遼西半干旱區(qū)不同施氮水平下玉米‖花生系統(tǒng)對花生結(jié)瘤特性的影響

馮 晨，馮良山*，孫占祥*，鄭家明，杜桂娟，張東升，張 悅，高硯亮

（1．遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，遼寧 沈陽 110161；2．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京100193；3．沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110866）

遼西風(fēng)沙半干旱區(qū)是我國風(fēng)沙半干旱區(qū)的典型代表，也是遼寧省重要的糧食生產(chǎn)基地，該區(qū)域擁有豐富的光熱資源，增產(chǎn)潛力巨大，但存在水資源匱乏、旱災(zāi)頻發(fā)、風(fēng)蝕沙化和水土流失嚴(yán)重等突出問題［1-3］，嚴(yán)重制約了區(qū)域農(nóng)業(yè)和農(nóng)村的持續(xù)發(fā)展［4-5］。

針對上述存在問題，結(jié)合區(qū)域主要作物類型，經(jīng)多年研究，提出了玉米和花生間作技術(shù)模式，并逐漸在區(qū)域得到應(yīng)用和推廣。目前國內(nèi)外有關(guān)玉米‖花生間作的研究有很多，包括間作對產(chǎn)量［6-7］、光合利用［8］及作物養(yǎng)分［9-12］等方面的影響，但針對風(fēng)沙半干旱區(qū)自然環(huán)境與資源條件的玉米‖花生體系相關(guān)研究極少涉及。已有研究表明，玉米與花生間作能夠改善遼西半干旱區(qū)作物土壤水分利用環(huán)境，提高農(nóng)田土地和水分生產(chǎn)力［13］；高硯亮等［13-14］提出4∶4（行比）為更適合于遼西地區(qū)的玉米與花生間作模式，并發(fā)現(xiàn)玉米‖花生系統(tǒng)可使作物比根長下降，根表面積密度顯著提高；王海新等［15］通過研究得出了較好的玉米‖花生系統(tǒng)防風(fēng)蝕技術(shù)模式。由此可見，已有針對風(fēng)沙半干旱區(qū)的研究也多集中于玉米‖花生系統(tǒng)產(chǎn)量效益與配置篩選，區(qū)域風(fēng)蝕防治，間作體系水分利用和根系分布等方面，有關(guān)區(qū)域玉米‖花生系統(tǒng)對花生結(jié)瘤固氮影響方面的研究尚未見報道，而針對間作花生結(jié)瘤固氮進(jìn)行研究，對于充分發(fā)揮間作花生共生固氮功能，減少氮肥施用，提高區(qū)域資源利用效率具有重要意義。

為了明確風(fēng)沙半干旱區(qū)玉米‖花生體系花生的結(jié)瘤特性，本試驗(yàn)以農(nóng)業(yè)部阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站為研究平臺，采用微區(qū)試驗(yàn)，設(shè)置不同種植模式及不同施氮量，研究不同供氮水平下玉米‖花生系統(tǒng)對花生根瘤特性的影響，為豐富區(qū)域禾本科‖豆科間作理論，以及從養(yǎng)分層面揭示玉米‖花生系統(tǒng)提高旱作農(nóng)田生產(chǎn)力的機(jī)制提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于阜新市阜新蒙古族自治縣阜新鎮(zhèn)（東經(jīng)121?46′，北緯42?09′）農(nóng)業(yè)部阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站。該區(qū)域?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)大陸性氣候，年均溫6～8℃，5～9月的日照時數(shù)1 200～1 300 h，無霜期135～165 d。年降水量350～500 mm，降水變率大，“十年九春旱”是當(dāng)?shù)鼗練夂蛱卣?。供試土壤基本理化性質(zhì):容重1.35 g/cm3，pH值6.85，有機(jī)質(zhì)13.82 g/kg，全氮0.78 g/kg，全磷0.76 g/kg，全鉀20.79 g/kg，堿解氮29.44 mg/kg，有效磷26.67 mg/kg，速效鉀112.66 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

采用微區(qū)試驗(yàn)，微區(qū)采用聚丙烯板制成，規(guī)格為8 m2（2.0 m×4.0 m），隔離深度為1 m。試驗(yàn)于2015年進(jìn)行，采用3×3隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，包括3種種植方式，分別為玉米單作（M），花生單作（P）和玉米‖花生間作（I），同時設(shè)置3個施氮水平，分別為0kg/hm2（N0）、100kg/hm2（N1）、200kg/hm2（N2），每個處理重復(fù)3次。玉米單作即微區(qū)內(nèi)種植4行玉米，花生單作即微區(qū)內(nèi)種植4行花生，玉米‖花生間作采用玉米 ∶ 花生2∶2間作模式，即種植2行玉米、2行花生；所有處理作物行距均為0.5 m，玉米株距0.3 m，花生穴距0.14 m（一穴雙株）；玉米和花生品種分別為鄭單958和白沙1016。選用尿素（N 46%）作為試驗(yàn)用氮肥，均于播種時一次性條施，其他管理正常。

1.3 樣品采集

對不同處理花生根瘤樣品進(jìn)行采集，分別于花針期、結(jié)莢期和飽果成熟期采樣。采取隨機(jī)取樣法，在各條帶用鐵鍬隨機(jī)挖取整株花生置于牛皮紙上，以保證所有根瘤取出，輕輕抖落根上的土，收集落在紙上的根瘤及帶根瘤的根，并將抖落的土放回原取樣處。樣品取回后將其放在0.15 mm的篩中流水沖洗，摘可見根瘤、計數(shù)、風(fēng)干、稱重。

1.4 參考計算方法

玉米‖花生系統(tǒng)對花生“氮阻遏”的“減緩效應(yīng)”Ca（%）［16］，是指較高施氮量間作花生相對于低一級施氮量的單作花生的結(jié)瘤值的變化率，計算公式為:

Ca（%）=［Yip（n）－Ysp（n－1）］×100/Ysp（n－1）

其中Yip和Ysp分別表示間作和單作花生的結(jié)瘤值，n和n－1分別表示高一級和低一級的施氮量，Yip（n）為高一級施氮量間作花生的結(jié)瘤值，Ysp（n－1）為低一級施氮量單作花生的結(jié)瘤值。若Ca＞0，表示玉米與花生間作根系相互作用促進(jìn)花生根瘤生長而增加了生物固氮，且減緩了氮肥對花生結(jié)瘤和生物固氮的抑制作用，反之亦然。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，使用SPSS 19.0（ANOVA）進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供氮水平下玉米‖花生對花生根瘤特性的影響

圖1～3分別為供氮量為0、100和200kg/hm2時各種植模式不同生育時期的花生結(jié)瘤特性。由圖1可知，不施氮時，玉米‖花生系統(tǒng)在花針期行1（靠近玉米的花生行）的花生根瘤數(shù)為54個/株，行2（遠(yuǎn)離玉米的花生行）為56個/株，即無論是靠近玉米或是遠(yuǎn)離玉米的花生行，其根瘤數(shù)量均顯著高于花生單作（22個/株）；結(jié)莢期與成熟期也表現(xiàn)為相同規(guī)律，除成熟期花生行2外，其余均表現(xiàn)為間作處理根瘤數(shù)量顯著高于單作處理，3個時期間作花生的單株根瘤數(shù)（兩行花生根瘤的平均值）分別為55、23和25個/株，分別是單作花生根瘤數(shù)的2.5、3.8和2.5倍。

圖1 不施氮各處理不同生育時期的花生結(jié)瘤特性

當(dāng)施氮量增至100 和200kg/hm2時，間作系統(tǒng)的花生根瘤數(shù)仍然高于單作系統(tǒng)，其中施氮量為100kg/hm2時，各生育時期間作花生根瘤數(shù)量平均值分別是單作花生的1.7、4.5和9.5倍；當(dāng)施氮量為200kg/hm2時，則分別為單作花生的1.4、13和5.5倍；但與不施氮處理表現(xiàn)不同的是，在花生生長發(fā)育中前期（花針期）二者差異未達(dá)顯著水平，這可能是因?yàn)椴皇┑幚淼牡狈?，加之間作玉米吸收氮的影響，使得間作花生的缺氮情況加重，從而刺激了其中前期的根瘤發(fā)育；而施氮后，這種前期差異會不同程度減少，中后期（結(jié)莢期與成熟期）同樣表現(xiàn)出間作花生根瘤顯著高于單作花生，這是由于氮肥施入使得玉米生長更為迅速，從而使間作對花生根瘤的影響顯現(xiàn)出來。

圖2 施氮量100kg/hm2時各處理不同生育時期的花生結(jié)瘤特性

圖3 施氮量200kg/hm2時各處理不同生育時期的花生結(jié)瘤特性

間作后花生結(jié)瘤數(shù)增加幅度（花生間作與單作結(jié)瘤數(shù)之差與單作結(jié)瘤數(shù)的比值）見于表1，經(jīng)計算，不施氮肥處理間作兩行花生根瘤數(shù)增加幅度分別為2.28和1.31倍，N1水平下根瘤增加幅度分別為5.72和3.92倍；N2水平增加幅度為5.66和3.96倍。由此可見，距玉米行較近的花生根瘤受間作影響較大，這也更加確定了間作體系玉米對花生根瘤生長發(fā)育的促進(jìn)作用。此外，不施肥條件下間作花生根瘤增加幅度為1.79倍，施肥條件下平均增加幅度為4.81倍，因此，間作對施肥條件下花生根瘤形成具有更為顯著的效果。

表1 不同處理各生育時期花生根瘤數(shù)的增加幅度

綜上所述，遼西風(fēng)沙半干旱區(qū)玉米‖花生系統(tǒng)可顯著增加各個生育時期的花生根瘤數(shù)，3種不同施氮處理間作條件下花生根瘤數(shù)均大于單作，且對施氮條件下花生根瘤形成具有更為顯著的促進(jìn)效果。玉米‖花生體系對花生根瘤形成的影響存在邊行效應(yīng)，但即使是遠(yuǎn)離玉米的花生行其結(jié)瘤特性同樣受間作體系的影響。

2.2 玉米‖花生系統(tǒng)對花生“氮阻遏”的減緩效應(yīng)

氮阻遏是指所有固氮植物均有一個共性，即在有氮的條件下不固氮，固氮酶不能合成，或者失去活性［17］。由表2可知，隨著施氮量的增加，單作花生根瘤數(shù)量呈減少趨勢，其中不施氮處理花生單作在花針期、結(jié)莢期和成熟期的根瘤數(shù)分別為22、6和10個/株；施氮量為100kg/hm2時，單作花生3個生育時期的根瘤數(shù)量分別減少至12、6和2個/株；施氮量為200kg/hm2時，根瘤數(shù)分別為26、2和2個/株，這正體現(xiàn)了豆科作物花生的“氮阻遏”現(xiàn)象；對于間作花生而言，3個生育時期的根瘤數(shù)量也從N0水平的55、23和25個/株，降至N1水平的20、27和19個/株，以及N2水平的37、26、11個/株，由此可見，在遼西風(fēng)沙半干旱區(qū)，與玉米間作后，花生“氮阻遏”現(xiàn)象仍然存在。

表2 玉米‖花生間作種間相互作用對“氮阻遏”的減緩作用

通過對玉米‖花生系統(tǒng)對花生“氮阻遏”的“減緩效應(yīng)”變化率的計算可以發(fā)現(xiàn)，施氮量為100kg/hm2時，玉米‖花生系統(tǒng)在花針期、結(jié)莢期和成熟期的變化率分別為-9.09%、328.95%和85.48%；當(dāng)施氮量為200kg/hm2時，3個生育時期的變化率分別為209.72%、310.53%和580.00%。由此可見，在不同施氮量試驗(yàn)中根瘤數(shù)的Ca（%）平均值總體上都大于0，這說明玉米‖花生系統(tǒng)作物相互作用在花生的整個生育期內(nèi)起到了減緩“氮阻遏”效應(yīng)的作用。

3 結(jié)論

遼西半干旱區(qū)玉米‖花生系統(tǒng)可顯著增加各個生育時期的花生根瘤數(shù)，且對施氮處理花生根瘤形成具有更為明顯的促進(jìn)作用。

玉米‖花生系統(tǒng)對花生根瘤形成的影響存在邊行效應(yīng)，靠近玉米的花生行根瘤增加幅度大于遠(yuǎn)離玉米的花生行。

單作及間作花生都存在“氮阻遏”現(xiàn)象，玉米‖花生系統(tǒng)作物相互作用可對花生“氮阻遏”起到減緩作用。

4 討論

4.1 不同供氮量對間作花生根瘤特性的影響

有關(guān)間作對豆科根瘤特性的影響研究大多集中在大豆和蠶豆，對花生的研究極少涉及，多數(shù)結(jié)論表明氮肥的施用會對大豆、蠶豆等豆科作物根瘤的形成和生長有抑制作用［18-20］，本文針對遼西風(fēng)沙半干旱區(qū)玉米‖花生系統(tǒng)進(jìn)行研究，所得結(jié)果也支持上述結(jié)論；房增國等［21］通過玉米－花生混作試驗(yàn)也得出了相似結(jié)論，即玉米－花生混作促進(jìn)了花生根瘤的形成和生長發(fā)育，混作花生的根瘤數(shù)顯著高于單作花生；且發(fā)現(xiàn)隨著施氮水平的升高，無論單作還是混作，花生根瘤數(shù)均顯著降低，但混作處理顯著高于相應(yīng)單作處理，這也與本項(xiàng)研究結(jié)論相一致。此外，本研究發(fā)現(xiàn)玉米花生間作對根瘤的促進(jìn)作用存在邊行效應(yīng)，這種邊行優(yōu)勢可能主要由作物間的根系互作引起，這也說明玉米‖花生系統(tǒng)可能通過以下兩方面促進(jìn)花生根瘤形成:一是玉米需肥量大于花生，因此在間作體系中玉米根系吸收了花生條帶的氮素，使花生條帶低氮從而促進(jìn)根瘤形成；二是玉米根系產(chǎn)生的分泌物能優(yōu)化豆科作物的生長環(huán)境，促進(jìn)豆科作物對營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素的吸收［22］，從而有助于花生根瘤生長發(fā)育。左元梅等［12］就曾在研究中發(fā)現(xiàn)禾本科作物與花生間作可以改善花生的鐵營養(yǎng)狀況。但究竟玉米‖花生間作系統(tǒng)促進(jìn)花生根瘤形成的機(jī)制如何尚需進(jìn)一步深入研究。

也有相關(guān)研究表明適量的氮肥施入有利于豆科作物前期根瘤的形成［19，23］，本研究尚未發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，這可能歸因于以下兩點(diǎn)，一是本研究所設(shè)施氮量相對較高，表現(xiàn)的作用多為抑制；二是本研究調(diào)查根瘤集中在花針期、結(jié)莢期和成熟期（中前期及中后期），并未對根瘤初始形成時期（苗期）進(jìn)行研究，因此并未發(fā)現(xiàn)施氮對根瘤的階段性促進(jìn)作用。

4.2 玉米‖花生系統(tǒng)對花生“氮阻遏”的減緩效應(yīng)

Fan 等［24］、Hardarson 等［25］、Agegnehu 等［26］通過室內(nèi)和田間試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)氮肥會對蠶豆結(jié)瘤固氮產(chǎn)生阻遏效應(yīng)。Salvagiotti等［27］對40年中（1966～2006年）已發(fā)表的有關(guān)氮肥對大豆固氮影響的108個田間試驗(yàn)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，也發(fā)現(xiàn)大豆的生物固氮與施氮量之間呈負(fù)的指數(shù)相關(guān)。本研究從玉米‖花生系統(tǒng)角度進(jìn)一步明確了間作對豆科結(jié)瘤固氮的促進(jìn)作用和間作對“氮阻遏”的“減緩效應(yīng)”，并發(fā)現(xiàn)即使施氮量高達(dá)200kg/hm2，玉米‖花生體系中這種減緩作用仍然存在。相關(guān)研究結(jié)論說明可以通過區(qū)域玉米間作花生來充分發(fā)揮花生結(jié)瘤固氮作用，實(shí)現(xiàn)氮肥資源種間高效利用；但該間作系統(tǒng)在區(qū)域?qū)用嫔系摹暗瓒簟遍撝凳嵌嗌?，如何施氮才能在玉米、花生雙高產(chǎn)的同時，最大程度發(fā)揮花生固氮潛力和玉米‖花生系統(tǒng)資源利用優(yōu)勢，還需要通過微區(qū)與田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)一步深入研究。