綠洲灌區不同施氮水平下玉米綠肥間作模式的水分利用特征

李含婷，柴強，王琦明，胡發龍，于愛忠，趙財，殷文，樊志龍，范虹

甘肅農業大學農學院/甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，蘭州 730070

0 引言

【研究意義】在干旱和半干旱地區，水資源匱乏導致玉米等高耗水作物發展受限[1-2]，研發節水高效栽培技術迫在眉睫。據證實，由兩種或兩種以上作物組成的間作群體內，不同作物易形成水分利用在時間和空間生態位上的互補，增強作物節水的生物學、生態學潛力[3-4]。但傳統間作模式對土壤養分需求量大，高度依賴氮肥投入[5-6]，不利于其可持續生產。綠肥是一種高效清潔的生物肥源，能改善土壤質量、提升土壤肥力，為作物生長創造良好的土壤環境條件[7]。而針對不同區域、不同種植模式而言，綠肥種類對主栽作物產量、水分利用特征的影響卻存在明顯差異[8-9]。因此，在集成應用現有間作節水技術的前提下引入不同綠肥作物，探討氮肥減施條件下玉米水分高效利用對區域農業健康、穩定發展至關重要。【前人研究進展】大量研究表明，間作復合群體絕對耗水量與單作耗水的加權平均差異極小，而水分利用效率較單作顯著提高[10-13]。YIN等[14]研究發現玉米/小麥共生期，小麥競爭玉米帶土壤水分，而玉米獨立生長期可補償利用小麥帶土壤水分，改善間作玉米土壤水分利用環境。高硯亮等[3]研究表明，間作系統中玉米能夠對花生條帶產生遮陰效果，可能減少花生條帶表層土壤水分的蒸散損失，同時改善高耗水作物玉米對土壤水分的過度消耗。但傳統的間作模式以收獲籽粒為目標，環境成本較高，不利于農業可持續發展[5,15]。種植綠肥是目前農業綠色發展的重要途徑之一，通過綠肥還田，可促進主栽作物生長發育，提高作物產量[8-9]。另外，綠肥地表覆蓋翻壓可抑制土壤水分蒸發、減少作物耗水量而提高水分利用效率[7-8]。但將綠肥插播到玉米間作模式中能否保證穩產、降低水分無效損耗、提高水分利用效率有待進一步研究。【本研究切入點】本研究在不降低玉米種植密度前提下，通過調整玉米空間布局，將耗水量較小的綠肥納入到玉米群體中，創造玉米/綠肥帶狀間作模式，以期減少主栽作物耗水量，并通過間作優勢保證玉米產量，提高水分利用效率。【擬解決的關鍵問題】通過測定不同模式下的耗水量、產量和水分利用效率，明確玉米間作綠肥在減氮條件下產量表現和水分利用特征，旨在為綠洲灌區玉米生產模式的優化及農業資源的高效利用提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究于 2018—2019年在甘肅農業大學武威綠洲試驗基地（37°30′ N，103°5′ E）進行。試驗區位于河西走廊東端，屬典型的寒溫帶干旱氣候區，海拔1 776 m，年平均降水量160 mm以下、且主要集中在7—9月份，年蒸發量約2 400 mm，雨熱同季，是典型的一熟有余、兩熟不足的綠洲灌溉農業區。該區玉米種植連作普遍，土壤類型為厚層灌漠土，0—30 cm耕層土壤容重 1.53 g·cm-3，含有機質 14.30 g·kg-1、全氮 0.67 g·kg-1、全磷 1.42 g·kg-1、銨態氮 1.87 mg·kg-1、硝態氮12.51 mg·kg-1，耕作以傳統深翻耕為主。資源性缺水是該地區限制作物生產的主因子。2個試驗年份，作物生育期內降雨量如圖1所示。綠肥播前至刈割階段降雨量為 47.2、95.2 mm；綠肥刈割至玉米收獲階段降雨量為197.2、76.1 mm。

1.2 試驗材料

供試玉米（ZeamaysL.）品種為先玉335，箭筈豌豆（ViciasativaL.）品種為蘭箭2號，油菜（Brassica campestrisL.）品種為青雜5號。

1.3 試驗設計

試驗采用裂區設計。其中，種植模式為主處理，分別為玉米間作綠肥和單作玉米（M），綠肥種類包括箭筈豌豆（V）和油菜（R）；施氮（N）為副處理，包括減量 25%施氮（N1：270 kg·hm-2）和傳統施氮（N2：360 kg·hm-2），共6個處理，每處理3次重復，小區面積為54 m2（6 m×9 m）。

單作玉米采用傳統覆膜種植，株距30 cm；間作玉米株距18.5 cm，與綠肥幅寬比為110 cm﹕70 cm，行比3﹕4；玉米行距均為40 cm（圖2）。其中，玉米的種植密度82 500 株/hm2，油菜播種量7.5 kg·hm-2，箭筈豌豆播種量225 kg·hm-2，分行條播，油菜和箭筈豌豆作為綠肥在其盛花期刈割均勻覆蓋于玉米帶間。灌溉制度為冬灌水 120 mm，玉米生育期內采用膜下滴灌，總灌水定額 405 mm（分別在拔節期、大喇叭口期、抽雄期、開花期、灌漿期灌水90、75、90、75和75 mm）。施肥制度為氮肥按基肥﹕大喇叭口期追肥﹕灌漿期追肥=3﹕5﹕2分施；磷肥施用量為180 kg P2O5·hm-2，全作基肥，綠肥帶不施肥。所施肥料為尿素（N含量46%）、過磷酸鈣（P2O5含量16%）、磷酸二銨（N含量18%，P2O5含量46%）。玉米和綠肥在不同年份之間采用帶間輪作的種植方式。

2018年，玉米4月22日播種，9月28日收獲；箭筈豌豆4月1日播種，6月30日刈割；油菜3月22日播種，6月5日刈割。2019年，玉米4月20日播種，9月26日收獲；箭筈豌豆4月1日播種，6月28日刈割；油菜3月26日播種，6月8日刈割。

1.4 測定項目及方法

土壤含水量：綠肥播種前、綠肥刈割期及玉米收獲后按每小區測定0—120 cm土層土壤含水量。用烘干法測定0—30 cm土層，每10 cm分層；用中子儀（美國CPN公司503DR）測定30—120 cm土層，每30 cm分層。單作處理中，每小區設1個測定點，3次重復的平均值作為該處理土壤含水量測定值；間作處理中，每小區分別在綠肥和玉米種植帶各設 1個測定點，2點平均值作為小區土壤含水量測定值，3次重復的平均值作為一個處理的土壤含水量測定值。

作物耗水量（ET）、階段耗水量[4]：

式中，ETi為i時段作物耗水量；Pi為i階段的降水量；Ii為i階段灌水量；?Si為i時段末與時段初的土壤貯水量之差，單位為 mm。由于試驗區水資源短缺，灌水量相對較小，且試驗區地下水埋深在30 m以下，故忽略了滲漏量和地下上升水的影響。

水分利用效率（WUE）：

式中，Y為玉米籽粒產量（kg·hm-2）；ET為玉米全生育期內總耗水量（mm）。

玉米和綠肥產量：玉米成熟后按小區單獨收獲、風干后脫粒測產，測量籽粒產量；玉米和綠肥秸稈風干后稱量，測定秸稈生物量，并計算系統生物熱能產、單位耗水生物熱能產[16]。

生物熱能產（energy yield,EY）：

式中，Yg為作物籽粒產量，Ys為作物秸稈生物產量，Eg和Es分別為能量產值。其中玉米的籽粒產出能量為16.3 MJ·kg-1，玉米和綠肥的作物秸稈產出能量為14.6 MJ·kg-1。

單位耗水生物熱能產（WUEEY）：

式中，EY為系統生物熱能產（MJ·hm-2）；ET為玉米全生育期內總耗水量（mm）。

1.5 數據處理

本試驗所有數據均采用Microsoft Excel 2016整理匯總及圖表制作，使用SPSS 19.0軟件進行方差分析，Duncan法進行多重比較（α=0.05）。

2 結果

2.1 間作綠肥及減施氮肥對玉米生產系統的產量表現

種植模式、施氮水平及二者的互作顯著影響玉米籽粒產量和秸稈產量（表1）。兩個試驗年度內，N1水平下，M/R、M/V處理籽粒產量較M處理分別提高8.1%—10.1%、10.9%—12.0%；N2水平下，M/R、M/V和M之間無差異。N1與N2相比，M處理籽粒產量降低8.9%—9.9%，M/R、M/V無顯著性差異。就秸稈產量而言，N1水平下，M/R、M/V較M分別提高13.2%—14.9%、15.0%—15.2%；N2水平下，M/R較M低3.9%—4.4%，M/V和M無顯著性差異。N1與N2相比，M處理秸稈產量降低13.9%—16.7%，M/R、M/V無顯著性差異。

表1 不同種植模式及施氮水平下系統的產量表現Table 1 Yields of crop system under different cropping patterns and various N level systems

施氮水平對綠肥生物量無顯著影響，但兩種綠肥生物量差異顯著（表 1），箭筈豌豆生物量較油菜提高17.2%—19.9%。種植模式、施氮水平及二者的互作顯著影響系統生物熱能產（表1）。N1水平下，M/R、M/V生物熱能產較M分別提高23.4%—25.7%、28.6%—29.4%；N2水平下，M/R、M/V生物熱能產較M分別提高9.2%—9.7%、14.5%—14.6%。與N2相比，N1生物熱能產降低3.5%—5.3%，其中MN1處理生物熱能產較MN2降低11.9%—12.9%，間作系統下N1與N2處理間無顯著性差異。可見，間作綠肥可替代部分化學氮肥，從而保證玉米穩產；玉米群體中插入綠肥作物可提高系統生物熱能產，以玉米間作箭筈豌豆結合減量25%施氮處理效果最為突出。

2.2 玉米間作綠肥及減施氮肥對農田耗水特征的影響

2.2.1 綠肥刈割期、玉米收獲后不同處理的土壤含水量 不同處理顯著影響綠肥刈割期、玉米收獲后土壤含水量（圖3）。兩個試驗年度內，綠肥刈割期（圖3-A）M/R、M/V土壤含水量較 M 分別提高 5.1%—8.4%、7.4%—10.0%，M/V和M/R無顯著性差異。間作中，綠肥帶土壤含水量均顯著高于玉米帶，提高幅度3.1%—7.1%。與N2相比，N1可顯著提高土壤含水量，在M/R、M/V和M模式下分別提高4.7%—8.6%、4.4%—7.3%和8.0%—13.1%。間作綠肥和N1處理均可提高土壤含水量，以 M/VN1提高幅度較大，較傳統施氮下單作玉米（MN2）高17.2%—18.9%。

玉米收獲期（圖 3-B）M/R、M/V土壤含水量較M分別提高9.6%—9.7%、18.0%—18.9%，M/V較M/R提高7.5%—8.5%。與綠肥刈割期相似，綠肥帶土壤含水量均顯著高于玉米帶，提高幅度為 5.5%—6.2%。N1處理可顯著提高土壤含水量，在M/R、M/V和M模式下分別較 N2提高 6.4%—7.4%、5.3%—6.6%和10.9%—16.9%。間作綠肥和N1處理均可提高土壤含水量，以M/VN1提高幅度較大，較MN2高28.6%—31.3%。因此，玉米間作綠肥和減施氮肥 25%處理可保持較高的土壤含水量，為玉米生長創造適宜的土壤水分環境，以玉米間作箭筈豌豆結合減量25%施氮處理效果較好。

2.2.2 不同綠肥間作及施氮處理的階段耗水量和耗水總量 不同處理下的作物全生育期耗水量和各階段耗水量列于表 2。綠肥播前至刈割不同處理的耗水量較大，占總耗水量52.5%—60.8%。N1水平下，M/R、M/V耗水量較M分別降低4.6%—5.6%、7.8%—8.7%，M/V較 M/R降低 3.3%—3.4%；N2水平下，M/R、M/V耗水量較M分別降低2.5%—5.0%、6.5%—6.6%。與N2相比，N1耗水量降低15.2—17.1 mm，其中在M/R、M/V和M模式下耗水量分別降低4.1%—5.3%、4.6%—5.7%和3.2%—3.5%，以M/VN1降幅最大，較MN2降低38.8—48.8 mm，為10.8%—11.9%。

表2 不同種植模式及施氮水平下作物各生育階段的耗水量 (mm)Table 2 Water consumption (mm) at each of growth period under different cropping patterns and various N level systems

綠肥刈割至玉米收獲，N1水平下，M/V耗水量較M/R、M分別降低7.6%—7.9%、6.4%—10.0%；N2水平下，M/V耗水量較M/R、M分別降低2.7%—8.0%、7.7%—9.6%。與N2相比，N1耗水量降低14.6—18.2 mm，其中在M/R、M/V和M模式下耗水量分別降低2.6%—5.4%、5.1%—7.8%和6.3%—7.4%，以M/VN1降幅最大，較MN2降低32.9—53.9 mm，為12.3%—16.6%。

作物全生育期，N1水平下，M/R、M/V耗水量較M分別降低2.9%—3.5%、7.8%—8.8%，M/V較M/R降低5.1%—5.5%；N2水平下，M/R、M/V耗水量較M分別降低2.9%—4.6%、7.0%—7.9%，M/V較M/R低3.5%—4.3%。與N2相比，N1耗水量降低31.7—33.4 mm，其中在M/R、M/V和M模式下耗水量分別降低 4.1%—4.7%、5.4%—6.1%和 4.6%—5.2%，以M/VN1降幅最大，較MN2降低80.9—92.7 mm，為12.1%—13.6%。可見，與傳統施氮下單作玉米相比，間作綠肥及減施氮肥25%處理均可降低作物耗水量，以玉米間作箭筈豌豆結合減量25%施氮處理效果最為顯著。

2.3 間作綠肥及減施氮肥對玉米生產系統水分生產力的影響

2.3.1 不同種植模式及施氮水平下玉米的水分利用效率 種植模式、施氮水平及二者的互作顯著影響玉米的水分利用效率（WUE）。兩個試驗年度內，N1水平下，M/R、M/V處理 WUE較 M 處理分別提高12.0%—13.4%、21.5%—21.7%，M/V較M/R提高7.2%—8.6%；N2水平下，M/R、M/V處理WUE較M分別提高1.8%—4.0%、8.6%—9.7%，M/V較M/R提高5.5%—6.7%（圖4）。N1與N2相比，M處理WUE降低4.0%—5.5%，M/R、M/V處理WUE分別提高3.4%—5.2%、5.7%—6.5%，以M/VN1提高幅度較大，比MN2高14.8%—16.8%。可見，間作綠肥具有提高玉米水分利用效率的作用，間作綠肥結合減量25%施氮處理進一步增強了提高水分利用效率的優勢，以玉米間作箭筈豌豆結合減量25%施氮處理效果最好。

2.3.2 不同種植模式及施氮水平下系統單位耗水生物熱能產 施氮水平對系統單位耗水生物熱能產（WUEEY）無顯著影響，種植模式及二者的互作效應顯著影響系統 WUEEY（圖 5）。N1水平下，M/R、M/V處理WUEEY較M處理分別提高27.9%—29.4%、40.4%—41.0%；N2水平下，M/R、M/V處理WUEEY較M處理分別提高12.9%—14.5%、23.2%—24.4%。單作系統中，MN1處理WUEEY較MN2降低7.6%—8.2%；間作系統中，N1與N2處理間無顯著性差異。可見，間作綠肥可提高系統單位耗水生物熱能產，以玉米間作箭筈豌豆提高效果最為突出；減量25%施氮不影響間作系統的單位耗水生物熱能產，說明玉米間作箭筈豌豆結合減量25%施氮處理具有較高的水分生產潛力。

3 討論

3.1 間作綠肥及減施氮肥與作物耗水特性的關系

在與單作種植密度加權統一的條件下，禾本科作物間作耗水量大[17-19]。因此，本研究在不降低玉米種植密度前提下，通過調整玉米空間布局，采用間作的方式將耗水量較小的綠肥作物插播到玉米群體當中。研究發現，玉米間作油菜或箭筈豌豆較單作玉米均可提高農田土壤含水量，且間作模式中綠肥帶土壤含水量顯著高于玉米帶。這是因為綠肥刈割前，綠肥作物莖葉繁茂，生物量較大，可以有效地減少水分無效蒸發，增加水分入滲，提高土壤含水量[20]；綠肥刈割后，由于綠肥還田具有增加土壤孔隙度、提高土壤持水力和增強土壤團聚體穩定性等作用，從而可以提高土壤含水量，降低作物耗水[21-22]。高硯亮等[3]在玉米和豆科作物間作中發現玉米帶會吸收豆科作物條帶的土壤水分，通過降低高耗水作物對自身條帶土壤水分的過度消耗來改善土壤水分利用環境，這與本研究結果一致。間作模式中玉米帶的土壤含水量高于單作玉米，這可能是由于間作玉米帶吸收了綠肥帶的水分，改善高耗水作物玉米對土壤水分的過度消耗和間作玉米土壤水分利用環境，導致間作玉米的耗水量低于單作玉米[23]。另外，間作系統有利于加速降水或灌溉后土壤水分的深層入滲，縮短土壤定常蒸發率階段所經歷的時間，從而有效降低間作群體土壤水分的無效損耗[11]。玉米播前—綠肥刈割這一階段耗水量大于綠肥刈割—玉米收獲后的耗水量，這是由于綠肥刈割前，自身生長需消耗一定量的水分，尤其油菜作為綠肥雖優勢明顯，但植株生物量大，生長會消耗大量水分[24]。綠肥刈割還田后，玉米自身生長需要消耗大量水分，但由于綠肥還田能有效地減少水分蒸發，增加水分入滲和土壤貯水量，提高了土壤的持水能力和供水能力，從而提高土壤含水量[20,22,25]。對單作玉米而言，這可能是由于生長前期植株矮小，地面覆蓋不嚴，增加了營養生長期的無效蒸發耗水；后期植株較大，由于封行，地面覆蓋較好，土壤水分的消耗則以葉面蒸騰為主。本研究發現，與傳統施氮相比，減量25%施氮可提高土壤含水量，降低耗水總量。鄭雪嬌等[26]研究發現各生育階段的作物耗水量隨施氮量增加而增加。尤其是旱作農田施肥量過高會導致土壤水分的過度消耗[27]。本研究中間作綠肥可顯著提高土壤含水量，降低系統耗水；減量施氮可促進間作種植水分利用優勢的發揮[19,28]。因此，玉米間作綠肥結合減量25%施氮處理在耗水方面表現最優，可有效改善土壤含水量，降低系統耗水，具有較高的水分生產力。

3.2 間作綠肥及減施氮肥對主栽作物產量表現的影響

大量研究證明間作種植相對于單作具有明顯的產量優勢[19,29]。玉米與豆科作物間作時，間作玉米的產量顯著高于單作玉米[4,30]。這與本研究結果一致，在玉米群體中納入豆科綠肥后，玉米產量不僅沒有降低，反而有增加趨勢，且由于綠肥秸稈的輸入，提高了間作系統的生物熱能產。黃晶等[31]通過長期定位試驗證明了綠肥紫云英替代尿素施肥的可行性，結果表明，紫云英翻壓后，減少化學氮肥用量20%—40%，不會降低稻谷和稻草產量。這與本研究結果相似，從2年的試驗結果來看，減量25%施氮條件下，間作箭筈豌豆和油菜刈割還田對玉米生產均有較好的增產效果；同時，還能看到一種趨勢，即間作箭筈豌豆對玉米生產的效果比油菜更好，其原因可能是油菜秸稈腐解及養分釋放較慢[32]，可能還會與玉米生長競爭養分，使間作玉米的產量會有小幅度的降低；而豆科綠肥可利用根部根瘤菌的固氮作用，增加土壤中的氮含量[33]；因此油菜替代部分化學氮肥培肥農田的效果不如箭筈豌豆。另一方面，油菜植株生物量大，耗水較多，使得玉米間作油菜的水分利用效率（WUE）低于玉米間作箭筈豌豆[24]。可見，間作綠肥可有效替代部分氮肥生產玉米，以玉米間作箭筈豌豆結合減量25%施氮處理綜合效果最好。

4 結論

與傳統施氮下單作玉米相比，玉米間作綠肥和減施氮肥25%均可有效提高土壤含水量，降低全生育期耗水；玉米間作箭筈豌豆、減施氮肥25%處理的耗水量最小，較傳統施氮下的單作玉米降低 80.9—92.7 mm。間作綠肥模式有利于玉米穩產，間作模式下減施氮肥25%對玉米產量無明顯影響，具有較高的水分利用效率。綜合來看，在資源性缺水的綠洲灌區，間作箭筈豌豆結合減量25%施氮處理可保證玉米穩產，具有較高的水分生產力。