间混作豆科牧草对青贮玉米产量及氮肥利用的影响

彭滟茹 周锋 何晓波 安曈昕 沙泽东 吴伯志

摘要：多样性种植是种植结构调整和土地提质增效的一种重要栽培措施，为研究多样性种植条件下青贮玉米生长发育和对氮素的响应，以期在“粮改饲”背景下氮肥高效利用、实现化肥零增长战略提供理论依据。试验于2019—2020年在云南农业大学现代农业教育科研基地进行，设置3种种植方式（青贮玉米单作、青贮玉米间作苜蓿、青贮玉米混作白三叶草）和3种施肥水平（常规施氮N3=345 kg/hm2;减氮20% N2=276 kg/hm2;减氮40% N1=207 kg/hm2），分析不同处理对青贮玉米生长发育、产量及氮素吸收利用的影响。结果显示：（1）青贮玉米株高、茎粗和叶面积指数随施氮量的减少而下降，而混作白三叶草能减缓减氮对青贮玉米叶面积等农艺性状变差的影响，减氮40%条件下，能提高青贮玉米叶面积指数17.87%。（2）单作减氮40%条件下青贮玉米鲜草质量和干草质量显著降低，分别降低10.9%和21.3%;减氮40%和20%条件下，间作苜蓿和混作白三叶草处理较常规施氮单作处理干草质量分别仅降低14.2%、9.3%和9.6%、7.4%。（3）青贮玉米氮素吸收和利用效率随施氮量的降低而提高，间作苜蓿和混作白三叶草能进一步提高低氮投入条件下青贮玉米对氮素的吸收和利用效率，但在常规施氮条件下，间混作与单作处理间青贮玉米氮素吸收和利用效率差异不显著。总之，青贮玉米间作苜蓿和混作白三叶草能提高减氮条件下氮素的利用效率，保证在减氮20%条件下青贮玉米生物产量不会显著降低。

关键词：青贮玉米;豆科牧草;间混作;产量;氮肥利用

中图分类号：S548.04 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）12-0180-09

收稿日期：2021-08-23

资助项目：云南省重点研发计划（编号：2018BB015）;云南省重大科技专项——绿色食品国际合作研究中心项目（编号：2019ZG00902）。

作者简介：彭滟茹（1997—），女，四川乐山人，硕士研究生，主要从事作物多样性种植研究。E-mail：pengyanru000@163.com。

通信作者：吴伯志，博士，教授，主要从事耕作制度与山地农业可持续发展研究。E-mail：bozhiwu@outlook.com。

青贮玉米作为饲料作物，具有营养价值高、非结构性碳水化合物含量高、产量高、利用效率高等优点，对促进畜牧业发展有非常重要的作用。近年来，国家及各省份也出台了多种方案，鼓励推广种植青贮玉米[1]。青贮玉米作为高需氮作物[2]，随着种植面积的扩大，养分利用率低逐渐成为制约青贮玉米生长发育和产量潜力发挥的限制因素[3]。对青贮玉米来说氮肥的增产作用最大，需求量也最多，反应也最为敏感[2，4]。为追求高生物产量，往往采用高密度种植、高氮肥投入，而高氮肥投入并不能提高氮素的利用效率，缓解高密度青贮玉米生长发育过程中存在养分供应不足的问题[5]。高氮投入会造成氮过量，影响青贮玉米的产量和饲用品质[6]，除此之外，高氮投入会增加土壤剖面中养分的残留量，而土壤剖面中残留的氮肥通过淋溶、径流和排放损失掉[7]，容易导致空气污染和全球变暖等一系列环境污染问题[8-9]，不利于可持续农业发展。所以，提高青贮玉米的氮肥利用效率，是“粮改饲”背景下响应化肥零增长战略的重要措施。

多样性种植，尤其与豆科植物进行多样性种植是提高作物群体氮素利用效率的重要途径。赵平等在研究小麦蚕豆间作施氮对小麦氮素吸收累积的影响中指出，间作促进小麦对氮素的吸收利用，间作优势与施氮水平密切相关[10]。张晓娜等在对玉米‖大豆、玉米‖花生间作对作物氮素吸收的影响，结果表示间作模式的系统氮素积累量均显著高于单作模式[11]。而苜蓿和白三叶草作为优质牧草，在与其他作物多样性种植研究中均表现出良好的增产作用和改善土壤理化性状促进养分吸收利用作用，如张永亮等研究表明，与单作相比，苜蓿与无芒雀麦混播可提高牧草产量[12];在西北半干旱区的灰钙土中，紫花苜蓿‖小黑麦间作可降低根际土壤pH值，明显改善间作小黑麦的根际土壤營养状况[13];左玉环等在研究陕西渭北柿子园种植白三叶草对土壤养分和生物学性质的影响中发现，果园种白三叶草能改善土壤肥力状况，在一定程度上可减少化肥氮投入量[14]。

青贮玉米作为收获生物产量的饲料作物，前人主要集中在高密度单作栽培条件下提高养分利用效率开展研究[15]，即使少部分学者开展了青贮玉米与秣食豆、拉巴豆、大豆等豆科作物间混作方面的研究，也主要聚焦在间混作豆科作物对青贮玉米产量和饲用品质影响方面。因此，本研究选择常见豆科牧草紫花苜蓿和覆盖豆科牧草白三叶草与青贮玉米间混作，以期研究不同种植模式下青贮玉米对不同施氮量的响应，通过观测青贮玉米各时期的生长发育指标的生物产量及氮肥吸收利用指标，分析种植模式、施氮水平对青贮玉米生长发育性状、产量形成和氮素利用效率的影响，为响应化肥零增长背景下青贮玉米大面积高产高效栽培提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在云南省昆明市寻甸县云南农业大学现代农业教育科研基地（海拔1 864 m，25°31′N、103°16′E），属于典型北亚热带季风气候，年平均气温14.8 ℃，全年平均日照时数2 059.8 h，年均降水量在900～1 000 mm之间。播种前0～20 cm土层pH值为7.69，有机质含量17.43 g/kg，全氮含量 1.01 g/kg，全磷含量2.71 g/kg，全钾含量 19.81 g/kg，碱解氮含量90.43 mg/kg，速效磷含量 3.12 mg/kg，速效钾含量206.55 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采取2因素（种植方式和施氮水平）随机区组设计，种植方式分别为：玉米单作（M）、玉米‖苜蓿（MA）、玉米×白三叶草（MW），施氮量（纯氮）为：N1=207 kg/hm2，N2=276 kg/hm2，N3=345 kg/hm2，其中，345 kg/hm2为当地种植青贮玉米常规施氮量，另外2个水平分别为常规施氮量的80%和60%，共9个处理，重复3次。另外，分别设置3种种植模式下不施氮的对照（CK）处理，仅取产量数据，用于计算氮肥吸收利用效率时使用，田间管理与试验处理管理一致。试验小区面积为4.0 m×3.5 m，区组和小区间分别设置1.0 m和0.5 m宽走道。

青贮玉米供试品种为“曲辰九号”，为云南省种植面积较大的青贮玉米品种;豆科牧草供试品种为紫花苜蓿（Medicago sativa L.）和白三叶草（Trifolium repens L.）。青贮玉米种植密度83 325株/hm2，各处理青贮玉米种植密度相同，单株留苗，分别在2019年5月4日和2020年5月17日播种，2019年8月25日和2020年9月2日收获，2年播种方式均为沟播。单作和混作白三叶草处理青贮玉米采用等行距种植，行距60 cm、株距20 cm，间作苜蓿处理青贮玉米采用宽窄行种植方式，宽行80 cm，窄行40 cm，株距 0 cm。苜蓿与白三叶草于2019年4月1日播种，苜蓿种植在2行玉米间，间作比例为2 ∶2，苜蓿条播，行距20 cm，苜蓿与玉米间距40 cm，播种量 30 kg/hm2。白三叶草采取撒播，播种量为15 kg/hm2。底肥一次性施入普钙（过磷酸钙）750 kg/hm2、硫酸钾150 kg/hm2、精制有机肥7 500 kg/hm2。氮肥选用纯氮含量为40%尿素，按纯氮纯氮施入量N1=207 kg/hm2，N2=276 kg/hm2，N3=345 kg/hm2进行施用，分基肥、拔节期和大喇叭口期3次施肥，3次施肥比例为30%、20%、50%。所有处理采用相同的除草和病虫害防治措施。

1.3 测定项目与方法

在小区中部随机标记10株青贮玉米作为测量样株，在乳熟期观测标样株的株高、茎粗和叶面积，株高测定茎节基部到植株顶部的长度;茎粗用游标卡尺测定地上第3节直径，叶面积指数为单位面积叶面积，叶面积用叶宽系数法测量（叶面积=叶长×叶宽×0.75）。在抽雄期、乳熟期测量相对叶绿素含量（SPAD值），叶片叶绿素含量选取玉米穗位叶采用叶绿素仪SPAD-502进行测定。在青贮玉米乳熟期，各小区全部收获称量鲜质量后计算鲜草产量。随机选取5株样品，105 ℃杀青30 min，80 ℃ 烘干至恒质量后称量干质量，计算青贮玉米干草产量。植株氮含量采用H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法测定植株全氮含量。分别用氮肥利用率、吸收效率、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力和氮肥贡献率表征肥料利用情况，相关计算公式如下：

氮素吸收效率=植株地上部氮素积累量/施氮量×100%;（1）

氮肥利用效率=（施氮肥区植株地上部氮素积累量-不施氮肥区植株地上部氮素积累量）/施氮量×100%;（2）

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮处理产量/施氮量;（3）

氮肥贡献率=（施氮肥区产量-不施氮肥区产量）/施氮肥区产量×100%;（4）

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮肥区产量-不施氮肥区产量）/施氮肥量[16-17]。（5）

1.4 数据处理与分析

数据采用Microsoft Excel 010进行整理，采用SPSS 5统计软件进行统计分析，采用Duncan’s检测法进行处理间A-NOVA方差分析。

2 结果与分析

2.1 种植模式和施氮量对青贮玉米生育性状的影响

由表1可知，施氮量对青贮玉米株高、茎粗和叶面积指数的影响差异均达极显著水平（P<0.01），种植模式对株高和叶面积指数的影响差异达极显著水平（P<0.01），对茎粗的影响不显著（P=0.245），株高和叶面积指数在2019年和2020年间差异达极显著（P<0.01）。年份和种植模式对株高、茎粗和叶面积指数的交互影响均达显著水平（P<0.05），种植模式和施氮量对叶面积的交互影响达极显著水平（P<0.01），其他交互作用均不显著。

通过比较不同处理株高、茎粗和叶面积指数差异，由图1可知，株高、茎粗和叶面积指数均随施氮量减少而呈现降低趋势，尤其是在单作条件下，显著降低青贮玉米茎粗和叶面积指数，2019年和2020年常规施氮青贮玉米叶面积指数分别比减氮20%和减氮40%高出1.77%、11.51%和4.09%、16.79%。间作苜蓿和混作白三叶草对青贮玉米株高和茎粗的影响在不同的年份间差异不一致，而总体表现出提高叶面积指数，尤其是混作白三叶草能显著提高不同施氮水平下青贮玉米叶面积指数。单作条件下，减氮40%降低叶面积指数21.83%;间作苜蓿和混作白三叶草条件下，减氮40%降低叶面积指数3.29%和3.96%，说明间作苜蓿和混作白三叶草能有效缓解减氮带来的叶面积指数降低的现象。

2.2 种植模式和施氮量对青贮玉米叶片相对叶绿素含量（SPAD值）的影响

相对叶绿素含量（SPAD值）作为衡量叶片叶绿色含量的重要指标，与植物氮素营养有密切的关系。由表2可知，施氮量对抽雄期和乳熟期青贮玉米叶片SPAD值影响差异达极显著水平（P<0.01），种植模式对抽雄期青贮玉米叶片SPAD值影响差异极显著（P<0.01），在2019年和2020年间SPAD值差异也达极显著水平（P<0.01），种植模式、施氮量和年份之间的交互作用均不显著（P>0.05）。

由图2可知，在青贮玉米单作种植模式下，SPAD值随着施氮量的减少呈现降低趋势，在2019年乳熟期和2020年抽雄期达显著降低趋势，2年抽雄期减氮40%比常规施氮分别降低3.44%和5.65%，乳熟期减氮40%比常规施肥分别降低4.03%和1.89%。在间作苜蓿条件下，青贮玉米叶片SPAD值比单作和混作白三叶草处理低，且随着施氮量的降低SPAD值逐渐下降，但仅在2020年乳熟期达显著降低。在混作白三叶草模式下，SPAD值高于单作和间作苜蓿模式，随着施氮量的降低也表现出下降的趋势，但不同年份不同生育时期均未表现出差异显著性，提示混作白三叶草能降低减氮对SPAD 值下降的影响。

2.3 不同种植模式和施氮水平下青贮玉米的產量差异

由表3可知，施氮量对青贮玉米鲜饲草量和干物质量的影响均达极显著水平（P<0.01），而种植模式和年份对青贮玉米鲜饲草量和干物质量影响不显著（P>0.05），且种植模式、施氮量和年份间的交互作用对青贮玉米鲜饲草量和干物质量的影响均不显著（P>0.05）。

由图3可知，青贮玉米鲜饲草量和干物质量均呈随施氮量的减少而减少的变化趋势，在单作和混作白三叶草条件下，减氮40%鲜饲草量均显著低于常规施氮，单作和混作白三叶草2019年和2020年减氮40%鲜饲草量分别比常规施氮减产12.8%、8.9%和10.0%、9.8%;且在单作条件下，减氮40%显著降低了青贮玉米干物质量，较常规施氮减少了26.4%和15.8%，间作苜蓿和混作白三叶草减氮40%在2019和2020年分别减少了17.7%、4.8%和11.7%、5.5%。且间作苜蓿和混作白三叶草在各施氮水平下对青贮玉米鲜饲草量均有增加作用，在减氮40%水平下能增加青贮玉米干物质量。提示间作苜蓿和混作白三叶草不仅能缓解减氮造成的青贮玉米减产，还能提高青贮玉米的鲜饲草量。

2.4 种植模式和施氮水平对青贮玉米氮素吸收利用的影响

由表4可知，施氮量对青贮玉米氮肥利用率、氮素吸收效率、氮肥偏生产力、氮肥农学效率和氮肥贡献率的影响均达极显著水平（P<0.01），种植模式对氮肥吸收利用相关参数的影响差异不显著（P>0.05），在不同年份间氮肥吸收利用相关参数差异达到了显著（P<0.05），种植模式和施氮量与年份的交互作用对氮肥利用率和氮素吸收利用效率的差异达到显著水平（P<0.05），其他交互作用均不显著（P>0.05）。

由图4可知，种植模式和施氮量对青贮玉米氮肥吸收和利用的影响2年规律不一致。2019年在不同的施氮量水平下，均表现出间作苜蓿和混作白三叶草降低了青贮玉米的氮肥吸收效率、氮肥利用效率、氮素农学效率和氮肥偏生产力，大小依次为：单作>混作白三叶草>间作苜蓿。在减氮40%水平下，单作处理氮肥利用率比间作苜蓿和混作白三叶处理高26.7%和13.6%，差异显著;在减氮20%水平下，单作处理比间作苜蓿和混作白三叶草处理高14.3%和16.7%，差异显著;在常规施氮水平下，单作处理比间作苜蓿和混作白三叶草处理高13.2%和8.9%，但差异不显著。2020年，在不同的施氮量水平下，均表现出混作白三叶草、间作苜蓿处理氮肥吸收效率、氮肥利用效率、氮素农学效率和氮肥偏生产力大于单作处理，大小依次为：混作白三叶草>间作苜蓿>单作。在减氮40%水平下，单作处理氮肥利用率比混作白三叶草和间作苜蓿低32.9%和23.1%;在减氮20%水平下，单作处理氮肥利用率比混作白三叶草和间作苜蓿低25.3%和15.6%;在常规施氮水平下，单作处理氮肥利用率比混作白三叶草和间作苜蓿低16.9%和8.5%。

在不同的种植模式下，均表现出减氮处理能提高青贮玉米对氮肥的吸收和利用效率，2020年混作白三叶草和间作苜蓿能进一步提高减氮条件下青贮玉米对氮素的吸收和利用。

3 讨论

3.1 种植模式和施氮量对青贮玉米生长发育和产量形成的影响

青贮玉米作为收获全株生物产量的饲料作物，生物产量与生长发育状况有直接关系。研究表明，株高、茎粗、穗位等性状与生物产量均呈正相关，其中，株高直接影响着生物产量的高低，植株越高生物产量就越高[18];种植模式作为影响玉米生长发育的重要栽培措施，因此多样性种植模式的合理搭配能促进作物的生长、提高作物的生物产量。高慧等研究发现，玉米与豌豆间作提高玉米的产量，促进玉米叶面积指数提高[19]，本研究结论与之基本一致。但本研究青贮玉米间作苜蓿和混作白三叶草株高、茎粗并未表现出明显的间混作优势，这可能与青贮玉米和苜蓿、白三叶草的竞争有关，株高、茎粗与光照环境的关系更为密切[20]，苜蓿和白三叶草相对于青贮玉米都是矮位植物，与青贮玉米的竞争关系更多体现在地下部，可能对地上部株高和茎粗的竞争影响较小。除此之外，不同种植模式对青贮玉米农艺性状的影响在2年间表现出一定的差异性，这可能与第1年种植苜蓿和白三叶草发挥固氮作用不明显有关。

间混作系统内既存在种间竞争关系，又存在种间互补关系[21]。青贮玉米与苜蓿间作和白三叶草混作目的是利用豆科牧草的固氮能力，为青贮玉米生长发育提供一定的生物固氮量补充。本研究结果显示，不同施氮水平下，间作苜蓿和混作白三叶草对青贮玉米的生长发育影响不一致，在减氮40%条件下，混作白三叶草能显著提高玉米叶面积指数和干物质量，同时也能一定程度上提高青贮玉米叶片SPAD值。这与刘培和王飞等的研究结果[22-23]一致。而在常规施氮条件下，间作苜蓿和混作白三叶草并没有显著提高玉米的生育指标和产量，这可能因为在氮素充足的条件下，豆科作物固氮能力受到抑制[24-26]，从而不能体现出间混作目标作物提供养分促进生长作用。因此，间作豆科牧草，尤其是混作白三叶草，能够在减氮条件下促进青贮玉米的生长和产量的提高。

3.2 种植模式和施氮量对青贮玉米氮肥吸收利用的影响

玉米是高需氮作物，尤其是青贮玉米，而氮肥的施用量与作物对肥料的吸收利用有非常紧密的联系[27]。氮肥施用量大，会降低作物对氮素的利用效率[17，28]和造成环境污染[29]，而施用量过小又不能保证作物获得较好的产量效益。本研究在单作模式下减氮40%降低玉米产量提高氮素利用率结果与之一致。但在多样性种植条件下，尤其是与豆科牧草间混作，能够提高氮素利用率，减少氮肥的投入。在实际生产中，有不少采用禾豆科间混作的种植模式，以期改善作物对肥料的吸收利用，其主要原理是在禾豆科间混作系统中，具有固氮作用的豆科作物减少了对于土壤中氮素的吸收量且可以将一定量的氮素转移给禾本科作物，从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，减弱了豆科作物的“氮阻遏”现象[31]，从而提高了间混作系统对氮素的利用效率，减少生产过程中氮肥的用量。本研究2020年的试验表明，间作苜蓿和混作白三叶草能够显著提高低氮（减氮40%）条件下青贮玉米对氮肥的吸收利用效率，这可能与青贮玉米加强了对豆科牧草根瘤固氮的吸收有关。不同种植模式对氮素吸收利用率的影响在2年间表现不一致，可能与第1年间作苜蓿和混作白三叶草时间较短，豆科牧草固氮量积累不够有关，导致其不能对青贮玉米提供额外的氮素补充，使得与青贮玉米间存在的竞争关系大于互补关系。这与张桂国等对苜蓿玉米间作系统产量表现及其种间竞争力在不同年份间的表现研究结果[32]一致。因此，发挥苜蓿或白三叶草间混作的固氮作用，能促进青贮玉米对氮素的吸收利用效率，保证减氮20%～40%条件下生物產量的收成。

4 结论

本研究发现，青贮玉米作为追求收获高生物产量的饲料作物，在常规单作模式下，减氮会显著降低青贮玉米的产量，但能促进青贮玉米对氮素的吸收利用，尤其是减氮40%条件下能显著提高青贮玉米的氮肥吸收利用效率。采用间作苜蓿和混作白三叶草能显著提高减氮条件下青贮玉米对氮素的吸收和利用效率，促进青贮玉米产量的提高，而对常规施氮条件的促进作用不明显。在混作白三叶草种植模式下，减氮20%能保证青贮玉米产量与常规施氮种植一致，可作为保障“粮改饲”背景下化肥零增长的栽培措施应用于生产。

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