绿洲灌区小麦复种绿肥并翻压还田对翌年玉米产量形成及氮素吸收利用的影响

苏向向，于爱忠，吕汉强，王玉珑

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

化学氮肥对粮食增产起着不可替代的作用，其增产贡献率已达30%～50%[1]。但农业生产为追求高产，长期过量施用氮肥，导致作物产量停滞不前，氮肥利用率仅有30%～35%，高产地区甚至低于25%[2]，一半以上氮肥以氨挥发、硝化反硝化及淋洗径流等途径损失或残留在土壤内未被作物吸收利用[3–4]，引发了土壤肥力退化、肥料损失和环境污染等一系列问题[2,5]。因此，优化施肥制度、提高作物氮肥利用效率，是农学和环境科学领域研究者关注的重点。绿肥替代部分化学氮肥是减少氮肥投入、提高氮肥利用率的重要措施之一。绿肥作为我国传统农业生产中重要的清洁有机肥，在翻压还田后不仅能增加土壤有机质，提高土壤微生物数量及酶活性，改善土壤肥力特性[6–9]，还可通过提高土壤氮素含量、促进作物氮素高效利用进而达到化学氮肥减施的目的[10–11]。研究表明，在作物稳产基础上，依靠绿肥还田矿化提供的养分可减少后茬作物15%～30%的化肥施用量[12–13]。同时绿肥还田配施化肥较单施化肥能促进植株氮素吸收及向籽粒的转运，进而提高作物产量与氮素利用率[12,14]。截止目前，相关研究已证实绿肥还田或绿肥配施化肥具有改善土壤质量、提高作物产量以及氮素利用的作用，充实了绿肥领域相关理论[7–8, 15–16]。但不同区域因种植模式、施肥制度、绿肥种类及气候特征等因素影响，绿肥替代化学氮肥效果存在差异，且针对绿肥替代部分化学氮肥对玉米产量形成的影响机制及氮素积累运转的定量研究相对薄弱。西北绿洲灌区禾本科作物小麦和玉米长期连作，玉米生产过度依赖化学氮肥，氮肥利用率低。春小麦收获后休闲期较长，光热水土等自然资源浪费问题突出。该区域前期研究指出，将绿肥纳入小麦–玉米轮作模式后，绿肥在打破年际间禾本科作物连作，充分利用自然资源的同时，能够补充土壤氮库，促进后茬玉米对氮素的吸收利用[11]。但关于绿肥纳入小麦玉米轮作体系后，能否在保证后茬玉米稳产高产的前提下，实现绿肥有效替代部分化学氮肥，减少玉米季化学氮肥投入，尚不明确。因此，本研究基于春小麦复种绿肥并翻压还田后翌年轮作玉米的种植模式，探讨不同减量施氮条件下玉米产量形成、氮素吸收转运及氮素利用特征对绿肥翻压还田的响应，明确绿肥替代化学氮肥的适宜比例，以期为该种植模式下玉米氮肥减量增效的生产方式探讨提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年3月至2021年10月在甘肃省武威市凉州区“甘肃农业大学绿洲农业综合试验站”(103°5′E，37°31′N)进行。该站位于甘肃河西走廊东端，属温带干旱区大陆性气候，平均海拔高度1506 m，太阳辐射总量 6000 MJ/m2，全年无霜期约 155 天，日照时数2945 h，多年平均气温7.2℃，常年平均降水量156 mm，且主要集中于7—9月份，年蒸发量超过2400 mm，是典型的一熟有余、两熟不足的内陆干旱绿洲灌溉农业区。试验地土壤质地为砂壤土，类型为厚层灌漠土，0—110 cm土层土壤容重1.44 g/cm3，土壤 pH 8.2，0—30 cm 土层土壤有机碳含量为11.3 g/kg，全氮、速效磷、速效钾含量分别为 0.94 g/kg、29.2 mg/kg 和 152 mg/kg。2020 和2021年度3月至11月份试验站日降水量及日均温变化见图1。

图1 2020—2021年试验站作物全生育期内降水量及气温Fig.1 Precipitation and temperature during the full growth period of crops in the experimental station from 2020 to 2021

1.2 试验材料

玉米(ZeamaysL.)品种为‘先玉335’；绿肥为箭筈豌豆(Viciasativa)，品种为‘兰箭2号’；春小麦(Triticumaestivm)品种为‘永良4号’；氮肥为尿素 (含氮量46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O516%)；农用地膜宽 140 cm，膜厚 0.01 mm。

1.3 试验设计

田间试验采用完全随机区组设计，在玉米生育期共设置5个处理：传统施氮量(Nck)、绿肥替代10%化肥氮(N10)、绿肥替代20%化肥氮(N20)、绿肥替代30%化肥氮(N30)、绿肥替代40%化肥氮(N40)，具体试验处理代码及施氮制度如表1所示。每个处理5次重复，共25个小区，小区面积78 m2(13 m×6 m)。

表1 试验处理代码及施氮量Table 1 The experiment treatment code and nitrogen application rate

为消除年际气候因子变异对试验结果造成影响，本试验于同一试验田内设“春小麦–绿肥–玉米”和“玉米–春小麦–绿肥”两个轮作序列。春小麦–绿肥–玉米轮作序列种植模式为2019年3月种植春小麦，7月春小麦收获后翻耕灭茬复种绿肥，10月绿肥盛花期收获粉碎覆盖地表，2020年4月将绿肥旋耕翻压还田后覆膜平作玉米，2021年3月种植春小麦。玉米–春小麦–绿肥轮作序列种植模式为2019年4月旋耕覆膜播种玉米，2020年3月种植春小麦，7月春小麦收获后翻耕灭茬复种绿肥，10月绿肥盛花期收获粉碎地表覆盖，2021年4月将绿肥旋耕翻压还田后覆膜平作玉米。2019年绿肥氮素含量为4.28%，还田量为34600 kg/hm2，2020年绿肥氮素含量为4.84%，还田量为39400 kg/hm2。

本研究分别利用两个轮作序列中的两季(2020和2021年)玉米试验。玉米播种密度为82500株/hm2，行距40 cm，株距30 cm；春小麦条播，播种密度为 675万粒/hm2，行距12 cm；箭筈豌豆条播，播量为75 kg/hm2，行距15 cm；本试验采用膜下滴灌水肥一体化技术，水表计量灌溉。玉米施氮肥按照基肥∶大喇叭口期∶花后15天 =3∶5∶2分次施入 (表1)，纯 P2O5180 kg/hm2，全做基肥；春小麦施氮 N 180 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，全做基肥；复种绿肥不施肥；玉米生育期内总灌水量为405 mm，在玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆初期、灌浆中期分别灌水90、75、90、75、75 mm；春小麦生育期内总灌水量为240 mm，在小麦苗期、孕穗期、灌浆期分别灌水75、90、75 mm；箭筈豌豆生育期内总灌水量为160 mm，在苗期、现蕾期分别灌水70、90 mm；玉米播种日期分别为2020年4月23日、2021年4月21日。玉米收获日期分别为2020年9月26日、2021年9月22日。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 产量及产量构成因素 玉米成熟后按小区单独收获计产 (除去取样植株所占面积)，测定总株数、空秆数、双穗株数及单位面积穗数。各小区内随机选取10穗进行考种，测定穗行数、行粒数、千粒重。

1.4.2 叶面积指数 玉米苗期至成熟期，每隔20天左右从各小区选取长势均匀、有代表性的10株玉米，测定每株所有叶片的叶长(ai)和最大叶宽(bi)，计算叶面积指数(LAI)和平均叶面积指数(MLAI)。由下式求得：

式中：0.75为校正系数，P为玉米的种植密度，a和b为叶片长度和宽度，i为第i个叶片 (i=1, 2, 3, ···,n)，S为土地面积。

1.4.3 植株含氮量 在玉米吐丝期与成熟期，各小区内随机选取10株玉米，分器官后在105℃烘箱中杀青30 min，然后调至80℃恒温连续烘干至恒重，称重测量各器官干物质累积量后用粉碎机粉碎，过0.15 mm筛，在自封袋中保存，测定植株各器官含氮量，测定时称取粉碎的植株样品60 mg，用锡纸包好后，采用Elemantar元素分析仪进行测定。

1.4.4 计算公式 氮素积累转运和氮素利用相关指标参照前人报道[17–18]的方法进行计算

各器官氮素积累量(kg/hm2)=各器官含氮量×干物质质量；

营养器官氮素转运量(kg/hm2)=开花期氮素积累量–成熟期营养体氮素积累量；

氮素转运效率(%)=营养器官氮素转运量/开花期营养体氮素积累量×100；

氮素转运对籽粒贡献率(%)=氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100；

氮素利用效率(kg/kg)＝籽粒产量/成熟期植株吸氮量；

氮素收获指数(%)=籽粒氮积累量/成熟期植株吸氮量×100；

氮肥偏生产力(kg/kg)=籽粒产量/施氮量。

1.5 数据统计

采用 Microsoft Excel 2016 整理汇总数据及进行图表制作，使用SPSS 20.0软件进行处理之间单因素(one-way ANOVA)方差分析，采用Duncan法进行多重比较 (α＝0.05)。

2 结果与分析

2.1 绿肥替代部分化肥氮对玉米产量及产量构成因素的影响

随着绿肥替代化肥氮比例的提高，玉米籽粒产量及产量构成因素呈降低趋势(表2)。N10、N20与Nck处理的玉米籽粒产量无显著差异，N30、N40较Nck处理籽粒产量分别显著降低16.8%～19.0%、27.9%～28.9%；与Nck相比，N10、N20处理玉米穗数和双穗率差异不显著，N30较Nck处理穗数、双穗率分别显著降低9.7%～12.4%、27.7%～33.6%，N40较Nck处理穗数、双穗率分别显著降低10.3%～21.9%、34.8%～38.0%；与Nck相比，N10、N20处理玉米穗粒数差异不显著，N30、N40比Nck处理穗粒数分别显著降低9.1%～10.9%、11.7%～11.8%；2020年度 Nck、N10、N20处理间玉米千粒重差异不显著，而2021年度N20处理较Nck、N10处理的千粒重分别显著提高3.4%、3.8%；相比Nck，N30、N40处理的千粒重分别显著降低5.7%～9.5%、8.9%～14.8%。综上，绿肥替代20%化肥氮能实现玉米稳产，其主要原因是保证了较高的产量构成因素。

表2 绿肥替代部分化肥氮条件下玉米产量及产量构成因素Table 2 Grain yield and yield components of maize under different rates of substituting chemical N with green manure

2.2 绿肥替代部分化肥氮对玉米叶面积指数的影响

绿肥替代部分化肥氮处理下玉米苗期至大喇叭口期的LAI无显著差异(图2)；大喇叭口期至吐丝期(2020年6月23日—7月20日，2021年6月21日—7月21)，N30、N40处理较Nck的LAI分别显著降低12.1%～18.5%、22.8%～32.0%，N40较N30处理的LAI降低7.2%～14.7%，而N10、N20与Nck处理的LAI差异不显著；吐丝期至成熟期(2020年7月20日—9月21日，2021年7月21日—9月16日)，N10、N20处理的LAI与Nck处理无显著差异，N30、N40较Nck处理的LAI分别显著降低13.9%～17.3%、22.1%～34.9%，N40较N30处理的LAI降低7.2%～15.6%。由图3可知，相比Nck，N30、N40处理的MLAI分别显著降低14.1%～16.5%、25.3%～27.1%，N10、N20与Nck处理的MLAI差异不显著；综上说明，绿肥替代20%化肥氮对玉米LAI与MLAI无显著影响，能为较高籽粒产量保证良好的光合源。

图2 绿肥替代部分化肥氮条件下玉米叶面积指数(LAI)动态变化Fig.2 The dynamic change of maize leaf area index (LAI) under under different rates of substituting chemical N with green manure

图3 绿肥替代部分化肥氮条件下玉米平均叶面积指数(MLAI)Fig.3 Maize mean leaf area index (MLAI) under different rates of substituting chemical N with green manure

2.3 绿肥替代部分化肥氮对玉米氮素积累、分配及转运的影响

2.3.1 对玉米成熟期植株氮素积累及分配比例的影响 N10、N2与Nck处理间植株氮素总积累量无显著差异(表3)，N30、N40处理较Nck植株氮素总积累量分别显著降低7.6%～10.6%、12.8%～18.0%。2020年N10、N20和Nck处理间叶片和茎的氮素积累量及分配比例差异不显著；N30较Nck叶片和茎的氮素积累量分别显著提高11.6%、29.1%，氮素分配比例分别提高18.3%、34.7%；N40较Nck叶片和茎的氮素积累量分别显著提高20.8%、31.8%，氮素分配比例分别提高30.9%、40.8%；2021年，N10处理与Nck叶片、茎氮素积累量及分配比例无显著差异；N20处理较Nck叶片和茎的氮素积累量分别显著降低5.0%、17.8%；N30较Nck处理叶片和茎的氮素积累量分别显著提高了8.7%、17.7%，氮素分配比例分别提高了18.4%、26.2%，N40处理叶片、茎的氮素积累量与分配比例最高；处理间苞叶+穗轴的氮素积累量及分配比例差异不显著；连续两年N10、N20与Nck处理玉米籽粒氮素积累量差异不显著；N30、N40处理比Nck处理籽粒氮素积累量分别显著降低了19.5%和31.9%；2020年，N10、N20与Nck处理籽粒氮素分配比例差异不显著；N30、N40处理比Nck处理籽粒氮素分配比例分别显著降低了12.9%、20.8%；而2021年N10与Nck处理籽粒氮素分配比例差异不显著，N20处理比Nck籽粒氮素分配比例显著提高3.4%。综上说明，绿肥替代20%化肥氮有助于减少玉米茎叶的氮素积累量，增加玉米籽粒和植株氮素总积累量。

表3 绿肥替代部分化肥氮条件下玉米成熟期各器官氮素积累量和分配比例Table 3 Nitrogen accumulation anddistributionratio in various organs of maize at maturity stage under different rates of substituting chemical Nwithgreen manure

2.3.2 对玉米茎叶氮素转运及籽粒的贡献率的影响 由表4可知，2020年N10、N20与Nck处理玉米叶片和茎的氮素转运量、氮转运率以及转运氮对籽粒氮素的贡献率差异不显著；N30处理较Nck0处理叶片和茎的氮素转运量分别显著降低了30.8%和33.1%，氮素转运率分别显著降低了25.2%和36.9%，以及转运氮对籽粒氮素的贡献率分别显著降低了14.0%和17.1%；N40处理较Nck处理也显著降低了玉米茎叶各氮素转运指标。2021年，N10与Nck处理叶片和茎的氮素转运量、氮素转运率及转运氮对籽粒氮素的贡献率差异不显著；N20处理较Nck叶片和茎的氮素转运量分别显著提高了5.5%和9.1%，氮素转运率分别显著提高了5.0%和14.1%，但N20处理与Nck转运氮对籽粒氮素的贡献率差异不显著；相比Nck、N10和N20处理，N30和N40处理分别明显降低了叶片和茎的氮素转运量、氮素转运率以及转运氮对籽粒氮的贡献率，其中以N40处理各氮素转运指标值最低。综上，说明绿肥替代20%化肥氮能提高玉米茎叶氮素转运量和氮素转运率以及对玉米籽粒氮素积累的贡献。

表4 绿肥替代部分化肥氮条件下玉米茎叶氮素运转及其对籽粒的贡献率Table 4 Nitrogen transfer of stems and leaves of maize and the contribution rate of grains under different rates of substituting chemical N with green manure

2.4 绿肥替代部分化肥氮对玉米氮素利用特征的影响

由表5可知，连续两年N10、N20与Nck处理氮素利用效率差异不显著，N30处理较Nck氮素利用效率显著降低7.0%～12.5%，N40处理较Nck氮素利用效率显著降低13.2%～17.5%；2020年N10、N20与Nck处理玉米氮素收获指数差异不显著，2021年N10处理与Nck处理氮素收获指数差异不显著，而N20处理较Nck氮素收获指数显著提高3.5%；N30、N40处理两年平均氮素收获指数较Nck分别显著降低10.0%～12.9%、18.2%～20.8%；连续两年相比Nck处理，N10、N20、N30、N40处理的氮肥偏生产力分别显著提高了8.5%～12.2%、21.9%～24.9%、15.7%～18.8%、18.6%～20.2%，其中N20处理提高幅度最大，氮肥偏生产力最高。综上所述说明，绿肥替代20%化肥氮能保证玉米氮素利用效率不降低，提高氮素收获指数以及氮肥偏生产力。

表5 绿肥替代部分化肥氮条件下玉米氮素利用效率Table 5 Nitrogen utilization efficiencies of maize under different rates of substituting chemical N with green manure

3 讨论

3.1 作物产量对绿肥替代部分化肥氮的响应

豆科绿肥还田与化学氮肥减量配施是农业生产中维持作物稳产、减少化学氮肥投入的重要措施[19–20]。研究表明，干旱绿洲灌区麦后复种绿肥并全量翻压还田能显著增加翌年轮作玉米的产量构成要素，提高玉米干物质积累及籽粒产量[21]；渭北旱塬地区豆科绿肥–春玉米–冬小麦的种植模式中，绿肥地表覆盖和全量翻压显著提升了后茬玉米产量[22]；同时华北地区冬绿肥-春玉米体系下种植翻压绿肥配施化肥减量15%显著提高了春玉米籽粒产量[12]。本研究结果表明，绿肥还田替代20%化肥氮与传统施氮处理的玉米产量及其构成要素无显著差异，与前人研究结果类似。绿肥还田替代20%化肥氮对玉米的穗数、穗粒数和千粒重均无显著影响，一方面可能是绿肥生长期间通过生物固氮及吸收利用土壤残留氮，翻压还田后显著提高了土壤氮素含量，促进了后茬玉米穗部的形成[7,23–24]；另一方面，绿肥还田后经微生物与酶作用，促进土壤有机质分解提升了土壤肥力，为玉米稳产奠定了基础[8, 25–26]。本研究发现，绿肥替代20%化肥氮相比传统施氮对玉米全生育期叶面积指数无显著影响，这可能是因为绿肥翻压还田配施减氮能增加叶绿素含量，延缓叶片衰老，有效保障玉米生育期光合源的面积，提高叶片光合性能和光合产物的积累转运[24,27]。绿肥替代30%、40%化肥氮相比传统施氮显著降低了玉米籽粒产量及其构成因素，其穗数明显低于其他处理，主要是降低了玉米的双穗率，可能因为化学氮肥减量幅度较大，并且绿肥还田后所矿化的氮素不能完全满足作物对有效态氮的吸收需求，从而影响了作物成穗数，降低了作物产量[28–29]。同时，因绿肥替代30%、40%化肥氮的氮素养分不足导致玉米大喇叭口期之后叶面积指数下降，影响群体冠层与光合功能，不利于作物产量形成及稳产[30]。综上所述，绿肥替代20%化肥氮能有效保证玉米籽粒产量不降低，这对于干旱绿洲灌区发展资源节约型种植模式有重要意义。

3.2 绿肥替代部分化肥氮对作物氮素吸收利用的影响

在有限的氮素投入前提下，提升氮素吸收转运是提高作物氮素利用效率的重要途径之一，而施肥措施对作物氮素吸收转运影响显著[11,31]。研究表明，过量施氮不仅会降低氮素的转运量、转运率及其在籽粒中的分配比例，影响作物源库关系的协调性，还造成了资源浪费[32]；而适当减施氮肥或氮肥有机替代则有利于作物氮素的吸收转运[33]。另有研究指出，春小麦复种绿肥全量翻压与地表覆盖可有效提升后茬玉米地上部植株的吸氮量，协调氮素在玉米营养器官与生殖器官之间的转移分配[11]。本研究结果表明，与传统施氮(100%施用化肥)相比，绿肥还田替代20%化肥氮能有效维持植株对氮素的吸收累积，促进营养器官花前吸收的氮素向籽粒中转运，保障籽粒中氮素水平，其主要原因是化学氮肥在短期内维持了土壤氮素供应，同时绿肥还田后因提高土壤微生物活性及其种群数量，促进土壤将多余无机态氮固定转化为有机态氮，增加氮素在土壤中滞留时间，保障了土壤氮素长期稳定的供应能力，进而保证作物能够吸收累积充足的氮素，促进氮素向籽粒中转运分配[34–36]。本研究发现，绿肥替代20%化肥氮相比传统施氮对玉米氮素利用效率无显著影响，但获得了较高的氮素收获指数和氮肥偏生产力，这是因为绿肥还田结合减施20%化学氮肥的矿质养分及有机养分释放既补充了土壤养分不足，又能长期缓慢释放氮素，利于植株氮素吸收转运及作物稳产[20,27]，这一研究结果与一些研究者在西南地区、黄土高原旱作农业区得出的研究结果[14–15,37]类似。本研究中，绿肥替代40%化肥氮的氮肥偏生产力在年际间差异明显，主要原因可能是连年减施40%的化学氮肥后土壤有效氮素含量较低，且绿肥提供的养分也难以支撑玉米生长发育需求，使得玉米减产幅度逐年提高，造成氮肥偏生产力年际间差异。因此，绿肥还田替代部分化学氮肥对作物产量形成及氮素利用的影响及其机制仍要通过多年定位试验观测研究。

4 结论

绿肥替代20%化肥氮可保持较高的玉米穗数、穗粒数、粒重和叶面积指数，促进玉米稳产；该处理对玉米植株氮素总积累量、籽粒氮素积累量及转运氮对籽粒氮素的贡献率无显著影响，保证了较高的氮素利用效率；同时通过优化氮素分配转运，提高了氮素收获指数与氮肥偏生产力。因此，绿肥替代20%化肥氮在保证玉米产量不降低的同时，又能减少化学氮肥投入量，是干旱绿洲灌区玉米生产中氮素高效利用的一种有效措施。