摘要
为了探究山西省黄土高原地区青贮玉米与豆科绿肥间作模式下减施氮肥对饲草产量及土壤养分的影响，青贮玉米间作豆科绿肥设置 4 个处理（Y1：玉米单播；Y2：玉米 +‘汾豆牧绿 9 号’大豆；Y3：玉米 +‘汾豆牧绿 2 号’大豆；Y4：玉米 + 拉巴豆），2 个氮肥梯度（Z1：施用 100% N；Z2：90% N），其中第一年正常施用氮肥，第二年开始减施氮肥。在青贮玉米收获期，测定混合饲草的鲜草产量、土壤养分含量和酶含量等指标。结果表明，在同一施氮量条件下，间作绿肥会提高混合饲草产量 2.58% ～ 13.03%，提高土壤全氮 4.09% ～ 17.60%、硝态氮 8.45% ～ 14.61%、铵态氮 0.88% ～ 8.00%、有机质 9.82% ～ 12.29%、脲酶 9.34% ～ 15.82%；减施 10% 氮肥会降低饲草产量 4.46%、土壤全氮 9.46%、硝态氮 7.51%、铵态氮 4.47%、有机质 2.13%、脲酶 5.39%、硝酸还原酶 3.63%、亚硝酸还原酶 5.87%。间作绿肥可以提升土壤养分含量和土壤酶活性且弥补由减氮 10% 所造成的产量损失，其中以间作拉巴豆并施用 90% 氮肥的处理效果最佳。
Abstract
To investigate the effects of nitrogen reduction on forage yield and soil nutrients under the intercropping pattern of silage corn（Zea mays）and leguminous（Leguminosae）green manure in the Loess Plateau region of Shanxi province，four treatments were set up for silage corn intercropped with leguminous green manure（Y1：corn + corn；Y2：corn + Mulu No．9 soybean；Y3：corn + Mulu No.2 soybean；Y4：corn + lablab bean），with two nitrogen fertilizer gradients（Z1：100% N application；Z2：90% N application）．In the first year，nitrogen fertilizer was applied normally，and nitrogen reduction began in the second year．During the silage corn harvest period，indicators such as fresh forage yield，soil nutrient content， and enzyme activity were measured．The results showed that under the same nitrogen application rate，intercropping green manure increased mixed forage yield by 2.58%-13.03%，and improved soil total nitrogen by 4.09%-17.60%，nitrate nitrogen by 8.45%-14.61%，ammonium nitrogen by 0.88%-8.00%，organic matter by 9.82%-12.29%，and urease activity by 9.34%-15.82%．Reducing nitrogen fertilizer by 10% decreased forage yield by 4.46%，soil total nitrogen by 9.46%，nitrate nitrogen by 7.51%，ammonium nitrogen by 4.47%，organic matter by 2.13%，urease activity by 5.39%， nitrate reductase activity by 3.63%，and nitrite reductase activity by 5.87%．Intercropping green manure could enhance soil nutrient content and enzyme activity while compensating for the yield loss caused by a 10% nitrogen reduction，with the treatment of intercropping lablab bean and applying 90% nitrogen fertilizer showing the best performance.
Keywords
我国是世界第一人口大国，但是耕地面积十分匮乏[1]，人均土地资源占比较少。人均耕地少、分布不均匀、不合理、质量差和生产力低是我国土地资源的现状[2]。近年来，随着城镇化快速发展，导致耕地面积逐年减少，所以需要在维持现有耕地面积的基础上提高单产，合理利用并保护耕地资源。
相较于其他谷类，我国在玉米的供给上始终保持自给自足[3]。玉米除了可以食用之外，大多作为饲草饲养牲畜，整株玉米经过青贮后可以作为优质饲草，因此，玉米享有“饲料之王”的美誉[4]。2020 年山西省玉米播种面积为 174.22 万 hm2，占农作物总播种面积的 49.19%[5]。氮素对各类作物的产量和品质有重大影响[6]。在农业生产中，施氮不足会造成农作物产量降低，而不科学施氮不仅会造成浪费，而且过多的氮肥会留存在土壤中，对土壤环境造成破坏[7]、改变土壤微生物群落结构、农田生物多样性丧失、水体富营养化和土壤酸化等问题[8]。产量和经济效益对现代农业发展同样重要，还应重视生态和可持续发展的理念。
绿肥作物，包括豆科植物和某些具有固氮能力的非豆科植物，通过自身的生物固氮作用或强大的根系吸收土壤中的养分，从而增强土壤的持水保肥能力，改善土壤结构。豆科绿肥与玉米间作，能够有效地利用其根部进行生物固氮，降低氮肥的施用量，从而降低农业生产成本，在间作模式中，不同作物行比对作物生长产量产生影响，现在国内玉米大豆间作的合适行比为 2∶2、2∶3[9-11]。同青贮玉米单播相比，与豆科作物间作能提高产草量且改善土壤状况。本研究在山西农业大学东阳实验基地开展，将拉巴豆（Dolichos lablab）、‘汾豆牧绿 2 号’ 大豆[Vigna radiata （L.）R.Wilczek]和‘汾豆牧绿 9 号’大豆[Vigna radiata （L.）R. Wilczek]分别与青贮玉米进行 2∶2 的间作模式，采用双因素裂区随机区组试验设计，研究不同施氮水平下间作不同豆科绿肥品种对饲草产量及土壤养分的影响，探索在青贮玉米与豆科绿肥间作条件下减少氮肥施用和改良土壤养分的新途径和新技术，旨在为黄土高原地区的青贮玉米高产优质栽培提供技术支持。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
本研究于 2023 年在山西农业大学东阳实验基地（37°39' N，112°64' E）进行，试验地基础土壤理化性状：有机质 14.35 g·kg-1、全氮 0.67 g·kg-1、碱解氮 26.99 mg·kg-1、全磷 0.66 g·kg-1、有效磷 9.11 mg·kg-1、全钾 22.08 g·kg-1、速效钾 86.87 mg·kg-1、土壤 pH 8.30。
1.2 试验材料
供试青贮玉米选用‘明玉 775 号’，为抗病性强、营养含量高、高产量的晚熟春玉米品种；拉巴豆、‘汾豆牧绿 9 号’大豆、‘汾豆牧绿 2 号’大豆均为营养含量高、鲜草量高、生长势旺盛的品种，均由山西农业大学农业高新技术市场购买。
1.3 试验设计
本研究采用双因素裂区试验设计，主处理为玉米间作绿肥处理，包括玉米单播（Y1）、玉米间作‘汾豆牧绿 9 号’大豆（Y2）、玉米间作‘汾豆牧绿 2 号’ 大豆（Y3）和玉米间作拉巴豆（Y4）；副处理区为氮肥梯度处理，包括当地常规施氮量（N 180 kg·hm-2， Z1）和减氮 10% 处理（N 162 kg·hm-2，Z2）。每个处理重复 3 次，小区规格为 6m×7m（42m2）。
试验采用玉米∶绿肥行比 2∶2 带状复合种植模式，设置 2 m 宽种植带（图1）。玉米播种密度为 57140 株·hm-2（单作区株距 30 cm，间作区株距 15 cm，行距统一为 50 cm），采用机械条播（每穴单粒）。绿肥作物播种参数如下：‘汾豆牧绿 9 号’与‘汾豆牧绿 2 号’播量 60 kg·hm-2，种植穴距 15 cm；拉巴豆播量 22.5 kg·hm-2，种植穴距 15 cm，行距同为 50 cm。玉米与绿肥均在最佳青贮期采用机械收获，根茬全部还田。2021 年所有小区均施用 N 180 kg·hm-2，P2O5 72 kg·hm-2，K2O 30 kg·hm-2，2022 和 2023 年减施氮肥，磷肥、钾肥不减施。试验于 2023 年 5 月 11 日播种，9 月 8 日收获。
图1田间种植示意图
1.4 测定指标及方法
青贮玉米成熟时，每个试验小区随机选取中间两行将其中 15 株进行全株刈割称重记取生物产量，带回实验室后采取 105℃条件下杀青 30 min，再用 75℃温度烘干至恒重，称干重，样品磨粉后装袋做好标记，常温环境保存备用。
土壤取样方法：收获期，每个小区用五点采样法取 0～20 cm 耕层土带回实验室，阴干后磨碎过 0.2 mm 筛测定土壤无机氮指标；用于测定氮转化酶的新鲜土壤样品过 2 mm 筛后置于 4℃ 冰箱冷藏，于 1 周内测定。土壤养分及酶活性测定：全氮含量测定采用凯氏定氮法，有机质含量测定采用重铬酸钾外加热法，碱解氮含量测定采用碱解扩散法，脲酶活性测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法。土壤硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性均用北京索莱宝科技有限公司试剂盒进行测定。
1.5 数据处理与统计分析
数据经 Excel2019 整理与计算后，利用 Origin2024 完成可视化分析；采用 SPSS 25.0 系统，基于随机区组设计的双因素方差分析框架，通过 Duncan 新复极差法进行多重比较，同步分析混合饲草产量及土壤养分指标的主效应显著性、互作效应强度及组间差异显著性。
2 结果与分析
2.1 间作不同绿肥与不同施氮量组合对饲草产量的影响
由图2可知，在相同的施氮水平下，间作豆科绿肥可以提高单位面积的饲草产量，其中 Y4Z1 处理（玉米 + 拉巴豆）的鲜草总产量居首。与单播青贮玉米相比，间作‘汾豆牧绿 9 号’、‘汾豆牧绿 2 号’、拉巴豆，其混合饲草产量分别增加了 5.65%、 2.58%、13.03%，差异显著（P<0.05）。
由表1数据可知，饲草产量与施氮量呈显著正相关。间作绿肥或不同施氮水平显著影响混合饲草产量，但二者的互作效应无显著影响。较 Y1 处理，间作不同绿肥饲草产量显著提高 2.58%～13.03%。Z2处理较 Z1 处理降低了 4.46%，由此可见，减氮对单位面积的生物产量影响显著（P<0.05）。豆科绿肥间作通过生物固氮作用于根际微生态调控，显著促进饲草的生物量积累，在减施氮肥 10% 条件下，间作体系通过补偿氮素亏缺，使混合饲草产量与常规施肥产量无显著差异。
图2间作不同品种绿肥下不同施氮水平的饲草产量
注：小写字母不同表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
表1不同绿肥和不同施氮水平下的混合饲草产量
注：同列不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。
2.2 间作不同绿肥与不同施氮量组合对土壤养分含量的影响
种植模式和氮肥施用水平，以及它们之间的相互作用，对土壤养分含量有显著影响（表2）。间作豆科绿肥显著影响土壤中的铵态氮、硝态氮和有机质含量，而施氮水平则显著影响土壤全氮含量。然而，这两者的相互作用对土壤全氮和有机质含量没有显著影响，但对铵态氮和硝态氮含量有显著影响（P<0.05）。
表2间作不同绿肥和不同施氮水平下的土壤养分含量
间作不同豆科绿肥可提高土壤全氮、土壤无机氮（铵态氮、硝态氮）和有机质含量，较 Y1 处理土壤全氮、铵态氮、硝态氮和有机质含量分别提高了 4.09%～17.60%、0.88%～8.00%、8.45%～14.61%、9.82%～12.29%。
不同施氮水平下，减少施氮量，土壤的全氮、铵态氮、硝态氮和有机质含量相应降低。Z2 处理的土壤全氮、铵态氮、硝态氮和有机质含量较 Z1 处理分别降低 9.46%、4.47%、7.51%、2.13%。
Z2 施氮水平下的 Y2、Y3 较 Y1Z1 处理土壤铵态氮、硝态氮含量分别降低 2.43%～2.66%、 2.35%～2.99%，Y4Z2 较 Y1Z1 处理土壤全氮、铵态氮、硝态氮和有机质含量分别提高了 6.06%、 3.47%、1.78% 和 10.81%。说明施氮水平对土壤养分含量影响较大，间作豆科绿肥与施氮水平互作效应弥补了由减施氮肥对土壤养分含量的影响。
减施氮肥会降低土壤各养分指标，间作豆科绿肥提高了土壤全氮、土壤硝态氮、铵态氮和有机质含量，且间作豆科绿肥、施氮水平存在交互作用。因此，弥补了由减施 10% 氮肥引起的土壤全氮、硝态氮、铵态氮和有机质含量的减少，提升了土壤肥力。
2.3 间作不同绿肥与不同施氮量组合对土壤酶的影响
通过分析豆科绿肥根茬还田对后茬青贮玉米土壤酶活性变化情况（表3）可知，与常规种植模式相比，所有的豆科根茬还田处理均改变了后茬土壤酶活性，间作豆科绿肥对土壤脲酶、亚硝酸还原酶活性影响显著，施氮水平对土壤硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的活性影响显著，二者的互作效应对其脲酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性均无显著影响 （P<0.05）。
间作不同豆科绿肥可提高土壤脲酶活性，降低土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性，较 Y1 处理土壤脲酶活性增加了 9.34%～15.82%，硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性分别降低了 3.37%～5.16% 和 6.61%～10.42%。
Z2 施氮水平下间作 Y2、Y3、Y4 较 Y1 处理土壤各指标中，不同绿肥与施氮量组合处理中，Y2、 Y3、Y4 处理脲酶活性显著提高了 6.96%～13.92%，硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性分别显著降低了5.48 %～7.27% 和 10.88%～12.03%。说明间作绿肥对土壤脲酶活性、硝酸还原酶活性和亚硝酸还原酶活性的影响较大，间作绿肥与氮肥施用水平的互作效应优化了绿肥的间作效果。
间作豆科绿肥与氮肥施用水平之间存在相互作用。减少 10% 氮肥的施用量会降低土壤中脲酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的活性。间作豆科绿肥提高了土壤脲酶活性，降低了土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性，弥补了由减施 10% 氮肥引起的土壤脲酶含量的减少，其中以 Y2Z1 处理表现最优。
表3间作不同绿肥和不同施氮水平下的土壤理化性质
3 讨论
3.1 间作不同绿肥与不同施氮量组合对饲草产量的影响
不同的种植模式下饲草产量存在显著差异，高秆和矮秆饲草作物合理搭配种植可以形成良好的通风透光条件，提高复合群体对光能的利用效率[12]，本研究中采用青贮玉米与豆科绿肥作物间作模式，提高了土地利用率和产出率，肖宇等[13]采用玉米、大豆 4 个间作种植模式以及玉米、大豆单作对照研究结果表明，两种作物间作种植呈现出随着玉米在间作系统中的比例增加，而产量增加的趋势。侯岳等[14]采用禾 / 豆饲草间套作归纳为以麦类 / 豆科饲草为主的矮秆饲草间套作和以青贮玉米 / 豆科为主的高矮秆饲草间套作，结果表明，矮秆饲草间作提高了麦类禾本科饲草的产量、品质和氮素吸收，且提高了大部分豆科饲草的产量和品质。本研究的结果与前人的研究一致，主要原因是禾 / 豆饲草间套作在种间地下部根系生态位的补偿作用。“直根系”和“须根系”的搭配可以充分利用地下生态位进行补偿，缓解地下空间的竞争，进而实现物种共存。如玉米 / 豆科作物间作体系中，两种作物在根系上有着显著差异，玉米属于须根系植物，冠根较多，豆科作物属于直根系植物，二者间作可充分利用不同生态位的土壤，获取相对的固定养分[15]，提高间作体系总的养分吸收[16]，这将促进植物地上部分的生长，从而提高生物产量。
3.2 间作不同绿肥与不同施氮量组合对土壤养分含量的影响
影响作物吸收过程的主要土壤因素包括全氮含量、碳氮比和有机质含量。旱地作物在土壤中吸收的氮主要为硝态氮，但也能够吸收铵态氮。土壤养分中氮素的供应水平限制了氮肥效果的提升以及产量增长的潜力[17]，豆科绿肥能够提高土壤氮素供应，改善土壤质量，原因是其根系含有根瘤菌，可以将空气中的氮气转化为氮化合物，增加土壤中的氮含量，从而提高土壤养分供应的有效性，促进植物生长[18]。本研究发现，在减氮 10% 的情况下，间作豆科绿肥显著提高了玉米农田 0～20 cm 土层的土壤全氮、土壤无机氮（铵态氮、硝态氮）和有机质含量，这可能是豆科绿肥的根瘤菌固氮能力和根茬还田增加了腐解量，根茬还田后，通过腐解作用以提升土壤养分和土壤有机质含量[19-20]。有研究表明，在一定范围内，随着蚕豆绿肥翻压量的增加，土壤中的全氮、矿化氮和硝态氮含量均会提升[21]。本研究还发现，种植豆科绿肥并将其根茬还田，能够提高玉米农田 0～20 cm 土层中的铵态氮和有机质含量。这得益于青贮玉米与豆科绿肥的间作方式，既保证了饲草的生物量，又能充分发挥豆科绿肥的氮肥效应，满足后续作物的养分需求，从而增加作物产量并改善土壤肥力[22-23]。因此，在减施10 % 氮肥条件下，青贮玉米间作豆科绿肥，可以很大程度的发掘绿肥的增肥潜力，提升山西地区土壤肥力，改善土壤环境。
3.3 间作不同绿肥与不同施氮量组合对土壤酶的影响
土壤酶与土壤微生物关系密切，其活性高低可反映土壤生物活性和生化反应强度，一定程度上也反映了作物对养分的吸收利用及生长发育状况[24-25]。研究发现，土壤微生物量和土壤酶活性能够较好地反映水肥管理、种植模式以及土地利用方式的变化[26-28]。本研究通过分析不同施氮水平下间作豆科绿肥的玉米农田的土壤及氮转化相关酶活性变化，较单播青贮玉米提高了收获期的土壤脲酶活性，证明豆科绿肥的根系可以为作物提供固氮能力，增加氮素供应，以提高作物产量[29]。本研究发现，在青贮玉米收获后，间作绿肥能够提升在减少氮肥施用情况下玉米农田的土壤脲酶活性。这可能是由于根茬还田增加了有机物含量，从而为土壤酶提供了更丰富的酶促基质[30]。硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性的高低反映了土壤反硝化能力的强弱[31]。本试验中，间作绿肥降低了玉米收获后种植系统的土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性，这与李含婷[32]的研究结论基本一致，种植豆科绿肥可以改善土壤团粒结构，增加大团聚体的数量，降低土壤容重，从而保持土壤良好的通透性，进而抑制反硝化过程[33-34]。然而，也有研究表明，大豆与高粱间作可以提高土壤中硝酸还原酶的活性[35]。可见，不同土壤酶活性的变化可能由于土壤酶类型、作物种类及种植模式的差异所致[36-37]，关于土壤酶活性及其机制的研究仍需进一步深入探讨。
4 结论
本研究表明，减氮 10% 的条件下间作豆科绿肥可进一步提高青贮玉米的氮肥利用率，改善土壤养分含量，补偿氮肥减施造成的青贮玉米产量损失，间作绿肥可以代替 10% 的氮肥施用量，其中以 90% 氮肥施用量间作拉巴豆产量最优，且对土壤全氮、硝态氮、铵态氮、有机质、脲酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶的提升效果最好。间作豆科绿肥对土壤养分含量的提升效果高于单播青贮玉米，其中以间作拉巴豆的的效果最优，其次是间作‘汾豆牧绿 2 号’，最后是间作‘汾豆牧绿 9 号’。减氮 10% 的情况下，虽然青贮玉米的生物量有所下降，但间作豆科绿肥的饲草的整体生物量高于青贮玉米单播。