中国生态农业学报  2018, Vol. 26 Issue (11): 1643-1652  DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.180121
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引用本文 

王志国, 刘培, 邵宇婷, 唐艺玲, 管奥湄, 王建武. 减量施氮与间作大豆对华南地区甜玉米农田氮平衡的影响[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(11): 1643-1652. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.180121
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. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.180121

基金项目

国家自然科学基金项目(31770556)资助

通讯作者

王建武, 主要从事循环农业和转基因作物安全方面的研究。E-mail:wangjw@scau.edu.cn

作者简介

王志国, 主要从事甜玉米//大豆间作体系中氮素循环研究。E-mail:121335917@qq.com

文章历史

收稿日期:2018-01-26
接受日期:2018-05-08
减量施氮与间作大豆对华南地区甜玉米农田氮平衡的影响*
王志国, 刘培, 邵宇婷, 唐艺玲, 管奥湄, 王建武     
农业部华南热带农业环境重点实验室/广东省现代生态循环农业工程中心/华南农业大学资源环境学院 广州 510642
摘要:本文在广东广州华南农业大学试验中心,通过大田定位试验(2015-2016年两年4季)对比了两种施氮水平[减量施氮(300 kg·hm-2,N1)和常规施氮(360 kg·hm-2,N2)]、3种种植模式[甜玉米单作(SS)、甜玉米//大豆2:3间作(S2B3)、甜玉米//大豆2:4间作(S2B4)]农田生态系统的氮素输入、输出和平衡状况,旨在为减少化学氮肥投入水平,提高氮素利用效率,在华南地区发展环境友好型的玉米可持续生产模式提供科学依据。结果表明:1)减量施氮与甜玉米//大豆间作降低了系统氮素总输入量,大豆固氮和秸秆还田降低了化肥氮输入的比重,与常规施氮相比,减量施氮下SS、S2B3和S2B4的化肥氮输入占年均氮素总输入的比例分别下降3.24%、3.64%和3.77%。2)间作大豆增加了系统籽粒氮素累积量,N1和N2处理甜玉米//大豆间作的年均籽粒氮素累积量分别是单作甜玉米的2.43倍和2.18倍;减量施氮与甜玉米//大豆间作能降低甜玉米农田氮素损失,N1和N2处理甜玉米//大豆间作的年均氨挥发量分别比单作甜玉米低39.02%和27.26%;间作甜玉米的氮淋溶量比单作低13.85%。3)减量施氮与间作大豆显著降低了系统氮素盈余量,S2B3-N1、S2B3-N2和S2B4-N1、S2B4-N2年均氮素盈余量分别为71.03 kg·hm-2、133.7 kg·hm-2和42.87 kg·hm-2、100.64 kg·hm-2,分别比SS处理N1和N2的平均值减少81.27%、64.75%和88.69%、73.47%。因此,减量施氮甜玉米//大豆间作模式能维持系统作物产量、减少生产成本、降低环境污染风险,具有较高的经济和生态效益。
关键词:减量施氮    甜玉米//大豆间作    氮平衡    氨挥发    氮淋溶    
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 study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31770556)
** Corresponding author, WANG Jianwu, E-mail:wangjw@scau.edu.cn
Received Jan. 26, 2018; accepted May. 8, 2018
Abstract: The increasing demand for fresh sweet maize (Zea mays L. saccharata) 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-2 and 100.64 kg·hm-2, which were 81.27%, 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.
Keywords: Reduced nitrogen application     Sweet maize//soybean intercropping     Nitrogen balance     Ammonia volatilization     Nitrogen leaching    

广东地处热带亚热带, 光热水资源丰富, 非常适合甜玉米(Zea mays L. saccharata)的种植, 一年可以2~3熟, 且经济效益是普通玉米的两倍[1-2]。2015年广东甜玉米种植面积为22.0万hm2, 分别占全国和全球种植面积的66.1%和14.0%, 产量达310.2万t, 占全国总产量的62.1%, 年出口量达29.2万t, 成为我国甜玉米生产最大的省份, 也是全世界最主要的甜玉米产区之一[2]

但是, 甜玉米对氮肥需求量大, 农民为了追求产量和经济效益, 普遍存在超量施肥、偏施氮肥和多年连作的问题, 氮肥仅有26%~28%被作物吸收[3], 大部分的氮素以地表径流、氨挥发和氮淋溶等形式流失[4], 导致地下水污染、温室效应加剧、生物多样性降低等诸多生态环境问题[5-7]。因此, 如何减少化学氮肥的投入, 提高氮素的利用效率, 降低氮素盈余, 发展环境友好型的甜玉米种植模式是广东省甜玉米产区面临的重要问题。

玉米//大豆(Glycine max L.)间作模式具有悠久的历史, 是全球温带地区, 尤其是我国北方广泛应用的典型禾本科//豆科间作模式[8-10], 其稳产、高产[10-12]特性不断被证实。在系统氮素循环方面, 现有的报道主要研究了温带地区一年1熟制的玉米//大豆间作模式, 且集中在作物氮素高效利用的机理[13-15]、豆科作物向禾本科作物的氮素转移, 以及固碳减排效应[16]方面, 尚少有系统分析农田氮循环的输入、输出特征及系统氮素盈余状况的报道。本课题组从2013年秋季开始, 在华南农业大学开展减量施氮与甜玉米//大豆间作的长期定位试验, 先后报道了其温室气体排放通量[17]、甜玉米丛枝菌根真菌侵染和大豆结瘤及作物氮、磷吸收利用[18]以及土壤氮素形态的变化[19]。本文系统分析了减量施氮和间作大豆对华南地区一年2熟制甜玉米农田生态系统中氮平衡的影响, 旨在明确一年2熟制甜玉米农田生态系统中氮素的输入、输出以及农田氮素盈亏状况, 为华南地区发展环境友好型的甜玉米生产模式提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

定位试验设在广东省广州市华南农业大学试验中心(23°08′N, 113°15′E)。试验区属于亚热带季风气候, 年日照时数为1 519.7~1 629.5 h, 太阳辐射总量为105.3 kJ·cm-2, 平均气温为22.9~23.2 ℃, 平均降雨量为2 020.8~2 456.8 mm, 约85%降水集中在4—9月份。土壤为赤红壤, 有机质14.47 g·kg-1, 碱解氮92.93 mg·kg-1, 有效磷89.81 mg·kg-1, 速效钾287.76 mg·kg-1, pH 6.25。

1.2 试验材料

供试甜玉米品种为‘华珍’, 购于山东禾之元种业; 供试大豆品种为‘毛豆3号’(春季)、‘上海青’(秋季), 由华南农业大学农学院年海教授团队提供。

1.3 试验设计

试验采用双因素随机区组设计。两种施氮水平:减量施氮(N1: 300 kg·hm2)、常规施氮(N2: 360 kg·hm2); 3种种植模式:甜玉米单作(SS)、甜玉米//大豆2:3间作(S2B3, 甜玉米2行, 大豆3行)、甜玉米//大豆2:4间作(S2B4, 甜玉米2行, 大豆4行); 以不施肥的单作大豆(SB)为对照。共7个处理, 每处理3个重复, 共21个小区。小区长4.8 m, 宽3.7 m, 面积17.76 m2。田间种植情况如图 1所示, 单作甜玉米行距为60 cm, 间作为50 cm; 大豆行距均为30 cm; 甜玉米株距为30 cm, 大豆穴距为20 cm。甜玉米每穴种1株, 大豆每穴种3株。SS甜玉米种植密度为54 054株·hm-2; S2B3中甜玉米种植密度为38 156株·hm-2, 占地小区总面积的51.47%, 大豆种植密度为257 552株·hm-2, 占小区总面积的48.53%; S2B4中甜玉米种植密度为32 432株·hm-2, 占地小区总面积的43.75%, 大豆种植密度为291 892株·hm-2, 占小区总面积的56.25%; SB大豆种植密度为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。各处理磷肥为150 kg(P2O5)·hm-2, 钾肥为300 kg(K2O)·hm-2。磷肥作为基肥一次性施入, 氮肥(尿素)和钾肥作为追肥, 分别在甜玉米苗期、拔节期和穗期施用, 比例分别为30%、30%、40%和15%、40%、45%。甜玉米、大豆收获后秸秆全部覆盖还田。详细的田间管理、施肥方案参见唐艺玲等[17], 主要的农艺措施时间安排如表 1所示。

图 1 不同处理的甜玉米、大豆种植模式图 Figure 1 Layouts of planting patterns of sweet maize and soybean in different treatments of cropping systems
表1 2015—2016年甜玉米//大豆间作系统4季农艺措施时间(月-日) Table 1 Dates (month-day) of agronomic measures in four seasons of sweet maize-soybean intercropping systems of 2015-2016
1.4 样品采集、测定与计算

依据系统中氮素输入、输出法计算氮素平衡。甜玉米农田系统中氮素输入包括肥料氮素、种子氮素、上年秋季秸秆还田、大豆固氮, 氮素输出包括本季生物量(秸秆是用于下一年春季还田量)、氨挥发、氮淋溶、N2O排放。

1.4.1 种子氮素量的测定

取100粒作物种子烘干、研磨成粉末, 采用凯氏定氮法测定其全氮含量, 根据种植模式需种量计算每个小区种子的含氮量。SS的种子含氮量为0.17 kg·hm-2, S2B3为4.27 kg·hm-2, S2B4为4.80 kg·hm-2, 大豆单作为7.83 kg·hm-2

1.4.2 肥料氮素量的计算

SS-N1处理施氮量为300 kg·hm-2, SS-N2为360 kg·hm-2; 甜玉米//大豆间作模式仅在甜玉米种植带施肥, S2B3-N1施氮量为154.40 kg·hm-2, S2B3-N2为185.30 kg·hm-2; S2B4-N1施氮量为131.25 kg·hm-2, S2B4-N2为157.50 kg·hm-2; 单作大豆的氮肥投入量为0 kg·hm-2

1.4.3 大豆固氮量的测定

甜玉米、大豆收获时, 每小区随机取2株甜玉米、5株大豆, 105 ℃杀青30 min, 80 ℃烘干至恒重、粉碎, 并用Delta V Advantage同位素比值质谱仪(Thermo Scientific, USA)测定植株δ15N丰度。大豆固氮效率(%Nfix)[20]:

$ \% {{\rm{N}}_{{\rm{fix}}}} = ({\delta ^{15}}{{\rm{N}}_{{\rm{ref}}}} - {\delta ^{15}}{{\rm{N}}_{{\rm{sam}}}})/({\delta ^{15}}{{\rm{N}}_{{\rm{ref}}}} - {\delta ^{15}}{\rm{N}}) $ (1)

式中: δ15Nref为甜玉米15N丰度, δ15Nsam为大豆的15N丰度, δ15N为无氮条件下沙培大豆植株的15N丰度。

$ \begin{array}{l} 大豆固氮量 = \% {{\rm{N}}_{{\rm{fix}}}} \times 大豆植株全氮含量 \times \\ 大豆植物干重 \end{array} $ (2)
1.4.4 氨挥发的测定

采用通气法测定氨挥发[21], 每次施肥后当天开始收集氨挥发, 在甜玉米单作小区和甜玉米//大豆间作小区的甜玉米种植带各放置2个收集装置。根据氨挥发的规律, 间隔1~2 d更换一次海绵, 直至无法测出氨挥发为止。取样时, 将收集装置中的下层海绵迅速取出放入自封袋中密封, 立即更换新的浸有磷酸甘油的海绵, 并变换装置的摆放位置后开始下1次吸收, 上层海绵根据干湿情况3~7 d更换一次。将收集的海绵带回实验室用KCl浸提-靛酚蓝比色法[22]测定其中吸收的氨。

1.4.5 氮淋溶的收集与测定

采用田间原位土壤渗漏水收集装置[23]收集90 cm处土壤淋溶液。在90 cm土壤深处安装40 cm×50 cm的PVC管材淋溶盘, 通过侧向管连接至集液管, 真空泵抽取淋溶液。甜玉米//大豆间作处理分别在甜玉米种植带和大豆种植带各安装1个取样点, 甜玉米单作和大豆单作处理每个小区各安放两个取样点。每次降雨或灌溉后的3~5 d取样[24]。淋溶液用氮素流动分析仪测定硝酸盐浓度[23]

1.4.6 土壤N2O排放的测定

采用静态箱-气相色谱法对土壤N2O排放量进行测定。甜玉米//大豆间作处理, 在甜玉米和大豆行间中部安放静态箱; 甜玉米单作和大豆单作处理, 在小区中部随机安放静态箱, 每个小区安放2个静态箱。在作物播种前取样一次查看本底值。大豆播种之后, 每隔14 d(根据天气原因适当推迟或提前)取样1次。静态箱的结构、取样方法、N2O排放通量和累计排放量的计算方法均与Luo等[25]相同。

1.4.7 收获后作物氮含量的测定

作物收获时, 每个小区取2株代表性甜玉米植株, 5株代表性大豆植株。甜玉米穗、大豆荚与根、茎、叶分开, 在105 ℃杀青30 min, 80 ℃烘干至恒重、粉碎。用凯氏定氮法测定植物全氮含量[22]

1.5 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0软件进行数据统计分析, 利用Duncan多重比较方法检验差异显著性(α=0.05), 图表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析 2.1 减量施氮与甜玉米//大豆间作对大豆固氮效率和固氮量的影响

施氮水平和种植模式对大豆固氮效率没有显著影响, 但相同处理不同年、季之间有显著差异(表 2)。2016年秋季S2B3-N1处理的固氮效率分别比2015年春、秋季和2016年春季高31.25%、21.56%和23.55%, S2B4-N1分别是2015年春、秋两季的2.15倍和1.41倍。种植模式和种植年季对大豆固氮量均有显著影响(表 2)。2015年春、秋季和2016年春季3季中, 单作大豆的固氮量是间作大豆的2.11~3.04倍, 与单作不施肥大豆处理相比, 施肥与间作降低了大豆的固氮量。2016年秋季, S2B4-N1和S2B4-N2的固氮量分别是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。说明连续减量施氮能够提高间作大豆的固氮效率和固氮量。

表2 2015—2016年甜玉米//大豆间作系统中大豆的固氮效率和固氮量 Table 2 Soybean nitrogen fixation efficiency and fixed nitrogen amount of sweet maize//soybean intercropping systems during 2015-2016
2.2 减量施氮和间作大豆对甜玉米农田氨挥发和氮淋溶的影响

施氮水平、种植模式和种植年季对农田系统的氨挥发均有显著影响(表 3)。减量施氮可以降低农田的氨挥发量, N1水平下2015年秋季S2B3、2016年春季S2B4的氨挥发量比N2降低了32.33%和34.37%。间作大豆也可以降低农田的氨挥发量, 2015年秋—2016年秋季3季中S2B3-N1和S2B4-N1的氨挥发分别比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的氨挥发分别比SS-N2降低了47.70%、25.19%和18.23%、36.26%; 2016年秋N1和N2水平下S2B4的氨挥发量比S2B3低21.35%和14.79%。氨挥发量也受生长季节温度的影响,春季的挥发量低于秋季; 所有处理在2015年春季的氨挥发显著低于2015年秋季; 除S2B4-N2外, 其他处理在2016年春季的氨挥发显著低于2016年秋季。减量施氮和间作大豆能显著降低农田氨挥发量, 但秋季(高温)的氨挥发量显著高于春季(低温)。

表3 2015—2016年减量施氮与甜玉米//大豆间作对农田氨挥发的影响 Table 3 Effect of reduced nitrogen application and sweet maize//soybean intercropping on ammonia volatilization of farmland during 2015-2016

种植模式和种植季节显著影响农田氮淋溶量(表 4)。2016年春秋两季S2B4-N1的氮淋溶分别比SS-N1降低23.88%和28.37%, 2016年秋S2B3-N2的淋溶量比SS-N2低23.00%。所有处理在2015年春秋两季的氮淋溶显著高于2016年春秋两季。说明间作大豆和减量施氮能够显著降低甜玉米农田的氮淋溶, 种植季节的气候条件, 尤其是降雨量对氮淋溶量也有较大影响。

表4 2015—2016年减量施氮和甜玉米//大豆间作对农田氮淋溶的影响 Table 4 Effect of reduced nitrogen application and sweet maize//soybean intercropping on nitrogen leaching of farmlandduring 2015-2016
2.3 减量施氮和间作大豆对甜玉米农田累积N2O排放的影响

种植模式和种植季节对农田N2O累积排放量的影响显著(表 5)。两个施氮水平下, 间作均能降低农田N2O的累积排放量, 2015年春季N1和N2水平下S2B3和S2B4的N2O-N累积排放量分别比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累积排放量比SS降低了72.73%。减量施氮和间作大豆能够降低甜玉米农田N2O累积排放量。

表5 2015—2016年减量施氮和甜玉米//大豆间作对农田N2O-N累积排放量的影响 Table 5 Effect of reduced nitrogen application and sweet maize//soybean intercropping on N2O-N cumulative emissions of farmland during 2015-2016
2.4 减量施氮与间作大豆对甜玉米和大豆氮素累积的影响

种植模式和种植季节对系统籽粒氮累积量有显著影响, 施氮水平对系统籽粒氮素没有显著性影响(表 6)。2015春季、2016年春秋两季N1水平下S2B3和S2B4的籽粒氮素累积量分别是SS的2.13倍、3.37倍、2.51倍和1.50倍、3.29倍、3.51倍, N2水平下分别是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, 其他处理在2015年春季籽粒氮素累积量均显著低于2015秋季; N1水平下2016年春季SS、S2B4籽粒氮素累积量分别比2016秋季低30.85%和35.27%。间作大豆能够提高甜玉米//大豆系统籽粒氮素累积量, 但减量施氮没有影响系统籽粒氮素累积量。

表6 2015—2016年减量施氮与甜玉米//大豆间作对作物氮素累积量的影响 Table 6 Effect of reduced nitrogen application and sweet maize//soybean intercropping on nitrogen accumulation of crops during 2015-2016

种植模式和种植季节对系统秸秆氮素累积量有显著影响, 但不同施氮处理之间没有显著性差异(表 6)。2015年春季和2016年秋季N1水平下S2B3、S2B4的秸秆氮素累积量分别是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的秸秆氮素累积量依次是SS的1.55倍、1.43倍、1.58倍。说明甜玉米//大豆间作能够提高系统秸秆氮素累积量, 而减量施氮没有影响系统秸秆氮素累积量。

2.5 减量施氮对甜玉米//大豆间作系统氮素盈亏的影响

施氮水平和种植模式对系统氮素总输入有显著性影响(表 7)。减量施氮与甜玉米//大豆间作降低了系统的氮素总输入, 大豆固氮和秸秆还田降低了化肥氮输入的比重, 2015年和2016年单作甜玉米(SS)N1处理比N2处理的氮素总输入分别减少11.43%和15.58%; 2016年S2B3和S2B4的N1比N2分别减少15.42%和11.86%。N1与N2相比SS、S2B3和S2B4的化肥氮占年均氮素总输入的比例分别下降3.24、3.64、3.77个百分点。

表7 2015—2016年甜玉米//大豆间作系统氮平衡 Table 7 Nitrogen balance in sweet maize//soybean intercropping system during 2015-2016

从农田系统氮素输出分析(表 7), 间作大豆提高了甜玉米农田氮素的输出量, N1和N2水平下S2B3、S2B4年均氮素总输出量分别比SS高27.15%、25.51%和26.29%、23.52%;其中籽粒产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积量分别是SS的2.42倍、2.44倍和2.16倍、2.20倍。氮淋溶是本试验农田系统氮素损失的主要途径。甜玉米单作和甜玉米//大豆间作的氮淋溶量在2015年占氮素总损失的76.03%~83.80%, 2016年占氮素总损失的51.89%~62.25%。S2B3和S2B4在N1和N2水平下的氮淋溶量分别比SS降低了14.74%、11.54%和12.89%、16.23%。

2015—2016年甜玉米单作、甜玉米//大豆间作农田氮素均表现为氮盈余, 施氮水平和种植模式对系统氮盈余有显著影响(表 7)。减量施氮可以显著降低农田生态系统氮素盈余量, 2016年SS、S2B3和S2B4在N1水平的氮素盈余量分别比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年分别比SS降低了81.83%、78.50%和83.09%、75.49%, 在2016年分别比SS降低了76.13%、62.53%和89.64%、77.25%。减量施氮与甜玉米//大豆间作能降低农田系统氮素盈余量, 其中减量施氮水平下甜玉米//大豆2:4间作模式的农田氮素盈余量最少, 年均氮素盈余量为42.87 kg∙hm-2

3 讨论 3.1 减量施氮与间作大豆对甜玉米农田氮素输入的影响

农田氮素输入量主要受施氮水平、秸秆还田、大豆固氮量的影响。与常规施氮相比, 减量施氮降低了化肥氮的投入, 但没有影响甜玉米、大豆的秸秆氮素的累积量。禾本科与豆科间作通过互惠作用实现氮素高效利用, 提高氮素吸收量[14], 间作大豆提高了间作系统秸秆氮素累积量, 增加秸秆还田的氮素输入量。豆科与禾本科间作系统中, 由于禾本科对氮素的吸收缓解氮素对豆科作物结瘤固氮的抑制作用[26-27], 禾本科根系分泌物能够促进豆科作物根瘤的生成[28], 从而提高豆科作物的结瘤固氮水平。

3.2 减量施氮与间作大豆对甜玉米农田氮素输出的影响

在农田系统中以氮素损失形式的氮素输出主要有氨挥发、氮淋溶和N2O排放。影响农田氨挥发[29-30]、氮淋溶[31]和N2O排放[32]的因素有农业措施、土壤因素和气候因素等。本研究表明减量施氮和甜玉米//大豆间作均能降低农田系统氨挥发, 甜玉米//大豆间作能减少土壤氮淋溶和N2O排放。常规施氮水平下的化肥氮投入高于减量施氮, 农田氨挥发、氮淋溶会随着施氮量的增加而增加[7, 33-35]。甜玉米//大豆间作中化肥氮输入量和占氮肥总输入比重均低于甜玉米单作, 降低了土壤中可损失氮素浓度。间作也减少了农田系统透光率, 降低土壤温度, 减少了土壤中氨的分解[36-37]

农田系统中籽粒氮素以作物收获物的形式从系统中输出, 输出量的大小取决于作物的产量。禾本科-豆科间作能提高土地当量比, 增加系统总产量和氮素输出[11, 15]。在本研究中甜玉米//大豆间作提高了系统籽粒氮累积量, 增加了氮素的输出; 减量施氮没有影响籽粒氮素累积量。

3.3 减量施氮与间作大豆对甜玉米农田氮盈余的影响

本研究甜玉米单作的氮盈余量显著高于甜玉米//大豆间作, 盈余量均大于200 kg∙hm-2, 极易造成氮素浪费与环境污染[38]。减量施氮甜玉米//大豆间作的氮盈余量均低于100 kg∙hm-2, 保持了土壤氮库的基本平衡, 既能维持土壤肥力、保证作物正常生长, 又能降低环境污染, 是经济效益与生态效益均较优的模式。但是, 不同年季氮素的输入和输出也受气候条件的影响, 农田生态系统的氮素平衡需要长期的观测数据才能作为评价农田生态系统施肥是否合理, 制定减少氮肥损失技术措施的重要依据。

4 结论

2年4季大田定位试验研究表明, 减量施氮与甜玉米//大豆间作对大豆固氮效率没有显著影响, 连续减量施氮能够提高间作大豆的固氮量。减量施氮与间作大豆减少了甜玉米农田生态系统氮素总输入, 降低了化学氮输入的比重, 减少了系统氨挥发量和氮淋溶量。甜玉米//大豆间作提高了系统籽粒和秸秆氮素累积量。300 kg∙hm-2的施肥量能够满足甜玉米和大豆对氮素的需要, 且能减少系统氮素盈余量。减量施氮与甜玉米//大豆间作既有利于提高系统生产力, 为作物的生长提供所需氮素, 又能降低氮素损失引起的环境风险, 是华南地区甜玉米生产的资源高效利用、可持续模式。

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