間混作豆科牧草對青貯玉米產量及氮肥利用的影響

彭滟茹 周鋒 何曉波 安曈昕 沙澤東 吳伯志

摘要：多樣性種植是種植結構調整和土地提質增效的一種重要栽培措施，為研究多樣性種植條件下青貯玉米生長發育和對氮素的響應，以期在“糧改飼”背景下氮肥高效利用、實現化肥零增長戰略提供理論依據。試驗于2019—2020年在云南農業大學現代農業教育科研基地進行，設置3種種植方式（青貯玉米單作、青貯玉米間作苜蓿、青貯玉米混作白三葉草）和3種施肥水平（常規施氮N3=345 kg/hm2;減氮20% N2=276 kg/hm2;減氮40% N1=207 kg/hm2），分析不同處理對青貯玉米生長發育、產量及氮素吸收利用的影響。結果顯示：（1）青貯玉米株高、莖粗和葉面積指數隨施氮量的減少而下降，而混作白三葉草能減緩減氮對青貯玉米葉面積等農藝性狀變差的影響，減氮40%條件下，能提高青貯玉米葉面積指數17.87%。（2）單作減氮40%條件下青貯玉米鮮草質量和干草質量顯著降低，分別降低10.9%和21.3%;減氮40%和20%條件下，間作苜蓿和混作白三葉草處理較常規施氮單作處理干草質量分別僅降低14.2%、9.3%和9.6%、7.4%。（3）青貯玉米氮素吸收和利用效率隨施氮量的降低而提高，間作苜蓿和混作白三葉草能進一步提高低氮投入條件下青貯玉米對氮素的吸收和利用效率，但在常規施氮條件下，間混作與單作處理間青貯玉米氮素吸收和利用效率差異不顯著。總之，青貯玉米間作苜蓿和混作白三葉草能提高減氮條件下氮素的利用效率，保證在減氮20%條件下青貯玉米生物產量不會顯著降低。

關鍵詞：青貯玉米;豆科牧草;間混作;產量;氮肥利用

中圖分類號：S548.04 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）12-0180-09

收稿日期：2021-08-23

資助項目：云南省重點研發計劃（編號：2018BB015）;云南省重大科技專項——綠色食品國際合作研究中心項目（編號：2019ZG00902）。

作者簡介：彭滟茹（1997—），女，四川樂山人，碩士研究生，主要從事作物多樣性種植研究。E-mail：pengyanru000@163.com。

通信作者：吳伯志，博士，教授，主要從事耕作制度與山地農業可持續發展研究。E-mail：bozhiwu@outlook.com。

青貯玉米作為飼料作物，具有營養價值高、非結構性碳水化合物含量高、產量高、利用效率高等優點，對促進畜牧業發展有非常重要的作用。近年來，國家及各省份也出臺了多種方案，鼓勵推廣種植青貯玉米[1]。青貯玉米作為高需氮作物[2]，隨著種植面積的擴大，養分利用率低逐漸成為制約青貯玉米生長發育和產量潛力發揮的限制因素[3]。對青貯玉米來說氮肥的增產作用最大，需求量也最多，反應也最為敏感[2，4]。為追求高生物產量，往往采用高密度種植、高氮肥投入，而高氮肥投入并不能提高氮素的利用效率，緩解高密度青貯玉米生長發育過程中存在養分供應不足的問題[5]。高氮投入會造成氮過量，影響青貯玉米的產量和飼用品質[6]，除此之外，高氮投入會增加土壤剖面中養分的殘留量，而土壤剖面中殘留的氮肥通過淋溶、徑流和排放損失掉[7]，容易導致空氣污染和全球變暖等一系列環境污染問題[8-9]，不利于可持續農業發展。所以，提高青貯玉米的氮肥利用效率，是“糧改飼”背景下響應化肥零增長戰略的重要措施。

多樣性種植，尤其與豆科植物進行多樣性種植是提高作物群體氮素利用效率的重要途徑。趙平等在研究小麥蠶豆間作施氮對小麥氮素吸收累積的影響中指出，間作促進小麥對氮素的吸收利用，間作優勢與施氮水平密切相關[10]。張曉娜等在對玉米‖大豆、玉米‖花生間作對作物氮素吸收的影響，結果表示間作模式的系統氮素積累量均顯著高于單作模式[11]。而苜蓿和白三葉草作為優質牧草，在與其他作物多樣性種植研究中均表現出良好的增產作用和改善土壤理化性狀促進養分吸收利用作用，如張永亮等研究表明，與單作相比，苜蓿與無芒雀麥混播可提高牧草產量[12];在西北半干旱區的灰鈣土中，紫花苜蓿‖小黑麥間作可降低根際土壤pH值，明顯改善間作小黑麥的根際土壤營養狀況[13];左玉環等在研究陜西渭北柿子園種植白三葉草對土壤養分和生物學性質的影響中發現，果園種白三葉草能改善土壤肥力狀況，在一定程度上可減少化肥氮投入量[14]。

青貯玉米作為收獲生物產量的飼料作物，前人主要集中在高密度單作栽培條件下提高養分利用效率開展研究[15]，即使少部分學者開展了青貯玉米與秣食豆、拉巴豆、大豆等豆科作物間混作方面的研究，也主要聚焦在間混作豆科作物對青貯玉米產量和飼用品質影響方面。因此，本研究選擇常見豆科牧草紫花苜蓿和覆蓋豆科牧草白三葉草與青貯玉米間混作，以期研究不同種植模式下青貯玉米對不同施氮量的響應，通過觀測青貯玉米各時期的生長發育指標的生物產量及氮肥吸收利用指標，分析種植模式、施氮水平對青貯玉米生長發育性狀、產量形成和氮素利用效率的影響，為響應化肥零增長背景下青貯玉米大面積高產高效栽培提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在云南省昆明市尋甸縣云南農業大學現代農業教育科研基地（海拔1 864 m，25°31′N、103°16′E），屬于典型北亞熱帶季風氣候，年平均氣溫14.8 ℃，全年平均日照時數2 059.8 h，年均降水量在900～1 000 mm之間。播種前0～20 cm土層pH值為7.69，有機質含量17.43 g/kg，全氮含量 1.01 g/kg，全磷含量2.71 g/kg，全鉀含量 19.81 g/kg，堿解氮含量90.43 mg/kg，速效磷含量 3.12 mg/kg，速效鉀含量206.55 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采取2因素（種植方式和施氮水平）隨機區組設計，種植方式分別為：玉米單作（M）、玉米‖苜蓿（MA）、玉米×白三葉草（MW），施氮量（純氮）為：N1=207 kg/hm2，N2=276 kg/hm2，N3=345 kg/hm2，其中，345 kg/hm2為當地種植青貯玉米常規施氮量，另外2個水平分別為常規施氮量的80%和60%，共9個處理，重復3次。另外，分別設置3種種植模式下不施氮的對照（CK）處理，僅取產量數據，用于計算氮肥吸收利用效率時使用，田間管理與試驗處理管理一致。試驗小區面積為4.0 m×3.5 m，區組和小區間分別設置1.0 m和0.5 m寬走道。

青貯玉米供試品種為“曲辰九號”，為云南省種植面積較大的青貯玉米品種;豆科牧草供試品種為紫花苜蓿（Medicago sativa L.）和白三葉草（Trifolium repens L.）。青貯玉米種植密度83 325株/hm2，各處理青貯玉米種植密度相同，單株留苗，分別在2019年5月4日和2020年5月17日播種，2019年8月25日和2020年9月2日收獲，2年播種方式均為溝播。單作和混作白三葉草處理青貯玉米采用等行距種植，行距60 cm、株距20 cm，間作苜蓿處理青貯玉米采用寬窄行種植方式，寬行80 cm，窄行40 cm，株距 0 cm。苜蓿與白三葉草于2019年4月1日播種，苜蓿種植在2行玉米間，間作比例為2 ∶2，苜蓿條播，行距20 cm，苜蓿與玉米間距40 cm，播種量 30 kg/hm2。白三葉草采取撒播，播種量為15 kg/hm2。底肥一次性施入普鈣（過磷酸鈣）750 kg/hm2、硫酸鉀150 kg/hm2、精制有機肥7 500 kg/hm2。氮肥選用純氮含量為40%尿素，按純氮純氮施入量N1=207 kg/hm2，N2=276 kg/hm2，N3=345 kg/hm2進行施用，分基肥、拔節期和大喇叭口期3次施肥，3次施肥比例為30%、20%、50%。所有處理采用相同的除草和病蟲害防治措施。

1.3 測定項目與方法

在小區中部隨機標記10株青貯玉米作為測量樣株，在乳熟期觀測標樣株的株高、莖粗和葉面積，株高測定莖節基部到植株頂部的長度;莖粗用游標卡尺測定地上第3節直徑，葉面積指數為單位面積葉面積，葉面積用葉寬系數法測量（葉面積=葉長×葉寬×0.75）。在抽雄期、乳熟期測量相對葉綠素含量（SPAD值），葉片葉綠素含量選取玉米穗位葉采用葉綠素儀SPAD-502進行測定。在青貯玉米乳熟期，各小區全部收獲稱量鮮質量后計算鮮草產量。隨機選取5株樣品，105 ℃殺青30 min，80 ℃ 烘干至恒質量后稱量干質量，計算青貯玉米干草產量。植株氮含量采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測定植株全氮含量。分別用氮肥利用率、吸收效率、氮肥農學利用率、氮肥偏生產力和氮肥貢獻率表征肥料利用情況，相關計算公式如下：

氮素吸收效率=植株地上部氮素積累量/施氮量×100%;（1）

氮肥利用效率=（施氮肥區植株地上部氮素積累量-不施氮肥區植株地上部氮素積累量）/施氮量×100%;（2）

氮肥偏生產力（kg/kg）=施氮處理產量/施氮量;（3）

氮肥貢獻率=（施氮肥區產量-不施氮肥區產量）/施氮肥區產量×100%;（4）

氮肥農學效率（kg/kg）=（施氮肥區產量-不施氮肥區產量）/施氮肥量[16-17]。（5）

1.4 數據處理與分析

數據采用Microsoft Excel 010進行整理，采用SPSS 5統計軟件進行統計分析，采用Duncan’s檢測法進行處理間A-NOVA方差分析。

2 結果與分析

2.1 種植模式和施氮量對青貯玉米生育性狀的影響

由表1可知，施氮量對青貯玉米株高、莖粗和葉面積指數的影響差異均達極顯著水平（P<0.01），種植模式對株高和葉面積指數的影響差異達極顯著水平（P<0.01），對莖粗的影響不顯著（P=0.245），株高和葉面積指數在2019年和2020年間差異達極顯著（P<0.01）。年份和種植模式對株高、莖粗和葉面積指數的交互影響均達顯著水平（P<0.05），種植模式和施氮量對葉面積的交互影響達極顯著水平（P<0.01），其他交互作用均不顯著。

通過比較不同處理株高、莖粗和葉面積指數差異，由圖1可知，株高、莖粗和葉面積指數均隨施氮量減少而呈現降低趨勢，尤其是在單作條件下，顯著降低青貯玉米莖粗和葉面積指數，2019年和2020年常規施氮青貯玉米葉面積指數分別比減氮20%和減氮40%高出1.77%、11.51%和4.09%、16.79%。間作苜蓿和混作白三葉草對青貯玉米株高和莖粗的影響在不同的年份間差異不一致，而總體表現出提高葉面積指數，尤其是混作白三葉草能顯著提高不同施氮水平下青貯玉米葉面積指數。單作條件下，減氮40%降低葉面積指數21.83%;間作苜蓿和混作白三葉草條件下，減氮40%降低葉面積指數3.29%和3.96%，說明間作苜蓿和混作白三葉草能有效緩解減氮帶來的葉面積指數降低的現象。

2.2 種植模式和施氮量對青貯玉米葉片相對葉綠素含量（SPAD值）的影響

相對葉綠素含量（SPAD值）作為衡量葉片葉綠色含量的重要指標，與植物氮素營養有密切的關系。由表2可知，施氮量對抽雄期和乳熟期青貯玉米葉片SPAD值影響差異達極顯著水平（P<0.01），種植模式對抽雄期青貯玉米葉片SPAD值影響差異極顯著（P<0.01），在2019年和2020年間SPAD值差異也達極顯著水平（P<0.01），種植模式、施氮量和年份之間的交互作用均不顯著（P>0.05）。

由圖2可知，在青貯玉米單作種植模式下，SPAD值隨著施氮量的減少呈現降低趨勢，在2019年乳熟期和2020年抽雄期達顯著降低趨勢，2年抽雄期減氮40%比常規施氮分別降低3.44%和5.65%，乳熟期減氮40%比常規施肥分別降低4.03%和1.89%。在間作苜蓿條件下，青貯玉米葉片SPAD值比單作和混作白三葉草處理低，且隨著施氮量的降低SPAD值逐漸下降，但僅在2020年乳熟期達顯著降低。在混作白三葉草模式下，SPAD值高于單作和間作苜蓿模式，隨著施氮量的降低也表現出下降的趨勢，但不同年份不同生育時期均未表現出差異顯著性，提示混作白三葉草能降低減氮對SPAD 值下降的影響。

2.3 不同種植模式和施氮水平下青貯玉米的產量差異

由表3可知，施氮量對青貯玉米鮮飼草量和干物質量的影響均達極顯著水平（P<0.01），而種植模式和年份對青貯玉米鮮飼草量和干物質量影響不顯著（P>0.05），且種植模式、施氮量和年份間的交互作用對青貯玉米鮮飼草量和干物質量的影響均不顯著（P>0.05）。

由圖3可知，青貯玉米鮮飼草量和干物質量均呈隨施氮量的減少而減少的變化趨勢，在單作和混作白三葉草條件下，減氮40%鮮飼草量均顯著低于常規施氮，單作和混作白三葉草2019年和2020年減氮40%鮮飼草量分別比常規施氮減產12.8%、8.9%和10.0%、9.8%;且在單作條件下，減氮40%顯著降低了青貯玉米干物質量，較常規施氮減少了26.4%和15.8%，間作苜蓿和混作白三葉草減氮40%在2019和2020年分別減少了17.7%、4.8%和11.7%、5.5%。且間作苜蓿和混作白三葉草在各施氮水平下對青貯玉米鮮飼草量均有增加作用，在減氮40%水平下能增加青貯玉米干物質量。提示間作苜蓿和混作白三葉草不僅能緩解減氮造成的青貯玉米減產，還能提高青貯玉米的鮮飼草量。

2.4 種植模式和施氮水平對青貯玉米氮素吸收利用的影響

由表4可知，施氮量對青貯玉米氮肥利用率、氮素吸收效率、氮肥偏生產力、氮肥農學效率和氮肥貢獻率的影響均達極顯著水平（P<0.01），種植模式對氮肥吸收利用相關參數的影響差異不顯著（P>0.05），在不同年份間氮肥吸收利用相關參數差異達到了顯著（P<0.05），種植模式和施氮量與年份的交互作用對氮肥利用率和氮素吸收利用效率的差異達到顯著水平（P<0.05），其他交互作用均不顯著（P>0.05）。

由圖4可知，種植模式和施氮量對青貯玉米氮肥吸收和利用的影響2年規律不一致。2019年在不同的施氮量水平下，均表現出間作苜蓿和混作白三葉草降低了青貯玉米的氮肥吸收效率、氮肥利用效率、氮素農學效率和氮肥偏生產力，大小依次為：單作>混作白三葉草>間作苜蓿。在減氮40%水平下，單作處理氮肥利用率比間作苜蓿和混作白三葉處理高26.7%和13.6%，差異顯著;在減氮20%水平下，單作處理比間作苜蓿和混作白三葉草處理高14.3%和16.7%，差異顯著;在常規施氮水平下，單作處理比間作苜蓿和混作白三葉草處理高13.2%和8.9%，但差異不顯著。2020年，在不同的施氮量水平下，均表現出混作白三葉草、間作苜蓿處理氮肥吸收效率、氮肥利用效率、氮素農學效率和氮肥偏生產力大于單作處理，大小依次為：混作白三葉草>間作苜蓿>單作。在減氮40%水平下，單作處理氮肥利用率比混作白三葉草和間作苜蓿低32.9%和23.1%;在減氮20%水平下，單作處理氮肥利用率比混作白三葉草和間作苜蓿低25.3%和15.6%;在常規施氮水平下，單作處理氮肥利用率比混作白三葉草和間作苜蓿低16.9%和8.5%。

在不同的種植模式下，均表現出減氮處理能提高青貯玉米對氮肥的吸收和利用效率，2020年混作白三葉草和間作苜蓿能進一步提高減氮條件下青貯玉米對氮素的吸收和利用。

3 討論

3.1 種植模式和施氮量對青貯玉米生長發育和產量形成的影響

青貯玉米作為收獲全株生物產量的飼料作物，生物產量與生長發育狀況有直接關系。研究表明，株高、莖粗、穗位等性狀與生物產量均呈正相關，其中，株高直接影響著生物產量的高低，植株越高生物產量就越高[18];種植模式作為影響玉米生長發育的重要栽培措施，因此多樣性種植模式的合理搭配能促進作物的生長、提高作物的生物產量。高慧等研究發現，玉米與豌豆間作提高玉米的產量，促進玉米葉面積指數提高[19]，本研究結論與之基本一致。但本研究青貯玉米間作苜蓿和混作白三葉草株高、莖粗并未表現出明顯的間混作優勢，這可能與青貯玉米和苜蓿、白三葉草的競爭有關，株高、莖粗與光照環境的關系更為密切[20]，苜蓿和白三葉草相對于青貯玉米都是矮位植物，與青貯玉米的競爭關系更多體現在地下部，可能對地上部株高和莖粗的競爭影響較小。除此之外，不同種植模式對青貯玉米農藝性狀的影響在2年間表現出一定的差異性，這可能與第1年種植苜蓿和白三葉草發揮固氮作用不明顯有關。

間混作系統內既存在種間競爭關系，又存在種間互補關系[21]。青貯玉米與苜蓿間作和白三葉草混作目的是利用豆科牧草的固氮能力，為青貯玉米生長發育提供一定的生物固氮量補充。本研究結果顯示，不同施氮水平下，間作苜蓿和混作白三葉草對青貯玉米的生長發育影響不一致，在減氮40%條件下，混作白三葉草能顯著提高玉米葉面積指數和干物質量，同時也能一定程度上提高青貯玉米葉片SPAD值。這與劉培和王飛等的研究結果[22-23]一致。而在常規施氮條件下，間作苜蓿和混作白三葉草并沒有顯著提高玉米的生育指標和產量，這可能因為在氮素充足的條件下，豆科作物固氮能力受到抑制[24-26]，從而不能體現出間混作目標作物提供養分促進生長作用。因此，間作豆科牧草，尤其是混作白三葉草，能夠在減氮條件下促進青貯玉米的生長和產量的提高。

3.2 種植模式和施氮量對青貯玉米氮肥吸收利用的影響

玉米是高需氮作物，尤其是青貯玉米，而氮肥的施用量與作物對肥料的吸收利用有非常緊密的聯系[27]。氮肥施用量大，會降低作物對氮素的利用效率[17，28]和造成環境污染[29]，而施用量過小又不能保證作物獲得較好的產量效益。本研究在單作模式下減氮40%降低玉米產量提高氮素利用率結果與之一致。但在多樣性種植條件下，尤其是與豆科牧草間混作，能夠提高氮素利用率，減少氮肥的投入。在實際生產中，有不少采用禾豆科間混作的種植模式，以期改善作物對肥料的吸收利用，其主要原理是在禾豆科間混作系統中，具有固氮作用的豆科作物減少了對于土壤中氮素的吸收量且可以將一定量的氮素轉移給禾本科作物，從而可以增加土壤肥力[30];禾本科作物在吸收土壤中及豆科作物自身固定的氮素后，減弱了豆科作物的“氮阻遏”現象[31]，從而提高了間混作系統對氮素的利用效率，減少生產過程中氮肥的用量。本研究2020年的試驗表明，間作苜蓿和混作白三葉草能夠顯著提高低氮（減氮40%）條件下青貯玉米對氮肥的吸收利用效率，這可能與青貯玉米加強了對豆科牧草根瘤固氮的吸收有關。不同種植模式對氮素吸收利用率的影響在2年間表現不一致，可能與第1年間作苜蓿和混作白三葉草時間較短，豆科牧草固氮量積累不夠有關，導致其不能對青貯玉米提供額外的氮素補充，使得與青貯玉米間存在的競爭關系大于互補關系。這與張桂國等對苜蓿玉米間作系統產量表現及其種間競爭力在不同年份間的表現研究結果[32]一致。因此，發揮苜蓿或白三葉草間混作的固氮作用，能促進青貯玉米對氮素的吸收利用效率，保證減氮20%～40%條件下生物產量的收成。

4 結論

本研究發現，青貯玉米作為追求收獲高生物產量的飼料作物，在常規單作模式下，減氮會顯著降低青貯玉米的產量，但能促進青貯玉米對氮素的吸收利用，尤其是減氮40%條件下能顯著提高青貯玉米的氮肥吸收利用效率。采用間作苜蓿和混作白三葉草能顯著提高減氮條件下青貯玉米對氮素的吸收和利用效率，促進青貯玉米產量的提高，而對常規施氮條件的促進作用不明顯。在混作白三葉草種植模式下，減氮20%能保證青貯玉米產量與常規施氮種植一致，可作為保障“糧改飼”背景下化肥零增長的栽培措施應用于生產。

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