豆科冬绿肥水氮复合效应分析

秦文利

（河北省农林科学院农业资源环境研究所/河北省肥料技术创新中心，河北 石家庄 050051）

河北省是我国的粮食主产省，冬小麦—夏玉米一年两熟是该区主要的粮食种植制度。水资源严重短缺、化肥过量投入引起的生态退化，严重制约着河北省粮食的可持续发展。削减依赖于灌溉的冬小麦种植面积、降低农田灌水消耗量、充分发挥雨热同季的春玉米产量潜力是解决河北省水资源危机、保障粮食安全的一个重要途径。随着国家化肥农药零增长目标的提出，绿肥成为替代化肥的重要肥源。春玉米冬闲田种植豆科绿肥，可覆盖地表、吸碳固氮，实现养分良性循环，提高肥料利用率，降低环境风险[1，2]。豆科绿肥对土壤氮素进行补充后，还可以促进根系对土壤水分和养分的吸收，提高木质部水流通量中的氮养分浓度，优化叶片气孔开度，提高蒸腾效率[3]。河北省冬春季节降水大多为小雨，如果没有作物生长，这些降水资源易变为土壤蒸发损失。通过种植冬绿肥的覆盖，可减蒸保墒，实现冬春季降水资源的高效利用。但冬绿肥干物质积累需要消耗土壤水分，这是否会影响下茬作物的生长？其水氮复合效应能否弥补这种不利的影响？作者对豆科冬绿肥的水氮复合效应进行了阐述，并进一步分析了其对后茬春玉米生长的影响，旨为缺水区冬闲田绿肥复种生态养地型种植制度的建立提供理论依据。

1 豆科绿肥的氮素供应特征及其对土壤氮养分供应能力的影响

氮是作物生长和产量形成的首要必需元素，也是造成环境污染的主要元素。在土壤—植物系统中，豆科绿肥作物通过吸收土壤中的残留肥料氮和难溶性氮，以及固定空气中的游离态氮，实现农田氮素累积，通过翻压还田可腐解释放氮养分，补充土壤氮素，实现氮素的良性循环[4，5]。豆科绿肥植株氮养分积累、释放规律决定着其对土壤的氮养分供应能力，影响着土壤氮素的变化动态及其对后茬主作物氮养分的供应[6，7]。生物量和植株氮含量决定了豆科绿肥田间养分积累总量。绿肥植株生物量积累和氮养分积累均符合生长曲线规律[6]。播期、绿肥种类等均影响豆科绿肥作物田间氮素的积累量。赵秋等[8]在天津的试验结果表明，春玉米冬闲田秋播的毛叶苕子每年氮积累量平均为144.68 kg/hm2。郭耀东等[9]在山西省山阴县的试验结果表明，夏播毛叶苕子、田菁、草木樨、紫花苜蓿、箭筈豌豆等豆科绿肥作物的田间氮积累量分别为195.4、68.0、165.9、115.3和98.6 kg/hm2。

绿肥翻压时期应结合生物量积累和养分含量确定。翻压过早，养分积累量少且易流失；翻压过晚，植株碳氮比高，不利于绿肥植株养分的快速释放。初花期至结荚期是豆科绿肥的适宜翻压期。翻压后，绿肥氮养分释放速率呈现前期快、后期慢的规律。宁东峰等[10]在山东棉田的研究表明，毛叶苕子翻压后43 d内腐解率为77.5%，至第113天时腐解率为89.5%。氮在翻压后21 d内矿化率即达60%以上。豆科绿肥翻压还田后可以显著增加土壤全氮和碱解氮的含量，并影响不同形态氮素在土壤中的时空分布。韩梅等[11]研究发现，当毛叶苕子还田量为2×104kg/hm2时，后茬油菜播前、苗期、花期、成熟期0～100 cm土层的全氮、碱解氮和铵态氮积累量升高，而硝态氮积累量降低。豆科绿肥可增强土壤氮素供应能力而替代氮素化肥，有利于减轻环境负荷。王飞等[12]研究表明，单季稻田连续翻压紫云英能促进下茬水稻植株对来自紫云英矿化氮的吸收，可替代40%的氮素化肥。

目前，国内外研究主要集中于豆科冬绿肥植株的氮素积累、释放规律及其对土壤的培肥效应等方面，而对北方缺水区豆科冬绿肥翻压后土壤氮养分供应特征与下茬作物氮养分需求特征是否匹配以及在此基础上应建立的减量施氮模式还缺乏深入、系统的研究，加强该方面的研究对减轻环境污染、促进粮食绿色生产具有重要意义。

2 豆科绿肥的农田耗水特征及其对土壤水分平衡的影响

土壤水分的无效蒸发和作物对土壤水分的有效蒸腾共同构成了农田水分耗散结构。降低土壤蒸发耗水，提高作物冠层蒸腾效率，可优化农田水分耗散结构[13]。土壤蒸发量与土壤表层所接受的光辐射能量和含水量呈正相关[14]。种植冬绿肥能有效阻断土壤表面与大气的直接接触，减少地表所接受的光辐射能量，降低土壤蒸发强度。绿肥生长消耗土壤水分可降低土表含水量，有利于减少土壤水分蒸发。Correia等[15]研究表明，豆科绿肥作物覆盖果园地表，能降低土壤蒸发占总蒸散量的比重，提高果园生态系统蒸腾效率。因此，冬闲田种植冬绿肥能减少土壤水分蒸发损失。豆科冬绿肥的种植与还田还能改善土壤物理性质，增加土壤渗透能力，集蓄降水，这均有利于改善土壤水分的收支平衡。

但绿肥作物的干物质积累需消耗一定量的土壤水分，这将降低下茬作物可利用的土壤贮水，可能导致减产。Restovich等[16]研究发现，极干旱年份种植覆盖作物将导致后茬作物减产。Qin等[17]研究表明，与夏玉米相比，种植夏大豆平均减少下茬亏缺灌溉冬小麦播前土壤贮水95.2 mm，导致冬小麦严重减产。但上茬作物的种植并不都导致后茬减产，这与其生长过程中消耗的土壤水分量有关[18]。因此，探明冬闲田种植豆科绿肥作物后农田耗水特征、土壤水分在不同深度的变化、土壤水分收支平衡变化以及这些变化对下茬作物的影响，对削减绿肥作物生长耗水对下茬作物的不利影响具有重要意义。

3 豆科绿肥的水氮复合效应

水和氮是影响作物产量形成的2个关键因子，二者相互作用、相互影响。水是植物吸收氮素的载体，土壤水分条件影响着氮素对植物的有效性。随着土壤含水量的降低，作物产量对氮肥的响应程度降低，过量施氮将加重根系对土壤干旱的敏感性，引起作物减产。合理施氮可促进根系吸水。一方面，细胞内硝态氮浓度的增加改变了细胞膜的渗透特性[19]；另一方面，硝态氮可加强水通道蛋白的进一步表达[20]，二者均可提高作物根系水力传导度。氮也可通过调控气孔开度提高冠层蒸腾效率。因为随低氮土壤中NO3-含量的增加，气孔导度呈双曲线变化，其机理可能与NO3-影响脱落酸（ABA）诱导气孔开闭有关[21，22]。在ABA诱导的气孔运动过程中，NO3-不仅作为信号分子直接参与，而且还通过促进硝酸还原酶（NR）和亚硝酸还原酶（NIR）的表达提高叶片中NO的含量而引起气孔关闭（NO是气孔运动中ABA的下游信号分子）。

除通过补充土壤氮养分影响作物对土壤水分的吸收利用外，豆科绿肥还可以促进后茬作物根系深扎，利用深层土壤贮水。豆科绿肥根系强大，可穿插、切割土壤，降低土壤容重，减轻下茬作物根系下扎阻力。其根系的“生物钻孔”（bio-drilling）功能可为后茬作物根系在土壤中的生长提供通道[23]。根系具有趋肥性，深层施肥可促进根系深扎[24]。因此，绿肥深层根系分泌物、根际沉淀物以及死亡根系腐解释放的养分均能诱导主作物根系深扎，吸收深层土壤的水分和养分。

4 豆科冬绿肥水氮复合效应对下茬春玉米的影响

豆科冬绿肥的水氮复合效应终将通过影响下茬作物对土壤水氮的吸收利用而影响产量形成过程。合理施氮不仅可促进玉米生长，加强叶片光合作用，为子粒发育制造更多同化产物，满足其对营养的需求，还可提高雌穗分化小花的受精率、结实率，减少子粒败育率，增加穗粒数；同时，促进光合产物向子粒转移，增加粒重，提高产量。绿肥翻压后，氮养分主要在后茬春玉米苗期、拔节期释放[10]；而在大喇叭口期、抽穗期、开花期、吐丝期、灌浆期等决定穗粒数、粒重等产量因子形成的关键生育期，绿肥养分释放逐渐减少，这时应加强来自化肥的氮养分供应。玉米苗期遭受一定程度的干旱可促进根系深扎，复水后由于补偿效应可提高植株生长速率。拔节期至灌浆期是决定玉米产量形成的关键生育期，此时发生干旱将严重阻碍玉米营养生长和生殖生长的进程，导致根系养分吸收能力减弱、叶片光合能力下降，不能为生殖生长供应充足的同化产物，降低花粉和花丝的质量以及雌穗小花的受精率、结实率，影响玉米子粒的库容建成和充实，造成穗粒数减少、粒重下降，最终减产[25]。春玉米对水分消耗较大的生育期均处于河北省集中降雨时期。而冬闲田种植豆科冬绿肥对土壤贮水的消耗将影响春玉米生育早期对土壤水分的需求，这是否会对春玉米的产量形成造成不利影响？枯水年型下豆科冬绿肥对土壤贮水的消耗特征将对下茬春玉米不同生育阶段水分需求规律和产量形成过程产生怎样的影响？明确这些问题将有助于缺水区冬闲田绿肥复种生态养地型种植制度的建立。