评估毛苕子（Vicia villosa Roth）作为绿肥在根茎作物种植中减少化学肥料投入的效果

《Plant Production Science》：Evaluation of relay intercropping hairy vetch (Vicia villosa Roth) as a green manure to reduce chemical fertilizer input in the cultivation of root crops

绿肥间作对根作物产量及后续作物养分利用的影响研究。在萝卜和胡萝卜间作毛宿豆的两年试验中发现，间作绿肥未降低主作物产量，且胡萝卜间作绿肥的生物质积累量（376-990 kg/10亩）显著高于萝卜间作。后续大豆产量与化肥相当，而甜玉米因养分不足生长受限。绿肥还改善了土壤结构，但磷钾供应不足需补充。

　　本研究探讨了在同一个生长季节中种植现金作物和绿肥作物的策略，特别是将豆科绿肥作物——毛叶苕子（*Vicia villosa* Roth）与根类作物——萝卜和胡萝卜进行轮作种植，评估其对作物产量和土壤肥力的影响。研究结果显示，通过这种轮作方式，可以有效提高土壤肥力，减少对化学肥料的依赖，从而推动可持续农业的发展。

### 研究背景与意义

随着全球对环境问题的关注日益加深，化学肥料的使用所带来的环境负担也逐渐显现。化学肥料主要由化石燃料制成，其生产过程会释放大量温室气体，对气候变化产生负面影响。例如，生产硝酸铵（33.5% N）、尿素（46% N）、磷酸盐（48% P?O?）和钾肥（60% K?O）的碳排放量分别为1.18?kg CO?-eq kg?1、0.91?kg CO?-eq kg?1、0.26?kg CO?-eq kg?1和0.25?kg CO?-eq kg?1。此外，化学肥料的过度使用不仅增加了农业生产成本，还导致土壤健康问题，包括土壤微生物群落减少、土壤结构破坏以及有机质含量下降等。

为了应对这些问题，许多国家和地区开始探索利用生物固氮、绿肥作物等自然方式来改善土壤肥力。日本政府在2021年发布的《可持续食品系统战略——MIDORI》中提出，到2050年将减少30%的化学肥料使用量。其中，引入轮作系统作为维持土壤肥力的一种方法，成为重要的研究方向之一。绿肥作物不仅可以为后续作物提供养分，还能改善土壤结构、防止水土流失，并可能抑制有害线虫和病害，促进有益微生物如丛枝菌根真菌的繁殖，从而提升土壤生态系统的稳定性。

然而，在日本这样的土地资源有限、农业集约化的国家，单一种植绿肥作物可能无法满足经济收益的要求。因此，研究如何将绿肥作物与主要作物结合，通过间作或轮作的方式提高经济效益，同时实现土壤保护，具有重要意义。毛叶苕子是一种耐寒、耐雪的年生作物，具有良好的土壤覆盖能力，并能通过释放氰胺等物质抑制杂草生长。因此，它被广泛用于土壤改良和作物保护。

### 研究方法与设计

本研究在大阪市立大学进行，为期两年，分别于2020/21和2021/22两个生长季。实验地点的土壤为灰质低地土，pH值为4.5，电导率（EC）为0.08 mS cm?1，阳离子交换容量（CEC）为8.2 meq 100 g?1，初始矿质氮含量为2.1 mg 100 g?1（NH??-N 1.3 mg 100 g?1，NO??-N 0.9 mg 100 g?1），有效磷含量为6.7 mg P?O? 100 g?1，交换性钾含量为2.1 mg K?O 100 g?1，交换性钙为180 mg CaO 100 g?1，交换性镁为21 mg MgO 100 g?1，腐殖质含量为1.4%。根据日本农林水产省发布的土壤肥力改善指南，该土壤的肥力属于较低水平。

实验分为两组：一组为单作的根类作物（萝卜和胡萝卜），另一组为在根类作物生长40天后引入毛叶苕子的轮作系统。毛叶苕子的播种密度为7 kg 10a?1，以条状方式种植在根类作物行间，距离作物约5–10 cm。在轮作结束后，毛叶苕子被翻入土壤中，并通过锤刀切割后翻耕。为了评估其对后续作物的影响，实验还比较了毛叶苕子翻入土壤后的养分供应效果与传统化学肥料的差异。

在后续作物种植过程中，选择了两种作物：蔬菜大豆和甜玉米。在蔬菜大豆的种植中，未使用化学肥料，仅依赖毛叶苕子的翻入；而在甜玉米的种植中，部分处理使用了化学肥料，部分则不使用。通过比较两种处理方式对作物生长和产量的影响，评估毛叶苕子作为替代肥料的潜力。

### 实验结果与分析

#### 根类作物的生长与产量

研究结果显示，在毛叶苕子轮作系统下，萝卜和胡萝卜的产量与单独使用化学肥料的对照组（CF组）相比基本保持一致。具体而言，萝卜的平均根重在CF组为1.23 kg plant?1（2020/21）和1.17 kg plant?1（2021/22），在毛叶苕子处理组（HV组）分别为1.22 kg plant?1和1.25 kg plant?1。这种产量的稳定性表明，毛叶苕子的引入并未对根类作物的生长造成负面影响。

此外，研究还发现，毛叶苕子与胡萝卜轮作时，其生长状况优于与萝卜轮作的情况。胡萝卜种植区的毛叶苕子覆盖率达到100%，而萝卜种植区的覆盖率则略低。这可能与胡萝卜叶片较小、叶面结构更为复杂有关，使其在轮作期间能够为毛叶苕子提供更多的光照，从而促进其生长。同时，毛叶苕子在胡萝卜种植区的生物量也显著高于萝卜种植区，分别达到719–990 kg 10a?1和376–602 kg 10a?1。这表明，毛叶苕子在与不同根类作物轮作时，其生长效果会受到光照条件的影响。

#### 毛叶苕子的生物量与养分积累

毛叶苕子的生物量和养分积累在与胡萝卜轮作时显著高于与萝卜轮作时。例如，在2020/21生长季，胡萝卜种植区的毛叶苕子生物量为0.99 kg m?2，而萝卜种植区仅为0.60 kg m?2。在2021/22生长季，胡萝卜种植区的毛叶苕子生物量为0.72 kg m?2，萝卜种植区则为0.38 kg m?2。这些结果进一步说明，胡萝卜种植区的光照条件更有利于毛叶苕子的生长。

从养分积累的角度来看，毛叶苕子在胡萝卜种植区的氮、磷、钾输入量也高于萝卜种植区。具体而言，2020/21生长季，胡萝卜种植区的氮输入量为18.2–36.4 g N m?2，而萝卜种植区仅为10.5–21.2 g N m?2。磷和钾的输入量在胡萝卜种植区也高于萝卜种植区，分别达到0.9–3.1 g P m?2和4.0–11.3 g K m?2。这表明，毛叶苕子在与胡萝卜轮作时，其对土壤的养分贡献更大。

#### 后续作物的生长与产量

在蔬菜大豆种植过程中，毛叶苕子处理组的产量与化学肥料处理组（CF组）相比基本持平。例如，2020/21生长季，蔬菜大豆的平均产量在CF组为799–910 kg 10a?1，而在HV组则为753–823 kg 10a?1。这种产量的稳定性表明，毛叶苕子作为绿肥作物能够有效补充土壤养分，维持后续作物的生长。

然而，在甜玉米种植过程中，毛叶苕子处理组的产量明显低于化学肥料处理组。甜玉米的耳重、耳长和耳直径在HV组均低于CF组，表明毛叶苕子提供的养分不足以满足甜玉米的生长需求。这可能与毛叶苕子的分解速度有关。在甜玉米种植初期，土壤中的矿质氮、有效磷和交换性钾含量在CF组均高于HV组，这可能影响了甜玉米的早期生长。尽管在生长中期，HV组的甜玉米表现出一定的生长改善，但其总体产量仍无法达到CF组的水平。

此外，研究还发现，毛叶苕子在与胡萝卜轮作时，其对甜玉米的养分供应效果优于与萝卜轮作时。在胡萝卜种植区，甜玉米的氮、磷、钾积累量分别为CF组的56.0%、72.3%和53.6%，而在萝卜种植区，这些指标分别为36.5%、52.8%和37.2%。这表明，胡萝卜种植区的毛叶苕子生物量更高，其分解过程中释放的养分更充分，从而对后续作物的生长更有利。

#### 土壤理化性质的变化

在土壤理化性质方面，毛叶苕子的引入对土壤结构和养分含量产生了一定影响。研究发现，土壤的穿透阻力在毛叶苕子处理组中略低于CF组，尤其是在0–20 cm和0–30 cm的深度范围内。这可能与毛叶苕子根系对土壤结构的改善有关。毛叶苕子的根系可以穿透土壤，形成裂缝，从而提高土壤的通透性，改善排水性能。然而，在整体土壤硬度方面，毛叶苕子处理组并未表现出显著的降低，这可能与其较低的碳氮比（C/N ratio）有关。较低的碳氮比意味着毛叶苕子分解速度较快，其对土壤硬度的影响较小。

在土壤化学性质方面，毛叶苕子处理组的矿质氮、有效磷和交换性钾含量在种植初期均低于CF组。这可能是因为毛叶苕子在生长过程中吸收了大量养分，导致土壤中这些养分的暂时减少。然而，在甜玉米种植期间，这些养分的积累逐渐恢复，最终在HV组中达到与CF组相近的水平。这表明，毛叶苕子的养分释放具有一定的滞后性，但其对土壤肥力的长期改善作用不容忽视。

### 讨论与启示

本研究的结果表明，毛叶苕子在与胡萝卜轮作时，其对土壤肥力的改善效果优于与萝卜轮作时。这可能与胡萝卜叶片结构和光照条件有关。胡萝卜的叶片较小且深裂，能够为毛叶苕子提供更多的光照，从而促进其生长。此外，毛叶苕子在胡萝卜种植区的生物量更高，其分解过程中释放的养分也更为充分，这为后续作物的生长提供了更好的基础。

然而，毛叶苕子在与萝卜轮作时，其对土壤肥力的改善效果有限。这可能与萝卜叶片较大、遮光性较强有关，导致毛叶苕子在生长过程中受到光照不足的影响，从而抑制其生长。因此，在实际应用中，需要根据作物的生长特性和光照需求，合理选择轮作作物，以最大化毛叶苕子的肥力贡献。

在后续作物的生长过程中，蔬菜大豆表现出较好的适应性，其产量和生长参数在HV组和CF组之间基本持平。这表明，毛叶苕子的养分供应能够满足蔬菜大豆的生长需求。然而，甜玉米的生长和产量在HV组中仍明显低于CF组，这可能与毛叶苕子的养分供应不足有关。因此，在使用毛叶苕子作为绿肥作物时，可能需要结合其他肥料补充措施，以确保甜玉米的生长。

此外，毛叶苕子的分解速度对养分释放的及时性具有重要影响。研究发现，毛叶苕子在土壤中分解后，其养分释放具有一定的滞后性，这可能影响后续作物的早期生长。因此，在实际应用中，需要根据作物的生长周期，合理安排毛叶苕子的翻入时间，以确保其养分释放与作物的生长需求相匹配。

### 结论与展望

本研究的结果表明，毛叶苕子与根类作物轮作可以有效维持作物产量，同时改善土壤肥力。在蔬菜大豆种植中，毛叶苕子处理组的产量与CF组基本持平，显示出其作为替代肥料的潜力。然而，在甜玉米种植中，毛叶苕子的养分供应仍不足以满足作物需求，因此可能需要结合其他肥料补充措施。

未来的研究可以进一步探讨毛叶苕子与其他作物的轮作效果，以及不同轮作模式对土壤结构和养分循环的影响。此外，还可以研究毛叶苕子的分解速度与土壤类型之间的关系，以优化其在不同土壤条件下的应用。通过这些研究，可以为可持续农业提供更科学的种植方案，减少对化学肥料的依赖，同时提高土壤健康和作物产量。