豆科綠肥還田及氮肥減施對黃壤玉米生長的影響

魏全全，張 萌，柳玲玲，顧小鳳，秦 松，芶久蘭

（貴州省農業(yè)科學院土壤肥料研究所/農業(yè)農村部貴州耕地保育與農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，貴州 貴陽 550006）

氮是包括玉米在內的農作物重要養(yǎng)分限制因子[1?2]，又是重要的環(huán)境限制因子[3]，因此，合理的氮肥是保障作物高產、養(yǎng)分高效及環(huán)境友好的重要措施。種植和利用綠肥是農業(yè)生態(tài)的重要組成部分，在我國傳統(tǒng)農業(yè)中具有重要意義[4?5]。豆科綠肥是良好的有機肥源，不僅含有大量的礦質養(yǎng)分和碳，并且綠肥還田后腐解迅速[6]，養(yǎng)分釋放迅速，提高作物產量和品質[7?8]的同時，又能改善土壤理化性狀及生態(tài)環(huán)境[9?10]，是一項效果顯著的農田管理措施。蘇向向等[11]的研究表明，綠洲灌區(qū)綠肥翻壓替代翌年玉米20%化肥氮投入能有效協(xié)調玉米氮的積累轉運，維持玉米籽粒產量及氮素利用效率，提高氮素收獲指數及氮肥偏生產力，從而實現綠洲灌區(qū)玉米穩(wěn)產和減氮的生產目標。王國璀等[12]對綠洲灌區(qū)春小麥的研究結果表明，綠肥還田30 000 kg/hm2結合施氮180 kg/hm2是提高春小麥產量、氮肥利用率的高效農藝措施。張磊等[13]關于江西雙季稻的研究結果表明，在減施20%化肥條件下，種植翻壓適量紫云英可提高早稻稻谷吸氮量，促進水稻增產，翻壓高量紫云英有利于培育土壤碳庫和氮庫，提高土壤供氮能力。黃壤是貴州特有的區(qū)域地帶性土壤，具有質地黏重、養(yǎng)分含量低、保水保肥能力相對較差，易發(fā)生水土流失等特點，改良黃壤地力，提高黃壤的肥力水平尤為重要。目前，關于黃壤綠肥的研究多集中在品種篩選[14?16]、種質資源評價[17?19]以及綠肥連續(xù)種植后對土壤的影響方面[20?22]，而關于氮肥減施配合綠肥還田的研究相對較少。因此，基于貴州黃壤，通過連續(xù)2 a 的定位田間試驗，探究氮肥減施情況下，豆科綠肥還田對黃壤玉米生長的影響，旨在為黃壤化肥減施及綠肥科學合理利用提供理論與實踐基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗地點與材料

于2018—2019年連續(xù)2 a在貴州省黔西市永燊鄉(xiāng)干溝村進行定位試驗。該地屬亞熱帶季風濕潤氣候，試驗期間平均氣溫14.0 ℃，平均降雨量900～1 100 mm。試驗田塊土壤為貴州典型黃壤，基本理化性狀：pH 值6.8、全氮1.09 g/kg、有機質24.7 g/kg、速效磷14.1 g/kg、速效鉀111.9 g/kg。

供試玉米品種為盛農3 號；供試肥料品種為氮肥（尿素，N 46%）、磷肥（過磷酸鈣，P2O512%）、鉀肥（硫酸鉀，K2O 50%）和綠肥（66-25箭筈豌豆，含全氮2.678%、全磷0.429%、全鉀2.969%）。

1.2 試驗設計

試驗共設置7個處理，分別為不施氮肥（0%N）、單施氮肥（100%N）、90%氮肥（90%N）、80%氮肥+綠肥（80%NM）、70%氮肥+綠肥（70%NM）、60%氮肥+綠肥（60%NM）和50%氮肥+綠肥（50%NM）（表1）。

表1 不同處理氮磷鉀肥施用量Tab.1 Nitrogen，phosphorus and potassium application amount of different treatmentskg/hm2

小區(qū)面積為24.0 m2（長6 m×寬4 m），3 次重復，隨機區(qū)組排列。100%N處理氮肥用量為150 kg/hm2，各處理除氮肥施用量不同外，磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）的用量均分別為120、150 kg/hm2。

綠肥為鮮草還田，含水量85%，用量15 000 kg/hm2，在玉米移栽前翻耕至每個小區(qū)中，翻耕后40%氮肥、全部磷肥和鉀肥混勻后一次性施用，20%氮肥于拔節(jié)期追施，40%氮肥于抽穗期追施。玉米采用移栽的方式種植，移栽密度為每小區(qū)120 株（24株/行×5 行，5 萬株/hm2）。其他田間生產管理均采用當地農業(yè)技術推廣部門的推薦技術。

2018 年試驗：玉米于2018 年4 月5 日育苗，4 月18 日移栽，9 月10 日統(tǒng)一收獲。2019 年試驗：玉米于2019 年4 月8 日育苗，4 月22 日移栽，9 月15 日統(tǒng)一收獲。

1.3 測定項目

1.3.1 土壤理化性質 試驗開始前在田塊按照S形取樣法采集0～20 cm 土壤樣品，采用pH 計法測定pH 值，采用重鉻酸鉀容量法測定有機質含量，采用半微量凱氏法測定全氮含量，采用鉬銻抗比色法測定有效磷含量，采用火焰光度法測定速效鉀含量[23]。

1.3.2 產量構成因子 玉米收獲期，每小區(qū)選取長勢一致且有代表性的玉米植株20株，調查玉米穗行數、行粒數和百粒質量等產量構成因子。

1.3.3 植株養(yǎng)分 玉米收獲期，每小區(qū)選取生長一致且有代表性的玉米植株6 株，分為籽粒、玉米芯、莖稈和葉片，于105 ℃殺青30 min，60 ℃烘箱中烘至恒質量，記錄干質量，依次折算生物量；將烘干的不同部位樣品磨碎后過篩，以濃H2SO4-H2O2消化后稀釋，采用凱氏定氮法測定氮含量，采用釩鉬黃比色法測定磷含量，采用火焰光度法測定鉀含量[23]。

1.3.4 玉米產量 玉米收獲期，各個小區(qū)作物產量實收實打。風干至恒質量，換算含水量，并折合總產量。

1.4 相關參數計算

依照參考文獻[24-26]的方法計算相關參數：養(yǎng)分累積量=養(yǎng)分含量×生物量；

氮素農學效率（AEN）=（施氮區(qū)產量-不施氮區(qū)產量）/施氮量；

氮素偏生產力（PEPN）=施氮區(qū)產量/施氮量；

氮素吸收利用效率（REN）=（施氮區(qū)氮總累積量-不施氮區(qū)氮總累積量）/施氮量×100%。

1.5 數據處理與分析

數據處理與分析采用Excel 2007 及SPSS 17.0進行，以LSD法檢驗差異顯著性；制圖采用Origin 8.0軟件進行。

2 結果與分析

2.1 豆科綠肥還田及氮肥減施玉米的產量

由圖1可知，不同年份不同處理玉米產量不同。與0%N 處理相比，施氮能顯著增加玉米產量，100%N 處理玉米產量2018、2019 年較0%N 處理分別增加3 504、4 059 kg/hm2。氮肥減施10% 后，90%N 處理玉米產量較100%N 處理有降低的趨勢，2018、2019年分別降低671、867 kg/hm2，但均顯著高于0%N 處理。氮肥減施20%后，與100%N 處理相比，綠肥還田能起到穩(wěn)產或小幅增產的效果，80%NM 處理玉米產量2018、2019 年分別為10 437、10 554 kg/hm2，分別比100%N 處理高54、55 kg/hm2，但差異均不顯著。當氮肥減施超過30%后，配合綠肥還田情況下，玉米產量仍低于100%N 處理，但70%NM 處理玉米產量和90%N 處理玉米產量2 個年份均相當。

圖1 豆科綠肥還田及氮肥減施不同處理玉米的產量Fig.1 Maize yield of different treatments of returning leguminous green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

2.2 豆科綠肥還田及氮肥減施玉米的產量構成因子

表2 表明，不同處理玉米產量構成因子差異明顯，2018、2019 年表現出相似的變化趨勢，施氮處理較不施氮處理玉米穗行數、行粒數和百粒質量顯著增加；氮肥減施20%后，與100%N處理相比，綠肥還田能維持或略微提高玉米穗行數、行粒數和百粒質量。穗行數方面，2018、2019 年均以80%NM 處理最大，分別為17.15、17.45行，分別比其他處理高0.10～2.80、0.35～3.40 行，但與100%N 處理相比差異均不顯著。行粒數方面，80%NM 處理玉米行粒數2018、2019 年分別為43.15、43.30 粒，分別比其他處理高0.10～6.50、0.20～7.15 粒，但與100%N、90%N 和70%NM 處理相比差異均不顯著。百粒質量方面，2018、2019 年百粒質量均以80%NM 處理為最大，分別達到35.18、35.69 g，分別比其他處理高0.13～3.15、0.53～3.83 g，但與100%N、90%N 和70%NM 處理相比差異均不顯著。以上說明，與100%N處理相比，氮肥減施配合綠肥還田可維持玉米穗行數、行粒數和百粒質量，為維持玉米較高的產量奠定基礎。

表2 豆科綠肥還田及氮肥減施不同處理玉米的產量構成因子Tab.2 Maize yield components of different treatments of returning legume green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

2.3 豆科綠肥還田及氮肥減施玉米的生物量

由圖2 可知，不同處理玉米生物量不同，與0%N 處理相比，施氮能明顯增加玉米生物量，100%N 處理玉米生物量2018、2019 年分別為17 930、18 052 kg/hm2，分別比0%N 處理高6 165、7 224 kg/hm2。氮肥減施10%后，玉米生物量有降低趨勢，90%N 處理玉米生物量2018、2019 年較100%N 處理分別降低1 206、1 538 kg/hm2。與100%N 處理相比，氮肥減施20%配合綠肥還田能維持或略微提高玉米生物量，80%NM 處理玉米生物量2018、2019 年分別為18 083、18 239 kg/hm2，分別比100%N處理高153、187 kg/hm2，但差異均不顯著。當氮肥減施超過30%后，配合綠肥還田情況下，玉米生物量仍低于100%N 處理，但70%NM 處理玉米生物量和90%N處理玉米生物量2個年份均相當。

圖2 豆科綠肥還田及氮肥減施不同處理玉米的生物量Fig.2 Maize biomass of different treatments of returning legume green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

2.4 豆科綠肥還田及氮肥減施玉米的養(yǎng)分累積量

玉米養(yǎng)分累積量見圖3。由圖3 可知，100%N處理玉米氮累積量2018、2019 年分別為160.04、160.96 kg/hm2，均顯著高于0%N 處理；2018、2019 年氮累積量均以80%NM 處理為最高，分別為161.05、165.79 kg/hm2，分別比其他處理高1.01～60.54、4.83～69.44 kg/hm2，但與100%N 處理相比差異均不顯著。0%N 處理磷累積量2018、2019 年均最低，分別僅為25.99、22.49 kg/hm2，均顯著低于其他處理，施氮后，玉米磷累積量呈現增加趨勢；2018、2019 年磷累積量均以80%NM 處理為最高，分別為37.40、38.58 kg/hm2，分別比其他處理高1.80～11.40、1.58～16.09 kg/hm2，但與100%N 處理相比差異均不顯著。100%N 處理玉米鉀累積量2018、2019 年分別為142.23、145.27 kg/hm2，均顯著高于0%N 處理；2018、2019 年鉀累積量均以80%NM 處理為最高，分別為144.54、149.45 kg/hm2，分別比其他處理高2.31～50.71、4.19～63.55 kg/hm2，但與100%N 處理相比差異均不顯著。

圖3 豆科綠肥還田及氮肥減施不同處理玉米的養(yǎng)分累積量Fig.3 Nutrient accumulation of maize in different treatments of returning legume green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

2.5 豆科綠肥還田及氮肥減施玉米的氮肥利用效率

不同處理之間玉米氮素利用效率存在差異，結果見表3。AEN方面，100%N 處理玉米2018、2019年分別16.69、19.33 kg/kg，分別比90%N 處理高1.70、2.44 kg/kg。氮肥減施配合綠肥還田處理玉米AEN較100%N 處理高，2018、2019 年均以80%NM 處理最大，分別為21.18、24.72 kg/kg，分別比其他氮肥減施配合綠肥還田處理高1.37～2.91、2.79～3.72 kg/kg。PEPN方面，100%N 處理玉米2018、2019 年分別49.44、49.81 kg/kg，分別比90%N 處理低1.95、0.94 kg/kg。氮肥減施配合綠肥還田處理玉米PEPN較100%N 處理高，2018、2019 年均以50%NM 處理最大，分別為85.33、82.89 kg/kg，分別比其他氮肥減施配合綠肥還田處理高12.46～23.20、11.09～20.07 kg/kg。REN方面，100%N 處理玉米2018、2019 年分別39.69%、43.07%，分別比90%N 處理高1.03、4.58 個百分點。氮肥減施配合綠肥還田處理玉米REN較100%N 處理高，2018、2019 年均以80%NM 處理最大，分別為50.45%、57.86%，分別比其他綠肥還田處理高1.75～4.80、7.18～8.57個百分點。

表3 豆科綠肥還田及氮肥減施不同處理玉米的氮素利用效率Tab.3 Nitrogen use efficiency of maize in different treatments of returning legume green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

3 結論與討論

作為貴州農業(yè)的特色土壤，黃壤質地黏重、養(yǎng)分含量較低，易發(fā)生水土流失，保水保肥能力較差；同時，由于追求高產，生產者往往投入過量的氮肥，而長期施用過高氮肥會導致作物產量和品質降低，并且導致土壤有機質含量降低、土壤板結等。因此，改良黃壤地力、養(yǎng)分資源合理利用是保障農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。綠肥作為一種清潔的有機資源，種植方便，能有效提高土壤肥料力、改善土壤質量，進而提高作物產量，契合我國化肥“零增長”行動[27?28]。本研究中，在氮肥減施20%的情況下，80%NM 處理玉米產量2018、2019 年分別為10 437、10 554 kg/hm2，分別比100%N 處理高54、55 kg/hm2，這與前人在不同區(qū)域[11，29?30]和不同作物[11?13]上的研究結果相類似，表明綠肥還田有替代部分氮肥的效果。值得注意的是，2019 年80%NM 處理的玉米產量較2018年略高，說明持續(xù)綠肥還田可能有持續(xù)增產作用，未來將關注長期綠肥還田玉米的增產效果，并加以驗證。

肥料利用效率是反映作物對肥料吸收與利用效果的主要指標，農學效率、吸收利用效率和偏生產力是表達肥料利用率的常用指標，其與產量、施肥量和土壤肥力水平關系最為密切[31?32]，現代作物生產系統(tǒng)的AEN、REN和PEPN分別可達20～35 kg/kg、30%～50%、40～70 kg/kg[33]。本研究條件下，氮肥減施配合綠肥還田處理2018、2019 年玉米AEN、PEPN和REN均比100%N 處理高，這與前人[34]的研究結果相似，說明綠肥還田對提高玉米氮肥利用效率有明顯促進作用。同時，本研究發(fā)現，2019 年玉米AEN和REN整體上均比2018 年高，這是因為綠肥連續(xù)還田后養(yǎng)分釋放是一個持續(xù)的過程，促進了玉米對養(yǎng)分的吸收，進而提高了養(yǎng)分利用效率。本研究未測定土壤養(yǎng)分含量和土壤微生物群落結構變化，在以后的研究中，將從上述角度闡明氮肥減施配合綠肥還田的減肥潛力及對作物的增產機制。

綜合來看，本研究條件下，綠肥還田替代20%的化學氮肥可保證玉米產量。因此，在綠肥還田基礎上，推薦正常氮肥用量的80%即120 kg/hm2為貴州黃壤玉米的最適氮肥施用量。