冬小麦秸秆管理对玉米生长、籽粒产量、氮素需求、土壤硝态氮及农场利润的影响

《Field Crops Research》：Winter wheat residue management alters corn growth, grain yield, nitrogen requirement, soil nitrate-nitrogen, and farm profit

　　

**摘要** 冬季禾本科绿肥作物能有效减少玉米（Zea mays L.）与大豆（Glycine max L.）轮作系统中的硝酸盐氮（NO?-N）淋溶，但小麦（Triticum aestivum L.）绿肥管理方式如何与氮肥施用率相互作用，进而影响玉米产量、氮需求量、土壤NO?-N动态和农场盈利能力，目前尚不清楚。

**目标** 本研究旨在量化小麦绿肥管理方式对玉米生长、籽粒产量、经济最优施氮率（EONR）、季末土壤NO?-N含量以及盈利能力的系统性影响。

**方法** 2018–2021年开展了一项为期四年的田间试验，采用随机完全区组设计（裂区排列），四个重复。主区设置四种绿肥处理：休闲（不种植绿肥）、早终止小麦（ET；玉米播种前四周终止）、晚终止小麦（LT；玉米播种时终止）以及收割小麦并移除秸秆（RR）。副区设置六个至七个氮肥施用率（0–336 kg N ha?1）。

**结果** 延迟终止增加了小麦地上和地下生物量及其C:N比，地下C:N比平均比地上高1.5倍。绿肥管理方式强烈影响玉米籽粒产量和氮需求。年均经济最优施氮率（EONR）分别为：休闲208 kg N ha?1、ET 219 kg N ha?1、LT 251 kg N ha?1、RR 209 kg N ha?1；对应EONR下的产量分别为13.45、11.34、11.43和9.65 Mg ha?1。超过EONR的氮施用显著增加了各处理季末土壤NO?-N含量，表明NO?-N淋溶风险增加。休闲处理虽然产量最高，但残留土壤NO?-N也最多。小麦绿肥处理，尤其是LT，在氮施用量超过作物需求时对NO?-N积累起到缓冲作用。

**结论** 这些结果强调了在玉米系统中精准确定EONR以平衡生产力与环境保护的重要性。早终止小麦（平均EONR = 219 kg N ha?1）被推荐用于优化农艺表现，而晚终止小麦（平均EONR = 251 kg N ha?1）被推荐用于减少残留土壤NO?-N和潜在的环境氮损失。因此，EONR应根据小麦绿肥管理方式进行调整，以同时优化经济和环境影响。

**引言** 玉米是全球氮需求最高的禾谷作物之一，使氮供应与作物需求相匹配是控制产量和氮向空气及水体流失的主要因素（Wang等，2024）。当这种匹配失败时，多余的氮会以硝酸盐淋溶和气态排放的形式逃逸，导致主要谷物产区地下水污染、地表水富营养化和温室气体排放（Thilakarathne等，2025；Wang等，2024）。这些损失并非仅是局部问题：例如，在上密西西比河流域，持续的氮输出维持了墨西哥湾反复出现的缺氧区，说明田间尺度的氮供应与作物需求不匹配可以放大为区域性的水质量和经济后果（Gentry等，2024）。

冬季绿肥被广泛推广用于在休闲期回收残留土壤氮，从而减少非生长季的氮损失（Marcillo和Miguez，2017）。其中，冬季禾本科绿肥作物（WCCCs）在捕获残留或矿化氮方面尤为有效（Baker等，2026；Sadeghpour等，2021；Singh等，2018；St Cyr，2026），这一优势在主导北美玉米带的玉米-大豆轮作中已得到证实（Weidhuner等，2026），并在不同环境条件下得到验证。美国中西部（Adeyemi等，2020；Quinn等，2023；Sadeghpour等，2021）和西部玉米带（Almeida等，2026；Martinez-Feria等，2016）的田间研究表明，黑麦（Secale cereale L.）和小麦在秋季和早春能捕获氮，在欧洲和美国东北部也报告了类似的氮回收响应（Fontaine等，2020；Hansen等，2021；Hashemi等，2013；Wang等，2026）。然而，回收的氮并未从系统中移除，而是保留在残体中，其后续释放必须与后续玉米作物的需求重新同步，这种转移的时间性是农艺问题的核心。

这一时间性主要由绿肥管理强度决定。WCCCs捕获的氮通常随终止延迟而增加（Carciochi等，2025；Otte等，2019；Wang等，2025），因为终止时间控制着生物量积累、残体质量以及氮释放与玉米吸收之间的同步性（Jahanzad等，2016；Otte等，2019）。早终止限制了生物量生产并缩小了残体碳（C）:氮比，促进更快的分解和更大的季初氮可用性（Almeida等，2026；Otte等，2019；Pesini等，2023）。相反，晚终止能最大化生物量和氮捕集（Guzel等，2026；Vaughn等，2024），但扩大了残体C:N比，并在玉米建成的关键阶段加剧微生物氮 Immobilization（Iamjud等，2026；Kula等，2026；Lacey等，2020；Melkonian等，2017；Sievers和Cook，2018）。在梯度最密集的一端，收割绿肥作饲草并移除秸秆（Baker等，2026；Baker等，2024；Burkett等，2024）进一步改变了土壤氮和水分的动态，但这种选择很少被纳入整合的氮响应框架中。综合来看，早终止、晚终止和饲草收割代表了绿肥管理强度的梯度，从早终止过渡到延迟终止（生物量积累增加），再到饲草收割（地上生物量移除），沿此梯度玉米氮需求预期会发生偏移。

关于这一问题的多数证据来自黑麦，且研究设计通常为单一终止绿肥与无绿肥对照的对比（Johnson等，2024；Nevins等，2020；Pantoja等，2015；Quinn等，2023）。相比之下，关于小麦作为冬季绿肥的了解甚少。与其他冬季禾谷作物相比，小麦是一种成本较低、广泛可获得且种植者熟悉的物种，能够产生可观的生物量并回收残留土壤氮，尽管与黑麦相比，其生物量生产较低且残体质量较高，这可能影响氮循环及其与后续玉米氮需求的同步性。尽管使用广泛，其对接续玉米氮动态、产量、盈利能力，尤其是生物量收割后对玉米氮需求的影响仍知之甚少。解决这一空白在依赖经验施氮率指导的地区具有直接的实际价值。一个关键指标是经济最优施氮率（EONR），定义为通过平衡额外籽粒产量价值与额外氮肥成本来最大化净经济回报的氮肥施用量（Koduru等，2026a；Sadeghpour等，2017b）。如美国中北部的最大氮回报（MRTN）区域框架（Nafziger等，2022）基于肥料和谷物价格估算最优值，但未考虑绿肥对氮循环和可用性的影响。因此，需要绿肥特异性的产量-氮响应数据来完善绿肥系统中的EONR推荐。

因此，我们旨在量化小麦绿肥管理强度梯度如何重塑玉米产量-氮响应曲线、EONR、季末土壤NO?-N和农场利润（净收益=谷物收入-肥料成本）。我们假设：(i) 小麦绿肥终止策略改变季初土壤NO?-N可用性和玉米氮需求；(ii) 这些效应转化为不同的玉米产量-氮响应曲线和EONR；(iii) 在超过作物氮需求的肥料率下，绿肥引起的残留土壤NO?-N减少最为显著。为检验这些假设，我们进行了为期四年的田间试验，评估不同梯度氮肥施用率下的小麦绿肥管理策略，量化玉米生产力、氮利用效率、土壤NO?-N动态和农场利润（净收益=谷物收入-肥料成本）。

**实验地点与天气** 试验在四个生长季（2017–2018、2018–2019、2019–2020和2020–2021）进行，地点为美国伊利诺伊州卡本代尔农学研究中心（ARC）（37.750°N，89.060°W）。为简便起见，以下将这些生长季分别称为2018、2019、2020和2021年。2018年和2020年，试验在同一块田地上进行，土壤为Stoy粉壤土（细粉壤质、混合型、超活跃性、中温性Fragiaquic Hapludalf），坡度为2–5%。初始土壤性质（0–20 cm）……

**小麦生物量** 小麦地上和地下生物量及其C:N比受年份、绿肥处理（CC）及年份×CC交互作用显著影响。延迟绿肥终止（LT和RR处理）在所有试验年份中均持续增加了地上和地下小麦生物量生产（相对于ET）（表2）。2020年和2021年LT和RR处理产生的地上和地下生物量最高，2018年次之（表2）。相比之下，小麦地上和地下生物量……

**终止时间控制着残体数量、化学计量和固持池的大小** 小麦生物量中年份×CC交互作用反映了返回土壤的残体数量的两个连续控制因素：建植时间和终止前的生长持续时间。2019年10月8日和2020年10月14日播种的小麦积累了最大的地上和地下生物量，因为在冬季休眠前已完成了分蘖和物候发育（Cann等，2023）（表2）。2018年11月15日的播种晚于南伊利诺伊州典型的初霜窗口……

**结论** 这项为期四年的田间研究量化了小麦绿肥管理强度梯度如何重塑玉米产量-氮响应、EONR、残留土壤NO?-N和农场利润。延迟终止增加了地上和地下生物量及残体C:N比，地下C:N比约为地上的1.5倍，且几乎所有地-年组合中C:N比均超过净固持阈值25。移除地上生物量（RR）仅部分恢复了季初NO?-N相对于……

**CRediT作者贡献声明** Fatemeh Sheikhi Shahrivar：撰写-审阅与编辑、撰写-初稿、可视化、验证、形式分析。Oladapo Adeyemi：撰写-审阅与编辑、撰写-初稿、可视化、形式分析、数据整理、概念化。Joshua McGrath：撰写-审阅与编辑、验证、方法学、资金获取、概念化。Sowmya Koduru：撰写-审阅与编辑、撰写-初稿、可视化、验证、形式分析。Corey Lacey：……

**利益冲突声明** 作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争财务利益或个人关系。

**致谢** 感谢伊利诺伊州养分研究与教育委员会（项目编号NREC-2019–1–206150–96）对本项目的资助，感谢Randy Lange和Chris Vick进行播种和田块维护，感谢Sadeghpour-Brevik实验室的研究生协助数据采集。

Oladapo Adeyemi | Fatemeh Sheikhi Shahrivar | Sowmya Koduru | Joshua McGrath | Shalamar Armstrong | Corey Lacey | Amir Sadeghpour

美国伊利诺伊州卡本代尔南伊利诺伊大学农科学院