施氮水平對(duì)間作蠶豆錳營(yíng)養(yǎng)及葉赤斑病發(fā)生的影響

魯 耀,鄭毅,湯 利,趙 平,董艷,段宗顏,張福鎖

(1云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,昆明650201;2云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所,昆明650205;3中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京100094)

云南省是蠶豆的主要產(chǎn)區(qū),種植面積和總產(chǎn)均占全國(guó)的1/3多[1],但近年來(lái)蠶豆赤斑病的發(fā)生呈逐年加重的趨勢(shì),特別是早蠶豆發(fā)病更為嚴(yán)重,給蠶豆生產(chǎn)造成較大損失。小麥?zhǔn)窃颇鲜『托Q豆同季種植的主要小春作物,由于生物多樣性種植能抑制作物病害的發(fā)生,小麥和蠶豆間作已成為云南省常見(jiàn)的種植模式。研究表明,小麥蠶豆間作不僅能減輕小麥銹病[2]、小麥白粉病[3]及蠶豆赤斑病[4]的發(fā)生,還有明顯的氮吸收[5]及互補(bǔ)利用優(yōu)勢(shì)[6],磷、鉀吸收總量通常也比單作高[2-4],小麥蠶豆產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)也極為突出[7]。但關(guān)于小麥蠶豆間作條件下養(yǎng)分吸收利用方面的研究,仍僅限于氮、磷、鉀,有關(guān)作物錳和根際土壤錳的研究報(bào)道較少。同時(shí)研究表明,錳可以通過(guò)本身的毒性或改變毒性來(lái)直接影響病原菌或通過(guò)根系分泌物的代謝改變來(lái)間接影響,從而直接或間接影響植物病害的發(fā)生[8]。那么,小麥蠶豆間作減輕蠶豆赤斑病是否與錳的營(yíng)養(yǎng)有關(guān)呢,為此,本文通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)研究小麥蠶豆間作及不同施氮水平對(duì)蠶豆錳營(yíng)養(yǎng)和赤斑病控制的影響,并進(jìn)一步分析了兩者之間的關(guān)系,以期探尋小麥蠶豆間作的抗病機(jī)理,為間作作物的養(yǎng)分高效吸收和利用,提高產(chǎn)量提供理論依據(jù)和生產(chǎn)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)在云南省玉溪市紅塔區(qū)研和鎮(zhèn)玉溪農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行,地處云南省中部,北緯24°18′、東經(jīng) 102°27′,海拔 1650 m 。屬中亞熱帶半濕潤(rùn)冷冬高原季風(fēng)氣候,年平均氣溫16.5℃,極端最高氣溫30.8℃,極端最低氣溫0.3℃;全年日照2267 h,日照率51%;年均降雨量957.1mm,主要集中在每年5月～10月,11月～4月為旱季,因此,小春作物種植和生長(zhǎng)主要依靠灌溉水。

供試土壤為水稻土,土壤有機(jī)質(zhì)含量 16.6 g/kg、全氮1.59 g/kg、堿解氮 114.70 mg/kg、速效鉀257.20 mg/kg、速效磷 56.00 mg/kg、NH4OAc-Mn 3.24 mg/kg、pH 7.82,前茬為烤煙。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

試驗(yàn)為裂區(qū)區(qū)組設(shè)計(jì),主區(qū)為種植模式,設(shè)蠶豆單作和蠶豆小麥間作;副區(qū)為氮肥水平,設(shè)4個(gè)氮水平為 1)N 0 kg/hm2(N0,對(duì)照)、2)N 45 kg/hm2(N45,常規(guī)施氮的1/2)、3)N 90 kg/hm2(N90,常規(guī)施氮)、4)N 135 kg/hm2(N135,常規(guī)施氮3/2)。每個(gè)處理3次重復(fù),小區(qū)面積3.52×5.8=20.5m2,共24個(gè)小區(qū),田間隨機(jī)排列。每個(gè)處理均施 P2O575 kg/hm2。氮肥為尿素(N 46.4%),磷肥為普鈣(P2O5 16%),均作為基肥一次施用,在播種前全部開(kāi)溝與土壤混合;間、單作蠶豆施肥量一致。按農(nóng)戶常規(guī)的作物規(guī)范化栽培措施進(jìn)行肥水管理,其中減少農(nóng)藥的施用量和施用次數(shù)。

1.3 作物種植

間作小區(qū)內(nèi)作物種植規(guī)格為6行小麥-2行蠶豆,循環(huán)3個(gè)種植帶,3個(gè)種植帶分別作采樣區(qū)、病害調(diào)查區(qū)和測(cè)產(chǎn)區(qū)。小麥行間距0.2 m,麥豆行間距0.3 m,蠶豆行間距0.3 m,株間距0.15 m,每行25株。單作蠶豆種植規(guī)格為每小區(qū)種19行,相應(yīng)地也分為3個(gè)種植帶分別作采樣區(qū)、病害調(diào)查區(qū)和測(cè)產(chǎn)區(qū),每行定植數(shù)、株間距、行間距均和間作相同。

供試作物及品種小麥為F-42,蠶豆為玉溪大粒豆。均于 2005年 10月19日播種,小麥播量150 kg/hm2,蠶豆定植量23×104株/hm2,稱量到各個(gè)小區(qū)進(jìn)行行播;2006年4月13日收獲,在特定測(cè)產(chǎn)區(qū)實(shí)收進(jìn)行間、單作蠶豆測(cè)產(chǎn),再根據(jù)蠶豆實(shí)際占地面積折算單位面積產(chǎn)量。

1.4 采樣及病害調(diào)查

在蠶豆生育期的分枝期、開(kāi)花期、結(jié)莢期、膨大期、成熟期5次采集植株樣及其根際土壤樣品。其中植株根、莖和葉分別烘干制樣,根際土壤采用“抖土法”抖掉與根系松散結(jié)合的土體土,然后將與根系緊密結(jié)合的土壤刷下來(lái),再利用“四分法”,留取0.5 kg作為根際土壤樣品。

分別在蠶豆分枝期、開(kāi)花期、結(jié)莢期,在小區(qū)內(nèi)按“S”型進(jìn)行蠶豆植株葉赤斑病的定點(diǎn)調(diào)查,每小區(qū)調(diào)查5株,記載蠶豆葉赤斑病的總?cè)~數(shù)、病葉數(shù)和各級(jí)病葉數(shù),計(jì)算葉病情指數(shù)。

葉病分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:0級(jí),無(wú)病;1級(jí),葉面有少數(shù)病斑;2級(jí),葉面病斑占葉面積的1/4～1/2;3級(jí),葉面病斑占葉面積的1/2～3/4;4級(jí),葉面病斑占葉面積的3/4以上;5級(jí),葉片枯死脫落[9]。

計(jì)算公式:

發(fā)病率(%)=發(fā)病葉數(shù)/調(diào)查葉數(shù)×100;

病情指數(shù)(%)=∑(各病級(jí)葉數(shù)×該病級(jí)值)/葉數(shù)總和×發(fā)病最重級(jí)代表數(shù)值×100。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目與方法

蠶豆根際土交換錳含量采用 1mol/L NH4OAc(pH=7.0)浸提—原子吸收分光光度計(jì)法;蠶豆葉中錳濃度測(cè)定采用馬氟爐550℃±25℃灰化7～8 h,5.8 mol/L鹽酸溶解—原子吸收分光光度計(jì)法[10]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用EXCEL和SAS 9.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行多重比較和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮水平及間作對(duì)蠶豆產(chǎn)量的影響

由表 1 可見(jiàn),在N0、N45、N90、N135四種施氮水平下,間作蠶豆產(chǎn)量均顯著大于單作,間作蠶豆產(chǎn)量比單作分別提高 49.16%、63.53%、87.77%和60.79%,平均提高64.81%;其中,常規(guī)施氮水平下(N90)蠶豆產(chǎn)量間作增產(chǎn)效應(yīng)最大。不同施氮水平之間蠶豆產(chǎn)量相比較,單作條件下沒(méi)有差異,間作條件下有一定差異,高低依次是N90＞N45＞N0＞N135,而且常規(guī)施氮時(shí)的(N90)蠶豆產(chǎn)量顯著高于高施氮(N135)和不施氮(N0)條件下。由此可見(jiàn),小麥蠶豆間作對(duì)蠶豆產(chǎn)量有很大的影響,不僅有直接的影響,而且通過(guò)影響氮的利用效率間接影響蠶豆產(chǎn)量;施氮水平對(duì)蠶豆產(chǎn)量的影響較小。

2.2 施氮水平及間作對(duì)蠶豆根際土壤交換錳(NH4OAc-Mn)及葉中錳濃度的影響

圖1表明,在N0、N45、N90、N135四種施氮水平下間作蠶豆根際土壤交換錳含量顯著高于單作,整個(gè)生育期內(nèi),間作蠶豆根際土壤交換錳含量平均比單作蠶豆分別提高了35.25%、21.41%、16.27%和18.76%,其中不施氮時(shí)(N0)差異最為顯著,而隨著施氮水平提高,差異顯著性降低。從不同生育期來(lái)看,不同施氮水平對(duì)蠶豆根際土壤交換錳含量的影響最為顯著的是開(kāi)花期,N45、N90、N135處理?xiàng)l件下蠶豆根際土壤交換錳含量平均比N0處理分別提高17.94%、38.61%和23.57%。

表1 蠶豆產(chǎn)量比較(×103kg/hm2)Table 1 The yield comparison of faba beans

從表2可以看出,在4種不同施氮水平下,分枝期、開(kāi)花期和成熟期間作蠶豆葉中錳的濃度平均比單作分別提高12.53%、11.87%和8.49%,且在分枝期,間作和單作蠶豆葉中錳濃度的差異達(dá)到了顯著水平;結(jié)莢期和膨大期差異不顯著。不同施氮水平對(duì)蠶豆葉中錳濃度的影響主要表現(xiàn)在分枝期和成熟期,施氮水平在0～90 kg/hm2期間葉中錳濃度逐漸增加,到N 135 kg/hm2時(shí)反而降低,方差分析結(jié)果表明其差異達(dá)到了顯著水平;但在開(kāi)花期、膨大期和結(jié)莢期差異不顯著。

綜上,小麥蠶豆間作能顯著提高蠶豆根際土壤交換錳的含量,進(jìn)而促進(jìn)蠶豆葉對(duì)錳的吸收,提高蠶豆葉中錳的濃度;施氮量對(duì)蠶豆錳營(yíng)養(yǎng)的影響主要表現(xiàn)在生長(zhǎng)早期(分枝期～開(kāi)花期),在不施氮(N0)到常規(guī)施氮(N90)范圍內(nèi),隨著施氮量的增加,蠶豆根際土壤交換錳含量和葉中錳的濃度也會(huì)有一定程度的增加,但施氮量過(guò)多二者反而下降。

2.3 施氮水平及間作對(duì)蠶豆葉赤斑病的影響及相關(guān)分析

圖2顯示,在本試驗(yàn)條件下,蠶豆葉赤斑病發(fā)病較早,在分枝期～開(kāi)花期進(jìn)入發(fā)病盛期,而后發(fā)病率和病情指數(shù)逐漸降低,其中在發(fā)病盛期(分枝期～開(kāi)花期)和中期(結(jié)莢期)間作蠶豆葉赤斑病發(fā)病率比單作蠶豆平均降低了15.75%、病情指數(shù)平均降低了1.5%,而后隨著病斑消退,間、單作之間的發(fā)病差異消失。在發(fā)病盛期(分枝期～ 開(kāi)花期),高氮(N135)和常規(guī)施氮(N90)條件下的蠶豆葉赤斑病發(fā)病率和病情指數(shù)均高于低氮(N45)和不施氮(N0)處理,這種差異在結(jié)莢期隨著蠶豆葉赤斑病逐漸消失而消失。進(jìn)一步將蠶豆葉中錳的濃度和葉赤斑病進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著蠶豆葉中錳濃度的增加,葉赤斑病的發(fā)病率和病情指數(shù)均逐漸降低,而且蠶豆葉中錳濃度和蠶豆葉赤斑病的發(fā)病率和病情指數(shù)均表現(xiàn)有極顯著的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù) r分別達(dá)到了-0.9196和-0.9229(圖 3)。

圖1 不同施氮水平下間、單作蠶豆不同生育期根際土壤交換錳含量比較Fig.1 NH4OAc-Mn content comparison in the rhizosphere soil between intercropping and monocropping faba beans of different growth stages under different nitrogen application

表2 蠶豆葉中錳的濃度比較(mg/kg,DW)Table 2 Manganese concentration comparison in leaves of faba beans

圖2 蠶豆葉赤斑病發(fā)病率和病情指數(shù)比較Fig.2 The disease incidence and index comparisons of faba beans leaf spots

圖3 蠶豆葉片錳濃度與葉赤斑病發(fā)病率、病情指數(shù)的關(guān)系Fig.3 Correlations between manganese concentration in leaves and the incidence and disease index of faba beans leaf spots

3 討論與結(jié)論

3.1 小麥蠶豆間作對(duì)蠶豆產(chǎn)量、錳營(yíng)養(yǎng)及病害發(fā)生的影響

大量研究結(jié)果表明,小麥蠶豆間作產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)突出[7],這是因?yàn)槎箍坪头嵌箍谱魑镩g作有光、熱、氣、水等自然資源利用優(yōu)勢(shì)[11],能促進(jìn)礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收利用[12]。前期的一些試驗(yàn)結(jié)果表明[13],在小麥蠶豆間作體系中,小麥蠶豆之間既存在互助又存在競(jìng)爭(zhēng),小麥具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),因此,間作產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)來(lái)自小麥大于來(lái)自蠶豆,個(gè)別甚至出現(xiàn)蠶豆減產(chǎn)的報(bào)道。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),間作蠶豆產(chǎn)量顯著高于單作蠶豆,而間作小麥產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)不明顯,小麥蠶豆間作產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)主要來(lái)自蠶豆,這與前人的研究結(jié)果并不一致。因此認(rèn)為小麥蠶豆間作有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)是毫無(wú)疑問(wèn)的,而優(yōu)勢(shì)是主要來(lái)自小麥還是蠶豆,與生產(chǎn)環(huán)境、栽培品種有密切關(guān)系,比如本試驗(yàn)中所用的蠶豆品種在株高上明顯高于小麥,可能使蠶豆在光和熱的競(jìng)爭(zhēng)上處于優(yōu)勢(shì),而小麥處于劣勢(shì)。

同時(shí),本試驗(yàn)結(jié)果還表明,小麥蠶豆間作提高了蠶豆根際土壤交換錳的含量及生長(zhǎng)早期(分枝期～開(kāi)花期)蠶豆葉中錳的濃度,原因可能是一方面通過(guò)小麥蠶豆間作促進(jìn)蠶豆根瘤量的增加[14],提高了固氮量[15],使間作蠶豆根際土pH值降低,另一方面可能是通過(guò)小麥根系分泌物(如麥根酸類分泌物)[16]對(duì)Mn2+的鏊合作用而提高了蠶豆根際土壤中錳的有效性,進(jìn)而促進(jìn)了蠶豆對(duì)錳的吸收。

合理間作有利于病害的控制[17],在小麥蠶豆間作體系中也發(fā)現(xiàn)間作有利于小麥條銹病、小麥白粉病及蠶豆葉赤斑病的控制[2-4]。本試驗(yàn)中,發(fā)病盛期(分枝期～開(kāi)花期)間作蠶豆葉赤斑病發(fā)病率和病情指數(shù)均顯著低于單作蠶豆,進(jìn)一步驗(yàn)證了前人的試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 施氮水平對(duì)蠶豆產(chǎn)量、錳營(yíng)養(yǎng)及病害發(fā)生的影響

氮是影響植物生長(zhǎng)、生殖、發(fā)育和作物品質(zhì)、產(chǎn)量的重要因素,氮素施用的合理與否關(guān)系到能否達(dá)到“高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作物”的目的,大部分試驗(yàn)結(jié)果表明,在一定的施氮范圍內(nèi),隨施氮水平的提高,作物產(chǎn)量會(huì)增加,但本試驗(yàn)中,不同施氮水平對(duì)蠶豆產(chǎn)量并沒(méi)有顯著影響,這可能是豆科作物對(duì)施氮水平的反應(yīng)并不像禾本科作物那么敏感,因?yàn)槎箍谱魑锟梢酝ㄟ^(guò)根瘤固定空氣中的氮,以調(diào)節(jié)自身對(duì)氮的需求量[18]。因此,在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,種植豆科作物一般是很少施用氮肥的。

土壤交換錳是對(duì)植物有效的錳,能被植物立即吸收利用,其含量主要受土壤pH值的影響,一般隨pH值增加而降低[19]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,生長(zhǎng)早期(分枝期～開(kāi)花期)和生長(zhǎng)晚期(成熟期)NH+4-N(尿素)施用量較高(N135和N90)比用量較低(N0和N45)時(shí)蠶豆根際土壤交換錳含量和蠶豆葉中錳的濃度高,這是因?yàn)槭┤胪寥赖腘H+4-N使土壤H+量增加,pH值減小,土壤錳的有效性增加,植物對(duì)錳的吸收也相應(yīng)提高;但整體來(lái)看,并不是施氮水平越高蠶豆根際土壤交換錳的絕對(duì)含量就越高,而是低氮(N0和N45)高于高氮(N90和N135)條件下。這與蠶豆根瘤固氮能力的季節(jié)性變化規(guī)律“兩頭小,中間大”有關(guān),蠶豆根瘤數(shù)和固氮能力從苗期開(kāi)始逐漸增加,到開(kāi)花期達(dá)到高峰,結(jié)莢后根瘤衰老,固氮能力降低[20]。因此,在生長(zhǎng)早期(苗期～分枝期)和生長(zhǎng)晚期(成熟期),根瘤固氮不能滿足蠶豆生長(zhǎng)發(fā)育的需要,需要適當(dāng)施入氮肥,同時(shí),蠶豆根際土壤有效氮含量和交換錳的含量主要受施氮水平的影響;而生長(zhǎng)中期(盛花期～結(jié)莢期)隨著前期施入氮肥的消耗和蠶豆根瘤數(shù)及固氮能力的快速增加達(dá)到高峰,蠶豆根際土壤有效氮和交換錳的含量應(yīng)該主要決定于蠶豆根瘤數(shù)和固氮能力;而有研究也表明,施氮尤其是過(guò)量施氮會(huì)抑制蠶豆根瘤數(shù)和固氮能力[20]。因此,蠶豆根際土壤交換錳的含量在生長(zhǎng)早期和生長(zhǎng)晚期主要受施氮水平影響,而生長(zhǎng)中期主要受蠶豆根瘤數(shù)和固氮能力的影響。

合理施氮能夠促進(jìn)植物根系的發(fā)育和莖葉的生長(zhǎng),保持正常的光合作用而使作物保持綠色。如氮素不足,作物生長(zhǎng)、發(fā)育會(huì)顯著受阻;相反,施氮量過(guò)多會(huì)使作物木質(zhì)素合成減少,作物徒長(zhǎng),莖葉軟弱;又使質(zhì)外體內(nèi)氨基酸和酰胺等可溶性含氮化物增加,向葉片表面分泌量增加,而酚類物質(zhì)合成減少,毒性降低,易受病菌侵染,抗病力下降[21]。研究表明,小麥蠶豆間作體系中,隨著施氮水平增加,小麥銹病和白粉病加重[2-3]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蠶豆葉赤斑病在發(fā)病盛期高氮水平(N135和N90)比低氮水平(N0和N45)下發(fā)病嚴(yán)重。

3.3 錳與植物病害發(fā)生的關(guān)系

錳是植物必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素,也是微生物生長(zhǎng)的必需元素。錳通過(guò)產(chǎn)生抑制化合物或感染部位附近毒性錳的積累和病原體的不斷吸收來(lái)直接影響植物病害[8]。有文獻(xiàn)報(bào)道,施銨態(tài)氮肥后,由于提高了土壤中錳的有效性,也降低了小麥全蝕病的危害程度[22];有人在實(shí)驗(yàn)室中采用PDA培養(yǎng)基測(cè)定了錳對(duì)小麥全蝕病菌的抑菌效果,結(jié)果表明,錳濃度在0.2×10-4g/mL時(shí)的抑菌率為21.33%,在0.4×10-4g/mL時(shí)抑菌率為42.97%[23]。本試驗(yàn)顯示,間作及單作蠶豆葉中錳的濃度與葉赤斑病的發(fā)生有極顯著的負(fù)相關(guān)性,從而說(shuō)明小麥蠶豆間作有效控制蠶豆葉赤斑病的原因,有可能與間作提高蠶豆根際土壤錳的有效性和蠶豆葉中錳濃度有關(guān)。

綜上所述,在蠶豆的生產(chǎn)中,減少氮肥投入通常并不會(huì)影響蠶豆產(chǎn)量,且從整個(gè)生育期來(lái)看有利于蠶豆對(duì)錳的吸收,還可以降低因大量施氮引起蠶豆葉赤斑病的發(fā)生;同時(shí),通過(guò)小麥蠶豆間作能顯著提高蠶豆產(chǎn)量,而且有利于蠶豆葉錳的吸收和葉赤斑病的控制。因此,在蠶豆葉赤斑病的高發(fā)區(qū)及嚴(yán)重缺錳的土壤上,減少氮肥投入或通過(guò)小麥蠶豆間作可以有效地控制蠶豆葉赤斑病的發(fā)生,至于通過(guò)施錳尤其是葉面噴施錳能否減輕蠶豆葉赤斑病的發(fā)生,尚待進(jìn)一步研究。

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