秦文利

（河北省農林科學院農業(yè)資源環(huán)境研究所/河北省肥料技術創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050051）

河北省是我國的糧食主產省，冬小麥—夏玉米一年兩熟是該區(qū)主要的糧食種植制度。水資源嚴重短缺、化肥過量投入引起的生態(tài)退化，嚴重制約著河北省糧食的可持續(xù)發(fā)展。削減依賴于灌溉的冬小麥種植面積、降低農田灌水消耗量、充分發(fā)揮雨熱同季的春玉米產量潛力是解決河北省水資源危機、保障糧食安全的一個重要途徑。隨著國家化肥農藥零增長目標的提出，綠肥成為替代化肥的重要肥源。春玉米冬閑田種植豆科綠肥，可覆蓋地表、吸碳固氮，實現(xiàn)養(yǎng)分良性循環(huán)，提高肥料利用率，降低環(huán)境風險[1，2]。豆科綠肥對土壤氮素進行補充后，還可以促進根系對土壤水分和養(yǎng)分的吸收，提高木質部水流通量中的氮養(yǎng)分濃度，優(yōu)化葉片氣孔開度，提高蒸騰效率[3]。河北省冬春季節(jié)降水大多為小雨，如果沒有作物生長，這些降水資源易變?yōu)橥寥勒舭l(fā)損失。通過種植冬綠肥的覆蓋，可減蒸保墑，實現(xiàn)冬春季降水資源的高效利用。但冬綠肥干物質積累需要消耗土壤水分，這是否會影響下茬作物的生長？其水氮復合效應能否彌補這種不利的影響？作者對豆科冬綠肥的水氮復合效應進行了闡述，并進一步分析了其對后茬春玉米生長的影響，旨為缺水區(qū)冬閑田綠肥復種生態(tài)養(yǎng)地型種植制度的建立提供理論依據(jù)。

1 豆科綠肥的氮素供應特征及其對土壤氮養(yǎng)分供應能力的影響

氮是作物生長和產量形成的首要必需元素，也是造成環(huán)境污染的主要元素。在土壤—植物系統(tǒng)中，豆科綠肥作物通過吸收土壤中的殘留肥料氮和難溶性氮，以及固定空氣中的游離態(tài)氮，實現(xiàn)農田氮素累積，通過翻壓還田可腐解釋放氮養(yǎng)分，補充土壤氮素，實現(xiàn)氮素的良性循環(huán)[4，5]。豆科綠肥植株氮養(yǎng)分積累、釋放規(guī)律決定著其對土壤的氮養(yǎng)分供應能力，影響著土壤氮素的變化動態(tài)及其對后茬主作物氮養(yǎng)分的供應[6，7]。生物量和植株氮含量決定了豆科綠肥田間養(yǎng)分積累總量。綠肥植株生物量積累和氮養(yǎng)分積累均符合生長曲線規(guī)律[6]。播期、綠肥種類等均影響豆科綠肥作物田間氮素的積累量。趙秋等[8]在天津的試驗結果表明，春玉米冬閑田秋播的毛葉苕子每年氮積累量平均為144.68 kg/hm2。郭耀東等[9]在山西省山陰縣的試驗結果表明，夏播毛葉苕子、田菁、草木樨、紫花苜蓿、箭筈豌豆等豆科綠肥作物的田間氮積累量分別為195.4、68.0、165.9、115.3和98.6 kg/hm2。

綠肥翻壓時期應結合生物量積累和養(yǎng)分含量確定。翻壓過早，養(yǎng)分積累量少且易流失；翻壓過晚，植株碳氮比高，不利于綠肥植株養(yǎng)分的快速釋放。初花期至結莢期是豆科綠肥的適宜翻壓期。翻壓后，綠肥氮養(yǎng)分釋放速率呈現(xiàn)前期快、后期慢的規(guī)律。寧東峰等[10]在山東棉田的研究表明，毛葉苕子翻壓后43 d內腐解率為77.5%，至第113天時腐解率為89.5%。氮在翻壓后21 d內礦化率即達60%以上。豆科綠肥翻壓還田后可以顯著增加土壤全氮和堿解氮的含量，并影響不同形態(tài)氮素在土壤中的時空分布。韓梅等[11]研究發(fā)現(xiàn)，當毛葉苕子還田量為2×104kg/hm2時，后茬油菜播前、苗期、花期、成熟期0～100 cm土層的全氮、堿解氮和銨態(tài)氮積累量升高，而硝態(tài)氮積累量降低。豆科綠肥可增強土壤氮素供應能力而替代氮素化肥，有利于減輕環(huán)境負荷。王飛等[12]研究表明，單季稻田連續(xù)翻壓紫云英能促進下茬水稻植株對來自紫云英礦化氮的吸收，可替代40%的氮素化肥。

目前，國內外研究主要集中于豆科冬綠肥植株的氮素積累、釋放規(guī)律及其對土壤的培肥效應等方面，而對北方缺水區(qū)豆科冬綠肥翻壓后土壤氮養(yǎng)分供應特征與下茬作物氮養(yǎng)分需求特征是否匹配以及在此基礎上應建立的減量施氮模式還缺乏深入、系統(tǒng)的研究，加強該方面的研究對減輕環(huán)境污染、促進糧食綠色生產具有重要意義。

2 豆科綠肥的農田耗水特征及其對土壤水分平衡的影響

土壤水分的無效蒸發(fā)和作物對土壤水分的有效蒸騰共同構成了農田水分耗散結構。降低土壤蒸發(fā)耗水，提高作物冠層蒸騰效率，可優(yōu)化農田水分耗散結構[13]。土壤蒸發(fā)量與土壤表層所接受的光輻射能量和含水量呈正相關[14]。種植冬綠肥能有效阻斷土壤表面與大氣的直接接觸，減少地表所接受的光輻射能量，降低土壤蒸發(fā)強度。綠肥生長消耗土壤水分可降低土表含水量，有利于減少土壤水分蒸發(fā)。Correia等[15]研究表明，豆科綠肥作物覆蓋果園地表，能降低土壤蒸發(fā)占總蒸散量的比重，提高果園生態(tài)系統(tǒng)蒸騰效率。因此，冬閑田種植冬綠肥能減少土壤水分蒸發(fā)損失。豆科冬綠肥的種植與還田還能改善土壤物理性質，增加土壤滲透能力，集蓄降水，這均有利于改善土壤水分的收支平衡。

但綠肥作物的干物質積累需消耗一定量的土壤水分，這將降低下茬作物可利用的土壤貯水，可能導致減產。Restovich等[16]研究發(fā)現(xiàn)，極干旱年份種植覆蓋作物將導致后茬作物減產。Qin等[17]研究表明，與夏玉米相比，種植夏大豆平均減少下茬虧缺灌溉冬小麥播前土壤貯水95.2 mm，導致冬小麥嚴重減產。但上茬作物的種植并不都導致后茬減產，這與其生長過程中消耗的土壤水分量有關[18]。因此，探明冬閑田種植豆科綠肥作物后農田耗水特征、土壤水分在不同深度的變化、土壤水分收支平衡變化以及這些變化對下茬作物的影響，對削減綠肥作物生長耗水對下茬作物的不利影響具有重要意義。

3 豆科綠肥的水氮復合效應

水和氮是影響作物產量形成的2個關鍵因子，二者相互作用、相互影響。水是植物吸收氮素的載體，土壤水分條件影響著氮素對植物的有效性。隨著土壤含水量的降低，作物產量對氮肥的響應程度降低，過量施氮將加重根系對土壤干旱的敏感性，引起作物減產。合理施氮可促進根系吸水。一方面，細胞內硝態(tài)氮濃度的增加改變了細胞膜的滲透特性[19]；另一方面，硝態(tài)氮可加強水通道蛋白的進一步表達[20]，二者均可提高作物根系水力傳導度。氮也可通過調控氣孔開度提高冠層蒸騰效率。因為隨低氮土壤中NO3-含量的增加，氣孔導度呈雙曲線變化，其機理可能與NO3-影響脫落酸（ABA）誘導氣孔開閉有關[21，22]。在ABA誘導的氣孔運動過程中，NO3-不僅作為信號分子直接參與，而且還通過促進硝酸還原酶（NR）和亞硝酸還原酶（NIR）的表達提高葉片中NO的含量而引起氣孔關閉（NO是氣孔運動中ABA的下游信號分子）。

除通過補充土壤氮養(yǎng)分影響作物對土壤水分的吸收利用外，豆科綠肥還可以促進后茬作物根系深扎，利用深層土壤貯水。豆科綠肥根系強大，可穿插、切割土壤，降低土壤容重，減輕下茬作物根系下扎阻力。其根系的“生物鉆孔”（bio-drilling）功能可為后茬作物根系在土壤中的生長提供通道[23]。根系具有趨肥性，深層施肥可促進根系深扎[24]。因此，綠肥深層根系分泌物、根際沉淀物以及死亡根系腐解釋放的養(yǎng)分均能誘導主作物根系深扎，吸收深層土壤的水分和養(yǎng)分。

4 豆科冬綠肥水氮復合效應對下茬春玉米的影響

豆科冬綠肥的水氮復合效應終將通過影響下茬作物對土壤水氮的吸收利用而影響產量形成過程。合理施氮不僅可促進玉米生長，加強葉片光合作用，為子粒發(fā)育制造更多同化產物，滿足其對營養(yǎng)的需求，還可提高雌穗分化小花的受精率、結實率，減少子粒敗育率，增加穗粒數(shù)；同時，促進光合產物向子粒轉移，增加粒重，提高產量。綠肥翻壓后，氮養(yǎng)分主要在后茬春玉米苗期、拔節(jié)期釋放[10]；而在大喇叭口期、抽穗期、開花期、吐絲期、灌漿期等決定穗粒數(shù)、粒重等產量因子形成的關鍵生育期，綠肥養(yǎng)分釋放逐漸減少，這時應加強來自化肥的氮養(yǎng)分供應。玉米苗期遭受一定程度的干旱可促進根系深扎，復水后由于補償效應可提高植株生長速率。拔節(jié)期至灌漿期是決定玉米產量形成的關鍵生育期，此時發(fā)生干旱將嚴重阻礙玉米營養(yǎng)生長和生殖生長的進程，導致根系養(yǎng)分吸收能力減弱、葉片光合能力下降，不能為生殖生長供應充足的同化產物，降低花粉和花絲的質量以及雌穗小花的受精率、結實率，影響玉米子粒的庫容建成和充實，造成穗粒數(shù)減少、粒重下降，最終減產[25]。春玉米對水分消耗較大的生育期均處于河北省集中降雨時期。而冬閑田種植豆科冬綠肥對土壤貯水的消耗將影響春玉米生育早期對土壤水分的需求，這是否會對春玉米的產量形成造成不利影響？枯水年型下豆科冬綠肥對土壤貯水的消耗特征將對下茬春玉米不同生育階段水分需求規(guī)律和產量形成過程產生怎樣的影響？明確這些問題將有助于缺水區(qū)冬閑田綠肥復種生態(tài)養(yǎng)地型種植制度的建立。