豆科作物能否兑现氮素释放的承诺？作物–畜牧系统 forage 养分动态分析

《Agronomy Journal》：Do legumes fulfill their promise of nitrogen release? Analyzing forage nutrient dynamics in crop–livestock systems

　　

本研究考察了在综合作物–畜牧系统（ICLS）中，菜豆（Phaseolus vulgaris L.）后接冬牧草的氮（N）与钾（K）施肥策略对养分循环和饲草生产的影响。尽管豆科作物通常被认为可为后茬作物供氮，但菜豆的这一能力变异很大，其生物固氮可能有限，且大量氮可随收获籽粒输出。试验在一20 hm2免耕田块开展，采用IPR Tuiuiú菜豆后接黑燕麦（Avena strigosa Schreb.）牧草，比较了菜豆施氮与牧草氮–钾施肥处理的效果。直接氮–钾施肥提高了地上部干物质（DM）积累并改善了饲草氮素营养状况。在牧草直接氮–钾施肥下拟合的氮稀释曲线（N = 60(DM)^?0.42）在大部分生育期内位于临界氮稀释参考曲线（Nc = 48(DM)^?0.32）之上，而前茬菜豆施氮下的曲线（N = 35(DM)^?0.26）则位于参考曲线之下。磷–氮与钾–氮关系表明，两种策略下磷和钾均非主要营养限制因子，表明对比鲜明的生物量响应主要与氮供应相关。这些发现凸显了在ICLS中制定针对性施肥策略的必要性，强调同步养分供应与牧草需求对优化养分利用效率和维持饲草生产力的重要性。

研究背景方面，系统施肥（system fertilization）理念依托轮作各阶段间的生物养分循环以提高养分利用效率并减少养分投入需求，强调轮作系统内牧草、树木与作物各组分间的养分携带（T. S. Assmann et al., 2018）。在综合作物–畜牧系统（ICLS）中，豆科作物常因具备生物固氮能力而被假定可为后茬作物显著贡献氮素可用性，这一假定在热带农业系统中尤为普遍。然而该贡献因物种而异，并不必然为后茬作物提供充足氮素。菜豆（Phaseolus vulgaris）的生物固氮持续低于其他籽粒豆科作物，且随收获籽粒输出大量氮（Palmero et al., 2022），故其对系统的净氮贡献可能有限，其通过携带效应支撑后茬牧草生长的能力仍不确定（N'dayegamiye et al., 2015; Okito et al., 2004）。此外，在巴西菜豆施氮是广泛推荐的农艺措施，因单靠生物固氮常不足以维持作物最佳表现且大量氮随收获籽粒移出。传统施肥策略多基于土壤化学分析并聚焦满足后茬作物需求，常忽视系统层面的养分循环、养分时间再分配及系统组分间相互作用等过程。以往系统施肥研究主要关注玉米施氮对牧草生产力的携带效应而未评估后茬牧草的营养状况（J. M. Assmann et al., 2017; Sartor et al., 2018），且缺乏考察豆科作物施入养分的携带效应研究。因此，豆科作物生物固氮与施肥来源的氮是否足以在ICLS真实放牧条件下维持牧草生产力尚不清楚。本研究旨在系统层面评估氮管理策略，比较夏季豆科作物施氮与后茬冬牧草直接施氮的有效性，重点并非评估豆科对施氮的响应，而是确定豆科阶段生物固氮与施肥来源的氮能否满足后茬牧草的氮需求从而减少牧草阶段施肥需求。

研究人员开展了什么研究与结论：试验在巴西南部圣卡塔琳娜州Abelardo Luz（26°31′ S，51°35′ W，海拔850 m）一20 hm2免耕ICLS试验田进行，该长期试验始于2012年，本评估期为2016年12月至2017年8月，涵盖夏季菜豆后接冬牧草阶段。土壤为黏质Oxisol，2016年试验开始时0–20 cm土层pH 5.10、有机质54.95 g dm^?3、P 14.2 mg dm^?3、K 187.2 mg dm^?3，交换性钙、镁分别为5.80和1.50 cmol_c dm^?3，阳离子交换量13.76 cmol_c dm^?3，盐基饱和度56.54%，气候为Cfb湿润亚热带。菜豆（IPR Tuiuiú）于2016年12月1日免耕播种，行距0.45 m，密度311,000株 hm^?2，播种时施72 kg P₂O₅ hm^?2和72 kg K₂O hm^?2；收获后于2017年3月15日用草甘膦1.33 L hm^?2灭茬，4月28日免耕播种黑燕麦，行距17 cm，播量110 kg hm^?2（纯活种子99 kg hm^?2），全田施60 kg P₂O₅ hm^?2（简单过磷酸钙SSP 333 kg hm^?2）。Nellore/Charolais去势公牛以put-and-take放牧法连续放牧，维持草高约20 cm，放牧自2017年6月13日（播后46天）开始持续76天至8月27日。试验为随机完全区组设计，3区组，每区组2个小区（面积1.1–1.3 hm2），整个菜豆–牧草序列维持相同小区与处理分配，每个小区仅在生育周期一个阶段施氮：菜豆施氮处理于2017年1月5日第三营养生长阶段（V3）施100 kg N hm^?2（尿素，45% N），牧草阶段不施氮钾；牧草氮–钾施肥处理菜豆阶段不施氮，牧草阶段于2017年5月25日施200 kg N hm^?2（尿素）、5月15日施50 kg K₂O hm^?2（氯化钾，60% K₂O）。磷肥全田统一施用，非试验因子。研究结论表明，牧草对直接氮–钾施肥的响应表明仅靠菜豆阶段的养分携带未能维持后茬牧草持续的氮需求；将氮稀释曲线与生物量和养分数据结合表明，残留施肥下牧草生长处于氮限制条件，而牧草阶段直接施氮维持了充足营养状况并支撑了饲草生产；本研究条件下磷和钾可用性并非限制因素，土壤肥力水平足以支撑植物生长，但与施氮相关的生物量增加可能提高养分需求，凸显了在解释植物营养响应时考虑养分交互作用的重要性；这些发现强调氮可用性在调控牧草生产力中的作用，并强化了ICLS内施肥时机的重要性。该研究的重要意义在于揭示ICLS中氮携带并非必然双向，为针对性施肥策略与养分供应和牧草需求同步提供了依据。

关键技术方法方面（不超过250字）：研究采用田间大区随机完全区组设计（3区组、每小区1.1–1.3 hm2），在2012年建立的长期免耕ICLS试验田特定菜豆–牧草序列上进行；用放牧 exclusion cage 法每28天测定饲草干物质（DM）积累；于4个采样期（播后45、73、101、121天）测定饲草氮、磷、钾浓度并计算养分积累；采用非线性回归拟合氮稀释曲线（N = α × DM^β）并与Lemaire（1997）临界氮稀释曲线（Nc = 48 × DM^?0.32）比较，同时以Duru与Thélier-Huché（1997）及Salette与Huché（1991）参考关系评估磷、钾相对氮的营养状况；用线性混合模型分析施肥策略、采样时间及其交互作用，区组与区组内小区为随机效应，采样时间为重复测量。样本队列来源为巴西南部圣卡塔琳娜州Abelardo Luz的长期免耕ICLS试验田（2016–2017农业年度）。

研究结果：3.1 干物质积累——施肥策略与采样时间交互作用显著（p = 0.00049），播后45天（DAS）两策略无差异，自73 DAS起牧草直接氮–钾施肥的地上部干物质积累高于前茬菜豆施氮处理。3.2 养分浓度——饲草氮浓度受施肥策略×采样时间交互作用影响（p < 0.0001），牧草氮–钾施肥在45 DAS（57.8 vs. 33.4 g kg^?1；p = 0.0098）和101 DAS（28.6 vs. 18.1 g kg^?1；p = 0.0495）高于菜豆施氮，73和121 DAS无差异；饲草磷浓度不受施肥策略影响（p = 0.1137）且无交互作用（p = 0.1441），但随采样时间变化（p < 0.0001），45 DAS最高、其后较低且相近；饲草钾浓度不受施肥策略影响（p = 0.6648）且无交互作用（p = 0.2403），但随采样时间变化（p = 0.0025），45 DAS最高。3.3 氮稀释曲线——菜豆施氮下饲草氮浓度多位于Lemaire（1997）临界曲线之下，表明牧草发育期氮供应不足；牧草氮–钾施肥下多数观测位于临界曲线附近或之上，表明评估期氮可用性充足；拟合方程为菜豆施氮N = 35 × DM^?0.26、牧草氮–钾施肥N = 60 × DM^?0.42，系数差异反映两策略氮积累与稀释模式不同，牧草氮–钾施肥较高系数和较陡稀释率表明初始氮可用性更大而随生物量增加浓度下降更明显，菜豆施氮较低系数和较缓稀释率表明全生育期氮可用性有限。3.4 饲草磷随植株氮浓度的稀释——与Duru与Thélier-Huché（1997）参考关系P = 1.5 + 0.065 × N（g kg^?1）比较，拟合关系为菜豆施氮P = 2.15 + 0.060 × N、牧草氮–钾施肥P = 1.86 + 0.049 × N，拟合线接近参考曲线表明评估期磷可用性总体充足，多数观测位于参考线附近或略上方，两策略间无明显分离。3.5 饲草钾随植株氮浓度的稀释——与Salette与Huché（1991）参考关系K = 16 + 0.525 × N（g kg^?1）比较，拟合关系为菜豆施氮K = 30.7 + 0.55 × N、牧草氮–钾施肥K = 39.0 + 0.33 × N，拟合线位于参考曲线之上表明评估期钾水平持续充足，两策略均呈此模式且处理间无明显区别。此外，牧草建植前0–20 cm土层厚度加权矿质氮浓度两策略无差异（p = 0.2343，菜豆施氮平均52.30 mg kg^?1、牧草氮–钾施肥46.33 mg kg^?1），矿质氮随土层深度显著下降（p < 0.0001），0–5 cm层菜豆施氮高于牧草氮–钾施肥（94.47 vs. 74.67 mg kg^?1；p = 0.0434），主要因铵态氮浓度更高。

讨论部分总结与结论翻译：讨论指出，牧草对直接氮–钾施肥的正响应表明前茬菜豆无携带效应，与Bernardon et al.（2021）关于玉米施肥对后茬牧草无携带效应的观察一致；菜豆施氮下地上部氮浓度较低可能与经济作物氮携带效应低有关（J. M. Assmann et al., 2017），表明作物阶段施入或固定的氮大多未以易利用形态保留给后茬牧草，故尽管菜豆为豆科且接受了施氮，其残留贡献未能与后茬黑燕麦牧草的氮需求同步。0–20 cm层厚度加权矿质氮浓度相近表明对比鲜明的牧草响应不能仅归因于菜豆收获时矿质氮量差异；菜豆施氮虽使表层0–5 cm矿质氮浓度更高，但该局部差异不足以在后续生长期维持牧草氮营养，故土壤氮供应的时机、垂直分布、转化及与牧草需求的同步比初始整合矿质氮浓度本身更重要。菜豆向后茬黑燕麦牧草的有限携带与以往表明相反方向氮转移在ICLS中具农艺相关性的证据形成对比：巴西南部冬牧草后接菜豆的研究报道牧草阶段施氮可有益于后茬菜豆，Reichert et al.（2013）观察到冬牧草施氮与菜豆夏季施氮的交互作用，表明牧草阶段残留氮贡献于后茬作物；Andreolla et al.（2015）报道将施氮提前至冬黑麦草牧草可在菜豆阶段低氮投入下维持菜豆高产。因此本研究结果提示ICLS中氮携带并非必然双向：施肥冬牧草可作为后茬籽粒作物有效的养分循环阶段，而后茬黑燕麦牧草则对直接氮–钾施肥有响应；菜豆阶段施入的矿质氮可能降低共生固氮，同时收获籽粒氮输出及菜豆残体氮释放与牧草吸收间同步性有限也可能制约对牧草的氮供应。饲草氮浓度呈稀释效应，随地上部生物量积累而下降（Lemaire, 1997），通过氮稀释框架解释反映氮供应与植物需求间的结构性失衡；拟合稀释曲线强化此解释，菜豆施氮下较低初始氮浓度（α）和较缓稀释率（β）表明持续氮限制，牧草氮–钾施肥下较高α和较陡β反映氮供应充足与生物量积累增加；观测相对临界曲线的位置证实残留施肥下牧草生长处于氮缺乏条件。饲草磷浓度相对植株氮浓度呈明显模式，拟合关系两策略不同，菜豆施氮下截距和斜率较高，表明给定氮浓度下该处理饲草磷浓度倾向更高；磷浓度随牧草周期变化，45 DAS较高其后下降；尽管如此多数观测仍接近或略高于Duru与Thélier-Huché（1997）参考关系，表明试验期磷可用性总体充足。此解释得到初始土壤磷状况支持：土壤磷可用性（14.20 mg dm^?3）足以维持适宜牧草磷状况，按巴西南部区域施肥指南对黏质土壤属适宜至高水平，故磷未成为牧草生长主要限制因子，施肥效应主要通过氮供应和生物量积累变化体现。Maccari et al.（2021）表明氮、磷、钾间营养关系对ICLS跨阶段携带效应敏感，结合本研究提示施氮对磷动态的影响强烈依赖背景，尤其依赖先前施肥历史和初始土壤磷状况；此解释与改善氮营养可通过增加植物生长及相关养分需求变化增强磷吸收的以往研究一致（Duru & Ducrocq, 1996; Mehnaz et al., 2019），从管理角度意味着即使土壤磷初始充足，改善氮营养下更高生物量生产可逐步增加磷需求，强化随时间平衡施肥的必要性（Ros et al., 2020）；与Salette与Huché（1991）一致，本研究结果表明在土壤磷非限制条件下饲草磷浓度较氮浓度对植株营养状况变化敏感性更低，这有助于解释为何磷动态变化可相对植株氮浓度和时间检出但未转化为磷为本试验牧草生长主要限制的证据。饲草钾浓度在两施肥策略下均随氮浓度升高而增加（Salette & Huché, 1991），表明氮钾吸收间强交互作用；但无与钾相关的生长限制表明本研究条件下植物钾供应充足，与J. M. Assmann et al.（2017）报道的ICLS中高效钾循环一致；此外本研究观察到的充足钾供应可能有助于支撑植物生长而不限制氮利用效率，强化氮可用性为驱动牧草生产力差异的主要因素；尽管牧草氮–钾施肥下平均饲草钾浓度数值更高，但施肥策略效应及其与采样时间交互作用均不显著，故直接牧草施肥下较高的地上部干物质积累主要与改善的氮营养相关而非饲草钾浓度可检测的增加。这些结果通过表明ICLS中跨阶段氮可用性不仅取决于施入或固定量还取决于养分释放与植物需求间同步性，增进了对ICLS养分动态的理解；在此背景下牧草与作物阶段间对比鲜明的响应凸显这些系统内氮循环的复杂性。据此，结果应解释为代表2016–2017农业年度环境与管理条件下评估的菜豆–牧草序列，在其他序列和环境条件下评估相同施肥策略将进一步确立这些响应在多样化ICLS轮作中的一致性。进一步研究应直接量化菜豆–牧草序列内氮的来源、转化与去向，测定生物固氮、菜豆收获后土壤矿质氮的时间分辨变化、菜豆残体氮释放、氮损失及后茬牧草对肥料氮的回收，有助于区分肥料来源、生物固定来源、土壤来源和残体来源氮的相对贡献，从而改进对ICLS中控制氮携带及其与牧草需求同步机制的理解。结论翻译：牧草对直接氮–钾施肥的响应表明本研究条件下仅靠菜豆阶段的养分携带未能维持后茬牧草持续的氮需求；将氮稀释曲线与生物量和养分数据结合表明残留施肥下牧草生长处于氮限制条件，而牧草阶段直接施氮维持了充足营养状况并支撑了饲草生产；本研究条件下磷和钾可用性并非限制因素，土壤肥力水平足以支撑植物生长，但与施氮相关的生物量增加可能提高养分需求，凸显了在解释植物营养响应时考虑养分交互作用的重要性；这些发现强调氮可用性在调控牧草生产力中的作用，并强化了ICLS内施肥时机的重要性。