綠洲灌區(qū)小麥復(fù)種綠肥并翻壓還田對(duì)翌年玉米產(chǎn)量形成及氮素吸收利用的影響

蘇向向，于愛(ài)忠，呂漢強(qiáng)，王玉瓏

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/省部共建干旱生境作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070）

化學(xué)氮肥對(duì)糧食增產(chǎn)起著不可替代的作用，其增產(chǎn)貢獻(xiàn)率已達(dá)30%～50%[1]。但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為追求高產(chǎn)，長(zhǎng)期過(guò)量施用氮肥，導(dǎo)致作物產(chǎn)量停滯不前，氮肥利用率僅有30%～35%，高產(chǎn)地區(qū)甚至低于25%[2]，一半以上氮肥以氨揮發(fā)、硝化反硝化及淋洗徑流等途徑損失或殘留在土壤內(nèi)未被作物吸收利用[3–4]，引發(fā)了土壤肥力退化、肥料損失和環(huán)境污染等一系列問(wèn)題[2,5]。因此，優(yōu)化施肥制度、提高作物氮肥利用效率，是農(nóng)學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究者關(guān)注的重點(diǎn)。綠肥替代部分化學(xué)氮肥是減少氮肥投入、提高氮肥利用率的重要措施之一。綠肥作為我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的清潔有機(jī)肥，在翻壓還田后不僅能增加土壤有機(jī)質(zhì)，提高土壤微生物數(shù)量及酶活性，改善土壤肥力特性[6–9]，還可通過(guò)提高土壤氮素含量、促進(jìn)作物氮素高效利用進(jìn)而達(dá)到化學(xué)氮肥減施的目的[10–11]。研究表明，在作物穩(wěn)產(chǎn)基礎(chǔ)上，依靠綠肥還田礦化提供的養(yǎng)分可減少后茬作物15%～30%的化肥施用量[12–13]。同時(shí)綠肥還田配施化肥較單施化肥能促進(jìn)植株氮素吸收及向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量與氮素利用率[12,14]。截止目前，相關(guān)研究已證實(shí)綠肥還田或綠肥配施化肥具有改善土壤質(zhì)量、提高作物產(chǎn)量以及氮素利用的作用，充實(shí)了綠肥領(lǐng)域相關(guān)理論[7–8, 15–16]。但不同區(qū)域因種植模式、施肥制度、綠肥種類(lèi)及氣候特征等因素影響，綠肥替代化學(xué)氮肥效果存在差異，且針對(duì)綠肥替代部分化學(xué)氮肥對(duì)玉米產(chǎn)量形成的影響機(jī)制及氮素積累運(yùn)轉(zhuǎn)的定量研究相對(duì)薄弱。西北綠洲灌區(qū)禾本科作物小麥和玉米長(zhǎng)期連作，玉米生產(chǎn)過(guò)度依賴化學(xué)氮肥，氮肥利用率低。春小麥?zhǔn)斋@后休閑期較長(zhǎng)，光熱水土等自然資源浪費(fèi)問(wèn)題突出。該區(qū)域前期研究指出，將綠肥納入小麥–玉米輪作模式后，綠肥在打破年際間禾本科作物連作，充分利用自然資源的同時(shí)，能夠補(bǔ)充土壤氮庫(kù)，促進(jìn)后茬玉米對(duì)氮素的吸收利用[11]。但關(guān)于綠肥納入小麥玉米輪作體系后，能否在保證后茬玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的前提下，實(shí)現(xiàn)綠肥有效替代部分化學(xué)氮肥，減少玉米季化學(xué)氮肥投入，尚不明確。因此，本研究基于春小麥復(fù)種綠肥并翻壓還田后翌年輪作玉米的種植模式，探討不同減量施氮條件下玉米產(chǎn)量形成、氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)及氮素利用特征對(duì)綠肥翻壓還田的響應(yīng)，明確綠肥替代化學(xué)氮肥的適宜比例，以期為該種植模式下玉米氮肥減量增效的生產(chǎn)方式探討提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年3月至2021年10月在甘肅省武威市涼州區(qū)“甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站”(103°5′E，37°31′N(xiāo))進(jìn)行。該站位于甘肅河西走廊東端，屬溫帶干旱區(qū)大陸性氣候，平均海拔高度1506 m，太陽(yáng)輻射總量 6000 MJ/m2，全年無(wú)霜期約 155 天，日照時(shí)數(shù)2945 h，多年平均氣溫7.2℃，常年平均降水量156 mm，且主要集中于7—9月份，年蒸發(fā)量超過(guò)2400 mm，是典型的一熟有余、兩熟不足的內(nèi)陸干旱綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為砂壤土，類(lèi)型為厚層灌漠土，0—110 cm土層土壤容重1.44 g/cm3，土壤 pH 8.2，0—30 cm 土層土壤有機(jī)碳含量為11.3 g/kg，全氮、速效磷、速效鉀含量分別為 0.94 g/kg、29.2 mg/kg 和 152 mg/kg。2020 和2021年度3月至11月份試驗(yàn)站日降水量及日均溫變化見(jiàn)圖1。

圖1 2020—2021年試驗(yàn)站作物全生育期內(nèi)降水量及氣溫Fig.1 Precipitation and temperature during the full growth period of crops in the experimental station from 2020 to 2021

1.2 試驗(yàn)材料

玉米(ZeamaysL.)品種為‘先玉335’；綠肥為箭筈豌豆(Viciasativa)，品種為‘蘭箭2號(hào)’；春小麥(Triticumaestivm)品種為‘永良4號(hào)’；氮肥為尿素 (含氮量46%)，磷肥為過(guò)磷酸鈣(含P2O516%)；農(nóng)用地膜寬 140 cm，膜厚 0.01 mm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在玉米生育期共設(shè)置5個(gè)處理：傳統(tǒng)施氮量(Nck)、綠肥替代10%化肥氮(N10)、綠肥替代20%化肥氮(N20)、綠肥替代30%化肥氮(N30)、綠肥替代40%化肥氮(N40)，具體試驗(yàn)處理代碼及施氮制度如表1所示。每個(gè)處理5次重復(fù)，共25個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積78 m2(13 m×6 m)。

表1 試驗(yàn)處理代碼及施氮量Table 1 The experiment treatment code and nitrogen application rate

為消除年際氣候因子變異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，本試驗(yàn)于同一試驗(yàn)田內(nèi)設(shè)“春小麥–綠肥–玉米”和“玉米–春小麥–綠肥”兩個(gè)輪作序列。春小麥–綠肥–玉米輪作序列種植模式為2019年3月種植春小麥，7月春小麥?zhǔn)斋@后翻耕滅茬復(fù)種綠肥，10月綠肥盛花期收獲粉碎覆蓋地表，2020年4月將綠肥旋耕翻壓還田后覆膜平作玉米，2021年3月種植春小麥。玉米–春小麥–綠肥輪作序列種植模式為2019年4月旋耕覆膜播種玉米，2020年3月種植春小麥，7月春小麥?zhǔn)斋@后翻耕滅茬復(fù)種綠肥，10月綠肥盛花期收獲粉碎地表覆蓋，2021年4月將綠肥旋耕翻壓還田后覆膜平作玉米。2019年綠肥氮素含量為4.28%，還田量為34600 kg/hm2，2020年綠肥氮素含量為4.84%，還田量為39400 kg/hm2。

本研究分別利用兩個(gè)輪作序列中的兩季(2020和2021年)玉米試驗(yàn)。玉米播種密度為82500株/hm2，行距40 cm，株距30 cm；春小麥條播，播種密度為 675萬(wàn)粒/hm2，行距12 cm；箭筈豌豆條播，播量為75 kg/hm2，行距15 cm；本試驗(yàn)采用膜下滴灌水肥一體化技術(shù)，水表計(jì)量灌溉。玉米施氮肥按照基肥∶大喇叭口期∶花后15天 =3∶5∶2分次施入 (表1)，純 P2O5180 kg/hm2，全做基肥；春小麥?zhǔn)┑?N 180 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，全做基肥；復(fù)種綠肥不施肥；玉米生育期內(nèi)總灌水量為405 mm，在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿初期、灌漿中期分別灌水90、75、90、75、75 mm；春小麥生育期內(nèi)總灌水量為240 mm，在小麥苗期、孕穗期、灌漿期分別灌水75、90、75 mm；箭筈豌豆生育期內(nèi)總灌水量為160 mm，在苗期、現(xiàn)蕾期分別灌水70、90 mm；玉米播種日期分別為2020年4月23日、2021年4月21日。玉米收獲日期分別為2020年9月26日、2021年9月22日。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 玉米成熟后按小區(qū)單獨(dú)收獲計(jì)產(chǎn) (除去取樣植株所占面積)，測(cè)定總株數(shù)、空稈數(shù)、雙穗株數(shù)及單位面積穗數(shù)。各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取10穗進(jìn)行考種，測(cè)定穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重。

1.4.2 葉面積指數(shù) 玉米苗期至成熟期，每隔20天左右從各小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻、有代表性的10株玉米，測(cè)定每株所有葉片的葉長(zhǎng)(ai)和最大葉寬(bi)，計(jì)算葉面積指數(shù)(LAI)和平均葉面積指數(shù)(MLAI)。由下式求得：

式中：0.75為校正系數(shù)，P為玉米的種植密度，a和b為葉片長(zhǎng)度和寬度，i為第i個(gè)葉片 (i=1, 2, 3, ···,n)，S為土地面積。

1.4.3 植株含氮量 在玉米吐絲期與成熟期，各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取10株玉米，分器官后在105℃烘箱中殺青30 min，然后調(diào)至80℃恒溫連續(xù)烘干至恒重，稱重測(cè)量各器官干物質(zhì)累積量后用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)0.15 mm篩，在自封袋中保存，測(cè)定植株各器官含氮量，測(cè)定時(shí)稱取粉碎的植株樣品60 mg，用錫紙包好后，采用Elemantar元素分析儀進(jìn)行測(cè)定。

1.4.4 計(jì)算公式 氮素積累轉(zhuǎn)運(yùn)和氮素利用相關(guān)指標(biāo)參照前人報(bào)道[17–18]的方法進(jìn)行計(jì)算

各器官氮素積累量(kg/hm2)=各器官含氮量×干物質(zhì)質(zhì)量；

營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg/hm2)=開(kāi)花期氮素積累量–成熟期營(yíng)養(yǎng)體氮素積累量；

氮素轉(zhuǎn)運(yùn)效率(%)=營(yíng)養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/開(kāi)花期營(yíng)養(yǎng)體氮素積累量×100；

氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率(%)=氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒氮素積累量×100；

氮素利用效率(kg/kg)＝籽粒產(chǎn)量/成熟期植株吸氮量；

氮素收獲指數(shù)(%)=籽粒氮積累量/成熟期植株吸氮量×100；

氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=籽粒產(chǎn)量/施氮量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用 Microsoft Excel 2016 整理匯總數(shù)據(jù)及進(jìn)行圖表制作，使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行處理之間單因素(one-way ANOVA)方差分析，采用Duncan法進(jìn)行多重比較 (α＝0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠肥替代部分化肥氮對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

隨著綠肥替代化肥氮比例的提高，玉米籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素呈降低趨勢(shì)(表2)。N10、N20與Nck處理的玉米籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著差異，N30、N40較Nck處理籽粒產(chǎn)量分別顯著降低16.8%～19.0%、27.9%～28.9%；與Nck相比，N10、N20處理玉米穗數(shù)和雙穗率差異不顯著，N30較Nck處理穗數(shù)、雙穗率分別顯著降低9.7%～12.4%、27.7%～33.6%，N40較Nck處理穗數(shù)、雙穗率分別顯著降低10.3%～21.9%、34.8%～38.0%；與Nck相比，N10、N20處理玉米穗粒數(shù)差異不顯著，N30、N40比Nck處理穗粒數(shù)分別顯著降低9.1%～10.9%、11.7%～11.8%；2020年度 Nck、N10、N20處理間玉米千粒重差異不顯著，而2021年度N20處理較Nck、N10處理的千粒重分別顯著提高3.4%、3.8%；相比Nck，N30、N40處理的千粒重分別顯著降低5.7%～9.5%、8.9%～14.8%。綜上，綠肥替代20%化肥氮能實(shí)現(xiàn)玉米穩(wěn)產(chǎn)，其主要原因是保證了較高的產(chǎn)量構(gòu)成因素。

表2 綠肥替代部分化肥氮條件下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 2 Grain yield and yield components of maize under different rates of substituting chemical N with green manure

2.2 綠肥替代部分化肥氮對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響

綠肥替代部分化肥氮處理下玉米苗期至大喇叭口期的LAI無(wú)顯著差異(圖2)；大喇叭口期至吐絲期(2020年6月23日—7月20日，2021年6月21日—7月21)，N30、N40處理較Nck的LAI分別顯著降低12.1%～18.5%、22.8%～32.0%，N40較N30處理的LAI降低7.2%～14.7%，而N10、N20與Nck處理的LAI差異不顯著；吐絲期至成熟期(2020年7月20日—9月21日，2021年7月21日—9月16日)，N10、N20處理的LAI與Nck處理無(wú)顯著差異，N30、N40較Nck處理的LAI分別顯著降低13.9%～17.3%、22.1%～34.9%，N40較N30處理的LAI降低7.2%～15.6%。由圖3可知，相比Nck，N30、N40處理的MLAI分別顯著降低14.1%～16.5%、25.3%～27.1%，N10、N20與Nck處理的MLAI差異不顯著；綜上說(shuō)明，綠肥替代20%化肥氮對(duì)玉米LAI與MLAI無(wú)顯著影響，能為較高籽粒產(chǎn)量保證良好的光合源。

圖2 綠肥替代部分化肥氮條件下玉米葉面積指數(shù)(LAI)動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The dynamic change of maize leaf area index (LAI) under under different rates of substituting chemical N with green manure

圖3 綠肥替代部分化肥氮條件下玉米平均葉面積指數(shù)(MLAI)Fig.3 Maize mean leaf area index (MLAI) under different rates of substituting chemical N with green manure

2.3 綠肥替代部分化肥氮對(duì)玉米氮素積累、分配及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

2.3.1 對(duì)玉米成熟期植株氮素積累及分配比例的影響 N10、N2與Nck處理間植株氮素總積累量無(wú)顯著差異(表3)，N30、N40處理較Nck植株氮素總積累量分別顯著降低7.6%～10.6%、12.8%～18.0%。2020年N10、N20和Nck處理間葉片和莖的氮素積累量及分配比例差異不顯著；N30較Nck葉片和莖的氮素積累量分別顯著提高11.6%、29.1%，氮素分配比例分別提高18.3%、34.7%；N40較Nck葉片和莖的氮素積累量分別顯著提高20.8%、31.8%，氮素分配比例分別提高30.9%、40.8%；2021年，N10處理與Nck葉片、莖氮素積累量及分配比例無(wú)顯著差異；N20處理較Nck葉片和莖的氮素積累量分別顯著降低5.0%、17.8%；N30較Nck處理葉片和莖的氮素積累量分別顯著提高了8.7%、17.7%，氮素分配比例分別提高了18.4%、26.2%，N40處理葉片、莖的氮素積累量與分配比例最高；處理間苞葉+穗軸的氮素積累量及分配比例差異不顯著；連續(xù)兩年N10、N20與Nck處理玉米籽粒氮素積累量差異不顯著；N30、N40處理比Nck處理籽粒氮素積累量分別顯著降低了19.5%和31.9%；2020年，N10、N20與Nck處理籽粒氮素分配比例差異不顯著；N30、N40處理比Nck處理籽粒氮素分配比例分別顯著降低了12.9%、20.8%；而2021年N10與Nck處理籽粒氮素分配比例差異不顯著，N20處理比Nck籽粒氮素分配比例顯著提高3.4%。綜上說(shuō)明，綠肥替代20%化肥氮有助于減少玉米莖葉的氮素積累量，增加玉米籽粒和植株氮素總積累量。

表3 綠肥替代部分化肥氮條件下玉米成熟期各器官氮素積累量和分配比例Table 3 Nitrogen accumulation anddistributionratio in various organs of maize at maturity stage under different rates of substituting chemical Nwithgreen manure

2.3.2 對(duì)玉米莖葉氮素轉(zhuǎn)運(yùn)及籽粒的貢獻(xiàn)率的影響 由表4可知，2020年N10、N20與Nck處理玉米葉片和莖的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮轉(zhuǎn)運(yùn)率以及轉(zhuǎn)運(yùn)氮對(duì)籽粒氮素的貢獻(xiàn)率差異不顯著；N30處理較Nck0處理葉片和莖的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量分別顯著降低了30.8%和33.1%，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率分別顯著降低了25.2%和36.9%，以及轉(zhuǎn)運(yùn)氮對(duì)籽粒氮素的貢獻(xiàn)率分別顯著降低了14.0%和17.1%；N40處理較Nck處理也顯著降低了玉米莖葉各氮素轉(zhuǎn)運(yùn)指標(biāo)。2021年，N10與Nck處理葉片和莖的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率及轉(zhuǎn)運(yùn)氮對(duì)籽粒氮素的貢獻(xiàn)率差異不顯著；N20處理較Nck葉片和莖的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量分別顯著提高了5.5%和9.1%，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率分別顯著提高了5.0%和14.1%，但N20處理與Nck轉(zhuǎn)運(yùn)氮對(duì)籽粒氮素的貢獻(xiàn)率差異不顯著；相比Nck、N10和N20處理，N30和N40處理分別明顯降低了葉片和莖的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率以及轉(zhuǎn)運(yùn)氮對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率，其中以N40處理各氮素轉(zhuǎn)運(yùn)指標(biāo)值最低。綜上，說(shuō)明綠肥替代20%化肥氮能提高玉米莖葉氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率以及對(duì)玉米籽粒氮素積累的貢獻(xiàn)。

表4 綠肥替代部分化肥氮條件下玉米莖葉氮素運(yùn)轉(zhuǎn)及其對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率Table 4 Nitrogen transfer of stems and leaves of maize and the contribution rate of grains under different rates of substituting chemical N with green manure

2.4 綠肥替代部分化肥氮對(duì)玉米氮素利用特征的影響

由表5可知，連續(xù)兩年N10、N20與Nck處理氮素利用效率差異不顯著，N30處理較Nck氮素利用效率顯著降低7.0%～12.5%，N40處理較Nck氮素利用效率顯著降低13.2%～17.5%；2020年N10、N20與Nck處理玉米氮素收獲指數(shù)差異不顯著，2021年N10處理與Nck處理氮素收獲指數(shù)差異不顯著，而N20處理較Nck氮素收獲指數(shù)顯著提高3.5%；N30、N40處理兩年平均氮素收獲指數(shù)較Nck分別顯著降低10.0%～12.9%、18.2%～20.8%；連續(xù)兩年相比Nck處理，N10、N20、N30、N40處理的氮肥偏生產(chǎn)力分別顯著提高了8.5%～12.2%、21.9%～24.9%、15.7%～18.8%、18.6%～20.2%，其中N20處理提高幅度最大，氮肥偏生產(chǎn)力最高。綜上所述說(shuō)明，綠肥替代20%化肥氮能保證玉米氮素利用效率不降低，提高氮素收獲指數(shù)以及氮肥偏生產(chǎn)力。

表5 綠肥替代部分化肥氮條件下玉米氮素利用效率Table 5 Nitrogen utilization efficiencies of maize under different rates of substituting chemical N with green manure

3 討論

3.1 作物產(chǎn)量對(duì)綠肥替代部分化肥氮的響應(yīng)

豆科綠肥還田與化學(xué)氮肥減量配施是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中維持作物穩(wěn)產(chǎn)、減少化學(xué)氮肥投入的重要措施[19–20]。研究表明，干旱綠洲灌區(qū)麥后復(fù)種綠肥并全量翻壓還田能顯著增加翌年輪作玉米的產(chǎn)量構(gòu)成要素，提高玉米干物質(zhì)積累及籽粒產(chǎn)量[21]；渭北旱塬地區(qū)豆科綠肥–春玉米–冬小麥的種植模式中，綠肥地表覆蓋和全量翻壓顯著提升了后茬玉米產(chǎn)量[22]；同時(shí)華北地區(qū)冬綠肥-春玉米體系下種植翻壓綠肥配施化肥減量15%顯著提高了春玉米籽粒產(chǎn)量[12]。本研究結(jié)果表明，綠肥還田替代20%化肥氮與傳統(tǒng)施氮處理的玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素?zé)o顯著差異，與前人研究結(jié)果類(lèi)似。綠肥還田替代20%化肥氮對(duì)玉米的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均無(wú)顯著影響，一方面可能是綠肥生長(zhǎng)期間通過(guò)生物固氮及吸收利用土壤殘留氮，翻壓還田后顯著提高了土壤氮素含量，促進(jìn)了后茬玉米穗部的形成[7,23–24]；另一方面，綠肥還田后經(jīng)微生物與酶作用，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解提升了土壤肥力，為玉米穩(wěn)產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)[8, 25–26]。本研究發(fā)現(xiàn)，綠肥替代20%化肥氮相比傳統(tǒng)施氮對(duì)玉米全生育期葉面積指數(shù)無(wú)顯著影響，這可能是因?yàn)榫G肥翻壓還田配施減氮能增加葉綠素含量，延緩葉片衰老，有效保障玉米生育期光合源的面積，提高葉片光合性能和光合產(chǎn)物的積累轉(zhuǎn)運(yùn)[24,27]。綠肥替代30%、40%化肥氮相比傳統(tǒng)施氮顯著降低了玉米籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素，其穗數(shù)明顯低于其他處理，主要是降低了玉米的雙穗率，可能因?yàn)榛瘜W(xué)氮肥減量幅度較大，并且綠肥還田后所礦化的氮素不能完全滿足作物對(duì)有效態(tài)氮的吸收需求，從而影響了作物成穗數(shù)，降低了作物產(chǎn)量[28–29]。同時(shí)，因綠肥替代30%、40%化肥氮的氮素養(yǎng)分不足導(dǎo)致玉米大喇叭口期之后葉面積指數(shù)下降，影響群體冠層與光合功能，不利于作物產(chǎn)量形成及穩(wěn)產(chǎn)[30]。綜上所述，綠肥替代20%化肥氮能有效保證玉米籽粒產(chǎn)量不降低，這對(duì)于干旱綠洲灌區(qū)發(fā)展資源節(jié)約型種植模式有重要意義。

3.2 綠肥替代部分化肥氮對(duì)作物氮素吸收利用的影響

在有限的氮素投入前提下，提升氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)是提高作物氮素利用效率的重要途徑之一，而施肥措施對(duì)作物氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)影響顯著[11,31]。研究表明，過(guò)量施氮不僅會(huì)降低氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率及其在籽粒中的分配比例，影響作物源庫(kù)關(guān)系的協(xié)調(diào)性，還造成了資源浪費(fèi)[32]；而適當(dāng)減施氮肥或氮肥有機(jī)替代則有利于作物氮素的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)[33]。另有研究指出，春小麥復(fù)種綠肥全量翻壓與地表覆蓋可有效提升后茬玉米地上部植株的吸氮量，協(xié)調(diào)氮素在玉米營(yíng)養(yǎng)器官與生殖器官之間的轉(zhuǎn)移分配[11]。本研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)施氮(100%施用化肥)相比，綠肥還田替代20%化肥氮能有效維持植株對(duì)氮素的吸收累積，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)器官花前吸收的氮素向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)，保障籽粒中氮素水平，其主要原因是化學(xué)氮肥在短期內(nèi)維持了土壤氮素供應(yīng)，同時(shí)綠肥還田后因提高土壤微生物活性及其種群數(shù)量，促進(jìn)土壤將多余無(wú)機(jī)態(tài)氮固定轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)氮，增加氮素在土壤中滯留時(shí)間，保障了土壤氮素長(zhǎng)期穩(wěn)定的供應(yīng)能力，進(jìn)而保證作物能夠吸收累積充足的氮素，促進(jìn)氮素向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)分配[34–36]。本研究發(fā)現(xiàn)，綠肥替代20%化肥氮相比傳統(tǒng)施氮對(duì)玉米氮素利用效率無(wú)顯著影響，但獲得了較高的氮素收獲指數(shù)和氮肥偏生產(chǎn)力，這是因?yàn)榫G肥還田結(jié)合減施20%化學(xué)氮肥的礦質(zhì)養(yǎng)分及有機(jī)養(yǎng)分釋放既補(bǔ)充了土壤養(yǎng)分不足，又能長(zhǎng)期緩慢釋放氮素，利于植株氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)及作物穩(wěn)產(chǎn)[20,27]，這一研究結(jié)果與一些研究者在西南地區(qū)、黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)得出的研究結(jié)果[14–15,37]類(lèi)似。本研究中，綠肥替代40%化肥氮的氮肥偏生產(chǎn)力在年際間差異明顯，主要原因可能是連年減施40%的化學(xué)氮肥后土壤有效氮素含量較低，且綠肥提供的養(yǎng)分也難以支撐玉米生長(zhǎng)發(fā)育需求，使得玉米減產(chǎn)幅度逐年提高，造成氮肥偏生產(chǎn)力年際間差異。因此，綠肥還田替代部分化學(xué)氮肥對(duì)作物產(chǎn)量形成及氮素利用的影響及其機(jī)制仍要通過(guò)多年定位試驗(yàn)觀測(cè)研究。

4 結(jié)論

綠肥替代20%化肥氮可保持較高的玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)、粒重和葉面積指數(shù)，促進(jìn)玉米穩(wěn)產(chǎn)；該處理對(duì)玉米植株氮素總積累量、籽粒氮素積累量及轉(zhuǎn)運(yùn)氮對(duì)籽粒氮素的貢獻(xiàn)率無(wú)顯著影響，保證了較高的氮素利用效率；同時(shí)通過(guò)優(yōu)化氮素分配轉(zhuǎn)運(yùn)，提高了氮素收獲指數(shù)與氮肥偏生產(chǎn)力。因此，綠肥替代20%化肥氮在保證玉米產(chǎn)量不降低的同時(shí)，又能減少化學(xué)氮肥投入量，是干旱綠洲灌區(qū)玉米生產(chǎn)中氮素高效利用的一種有效措施。