魏 靜，郭樹芳，翟麗梅*，劉 泰，楊 波，孫本華

（1．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2．烏蘭察布市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；3．石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；4．西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

華北平原是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，糧食總產(chǎn)量占全國總量的26.4%，但水資源總量僅占全國的7.6%［1］。農(nóng)業(yè)用水是華北平原最主要的水資源消耗途經(jīng)，尤其是傳統(tǒng)的冬小麥-夏玉米一年兩熟制中，冬小麥生育期實(shí)際耗水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有效降水量，因此，地下水灌溉成為該地區(qū)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要保障［2］。近年來，由于華北平原地下水超采嚴(yán)重，冬小麥種植面積逐漸萎縮，導(dǎo)致大面積農(nóng)田在冬季處于空閑裸露狀態(tài)，這不僅造成了大量光熱和土地等自然資源的浪費(fèi)，也使該地區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化［3］。在空閑田上種植冬季覆蓋作物，是有效利用土地和減少環(huán)境壓力的有效途徑。另外，春玉米生長期與華北平原降水的時(shí)間分布耦合度最好［4］，光溫水生產(chǎn)潛力均優(yōu)于夏玉米。因此，在華北平原推廣冬季覆蓋作物與春玉米輪作模式，有望彌補(bǔ)由于冬小麥的缺失導(dǎo)致的耕地裸露及其環(huán)境影響［5］。

在農(nóng)田冬季休閑期種植覆蓋作物是可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分［6］。冬季覆蓋作物翻壓后能夠成為優(yōu)質(zhì)且養(yǎng)分豐富的生物肥源和有機(jī)肥料，有利于增加作物產(chǎn)量，提高土壤肥力和改善耕層性質(zhì)，從而達(dá)到土壤水、肥、氣、熱的協(xié)調(diào)。陳如強(qiáng)等［7］認(rèn)為箭舌豌豆翻壓區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀和全氮含量分別較閑置區(qū)提高了0.63 g·kg-1、2.5 mg·kg-1、9 mg·kg-1和 0.07 g·kg-1。另有研究表明［8］，翻壓覆蓋作物能提高下季作物0～25 cm層土壤易利用態(tài)氮的含量，且增幅達(dá)7.10～10.20 mg·kg-1，有利于促進(jìn)玉米的生長；翻壓紫云英和黑麥草與水稻輪作顯著提高了土壤微生物量碳和氮含量，最高可達(dá)435.48和85.46 mg·kg-1。然而，由于覆蓋作物、土壤及氣候等的相互作用較復(fù)雜，不同種類的覆蓋作物對下一季玉米生長季氮的供應(yīng)的效果也不確定，這直接影響到玉米的氮吸收量和產(chǎn)量及其穩(wěn)定性［9］。目前，關(guān)于華北地區(qū)春玉米種植模式下，不同種類冬季覆蓋作物翻壓對土壤性質(zhì)以及玉米生長特性影響的研究還較為鮮見。

華北地區(qū)的冬季覆蓋作物主要有二月蘭、肇東苜蓿、冬油菜、草木樨和黑麥草等。因此，本文根據(jù)調(diào)研結(jié)果選擇了毛葉苕子、二月蘭和冬油菜3種適宜華北地區(qū)冬季生長的覆蓋作物，探討其翻壓后對華北平原春玉米生長季土壤理化性質(zhì)、土壤生物學(xué)性狀以及玉米生長特性的影響，為冬季覆蓋作物在華北地區(qū)春玉米種植模式下的有效推廣和實(shí)施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)用土采自國家潮褐土土壤肥力與肥料效益監(jiān)測站（北京），供試土壤類型為潮褐土，耕作土壤（0～20 cm）基本理化性質(zhì)：全氮（TN）1.26 g·kg-1，全磷（TP）0.85 g·kg-1，全鉀（TK）14.33 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)（SOM）21.92 g·kg-1，堿解氮（AN）100.40 mg·kg-1，有效磷（AP）3.79 mg·kg-1，速效鉀（AK）95.0 mg·kg-1，pH 值 8.48。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年9月至2017年10月在北京市昌平區(qū)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家潮褐土土壤肥力與肥料效益監(jiān)測站（40°23′13″N，116°29′49″E）進(jìn)行。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均日照時(shí)數(shù)2 684 h，平均氣溫11.8℃，多年平均降水量550.3 mm。

盆栽試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：（1）冬閑-玉米（WFM）；（2）毛葉苕子-玉米（VrM）；（3）二月蘭-玉米（OvM）；（4）冬油菜-玉米（BcM），每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。盆的大小為70 cm×55 cm×50 cm（高），每盆裝100 kg風(fēng)干土，覆蓋作物于2016年10月1日播種，播種量為3 g·盆-1，播種方式為條播，把種子均勻地播成兩行長條，行與行之間保持一定距離，后用土覆蓋并輕輕拍實(shí)。覆蓋作物生長期間不施任何肥料和農(nóng)藥，無灌溉。覆蓋作物播后越年4月底（覆蓋作物盛花期）進(jìn)行全量翻壓入土后于5月中下旬播種玉米，不同覆蓋作物翻壓量及其養(yǎng)分含量見表1。玉米品種為京單28，播種時(shí)每穴3粒種子，共4穴，并在玉米三葉期定植為4株，行距為40 cm。玉米季施肥量為 N 6.67、P2O53.34、K2O 2.00 g·盆-1，氮肥用尿素（N 46%），磷肥用過磷酸鈣（P2O518%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）。在基肥期，施50%的氮肥和全部的磷肥和鉀肥，另外50%的氮肥在玉米小喇叭口期進(jìn)行追施。

表1 不同覆蓋作物翻壓量及其養(yǎng)分含量

1.3 樣品采集與測定方法

在玉米成熟期完全收獲玉米植株，分為秸稈、籽粒和根3個(gè)部分，分別測定其鮮重，105℃殺青后在70℃干燥箱中干燥至恒定質(zhì)量，稱量計(jì)算地上干物質(zhì)質(zhì)量；然后分部位取混合樣品，將樣品粉碎，分別測定秸稈、籽粒和根部的全氮、全磷、全鉀含量。在玉米的主要生育期（幼苗期：覆蓋作物翻壓后40 d；拔節(jié)期：覆蓋作物翻壓后70 d；灌漿期：覆蓋作物翻壓后127 d；成熟期：覆蓋作物翻壓后157 d）采用多點(diǎn)取樣法采集土壤混合樣，帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除石礫及植物殘茬等雜物后過2 mm篩混勻，部分鮮土于4℃冰箱中保存，用于測定土壤微生物量碳（SMBC）、土壤微生物量氮（SMBN）、土壤微生物量磷（SMBP）、土壤銨態(tài)氮（NH4+-N）和土壤硝態(tài)氮（NO3--N）。另一部分土壤進(jìn)行風(fēng)干，用于測定土壤的TN、TP、TK、有機(jī)碳（SOC）、AN、AP、AK、pH值等指標(biāo)。

土壤TN、TP、TK、SOC、堿解氮、有效磷、速效鉀和pH值等的測定參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［10］和《土壤農(nóng)化分析與環(huán)境監(jiān)測》［11］。土壤NO3--N和NH4+-N含量采用0.01 mol·L-1CaCl2浸提，流動(dòng)分析儀（AA3）測定。SMBC和SMBN采用氯仿熏蒸（0.5 mol·L-1K2SO4）浸提法測定。首先將土樣在25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d，然后稱取預(yù)處理土樣6份（每份12 g）放入燒杯中，將其中3份置于內(nèi)置50 mL 1 mol·L-1NaOH和50 mL去乙醇氯仿的小燒杯的真空干燥器中，抽真空后保持氯仿沸騰5 min，然后將干燥器移置在黑暗條件下25℃培養(yǎng)24 h，培養(yǎng)結(jié)束后再次抽真空完全去除土壤中的氯仿。另外3份做未熏蒸對照試驗(yàn)。將熏蒸和未熏蒸的土樣分別轉(zhuǎn)移到100 mL的提取瓶中，加入40 mL 0.5 mol·L-1K2SO4浸提液（水∶土質(zhì)量比為4∶1）震蕩30 min，然后過濾得上清液。上清液中的總有機(jī)碳和總有機(jī)氮含量用總有機(jī)碳分析儀（Vario TOC，Elementar Analysensysteme GmbH， 德國）測定。土壤微生物量磷（SMBP）采用氯仿熏蒸碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定［12-14］。

計(jì)算公式：

SMBC（mg·kg-1）=（熏蒸后提取液中有機(jī)C含量-未熏蒸對照提取液中有機(jī)C含量）/KEC；SMBN（mg·kg-1）=（熏蒸后提取液中全N含量-未熏蒸對照提取液中全N含量）/KEN；

SMBP（mg·kg-1）=（熏蒸后提取液中全P 含量 -未熏蒸對照提取液中全P含量）/（KEP×R）；

式中，KEC、KEN和KEP為轉(zhuǎn)換系數(shù)，KEC取0.45，KEN取0.68，KEP取0.40，R（%）為加入無機(jī)磷的回收率。

1.4 數(shù)據(jù)與分析

采用OriginLab 8.5軟件作圖，采用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），統(tǒng)計(jì)分析處理間作物生物量、土壤理化性質(zhì)，以及土壤微生物量碳氮磷含量的差異，分析前，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，方差不齊時(shí)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)化，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 翻壓覆蓋作物對玉米產(chǎn)量性狀及養(yǎng)分吸收量的影響

翻壓覆蓋作物能夠顯著提高玉米秸稈產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量以及植株養(yǎng)分吸收量（表2）。其中，與WFM處理相比，OvM處理的玉米秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量分別提高了33.3%和35.5%（P＜0.05），提高幅度最大。與VrM處理相比，OvM處理和BcM處理玉米秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量顯著提高。此外，與WFM處理相比，BcM處理地上部氮、磷、鉀分別提高30.7%、74.7%和57.6%（P＜0.05），而BCM處理地下部磷和OvM處理地下部鉀素吸收量提高幅度最大。BcM處理玉米地上部氮磷鉀吸收量和地下部磷素吸收量顯著高于其他兩種覆蓋作物（P＜0.05），VrM處理地下部氮吸收量最高，OvM處理玉米地下部鉀吸收量最高。

表2 翻壓覆蓋作物對玉米產(chǎn)量性狀及養(yǎng)分吸收量的影響

2.2 翻壓覆蓋作物對土壤理化性質(zhì)的影響

由表3可見，覆蓋作物翻壓后能顯著降低土壤容重和土壤pH值（P＜0.05），降幅分別為0.23～0.29 g·cm-3和 0.02～0.03。翻壓覆蓋作物均能顯著提高不同土層的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮和全鉀含量（P＜0.05）。其中，0～10 cm土層土壤中，與WFM處理相比，BcM處理土壤容重和pH值降低幅度最大，分別為21.3%和0.35%；BcM處理的有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、全氮和全鉀含量提高幅度也最大，分別為5.59%、39.0%、8.50%、10.7%和7.19%；VrM處理堿解氮含量顯著提高了14.6%（P＜0.05）。在10～20 cm土層土壤中，BcM處理pH值較WFM處理顯著降低了1.6%，而有機(jī)質(zhì)、堿解氮和全氮含量則分別提高了9.8%、8.9%和8.8%（P＜0.05）；與WFM處理相比，有效磷、速效鉀和全鉀含量則以O(shè)vM處理提高幅度最大，分別為62.9%、11.7%和2.6%，而OvM處理全磷含量降低幅度最大，降幅為7.3%，且差異顯著（P＜0.05）?？傮w來說，與VrM處理和OvM處理相比，BcM處理玉米季土壤養(yǎng)分含量提高幅度最大。

翻壓覆蓋作物能有效降低土壤NH4+-N和NO3--N含量（圖1）。隨玉米生育期的推進(jìn)其土壤的NH4+-N和NO3--N含量逐漸降低，且其變化趨勢基本一致。土壤NH4+-N和NO3--N含量在玉米幼苗期最高，而在拔節(jié)期到成熟期變化較為穩(wěn)定。其中，幼苗期WFM處理的NH4+-N和NO3--N含量均顯著高于翻壓覆蓋作物處理（P＜0.05），范圍分別為 0.50～3.52 和 21.40～33.13 mg·kg-1， 且 在 玉 米整個(gè)生育期WFM處理的NH4+-N和NO3--N含量均最高。

圖1 翻壓覆蓋作物對下季玉米生長季土壤NH4+-N和NO3--N的影響

2.3 翻壓覆蓋作物對土壤微生物量的影響

圖2表明，在作物不同生育期，翻壓覆蓋作物處理的土壤SMBC、SMBN和SMBP含量均顯著高于WFM處理（P＜0.05）。其中，在幼苗期（覆蓋作物翻壓后第40 d），BcM處理的SMBC含量、VrM處理的SMBN含量和OvM處理的SMBP含量提高幅度最大，分別為73.8%、117.0%和210.7%（P＜0.05）。從拔節(jié)期到灌漿期，翻壓覆蓋作物處理的SMBC和SMBN的含量均顯著高于WFM處理（P＜0.05），但增幅降低；而各處理SMBP含量在拔節(jié)期變化幅度仍比較大，且覆蓋處理均顯著高于WFM處理，增幅為40.2%～117.5%。成熟期，覆蓋作物處理的SMBC、SMBN和SMBP含量相對較低，且與WFM處理差異顯著（P＜0.05）。

圖2 翻壓覆蓋作物對下季玉米生長季土壤微生物量的影響

2.4 玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素與相關(guān)因素之間的相關(guān)性

表4相關(guān)分析表明，玉米產(chǎn)量與覆蓋作物翻壓量、土壤微生物量氮和微生物量磷呈極顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與覆蓋作物吸氮量和土壤全氮呈顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與土壤容重和pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。除土壤微生物量碳以外，玉米氮、磷、鉀吸收量與覆蓋作物翻壓量、吸磷量、吸鉀量、微生物量氮、微生物量磷、有機(jī)碳和全氮均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），且與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。

表4 玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素與相關(guān)因素之間的相關(guān)性

3 討論

3.1 翻壓覆蓋作物對玉米產(chǎn)量性狀及養(yǎng)分吸收量的影響

毛葉苕子、二月蘭和冬油菜作為覆蓋作物，其生物量和養(yǎng)分特性是影響土壤和主作物的重要因素［12］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，翻壓覆蓋作物均顯著提高了玉米株高、秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量，玉米地上部和地下部氮、磷和鉀的積累量均顯著增加。其原因是翻壓覆蓋作物配施化肥處理較單施化肥處理供肥能力在玉米整個(gè)生育期都較穩(wěn)定、水平較高，在整個(gè)生育后期，還可提供充足的營養(yǎng)，滿足玉米后期對養(yǎng)分的生長需求［13］。不同翻壓作物對作物特性的影響也不同，本研究中翻壓二月蘭和冬油菜處理玉米產(chǎn)量提高幅度最大。前人研究也表明［14］，翻壓二月蘭能夠促進(jìn)春玉米對氮、磷養(yǎng)分的累積，并且翻壓后增加了玉米籽粒中氮素的累積量、提高了磷素在子粒中的分配比例。王丹英等［15］認(rèn)為油菜還田能增加水稻的有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，并能促進(jìn)光合作用，增加干物質(zhì)量積累，從而顯著提高水稻產(chǎn)量?？赡苁怯捎诙绿m和冬油菜翻壓量較大且翻壓時(shí)營養(yǎng)成分均衡，翻壓后有利于玉米吸收和干物質(zhì)積累，且冬油菜作為直根系作物，與玉米輪作可以改善土壤理化性質(zhì)、改善土壤通氣性、增強(qiáng)土壤微生物的活性，從而使土壤養(yǎng)分供給能力增強(qiáng)［15］；毛葉苕子作為豆科覆蓋作物由于其根瘤菌固定氮素，翻壓入土能為玉米提供氮素，從而提高玉米產(chǎn)量。如Anitha等［16］研究認(rèn)為種植翻壓豆科作物可以節(jié)省25%的氮肥，同時(shí)還使得作物增產(chǎn)原來的11%。

3.2 翻壓覆蓋作物對土壤理化性質(zhì)的影響

翻壓覆蓋作物能顯著提高0～10和10～20 cm土層有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮和全鉀含量，同時(shí)顯著降低土壤容重和pH值。本試驗(yàn)中，與冬閑地相比，翻壓冬油菜處理的土壤容重和pH值降低幅度最大，其有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀、全氮和全鉀含量在0～10 cm土層中提高幅度最大；10～20 cm土層土壤中的有效磷、速效鉀和全鉀含量則以翻壓二月蘭處理提高幅度最大；這可能是由于翻壓覆蓋作物并配合施用化肥，增加有機(jī)物質(zhì)的含量，改善了土壤理化性狀，從而提高了土壤肥力［17-18］，也可能與冬油菜和二月蘭根系發(fā)達(dá)，能夠吸收和活化土壤較深層養(yǎng)分及難溶性養(yǎng)分，并將之富集于土壤耕作層供作物吸收利用，還能夠解除土壤對氮、磷、鉀等元素的固定有關(guān)［19-20］。

在本研究玉米生育前期，基肥的施入和翻壓覆蓋作物進(jìn)入土壤均增加了土壤氮的投入，由于玉米苗期養(yǎng)分需求量很少，大量的養(yǎng)分滯留在土壤中，導(dǎo)致該時(shí)期土壤NH4+-N和NO3--N含量大幅度升高；同時(shí)由于播種期至幼苗期幾乎沒有有效降雨，導(dǎo)致了土壤NH4+-N和NO3--N大量積累，能夠促進(jìn)玉米生長，增加玉米產(chǎn)量、氮素吸收量及肥料利用效果。而在玉米生育后期，土壤NH4+-N和NO3--N含量則大幅度降低，其原因，首先是玉米生長后期所需大量養(yǎng)分所致，其次是玉米生長后期降雨量大，導(dǎo)致土壤NH4+-N和NO3--N隨降水向深層運(yùn)移［21］。各個(gè)覆蓋作物翻壓處理的土壤NH4+-N和NO3--N含量均低于無覆蓋作物翻壓處理，造成這一現(xiàn)象的主要原因是覆蓋作物自身腐解和其翻壓對NH4+-N和NO3--N淋洗的抑制作用［21］。

3.3 翻壓覆蓋作物對土壤微生物量的影響

翻壓覆蓋作物與化肥配合施用能顯著提高土壤微生物量碳、土壤微生物量氮和土壤微生物量磷含量，造成這一變化的原因，與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量的變化有關(guān)。本研究結(jié)果表明，各個(gè)覆蓋作物處理的土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物量磷含量均顯著高于單施化肥處理，且隨著玉米生育期的推進(jìn)呈逐漸降低趨勢，這可能是因?yàn)樵谟衩子酌缙趯︷B(yǎng)分需求較少，覆蓋作物翻入土壤后為微生物提供大量的有機(jī)碳源和氮源，使微生物量數(shù)量迅速升高［22］，也可能是由于翻壓覆蓋作物后改善了土壤的通透性，使表層土壤鹽分向土體下層淋洗，同時(shí)覆蓋作物中的有機(jī)組分分解形成的有機(jī)酸降低了土壤中堿性物質(zhì)的含量，降低了土壤pH值［23］，增加了微生物活性，從而提高了土壤微生物量含量；進(jìn)入拔節(jié)期以后，營養(yǎng)器官生長迅速，代謝旺盛，對水分和養(yǎng)分的需求迅速增加［24］，覆蓋作物中易分解的有機(jī)物質(zhì)逐漸減少，土壤中易礦化分解的有機(jī)碳和被土壤固定的部分氮磷養(yǎng)分大量消耗［8］，導(dǎo)致土壤微生物量含量迅速降低。

4 結(jié)論

在華北平原，毛葉苕子、二月蘭和冬油菜3種冬季覆蓋作物翻壓后均有利于提高土壤養(yǎng)分含量、微生物生物量含量和玉米產(chǎn)量。其中，與翻壓毛葉苕子處理相比，翻壓二月蘭和冬油菜處理顯著提高了玉米產(chǎn)量以及土壤有效磷、速效鉀和全鉀含量；翻壓冬油菜處理地上部養(yǎng)分吸收量顯著高于其他兩個(gè)翻壓處理；在整個(gè)玉米生育期內(nèi)，翻壓3種冬季覆蓋作物均顯著提高了土壤微生物量含量，顯著降低了土壤無機(jī)氮含量，減少了土壤氮素的流失。綜上，在華北平原，玉米-冬油菜輪作和玉米-二月蘭輪作模式效果較好，玉米-毛葉苕子輪作模式效果次之。