中国科学院水利部水土保持研究所机构知识库

旱地农业生产可持续面临着全球气候变化显著性影响和高环境代价双方面威胁。改 进传统单一作物种植体系能够在应对气候变化时提高粮食作物生产稳定性，增加土地利 用效率和降低环境成本等方面有巨大潜力。将豆科作物纳入主粮作物种植体系，充分发 挥豆科生物固氮在减少氮肥投入、降低环境负面效应的作用，实行禾豆间作是我国将来 实现集约生态农业的重要路径之一。基于种间竞争和促进生态原理，探索旱地禾豆间作 模式，在增加粮食产量的同时降低氮肥环境足迹，具有重要现实意义。然而，在旱地中， 深入到通过精细化施氮制度管理与水分管理并行，关注根土界面对地上的响应信息，进 而揭示禾豆间作体系氮素高效利用的地下研究十分薄弱，这使得旱地禾豆间作氮素互补 利用的生物学潜力远未挖掘出来。为此，本研究在我国黄土高原地区，针对以玉米为主 要作物的旱作玉米/大豆间作体系，于 2017 年（干旱年）、2018 年（湿润年），两年对间 作作物组分氮肥优化减施（玉米施氮 180 kg ha-1 即 N180，大豆施氮 40 kg ha-1 即 N40） 并采取玉米覆膜调控，旨在明确旱作玉米农田氮肥减施时利用禾豆间作优势可达到的作 物体系氮素稳产（增产）增效作用及 N2O 减排的潜力；并从种间互作影响玉米氮素利用 及其来源、根系及水分时空分布、土壤微环境及微生物代谢限制特征等多方位综合求证， 以揭示旱作玉米/大豆间作体系氮素增效调控的根土响应机制。研究获得以下主要结果： （1）明确了覆膜玉米 N180 和大豆 N40 的间作体系可兼顾经济产量、氮肥生产效 率和氮肥环境效益。玉米覆膜与不覆膜间作模式下减氮 20%（N180）后玉米均不减产， 均具有较高间作产量优势（土地当量比和数量），其氮肥偏生产力相比单作显著平均提 高 23.9%。玉米覆膜对间作产量优势（数量）可显著提升 185%，对间作籽粒总产量可显 著提升 16.38%。相比玉米单作（N225），玉米/大豆间作（玉米 N180，大豆 N40）节氮 92 kg ha-1时其氮肥偏生产力可显著提高 33.3%。在玉米覆膜间作（玉米 N180+大豆 N40） 与玉米覆膜单作（N180）的 N2O 排放强度基本一致情况下，玉米覆膜间作可显著减少 13.15% N2O 排放。 （2）利用 15N 肥料示踪稀释法和 15N 自然丰度法探明了间作玉米减氮 20%其产量不 降低主要原因。间作显著提高玉米植株吸氮量而增加产量，促进植株吸收的肥料氮更多 用于籽粒产量形成，显著提高玉米氮肥生理利用效率。此外，玉米覆膜 N180 间作体系 氮素增效的贡献来源是玉米对肥料氮吸收增强和大豆固氮量及其转移量提高，而玉米不 覆膜 N180 间作体系氮素增效的贡献来源仅是玉米对肥料氮吸收增强：相比单作覆膜玉 米 N180，间作覆膜玉米 N180 可显著提高 16.12%对肥料氮吸收利用并吸收利用 30.09 kg ha-1 大豆氮转移，显著降低 14.8%土壤氮来源利用。 （3）揭示了间作产量优势的种间水分利用调节作用机制。覆膜和不覆膜玉米间作模 式均有较高水分生产力且节水的间作优势。覆膜促进间作水分利用效率的间作优势（数 量）显著提高 77.9%。玉米大豆间作水分高效利用源于土壤水分在作物组分时间生态位 上存在竞争、互补，关键在玉米、大豆的花期和灌浆期，可提供大豆、玉米籽粒产量形 成的更加有利土壤水分环境。在间作体系中，干旱年份，花期覆膜玉米存在对大豆水分 过度竞争利用行为，大豆灌浆期水分不能得到及时补充，导致大豆灌浆受水分不足影响， 大豆籽粒产量相对间作玉米不覆膜时降低；两年中，水分利用中覆膜优势大部分与间作 优势重合，玉米覆膜可调节种间水分，其重要作用是，为作物后期储水，并促进作物体 系优先消耗耕层土壤水分。 （4）阐明了干湿交替年份下间作玉米增产背后根系形态适宜策略。干旱年份中，相 比单作玉米（不覆膜），间作玉米以更加纤细瘦小的根系系统形态支撑间作玉米增产 19.67%；湿润年份中，间作玉米以庞大且富余的根系系统形态支撑间作玉米增产14.26%； 覆膜可改善干旱年间作玉米根系限制性生长，抑制湿润年间作玉米根系过度生长，增加 种间根系重叠，强化种间根系互作，增强根冠协同作用，形成有利于平衡土壤资源利用 与经济产量消耗的根系形态系统，进而获得更高间作玉米产量，增幅达 84%。 （5）阐明了间作增加玉米氮素吸收背后根、水、氮时空偶联关系。间作可降低玉米 根系生长对土壤 1 m 剖面水分敏感性，增强玉米根系生长对土壤 1 m 剖面矿质氮敏感 性，同时降低土壤 1 m 剖面矿质氮受土壤 1 m 剖面水分的影响。间作施氮下可根据水分 环境适应性改变单作施氮下玉米花期和蜡熟期根长密度分布、水分、土壤矿质氮素三者 在土壤 1 m 剖面空间匹配态势，覆膜发挥优化调节作用。间作施氮有效降低单作施氮玉 米花后根长衰减率，而覆膜在干旱年加速衰减，在湿润年减缓衰减。因而，花后，间作 显著提高施氮下玉米植株吸氮量；干旱年覆膜不利于间作玉米花后玉米氮素吸收。 （6）揭示了间作土壤环境、微生物对 N2O 排放影响的共联机制。干湿两年中，间 作玉米、大豆生长区相对各自单作，均减少 N2O 排放；其中，间作玉米边行区为间作玉 米减排重要贡献区域来源，玉米花前为间作玉米减排主要贡献阶段，大豆玉米间作共生 期间对间作大豆区减排均有贡献可能。种间互作增强玉米对氮肥吸收并吸收利用大豆固 定氮产物，减少硝化作用氮源，是间作 N2O 减排的主要和直接原因。此外，土壤表层 0- 10 cm 温度是间作 N2O 减排的关键环境诱导因子：种间互作改变作物组分土壤温度，土 壤温度与水分负互作，影响土壤微生物量和碳氮底物周转，改变根际土壤碳氮磷化学计量，影响作物根际土壤微生物碳磷相对限制特征，驱动硝化反硝化土壤微生物行为过程 和强度，进而影响土壤 N2O 产生。相比大豆单作，间作大豆根际土壤微生物以较高碳限 制为主和较高磷限制为辅，碳磷限制协同降低硝化微生物 AOB 功能基因丰度，碳限制 降低硝化微生物 AOA 功能基因丰度和提高反硝化微生物 nosZ 基因丰度（增强 N2O 还 原为 N2 能力），降低间作大豆区 N2O 产生。相比玉米单作，间作玉米根际土壤微生物以 更高的磷限制为主，显著降低土壤硝化微生物功能基因 AOA、AOB 丰度和反硝化微生 物功能基因 nirS 丰度，降低硝化反硝化作用，进而减少间作玉米区 N2O 产生。 综上可见，本研究优化间作组分施氮与玉米覆膜，可较好发挥玉米大豆种间促进作 用优势，提高大豆固氮并转移供给玉米 30.09 kg N ha -1，实现玉米减氮 20%不减产，可 维持较高间作产量优势。相比单作，覆膜玉米与大豆间作通过种间互作改变土壤表层温 度，影响养分周转，改变土壤微生物碳磷限制特征，驱动硝化反硝化微生物行为，可实 现间作作物组分水平 N2O 减排，在维持覆膜玉米/大豆间作与覆膜玉米单作 N2O 排放强 度一致情况下，促进覆膜玉米旱地农田 N2O 减排。此外，明确了玉米覆膜在种间水分调 节、氮素利用、根系生长等对间作产量优势及来源的作用，结果均表明玉米覆膜不降低 玉米大豆间作土地当量比，可极大提高间作籽粒实际收获量，但其对旱作玉米大豆间作 产量优势发挥的促进作用仍有可提高空间。 关键词：玉米/大豆间作，氮肥减施，增效，N2O 减排，根土响应