基于产量和水氮利用效率的玉米/大豆间作系统炭氮配施方案优选

于滨杭 ，姬建梅 ，白伟桦 ，王丽学 *

（1.沈阳农业大学 水利学院，沈阳 110866；2.辽宁省河库管理服务中心，沈阳 110003）

0 引 言

【研究意义】玉米和大豆皆是我国主要的粮油兼用型作物，在我国国民经济与人民生活中占有重要地位[1]。在耕地资源有限的情况下，玉米/大豆间作是实现粮油安全，农业可持续发展的有效途径[2]。【研究进展】作物水肥空间及土壤环境会因玉米/大豆间作产生很大不同[3]，在玉米/大豆间作体系的中后期，由于种间竞争等因素，出现养分供不应求[4]，甚至作物减产[5]。在农业生产中，为追求高产盲目大量施用氮肥，会显著抑制豆科作物生物固氮[6]，显著降低间作优势。也会威胁土壤质量和可持续性[7]。例如，土壤中铵态氮和硝态氮易损失（挥发、硝化/反硝化和淋溶），导致土壤中过量的氮将通过不同的途径进入到环境中[8-9]，不仅造成氮的大量流失、氮素利用效率下降，还对环境造成如土壤酸化、湖泊水体富营养化和温室气体排放增加等负面影响[10-11]。因此，需要新的技术手段以实现氮肥的“减量增效”。

生物炭是一种富含碳的固态难溶有机物[12]，在缺氧或无氧条件下200～1 200 ℃热解形成[13]。其具有富含多孔结构、比表面积大和吸附能力强等特点[14]，对配施的肥料具有缓释作用以实现减量增效，已成为近些年的研究热点。已有文献[15-18]表明，生物炭配施氮肥可以改善土壤团聚体结构、提高土壤肥力、促进植株氮素吸收，进而促进产量及水氮利用效率的提高。但不同的炭氮配施方案对作物生长、产量及水氮利用效率等指标影响不同，且不同指标对同一炭氮水平的响应亦有差异。各指标衡量标准不同，又相互影响，仅凭单一指标无法确定最佳配施方案。生物炭与氮肥配施的研究也大多集中在单作体系，间作复合种植的研究还相对滞后。因此，需要综合考虑多作物及多指标对不同炭氮条件的响应，科学应用多目标的综合评价方法，取得合理的炭氮配施方案。TOPSIS 法根据有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序，是近年来广泛用于方案选择的综合评价方法[19]。其基本原理是通过检测评价对象与最优解、最劣解的距离来进行排序，若评价对象最靠近最优解同时又最远离最劣解，则为最好，反之最差[20]。TOPSIS 法中“正理想解”和“负理想解”是TOPSIS 法的2 个基本概念。理想解是一设想的最优的解（方案），其各个属性值均达到各备选方案中的最好值，负理想解则相反。方案排序的规则是把各备选方案与正理想解和负理想解做比较，若其中有一个方案最接近理想解，而同时又远离负理想解，则该方案是备选方案中的最优方案。【切入点】不同炭氮配施方案对玉米/大豆间作系统产量及水氮利用的影响研究尚不明确，全面考虑产量和水氮利用效率等各项指标，对炭氮配施方案的综合评价缺乏系统研究。【拟解决的关键问题】本研究旨在阐明以下问题：①不同炭氮配施方案对玉米/大豆间作系统产量及水氮利用效率的影响；②基于产量及水氮利用效率的炭氮配施方案寻优。研究可为玉米/大豆间作系统炭氮管理决策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2021 年5—9 月在沈阳农业大学水利学院综合试验基地进行，该站点位于41°84'N，123°57'E，海拔44.7 m。试验区为典型旱作雨养农业区，作物一年一熟，试验期间降水量为596.2 mm，占全年降水量的74.9%，且主要集中在6—9 月。试验期间气温和降水量如图1 所示。试验区土质为潮棕壤，土质分布均匀，土壤理化性质如表1 所示。

表1 试验前土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil

图1 2021 年试验期间内气温及降水量Fig.1 Temperature and rainfall during the period of test in 2021

1.2 试验材料

玉米品种选用郑单958（平均生育期130 d），大豆品种选用辽豆32（平均生育期122 d），供试生物炭由玉米秸秆450 ℃高温无氧裂解而成，购自辽宁金和福农业开发有限公司，其基本理化性质如表2。

表2 生物炭基本理化性质Table 2 Basic physical and chemical properties of biochar

1.3 试验设计

试验设生物炭施用量和氮肥施用量2 个因素。生物炭施用量设不施炭（C0，0 t/hm2）、低炭（C1，15 t/hm2）、高炭（C2，30 t/hm2）3 个水平；氮肥施用量，根据当地种植习惯，大豆不施肥，玉米设常规施氮量（N3，225 kg/hm2）、常规施氮量减量20%（N2，180 kg/hm2）、常规施氮减量40%（N1，135 kg/hm2）3 个水平，采用L9（32）正交试验，并设对照（CK，不施炭和氮），共10 个处理（表3），3 次重复，30 个小区，每个小区18 m2（6 m×3 m）。

表3 生物炭与氮肥配施方案设计Table 3 Application details of biochar and fertilizer

采用玉米大豆带状复合种植，玉米与大豆行比为2∶2，玉米宽行距为1.8 m，玉米窄行距为40 cm，玉米与大豆间距70 cm，大豆与大豆之间的窄行距为40 cm，玉米株距15 cm，每穴留一株，大豆株距20 cm，采用1、2、1 方式留苗。供试生物炭在试验开始前均匀铺于土壤并反复搅拌，与0～30 cm 土壤均匀混合。氮肥施用量见表3，磷钾肥随底肥施用，施用量为P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。在试验期间，降水量可以满足作物生长需求，不进行灌溉，降水作为唯一的补充水源。玉米和大豆于5 月6 日同时播种，于9 月25 日同时收获。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 产量

作物成熟后，对各小区全部玉米脱粒、大豆去荚处理，按小区实收计产，并以14%含水率折合成公顷产量。

1.4.2 耗水量及水分利用效率

采用TDR（时域反射仪）测定0～90 cm 的土壤体积含水率，每10 cm 一层，每个小区埋设3 根Trime管（分别在玉米带，豆带和带中），每根管的每个层位重复测量3 次，每隔7 d 观测1 次，降水前后加测。另外，用烘干法校准TDR 的土壤含水率数据。

采用土壤含水率计算耗水量的方法[21]，耗水量计算式为：

式中：ET为作物耗水量（mm）；WT为灌溉量（mm）；P为生育阶段有效降水量（mm）；ΔW为时段初与时段末土壤计划湿润层内的储水量之差（mm）；R为地表径流量（mm）；D为深层渗漏量（mm）；K为地下水补给量（mm）。本试验在雨养条件下进行，WT=0，试验小区平坦且有垄隔开，故无地表径流损失，R=0，90～100 cm 土壤含水率变化不大，故无深层渗漏，D=0，地下水平均埋深为4.5 m，故无地下水补给量，K=0。

其中，土壤储水量计算式为：

式中：θm为0～90 cm 土壤体积含水率（%）；h为土层厚度（cm）；ρb为0～60 cm 土层的平均土壤体积质量（g/cm3）；ρw为水的密度（g/cm3）；h为土层厚度（cm）。

水分利用效率计算式为：

式中：WUE为水分利用效率（kg/（hm2·mm））；Y为作物产量（kg/hm2）。

1.4.3 植株氮素

于玉米成熟期选取每个处理的5 株玉米，将茎叶和籽粒分别烘干磨粉过筛后用于测定植株全氮，经浓H2SO4-H2O2将样品消煮至无色透明，再定容过滤，采用凯氏定氮仪测定全氮量并计算植株吸氮量。

1.5 相关参数计算

秸秆吸氮量（kg/hm2）=秸秆产量×秸秆含氮量，（4）

籽粒吸氮量（kg/hm2）=籽粒产量×籽粒含氮量，（5）

地上部吸氮量（kg/hm2）=籽粒产量×籽粒含氮量+秸秆产量×秸秆含氮量，（6）

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量）/施氮量，（7）

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮区籽粒产量/施氮量，（8）

氮肥利用效率（%）=（施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量）/施氮量×100%。（9）

1.6 数据分析

本研究选用Microsoft Excel 2010 软件整理数据，OriginPro 2018b 软件绘图，SPSS 25.0 软件统计分析，Matlab 2021b 解析模型。

2 结果与分析

2.1 生物炭配施氮肥对玉米/大豆间作系统产量的影响

就玉米产量而言，其受施炭、施氮以及交互作用的影响显著（图2），影响大小依次为施炭、施氮、炭氮交互作用。C1和N2、N3的组合显著高于其他处理，其中C1N2的产量最高，较C0N3增产22.8%，与C1N3产量差异不大，但可减少施氮量45 kg/hm2。就大豆产量而言，其受施氮影响最大，同一施炭水平下，随着施氮量的减少，大豆产量呈现上升趋势。同一施氮水平下，C1处理的大豆产量较 C0处理提升2.92%～27.55%，C2处理的大豆产量较C0处理提升0.73%～14.70%。总体来看，施炭后大豆生长仍受抑制，但产量较不施炭显著提高。系统产量受生物炭影响较大，施炭可使其增产7.26%～26.41%。施炭同时改变了系统产量随施氮量的变化规律：不施炭时，间作系统产量随氮肥减量配施比例的增加而降低；施炭后，间作系统产量随生物炭与氮肥减量配施比例的增加呈先增加后降低的趋势。由此可见，生物炭配施氮肥对玉米/大豆间作系统增产效果显著。

图2 生物炭和氮不同水平组合下玉米/大豆间作系统产量Fig.2 Yield of maize/soybean intercropping system under combinations of different levels biochar and nitrogen

2.2 生物炭配施氮肥对玉米/大豆间作系统水分利用效率的影响

施炭和施氮对土壤储水消耗量影响显著，炭和氮的交互作用影响不显著（表4）。与N1相比，N2和N3处理使土壤储水消耗量提高3.75%～12.44%；与C0处理相比，C1处理和C2处理使土壤储水消耗量降低2.50%～9.36%。随着施氮量增加，耗水量增加；随着施炭量增加，耗水量先减少后增加。C1处理和C2处理中，除C1N1处理外，土壤储水消耗量的总体差异不显著，即高炭处理并不能进一步降低土壤储水消耗量。C1处理和C2处理的WUE显著高于C0处理，且C1处理高于C2处理。其中，C1N2处理的土壤储水消耗量虽和其他施炭处理差异不大，但由于其产量较高，所以WUE显著高于其他处理。总之，生物炭配施氮肥会提高玉米/大豆间作系统的WUE，但高炭处理会导致WUE增幅减小。

表4 生物炭和氮不同水平组合下玉米/大豆间作系统耗水特性及水分利用率Table 4 Water consumption characteristics and water use efficiency of maize/soybean intercropping system under different levels of biochar and nitrogen

2.3 生物炭配施氮肥对玉米/大豆间作系统玉米氮素利用效率（NUE）的影响

施炭和施氮均极显著影响秸秆和籽粒吸氮量，但施炭的影响高于施氮（表5）。随施氮量的增加，玉米秸秆吸氮量和籽粒吸氮量总体呈上升趋势。随施炭量的增加，吸氮量先增加后减少，其中C2处理的秸秆吸氮量均高于籽粒吸氮量，说明高炭处理增加了秸秆吸氮量。施炭对NUE的影响大于施氮，对氮肥农学效率的影响和施氮相近，对偏生产力的影响小于施氮。同一施氮水平下，NUE随施炭量的增加呈先增加后降低的趋势，在C1水平下最高。与C1N3处理相比，C1N1处理和C1N2处理NUE分别提高28.56%和16.03%。表明在适宜施炭量基础上减施氮肥有利于NUE的提高。氮肥偏生产力和氮肥农学效率受炭氮配施变化影响的趋势相近，同一施炭水平下，随着施氮量的升高，氮肥农学效率和偏生产力均呈下降趋势。

表5 生物炭和氮不同水平组合下玉米/大豆间作系统玉米氮素吸收与利用效率Table 5 Nitrogen uptake and utilization efficiency of Maize in maize/soybean intercropping system under combinations of different levels biochar and nitrogen

2.4 不同炭氮用量对玉米大豆间作系统产量及水肥利用效率的综合评价

2.4.1 综合评价值确立

由于得出的玉米产量、大豆产量，及水氮利用效率的最佳炭氮配施量各不相同，因此需要进行综合评价。

通过AHP 层次分析法[22]得到玉米产量权重最高，为0.32；大豆产量次之，为0.21；WUE与NUE权重相等，为0.14；氮肥农学效率为0.11，氮肥偏生产力仅为0.09。

通过熵权法[23]得到WUE权重最高，可达0.26；玉米产量次之，为0.16；大豆产量、NUE、氮肥农学效率和偏生产力权重依次为0.100、0.158、0.155、0.169。

由于AHP 法和熵权法得到的权重并不相同，本研究依据博弈论原理对上述结果进行组合赋权[24]，得到综合权重。其中，玉米产量权重最高，为0.28；其次是大豆产量，为0.18；WUE和NUE权重分别为0.14和0.12；氮肥农学效率和偏生产力权重低至0.12和0.11。

通过近似理想法[25]，从作物高产、节水、减氮的角度出发，通过TOPSIS 法对不同炭氮配施方案进行综合评价（表6）。C1N2处理综合评价得分最高，C0N3处理最低。C1处理的产量及水氮利用效率优于C2处理和C0处理。因此，施用适量生物炭可以提高玉米大豆间作系统产量及水氮利用效率。

表6 基于TOPSIS 法确定的不同炭氮组合对玉米/大豆间作系统综合得分指数的排序Table 6 Ranking of watermelon comprehensive maize/soybean intercropping system indexes under different biochar and nitrogen treatments determined by TOPSIS method

2.4.2 回归模型建立

为探究施生物炭量、施氮肥量与综合评价得分直接的关系，建立回归方程如式（10）所示：

式中：Y表示综合评价得分；x1、x2分别表示生物炭和氮肥的编码值。其R2=0.945；F=39.05＞F0.01；P＜0.01，炭氮耦合对综合评价得分影响显著。

式（10）中x1、x2项系数大小反应施炭量与施氮量对间作系统综合评价得分指数的影响大小。其正负表明，在试验设计范围内，施炭量与施氮量对间作系统综合评价得分的促进或抑制作用。因此，施炭的促进作用大于施氮，施炭对综合评价得分有促进作用，而施氮有一定抑制作用，但式中交互项系数为正，表明炭和氮具有正向耦合作用，可促进综合评价得分指数的提高。

2.4.3 炭氮施用量对间作系统综合得分的调控效应分析

为探究炭氮单因子对玉米/大豆间作系统综合评价的影响，对上述模型进行降维处理[26]，得到施炭量与施氮量的单因素效应函数表达如式（11）、式（12）所示：

式中：Y1、Y2分别为施炭量、施氮量对玉米/大豆间作系统综合评价得分指数影响的单因素效应函数。

随着施炭量和施氮量的增加，玉米/大豆间作系统综合评价得分指数先升高后降低（图3），说明炭、氮二因素符合报酬递减规律。当生物炭编码值x1为0.19，氮肥编码值x2为-0.35 时，综合评价得分最高；用量超过这一阈值，综合评价得分降低。

2.4.4 炭氮施用量对间作系统综合得分的边际效应分析

通过对式（11）、式（12）求导，得到施炭量和施氮量调控综合评价得分的边际效应函数如式（13）、式（14）所示：

式中：Y1'、Y2'分别为施炭量、施氮量对玉米/大豆间作系统综合评价得分影响的边际效应函数。

由图4 可知，玉米/大豆间作系统综合评价得分随炭氮的增加而降低。当生物炭编码值为-1～0.19 时，氮肥编码值为-1～-0.35 时，对指标有促进作用；超过该范围，则有抑制作用。

图4 炭氮用量对玉米/大豆间作系统综合评价得分的边际效应Fig.4 Marginal effect of biochar and nitrogen dosage on comprehensive evaluation index of maize/soybean intercropping system

2.5 基于产量及水氮利用效率的炭氮配施方案模拟寻优

玉米大豆间作系统综合评价得分指数为开口向下的抛物面（图5），受炭氮协同作用影响显著，施用适宜生物炭可在减少氮肥投入的同时提高间作系统综合评定值。Matlab 模拟寻优结果表明，生物炭编码值为0.19，氮肥编码值为-0.35 时，即生物炭施用量为20.7 t/hm2，氮肥施用量为164.25 kg/hm2时，玉米/大豆间作系统综合评价得分指数最高，为0.84。用超过综合得分指数最大值的95%确定最佳配施范围，即当施炭量在 17.1～24 t/hm2、施氮量在154.8～173.7 kg/hm2时，玉米/大豆间作系统产量及水氮利用效率的综合评价最优。

图5 炭氮用量对玉米/大豆间作系统综合评价指数的耦合效应Fig.5 Coupling effect of biochar and nitrogen dosage on comprehensive evaluation index of maize/soybean intercropping system

3 讨 论

3.1 生物炭配施氮肥对玉米大豆间作系统产量的影响

本研究发现，与仅施用氮肥相比，生物炭配施氮肥后对间作系统的产量有不同程度的提高。主要原因为，当外源养分吸附在生物炭上，生物炭可以作为一种缓释肥料来提供养分，促使氮肥缓释[27]，提高土壤固碳、固氮能力。生物炭与氮肥配施存在协同或互补的关系：肥料消除了生物炭养分含量低的缺陷，生物炭的吸附性发挥作用又赋予肥料养分缓释性能[28]。但过高的生物炭会提高土壤C/N，抑制土壤微生物分解和氮的矿化速率[29]，导致高施炭量的产量提升弱于低施炭量。间作体系中，大豆往往因玉米遮阴的影响而生长受抑制[30]。氮肥供应不足时，玉米生长受抑制，遮阴效果减弱，大豆产量明显提高。适宜减量施氮时，玉米因种间优势吸收利用更多的土壤氮，促进大豆的结瘤固氮能力[31]。因此，在玉米减氮供应时，玉米与大豆均获得足够的氮供其生长[32]。本研究中，生物炭与氮肥两因素交互作用显著，说明在氮肥有限的情况下，通过在土壤中添加生物炭也可以提高作物产量，与曹磊齐等[33]和江立等[34]的研究结果一致。因此，可以通过减氮并施用适宜生物炭的途径提高玉米/大豆间作系统的产量。

3.2 生物炭配施氮肥对玉米/大豆间作系统水分利用效率的影响

将生物炭添加到土壤中时，一方面，生物炭颗粒较小，填充入土壤中较大尺寸的孔隙，改变了土壤水通量[35]；另一方面，与单施氮肥相比，生物炭与氮肥配施能够减少因施肥而提高的土壤水分消耗。因此，土壤能供给作物更多水分，提高了作物WUE。然而，过度使用生物炭可能会导致WUE减弱，Castellin等[36]研究发现，当生物炭施用量从15 t/hm2增加到30 t/hm2时，土壤表观持水率下降了23.5%，耗水量上升，导致WUE降低，与本研究结果一致。李明阳等[37]研究发现，施用12 t/hm2生物炭的盆栽大豆WUE反而低于施用6 t/hm2生物炭。李中阳等[38]研究发现，随着生物炭施用量的增加，冬小麦的WUE先增大后减小。其中，施用40 t/hm2冬小麦WUE最高。一方面，生物炭施用量高会造成土壤高孔隙率和过多疏水化合物的输入，这可能会导致土壤水分的损失[39]。另一方面，过量施用生物炭会使土壤颜色变暗，提高土壤的表面温度，从而降低水的黏度和表面张力[40]，同时增强辐射吸收产生的加热效应，会加快土壤水分蒸发[41]。因此，合理的炭氮配施方案才能有效提高间作系统WUE。

3.3 生物炭配施氮肥对玉米/大豆间作系统氮素吸收及利用的影响

生物炭含有大量营养物质和可交换的阳离子，可以促进农作物生长[42]。此外，由于生物炭具有丰富的微孔结构和较大的比表面积，因此生物炭表面迅速吸收了氮和其他基本营养物质[43]。本研究发现，生物炭-氮肥互作增加了作物对氮的吸收，与Muhammed 等[44]的研究结果一致。这表明，在作物生长过程中，生物炭配施氮肥可以起到有效缓释氮素的作用，同时提供充足的氮素。C2处理下，玉米的NUE、农学利用率和氮素偏生产力低于C1处理，且秸秆吸氮量高于籽粒吸氮量，这可能与高炭处理下“源库不协调”影响了氮素养分向籽粒转运相关[17]，导致过多养分存留在茎鞘和叶片等营养器官中，造成养分“奢侈吸收”[45]。施用氮肥可以通过增加土壤胶体吸附和土壤阳离子交换能力来减少铵态氮的损失[46]，因此，适当的氮肥管理会促进玉米氮素积累。但是，当施氮量过大时，养分释放速度快，释放的养分与作物吸收规律不匹配，可能会极大地消耗土壤肥力[47]。过度施肥不仅显著降低玉米氮肥利用率[48]，甚至无法增加产量。前人研究结果也表明，适当地施氮肥是提高肥料利用效率的有效途径[49]，氮肥利用率随着施氮量的提高先增加后减少[50]。

4 结 论

1）适量生物炭配施氮肥可增强氮肥肥效，不仅可以提高玉米/大豆间作系统产量，还可以减少土壤储水消耗量，促进作物地上部氮素积累，从而提高间作系统水氮利用效率。

2）生物炭施用量为15 t/hm2，氮肥施用量为180 kg/hm2（C1N2处理）的综合评价得分指数最高，表明减氮并施用适宜生物炭有利于综合提升玉米/大豆间作系统产量及水氮利用效率。

3）玉米/大豆间作系统生物炭与氮肥最优配施范围为施炭量17.1～24 t/hm2、施氮量154.8～173.7 kg/hm2，此范围有利于当地实现玉米/大豆间作系统高产、节肥、增效。

（作者声明本文无实际或潜在的利益冲突）