王志國(guó),劉 培,邵宇婷,唐藝玲,管奧湄,王建武

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減量施氮與間作大豆對(duì)華南地區(qū)甜玉米農(nóng)田氮平衡的影響*

王志國(guó),劉 培,邵宇婷,唐藝玲,管奧湄,王建武**

(農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省現(xiàn)代生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)工程中心/華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 廣州 510642)

本文在廣東廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)中心, 通過大田定位試驗(yàn)(2015—2016年兩年4季)對(duì)比了兩種施氮水平[減量施氮(300 kg·hm-2, N1)和常規(guī)施氮(360 kg·hm-2, N2)]、3種種植模式[甜玉米單作(SS)、甜玉米//大豆2∶3間作(S2B3)、甜玉米//大豆2∶4間作(S2B4)]農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的氮素輸入、輸出和平衡狀況, 旨在為減少化學(xué)氮肥投入水平, 提高氮素利用效率, 在華南地區(qū)發(fā)展環(huán)境友好型的玉米可持續(xù)生產(chǎn)模式提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明: 1)減量施氮與甜玉米//大豆間作降低了系統(tǒng)氮素總輸入量, 大豆固氮和秸稈還田降低了化肥氮輸入的比重, 與常規(guī)施氮相比, 減量施氮下SS、S2B3和S2B4的化肥氮輸入占年均氮素總輸入的比例分別下降3.24%、3.64%和3.77%。2)間作大豆增加了系統(tǒng)籽粒氮素累積量, N1和N2處理甜玉米//大豆間作的年均籽粒氮素累積量分別是單作甜玉米的2.43倍和2.18倍; 減量施氮與甜玉米//大豆間作能降低甜玉米農(nóng)田氮素?fù)p失, N1和N2處理甜玉米//大豆間作的年均氨揮發(fā)量分別比單作甜玉米低39.02%和27.26%; 間作甜玉米的氮淋溶量比單作低13.85%。3)減量施氮與間作大豆顯著降低了系統(tǒng)氮素盈余量, S2B3-N1、S2B3-N2和S2B4-N1、S2B4-N2年均氮素盈余量分別為71.03 kg·hm-2、133.7 kg·hm-2和42.87 kg·hm-2、100.64 kg·hm-2, 分別比SS處理N1和N2的平均值減少81.27%、64.75%和88.69%、73.47%。因此, 減量施氮甜玉米//大豆間作模式能維持系統(tǒng)作物產(chǎn)量、減少生產(chǎn)成本、降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn), 具有較高的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

減量施氮; 甜玉米//大豆間作; 氮平衡; 氨揮發(fā); 氮淋溶

廣東地處熱帶亞熱帶, 光熱水資源豐富, 非常適合甜玉米(L.)的種植, 一年可以2~3熟, 且經(jīng)濟(jì)效益是普通玉米的兩倍[1-2]。2015年廣東甜玉米種植面積為22.0萬hm2, 分別占全國(guó)和全球種植面積的66.1%和14.0%, 產(chǎn)量達(dá)310.2萬t, 占全國(guó)總產(chǎn)量的62.1%, 年出口量達(dá)29.2萬t, 成為我國(guó)甜玉米生產(chǎn)最大的省份, 也是全世界最主要的甜玉米產(chǎn)區(qū)之一[2]。

但是, 甜玉米對(duì)氮肥需求量大, 農(nóng)民為了追求產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益, 普遍存在超量施肥、偏施氮肥和多年連作的問題, 氮肥僅有26%~28%被作物吸收[3], 大部分的氮素以地表徑流、氨揮發(fā)和氮淋溶等形式流失[4], 導(dǎo)致地下水污染、溫室效應(yīng)加劇、生物多樣性降低等諸多生態(tài)環(huán)境問題[5-7]。因此, 如何減少化學(xué)氮肥的投入, 提高氮素的利用效率, 降低氮素盈余, 發(fā)展環(huán)境友好型的甜玉米種植模式是廣東省甜玉米產(chǎn)區(qū)面臨的重要問題。

玉米//大豆(L.)間作模式具有悠久的歷史, 是全球溫帶地區(qū), 尤其是我國(guó)北方廣泛應(yīng)用的典型禾本科//豆科間作模式[8-10], 其穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)[10-12]特性不斷被證實(shí)。在系統(tǒng)氮素循環(huán)方面,現(xiàn)有的報(bào)道主要研究了溫帶地區(qū)一年1熟制的玉米//大豆間作模式, 且集中在作物氮素高效利用的機(jī)理[13-15]、豆科作物向禾本科作物的氮素轉(zhuǎn)移, 以及固碳減排效應(yīng)[16]方面, 尚少有系統(tǒng)分析農(nóng)田氮循環(huán)的輸入、輸出特征及系統(tǒng)氮素盈余狀況的報(bào)道。本課題組從2013年秋季開始, 在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)開展減量施氮與甜玉米//大豆間作的長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 先后報(bào)道了其溫室氣體排放通量[17]、甜玉米叢枝菌根真菌侵染和大豆結(jié)瘤及作物氮、磷吸收利用[18]以及土壤氮素形態(tài)的變化[19]。本文系統(tǒng)分析了減量施氮和間作大豆對(duì)華南地區(qū)一年2熟制甜玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮平衡的影響, 旨在明確一年2熟制甜玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮素的輸入、輸出以及農(nóng)田氮素盈虧狀況, 為華南地區(qū)發(fā)展環(huán)境友好型的甜玉米生產(chǎn)模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

定位試驗(yàn)設(shè)在廣東省廣州市華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)中心(23°08′N, 113°15′E)。試驗(yàn)區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候, 年日照時(shí)數(shù)為1 519.7~1 629.5 h, 太陽輻射總量為105.3 kJ·cm-2, 平均氣溫為22.9~23.2 ℃, 平均降雨量為2 020.8~2 456.8 mm, 約85%降水集中在4—9月份。土壤為赤紅壤, 有機(jī)質(zhì)14.47 g·kg-1, 堿解氮92.93 mg·kg-1, 有效磷89.81 mg·kg-1, 速效鉀287.76 mg·kg-1, pH 6.25。

1.2 試驗(yàn)材料

供試甜玉米品種為‘華珍’, 購于山東禾之元種業(yè); 供試大豆品種為‘毛豆3號(hào)’(春季)、‘上海青’(秋季), 由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院年海教授團(tuán)隊(duì)提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。兩種施氮水平: 減量施氮(N1: 300 kg·hm-2)、常規(guī)施氮(N2: 360 kg·hm-2); 3種種植模式: 甜玉米單作(SS)、甜玉米//大豆2∶3間作(S2B3, 甜玉米2行, 大豆3行)、甜玉米//大豆2∶4間作(S2B4, 甜玉米2行, 大豆4行); 以不施肥的單作大豆(SB)為對(duì)照。共7個(gè)處理, 每處理3個(gè)重復(fù), 共21個(gè)小區(qū)。小區(qū)長(zhǎng)4.8 m, 寬3.7 m, 面積17.76 m2。田間種植情況如圖1所示, 單作甜玉米行距為60 cm, 間作為50 cm; 大豆行距均為30 cm; 甜玉米株距為30 cm, 大豆穴距為20 cm。甜玉米每穴種1株, 大豆每穴種3株。SS甜玉米種植密度為54 054株·hm-2; S2B3中甜玉米種植密度為38 156株·hm-2, 占地小區(qū)總面積的51.47%, 大豆種植密度為257 552株·hm-2, 占小區(qū)總面積的48.53%; S2B4中甜玉米種植密度為32 432株·hm-2, 占地小區(qū)總面積的43.75%, 大豆種植密度為291 892株·hm-2, 占小區(qū)總面積的56.25%; SB大豆種植密度為486 486株·hm-2。大豆直播后10~20 d移栽定植甜玉米苗, 共生期85 d左右。各處理磷肥為150 kg(P2O5)·hm-2, 鉀肥為300 kg(K2O)·hm-2。磷肥作為基肥一次性施入, 氮肥(尿素)和鉀肥作為追肥, 分別在甜玉米苗期、拔節(jié)期和穗期施用, 比例分別為30%、30%、40%和15%、40%、45%。甜玉米、大豆收獲后秸稈全部覆蓋還田。詳細(xì)的田間管理、施肥方案參見唐藝玲等[17], 主要的農(nóng)藝措施時(shí)間安排如表1所示。

圖1 不同處理的甜玉米、大豆種植模式圖

表1 2015—2016年甜玉米//大豆間作系統(tǒng)4季農(nóng)藝措施時(shí)間(月-日)

1.4 樣品采集、測(cè)定與計(jì)算

依據(jù)系統(tǒng)中氮素輸入、輸出法計(jì)算氮素平衡。甜玉米農(nóng)田系統(tǒng)中氮素輸入包括肥料氮素、種子氮素、上年秋季秸稈還田、大豆固氮, 氮素輸出包括本季生物量(秸稈是用于下一年春季還田量)、氨揮發(fā)、氮淋溶、N2O排放。

1.4.1 種子氮素量的測(cè)定

取100粒作物種子烘干、研磨成粉末, 采用凱氏定氮法測(cè)定其全氮含量, 根據(jù)種植模式需種量計(jì)算每個(gè)小區(qū)種子的含氮量。SS的種子含氮量為0.17 kg·hm-2, S2B3為4.27 kg·hm-2, S2B4為4.80 kg·hm-2, 大豆單作為7.83 kg·hm-2。

1.4.2 肥料氮素量的計(jì)算

SS-N1處理施氮量為300 kg·hm-2, SS-N2為360 kg·hm-2; 甜玉米//大豆間作模式僅在甜玉米種植帶施肥, S2B3-N1施氮量為154.40 kg·hm-2, S2B3-N2為185.30 kg·hm-2; S2B4-N1施氮量為131.25 kg·hm-2, S2B4-N2為157.50 kg·hm-2; 單作大豆的氮肥投入量為0 kg·hm-2。

1.4.3 大豆固氮量的測(cè)定

甜玉米、大豆收獲時(shí), 每小區(qū)隨機(jī)取2株甜玉米、5株大豆, 105 ℃殺青30 min, 80 ℃烘干至恒重、粉碎, 并用Delta V Advantage同位素比值質(zhì)譜儀(Thermo Scientific, USA)測(cè)定植株δ15N豐度。大豆固氮效率(%Nfix)[20]:

%Nfix=(15Nref-15Nsam)/(15Nref-15N) (1)

式中:15Nref為甜玉米15N豐度,15Nsam為大豆的15N豐度,15N為無氮條件下沙培大豆植株的15N豐度。

大豆固氮量=%Nfix×大豆植株全氮含量×

大豆植物干重 (2)

1.4.4 氨揮發(fā)的測(cè)定

采用通氣法測(cè)定氨揮發(fā)[21], 每次施肥后當(dāng)天開始收集氨揮發(fā), 在甜玉米單作小區(qū)和甜玉米//大豆間作小區(qū)的甜玉米種植帶各放置2個(gè)收集裝置。根據(jù)氨揮發(fā)的規(guī)律, 間隔1~2 d更換一次海綿, 直至無法測(cè)出氨揮發(fā)為止。取樣時(shí), 將收集裝置中的下層海綿迅速取出放入自封袋中密封, 立即更換新的浸有磷酸甘油的海綿, 并變換裝置的擺放位置后開始下1次吸收, 上層海綿根據(jù)干濕情況3~7 d更換一次。將收集的海綿帶回實(shí)驗(yàn)室用KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法[22]測(cè)定其中吸收的氨。

1.4.5 氮淋溶的收集與測(cè)定

采用田間原位土壤滲漏水收集裝置[23]收集90 cm處土壤淋溶液。在90 cm土壤深處安裝40 cm×50 cm的PVC管材淋溶盤, 通過側(cè)向管連接至集液管, 真空泵抽取淋溶液。甜玉米//大豆間作處理分別在甜玉米種植帶和大豆種植帶各安裝1個(gè)取樣點(diǎn), 甜玉米單作和大豆單作處理每個(gè)小區(qū)各安放兩個(gè)取樣點(diǎn)。每次降雨或灌溉后的3~5 d取樣[24]。淋溶液用氮素流動(dòng)分析儀測(cè)定硝酸鹽濃度[23]。

1.4.6 土壤N2O排放的測(cè)定

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法對(duì)土壤N2O排放量進(jìn)行測(cè)定。甜玉米//大豆間作處理, 在甜玉米和大豆行間中部安放靜態(tài)箱; 甜玉米單作和大豆單作處理, 在小區(qū)中部隨機(jī)安放靜態(tài)箱, 每個(gè)小區(qū)安放2個(gè)靜態(tài)箱。在作物播種前取樣一次查看本底值。大豆播種之后, 每隔14 d(根據(jù)天氣原因適當(dāng)推遲或提前)取樣1次。靜態(tài)箱的結(jié)構(gòu)、取樣方法、N2O排放通量和累計(jì)排放量的計(jì)算方法均與Luo等[25]相同。

1.4.7 收獲后作物氮含量的測(cè)定

作物收獲時(shí), 每個(gè)小區(qū)取2株代表性甜玉米植株, 5株代表性大豆植株。甜玉米穗、大豆莢與根、莖、葉分開, 在105 ℃殺青30 min, 80 ℃烘干至恒重、粉碎。用凱氏定氮法測(cè)定植物全氮含量[22]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析, 利用Duncan多重比較方法檢驗(yàn)差異顯著性(α=0.05), 圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 減量施氮與甜玉米//大豆間作對(duì)大豆固氮效率和固氮量的影響

施氮水平和種植模式對(duì)大豆固氮效率沒有顯著影響, 但相同處理不同年、季之間有顯著差異(表2)。2016年秋季S2B3-N1處理的固氮效率分別比2015年春、秋季和2016年春季高31.25%、21.56%和23.55%, S2B4-N1分別是2015年春、秋兩季的2.15倍和1.41倍。種植模式和種植年季對(duì)大豆固氮量均有顯著影響(表2)。2015年春、秋季和2016年春季3季中, 單作大豆的固氮量是間作大豆的2.11~3.04倍, 與單作不施肥大豆處理相比, 施肥與間作降低了大豆的固氮量。2016年秋季, S2B4-N1和S2B4-N2的固氮量分別是2015年春、秋季和2016年春季的2.40倍、2.61倍、2.34倍和1.94倍、2.24倍、1.65倍。說明連續(xù)減量施氮能夠提高間作大豆的固氮效率和固氮量。

2.2 減量施氮和間作大豆對(duì)甜玉米農(nóng)田氨揮發(fā)和氮淋溶的影響

施氮水平、種植模式和種植年季對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)的氨揮發(fā)均有顯著影響(表3)。減量施氮可以降低農(nóng)田的氨揮發(fā)量, N1水平下2015年秋季S2B3、2016年春季S2B4的氨揮發(fā)量比N2降低了32.33%和34.37%。間作大豆也可以降低農(nóng)田的氨揮發(fā)量, 2015年秋—2016年秋季3季中S2B3-N1和S2B4-N1的氨揮發(fā)分別比SS-N1降低了39.84%、50.02%、19.97%和44.99%、49.52%、37.06%; 2016年春秋2季中S2B3-N2和S2B4-N2的氨揮發(fā)分別比SS-N2降低了47.70%、25.19%和18.23%、36.26%; 2016年秋N1和N2水平下S2B4的氨揮發(fā)量比S2B3低21.35%和14.79%。氨揮發(fā)量也受生長(zhǎng)季節(jié)溫度的影響，春季的揮發(fā)量低于秋季; 所有處理在2015年春季的氨揮發(fā)顯著低于2015年秋季; 除S2B4-N2外, 其他處理在2016年春季的氨揮發(fā)顯著低于2016年秋季。減量施氮和間作大豆能顯著降低農(nóng)田氨揮發(fā)量, 但秋季(高溫)的氨揮發(fā)量顯著高于春季(低溫)。

表2 2015—2016年甜玉米//大豆間作系統(tǒng)中大豆的固氮效率和固氮量

同行不同大寫字母表示相同處理下不同年、季間差異顯著(<0.05), 同列不同小寫字母表示同一年、季不同種植模式間差異顯著(<0.05)。

Different capital letters in the same row indicate significant differences among different seasons for the same planting pattern at 0.05 level, and different lowercase letters in the same line indicate significant differences among planting patterns in the same season at 0.05 level.

表3 2015—2016年減量施氮與甜玉米//大豆間作對(duì)農(nóng)田氨揮發(fā)的影響

同行不同大寫字母表示相同處理下不同年、季間差異顯著(<0.05), 同列不同小寫字母表示同一年、季不同種植模式間差異顯著(<0.05)。

Different capital letters in the same row indicate significant differences among different seasons for the same planting pattern at 0.05 level, and different lowercase letters in the same line indicate significant differences among planting patterns in the same season at 0.05 level.

種植模式和種植季節(jié)顯著影響農(nóng)田氮淋溶量(表4)。2016年春秋兩季S2B4-N1的氮淋溶分別比SS-N1降低23.88%和28.37%, 2016年秋S2B3-N2的淋溶量比SS-N2低23.00%。所有處理在2015年春秋兩季的氮淋溶顯著高于2016年春秋兩季。說明間作大豆和減量施氮能夠顯著降低甜玉米農(nóng)田的氮淋溶, 種植季節(jié)的氣候條件, 尤其是降雨量對(duì)氮淋溶量也有較大影響。

表4 2015—2016年減量施氮和甜玉米//大豆間作對(duì)農(nóng)田氮淋溶的影響

同行不同大寫字母表示相同處理下不同年、季間差異顯著(<0.05), 同列不同小寫字母表示同一年、季不同種植模式間差異顯著(<0.05)。

Different capital letters in the same row indicate significant differences among different seasons for the same planting pattern at 0.05 level, and different lowercase letters in the same line indicate significant differences among planting patterns in the same season at 0.05 level.

2.3 減量施氮和間作大豆對(duì)甜玉米農(nóng)田累積N2O排放的影響

種植模式和種植季節(jié)對(duì)農(nóng)田N2O累積排放量的影響顯著(表5)。兩個(gè)施氮水平下, 間作均能降低農(nóng)田N2O的累積排放量, 2015年春季N1和N2水平下S2B3和S2B4的N2O-N累積排放量分別比SS降低了50.43%、88.72%和79.49%、67.67%, 2016年秋季N2水平下S2B3的N2O-N累積排放量比SS降低了72.73%。減量施氮和間作大豆能夠降低甜玉米農(nóng)田N2O累積排放量。

表5 2015—2016年減量施氮和甜玉米//大豆間作對(duì)農(nóng)田N2O-N累積排放量的影響

同行不同大寫字母表示相同處理下不同年、季間差異顯著(<0.05), 同列不同小寫字母表示同一年、季不同種植模式間差異顯著(<0.05)。
Different capital letters in the same row indicate significant differences among different seasons for the same planting pattern at 0.05 level, and different lowercase letters in the same line indicate significant differences among planting patterns in the same season at 0.05 level.

2.4 減量施氮與間作大豆對(duì)甜玉米和大豆氮素累積的影響

種植模式和種植季節(jié)對(duì)系統(tǒng)籽粒氮累積量有顯著影響, 施氮水平對(duì)系統(tǒng)籽粒氮素沒有顯著性影響(表6)。2015春季、2016年春秋兩季N1水平下S2B3和S2B4的籽粒氮素累積量分別是SS的2.13倍、3.37倍、2.51倍和1.50倍、3.29倍、3.51倍, N2水平下分別是SS的1.72倍、2.39倍、2.74倍和1.87倍、3.17倍、2.82倍。除S2B4-N2外, 其他處理在2015年春季籽粒氮素累積量均顯著低于2015秋季; N1水平下2016年春季SS、S2B4籽粒氮素累積量分別比2016秋季低30.85%和35.27%。間作大豆能夠提高甜玉米//大豆系統(tǒng)籽粒氮素累積量, 但減量施氮沒有影響系統(tǒng)籽粒氮素累積量。

表6 2015—2016年減量施氮與甜玉米//大豆間作對(duì)作物氮素累積量的影響

同行不同大寫字母表示相同處理下不同年、季間差異顯著(<0.05), 同列不同小寫字母表示同一年、季不同種植模式間差異顯著(<0.05)。
Different capital letters in the same row indicate significant differences among different seasons for the same planting pattern at 0.05 level, and different lowercase letters in the same line indicate significant differences among planting patterns in the same season at 0.05 level.

種植模式和種植季節(jié)對(duì)系統(tǒng)秸稈氮素累積量有顯著影響, 但不同施氮處理之間沒有顯著性差異(表6)。2015年春季和2016年秋季N1水平下S2B3、S2B4的秸稈氮素累積量分別是SS的1.38倍、1.53倍和1.49倍、1.56倍; N2水平下2015年春季S2B4和2016年秋季S2B3、S2B4的秸稈氮素累積量依次是SS的1.55倍、1.43倍、1.58倍。說明甜玉米//大豆間作能夠提高系統(tǒng)秸稈氮素累積量, 而減量施氮沒有影響系統(tǒng)秸稈氮素累積量。

2.5 減量施氮對(duì)甜玉米//大豆間作系統(tǒng)氮素盈虧的影響

施氮水平和種植模式對(duì)系統(tǒng)氮素總輸入有顯著性影響(表7)。減量施氮與甜玉米//大豆間作降低了系統(tǒng)的氮素總輸入, 大豆固氮和秸稈還田降低了化肥氮輸入的比重, 2015年和2016年單作甜玉米(SS)N1處理比N2處理的氮素總輸入分別減少11.43%和15.58%; 2016年S2B3和S2B4的N1比N2分別減少15.42%和11.86%。N1與N2相比SS、S2B3和S2B4的化肥氮占年均氮素總輸入的比例分別下降3.24、3.64、3.77個(gè)百分點(diǎn)。

從農(nóng)田系統(tǒng)氮素輸出分析(表7), 間作大豆提高了甜玉米農(nóng)田氮素的輸出量, N1和N2水平下S2B3、S2B4年均氮素總輸出量分別比SS高27.15%、25.51%和26.29%、23.52%; 其中籽粒產(chǎn)量的提高是其主要原因, S2B3、S2B4在N1和N2水平下年均籽粒氮素累積量分別是SS的2.42倍、2.44倍和2.16倍、2.20倍。氮淋溶是本試驗(yàn)農(nóng)田系統(tǒng)氮素?fù)p失的主要途徑。甜玉米單作和甜玉米//大豆間作的氮淋溶量在2015年占氮素總損失的76.03%~83.80%, 2016年占氮素總損失的51.89%~62.25%。S2B3和S2B4在N1和N2水平下的氮淋溶量分別比SS降低了14.74%、11.54%和12.89%、16.23%。

2015—2016年甜玉米單作、甜玉米//大豆間作農(nóng)田氮素均表現(xiàn)為氮盈余, 施氮水平和種植模式對(duì)系統(tǒng)氮盈余有顯著影響(表7)。減量施氮可以顯著降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素盈余量, 2016年SS、S2B3和S2B4在N1水平的氮素盈余量分別比N2降低了24.46%、51.88%和65.62%。N1和N2水平下S2B3和S2B4的氮素盈余量在2015年分別比SS降低了81.83%、78.50%和83.09%、75.49%, 在2016年分別比SS降低了76.13%、62.53%和89.64%、77.25%。減量施氮與甜玉米//大豆間作能降低農(nóng)田系統(tǒng)氮素盈余量, 其中減量施氮水平下甜玉米//大豆2∶4間作模式的農(nóng)田氮素盈余量最少, 年均氮素盈余量為42.87 kg?hm-2。

表7 2015—2016年甜玉米//大豆間作系統(tǒng)氮平衡

同列不同小寫字母表示同一年不同處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments in the same year (< 0.05).

3 討論

3.1 減量施氮與間作大豆對(duì)甜玉米農(nóng)田氮素輸入的影響

農(nóng)田氮素輸入量主要受施氮水平、秸稈還田、大豆固氮量的影響。與常規(guī)施氮相比, 減量施氮降低了化肥氮的投入, 但沒有影響甜玉米、大豆的秸稈氮素的累積量。禾本科與豆科間作通過互惠作用實(shí)現(xiàn)氮素高效利用, 提高氮素吸收量[14], 間作大豆提高了間作系統(tǒng)秸稈氮素累積量, 增加秸稈還田的氮素輸入量。豆科與禾本科間作系統(tǒng)中, 由于禾本科對(duì)氮素的吸收緩解氮素對(duì)豆科作物結(jié)瘤固氮的抑制作用[26-27], 禾本科根系分泌物能夠促進(jìn)豆科作物根瘤的生成[28], 從而提高豆科作物的結(jié)瘤固氮水平。

3.2 減量施氮與間作大豆對(duì)甜玉米農(nóng)田氮素輸出的影響

在農(nóng)田系統(tǒng)中以氮素?fù)p失形式的氮素輸出主要有氨揮發(fā)、氮淋溶和N2O排放。影響農(nóng)田氨揮發(fā)[29-30]、氮淋溶[31]和N2O排放[32]的因素有農(nóng)業(yè)措施、土壤因素和氣候因素等。本研究表明減量施氮和甜玉米//大豆間作均能降低農(nóng)田系統(tǒng)氨揮發(fā), 甜玉米//大豆間作能減少土壤氮淋溶和N2O排放。常規(guī)施氮水平下的化肥氮投入高于減量施氮, 農(nóng)田氨揮發(fā)、氮淋溶會(huì)隨著施氮量的增加而增加[7,33-35]。甜玉米//大豆間作中化肥氮輸入量和占氮肥總輸入比重均低于甜玉米單作, 降低了土壤中可損失氮素濃度。間作也減少了農(nóng)田系統(tǒng)透光率, 降低土壤溫度, 減少了土壤中氨的分解[36-37]。

農(nóng)田系統(tǒng)中籽粒氮素以作物收獲物的形式從系統(tǒng)中輸出, 輸出量的大小取決于作物的產(chǎn)量。禾本科-豆科間作能提高土地當(dāng)量比, 增加系統(tǒng)總產(chǎn)量和氮素輸出[11,15]。在本研究中甜玉米//大豆間作提高了系統(tǒng)籽粒氮累積量, 增加了氮素的輸出; 減量施氮沒有影響籽粒氮素累積量。

3.3 減量施氮與間作大豆對(duì)甜玉米農(nóng)田氮盈余的影響

本研究甜玉米單作的氮盈余量顯著高于甜玉米//大豆間作, 盈余量均大于200kg?hm-2, 極易造成氮素浪費(fèi)與環(huán)境污染[38]。減量施氮甜玉米//大豆間作的氮盈余量均低于100kg?hm-2, 保持了土壤氮庫的基本平衡, 既能維持土壤肥力、保證作物正常生長(zhǎng), 又能降低環(huán)境污染, 是經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益均較優(yōu)的模式。但是, 不同年季氮素的輸入和輸出也受氣候條件的影響, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的氮素平衡需要長(zhǎng)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)才能作為評(píng)價(jià)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)施肥是否合理, 制定減少氮肥損失技術(shù)措施的重要依據(jù)。

4 結(jié)論

2年4季大田定位試驗(yàn)研究表明, 減量施氮與甜玉米//大豆間作對(duì)大豆固氮效率沒有顯著影響, 連續(xù)減量施氮能夠提高間作大豆的固氮量。減量施氮與間作大豆減少了甜玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素總輸入, 降低了化學(xué)氮輸入的比重, 減少了系統(tǒng)氨揮發(fā)量和氮淋溶量。甜玉米//大豆間作提高了系統(tǒng)籽粒和秸稈氮素累積量。300kg?hm-2的施肥量能夠滿足甜玉米和大豆對(duì)氮素的需要, 且能減少系統(tǒng)氮素盈余量。減量施氮與甜玉米//大豆間作既有利于提高系統(tǒng)生產(chǎn)力, 為作物的生長(zhǎng)提供所需氮素, 又能降低氮素?fù)p失引起的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 是華南地區(qū)甜玉米生產(chǎn)的資源高效利用、可持續(xù)模式。

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Effect of nitrogen reduction and soybean intercropping on nitrogen balance in sweet maize fields in South China*

WANG Zhiguo, LIU Pei, SHAO Yuting, TANG Yiling, GUAN Aomei, WANG Jianwu**

(Key Laboratory of Tropical Agro-Environment, Ministry of Agriculture / Guangdong Engineering Research Center for Modern Eco-Agriculture and Circular Agriculture / College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

The increasing demand for fresh sweet maize (L.) in South China has led to the prioritization of finding solutions to environmental pollution caused by continuous production of the crop and high inputs of chemical nitrogen fertilizer. A promising method for improving crop production and environmental conditions is to intercrop sweet maize with legumes. Here, a field experiment was conducted at Experimental Center of South China Agriculture University for two years (2015–2016) to investigate nitrogen input, output and balance in sweet maize farmlands in South China under two nitrogen levels [reduced nitrogen dose of 300 kg·hm-2(N1) and conventional nitrogen dose of 360 kg·hm-2(N2)] and three cropping patterns [sole sweet maize (SS), sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratios of 2∶3 (S2B3) and 2∶4 (S2B4)]. The purpose of the study was to provide scientific basis for reducing chemical nitrogen fertilizer input, improving nitrogen use efficiency and developing a sustainable sweet corn production model in South China. Results showed that: 1) reduced nitrogen application and sweet maize//soybean intercropping decreased total nitrogen input and the proportion of chemical nitrogen input through soybean nitrogen fixation and straw return. Nitrogen fertilizer input under SS, S2B3 and S2B4 accounted respectively for 84.29%, 55.42% and 59.06% of total annual nitrogen input under N1 and for 87.53%, 49.93% and 53.70% under N2. 2) Accumulated nitrogen amount of grain under intercropping system was significantly higher than that under sole sweet maize. Average annual grain nitrogen accumulation of sweet maize//soybean intercropping was 2.18–2.43 times of that of SS. Sweet maize//soybean intercropping reduced ammonia volatilization significantly and thereby reduced the risk of nitrogen leaching. Compared with SS, S2B3 and S2B4 reduced annual ammonia volatilization and nitrogen leaching under N1 by 35.97% and 14.74%, 42.07% and 11.54%, respectively. Treatment S2B4-N1 had the lowest ammonia volatilization, which was 38.72 kg·hm-2. Meanwhile, annual ammonia volatilization and average annual nitrogen leaching in S2B3 and S2B4 under N2 reduced respectively by 24.55% and 12.89%, 29.98% and 16.23% than that under N1 treatment. 3) Annual nitrogen surpluses under S2B3-N1, S2B3-N2, S2B4-N1 and S2B4-N2 were respectively 71.03 kg·hm-2, 133.7 kg·hm-2, 42.87 kg·hm-2and 100.64 kg·hm-2, which were81.27%, 64.75%, 88.69% and 73.47% lower than the average of SS under N1 and N2. Overall, the study demonstrated that intercropping combined with reduced-nitrogen rate maintained sweet maize production, reduced production cost, while also reducing environmental impact. Intercropping with soybean and reduced nitrogen application may be a more sustainable and environmentally friendly way for production of sweet maize in South China.

Reduced nitrogen application; Sweet maize//soybean intercropping; Nitrogen balance; Ammonia volatilization; Nitrogen leaching

, E-mail: wangjw@scau.edu.cn

Jan. 26, 2018;

May 8, 2018

S344.2

A

1671-3990(2018)11-1643-10

10.13930/j.cnki.cjea.180121

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31770556)資助

王建武, 主要從事循環(huán)農(nóng)業(yè)和轉(zhuǎn)基因作物安全方面的研究。E-mail: wangjw@scau.edu.cn

王志國(guó), 主要從事甜玉米//大豆間作體系中氮素循環(huán)研究。E-mail: 121335917@qq.com

2018-01-26

2018-05-08

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31770556).

王志國(guó), 劉培, 邵宇婷, 唐藝玲, 管奧湄, 王建武. 減量施氮與間作大豆對(duì)華南地區(qū)甜玉米農(nóng)田氮平衡的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(11): 1643-1652

WANG Z G, LIU P, SHAO Y T, TANG Y L, GUAN A M, WANG J W. Effect of nitrogen reduction and soybean intercropping on nitrogen balance in sweet maize fields in South China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(11): 1643-1652