西北灌區(qū)薯/豆連續(xù)套作對系統(tǒng)產量及土壤肥力的影響

陳光榮,王立明,楊如萍,董博,張國宏,楊桂芳

(1.甘肅省農業(yè)科學院旱地農業(yè)研究所，農業(yè)部西北作物抗旱栽培與耕作重點實驗室，甘肅 蘭州730070；2.甘肅環(huán)科雅農業(yè)科技有限公司，甘肅 蘭州730070)

西北灌區(qū)薯/豆連續(xù)套作對系統(tǒng)產量及土壤肥力的影響

陳光榮1,王立明1,楊如萍1,董博1,張國宏1,楊桂芳2

(1.甘肅省農業(yè)科學院旱地農業(yè)研究所，農業(yè)部西北作物抗旱栽培與耕作重點實驗室，甘肅 蘭州730070；2.甘肅環(huán)科雅農業(yè)科技有限公司，甘肅 蘭州730070)

探求馬鈴薯/大豆連續(xù)套作下復合群體產量優(yōu)勢，為實現持續(xù)高產的生產目標提供理論和技術依據。2011-2014年，在西北沿黃灌區(qū)會寧縣郭城鎮(zhèn)，選用馬鈴薯品種克新4號和大豆品種冀豆17作為試驗材料，設置馬鈴薯連作(PM)、大豆連作(SM)、薯-豆輪作(P-S)、薯/豆套作連作(IC)和薯/豆套作輪作(IR)5種種植方式開展大田定位試驗，研究不同種植模式連續(xù)種植4年對系統(tǒng)產量及產量構成的影響，分析系統(tǒng)生產力及土壤肥力的變化特點，進而揭示薯/豆套作系統(tǒng)的生產價值。結果表明, 1)薯/豆套作具有明顯的產量優(yōu)勢，4年間，IC和IR系統(tǒng)產量與連作相比，分別提高了28.54%～254.07%和39.39%～283.98%，與輪作相比，分別提高了57.51%和70.81%。2011和2012年，IC與IR系統(tǒng)產量間差異不顯著，但IC和IR與PM、SM、P-S處理間系統(tǒng)產量差異達到顯著水平(P<0.05)，2013和2014年IR系統(tǒng)產量均最高，分別達到9912.79和9589.90 kg/hm2，較IC處理分別提高了15.38%和8.45%，且與其他處理間均差異達到顯著水平(P<0.05)。2)不同種植模式在年際間變化顯著，對于PM，2012年(連作1年)與2011年(正茬)產量差異不顯著，而2013年(連作2年)和2014年(連作3年)產量較2011年分別下降了22.07%和42.11%；SM和IC變化趨勢與PM表現一致，連作2年后，降幅分別為31.15%～53.60%和13.91%～24.17%；對于P-S和IR而言，年際間系統(tǒng)產量無顯著變化。3)不同種植模式對耕層土壤肥力性質指標的影響程度是：有效磷>堿解氮>全氮>全磷>速效鉀>有機質>全鉀>pH。較PM、SM和P-M，IC和IR連續(xù)套作4年，耕層土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀呈下降趨勢，尤其是有效磷和速效鉀，下降幅度分別達到26.24%～42.87%和18.48%～30.22%。馬鈴薯和大豆連作2年后產量顯著下降，薯/豆連續(xù)套作4年(IC或IR)，相對于連作或輪作具有明顯的生產力優(yōu)勢，尤其是薯/豆套作輪作模式，基于養(yǎng)分吸收量的增加和養(yǎng)分利用效率的提高，連續(xù)4年系統(tǒng)產量相對穩(wěn)定。

馬鈴薯；大豆；連續(xù)套作；系統(tǒng)產量；耕層土壤肥力

水稻(Oryzasativa)、玉米(Zeamays)和小麥(Triticumaestivum)占我國糧食作物總播種面積和全部糧食產量的73%和85%左右。我國自2004年到2015年的12年間，全國糧食生產實現了“十二連增”，基本滿足了人們的糧食需求消費。然而，種植玉米、小麥等糧食作物的收益在10年間增幅很小，在農民純收入中所占比例越來越小，成為削弱農民種糧積極性的主要因素，同時也成為制約糧食生產可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素[1]。與此相反，在我國馬鈴薯(Solanumtuberosum)主糧化的背景下，由于比較效益高，產業(yè)鏈長等優(yōu)勢條件，馬鈴薯種植面積逐年增加。甘肅省中部沿黃灌區(qū)是西北地區(qū)乃至全國重要的早熟馬鈴薯生產基地，該區(qū)域馬鈴薯種植逐漸呈現規(guī)?；C械化和集約化趨勢。然而，伴隨著該區(qū)域馬鈴薯產業(yè)的發(fā)展，出現種植結構相對單一、倒茬困難和馬鈴薯多年連作的局勢，導致馬鈴薯生長發(fā)育受阻、病蟲害猖獗、產量和品質下降等一系列問題。生產上需要通過輪作倒茬來緩解連作障礙，這就妨礙了馬鈴薯種植面積的擴大且增加了基地建設成本。近年來，西北地區(qū)馬鈴薯/大豆(Glycinemax)高產高效栽培模式大面積被應用，該模式年際間交替輪作有效改善土壤微生物結構，緩解了馬鈴薯連作障礙，為該區(qū)域馬鈴薯產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起重要作用。在農田生態(tài)系統(tǒng)中，間套作顯著提高系統(tǒng)產量已被國內外大量試驗研究所證實，在北歐地區(qū)大麥(Hordeum)間作豌豆(Pisumsativum)籽粒產量高達4.6 t/hm2，顯著高于單作水平[2]；在東非地區(qū)玉米間作金錢草(Pileapeperomioides)系統(tǒng)中，間作玉米產量較單作玉米高511.1%[3]；在印度，水稻間套作花生(Arachishypogaea)系統(tǒng)中，間作水稻產量為2815 kg/hm2，顯著高于單作水稻[4]，大豆間作木豆(Cajanuscajan)的平均產量較單作大豆提高60%以上[5]；在我國西北地區(qū)小麥間作玉米和小麥間作大豆系統(tǒng)中，小麥籽粒產量平均分別增加55%和29%，玉米增產25.5%，大豆增產6%[6]。前期研究表明，馬鈴薯套作大豆可提高土地復種指數，提高土地利用率，具有良好的產出效果，其單位面積產量、產值分別為單作的1.39和1.43 倍[7]。李萍等[8]和芶久蘭[9]研究表明，馬鈴薯對土壤N和K吸收量大，而豆科作物對P比較敏感，馬鈴薯套作豆科作物可均衡吸收土壤養(yǎng)分，提高土地利用率。王海燕等[10]研究發(fā)現，馬鈴薯套作蠶豆(Viciafaba)系統(tǒng)氮素和磷素產投比較馬鈴薯單作提高12.99%和9.41%，較蠶豆單作提高29.85%和60.34%。在印度亞熱帶地區(qū)對馬鈴薯和菜豆(Phaseolusvulgaris)間作模式研究表明，土壤中的有機碳的含量明顯增加25%[11]。馬鈴薯/大豆套作模式能顯著提高系統(tǒng)生產力和養(yǎng)分利用效率，同時從土壤中攜出比單作更多的養(yǎng)分是否導致土壤肥力降低，另外，薯/豆連續(xù)套作條件下，系統(tǒng)內作物生產力是否維持或者降低成為眾所關注的問題。據此，本試驗在甘肅沿黃灌區(qū)開展4年定位試驗，通過研究薯/豆套作連作、薯/豆套作輪作、薯-豆輪作、馬鈴薯連作等種植模式對作物產量構成影響，分析不同種植模式下系統(tǒng)生產力及土壤肥力的變化特點，為薯豆套作模式在生產上的推廣和應用提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1試驗材料

馬鈴薯品種選用黑龍江省馬鈴薯研究所選育的克新4號，大豆品種選用河北省農林科學院糧油作物研究所育成的冀豆17(表1)。

表1 供試馬鈴薯、大豆品種特性Table 1 Characteristics of different plant varieties of potato and soybean

1.2試驗地概況

試驗于2011-2014年在甘肅省會寧縣郭城鎮(zhèn)進行，地處35°37′ N、105°13′ E，海拔1594 m，年平均氣溫6.7 ℃，年均降雨量263.1 mm，≥10 ℃的有效年積溫3244 ℃。試驗地肥力相對均勻，2011年播前0～20 cm耕層土壤基礎肥力為有機質10.21 g/kg、全氮0.67 g/kg、全磷0.79 g/kg、全鉀11.07 g/kg、堿解氮39.82 mg/kg、有效磷9.26 mg/kg、速效鉀99.89 mg/kg、pH值為8.01。

1.3田間試驗設計及種植規(guī)格

本研究為4年定位試驗，設5個處理，(1)馬鈴薯連作(PM)，帶幅160 cm，馬鈴薯幅寬 100 cm，起壟覆膜種植2行馬鈴薯；(2)大豆連作(SM)，采用大豆單作，平地種植；(3)薯/豆套作連作(IC)，采用早熟馬鈴薯/大豆套作、帶寬160 cm，其中馬鈴薯幅寬100 cm，起壟覆膜種植2行馬鈴薯。大豆幅寬60 cm，平地種植2行，且在馬鈴薯帶和大豆帶內連續(xù)種植馬鈴薯和大豆的套作模式;(4)薯/豆套作輪作(IR)，采用早熟馬鈴薯/大豆套作、帶寬160 cm，其中馬鈴薯幅寬100 cm，起壟覆膜種植2行馬鈴薯。大豆幅寬60 cm，平地種植2行，且在馬鈴薯帶和大豆帶年際間輪作種植馬鈴薯和大豆的套作模式；(5)薯-豆輪作(P-S)，2011、2013年種植馬鈴薯，種植方式同(1)，2012、2014年種植大豆，種植方式同(2)。所有小區(qū)采用南北行向種植，小區(qū)面積6.0 m×9.6 m。馬鈴薯套作、連作及輪作密度均為47625穴/hm2，行距均45 cm，穴距為33 cm。大豆套作、連作及輪作密度均為150000株/hm2，行距均為40 cm。套作株距為0.09 cm，連作和輪作株距0.17 cm。2011年馬鈴薯和大豆播期分別是3月16日和4月18日，收獲期分別是7月25日和10月4日；2012年播期分別是3月20日和4月22日，收獲期分別是8月4日和10月9日；2013年播期分別是3月24日和4月20日，收獲期分別是8月7日和9月29日；2014年播期分別是3月36日和4月17日，收獲期分別是8月2日和10月11日。各處理3次重復，隨機區(qū)組設計。不施用農家肥，薯/豆套作模式，氮肥施用量為225 kg/hm2，磷肥施用量為150 kg/hm2，鉀肥施用量為180 kg/hm2，馬鈴薯單作，氮肥施用量為180 kg/hm2，磷肥施用量為90 kg/hm2，鉀肥施用量為120 kg/hm2；大豆單作，氮肥施用量為45 kg/hm2，磷肥施用量為60 kg/hm2，鉀肥施用量為60 kg/hm2。肥料為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(K2O 50%)。其中，N 50%，K2O 70%，P2O5100%，作為基肥；N 50%，K2O 30%作為花期追肥。肥水及大田管理同當地生產條件。

1.4測定指標

1.4.1生育期記載及產量調查 記載馬鈴薯及大豆播種、出苗、始花、成熟等生育時期，統(tǒng)計出苗率、共生期。收獲馬鈴薯、大豆時，各小區(qū)取中間3帶共27.8 m2計產，連續(xù)取馬鈴薯10株、大豆20株考種，調查馬鈴薯株高、莖粗、單株結薯數、平均單薯重、商品薯率；調查大豆株高、有效莢數、每莢粒數、單株粒數、百粒重。

1.4.2樣品采集及測定 分別在2011年播種前和2014年收獲后，在各種植系統(tǒng)采集耕層(0～20 cm)混合土樣，風干、過篩測定其pH值和有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等含量。土壤樣品測定方法：參照《土壤農化分析》[12]，有機質采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用凱氏定氮法，全磷采用酸融-鉬銻抗比色法，堿解氮采用堿解擴散法，有效磷采用Olsen 法，速效鉀采用火焰光度法測定。

1.4.3套作優(yōu)勢 參照Al-Dalain[13]和Connolly等[14]的方法。

LER=LERs (potato)+LERs (soybean) LERs=YP/YM

式中：LER為總土地當量比(land equivalent ratio，LER)；LERs (potato)、LERs (soybean)分別為馬鈴薯和大豆的相對土地當量比；YP 為套作作物產量；YM 為連作作物產量。LER>1，表明套作具有優(yōu)勢，LER<1 則為套作劣勢。

1.4.4養(yǎng)分表觀平衡估算 養(yǎng)分表觀平衡=(投入量-支出量)/支出量×100%；養(yǎng)分投入量僅為肥料投入養(yǎng)分量，養(yǎng)分支出量僅為作物吸收量(含籽?；驂K莖的吸收量和植株吸收量)。養(yǎng)分表觀平衡估算方法參照文獻[15]。

1.5數據處理

用Microsoft Excel和DPS統(tǒng)計軟件進行試驗數據匯總與統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1系統(tǒng)產量及土地當量比

由表2可知，不同體系產量受種植方式影響顯著，2011-2014年，馬鈴薯連作(PM)、大豆連作(SM)、薯-豆輪作(P-S)、薯/豆套作連作(IC)和薯/豆套作輪作(IR)體系平均產量分別為7082.87、2571.25、5780.06、9104.05和9872.95 kg/hm2，4年間，IC和IR系統(tǒng)產量與連作相比，分別提高了28.54%～254.07%和39.39%～283.98%，IC和IR系統(tǒng)產量與輪作相比，分別提高了57.51%和70.81%。2011和2012年，IC系統(tǒng)產量與IR系統(tǒng)產量間差異不顯著，而與PM、SM、P-S處理間差異達到顯著水平，2013和2014年IR系統(tǒng)產量均最高，分別達到9912.79和9589.90 kg/hm2，與IC處理差異顯著，兩年系統(tǒng)產量分別提高了15.38%和8.45%，且與其他處理間差異顯著。

不同種植模式在年際間變化顯著，對于連作馬鈴薯，2014年(連作3年)和2013年(連作2年)相對于2011年(正茬)，產量分別下降了22.07%和42.11%，而2012年(連作1年)產量升高了7.8%，表明連作1年馬鈴薯產量無顯著變化，連作2年后出現顯著下降；連作大豆變化趨勢與連作馬鈴薯表現一致，連作2年后，降幅可達到31.15%～53.60%；對于輪作而言，輪作馬鈴薯和輪作大豆年際間產量變幅不大；薯/豆套作連作產量變化趨勢與連作馬鈴薯或連作大豆變化一致，連作2年后產量開始下降，降幅為13.91%～24.17%；薯/豆套作輪作年際間系統(tǒng)產量無顯著變化。

從土地當量比角度分析，2011和2012年，與連作或輪作相比，盡管套作馬鈴薯和套作大豆產量均降低，降幅分別為7.80%～11.78%和25.58%～31.54%，但薯/豆套作模式IC或IR LER均大于1，表明該模式可提高土地復種指數和土地利用效率，具有良好的產出效果；受連作障礙的影響，2013和2014年，連作馬鈴薯和連作大豆產量低于套作馬鈴薯和套作大豆，IC處理LER兩年分別為1.88和2.15，IR處理則高達2.24和3.02，說明隨著馬鈴薯或大豆連作年限的增加，薯/豆套作模式，尤其是薯/豆套作輪作模式產出效果顯著增加。

表2 不同種植模式系統(tǒng)產量與土地當量比Table 2 Crop yields of different cropping systems and equivalent rations (LER)

注：馬鈴薯產量按5 kg鮮重產量折合1 kg糧食產量計算，表中馬鈴薯產量均為折合后產量。同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note：The potato yield was calculated as one fifth fresh tuber yield, which is equivalent to grain yield. Values within a column followed by different letters are significantly different atP<0.05.

2.2不同種植模式對作物產量構成因素的影響

2.2.1不同種植模式對馬鈴薯產量構成因素的影響 從圖1可見，2011-2013年不同處理間出苗率無顯著差異，2014年連作馬鈴薯出苗率顯著降低，較2011年(正茬)降幅為6.36%。單株結薯數、平均單薯重及商品薯率是表征馬鈴薯塊莖產量的重要指標。不同處理間單株結薯數無顯著差異。在平均單薯重上，2011和2012年各處理間差異不顯著，但2012年較2011年各處理平均單薯重降低，PM、IC和 IR分別降低了23.00%、16.41%和29.04%。2013年，P-S處理平均單薯重高于PM、IC和IR處理，分別提高了53.00%、38.79%和27.98%，且與PM和IC處理差異顯著，與IR處理差異不顯著。2014年，PM 和IC處理平均單薯重顯著下降，較2011年分別下降了49.44%和16.33%，而IR處理僅下降了4.41%，說明薯/豆套作輪作IR有效緩解了連作對平均單薯重的抑制；在商品薯率上，2011-2013年不同處理間無顯著差異，2014年PM、IC和IR處理商品薯率變化與平均單薯重變化一致，PM和IC較2011年顯著下降，分別下降了21.41%和14.64%，而IR處理僅下降了2.89%。結合平均單薯重及商品薯率分析，發(fā)現與馬鈴薯總產指標變化一致。

圖1 套作馬鈴薯產量構成要素的比較Fig.1 Comparison of relay-cropping potato plants and its yield component 不同小寫字母表示不同種植處理在P<0.05水平上差異顯著，下同。Different small letters indicate significantly different at P<0.05 level, the same below.

2.2.2不同種植模式對大豆產量構成因素的影響 從圖2可見，不同處理間大豆出苗率無顯著差異。在有效莢數上，2011和2012年SM處理高于IC和IR處理，但低于P-S處理。2013年SM和IC處理有效莢數顯著下降，較2011年(正茬)分別降低了21.49%和17.72%，而IR處理較2011年升高了20.37%，且與SM和IC處理間差異達到顯著水平。2014年SM和IC處理有效莢數下降幅度更大，較2011年分別下降了47.78%和25.54%，而IR處理較2011年升高了9.46%，同樣與SM和IC處理間差異達到顯著水平，IR處理有效莢數低于P-S處理，但差異不顯著；在每莢粒數上，2011和2012年各處理間差異不顯著，2013和2014年SM處理顯著低于P-S、IC和IR處理，較2011年(正茬)每莢粒數降低了8.68%，而其他處理年際間變化不大。在百粒重上，2011和2012年各處理間差異不顯著，2013年IR處理顯著高于SM 和IC，但SM 和IC處理間差異不顯著。2014年P-S處理和IR處理百粒重最高，分別為23.01和22.89 g顯著高于其他處理，SM 和IC處理百粒重較2011年(正茬)分別下降了11.10%和5.82%，結合有效莢數、莢粒數及百粒重分析，不同處理大豆產量構成因素受連作逆境的影響程度從大到小依次是：SM>IC>IR>P-S。

2.3不同種植模式下氮磷鉀養(yǎng)分投入與作物收獲帶出收支平衡分析

通過計算4年(2011-2014年)不同種植模式下氮、磷、鉀養(yǎng)分總投入和總支出分析養(yǎng)分表觀平衡，表3中養(yǎng)分投入僅包括通過肥料的養(yǎng)分投入，養(yǎng)分支出為各種植系統(tǒng)內作物收獲帶走的總養(yǎng)分量，包括籽?；驂K莖養(yǎng)分含量及植株養(yǎng)分含量。總體來看(表3)，不同種植模式下氮素和鉀素養(yǎng)分投入和產出處于負平衡狀態(tài)，而磷素養(yǎng)分投入和產出表現為正平衡，說明氮素和鉀素的投入量不能滿足作物高產需求，而磷素的投入量高于作物生長所需量。在分析中還發(fā)現，不同種植模式的氮、磷、鉀支出由高到低均表現為IR>IC>PM>P-S>SM，由此可見，間套作種植在提高系統(tǒng)生產力的同時，相比單作從土壤中攜出了更多的養(yǎng)分。

2.4不同種植模式對耕層土壤肥力的影響

由表4可知，馬鈴薯和大豆不同種植模式對耕層土壤肥力性質指標的影響程度是：有效磷>堿解氮>全氮>全磷>速效鉀>有機質>全鉀>pH。薯/豆套作輪作(IR)4年后，較2011年播前土壤耕層有機質含量增加了15.67%，pH值增加了0.22個單位，而土壤耕層全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀呈下降趨勢，下降幅度分別為19.40%、15.19%、5.42%、38.47%、42.87%和30.22%；薯/豆套作連作(IC)4年后，土壤耕層肥力性質指標均呈下降趨勢，其中有機質、全氮、全磷、全鉀和pH值降幅不大，而有效磷和速效鉀降幅較大，分別為26.24%和18.48%； 薯-豆輪作模式(P-S)，與2011年播前耕層肥力指標相比，有機質、pH值、全氮、全鉀和堿解氮變幅不大，而全磷和有效磷含量顯著增加，較2011年播前分別增加了22.78%和37.15%；大豆連作(SM)3年后，土壤耕層全氮、全磷、全鉀和堿解氮較2011年播前肥力指標顯著上升，分別增加了20.89%、18.99%、9.58%和36.29%，而有效磷和速效鉀分別降低了19.11%和7.08%，pH值降低了0.19個單位；馬鈴薯連作(PM)3年后，土壤耕層全氮、全磷和有效磷較2011年播前肥力指標顯著上升，分別增加了10.45%、12.66%和26.89%，土壤有機質、全鉀、堿解氮和速效鉀分別下降了2.64%、7.14%、16.42%和16.18%，pH值下降了0.37個單位。

表 3 不同種植模式作物養(yǎng)分表觀平衡概算Table 3 Estimate of different cropping systems nutrient apparent balance

表4 不同種植模式耕層土壤(0～20 cm)土壤肥力性質(2014年)Table 4 Topsoil fertility of different cropping systems (0-20 cm, 2014)

3 討論

在西北灌區(qū)，與單作農田相比，早熟馬鈴薯套作大豆、小麥套作大豆、亞麻(Semenlini)套作大豆、豌豆套作大豆及玉米間作大豆的種植模式土地利用效率分別提高了54%、52%、52% 66%和34%，單位面積產量分別為單作農田的1.39、1.48、1.55、1.64和1.28倍，單位面積產值分別為單作農田的1.43、1.54、1.53、1.69和1.31倍[7]。另外，對西瓜(Citrulluslanatus)套作大豆模式研究發(fā)現，西瓜產量不受影響，增收大豆2961.5 kg/hm2，產值增加13326.8元/hm2[15]。Li等[6，17]研究蠶豆/玉米間作模式時發(fā)現，玉米和蠶豆籽粒產量較單作分別增加43%和26%，Xia等[18]研究證實，蠶豆/玉米、大豆/玉米、鷹嘴豆(Cicerarietinum)/玉米和油菜(Brassicacampestris)/玉米間作具有顯著產量優(yōu)勢，Andrade等[19]也驗證向日葵(Helianthusannuus)/大豆間作模式的產量優(yōu)勢，以上研究結果表明，間套作系統(tǒng)顯著提高了系統(tǒng)生產力。在本試驗中，馬鈴薯連作、大豆連作，隨連作年限增加，系統(tǒng)產量顯著下降，薯/豆連續(xù)套作(IC或IR)相對于單作或輪作，具有明顯生產力優(yōu)勢，尤其是薯豆套作輪作模式(IR)，連續(xù)4年系統(tǒng)生產力相對穩(wěn)定。與Xia等[18]和王志剛[20]在長期定位研究蠶豆/玉米、大豆/玉米、鷹嘴豆/玉米和油菜/玉米連續(xù)間作結果基本一致。

有關間套作馬鈴薯產量優(yōu)勢研究主要集中在2種作物生物學特性上的差異，能夠在時間、空間尺度上互補性利用環(huán)境資源。例如，西北地區(qū)馬鈴薯/大豆套作模式[21]，西南地區(qū)玉米/馬鈴薯間作模式[22]，華北地區(qū)棉花(Anemonevitifolia)/馬鈴薯間作模式等[23]；其次，間套作條件下相對冷涼的群體環(huán)境有利于馬鈴薯生長和塊莖形成[24-26]；此外，間套作顯著抑制馬鈴薯的晚疫病及蟲害[16,27]。本研究中，與以往研究最大的區(qū)別在于薯/豆連續(xù)套作4年(2011-2014年)，仍然具有明顯的產量優(yōu)勢。除以上涉及的增產機制以外，還可能基于N、P、K礦質營養(yǎng)高效吸收利用方面的原因。前人在研究馬鈴薯/蠶豆間作時發(fā)現，該間作系統(tǒng)N吸收量顯著增加[8,10]。Li等[17]研究表明，不同施氮水平下蠶豆/玉米間作地上部氮吸收量比對應單作增加9%～32%，地上部磷吸收量分別比單作增加29%和28%。Mei等[28]也證實了，在不同磷水平下蠶豆/玉米間作在新開墾土壤上地上部磷吸收量比單作平均增加23.5%。國外研究也發(fā)現，豆科/木薯間作鉀吸收量顯著增加44%[29]。由此可見，間套作種植在提高系統(tǒng)生產力的同時，相比單作從土壤中攜出了更多的養(yǎng)分。本研究中，不同種植模式養(yǎng)分支出分析表明，薯/豆套作系統(tǒng)作物吸收的總養(yǎng)分量顯著高于單作或輪作模式，即使大豆生物固氮能夠提供大豆所需約50%的氮源[20]，本試驗中的氮肥用量也不能滿足作物高產需求。另外，通過對比播前土壤肥力性質指標，2014年作物收獲后，薯/豆套作種植土壤耕層全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀均呈下降趨勢，尤其是速效養(yǎng)分下降幅度較大。因此，在薯/豆連續(xù)套作的情況下，應合理的補充礦質營養(yǎng)才能更好地保持土壤肥力。

眾多研究表明，將豆科作物引入間套作或輪作系統(tǒng)，可以有效地改良土壤理化性質，增加土壤有機質、提高土壤肥力，從而提高作物產量和品質[30-34]。本研究與前人研究結果基本一致，較2011年播前土壤耕層有機質含量，4年后薯/豆套作輪作(IR)系統(tǒng)有機質含量顯著提高。不同作物對土壤中礦質營養(yǎng)元素的需求種類及吸收的比例有其特殊的要求，同一作物長期連作，必然造成土壤中某些元素的虧缺。大豆連作研究結果表明，隨連作年限的增加，土壤中速效K、堿解N、有效Zn和有效B含量降低[35]。馬鈴薯連作，土壤中全N、堿解N、全磷、速效P、全K和速效K均隨連作年限的增加呈下降趨勢[16]。本研究中，較2011年播前肥力指標，大豆連作3年后，土壤耕層全氮、全磷、全鉀和堿解氮顯著上升；馬鈴薯連作3年后，土壤耕層全氮、全磷和有效磷顯著上升。這與前人研究結果有所不同，可能與連作的年限以及施肥、耕作、栽培方式等有關。但從養(yǎng)分平衡的角度分析，馬鈴薯是喜鉀作物，大豆對磷素吸收量較大，馬鈴薯或大豆連作后，必然導致土壤中鉀素或磷素的虧缺。而薯/豆套作模式，系統(tǒng)內作物可互補利用礦質元素，另外，大豆主要通過生物固氮滿足其N素營養(yǎng)需求，減少對土壤N素養(yǎng)分的競爭。馬鈴薯通過吸收土壤N素而降低了系統(tǒng)土壤N素含量，從而進一步刺激大豆生物固氮。由此可見，薯/豆套作是一種養(yǎng)分高效利用種植模式。

4 結論

馬鈴薯或大豆連作2年后產量顯著下降，薯/豆連續(xù)套作4年(IC或IR)相對于單作或輪作，具有明顯生產力優(yōu)勢，尤其是薯豆套作輪作模式(IR)，連續(xù)4年系統(tǒng)產量相對穩(wěn)定。薯/豆連續(xù)套作后土壤耕層全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀均呈下降趨勢，尤其是速效養(yǎng)分下降幅度較大。另外，該種植模式下氮素和鉀素養(yǎng)分總投入和總支出處于負平衡狀態(tài)，由此可見，薯/豆套作系統(tǒng)產量優(yōu)勢還基于養(yǎng)分吸收量的增加和養(yǎng)分利用效率的提高，需合理的補充礦質營養(yǎng)才能更好地保持土壤肥力。

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Cropyieldandsoilfertilityaffectedbycontinuouspotato/soybeanintercroppingsystemsalongtheYellowRiver

CHEN Guang-Rong1, WANG Li-Ming1, YANG Ru-Ping1, DONG Bo1, ZHANG Guo-Hong1, YANG Gui-Fang2

1.InstituteofDrylandAgriculture,GansuAcademyofAgriculturalSciences,KeyLaboratoryofNorthwestDroughtCropCultivationofChineseMinistryofAgriculture,Lanzhou730070,China; 2.GansuCentralKeyGreenAgricultureTechnologyLimited,Lanzhou730070,China

The objective of this work was to explore the mechanisms for the yield advantage of a potato/soybean continuous intercropping system. Potato, variety Kexin 4 and soybean, variety Jidou 12 were used in a long-term field experiment undertaken from 2011 to 2014 in Guochen, Huining County, Gansu Province in the Northwest irrigation district. The treatments included potato monocropping (PM), soybean monocropping (SM), potato-soybean rotational system (P-S), potato/soybean continues intercropping (IC) and potato/soybean rotational intercropping (IR). The influences of different cultivation systems on crop yields and soil fertility were analyzed. Continuous intercropping systems produced higher yields; IC and IR treatments enhanced yield by 28.5%-254.1% and 39.4%-284.0% compared with PM and SM, respectively and by 57.5% to 70.8% compared with P-S. There was no difference in yield between IC and IR in 2011 and 2012 but in 2013 and 2014 IR yield was significantly higher than those of PM, SM, IC and P-S, achieving 9913 kg/ha and 9590 kg/ha, respectively. Cultivation system influenced yield over time. For PM, yield was stable after 1 year but declined significantly by 22.1% and 42.1% after two and three years of continuous cropping, respectively. The SM and IC treatments significantly reduced yields by 31.2%-53.6% and 13.9%-24.2% after two years, respectively. The P-M and IR treatments did not influence yield over the four years of the study. Topsoil fertility was improved to some extent by different cultivation systems; Olsen P>available N>total N>total P>available K>organic carbon>total K>pH. Topsoil fertility in the IC and IR treatments decline after four years of continuous cropping compared with PM, SM and P-S; Olsen P and available K decreased by 26.2%-42.9% and 18.5%-30.2%, respectively. The results of this study showed that potato/soybean intercropping systems (IC or IR) produced better yields after four years of continuous cropping compared with monocropping and rotational cropping with the potato/soybean rotational intercropping system clearly superior.

potato; soybean; continuous intercropping; system yields; topsoil fertility

10.11686/cyxb2017162http//cyxb.lzu.edu.cn

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2017-03-31；改回日期：2017-05-18

國家自然基金(31660134)，現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項資金(CARS-04-CES17)，甘肅省農業(yè)科學院青年基金(2015GAAS20)和蘭州市農業(yè)科技專項(2015-3-37)資助。

陳光榮(1980-)，男，甘肅皋蘭人，在讀博士。E-mail：chengr516@163.com