減氮對華南地區(qū)甜玉米//大豆間作系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定性的影響*

劉 培, 邵宇婷, 王志國, 唐藝玲, 王建武

減氮對華南地區(qū)甜玉米//大豆間作系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定性的影響*

劉 培, 邵宇婷, 王志國, 唐藝玲, 王建武**

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室/廣東省生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)重點實驗室/廣東省現(xiàn)代生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)工程中心/華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院 廣州 510642)

在廣東省廣州市華南農(nóng)業(yè)大學試驗中心, 通過大田定位試驗(2013年秋—2017年秋5年9季)對比了兩種施氮水平[減量施氮(300 kg·hm-2, N1)和常規(guī)施氮(360 kg·hm-2, N2)]、4種種植模式[甜玉米單作(SS)、甜玉米//大豆2∶3間作(S2B3)、甜玉米//大豆2∶4間作(S2B4)、大豆單作(SB)]的甜玉米、大豆及系統(tǒng)產(chǎn)量的動態(tài)變化, 采用2(Wricke’s ecovalence, 生態(tài)價值指數(shù))、變異系數(shù)(CV)和可持續(xù)指數(shù)(SYI)評價了產(chǎn)量的時間穩(wěn)定性, 旨在為華南地區(qū)一年2熟制甜玉米產(chǎn)區(qū)地力保育和綠色生產(chǎn)提供科學依據(jù)。結(jié)果表明: 1)各處理甜玉米、大豆和系統(tǒng)總產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯的生產(chǎn)季節(jié)動態(tài)變化, 不同年季、種植模式對甜玉米、大豆和系統(tǒng)總產(chǎn)量均有極顯著影響, 施氮水平僅顯著影響甜玉米的產(chǎn)量。2)所有間作處理甜玉米的相對產(chǎn)量均高于單作, 間作系統(tǒng)的實際產(chǎn)量損失指數(shù)(AYLs)均大于零, 表明甜玉米//大豆間作能穩(wěn)定地保持間作優(yōu)勢且顯著提高了土地利用效率。3)不同處理甜玉米產(chǎn)量的2、CV和SYI均沒有顯著差異, 但單作大豆的2值顯著高于間作, 單作大豆的產(chǎn)量穩(wěn)定性低于間作大豆。種植模式對系統(tǒng)總產(chǎn)量穩(wěn)定性有顯著影響, 且間作大豆提高了其穩(wěn)定性。4)間作大豆顯著提高了土壤地力貢獻率, S2B3和S2B4的平均地力貢獻率分別為75.07%和74.27%, 比SS分別高30.29和29.47個百分點。5)與單作甜玉米相比, 9季甜玉米//大豆間作顯著提高了土壤pH, 緩解了長期大量施氮導致的土壤酸化對地力的影響。連續(xù)減量施氮沒有影響甜玉米//大豆間作系統(tǒng)土壤有機質(zhì)和全量養(yǎng)分含量, 300 kg?hm-2的施氮量能夠滿足甜玉米和大豆對氮素的需要。減量施氮與間作大豆是華南甜玉米產(chǎn)區(qū)資源高效利用、系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定的可持續(xù)綠色生產(chǎn)模式。

減量施氮; 甜玉米//大豆間作; 產(chǎn)量穩(wěn)定性; 土壤地力貢獻率; 肥料貢獻率; 綠色生產(chǎn)模式

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、高效、環(huán)境友好是國家糧食安全與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。廣東省地處熱帶亞熱帶, 光熱水資源豐富, 非常適合甜玉米(L.)的種植, 2015年廣東省甜玉米種植面積達22.0萬hm2, 分別占全國和全球種植面積的66.1%和14.0%, 產(chǎn)量達310.2萬t, 占全國總產(chǎn)量的62.1%, 年出口量達29.2萬t, 成為我國甜玉米生產(chǎn)最大的省份, 也是世界最主要的甜玉米產(chǎn)區(qū)之一[1]。但是, 廣東省甜玉米生產(chǎn)中普遍存在超量施肥、偏施氮肥和多年連作的問題[2-3]。如何減少化學氮肥的投入, 發(fā)展環(huán)境友好型的穩(wěn)產(chǎn)種植模式是廣東省甜玉米產(chǎn)區(qū)面臨的重要問題。

施肥對不同區(qū)域玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性的影響已有大量報道。例如: 有機無機配施有效地提高了東北黑土區(qū)玉米產(chǎn)量及其穩(wěn)定性[4]; 施氮可以顯著增加遼北地區(qū)玉米產(chǎn)量, 在一定范圍內(nèi)產(chǎn)量和產(chǎn)量穩(wěn)定性隨施氮量的增加而增加[5]; 黃潮土區(qū)有機無機配施為最佳施肥方式, 土壤養(yǎng)分供應較均衡, 穩(wěn)定性最佳, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量最優(yōu)[6]; 西南地區(qū)玉米產(chǎn)量的地力貢獻率和肥料貢獻率平均分別為57.1%和42.9%, 玉米地力貢獻率隨著基礎(chǔ)地力產(chǎn)量的提升而增加[7]。但是, 目前尚鮮有施肥對華南地區(qū)甜玉米, 尤其是甜玉米//大豆(L.)間作系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定性的研究報道。

玉米//大豆間作具有悠久的歷史, 是全球溫帶地區(qū), 尤其是我國北方廣泛應用的典型禾本科//豆科間作模式[8-10], 但對其提高系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定性的研究較少。歐洲的小麥(L.)//蠶豆(L.)間作體系比相應的單作體系產(chǎn)量更為穩(wěn)定[11]。加納的木薯(Crantz)//玉米、木薯//大豆和木薯//豇豆[(L.) Walp]等間作的穩(wěn)定性高于單作作物[12]。非洲玉米//多年生作物間作與一年生豆科//玉米間作的玉米籽粒產(chǎn)量變異系數(shù)最小, 為9%~16%, 不施肥的單作玉米為17%~30%[13]。上述研究關(guān)注了不同環(huán)境、不同地點空間格局上間作體系的穩(wěn)定性, 卻很少涉及時間穩(wěn)定性。在多年連續(xù)減量施氮的情況下, 間作提高的物種多樣性是否能維持系統(tǒng)產(chǎn)量的長期穩(wěn)定性呢？回答這一問題不僅有利于在理論上理解生物多樣性與穩(wěn)定性的關(guān)系, 還可為間作的長期可持續(xù)性提供科學依據(jù)[9]

本課題組從2013年秋季開始, 在華南農(nóng)業(yè)大學開展減量施氮與甜玉米//大豆間作的長期定位試驗, 先后報道了其溫室氣體排放通量[14]、甜玉米叢枝菌根真菌侵染和大豆結(jié)瘤及作物氮、磷吸收利用[15]以及土壤氮素形態(tài)的變化[16]、根際微生物群落的演變[17]和農(nóng)田氮平衡狀況[18]。本文系統(tǒng)分析了2013年秋至2017年秋共9季甜玉米//大豆系統(tǒng)產(chǎn)量的穩(wěn)定性及間作優(yōu)勢的動態(tài)變化, 擬揭示間作大豆提升的基礎(chǔ)地力對甜玉米穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)生產(chǎn)的影響, 旨在為華南地區(qū)一年2熟制甜玉米產(chǎn)區(qū)地力保育和綠色生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

定位試驗設(shè)在廣東省廣州市華南農(nóng)業(yè)大學試驗中心(23°08′N, 113°15′E)。試驗區(qū)屬于亞熱帶季風氣候, 年日照時數(shù)為1 519.7~1 629.5 h, 太陽輻射總量為105.3 kJ·cm-2, 平均氣溫為22.9~23.2 ℃, 平均降雨量為2 020.8~2 456.8 mm, 約85%降水集中在4—9月份。土壤為赤紅壤, 試驗開始前土壤有機質(zhì)含量14.47 g·kg-1, 堿解氮92.93 mg·kg-1, 有效磷89.81 mg·kg-1, 速效鉀287.76 mg·kg-1, pH 6.25。2013—2017年試驗基地年月降雨量和月平均溫度如圖1所示。

圖1 2013—2017年試驗區(qū)月降雨量(mm)和月平均溫度(℃)

1.2 試驗材料

供試甜玉米品種為‘華珍’, 購于山東禾之元種業(yè); 供試大豆品種為‘毛豆3號’(春季)、‘上海青’(秋季), 由華南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院年海教授團隊提供。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用雙因素隨機區(qū)組設(shè)計。兩種施氮水平: 減量施氮(N1, 300 kg·hm-2)和常規(guī)施氮(N2, 360 kg·hm-2); 4種種植模式: 甜玉米單作(SS)、甜玉米//大豆2∶3間作(S2B3, 甜玉米2行, 大豆3行)、甜玉米//大豆2∶4間作(S2B4, 甜玉米2行, 大豆4行), 以不施肥的單作大豆(SB)為對照。共7個處理, 每處理3個重復, 共21個小區(qū)。為了計算土壤地力貢獻率、肥料貢獻率與農(nóng)學利用率, 2016年春季開始, 增加甜玉米單作(SS-N0)、甜玉米//大豆2∶3間作(S2B3-N0)、甜玉米//大豆2∶4間作(S2B4-N0)不施肥處理(N0)。

小區(qū)長4.8 m, 寬3.7 m, 面積17.76 m2。甜玉米單作行距為60 cm, 間作為50 cm; 大豆行距均為30 cm; 甜玉米株距為30 cm, 大豆穴距為20 cm。甜玉米每穴種1株, 大豆每穴種3株。SS甜玉米種植密度為5 405株·hm-2; S2B3甜玉米種植密度為38 156 株·hm-2, 占小區(qū)總面積的51.47%, 大豆種植密度為257 552株·hm-2, 占小區(qū)總面積的48.53%; S2B4甜玉米種植密度為32 432株·hm-2, 占小區(qū)總面積的43.75%, 大豆種植密度為29 189 株·hm-2, 占小區(qū)總面積的56.25%; SB大豆種植密度為486 486株·hm-2。大豆直播后10~20 d移栽定植甜玉米苗, 共生期85 d左右。

各施肥處理的磷肥為150 kg(P2O5)·hm-2, 鉀肥為300 kg(K2O)·hm-2。磷肥作為基肥一次性施入, 氮肥(尿素)和鉀肥作為追肥, 分別在甜玉米苗期、拔節(jié)期和穗期施用, 比例分別為30%、30%、40%和15%、40%、45%, 其中單作大豆和間作大豆不施肥。甜玉米、大豆收獲后秸稈全部覆蓋還田。詳細的田間管理、施肥方案參見文獻[14]和[18]。

1.4 測定項目與指標計算方法

1.4.1 籽粒產(chǎn)量測定

作物適宜收獲期測定兩種作物的籽粒產(chǎn)量。在甜玉米單作和大豆單作處理中, 每個小區(qū)隨機取20株樣品; 在甜玉米//大豆間作處理中, 每個小區(qū)的間作帶隨機各取10株甜玉米和大豆樣品, 共取兩個間作帶的樣品。甜玉米單株平均鮮穗重換算成1 m2產(chǎn)量; 大豆取平均單株鮮莢重換算成1 m2產(chǎn)量。

1.4.2 土壤化學性質(zhì)測定

2017年秋季作物收獲后取0~30 cm土樣, 每小區(qū)五點法取1個混合樣。鮮土風干、過篩(2 mm)后用于測定土壤pH(電位計法)、有機質(zhì)(重鉻酸鉀容量法-外加熱法)、全量養(yǎng)分(凱氏定氮法測全氮含量、高氯酸-硫酸-鉬銻抗比色法測全磷含量、火焰光度法測全鉀含量)和速效養(yǎng)分含量(堿解擴散法測堿解氮、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測速效磷、醋酸銨浸提-火焰光度法測速效鉀)[19]。

1.4.3 指標計算方法

1.4.3.1 產(chǎn)量

產(chǎn)量(g·m-2)=平均單株產(chǎn)量(g)×種植密度(株·m-2)(1)

間作處理的產(chǎn)量為兩種作物產(chǎn)量之和。

1.4.3.2 土地當量比

土地當量比[20](total land equivalent, TLER)計算公式如下:

TLER=LERS+LERB=is/ss+ib/sb(2)

式中:is和ss分別表示甜玉米在間作和單作中的產(chǎn)量,ib和sb分別表示大豆在間作和單作中的產(chǎn)量, LERS和LERB分別為甜玉米和大豆的偏土地當量比。TLER>1, 說明間作有優(yōu)勢, 能提高土地利用效率; TLER<1, 為間作劣勢。

1.4.3.3 實際產(chǎn)量損失指數(shù)(actual yield loss, AYL)[21]

AYL=AYLS+AYLB=[(is/is)/(ss/ss)-1]+[(ib/ib)/ (sb/sb)-1] (3)

式中:is和ib分別表示甜玉米和大豆在間作中所占的比例;ss和sb分別表示甜玉米和大豆在單作中所占的比例, 此處二者均為1。AYL表示與單作作物相比, 間作中的作物在種植比例下的相對產(chǎn)量損失或增加, AYL>0表示間作作物產(chǎn)量比單作高, 具有間作優(yōu)勢, 若AYL<0表示間作作物產(chǎn)量比單作低, 不具有間作優(yōu)勢。

1.4.3.4 作物產(chǎn)量穩(wěn)定性

Wricke’s ecovalence(2)[22]、變異系數(shù)(coefficient of variation, CV)[23]和產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)(sustainable yield index, SYI)[24]用于評價甜玉米和大豆產(chǎn)量穩(wěn)定性, 計算公式如下:

式中:X為處理在第年季的產(chǎn)量,m為處理所有年季的平均產(chǎn)量,m是第年季所有處理的平均產(chǎn)量,是所有處理所有年季的平均產(chǎn)量。2越接近0, 代表產(chǎn)量穩(wěn)定性越好。

式中:max為該處理在所有年季的最高產(chǎn)量。SYI值處于0~1, 值越高, 代表產(chǎn)量穩(wěn)定性越高。

1.4.3.5 土壤地力貢獻率、肥料貢獻率與農(nóng)學利用率[25-26]

土壤地力貢獻率(%)=不施肥處理產(chǎn)量/施肥處理最高產(chǎn)量×100 (7)

肥料貢獻率(%)=(施肥處理產(chǎn)量-不施肥處理產(chǎn)量)/施肥處理產(chǎn)量×100 (8)

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析, 利用Duncan多重比較方法檢驗差異顯著性(=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對甜玉米、大豆和系統(tǒng)產(chǎn)量的影響

9季試驗結(jié)果表明, 各處理甜玉米、大豆和系統(tǒng)總產(chǎn)量呈明顯的生產(chǎn)季節(jié)動態(tài)變化(圖2), 不同處理的變化規(guī)律一致, 說明甜玉米、大豆和系統(tǒng)總產(chǎn)量均受到不同生產(chǎn)季節(jié)氣候條件的影響。3因素方差分析表明(表1), 不同年季對甜玉米和大豆產(chǎn)量都有極顯著影響(=126.31***, 102.493***), 甜玉米產(chǎn)量2014年秋季和2015年秋季顯著高于春季, 2016年春秋兩季之間沒有顯著差異, 2017年春季顯著高于秋季(圖2A); 大豆產(chǎn)量2014年秋季顯著高于春季, 而2017年春季顯著高于秋季(圖2B)。種植模式對甜玉米和大豆產(chǎn)量也都有極顯著影響(=1 155.714***, 26.643***), 9季中單作甜玉米產(chǎn)量均顯著高于兩種間作甜玉米, 各年季相同施氮水平下S2B3甜玉米產(chǎn)量均顯著高于S2B4(2015年春季除外)(圖2A); 9季中單作大豆產(chǎn)量顯著高于間作大豆, 相同施氮水平下兩種間作大豆產(chǎn)量之間沒有顯著差異(圖2B)。施氮水平對甜玉米產(chǎn)量有顯著影響(=3.165*), 2016年春季S2B4-N2的甜玉米產(chǎn)量顯著高于S2B4-N1(高11.86%), 其他年季相同種植模式中N1與N2之間沒有顯著差異。不同年季和種植模式的交互作用對甜玉米產(chǎn)量有顯著影響(=3.987***)。年季之間不同處理系統(tǒng)總產(chǎn)量的變化趨勢與甜玉米、大豆產(chǎn)量變化趨勢相似(圖2A、2B、2C), 不同年季、種植模式對系統(tǒng)總產(chǎn)量均有極顯著影響(=145.124***, 165.376***)(表1)。2014年秋季不同處理系統(tǒng)總產(chǎn)量均顯著高于春季, 而2017年秋季不同處理系統(tǒng)總產(chǎn)量均顯著低于秋季; 2013年秋季、2014年秋季、2016年秋季和2017年春秋2季相同施氮水平下間作系統(tǒng)總產(chǎn)量均顯著高于甜玉米單作(圖2C)。本試驗為“替代型”間作[27], 間作處理中兩種作物的種植密度均小于相應的單作處理, 雖然間作作物9季的平均產(chǎn)量顯著低于相應的單作處理且與間作種植比例正相關(guān)(表2), 但間作系統(tǒng)總產(chǎn)量顯著高于單作甜玉米(高35.21%), 無論是單作還是間作本試驗的兩個施氮水平下平均產(chǎn)量沒有顯著差異。

圖2 2013—2017年不同處理下甜玉米//大豆間作系統(tǒng)的甜玉米(A)、大豆(B)和系統(tǒng)總產(chǎn)量(C)

SS: 甜玉米單作; S2B3: 甜玉米//大豆2∶3間作; S2B4: 甜玉米//大豆2∶4間作; SB: 大豆單作; N1: 減量施氮; N2: 常規(guī)施氮。SS: sole sweet maize; S2B3: sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratio of 2∶3; S2B4: sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratio of 2∶4; SB: sole soybean; N1: reduced nitrogen dose, 300 kg?hm-2; N2: conventional nitrogen dose, 360 kg?hm-2.

表1 2013—2017年各處理下甜玉米//大豆間作物系統(tǒng)中甜玉米、大豆和系統(tǒng)產(chǎn)量3因素方差分析

2.2 不同處理對土地當量比的影響

9季試驗結(jié)果表明, 所有處理甜玉米的實際產(chǎn)量損失指數(shù)均大于零(AYLs>0), 間作甜玉米的相對產(chǎn)量高于單作, 間作促進了甜玉米的生長, 甜玉米//大豆間作系統(tǒng)具有明顯的間作優(yōu)勢(圖3)。9季中除2016年春季S2B3-N1、S2B4-N1、S2B4-N2, 2016年秋季S2B4-N1、S2B3-N2、S2B4-N2和2017年春季S2B3-N1、S2B4-N1、S2B3-N2、S2B4-N2間作大豆實際產(chǎn)量損失指數(shù)(AYLb)大于零外, 其他間作處理均小于零, 說明間作大豆的相對產(chǎn)量低于單作大豆, 表明甜玉米//大豆間作能夠穩(wěn)定地保持間作優(yōu)勢。種植模式和施氮水平對土地當量比均沒有顯著影響(圖3), 除2015年春季(長期陰雨天氣)S2B4-N2和2015年秋季(臺風影響)S2B4-N1、S2B4-N2土地當量比小于1外, 其他處理的土地當量比均大于1, 間作顯著提高了土地利用效率。

2.3 不同處理對甜玉米、大豆及系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定性及可持續(xù)性的影響

不同處理甜玉米產(chǎn)量的2(Wricke’s ecovalence)、CV和SYI(產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù))之間均沒有顯著差異, 說明各處理甜玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性之間無顯著差異(表2)。大豆單作模式的2值顯著高于間作模式, 說明單作大豆的產(chǎn)量穩(wěn)定性低于間作處理; S2B4-N1大豆產(chǎn)量的2顯著低于S2B4-N2, 減量施氮處理大豆產(chǎn)量的穩(wěn)定性高于常規(guī)施氮, 即低氮素投入提高了大豆產(chǎn)量的穩(wěn)定性。但SYI值表明各處理的大豆產(chǎn)量穩(wěn)定性無顯著差異。種植模式對系統(tǒng)總產(chǎn)量穩(wěn)定性有顯著影響, S2B3-N1、S2B3-N2、S2B4-N1的總產(chǎn)量2值低于相應施氮水平的SS, 說明間作模式增加了系統(tǒng)總產(chǎn)量穩(wěn)定性。

2.4 不同處理對土壤地力貢獻率、肥料貢獻率和土壤理化性狀的影響

土壤地力貢獻率是反映土壤生產(chǎn)能力的指標, 而肥料貢獻率是肥料對作物產(chǎn)量的貢獻率[26]。從4季土壤地力貢獻率來看(圖4), 間作模式均顯著高于單作甜玉米(2017年春季除外), 說明間作大豆固氮以及秸稈還田顯著提高了土壤地力貢獻率, S2B3和S2B4的平均地力貢獻率分別為75.07%和74.27%, 比SS分別高30.29和29.47個百分點。單作甜玉米能夠維持44.8%的土壤地力貢獻率與本試驗處理中秸稈還田維持地力相關(guān)。肥料貢獻率與地力貢獻率呈顯著負相關(guān), 兩種施氮量處理下單作甜玉米的肥料貢獻率無顯著差異且均顯著高于兩種間作模式(圖5)。

從第9季末土壤化學性狀來看(表3), 與單作甜玉米相比, 9季甜玉米//大豆間作顯著提高了土壤pH, 緩解了長期大量施氮導致的土壤酸化對地力的影響。單作與間作甜玉米各處理間的土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量無顯著差異, 僅S2B3-N1的有效磷含量顯著低于SS-N2, S2B4-N2的速效鉀顯著低于SS-N1和SS-N2。

3 討論

3.1 間作系統(tǒng)的產(chǎn)量優(yōu)勢

本研究結(jié)果表明, 2013年秋—2017年秋9季試驗中間作處理的甜玉米籽粒產(chǎn)量和大豆籽粒產(chǎn)量顯著低于對應的單作處理, 但間作處理的總產(chǎn)量均大于甜玉米單作模式(2015年春秋兩季除外, 春季連陰雨、秋季臺風)。在相同種植比例下, 間作甜玉米的產(chǎn)量高于單作(AYLS>0), 部分間作的大豆產(chǎn)量低于單作(AYLB<0), 除2015年春秋兩季, 其他間作處理的AYLS與AYLB之和均大于1, 說明當間作大豆產(chǎn)量降低時, 間作甜玉米產(chǎn)量的提高能夠彌補這部分損失, 整體表現(xiàn)為間作優(yōu)勢。除2015年春季S2B4-N1、S2B4-N2和2015年秋季S2B4-N1、S2B4-N2土地當量比小于1外, 其他處理的土地當量比均大于1, 說明間作處理能夠提高土地利用效率, 具有明顯的間作優(yōu)勢。這與小麥//蠶豆間作增加系統(tǒng)作物產(chǎn)量[28], 木薯//花生(L.)間作優(yōu)勢明顯[29], 燕麥(L.)//向日葵(L.)間作具有產(chǎn)量優(yōu)勢[30], 小麥//蠶豆間作具有間作產(chǎn)量優(yōu)勢[31]的研究結(jié)果一致。有研究表明, 施氮量在120~360 kg?hm-2范圍內(nèi), 氮素利用效率隨施氮量增加而顯著降低[32], 但過量氮肥的施入增加了土壤氮素通過氨揮發(fā)、氮淋溶、硝化與反硝化途徑流失[33-34]。禾本科//豆科間作體系中, 禾本科植物吸收利用更多的土壤氮, 降低了土壤中的氮素濃度。一方面使禾本科作物獲得充分的氮素營養(yǎng), 具有顯著的增產(chǎn)作用; 另一方面, 土壤氮素濃度的降低, 促進了豆科作物的結(jié)瘤固氮作用, 從而實現(xiàn)了禾本科作物和豆科作物在氮素利用上的生態(tài)位分離, 降低種間競爭, 促進作物產(chǎn)量提高[10]。

圖3 2013—2017年各處理下甜玉米//大豆間作物系統(tǒng)的實際產(chǎn)量損失指數(shù)和土地當量比

S2B3: 甜玉米//大豆2∶3間作; S2B4: 甜玉米//大豆2∶4間作; N1: 減量施氮; N2: 常規(guī)施氮。不同小寫字母表示相同季節(jié)不同處理之間差異顯著(Duncan法,<0.05)。S2B3: sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratio of 2∶3; S2B4: sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratio of 2∶4; N1: reduced nitrogen dose, 300 kg?hm-2; N2: conventional nitrogen dose, 360 kg?hm-2. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments during the same crop season at 0.05 level.

3.2 間作系統(tǒng)產(chǎn)量的動態(tài)變化及穩(wěn)定性

生長季節(jié)對甜玉米、大豆以及系統(tǒng)產(chǎn)量有極顯著影響。在華南地區(qū), 降雨量和臺風分別是影響大豆和甜玉米當季產(chǎn)量的主要氣候因素。除2017年外, 秋季甜玉米、大豆產(chǎn)量高于春季, 且與生長季節(jié)的降雨量顯著負相關(guān)(相關(guān)系數(shù)-0.879,=0.009); 2015年春秋兩季甜玉米、大豆、系統(tǒng)總產(chǎn)量均低于其他年份, 主要是受臺風和降雨量的影響。因此處理因素與生長季節(jié)之間的互作是評價間作是否具有系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定性優(yōu)勢的重要因素, 但不同年季的環(huán)境因素變化復雜, 因此采用產(chǎn)量穩(wěn)定性指標評價處理和年份的相互作用具有一定的優(yōu)勢[35-36], 其中2(Wricke’s ecovalence)和SYI(產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù))是評價產(chǎn)量穩(wěn)定性的常用指標[37-38]。本研究結(jié)果表明不同處理下甜玉米產(chǎn)量的2和SYI無顯著差異, 說明種植模式和施氮水平對甜玉米穩(wěn)定性沒有顯著影響; 而間作大豆產(chǎn)量的2值顯著低于單作大豆, 說明甜玉米//大豆間作模式能提高大豆產(chǎn)量的穩(wěn)定性, 且減量施氮處理大豆產(chǎn)量的穩(wěn)定性高于常規(guī)施氮處理; 同時, 間作模式系統(tǒng)總產(chǎn)量的2值顯著低于甜玉米單作, 說明甜玉米//大豆間作模式顯著提高了系統(tǒng)總產(chǎn)量的穩(wěn)定性。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中間套作的作物多樣性越高, 系統(tǒng)生產(chǎn)力越高[10], 間作系統(tǒng)比單作系統(tǒng)產(chǎn)量高且穩(wěn)定[39-40]。

表2 2013—2017年各處理甜玉米//大豆間作系統(tǒng)的甜玉米、大豆和系統(tǒng)平均產(chǎn)量及產(chǎn)量穩(wěn)定性分析

SS: 甜玉米單作; S2B3: 甜玉米//大豆2∶3間作; S2B4: 甜玉米//大豆2∶4間作; SB: 大豆單作; N1: 減量施氮; N2: 常規(guī)施氮。2: Wricke’s生態(tài)價值; SYI: 產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù); CV: 變異系數(shù)。數(shù)值為均值±標準誤, 同列同一項目數(shù)據(jù)不同小寫字母代表不同處理之間差異顯著(Duncan法,< 0.05)。SS: sole sweet maize; S2B3: sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratio of 2∶3; S2B4: sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratio of 2∶4; SB: sole soybean; N1: reduced nitrogen dose, 300 kg?hm-2; N2: conventional nitrogen dose, 360 kg?hm-2.2: Wricke’s ecovalence; SYI: sustainable yield index; CV: coefficient of variation. Values are mean ± standard error. Different lowercase letters in the same column of the same item indicate significant differences among treatments (Duncan’s multiple range test,< 0.05).

圖4 2016—2017年各處理甜玉米//大豆間作系統(tǒng)的土壤地力貢獻率(A)與肥料貢獻率(B)

SS: 甜玉米單作; S2B3: 甜玉米//大豆2∶3間作; S2B4: 甜玉米//大豆2∶4間作; N1: 減量施氮; N2: 常規(guī)施氮。SS: sole sweet maize; S2B3: sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratio of 2∶3; S2B4: sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratio of 2∶4; N1: reduced nitrogen dose, 300 kg?hm-2; N2: conventional nitrogen dose, 360 kg?hm-2.

圖5 2016—2017年各處理甜玉米//大豆間作系統(tǒng)的平均肥料貢獻率

SS: 甜玉米單作; S2B3: 甜玉米//大豆2∶3間作; S2B4: 甜玉米//大豆2∶4間作; N1: 減量施氮; N2: 常規(guī)施氮。柱形圖上不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(Duncan法,< 0.05)。SS: sole sweet maize; S2B3: sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratio of 2∶3; S2B4: sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratio of 2∶4; N1: reduced nitrogen dose, 300 kg?hm-2; N2: conventional nitrogen dose, 360 kg?hm-2. Different lowercase letters in the bars indicate significant differences among treatments (Duncan’s multiple range test,< 0.05).

3.3 間作大豆與秸稈還田對地力的影響

本試驗表明, 甜玉米//大豆間作模式的土壤地力貢獻率顯著高于單作甜玉米, 間作大豆與秸稈還田顯著提升了土壤生產(chǎn)能力。2016年春秋兩季間作處理的平均固氮量為71.05 kg?hm-2, 甜玉米//大豆間作能夠顯著提高系統(tǒng)秸稈氮素累積量, 年均輸入秸稈氮素176.98 kg?hm-2, 甜玉米單作秸稈還田也能年均輸入128.43 kg?hm-2的氮素[18], 這也是本試驗單作玉米土壤地力貢獻率維持在40%以上的重要原因。大量研究表明, 秸稈還田腐解后釋放大量營養(yǎng)元素, 有利于增加土壤養(yǎng)分, 改善土壤肥力和質(zhì)量[41-43]。秸稈還田可以增加土壤有機質(zhì)含量[44], 秸稈配施化肥處理可顯著增加土壤總有機碳含量, 增幅為13.99%[45], 還田到土壤的秸稈腐解后釋放大量氮素, 土壤微生物氮和有機質(zhì)的提高有利于吸附和固持更多的NH4, 降低農(nóng)田氮的損失, 提高土壤氮的礦化和供氮能力[44,46-47]。本試驗中, 與單作甜玉米相比, 9季甜玉米//大豆間作顯著提高了土壤pH, 緩解了長期大量施氮導致的土壤酸化對地力的影響。這與油茶(Abel.)//大豆間作能有效改善土壤pH研究結(jié)果相一致[48]。玉米//扁豆[Lablab purpureus (L.) Sweet]間作可增加玉米產(chǎn)量和提高土壤地力[49], 玉米//花生間作可提高土壤肥力[50]。因此, 只有通過間作豆科作物和秸稈還田等耕地保育措施, 提升單位面積土壤生產(chǎn)能力, 才能保證農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)量的穩(wěn)定和可持續(xù)[51]。

表3 2017年秋季成熟期各處理對甜玉米//大豆間作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分含量的影響

SS: 甜玉米單作; S2B3: 甜玉米//大豆2∶3間作; S2B4: 甜玉米//大豆2∶4間作; N1: 減量施氮; N2: 常規(guī)施氮。數(shù)值為均值±標準誤, 同列數(shù)據(jù)不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(Duncan法,<0.05)。SS: sole sweet maize; S2B3: sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratio of 2∶3; S2B4: sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratio of 2∶4; N1: reduced nitrogen dose, 300 kg?hm-2; N2: conventional nitrogen dose, 360 kg?hm-2. Values are mean ± standard error. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (Duncan’s multiple range test,< 0.05).

4 結(jié)論

5年9季大田定位試驗表明, 甜玉米//大豆間作模式中甜玉米、大豆及系統(tǒng)的總產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯的生長季節(jié)動態(tài)變化, 但是, 間作促進了甜玉米的生長, 甜玉米//大豆能夠穩(wěn)定地保持間作優(yōu)勢, 顯著提高了系統(tǒng)總產(chǎn)量的穩(wěn)定性。間作大豆與秸稈還田顯著提升了土壤生產(chǎn)能力, 且提高了土壤pH。連續(xù)減量施氮沒有影響甜玉米//大豆間作系統(tǒng)的產(chǎn)量穩(wěn)定性, 300 kg·hm-2的施肥量能夠滿足甜玉米和大豆對氮素的需要, 且能減少系統(tǒng)氮素盈余量[18]。減量施氮與間作大豆是華南地區(qū)甜玉米產(chǎn)區(qū)資源高效利用、系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定的可持續(xù)綠色生產(chǎn)模式。

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Effect of nitrogen reduction on yield stability of sweet maize//soybean intercropping system in South China*

LIU Pei, SHAO Yuting, WANG Zhiguo, TANG Yiling, WANG Jianwu**

(Key Laboratory of Tropical Agro-Environment, Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Guangdong Provincial Key Laboratory of Eco-Circular Agriculture / Guangdong Engineering Research Center for Modern Eco-Agriculture and Circular Agriculture / College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

The increasing demand for fresh sweet maize (L.) in southern China has prioritized the need to find solutions to the environmental pollution caused by its continuous production and excessive use of chemical nitrogen fertilizers. A promising method for improving crop production and environmental conditions is to intercrop sweet maize with legumes and to reduce nitrogen fertilization. In this paper, a field experiment was conducted at the Experimental Center of South China Agriculture University for a total of 9 cropping season in five years (2013–2017) to investigate the dynamic changes of maize//soybean intercropping and system yields in sweet maize farmlands in South China under two nitrogen levels [reduced nitrogen dose of 300 kg·hm-2(N1) and conventional nitrogen dose of 360 kg·hm-2(N2)] and four cropping patterns [sole sweet maize (SS), sweet maize//soybean intercropping with sweet maize to soybean line ratios of 2∶3 (S2B3) and 2∶4 (S2B4), sole soybean (SB)]. This study analyzed the dynamic change of land equivalent ratio and actual yield loss index, and evaluated the stability of system yield by2(Wricke’s ecovalence), CV (coefficient of variation) and SYI (sustainability index), and aimed to explore the effects of reduced nitrogen application on the time stability of sweet maize//soybean intercropping system in South China. Results showed that: 1) the yields of sweet maize, soybean, and the total system under different treatments showed obvious seasonal dynamic changes and were significantly affected by cropping and planting patterns. Nitrogen application levels only significantly affected the yield of sweet maize. 2) The relative yield of sweet maize under all intercropping treatments was higher than that under monocropping, and the actual yield loss index (AYLs) of the intercropping system was greater than zero, indicating that sweet maize//soybean intercropping could maintain the intercropping advantage stably and significantly improving land use efficiency. 3) There were no significant differences in2, CV and SYI of sweet maize among different treatments, but the2value of monocropping soybean was significantly higher than that of the intercropping patterns, and the yield stability of monocropping soybean was lower than that of intercropping soybean. Planting pattern had a significant effect on the stability of the total yield of the system, and intercropping soybean increased the stability of the total yield of the system. 4) Nitrogen fixation of intercropping soybean significantly increased the soil fertility contribution rate. The soil fertility contribution rate of S2B3 and S2B4 were 75.07% and 74.27%, respectively, which were 30.29 and 29.47 percentage points higher than that of SS, respectively. 5) Compared with monocropping sweet maize, sweet maize//soybean intercropping in 9 seasons significantly increased soil pH and alleviated the effect of soil acidification induced by a large amount of nitrogen application on soil fertility for a long time. The soil organic matter and total nutrient content in the sweet maize//soybean intercropping system were not affected by continuous reduced nitrogen application, and 300 kg?hm-2could meet the needs of sweet maize and soybean for nitrogen. Reducing nitrogen application and intercropping soybean are sustainable and green production models for efficient utilization of resources and stable system yield in sweet maize producing areas in South China.

Reduced nitrogen application; Sweet maize//soybean intercropping; Yield stability; Soil fertility contribution rate; Fertilizer contribution rate; Green production model

, E-mail: wangjw@scau.edu.cn

Feb. 22, 2019;

Apr. 1, 2019

S344.2

2096-6237(2019)09-1332-12

10.13930/j.cnki.cjea.190129

王建武, 主要從事循環(huán)農(nóng)業(yè)和轉(zhuǎn)基因作物安全方面的研究。E-mail: wangjw@scau.edu.cn 劉培, 主要從事甜玉米//大豆間作體系優(yōu)化研究。E-mail: 2326147321@qq.com

2019-02-22

2019-04-01

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31770556).

*:< 0.05; **:< 0.01; ***:< 0.001.

* 國家自然科學基金項目(31770556)資助

劉培, 邵宇婷, 王志國, 唐藝玲, 王建武. 減氮對華南地區(qū)甜玉米//大豆間作系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定性的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2019, 27(9): 1332-1343

LIU P, SHAO Y T, WANG Z G, TANG Y L, WANG J W. Effect of nitrogen reduction on yield stability of sweet maize//soybean intercropping system in South China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(9): 1332-1343