绿肥还田条件下水氮协同减施对玉米稳产增效的机制研究

《Agronomy》：Green Manure Enables Reduced Water and Nitrogen Inputs with Sustained Yield in Maize

本研究通过两年田间试验证实，在绿肥还田基础上同步减少20%灌溉(3240 m3·ha?1)和施氮量(288 kg·ha?1)可维持玉米叶面积指数(LAI)、净光合速率(Pn)、干物质(DM)积累与产量(GY)稳定，同时显著提升水分利用效率(WUE)7.6%和氮素利用效率(NUtEg)11.7%，为干旱灌区农业可持续发展提供关键技术路径。

　　

1. 引言

全球干旱半干旱地区作物生产面临水资源短缺与养分管理低效的双重挑战，尤其在西北干旱灌区，传统高水肥投入模式导致水分利用效率(WUE)低下(<40%)及氮素淋溶等环境问题。豆科绿肥还田作为改善土壤健康的关键措施，其生物固氮作用可替代部分化学氮肥，但绿肥还田后玉米种植仍沿用传统灌溉(4050 m³·ha^?1)与施氮量(360 kg·ha^?1)，未能充分发挥绿肥的节肥节水潜力。本研究聚焦绿肥还田背景下水氮协同优化机制，探究减量灌溉与氮肥投入对玉米光合生理、干物质积累及产量形成的调控路径。

2. 材料与方法

试验于2023-2025年在甘肃武威绿洲农业试验站进行，采用春小麦-箭筈豌豆-玉米轮作模式。裂区设计主区为灌溉量3水平(I1:4045, I2:3240, I3:2430 m³·ha^?1)，副区为施氮量3水平(N1:360, N2:288, N3:216 kg·ha^?1)。测定指标包括土壤含水量(SWC)、土壤全氮(STN)、叶面积指数(LAI)、净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、SPAD值、干物质(DM)积累及籽粒产量(GY)，并通过结构方程模型(SEM)解析各因子互作网络。

3. 结果

3.1. 水氮利用效率提升

水氮互作效应对WUE与NUtEg影响显著。I2N2处理较常规管理(I1N1)WUE提升7.6%，NUtEg提高11.7%(p<0.05)，而单一重度减水(I3)或减氮(N3)均导致效率指标下降17.4-23.6%。表明适度协同减量可激活绿肥的资源补偿效应。

3.2. 产量构成稳定性

I2N2处理产量组分(穗数、穗粒数、千粒重)与I1N1无显著差异，维持GY约12.5 t·ha^?1。重度减量处理(I3或N3)则使GY降低17.9-42.0%，证实20%水氮减量阈值可保障稳产。

3.3. 干物质积累动态

Logistic方程拟合显示I2N2处理最大积累速率(V_max)提高9.3%，达峰时间(t₅₀)延后2.9天，干物质积累量在V12-R6阶段无显著差异，体现绿肥对物质积累的“延衰增效”作用。

3.4. 冠层光合特性

I2N2处理在灌浆期LAI与SPAD值波动范围≤5.2%，P_n和T_r与I1N1持平，而I3N3处理P_n降低16.3%。绿肥通过维持叶片功能期缓解了中度水氮胁迫对光合器官的抑制。

3.5. 土壤水氮环境

在0-110 cm土层，I2N2处理SWC与STN分布与I1N1相似，而I3N3处理导致深层土壤水分亏缺达27.6%。绿肥还田改善土壤结构，增强水氮耦合缓冲能力。

3.6. 生理生态通路解析

结构方程模型揭示SWC与STN通过调控LAI(路径系数0.62)和SPAD(0.48)间接影响P_n/T_r，最终驱动DM积累并决定GY(R²=0.81)，明确“土壤-冠层-光合-产量”级联响应机制。

4. 讨论

绿肥还田协同水氮减施通过三重路径实现增效：一是绿矿氮源耦合优化土壤微环境，延缓叶片衰老；二是冠层结构优化提升光能捕获效率；三是水氮互作激发作物生理补偿效应。但长期土壤碳氮循环响应、不同气候年型适应性仍需多维度验证。

5. 结论

短期试验表明，绿肥还田背景下20%水氮协同减量可维持玉米产量稳定，同步提升WUE与NUtEg，为干旱灌区农业绿色转型提供技术支撑。未来需通过¹⁵N示踪等技术量化绿肥氮贡献，并开展多生态区长期定位观测以完善技术范式。