魏全全，張 萌，柳玲玲，顧小鳳，秦 松，芶久蘭

（貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，貴州 貴陽 550006）

氮是包括玉米在內(nèi)的農(nóng)作物重要養(yǎng)分限制因子[1?2]，又是重要的環(huán)境限制因子[3]，因此，合理的氮肥是保障作物高產(chǎn)、養(yǎng)分高效及環(huán)境友好的重要措施。種植和利用綠肥是農(nóng)業(yè)生態(tài)的重要組成部分，在我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中具有重要意義[4?5]。豆科綠肥是良好的有機(jī)肥源，不僅含有大量的礦質(zhì)養(yǎng)分和碳，并且綠肥還田后腐解迅速[6]，養(yǎng)分釋放迅速，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[7?8]的同時(shí)，又能改善土壤理化性狀及生態(tài)環(huán)境[9?10]，是一項(xiàng)效果顯著的農(nóng)田管理措施。蘇向向等[11]的研究表明，綠洲灌區(qū)綠肥翻壓替代翌年玉米20%化肥氮投入能有效協(xié)調(diào)玉米氮的積累轉(zhuǎn)運(yùn)，維持玉米籽粒產(chǎn)量及氮素利用效率，提高氮素收獲指數(shù)及氮肥偏生產(chǎn)力，從而實(shí)現(xiàn)綠洲灌區(qū)玉米穩(wěn)產(chǎn)和減氮的生產(chǎn)目標(biāo)。王國(guó)璀等[12]對(duì)綠洲灌區(qū)春小麥的研究結(jié)果表明，綠肥還田30 000 kg/hm2結(jié)合施氮180 kg/hm2是提高春小麥產(chǎn)量、氮肥利用率的高效農(nóng)藝措施。張磊等[13]關(guān)于江西雙季稻的研究結(jié)果表明，在減施20%化肥條件下，種植翻壓適量紫云英可提高早稻稻谷吸氮量，促進(jìn)水稻增產(chǎn)，翻壓高量紫云英有利于培育土壤碳庫和氮庫，提高土壤供氮能力。黃壤是貴州特有的區(qū)域地帶性土壤，具有質(zhì)地黏重、養(yǎng)分含量低、保水保肥能力相對(duì)較差，易發(fā)生水土流失等特點(diǎn)，改良黃壤地力，提高黃壤的肥力水平尤為重要。目前，關(guān)于黃壤綠肥的研究多集中在品種篩選[14?16]、種質(zhì)資源評(píng)價(jià)[17?19]以及綠肥連續(xù)種植后對(duì)土壤的影響方面[20?22]，而關(guān)于氮肥減施配合綠肥還田的研究相對(duì)較少。因此，基于貴州黃壤，通過連續(xù)2 a 的定位田間試驗(yàn)，探究氮肥減施情況下，豆科綠肥還田對(duì)黃壤玉米生長(zhǎng)的影響，旨在為黃壤化肥減施及綠肥科學(xué)合理利用提供理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

于2018—2019年連續(xù)2 a在貴州省黔西市永燊鄉(xiāng)干溝村進(jìn)行定位試驗(yàn)。該地屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，試驗(yàn)期間平均氣溫14.0 ℃，平均降雨量900～1 100 mm。試驗(yàn)田塊土壤為貴州典型黃壤，基本理化性狀：pH 值6.8、全氮1.09 g/kg、有機(jī)質(zhì)24.7 g/kg、速效磷14.1 g/kg、速效鉀111.9 g/kg。

供試玉米品種為盛農(nóng)3 號(hào)；供試肥料品種為氮肥（尿素，N 46%）、磷肥（過磷酸鈣，P2O512%）、鉀肥（硫酸鉀，K2O 50%）和綠肥（66-25箭筈豌豆，含全氮2.678%、全磷0.429%、全鉀2.969%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置7個(gè)處理，分別為不施氮肥（0%N）、單施氮肥（100%N）、90%氮肥（90%N）、80%氮肥+綠肥（80%NM）、70%氮肥+綠肥（70%NM）、60%氮肥+綠肥（60%NM）和50%氮肥+綠肥（50%NM）（表1）。

表1 不同處理氮磷鉀肥施用量Tab.1 Nitrogen，phosphorus and potassium application amount of different treatmentskg/hm2

小區(qū)面積為24.0 m2（長(zhǎng)6 m×寬4 m），3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。100%N處理氮肥用量為150 kg/hm2，各處理除氮肥施用量不同外，磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）的用量均分別為120、150 kg/hm2。

綠肥為鮮草還田，含水量85%，用量15 000 kg/hm2，在玉米移栽前翻耕至每個(gè)小區(qū)中，翻耕后40%氮肥、全部磷肥和鉀肥混勻后一次性施用，20%氮肥于拔節(jié)期追施，40%氮肥于抽穗期追施。玉米采用移栽的方式種植，移栽密度為每小區(qū)120 株（24株/行×5 行，5 萬株/hm2）。其他田間生產(chǎn)管理均采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門的推薦技術(shù)。

2018 年試驗(yàn)：玉米于2018 年4 月5 日育苗，4 月18 日移栽，9 月10 日統(tǒng)一收獲。2019 年試驗(yàn)：玉米于2019 年4 月8 日育苗，4 月22 日移栽，9 月15 日統(tǒng)一收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1 土壤理化性質(zhì) 試驗(yàn)開始前在田塊按照S形取樣法采集0～20 cm 土壤樣品，采用pH 計(jì)法測(cè)定pH 值，采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量，采用半微量凱氏法測(cè)定全氮含量，采用鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷含量，采用火焰光度法測(cè)定速效鉀含量[23]。

1.3.2 產(chǎn)量構(gòu)成因子 玉米收獲期，每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致且有代表性的玉米植株20株，調(diào)查玉米穗行數(shù)、行粒數(shù)和百粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成因子。

1.3.3 植株養(yǎng)分 玉米收獲期，每小區(qū)選取生長(zhǎng)一致且有代表性的玉米植株6 株，分為籽粒、玉米芯、莖稈和葉片，于105 ℃殺青30 min，60 ℃烘箱中烘至恒質(zhì)量，記錄干質(zhì)量，依次折算生物量；將烘干的不同部位樣品磨碎后過篩，以濃H2SO4-H2O2消化后稀釋，采用凱氏定氮法測(cè)定氮含量，采用釩鉬黃比色法測(cè)定磷含量，采用火焰光度法測(cè)定鉀含量[23]。

1.3.4 玉米產(chǎn)量 玉米收獲期，各個(gè)小區(qū)作物產(chǎn)量實(shí)收實(shí)打。風(fēng)干至恒質(zhì)量，換算含水量，并折合總產(chǎn)量。

1.4 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

依照參考文獻(xiàn)[24-26]的方法計(jì)算相關(guān)參數(shù)：養(yǎng)分累積量=養(yǎng)分含量×生物量；

氮素農(nóng)學(xué)效率（AEN）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量）/施氮量；

氮素偏生產(chǎn)力（PEPN）=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量；

氮素吸收利用效率（REN）=（施氮區(qū)氮總累積量-不施氮區(qū)氮總累積量）/施氮量×100%。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析采用Excel 2007 及SPSS 17.0進(jìn)行，以LSD法檢驗(yàn)差異顯著性；制圖采用Origin 8.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 豆科綠肥還田及氮肥減施玉米的產(chǎn)量

由圖1可知，不同年份不同處理玉米產(chǎn)量不同。與0%N 處理相比，施氮能顯著增加玉米產(chǎn)量，100%N 處理玉米產(chǎn)量2018、2019 年較0%N 處理分別增加3 504、4 059 kg/hm2。氮肥減施10% 后，90%N 處理玉米產(chǎn)量較100%N 處理有降低的趨勢(shì)，2018、2019年分別降低671、867 kg/hm2，但均顯著高于0%N 處理。氮肥減施20%后，與100%N 處理相比，綠肥還田能起到穩(wěn)產(chǎn)或小幅增產(chǎn)的效果，80%NM 處理玉米產(chǎn)量2018、2019 年分別為10 437、10 554 kg/hm2，分別比100%N 處理高54、55 kg/hm2，但差異均不顯著。當(dāng)?shù)蕼p施超過30%后，配合綠肥還田情況下，玉米產(chǎn)量仍低于100%N 處理，但70%NM 處理玉米產(chǎn)量和90%N 處理玉米產(chǎn)量2 個(gè)年份均相當(dāng)。

圖1 豆科綠肥還田及氮肥減施不同處理玉米的產(chǎn)量Fig.1 Maize yield of different treatments of returning leguminous green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

2.2 豆科綠肥還田及氮肥減施玉米的產(chǎn)量構(gòu)成因子

表2 表明，不同處理玉米產(chǎn)量構(gòu)成因子差異明顯，2018、2019 年表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，施氮處理較不施氮處理玉米穗行數(shù)、行粒數(shù)和百粒質(zhì)量顯著增加；氮肥減施20%后，與100%N處理相比，綠肥還田能維持或略微提高玉米穗行數(shù)、行粒數(shù)和百粒質(zhì)量。穗行數(shù)方面，2018、2019 年均以80%NM 處理最大，分別為17.15、17.45行，分別比其他處理高0.10～2.80、0.35～3.40 行，但與100%N 處理相比差異均不顯著。行粒數(shù)方面，80%NM 處理玉米行粒數(shù)2018、2019 年分別為43.15、43.30 粒，分別比其他處理高0.10～6.50、0.20～7.15 粒，但與100%N、90%N 和70%NM 處理相比差異均不顯著。百粒質(zhì)量方面，2018、2019 年百粒質(zhì)量均以80%NM 處理為最大，分別達(dá)到35.18、35.69 g，分別比其他處理高0.13～3.15、0.53～3.83 g，但與100%N、90%N 和70%NM 處理相比差異均不顯著。以上說明，與100%N處理相比，氮肥減施配合綠肥還田可維持玉米穗行數(shù)、行粒數(shù)和百粒質(zhì)量，為維持玉米較高的產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。

表2 豆科綠肥還田及氮肥減施不同處理玉米的產(chǎn)量構(gòu)成因子Tab.2 Maize yield components of different treatments of returning legume green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

2.3 豆科綠肥還田及氮肥減施玉米的生物量

由圖2 可知，不同處理玉米生物量不同，與0%N 處理相比，施氮能明顯增加玉米生物量，100%N 處理玉米生物量2018、2019 年分別為17 930、18 052 kg/hm2，分別比0%N 處理高6 165、7 224 kg/hm2。氮肥減施10%后，玉米生物量有降低趨勢(shì)，90%N 處理玉米生物量2018、2019 年較100%N 處理分別降低1 206、1 538 kg/hm2。與100%N 處理相比，氮肥減施20%配合綠肥還田能維持或略微提高玉米生物量，80%NM 處理玉米生物量2018、2019 年分別為18 083、18 239 kg/hm2，分別比100%N處理高153、187 kg/hm2，但差異均不顯著。當(dāng)?shù)蕼p施超過30%后，配合綠肥還田情況下，玉米生物量仍低于100%N 處理，但70%NM 處理玉米生物量和90%N處理玉米生物量2個(gè)年份均相當(dāng)。

圖2 豆科綠肥還田及氮肥減施不同處理玉米的生物量Fig.2 Maize biomass of different treatments of returning legume green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

2.4 豆科綠肥還田及氮肥減施玉米的養(yǎng)分累積量

玉米養(yǎng)分累積量見圖3。由圖3 可知，100%N處理玉米氮累積量2018、2019 年分別為160.04、160.96 kg/hm2，均顯著高于0%N 處理；2018、2019 年氮累積量均以80%NM 處理為最高，分別為161.05、165.79 kg/hm2，分別比其他處理高1.01～60.54、4.83～69.44 kg/hm2，但與100%N 處理相比差異均不顯著。0%N 處理磷累積量2018、2019 年均最低，分別僅為25.99、22.49 kg/hm2，均顯著低于其他處理，施氮后，玉米磷累積量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；2018、2019 年磷累積量均以80%NM 處理為最高，分別為37.40、38.58 kg/hm2，分別比其他處理高1.80～11.40、1.58～16.09 kg/hm2，但與100%N 處理相比差異均不顯著。100%N 處理玉米鉀累積量2018、2019 年分別為142.23、145.27 kg/hm2，均顯著高于0%N 處理；2018、2019 年鉀累積量均以80%NM 處理為最高，分別為144.54、149.45 kg/hm2，分別比其他處理高2.31～50.71、4.19～63.55 kg/hm2，但與100%N 處理相比差異均不顯著。

圖3 豆科綠肥還田及氮肥減施不同處理玉米的養(yǎng)分累積量Fig.3 Nutrient accumulation of maize in different treatments of returning legume green fertilizer and reducing nitrogen fertilizer

2.5 豆科綠肥還田及氮肥減施玉米的氮肥利用效率

不同處理之間玉米氮素利用效率存在差異，結(jié)果見表3。AEN方面，100%N 處理玉米2018、2019年分別16.69、19.33 kg/kg，分別比90%N 處理高1.70、2.44 kg/kg。氮肥減施配合綠肥還田處理玉米AEN較100%N 處理高，2018、2019 年均以80%NM 處理最大，分別為21.18、24.72 kg/kg，分別比其他氮肥減施配合綠肥還田處理高1.37～2.91、2.79～3.72 kg/kg。PEPN方面，100%N 處理玉米2018、2019 年分別49.44、49.81 kg/kg，分別比90%N 處理低1.95、0.94 kg/kg。氮肥減施配合綠肥還田處理玉米PEPN較100%N 處理高，2018、2019 年均以50%NM 處理最大，分別為85.33、82.89 kg/kg，分別比其他氮肥減施配合綠肥還田處理高12.46～23.20、11.09～20.07 kg/kg。REN方面，100%N 處理玉米2018、2019 年分別39.69%、43.07%，分別比90%N 處理高1.03、4.58 個(gè)百分點(diǎn)。氮肥減施配合綠肥還田處理玉米R(shí)EN較100%N 處理高，2018、2019 年均以80%NM 處理最大，分別為50.45%、57.86%，分別比其他綠肥還田處理高1.75～4.80、7.18～8.57個(gè)百分點(diǎn)。

表3 豆科綠肥還田及氮肥減施不同處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 結(jié)論與討論

作為貴州農(nóng)業(yè)的特色土壤，黃壤質(zhì)地黏重、養(yǎng)分含量較低，易發(fā)生水土流失，保水保肥能力較差；同時(shí)，由于追求高產(chǎn)，生產(chǎn)者往往投入過量的氮肥，而長(zhǎng)期施用過高氮肥會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低，并且導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量降低、土壤板結(jié)等。因此，改良黃壤地力、養(yǎng)分資源合理利用是保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。綠肥作為一種清潔的有機(jī)資源，種植方便，能有效提高土壤肥料力、改善土壤質(zhì)量，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量，契合我國(guó)化肥“零增長(zhǎng)”行動(dòng)[27?28]。本研究中，在氮肥減施20%的情況下，80%NM 處理玉米產(chǎn)量2018、2019 年分別為10 437、10 554 kg/hm2，分別比100%N 處理高54、55 kg/hm2，這與前人在不同區(qū)域[11，29?30]和不同作物[11?13]上的研究結(jié)果相類似，表明綠肥還田有替代部分氮肥的效果。值得注意的是，2019 年80%NM 處理的玉米產(chǎn)量較2018年略高，說明持續(xù)綠肥還田可能有持續(xù)增產(chǎn)作用，未來將關(guān)注長(zhǎng)期綠肥還田玉米的增產(chǎn)效果，并加以驗(yàn)證。

肥料利用效率是反映作物對(duì)肥料吸收與利用效果的主要指標(biāo)，農(nóng)學(xué)效率、吸收利用效率和偏生產(chǎn)力是表達(dá)肥料利用率的常用指標(biāo)，其與產(chǎn)量、施肥量和土壤肥力水平關(guān)系最為密切[31?32]，現(xiàn)代作物生產(chǎn)系統(tǒng)的AEN、REN和PEPN分別可達(dá)20～35 kg/kg、30%～50%、40～70 kg/kg[33]。本研究條件下，氮肥減施配合綠肥還田處理2018、2019 年玉米AEN、PEPN和REN均比100%N 處理高，這與前人[34]的研究結(jié)果相似，說明綠肥還田對(duì)提高玉米氮肥利用效率有明顯促進(jìn)作用。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，2019 年玉米AEN和REN整體上均比2018 年高，這是因?yàn)榫G肥連續(xù)還田后養(yǎng)分釋放是一個(gè)持續(xù)的過程，促進(jìn)了玉米對(duì)養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而提高了養(yǎng)分利用效率。本研究未測(cè)定土壤養(yǎng)分含量和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化，在以后的研究中，將從上述角度闡明氮肥減施配合綠肥還田的減肥潛力及對(duì)作物的增產(chǎn)機(jī)制。

綜合來看，本研究條件下，綠肥還田替代20%的化學(xué)氮肥可保證玉米產(chǎn)量。因此，在綠肥還田基礎(chǔ)上，推薦正常氮肥用量的80%即120 kg/hm2為貴州黃壤玉米的最適氮肥施用量。