玉米-大豆間作和減量施氮對(duì)玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量及土壤硝態(tài)氮含量的影響

趙篤勤，劉淑慧，趙凱超

(太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

豆科禾本科間作是北方地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)耕作方法，是當(dāng)前脆弱生態(tài)環(huán)境條件下維持作物產(chǎn)量，保證糧食安全的有效農(nóng)業(yè)措施。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于超量使用化肥，偏施氮肥，不僅導(dǎo)致大量氮素流失，氮肥利用率降低，而且易因硝態(tài)氮的淋失造成水體污染[1-2]。研究表明，間作可以提高土地利用效率并減少氮素流失[3- 5]，特別是豆科禾本科間作能夠有效利用兩種作物間形態(tài)與生理作用的互補(bǔ)，提高養(yǎng)分利用效率，最終提高作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[6-10]。也有研究表明，玉米-大豆間套作模式具有保肥、改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的功能[11]，且在此種植模式下，減量施氮能充分發(fā)揮大豆根瘤菌的固氮作用，促進(jìn)玉米對(duì)氮素的吸收[12]，減少氮肥中硝態(tài)氮等無(wú)機(jī)氮的損失[13]。因此，探討減量施氮和合理的玉米大豆間作模式對(duì)節(jié)肥增產(chǎn)有重要意義。目前大部分研究集中于單一的間作模式和減量施氮對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響，而對(duì)不同間作模式和減量施氮下作物生長(zhǎng)、增產(chǎn)和節(jié)肥三者之間關(guān)系的研究較少。為此，本試驗(yàn)研究不同間作模式和減量施氮對(duì)玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量及各土層土壤硝態(tài)氮含量的影響，篩選出適宜的玉米大豆間作模式和合理的施氮水平，為玉米-大豆間作模式下作物增產(chǎn)和氮素高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年5月—10月在山西省節(jié)水高效示范基地進(jìn)行。該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。年平均氣溫9.4 ℃，年平均降水量478.6 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 675.8 h。供試土壤初始性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 供試材料

供試玉米品種為‘福萊818’，大豆品種為‘汾豆65’。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用二因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，因素一為種植模式，分別為玉米單作(MM)，玉米-大豆間作 1∶2(IMS1，玉米1行，大豆2行)、玉米-大豆間作2∶2( IMS2，玉米2行，大豆2行)。因素二為施氮水平，分別為不施氮肥(N0)為對(duì)照，減量施氮200 kg/hm2(N1)，常量施氮300 kg/hm2(N2)。試驗(yàn)共9個(gè)處理，重復(fù)3次。小區(qū)長(zhǎng)6 m，寬3 m。種植模式如圖1。玉米每穴播1粒，大豆每穴播2粒。

試驗(yàn)于2018-05-25同時(shí)播種玉米和大豆，10月1日收獲。氮肥在拔節(jié)期(7月2日—8月1日)和大喇叭口期(8月2日—8月30日)分兩次施入，且均施于玉米行。7月2日第1次施氮肥，按各處理施氮總量的70%施入，同時(shí)施磷肥90 kg/hm2，鉀肥75 kg/hm2，均勻施于各小區(qū)。8月2日第2次追施氮肥，各處理按其施氮總量的30%施入。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 生長(zhǎng)指標(biāo) 在玉米大喇叭口期，每個(gè)小區(qū)選取具有代表性的植株3株，采用Montgomery法[14]測(cè)定植株的全株葉面積，即用刻度尺按葉 長(zhǎng)×最大葉寬×0.75，求出各單葉的葉面積后，累加得全株總面積；用卷尺測(cè)量玉米株高和穗位高；用游標(biāo)卡尺測(cè)量玉米莖粗。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤初始理化性質(zhì)Table 1 Initial soil physicochemical property of tested soil

圖1 玉米和大豆不同種植模式示意圖(單位:cm )Fig.1 Different maize and soybean planting patterns(unit:cm)

1.4.2 產(chǎn)量 在玉米成熟期，每個(gè)小區(qū)選取1 m2作為測(cè)產(chǎn)區(qū)[15]，在每個(gè)測(cè)產(chǎn)區(qū)的樣方中選取具有代表性的植株3株，分別測(cè)定玉米的穗長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量，收獲后稱(chēng)取玉米鮮質(zhì)量，換算為每公頃產(chǎn)量。

1.4.3 氮肥農(nóng)學(xué)效率 參照文獻(xiàn)[16]計(jì)算氮肥農(nóng)學(xué)效率，即氮肥農(nóng)學(xué)效率=作物產(chǎn)量/施氮區(qū)施氮量。

1.4.4 土壤取樣及硝態(tài)氮測(cè)定 在玉米苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、成熟期，用土鉆在玉米行距玉米根部10 cm處分別取0～10、10～20、20～30、30～40 cm土層土壤，用紫外分光光度法[17]測(cè)定各土樣土壤硝態(tài)氮含量。

1.4.5 土壤硝態(tài)氮累積量 參照文獻(xiàn)[18]計(jì)算土壤硝態(tài)氮積累量。土壤硝態(tài)氮積累量=土層厚度×土壤體積質(zhì)量×土壤硝態(tài)氮含量/10

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和F檢驗(yàn)，采用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行處理均值的差異顯著性比較(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作和減量施氮對(duì)玉米生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

玉米葉片是光合產(chǎn)物合成的主要器官，綠葉面積是決定光合產(chǎn)量的一個(gè)重要因素[19]。玉米莖的粗細(xì)能夠體現(xiàn)出玉米生長(zhǎng)是否健壯，是玉米重要的生長(zhǎng)指標(biāo)之一[20]。從表2可以看出，施氮對(duì)玉米株高、莖粗和穗位高的影響均未達(dá)顯著水平，而對(duì)玉米葉面積的影響達(dá)極顯著水平(P< 0.01)；MM下，N1、N2較N0分別增加4.07%、2.62%；IMS1下，N2較N0增加6.30%；IMS2下，N1、N2較N0分別增加3.21%、3.77%。此外，種植模式對(duì)葉面積影響達(dá)顯著水平(P< 0.05)；與MM相比，N2下，IMS1、IMS2分別增加4.25%、3.72%。

表2 間作和減量施氮玉米生長(zhǎng)指標(biāo)Table 2 Maize growth index under intercropping and reduced nitrogen application

2.2 間作和減量施氮對(duì)作物產(chǎn)量的影響

2.2.1 對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響 作物種植方式和施氮水平對(duì)作物產(chǎn)量的影響可以通過(guò)對(duì)作物產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響表現(xiàn)出來(lái)[21]。由表3可知，在同一施氮水平下，間作玉米穗長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量與單作相比差異均不顯著。在同一種植模式下，玉米的穗長(zhǎng)、穗粗和百粒質(zhì)量在各施氮水平間差異均不顯著(P>0.05)，而穗粒數(shù)差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；3種種植模式下，與N0相比，N1玉米穗粒數(shù)分別增加14.34%、 18.04%、13.88%，N2玉米穗粒數(shù)分別增加 20.38%、17.44%、9.65%。

表3 間作和減量施氮玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素Table 3 Maize yield components under intercropping and reduced nitrogen application

2.2.2 對(duì)玉米、大豆產(chǎn)量的影響 由表4可知，各施氮量處理下，IMS1和IMS2的玉米產(chǎn)量較MM無(wú)顯著變化，而玉米和大豆總產(chǎn)量顯著提高，且減量施氮處理下間作總產(chǎn)量最高。IMS1、IMS2下，N1總產(chǎn)量比N0顯著提高28.57%、21.74%，比N2高5.41%、1.82%。N1下，IMS1、IMS2總產(chǎn)量較MM顯著提高 40.96%、34.94%。此外，減量施氮顯著提高了氮肥農(nóng)學(xué)效率。IMS1、IMS2下，N1處理農(nóng)學(xué)效率比N2提高58.27%、52.04%。

表4 間作和減量施氮玉米、大豆產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學(xué)效率Table 4 Maize and soybean yield and N-fertilizer agronomic efficiency under intercropping and reduced nitrogen application

2.3 間作和減量施氮對(duì)玉米不同土層土壤硝態(tài)氮含量的影響

從圖2可以看出，各處理下土壤硝態(tài)氮含量均隨土層深度的增加而降低。在苗期，各處理土壤硝態(tài)氮含量無(wú)顯著差異。拔節(jié)期由于增施氮肥，土壤硝態(tài)氮含量增加。與N0相比，N1和N2處理顯著提高了土壤的硝態(tài)氮含量。隨著植株的生長(zhǎng)，氮肥需求量逐漸增加，大喇叭口期土壤硝態(tài)氮含量急劇降低。在0～10 cm土層，N2條件下，IMS2的土壤硝態(tài)氮含量較MM顯著提高。在玉米成熟期，IMS2下，N1處理在0～10、20～30、 30～40 cm土層的土壤硝態(tài)氮含量均低于N2，但差異不顯著。

2.4 間作和減量施氮對(duì)玉米0～40 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量的影響

從表5可以看出，在玉米苗期，各處理間無(wú)顯著差異。在玉米拔節(jié)期，施氮較不施氮處理土壤硝態(tài)氮累積量顯著提高；MM下，N1、N2分別較N0提高1.11倍、1.21倍；IMS2下，N1、N2分別較N0提高1.25倍、1.30倍。在大喇叭口期，間作和施氮對(duì)硝態(tài)氮累積量均產(chǎn)生顯著影響；N2下，IMS2較MM提高17.24%。玉米成熟期，不同種植模式間硝態(tài)氮累積量無(wú)顯著差異，而同一種植模式下施氮較不施氮顯著提高了玉米土壤硝態(tài)氮累積量；MM下，N1、N2分別較N0提高 1.54倍、1.59倍；IMS2下，N1、N2分別較N0提高1.20倍、1.38倍。

3 討 論

玉米是重要的糧食作物之一，如何優(yōu)化種植與氮肥施用是一直以來(lái)需要突破的瓶頸。大量研究表明，禾本科、豆科作物間作和增加施氮量均能提高作物產(chǎn)量[22-23]，這是由于豆科作物自身具有固氮作用，能為禾本科作物提供一定的氮素，從而促進(jìn)禾本科作物對(duì)氮素的吸收[24]。本研究針對(duì)當(dāng)?shù)厥┑缓侠淼那闆r，結(jié)合玉米需肥特性，探討不同種植模式與適當(dāng)減氮對(duì)玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量和土壤硝態(tài)氮的影響。研究發(fā)現(xiàn)，間作顯著提高玉米葉面積，而對(duì)株高、莖粗和穗位高影響不顯著，說(shuō)明間作模式下，葉面積的增大能更好地促進(jìn)植物光合作用，提高光合產(chǎn)量，減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向莖等器官轉(zhuǎn)移，不致因穗位過(guò)高導(dǎo)致植株重心上移，降低植株的抗倒伏能力。從玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素來(lái)看，各處理間玉米穗長(zhǎng)、穗粗和百粒質(zhì)量均無(wú)顯著差異，說(shuō)明減量施氮和間作未對(duì)玉米生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響；施氮顯著提高玉米穗粒數(shù)，反映出氮肥有增加玉米穗粒數(shù)的作用。從產(chǎn)量上看，各施氮量處理下，間作玉米產(chǎn)量較單作無(wú)顯著變化，而間作體系玉米和大豆總產(chǎn)量顯著提高，且以減量施氮處理為最高，這與李志賢等[25]的研究結(jié)果較為一致。此外，間作模式下，施氮未顯著提高玉米產(chǎn)量，而顯著提高間作體系總產(chǎn)，且以減量施氮為最高，同時(shí)與常量施氮無(wú)顯著差異，說(shuō)明減量施氮并未引起作物產(chǎn)量的顯著降低，而施氮量的增加也并未顯著提高玉米產(chǎn)量和間作總產(chǎn)量，反而出現(xiàn)一定程度的減產(chǎn)。這可能是由于減量施氮降低了玉米和大豆的種間競(jìng)爭(zhēng)力，使作物間和諧共生，促進(jìn)協(xié)調(diào)增產(chǎn)[26]。減量施氮較常量施氮的氮肥農(nóng)學(xué)效率顯著提高，說(shuō)明適當(dāng)減少施氮量有助于緩解氮肥用量過(guò)多造成的浪費(fèi)及環(huán)境污染等一系列問(wèn)題。

同一土層下，各處理間不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)

表5 不同種植制度下玉米土壤硝態(tài)氮累積量Table 5 Soil nitrate nitrogen accumulation of maize under different planting systems kg/hm2

施氮量是影響土壤硝態(tài)氮累積量最重要的因素之一[27]。過(guò)量施用氮肥會(huì)增加土壤剖面硝態(tài)氮含量，由于土壤膠體無(wú)法吸附硝酸根離子，導(dǎo)致硝酸鹽淋溶，造成地下水硝態(tài)氮污染[28-29]。在玉米大喇叭口期，常量施氮條件下，間作較單作顯著增加土壤硝態(tài)氮累積，這說(shuō)明間作有利于保持土壤肥力，為作物后續(xù)生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分，減少硝酸鹽淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。各種植模式下，減量施氮與常量施氮間土壤硝態(tài)氮無(wú)顯著差異，說(shuō)明減量施氮并未顯著降低土壤養(yǎng)分含量，且能滿(mǎn)足作物對(duì)氮素的需求并保持高產(chǎn)。

4 結(jié) 論

施氮和間作均顯著提高玉米葉面積，對(duì)株高、莖粗和穗位高無(wú)顯著影響。施氮顯著提高玉米穗粒數(shù)。減量施氮較常量施氮未顯著降低玉米穗長(zhǎng)、穗粗和百粒質(zhì)量。施氮和間作對(duì)玉米產(chǎn)量無(wú)顯著影響，而玉米和大豆總產(chǎn)量顯著提高，且以減量施氮處理為最高。減量施氮較常量施氮的氮肥農(nóng)學(xué)效率顯著提高。減量施氮較常量施氮未顯著降低土壤硝態(tài)氮含量和累積量，且能滿(mǎn)足作物對(duì)氮素的需求并保持高產(chǎn)。