利用15N研究玉米-大豆套作體系中氮素利用特征

陳 平，劉小明，2，宋 春，王小春，劉衛(wèi)國，楊 峰，楊文鈺*，雍太文*

（1.四川農業(yè)大學農學院/農業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作實驗室，成都 611130；2.射洪縣農業(yè)局，四川遂寧 629200；3.四川農業(yè)大學環(huán)境學院，成都 611130）

利用15N研究玉米-大豆套作體系中氮素利用特征

陳 平1，劉小明1，2，宋 春3，王小春1，劉衛(wèi)國1，楊 峰1，楊文鈺1*，雍太文1*

（1.四川農業(yè)大學農學院/農業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作實驗室，成都 611130；2.射洪縣農業(yè)局，四川遂寧 629200；3.四川農業(yè)大學環(huán)境學院，成都 611130）

【目的】明確不同氮水平下玉米-大豆套作系統(tǒng)中氮素利用特征?！痉椒ā客ㄟ^15N標記試驗，研究了2種氮水平和3種種植模式下作物氮素吸收、土壤氮素殘留與損失及大豆生物固氮量的影響?！窘Y果】套作系統(tǒng)內（IMS）玉米植株總氮吸收量和15N吸收量顯著高于玉米單作（MM）；IMS內的大豆總氮吸收量低于大豆單作（MS），而IMS內大豆的15N吸收量較MS顯著增加，且IMS內大豆的固氮比例及固氮量較MS顯著增加。IMS中玉米和大豆對15NH4+總吸收量顯著高于15NO3-，且其土壤中的15N殘留量15NH4+均低于15NO3-，15N主要殘留于0～40cm土壤中。此外，IMS的15N回收率顯著高于各單作，15N損失率低于各單作處理，且IMS的15N回收率15NH4+顯著高于15NO3-，15N殘留率15NO3-顯著高于15NH4+，而15N損失率無顯著差異?！窘Y論】與相應的單作相比，玉米-大豆套作顯著提高了15N回收率、殘留率，降低了15N損失率，增強了大豆生物固氮作用，是一種資源高效、環(huán)境友好的可持續(xù)農業(yè)種植模式。

玉米-大豆套作；氮素殘留；15N標記；氮素吸收

全球糧食需求量隨著經濟發(fā)展及人口總數的增加而逐年攀升，糧食安全問題日益嚴峻[1]。我國作為世界人口及農業(yè)大國，有限的耕地面積嚴重威脅著糧食安全[2]。間套作作為農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中綠色可持續(xù)型的種植模式，在世界范圍內得到廣泛應用[3]?；ダ烷g套作系統(tǒng)中作物通過種間互補，充分利用光溫水及養(yǎng)分資源，提高了土地單位面積產出，并有效控制病蟲草害的發(fā)生[3-4]。尤其是包含豆科的間套作種植模式，可通過豆科生物固氮減少氮肥投入[5]。與單作相比，豌豆和大麥間作后表現(xiàn)出了高度的種間互補，土壤礦質氮的吸收間作增加了20%，系統(tǒng)總氮素資源的利用效率增加了30%～40%[5]。近年來，玉米-大豆帶狀套作體系在我國西南地區(qū)廣泛應用，其在有限資源下提高了土地產出，是實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展型農業(yè)的有效途徑[6-7]。

氮肥投入提高了農作物產量，但過量的氮肥投入并未顯著的提高作物產量，反而降低了氮素利用效率[8]。同時，農田環(huán)境中氮素淋失及氮氧化物排放導致一系列的農業(yè)面源污染，例如，水體富營養(yǎng)化、溫室效應等[9-10]。因此，我國可持續(xù)發(fā)展型農業(yè)迫切需要科學高效的氮素管理技術。一方面，通過有機肥與無機肥的結合和新型肥料（緩釋或控釋肥）的使用減少氮肥投入[11-13]；另一方面，通過直接減少氮肥投入以提高氮肥利用[14]。前人研究表明，優(yōu)化氮素管理顯著減少了氮肥的投入，增加作物產量減少氮素淋失[15]。減少氮肥投入的同時優(yōu)化氮肥的施用位置，提高了氮素利用效率減少了氧化亞氮的排放[16]。作為西南地區(qū)主要推廣的可持續(xù)型種植模式，玉米-大豆套作體系下的氮素管理策略有待完善，該體系下的氮素循環(huán)機理尚不明確。因此，本試驗擬通過15N同位素標記法研究單套作下作物氮素吸收、氮素殘留及損失和大豆生物固氮規(guī)律，以期探明玉米-大豆套作體系下的氮素循環(huán)機理，為間套作氮素管理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗時間、地點及材料

試驗于2014年在四川農業(yè)大學雅安校區(qū)農場干旱棚試驗池進行。供試玉米品種為“登海605”，由山東登海種業(yè)股份有限公司提供；大豆品種為“南豆12”，由四川省南充市農業(yè)科學研究所提供。15N標記肥料：NH415NO3（15N豐度為10.19%）和15NH4NO3（15N豐度為10.14%）由上?；ぱ芯吭荷a。試驗土壤含有機質29.8 g/kg、堿解氮317 mg/kg、速效磷42.2 mg/kg、速效鉀 382 mg/kg、全氮 1.6 g/kg、全磷1.3 g/kg、全鉀 16.3 g/kg，pH 值為 6.6。

1.2 試驗設計

1.2.1 池栽試驗

池栽試驗采用二因素隨機區(qū)組設計，A因素為：玉米單作（MM）、大豆單作（MS）、玉米-大豆套作（IMS），B 因素為套作系統(tǒng)總施氮量：不施 N（N0）、施N（N1：180 kg·N/hm2，根據當地玉米施氮量確定）。共計6個處理各重復3次，18個小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為寬2 m，長2.5 m。玉米于4月10日播種，8月6日收獲；大豆于6月14日播種，11月6日收獲。

單作采用等行距種植，玉米行距100cm、穴距17cm，穴留單株；大豆行距50cm、穴距 34cm，穴留雙株。套作采用寬窄行種植，玉米寬行160cm，寬行內種2行大豆，大豆行間距40cm，玉米與大豆間距60cm，作物穴距均為17cm，玉米穴留1株，大豆穴留2株。玉米氮肥分作底肥和大喇叭口期追肥施用，大豆氮肥作底肥施用。單、套作玉米及單作大豆的磷鉀肥隨底肥施用，每公頃玉米施用量為P2O5105kg、K2O 112.5kg，每公頃大豆施用量為P2O563kg、K2O 52.5 kg。單作肥料采用傳統(tǒng)株間穴施，套作肥料按玉米、大豆一體化方式施用。即套作下玉米株間穴施底肥72 kg·N/hm2，追肥與大豆底肥混合后，在玉米大豆行間距玉米25cm處溝施。

為計算大豆生物固氮比例，另設甘薯單作和玉米-甘薯套作2個處理，甘薯作非固氮參照植物植物測定其15N豐度。各處理3次重復，單、套作下甘薯的種植密度同大豆，玉米、甘薯不施氮，P、K肥施用量同玉米、大豆。甘薯6月15日移栽，11月6日收獲。同時設置大豆無肥盆栽處理，與池栽試驗同時進行，用于測定無氮素供應時的大豆的15N豐度；大豆種于直徑25cm、高35cm，盛有細石英砂12 kg的黑色塑料桶，每桶種4株大豆，重復三次。于每日下午6點，每盆澆蒸餾水200mL。大豆于6月22日移栽，11月6日收獲。

1.2.2 微區(qū)試驗

N1處理采用小區(qū)套微區(qū)模式，微區(qū)作物種植方式同小區(qū)。單、套作微區(qū)面積為分別為0.68 m2和1.36 m2，15N標記肥料為15NH4NO3和NH415NO3兩種，各處理3個重復，共計18個微區(qū)。分別在小區(qū)的兩端設置微區(qū)，將微區(qū)布置點周圍土體挖開，單作挖掘尺寸為長2 m、寬0.34 m、高1 m，套作挖掘尺寸為長2 m、寬0.68 m、高1 m，再使用1.1 m高的無底鍍鋅鐵皮圈圍起來，鐵皮頂端高出土壤0.1 m，最后回填土壤。微區(qū)的15N標記肥料施用水平如表1，使用時將其溶于蒸餾水后再施用，一端施用15NH4NO3，另一端施用NH415NO3，磷鉀肥及15N標記肥料施用方式與小區(qū)試驗一致。

表1 不同種植方式下的標記15N的量Table 1 15N application rates under different planting patterns

1.3 測定指標及方法

1.3.1 池栽及盆栽植株樣品的采集與測定

于成熟期采集大豆和甘薯植株樣。池栽中采集N0處理的單、套作大豆和甘薯植株樣，取樣時選取小區(qū)內長勢一致的作物帶，隨機選擇兩段取樣，每段取對稱兩行的連續(xù)兩穴。盆栽中每盆采集長勢一致的大豆兩株。大豆將莖葉與籽粒分裝（甘薯將莖葉和塊莖分裝）后在105℃下殺青30min，然后在75℃持續(xù)烘干至恒重后稱重，樣品粉碎過篩（孔徑250μm）后，測定總N含量和15N%豐度。用K-05自動定氮儀測定總N含量，并將定氮后的餾出液濃縮至1mL，用同位素比率質譜儀（Thermo-Fisher Delta V Advantage IRMS）測定15N豐度。

1.3.2 池栽土壤樣品的采集與測定

于作物成熟期用土鉆采集土壤樣品。土樣取樣深度為1 m，20cm每層，共取5層。單作土壤樣品分別為垂直作物行0cm和距作物行左、右25cm的3個樣點；套作土壤樣品分別為垂直玉米行（或大豆行）距窄行 0cm、20cm，距寬行 20cm、40cm，共 4個樣點。收集得到的土樣混合均勻后按四分法取土保存。土壤硝態(tài)氮含量的測定步驟為：用錐形瓶準確稱取5.00g鮮土后，加入1mol/L的KCL溶液50mL，于搖床以振速120 r/min振蕩60min后過濾，濾液使用連續(xù)流動分析儀（ALLIANCE INTEGRAL Futura）測定其NO3--N含量，計算如公式（1）。

式中，H 為土層厚度（m），ρ為土壤容重（kg/m3），NO3--N為土壤硝態(tài)氮含量（kg/kg）。

1.3.3 微區(qū)植株樣品的采集與測定

于成熟期收獲微區(qū)所有植株并按莖葉和籽粒分裝，樣品處理及總N含量和15N%豐度的測定同池栽試驗。氮原子百分超（atom%15N excess）等于標記樣品的15N%與未標記樣品（N0處理）的15N%之差，計算如公式（2），植株的15N吸收量計算如公式（3）。

1.3.4 微區(qū)土壤樣品的采集與測定

微區(qū)土樣的采集方法同上，收集到的土樣自然風干后用于測定總N含量和15N豐度。土壤總N含量和15N豐度測定方法同植株。15N殘留量計算如公式（5），15N殘留率計算如公式（6），15N肥料損失率計算如公式（7）。

式中，H 為土層厚度（m），ρ為土壤容重（kg/m3），TN為土層全氮含量（kg/kg）。

1.3.5 大豆生物固氮量的測定

大豆生物固氮量采用自然豐度法測定，15N豐度計算如公式（8），大豆生物固氮量占全部氮同化量的百分比Ndfa（%）其計算如公式（9），大豆生物固氮量 Ndfa其計算如公式（10）[17]。

式中，δ15N為樣品的15N與大氣15N的千分差，atom%15N（sample）為樣品15N 原子豐度，atom%15N（standard）為大氣標準15N原子豐度（0.3663%）。

式中，Ndfa為大豆生物固氮所占比例（%）；δ15N（甘薯）為非固氮參照植物的15N豐度，δ15N（大豆）為固氮植物的15N豐度，B為無氮種植的固氮植物（大豆）的15N豐度。

式中，Ndfa為大豆單位面積生物固氮量（kg/hm2），Ndfa為大豆生物固氮比例（%），Mlb為大豆單位面積生物量（kg/hm2），Cnc為大豆全氮含量（kg/kg）。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2013進行數據整理；采用Sigmaplot V.12.5軟件進行作圖；采用DPS V.7.05軟件對數據進行方差分析和LSD顯著性測驗（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 玉米大豆套作體系下玉米對不同N形態(tài)的吸收差異

2.1.1 總N含量及15N%豐度

不同種植模式下，MM與IM的根、籽粒的總N含量無顯著差異，但IM的莖葉總N含量較MM顯著提高11.8%（見表2）；而15N%豐度結果顯示IM各器官對15N的吸收均顯著高于MM（見表3）。不同氮水平下，N1較N0提高了玉米各器官的氮素含量，但各器官氮含量在N1-15NO3-和N1-15NH4+處理下無顯著差異（見表2）；而15N豐度結果顯示：N1-15NH4+處理較N1-15NO3-處理可使MM和IM籽粒的15N豐度顯著提高13.5%和7.4%（見表3）。

表2 不同施N水平與種植方式下玉米植株的總N含量Table 2 The total N uptake of maize under different N rates and planting patterns g·plant-1

表3 不同施N水平與種植方式下玉米植株的15N%豐度Table 3 The15N%abundance of maize under different N rates and planting patterns %

2.1.2 吸N量及15N吸收量

IM莖葉吸氮量和總吸氮量較MM顯著提高了14.3%和10.2%，而不同標記的15N處理下的玉米氮素吸收量無顯著差異（見表4）。但是，IM玉米的根、莖葉、籽粒和總15N吸收量較MM顯著高出11.7%、21.6%、25.0%和23.2%（見表5）。此外，與N1-15NO3-處理相比，N1-15NH4+處理下，MM的莖葉、籽粒及15N吸收總量分別提高12.8%、12.0%與12.4%，IM則分別提高16.0%、15.6%與15.8%。

2.2 玉米大豆套作體系下大豆對不同N形態(tài)的吸收差異

2.2.1 總N含量及15N%豐度

不同種植模式下，大豆器官氮素含量表現(xiàn)為：MS根系和莖稈氮素含量分別顯著高于和低于IS外，其他器官均無顯著差異（見表6）；IS較MS顯著降低根系的15N豐度，而葉、莢和籽粒的15N豐度則IS較MS分別顯著高出7.1%、5.9%和9.0%（見表7）。不同15N標記氮肥對氮素吸收無顯著影響（見表6），但是，與N1-15NO3-相比，N1-15NH4+處理下MS的莖、葉、莢、籽粒的15N%豐度分別提高13.2%，13.8%，8.9%，15.8%，IS則分別提高25.0%，6.7%，8.1%，6.8%。

表4 不同種植方式下玉米植株的吸N量Table 4 The N uptake and of maize under different planting patterns g·plant-1

表5 不同施N水平與種植方式下玉米植株的15N吸收量Table 5 The15N uptake of maize under different N rates and planting patterns mg·plant-1

表6 不同施N水平與種植方式下大豆植株的總N含量Table 6 The total N uptake of soybean under different N rates and planting patterns g·kg-1

表7 不同施N水平與種植方式下大豆植株的15N%豐度Table 7 The15N%abundance of soybean under different N rates and planting patterns %

2.2.2 吸N量及15N吸收量

IS較MS顯著降低大豆根、莖和葉的氮素吸收量，而顯著增加籽粒的氮素吸收量（見表8）；MS的根、莖和葉的15N吸收量較IS顯著高出46.2%、13.2%和12.1%，但是IS籽粒和總15N吸收量較MS顯著高出45.4%和21.3%（見表9）。不同15N標記結果顯示，N1-15NO3-處理和N1-15NH4+處理對大豆氮素吸收無顯著影響，而大豆對N1-15NH4+的吸收量顯著高于N1-15NO3-，且MS和IS對N1-15NH4+的吸收量較N1-15NO3-分別顯著高出44.0%和23.4%。

2.2.3 大豆生物固氮量

種植模式對大豆氮素吸收的固定有顯著影響，植株的氮素積累量IS較MS顯著降低了11.4%，但固氮比例和固氮量IS較MS分別顯著提高了23.8%、9.4%。

2.3 土壤N素殘留與損失

2.3.1 土壤全N含量

由圖1、圖2可知，與相應的單作相比，0～20cm，IM、IS的土壤全N含量無顯著變化；20～100cm，IM的土壤全N含量降低，而IS的則顯著提高。不同15N標記方式對玉米、大豆土壤全N含量有顯著影響。不同15N標記表明，N1-15NO3-相對于N1-15NH4+，在MM下，除20～40cm的玉米土壤全N含量提高外，其余土壤層次均顯著降低，0～20cm，40～60cm，60～80cm，80～100cm的土壤全N含量分別降低12.7%、12.6%、15.2%、18.5%。在 IM 下，0～20cm，40～60cm，80～100cm的土壤全N含量降低14.1%、4.9%、10.8%，但20～40cm，60～80cm的則提高18.3%、3.2%。在MS下，20～40cm，40～60cm 的土壤全 N 含量提高19.7%、13.3%，其余土壤層次下差異不顯著。在IS下，0～40cm下土壤的全N含量無顯著變化，40～60cm下提高9.7%，但60～80cm，80～100cm 下則降低 16.3%、18.9%。

表8 不同施N水平與種植方式下大豆植株的吸N量Table 8 The N uptake of soybean under different N rates and planting patterns mg·plant-1

表9 不同施N標記與種植方式下大豆植株的15N吸收量Table 9 The15N uptake of soybean under different N labeled and planting patterns mg·plant-1

表10 單套作模式下下大豆植株的生物固氮量Table 10 The N fixation of soybean under planting patterns

圖1 不同種植方式下的玉米土壤全N含量Figure 1 Total nitrogen content of maize-soil under different planting patterns

圖2 不同種植方式下的大豆土壤全N含量Figure 2 Total nitrogen content of soybean-soil system under different planting patterns

2.3.2 土壤15N殘留及其分布

土壤氮素殘留量和殘留率與土壤深度成反比，且主要殘留于表層0～40cm。不同種植模式下的土壤氮素殘留總量和殘留率均表現(xiàn)為套作顯著高于單作。不同15N標記肥料的土壤殘留結果表明：N1-15NH4+處理的氮素殘留量和殘留率低于N1-15NO3-處理；在N1-15NO3-處理下，IM和IS土壤15N總殘留量較MM和MS顯著高出49.7%和56.9%，在N1-15NH4+處理下，IM和IS土壤15N總殘留量較MM和MS顯著高出91.6%和24.3%。

表11 玉米-大豆套作系統(tǒng)中土壤的15N殘留量及殘留率Table 11 Soil15N residue and15N apparent residual rate in maize-soybean relay strip intercropping system

2.3.4 15N回收率、殘留率與損失率

IMS系統(tǒng)的15N回收率和土壤15N殘留率較MM分別顯著提高20.6%和67.9%，較MS顯著提高34.7%和21.1%。15N損失率表現(xiàn)為IMS最低，MS次之，MM最高，且IMS較MM與MS分別降低了38.3%和36.7%。此外各種植模式下，N1-15NH4+處理的15N回收率均顯著高于N1-15NO3-處理，15N殘留率則完全相反，而15N損失率無顯著差異。

表12 玉米-大豆套作系統(tǒng)15N回收率、殘留率與損失率Table 12 The15N recovery rate，residue rate and loss rate of maize-soybean relay strip intercropping system %

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 玉米-大豆套作體系內作物N吸收利用特征

間套作系統(tǒng)中由于組成作物的互補或相互競爭影響了系統(tǒng)的資源利用及產出，互利型較競爭型間套作系統(tǒng)利用有限資源，提高土地產出[18]。禾本科與豆科作物的間套作，由于占據不同的生態(tài)位，禾本科作物主要吸收利用土壤中的NO3--N、NH4+-N，而豆科作物則主要利用N2，使該系統(tǒng)的種間競爭作用得到緩解。土壤中的NO3--N、NH4+-N含量過高將會促進禾本科作物對土壤無機N的吸收，但也會抑制豆科作物根瘤菌的侵染、固氮酶活性和根瘤菌分化與生長[19-20]，以抑制共生固氮。而在禾本科與豆科作物的間套作體系中，由于禾本科作物競爭吸收更多的NO3--N、NH4+-N，降低了豆科作物土壤中的無機N含量，從而使豆科作物的固氮能力增加[21-22]。這樣非豆科與豆科作物對N的需求都將得到一定程度的滿足，也就存在了種間促進作用大于種間競爭作用的可能性，形成N素吸收利用優(yōu)勢。最終通過禾本科與豆科互利型非對稱種間養(yǎng)分競爭提高了養(yǎng)分利用及作物產量[18，23]。本研究利用15N同位素示蹤技術，充分揭示了玉米-大豆套作系統(tǒng)中作物對N形態(tài)和數量吸收的差異特性。該體系中，與玉米單作相比，套作玉米植株的總N含量及15N%豐度顯著提高，總吸N量和總15N吸收量顯著提高10.2%和23.2%，體現(xiàn)了禾本科作物對土壤中NO3--N、NH4+-N的競爭優(yōu)勢。與大豆單作相比，套作大豆植株的15N%豐度和15N吸收量也提高，說明玉米-大豆套作體系表現(xiàn)為種間促進作用大于種間競爭作用，促進了作物對土壤中無機N的吸收。Fan F.L.等[18]研究也表明了相似的結果，玉米蠶豆間作后較單作提高了系統(tǒng)氮素吸收量。此外，標記15NO3-的作物15N吸收量低于標記15NH4+的，說明作物對土壤中NH4+-N離子吸收更多，與董守坤等[24]研究一致，Chen W.等[25]和A.R.Bungard等[26]研究也表明，NH4+-N和NO3--N混合形態(tài)氮營養(yǎng)下植物生長更具優(yōu)勢，有NH4+-N存在的條件下能夠促進根系硝酸還原酶活性，從而促進作物對無機N的吸收。另一方面，本研究通過自然豐度法測定單套作間大豆的生物固氮量也表明，玉米-大豆套作體系下大豆的生物固氮量比大豆單作的顯著提高9.4%。Fan F.L.等[18]通過自然豐度法測定單作、間作蠶豆的生物固氮結果表明，與玉米間作無論施氮與否，均促進了蠶豆的生物固氮。而Li B.等[27]研究結果進一步證明，是玉米根系分泌物促進了豌豆的根瘤發(fā)育及生物固氮。玉米-大豆套作系統(tǒng)中，通過分隔作物氮素吸收利用高峰，使得氮肥得到高效利用，促進大豆后期自生固氮。但是，玉米對大豆生物固氮促進的具體機理尚不清楚，有待進一步研究。

3.1.2 玉米-大豆套作體系內N肥殘留及損失特征

施入土壤中的氮肥，在被作物吸收利用的同時，一些通過氮肥損失途徑損失掉，剩下的則殘留在土壤中。大量施用化學氮肥反而降低了氮肥利用效率，顯著增加了氮素的殘留量及殘留率[28]，土壤中的殘留氮素經自然降雨淋濾進入水環(huán)境，大量的無機氮進入水體將引發(fā)一系列的環(huán)境問題[29]。間套種植提高氮素利用，是減少農業(yè)面源污染、增加糧食產量的有效途徑[30]。本研究中，套作系統(tǒng)內玉米、大豆的土壤15N殘留量隨土壤層次的增加逐漸降低，與巨曉棠等[31]研究冬小麥-夏玉米套作體系的15N殘留規(guī)律相似，且殘留N素主要集中在表層土壤中，提高了耕作層土壤的N素含量。王小春等[32]研究結果表明，土壤硝態(tài)氮積累在土壤淺層有利于氮肥利用率的提高。本實驗中15N標記結果表明，套作后作物氮素殘留量及表觀殘留率較單作均顯著增加，且施用硝態(tài)氮較銨態(tài)氮更容易造成氮素殘留。這表明玉米-大豆套作提高了土壤的氮肥殘留量，降低氮肥損失率，促使套作體系比單作土壤中的N素含量增加，達到節(jié)肥增效的作用。此外，施用銨態(tài)氮較硝態(tài)氮增加了大豆的根瘤干重及數量，提高了固氮酶活性最終增加了根瘤的氮素積累量[33]。與單作相比，玉米-大豆套作體系的15N殘留率和回收率顯著增加，套作系統(tǒng)15N損失率則顯著低與玉米單作，這可能是由于玉米與大豆生長周期的分隔，導致最大養(yǎng)分需求時期的分隔。玉米收獲后殘留在土壤表層中的氮素仍然可以被后茬作物大豆吸收利用，從而增加氮素的利用效率。大麥/蠶豆間作由于種間氮素競爭使得土壤中硝態(tài)含量下降，降低了硝態(tài)氮淋濾的風險[30]。此外，玉米與紫羊茅間作后氮素淋濾降低了15%～37%，而產量并未受到影響[34]。但是，氮素形態(tài)對大豆氮素利用有著巨大影響，銨態(tài)氮與硝態(tài)氮配施時將促進大豆對銨態(tài)氮的吸收[24]，從而降低殘留。本研究中，大豆土壤中的銨態(tài)氮殘留低于硝態(tài)氮，銨態(tài)氮的15N回收率顯著高于硝態(tài)氮，說明銨態(tài)氮在土壤中更容易被吸收、轉化或損失，而硝態(tài)氮更容易殘留。但本研究未對玉米-大豆套作體系土壤氮淋洗量進行測定，該系統(tǒng)下土壤氮素通過淋洗損失及其對水環(huán)境的影響尚不明確，具體還有待進一步研究。

3.2 結論

與相應的單作相比，玉米-大豆套作提高了玉米植株總吸氮量和15N吸收量及土壤15N殘留量和表觀殘留率；套作后大豆籽粒氮素吸收量、總15N吸收量及生物固氮量提高，土壤15N殘留量及表觀殘留率提高。15NH4+與15NO3-處理下玉米和大豆植株總吸氮量無顯著差異，但玉米和大豆對15NH4+總吸收量顯著高于15NO3-，土壤總15N殘留量及殘留率15NH4+低于15NO3-。玉米-大豆套作顯著提高了15N回收率、殘留率，降低了15N損失率，促進了作物對氮肥的競爭吸收利用，增強了大豆生物固氮作用，減少了氮肥損失，是一種資源高效、環(huán)境友好的可持續(xù)農業(yè)種植模式。

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Study on Nitrogen Utilization Characteristics in a Maize-Soybean Relay Intercropping System by Labeled15N

CHEN Ping1，LIU Xiao-ming1，2，SONG Chun3，WANG Xiao-chun1，LIU Wei-guo1，YANG Feng1，YANG Wen-yu1*，YONG Tai-wen1*
（1.College of Agronomy，Sichuan Agricultural University/Ministry of Agriculture Key Laboratory of Crop Physiology，Ecology and Cultivation in Southwest，Chengdu 611130，China；2.Shehong Agricultural Bureau，Suining 629200，Sichuan，China；3.College of Resources and Environment，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China)

【Objective】In order to clarify the effects of nitrogen levels on the characteristics of nitrogen utilization in maize-soybean relay intercropping.【Method】15N labeled fertilizer was used to study the effects of N levels and plant patterns on the crop N uptake，soil N residual，N loss，and soybean biological N fixation.【Results】The total N uptake and15N accumulation of maize were significantly higher in IMS compared with that of MM.The total N uptake of soybean in IMS was lower than that of MS，although the15N accumulation of soybean was greater in IMS compared with MS.Compared with MS，the%Ndfaand N fixation of soybean in IMS were significantly increased.The accumulation of15NH4+wassignificantlyhigherthanthatof15NO3-forbothmaizeandsoybeanin IMS.While the15N residual of15NH4+was lower than that of15NO3-for both maize and soybean in IMS，the residual of15N was distributed mainly in 0～40cm soil layer.Additionally，the15N recovery ratio of IMS was notably higher than that of the corresponding monoculture，the15N loss ratio of IMS was lower than that of the corresponding monoculture.In IMS，the15N recovery ratio of15NH4+was remarkably higher than that of15NO3-，and the residual ratio of15NO3-was significantly higher15NH4+.Besides，there were no differences between the loss ratio of15NO3-with15NH4+.【Conclusion】Compared with MS，the15N recovery ratio and residual ratio were remarkably increased，and the15N loss ratio was decreased in IMS compared with the corresponding monoculture respectively，and the biological nitrogen fixation of soybean in IMS was increased.Therefore，the maizesoybean relay intercropping was resources efficient，environmentally friendly and sustainable development.

maize-soybean relay strip intercropping；nitrogen residual；15N label；nitrogen uptake

S158.3

A

1000-2650（2017）03-0300-09

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.03.003

2017-08-01

國家重大專項（2016YFD0300202）；國家自然基金（31271669，31671625）。

陳平，碩士研究生，主要從事作物栽培生理生態(tài)研究，E-mail：sau-chenping@foxmail.com。*責任作者：雍太文，博士，教授，主要從事作物栽培生理生態(tài)研究，E-mail：yongtaiwen@sicau.edu.cn；楊文鈺，博士，教授，主要從事作物高產、優(yōu)質、高效栽培技術研究，E-mail：mssiyangwy@sicau.edu.cn。

（本文審稿：武 晶；責任編輯：劉詩航；英文編輯：劉詩航）