豆科绿肥还田及氮肥减施对黄壤玉米生长的影响

魏全全，张 萌，柳玲玲，顾小凤，秦 松，芶久兰

（贵州省农业科学院土壤肥料研究所/农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州 贵阳 550006）

氮是包括玉米在内的农作物重要养分限制因子[1⁃2]，又是重要的环境限制因子[3]，因此，合理的氮肥是保障作物高产、养分高效及环境友好的重要措施。种植和利用绿肥是农业生态的重要组成部分，在我国传统农业中具有重要意义[4⁃5]。豆科绿肥是良好的有机肥源，不仅含有大量的矿质养分和碳，并且绿肥还田后腐解迅速[6]，养分释放迅速，提高作物产量和品质[7⁃8]的同时，又能改善土壤理化性状及生态环境[9⁃10]，是一项效果显著的农田管理措施。苏向向等[11]的研究表明，绿洲灌区绿肥翻压替代翌年玉米20%化肥氮投入能有效协调玉米氮的积累转运，维持玉米籽粒产量及氮素利用效率，提高氮素收获指数及氮肥偏生产力，从而实现绿洲灌区玉米稳产和减氮的生产目标。王国璀等[12]对绿洲灌区春小麦的研究结果表明，绿肥还田30 000 kg/hm2结合施氮180 kg/hm2是提高春小麦产量、氮肥利用率的高效农艺措施。张磊等[13]关于江西双季稻的研究结果表明，在减施20%化肥条件下，种植翻压适量紫云英可提高早稻稻谷吸氮量，促进水稻增产，翻压高量紫云英有利于培育土壤碳库和氮库，提高土壤供氮能力。黄壤是贵州特有的区域地带性土壤，具有质地黏重、养分含量低、保水保肥能力相对较差，易发生水土流失等特点，改良黄壤地力，提高黄壤的肥力水平尤为重要。目前，关于黄壤绿肥的研究多集中在品种筛选[14⁃16]、种质资源评价[17⁃19]以及绿肥连续种植后对土壤的影响方面[20⁃22]，而关于氮肥减施配合绿肥还田的研究相对较少。因此，基于贵州黄壤，通过连续2 a 的定位田间试验，探究氮肥减施情况下，豆科绿肥还田对黄壤玉米生长的影响，旨在为黄壤化肥减施及绿肥科学合理利用提供理论与实践基础。

1 材料和方法

1.1 试验地点与材料

于2018—2019年连续2 a在贵州省黔西市永燊乡干沟村进行定位试验。该地属亚热带季风湿润气候，试验期间平均气温14.0 ℃，平均降雨量900～1 100 mm。试验田块土壤为贵州典型黄壤，基本理化性状：pH 值6.8、全氮1.09 g/kg、有机质24.7 g/kg、速效磷14.1 g/kg、速效钾111.9 g/kg。

供试玉米品种为盛农3 号；供试肥料品种为氮肥（尿素，N 46%）、磷肥（过磷酸钙，P2O512%）、钾肥（硫酸钾，K2O 50%）和绿肥（66-25箭筈豌豆，含全氮2.678%、全磷0.429%、全钾2.969%）。

1.2 试验设计

试验共设置7个处理，分别为不施氮肥（0%N）、单施氮肥（100%N）、90%氮肥（90%N）、80%氮肥+绿肥（80%NM）、70%氮肥+绿肥（70%NM）、60%氮肥+绿肥（60%NM）和50%氮肥+绿肥（50%NM）（表1）。

表1 不同处理氮磷钾肥施用量Tab.1 Nitrogen，phosphorus and potassium application amount of different treatmentskg/hm2

小区面积为24.0 m2（长6 m×宽4 m），3 次重复，随机区组排列。100%N处理氮肥用量为150 kg/hm2，各处理除氮肥施用量不同外，磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）的用量均分别为120、150 kg/hm2。

绿肥为鲜草还田，含水量85%，用量15 000 kg/hm2，在玉米移栽前翻耕至每个小区中，翻耕后40%氮肥、全部磷肥和钾肥混匀后一次性施用，20%氮肥于拔节期追施，40%氮肥于抽穗期追施。玉米采用移栽的方式种植，移栽密度为每小区120 株（24株/行×5 行，5 万株/hm2）。其他田间生产管理均采用当地农业技术推广部门的推荐技术。

2018 年试验：玉米于2018 年4 月5 日育苗，4 月18 日移栽，9 月10 日统一收获。2019 年试验：玉米于2019 年4 月8 日育苗，4 月22 日移栽，9 月15 日统一收获。

1.3 测定项目

1.3.1 土壤理化性质 试验开始前在田块按照S形取样法采集0～20 cm 土壤样品，采用pH 计法测定pH 值，采用重铬酸钾容量法测定有机质含量，采用半微量凯氏法测定全氮含量，采用钼锑抗比色法测定有效磷含量，采用火焰光度法测定速效钾含量[23]。

1.3.2 产量构成因子 玉米收获期，每小区选取长势一致且有代表性的玉米植株20株，调查玉米穗行数、行粒数和百粒质量等产量构成因子。

1.3.3 植株养分 玉米收获期，每小区选取生长一致且有代表性的玉米植株6 株，分为籽粒、玉米芯、茎秆和叶片，于105 ℃杀青30 min，60 ℃烘箱中烘至恒质量，记录干质量，依次折算生物量；将烘干的不同部位样品磨碎后过筛，以浓H2SO4-H2O2消化后稀释，采用凯氏定氮法测定氮含量，采用钒钼黄比色法测定磷含量，采用火焰光度法测定钾含量[23]。

1.3.4 玉米产量 玉米收获期，各个小区作物产量实收实打。风干至恒质量，换算含水量，并折合总产量。

1.4 相关参数计算

依照参考文献[24-26]的方法计算相关参数：养分累积量=养分含量×生物量；

氮素农学效率（AEN）=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量；

氮素偏生产力（PEPN）=施氮区产量/施氮量；

氮素吸收利用效率（REN）=（施氮区氮总累积量-不施氮区氮总累积量）/施氮量×100%。

1.5 数据处理与分析

数据处理与分析采用Excel 2007 及SPSS 17.0进行，以LSD法检验差异显著性；制图采用Origin 8.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 豆科绿肥还田及氮肥减施玉米的产量

由图1可知，不同年份不同处理玉米产量不同。与0%N 处理相比，施氮能显著增加玉米产量，100%N 处理玉米产量2018、2019 年较0%N 处理分别增加3 504、4 059 kg/hm2。氮肥减施10% 后，90%N 处理玉米产量较100%N 处理有降低的趋势，2018、2019年分别降低671、867 kg/hm2，但均显著高于0%N 处理。氮肥减施20%后，与100%N 处理相比，绿肥还田能起到稳产或小幅增产的效果，80%NM 处理玉米产量2018、2019 年分别为10 437、10 554 kg/hm2，分别比100%N 处理高54、55 kg/hm2，但差异均不显著。当氮肥减施超过30%后，配合绿肥还田情况下，玉米产量仍低于100%N 处理，但70%NM 处理玉米产量和90%N 处理玉米产量2 个年份均相当。

图1 豆科绿肥还田及氮肥减施不同处理玉米的产量Fig.1 Maize yield of different treatments of returning leguminous green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

2.2 豆科绿肥还田及氮肥减施玉米的产量构成因子

表2 表明，不同处理玉米产量构成因子差异明显，2018、2019 年表现出相似的变化趋势，施氮处理较不施氮处理玉米穗行数、行粒数和百粒质量显著增加；氮肥减施20%后，与100%N处理相比，绿肥还田能维持或略微提高玉米穗行数、行粒数和百粒质量。穗行数方面，2018、2019 年均以80%NM 处理最大，分别为17.15、17.45行，分别比其他处理高0.10～2.80、0.35～3.40 行，但与100%N 处理相比差异均不显著。行粒数方面，80%NM 处理玉米行粒数2018、2019 年分别为43.15、43.30 粒，分别比其他处理高0.10～6.50、0.20～7.15 粒，但与100%N、90%N 和70%NM 处理相比差异均不显著。百粒质量方面，2018、2019 年百粒质量均以80%NM 处理为最大，分别达到35.18、35.69 g，分别比其他处理高0.13～3.15、0.53～3.83 g，但与100%N、90%N 和70%NM 处理相比差异均不显著。以上说明，与100%N处理相比，氮肥减施配合绿肥还田可维持玉米穗行数、行粒数和百粒质量，为维持玉米较高的产量奠定基础。

表2 豆科绿肥还田及氮肥减施不同处理玉米的产量构成因子Tab.2 Maize yield components of different treatments of returning legume green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

2.3 豆科绿肥还田及氮肥减施玉米的生物量

由图2 可知，不同处理玉米生物量不同，与0%N 处理相比，施氮能明显增加玉米生物量，100%N 处理玉米生物量2018、2019 年分别为17 930、18 052 kg/hm2，分别比0%N 处理高6 165、7 224 kg/hm2。氮肥减施10%后，玉米生物量有降低趋势，90%N 处理玉米生物量2018、2019 年较100%N 处理分别降低1 206、1 538 kg/hm2。与100%N 处理相比，氮肥减施20%配合绿肥还田能维持或略微提高玉米生物量，80%NM 处理玉米生物量2018、2019 年分别为18 083、18 239 kg/hm2，分别比100%N处理高153、187 kg/hm2，但差异均不显著。当氮肥减施超过30%后，配合绿肥还田情况下，玉米生物量仍低于100%N 处理，但70%NM 处理玉米生物量和90%N处理玉米生物量2个年份均相当。

图2 豆科绿肥还田及氮肥减施不同处理玉米的生物量Fig.2 Maize biomass of different treatments of returning legume green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

2.4 豆科绿肥还田及氮肥减施玉米的养分累积量

玉米养分累积量见图3。由图3 可知，100%N处理玉米氮累积量2018、2019 年分别为160.04、160.96 kg/hm2，均显著高于0%N 处理；2018、2019 年氮累积量均以80%NM 处理为最高，分别为161.05、165.79 kg/hm2，分别比其他处理高1.01～60.54、4.83～69.44 kg/hm2，但与100%N 处理相比差异均不显著。0%N 处理磷累积量2018、2019 年均最低，分别仅为25.99、22.49 kg/hm2，均显著低于其他处理，施氮后，玉米磷累积量呈现增加趋势；2018、2019 年磷累积量均以80%NM 处理为最高，分别为37.40、38.58 kg/hm2，分别比其他处理高1.80～11.40、1.58～16.09 kg/hm2，但与100%N 处理相比差异均不显著。100%N 处理玉米钾累积量2018、2019 年分别为142.23、145.27 kg/hm2，均显著高于0%N 处理；2018、2019 年钾累积量均以80%NM 处理为最高，分别为144.54、149.45 kg/hm2，分别比其他处理高2.31～50.71、4.19～63.55 kg/hm2，但与100%N 处理相比差异均不显著。

图3 豆科绿肥还田及氮肥减施不同处理玉米的养分累积量Fig.3 Nutrient accumulation of maize in different treatments of returning legume green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

2.5 豆科绿肥还田及氮肥减施玉米的氮肥利用效率

不同处理之间玉米氮素利用效率存在差异，结果见表3。AEN方面，100%N 处理玉米2018、2019年分别16.69、19.33 kg/kg，分别比90%N 处理高1.70、2.44 kg/kg。氮肥减施配合绿肥还田处理玉米AEN较100%N 处理高，2018、2019 年均以80%NM 处理最大，分别为21.18、24.72 kg/kg，分别比其他氮肥减施配合绿肥还田处理高1.37～2.91、2.79～3.72 kg/kg。PEPN方面，100%N 处理玉米2018、2019 年分别49.44、49.81 kg/kg，分别比90%N 处理低1.95、0.94 kg/kg。氮肥减施配合绿肥还田处理玉米PEPN较100%N 处理高，2018、2019 年均以50%NM 处理最大，分别为85.33、82.89 kg/kg，分别比其他氮肥减施配合绿肥还田处理高12.46～23.20、11.09～20.07 kg/kg。REN方面，100%N 处理玉米2018、2019 年分别39.69%、43.07%，分别比90%N 处理高1.03、4.58 个百分点。氮肥减施配合绿肥还田处理玉米REN较100%N 处理高，2018、2019 年均以80%NM 处理最大，分别为50.45%、57.86%，分别比其他绿肥还田处理高1.75～4.80、7.18～8.57个百分点。

表3 豆科绿肥还田及氮肥减施不同处理玉米的氮素利用效率Tab.3 Nitrogen use efficiency of maize in different treatments of returning legume green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

3 结论与讨论

作为贵州农业的特色土壤，黄壤质地黏重、养分含量较低，易发生水土流失，保水保肥能力较差；同时，由于追求高产，生产者往往投入过量的氮肥，而长期施用过高氮肥会导致作物产量和品质降低，并且导致土壤有机质含量降低、土壤板结等。因此，改良黄壤地力、养分资源合理利用是保障农业可持续发展的重要措施。绿肥作为一种清洁的有机资源，种植方便，能有效提高土壤肥料力、改善土壤质量，进而提高作物产量，契合我国化肥“零增长”行动[27⁃28]。本研究中，在氮肥减施20%的情况下，80%NM 处理玉米产量2018、2019 年分别为10 437、10 554 kg/hm2，分别比100%N 处理高54、55 kg/hm2，这与前人在不同区域[11，29⁃30]和不同作物[11⁃13]上的研究结果相类似，表明绿肥还田有替代部分氮肥的效果。值得注意的是，2019 年80%NM 处理的玉米产量较2018年略高，说明持续绿肥还田可能有持续增产作用，未来将关注长期绿肥还田玉米的增产效果，并加以验证。

肥料利用效率是反映作物对肥料吸收与利用效果的主要指标，农学效率、吸收利用效率和偏生产力是表达肥料利用率的常用指标，其与产量、施肥量和土壤肥力水平关系最为密切[31⁃32]，现代作物生产系统的AEN、REN和PEPN分别可达20～35 kg/kg、30%～50%、40～70 kg/kg[33]。本研究条件下，氮肥减施配合绿肥还田处理2018、2019 年玉米AEN、PEPN和REN均比100%N 处理高，这与前人[34]的研究结果相似，说明绿肥还田对提高玉米氮肥利用效率有明显促进作用。同时，本研究发现，2019 年玉米AEN和REN整体上均比2018 年高，这是因为绿肥连续还田后养分释放是一个持续的过程，促进了玉米对养分的吸收，进而提高了养分利用效率。本研究未测定土壤养分含量和土壤微生物群落结构变化，在以后的研究中，将从上述角度阐明氮肥减施配合绿肥还田的减肥潜力及对作物的增产机制。

综合来看，本研究条件下，绿肥还田替代20%的化学氮肥可保证玉米产量。因此，在绿肥还田基础上，推荐正常氮肥用量的80%即120 kg/hm2为贵州黄壤玉米的最适氮肥施用量。