河西綠洲灌區(qū)玉米間作綠肥根茬還田的氮肥減施效應

羅 躍，盧秉林，周國朋，常單娜，高嵩涓，張久東，車宗賢，朱 青，曹衛(wèi)東*

（1 貴州大學農學院，貴州貴陽 550025；2 甘肅省農業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農業(yè)研究所，甘肅蘭州 730030；3 中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/農業(yè)農村部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081；4 南京農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，江蘇南京 210095；5 貴州省農業(yè)科學院土壤肥料研究所，貴州貴陽 550006）

施用氮肥是提高作物產量的重要手段[1]。我國現階段氮肥利用率為30%～35%，而氮肥損失率卻高達40%～50%[2–3]。大量的化學氮肥投入不僅造成資源浪費，而且還帶來一系列環(huán)境問題[4]。適當降低氮肥投入量，提高氮肥養(yǎng)分利用率是我國農業(yè)生產中亟待突破的瓶頸。綠肥在作物高產穩(wěn)產和建立良好農業(yè)生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著極其重要的作用[5–7]，是一種純天然的清潔有機肥源[8]。種植豆科綠肥能通過生物固氮向農田生態(tài)系統(tǒng)輸入氮素[9]，減少作物對化學氮肥的需求。研究表明，在我國西北[10–11]、西南[12]、華北地區(qū)[13]，種植綠肥并翻壓時，較秋閑田或冬閑田減施化肥15%～30%，主作物產量不低于當地常規(guī)施肥并穩(wěn)中有升[7]。2020年，高嵩涓等[14]運用南方稻區(qū)11點聯網定位試驗，也證實了種植利用綠肥的增產節(jié)肥效應，接茬水稻不減肥或減肥20%水稻分別增產6.5%和4.2%，減施40%化肥時水稻不減產。

在我國河西綠洲灌區(qū)，玉米間作豆科綠肥，綠肥盛花期收割地上部用作飼草，殘留根茬用于培肥土壤是一種常見的生產模式[15]。該模式下，豆科綠肥與玉米共同生長期間，玉米能有效利用豆科綠肥生物固定的氮素[16]，綠肥根茬連續(xù)還田還能增加接茬作物的產量[11,17]。我們利用位于河西綠洲灌區(qū)連續(xù)10年(2011—2020)的定位試驗，研究了玉米間作豆科綠肥(針葉豌豆、毛葉苕子)，綠肥根茬還田下后茬作物減施氮肥的可行性，旨在為該地區(qū)農田養(yǎng)分高效管理提供技術和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況和試驗材料

試驗于2011年在甘肅省農業(yè)科學院武威綠洲試驗基地 (37°43′N，102°35′E)進行?；睾０?504 m、年平均氣溫≥10℃，全年積溫3016℃，年日照時數2800～3300 h、無霜期150 天，年平均降水量222 mm、蒸發(fā)量2021 mm。供試土壤為灌漠土，耕層土壤 (0—20 cm)容重 1.39 g/cm3、有機質20.61 g/kg、全氮 1.22 g/kg、全磷 0.43 g/kg、全鉀20.9 g/kg、堿解氮 57.09 mg/kg、有效磷 29.54 mg/kg、速效鉀 179 mg/kg、pH 8.31。

供試玉米(Zea maysL.)品種為‘武科2號’。供試綠肥為針葉豌豆(Pisum sativumL.)，品種為‘隴豌2號’；毛葉苕子(Vicia villosaRoth)，品種為‘土庫曼毛葉苕子’。

1.2 試驗設計

試驗設8個處理，分別為：后茬玉米不施肥對照(CK)；施用常規(guī)量氮肥(CF)；針葉豌豆根茬還田條件下，后茬玉米不施氮肥(P)和施用常規(guī)氮肥量的90%和80% (N90P、N80P)；毛葉苕子根茬還田條件下，后茬玉米不施氮肥(V)和施用常規(guī)氮肥量的90% 和80% (N90V、N80V)，每個處理重復3次，小區(qū)面積21 m2(4.2 m×5.0 m)，隨機區(qū)組排列。供試氮肥、磷肥分別為尿素 (N 46%)、重過磷酸鈣 (P2O543%)。當地玉米常規(guī)氮肥施肥量為N 375 kg/hm2，氮肥按基肥∶拔節(jié)期追肥∶大喇叭口期追肥=3∶3∶4分施，除對照外，每個處理均基施 P2O5150 kg/hm2。

玉米綠肥采用寬窄行種植，條播。玉米帶寬為40 cm，覆膜 2 行種植，株距 20 cm，行距 40 cm，播種密度為82500株/hm2；綠肥帶寬80 cm，種植3行綠肥，株距20 cm，行距20 cm。CK、CF處理除不種植綠肥外，種植模式均同于其他處理，種植模式如圖1所示。播種量為針葉豌豆75 kg/hm2、毛葉苕子45 kg/hm2。玉米于2020年4月下旬播種，2020年10月上旬收獲。針葉豌豆和毛葉苕子均于2020年3月下旬播種，2020年6月下旬收獲(針葉豌豆為籽粒成熟期，毛葉苕子為盛花期)，綠肥收獲時玉米處于大喇叭口期，兩者共生期約為60天。綠肥處理方式為，在收獲時將地上部乂割移走作為飼草，留根茬肥田。綠肥以小區(qū)為單位測產，針葉豌豆、毛葉苕子地上部干物質量分別為1568、1878 kg/hm2。次年，玉米帶與綠肥帶倒茬播種，如此循環(huán)。采用漫灌的方式在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期追肥后灌水。

圖1 種植模式示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the planting pattern

1.3 樣品采集與分析

2020年10月玉米成熟期，各小區(qū)單打單收，果穗風干后脫粒，稱其籽粒干重，即為小區(qū)產量，再由小區(qū)產量折成單位面積玉米籽粒產量。隨機選取3株成熟玉米進行考種，于105℃殺青30 min，60℃烘干至恒重，稱重、粉碎后備用。植株樣品采用濃硫酸–過氧化氫法消煮，凱氏定氮法測定氮、釩鉬黃比色法測定磷、火焰光度計法測定鉀含量[18]。

玉米收獲后每小區(qū)按5點取樣法采集0—20 cm耕層土樣，分取部分鮮土進行活性氮指標分析，剩余土樣自然風干，過篩后用于理化性質分析。土壤理化性質測定方法如下：土壤有機質采用重鉻酸鉀—外加熱法測定；土壤有效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度計法測定；土壤pH采用電位法(水土比 2.5∶1)測定[18]。

土壤氮庫指標測定參照楊璐[19]、周國朋等[6]試驗方法，包括：全氮、有機氮、無機氮、顆粒態(tài)有機氮、可溶性有機氮、土壤微生物量氮。

1.4 計算公式

1.4.1 氮肥利用指標 選擇氮肥農學效率、氮肥偏生產力、氮素吸收效率、氮肥表觀利用率來比較不同處理間的氮肥效益。

式中：TNN—施氮區(qū)玉米吸氮量(kg/hm2)；TN0—不施氮區(qū)玉米吸氮量(kg/hm2)；YN—施氮區(qū)玉米產量(kg/hm2)；Y0—不施氮區(qū)玉米產量(kg/hm2)；Nr—氮素施入量(kg/hm2)。

1.4.2 修正后的內梅羅 (Nemoro) 公式

式中：IFI為土壤綜合肥力指數；(Pi)min為土壤所有指標中單項肥力指數最小值；(Pi)ave為土壤所有指標中單項肥力指數平均值；n為參評的土壤肥力指標數。引入(Pi)min替代原公式中的(Pi)max，其目的是強化此因子對土壤肥力指數的制約，(n?1)/n是土壤綜合肥力指數的修正項，參評的因子越多，可信度越高，本研究中n=6。參評因子肥力指數(Pi)是將測定的各土壤基礎理化性質值參考土壤肥力參評指標分級標準，將其分級劃分后再運用公式進行標準化處理，以消除各因子之間的量綱差別。主要參照第二次全國土壤普查分級標準及其他學者的研究成果[20]。

1.5 數據處理

試驗數據選用SPSS 17.0軟件進行數據處理、統(tǒng)計與方差分析，Duncan新復極差法多重比較判斷處理間差異顯著性(P<0.05)；通過R 2.7.0中的“gbmplus”包[21]進行聚合增強樹分析(ABT)；使用R 3.6.1中的“plspm”包[22]，構建綠肥品種、施氮量、土壤理化性質、氮庫指標、玉米產量、地上部養(yǎng)分累積量及玉米氮素利用特征之間的路徑分析模型。采用Origin 2019作圖。

2 結果與分析

2.1 綠肥根茬還田下氮肥減施對玉米產量及養(yǎng)分吸收利用的影響

由表1可知，與不施肥CK處理相比，僅綠肥根茬還田(P和V處理)不能顯著提高玉米產量；玉米產量以N80P處理最高，較CF處理增產7.6% (P<0.05)，其余綠肥根茬還田配施80%～90%常規(guī)量氮肥處理均同CF保持基本一致的產量?？梢?，綠肥根茬還田下氮肥減施常規(guī)量的10%～20%，玉米產量穩(wěn)中有升。

表1 不同處理的玉米產量(2020年)Table 1 Maize yield under different treatments in 2020

不同施肥處理間玉米氮、磷、鉀養(yǎng)分累積量與玉米產量呈現相同的變化趨勢(圖2)。綠肥根茬還田配施80%～90%常規(guī)量氮肥條件下，玉米籽粒氮、磷、鉀累積量分別較CF處理增加31.7%～56.4%、37.8%～60.0%、61.7%～96.8% (P< 0.05)。同CF處理相比，地上部氮、磷、鉀累積量以N80P處理最高。由表2可見，與CF相比，綠肥根茬還田配施80%～90%常規(guī)量氮肥不同程度促進了玉米氮素利用。各施肥處理的氮肥農學效率、氮肥偏生產力、氮素吸收效率、氮肥表觀利用率均以N80P 處理最高，分別為 29.62 kg/kg、54.13 kg/kg、0.79 kg/kg、53.6%，較CF處理增加43.6%、34.5%、107.9%、35.8個百分點 (P<0.05)。整體來看，綠肥根茬還田下減施常規(guī)量10%～20%氮肥，可促進玉米養(yǎng)分的吸收利用，利于玉米豐產。

圖2 不同處理下玉米籽粒和秸稈中的氮、磷、鉀累積量Fig. 2 Accumulation of N,P,and K in grain and straw of maize under different treatments

表2 不同處理下的玉米氮素利用率Table 2 Nitrogen use efficiency of maize under different treatments

2.2 綠肥根茬還田下氮肥減施對土壤氮庫的影響

表3表明，各施肥處理下的土壤全氮、有機氮、顆粒態(tài)有機氮(POMN)和土壤微生物量氮(SMBN)變化趨勢相似，貯量較CK均提高。與CF處理相比，氮肥減施常規(guī)量的10%～20%情況下，針葉豌豆根茬還田顯著增加土壤銨態(tài)氮(NH4+-N)含量，同時針葉豌豆、毛葉苕子根茬還田下土壤硝態(tài)氮(NO3–-N)含量均呈降低趨勢。雙因素方差分析結果表明，施氮量極顯著地影響土壤氮庫貯量，同時綠肥品種與施氮量對NO3–-N、NH4+-N的影響表現出顯著交互作用。

表3 不同處理下土壤不同形態(tài)氮含量Table 3 N contents in different forms in soils under different treatments

2.3 綠肥根茬還田下氮肥減施對土壤綜合肥力指數的影響

選取6項常規(guī)土壤基本指標分級標準化，對各處理的土壤肥力進行評價(表4)。與CK相比，各施肥處理下的土壤綜合肥力指數(IFI)提升了17.2%～23.0% (P<0.05)。從不同處理的產量對土壤綜合肥力指數的響應分析來看(圖3)，綠肥根茬還田配施80%～90%常規(guī)量氮肥處理的玉米產量對IFI的響應均處于相對較高水平，其中N80P處理尤為突出。

表4 不同處理下的土壤綜合肥力指數(IFI)Table 4 Soil integrated fertility index (IFI) under different treatments

圖3 不同處理產量對土壤綜合肥力指數的響應Fig. 3 Yield response to integrated fertility index (IFI)under different treatments

2.4 土壤不同性狀與玉米產量之間的相互作用

運用聚合增強樹(ABT)方法分析土壤性狀對玉米產量的相對貢獻(圖4)，結果表明全氮對玉米產量的貢獻最大，其次為Nmin、有效磷，貢獻率分別為36.5%、26.8%、10.3%。偏最小二乘路徑模型(PLSPM)結果(圖5)表明，不同施氮水平對土壤有機質、有效磷、土壤氮庫(NL)有顯著正影響，其中對NL的影響更大(0.64，P<0.01)。從標準化的路徑系數來看，NL對玉米產量具有最高的貢獻值(0.99，P<0.001)。

圖4 不同土壤性狀對玉米產量的貢獻率Fig. 4 The contribution rate of different soil properties to maize yield

圖5 偏最小二乘路徑分析Fig. 5 Partial least squares path analysis

3 討論

3.1 綠肥根茬還田配施減量氮肥下的玉米生產效應

大力發(fā)展豆科綠肥是實現化肥“零增長”的重要途徑[23]。在我國河西綠洲灌區(qū)，禾豆間作能提高主栽作物產量，多年種植豆科綠肥可替代部分化學氮肥[24]。已有研究表明，與常規(guī)施氮肥相比，玉米間作箭筈豌豆并全量翻壓情況下，配合減施25%常規(guī)量氮肥，可以保證玉米籽粒不減產[25]。本研究發(fā)現，玉米間作豆科綠肥模式中，針葉豌豆根茬還田、減施20%常規(guī)量氮肥較常規(guī)施氮肥處理玉米籽粒增產7.6% (P<0.05)；綠肥毛葉苕子根茬還田及減施10%～20%常規(guī)量氮肥可收獲與常規(guī)施氮肥基本一致的籽粒產量?？梢?，在河西綠洲灌區(qū)的禾豆間作模式下，僅綠肥根茬還田就可替代10%～20%常規(guī)量化學氮肥。兩類綠肥作物處理之間，間作針葉豌豆的節(jié)肥、增產潛力高于間作毛葉苕子，這與本定位試驗7年前的研究結果類似，即在試驗第3年玉米間作針葉豌豆處理率先表現出玉米減肥不減產的效果[26]，這可能是因為莖稈喜攀援的針葉豌豆相比蔓生性強的毛葉苕子具有更高的光能利用效率，提高了運向根瘤菌固氮體系的光合產物[27–28]。值得注意的是，同等試驗條件下，間作豆科綠肥節(jié)肥效益由試驗第3年的節(jié)肥10%到試驗第10年的節(jié)肥20%，說明間作豆科綠肥的節(jié)肥潛力可隨種植年限的延長而增強[24,29]，具有一定的累加效應。

種植利用綠肥能促進后茬作物對土壤養(yǎng)分的吸收利用[30]。在玉米間作豆科綠肥模式下，豆科綠肥可通過根系–根瘤菌共生固氮系統(tǒng)固定氮素，增加土壤有效氮含量[10,16,31]，較好地保證了玉米氮素供應，從而減少氮肥投入。本研究基于針葉豌豆和毛葉苕子根茬還田，減施10%～20%常規(guī)量氮肥能夠有效促進玉米對氮、磷、鉀養(yǎng)分(P<0.05)的吸收(圖2)。前人研究也表明，綠肥氮與化肥氮配施，不同形態(tài)氮素間的交互作用利于作物對化肥氮的吸收利用[14,19]，進而提高氮肥利用效率[32]。本研究中，氮肥減施常規(guī)量的10%～20%并配合綠肥根茬還田措施，氮肥表觀利用率較常規(guī)施氮肥處理顯著增加(P<0.05)，其中針葉豌豆根茬還田配施減量20%常規(guī)氮肥處理表現最為突出(表2)。這可能由于：1)綠肥根茬氮素緩慢釋放，能夠協(xié)調玉米生長對氮的需求[33]；2)低水平的外源氮投入以及玉米–綠肥共生期間玉米對土壤氮的耗竭，激發(fā)豆科綠肥自身的固氮潛力[31]。與本研究結果類似，張達斌[34]的研究也證實低氮肥施用水平下應用豆科綠肥對作物氮吸收的貢獻優(yōu)于高氮條件。綜上，綠肥根茬還田不僅利于主栽作物對養(yǎng)分(尤其是氮素)的吸收利用，而且在減少氮肥投入等方面也發(fā)揮著重要作用。

3.2 綠肥根茬還田配施減量氮肥對土壤肥力的影響

本研究中，施用氮肥及綠肥根茬還田對土壤無機氮(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)的影響表現出顯著交互作用(表3)。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量在玉米成熟期顯著低于抽雄期(數據未列出)，以硝態(tài)氮含量的降低最為明顯，這與硝態(tài)氮是玉米吸收利用的主要氮源有關[35]。PLS-PM模型分析表明，不同梯度的氮肥投入通過調節(jié)土壤氮庫(0.64，P<0.01)進而影響玉米產量(0.99，P<0.001) (圖5)，運用聚合增強樹分析(圖4)也發(fā)現，土壤全氮、無機氮含量對玉米產量具有較高的貢獻率，這進一步表明土壤氮含量在促進作物生長和增產方面發(fā)揮著重要作用[36]。前人研究表明，將綠肥納入種植制度有利于土壤氮庫培育[7,37]。例如，高菊生等[38]利用長期定位試驗，持續(xù)30年種植利用豆科綠肥，土壤全氮含量顯著增加了9%。本研究中，在減施10%～20%常規(guī)量氮肥條件下，根茬還田各處理的土壤氮庫貯量較常規(guī)量施氮肥處理有上升趨勢，但差異未達到顯著水平。造成與前人研究結果差異的原因一方面可能是本研究在綠肥盛花期將其地上部乂割移除用作飼草，綠肥鮮草從土壤中汲取了大部分氮素；另一方面本定位試驗年限相對較短，綠肥根茬還田帶入的氮素含量還不足以顯著影響土壤氮貯量。

豆科綠肥作為一種優(yōu)質的有機肥源，茬地利用不僅有助于增加土壤有效養(yǎng)分含量[39]，而且具有提升土壤肥力的作用[40]。本研究發(fā)現，針葉豌豆根茬還田配施減常規(guī)量20%氮肥的土壤綜合肥力指數較常規(guī)施氮肥顯著提升23.0%。本試驗條件下，針葉豌豆和毛葉苕子殘根的氮養(yǎng)分含量分別為2.6%、2.4%，其根冠比均約為1/10，可推算出針葉豌豆和毛葉苕子的地下部根茬氮累積量約為4.0、4.5 kg/hm2，地上部氮累積量分別為34.5、58.2 kg/hm2。在針葉豌豆和毛葉苕子根茬氮累積量差異不大的情況下，毛葉苕子從系統(tǒng)中移除的氮累積量明顯高于針葉豌豆，這是造成土壤肥力差異的主要原因。與不施肥處理相比，豆科綠肥根茬還田(P、V處理)土壤綜合肥力指數能維持較高水平，但玉米產量、養(yǎng)分累積量無顯著差異，這可能因為綠肥根茬養(yǎng)分釋放緩慢，致使養(yǎng)分供應與玉米生長不平衡，說明綠肥還田需配施一定量的化肥才能充分發(fā)揮其肥效。綜上，種植綠肥具有提升土壤肥力兼具增加土壤氮庫貯量的長期效應和提高速效養(yǎng)分含量的即時效應[14]。可見，在玉米間作豆科綠肥模式中，綠肥根茬還田的生產方式不僅具備一定的減肥潛力，同時對于維持并提升土壤肥力水平也發(fā)揮著重要的作用。

4 結論

綠肥根茬連續(xù)還田條件下，減少后茬玉米氮肥常規(guī)用量的20%可維持甚至提高玉米產量，大幅提升玉米的氮磷鉀吸收量和氮肥表觀利用率。根茬還田配合適量氮肥可以通過提升土壤氮庫貯量提高土壤綜合肥力。在河西走廊，玉米產量和環(huán)境效益俱佳的栽培管理方式是針葉豌豆根茬還田配合80%的常規(guī)氮肥用量，毛葉苕子根茬還田配合80%～90%的常規(guī)氮肥用量。