粪肥部分替代尿素下玉米-大豆间作降低氨（NH3）挥发并提高产量与水分利用效率（WUE）

《Agronomy Journal》：Partial manure substitution in maize-soybean intercropping reduces ammonia volatilization and increases yield and water-use efficiency

　　

禾本科与豆科间作是已被充分证明的增产策略，但其在水分利用效率（WUE）方面的有效性尚未得到充分认识。该研究旨在探讨粪肥和玉米-大豆间作对氨（NH₃）挥发、产量和WUE的影响。研究人员开展了一项为期2年的田间试验，采用三种种植制度：玉米单作（Zea mays L.）、大豆单作（Glycine max L.）和玉米-大豆间作，并设置四种氮（N）处理：对照、尿素、粪肥以及粪肥部分替代尿素（粪肥+尿素）。与玉米单作和大豆单作相比，玉米-大豆间作分别使NH₃挥发降低29%和18%，其中尿素施用导致的排放最高。间作玉米比单作玉米多生产43%的地上部生物量和48%的籽粒产量。粪肥+尿素处理通常具有最高的玉米地上部生物量和籽粒产量。间作中致密冠层使土壤蒸发比玉米单作降低6%、比大豆单作降低9%。同样，两年间作玉米的产量WUE比单作玉米高55%。水当量比（WER，即单作为生产与间作相同产量所需相对水量）为1.05–1.35，相对节水指数（间作耗水量与单作相比）为?13.4%至?25.7%，表明与单作相比，间作生产相同产量始终使用较少水分。在氮处理中，粪肥+尿素处理下玉米产量WUE最高。总体而言，将玉米-大豆间作与粪肥部分替代尿素相结合，是促进半干旱地区有韧性和可持续农业生态系统的一种有前景的农艺措施。

华北平原（NCP）是中国典型的半干旱集约化农区，年均降水仅400–500 mm，而冬小麦-夏玉米双熟制的年需水量达800–900 mm，水分亏缺严重；过量灌溉已导致地下水位以1.2 m/年速率下降，并可能使中国约15%的粮食产量因水资源短缺而减少。该区域农业水分利用效率（WUE）总体偏低，因此亟需通过多样化种植制度与养分管理实现节水增效。玉米-大豆间作被认为具有提高产量和WUE的潜力，但以往研究多关注产量优势、养分获取和农艺性状，对氨（NH₃）挥发和WUE的协同效应关注不足；有机与无机氮管理如何进一步影响该系统的水分与氮素损失也不清楚。为此，研究人员在河北栾城农业生态系统试验站开展了2018和2019年两个生长季的田间试验，设置玉米单作、大豆单作、玉米-大豆间作三种种植制度，以及对照、尿素、粪肥、粪肥+尿素四种氮处理（施氮量均为150 kg N ha^?1季^?1），系统测定了NH₃挥发、产量、种间竞争、土壤蒸发、蒸散量、WUE、水当量比（WER）和相对节水指数（ΔWU）。结果表明，间作显著降低NH₃挥发并提高玉米产量和WUE，粪肥部分替代尿素效果最佳，是半干旱区可持续农业的有效措施。

主要技术方法：研究在河北栾城农业生态系统试验站（华北平原典型半干旱区）开展，试验期为2018和2019年两个生长季。主要关键方法包括：动态气室法测定NH₃挥发；定期采样测定地上部生物量并在成熟期测产；通过土地当量比（LER）、侵害性、相对拥挤系数（K_ms）和竞争比率（CR）量化种间竞争；利用微型蒸渗仪称重法测定土壤蒸发（E）；采用中子水分仪监测0–200 cm分层土壤水分，以水量平衡方程计算蒸散量（ET）；据此计算水分利用效率（WUE）、水当量比（WER）和相对节水指数（ΔWU）；采用方差分析（ANOVA）与最小显著差数法检验处理效应。

3.1 NH₃挥发：通过动态气室法在两个生长季定期测定，发现种植制度和氮处理均显著影响NH₃挥发。玉米-大豆间作平均比玉米单作和大豆单作分别减少NH₃挥发29%和18%；尿素处理的排放最高，粪肥处理最低，追肥期排放显著高于基肥期。

3.2 产量与地上部生物量积累：通过成熟期测产和生长季定期采样，间作玉米比单作玉米平均增产地上部生物量43%、籽粒产量48%；其中粪肥+尿素处理始终获得最高玉米生物量和籽粒产量，比无氮对照平均高38%和52%。大豆在间作下地上部生物量较单作降低，籽粒产量与单作差异不显著；氮肥对大豆产量无显著影响。

3.3 LER与种间竞争：通过计算土地当量比、玉米侵害性、相对拥挤系数（K_ms）和竞争比率（CR），所有氮处理下间作LER均大于1，粪肥+尿素处理最高，生物量和籽粒产量LER分别为1.28和1.32。玉米的分LER均大于0.5，大豆分LER均小于0.5；玉米侵害性大于0，K_ms大于1，CR_玉米平均为1.69，是大豆（0.60）的2.8倍，表明玉米是间作系统中的优势种。

3.4 不同种植制度下土壤水分的空间分布：通过中子水分仪监测0–200 cm土层水分，间作显著提高40 cm以下土层含水量；生长季末间作土壤储水量（SWS）比大豆单作高5.3%（2018）和4.5%（2019）。0–20 cm表土层三种制度差异较小，2019年因降水较多，各制度储水量比2018年高约11%。

3.5 水分利用特征：
3.5.1 土壤蒸发与作物耗水（E/ET）：通过微型蒸渗仪和水量平衡方程测定，间作土壤蒸发（E）平均比玉米单作低6%、比大豆单作低9%；各制度间蒸散量（ET）差异不显著，但玉米单作ET略高。粪肥+尿素处理E最低，对照处理E最高。
3.5.2 蒸发占蒸散比（E/ET）：间作和大豆单作的E/ET显著不同，大豆单作E/ET最高（57%和54%），间作较低；施氮处理均显著降低E/ET，表明氮肥促进作物蒸腾、减少土壤蒸发。
3.5.3 水分利用效率（WUE）：间作玉米生物量和籽粒产量WUE比单作玉米分别高50%和55%；间作大豆WUE则低于单作。氮肥显著提高玉米WUE，粪肥+尿素处理最高；玉米WUE与ET呈负相关，而大豆WUE与ET呈正相关，反映两种作物不同的水分响应特征。
3.5.4 间作的水当量比（WER）与节水（ΔWU）：所有处理WER均大于1，范围为1.05–1.35，说明间作以更少水分获得与单作相当的产量；ΔWU为?13.4%至?25.7%，表明间作平均节省约20%用水，其中粪肥+尿素处理节水最多，达25%左右。

讨论部分围绕四个主题展开。第一，NH₃挥发差异主要源于氮源类型：尿素快速水解提高局部pH，挥发潜力高；粪肥因含有机质可固持NH₄⁺并缓慢释放氮，挥发较低；粪肥+尿素介于二者之间。间作通过提高氮吸收、增加冠层遮阴、降低地表风速以及提升土壤阳离子交换能力，进一步减少NH₃排放。第二，间作产量优势源于玉米作为C4作物的高光合效率、边行效应和强竞争力，而大豆因受玉米遮阴、光辐射降低和倒伏而减产；因此LER大于1且玉米为优势种。第三，间作高WUE主要归因于土壤蒸发减少、根系空间分化和水分利用时间互补，以及玉米较高的蒸腾效率；单作玉米高ET主要消耗于非生产性蒸发，反而降低WUE。第四，粪肥改善土壤结构、增加有机质和微生物活性，与尿素配合可实现速效与缓效氮平衡，减少氮素损失并提高产量和WUE；尿素对大豆结瘤和共生固氮有抑制作用，而粪肥部分替代可缓解。

研究结论翻译：水分是华北平原农业生产最关键的限制因素，随着粮食需求增加和地下水位下降，这一挑战可能加剧。通过多样化种植制度和创新氮管理在田间和区域尺度提高农业WUE，对应对这些挑战至关重要。本研究测试的玉米-大豆间作系统展现出对该区域半干旱气候的良好适应性。研究结果显示，间作玉米籽粒产量显著高于单作玉米；尽管间作大豆籽粒产量略有下降，但总体土地生产力显著提高，表现为LER值显著升高。此外，间作主要通过减少土壤蒸发和蒸散量，使玉米籽粒产量WUE提高55%。在氮处理中，粪肥+尿素处理获得最高玉米地上部生物量和籽粒产量，并具有最高WUE；该处理的间作LER和WER值在两个生长季也最高。玉米-大豆间作还是一种节水种植制度，在粪肥+尿素处理下，间作比单作玉米和大豆节水约25%。研究人员认为，粪肥部分替代尿素并结合玉米-大豆间作，是发展半干旱地区韧性和可持续农业生态系统的一项有效农艺策略；但还需进一步研究以充分挖掘该间作系统潜力并优化其在多样农业生态情境下的应用。