豆科冬綠肥水氮復(fù)合效應(yīng)分析

秦文利

（河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所/河北省肥料技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050051）

河北省是我國(guó)的糧食主產(chǎn)省，冬小麥—夏玉米一年兩熟是該區(qū)主要的糧食種植制度。水資源嚴(yán)重短缺、化肥過量投入引起的生態(tài)退化，嚴(yán)重制約著河北省糧食的可持續(xù)發(fā)展。削減依賴于灌溉的冬小麥種植面積、降低農(nóng)田灌水消耗量、充分發(fā)揮雨熱同季的春玉米產(chǎn)量潛力是解決河北省水資源危機(jī)、保障糧食安全的一個(gè)重要途徑。隨著國(guó)家化肥農(nóng)藥零增長(zhǎng)目標(biāo)的提出，綠肥成為替代化肥的重要肥源。春玉米冬閑田種植豆科綠肥，可覆蓋地表、吸碳固氮，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分良性循環(huán)，提高肥料利用率，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[1，2]。豆科綠肥對(duì)土壤氮素進(jìn)行補(bǔ)充后，還可以促進(jìn)根系對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收，提高木質(zhì)部水流通量中的氮養(yǎng)分濃度，優(yōu)化葉片氣孔開度，提高蒸騰效率[3]。河北省冬春季節(jié)降水大多為小雨，如果沒有作物生長(zhǎng)，這些降水資源易變?yōu)橥寥勒舭l(fā)損失。通過種植冬綠肥的覆蓋，可減蒸保墑，實(shí)現(xiàn)冬春季降水資源的高效利用。但冬綠肥干物質(zhì)積累需要消耗土壤水分，這是否會(huì)影響下茬作物的生長(zhǎng)？其水氮復(fù)合效應(yīng)能否彌補(bǔ)這種不利的影響？作者對(duì)豆科冬綠肥的水氮復(fù)合效應(yīng)進(jìn)行了闡述，并進(jìn)一步分析了其對(duì)后茬春玉米生長(zhǎng)的影響，旨為缺水區(qū)冬閑田綠肥復(fù)種生態(tài)養(yǎng)地型種植制度的建立提供理論依據(jù)。

1 豆科綠肥的氮素供應(yīng)特征及其對(duì)土壤氮養(yǎng)分供應(yīng)能力的影響

氮是作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的首要必需元素，也是造成環(huán)境污染的主要元素。在土壤—植物系統(tǒng)中，豆科綠肥作物通過吸收土壤中的殘留肥料氮和難溶性氮，以及固定空氣中的游離態(tài)氮，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田氮素累積，通過翻壓還田可腐解釋放氮養(yǎng)分，補(bǔ)充土壤氮素，實(shí)現(xiàn)氮素的良性循環(huán)[4，5]。豆科綠肥植株氮養(yǎng)分積累、釋放規(guī)律決定著其對(duì)土壤的氮養(yǎng)分供應(yīng)能力，影響著土壤氮素的變化動(dòng)態(tài)及其對(duì)后茬主作物氮養(yǎng)分的供應(yīng)[6，7]。生物量和植株氮含量決定了豆科綠肥田間養(yǎng)分積累總量。綠肥植株生物量積累和氮養(yǎng)分積累均符合生長(zhǎng)曲線規(guī)律[6]。播期、綠肥種類等均影響豆科綠肥作物田間氮素的積累量。趙秋等[8]在天津的試驗(yàn)結(jié)果表明，春玉米冬閑田秋播的毛葉苕子每年氮積累量平均為144.68 kg/hm2。郭耀東等[9]在山西省山陰縣的試驗(yàn)結(jié)果表明，夏播毛葉苕子、田菁、草木樨、紫花苜蓿、箭筈豌豆等豆科綠肥作物的田間氮積累量分別為195.4、68.0、165.9、115.3和98.6 kg/hm2。

綠肥翻壓時(shí)期應(yīng)結(jié)合生物量積累和養(yǎng)分含量確定。翻壓過早，養(yǎng)分積累量少且易流失；翻壓過晚，植株碳氮比高，不利于綠肥植株養(yǎng)分的快速釋放。初花期至結(jié)莢期是豆科綠肥的適宜翻壓期。翻壓后，綠肥氮養(yǎng)分釋放速率呈現(xiàn)前期快、后期慢的規(guī)律。寧東峰等[10]在山東棉田的研究表明，毛葉苕子翻壓后43 d內(nèi)腐解率為77.5%，至第113天時(shí)腐解率為89.5%。氮在翻壓后21 d內(nèi)礦化率即達(dá)60%以上。豆科綠肥翻壓還田后可以顯著增加土壤全氮和堿解氮的含量，并影響不同形態(tài)氮素在土壤中的時(shí)空分布。韓梅等[11]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)毛葉苕子還田量為2×104kg/hm2時(shí)，后茬油菜播前、苗期、花期、成熟期0～100 cm土層的全氮、堿解氮和銨態(tài)氮積累量升高，而硝態(tài)氮積累量降低。豆科綠肥可增強(qiáng)土壤氮素供應(yīng)能力而替代氮素化肥，有利于減輕環(huán)境負(fù)荷。王飛等[12]研究表明，單季稻田連續(xù)翻壓紫云英能促進(jìn)下茬水稻植株對(duì)來自紫云英礦化氮的吸收，可替代40%的氮素化肥。

目前，國(guó)內(nèi)外研究主要集中于豆科冬綠肥植株的氮素積累、釋放規(guī)律及其對(duì)土壤的培肥效應(yīng)等方面，而對(duì)北方缺水區(qū)豆科冬綠肥翻壓后土壤氮養(yǎng)分供應(yīng)特征與下茬作物氮養(yǎng)分需求特征是否匹配以及在此基礎(chǔ)上應(yīng)建立的減量施氮模式還缺乏深入、系統(tǒng)的研究，加強(qiáng)該方面的研究對(duì)減輕環(huán)境污染、促進(jìn)糧食綠色生產(chǎn)具有重要意義。

2 豆科綠肥的農(nóng)田耗水特征及其對(duì)土壤水分平衡的影響

土壤水分的無效蒸發(fā)和作物對(duì)土壤水分的有效蒸騰共同構(gòu)成了農(nóng)田水分耗散結(jié)構(gòu)。降低土壤蒸發(fā)耗水，提高作物冠層蒸騰效率，可優(yōu)化農(nóng)田水分耗散結(jié)構(gòu)[13]。土壤蒸發(fā)量與土壤表層所接受的光輻射能量和含水量呈正相關(guān)[14]。種植冬綠肥能有效阻斷土壤表面與大氣的直接接觸，減少地表所接受的光輻射能量，降低土壤蒸發(fā)強(qiáng)度。綠肥生長(zhǎng)消耗土壤水分可降低土表含水量，有利于減少土壤水分蒸發(fā)。Correia等[15]研究表明，豆科綠肥作物覆蓋果園地表，能降低土壤蒸發(fā)占總蒸散量的比重，提高果園生態(tài)系統(tǒng)蒸騰效率。因此，冬閑田種植冬綠肥能減少土壤水分蒸發(fā)損失。豆科冬綠肥的種植與還田還能改善土壤物理性質(zhì)，增加土壤滲透能力，集蓄降水，這均有利于改善土壤水分的收支平衡。

但綠肥作物的干物質(zhì)積累需消耗一定量的土壤水分，這將降低下茬作物可利用的土壤貯水，可能導(dǎo)致減產(chǎn)。Restovich等[16]研究發(fā)現(xiàn)，極干旱年份種植覆蓋作物將導(dǎo)致后茬作物減產(chǎn)。Qin等[17]研究表明，與夏玉米相比，種植夏大豆平均減少下茬虧缺灌溉冬小麥播前土壤貯水95.2 mm，導(dǎo)致冬小麥嚴(yán)重減產(chǎn)。但上茬作物的種植并不都導(dǎo)致后茬減產(chǎn)，這與其生長(zhǎng)過程中消耗的土壤水分量有關(guān)[18]。因此，探明冬閑田種植豆科綠肥作物后農(nóng)田耗水特征、土壤水分在不同深度的變化、土壤水分收支平衡變化以及這些變化對(duì)下茬作物的影響，對(duì)削減綠肥作物生長(zhǎng)耗水對(duì)下茬作物的不利影響具有重要意義。

3 豆科綠肥的水氮復(fù)合效應(yīng)

水和氮是影響作物產(chǎn)量形成的2個(gè)關(guān)鍵因子，二者相互作用、相互影響。水是植物吸收氮素的載體，土壤水分條件影響著氮素對(duì)植物的有效性。隨著土壤含水量的降低，作物產(chǎn)量對(duì)氮肥的響應(yīng)程度降低，過量施氮將加重根系對(duì)土壤干旱的敏感性，引起作物減產(chǎn)。合理施氮可促進(jìn)根系吸水。一方面，細(xì)胞內(nèi)硝態(tài)氮濃度的增加改變了細(xì)胞膜的滲透特性[19]；另一方面，硝態(tài)氮可加強(qiáng)水通道蛋白的進(jìn)一步表達(dá)[20]，二者均可提高作物根系水力傳導(dǎo)度。氮也可通過調(diào)控氣孔開度提高冠層蒸騰效率。因?yàn)殡S低氮土壤中NO3-含量的增加，氣孔導(dǎo)度呈雙曲線變化，其機(jī)理可能與NO3-影響脫落酸（ABA）誘導(dǎo)氣孔開閉有關(guān)[21，22]。在ABA誘導(dǎo)的氣孔運(yùn)動(dòng)過程中，NO3-不僅作為信號(hào)分子直接參與，而且還通過促進(jìn)硝酸還原酶（NR）和亞硝酸還原酶（NIR）的表達(dá)提高葉片中NO的含量而引起氣孔關(guān)閉（NO是氣孔運(yùn)動(dòng)中ABA的下游信號(hào)分子）。

除通過補(bǔ)充土壤氮養(yǎng)分影響作物對(duì)土壤水分的吸收利用外，豆科綠肥還可以促進(jìn)后茬作物根系深扎，利用深層土壤貯水。豆科綠肥根系強(qiáng)大，可穿插、切割土壤，降低土壤容重，減輕下茬作物根系下扎阻力。其根系的“生物鉆孔”（bio-drilling）功能可為后茬作物根系在土壤中的生長(zhǎng)提供通道[23]。根系具有趨肥性，深層施肥可促進(jìn)根系深扎[24]。因此，綠肥深層根系分泌物、根際沉淀物以及死亡根系腐解釋放的養(yǎng)分均能誘導(dǎo)主作物根系深扎，吸收深層土壤的水分和養(yǎng)分。

4 豆科冬綠肥水氮復(fù)合效應(yīng)對(duì)下茬春玉米的影響

豆科冬綠肥的水氮復(fù)合效應(yīng)終將通過影響下茬作物對(duì)土壤水氮的吸收利用而影響產(chǎn)量形成過程。合理施氮不僅可促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，加強(qiáng)葉片光合作用，為子粒發(fā)育制造更多同化產(chǎn)物，滿足其對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求，還可提高雌穗分化小花的受精率、結(jié)實(shí)率，減少子粒敗育率，增加穗粒數(shù)；同時(shí)，促進(jìn)光合產(chǎn)物向子粒轉(zhuǎn)移，增加粒重，提高產(chǎn)量。綠肥翻壓后，氮養(yǎng)分主要在后茬春玉米苗期、拔節(jié)期釋放[10]；而在大喇叭口期、抽穗期、開花期、吐絲期、灌漿期等決定穗粒數(shù)、粒重等產(chǎn)量因子形成的關(guān)鍵生育期，綠肥養(yǎng)分釋放逐漸減少，這時(shí)應(yīng)加強(qiáng)來自化肥的氮養(yǎng)分供應(yīng)。玉米苗期遭受一定程度的干旱可促進(jìn)根系深扎，復(fù)水后由于補(bǔ)償效應(yīng)可提高植株生長(zhǎng)速率。拔節(jié)期至灌漿期是決定玉米產(chǎn)量形成的關(guān)鍵生育期，此時(shí)發(fā)生干旱將嚴(yán)重阻礙玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的進(jìn)程，導(dǎo)致根系養(yǎng)分吸收能力減弱、葉片光合能力下降，不能為生殖生長(zhǎng)供應(yīng)充足的同化產(chǎn)物，降低花粉和花絲的質(zhì)量以及雌穗小花的受精率、結(jié)實(shí)率，影響玉米子粒的庫(kù)容建成和充實(shí)，造成穗粒數(shù)減少、粒重下降，最終減產(chǎn)[25]。春玉米對(duì)水分消耗較大的生育期均處于河北省集中降雨時(shí)期。而冬閑田種植豆科冬綠肥對(duì)土壤貯水的消耗將影響春玉米生育早期對(duì)土壤水分的需求，這是否會(huì)對(duì)春玉米的產(chǎn)量形成造成不利影響？枯水年型下豆科冬綠肥對(duì)土壤貯水的消耗特征將對(duì)下茬春玉米不同生育階段水分需求規(guī)律和產(chǎn)量形成過程產(chǎn)生怎樣的影響？明確這些問題將有助于缺水區(qū)冬閑田綠肥復(fù)種生態(tài)養(yǎng)地型種植制度的建立。