有机肥等氮替代化肥对旱作区青贮玉米/饲用大豆间作系统饲草产量和水分利用效率的影响

Effects of replacing chemical fertilizers with organic fertilizer at equivalent nitrogen levels on forage yield and water use efficiency in a silage maize/forage soybean intercropping system in dryland areas

摘要

为探究有机肥等氮替代化肥和间作比例对黄土高原地区青贮玉米/饲用大豆间作系统饲草产量和水分利用效率的影响，于2024年在陇东黄土高原的台塬区西峰和丘陵沟壑区环县开展试验，设置100%无机氮肥模式下2行玉米/2行大豆间作（M2S2F）和4行玉米/2行大豆间作（M4S2F），有机肥等氮替代化肥模式下2行玉米/2行大豆间作（M2S2O）和4行玉米/2行大豆间作（M4S2O），青贮玉米单作（M）和饲用大豆单作（S），共6个处理，探究种植模式和有机肥等氮替代化肥对作物系统干物质产量、粗蛋白产量、土地当量比、种间竞争系数、水分利用效率及经济效益的影响。结果表明：有机肥等氮替代化肥在两地均表现出稳产效应，能有效减少化肥施用量。两地间作系统的干物质产量介于青贮玉米和饲用大豆单作之间，种植模式和有机肥等氮替代化肥对两地系统粗蛋白产量无显著影响。在西峰点，100%无机氮肥模式下的间作模式都具有间作优势且饲用大豆竞争力强于青贮玉米，各间作系统的水分利用效率都高于单作的加权平均值，其中M4S2F处理综合表现最优，其干物质产量、粗蛋白产量和干物质水分利用效率分别达到25.9 t·hm⁻²、2.86 t·hm⁻²和90.49 kg·hm⁻²·mm⁻¹；干物质水分利用效率较单作提高了22.0%，净收入最高，为24690 CNY·hm^-2。在环县点，2行玉米/2行大豆间作模式具有土地利用优势，青贮玉米在各间作处理下均处于竞争优势。M2S2O模式综合表现最优，其干物质产量、粗蛋白产量和干物质水分利用效率分别达到17.2 t·hm⁻²、1.98 t·hm⁻²和57.63 kg·hm⁻²·mm⁻¹；干物质水分利用效率较单作提高了8.5%，净收入最高，为16052 CNY·hm^-2。因此，建议在黄土高原的台塬区推广100%无机氮肥+4行玉米/2行大豆间作模式，在丘陵沟壑区推广有机肥等氮替代化肥+2行玉米/2行大豆间作模式。

Abstract

The aim of this research was to examine the impact of replacing chemical fertilizer with organic fertilizer at equivalent nitrogen levels， and the effects of varying intercropping ratios， on the forage yield and water use efficiency （WUE） within a silage maize/forage soybean intercropping system in the Loess Plateau region. The experiments were conducted in the tableland region （Xifeng） and the hilly gully region （Huanxian） of the Longdong Loess Plateau in 2024. Six treatments were established， as follows： 100% chemical nitrogen fertilizer with two rows of maize/two rows of soybean （M2S2F） and four rows of maize/two rows of soybean （M4S2F）； replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer at an equivalent nitrogen level with two rows of maize/two rows of soybean （M2S2O） and four rows of maize/two rows of soybean （M4S2O）； and silage maize monoculture （M） and forage soybean monoculture （S）. We investigated the effects of these cropping patterns and organic fertilizer substitution on the system’s dry matter yield， crude protein yield， land equivalent ratio， interspecific competition coefficient， WUE， and economic benefits. The results show that substitution with organic fertilizer led to yield stabilization at both sites， while reducing the application rate of chemical fertilizers. At both sites， the dry matter yields of intercropping systems were in between those of the maize and soybean monocultures. Neither the planting pattern nor the substitution with organic fertilizer significantly affected the system’s crude protein yield. At Xifeng， intercropping systems with 100% chemical nitrogen fertilizers demonstrated several advantages， with forage soybean exhibiting stronger competitiveness than silage maize. All intercropping systems had higher WUE than the average values of monocultures. At Xifeng， M4S2F exhibited the optimal overall performance， with a dry matter yield of 25.9 t·ha^-1， crude protein yield of 2.86 t·ha^-1， and WUE based on dry matter yield of 90.49 kg·ha^-1·mm^-1， reflecting a 22.0% increase compared with monocultures. It also achieved a maximum net income of 24690 CNY·ha^-1. At Huanxian， the intercropping system consisting of two rows of maize/two rows of soybean exhibited higher land use benefits， with silage maize maintaining competitive dominance across all intercropping treatments. At Huanxian， M2S2O demonstrated the optimal overall performance， with a dry matter yield of 17.2 t·ha^-1， crude protein yield of 1.98 t·ha^-1， WUE based on dry matter yield of 57.63 kg·ha^-1·mm^-1， and net income of 16052 CNY·ha^-1. This reflected an 8.5% increase in WUE based on dry matter yield compared with monocultures. In conclusion， it is recommended to adopt 100% chemical fertilizer with a four rows of maize/two rows of soybean intercropping system in the tableland region of the Loess Plateau， and to replace chemical fertilizers with organic fertilizer at an equivalent nitrogen level and use a two rows of maize/two rows of soybean intercropping system in the hill-gully region of the Loess Plateau.

Graphical abstract

关键词

有机肥等氮替代化肥 / 青贮玉米/饲用大豆间作 / 饲草产量 / 水分利用效率

Key words

organic fertilizer substitution with equivalent nitrogen for chemical fertilizers / silage maize/forage soybean intercropping system / forage yield / water use efficiency

随着我国居民膳食结构的不断升级，对草畜产品的需求呈现快速增长趋势，畜牧业发展面临饲草资源短缺与粮食安全保障的双重压力^［1］。间作被称为传统农业的精华，通过作物的时空生态位分化实现资源互补利用，其增产增效机制得到广泛验证^［2-3］。研究指出，禾本科/豆科的间作组合优势最显著^［4］，其中玉米（Zea mays）/大豆（Glycine max）间作主要发挥边际效应来提高单位面积产量，同时通过养分互补可减少化肥投入^［5］。青贮玉米因其富含可溶性碳水化合物的特性，在青贮过程中可作为优质发酵底物，但当前国内主推的粮饲兼用型玉米、高产青贮型玉米等品种普遍存在粗蛋白含量偏低（7%~9%）和纤维成分偏高等缺陷，单独青贮难以满足畜禽的营养需求^［6］。饲用大豆虽然具备高蛋白优势，却因含水量高、可溶性糖不足及缓冲能过高的特性，单独青贮时不利于乳酸菌发酵，导致饲料酸败、贮存期缩短等问题^［7］。采用青贮玉米与饲用大豆进行间作，统一收获后混合青贮，可充分发挥间作增产优势，两者混贮既可弥补青贮玉米的蛋白不足，又能破解饲用大豆的青贮技术瓶颈，对提供优质青贮饲草以及提高青贮饲料营养价值和贮存稳定性具有重要意义^［8］。

氮是影响作物生长的重要元素，合理施氮能够提高作物产量。然而，我国农业生产中普遍存在化学氮肥施用过量问题，导致其利用率低下，不仅造成资源的极大浪费，还严重破坏土壤结构和理化性质，也引发农业面源污染等环境问题^［9-10］。有机肥作为一种环境友好型肥料，与化肥相比，其养分更加全面、肥力持久且污染程度小^［11］，但有机肥单施时肥效缓慢，可能导致作物生长前期养分供应不足。将化肥和有机肥进行配施能够实现速效养分与缓释养分的协同互补，保障农作物全生育期的营养需求。这种施肥模式不仅显著提高作物产量与肥料利用效率^［12］，还能优化土壤孔隙结构和氮素循环，有效抑制氮素淋溶损失^［13］，同时促进土壤微生物群落的结构优化与功能提升。季佳鹏等^［14］在东北黑钙土区研究表明，有机肥等氮替代化肥可显著提高耕层土壤有机碳和速效养分含量，可促进玉米增产10.1%~13.6%。吴金芝等^［15］的研究表明，通过秸秆还田结合有机肥替代部分化肥不仅能提高玉米和小麦（Triticum aestivum）的籽粒蛋白产量，还能提升化肥农学效率。

黄土高原地区是我国重要旱作农业区，也是我国北方农牧交错带的核心区域。近年来草食畜牧业飞速发展，对优质饲草的需求不断增大，该区域饲草自给率不足60%，供需严重失衡^［10］。青贮玉米是该地区主要推广的优质饲料作物，饲用大豆具有高蛋白优势，二者间作能显著提高饲草产量和品质，有效缓解当地优质饲草短缺的问题。然而，目前关于青贮玉米与饲用大豆间作系统在有机无机肥配施协同增效方面研究相对较少。基于此，本研究选取陇东黄土高原地区的台塬区和丘陵沟壑区两类典型地区，以青贮玉米/饲用大豆间作系统为对象，通过有机肥等氮替代部分化肥，探究有机肥等氮替代化肥对间作系统饲草产量、水分利用和经济效益的影响，以明确陇东黄土高原不同地区的最适种植模式和施肥策略，为该区域饲草高效可持续生产提供理论和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究于2024年选取陇东黄土高原具有代表性的台塬地貌特征的西峰点和丘陵沟壑区地貌特征的环县点开展试验。其中西峰点在甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站（35°39′ N，107°51′ E，海拔1297 m）开展，位于甘肃省庆阳市西峰区什社乡境内，属温带大陆性季风气候，多年平均年降水量552.6 mm，且降水集中分布于7-9月，多年平均气温10.7 ℃。试验土壤类型为粉壤土，播种前0~60 cm土层土壤pH值8.2，有机质含量15.8 g·kg^-1，全氮0.8 g·kg^-1，速效氮24.7 mg·kg^-1，速效磷32.8 mg·kg^-1，速效钾101.6 mg·kg^-1。环县点在木钵镇关营村（36°27′ N，107°26′ E，海拔1177 m）开展，属温带大陆性半干旱气候，多年平均年降水量439.9 mm，多年平均气温9.8 ℃。试验土壤类型为砂质黄土，播种前0~60 cm土层土壤pH值7.8，有机质含量8.4 g·kg^-1，全氮0.5 g·kg^-1，速效氮16.4 mg·kg^-1，速效磷8.5 mg·kg^-1，速效钾111.1 mg·kg^-1。西峰点（a）和环县点（b）2024年以及多年（2001-2024年）平均月降水量和平均月气温变化如图1所示。2024年，西峰点年降水量为461.3 mm，较多年平均年降水量减少91.3 mm；环县点年降水量为492.7 mm，较多年平均年降水量增加52.8 mm。

1.2 试验设计与田间管理

本试验共6个处理（表1），分别为100%无机氮肥模式下2行玉米/2行大豆间作（M2S2F）和4行玉米/2行大豆间作（M4S2F），有机肥等氮替代化肥模式下2行玉米/2行大豆间作（M2S2O）和4行玉米/2行大豆间作（M4S2O），青贮玉米单作（M）和饲用大豆单作（S），所有处理采用随机区组设计，设3次重复。供试玉米品种为金穗1915（粮饲兼用型），供试大豆为兰州大学庆阳国家站在西峰点经多年栽培选育得到的试验材料Ls3（饲用型），其原始亲本是来自华南地区的华夏3号。

根据两地多年气候数据和当地农民生产实践，设定了相应的种植密度和施肥量。在西峰点：玉米/大豆间作及单作的所有处理行距均为40 cm，玉米株距33.3 cm，玉米每穴1株，播种密度75000株·hm^-2，大豆株距20 cm，大豆每穴2株，播种密度250000株·hm^-2。100%无机氮肥模式下玉米条带施200 kg N·hm^-2的无机肥，大豆条带施120 kg N·hm^-2的无机肥；有机肥等氮替代化肥模式下玉米条带施120 kg N·hm^-2的无机肥+80 kg N·hm^-2的有机肥，有机肥氮替代化肥氮比例为40%，大豆条带施120 kg N·hm^-2的无机肥。玉米和大豆单作小区面积为3.2 m×7.0 m，M2S2F和M2S2O处理小区面积为4.8 m×7.0 m，M4S2F和M4S2O处理小区面积为7.2 m×7.0 m，每个间作小区都包括3个完整的间作带幅。在环县点，玉米/大豆间作及单作的所有处理行距均为60 cm，玉米株距25 cm，玉米每穴1株，播种密度67000株·hm^-2，大豆株距20 cm，大豆每穴2株，播种密度167000株·hm^-2。100%无机氮肥模式下玉米条带施180 kg N·hm^-2的无机肥，大豆条带施80 kg N·hm^-2的无机肥；有机肥等氮替代化肥模式下玉米条带施108 kg N·hm^-2的无机肥+72 kg N·hm^-2的有机肥，有机肥氮替代化肥氮比例为40%，大豆条带施80 kg N·hm^-2的无机肥。玉米和大豆单作小区面积为4.8 m×7.0 m，M2S2F和M2S2O处理小区面积为7.2 m×7.0 m，M4S2F和M4S2O处理小区面积为10.8 m×7.0 m，每个间作小区都包括3个完整的间作带幅（图2）。试验所需磷酸二胺（N≥18%、P₂O₅≥46%）和商品有机肥（N≥4%）在播前作基肥施入，尿素（N≥46%）于玉米大喇叭口期作追肥施入。西峰点玉米和大豆于2024年4月27日播种，于8月31日收获；环县点玉米和大豆于2024年4月23日播种，于9月3日收获。所有处理病虫草害的防治措施与当地生产实践保持一致。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 干物质产量和粗蛋白产量

在玉米乳熟后期进行收获及取样。鲜草产量（fresh forage yield， Y_F）为收获时全区地上部分收获称重的鲜生物量（留茬5 cm），间作小区玉米和大豆分开称重。同时分别随机选取长势均匀的3株玉米和大豆，带回实验室于烘箱中105 ℃杀青30 min，之后75 ℃烘干至恒重，计算干鲜比，折算每hm²干物质产量（dry matter yield， Y_DM）。将烘干的全株玉米和大豆样品分别粉碎后过1 mm筛，采用凯氏定氮法测定样品粗蛋白含量（crude protein， CP）^［16］，利用公式1计算样品粗蛋白产量（crude protein yield， Y_CP）。间作系统的鲜草产量、干物质产量和粗蛋白产量通过两种作物产量的加权平均值计算^［17］。

Y_{\mathrm{C}\mathrm{P}}(\mathrm{k}\mathrm{g}·\mathrm{h}{\mathrm{m}}^{-\mathrm{2}})=Y_{\mathrm{D}\mathrm{M}}(\mathrm{k}\mathrm{g}·\mathrm{h}{\mathrm{m}}^{-\mathrm{2}})\times \mathrm{C}\mathrm{P}(\mathrm{\%})（1）

1.3.2 耗水量和水分利用效率

在玉米播种期和收获期，采用烘干法测定0~100 cm土层土壤含水量（soil water content， SWC），单作处理在作物行间测定，间作处理分别在玉米条带中心、大豆条带中心进行测定，并计算土壤贮水量（soil water storage， SWS）^［18］。

根据水量平衡公式计算作物生育期内耗水量（water use， WU）^［19］，计算公式如下：

WU=P+I+S+\Delta SWS-D-R（2）

式中：P为生育期内的有效降水量，I为灌溉水量，S为地下水补给量，ΔSWS为系统生育期始末土壤贮水量的变化量，D为深层土壤水分渗漏量，R为地表径流量。试验区为旱作农业，试验期间无灌溉，地势平坦、土层深厚，故I、R、S和D均可忽略不计。公式中各项指标的单位均为mm。

作物水分利用效率（water use efficiency， WUE）采用公式3计算^［20］，公式如下：

WU{E}_{\mathrm{D}\mathrm{M}}=\frac{Y_{\mathrm{D}\mathrm{M}}}{WU}（3）

式中：WUE_DM为干物质水分利用效率（kg·hm^-2·mm^-1），Y_DM为收获期作物干物质产量（kg·hm^-2），WU为作物生育期耗水量（mm）。粗蛋白水分利用效率（WUE_CP）计算同理。

通过计算间作系统相对于单作系统的耗水量变化量（ΔWU）和水分利用效率变化量（ΔWUE）来表征间作群体的水分利用情况，计算公式如下^［21］：

\Delta WU=W{U}_{\mathrm{I}}/(p_{\mathrm{M}}W{U}_{\mathrm{S}\mathrm{M}}+p_{\mathrm{S}}W{U}_{\mathrm{S}\mathrm{S}})-\mathrm{1}（4）

\Delta WUE=WU{E}_{\mathrm{I}}/(p_{\mathrm{M}}WU{E}_{\mathrm{S}\mathrm{M}}+p_{\mathrm{S}}WU{E}_{\mathrm{S}\mathrm{S}})-\mathrm{1}（5）

式中：WU_I、WU_SM和WU_SS分别是间作系统、单作玉米和单作大豆的耗水量（mm）；WUE_I、WUE_SM和WUE_SS分别是间作系统、单作玉米和单作大豆的水分利用效率（kg·hm^-2·mm^-1）；p_M和p_S分别为间作系统中玉米和大豆所占的土地比例。ΔWU>0，表示间作系统的耗水量大于单作的加权平均值，反之则小于单作的加权平均值；ΔWUE>0，表示间作系统的水分利用效率大于单作的加权平均值，反之则小于单作的加权平均值。

1.3.3 土地当量比和竞争指数

采用土地当量比（land equivalent ratio， LER）量化间作群体土地利用效率^［22］；采用玉米相对于大豆的侵占力（aggressivity， A_MS）^［23-24］和竞争比率（competition ratio， CR_MS）^［23-24］量化间作群体种间竞争强弱。计算公式如下：

LE{R}_{\mathrm{M}}=Y_{\mathrm{I}\mathrm{M}}/Y_{\mathrm{S}\mathrm{M}}（6）

LE{R}_{\mathrm{S}}=Y_{\mathrm{I}\mathrm{S}}/Y_{\mathrm{S}\mathrm{S}}（7）

LER=LE{R}_{\mathrm{M}}+LE{R}_{\mathrm{S}}（8）

式中：Y_IM、Y_IS为间作玉米、大豆产量（kg·hm^-2），Y_SM、Y_SS为单作玉米、大豆产量（kg·hm^-2），LER_M、LER_S为玉米、大豆偏土地当量比。LER>1为间作优势；LER<1为间作劣势。

A_{\mathrm{M}\mathrm{S}}=(Y_{\mathrm{I}\mathrm{M}}/Y_{\mathrm{S}\mathrm{M}})-(Y_{\mathrm{I}\mathrm{S}}/Y_{\mathrm{S}\mathrm{S}})（9）

式中：A_MS为玉米相对于大豆的侵占力。A_MS>0，表示玉米的竞争能力强于大豆；A_MS<0，表示玉米的竞争能力弱于大豆。

C{R}_{\mathrm{M}\mathrm{S}}=(Y_{\mathrm{I}\mathrm{M}}/Y_{\mathrm{S}\mathrm{M}})/(Y_{\mathrm{I}\mathrm{S}}/Y_{\mathrm{S}\mathrm{S}})（10）

式中：CR_MS为玉米相对于大豆的竞争比率。CR_MS>1，表示玉米的竞争能力强于大豆；CR_MS<1，表示玉米的竞争能力弱于大豆。

1.3.4 经济效益

经济效益（economic benefit， EB， CNY·hm^-2）计算公式为：

EB=P_{\mathrm{F}}\times Y_{\mathrm{F}}-S_{\mathrm{C}}-F_O-O_{\mathrm{C}}（11）

式中：P_F为饲草单价，按当地2024年饲草市场价格计，青贮玉米单价为425 CNY·t^-1，饲用大豆单价为400 CNY·t^-1，玉米大豆混合饲草单价为550 CNY·t^-1；S_C为种子费用，西峰点玉米种子费用为1000 CNY·hm^-2、大豆种子费用为1247 CNY·hm^-2，环县点玉米种子费用为1125 CNY·hm^-2、大豆种子费用为820 CNY·hm^-2；F_O 为肥料费用，尿素价格为3 CNY·kg^-1，磷酸二铵价格为4 CNY·kg^-1，商品有机肥价格为1.1 CNY·kg^-1；O_C为其他费用的总和，包括人工和机械费用（环县点还包括地膜及覆膜费用），西峰点其他费用共计6225 CNY·hm^-2，环县点共计7275 CNY·hm^-2。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2019软件整理数据，利用IBM SPSS Statistics 26软件对6个种植模式进行单因素方差分析，采用最小显著差异法进行多重比较（P=0.05），采用T检验比较间作模式在100%无机氮肥和有机肥等氮替代化肥处理之间的差异，采用Origin 2021作图。图表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 系统干物质产量和粗蛋白产量

种植模式对两地点系统干物质产量均有显著影响（P<0.05，图3）。在间作系统中，西峰点M4S2F处理干物质产量最高，为25.90 t·hm^-2；环县点M4S2F和M2S2O处理干物质产量较高，均为17.20 t·hm^-2。各种植模式系统粗蛋白产量在西峰点存在显著差异，其中M4S2F和M2S2F处理系统粗蛋白产量较高，均为2.86 t·hm^-2。而环县点系统粗蛋白产量在各种植模式之间无显著差异。此外，有机肥等氮替代化肥对两地系统干物质产量和粗蛋白产量均无显著影响（P>0.05）。

2.2 系统土地当量比和种间竞争作用

在西峰点，M4S2F处理LER_DM和LER_CP均最大，分别为1.05和1.11。M4S2F与M2S2F的LER_DM和LER_CP均大于1，表明100%无机氮肥模式下两种间作比例在DM产量与CP产量方面均表现出间作优势。玉米4行/大豆2行间作系统中玉米、大豆的种植比例分别为0.67、0.33，玉米2行/大豆2行间作系统中玉米、大豆的种植比例均为0.50。根据DM产量计算M2S2F玉米和大豆的偏土地当量比LER_{DM_M}和LER_{DM_S}都大于其种植比例，表明间作同时提高了玉米和大豆的干物质产量，呈现出总体间作优势（表2）。

在环县点，M2S2O处理LER_DM和LER_CP均最大，分别为1.06和1.13。从DM产量角度，M2S2F和M2S2O处理LER均大于1，表明环县点M2S2F和M2S2O均具有间作优势。从CP产量角度，M2S2O玉米和大豆的偏土地当量比均大于其种植比例，说明同时提高了玉米和大豆的粗蛋白产量，表现出总体间作优势。此外，环县点玉米基于DM与CP产量的偏土地当量比LER_{DM_M}、LER_{CP_M}均大于其种植比例，说明在环县点玉米处于竞争优势，大豆生长受抑制（表2）。

在西峰点，M4S2F和M2S2F处理下CR_MS小于1，而M4S2O和M2S2O模式下CR_MS大于1，说明西峰点在100%无机氮肥模式下大豆的营养竞争能力大于玉米，有机肥等氮替代化肥模式下则相反，A_MS也呈现出相似的规律。而在环县点，所有处理CR_MS均大于1，A_MS均大于0，表明在环县点玉米的竞争能力强于大豆（表3）。

2.3 系统耗水量和水分利用效率

在西峰点，种植模式对WUE_DM和WUE_CP均有极显著影响（P<0.01），间作系统的耗水量低于单作的加权平均值。从水分利用效率角度，各间作处理下∆WUE_DM和∆WUE_CP都大于0，表明西峰点间作系统在WUE_DM和WUE_CP表现均优于单作的加权平均值。在M4S2F处理下，WUE_DM和WUE_CP均最大，分别为90.49 kg·hm^-2·mm^-1和9.99 kg·hm^-2·mm^-1，分别比单作的加权平均值高22.0%和36.0%（表4）。在环县点，间作系统耗水量高于单作的加权平均值。种植模式对WUE_DM有极显著影响（P<0.01），M2S2O和M2S2F处理的WUE_DM大于青贮玉米和饲用大豆单作的加权平均值，而M4S2O和M4S2F处理的WUE_DM小于两种作物单作的加权平均值。种植模式和有机肥等氮替代化肥对WUE_CP有显著影响（P<0.05）。在M2S2O处理下，WUE_DM和WUE_CP均最大，分别为57.63 kg·hm^-2·mm^-1和6.67 kg·hm^-2·mm^-1，分别比单作的加权平均值高8.5%和9.7%（表4）。

2.4 经济效益

由表5可知，在西峰点，不同施肥模式下4行玉米/2行大豆的系统总产值相较2行玉米/2行大豆更高。M4S2F处理的净收入最高，为24690 CNY·hm^-2，各间作处理下的净收入为M4S2F>M2S2F>M4S2O>M2S2O，较当地传统的玉米单作种植分别提高了35.5%、32.0%、29.7%、15.6%。在环县点，M2S2O处理的总产值和净收入最高，分别达到了27272 CNY·hm^-2和16052 CNY·hm^-2，各间作处理下的净收入为M2S2O>M2S2F>M4S2F>M4S2O，较玉米单作相比分别提高了30.7%、28.0%、26.3%、10.7%。

3 讨论

3.1 种植模式和有机肥等氮替代化肥对饲草产量、土地利用和经济效益的影响

在西北干旱地区，有机肥矿化受水分胁迫、温度变化、土壤质地及微生物活性等多重制约，呈现矿化速率缓滞、累积量低且峰值滞后于作物需肥关键期的特征。赵凯男等^［25］研究发现宁夏引黄灌区有机肥的矿化周期延长20%~30%。本研究结果表明，有机肥等氮替代化肥对西峰点和环县点两地间作系统干物质产量均无显著影响，在西峰点根据LER_DM和LER_CP，100%无机氮肥时各间作处理均表现出间作优势，而有机肥等氮替代化肥模式下无间作优势。可能由于100%无机氮模式下氮的有效性较高，玉米能快速吸收，大豆的生物固氮作用补充了氮源，形成互补^［26］；而有机肥氮需要通过微生物矿化释放，干旱或低温延缓矿化速度。因此，当化肥氮被有机肥氮替代时，导致玉米生长关键期氮素供应不足，削弱其与大豆的互补效应，增产潜力受到抑制^［27］。基于DM产量，环县点间作系统在M2S2O和M2S2F处理下LER均大于1，具有间作优势；而M4S2O和M4S2F未表现出间作优势，可能是2行玉米与2行大豆间作中每行玉米和大豆均处在边界行，充分发挥了边际效应，玉米和大豆生长的光环境和通风条件得到了改善，能捕获更多底层弱光^［28-29］。此外，基于玉米、大豆的偏土地当量比，玉米相对于大豆的侵占力（A_MS）和竞争比率（CR_MS），表明环县点玉米占优势地位，与任媛媛^［30］的研究结果一致。在黄土高原地区间作系统中，玉米比大豆竞争优势更大，可能是玉米属于C₄植物，具有光合途径的高效固碳能力。但在西峰点，A_MS和CR_MS表明M4S2F和M2S2F模式下大豆的竞争力更强，与环县点以及前人的研究结果^［30］不同。可能是在西峰点水分条件较好，玉米和大豆对于水分的竞争减小，玉米的优势表现不明显。饲用型大豆Ls3经多年栽培选育，已适应当地的气候和环境，表现出良好的增产潜力。但在有机肥等氮替代化肥模式下，间作系统中玉米还是占优势，可能是有机肥在基础水分条件较好的环境下发挥了一定的作用，提高了玉米的竞争力。在环县点，M2S2O处理基于干物质产量和粗蛋白产量的土地当量比均最大，系统的间作优势大，饲草产量高，总产值和净收入最高；而在西峰点，M4S2F处理基于干物质产量和粗蛋白产量的土地当量比均最大，土地利用效率高，系统总产值和净收入较高。因此，基于饲草生产和经济效益，西峰点推荐100%无机氮肥+4行玉米/2行大豆间作模式，而环县点则推荐有机肥等氮替代化肥+2行玉米/2行大豆间作模式。

3.2 种植模式和有机肥等氮替代化肥对系统水分利用的影响

在水资源有限的条件下，间套作复合群体在时间和空间上的生态位分化是土壤水分高效利用的关键，不同作物通过根系分布的互补性来提高水分吸收与利用效率^［31］。研究常通过计算间作系统的耗水量和水分利用效率与相应单作系统加权平均值的差值（ΔWU和ΔWUE）来衡量间作系统的水分利用特征。Morris等^［21］的研究表明，作物组合和环境差异会导致间套作系统实际耗水量波动较大，但与相应单作的加权平均值相比差异较小，大多在-6%~7%。本研究在-15%~16%，可能是单作与间作系统棵间蒸发量的差异未被准确测定^［32］。间作的冠层覆盖减少土壤蒸发，但若试验设计未区分蒸腾与蒸发比例，可能导致总耗水量估算偏差。在环县点，M4S2F和M4S2O处理基于干物质产量的WUE小于单作的加权平均值，可能是由于玉米的行数增加（4行），导致地上部遮阴和地下部根系重叠区域扩大，玉米对光、水等资源的竞争增强。尤其是在降水量不足的黄土丘陵沟壑区，玉米生长的需水量大，挤压大豆的水分获取空间，使大豆受到水分胁迫，导致间作系统整体WUE下降^［33］。在西峰点，各间作系统耗水量均小于单作的加权平均值，相对于单作，间作提高了水分利用效率。可能是由于西峰点行距缩小，间作冠层的覆盖效应提高了蒸腾散发中蒸腾的比例，减少了土壤水分蒸发，从而提高了土壤水分的有效性和转化效率^［34］。此外，玉米为C₄作物，在单作条件下具有最高的水分利用效率，有研究表明C₃/C₄作物间作系统的水分利用效率虽低于C₄作物单作模式，但高于C₃作物单作模式^［35］。本研究除西峰点M4S2F处理外，其他间作系统WUE都大于大豆单作而小于玉米单作，西峰点M4S2F的WUE超过玉米单作可能是该间作模式优势明显，系统增产幅度较大。两地2行玉米/2行大豆粗蛋白水分利用效率高于4行玉米/2行大豆，原因可能是前者大豆占比更大，粗蛋白产量更高，导致系统粗蛋白水分利用效率高。因此，从水分利用效率方面，在西峰点推荐100%无机氮肥+4行玉米/2行大豆间作模式，而环县点则推荐有机肥等氮替代化肥+2行玉米/2行大豆间作模式。

两地推荐模式的差异源于水分可用性对资源竞争关系的调控：在基础水分条件较差的环县，水分是首要限制因子，有机肥等氮替代化肥+2行玉米/2行大豆间作模式通过降低玉米密度缓解水分竞争，同时提升大豆比例以优化系统粗蛋白产出；而在基础水分条件较好的西峰，100%无机氮肥+4行玉米/2行大豆间作模式能够最大化发挥光温生产潜力，玉米作为C₄作物的高光合固碳效率主导了系统干物质积累，并且无机肥氮的快速供应强化了玉米与大豆的氮素互补。

4 结论

在黄土高原地区，有机肥等氮替代化肥在西峰和环县两地均表现出稳产效应，减少了化肥的投入。基于区域生态特征，建议黄土高原台塬区采用100%无机氮肥+4行玉米/2行大豆间作模式，而丘陵沟壑区则采用有机肥等氮替代化肥+2行玉米/2行大豆间作模式，既可保障区域饲草生产和水分高效利用，又能实现经济效益与生态效益的协同提升。

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基金资助

中央引导地方科技发展资金项目(24ZYQA049)

国家重点研发计划(2022YFD1300803)

环县科技重大项目计划(HX-STK-2024A-012)

中央高校基本科研业务费(lzujbky-2023-50)