黑麦覆盖作物后玉米氮肥施用时机优化研究：美国印第安纳州不同生育期追氮对产量与氮素利用的影响

本研究系统探讨了美国印第安纳州玉米（Zea mays L.）种植体系下，前茬黑麦覆盖作物（Rye Cover Crop, RCC）对土壤氮素动态及玉米产量的影响。通过大田试验发现，RCC会导致土壤硝态氮（NO3?-N）降低并引发氮固定现象，而早期营养生长阶段（V4-V6）追施氮肥（UAN, 28-0-0）可有效缓解RCC引起的氮胁迫，显著提高籽粒产量和植株氮含量（如R1期穗叶氮百分比）。研究强调，避免晚期（V9-V11）追氮对保障RCC后作玉米高产至关重要，为可持续农业中氮肥精准管理提供了实践依据。

　　

研究背景与意义

黑麦覆盖作物（RCC, Secale cereale L.）在玉米-大豆轮作体系中具有改善土壤结构、减少养分流失和提升有机质等多重环境效益，但其高碳氮比（C/N）残留物可能导致土壤氮固定和作物氮胁迫，进而造成玉米减产。美国印第安纳州仅8.2%的耕地采用覆盖作物，部分原因正是农户担忧RCC引发的氮管理难题。本研究通过多地点大田试验，系统评估了RCC后作玉米在不同氮肥施用时机下的响应，旨在为优化氮肥策略提供科学依据。

材料与方法

试验于2022–2023年在印第安纳州三个农业研究中心（ACRE、DPAC、SEPAC）开展，土壤类型包括粉砂壤土和粉砂黏壤土。试验采用随机区组设计，设置RCC与无覆盖对照，并比较三种氮肥施用方式：播种时5 cm侧深5 cm深施（5×5）44 kg N ha^?1启动肥+早期（V4–V6）追氮、5×5+晚期（V9–V11）追氮、5×5+早期+晚期分次追氮。总施氮量保持一致（201–235 kg N ha^?1），氮源为尿素硝酸铵（UAN, 28-0-0）或无水氨（82-0-0）。测定指标包括RCC生物量、碳氮含量、土壤无机氮（NH₄⁺-N和NO₃^?-N）、玉米植株氮含量、籽粒产量及构成因素（穗粒数和千粒重）。

核心发现

环境条件与RCC特征

两年试验期间，气温接近30年平均，但降水普遍偏少，尤其2022年6月ACRE和DPAC降雨量低于均值85 mm以上。RCC生物量及碳氮积累因地点和年份差异显著：ACRE的RCC碳氮比最低（11:1–14:1），氮吸收量最高（43.4–51.4 kg N ha^?1）；SEPAC的RCC碳氮比最高（24:1–29:1），易引发氮固定；DPAC因播种延迟生物量最低。RCC使土壤NO₃^?-N在5/6试点中显著降低（平均8.1 vs. 11.9 mg kg^?1），印证了其减少土壤无机氮的效应。

氮肥时机与产量的互作

RCC与氮施用时机存在显著交互作用（5/6试点）。无RCC时，晚期追氮在4/6试点导致减产，而早期+晚期追氮与早期追氮无差异。有RCC时，晚期追氮在全部试点、早期+晚期追氮在2/6试点均造成减产。总体而言，RCC使玉米平均减产7%（14,606 vs. 15,709 kg ha^?1），但采用5×5+早期追氮处理时，RCC与无RCC的产量在4/6试点无显著差异，表明早期氮供应可有效抵消RCC的负面效应。

产量构成与氮吸收响应

RCC并未降低玉米植株密度，说明产量损失主要源于氮胁迫而非立苗问题。晚期追氮显著降低RCC后作玉米的穗粒数（如ACRE 2023年减少12.3%）和千粒重（DPAC 2023年降低8.1%）。R1期植株氮含量测定显示，早期追氮处理在RCC条件下仍维持较高氮水平（ACRE整株氮含量3.09 g plant^?1），而晚期追氮导致氮吸收减少（SEPAC 2022年穗叶氮百分比下降6.2%）。分次追氮（早期+晚期）未表现出优于早期单次追氮的效果。

机制探讨与实践意义

RCC通过吸收土壤氮和微生物分解高碳残留（C/N>25:1）固定氮素，导致玉米早期生长阶段氮匮乏。早期追氮（V4–V6）恰逢玉米氮需求高峰，能及时弥补缺口；晚期追氮（V9–V11）则错过需求窗口，且可能加剧氮固定进程。本研究明确反对在RCC后作玉米中采用晚期追氮策略，推荐5×5启动肥结合V4–V6追氮的模式，以平衡高产与环境保护目标。

结论

黑麦覆盖作物后的玉米氮肥管理需高度重视时机选择。早期营养阶段追氮是缓解RCC诱导氮胁迫、保障产量的关键措施，而晚期追氮普遍导致减产。该结论为印第安纳州及类似生态区覆盖作物体系的氮肥优化提供了实证依据，对推动保护性农业可持续发展具有重要意义。