混作豆科饲草及减氮对青贮玉米生产系统土壤理化特性和产量的影响

Effects of mixed cropping of leguminous forage and reduced nitrogen fertilizer on soil physicochemical properties and forage yield in a silage maize production system

摘要

针对河西绿洲灌区青贮玉米氮肥投入高、土壤质量下降等问题，本研究在减氮条件下，探讨混作豆科饲草对青贮玉米生产系统土壤理化特性及产量的影响，以期为该区土壤健康管理和青贮玉米可持续生产提供科学依据和理论支撑。试验于2023-2024年在武威绿洲农业综合试验站开展，采用裂区设计，主区为3个种植模式（M： 青贮玉米单作；MH： 青贮玉米-秣食豆混作；ML： 青贮玉米-拉巴豆混作），裂区为3个施氮水平（N₃： 360 kg·hm^-2； N₂： 306 kg·hm^-2； N₁： 252 kg·hm^-2）。结果表明，与M模式氮肥减施30%处理相比，MH和ML模式相同施氮水平下土壤容重分别降低5.5%和8.0%、孔隙度分别提高6.6%和10.8%、pH分别降低0.9%和1.0%、有机质分别提高3.9%和5.1%、全氮含量分别提高9.2%和10.4%、全磷含量分别提高8.7%和10.9%、全钾含量分别提高9.4%和12.0%、硝态氮含量分别提高26.4%和29.8%、铵态氮含量分别提高19.1%和25.1%、有效磷含量分别提高8.8%和10.6%、速效钾含量分别提高5.7%和10.1%。此外，与M模式相比，MH模式下饲草产量和能量产量分别提高23.1%和25.2%，ML模式下分别提高30.5%和33.6%；MH模式下减氮30%处理饲草产量和能量产量与传统施氮差异不显著，但ML模式下较之提高20.5%和17.8%；并且，与M模式传统施氮处理相比，MH模式减氮30%处理饲草产量和能量产量分别提高15.8%和17.8%，ML减氮30%处理分别提高23.8%和28.6%。因此，青贮玉米混作拉巴豆结合施氮量252 kg·hm^-2可改善土壤理化性质、提高饲草产量，可作为绿洲灌区青贮玉米生产的适宜种植模式和施氮量。

Abstract

In response to the issues of high nitrogen fertilizer input and declining soil quality in the Hexi Oasis irrigation area for silage maize （Zea mays） production， this study investigated the effects of mixed leguminous forages on soil physicochemical properties and yield of silage maize under reduced nitrogen supply. The aim was to provide a scientific basis and theoretical support for development of recommendations for soil health management and sustainable production of silage maize in this region. The experiment was conducted at the Wuwei Oasis Agricultural Comprehensive Experimental Station from 2023 to 2024 using a split-plot design. The main plots consisted of three crop planting patterns ［M： monoculture of silage maize； MH： mixed of silage maize and soybean （Glycine max）； ML： mixed of silage maize and lablab bean （Dolichos lablab）］， while the subplots comprised three nitrogen application levels （N₃： 360 kg·ha^-1； N₂： 306 kg·ha^-1； N₁： 252 kg·ha^-1）. The results showed that compared to the M planting pattern with a 30% reduction in nitrogen fertilizer， the soil bulk density in MH and ML patterns under the same nitrogen level was reduced by 5.5% and 8.0%， respectively； porosity was increased by 6.6% and 10.8%， respectively； pH was decreased by 0.9% and 1.0%， respectively； organic matter was increased by 3.9% and 5.1%， respectively； total nitrogen content was increased by 9.2% and 10.4%， respectively； total phosphorus content was increased by 8.7% and 10.9%， respectively； total potassium content was increased by 9.4% and 12.0%， respectively； nitrate nitrogen content was increased by 26.4% and 29.8%， respectively； ammonium nitrogen content was increased by 19.1% and 25.1%， respectively； available phosphorus content was increased by 8.8% and 10.6%， respectively； and available potassium content was increased by 5.7% and 10.1%， respectively. In addition， compared to the M planting pattern， the forage yield and energy yield in the MH planting pattern were increased by 23.1% and 25.2%， respectively， and in the ML planting pattern by 30.5% and 33.6%， respectively. Under the MH planting pattern with a 30% reduction in nitrogen， the forage yield and energy yield did not differ significantly from traditional nitrogen application， but under the ML pattern， they were increased by 20.5% and 17.8%， respectively. Moreover， the forage yield and energy yield in the MH planting pattern with a 30% reduction in nitrogen were increased by 15.8% and 17.8%， respectively， compared to the traditional nitrogen application in the M planting pattern， and in the ML pattern with a 30% reduction in nitrogen， they were increased by 23.8% and 28.6%， respectively. Therefore， ML patten combined with a nitrogen application rate of 252 kg·ha^-1 improved soil physicochemical properties and increased forage yield， and can be recommended as a suitable cropping pattern and nitrogen rate for silage maize production in the oasis irrigation area.

Graphical abstract

关键词

混作 / 施氮 / 青贮玉米 / 土壤理化 / 饲草产量

Key words

mixed cropping / nitrogen application / silage maize / soil physical and chemical / forage yield

青贮玉米（Zea mays）可持续生产关系到畜牧产业稳定和国民健康^［1］。然而，当前以高投入、高消耗获取高产出的粗放管理模式，造成青贮玉米生产成本不断增加，环境压力逐年加重，特别是氮肥过量施用，导致氮素流失的同时，加剧了土壤退化，严重威胁青贮玉米可持续生产^［2-3］。因此，探寻合理的氮肥限量供应模式对土壤健康管理和青贮玉米可持续生产至关重要。研究表明，豆科饲草与禾本科作物混作能促进根瘤菌固氮作用，提高土壤氮素有效性，进而减少化学氮肥施用量^［4-5］。同时，禾豆混作通过改善土壤结构、提高养分及有机质含量、调节酸碱度等，显著提升土壤质量和作物产量^［6-8］。此外，禾豆混作能够发挥作物间生长习性和生理特性的互补作用，提高养分利用效率，在保证作物产量的同时，降低环境污染风险^［9］。因此，与豆科饲草混作有望降低青贮玉米氮肥施用量，改善土壤理化特性，并提高饲草产量。

河西绿洲灌区是甘肃省优质饲草关键生产区，其中青贮玉米占据了较大种植面积^［10］。然而，为追求高产，区域氮肥施用量长期超标，引发有机质含量下降等土壤退化问题^［11］。这些变化显著降低了土壤肥力，加剧了青贮玉米生产的资源消耗，并制约了饲草产业的集约化发展。与豆科作物混作无疑是该区青贮玉米降低化学氮肥施用量的可行措施^［12］，但混作对该区土壤理化特性和饲草生产力的影响如何，尚不明确。为此，本研究通过设置青贮玉米与不同豆科饲草的混作模式并配置不同水平的施氮量，检测不同处理下土壤理化特性和产量表现，探明豆科饲草混作及氮肥减施对青贮玉米生产系统土壤理化特性及产量的影响，旨在筛选最佳混作模式和氮肥施用量，为青贮玉米可持续生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2023年3月至2024年10月在甘肃农业大学绿洲农业综合试验站开展，该站处于河西走廊东端，北纬 37°44′49″、东经 102°53′32″的位置赋予了它北温带大陆性干旱气候的特征。此地降水稀缺，气候干旱，不过光照条件得天独厚，相应地蒸发量也较大。试验站所处区域平均海拔1506 m，无霜期约156 d，年平均气温15 ℃，≥0与≥10 ℃的有效积温分别达3513和2985 ℃，年日照时数可达2945 h，光照条件充足。站内土壤类型为厚层灌漠土，质地属砂壤土，0~30 cm土层pH为8.2，全氮0.88 g·kg^-1，铵态氮1.87 mg·kg^-1，硝态氮12.51 mg·kg^-1，全磷（以P₂O₅计）1.41 g·kg^-1，有效磷29.2 mg·kg^-1，速效钾152 mg·kg^-1，有机质12.5 g·kg^-1；0~110 cm土壤容重1.44 g·cm^-3。具体年降水量和平均气温见图1。

1.2 试验材料

本研究采用‘雅玉’青贮26玉米、‘牡丹江’秣食豆（Glycine max）以及‘海妖’拉巴豆（Dolichos lablab）这3个品种。供试肥料如下：尿素含氮量46%，磷酸二铵含氮18%、P₂O₅ 46%，过磷酸钙P₂O₅含量20%。氮肥按照基肥占40%、大喇叭口期追施60%的比例进行分配，磷肥则以180 kg·hm^-2的施用量全部作为基肥一次性施入。

1.3 试验设计

试验采用裂区设计，主区为青贮玉米单作（monoculture of silage maize， M）、青贮玉米-秣食豆混作（mixed of silage maize and soybean， MH）和青贮玉米-拉巴豆混作（mixed of silage maize and lablab bean， ML）；裂区则设置不同施氮水平，分别为360 kg·hm^-2（N₃，传统施氮量）、306 kg·hm^-2（N₂，减量15%）以及252 kg·hm^-2（N₁，减量30%），共计9个处理组合，每个处理重复3次，每个小区面积为39 m²（长6 m、宽6.5 m）。

采取单粒穴播法种植玉米，不管是单独种植还是混合种植，株距都固定为30 cm，播种密度达90000株·hm^-2。豆科作物（包含秣食豆和拉巴豆）与青贮玉米以1∶2的行比进行混合种植，统一运用双粒穴播方式，穴距设定为30 cm，种植密度同样是90000株·hm^-2。此外，玉米、秣食豆和拉巴豆这3种作物均保持同期播种与同期收获的种植模式。

在玉米生育进程中的拔节、大喇叭口、抽雄以及开花等关键时期，分别实施120、80、120和80 mm的定量灌溉作业，且整个灌溉流程采用膜下滴灌技术，以实现精准水分管理与高效利用，总的灌水定额为400 mm。

1.4 主要测量指标和方法

于播种前、收获后用内径3.5 cm的土钻采集0~30 cm深度土壤，各小区均取3钻，混合为一个土样带回实验室，风干后过0.25 mm筛备用。采用环刀法测定土壤容重；土壤孔隙度=（1-容重/比重）×100%，式中：比重取2.65 g·cm^-3［13］。用pH计（Thermo Fisher Scientific，美国）测定土壤pH，水土质量比为2.5∶1；采用重铬酸钾外加热法^［13］测定土壤有机质含量。

采用凯氏定氮法^［13］测定土壤全氮含量；通过全自动化学间断分析仪（SmartChem 450，意大利）测定土壤硝态氮、铵态氮含量；采用0.5 mol·L^-1 NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法^［13］测定土壤有效磷含量；采用乙酸铵浸提-火焰光度法^［13］测定土壤速效钾含量。

作物蜡熟阶段，在各个小区随机挑选一处面积6 m²且具代表性的样方，先对样方内作物地上部分的全部植株称重。随后，将所选取的全部植株放入网袋之中，在自然通风的条件下风干2周。待风干完成后，再将其放入65 ℃的烘箱中，持续烘干48 h以上，直至达到恒重状态，最后对其干重进行称量，并据此计算饲草产量（forage yield）和能量产量（energy yield）：

EY=(Y_{\mathrm{g}}\times E_{\mathrm{g}}+Y_{\mathrm{s}}\times E_{\mathrm{s}})\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}

式中：EY为能量产量（MJ·hm^-2），Y_g和Y_s分别为籽粒产量和秸秆生物量（kg·hm^-2），E_g和E_s分别为籽粒和秸秆热值（MJ·kg^-1）。玉米籽粒热值为16.3 MJ·kg^-1，秸秆热值为14.6 MJ·kg^-1，豆科作物籽粒和秸秆热值分别为16.7和15.1 MJ·kg^-1［14］。

1.5 数据统计与分析

使用Excel 2019软件进行数据整理及汇总。通过SPSS 20.0软件进行方差分析（ANOVA）、多重比较（Duncan）以及相关性分析（Pearson）等统计分析工作，借助SPSS 20.0软件中一般线性模型的单变量全因子模型达成主效应与互作效应的分析。采用SPSS 20.0软件中的线性回归进行通径分析及拟合，借助R语言进行Mantel检验。另外，使用Origin 2022软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式和施氮水平对土壤物理性质的影响

2.1.1 土壤容重

种植模式、施氮制度及二者互作效应对土壤容重均有显著影响（P<0.01），年际间、年度×种植模式×施氮制度的互作效应对土壤容重的影响均不显著（P>0.05）。与单作青贮玉米（M）相比，青贮玉米-秣食豆混作（MH）和青贮玉米-拉巴豆混作（ML）显著降低了土壤容重（图2）。与M相比，MH模式土壤容重在N₁、N₂、N₃水平下分别降低5.5%、4.4%、3.5%，ML模式土壤容重在3个施氮水平下分别降低8.0%、5.8%、4.1%。ML模式土壤容重与MH模式在N₂、N₃水平下差异不显著，在N₁水平下降低3.6%。不同施氮水平间，N₁处理土壤容重在M模式下与N₂、N₃差异不显著，在MH模式下与N₂差异不显著，较N₃降低2.0%，在ML模式下较N₂、N₃分别降低3.8%、4.9%。表明豆科饲草的引入通过根系穿插与固氮作用促进了土壤团粒结构的形成，降低了土壤紧实度。随着施氮量的减少，混作系统的土壤容重降幅逐渐增大，说明减氮可缓解过量氮肥对土壤结构的负面影响。此外，ML在N₁水平下的土壤容重显著低于MH，可能与拉巴豆更强的根系扩展能力有关。

2.1.2 土壤孔隙度

种植模式、施氮制度及二者互作效应对土壤孔隙度有显著影响（P<0.01），年际间、年度×种植模式×施氮制度的互作效应对土壤孔隙度的影响均不显著（P>0.05）。不同种植模式对土壤孔隙度影响的总体表现为ML>MH>M（图3）。与M相比，MH模式土壤孔隙度在N₁、N₂、N₃水平下分别增大6.6%、5.8%、4.7%，ML模式土壤孔隙度在3个施氮水平下分别增大10.8%、7.5%、5.4%。ML模式土壤孔隙度在N₁水平较MH模式增大4.2%，在N₂、N₃水平下2023年差异均不显著，2024年在N₂水平下较MH模式增大1.9%。不同施氮水平间，N₁处理土壤孔隙度在M模式下与N₂、N₃差异不显著，在MH模式下与N₂差异不显著，较N₃水平下增大2.9%，在ML模式下分别较N₂、N₃增大4.1%、5.9%。混作豆科饲草显著提高土壤孔隙度，且青贮玉米-拉巴豆混作（ML）表现更优，可能与拉巴豆根系更深的穿插能力和更高的生物量积累相关，减氮进一步强化混作优势，表明混作与减氮协同优化土壤结构。

2.2 不同种植模式和施氮水平对土壤pH及有机质的影响

2.2.1 土壤pH

种植模式对土壤pH有显著影响（P<0.01），施氮制度对土壤pH无显著影响（P>0.05），二者互作效应对pH有显著影响，年际间、年度×种植模式×施氮制度的互作效应对pH的影响均不显著（P>0.05，图4）。与M相比，MH模式土壤pH在N₁、N₂水平下分别降低0.9%、0.6%，N₃水平下2023年差异不显著，2024年降低0.5%，ML模式土壤pH在N₁、N₂、N₃水平下分别降低1.0%、0.7%、0.5%。ML模式土壤pH与MH模式在3个氮水平下无显著差异。减氮处理下pH降幅更显著，表明减氮是触发豆科混作调节pH的关键条件。

2.2.2 土壤有机质含量

种植模式、施氮制度及二者互作效应对土壤有机质含量有显著影响（P<0.01），年际间、年度×种植模式×施氮制度的互作效应对土壤有机质的影响均不显著（P>0.05，图5）。与M相比，MH模式土壤有机质含量在N₁、N₂水平下分别提高3.9%、2.2%，N₃水平下差异不显著，ML模式土壤有机质含量在N₁、N₂水平下分别提高5.1%、3.4%，在N₃下差异不显著。ML模式土壤有机质含量2023年在3个氮水平下与MH差异不显著，在2024年N₁水平下较之提高3.3%。不同施氮水平间，N₁处理土壤有机质含量在M模式下较N₂、N₃分别降低0.8%、2.5%，与N₂差异不显著，在MH模式下2023年较N₃提高1.6%，与N₂差异不显著，2024年与N₂、N₃差异均不显著，在ML模式下2023年较N₃提高1.9%，与N₂差异不显著，2024年较N₂、N₃分别提高1.4%、2.2%。混作豆科饲草显著提高土壤有机质含量，在N₁条件下，青贮玉米-拉巴豆混作表现更优，可能与拉巴豆具有更高的地上生物量和根系残体输入有关。此外，减氮强化混作效应，表明过量氮肥可能抑制微生物对有机质的矿化。

2.3 不同种植模式和施氮水平对氮、磷、钾养分的影响

2.3.1 氮、磷、钾全量养分

种植模式、施氮制度及二者互作效应对土壤全氮、全磷和全钾含量有显著影响（P<0.01），年际间、年度×种植模式×施氮制度的互作效应对土壤全氮、全磷、全钾含量的影响均不显著（P>0.05，表1）。与M相比，MH模式土壤全氮含量在N₁、N₂、N₃水平下分别提高9.2%、4.4%、4.1%，全磷含量分别提高8.7%、7.0%、4.7%，全钾含量分别提高9.4%、7.0%、8.7%，ML模式土壤全氮含量在3个施氮水平下分别提高10.4%、6.9%、4.7%，全磷含量分别提高10.9%、8.6%、5.2%，全钾含量分别提高12.0%、8.4%、5.2%。不同施氮水平间，N₁处理土壤全氮含量在M模式下比N₂、N₃分别降低6.1%、8.6%，在MH模式下N₁水平较N₂、N₃分别提高2.9%、4.7%（仅2024年），在2023年与N₂差异不显著，较N₃提高2.2%，在ML模式下N₁水平较N₂、N₃分别提高2.8%、3.8%；N₁处理土壤全磷含量在M模式下与N₂、N₃差异不显著，在MH模式下比N₂、N₃分别提高1.8%、3.3%，在ML模式下较N₂、N₃分别提高2.2%、5.2%；N₁处理土壤全钾含量在M模式下与N₂、N₃差异不显著，在MH模式下与N₂差异不显著，较N₃提高3.9%，在ML模式下N₁比N₂、N₃分别提高3.3%、6.4%。减氮处理下全量养分增幅更显著，表明豆科混作可弥补氮肥减施的不足，通过生物过程维持养分库容。

2.3.2 氮、磷、钾速效养分

种植模式、施氮制度及二者互作效应对土壤硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量有显著影响（P<0.01），年际间、年度×种植模式×施氮制度的互作效应对土壤硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量的影响均不显著（P>0.05，表2）。与M相比，在N₁、N₂、N₃水平下，MH模式土壤硝态氮含量分别升高26.4%、16.7%、7.3%，铵态氮含量分别升高19.1%、16.7%、12.8%，有效磷含量分别升高8.8%、8.6%、6.3%，速效钾含量分别升高5.7%、4.2%、3.0%；ML模式土壤硝态氮含量分别升高29.8%、16.5%、8.2%，铵态氮含量分别升高25.1%、17.1%、13.0%，有效磷含量分别升高10.6%、8.8%、6.4%，速效钾含量分别升高10.1%、5.4%、4.4%。不同施氮水平间，在N₁处理下，土壤硝态氮含量在M模式下较N₂、N₃分别降低9.6%、13.9%，在MH模式下较N₃升高7.9%，与N₂差异不显著，在ML模式下较N₂、N₃分别升高5.3%、7.0%；铵态氮含量在M模式下比N₂、N₃分别降低3.2%、3.9%，在MH模式下比N₂、N₃分别升高2.5%、3.4%，在ML模式下比N₂、N₃分别升高9.4%、10.5%；有效磷含量在M模式下与N₂、N₃差异不显著，在MH模式下与N₂差异不显著，在N₃下升高2.2%，在ML模式下比N₂、N₃分别升高1.9%、3.8%；速效钾含量在M模式下与N₂、N₃差异不显著，在MH模式下与N₂差异不显著，较N₃升高1.9%，在ML模式下比N₂、N₃分别升高4.2%、5.2%。混作豆科饲草显著增强了土壤速效养分且减氮处理下速效养分增幅更显著，表明豆科混作可优化养分循环效率，减少化学氮肥对土壤微生物功能产生抑制，从而维持养分供应的可持续性。

2.4 不同种植模式和施氮水平对产量的影响

种植模式、施氮制度及二者互作效应对饲草产量和能量产量影响显著（P<0.01），年际间、年度×种植模式×施氮制度的互作效应对饲草产量和能量产量均无显著影响（P>0.05，图6）。种植模式间比较，MH模式饲草产量在N₁、N₂水平下比M模式相同施氮水平分别提高23.1%、15.2%，但N₃水平下差异不显著，能量产量在N₁、N₂和N₃水平下2023年较M模式相同施氮水平分别提高25.2%、16.9%和7.1%，2024年能量产量在N₁、N₂水平下较M模式相同施氮水平分别提高27.2%、17.5%，在N₃水平下差异不显著；ML模式饲草产量在N₁、N₂水平下较M模式相同施氮水平分别提高30.5%、19.4%，在N₃水平下差异不显著，能量产量在N₁、N₂和N₃水平下较M模式相同施氮水平分别提高33.6%、21.0%和7.2%。此外，ML模式饲草和能量产量在N₁水平下比MH模式分别提高9.6%、9.5%，在N₂、N₃水平下差异不显著。施氮水平间比较，N₁处理饲草产量在M模式和MH模式中与N₂、N₃差异不显著，在ML模式中与N₂差异不显著，较N₃提高20.4%；N₁处理能量产量在M模式中与N₂差异不显著，较N₃降低8.7%，在MH模式中与N₂差异不显著，较N₃提高10.5%，在ML模式中较N₂、N₃分别提高8.0%、17.8%。此外，MH和ML模式N₁水平下的饲草产量较M模式N₃水平分别增加15.8%和23.8%，能量产量增长17.8%和28.6%。ML模式下N₁水平较MH模式N₁水平表现出显著的产量优势，其饲草增产幅度高出后者8.0个百分点，这一差异验证了拉巴豆混作系统在氮素受限环境中的特殊适应性。ML模式N₁水平其单位资源投入产生的能量值较M模式N₃水平提升28.6%，不仅显著高于饲草产量的提升幅度，更凸显该种植模式在能量产出方面的倍增效应。

2.5 土壤理化特征与饲草产量的关系

相关性分析显示，土壤有机质（soil organic matter）与土壤全效养分和速效养分之间存在显著正相关，而土壤pH、容重与有机质、全效养分、速效养分呈显著负相关（图7）。Mantel检验、通径分析表明，土壤理化性质（pH、容重除外）与饲草产量和能量产量显著正相关（图7和表3）。由直接通径系数可知，对产量的影响为全磷>硝态氮>速效钾>pH>有机质>全钾>有效磷>全氮>容重>铵态氮>孔隙度，由饲草产量与土壤理化因子的间接通径系数可知，铵态氮与全磷相互作用、孔隙度与全磷相互作用、全钾与全磷相互作用、速效钾与全磷相互作用、硝态氮与全磷相互作用对饲草产量的贡献率较大（表3），以上结果表明混作豆科饲草和氮肥减施通过降低土壤pH和容重，促进了全磷、硝态氮、全钾、速效钾、有效磷、有机质含量提升，进而提高饲草产量。

3 讨论

土壤容重和孔隙度对土壤通气性、透水性和保水性等性质有显著影响^［15-16］。较高的孔隙度通常有利于土壤中的空气和水分循环，为植物根系提供良好的生长环境，而较低的容重意味着土壤较疏松，利于根系伸展和土壤养分吸收^［17-18］。禾豆混作能增加有机质积累、促进土壤团粒结构形成、改善土壤物理性质，是改善土壤结构的潜力措施^［19-20］。本研究发现，青贮玉米豆科饲草混播系统中，土壤容重和土壤孔隙度大小受到施氮水平明显影响，且氮肥减施是该混作系统降低土壤容重和提高土壤孔隙度的关键。与单作青贮玉米相比，青贮玉米秣食豆混作系统的土壤容重在氮肥减施30%和15%条件下可降低5.5%和4.4%，土壤孔隙度提高6.6%和5.8%，而青贮玉米拉巴豆混作系统的土壤容重在两种施氮水平下可降低8.0%和5.8%，土壤孔隙度可提高10.8%和7.5%，这与庞党伟等^［21］研究玉米秸秆还田配合减氮措施可以降低土壤容重和提高土壤孔隙度、郭常英等^［22］研究燕麦（Avena sativa）与饲用豌豆（Pisumsativum）混播可以降低土壤容重和提高土壤孔隙度试验结果相似，其原因可能是过量施氮在抑制豆科作物固氮作用的同时，阻碍了土壤团粒结构的形成^［23］。本研究中，青贮玉米拉巴豆混作系统的土壤容重较青贮玉米秣食豆混作明显降低，这可能是由于拉巴豆地下根系和固氮作用优于秣食豆所致。通过青贮玉米与拉巴豆混作结合氮肥减施，显著改善土壤物理结构，为减少化肥依赖，发展生态友好型农业提供了科学依据。这一模式有助于实现土壤健康与作物高产的双重目标。

土壤养分是影响作物产量的关键因素之一^［24-25］，通过合理的施肥管理和土壤养分调控措施，可显著改善土壤肥力状况，提高作物产量和品质^［26］。本研究发现，青贮玉米和豆科饲草组成的混作系统配合减氮措施能显著提升土壤养分含量，特别是在氮肥减施30%处理下效果较明显。这与前人研究苜蓿（Medicago sativa）与老芒麦（Elymus sibiricus）混播可以改善土壤养分的结果相似^［27］。究其原因，第一，豆科作物利用其生物固氮特性增加了土壤中氮素有效性^［28-29］，并使土壤中本底氮素被保存下来^［30］；第二，豆科作物的固氮作用会间接促进土壤微生物活动和有机质的分解，利于土壤全磷释放和积累，并且豆科植物根系分泌的酸性物质和酶类能够分解土壤中的难溶性磷，使其转化为植物可利用的有效磷；第三，豆科植物通过根系生理活动和根系分泌物，利于土壤中难溶性钾的释放，从而增加土壤速效钾和全钾含量^［31］，此外，也有研究认为豆科植物根系分泌的酸性物质会降低土壤pH，进而影响土壤钾素的有效性^［32］。本研究中，氮肥减施条件下，青贮玉米拉巴豆混作系统的土壤养分含量明显高于混作秣食豆，可能是因为秣食豆的生物固氮能力和根系分布情况弱于混播拉巴豆^［33］。豆科饲草通过生物固氮作用和根系活动显著提升土壤氮、磷、钾等养分有效性，尤其在减氮30%条件下效果最佳。这一模式为减少氮肥投入提供了科学依据，通过豆科作物的自然固氮能力替代部分化学氮源，降低农业生产成本，缓解化肥过量使用引发的土壤酸化、养分失衡等问题。

合理施氮下，禾豆混播可节约生产资源并显著提高作物产量^［34］。本研究发现，青贮玉米豆科饲草混作系统中，施氮量是发挥产量优势的关键。与单作青贮玉米相比，秣食豆混作的饲草产量在氮肥减施30%和15%条件下可提高23.1%和15.2%，而拉巴豆混作的饲草产量在两种施氮水平下可提高30.5%和19.4%，但传统施氮水平下并未表现出任何混作优势。这与王斌等^［35］研究饲用高粱（Sorghum bicolor）与拉巴豆混播结合适量氮肥可促进饲草生长的结果相似。这可能是因为减氮增加了混作豆科饲草的固氮作用，不仅满足自生氮素需求，还通过根系分泌、残茬分解等方式向土壤中释放氮素，为青贮玉米提供额外氮源^［36］；并且混作能形成高低有序的群体结构，青贮玉米直立植株可支撑攀援型豆科作物生长，两种作物枝叶交错配置，增加群体光合作用面积，提高光能利用效率^［37］。因此，青贮玉米混作豆科饲草能支撑氮肥减施。河西绿洲灌区具有丰富的光热资源，蕴藏着巨大的饲草开发潜力。利用豆科饲草固氮原理使豆科饲草与青贮玉米混播提高了土地生产力和土壤肥力，也减少了氮肥施用量，为企业和养殖户种植节省了部分肥料支出，提高了经济效益。目前，青贮玉米与拉巴豆混播结合施氮量252 kg·hm^-2模式表现出了良好的推广应用前景。

本研究中，混作与减氮处理对土壤理化性质及饲草产量有着显著影响。混作模式下，不同植物根系相互作用，一方面促进了土壤中养分的循环和转化，如豆科根系分泌物能够活化土壤中磷元素，提高有效磷含量，进而为饲草生长提供了更充足的磷素营养^［38-39］；另一方面通过根系穿插与残体积累改善了土壤结构，提高了土壤保水保肥能力，间接影响有机质、氮素等养分的有效性^［40-41］。减氮处理则避免过量氮肥对土壤理化性质的不良影响，如土壤酸化、板结等问题^［42］。适量减少氮肥投入后，土壤微生物群落结构可能发生改变，一些有益微生物的活性增强，参与到土壤氮素转化过程中，使土壤中氮素形态与含量维持在更适宜饲草吸收利用的水平，如促进铵态氮向硝态氮的转化，优化全氮中不同形态氮的比例等^［43-44］。这些土壤理化性质的综合作用，为饲草生长创造了更优的土壤环境。通过通径分析发现铵态氮与全磷相互作用、孔隙度与全磷相互作用、全钾与全磷相互作用、速效钾与全磷相互作用对饲草产量的贡献率较大，说明混作和氮肥减施通过改善土壤理化特性最终提高了饲草产量。然而，混作系统是一个复杂且动态变化的系统，受气候、土壤等生态环境及作物本身的多重影响，因此，混作系统对作物产量的长期影响及其增产机制有待进一步探索。

4 结论

青贮玉米混作豆科饲草结合氮肥减施30%可降低土壤容重和pH，增大孔隙度，增加土壤有机质并提高土壤全磷、硝态氮、全钾、速效钾、有效磷等土壤养分含量，最终提高饲草产量和能量产量。两种混作系统中，青贮玉米混作拉巴豆表现更优。因此，青贮玉米混作拉巴豆结合施氮量252 kg·hm^-2可作为河西绿洲灌区青贮玉米生产适宜采用的栽培管理措施。

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基金资助

国家重点研发计划(2022YFD1900200)

国家自然科学基金(U21A20218)

甘肃省“双一流”科研重点项目(GSSYLXM-02)

甘肃农业大学伏羲青年人才培育项目(Gaufx-05Y09)