间作绿肥弥补减施氮肥引起的玉米产量损失

李含婷，柴 强，胡发龙，王国璀，王琦明，樊志龙，殷 文，范 虹

（省部共建干旱生境作物学国家重点实验室/甘肃农业大学农学院, 甘肃兰州 730070）

氮肥对于保障作物产量至关重要[1–3]。为提高作物产量，大量氮肥被广泛使用，而过高的氮肥投入反而影响产量形成，浪费资源且增加环境负担[3–4]。因此，研发作物生产中减氮增产技术迫在眉睫。玉米(Zeamays)作为主要的粮、经、饲兼用作物，在粮食安全中占据重要地位[5–7]。众多研究已证实，玉米需肥量大，其产量的提高与施氮量密切相关，而单纯减氮均会不同程度地造成玉米减产[7–9]，研发氮肥减量稳产技术是玉米生产面临的重大课题。关于如何减少氮肥投入已开展了大量研究，提出密度调控[10]、水氮耦合[11]、有机无机肥配施[12]以及作物搭配[13]等众多农艺措施，其中，绿肥作为重要的有机肥源，还田后可通过微生物作用释放养分，以供作物吸收利用；同时改善土壤理化性质，利于作物生长[14–15]；尤其豆科绿肥的固氮作用可显著提高土壤中氮素含量，促进作物养分吸收利用，最终提高主作物的干物质积累和产量[1,5,16]。因此，将绿肥作物引入单一的种植系统中，有望保障作物的养分供应、增加肥源，从而消除减量施氮造成的产量损失。以往有关化学氮肥配施绿肥的研究主要集中在复种或套种绿肥后土壤结构以及土壤生化性质变化等方面[14,17]，较少关注在作物生产中插播绿肥作物能否替代部分化学氮肥以及对主栽作物生长发育和产量形成的影响。

河西绿洲灌区是我国玉米高产区之一，该区普遍玉米连作以及作物对氮素吸收利用水平低等问题严重制约着该区农业的生产[5–6,14]。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，将绿肥作物间作到玉米群体当中，形成玉米/绿肥的间作和轮作模式，通过研究这种种植模式下不同施氮水平玉米干物质积累特征以及产量构成等因素，进一步明确绿肥能否弥补减氮造成的产量损失，为构建基于间作绿肥的玉米减氮生产技术提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2019—2020年在甘肃省武威市甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地进行。试区位于河西走廊东端 (37°30′ N, 103°5′ E)，属寒温带干旱气候，年均气温7.2℃，年均降水量156 mm，年蒸发量2400 mm，是典型的灌溉农业区。该区土壤类型为厚层灌漠土，容重1.57 g/cm3，0—30 cm土层全氮、全磷和有机质分别为0.68、1.41和14.31 g/kg。玉米是该区种植面积最大的作物，以连作生产为主，均采用地膜覆盖栽培。两个试验年份，作物生育期内试验站气温及降水情况如图1。

图1 2019—2020年作物全生育期内降水量及气温Fig.1 Precipitation and temperature during crop growing period in 2019–2020

1.2 试验设计

试验采用裂区设计。主区设玉米间作箭筈豌豆(M/V)、玉米间作油菜(M/R)和单作玉米(M)；副区包括减施氮肥 25% ( N 270 kg/hm2，N1)和当地传统施氮 (N 360 kg/hm2，N2)，共 6 个处理，每处理 3 次重复。单作小区面积 54 m2(6 m×9 m)，间作 48.6 m2(5.4 m×9 m)。

间作玉米与绿肥幅宽比110 cm∶70 cm，行比3∶4。供试玉米 (ZeamaysL.)品种为先玉 335，播种密度82500株/hm2，其中，单作玉米株距30 cm，间作18.5 cm，行距均为40 cm，覆膜平作。供试油菜品种 (BrassicacampestrisL.) 为青杂 5 号，播种密度7.5 kg/hm2；供试箭筈豌豆品种 (ViciasativaL.) 为兰箭2号，播种密度225 kg/hm2；绿肥作物种植行距20 cm，均在其盛花期刈割覆盖于玉米带间。作物田间种植结构如图2所示。灌溉制度为冬灌水120 mm，拔节期、抽雄期分别灌水90 mm，大喇叭口期、开花期和灌浆期分别灌水75 mm；玉米播种前采用除草剂和杀虫剂进行土壤封闭除草杀虫；大喇叭口期采用除螨灵防治玉米螟和螨虫。施氮制度分别按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌浆期追肥=3∶5∶2分施；纯P2O5180 kg/hm2，全作基肥，绿肥带不施肥。玉米和绿肥在不同年份之间进行带间轮换。

图2 单作和间作处理作物布局示意图Fig.2 Schematic diagram of crop planting in mono- and intercropping system

2019和2020年度，玉米分别于4月20日、4月21日播种，9月26日、9月29日收获；油菜于3月26日、3月28日播种，6月8日、6月13日刈割；箭筈豌豆于4月1日、4月2日播种，6月28日、6月21日刈割。

1.3 测定项目与方法

玉米干物质积累量：自玉米苗期开始，每隔15天取样一次。苗期取样10株，拔节期后每次取5株，于105℃烘箱杀青1 h，80℃恒温烘干至恒重，称重后依据基本苗计算单位面积干物质积累量[6]。

群体生长率：玉米在某个时期的干物质积累量与上一时期的干物质积累量的差值除以间隔天数。

式中：CGR表示玉米群体生长率[kg/(hm2·d)]；W1、W2和t1、t2分别为相邻两次取样时玉米干物质积累量和测定时间。采用Logistic方程拟合玉米最大干物质积累速率及其出现的天数[6]。

式中：Y为单位面上玉米地上部干物质积累量(kg/hm2)；t为玉米出苗后的天数；K为最大地上部干物质积累量 (kg/hm2)；a为常数项；r为增长率。当Y=K/2时，增长率达最大值，因此，最大增长率Vmax= (r×K)/4，且最大积累速率出现的天数t=a/r。

利用原始测定数据进行初始参数(K,r,a)估计：

式中：(t1,N1)、(t4,N4)分别为玉米取样实测时间和干物质积累的始点、终点；(t2,N2)、(t3,N3)则为中间两点。

产量及产量构成因素：玉米成熟时，按每小区分别计产。另在小区中间部位连续取10株玉米，风干后测定单位面积穗数、穗粒数、千粒重等产量性状，按14%含水量进行折合计产。

1.4 数据统计

数据采用Excel 2016整理汇总、图表制作以及灰色关联矩阵分析；使用SPSS 19.0软件进行显著性分析 (Duncan’s multiple range tests,α= 0.05)、主效应检验、互作效应分析，并拟合Logistic方程及检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 间作绿肥及减氮下玉米的籽粒产量及生物产量

2.1.1 籽粒产量 施氮水平对玉米籽粒产量无显著影响，而种植模式及互作对其影响显著(表1)。M/R、M/V种植模式较M种植模式分别平均提高8.2%、10.4%。两年间，减施氮肥显著降低单作玉米籽粒产量，N1水平较N2水平低15.7%；在玉米/绿肥间作模式中，N1水平与N2水平无明显差异。在减氮条件下，M/R、M/V种植模式较M种植模式分别提高18.9%、21.5%。其中，N1水平M/R、M/V种植模式的籽粒产量与N2水平M种植模式无明显差异。可见，间作绿肥可消除减氮引起的产量损失，从而保证减氮条件下玉米产量稳定。

2.1.2 生物产量 施氮水平对玉米生物产量无显著影响，而种植模式及互作对其影响显著(表1)。M/R、M/V种植模式较M种植模式分别平均提高5.9%、8.2%。减施氮肥显著降低单作玉米的生物产量，N1水平较N2水平低12.9%；在玉米/绿肥间作模式中，N1水平与N2水平无明显差异。间作绿肥可提高减氮下玉米生物产量，M/R、M/V种植模式较M种植模式分别高14.6%、15.9%。其中，N1水平M/R、M/V种植模式的生物产量与N2水平M种植模式之间无显著差异。说明间作绿肥可增加减氮条件下玉米地上部的生物产量，为玉米高产奠定基础。

表1 间作绿肥及减氮下玉米籽粒产量和生物产量 (kg/hm2)Table 1 Grain yield and dry biomass of maize as affected by intercropping and nitrogen reduction

2.2 间作绿肥及减氮下玉米的产量构成

施氮水平、种植模式及二者互作对玉米单位面积穗数影响不显著(表2)。种植模式及其与氮水平二者交互作用显著影响玉米穗粒数，而施氮水平对其影响不显著(表2)。两年间，减施氮肥降低单作玉米穗粒数，N1水平较N2水平低8.8%；在玉米/绿肥间作模式中，N1水平与N2水平无明显差异。间作绿肥可提高减氮条件下玉米穗粒数，M/R、M/V种植模式较M种植模式分别高11.9%、13.9%。种植模式、施氮水平及二者互作对玉米千粒重影响显著(表2)。减量施氮降低玉米千粒重，N1较N2水平3个种植模式平均低5.9%。在单作玉米中，N1水平的玉米千粒重较N2水平降低15.6%；在玉米/绿肥间作模式中，N1水平与N2水平之间无明显差异。间作绿肥可提高减氮条件下玉米的千粒重，M/R、M/V种植模式较M种植模式分别高19.6%、22.3%。可见，间作绿肥可通过增加玉米穗粒数和千粒重来消除减氮造成的产量损失，即间作绿肥结合减氮处理可作为河西绿洲灌区玉米高效生产的适宜栽培措施。

表2 间作绿肥及减氮下玉米的产量构成Table 2 Yield components of maize under intercropping system and reduced nitrogen application

2.3 间作绿肥及减氮条件下玉米干物质积累特征

2.3.1 干物质积累量 施氮水平、种植模式显著影响玉米苗期至大喇叭口期(0～60天)干物质积累量，二者互作对其影响不显著(表3)。间作绿肥和减氮处理均可降低玉米干物质积累量，N1水平较N2水平3个种植模式平均降低了15.8%，M/R、M/V种植模式较M种植模式分别降低8.8%、31.5%。施氮水平、种植模式及二者互作显著影响玉米大喇叭口期至灌浆初期(60～105天)干物质积累量(表3)。N1水平比N2水平降低玉米干物质积累量，3个种植模式平均低7.2%；间作绿肥可提高玉米干物质积累量，M/R、M/V种植模式较M种植模式分别高10.2%、8.8%。施氮水平、种植模式及二者互作显著影响玉米灌浆初期至成熟期(105～150天)的干物质积累量 (表3)。N1水平比N2水平降低玉米干物质积累量，3个种植模式平均低4.2%；间作绿肥显著提高玉米干物质积累量，M/R、M/V种植模式较M种植模式分别高5.8%、8.2%。此外，在玉米大喇叭口期至灌浆初期(60～105天)及玉米灌浆初期至成熟期(105～150天)，N1水平下M/R、M/V种植模式的干物质积累量与N2水平下的M种植模式之间均无明显差异。可见，减施氮肥降低玉米干物质积累量，但通过间作绿肥会提高玉米大喇叭口期后 (绿肥作物刈割后) 的地上部干物质累积量，从而消除减量施氮造成的负效应，最终保证玉米获得高产。

表3 间作绿肥及减氮下玉米各生育阶段的干物质积累量 (kg/hm2)Table 3 Dry matter accumulation of maize at each growth period under intercropping system and reduced N application

2.3.2 群体生长率差异 种植模式、施氮水平显著影响玉米苗期至大喇叭口期(0～60天)群体生长率，二者互作对其影响不显著(表4)。减氮降低玉米出苗后60天群体生长率，N1较N2水平下3个种植模式平均低18.5%。M/V种植模式降低玉米出苗后60天群体生长率，比M种植模式平均低29.2%，而M/R种植模式与M种植模式间无明显差异。施氮水平对玉米大喇叭口期至灌浆初期(60～105 d)群体生长率无影响，而种植模式及二者互作对其影响显著(表4)。两年间，间作绿肥均提高玉米生长60～105天群体生长率，M/R、M/V种植模式较M种植模式分别高12.2%、22.5%。间作绿肥可提高减氮条件下玉米生长60～105天的群体生长率，M/R、M/V种植模式较M种植模式分别提高19.6%、29.5%；其中，以N1水平下M/V种植模式提高幅度最大，较N2水平下M种植模式高15.8%。施氮水平和种植模式对玉米灌浆初期至成熟期(105～150天)群体生长率无显著影响，而二者互作对其影响显著(表4)。两年间，减氮降低单作玉米出苗后105～150天群体生长率，N1较N2水平低17.9%，而N1水平下M/R、M/V种植模式与N2水平下的M种植模式之间无显著差异。可见，间作绿肥可消除减氮条件下玉米群体生长的负效应，提高玉米大喇叭口期至灌浆初期的群体生长率，延缓玉米灌浆初期至成熟期群体生长率的降低，可为获得较高的生物产量奠定基础。

表4 间作绿肥及减氮下玉米各生育阶段的群体生长率 [kg/(hm2·d)]Table 4 Growth rate of maize at each growth period under intercropping green manure and reducing nitrogen application

2.3.3 干物质最大增长速率及其出现的天数 回归分析结果(表5)表明，玉米地上部干物质积累量(Y)随出苗后天数(t)的变化过程可用Logistic方程Y=K/(1 + ea–rt)描述，3 个种植模式下，两个施氮量处理的地上部干物质回归方程，以及依据该方程计算的最大增长速率及其出现的日期见表5。种植模式、施氮水平及二者互作对玉米最大干物质增长速率出现的时间(t50)影响不显著。施氮水平对玉米最大增长速率(Vmax)影响不显著，但显著影响着玉米的平均增长速率(Vmean)；种植模式及其与氮水平二者的互作显著影响玉米的最大生长速率Vmax和平均生长速率Vmean。M/R、M/V种植模式的Vmax较M种植模式分别提高8.8%、21.0%；间作绿肥可显著提高减氮条件下玉米Vmax，M/R、M/V种植模式较M种植模式分别高16.1%、27.3%，其中，以N1水平下M/V种植模式提高幅度最大，较N2水平下M种植模式高16.6%。减氮处理降低玉米Vmean，N1比N2水平下3个种植模式平均低4.1%。而间作绿肥可提高玉米Vmean，M/R、M/V种植模式较M种植模式分别高5.9%、8.2%。另外，间作绿肥可提高减氮条件下玉米的Vmean，M/R、M/V种植模式较M种植模式分别提高14.6%、15.9%，其中，N1水平下M/R、M/V种植模式与N2水平下M种植模式之间无明显差异。可见，间作绿肥可保证减氮条件下玉米干物质积累高峰期如期出现，并增大玉米干物质最大增长速率，维持玉米生长后期的干物质积累天数，提高干物质积累量，最终保证玉米稳产。

表5 间作绿肥模式下不同施氮水平玉米地上部干物质积累随生长天数变化的Logistic方程Table 5 Logistic equation analysis of above-ground dry matter accumulation of maize as affected by N rate under intercropping green manure

2.4 玉米籽粒产量与其产量构成因素的灰色关联分析及排序

为探究玉米产量构成对籽粒产量影响程度的大小，对玉米不同产量构成因素与其籽粒产量之间进行灰色关联分析，结果(表6)表明，千粒重是影响玉米籽粒产量的主导因素，其次为穗粒数，最后为单位面积穗数。以上结果说明，通过间作绿肥可提高玉米的千粒重，是提高减氮条件下玉米籽粒产量的主要途径，而单位面积穗数较穗粒数对玉米籽粒产量的关联度低，表明本研究中，各处理在玉米种植密度一致的条件下，使得玉米单位面积穗数的调控不再是玉米籽粒产量提高的主导因素。

表6 玉米籽粒产量与产量构成因素的关联度及其排序Table 6 The incidence correlation between grain yield and yield components of maize and ranking of correlation

3 讨论

3.1 间作绿肥有利于玉米群体对光温的利用

干物质是作物光合作用产物的最高形式，其积累量的增加会直接或间接的促进生物产量和粒重的增加，为作物增产奠定基础[6–7]。纵观整个作物生长发育过程，生殖生长期大部分地上干物质积累主要用于籽粒的形成，营养生长期贮存于叶片和茎秆中的光合产物所占比例较小[18]。有研究发现，作物的生育状况受诸多农艺措施的调控，诸如灌溉[19]、施肥[7]、耕作[20]及种植模式[21]等优化作物地上部干物质的积累过程，是作物获得高产的重要方式之一，其中优化种植模式、耕作与覆盖措施等均可通过改善土壤水热特性而有效调控作物地上干物质积累动态[6]。本研究中，间作绿肥降低了玉米生育前期的干物质积累量，但可促进玉米大喇叭口期后的生长发育，能够明显加快玉米地上部干物质积累，使其成熟期具有较高的干物质积累量，为获得高产奠定基础。这主要是因为：玉米/绿肥共生期，绿肥生长需要一定的养分供给，会与玉米生长产生竞争关系[22]；另外，绿肥本身生长旺盛，植株量较大，会抑制玉米的生长，从而降低光合作用而减小地上干物质积累量及群体生长率；当绿肥作物收获后，其对玉米的竞争胁迫消失，丰富的光热资源会使间作玉米产生恢复生长[22]，群体生长率较单作显著提高。另一方面，传统施氮下单作玉米在其开花灌浆期造成玉米根区极端高的土壤温度，导致后期单一地膜覆盖玉米根系及叶片发生早衰，降低光合作用而减小地上干物质积累量及积累速率[6]；而绿肥在其盛花期刈割覆盖于玉米带间后，可使间作玉米生育后期具有适宜的土壤温度，加之前一年绿肥还田可改善土壤质量、调节土壤养分、提高地面覆盖率、蓄水保墒等[1,5,14,23]，使得间作绿肥满足玉米生育后期旺盛生长的水分、养分需求，增大其大喇叭口期后的地上干物质积累量，特别是在玉米生育后期仍保持较高的群体生长率，说明间作绿肥促进玉米增产主要发生在生育后期。因此，在玉米生产中，可通过优化栽培措施，维持并增强玉米生育后期的地上干物质积累，从而实现高产。

3.2 间作绿肥协调了氮素供应与玉米需求之间的关系

土壤氮含量对作物的生长发育起着决定性作用，施用氮肥是作物生长及增产的必要保障[24]，但目前氮肥管理措施的不当使肥料利用率降低，不利于作物增产[5,25]。本研究中，单纯减少传统施氮量的25%，玉米干物质积累量及群体生长率均显著下降；在玉米/绿肥间作模式中，减量施氮25%对玉米达到生理成熟时的植株生物量影响不显著，且会提高玉米生育后期的群体生长率。说明在减氮25%条件下，间作绿肥能有效促进玉米生育中后期干物质积累量的增加，提高玉米生育后期的群体生长率；其次，间作绿肥较单作模式优化了玉米群体的生长发育动态，即间作绿肥可为玉米生长后期的干物质积累提供物质基础。这主要是因为：首先，绿肥作物能改善土壤氮库，提高土壤氮素的有效性，而单纯减少化学施氮会使得作物生长后期土壤氮素供应不足[23,26]；此外，绿肥作物可促进土壤氮素转化关键因子(如：相关功能微生物、土壤酶活性以及土壤理化性质等)的改善，提高主栽作物对氮素的吸收利用[27]，进而促进植株地上部的生长，使得玉米叶片、茎秆等营养器官的功能期延长，增加作物的光合作用时间，进而提高光合同化产物[1,28]，尤其是豆科绿肥可通过自身固氮增加土壤中的氮含量，从而提高土壤养分供应的有效性[1,27]。可见，在减氮25%条件下，间作绿肥可为玉米的干物质积累提供有效的氮素供应保障，为玉米高产奠定物质基础。

3.3 间作绿肥对减氮玉米籽粒产量及产量构成的影响

大量研究表明，增施氮肥可提高作物籽粒灌浆速率，促进开花后光合产物向籽粒转运，从而提高粒重、实现增产[29–30]；但过量施氮时，不仅会造成资源浪费，也会导致植株营养生长旺盛，降低营养物质向籽粒的转移效率，使得成熟期延迟，一定程度上破坏作物的源—库关系，进而影响籽粒产量[23,26,28]。然而，单纯减氮存在一定的减产风险[1,3]。因此，在农业生产中，采取适宜的施氮和农田管理措施可有效提高作物产量，从而实现作物增产增效。本研究中，传统施氮量下各处理的玉米产量无明显差异，这主要是因为当施氮量为360 kg/hm2时，玉米产量达到当地最高阈值。此外，间作绿肥可提高玉米籽粒产量，从而消除减施氮引起的玉米产量损失，这主要是因为：一方面，与单施化学氮肥相比，配施绿肥作物可有效提高土壤中碱解氮、全氮以及铵态氮的含量[23]，为玉米的生长提供充足的氮素；另一方面，由于绿肥作物可为土壤中的微生物提供丰富的碳、氮源，提高了土壤微生物活性[15,31–32]，从而促进了有机氮矿化，使得间作绿肥可有效提高土壤有机质含量，为作物增产提供有利的养分保障。

产量构成因素间接反映了作物获得高产的主要原因[7]。间作绿肥可提高土壤养分的持续供应能力[1]，在减施化肥氮条件下，间作绿肥维持了玉米生育期氮素的稳定供应，协调了养分供给和玉米需求之间的关系，不仅保证了玉米养分的需求，还促进了氮素向籽粒的运转[6]。另外，间作绿肥还田后提高了玉米农田土壤水分含量，降低玉米抽雄吐丝期的土壤温度，为其穗部形成及籽粒灌浆创造了有利条件[14,33]，因而提高了穗粒数和千粒重，最终提高了玉米产量。因此，在河西绿洲灌区，间作绿肥可有效协调减氮25%条件下玉米籽粒产量与产量构成之间的关系，进而实现玉米稳产。

4 结论

间作绿肥可优化减氮条件下玉米干物质积累特性，提高玉米干物质最大增长速率和大喇叭口期至灌浆初期的群体生长率，延缓玉米灌浆初期至成熟期群体生长率的降低，保证成熟期玉米干物质积累量。间作绿肥可通过提高玉米千粒重和穗粒数来抵消减少氮肥用量带来的玉米产量损失。因此，河西绿洲灌区，减少25%的氮肥用量，可通过间作绿肥来保证玉米的产量。