河西綠洲灌區(qū)間作綠肥及其不同利用方式對玉米產(chǎn)量及土壤肥力的提升效應

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

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

玉米(Zea maysL.)是我國第一大糧食作物，在保障國家糧食安全中占有重要地位[1]。玉米集約化大規(guī)模單一種植一度占據(jù)生產(chǎn)主導地位[2]，然而，單一種植往往造成玉米產(chǎn)量停滯不前，土壤退化，連作障礙頻發(fā)。間作兩種及兩種以上的作物增加農(nóng)田生物多樣性[3]，具有穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和高效可持續(xù)特性[4]，被認為是未來有機綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要模式[5]。將綠肥(green manure)植物植株翻壓腐解或者通過輪作、間作、套種促進農(nóng)作物生長發(fā)育和改善土壤理化性狀[6]，是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華，是生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要組成部分[7]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，豆科綠肥與禾本科糧食作物間作能夠較好地協(xié)調(diào)兩類植物的養(yǎng)分競爭，充分利用豆科綠肥共生固氮優(yōu)勢[8–9]，提升農(nóng)田生產(chǎn)力、提高土壤肥力[10–12]。

我國西北綠洲灌區(qū)是典型的一熟制地區(qū)，通過優(yōu)化不同作物之間的搭配，可實現(xiàn)禾本科/豆科作物間作下的高產(chǎn)高效[3]。豆科綠肥可直接或間接轉(zhuǎn)移氮素給玉米，可培肥土壤[13]、提高養(yǎng)分利用率[14]、增加玉米產(chǎn)量[15–16]，同時玉米可提高豆科綠肥的固氮能力，實現(xiàn)氮素高效利用[17]。然而，不同豆科綠肥養(yǎng)分含量和累積量不同，與土壤的相互作用各異，種植利用后對主栽作物產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分的影響存在差異[18–20]。在多年尺度上，關于玉米間作不同綠肥、綠肥不同還田方式等方面的研究尚少。本研究利用位于河西綠洲灌區(qū)連續(xù)12年的(2009—2020)定位試驗，以河西綠洲灌區(qū)典型的種植模式—玉米行間間作不同品種綠肥作物(針葉豌豆、甜豌豆、草木樨)為主體，采用綠肥作物壓青肥田與根茬肥田兩種綠肥利用方式，研究玉米產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收利用及土壤肥力對不同綠肥利用方式的響應，以期合理利用綠肥資源，充分發(fā)揮綠肥的作用，為當?shù)赜衩卓沙掷m(xù)生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況和試驗材料

試驗于2009年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學院武威綠洲試驗基地 (37°43′N，102°35′E)進行?；睾０?1504 m、平均氣溫≥10℃、全年積溫3016℃、年日照時數(shù)2800～3300 h、無霜期150天、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(zhì) 19.1 g/kg、全氮 1.36 g/kg、全磷 0.43 g/kg、全鉀 20.9 g/kg、堿解氮 74.3 mg/kg、有效磷 17.9 mg/kg、速效鉀 121 mg/kg、pH 8. 31。

供試玉米(Zea maysL.)品種為‘武科2號’。供試綠肥有：針葉豌豆(Pisum sativumL.)，品種為‘隴豌2號’；甜豌豆(Pueraria montana var.)，品種為‘中豌6號’；草木樨(Melilotus officinalisL.)，品種為‘一年生黃花草木樨’。

1.2 試驗設計

試驗設兩種種植模式為玉米單作、玉米/豆科綠肥(針葉豌豆、甜豌豆、草木樨)間作，采用兩種綠肥利用方式(壓青還田、根茬還田)，共7個處理，每個處理3次重復，采用隨機區(qū)組設計。小區(qū)面積5.5 m×3.6 m，不同處理綠肥種類與種植模式見表1。供試氮肥為尿素(46% N)，用量375 kg/hm2；磷肥為重過磷酸鈣 (43% P2O5)，用量 150 kg/hm2。氮肥按基肥∶拔節(jié)期追肥∶大喇叭口期追肥=3∶3∶4施用，磷肥作基肥一次性施用，所有處理均不施鉀肥。于玉米拔節(jié)期、大喇叭口期追肥后采用漫灌方式灌水。

表1 各處理間作綠肥種類及其還田部位Table 1 Intercropped green manure and their incorporation patterns in each treatment

玉米、綠肥間作采用寬窄行種植，條播；玉米帶寬40 cm，覆膜2行種植，株距20 cm，行距40 cm；綠肥植物帶寬80 cm，種植3行綠肥，株距20 cm，行距20 cm。單作模式：玉米播種密度為82500株/hm2，除不種植綠肥外，種植模式同其他處理。玉米/豆科綠肥間作模式：玉米播種密度為82500 株/hm2，綠肥播種量分別為針葉豌豆75 kg/hm2、甜豌豆 75 kg/hm2、草木樨 15 kg/hm2。玉米于 2020 年4月上旬播種，2020年10月上旬收獲，綠肥均于2020年3月下旬播種，壓青處理于6月底全部還田，根茬處理于7月中旬刈割地上部，留根茬肥田。次年，玉米帶與綠肥帶倒茬播種，如此循環(huán)。

1.3 樣品采集與分析

2020年10月玉米成熟后，各小區(qū)單打單收，果穗風干后脫粒，以14%標準含水率折算產(chǎn)量，再由小區(qū)產(chǎn)量折成單位面積玉米籽粒產(chǎn)量。每小區(qū)隨機選取10株成熟玉米考種，測量玉米地上部鮮重、株高、莖粗、穗長、穗粗、穗粒數(shù)、千粒重，其中利用游標卡尺分別統(tǒng)一測定玉米莖稈底部、雌穗中部得到莖粗、穗粗數(shù)值。綠肥分別于盛花期和成熟期分小區(qū)測定其地上部鮮草產(chǎn)量、地下部鮮根產(chǎn)量。采用田間挖掘法[21]將綠肥根系直接從土壤中挖出，洗凈用吸水紙拭干表面水分后稱重待用。其中針葉豌豆、甜豌豆根系的取樣面積為0.8 m×1.0 m，草木樨根系的取樣面積為0.8 m×0.5 m，取樣深度均在0—20 cm土層。植株及根系樣品于105℃殺青30 min，60℃烘干至恒重，稱重、粉碎后備用。采用濃硫酸–過氧化氫法消煮，凱氏定氮法測定氮含量，釩鉬黃比色法測定磷含量，火焰光度計法測定鉀含量。綠肥壓青還田帶入的純氮量包括地上部和地下部，針葉豌豆、甜豌豆、草木樨帶入的純氮量分別為 N 48.04、57.21、48.56 kg/hm2；綠肥根茬還田帶入的純氮主要是地下部，針葉豌豆、甜豌豆、草木樨帶入的純氮分別為 N 1.84、1.58、11.68 kg/hm2。

玉米收獲后各小區(qū)按5點取樣法采集0—20 cm耕層土樣，取部分鮮土進行活性碳氮分析，剩余土樣自然風干、過篩后用于理化性狀分析。

可溶性有機質(zhì) (dissolved organic matter, DOM)采用超純水浸提 (土水比為 1∶4，4℃、200 r/min 下振蕩 2 h，4℃、12000 r/min 離心 15 min，上清液過0.45 μm濾膜)，浸提液用TOC分析儀(德國，Multi N/C2100)測定。土壤無機氮(inorganic nitrogen,Nmin)采用 2 mol/L KCl為浸提液按土水比 1∶2 進行浸提，振蕩0.5 h，用連續(xù)流動分析儀測定。土壤理化性質(zhì)測定方法：土壤有機質(zhì)(soil organic matter,SOM)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；土壤全氮(total nitrogen, TN)采用半微量開氏法測定；土壤有效磷(available P, AP)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(available K, AK)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[22]。土壤脲酶 (soil-urease, SUE)、堿性磷酸酶 (soil alkaline phosphatase, S-AKP)、硝酸還原酶 (soil-nitrate reductase, S-NR)、亞硝酸還原酶 (soil nitrite reductase, S-NiR)活性采用試劑盒(Sinobestbio)分光光度法測定，參照試劑盒說明書進行，每個樣品平行測定3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計與方差分析；用Duncan新復極差法多重比較判斷處理間差異顯著性(P<0.05)；利用R (v.4.0.4)中可視化程序?qū)τ衩桩a(chǎn)量、土壤理化性質(zhì)以及土壤酶活性變化進行相關性分析；使用R 2.7.0中的“gbmplus”包進行聚合增強樹分析(ABT)；采用Origin 2019作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠肥還田方式對玉米產(chǎn)量和綠肥生物量的影響

從表2可以看出，除T2處理外，近3年(2018—2020)玉米間作綠肥壓青還田處理的玉米年均產(chǎn)量均較玉米單作(CK)處理顯著增加，年均增產(chǎn)幅度為4.27%～16.98%，其中間作草木樨增幅最大。3年的產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)和年際變異系數(shù)結(jié)果表明，同種綠肥、不同還田方式間玉米產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)相差較小，在0.02～0.13個百分點之間，說明間作系統(tǒng)下玉米生長的持續(xù)性較好。間作草木樨處理間的年際變異系數(shù)相差最小，為0.59個百分點，說明該種植模式的歷年產(chǎn)量波動幅度最小，玉米產(chǎn)量較穩(wěn)定。從2020年不同處理的產(chǎn)量變化可以看出，綠肥壓青還田處理均優(yōu)于綠肥根茬還田處理。同CK處理相比，T6處理的增產(chǎn)效果最好，玉米產(chǎn)量為19010 kg/hm2，增產(chǎn)28.06%；其次為T5，增產(chǎn)16.74%；T2、T4處理下玉米產(chǎn)量分別增加了13.99%、9.86%。縱觀近3年的綠肥生物量，以T3處理綠肥地上部干物質(zhì)量最高，2020年T5、T6處理下綠肥地下部干物質(zhì)量最大。近3年數(shù)據(jù)雙因素方差分析結(jié)果表明，綠肥種類、還田方式及其二者間的交互作用均顯著影響玉米籽粒產(chǎn)量和增產(chǎn)率，其中綠肥種類顯著地影響玉米產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)、年際變異系數(shù)及綠肥生物量?？梢姡衩组g作不同綠肥及綠肥不同還田方式能提高玉米生產(chǎn)效益，以綠肥壓青還田方式增產(chǎn)效果最佳。

表2 不同處理下的玉米產(chǎn)量及綠肥生物量Table 2 Maize yield and biomass of green manure crop under different treatments

2.2 不同綠肥還田方式對玉米生物學性狀及養(yǎng)分累積量的影響

不同處理間玉米生物學性狀呈現(xiàn)與玉米產(chǎn)量相同的變化趨勢(表3)。T6處理下的玉米株高、穗粗、穗長、穗粒數(shù)、地上部鮮重分別高于CK處理13.14%、3.05%、9.54%、12.66%、15.94%。雙因素方差分析表明，綠肥種類對玉米生物學性狀的影響大于還田方式，對玉米的株高、莖粗、穗粗及地上部鮮重影響顯著。

表3 不同處理下的玉米生物學性狀(2020年)Table 3 Biological characters of maize under different treatments in 2020

如圖1所示，各處理間玉米秸稈的氮素累積量無顯著差異。相比CK處理，除T6處理外，綠肥壓青還田處理顯著提升籽粒氮累積量，其中T2處理最高，為246.55 kg/hm2，增加了76.89%；T4處理次之，為186.38 kg/hm2，增加了33.72%。T5、T6處理下的秸稈磷素累積量較CK顯著提升了99.00%、109.63%。雙因素方差分析結(jié)果表明，綠肥種類、還田方式及其二者交互作用均極顯著影響著玉米籽粒的氮素累積量，綠肥不同還田方式對玉米籽粒氮累積量的貢獻要大于綠肥種類。整體來看，綠肥壓青還田處理可有效促進玉米養(yǎng)分吸收，利于玉米豐產(chǎn)。

圖1 玉米成熟期地上部養(yǎng)分累積量Fig. 1 Nutrient accumulation in aboveground part of maize at maturity

2.3 不同綠肥還田方式對土壤養(yǎng)分含量的影響

雙因素方差分析結(jié)果表明，綠肥種類、還田方式及其二者交互作用顯著影響著土壤肥力水平(P<0.05)(表4)。其中，綠肥種類對土壤有機質(zhì)(SOM)、可溶性有機碳(DOC)、可溶性有機氮(DON)、全氮(TN)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、無機氮(Nmin)、有效磷(AP)和速效鉀(AK)有顯著影響；還田方式對SOM、DOC、TN有顯著影響。T1處理有助于土壤可溶性有機質(zhì)含量增加，其中DOC、DON分別較CK顯著提升19.45%、64.01%；T2處理的TN最高，較CK顯著增加12.70%；T2～T4處理的Nmin含量較CK顯著提高了15.39%～22.48%，T1～T4處理AK含量較CK增加了9.61%～15.92%。綜上可知，間作綠肥不同還田方式對土壤有機質(zhì)、全量和速效養(yǎng)分的影響有差異。

表4 不同處理下的土壤理化性狀Table 4Soil physico-chemical properties under different treatments

2.4 不同豆科綠肥還田方式對土壤酶活性的影響

雙因素方差分析結(jié)果表明，綠肥種類顯著影響土壤脲酶(S-UE)、堿性磷酸酶(S-AKP)、硝酸還原酶(S-NR)和亞硝酸還原酶(S-NiR)的活性(表5)。綠肥種類和還田方式間的交互作用對S-AKP的影響達極顯著水平。T4處理的土壤脲酶活性最高，為958.4 μg/(g·d)，較CK處理顯著增加19.75%。除T6處理外，玉米間作綠肥的各處理均較CK顯著提高了SAKP活性，增幅為13.46%～45.03%。與CK相比，玉米間作綠肥不同程度降低S-NR、S-NiR活性，降幅分別為6.71%～18.93%、22.04%～47.07%。綜上可知，種植利用綠肥可顯著影響土壤氮、磷轉(zhuǎn)化相關酶活性，其中綠肥種類較綠肥還田方式作用效果更大。

2.5 各土壤指標間的相關性及其分別對玉米產(chǎn)量的貢獻程度

土壤理化性質(zhì)之間的相關性分析結(jié)果(圖2)表明，亞硝酸還原酶與硝態(tài)氮，硝酸還原酶與全氮之間均表現(xiàn)出顯著負相關關系，表明反硝化作用的關鍵酶與土壤氮含量之間存在密切關系。速效鉀與可溶性有機氮、銨態(tài)氮、堿性磷酸酶之間存在顯著正相關關系，這有助于提升土壤肥力。聚合增強樹(ABT)分析結(jié)果(圖3)表明，全氮對玉米產(chǎn)量的貢獻最大，其次為脲酶、速效鉀，貢獻率分別為41.08%、12.24%，10.15%，可見，土壤全氮含量是玉米產(chǎn)量的關鍵驅(qū)動因子。

3 討論

3.1 玉米間作不同綠肥的生產(chǎn)效應

大量研究表明，間作種植相對于單作具有明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢[11,23–24]。禾豆間作，二者相輔相成，豆科綠肥可直接或間接的向禾本科作物供給氮素[25]，同時禾本科作物可以減緩化學氮肥對豆科作物的“氮阻遏”[26]。間作群體中，作物的競爭與互補關系有利于提高作物產(chǎn)量。本研究通過玉米間作不同豆科綠肥(針葉豌豆、甜豌豆、草木樨)結(jié)合不同綠肥還田方式(壓青、根茬)發(fā)現(xiàn)，與玉米單作相比，玉米間作豆科綠肥的產(chǎn)量效益得到體現(xiàn)，且玉米增產(chǎn)效果以綠肥壓青還田方式最佳，這是因為在等量化肥投入情況下，綠肥根茬還田方式會從系統(tǒng)中移走大量養(yǎng)分，降低了種植豆科綠肥的增產(chǎn)效益。本研究2020年的產(chǎn)量數(shù)據(jù)表明，間作草木樨(壓青、根茬)處理的玉米產(chǎn)量分別達19010、17329 kg/hm2，較玉米單作分別顯著增產(chǎn)28.06%、16.74%。草木樨壓青處理下的玉米株高、穗粗、穗長、穗粒數(shù)、地上部鮮重均顯著高于玉米單作(表3)，這也是玉米間作草木樨處理后茬玉米產(chǎn)量提升的主要原因。姚致遠等[27]研究結(jié)果表明，綠肥全量翻壓處理較根茬處理能顯著提升玉米產(chǎn)量，而在本試驗中，與間作針葉豌豆、甜豌豆不同，間作草木樨根茬還田處理的玉米產(chǎn)量僅次于草木樨壓青處理，這可能與草木樨根茬生物量及氮含量遠高于針葉豌豆和甜豌豆有關。由此可見，種植不同豆類綠肥、不同利用方式效果不盡相同[20]，這種作用可能主要依賴于綠肥種類本身的生物學特性。

豆科綠肥間作可有效改善玉米的養(yǎng)分吸收性能[28]，間作作物間地上部的競爭作用可能是影響玉米生長的重要因素之一[29]。在本試驗中，與玉米單作相比，玉米間作針葉豌豆、甜豌豆，在壓青條件下的玉米籽粒氮累積量均顯著提升，而間作草木樨處理下的玉米籽粒氮累積量卻與之相反(圖1)，這主要是因為玉米相對豆類植物具有較高的氮營養(yǎng)競爭能力[30]，而草木樨對氮的吸收競爭能力強于玉米。雙因素方差分析表明，綠肥種類與還田方式二者的交互作用極顯著的影響著玉米籽粒的氮素累積，其中還田方式較綠肥種類影響更大，原因可能在于間作效應的發(fā)揮是一個漫長的過程，在綠肥壓青模式投入大部分氮素的情況下，綠肥自身的差異表現(xiàn)并不明顯。因此，在玉米生產(chǎn)中，要綜合考慮玉米間作不同豆類綠肥、不同利用方式下的生產(chǎn)效益。如以收獲玉米籽粒產(chǎn)量為目的，可考慮與草木樨間作，該間作模式下草木樨壓青利用可使玉米顯著增產(chǎn)，根茬利用不僅帶來一定的產(chǎn)量收益，還可增收優(yōu)質(zhì)飼草；如以關注玉米籽粒養(yǎng)分為主，尤其氮素含量，可考慮間作針葉豌豆或甜豌豆，并壓青還田。

3.2 玉米間作不同綠肥的土壤養(yǎng)分效應

綠肥含有豐富的碳、氮、磷、鉀等元素，還田后經(jīng)微生物降解并被快速釋放[31]。在本試驗中，與玉米單作相比，玉米間作針葉豌豆及甜豌豆，土壤速效鉀含量增加了9.61%～15.92%，這是因為綠肥翻壓還田后植物體內(nèi)的鉀素被迅速釋放，且綠肥作物可直接富集、活化土壤礦物鉀，進而提高土壤鉀含量[32]。此外，玉米間作綠肥還可有效提升土壤氮素含量，無機氮較玉米單作處理增加了15.39%～22.48%，在壓青還田情況下土壤全氮顯著增加，尤其是針葉豌豆處理，其全氮含量較玉米單作顯著增加12.70%(表4)，可見，種植利用豆類綠肥可通過擴充土壤氮庫含量，實現(xiàn)肥田增效[7]。土壤酶直接參與土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分釋放和固定過程，對土壤肥力的形成具有重要作用[33]。劉威等[34]認為種植利用綠肥可顯著提升土壤酶活性。在本試驗條件下，間作甜豌豆土壤脲酶活性最高，較玉米單作顯著增加19.75%。除草木樨壓青處理外，間作處理下的堿性磷酸酶活性均顯著提高。ABT分析結(jié)果(圖3)表明，土壤全氮、速效鉀含量和脲酶活性對玉米產(chǎn)量具有較高的貢獻值，這進一步表明土壤養(yǎng)分含量在促進作物生長和增產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用。硝酸還原酶、亞硝酸還原酶是反硝化過程的關鍵酶，在本試驗條件下，玉米間作綠肥下的硝酸還原酶、亞硝酸還原酶活性較玉米單作顯著降低，且相關性分析結(jié)果(圖2)進一步表明，亞硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮之間呈極顯著負相關關系，這表明亞硝酸還原酶活性的降低可能在一定程度上抑制了土壤反硝化作用的進行。與銨態(tài)氮相比，硝態(tài)氮對豆科植物結(jié)瘤的抑制作用較大[35]，而在西北地區(qū)施用的氮肥和有機氮礦化產(chǎn)物會有相當一部分最終以硝態(tài)氮形態(tài)殘留在土壤中[36]，玉米間作豆科綠肥的生產(chǎn)方式，一方面，可利用玉米的喜硝特性，大量吸收硝態(tài)氮進而減緩豆科作物的“氮阻遏”效應[17,37]；另一方面，通過間作綠肥，土壤反硝化過程在一定程度上受到抑制[38]，降低土壤氮損失風險。雙因素方差分析結(jié)果表明，在本試驗條件下，綠肥的肥田效果主要受到綠肥種類的影響，綠肥種類顯著影響著脲酶、堿性磷酸酶、硝酸還原酶，亞硝酸還原酶活性(表5)，這是由于不同豆科綠肥養(yǎng)分含量不同，肥田效果存在差異所導致。從田間實際生產(chǎn)狀況來看，針葉豌豆、甜豌豆壓青還田時，地上部鮮草已處于生殖生長階段，C/N值相對較高，還田后腐解較慢，養(yǎng)分的緩慢釋放有助于土壤養(yǎng)分累積，可有效提升土壤綜合肥力[39]，草木樨是越年生植物，壓青還田時其地上部正處于營養(yǎng)生長階段，C/N值較低，易腐解，還田后可快速釋放大量養(yǎng)分，滿足玉米生長所需，利于玉米產(chǎn)量增加。

圖2 土壤理化性質(zhì)之間的相關性Fig. 2 Correlation between soil physico-chemical properties

圖3 不同土壤性狀對玉米產(chǎn)量的貢獻率Fig. 3 Contribution rate of different soil properties on maize yield

表5 不同處理土壤酶活性Table 5 Soil enzyme activities under different treatments

4 結(jié)論

在河西綠洲灌區(qū)玉米間作豆科綠肥，草木樨壓青和僅僅根茬還田均可顯著提升玉米產(chǎn)量，壓青的增產(chǎn)效果顯著好于根茬。針葉豌豆和甜豌豆壓青提升玉米產(chǎn)量的效果稍遜于草木樨根茬還田，但是可在一定程度上提高土壤脲酶和堿性磷酸酶活性，并增加土壤全氮、無機氮、速效鉀等養(yǎng)分含量，因此，其培肥土壤的效果優(yōu)于草木樨。