黑麦播种量对残茬质量及后茬大豆产量的影响研究

《Renewable Agriculture and Food Systems》：Cereal rye seeding rate effects on residue quality and following soybean performance

　　

： 黑麦（CR；Secale cereale L.）作为大豆（Glycine max L.）生产系统中的冬季覆盖作物被广泛使用，以减少土壤侵蚀并捕获残留土壤氮（N）。然而，大豆对黑麦残茬的响应取决于生物量数量和残茬质量，两者均受黑麦播种量的强烈影响。为评估黑麦播种量对生物量生产、残茬碳（C）和氮动态及后续大豆表现的影响，研究人员于2022–2023和2023–2024两个生长季在伊利诺伊州南部开展了为期两年的田间试验。本研究采用随机完全区组设计，设四次重复，包含无覆盖作物对照和四个黑麦播种量处理（14、28、42和56 kg ha?1）。黑麦生物量随播种量增加呈线性增长，且各年份趋势一致；而碳积累表现出显著的年份×播种量交互作用，2024年随播种量线性增加，2023年则无显著响应；组织氮浓度随播种量增加而下降，残茬碳氮比在两年中均随播种量增加而升高，其中2024年响应更为强烈。大豆生物学产量未受黑麦播种量影响；然而，大豆籽粒产量在低至中等播种量（14–42 kg ha?1）下保持稳定，在最高播种量（56 kg ha?1）下显著下降。高播种量下的减产主要由籽粒数和收获指数下降驱动。主成分分析表明，播种量是黑麦生物量和残茬质量的主要驱动因子，而环境条件解释了大部年份间差异。经济分析表明，净收益在中等播种量下最大化，特别是在最低财政激励合格播种量34 kg ha?1下。这些结果表明，中等黑麦播种量可在维持大豆产量和盈利能力的同时优化残茬效益。

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一、研究背景与问题

玉米（Zea mays L.）–大豆（Glycine max L.）轮作主导着美国中西部的大田作物生产，是该地区农业生产力和农业生态系统可持续性的基础。近年来，将冬季覆盖作物纳入这些系统以应对集约化连年种植带来的土壤退化和养分流失问题，受到越来越多的关注。覆盖作物可以减少土壤侵蚀、增强土壤有机碳（C）和氮（N）循环、改善土壤结构，并减少硝酸盐氮（NO₃-N）向地表水和地下水的流失。在中西部大豆系统中，黑麦（CR；Secale cereale L.）因其耐寒性、春季快速生长能力以及在休耕期捕获残留土壤养分的强大能力，已成为应用最广泛的覆盖作物。

尽管具有这些环境效益，黑麦后大豆的表现仍对管理措施高度敏感。特别是，黑麦终止后过量残茬积累可能影响播种条件、土壤温度和水分动态以及早期经济作物建植。除残茬数量外，残茬质量（通常以碳氮比（C:N ratio）表示）在调控分解速率和短期氮有效性方面起关键作用。高碳氮比残茬可减缓残茬分解并暂时固定土壤氮，可能在大豆营养生长看似未受影响的情况下影响其生殖发育。播种量是生产者影响黑麦生长、残茬持久性和养分动态的主要管理措施。然而，较高的播种量增加了投入成本，且往往产生大量高碳氮比残茬，可能增加大豆减产风险。现有证据日益表明，高于约67 kg ha^?1的播种量并不能持续产生成比例的生物量或功能效益增益，尤其在大豆系统中。近期研究表明，降低黑麦播种量可在降低成本并限制过量残茬负荷的同时维持相当的生物量生产和农艺表现。然而，极低黑麦播种量（<28 kg ha^?1）的评估仍不充分，特别是在伊利诺伊州南部及邻近地区常见的排水不良或稍差 Alfisols 土壤上，残茬持久性和春季土壤条件可能不成比例地影响大豆建植和生殖分配。此外，很少有研究在当前保护激励框架下明确将黑麦残茬数量和质量与大豆产量构成、收获指数及经济结果联系起来。研究人员假设，将黑麦播种量降低至低或中等水平可在维持残茬驱动效益的同时最小化大豆减产风险，且经济最优播种量更多由财政激励合格性而非最大化黑麦生物量决定。

二、研究内容与主要结论

本研究在伊利诺伊州南部卡本代尔南伊利诺伊大学农学研究中心的 Stoy 粉砂壤土（fine-silty, mixed, superactive, mesic Fragiaquic Hapludalfs）上开展，该土壤类型是伊利诺伊州南部大豆生产系统中的常见土壤。试验于2022–2023和2023–2024两个生长季在两个不同田块进行，采用随机完全区组设计（RCBD），设四次重复和五个处理，包括无覆盖作物（NOCC）对照和四个黑麦播种量（14、28、42和56 kg ha^?1），分别对应伊利诺伊州全推荐量的25%、50%、75%和100%。黑麦于2022年11月5日和2023年10月28日以19 cm行距条播，品种为Guardian，千粒重24.35 g，相当于约41,100粒种子 kg^?1。黑麦分别在2023年6月26日和2024年6月4日以草甘膦（0.87 kg a.e. ha^?1）终止。大豆品种AG40XF5分别于2023年6月28日和2024年6月7日以395,000粒种子 ha^?1、76 cm行距免耕播种，分别于2023年10月17日和2024年10月16日收获。

研究的主要发现包括：黑麦地上部生物量随播种量增加呈线性增长，两年平均从14 kg ha^?1时的7,858 kg ha^?1增至56 kg ha^?1时的12,069 kg ha^?1，拟合模型（y = 95.18x + 6,839.10；R² = 0.96）表明播种量每增加1 kg ha^?1，生物量增加约95 kg ha^?1。黑麦组织氮浓度随播种量增加呈线性下降，从14 kg ha^?1时的14.3 g kg^?1降至56 kg ha^?1时的10.9 g kg^?1，播种量每增加1 kg ha^?1，组织氮浓度下降0.08 g kg^?1。黑麦氮吸收对播种量呈二次响应，从14 kg ha^?1时的107 kg N ha^?1增至42 kg ha^?1时的121 kg N ha^?1，随后在56 kg ha^?1时略微下降至118 kg N ha^?1，表明高密度下氮捕获出现收益递减。碳积累表现出显著的年份×播种量交互作用：2023年各播种量间无显著差异，而2024年碳积累从14 kg ha^?1时的3,986 kg C ha^?1显著增至56 kg ha^?1时的6,690 kg C ha^?1，呈高度线性关系（R² = 0.99）。残茬碳氮比同样表现出显著的年份×播种量交互作用：2023年从29.7增至33.1，增幅较缓；2024年从33.9大幅增至54.2，播种量每增加1 kg ha^?1，碳氮比增加0.46个单位。

大豆籽粒产量受前茬黑麦播种量影响（p = 0.0738），无覆盖对照（3,336 kg ha^?1）与14和28 kg ha^?1播种量处理（3,266和3,338 kg ha^?1）间无显著差异，但在42 kg ha^?1时降至3,061 kg ha^?1，在56 kg ha^?1时达到最低值2,563 kg ha^?1，较无覆盖对照减产23.2%。二次回归模型（y = ?0.44x² + 12.06x + 3,291.30；R² = 0.96）表明大豆籽粒产量在低至中等播种量下保持稳定，在高播种量下急剧下降。大豆生物学产量未受黑麦播种量的显著影响（p = 0.7106），但回归分析检测到轻微的负线性趋势（R² = 0.70），表明播种量每增加1 kg ha^?1，生物学产量下降约11.2 kg ha^?1。大豆收获指数（HI）在14和28 kg ha^?1播种量下最高（49.38%和49.35%），在56 kg ha^?1时降至41.00%。大豆籽粒数在无覆盖对照和14、28 kg ha^?1处理下最高（2,737–2,819粒 m^?2），在56 kg ha^?1时降至2,240粒 m^?2。大豆建植群体从无覆盖对照的284,600株 ha^?1降至56 kg ha^?1时的251,200株 ha^?1，建植率从72.0%线性降至63.5%，但降幅相对较小。

主成分分析（PCA）表明，前两个主成分解释了87.5%的总变异，其中PC1占72.1%，PC2占15.4%。PC1代表黑麦生长、生物量积累和残茬发育的梯度，黑麦生物量、碳积累、氮吸收和残茬碳氮比均强载荷于PC1负侧，表明较高播种量处理聚类于PC1负轴。PC2主要由种植日期、终止日期、积温（GDD）和降水等季节性环境因素驱动，将观测值按年份分离，表明年际间天气和管理时机的差异独立于播种量影响残茬组成。

经济分析表明，在不考虑激励支付的情况下，无覆盖作物场景的净收益最高（$1,262.54 ha^?1）；引入黑麦后，28 kg ha^?1播种量产生最高的非激励净收益（$1,175.32 ha^?1），而56 kg ha^?1时降至$863.97 ha^?1。当财政激励计划应用于合格播种量（≥34 kg ha^?1）时，EQIP和RCPP/I-COVER下的净收益显著增加，在34 kg ha^?1时达到最高（分别为$1,300.01和$1,328.01 ha^?1）。盈亏平衡分析表明，在34 kg ha^?1播种量下，需要约$146.53 ha^?1的激励支付才能使净收益与无覆盖场景持平；EQIP和RCPP/I-COVER超过了这一盈亏平衡要求，而PCCP和CSP则未能完全抵消覆盖作物采用的经济损失。

三、关键技术方法

本研究采用随机完全区组设计（RCBD），设四次重复，在伊利诺伊州南部两个相邻田块开展两年田间试验。黑麦生物量采用每小区两个0.225 m²样方取样，60 °C烘干至恒重后，经Wiley磨粉碎至1 mm筛，再经球磨粉碎，采用干燃烧法（Flash 2000元素分析仪）测定组织碳和氮含量。大豆于生理成熟期（R8）从每小区两中心行各取1 m行长样段手工收获，测定生物学产量、籽粒产量、产量构成和收获指数。统计分析采用SAS 9.4的PROC MIXED程序，播种量、年份及其交互作用为固定效应，区组为随机效应；回归分析基于显著性、决定系数（R²）和均方根误差（RMSE）选择模型；主成分分析（PCA）基于相关性矩阵生成双标图，使用JMP Pro软件。经济分析基于大豆现金市场价格$10.30 bu^?1、黑麦种子成本$0.64 kg^?1、条播成本$33.11 ha^?1和终止成本$37.07 ha^?1，评估了EQIP、CSP、RCPP/I-COVER和PCCP四个保护激励计划。

四、讨论与结论

讨论部分指出，黑麦播种量是影响残茬数量、残茬质量、大豆表现和农场盈利能力的关键管理决策。中等播种量（14–42 kg ha^?1）在不降低大豆产量的前提下提供了可观的生物量和碳输入，而高播种量增加了残茬碳氮比并降低了大豆生殖分配。黑麦氮吸收在中等至高等播种量下趋于平稳，反映了密度依赖性竞争限制了资源获取的进一步增益。高碳氮比残茬可能减缓微生物分解并增加微生物氮固定，在大豆生长早期暂时降低土壤氮有效性。大豆在高播种量下的减产主要由籽粒数和收获指数下降驱动，而非建植效应，表明过量残茬负荷而非建植障碍限制了大豆表现。经济分析表明，在最低激励合格播种量（34 kg ha^?1）下净收益最大化，激励支付抵消了建植成本且避免了高播种量下的减产惩罚；超过该阈值播种提供的额外农艺或经济效益有限。

研究结论：黑麦播种量影响了免耕大豆系统中的残茬生产、残茬质量、大豆产量构成和盈利能力。中等播种量（14–42 kg ha^?1），包括最低财政激励合格率（34 kg ha^?1），产生了可观的生物量和碳输入，同时维持了较低残茬碳氮比，并避免了56 kg ha^?1下观察到的大豆减产。最高播种量下的产量损失主要与籽粒数和收获指数降低有关，表明过量残茬水平而非建植效应限制了大豆表现。经济分析表明，净收益在最低激励合格播种量下最大，激励支付抵消了建植成本且未出现高播种量下的减产惩罚。超过该阈值播种提供的额外农艺或经济效益有限，表明黑麦播种量是平衡土壤保护效益与作物生产力和盈利能力的有效管理杠杆。未来研究应直接测量不同播种量下的土壤氮有效性和残茬分解动态，以细化区域特异性推荐。