高柔性玉米杂交种在覆盖作物系统中的表现：耕作与氮肥施用的交互效应

《Crops》：Flex Maize Hybrid Performance in Cover-Cropped Systems: Interactive Effects of Tillage and Nitrogen Fertilization

　　

同步覆盖作物残体氮（N）释放与玉米需氮对于半干旱灌溉生产系统中减少合成肥料依赖同时维持产量至关重要。优化氮肥用量对于维持玉米产量同时降低生产成本和环境影响至关重要。一项为期三年（2023–2025）在科罗拉多西部开展的研究评估了三种高柔性玉米杂交种（Zea mays L.）种植于三种前茬覆盖作物物种（毛叶苕子（Vicia villosa Roth）、黑麦（Secale cereale L.）以及毛叶苕子+黑麦混播）之后、两种耕作制度（条带耕作 vs. 常规耕作）和两种氮肥用量（推荐量的100% vs. 80%）下的表现。籽粒产量、果穗特征和农艺效率在杂交种间存在显著差异：高柔性杂交种DKC 105-33 RIB在各年份间持续比低柔性杂交种DKC 48-34 RIB增产1.5–2.5 Mg ha^?1并维持更高的生产力。杂交种×氮交互作用不显著，表明各杂交种对减氮的产量响应在统计学上相似。条带耕作在任何年份均未显著影响籽粒产量，表明减耕可在无产量损失的情况下实施，尽管其适度改变了叶面积指数、植株群体密度和收获指数。将氮肥用量从224降至179 kg N ha^?1降低了籽粒产量、收获指数和群体密度，但未影响株高、叶面积指数、穗密度或百粒重；覆盖作物氮供应范围为20.3至24.7 kg N ha^?1，主要受组织氮浓度而非总生物量调控；毛叶苕子尽管仅产生黑麦约三分之一的生物量，但提供了最大的氮 credit。总体而言，这些结果表明，将高柔性玉米杂交种与覆盖作物及减耕管理相结合，是在半干旱灌溉种植系统中优化玉米生产力同时减少合成氮投入的可行策略。

研究背景：玉米（Zea mays L.）是美国种植最广泛且经济重要性最高的行栽作物之一，2025年全国种植面积估计达3850万英亩，较2024年增长5%。在科罗拉多州，2025年玉米种植面积估计达65万公顷，较2024年增长约9.6%，处于该州历史较高水平。其中大部分生产集中在半干旱灌溉区域，如科罗拉多西部坡地，玉米系统仍严重依赖合成氮（N）肥以维持产量。高效氮管理对于维持玉米生产力同时最小化氮向环境的损失至关重要。免耕玉米系统的经济分析表明，最优氮用量及过量或不足施用的利润惩罚在很大程度上取决于耕作制度，强调氮与耕作决策不能独立优化，过量或同步不良的氮施用持续抬高投入成本并增加环境风险。因此，在不影响产量的前提下降低氮肥用量是种植者追求经济与环境可持续性的核心目标，但其可行性在很大程度上取决于品种特异性性状、耕作制度及其交互作用。在可增强作物韧性的遗传策略中，高柔性穗型玉米杂交种在资源可变条件下具有潜在优势，因为其产量组分的可塑性有助于在氮和水胁迫下稳定生产力。这种补偿能力似乎具有基因型依赖性：最近一项多年杂交种×氮用量研究报告称，常规非柔性杂交种在标准氮供应下产量和干物质积累匹配或超过现代转基因杂交种，且将氮肥增至推荐量以上未对任何测试杂交种的产量、生物量或氮利用效率产生额外增益。由于高柔性玉米杂交种可通过后期穗型可塑性补偿早期氮供应不足，它们可能允许种植者减少氮投入，特别是与提供补充氮供应并改善土壤结构和水持留能力的覆盖作物系统配合时。然而，这种可塑性是否在耕作制度间一致表达仍不清楚。耕作制度是决定覆盖作物残体如何管理及氮素向后续经济作物供应速度的主要因素。常规耕作促进残体快速翻压和矿化，通常使氮释放与玉米早期需氮同步；而条带耕作和其他减耕制度保留地表残体和土壤结构，但可能延迟矿化并改变氮有效性相对于作物吸收的时间。这些不同的养分释放模式表明，杂交种对氮用量的响应可能与耕作制度存在交互作用。尽管该地区对减耕和覆盖作物玉米系统的兴趣日益增长，但直接检验玉米杂交种柔性类型、耕作制度和氮肥用量三者交互作用对产量及产量组分影响的多年田间研究相对较少。大多数现有工作独立考察这些因素而非组合考察。一项涵盖392个产量观测的全球荟萃分析发现，覆盖作物平均使后续玉米产量增加11%、氮含量增加22%。同一研究还表明，禾本科和十字花科覆盖作物由于氮固定可能需要近200 kg N ha^?1才能达到休耕系统产量，而延迟终止和豆科物种可大幅降低这一惩罚。类似地，美国东北部一项研究报告称，减氮结合黑麦覆盖作物可使免耕玉米产量维持在标准氮时序相当的水平，且与黑麦覆盖作物同步的分次施氮进一步减少硝酸盐损失而不牺牲产量。另一项研究表明，免耕结合减氮投入相对于全氮常规耕作系统可使氮利用效率提高17–48%。与此同时，基于产量的方法——如将氮肥需求与可达到产量关联的delta-yield模型——正在提高氮用量推荐的精确度。然而，这些研究均未将杂交种柔性类型作为解释变量纳入，且少数明确检验耕作×氮用量交互作用对灌溉玉米影响的田间试验发现，减氮或改善氮 placement 的益处不一致，且往往不足以补偿耕作引起的限制。据研究人员所知，尚无已发表研究在单一覆盖作物框架内整合玉米杂交种柔性类型、耕作制度和氮用量，使种植者在是否可将高柔性杂交种可靠地与条带耕作和减氮用量配对以维持盈利能力同时推进保护目标方面缺乏指导。解决这一空白对于加速灌溉玉米生产中条带耕作和其他减耕实践的采用至关重要。农场调查和种植者网络报告表明，中西部和高平原玉米生产者中条带耕作使用大幅增长，旨在降低燃料、劳动和侵蚀成本，同时保留最小土壤扰动的残体和结构益处。此外，美国农业部汇编的全国耕作实践数据显示，美国大田作物面积在免耕和减耕管理下的合计份额持续数十年增长。这一趋势强调需要了解高柔性杂交种在条带耕作下相对于常规耕作的具体表现，而非依赖从免耕或一般定义的减耕系统推断的结论，因为这些系统在残体 placement 和氮矿化动态方面存在差异。因此，本研究的目标是评估玉米杂交种柔性类型、耕作制度（常规耕作，CT vs. 条带耕作，ST）和氮肥用量（推荐量的100% vs. 80%）在覆盖作物系统中跨多个生长季对玉米产量及产量组分的交互效应。研究问题是：在冬季覆盖作物之后并获得覆盖作物氮供应的玉米系统中，高柔性杂交种类型、耕作制度和氮用量是否存在交互作用。研究人员假设：(i) 籽粒产量在对比商业柔性分类的杂交种间存在差异；(ii) 将目标氮供应减少20%对高柔性杂交种的产量降低幅度小于低柔性杂交种（即显著的杂交种×氮交互作用）；(iii) 条带耕作将产生与常规耕作相似的产量。相反，如果补偿性响应在条带耕作下也成立，种植者将不必在保护性耕作和产量安全之间做出选择——鉴于上述条带耕作采用的加速趋势，这是一个关键结果。通过阐明这些杂交种×耕作×氮交互作用，本研究旨在为覆盖作物玉米系统中的氮投入提供实用的、基因型知情的种植者指导。

研究人员开展了为期三年（2023–2025）的田间试验，在科罗拉多州立大学西部科罗拉多研究中心Grand Valley（WCRC-GV，位于美国科罗拉多州Mesa县Fruita）开展，采用裂区随机完全区组设计（RCBD），3次重复，每年在同一田块位置重复。试验评估了三种商业高柔性玉米杂交种（低柔性：DKC 48-34 RIB，RM 98天；中柔性：DKC 101-33 RIB，RM 101天；高柔性：DKC 105-33 RIB，RM 105天），种植于三种前茬冬季覆盖作物（黑麦、毛叶苕子及两者混播）之后，两种耕作制度（CT vs. ST）和两种氮肥用量（100%推荐量224 kg N ha^?1 vs. 80%推荐量179 kg N ha^?1）。得出以下结论：高柔性杂交种DKC 105-33 RIB在各年份、耕作制度和氮用量下产量最高，较低柔性杂交种增产1.5–2.5 Mg ha^?1；杂交种×氮交互作用不显著，不支持高柔性杂交种对减氮具有内在耐受性的结论；条带耕作与常规耕作产量无显著差异；减氮显著降低籽粒产量、收获指数和群体密度，但未影响株高、叶面积指数、穗密度或百粒重；覆盖作物氮供应主要受组织氮浓度而非总生物量调控，毛叶苕子尽管生物量仅为黑麦约三分之一，但提供最大氮 credit。重要意义在于：将高柔性玉米杂交种与覆盖作物及减耕管理相结合，是半干旱灌溉种植系统中优化玉米生产力同时减少合成氮投入的可行策略，但减氮的产量惩罚并非杂交种特异性。

关键技术方法：研究采用裂区随机完全区组设计（RCBD），3次重复，连续三年在同一田块开展田间试验；主区为耕作制度（CT vs. ST），裂区为氮肥用量（100% vs. 80%推荐量），裂裂区为杂交种柔性类型；覆盖作物生物量和组织氮含量用于计算植物有效氮（PAN）credit并校准年度施氮量；采用线性混合效应模型（SAS PROC MIXED）分析主效应及交互作用，并使用主成分分析（PCA）可视化农艺性状间多变量关系。试验地点为科罗拉多州立大学西部科罗拉多研究中心Grand Valley（WCRC-GV），土壤为Fruita粉砂黏壤土。

研究结果：

3.1 覆盖作物生物量、氮含量与氮 credit：覆盖作物物种对地上部生物量和组织氮含量有显著影响。黑麦始终产生最大生物量（2024年5546 kg ha^?1，2025年5746 kg ha^?1），超过毛叶苕子三倍以上，但其低组织氮含量（1.83–1.85%）限制了总氮贡献；毛叶苕子高氮含量（3.72–3.85%）补偿了较低生物量，提供最大氮供应（23.7–24.7 kg N ha^?1）；混播居中等。年际变异较小。

3.2 方差分析：年份、杂交种、耕作制度和氮用量对多个玉米性状有显著主效应。无年份×处理交互作用显著。杂交种柔性类型是变异最一致的来源，显著影响全部七个性状。耕作制度显著影响LAI、群体密度和收获指数，但不影响株高、穗密度、百粒重，尤其不影响籽粒产量，表明条带耕作在早期冠层发育和建植差异下仍维持与常规耕作的产量持平。氮用量显著影响群体密度、籽粒产量和收获指数。耕作×氮对LAI、群体密度和收获指数显著，杂交种×氮对LAI显著，三者在群体密度和收获指数上显著。

3.3 株高：高柔性杂交种DKC 105-33 RIB在各年份和两种耕作下始终最高（CT下242–272 cm，ST下249–270 cm），低柔性杂交种最矮（230–252 cm）。减氮未导致一致且显著的株高差异。耕作影响较小。

3.4 叶面积指数（LAI）：高柔性和中柔性杂交种LAI（4.03–4.55）显著大于低柔性杂交种（3.96–4.12）。LAI基本不受耕作影响，氮用量影响相对较小，表明冠层叶面积主要受遗传柔性类型调控。

3.5 群体密度：范围为5.3–6.7 plants m^?2。2025年DKC 105-33 RIB在80%氮下ST群体密度最低（5.3 plants m^?2），表明减耕扰动可能限制高柔性杂交种早期建植。最终群体密度受杂交种柔性类型、耕作和氮管理交互调控。

3.6 穗密度：一般跟随群体密度，范围8.0–10.0 ears m^?2。DKC 105-33 RIB在多数年份×氮组合中穗密度最大，DKC 48-34 RIB最低。

3.7 籽粒产量：DKC 105-33 RIB在各年份、耕作和氮用量下最高，2024年CT+100%氮下峰值20.46 Mg ha^?1；DKC 48-34 RIB最低（16.51–18.58 Mg ha^?1）。减氮使产量降低0.3–1.0 Mg ha^?1。高柔性较低柔性增产1.5–2.5 Mg ha^?1。

3.8 收获指数：DKC 105-33 RIB（59–64%）显著高于DKC 101-33 RIB（53–59%）和DKC 48-34 RIB（55–59%）。减氮使多数组合收获指数降低1–5个百分点。耕作影响较小，但三者交互作用显著：CT下减氮仅降低高柔性杂交种收获指数；ST下中柔性杂交种降低最大。

3.9 玉米籽粒营养品质：粗纤维年际差异显著（2024年1.99%高于2023年1.88%），管理处理无显著影响。淀粉无显著年份效应，但2024年100%氮下一般高于80%氮。蛋白质年际相似，2024年DKC 48-34在CT下蛋白质最高（8.25–8.38%），DKC 105-33在100%氮下最低（7.37–7.44%），与高产高柔性杂交种的产量稀释效应一致。

3.10 农艺性状主成分分析：前两个主成分解释60.1%总变异（PC1 38.8%，PC2 21.3%）。籽粒产量、LAI、收获指数、穗密度和株高紧密关联且同向负载。杂交种间分离大于氮用量或耕作处理间分离。DKC 105-33 RIB与产量相关性状复合体一致聚类，80%与100%氮及CT与ST间大量重叠；DKC 48-34 RIB占据独特区域。

讨论部分总结：杂交种柔性类型是农艺变异的主导来源，高柔性杂交种在各年份和氮用量下表现最优，与其穗型可塑性补偿减氮或减密度的生理基础一致。减氮（224降至179 kg N ha^?1）显著降低籽粒产量、收获指数和群体密度，但杂交种×氮和耕作×氮对产量交互作用不显著，假设的高柔性杂交种减氮惩罚较小未被支持；高柔性杂交种在两个氮水平下产量均最高，表明其优势来自更高产量潜力而非氮响应差异。覆盖作物氮 credit 的物种依赖性表明豆科 inclusion 而非生物量数量决定氮益处，毛叶苕子尽管生物量较低但氮 credit 最大，黑麦可能因高C:N比固定氮。籽粒营养品质受基因型、环境和管理的交互影响，高产高柔性杂交种蛋白质较低与产量稀释效应一致。局限性包括：研究仅三个生长季、单一地点、三种商业杂交种代表三个柔性分类（柔性为连续性状而非分类性状）、覆盖作物PAN为间接代理而非直接矿化或吸收测量、籽粒品质解释限于2023–2024年、PCA仅用于探索性状关系而非确立处理优越性。未来需在多环境试验中验证，包括更多成熟度匹配的杂交种、直接氮动态测量及经济与环境综合评估。

研究结论翻译：在单一灌溉地点跨三个生长季，玉米籽粒产量在三个商业杂交种间存在差异，并在降低目标氮供应下下降。DKC 105-33 RIB始终产生最高产量，但杂交种×氮交互作用不显著表明减氮的产量惩罚并非杂交种特异性；因此，结果不支持DKC 105-33 RIB本质上对减氮更具耐受性的结论。常规耕作（CT）与条带耕作（ST）间籽粒产量无差异，表明在可比管理和环境条件下ST可能是可行替代，尽管研究无法确认产量等效或证明ST更优。管理对群体密度和收获指数的影响更为复杂，存在显著的耕作×杂交种×氮交互作用，表明农艺响应取决于杂交种、耕作制度和氮用量的特定组合。虽然估算的覆盖作物PAN用于调整合成肥料投入，但其作为残体氮矿化或作物氮吸收的间接代理而非直接测量，因此关于氮动态的结论仍受限。籽粒品质解释限于2023–2024年，PCA用于探索农艺性状间关系而非确立处理优越性或产量稳定性。总体而言，这些发现支持在氮管理之外考虑杂交种选择和耕作策略，但未提供杂交种特异性减氮耐受性的证据。更广泛的推荐应通过多环境试验验证，包括每个柔性类别内成熟度匹配的多个杂交种，以及氮动态的直接测量和经济回报与环境结果的综合评估。