫花苜蓿綠肥(異地添加),然后播種玉米(‘先玉335’),以進(jìn)一步分析原位添加苜蓿綠肥對玉米的增產(chǎn)效果。結(jié)果顯示,異地添加苜蓿綠肥仍顯著促進(jìn)玉米生長,但增加幅度低于輪作處理,玉米株高和全株生物量依次比對照增加10.8%和16.7%,說明原位添加苜蓿綠肥對輪作玉米的增產(chǎn)效果顯著(P< 0.05)。
圖3 紫花苜蓿綠肥對玉米生長的影響Figure 3 Effect of alfalfa green manure on corn growth
原位添加苜蓿綠肥顯著提高了土壤養(yǎng)分含量(P< 0.05) (表2),玉米收獲后0 - 10和10 - 20 cm土層的全氮含量分別比對照增加58.5%和42.0%;0 - 10、10 - 20和20 - 30 cm土層的速效鉀含量分別比對照增加22.3%、16.4%和23.4%;土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加24.1% (10 - 20 cm)和21.7% (20 -30 cm);對速效磷的影響主要體現(xiàn)在10 - 20 cm土層,增加幅度達(dá)到62.0%。
表2 原位添加苜蓿綠肥對玉米田土壤養(yǎng)分含量的影響Table 2 Effect of local application of alfalfa green manure on the nutrient content of corn soil
長江中下游地區(qū)紫花苜蓿周年常綠,秋季和初冬涼爽的氣溫比較適宜高秋眠級紫花苜蓿的生長。9月20號播種的紫花苜蓿當(dāng)年株高可達(dá)30 cm,次年4月和5月的干草產(chǎn)量分別達(dá)到9 400和7 600 kg·hm-2[13],表明在南方秋播紫花苜蓿的越冬和次年生長不會(huì)受到冬季氣溫的影響。根據(jù)本研究團(tuán)隊(duì)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),紫花苜蓿秋播期盡可能提前,最晚不遲于11月中旬,以便苜蓿幼苗利用秋冬季形成良好的根系,為越年快速生長奠定基礎(chǔ)。
N、P、K是植物生長必需的營養(yǎng)元素,均衡配施可以有效平衡植物營養(yǎng),增加產(chǎn)量[15]。在國內(nèi)不同地區(qū)開展的紫花苜蓿施肥試驗(yàn)證明,NPK復(fù)合肥可明顯促進(jìn)紫花苜蓿增產(chǎn),效果比單施N、P、K肥更明顯[16,19-21]。就N、P、K單施而言,P肥對苜蓿的增產(chǎn)作用最大,其次是N肥,K肥最小[15],說明P肥對苜蓿增產(chǎn)十分重要。在我國北方紫花苜蓿主產(chǎn)區(qū),苜蓿氮素營養(yǎng)普遍較好,而P、K營養(yǎng)普遍較差,鉬元素缺乏現(xiàn)象嚴(yán)重。49個(gè)調(diào)查樣地?cái)?shù)據(jù)的相關(guān)性分析表明土壤全磷和速效磷含量與產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系[22],進(jìn)一步說明P肥對苜蓿產(chǎn)量形成的重要性。本研究中,施NPK復(fù)合肥顯著(P<0.05)提高了前兩茬苜蓿的株高和產(chǎn)量,累計(jì)增產(chǎn)幅度達(dá)到22.7%,NPK復(fù)合肥對促進(jìn)冬閑田紫花苜蓿生長具有重要的作用。施肥時(shí)間影響著紫花苜蓿全年生長,從已報(bào)道文獻(xiàn)資料看,春季施NPK復(fù)合肥的增產(chǎn)效果好于夏季[16,23]。本研究中,早春(3月15日)和第1茬收割后10 d (4月15號)施肥顯著(P<0.05)促進(jìn)了紫花苜蓿的生長。在南方早春,非秋眠紫花苜蓿的生長速度非??靃13,17],對養(yǎng)分的需求量比較大,同時(shí),南方高密度種植又增加了苜蓿對養(yǎng)分的需求量,因此,本研究采用兩次追肥處理可有效補(bǔ)充苜??焖偕L對養(yǎng)分的消耗,促進(jìn)苜蓿生長,獲得高產(chǎn)。
施肥促進(jìn)紫花苜蓿增產(chǎn)的同時(shí),也提升了苜蓿的品質(zhì)。隨著施肥量的增加,粗蛋白質(zhì)含量顯著增加,而中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量顯著降低[23-24]。本研究中,施肥顯著提高了紫花苜蓿葉和全株的氮含量(P< 0.05),第1茬苜蓿(4月)的葉和莖蛋白質(zhì)含量分別達(dá)到29.7%和22.0%,品質(zhì)非常好。施肥降低了第1茬苜蓿葉片K含量,但明顯增加了第2茬葉片的K含量。張麗娟等[25]研究表明,較高的氮肥水平可降低苜蓿葉片的K含量,此時(shí),K成為N吸收和利用的限制因素,說明第一次追肥可適當(dāng)增加施鉀量。
紫花苜蓿根瘤能夠固定空氣中游離態(tài)氮,增加土壤氮積累。我國半干旱地區(qū),1 hm2苜蓿地每年可固氮100~300 kg,固氮量隨著苜蓿種植年限的延長而逐年增加[26],土壤鉀和有機(jī)質(zhì)積累也隨之增加[27],但土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)出明顯的“表聚性”,主要儲存于0 - 20 cm土層,20 cm以下土層的養(yǎng)分含量急劇降低[28-29]。與此相似,本研究中,種植苜蓿顯著(P< 0.05)增加了土壤氮、速效磷和有機(jī)質(zhì)含量,但降低了土壤速效鉀的含量,該結(jié)果與第1茬苜蓿葉片鉀含量降低相吻合,進(jìn)一步說明適度增施鉀肥對冬閑田苜蓿種植十分必要。
從已報(bào)道的文獻(xiàn)資料看,氮肥有增加紫花苜蓿草地土壤有機(jī)質(zhì)和降低速效磷含量的作用[30-31]。PK復(fù)合肥可提高苜蓿草地表層土壤的N、P含量,效果優(yōu)于單施P、K肥[16]。與此相似,本研究中施NPK復(fù)合肥提高了紫花苜蓿草地0 - 20 cm土層的全氮和速效磷含量,增加幅度分別達(dá)到9.2%~10.8%和6.3%~9.5%,說明NPK復(fù)合肥對長江中下游地區(qū)冬閑田紫花苜蓿草地土壤養(yǎng)分積累具有很好的提升作用。
紫花苜蓿與作物種輪作能有效提高土壤肥力,增加輪作作物產(chǎn)量。如紫花苜蓿對輪作水稻和小麥籽實(shí)的增產(chǎn)幅度分別達(dá)到8.8%和26.8%[8-9]。玉米是C4植物,充足的養(yǎng)分供應(yīng)可以高效發(fā)揮其生長潛能,增加產(chǎn)量,其中,與紫花苜蓿輪作是非常高效的養(yǎng)分供應(yīng)方式。與水稻和小麥相比,玉米與紫花苜蓿輪作的增產(chǎn)幅度更大,達(dá)到59.1%[7]。本研究中,種植苜蓿并將部分苜蓿還田大幅增加了輪作玉米全株產(chǎn)量,增幅超過40%。這一方面是種植紫花苜蓿提高了土壤有機(jī)質(zhì),另一方面,苜蓿綠肥含有高活性的N、P、K元素,二者結(jié)合為玉米創(chuàng)造了較為適宜的微生物環(huán)境,促進(jìn)有機(jī)物分解和土壤養(yǎng)分利用效率,因此大幅促進(jìn)玉米生長。
研究表明,紫花苜蓿與玉米輪作第1年每公頃固定的N可以代替將近150 kg的N肥,因此,能夠有效降低輪作玉米的化肥投入[7]。紫花苜蓿綠肥還田對輪作水稻增產(chǎn)和化肥減施的效果也十分顯著。在12 000 kg·hm-2紫花苜蓿鮮草還田的基礎(chǔ)上,輪作水稻減施20%氮肥,可以保障水稻高產(chǎn);減施40%,產(chǎn)量接近常規(guī)水平[8]。因此,輪作紫花苜蓿并部分還田是農(nóng)作物化肥減施的有效措施。與連續(xù)種植玉米相比,玉米和紫花苜蓿輪作兩年可使土壤有機(jī)碳含量增加25%,并且,輪作苜蓿對土壤N的增加效果明顯高于輪作大豆(Glycine max),N肥替代值約是大豆的一倍[7]。本研究中,輪作玉米田0 - 20 cm土層的全氮含量和0 - 30 cm速效鉀含量均顯著高于對照處理,同時(shí),10 - 20 cm速效磷含量和10 - 30 cm有機(jī)質(zhì)含量也顯著增加,表明種植紫花苜蓿并部分還田對輪作玉米田的土壤養(yǎng)分積累有明顯的提升作用。
長江中下游地區(qū)冬閑田種植紫花苜??擅黠@改善農(nóng)田土壤質(zhì)量,并且施肥可大幅促進(jìn)冬閑田紫花苜蓿生長,提高苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)。將部分紫花苜蓿再生草作為綠肥還田可有效促進(jìn)輪作飼料玉米的產(chǎn)量,增加土壤養(yǎng)分積累。本研究結(jié)果證明在長江中下游地區(qū)進(jìn)行紫花苜蓿與玉米周年輪作,即可獲得苜蓿和玉米高產(chǎn),又可改良農(nóng)田土壤,是長江中下游地區(qū)生態(tài)、高效、可持續(xù)利用冬閑田的有效種植模式,同時(shí),也是長江中下游地區(qū)大力發(fā)展紫花苜蓿種植的一條有效途徑。