河西绿洲灌区玉米间作绿肥根茬还田的氮肥减施效应

罗 跃，卢秉林，周国朋，常单娜，高嵩涓，张久东，车宗贤，朱 青，曹卫东*

（1 贵州大学农学院，贵州贵阳 550025；2 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃兰州 730030；3 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；4 南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210095；5 贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵州贵阳 550006）

施用氮肥是提高作物产量的重要手段[1]。我国现阶段氮肥利用率为30%～35%，而氮肥损失率却高达40%～50%[2–3]。大量的化学氮肥投入不仅造成资源浪费，而且还带来一系列环境问题[4]。适当降低氮肥投入量，提高氮肥养分利用率是我国农业生产中亟待突破的瓶颈。绿肥在作物高产稳产和建立良好农业生态环境方面发挥着极其重要的作用[5–7]，是一种纯天然的清洁有机肥源[8]。种植豆科绿肥能通过生物固氮向农田生态系统输入氮素[9]，减少作物对化学氮肥的需求。研究表明，在我国西北[10–11]、西南[12]、华北地区[13]，种植绿肥并翻压时，较秋闲田或冬闲田减施化肥15%～30%，主作物产量不低于当地常规施肥并稳中有升[7]。2020年，高嵩涓等[14]运用南方稻区11点联网定位试验，也证实了种植利用绿肥的增产节肥效应，接茬水稻不减肥或减肥20%水稻分别增产6.5%和4.2%，减施40%化肥时水稻不减产。

在我国河西绿洲灌区，玉米间作豆科绿肥，绿肥盛花期收割地上部用作饲草，残留根茬用于培肥土壤是一种常见的生产模式[15]。该模式下，豆科绿肥与玉米共同生长期间，玉米能有效利用豆科绿肥生物固定的氮素[16]，绿肥根茬连续还田还能增加接茬作物的产量[11,17]。我们利用位于河西绿洲灌区连续10年(2011—2020)的定位试验，研究了玉米间作豆科绿肥(针叶豌豆、毛叶苕子)，绿肥根茬还田下后茬作物减施氮肥的可行性，旨在为该地区农田养分高效管理提供技术和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况和试验材料

试验于2011年在甘肃省农业科学院武威绿洲试验基地 (37°43′N，102°35′E)进行。基地海拔1504 m、年平均气温≥10℃，全年积温3016℃，年日照时数2800～3300 h、无霜期150 天，年平均降水量222 mm、蒸发量2021 mm。供试土壤为灌漠土，耕层土壤 (0—20 cm)容重 1.39 g/cm3、有机质20.61 g/kg、全氮 1.22 g/kg、全磷 0.43 g/kg、全钾20.9 g/kg、碱解氮 57.09 mg/kg、有效磷 29.54 mg/kg、速效钾 179 mg/kg、pH 8.31。

供试玉米(Zea maysL.)品种为‘武科2号’。供试绿肥为针叶豌豆(Pisum sativumL.)，品种为‘陇豌2号’；毛叶苕子(Vicia villosaRoth)，品种为‘土库曼毛叶苕子’。

1.2 试验设计

试验设8个处理，分别为：后茬玉米不施肥对照(CK)；施用常规量氮肥(CF)；针叶豌豆根茬还田条件下，后茬玉米不施氮肥(P)和施用常规氮肥量的90%和80% (N90P、N80P)；毛叶苕子根茬还田条件下，后茬玉米不施氮肥(V)和施用常规氮肥量的90% 和80% (N90V、N80V)，每个处理重复3次，小区面积21 m2(4.2 m×5.0 m)，随机区组排列。供试氮肥、磷肥分别为尿素 (N 46%)、重过磷酸钙 (P2O543%)。当地玉米常规氮肥施肥量为N 375 kg/hm2，氮肥按基肥∶拔节期追肥∶大喇叭口期追肥=3∶3∶4分施，除对照外，每个处理均基施 P2O5150 kg/hm2。

玉米绿肥采用宽窄行种植，条播。玉米带宽为40 cm，覆膜 2 行种植，株距 20 cm，行距 40 cm，播种密度为82500株/hm2；绿肥带宽80 cm，种植3行绿肥，株距20 cm，行距20 cm。CK、CF处理除不种植绿肥外，种植模式均同于其他处理，种植模式如图1所示。播种量为针叶豌豆75 kg/hm2、毛叶苕子45 kg/hm2。玉米于2020年4月下旬播种，2020年10月上旬收获。针叶豌豆和毛叶苕子均于2020年3月下旬播种，2020年6月下旬收获(针叶豌豆为籽粒成熟期，毛叶苕子为盛花期)，绿肥收获时玉米处于大喇叭口期，两者共生期约为60天。绿肥处理方式为，在收获时将地上部乂割移走作为饲草，留根茬肥田。绿肥以小区为单位测产，针叶豌豆、毛叶苕子地上部干物质量分别为1568、1878 kg/hm2。次年，玉米带与绿肥带倒茬播种，如此循环。采用漫灌的方式在玉米拔节期、大喇叭口期追肥后灌水。

图1 种植模式示意图Fig. 1 Schematic diagram of the planting pattern

1.3 样品采集与分析

2020年10月玉米成熟期，各小区单打单收，果穗风干后脱粒，称其籽粒干重，即为小区产量，再由小区产量折成单位面积玉米籽粒产量。随机选取3株成熟玉米进行考种，于105℃杀青30 min，60℃烘干至恒重，称重、粉碎后备用。植株样品采用浓硫酸–过氧化氢法消煮，凯氏定氮法测定氮、钒钼黄比色法测定磷、火焰光度计法测定钾含量[18]。

玉米收获后每小区按5点取样法采集0—20 cm耕层土样，分取部分鲜土进行活性氮指标分析，剩余土样自然风干，过筛后用于理化性质分析。土壤理化性质测定方法如下：土壤有机质采用重铬酸钾—外加热法测定；土壤有效磷采用0.5 mol/L碳酸氢钠提取—钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用醋酸铵浸提—火焰光度计法测定；土壤pH采用电位法(水土比 2.5∶1)测定[18]。

土壤氮库指标测定参照杨璐[19]、周国朋等[6]试验方法，包括：全氮、有机氮、无机氮、颗粒态有机氮、可溶性有机氮、土壤微生物量氮。

1.4 计算公式

1.4.1 氮肥利用指标 选择氮肥农学效率、氮肥偏生产力、氮素吸收效率、氮肥表观利用率来比较不同处理间的氮肥效益。

式中：TNN—施氮区玉米吸氮量(kg/hm2)；TN0—不施氮区玉米吸氮量(kg/hm2)；YN—施氮区玉米产量(kg/hm2)；Y0—不施氮区玉米产量(kg/hm2)；Nr—氮素施入量(kg/hm2)。

1.4.2 修正后的内梅罗 (Nemoro) 公式

式中：IFI为土壤综合肥力指数；(Pi)min为土壤所有指标中单项肥力指数最小值；(Pi)ave为土壤所有指标中单项肥力指数平均值；n为参评的土壤肥力指标数。引入(Pi)min替代原公式中的(Pi)max，其目的是强化此因子对土壤肥力指数的制约，(n−1)/n是土壤综合肥力指数的修正项，参评的因子越多，可信度越高，本研究中n=6。参评因子肥力指数(Pi)是将测定的各土壤基础理化性质值参考土壤肥力参评指标分级标准，将其分级划分后再运用公式进行标准化处理，以消除各因子之间的量纲差别。主要参照第二次全国土壤普查分级标准及其他学者的研究成果[20]。

1.5 数据处理

试验数据选用SPSS 17.0软件进行数据处理、统计与方差分析，Duncan新复极差法多重比较判断处理间差异显著性(P<0.05)；通过R 2.7.0中的“gbmplus”包[21]进行聚合增强树分析(ABT)；使用R 3.6.1中的“plspm”包[22]，构建绿肥品种、施氮量、土壤理化性质、氮库指标、玉米产量、地上部养分累积量及玉米氮素利用特征之间的路径分析模型。采用Origin 2019作图。

2 结果与分析

2.1 绿肥根茬还田下氮肥减施对玉米产量及养分吸收利用的影响

由表1可知，与不施肥CK处理相比，仅绿肥根茬还田(P和V处理)不能显著提高玉米产量；玉米产量以N80P处理最高，较CF处理增产7.6% (P<0.05)，其余绿肥根茬还田配施80%～90%常规量氮肥处理均同CF保持基本一致的产量。可见，绿肥根茬还田下氮肥减施常规量的10%～20%，玉米产量稳中有升。

表1 不同处理的玉米产量(2020年)Table 1 Maize yield under different treatments in 2020

不同施肥处理间玉米氮、磷、钾养分累积量与玉米产量呈现相同的变化趋势(图2)。绿肥根茬还田配施80%～90%常规量氮肥条件下，玉米籽粒氮、磷、钾累积量分别较CF处理增加31.7%～56.4%、37.8%～60.0%、61.7%～96.8% (P< 0.05)。同CF处理相比，地上部氮、磷、钾累积量以N80P处理最高。由表2可见，与CF相比，绿肥根茬还田配施80%～90%常规量氮肥不同程度促进了玉米氮素利用。各施肥处理的氮肥农学效率、氮肥偏生产力、氮素吸收效率、氮肥表观利用率均以N80P 处理最高，分别为 29.62 kg/kg、54.13 kg/kg、0.79 kg/kg、53.6%，较CF处理增加43.6%、34.5%、107.9%、35.8个百分点 (P<0.05)。整体来看，绿肥根茬还田下减施常规量10%～20%氮肥，可促进玉米养分的吸收利用，利于玉米丰产。

图2 不同处理下玉米籽粒和秸秆中的氮、磷、钾累积量Fig. 2 Accumulation of N,P,and K in grain and straw of maize under different treatments

表2 不同处理下的玉米氮素利用率Table 2 Nitrogen use efficiency of maize under different treatments

2.2 绿肥根茬还田下氮肥减施对土壤氮库的影响

表3表明，各施肥处理下的土壤全氮、有机氮、颗粒态有机氮(POMN)和土壤微生物量氮(SMBN)变化趋势相似，贮量较CK均提高。与CF处理相比，氮肥减施常规量的10%～20%情况下，针叶豌豆根茬还田显著增加土壤铵态氮(NH4+-N)含量，同时针叶豌豆、毛叶苕子根茬还田下土壤硝态氮(NO3–-N)含量均呈降低趋势。双因素方差分析结果表明，施氮量极显著地影响土壤氮库贮量，同时绿肥品种与施氮量对NO3–-N、NH4+-N的影响表现出显著交互作用。

表3 不同处理下土壤不同形态氮含量Table 3 N contents in different forms in soils under different treatments

2.3 绿肥根茬还田下氮肥减施对土壤综合肥力指数的影响

选取6项常规土壤基本指标分级标准化，对各处理的土壤肥力进行评价(表4)。与CK相比，各施肥处理下的土壤综合肥力指数(IFI)提升了17.2%～23.0% (P<0.05)。从不同处理的产量对土壤综合肥力指数的响应分析来看(图3)，绿肥根茬还田配施80%～90%常规量氮肥处理的玉米产量对IFI的响应均处于相对较高水平，其中N80P处理尤为突出。

表4 不同处理下的土壤综合肥力指数(IFI)Table 4 Soil integrated fertility index (IFI) under different treatments

图3 不同处理产量对土壤综合肥力指数的响应Fig. 3 Yield response to integrated fertility index (IFI)under different treatments

2.4 土壤不同性状与玉米产量之间的相互作用

运用聚合增强树(ABT)方法分析土壤性状对玉米产量的相对贡献(图4)，结果表明全氮对玉米产量的贡献最大，其次为Nmin、有效磷，贡献率分别为36.5%、26.8%、10.3%。偏最小二乘路径模型(PLSPM)结果(图5)表明，不同施氮水平对土壤有机质、有效磷、土壤氮库(NL)有显著正影响，其中对NL的影响更大(0.64，P<0.01)。从标准化的路径系数来看，NL对玉米产量具有最高的贡献值(0.99，P<0.001)。

图4 不同土壤性状对玉米产量的贡献率Fig. 4 The contribution rate of different soil properties to maize yield

图5 偏最小二乘路径分析Fig. 5 Partial least squares path analysis

3 讨论

3.1 绿肥根茬还田配施减量氮肥下的玉米生产效应

大力发展豆科绿肥是实现化肥“零增长”的重要途径[23]。在我国河西绿洲灌区，禾豆间作能提高主栽作物产量，多年种植豆科绿肥可替代部分化学氮肥[24]。已有研究表明，与常规施氮肥相比，玉米间作箭筈豌豆并全量翻压情况下，配合减施25%常规量氮肥，可以保证玉米籽粒不减产[25]。本研究发现，玉米间作豆科绿肥模式中，针叶豌豆根茬还田、减施20%常规量氮肥较常规施氮肥处理玉米籽粒增产7.6% (P<0.05)；绿肥毛叶苕子根茬还田及减施10%～20%常规量氮肥可收获与常规施氮肥基本一致的籽粒产量。可见，在河西绿洲灌区的禾豆间作模式下，仅绿肥根茬还田就可替代10%～20%常规量化学氮肥。两类绿肥作物处理之间，间作针叶豌豆的节肥、增产潜力高于间作毛叶苕子，这与本定位试验7年前的研究结果类似，即在试验第3年玉米间作针叶豌豆处理率先表现出玉米减肥不减产的效果[26]，这可能是因为茎秆喜攀援的针叶豌豆相比蔓生性强的毛叶苕子具有更高的光能利用效率，提高了运向根瘤菌固氮体系的光合产物[27–28]。值得注意的是，同等试验条件下，间作豆科绿肥节肥效益由试验第3年的节肥10%到试验第10年的节肥20%，说明间作豆科绿肥的节肥潜力可随种植年限的延长而增强[24,29]，具有一定的累加效应。

种植利用绿肥能促进后茬作物对土壤养分的吸收利用[30]。在玉米间作豆科绿肥模式下，豆科绿肥可通过根系–根瘤菌共生固氮系统固定氮素，增加土壤有效氮含量[10,16,31]，较好地保证了玉米氮素供应，从而减少氮肥投入。本研究基于针叶豌豆和毛叶苕子根茬还田，减施10%～20%常规量氮肥能够有效促进玉米对氮、磷、钾养分(P<0.05)的吸收(图2)。前人研究也表明，绿肥氮与化肥氮配施，不同形态氮素间的交互作用利于作物对化肥氮的吸收利用[14,19]，进而提高氮肥利用效率[32]。本研究中，氮肥减施常规量的10%～20%并配合绿肥根茬还田措施，氮肥表观利用率较常规施氮肥处理显著增加(P<0.05)，其中针叶豌豆根茬还田配施减量20%常规氮肥处理表现最为突出(表2)。这可能由于：1)绿肥根茬氮素缓慢释放，能够协调玉米生长对氮的需求[33]；2)低水平的外源氮投入以及玉米–绿肥共生期间玉米对土壤氮的耗竭，激发豆科绿肥自身的固氮潜力[31]。与本研究结果类似，张达斌[34]的研究也证实低氮肥施用水平下应用豆科绿肥对作物氮吸收的贡献优于高氮条件。综上，绿肥根茬还田不仅利于主栽作物对养分(尤其是氮素)的吸收利用，而且在减少氮肥投入等方面也发挥着重要作用。

3.2 绿肥根茬还田配施减量氮肥对土壤肥力的影响

本研究中，施用氮肥及绿肥根茬还田对土壤无机氮(铵态氮、硝态氮)的影响表现出显著交互作用(表3)。土壤铵态氮、硝态氮含量在玉米成熟期显著低于抽雄期(数据未列出)，以硝态氮含量的降低最为明显，这与硝态氮是玉米吸收利用的主要氮源有关[35]。PLS-PM模型分析表明，不同梯度的氮肥投入通过调节土壤氮库(0.64，P<0.01)进而影响玉米产量(0.99，P<0.001) (图5)，运用聚合增强树分析(图4)也发现，土壤全氮、无机氮含量对玉米产量具有较高的贡献率，这进一步表明土壤氮含量在促进作物生长和增产方面发挥着重要作用[36]。前人研究表明，将绿肥纳入种植制度有利于土壤氮库培育[7,37]。例如，高菊生等[38]利用长期定位试验，持续30年种植利用豆科绿肥，土壤全氮含量显著增加了9%。本研究中，在减施10%～20%常规量氮肥条件下，根茬还田各处理的土壤氮库贮量较常规量施氮肥处理有上升趋势，但差异未达到显著水平。造成与前人研究结果差异的原因一方面可能是本研究在绿肥盛花期将其地上部乂割移除用作饲草，绿肥鲜草从土壤中汲取了大部分氮素；另一方面本定位试验年限相对较短，绿肥根茬还田带入的氮素含量还不足以显著影响土壤氮贮量。

豆科绿肥作为一种优质的有机肥源，茬地利用不仅有助于增加土壤有效养分含量[39]，而且具有提升土壤肥力的作用[40]。本研究发现，针叶豌豆根茬还田配施减常规量20%氮肥的土壤综合肥力指数较常规施氮肥显著提升23.0%。本试验条件下，针叶豌豆和毛叶苕子残根的氮养分含量分别为2.6%、2.4%，其根冠比均约为1/10，可推算出针叶豌豆和毛叶苕子的地下部根茬氮累积量约为4.0、4.5 kg/hm2，地上部氮累积量分别为34.5、58.2 kg/hm2。在针叶豌豆和毛叶苕子根茬氮累积量差异不大的情况下，毛叶苕子从系统中移除的氮累积量明显高于针叶豌豆，这是造成土壤肥力差异的主要原因。与不施肥处理相比，豆科绿肥根茬还田(P、V处理)土壤综合肥力指数能维持较高水平，但玉米产量、养分累积量无显著差异，这可能因为绿肥根茬养分释放缓慢，致使养分供应与玉米生长不平衡，说明绿肥还田需配施一定量的化肥才能充分发挥其肥效。综上，种植绿肥具有提升土壤肥力兼具增加土壤氮库贮量的长期效应和提高速效养分含量的即时效应[14]。可见，在玉米间作豆科绿肥模式中，绿肥根茬还田的生产方式不仅具备一定的减肥潜力，同时对于维持并提升土壤肥力水平也发挥着重要的作用。

4 结论

绿肥根茬连续还田条件下，减少后茬玉米氮肥常规用量的20%可维持甚至提高玉米产量，大幅提升玉米的氮磷钾吸收量和氮肥表观利用率。根茬还田配合适量氮肥可以通过提升土壤氮库贮量提高土壤综合肥力。在河西走廊，玉米产量和环境效益俱佳的栽培管理方式是针叶豌豆根茬还田配合80%的常规氮肥用量，毛叶苕子根茬还田配合80%～90%的常规氮肥用量。