河西绿洲灌区间作绿肥及其不同利用方式对玉米产量及土壤肥力的提升效应

罗 跃，张久东，周国朋，常单娜，高嵩涓，包兴国，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）

玉米(Zea maysL.)是我国第一大粮食作物，在保障国家粮食安全中占有重要地位[1]。玉米集约化大规模单一种植一度占据生产主导地位[2]，然而，单一种植往往造成玉米产量停滞不前，土壤退化，连作障碍频发。间作两种及两种以上的作物增加农田生物多样性[3]，具有稳产、高产和高效可持续特性[4]，被认为是未来有机绿色农业发展的重要模式[5]。将绿肥(green manure)植物植株翻压腐解或者通过轮作、间作、套种促进农作物生长发育和改善土壤理化性状[6]，是我国传统农业的精华，是生态农业的重要组成部分[7]。在农田生态系统中，豆科绿肥与禾本科粮食作物间作能够较好地协调两类植物的养分竞争，充分利用豆科绿肥共生固氮优势[8–9]，提升农田生产力、提高土壤肥力[10–12]。

我国西北绿洲灌区是典型的一熟制地区，通过优化不同作物之间的搭配，可实现禾本科/豆科作物间作下的高产高效[3]。豆科绿肥可直接或间接转移氮素给玉米，可培肥土壤[13]、提高养分利用率[14]、增加玉米产量[15–16]，同时玉米可提高豆科绿肥的固氮能力，实现氮素高效利用[17]。然而，不同豆科绿肥养分含量和累积量不同，与土壤的相互作用各异，种植利用后对主栽作物产量、土壤养分的影响存在差异[18–20]。在多年尺度上，关于玉米间作不同绿肥、绿肥不同还田方式等方面的研究尚少。本研究利用位于河西绿洲灌区连续12年的(2009—2020)定位试验，以河西绿洲灌区典型的种植模式—玉米行间间作不同品种绿肥作物(针叶豌豆、甜豌豆、草木樨)为主体，采用绿肥作物压青肥田与根茬肥田两种绿肥利用方式，研究玉米产量、养分吸收利用及土壤肥力对不同绿肥利用方式的响应，以期合理利用绿肥资源，充分发挥绿肥的作用，为当地玉米可持续生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况和试验材料

试验于2009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、平均气温≥10℃、全年积温3016℃、年日照时数2800～3300 h、无霜期150天、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 19.1 g/kg、全氮 1.36 g/kg、全磷 0.43 g/kg、全钾 20.9 g/kg、碱解氮 74.3 mg/kg、有效磷 17.9 mg/kg、速效钾 121 mg/kg、pH 8. 31。

供试玉米(Zea maysL.)品种为‘武科2号’。供试绿肥有：针叶豌豆(Pisum sativumL.)，品种为‘陇豌2号’；甜豌豆(Pueraria montana var.)，品种为‘中豌6号’；草木樨(Melilotus officinalisL.)，品种为‘一年生黄花草木樨’。

1.2 试验设计

试验设两种种植模式为玉米单作、玉米/豆科绿肥(针叶豌豆、甜豌豆、草木樨)间作，采用两种绿肥利用方式(压青还田、根茬还田)，共7个处理，每个处理3次重复，采用随机区组设计。小区面积5.5 m×3.6 m，不同处理绿肥种类与种植模式见表1。供试氮肥为尿素(46% N)，用量375 kg/hm2；磷肥为重过磷酸钙 (43% P2O5)，用量 150 kg/hm2。氮肥按基肥∶拔节期追肥∶大喇叭口期追肥=3∶3∶4施用，磷肥作基肥一次性施用，所有处理均不施钾肥。于玉米拔节期、大喇叭口期追肥后采用漫灌方式灌水。

表1 各处理间作绿肥种类及其还田部位Table 1 Intercropped green manure and their incorporation patterns in each treatment

玉米、绿肥间作采用宽窄行种植，条播；玉米带宽40 cm，覆膜2行种植，株距20 cm，行距40 cm；绿肥植物带宽80 cm，种植3行绿肥，株距20 cm，行距20 cm。单作模式：玉米播种密度为82500株/hm2，除不种植绿肥外，种植模式同其他处理。玉米/豆科绿肥间作模式：玉米播种密度为82500 株/hm2，绿肥播种量分别为针叶豌豆75 kg/hm2、甜豌豆 75 kg/hm2、草木樨 15 kg/hm2。玉米于 2020 年4月上旬播种，2020年10月上旬收获，绿肥均于2020年3月下旬播种，压青处理于6月底全部还田，根茬处理于7月中旬刈割地上部，留根茬肥田。次年，玉米带与绿肥带倒茬播种，如此循环。

1.3 样品采集与分析

2020年10月玉米成熟后，各小区单打单收，果穗风干后脱粒，以14%标准含水率折算产量，再由小区产量折成单位面积玉米籽粒产量。每小区随机选取10株成熟玉米考种，测量玉米地上部鲜重、株高、茎粗、穗长、穗粗、穗粒数、千粒重，其中利用游标卡尺分别统一测定玉米茎秆底部、雌穗中部得到茎粗、穗粗数值。绿肥分别于盛花期和成熟期分小区测定其地上部鲜草产量、地下部鲜根产量。采用田间挖掘法[21]将绿肥根系直接从土壤中挖出，洗净用吸水纸拭干表面水分后称重待用。其中针叶豌豆、甜豌豆根系的取样面积为0.8 m×1.0 m，草木樨根系的取样面积为0.8 m×0.5 m，取样深度均在0—20 cm土层。植株及根系样品于105℃杀青30 min，60℃烘干至恒重，称重、粉碎后备用。采用浓硫酸–过氧化氢法消煮，凯氏定氮法测定氮含量，钒钼黄比色法测定磷含量，火焰光度计法测定钾含量。绿肥压青还田带入的纯氮量包括地上部和地下部，针叶豌豆、甜豌豆、草木樨带入的纯氮量分别为 N 48.04、57.21、48.56 kg/hm2；绿肥根茬还田带入的纯氮主要是地下部，针叶豌豆、甜豌豆、草木樨带入的纯氮分别为 N 1.84、1.58、11.68 kg/hm2。

玉米收获后各小区按5点取样法采集0—20 cm耕层土样，取部分鲜土进行活性碳氮分析，剩余土样自然风干、过筛后用于理化性状分析。

可溶性有机质 (dissolved organic matter, DOM)采用超纯水浸提 (土水比为 1∶4，4℃、200 r/min 下振荡 2 h，4℃、12000 r/min 离心 15 min，上清液过0.45 μm滤膜)，浸提液用TOC分析仪(德国，Multi N/C2100)测定。土壤无机氮(inorganic nitrogen,Nmin)采用 2 mol/L KCl为浸提液按土水比 1∶2 进行浸提，振荡0.5 h，用连续流动分析仪测定。土壤理化性质测定方法：土壤有机质(soil organic matter,SOM)采用重铬酸钾-外加热法测定；土壤全氮(total nitrogen, TN)采用半微量开氏法测定；土壤有效磷(available P, AP)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(available K, AK)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[22]。土壤脲酶 (soil-urease, SUE)、碱性磷酸酶 (soil alkaline phosphatase, S-AKP)、硝酸还原酶 (soil-nitrate reductase, S-NR)、亚硝酸还原酶 (soil nitrite reductase, S-NiR)活性采用试剂盒(Sinobestbio)分光光度法测定，参照试剂盒说明书进行，每个样品平行测定3次。

1.4 数据处理

用SPSS 17.0软件进行数据处理、统计与方差分析；用Duncan新复极差法多重比较判断处理间差异显著性(P<0.05)；利用R (v.4.0.4)中可视化程序对玉米产量、土壤理化性质以及土壤酶活性变化进行相关性分析；使用R 2.7.0中的“gbmplus”包进行聚合增强树分析(ABT)；采用Origin 2019作图。

2 结果与分析

2.1 不同绿肥还田方式对玉米产量和绿肥生物量的影响

从表2可以看出，除T2处理外，近3年(2018—2020)玉米间作绿肥压青还田处理的玉米年均产量均较玉米单作(CK)处理显著增加，年均增产幅度为4.27%～16.98%，其中间作草木樨增幅最大。3年的产量可持续指数和年际变异系数结果表明，同种绿肥、不同还田方式间玉米产量可持续指数相差较小，在0.02～0.13个百分点之间，说明间作系统下玉米生长的持续性较好。间作草木樨处理间的年际变异系数相差最小，为0.59个百分点，说明该种植模式的历年产量波动幅度最小，玉米产量较稳定。从2020年不同处理的产量变化可以看出，绿肥压青还田处理均优于绿肥根茬还田处理。同CK处理相比，T6处理的增产效果最好，玉米产量为19010 kg/hm2，增产28.06%；其次为T5，增产16.74%；T2、T4处理下玉米产量分别增加了13.99%、9.86%。纵观近3年的绿肥生物量，以T3处理绿肥地上部干物质量最高，2020年T5、T6处理下绿肥地下部干物质量最大。近3年数据双因素方差分析结果表明，绿肥种类、还田方式及其二者间的交互作用均显著影响玉米籽粒产量和增产率，其中绿肥种类显著地影响玉米产量可持续指数、年际变异系数及绿肥生物量。可见，玉米间作不同绿肥及绿肥不同还田方式能提高玉米生产效益，以绿肥压青还田方式增产效果最佳。

表2 不同处理下的玉米产量及绿肥生物量Table 2 Maize yield and biomass of green manure crop under different treatments

2.2 不同绿肥还田方式对玉米生物学性状及养分累积量的影响

不同处理间玉米生物学性状呈现与玉米产量相同的变化趋势(表3)。T6处理下的玉米株高、穗粗、穗长、穗粒数、地上部鲜重分别高于CK处理13.14%、3.05%、9.54%、12.66%、15.94%。双因素方差分析表明，绿肥种类对玉米生物学性状的影响大于还田方式，对玉米的株高、茎粗、穗粗及地上部鲜重影响显著。

表3 不同处理下的玉米生物学性状(2020年)Table 3 Biological characters of maize under different treatments in 2020

如图1所示，各处理间玉米秸秆的氮素累积量无显著差异。相比CK处理，除T6处理外，绿肥压青还田处理显著提升籽粒氮累积量，其中T2处理最高，为246.55 kg/hm2，增加了76.89%；T4处理次之，为186.38 kg/hm2，增加了33.72%。T5、T6处理下的秸秆磷素累积量较CK显著提升了99.00%、109.63%。双因素方差分析结果表明，绿肥种类、还田方式及其二者交互作用均极显著影响着玉米籽粒的氮素累积量，绿肥不同还田方式对玉米籽粒氮累积量的贡献要大于绿肥种类。整体来看，绿肥压青还田处理可有效促进玉米养分吸收，利于玉米丰产。

图1 玉米成熟期地上部养分累积量Fig. 1 Nutrient accumulation in aboveground part of maize at maturity

2.3 不同绿肥还田方式对土壤养分含量的影响

双因素方差分析结果表明，绿肥种类、还田方式及其二者交互作用显著影响着土壤肥力水平(P<0.05)(表4)。其中，绿肥种类对土壤有机质(SOM)、可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)、全氮(TN)、铵态氮(NH4+-N)、无机氮(Nmin)、有效磷(AP)和速效钾(AK)有显著影响；还田方式对SOM、DOC、TN有显著影响。T1处理有助于土壤可溶性有机质含量增加，其中DOC、DON分别较CK显著提升19.45%、64.01%；T2处理的TN最高，较CK显著增加12.70%；T2～T4处理的Nmin含量较CK显著提高了15.39%～22.48%，T1～T4处理AK含量较CK增加了9.61%～15.92%。综上可知，间作绿肥不同还田方式对土壤有机质、全量和速效养分的影响有差异。

表4 不同处理下的土壤理化性状Table 4Soil physico-chemical properties under different treatments

2.4 不同豆科绿肥还田方式对土壤酶活性的影响

双因素方差分析结果表明，绿肥种类显著影响土壤脲酶(S-UE)、碱性磷酸酶(S-AKP)、硝酸还原酶(S-NR)和亚硝酸还原酶(S-NiR)的活性(表5)。绿肥种类和还田方式间的交互作用对S-AKP的影响达极显著水平。T4处理的土壤脲酶活性最高，为958.4 μg/(g·d)，较CK处理显著增加19.75%。除T6处理外，玉米间作绿肥的各处理均较CK显著提高了SAKP活性，增幅为13.46%～45.03%。与CK相比，玉米间作绿肥不同程度降低S-NR、S-NiR活性，降幅分别为6.71%～18.93%、22.04%～47.07%。综上可知，种植利用绿肥可显著影响土壤氮、磷转化相关酶活性，其中绿肥种类较绿肥还田方式作用效果更大。

2.5 各土壤指标间的相关性及其分别对玉米产量的贡献程度

土壤理化性质之间的相关性分析结果(图2)表明，亚硝酸还原酶与硝态氮，硝酸还原酶与全氮之间均表现出显著负相关关系，表明反硝化作用的关键酶与土壤氮含量之间存在密切关系。速效钾与可溶性有机氮、铵态氮、碱性磷酸酶之间存在显著正相关关系，这有助于提升土壤肥力。聚合增强树(ABT)分析结果(图3)表明，全氮对玉米产量的贡献最大，其次为脲酶、速效钾，贡献率分别为41.08%、12.24%，10.15%，可见，土壤全氮含量是玉米产量的关键驱动因子。

3 讨论

3.1 玉米间作不同绿肥的生产效应

大量研究表明，间作种植相对于单作具有明显的产量优势[11,23–24]。禾豆间作，二者相辅相成，豆科绿肥可直接或间接的向禾本科作物供给氮素[25]，同时禾本科作物可以减缓化学氮肥对豆科作物的“氮阻遏”[26]。间作群体中，作物的竞争与互补关系有利于提高作物产量。本研究通过玉米间作不同豆科绿肥(针叶豌豆、甜豌豆、草木樨)结合不同绿肥还田方式(压青、根茬)发现，与玉米单作相比，玉米间作豆科绿肥的产量效益得到体现，且玉米增产效果以绿肥压青还田方式最佳，这是因为在等量化肥投入情况下，绿肥根茬还田方式会从系统中移走大量养分，降低了种植豆科绿肥的增产效益。本研究2020年的产量数据表明，间作草木樨(压青、根茬)处理的玉米产量分别达19010、17329 kg/hm2，较玉米单作分别显著增产28.06%、16.74%。草木樨压青处理下的玉米株高、穗粗、穗长、穗粒数、地上部鲜重均显著高于玉米单作(表3)，这也是玉米间作草木樨处理后茬玉米产量提升的主要原因。姚致远等[27]研究结果表明，绿肥全量翻压处理较根茬处理能显著提升玉米产量，而在本试验中，与间作针叶豌豆、甜豌豆不同，间作草木樨根茬还田处理的玉米产量仅次于草木樨压青处理，这可能与草木樨根茬生物量及氮含量远高于针叶豌豆和甜豌豆有关。由此可见，种植不同豆类绿肥、不同利用方式效果不尽相同[20]，这种作用可能主要依赖于绿肥种类本身的生物学特性。

豆科绿肥间作可有效改善玉米的养分吸收性能[28]，间作作物间地上部的竞争作用可能是影响玉米生长的重要因素之一[29]。在本试验中，与玉米单作相比，玉米间作针叶豌豆、甜豌豆，在压青条件下的玉米籽粒氮累积量均显著提升，而间作草木樨处理下的玉米籽粒氮累积量却与之相反(图1)，这主要是因为玉米相对豆类植物具有较高的氮营养竞争能力[30]，而草木樨对氮的吸收竞争能力强于玉米。双因素方差分析表明，绿肥种类与还田方式二者的交互作用极显著的影响着玉米籽粒的氮素累积，其中还田方式较绿肥种类影响更大，原因可能在于间作效应的发挥是一个漫长的过程，在绿肥压青模式投入大部分氮素的情况下，绿肥自身的差异表现并不明显。因此，在玉米生产中，要综合考虑玉米间作不同豆类绿肥、不同利用方式下的生产效益。如以收获玉米籽粒产量为目的，可考虑与草木樨间作，该间作模式下草木樨压青利用可使玉米显著增产，根茬利用不仅带来一定的产量收益，还可增收优质饲草；如以关注玉米籽粒养分为主，尤其氮素含量，可考虑间作针叶豌豆或甜豌豆，并压青还田。

3.2 玉米间作不同绿肥的土壤养分效应

绿肥含有丰富的碳、氮、磷、钾等元素，还田后经微生物降解并被快速释放[31]。在本试验中，与玉米单作相比，玉米间作针叶豌豆及甜豌豆，土壤速效钾含量增加了9.61%～15.92%，这是因为绿肥翻压还田后植物体内的钾素被迅速释放，且绿肥作物可直接富集、活化土壤矿物钾，进而提高土壤钾含量[32]。此外，玉米间作绿肥还可有效提升土壤氮素含量，无机氮较玉米单作处理增加了15.39%～22.48%，在压青还田情况下土壤全氮显著增加，尤其是针叶豌豆处理，其全氮含量较玉米单作显著增加12.70%(表4)，可见，种植利用豆类绿肥可通过扩充土壤氮库含量，实现肥田增效[7]。土壤酶直接参与土壤中物质的转化、养分释放和固定过程，对土壤肥力的形成具有重要作用[33]。刘威等[34]认为种植利用绿肥可显著提升土壤酶活性。在本试验条件下，间作甜豌豆土壤脲酶活性最高，较玉米单作显著增加19.75%。除草木樨压青处理外，间作处理下的碱性磷酸酶活性均显著提高。ABT分析结果(图3)表明，土壤全氮、速效钾含量和脲酶活性对玉米产量具有较高的贡献值，这进一步表明土壤养分含量在促进作物生长和增产方面发挥着重要作用。硝酸还原酶、亚硝酸还原酶是反硝化过程的关键酶，在本试验条件下，玉米间作绿肥下的硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性较玉米单作显著降低，且相关性分析结果(图2)进一步表明，亚硝酸还原酶活性与硝态氮之间呈极显著负相关关系，这表明亚硝酸还原酶活性的降低可能在一定程度上抑制了土壤反硝化作用的进行。与铵态氮相比，硝态氮对豆科植物结瘤的抑制作用较大[35]，而在西北地区施用的氮肥和有机氮矿化产物会有相当一部分最终以硝态氮形态残留在土壤中[36]，玉米间作豆科绿肥的生产方式，一方面，可利用玉米的喜硝特性，大量吸收硝态氮进而减缓豆科作物的“氮阻遏”效应[17,37]；另一方面，通过间作绿肥，土壤反硝化过程在一定程度上受到抑制[38]，降低土壤氮损失风险。双因素方差分析结果表明，在本试验条件下，绿肥的肥田效果主要受到绿肥种类的影响，绿肥种类显著影响着脲酶、碱性磷酸酶、硝酸还原酶，亚硝酸还原酶活性(表5)，这是由于不同豆科绿肥养分含量不同，肥田效果存在差异所导致。从田间实际生产状况来看，针叶豌豆、甜豌豆压青还田时，地上部鲜草已处于生殖生长阶段，C/N值相对较高，还田后腐解较慢，养分的缓慢释放有助于土壤养分累积，可有效提升土壤综合肥力[39]，草木樨是越年生植物，压青还田时其地上部正处于营养生长阶段，C/N值较低，易腐解，还田后可快速释放大量养分，满足玉米生长所需，利于玉米产量增加。

图2 土壤理化性质之间的相关性Fig. 2 Correlation between soil physico-chemical properties

图3 不同土壤性状对玉米产量的贡献率Fig. 3 Contribution rate of different soil properties on maize yield

表5 不同处理土壤酶活性Table 5 Soil enzyme activities under different treatments

4 结论

在河西绿洲灌区玉米间作豆科绿肥，草木樨压青和仅仅根茬还田均可显著提升玉米产量，压青的增产效果显著好于根茬。针叶豌豆和甜豌豆压青提升玉米产量的效果稍逊于草木樨根茬还田，但是可在一定程度上提高土壤脲酶和碱性磷酸酶活性，并增加土壤全氮、无机氮、速效钾等养分含量，因此，其培肥土壤的效果优于草木樨。