稻-甜玉米种植系统中绿肥与氮素综合管理对土壤健康及产量的响应

《Discover Agriculture》：Soil health and yield responses to integrated green manure and nitrogen management in a rice-baby corn cropping system

　　

研究人员采用裂区试验设计开展试验，以休闲（Fallow）、水葫芦（Eichhornia crassipes）、刺田菁（Sesbania aculeata）及高粱（Sorghum bicolor ssp. drummondii Cyperales）作为主区绿肥处理，以90 kg ha?1（N60）、120 kg ha?1（N80）和150 kg ha?1（N100）的氮素管理处理（50%尿素＋50%农家肥（Farmyard Manure, FYM））作为副区处理，研究其对土壤性质与作物生产的影响。结果表明，与休闲和N60处理相比，刺田菁（Sesbania aculeata）与N100显著提高了生物产量，其中水稻产量分别增加36.2%和26.3%，甜玉米产量分别增加27.6%和18.2%。此外，与休闲和N60处理相比，刺田菁（Sesbania aculeata）与N100处理提升了有机质、土壤微生物量碳（Soil Microbial Biomass Carbon, SMBC）、真菌种群、细菌种群、放线菌种群、脱氢酶活性及脲酶活性。这些结果凸显了刺田菁（Sesbania aculeata）与N100氮素水平整合的协同效益，强调需要通过长期研究进一步评估其对土壤健康与持续作物生产力的综合影响。

该研究背景立足于全球粮食需求预计到2050年增长近70%的现实挑战，要求在提升农业生产力的同时降低农业环境足迹。在印度恒河平原等地区，水稻-小麦系统后夏季休闲导致土地闲置，且集约化种植引发土壤退化、养分耗竭及化肥农药过量施用带来的生态问题。长期单作加速土壤养分耗竭与有害物质积累，过度化学肥料（Chemical Fertilizers, CFs）应用导致土壤退化与水体富营养化，因此亟需采用可持续农业管理措施以协调粮食增产与农田可持续利用。绿肥（Green Manure, GM）作为传统养分来源，结合集成养分管理（Integrated Nutrient Management, INM）理念，即通过绿肥、农家肥（FYM）与尿素配合改善土壤微生物活性与养分循环，成为潜在解决路径。然而，在印度恒河平原地区，关于不同绿肥配置与施氮量对土壤特性、酶活性及作物产量的综合分析仍较为缺乏。基于此，研究人员假设包含绿肥、FYM与尿素的INM可通过改善土壤酶活性调控土壤微生物群落并提高产量，从而在印度恒河平原肥沃冲积土与集约化水稻基种植系统中，开展夏季绿肥-水稻-甜玉米轮作系统研究，旨在识别适宜的绿肥作物与优化氮素管理策略，为提升土壤健康与生产力提供科学依据。该论文发表于《Discover Agriculture》。

研究人员于2017年至2020年在印度瓦拉纳西Banaras Hindu大学农业研究农场开展田间试验，该地属亚热带湿润大陆性季风气候，土壤为混合高温型典型始成土（Typic Haplustepts，Inceptisols土纲）。试验采用裂区设计，主区设4种绿肥处理：休闲（Fallow, FL）、水葫芦（Eichhornia crassipes, EC，基于5 t ha^?1干物质）、刺田菁（Sesbania aculeata, SA）、高粱（Sorghum bicolor ssp. drummondii Cyperales, SG）；副区设3种氮素管理：N₆₀（90 kg ha^?1）、N₈₀（120 kg ha^?1）、N₁₀₀（150 kg ha^?1，均为50%尿素＋50% FYM），3次重复。绿肥经切碎后沟施并覆土以促进分解，统一基施磷（75 kg ha^?1）、钾（60 kg ha^?1）、锌（15 kg ha^?1），氮肥分两期追施；水稻采用无搅浆移栽25天秧苗，甜玉米免耕直播HM4品种。收获后采用土壤芯取样器多点混合采样，分冷存、风干与冷冻三份子样，分别用于微生物与酶活性（4 °C）、化学性质（风干）及SMBC（?80 °C）分析。土壤理化性质测定包括pH、电导率（Electrical Conductivity, EC）、总有机碳（Total Organic Carbon, TOC，Walkley-Black法）、全氮（Total Nitrogen, TN，micro-Kjeldahl法）、有效磷（Available Phosphorus, AP，Olsen法）、速效钾（Available Potassium, AK，NH₄OAc提取-火焰光度法）、有效锌（Available Zinc, AZ，DTPA法）；生物学性质测定包括SMBC（熏蒸提取法，kc＝0.35）、微生物种群计数、脲酶（以NH₃-N gm hr^?1计）与脱氢酶（以μg计，TTC法）活性；植株NPK养分吸收同步测定；数据采用双向ANOVA与Fisher’s LSD检验（p ≤ 0.05）在R语言中分析。

关键技术方法概括为：研究样本来源于印度瓦拉纳西Banaras Hindu大学农业研究农场的田间试验地块，土壤为混合高温型典型始成土（Typic Haplustepts）。研究人员采用裂区设计布置4种绿肥主区与3种氮素管理副区并设3次重复，绿肥经机械切碎沟施覆土分解，统一基施磷钾锌肥并分两期追施氮肥，水稻无搅浆移栽、甜玉米免耕直播。收获后用标准土芯 sampler 多点混合采样并分冷存、风干与冷冻子样，分别进行土壤理化性质（pH、EC、TOC、TN、AP、AK、AZ）、生物学性质（SMBC熏蒸提取、微生物种群、脲酶与脱氢酶活性）及植株养分吸收测定，最终采用双向方差分析与Fisher’s LSD检验在统计软件中处理数据。

3.1 Soil physiochemical properties

研究人员通过分析表3、表4与图1数据发现，绿肥、FYM与尿素配合显著改善土壤理化性质。两年试验后，刺田菁（SA）与高粱（SG）处理的土壤容重（Bulk Density, BD）较休闲分别高4.4%与5.8%，氮管理与交互作用对BD无显著影响；SA处理pH（7.53）低于SG（7.76），EC（0.32）低于休闲（0.36），但氮管理与交互作用对pH、EC无显著影响。绿肥处理较休闲提升TOC达23.9%、19.5%与4.4%，N₁₀₀较N₆₀提升TOC 6%。水稻与甜玉米收获后，SA、EC、SG处理的土壤速效氮（Available Nitrogen, AN）分别较休闲高49.3%、41.2%、15.1%与36.9%、30.8%、7%；全钾（Total Potassium, TK）分别提高62.4%、55.0%、4.1%与60.0%、55.9%、4.6%。N₁₀₀较N₆₀在水稻与甜玉米后TN高13%与9.2%，AK高16.7%与11.8%。SA提升有效磷（AP）与有效锌（AZ），N₁₀₀亦提升AP与AZ，SA与N₁₀₀交互显著改善AP但非AZ。结论为刺田菁、水葫芦绿肥及N₁₀₀管理对土壤理化特性具正向影响，与长期豆科绿肥改善土壤性质的研究一致。

3.2 Soil biological properties

3.2.1 Soil microbial biomass carbon and microbial populations

研究人员通过熏蒸提取估算发现，绿肥与氮管理均提高SMBC与微生物种群。SA、EC、SG较休闲SMBC高12%、6%、3%（p < 0.05）；N₁₀₀较N₆₀高6.7%，交互不显著。SA与EC较休闲细菌种群高31.6%与30.1%（p < 0.05）；N₁₀₀与N₈₀较N₆₀分别高17.8%与11.3%，SA＋N₁₀₀组合最高。SA较其他处理提高真菌与放线菌（p < 0.05），N₁₀₀高于N₆₀，交互不显著。原因在于刺田菁（Sesbania）产生多汁高生物量残体利于微生物利用，豆科绿肥促进氮矿化与氨氧化微生物增殖，FYM与化肥提供土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）供微生物能量，提升SMBC与酶活性。

3.2.2 Soil enzyme activities

研究人员发现绿肥处理提高脱氢酶活性，SA、EC较休闲分别高12.5%、9.2%与3.7%；SA与EC脲酶活性显著高于休闲（p < 0.05），SA最高。N₁₀₀较N₆₀脱氢酶与脲酶分别高9.1%与10.4%，交互无影响。这与刺田菁（SA）配合尿素提升有机质、尿素降解及酶活性一致，脱氢酶与脲酶参与碳、氮、磷循环及纤维素木质素分解，其活性反映有机质分解与养分有效性。

3.3 Nutrient utilization

研究人员在表5、表6中发现绿肥与氮管理显著影响两作物NPK利用。SA较休闲使水稻籽粒与秸秆N、P、K吸收分别增60.7%、112.5%、78.9%、62.3%、73.4%、66.1%（p < 0.01），顺序为SA > EC > SG > FL；N₁₀₀、N₈₀高于N₆₀，SA-N₁₀₀显著增效。甜玉米中SA最高，其次EC、SG、FL；N₁₀₀、N₈₀高于N₆₀（p < 0.05），SA-N₁₀₀与EC-N₁₀₀提高N、K吸收（p < 0.05、0.01），P吸收无交互显著效应。原因是氮供应是稻田限制因子，绿肥替代部分CF提升根系密度与养分吸收，豆科绿肥提高NPK有效性与吸收，FYM与CF联用优于单用CF。

3.4 Biological yield

研究人员由图1得出，绿肥较休闲显著提高水稻与甜玉米生物产量（Biological Yield, BY）36.5%与26.1%；N₁₀₀较N₆₀提高两作物BY（p < 0.05）；SA-N₁₀₀与EC-N₁₀₀交互因绿肥与氮管理联合效应获得更高BY。机制为绿肥提供大量NPK与Ca、Mg、S、Zn等微量养分，FYM与尿素提升生产，有机与化肥氮促进水稻氮吸收贮存转化增产。

讨论部分总结指出，该研究证明绿肥与优化氮管理整合可增强水稻-甜玉米系统土壤生物功能与作物生产力；绿肥、FYM与氮肥联合刺激SMBC、酶活性与养分有效性，强化养分循环并提高作物养分吸收；刺田菁（Sesbania aculeata）配合N₁₀₀持续改善微生物活性、N/P/K/Zn有效性并获得更高生物产量；绿肥有机碳输入激活土壤微生物过程、加速养分矿化并最终转化为高产，为恒河平原集约化水稻系统提供可持续策略，SA-N₁₀₀组合可作为兼顾长期地力与高产的实际途径。

结论部分翻译如下：

本研究证明，绿肥与优化氮素管理的整合能够增强稻-甜玉米种植系统中的土壤生物功能与作物生产力。绿肥、农家肥（FYM）与氮肥的配合施用刺激了土壤微生物量碳、酶活性及养分有效性，从而强化了养分循环过程并改善了作物养分吸收。在所测试的处理中，刺田菁（Sesbania aculeata）与100%推荐氮量（N₁₀₀）的联合施用持续改善了土壤微生物活性，增强了氮、磷、钾及锌的有效性，并使水稻与甜玉米的生物产量均达到更优水平。这些结果阐明了一条明确的机制路径：绿肥输入的有机碳激活土壤微生物过程，加速养分矿化，并最终转化为更高的作物生产力。研究结果为在印度恒河平原集约化水稻系统中，整合绿肥作物与平衡氮素施肥可作为改善土壤健康与产量稳定性的可持续策略提供了有力证据。因此，采用刺田菁-N₁₀₀（SA-N₁₀₀）组合能够成为农户在维持高作物生产力的同时提升长期土壤肥力的实用且生态合理的途径。

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