不同供氮水平下玉米/大豆間作體系干物質(zhì)積累和氮素吸收動(dòng)態(tài)模擬*

王雪蓉, 張潤(rùn)芝, 李淑敏,許 寧, 牟 堯, 張春怡

不同供氮水平下玉米/大豆間作體系干物質(zhì)積累和氮素吸收動(dòng)態(tài)模擬*

王雪蓉, 張潤(rùn)芝, 李淑敏**,許 寧, 牟 堯, 張春怡

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 哈爾濱 150030)

玉米/大豆間作具有一定的養(yǎng)分利用優(yōu)勢(shì), 但是不同供氮水平對(duì)玉米/大豆間作體系干物質(zhì)累積和氮素吸收的調(diào)控作用不同。本試驗(yàn)采用田間裂區(qū)設(shè)計(jì), 運(yùn)用Logistic模型分析, 模擬了4個(gè)氮水平下玉米/大豆間作作物干物質(zhì)積累和氮素吸收的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明, 玉米、大豆干物質(zhì)累積和氮素吸收動(dòng)態(tài)符合Logistic模型, 相關(guān)系數(shù)2均在0.9以上。在N0(不施氮肥)、N1(180 kg·hm-2)、N2(240 kg·hm-2)和N3(300 kg·hm-2)供氮水平時(shí), 間作玉米最大生長(zhǎng)速率(max-B)分別比單作提高34.2%、46.7%、25.9%和25.1%, 而相應(yīng)的供氮水平下, 大豆的max-B分別降低27.7%、30.3%、16.5%和23.7%, 但整個(gè)間作系統(tǒng)的max-B平均增加32.1%; 玉米和大豆干物質(zhì)的其他模擬參數(shù)與max-B規(guī)律一致。氮素吸收動(dòng)態(tài)與干物質(zhì)積累表現(xiàn)出同步的變化特點(diǎn), 在N1水平下, 單位面積間作玉米的氮素最大吸收量(KN)、最大吸收速率(max-N)和瞬時(shí)吸收速率(rN)比相應(yīng)單作分別提高18.4%、48.9%和25.8%, 而間作大豆的KN、max-N和rN值比單作處理分別降低15.9%、29.9%和16.69%, 整個(gè)間作系統(tǒng)氮素分別提高0.4%、13.7%和7.8%; 施氮水平對(duì)大豆rN無(wú)顯著性影響。間作顯著地提高了氮素當(dāng)量比(LERN>1), 其中N0水平下LERN值最高, 隨著施氮量的增加, LERN有下降趨勢(shì)。在本試驗(yàn)條件下, N2供氮水平下玉米/大豆間作體系干物質(zhì)積累量和氮素吸收量最高, 間作優(yōu)勢(shì)最明顯。

玉米/大豆間作; 干物質(zhì)累積; 氮素吸收量; 間作優(yōu)勢(shì); Logistic模型

間作作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華, 對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。已有研究表明, 選擇合理的作物搭配進(jìn)行間作, 發(fā)揮種間促進(jìn)作用, 有利于間作體系生產(chǎn)力的提高[1]。比如在小麥(L.)/大豆[(Linn.) Merr]間作[2]、蠶豆(L.)/玉米(L.)間作[3]、玉米/大豆間作[4]等作物上都獲得較高的產(chǎn)量, 提高了作物土地利用效率。在眾多的間作模式中, 禾本科/豆科間作, 尤其玉米/大豆間作具有明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì), 并且已被大量研究所證實(shí)[5-6]。

但是不同的供氮水平下間作體系的養(yǎng)分利用效率和產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)表現(xiàn)不同。王曉維等[7]在江西省進(jìn)行了玉米/大豆間作和施氮對(duì)產(chǎn)量影響試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 與不施氮相比, 施氮量150 kg·hm-2處理顯著地提高了春、秋兩季間作玉米的產(chǎn)量(23.81%和40.99%)。有研究表明, 不同水氮處理可調(diào)控玉米/大豆間作群體內(nèi)光能截獲, 提高了玉米葉片中葉綠素的含量, 從而影響了間作玉米干物質(zhì)累積和產(chǎn)量[8]。還有研究表明, 間作可以顯著地改善農(nóng)作物的氮素營(yíng)養(yǎng), 進(jìn)而提高系統(tǒng)氮素吸收量[9]。小麥/玉米間作系統(tǒng)中小麥和玉米對(duì)氮素的吸收總量顯著地高于相應(yīng)單作小麥和玉米之和[10]。玉米/馬鈴薯(L.)間作研究表明[11], 相對(duì)于單作, 在施氮量為125 kg·hm-2水平下, 間作體系對(duì)氮素的吸收量提高了15%; 間作在施氮量375 kg·hm-2時(shí), 系統(tǒng)具有更高的養(yǎng)分利用效率, 并且較單作可提高氮素利用效率14.3%左右。由此可見(jiàn), 施用氮肥對(duì)間作體系干物質(zhì)累積和養(yǎng)分的利用有調(diào)控作用。肖春華等[12]和何萍等[13]通過(guò)Logistic方程模擬發(fā)現(xiàn), 玉米氮素的積累動(dòng)態(tài)與干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)基本同步。柏文戀等[14]運(yùn)用Logistic分析模擬了小麥/蠶豆間作和不同磷水平下作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)及模式, 結(jié)果表明, 與單作相比, 間作提高了小麥的最大生長(zhǎng)速率和瞬時(shí)生長(zhǎng)速率, 并且小麥、蠶豆的最大吸收速率受施肥的影響。但是不同氮水平對(duì)玉米/大豆間作體系中干物質(zhì)累積和氮素利用的影響等方面還缺乏詳細(xì)的報(bào)道。

本研究通過(guò)設(shè)置4個(gè)供氮水平, 利用Logistic模型模擬分析在不同氮素供應(yīng)水平下, 玉米/大豆間作體系玉米、大豆地上部分干物質(zhì)累積和氮素吸收的動(dòng)態(tài)變化, 探討不同供氮水平下間作與單作對(duì)玉米、大豆氮素利用效率的影響, 比較Logistic模型中各參數(shù)在單作與間作之間的差異。為玉米/大豆間作體系優(yōu)化氮肥用量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)在黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地。供試土壤為典型黑土, 耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量29.8 g·kg-1, 全氮1.47 g·kg-1, 堿解氮125 mg·kg-1, 有效磷29.1 mg·kg-1, 有效鉀122.55 mg·kg-1, pH 6.11, 土壤容重為1.23 g·cm-3。采用裂區(qū)設(shè)計(jì), 設(shè)置4個(gè)氮水平和3種種植模式。種植模式分別為單作玉米(M)、單作大豆(S)、玉米/大豆間作[間作玉米(IM)、間作大豆(IS)]。單作玉米設(shè)N0(0 kg·hm-2)、N1(180 kg·hm-2)、N2(240 kg·hm-2)、N3(300 kg·hm-2)4個(gè)施氮水平, 單作大豆設(shè)N0(0 kg·hm-2)、N1(40 kg·hm-2)、N2(80 kg·hm-2)、N3(120 kg·hm-2)4個(gè)施氮水平。玉米大豆為2∶2間作模式即2行玉米間作2行大豆, 相應(yīng)的肥料用量為單作的一半, 所以間作模式下4個(gè)施氮水平分別為不施氮肥、施氮為110 kg·hm-2、160 kg·hm-2、210 kg·hm-2(分別記作N0、N1、N2、N3); 總共12個(gè)處理, 每個(gè)處理3次重復(fù), 共計(jì)36個(gè)小區(qū), 每個(gè)小區(qū)面積為48 m2(10 m× 4.8 m), 小區(qū)間有0.6 m寬的山脊隔開(kāi)。試驗(yàn)種植的玉米品種為‘先玉335’, 大豆品種為‘東農(nóng)252’。玉米的行距為60 cm、株距為17 cm, 密度為9.8萬(wàn)株·hm-2。大豆行距為60 cm、株距為8.5 cm, 密度為19.6萬(wàn)株·hm-2。間作模式下玉米和大豆行距、株距與單作一致, 種植密度相同。間作模式為兩行玉米與兩行大豆間作組成一個(gè)間作條帶, 每個(gè)小區(qū)有2個(gè)間作條帶。

所有處理基肥氮素用量為0 kg(N)·hm-2、40 kg(N)·hm-2、80 kg(N)·hm-2、120 kg(N)·hm-2, 采用尿素作為氮素肥料; 各處理的磷、鉀施用量一致, 磷施用量為120 kg·hm-2, 采用重過(guò)磷酸鈣, 鉀施用量為100 kg·hm-2, 采用硫酸鉀, 于玉米和大豆播種前一天施入各處理小區(qū), 各處理其余的氮肥于玉米大喇叭口期追施。2017年5月8日玉米和大豆同時(shí)進(jìn)行播種。

1.2 樣品采集方法和測(cè)定方法

分別在玉米出苗后的34 d(出苗期)、48 d(拔節(jié)期)、70 d(抽雄期)、99 d(灌漿期)和126 d(成熟期), 以及大豆出苗后的40 d(苗期)、54 d(開(kāi)花期)、76 d(結(jié)莢期)、109 d(鼓粒期)、132 d(成熟期)在取樣區(qū)進(jìn)行隨機(jī)取樣, 每個(gè)小區(qū)8根壟, 其中4條壟為取樣區(qū)。玉米樣品在每次采樣時(shí)隨機(jī)抽取3株, 大豆樣品每次隨機(jī)抽取5株, 收獲植株地上部分帶回實(shí)驗(yàn)室。先將樣品放置在105 ℃烘箱殺青30 min, 然后在80 ℃條件下烘至恒重稱(chēng)重, 然后將樣品粉碎后供植株含氮量的測(cè)定。樣品含氮量采用凱氏定氮法測(cè)定。

1.3 作物干物質(zhì)累積以及氮素吸收動(dòng)態(tài)模擬方法

本試驗(yàn)采用Logistic模型模擬不同供氮水平下玉米/大豆間作中玉米和大豆干物質(zhì)累積曲線以及氮素吸收動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。利用Logistic模型模擬作物從出苗到收獲的生長(zhǎng)以及氮素吸收動(dòng)態(tài)曲線, 公式如下[15]:

1.4 氮素吸收量的比較

計(jì)算間作系統(tǒng)氮素吸收量相對(duì)于單作的變化()[16]:

式中:t為間作中玉米和大豆的總吸氮量,m和s分別為單作玉米和單作大豆的吸氮量;m和s分別為間作中玉米和大豆的比例, 在本試驗(yàn)中m、s為0.5。>0, 表示相對(duì)于單作, 間作的氮吸收量增加;<0, 表示相對(duì)于單作, 間作的氮吸收量減少。

1.5 氮素利用效率的比較

養(yǎng)分利用效率分為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量養(yǎng)分利用效率和生物學(xué)產(chǎn)量養(yǎng)分利用效率[16]。間作相對(duì)單作的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量氮素利用效率變化(NUE)采用下式計(jì)算:

式中:t表示間作籽粒總產(chǎn)量;t表示間作總吸氮量;m、s分別表示在單作中玉米、大豆的籽粒產(chǎn)量;m、s分別表示單作中玉米、大豆的吸氮量;m和s分別為間作中玉米和大豆的比例, 本試驗(yàn)中m、s為0.5。NUE的正負(fù)反映間作氮素利用效率相對(duì)于單作加權(quán)平均的增加或減少, 絕對(duì)值大小指示增減的幅度。

生物學(xué)產(chǎn)量氮素利用效率計(jì)算方式與其相似, 只需將經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量都替代為生物學(xué)產(chǎn)量即可。

1.6 氮素當(dāng)量比

定義玉米在間作和單作中吸氮量分別為im和m, 相應(yīng)大豆分別為is和s,m和s分別為間作中玉米和大豆的比例(0.5), 則氮素當(dāng)量比(LERN)的計(jì)算公式[17]為:

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用OriginPro 8軟件的Slogistic1程序估算。采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行分析, 雙因素方差分析多重比較級(jí)采用最小顯著差異法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供氮水平玉米干物質(zhì)積累和關(guān)鍵生長(zhǎng)參數(shù)

由圖1可見(jiàn), 不同供氮水平下單、間作玉米的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)符合Logistic模型, 模擬的相關(guān)系數(shù)(2)為0.986~0.999(<0.001)。模擬結(jié)果表明不同供氮水平下單、間作玉米的生長(zhǎng)曲線參數(shù)有顯著性差異(表1)。氮水平、間作模式及其交互作用對(duì)玉米的單位面積最大干物質(zhì)量(-B)、達(dá)到最大生長(zhǎng)速度所需時(shí)間(max-B)、瞬時(shí)生長(zhǎng)速率(-B)以及最大生長(zhǎng)速率(max-B)具有顯著影響。

玉米干物質(zhì)積累max-B與-B表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。玉米-B和max-B主要受供氮水平的影響, 在4個(gè)供氮水平中, N2處理的玉米-B以及max-B值顯著高于N0、N1處理, 施氮量最高的N3處理的-B以及max-B值低于N2處理。不同供氮水平下, 間作種植模式可以顯著地提高玉米-B和max-B, 且間作在N0、N1、N2和N3水平下玉米的max-B分別提高34.2%、46.7%、25.9%和25.1%, 其中N2IM處理-B達(dá)到最大值, 并與其他處理間具有顯著差異。不同供氮水平下, 間作玉米max-B均顯著少于單作玉米, 并且N2、N3水平相對(duì)于N1平均縮短3~4 d, 其中N2IM處理的玉米在播種后84 d達(dá)到max-B。間作玉米-B明顯大于單作, 且玉米于N3水平下-B最高, 并且和其他氮水平之間差異顯著。

圖1 不同供氮水平下單作玉米和與大豆間作的玉米的干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)

M和IM分別代表單作玉米和與大豆間作的玉米; N0、N1、N2和N3代表施氮量分別為0 kg·hm-2、180 kg·hm-2、240 kg·hm-2、320 kg·hm-2。M and IM represent monocultured maize and intercropped maize. N0, N1, N2 and N3 respectively represent N supply levels of 0 kg·hm-2, 180 kg·hm-2, 240 kg·hm-2and 320 kg·hm-2.

2.2 不同供氮水平大豆干物質(zhì)積累和關(guān)鍵生長(zhǎng)參數(shù)

氮水平以及單間作種植模式下, 大豆的生長(zhǎng)曲線符合Logistic模型(圖2、表2), 模擬的相關(guān)系數(shù)(2)為0.990~0.999(<0.001)。從圖2可以得出, 大豆生育初期生長(zhǎng)迅速, 然后增長(zhǎng)緩慢并于成熟時(shí)停止。因此, 大豆地上部分生物積累量逐漸升高, 且在結(jié)莢期積累速度較快。4個(gè)供氮水平中, N2水平大豆的干物質(zhì)積累量明顯地高于N0、N1、N3水平的積累。

如表2所示, 不同處理下大豆的干物質(zhì)積累曲線參數(shù)具有差異。其中, 氮水平、間作種植模式對(duì)大豆單位面積最大干物質(zhì)量(-B)、達(dá)到最大生長(zhǎng)速度所需時(shí)間(max-B)以及最大生長(zhǎng)速率(max-B)有顯著影響。相對(duì)于單作, 間作在N0、N1、N2和N3水平下大豆的max-B分別降低27.7%、30.3%、16.5%和23.7%。N2S處理-B最高, 為10.6×103kg·hm-2, 而N0IS處理-B最低, 為6.7×103kg·hm-2。施氮量顯著地影響大豆的關(guān)鍵生長(zhǎng)參數(shù), 相較于N0水平, N2、N3水平下, 單作大豆-B值分別提高14.43%和9.28%。間作顯著地縮短大豆max-B, 且間作大豆在出苗71 d左右達(dá)到max-B。氮水平以及間作種植模式對(duì)大豆瞬時(shí)生長(zhǎng)速率(-B)無(wú)顯著影響。

2.3 不同氮水平玉米氮素吸收和關(guān)鍵吸收參數(shù)

從表3可知, 玉米對(duì)氮素的吸收動(dòng)態(tài)與干物質(zhì)累積同步, 也符合Logistic模型, 其相關(guān)系數(shù)(2)為0.950~0.995(<0.001)。同一種植模式下, 通過(guò)對(duì)玉米氮素吸收曲線在不同氮水平下的比較可知, 單、間作之間玉米氮素吸收狀況的關(guān)鍵參數(shù)有顯著差異。氮水平、間作模式以及交互作用對(duì)玉米的氮素最大積累量(K-N)、氮素瞬時(shí)吸收速率(r-N)和氮素最大瞬時(shí)吸收率(max-N)具有顯著性影響。間作種植相對(duì)于單作顯著地提高了玉米K-N, 其中, N0IM 處理>N0M 處理, N1IM 處理>N1M 處理, N2IM 處理>N2M處理, N3IM 處理>N3M 處理; 玉米在N2IM處理下對(duì)氮素的吸收量最高, 達(dá)421.6 kg·hm-2, 與其他氮素水平之間有顯著差異; N0IM 處理下玉米對(duì)氮素吸收量最低, 為260.3 kg·hm-2。玉米max-N與-N表現(xiàn)出了相同的變化趨勢(shì)。在N1 水平下, 間作玉米-N、max-N和-N比相應(yīng)單作分別提高18.4%、48.9%和25.8%。

氮水平、間作模式對(duì)玉米達(dá)到最大生育所需時(shí)間(max-N)具有顯著影響, 但是二者之間的交互作用不明顯。間作模式顯著地縮短了玉米max-N, 其中, 間作相對(duì)于單作,max-N縮短2~3 d, 并且在播種后73 d左右達(dá)到max-N。

表1 不同供氮水平下單作玉米和與大豆間作的玉米的干物質(zhì)累積的Logistic函數(shù)參數(shù)

不同大寫(xiě)字母表示在同一供氮水平不同種植模式間差異顯著(<0.05), 不同小寫(xiě)字母表示同一種植模式不同供氮水平間差異顯著(<0.05)。**表示在<0.01水平差異顯著。M和IM分別代表單作玉米和與大豆間作的玉米; N0、N1、N2和N3代表施氮量分別為0 kg·hm-2、180 kg·hm-2、240 kg·hm-2、320 kg·hm-2。Different capital letters mean significant differences between monoculture and intercropping at 0.05 level at the same N level. Different lowercase letters mean significant differences among different N levels at 0.05 level in the same planting pattern. ** shows significant differences at 0.01 level. M and IM represent monocultured maize and intercropped maize. N0, N1, N2 and N3 respectively represent N levels of 0 kg·hm-2, 180 kg·hm-2, 240 kg·hm-2and 320 kg·hm-2.

圖2 不同供氮水平下單作大豆和與玉米間作的大豆的干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)

S和IS分別代表單作大豆和與玉米間作的大豆; N0、N1、N2和N3代表施氮量分別為0 kg·hm-2、40 kg·hm-2、80 kg·hm-2、120 kg·hm-2。M and IM represent monocultured soybean and intercropped soybean. N0, N1, N2 and N3 represent N levels of 0 kg·hm-2, 40 kg·hm-2, 80 kg·hm-2and 120 kg·hm-2, respectively.

表2 不同供氮水平下單作大豆和與玉米間作的大豆干物質(zhì)累積Logistic函數(shù)參數(shù)

不同大寫(xiě)字母表示在同一供氮水平不同種植模式間差異顯著(<0.05), 不同小寫(xiě)字母表示同一種植模式不同供氮水平間差異顯著(<0.05)。ns和**分別表示差異不顯著和在<0.01水平差異顯著。S和IS分別代表單作大豆和與玉米間作的大豆; N0、N1、N2和N3代表施氮量分別為0 kg·hm-2、40 kg·hm-2、80 kg·hm-2、120 kg·hm-2。Different capital letters mean significant differences between monoculture and intercropping at 0.05 level at the same N level. Different lowercase letters mean significant differences among different N levels at 0.05 level in the same planting pattern. ns and ** mean not significant difference and significant differences at< 0.01, respectively. S and IS represent monocultured soybean and intercropped soybean. N0, N1, N2 and N3 respectively represent N levels of 0 kg·hm-2, 40 kg·hm-2, 80 kg·hm-2and 120 kg·hm-2.

表3 不同供氮水平下單作玉米和與大豆間作的玉米的氮素吸收Logistic函數(shù)參數(shù)

不同大寫(xiě)字母表示在同一供氮水平不同種植模式間差異顯著(<0.05), 不同小寫(xiě)字母表示同一種植模式不同供氮水平間差異顯著(<0.05)。ns和*、**分別表示差異不顯著和在<0.05和<0.01水平差異顯著。M和IM分別代表單作玉米和與大豆間作的玉米; N0、N1、N2和N3代表施氮量分別為0 kg·hm-2、180 kg·hm-2、240 kg·hm-2、300 kg·hm-2。Different capital letters mean significant differences between monoculture and intercropping at 0.05 level at the same N level. Different lowercase letters mean significant differences among different N levels at 0.05 level in the same planting pattern. ns, * and ** mean not significant difference, significant differences at< 0.05 and< 0.01, respectively. M and IM represent monocultured maize and intercropped maize. N0, N1, N2 and N3 respectively represent N levels of 0 kg·hm-2, 180 kg·hm-2, 240 kg·hm-2, 300 kg·hm-2.

2.4 不同供氮水平大豆氮素吸收和關(guān)鍵吸收參數(shù)

從Logistic模型對(duì)大豆氮素吸收曲線擬合所得的各參數(shù)值(表4)比較可知, 各氮素吸收曲線擬合的相關(guān)性都非常高,2的值均在0.98(<0.001)以上。氮水平、種植模式以及交互作用對(duì)大豆氮素最大吸收量(KN)具有顯著性影響。相對(duì)于單作, 間作模式顯著地降低大豆KN值, 施氮量在N0、N1、N2和N3水平下, 間作大豆KN值分別降低41%、16%、24%和27%, 其中N2S處理的氮素積累量達(dá)354.0 kg·hm-2, 并且相較于N0S, N2S處理KN值提高25%。氮水平、種植模式對(duì)大豆氮素最大瞬時(shí)吸收率(max-N)有顯著性影響, 但是二者之間無(wú)交互作用。間作種植的大豆max-N比單作有所降低, 其中N2IS處理max-N達(dá)3.7 kg·hm-2·d-1, 相較于N2S處理, 大豆max-N降低29%。氮水平顯著地影響了大豆達(dá)到氮素最大積累量所用的時(shí)間(max-N), 其中N2水平下大豆所需時(shí)間最短, 與N0處理間無(wú)顯著性差異, 與N1處理之間差異顯著, 間作模式對(duì)max-N沒(méi)有顯著影響。間作模式對(duì)大豆氮素瞬時(shí)吸收速率(rN)的影響顯著, 間作降低大豆的rN, 氮水平對(duì)大豆rN幾乎沒(méi)有顯著影響, 在 N1 水平下, 間作大豆的-N、max-N和-N值比單作處理分別降低 15.9%、29.9%和 16.69%。

表4 不同供氮水平下單作大豆和與玉米間作的大豆的氮素吸收Logistic函數(shù)參數(shù)

不同大寫(xiě)字母表示在同一供氮水平不同種植模式間差異顯著(<0.05), 不同小寫(xiě)字母表示同一種植模式不同供氮水平間差異顯著(<0.05)。ns和*、**分別表示差異不顯著和在<0.05和<0.01水平差異顯著。S和IS分別代表單作大豆和與玉米間作的大豆; N0、N1、N2和N3代表施氮量分別為0 kg·hm-2、40 kg·hm-2、80 kg·hm-2、120 kg·hm-2。Different capital letters mean significant differences between monoculture and intercropping at 0.05 level at the same N level. Different lowercase letters mean significant differences among different N levels at 0.05 level in the same planting pattern. ns, * and ** mean not significant difference, significant differences at< 0.05 and< 0.01, respectively. S and IS represent monocultured soybean and intercropped soybean. N0, N1, N2 and N3 respectively represent N levels of 0 kg·hm-2, 40 kg·hm-2, 80 kg·hm-2and 120 kg·hm-2.

2.5 不同供氮水平下玉米/大豆間作體系相對(duì)于單作的氮素吸收量和利用效率的變化

從表5可見(jiàn), 間作玉米和大豆的氮素利用效率均高于單作, 其中間作的經(jīng)濟(jì)學(xué)氮素利用效率在N0、N1、N2和N3氮水平下均顯著增加; N1、N2、N3水平相對(duì)于對(duì)照(N0水平)增幅分別為11.03%、7.75%和5.15%, 其中, N1水平下的玉米/大豆間作體系經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量氮素利用效率最高。

表5 供氮水平對(duì)玉米/大豆間作體系相對(duì)單作的氮素吸收量以及利用效率變化的影響

N0、N1、N2和N3代表施氮量分別為0 kg·hm-2、110 kg·hm-2、160 kg·hm-2、210 kg·hm-2。N0, N1, N2 and N3 respectively represent N levels of 0 kg·hm-2, 110 kg·hm-2, 160 kg·hm-2and 210 kg·hm-2.

從表5可見(jiàn), 隨著施氮量增加, 間作體系的生物學(xué)產(chǎn)量氮素利用率逐漸增加。在N3水平下, 玉米/大豆間作方式的生物學(xué)產(chǎn)量氮素利用率增加最明顯(6.68%); 而N1、N2水平卻沒(méi)有明顯的增加, N0水平下間作模式降低了生物學(xué)產(chǎn)量氮素利用率。

通過(guò)計(jì)算氮素當(dāng)量比(LERN)發(fā)現(xiàn), 間作在各施氮水平下LERN>1, 說(shuō)明間作具有養(yǎng)分優(yōu)勢(shì)。隨著施氮量的增加, LERN有下降趨勢(shì), 其中N0水平LERN最高, 玉米/大豆間作優(yōu)勢(shì)最為顯著; N2水平下氮素LERN值略低于N0水平, N1與N3水平下間作優(yōu)勢(shì)相近, LERN值最低。

如表5所示, 相對(duì)于單作, 玉米/大豆間作體系提高了系統(tǒng)的氮素吸收量, 并且不同氮水平對(duì)間作系統(tǒng)氮素吸收量有不同的影響。N0水平下, 間作系統(tǒng)比單作種植的氮吸收量提高12.29%; N2水平下間作系統(tǒng)對(duì)氮素吸收量增幅最高; N1、N3水平下系統(tǒng)對(duì)氮素吸收量有所增加, 但是低于N2水平。

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明, 間作系統(tǒng)顯著提高了玉米干物質(zhì)積累量, 而間作大豆卻與之相反, 但間作系統(tǒng)整體干物質(zhì)積累量高于單作, 說(shuō)明了本試驗(yàn)中玉米/大豆間作模式具有間作優(yōu)勢(shì)。間作系統(tǒng)對(duì)氮素吸收與干物質(zhì)積累有相同的變化趨勢(shì)。朱元?jiǎng)偟萚18]對(duì)魯西北地區(qū)玉米/大豆進(jìn)行測(cè)定也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律, 玉米/大豆間作模式較單作種植有顯著的間作優(yōu)勢(shì)。間作產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)在于對(duì)養(yǎng)分的吸收[19-20], 本試驗(yàn)也表明間作可以提高玉米和大豆養(yǎng)分的利用效率。間作優(yōu)勢(shì)的主要原因是不同株型的作物占據(jù)不同的生態(tài)位, 有利于提高資源與空間的利用率。玉米/大豆間作系統(tǒng)中, 玉米根系較淺, 大豆根系較深且為直根系, 間作模式充分利用了空間生態(tài)位的差異, 提高了整個(gè)系統(tǒng)的養(yǎng)分利用率。另外, 大豆通過(guò)根瘤固氮, 減少了氮肥施用, 可以降低與間作玉米對(duì)土壤氮素的競(jìng)爭(zhēng), 從而使玉米氮素吸收量增加[3,10,21-22]; 除此之外, 玉米是高稈作物, 而大豆是矮稈作物, 兩種作物可以利用不同層高的光強(qiáng), 這樣間作系統(tǒng)可以充分地利用太陽(yáng)光能[23]。

本研究通過(guò)Logistic模型估算了作物干物質(zhì)積累和氮素吸收參數(shù)。間作模式以及施氮量顯著地提高了玉米單位面積最大干物質(zhì)量/吸氮量和最大生長(zhǎng)速率/氮素最大吸收量。當(dāng)施氮量為240 kg·hm-2(N2)時(shí), 玉米干物質(zhì)積累量和氮素吸收量達(dá)到最大, 更高的施氮量(N3, 300 kg·hm-2)下的玉米干物質(zhì)積累量和氮素吸收量卻有所降低, 說(shuō)明適當(dāng)施用氮肥可以有效地提高玉米、大豆對(duì)養(yǎng)分的吸收與積累, 但過(guò)度施肥會(huì)造成作物減產(chǎn), 以及肥料的浪費(fèi)[2,24]。除此之外, 本試驗(yàn)表明間作玉米和大豆分別在播種后平均第73 d和第88 d達(dá)到氮素最大瞬時(shí)吸收率, 說(shuō)明玉米氮素吸收高峰早于大豆, 而且與單作相比, 間作玉米平均縮短2~3 d, 大豆平均延遲1~2 d, 因此, 玉米與大豆對(duì)氮素的吸收高峰時(shí)間生態(tài)位是錯(cuò)開(kāi)的[25], 玉米對(duì)養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)于大豆[26], 這可能是玉米/大豆間作具有養(yǎng)分優(yōu)勢(shì)的主要因素。Zhang等[15,27]也發(fā)現(xiàn), 間作玉米的最大生物量接近或顯著地高于單作玉米, 宋海星等[28]認(rèn)為玉米養(yǎng)分吸收最大速率出現(xiàn)在干物質(zhì)積累最大速率之前。Logistic方程模擬出的玉米、大豆干物質(zhì)積累和氮素吸收的參數(shù)與前人的研究結(jié)果趨勢(shì)一致。

通過(guò)對(duì)玉米/大豆間作體系的氮素吸收量、經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量利用率以及生物學(xué)養(yǎng)分利用率進(jìn)行計(jì)算分析, 間作系統(tǒng)可以提高玉米對(duì)氮素的吸收, 在N2水平下間作體系氮素吸收量相對(duì)于單作增加幅度達(dá)到14.25%, 龍光強(qiáng)等[29]通過(guò)對(duì)玉米、馬鈴薯的測(cè)定發(fā)現(xiàn), 隨著施氮量的增加, 間作體系氮素的加權(quán)平均吸收量呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律。間作系統(tǒng)有提高籽粒經(jīng)濟(jì)學(xué)利用效率能力, 其中, N1水平更有利于提高系統(tǒng)對(duì)氮肥的利用效率, 其幅度達(dá)到了20.22%。生物學(xué)產(chǎn)量養(yǎng)分利用率隨著施氮水平的增加而升高, 其中N3水平下間作系統(tǒng)生物學(xué)效率最高, 相對(duì)于單作提高了6.68%, 由此說(shuō)明, 不同供氮水平對(duì)間作系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)和生物學(xué)利用效率不同, 有研究指出, 不同的配套體系, 間作對(duì)養(yǎng)分利用的效率并不相同[20]。除此之外, 在不同的供氮水平下玉米/大豆間作系統(tǒng)的氮素當(dāng)量比(LERN值)均大于1, 說(shuō)明在不同的供氮水平下, 間作相對(duì)于單作種植都具有一定的養(yǎng)分利用優(yōu)勢(shì), 隨著氮肥用量的增加, 氮素LERN值呈下降趨勢(shì), 其中N0水平的LERN值為1.13, 其氮素利用優(yōu)勢(shì)最為顯著。有研究表明, 增施磷肥有利于提高氮和鉀的當(dāng)量比[30]。

由此可見(jiàn), 不同氮素供應(yīng)水平對(duì)間作體系作物的干物質(zhì)累積和氮素吸收有顯著性影響, 氮素水平通過(guò)調(diào)控間作體系的生長(zhǎng)參數(shù)和養(yǎng)分參數(shù), 進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)。在本試驗(yàn)中160kg·hm-2施氮水平下間作體系的養(yǎng)分優(yōu)勢(shì)最為明顯, 為玉米/大豆間作體系中氮素優(yōu)化施用提供理論依據(jù)。

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Simulation of dry matter accumulation and nitrogen absorption in a maize/soybean intercropping system supplied with different nitrogen levels*

WANG Xuerong, ZHANG Runzhi, LI Shumin**, XU Ning, MU Yao, ZHANG Chunyi

(College of Resources and Environmental Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Maize/soybean intercropping has yield advantages to an extent. However, different nitrogen supply levels have different effects on dry matter accumulation and nitrogen uptake in the maize/soybean intercropping system. A field experiment with a split design and logistic model were used to simulate dynamic changes in dry matter accumulation and nitrogen uptake in a maize/soybean intercropping system supplied with four nitrogen levels. Simulation results showed that dry matter accumulation and nitrogen uptake dynamics in maize and soybean were consistent with the logistic model, with correlation coefficients (2) higher than 0.9 at the four nitrogen levels. The maximum growth rate (max-B) of intercropped maize compared with monoculture increased by 34.2%, 46.7%, 25.9% and 25.1% when the nitrogen supply levels were N0 (without N supply), N1 (180 kg·hm-2), N2 (240 kg·hm-2), and N3 (300 kg·hm-2), respectively. Themax-Bof the soybean decreased by 27.7%, 30.3%, 16.5%, and 23.7%, respectively. However, the averagemax-Bin the intercropping system was increased by32.1%. The other dry matter simulation parameters of maize and soybean were consistent with themax-B. Additionally, nitrogen uptake dynamics showed synchronous changes with dry matter accumulation. Under N1 treatment, the maximum nitrogen uptake (KN), maximum uptake rate (max-N), and instantaneous uptake rate (rN) of intercropped maize was 18.4%, 48.9%, and 25.8% higher than that of the monoculture, while theKN,max-N, andrNof the intercropped soybean was 15.9%, 29.9%, and 16.69% lower than that of the monoculture, respectively. The simulation parameters ofKN,max-N, andrNin the intercropping system were 0.4%, 13.7%, and 7.8% higher than those of monoculture, respectively. Nitrogen supply had no significant effect onrNof soybean. A significant advantage of nitrogen in the intercropping system was observed with nitrogen land equivalent ration (LERN) > 1, and the LERNvalue under N0 treatment was the highest. With the increase in nitrogen application, the LERNexhibited a downward trend. In the present experiment, the highest dry matter accumulation and nitrogen uptake were observed under N2 treatment, which had obvious advantages for intercropping.

Maize/soybean intercropping; Dry matter accumulation; Nitrogen uptake; Intercropping advantage; Logistic model

, E-mail: lishumin113@126.com

Jan. 23, 2019;

May 8, 2019

S344.2

2096-6237(2019)09-1354-10

10.13930/j.cnki.cjea.190075

李淑敏, 主要研究方向?yàn)樽魑餇I(yíng)養(yǎng)與施肥。E-mail: lishumin113@126.com 王雪蓉, 主要研究方向?yàn)橹参餇I(yíng)養(yǎng)學(xué)。E-mail: 1647141854@qq.com

2019-01-23

2019-05-08

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFD030020204).

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD030020204)資助

王雪蓉, 張潤(rùn)芝, 李淑敏, 許寧, 牟堯, 張春怡. 不同供氮水平下玉米/大豆間作體系干物質(zhì)積累和氮素吸收動(dòng)態(tài)模擬[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(9): 1354-1363

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