玉米在降水变异下土壤矿质氮动态与产量稳定性：两年试点研究中豆科绿肥与矿质氮施肥的比较

《Plants》：Soil Mineral Nitrogen Dynamics and Yield Stability in Maize Under Variable Precipitation: Comparing Leguminous Green Manures with Mineral Nitrogen Fertilization in a Two-Year Pilot Study

　　

再生农业措施（包括豆科绿肥利用）因改善土壤质量、增强养分循环及减少氮素损失而日益受到认可。研究人员在匈牙利腐殖质砂土上于2021至2023年开展田间试验，比较白羽扇豆（Lupinus albus L.）与普通野豌豆（Vicia sativa L.）两种豆科绿肥、矿质氮施肥（80 kg ha?1 N）及不施肥对照对玉米（Zea mays L.）产量及0–25 cm与25–50 cm两层土壤矿质氮动态的影响。结果表明，极端干旱年（2022）矿质施肥区玉米产量（0.90 t ha?1）显著低于不施肥对照（1.61 t ha?1），而绿肥处理维持较高产量（4.11–4.21 t ha?1）。土壤氮动态受降水格局强烈影响，相关与回归分析显示增雨降低表土矿质氮、促进深层累积；该效应在矿质施肥区最显著（0–25 cm负相关、25–50 cm正相关），暗示矿质氮向下迁移更强。主成分分析（PCA）进一步表明矿质肥源氮比绿肥源氮更紧密关联降水变量。结果显示豆科绿肥促进更稳定的土壤氮分布，降低对降水驱动氮再分布的敏感性。

研究背景方面，可持续作物生产需在气候变异下提升水分利用效率并降低玉米对矿质氮肥料的依赖。砂土有机质低、保肥弱、易硝态氮淋失，而中欧匈牙利等地夏季旱频、降水时空不均，单作体系胁迫大。已有研究证实豆科绿肥（如羽扇豆、野豌豆）借根瘤菌共生固氮（biological nitrogen fixation, BNF）可替代部分合成氮，且其较窄C:N比（10–15）促残体快速分解矿化，但绿肥氮与矿质肥氮在砂土不同降水下的时间—垂直分布差异尚缺乏系统证据。为此，研究人员在匈牙利尼赖吉哈佐大学IAREF研究所腐殖质砂土（Humic Arenosol，砂87.11%）布置长期轮作试验中的轮作I、II，评价绿肥与矿质肥对玉米产量及两层土壤NO₂^?-N+NO₃^?-N动态的影响，以验证三假说：H1绿肥提升矿质氮可用性；H2矿质肥氮更易受降水再分布影响；H3绿肥产量可比矿质肥。

主要技术方法上，研究人员采用随机完全区组设计（RCBD）四重复，处理为白羽扇豆绿肥、普通野豌豆绿肥、80 kg ha^?1 N钙铵硝酸钙矿质施肥、不施肥对照；绿肥8月初播、10月末花期翻压入30 cm犁层。土壤矿质氮在绿肥翻压后、玉米播后、玉米收后于0–25 cm及25–50 cm取芯测定（Gallery离散分析仪测NO₂^?+NO₃^?-N），气象由μMETOS站记录。统计用IBM SPSS 26做重复测量ANOVA、Pearson相关、线性回归，Statgraphics 18做PCA（标准化变量、Kaiser准则留特征值>1分量）。样本来自同一定植自2020基线采样确认同质的轮作I（前作小黑麦）与轮作II（前作燕麦）各处理三重复样地。

研究结果部分，3.1节绿肥地上鲜生物量受生长季显著影响（p<0.001），2022年9月降雨149.6 mm使白羽扇豆达3.04 t ha^?1、野豌豆2.97 t ha^?1，远高于2021年（0.41、0.73 t ha^?1），种间无差异。3.2节玉米株高于2022旱年绿肥后180.86–184.25 cm、矿质肥149.17 cm、对照151.83 cm；2023丰雨年各处理304–307 cm。籽粒产量2022旱年绿肥4.11–4.21 t ha^?1显著超矿质肥0.90 t ha^?1及对照1.61 t ha^?1；2023年各处理9.45–11.71 t ha^?1，生长季×管理策略交互显著。3.3节土壤NO₂^?+NO₃^?-N：重复测量ANOVA示营养管理策略主效显著，0–25 cm三层交互显著（p=0.010），25–50 cm三层交互p=0.001；2021–2022期表土矿质肥收后8.03 mg kg^?1且未降，绿肥收后降至2.08–2.42 mg kg^?1；2022–2023期深层翻压后羽扇豆区4.83 mg kg^?1显著高，收后矿质肥区升至6.02 mg kg^?1。3.3.4 Pearson相关示0–25 cm矿质肥与3、6月累积降雨负相关（r=?0.50、?0.52），25–50 cm矿质肥与6月降雨正相关r=0.57、与暴雨日数3月r=0.74；绿肥深层关联弱。3.3.5回归示表土矿质肥R²=0.25（p=0.033）负向，深层矿质肥暴雨频率R²=0.55（p<0.001）正向。3.4 PCA中0–25 cm PC1解释61.6%方差，作物表现与降雨反向；25–50 cm PC1 60.7%，N_SoilN（矿质肥氮）与降水向量同向，绿肥氮聚类紧凑，证矿质氮移动性高。

讨论部分总结：绿肥生物量由8–9月降雨驱动，与前述文献一致；旱年绿肥凭渐释氮、改土保水缓冲胁迫，矿质肥反致减产，与BNF替代58–184 kg N ha^?1文献吻合。土壤氮动态上，矿质肥2022收后表土仍高证玉米吸收受限，绿肥收后降低证利用效率高；深层矿质氮收后升高证湿季向下迁移动。降水重分布呈表土耗竭、深层累积，矿质肥敏感性强于绿肥，PCA与回归一致。作者指明本研为两年试点，未分离单一气候变量，需多年直接测氮转化运输。

结论部分翻译：本两年试点研究表明，豆科绿肥（白羽扇豆与普通野豌豆）在降水条件迥异的玉米体系中可取得与矿质氮施肥相当的农艺表现。综合分析显示降水格局与土壤矿质氮分布强相关：增雨伴表土（0–25 cm）矿质氮降低、底土（25–50 cm）升高，暗示剖面内向下再分布增强。该关联在矿质施肥处理最显著，其土壤矿质氮与降水变量关系强于绿肥处理；绿肥处理矿质氮与降水关联弱，与既往报道的渐缓释放模式一致。干旱下绿肥维持远高矿质肥的玉米籽粒产量，凸显其在缺水环境稳产能潜力。结果指示将豆科绿肥纳入轮作可促成砂土变异降水下更稳的土壤氮动态并减依赖矿质氮。虽关系与文献机制一致，本研究系长期试验两年数据，需多年评估及直接测氮转化运输以区分气候与轮作效应。论文发表于《Plants》。