综合有机养分管理对玉米-蚕豆-豇豆种植系统中作物生长、产量及土壤肥力的影响

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Effect of integrated organic nutrient management on growth, yield, and soil fertility under a maize–berseem–cowpea cropping system

　　可持续有机养分管理在玉米-三叶草-牛膝豆轮作体系中显著提升饲料产量和土壤健康，集成粪肥（FYM）、植物促生长菌（PGPR）和帕尚加维亚（Panchagavya）的三元协同效应优于单一措施。

　　在南亚地区，特别是针对全年饲料供应的密集种植系统，土壤肥力下降、养分失衡以及生物活性降低已成为日益严峻的问题。这些问题主要源于对无机肥料的过度依赖。为了应对这一挑战，本研究评估了集成有机养分管理（IONM）在玉米–紫花苜蓿–黑眼豆这一饲料轮作系统中的效果，其中包含农场堆肥（FYM）、植物生长促进根际细菌（PGPR）和潘查加维亚（Panchagavya）等有机与生物性养分来源。研究通过三年的田间试验（2018–2021年），对七种不同的养分管理方案进行了比较，包括完全有机、部分有机和以无机肥料为主的方案。研究结果显示，T7处理方案（即100%推荐氮肥用量通过FYM+PGPR+3%浓度的叶面喷洒Panchagavya实现）在三年内显著提高了玉米、紫花苜蓿和黑眼豆的绿饲料产量，分别为35.4、37.0、38.6吨/公顷，以及60.6吨/公顷、58.2吨/公顷和60.0吨/公顷，同时提升了植物生长特性、养分浓度和吸收量，以及土壤养分的可用性。

### 有机养分管理的潜力与重要性

有机养分管理，尤其是FYM的应用，长期以来被认为是提升土壤物理、化学和生物特性的重要手段。FYM不仅能够改善土壤结构，增强水分保持能力，还能促进微生物活动，为作物提供持续但稳定的养分释放。然而，其养分释放速度通常不足以满足高产作物在关键生长阶段的即时需求。因此，研究者提出将生物性输入如PGPR和传统有机制剂如Panchagavya引入FYM体系，以克服这一限制。PGPR是一种有益微生物，它们在植物根际中定殖，并通过多种机制促进植物生长，例如大气固氮、磷溶解以及合成植物激素如生长素和细胞分裂素。这些微生物还能提高养分吸收效率，刺激根系发育，从而增强植物整体的生长活力。

Panchagavya是一种传统的印度生物制剂，由牛奶、酸奶、黄油、尿液和粪便制成，富含宏量和微量营养素、氨基酸、酶和有益微生物。研究表明，Panchagavya可以促进植物代谢，增强抗虫病能力，并刺激生长。研究假设，FYM能够提供缓慢释放的养分基础并改善土壤结构，为PGPR的定殖创造有利环境，而PGPR则通过固氮、溶磷和促进根系发育来增强养分可用性，Panchagavya则通过其生长促进成分如激素和微生物进一步刺激根系和微生物活动，从而形成正向反馈循环，提升养分可用性。

### 研究背景与意义

饲料生产是南亚地区综合农业系统的重要组成部分，尤其在农村生计中，牲畜养殖扮演着关键角色。然而，一个主要挑战是全年供应营养丰富的绿饲料。轮作系统如玉米–紫花苜蓿–黑眼豆被广泛用于确保不同季节的连续饲料供应。玉米是一种快速生长的谷物，在雨季种植，因其高生物量和富含能量的饲料而受到重视。紫花苜蓿是一种冬季豆科植物，以其高蛋白含量和通过生物固氮作用提高土壤氮素含量而著称。黑眼豆是一种短季夏季豆科植物，具有抗旱性、土壤肥力增强能力和优质的绿饲料特性。这三种作物共同构成了一个生物多样性丰富且对养分响应良好的系统，支持了生产力和可持续性。然而，为了在这样的系统中维持高产并保护土壤健康，需要实施平衡且集成的养分管理策略。

尽管已有研究评估了有机养分管理策略在谷物和豆科作物系统中的效果，但针对以饲料为基础的轮作系统的研究仍然有限。此外，长期的田间证据，用于评估FYM、PGPR和Panchagavya联合使用对生长、产量、养分吸收和土壤肥力的影响也较为缺乏。因此，本研究假设，通过FYM提供100%氮肥，结合PGPR和叶面喷洒Panchagavya，能够实现与无机肥料相当的绿饲料产量，同时显著提高收获后土壤中氮、磷和钾的可用性。本研究的目标是评估IONM在玉米–紫花苜蓿–黑眼豆轮作系统中的影响。

### 研究方法

本研究在印度农业研究委员会（ICAR）国家奶业研究所在哈里亚纳邦卡纳尔的实验农场进行，研究持续了三年（2018–2021年），涵盖了雨季、冬季和夏季三个种植季节。该地区属于印度河-恒河平原，位于北纬29.45°，东经76.58°，海拔245米。其气候为亚热带，夏季炎热干燥，冬季寒冷。土壤类型为粘壤土，土壤电导率为0.23 dS/m，pH值为7.52，有机碳含量为0.601%，氮素可用量为188.4 kg/ha，磷素可用量为28.54 kg/ha，钾素可用量为190.2 kg/ha。

实验采用随机完全区组设计（RCBD），设置了七种不同的处理组合。T1处理使用了100%推荐肥料剂量（RDF），即玉米使用100 kg N、60 kg P?O?和40 kg K?O，紫花苜蓿和黑眼豆则使用20 kg N、60 kg P?O?和40 kg K?O。T1处理中，氮肥在播种时施用一半，另一半在播种后30天施用。紫花苜蓿和黑眼豆的磷和钾则作为基肥施用。T2到T7处理中，FYM作为基肥施用，其用量根据氮含量计算。种子根据处理要求接种PGPR。Panchagavya作为叶面喷施，浓度为3%，在播种后30、40和50天施用。

### 实验结果

#### 植物生长特性

在三年研究期间，FYM、PGPR和Panchagavya的集成应用显著改善了饲料玉米的生长特性。T7处理方案在植物高度、叶长和叶宽方面表现出色，比T3处理高出20–22%，并且与T5和T6处理表现相当。T1处理则表现出最高的植物高度和叶数，显著高于其他处理。T7处理在叶尺寸和整体植物活力方面保持了最佳增长趋势，突显了其在促进稳健的营养生长方面的有效性。

对于紫花苜蓿，T7处理在第二和第三年表现出显著改善，尤其是在植物高度和叶数方面，比T2和T3处理高出23–33%。同时，T7处理在根瘤数量和干重方面也有显著提升，比T1处理增加了59–111%。这些结果表明，T7处理不仅促进了紫花苜蓿的营养生长，还支持了共生固氮，从而显著提升了其产量。

在黑眼豆方面，T7处理在三年内始终表现出色，特别是在植物高度和叶数方面，其表现与T1处理相似，但叶尺寸则比T3处理高出25–34%。尽管T6处理偶尔记录了稍高的叶长，但总体上与T5和T7处理相当。T1处理虽然在叶宽方面表现出色，但T7处理在整体生长参数上保持了均衡，显示出其在有机养分管理中的可靠性。

#### 产量

T7处理在三年内持续表现出最佳的绿饲料和干饲料产量。平均来看，T7处理比最低产处理T3提高了12–18%。尽管T7处理在某些年份与T2、T4、T5和T6处理表现相当，但其显著高于T3，这突显了集成有机养分管理在提高生物量生产中的优势。值得注意的是，无机肥料处理T1在2018年与T7表现相当，但在后续年份中产量略有下降，这表明在有机养分管理下的持续性更强。

在紫花苜蓿处理中，T7处理在三年内始终表现出最高产量，平均比T1和T6处理高出6–8%。T3处理则显示出最低的产量，表明其养分管理策略不够有效。统计分析显示，T7处理与T1和T6处理表现相当，表明优化的有机策略可以达到甚至超过传统施肥的效果。

对于黑眼豆，T7处理在三年内始终表现最佳，其绿饲料和干饲料产量均高于其他处理。平均来看，T7处理比最低产处理T4提高了10–15%。T1、T5和T6处理也表现出良好的产量，与T7处理统计上相当。T4处理则显示出最低的生物量，强调了充足有机养分管理对黑眼豆产量的重要性。

#### 养分浓度与吸收

T7处理在三年内显著提高了饲料玉米、紫花苜蓿和黑眼豆的养分浓度。特别是在氮素、磷素和钾素方面，T7处理的浓度显著高于其他处理。T7处理的氮素浓度在第二和第三年分别达到1.42%和1.45%，显著高于T3处理。磷素和钾素的浓度在T7处理下也明显增加，其中钾素的吸收量比T3处理高出54.7–68.8%，锌和铁的吸收量则比T3处理高出27.0–70.3%和26.3–30.4%。这些结果表明，T7处理在养分含量和吸收方面具有显著优势。

#### 土壤养分可用性

在第三年收获后，土壤氮素、磷素和钾素的可用性显示出显著差异。T7处理的土壤氮素含量最高，比T3处理高出11.3–20.2%，比T1处理高出11.4–13.9%。磷素和钾素的可用性在T7处理下也显著提升，其中磷素比T3处理高出19.0–27.4%，比T1处理高出13.1–30.3%。钾素比T3处理高出17.3–18.5%，比T1处理高出17.7–21.9%。这些趋势表明，集成养分管理在连续轮作中能够有效维持和提升土壤肥力。

#### 多变量分析

多变量分析（PCA）结果显示，T7处理在玉米、紫花苜蓿和黑眼豆中均表现出显著的集群效应。在玉米中，PCA解释了99.53%的变异，其中T1、T6和T7处理集中在Fe%和养分吸收方面，而T2、T3和T4处理则与土壤中氮素和钾素的可用性相关。紫花苜蓿的PCA显示，99.20%的变异由PC1解释，而PC2仅解释了0.70%。T7处理与T1和T6处理在氮素和钾素吸收方面表现出相似的集群效应。黑眼豆的PCA解释了99.87%的变异，其中T2、T3和T4处理与钾素的可用性相关，而T1、T5、T6和T7处理则与氮素和钾素的吸收特性相关。这些结果表明，养分吸收和植物生长特性是影响产量的关键因素。

### 讨论

T7处理方案在促进植物生长、提高产量和养分吸收方面表现出色，这归因于FYM、PGPR和Panchagavya的协同作用。FYM通过缓慢释放宏量和微量养分，改善土壤结构和有机质含量，从而支持长期的土壤肥力和养分吸收。PGPR通过促进根系生长、磷素溶解释放和生物固氮作用，提高了养分可用性。Panchagavya则通过其生长调节物质和微生物活性，增强了光合作用和养分吸收效率。这种协同作用不仅提高了养分利用效率和土壤健康，还维持了更高的产量，与以往研究一致。

相比之下，单独使用无机肥料（T1处理）虽然在玉米的初期生长中表现出较高的产量，但在后续作物中效果减弱，缺乏持续的养分释放和土壤生物活性支持。T3处理由于氮肥输入不足，导致养分吸收有限，显示出较低的产量和养分含量。这些结果表明，集成有机养分管理在维持土壤肥力和作物产量方面具有长期优势。

### 结论

本研究的结果表明，集成应用FYM、PGPR和Panchagavya（T7处理）显著提高了玉米–紫花苜蓿–黑眼豆轮作系统的作物生长、饲料产量、养分浓度和吸收量。在连续三年的试验中，T7处理在大多数参数上表现优异，且与T1处理相当，同时在维持土壤氮、磷和钾的可用性方面提供了额外的优势。相比单独使用FYM或部分RDF处理，T7处理在不同作物和季节中实现了持续的产量提升。这些结果证实了集成有机养分管理在提高作物产量和维持土壤肥力方面的有效性，为减少对化学肥料的依赖提供了可行的替代方案。研究支持在需要全年绿饲料供应的密集种植系统中采用此类集成策略，以确保农业的长期可持续性。