绿洲灌区不同施氮水平下玉米绿肥间作模式的水分利用特征

李含婷，柴强，王琦明，胡发龙，于爱忠，赵财，殷文，樊志龙，范虹

甘肃农业大学农学院/甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070

0 引言

【研究意义】在干旱和半干旱地区，水资源匮乏导致玉米等高耗水作物发展受限[1-2]，研发节水高效栽培技术迫在眉睫。据证实，由两种或两种以上作物组成的间作群体内，不同作物易形成水分利用在时间和空间生态位上的互补，增强作物节水的生物学、生态学潜力[3-4]。但传统间作模式对土壤养分需求量大，高度依赖氮肥投入[5-6]，不利于其可持续生产。绿肥是一种高效清洁的生物肥源，能改善土壤质量、提升土壤肥力，为作物生长创造良好的土壤环境条件[7]。而针对不同区域、不同种植模式而言，绿肥种类对主栽作物产量、水分利用特征的影响却存在明显差异[8-9]。因此，在集成应用现有间作节水技术的前提下引入不同绿肥作物，探讨氮肥减施条件下玉米水分高效利用对区域农业健康、稳定发展至关重要。【前人研究进展】大量研究表明，间作复合群体绝对耗水量与单作耗水的加权平均差异极小，而水分利用效率较单作显著提高[10-13]。YIN等[14]研究发现玉米/小麦共生期，小麦竞争玉米带土壤水分，而玉米独立生长期可补偿利用小麦带土壤水分，改善间作玉米土壤水分利用环境。高砚亮等[3]研究表明，间作系统中玉米能够对花生条带产生遮阴效果，可能减少花生条带表层土壤水分的蒸散损失，同时改善高耗水作物玉米对土壤水分的过度消耗。但传统的间作模式以收获籽粒为目标，环境成本较高，不利于农业可持续发展[5,15]。种植绿肥是目前农业绿色发展的重要途径之一，通过绿肥还田，可促进主栽作物生长发育，提高作物产量[8-9]。另外，绿肥地表覆盖翻压可抑制土壤水分蒸发、减少作物耗水量而提高水分利用效率[7-8]。但将绿肥插播到玉米间作模式中能否保证稳产、降低水分无效损耗、提高水分利用效率有待进一步研究。【本研究切入点】本研究在不降低玉米种植密度前提下，通过调整玉米空间布局，将耗水量较小的绿肥纳入到玉米群体中，创造玉米/绿肥带状间作模式，以期减少主栽作物耗水量，并通过间作优势保证玉米产量，提高水分利用效率。【拟解决的关键问题】通过测定不同模式下的耗水量、产量和水分利用效率，明确玉米间作绿肥在减氮条件下产量表现和水分利用特征，旨在为绿洲灌区玉米生产模式的优化及农业资源的高效利用提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究于 2018—2019年在甘肃农业大学武威绿洲试验基地（37°30′ N，103°5′ E）进行。试验区位于河西走廊东端，属典型的寒温带干旱气候区，海拔1 776 m，年平均降水量160 mm以下、且主要集中在7—9月份，年蒸发量约2 400 mm，雨热同季，是典型的一熟有余、两熟不足的绿洲灌溉农业区。该区玉米种植连作普遍，土壤类型为厚层灌漠土，0—30 cm耕层土壤容重 1.53 g·cm-3，含有机质 14.30 g·kg-1、全氮 0.67 g·kg-1、全磷 1.42 g·kg-1、铵态氮 1.87 mg·kg-1、硝态氮12.51 mg·kg-1，耕作以传统深翻耕为主。资源性缺水是该地区限制作物生产的主因子。2个试验年份，作物生育期内降雨量如图1所示。绿肥播前至刈割阶段降雨量为 47.2、95.2 mm；绿肥刈割至玉米收获阶段降雨量为197.2、76.1 mm。

1.2 试验材料

供试玉米（ZeamaysL.）品种为先玉335，箭筈豌豆（ViciasativaL.）品种为兰箭2号，油菜（Brassica campestrisL.）品种为青杂5号。

1.3 试验设计

试验采用裂区设计。其中，种植模式为主处理，分别为玉米间作绿肥和单作玉米（M），绿肥种类包括箭筈豌豆（V）和油菜（R）；施氮（N）为副处理，包括减量 25%施氮（N1：270 kg·hm-2）和传统施氮（N2：360 kg·hm-2），共6个处理，每处理3次重复，小区面积为54 m2（6 m×9 m）。

单作玉米采用传统覆膜种植，株距30 cm；间作玉米株距18.5 cm，与绿肥幅宽比为110 cm﹕70 cm，行比3﹕4；玉米行距均为40 cm（图2）。其中，玉米的种植密度82 500 株/hm2，油菜播种量7.5 kg·hm-2，箭筈豌豆播种量225 kg·hm-2，分行条播，油菜和箭筈豌豆作为绿肥在其盛花期刈割均匀覆盖于玉米带间。灌溉制度为冬灌水 120 mm，玉米生育期内采用膜下滴灌，总灌水定额 405 mm（分别在拔节期、大喇叭口期、抽雄期、开花期、灌浆期灌水90、75、90、75和75 mm）。施肥制度为氮肥按基肥﹕大喇叭口期追肥﹕灌浆期追肥=3﹕5﹕2分施；磷肥施用量为180 kg P2O5·hm-2，全作基肥，绿肥带不施肥。所施肥料为尿素（N含量46%）、过磷酸钙（P2O5含量16%）、磷酸二铵（N含量18%，P2O5含量46%）。玉米和绿肥在不同年份之间采用带间轮作的种植方式。

2018年，玉米4月22日播种，9月28日收获；箭筈豌豆4月1日播种，6月30日刈割；油菜3月22日播种，6月5日刈割。2019年，玉米4月20日播种，9月26日收获；箭筈豌豆4月1日播种，6月28日刈割；油菜3月26日播种，6月8日刈割。

1.4 测定项目及方法

土壤含水量：绿肥播种前、绿肥刈割期及玉米收获后按每小区测定0—120 cm土层土壤含水量。用烘干法测定0—30 cm土层，每10 cm分层；用中子仪（美国CPN公司503DR）测定30—120 cm土层，每30 cm分层。单作处理中，每小区设1个测定点，3次重复的平均值作为该处理土壤含水量测定值；间作处理中，每小区分别在绿肥和玉米种植带各设 1个测定点，2点平均值作为小区土壤含水量测定值，3次重复的平均值作为一个处理的土壤含水量测定值。

作物耗水量（ET）、阶段耗水量[4]：

式中，ETi为i时段作物耗水量；Pi为i阶段的降水量；Ii为i阶段灌水量；∆Si为i时段末与时段初的土壤贮水量之差，单位为 mm。由于试验区水资源短缺，灌水量相对较小，且试验区地下水埋深在30 m以下，故忽略了渗漏量和地下上升水的影响。

水分利用效率（WUE）：

式中，Y为玉米籽粒产量（kg·hm-2）；ET为玉米全生育期内总耗水量（mm）。

玉米和绿肥产量：玉米成熟后按小区单独收获、风干后脱粒测产，测量籽粒产量；玉米和绿肥秸秆风干后称量，测定秸秆生物量，并计算系统生物热能产、单位耗水生物热能产[16]。

生物热能产（energy yield,EY）：

式中，Yg为作物籽粒产量，Ys为作物秸秆生物产量，Eg和Es分别为能量产值。其中玉米的籽粒产出能量为16.3 MJ·kg-1，玉米和绿肥的作物秸秆产出能量为14.6 MJ·kg-1。

单位耗水生物热能产（WUEEY）：

式中，EY为系统生物热能产（MJ·hm-2）；ET为玉米全生育期内总耗水量（mm）。

1.5 数据处理

本试验所有数据均采用Microsoft Excel 2016整理汇总及图表制作，使用SPSS 19.0软件进行方差分析，Duncan法进行多重比较（α=0.05）。

2 结果

2.1 间作绿肥及减施氮肥对玉米生产系统的产量表现

种植模式、施氮水平及二者的互作显著影响玉米籽粒产量和秸秆产量（表1）。两个试验年度内，N1水平下，M/R、M/V处理籽粒产量较M处理分别提高8.1%—10.1%、10.9%—12.0%；N2水平下，M/R、M/V和M之间无差异。N1与N2相比，M处理籽粒产量降低8.9%—9.9%，M/R、M/V无显著性差异。就秸秆产量而言，N1水平下，M/R、M/V较M分别提高13.2%—14.9%、15.0%—15.2%；N2水平下，M/R较M低3.9%—4.4%，M/V和M无显著性差异。N1与N2相比，M处理秸秆产量降低13.9%—16.7%，M/R、M/V无显著性差异。

表1 不同种植模式及施氮水平下系统的产量表现Table 1 Yields of crop system under different cropping patterns and various N level systems

施氮水平对绿肥生物量无显著影响，但两种绿肥生物量差异显著（表 1），箭筈豌豆生物量较油菜提高17.2%—19.9%。种植模式、施氮水平及二者的互作显著影响系统生物热能产（表1）。N1水平下，M/R、M/V生物热能产较M分别提高23.4%—25.7%、28.6%—29.4%；N2水平下，M/R、M/V生物热能产较M分别提高9.2%—9.7%、14.5%—14.6%。与N2相比，N1生物热能产降低3.5%—5.3%，其中MN1处理生物热能产较MN2降低11.9%—12.9%，间作系统下N1与N2处理间无显著性差异。可见，间作绿肥可替代部分化学氮肥，从而保证玉米稳产；玉米群体中插入绿肥作物可提高系统生物热能产，以玉米间作箭筈豌豆结合减量25%施氮处理效果最为突出。

2.2 玉米间作绿肥及减施氮肥对农田耗水特征的影响

2.2.1 绿肥刈割期、玉米收获后不同处理的土壤含水量 不同处理显著影响绿肥刈割期、玉米收获后土壤含水量（图3）。两个试验年度内，绿肥刈割期（图3-A）M/R、M/V土壤含水量较 M 分别提高 5.1%—8.4%、7.4%—10.0%，M/V和M/R无显著性差异。间作中，绿肥带土壤含水量均显著高于玉米带，提高幅度3.1%—7.1%。与N2相比，N1可显著提高土壤含水量，在M/R、M/V和M模式下分别提高4.7%—8.6%、4.4%—7.3%和8.0%—13.1%。间作绿肥和N1处理均可提高土壤含水量，以 M/VN1提高幅度较大，较传统施氮下单作玉米（MN2）高17.2%—18.9%。

玉米收获期（图 3-B）M/R、M/V土壤含水量较M分别提高9.6%—9.7%、18.0%—18.9%，M/V较M/R提高7.5%—8.5%。与绿肥刈割期相似，绿肥带土壤含水量均显著高于玉米带，提高幅度为 5.5%—6.2%。N1处理可显著提高土壤含水量，在M/R、M/V和M模式下分别较 N2提高 6.4%—7.4%、5.3%—6.6%和10.9%—16.9%。间作绿肥和N1处理均可提高土壤含水量，以M/VN1提高幅度较大，较MN2高28.6%—31.3%。因此，玉米间作绿肥和减施氮肥 25%处理可保持较高的土壤含水量，为玉米生长创造适宜的土壤水分环境，以玉米间作箭筈豌豆结合减量25%施氮处理效果较好。

2.2.2 不同绿肥间作及施氮处理的阶段耗水量和耗水总量 不同处理下的作物全生育期耗水量和各阶段耗水量列于表 2。绿肥播前至刈割不同处理的耗水量较大，占总耗水量52.5%—60.8%。N1水平下，M/R、M/V耗水量较M分别降低4.6%—5.6%、7.8%—8.7%，M/V较 M/R降低 3.3%—3.4%；N2水平下，M/R、M/V耗水量较M分别降低2.5%—5.0%、6.5%—6.6%。与N2相比，N1耗水量降低15.2—17.1 mm，其中在M/R、M/V和M模式下耗水量分别降低4.1%—5.3%、4.6%—5.7%和3.2%—3.5%，以M/VN1降幅最大，较MN2降低38.8—48.8 mm，为10.8%—11.9%。

表2 不同种植模式及施氮水平下作物各生育阶段的耗水量 (mm)Table 2 Water consumption (mm) at each of growth period under different cropping patterns and various N level systems

绿肥刈割至玉米收获，N1水平下，M/V耗水量较M/R、M分别降低7.6%—7.9%、6.4%—10.0%；N2水平下，M/V耗水量较M/R、M分别降低2.7%—8.0%、7.7%—9.6%。与N2相比，N1耗水量降低14.6—18.2 mm，其中在M/R、M/V和M模式下耗水量分别降低2.6%—5.4%、5.1%—7.8%和6.3%—7.4%，以M/VN1降幅最大，较MN2降低32.9—53.9 mm，为12.3%—16.6%。

作物全生育期，N1水平下，M/R、M/V耗水量较M分别降低2.9%—3.5%、7.8%—8.8%，M/V较M/R降低5.1%—5.5%；N2水平下，M/R、M/V耗水量较M分别降低2.9%—4.6%、7.0%—7.9%，M/V较M/R低3.5%—4.3%。与N2相比，N1耗水量降低31.7—33.4 mm，其中在M/R、M/V和M模式下耗水量分别降低 4.1%—4.7%、5.4%—6.1%和 4.6%—5.2%，以M/VN1降幅最大，较MN2降低80.9—92.7 mm，为12.1%—13.6%。可见，与传统施氮下单作玉米相比，间作绿肥及减施氮肥25%处理均可降低作物耗水量，以玉米间作箭筈豌豆结合减量25%施氮处理效果最为显著。

2.3 间作绿肥及减施氮肥对玉米生产系统水分生产力的影响

2.3.1 不同种植模式及施氮水平下玉米的水分利用效率 种植模式、施氮水平及二者的互作显著影响玉米的水分利用效率（WUE）。两个试验年度内，N1水平下，M/R、M/V处理 WUE较 M 处理分别提高12.0%—13.4%、21.5%—21.7%，M/V较M/R提高7.2%—8.6%；N2水平下，M/R、M/V处理WUE较M分别提高1.8%—4.0%、8.6%—9.7%，M/V较M/R提高5.5%—6.7%（图4）。N1与N2相比，M处理WUE降低4.0%—5.5%，M/R、M/V处理WUE分别提高3.4%—5.2%、5.7%—6.5%，以M/VN1提高幅度较大，比MN2高14.8%—16.8%。可见，间作绿肥具有提高玉米水分利用效率的作用，间作绿肥结合减量25%施氮处理进一步增强了提高水分利用效率的优势，以玉米间作箭筈豌豆结合减量25%施氮处理效果最好。

2.3.2 不同种植模式及施氮水平下系统单位耗水生物热能产 施氮水平对系统单位耗水生物热能产（WUEEY）无显著影响，种植模式及二者的互作效应显著影响系统 WUEEY（图 5）。N1水平下，M/R、M/V处理WUEEY较M处理分别提高27.9%—29.4%、40.4%—41.0%；N2水平下，M/R、M/V处理WUEEY较M处理分别提高12.9%—14.5%、23.2%—24.4%。单作系统中，MN1处理WUEEY较MN2降低7.6%—8.2%；间作系统中，N1与N2处理间无显著性差异。可见，间作绿肥可提高系统单位耗水生物热能产，以玉米间作箭筈豌豆提高效果最为突出；减量25%施氮不影响间作系统的单位耗水生物热能产，说明玉米间作箭筈豌豆结合减量25%施氮处理具有较高的水分生产潜力。

3 讨论

3.1 间作绿肥及减施氮肥与作物耗水特性的关系

在与单作种植密度加权统一的条件下，禾本科作物间作耗水量大[17-19]。因此，本研究在不降低玉米种植密度前提下，通过调整玉米空间布局，采用间作的方式将耗水量较小的绿肥作物插播到玉米群体当中。研究发现，玉米间作油菜或箭筈豌豆较单作玉米均可提高农田土壤含水量，且间作模式中绿肥带土壤含水量显著高于玉米带。这是因为绿肥刈割前，绿肥作物茎叶繁茂，生物量较大，可以有效地减少水分无效蒸发，增加水分入渗，提高土壤含水量[20]；绿肥刈割后，由于绿肥还田具有增加土壤孔隙度、提高土壤持水力和增强土壤团聚体稳定性等作用，从而可以提高土壤含水量，降低作物耗水[21-22]。高砚亮等[3]在玉米和豆科作物间作中发现玉米带会吸收豆科作物条带的土壤水分，通过降低高耗水作物对自身条带土壤水分的过度消耗来改善土壤水分利用环境，这与本研究结果一致。间作模式中玉米带的土壤含水量高于单作玉米，这可能是由于间作玉米带吸收了绿肥带的水分，改善高耗水作物玉米对土壤水分的过度消耗和间作玉米土壤水分利用环境，导致间作玉米的耗水量低于单作玉米[23]。另外，间作系统有利于加速降水或灌溉后土壤水分的深层入渗，缩短土壤定常蒸发率阶段所经历的时间，从而有效降低间作群体土壤水分的无效损耗[11]。玉米播前—绿肥刈割这一阶段耗水量大于绿肥刈割—玉米收获后的耗水量，这是由于绿肥刈割前，自身生长需消耗一定量的水分，尤其油菜作为绿肥虽优势明显，但植株生物量大，生长会消耗大量水分[24]。绿肥刈割还田后，玉米自身生长需要消耗大量水分，但由于绿肥还田能有效地减少水分蒸发，增加水分入渗和土壤贮水量，提高了土壤的持水能力和供水能力，从而提高土壤含水量[20,22,25]。对单作玉米而言，这可能是由于生长前期植株矮小，地面覆盖不严，增加了营养生长期的无效蒸发耗水；后期植株较大，由于封行，地面覆盖较好，土壤水分的消耗则以叶面蒸腾为主。本研究发现，与传统施氮相比，减量25%施氮可提高土壤含水量，降低耗水总量。郑雪娇等[26]研究发现各生育阶段的作物耗水量随施氮量增加而增加。尤其是旱作农田施肥量过高会导致土壤水分的过度消耗[27]。本研究中间作绿肥可显著提高土壤含水量，降低系统耗水；减量施氮可促进间作种植水分利用优势的发挥[19,28]。因此，玉米间作绿肥结合减量25%施氮处理在耗水方面表现最优，可有效改善土壤含水量，降低系统耗水，具有较高的水分生产力。

3.2 间作绿肥及减施氮肥对主栽作物产量表现的影响

大量研究证明间作种植相对于单作具有明显的产量优势[19,29]。玉米与豆科作物间作时，间作玉米的产量显著高于单作玉米[4,30]。这与本研究结果一致，在玉米群体中纳入豆科绿肥后，玉米产量不仅没有降低，反而有增加趋势，且由于绿肥秸秆的输入，提高了间作系统的生物热能产。黄晶等[31]通过长期定位试验证明了绿肥紫云英替代尿素施肥的可行性，结果表明，紫云英翻压后，减少化学氮肥用量20%—40%，不会降低稻谷和稻草产量。这与本研究结果相似，从2年的试验结果来看，减量25%施氮条件下，间作箭筈豌豆和油菜刈割还田对玉米生产均有较好的增产效果；同时，还能看到一种趋势，即间作箭筈豌豆对玉米生产的效果比油菜更好，其原因可能是油菜秸秆腐解及养分释放较慢[32]，可能还会与玉米生长竞争养分，使间作玉米的产量会有小幅度的降低；而豆科绿肥可利用根部根瘤菌的固氮作用，增加土壤中的氮含量[33]；因此油菜替代部分化学氮肥培肥农田的效果不如箭筈豌豆。另一方面，油菜植株生物量大，耗水较多，使得玉米间作油菜的水分利用效率（WUE）低于玉米间作箭筈豌豆[24]。可见，间作绿肥可有效替代部分氮肥生产玉米，以玉米间作箭筈豌豆结合减量25%施氮处理综合效果最好。

4 结论

与传统施氮下单作玉米相比，玉米间作绿肥和减施氮肥25%均可有效提高土壤含水量，降低全生育期耗水；玉米间作箭筈豌豆、减施氮肥25%处理的耗水量最小，较传统施氮下的单作玉米降低 80.9—92.7 mm。间作绿肥模式有利于玉米稳产，间作模式下减施氮肥25%对玉米产量无明显影响，具有较高的水分利用效率。综合来看，在资源性缺水的绿洲灌区，间作箭筈豌豆结合减量25%施氮处理可保证玉米稳产，具有较高的水分生产力。