棉花間作模式中作物養(yǎng)分競爭吸收和積累動態(tài)的研究

黨小燕，劉建國，帕尼古麗，王江麗，危常州，李 隆，2*

(1石河子大學農(nóng)學院，新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子832000;2中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京100193)

棉花是我國的主要經(jīng)濟作物，棉花產(chǎn)業(yè)在整個國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中占有非常重要的地位［1］。但是近年來由于對糧食作物的重視、蔬菜面積的擴大等原因，棉花面積有了較大幅度的減少［2］。棉花與糧食及其他作物的爭地矛盾已成為制約棉花生產(chǎn)發(fā)展的重要因素之一。新疆是我國最重要的棉花生產(chǎn)基地，種植面積約占全國的1/3，此外新疆具光熱資源豐富、棉花品質(zhì)較好、生產(chǎn)潛力較大等條件［3］。因此，發(fā)展棉田間作是該地區(qū)發(fā)展可持續(xù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植技術(shù)體系的重要途徑之一。棉田間作模式繁多，主要有四大基本作物搭配類型:棉菜型、棉果型、棉藥型、棉油糧(飼)型。在全世界，有各種各樣的棉田間作體系被廣泛的采納應用［4－9］。

已有較多的研究表明，以棉花為主的間作體系在產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收方面都有一定的間作優(yōu)勢，如在河南安陽的麥棉間作中，小麥∶棉花行比分別為3∶1、3∶2和4∶2體系中，小麥的產(chǎn)量比單作增加了70% ～79%，棉花產(chǎn)量比單作相比減少，但在3年的試驗中麥棉間作體系的土地當量比(LER)都大于1［10］;Bt棉花與花生間作后棉花的氮、磷、鉀的吸收量比單作分別高 79.4、6.6 和 46.0 kg/hm2［11］; 而且，在不同作物于棉花間作的體系中發(fā)現(xiàn)，棉花與洋蔥、蘿卜、鷹嘴豆、花生間作具有明顯的間作優(yōu)勢，棉花與洋蔥、蘿卜間作顯著提高了棉花的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量，尤其是與洋蔥間作后顯著增加了棉花纖維上半部分平均長度［12－13］。間作產(chǎn)量優(yōu)勢的作物生態(tài)基礎主要有兩個方面:一是地上部光、熱資源的充分利用，二是地下部水分和養(yǎng)分資源的充分利用［14］。研究表明，間作能有效的增加作物產(chǎn)量，提高養(yǎng)分的利用效率及養(yǎng)分的吸收量［14－15］，這主要是由于種間相互作用，一種作物能促進另一種作物的養(yǎng)分吸收和利用，尤其是豆科作物能促進禾本科作物的產(chǎn)量提高和養(yǎng)分吸收［15－19］。而對棉花間作體系的養(yǎng)分資源的種間競爭和促進作用方面研究相對較少。本文試圖通過間作和單作作物養(yǎng)分吸收特點的比較，闡明間作作物種間養(yǎng)分吸收的競爭作用和促進作用，從而揭示以棉花為基礎的間作體系中的產(chǎn)量優(yōu)勢的營養(yǎng)學基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況及供試土壤

試驗于2010年在新疆石河子大學試驗站進行(44°18'50″N，86°03'33″E)，海拔 399.2 m，年日照時數(shù)為2721～2818 h，無霜期為168～171 d，≥0℃的活動積溫為4100℃，≥10℃的活動積溫為3650℃，年平均氣溫為6.9℃，年降水量為125.0～207.7 mm。土壤質(zhì)地為壤土，pH 7.56，有機質(zhì) 15.31 g/kg，全氮 1.05 g/kg，有效氮 54.80 mg/kg，有效磷19.12 mg/kg，有效鉀 196 mg/kg。

1.2 供試作物及其品種

供試棉花(Gossypium hirsutum．)品種為新陸早13號，蘿卜(Raphanus sativus L．)，花生(Arachis hypogaea．)品種為豫花 15號，大豆［Glycine max(Linn．)Merr．］品種為新大豆 10 號，鷹嘴豆(Cicer microphyllum Benth．)品 種 為 88 － 1，線 辣 椒(Capsicum cayenne pimiento．)品種為改良8819，洋蔥(Allium cepa Linn．)品種為寶紅A號。

1.3 試驗設計

試驗設6種間作組合和7種單作，分別為:花生/棉花、大豆/棉花、鷹嘴豆/棉花、洋蔥/棉花、蘿卜/棉花、辣椒/棉花、花生單作、大豆單作、洋蔥單作、蘿卜單作、辣椒單作和棉花單作。試驗小區(qū)施磷酸二銨300 kg/hm2，折合純氮(N)54 kg/hm2，純磷(P2O5)138 kg/hm2。棉花現(xiàn)蕾后增施滴灌肥230 kg/hm2，折合純氮(N)36.8 kg/hm2，純磷(P2O5)46 kg/hm2，純鉀(K2O)34.5 kg/hm2。試驗設 3次重復，共計39個小區(qū)，隨機區(qū)組排列。于4月28日統(tǒng)一播種。

棉花/大豆間作處理，每個小區(qū)種植3個間作組合帶，一個間作帶寬1.50 m，一個間作帶種植2行棉花、2行大豆，棉花行距為0.45 m、株距0.1 m，大豆行距為0.30 m、株距0.15 m，行長5 m。小區(qū)面積22.5 m2(1.5 m×5 m×3)。棉花/花生、棉花/鷹嘴豆、棉花/線辣椒間作處理如同棉花/大豆間作處理。

棉花/蘿卜間作處理，每個小區(qū)種植3個間作組合帶，一個間作帶寬1.50 m，一個間作帶種植2行棉花3行蘿卜，棉花行距為0.45 m、株距0.1 m，蘿卜行距為0.20 m、株距0.2 m，行長5 m。小區(qū)面積22.5 m2(1.5 m×5 m×3)。棉花/洋蔥間作處理如同棉花/蘿卜間作處理。

單作作物采用等行距種植，株、行距都與間作時相同，小區(qū)面積15 m2(3 m×5 m)，單作棉花每個小區(qū)種植7行;單作花生、大豆、鷹嘴豆、辣椒每個小區(qū)種植10行;單作洋蔥、蘿卜每個小區(qū)種植15行，小區(qū)面積15 m2(3 m×5 m)。養(yǎng)分吸收量按間作中兩種作物各自所占凈面積計，單作和間作作物播種密度是相同的。采用滴灌的灌溉方式，棉花整個生育期灌水次數(shù)為14次，總灌水量為5625 m3/hm2。

1.4 取樣、測定及數(shù)據(jù)分析

在棉花的出苗期(6月9日)、苗期(7月2日)、蕾期(7月27日)、開花結(jié)鈴期(8月20)、吐絮期(9月12日)和成熟期(10月1日)對每一種作物取樣，每種作物成熟期也同時取樣。取樣時按一定面積分別取植株樣，由于作物播種時是按南北走向種植，取樣時按作物所在行的地理位置的東西行分別采樣。

樣品經(jīng)H2SO4－H2O2消煮后，分別以凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度法測定植株氮、磷、鉀含量，并根據(jù)生物學產(chǎn)量折算為作物的氮磷鉀吸收量。當比較間作與單作養(yǎng)分吸收量時，均以可比面積為基礎。

營養(yǎng)競爭比率是度量一種作物相對于另一種作物競爭吸收養(yǎng)分能力強弱的指標。本文用棉花相對于和其間作的作物對養(yǎng)分的競爭比率來衡量養(yǎng)分競爭能力(CRcc1)。根據(jù) Morris提供的公式［18］進行計算:

CRcc1=(PUic/PUsc)×Fc/(PUic1/PUsc1)×Fc1

式中:PUic和PUic1分別為間作棉花和其間作的作物的吸磷量，PUsc和PUsc1分別為單作棉花和單作其他作物的吸磷量，F(xiàn)c和Fc1分別為間作中棉花和其他作物所占比例。當CRcc1＞1，表明棉花比和其間作的作物的營養(yǎng)競爭能力強;當CRcc1＜1，表明棉花比其間作的作物的營養(yǎng)競爭能力弱。氮、鉀的營養(yǎng)競爭比率用同法計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作和單作棉花干物質(zhì)累積和氮磷鉀累積的差異

2.1.1 地上部干物質(zhì) 棉花生長早期，各種間作體系中棉花地上部干物質(zhì)重與單作棉花沒有顯著差異。但在生長后期各種間作體系中棉花地上部干物質(zhì)重與單作棉花出現(xiàn)顯著差異。棉花與洋蔥、蘿卜間作，棉花的干物質(zhì)重在開花結(jié)鈴期以后都顯著高于單作棉花。而棉花與大豆、鷹嘴豆間作以后棉花的干物質(zhì)重在整個生育期都顯著低于棉花單作(圖1－A)。

祝國寺的管理工作有很多方面。首先根據(jù)相關標準和條件，選配小寺小廟領導班子和管理人員，有了管理團隊，還要建立“四公開一監(jiān)督”的制度，并對這些分散各地的寺廟進行監(jiān)督、檢查。

2.1.2 地上部養(yǎng)分累積動態(tài) 從第3次取樣開始，各間作體系中棉花與單作棉花地上部養(yǎng)分吸收累積量開始出現(xiàn)差異。與洋蔥、蘿卜、辣椒、花生間作的棉花的氮磷鉀吸收積累量逐漸高于單作棉花。相反，與大豆、鷹嘴豆間作的棉花的氮磷鉀吸收積累量在整個生育期都低于單作棉花(圖1－B，C，D)。此外，在收獲前各種間作體系中棉花和單作棉花的地上部磷累積均有下降趨勢(圖1－B，C，D)。

2.2 配對作物間作和單作干物質(zhì)累積和氮磷鉀累積的差異

2.2.1 大豆、花生、鷹嘴豆、洋蔥、辣椒和蘿卜干物質(zhì)累積量 圖2表明，間作洋蔥和辣椒的干物質(zhì)重在生育期后期均顯著低于單作;間作花生的干物質(zhì)重在整個生育期與單作相比沒有顯著差異;間作鷹嘴豆和大豆的干物質(zhì)重在生育期后期均顯著地高于單作。這表明與棉花間作提高了大豆和鷹嘴豆的生長;降低了辣椒和洋蔥的生長;對花生生長影響不大。與棉花間作后，蘿卜干物質(zhì)積累量高于單作(P=0.08)。

2.2.2 間作和單作大豆、花生、鷹嘴豆、洋蔥、辣椒和蘿卜養(yǎng)分吸收積累特征 圖3表明，與棉花間作的洋蔥和辣椒的氮吸收量在生育期后期均顯著低于相應的單作洋蔥和單作辣椒。間作花生的氮吸收量在整個生育期與單作相比沒有顯著差異。間作鷹嘴豆和大豆的氮吸收量在整個生育期均顯著高于相應單作鷹嘴豆和大豆。間作以后蘿卜的氮的吸收量與單作相比沒有顯著差異。間作洋蔥、辣椒、花生、鷹嘴豆、大豆和蘿卜等與棉花間作后磷、鉀吸收累積特點(圖4、圖5)與氮素吸收特點(圖3)類似。

圖5 間作與單作大豆、花生、鷹嘴豆、洋蔥、辣椒、蘿卜累積吸鉀量Fig．5 The K accumulation in intercropped and monocultured soybean，peanut，chickpea，onion，chilli and radish

2.3 不同作物與棉花間作后作物對養(yǎng)分的競爭比率

表1顯示，棉花與大豆、棉花與鷹嘴豆間作體系，兩作物共生期，棉花對氮的競爭能力表現(xiàn)為比大豆和鷹嘴豆的弱。除鷹嘴豆成熟期外，棉花相對于大豆或鷹嘴豆的競爭比率(CRcc1)小于1。棉花與辣椒、棉花與花生和棉花與洋蔥間作體系，兩作物共生期間，棉花對氮的競爭能力始終比配對作物強(CRcc1＞1)。棉花和蘿卜的共生期很短，蘿卜只有一次取樣，結(jié)果表明棉花競爭能力弱于蘿卜(表1)。

不同作物與棉花間作以后對磷、鉀營養(yǎng)的競爭比率的結(jié)果基本與氮素競爭比率類似。

3 討論

兩種作物間作以后，除了在地上部光、熱資源的利用方面具有空間和時間上的互補競爭作用外，在共同生長期間作物養(yǎng)分吸收利用方面也具有種間的相互作用，包括養(yǎng)分吸收的種間競爭作用、促進作用(或補償作用)。種間競爭和促進作用的相對大小共同決定了間作作物吸收養(yǎng)分的狀況［15］。本文從養(yǎng)分吸收的種間相互促進和競爭作用方面探討了間作優(yōu)勢產(chǎn)生的基礎。

棉花生育期長達150多天，與大豆和辣椒共生期為130天，與花生、鷹嘴豆和洋蔥共生期為107天，與蘿卜共生期為50多天。棉花與大豆和鷹嘴豆間作后，在整個共生期棉花處在劣勢地位，而大豆和鷹嘴豆處在優(yōu)勢地位，間作后大豆和鷹嘴豆干物質(zhì)重和養(yǎng)分吸收量顯著提高，而棉花干物質(zhì)重和養(yǎng)分吸收量有所下降，說明兩者間作以后棉花處于不利地位而兩種豆科植物處于優(yōu)勢地位。棉花與辣椒和洋蔥間作以后干物質(zhì)重和養(yǎng)分吸收量都顯著高于單作，但是辣椒和洋蔥的干物質(zhì)重和養(yǎng)分吸收量比單作有所下降，棉花的競爭能力比辣椒和洋蔥強。與花生間作以后，棉花干物質(zhì)重和養(yǎng)分吸收量都顯著高于單作，花生的干物質(zhì)重和養(yǎng)分吸收量高于單作但無顯著差異，體系整體表現(xiàn)為產(chǎn)量優(yōu)勢，且棉花的競爭能力比花生的強，或者說花生促進了棉花的養(yǎng)分吸收。關于間作能促進養(yǎng)分的吸收利用的研究中較多，如禾本科和豆科間作具有種間促進作用，促進氮營養(yǎng)的吸收［16，21］;小麥與玉米、蠶豆間作以后產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量比單作顯著增加，與玉米間作增加了40%～70%的產(chǎn)量，與蠶豆間作增加了28%～30%的產(chǎn)量，N、P、K養(yǎng)分的積累也具有相似趨勢［22］。棉花與蘿卜間作后，兩作物在養(yǎng)分吸收高峰的時間上有補償作用，錯開了養(yǎng)分吸收高峰，具有合理分配養(yǎng)分吸收時間有效性的特點，表現(xiàn)為間作棉花養(yǎng)分吸收高峰后移，并且吸收強度加大;蘿卜收獲以后棉花在空間上占據(jù)優(yōu)勢，間作棉花的養(yǎng)分吸收量增加，是其獲得高產(chǎn)的基礎;間作棉花雖然競爭養(yǎng)分的能力弱，在前期受到不利影響，但蘿卜收獲后，可得到恢復和補償，成熟時養(yǎng)分吸收量并未降低，為兩種作物共同高產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎。在蘿卜/棉花間作中蘿卜收獲后棉花所呈現(xiàn)的生長與養(yǎng)分吸收的恢復。李隆等［23］也發(fā)現(xiàn)小麥/大豆間作體系中，在小麥收獲以后大豆產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收也有類似的恢復現(xiàn)象。

表1 棉花相對于其他作物的氮、磷、鉀營養(yǎng)競爭比率Table 1 Competitive ratio for nitrogen(N)，phosphorus(P)and potassium(K)uptake by cotton relative to uptake by other crops

棉花與洋蔥間作顯著地提高棉花上半部分平均長度［12］，可能與間作后棉花鉀吸收量有關。研究表明，鉀肥對棉花的生長、葉片的生理特性、產(chǎn)量、棉花纖維品質(zhì)都有影響［24－26］。鉀肥促進了棉花葉片葉綠素的合成，提高棉花功能葉的光合功能，延緩葉片衰老［24］;且鉀肥能有效的促進棉鈴體積增大、鈴重提高、纖維長度變長和成熟度提高［25－26］。因此，本文中棉花與洋蔥間作以后在棉花生長的開花結(jié)鈴期提高了棉花的吸鉀量，從而促進了棉花品質(zhì)的提高。

4 結(jié)論

在以棉花為主的間作體系中，棉花和花生、洋蔥、辣椒間作后棉花對養(yǎng)分的競爭能力強，棉花和蘿卜間作后在棉花生長后期，即蘿卜收獲以后棉花對養(yǎng)分的吸收有一個恢復的過程，所以棉花和花生、洋蔥、辣椒、蘿卜間作后既促進了棉花的生物量和養(yǎng)分吸收，又增加了整個間作體系的養(yǎng)分吸收量。因此，花生、棉花/洋蔥、棉花/辣椒和棉花/蘿卜間作體系具有明顯的間作優(yōu)勢，并且對棉花產(chǎn)量沒有不利影響，可以考慮在該地區(qū)應用推廣。

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