箭筈豌豆、玉米產(chǎn)量對(duì)間作和施氮水平的響應(yīng)

韓鐘英，趙 財(cái)，胡發(fā)龍

（1甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅武威733000；2甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭州730070）

0 引言

氮肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要作用，但施入土壤中的氮肥50%以上通過(guò)氮素?fù)p失進(jìn)入大氣、水體中，導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如水體富營(yíng)養(yǎng)化、溫室效應(yīng)加劇等[1-2]。中國(guó)氮肥生產(chǎn)和消費(fèi)水平遠(yuǎn)高于世界其他國(guó)家，但利用率卻很低[3]，由此導(dǎo)致了諸多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題，受到了專家和學(xué)者們廣泛關(guān)注[4-5]。探索高效的種植模式和降低氮肥施用量是提高氮肥利用率、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求[6-7]。間作套種作為中國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性具有積極作用。大量研究表明，合理間套作能顯著改善作物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)條件、促進(jìn)作物生長(zhǎng)[8-9]。與單作相比，間作系統(tǒng)充分利用了各種生長(zhǎng)因子從而獲得高產(chǎn)[10]。不同作物類型搭配模式中，禾/豆間作在節(jié)約化學(xué)氮肥、提高氮肥利用率等方面有明顯優(yōu)勢(shì)[11]，是可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向之一[12]。目前，禾/豆間作類型豐富多樣，如玉米間作蠶豆[13]、玉米間作豌豆[14]、小麥間作蠶豆[15]、小麥間作豌豆[16]等，多項(xiàng)研究普遍認(rèn)為間作的禾本科作物促進(jìn)了豆科作物生物固氮，進(jìn)而提高了系統(tǒng)產(chǎn)量[17-18]。以玉米為主栽作物的禾/豆間作模式近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)大面積采用的復(fù)合種植體系[14]，其在時(shí)間和空間生態(tài)位上的高效互補(bǔ)，使該系統(tǒng)具有較高的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[8,11]。將玉米與綠肥作物間作，可降低化學(xué)氮肥投入，同步實(shí)現(xiàn)氮肥減量和氮素利用效率提升。然而該種植模式下氮肥減量是否會(huì)造成作物減產(chǎn)還不甚明確。為此，本研究以玉米、箭筈豌豆間作復(fù)合群體為對(duì)象，在不同施氮水平下探究間作玉米和箭筈豌豆的產(chǎn)量表現(xiàn)，明確玉米間作箭筈豌豆產(chǎn)量形成機(jī)制，以期為創(chuàng)建高產(chǎn)高效的種植模式和氮肥管理體系提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試區(qū)概況

本試驗(yàn)于2017在甘肅省武威市涼州區(qū)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)教學(xué)基地進(jìn)行，該基地位于河西走廊東端，屬典型的內(nèi)陸荒漠氣候區(qū)，海拔1776 m，年降水分布不均勻，主要集中在7—9月，年蒸發(fā)量2400 mm，平均氣溫7.7℃，日照時(shí)數(shù)2945 h，太陽(yáng)輻射總量5.67 kJ/m2。試區(qū)供試土壤為灌漠土，pH 7.39，有機(jī)質(zhì)含量17.82 g/kg，全磷1.41 g/kg，全氮0.79 g/kg，容重1.56 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，種植模式為主處理，施氮水平為副處理。種植模式設(shè)玉米間作箭筈豌豆(V/M)、單作玉米(M)、單作箭筈豌豆(V)3種；施氮水平設(shè)0 kg/hm2(N0)、240 kg/hm2（N1，習(xí)慣施氮減量20%）、300 kg/hm2（N2，習(xí)慣施氮）3個(gè)梯度，共9個(gè)處理，每處理3次重復(fù)。玉米間作箭筈豌豆田間結(jié)構(gòu)為玉米幅寬110 cm、箭筈豌豆幅寬80 cm，每小區(qū)3個(gè)自然帶。每個(gè)自然帶內(nèi)箭筈豌豆分行種植，行距20 cm，共4行；玉米行距40 cm，共3行。單作箭筈豌豆和單作玉米田間結(jié)構(gòu)與相應(yīng)作物在間作系統(tǒng)中布置相同。小區(qū)面積5.7 m×7 m，供試箭筈豌豆品種為‘蘭箭3號(hào)’，4月1日播種，7月8日收獲；玉米品種為‘先玉335’，4月20日播種，9月28日收獲。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 干物質(zhì)測(cè)定 玉米播種后（箭筈豌豆出苗20天后）每隔15天取樣一次，選取代表性玉米10株，收獲后（大喇叭口期—成熟期）每隔25天取樣一次，選取代表性玉米5株；箭筈豌豆按邊行10株、內(nèi)行10株，取連續(xù)的20株。間作每小區(qū)玉米、箭筈豌豆各留一自然帶不進(jìn)行任何采樣破壞，用于最后測(cè)產(chǎn)。采回樣品首先在105℃下殺青15～30 min，然后在80℃烘干8～12 h，直到恒重，用電子天平稱重(0.01 g)。

1.3.2 產(chǎn)量構(gòu)成因素測(cè)定 每小區(qū)取連續(xù)的4行箭筈豌豆，長(zhǎng)50 cm，測(cè)定每株豆莢數(shù)、單莢粒數(shù)和500粒重；玉米每小區(qū)取1 m2樣方測(cè)定穗數(shù)，并取5株玉米測(cè)定穗行數(shù)、行粒數(shù)和500粒重。

1.3.3 籽粒產(chǎn)量測(cè)定 待箭筈豌豆成熟后在間作小區(qū)中未經(jīng)擾動(dòng)的自然帶量取150 cm收割、脫粒并進(jìn)行計(jì)產(chǎn)；在單作小區(qū)中間選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的1 m×1 m樣方收割后脫粒進(jìn)行計(jì)產(chǎn)（單、間作每小區(qū)取3次重復(fù)）。玉米成熟后于間作和單作每小區(qū)中未經(jīng)擾動(dòng)的種植帶內(nèi)分別取60株脫粒后進(jìn)行計(jì)產(chǎn)。

1.3.4 收獲指數(shù)(HI)收獲指數(shù)計(jì)算如式(1)所示。

式中，GY是籽粒產(chǎn)量，BY是生物產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013進(jìn)行整理匯總，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干物質(zhì)累積特征

2.1.1 箭筈豌豆干物質(zhì)累積 單作和間作種植模式下箭筈豌豆干物質(zhì)累積動(dòng)態(tài)遵循“S”型生長(zhǎng)，且不同階段干物質(zhì)累積量受種植模式和施氮水平顯著影響（圖1）。主效應(yīng)分析表明，種植模式、施氮水平對(duì)箭筈豌豆干物質(zhì)累積總量的影響顯著(P＜0.05)，且種植模式×施氮水平的交互作用顯著(P＜0.05)。種植模式間相比，間作干物質(zhì)總累積量顯著高于單作，與單作相比在不施氮(N0)、減量施氮(N1)和傳統(tǒng)施氮(N2)處理下分別提高44.0%、36.7%和37.2%。施氮水平間，N1處理干物質(zhì)累積總量最高，達(dá)3435 kg/hm2，在間作模式下比N2提高9.1%，比N0提高25.5%；單作模式下，比N2提高9.4%，比N0提高32.1%。因此，相比傳統(tǒng)施氮，減量施氮可獲得更高的箭筈豌豆干物質(zhì)累積量。

2.1.2 玉米干物質(zhì)累積 與箭筈豌豆變化趨勢(shì)相似，單作和間作玉米的干物質(zhì)累積動(dòng)態(tài)符合“S”型生長(zhǎng)曲線，且不同階段干物質(zhì)累積量受種植模式和施氮水平顯著影響（圖1）。主效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，種植模式、施氮水平對(duì)玉米干物質(zhì)累積總量影響顯著(P＜0.05)，且種植模式×施氮水平的交互作用顯著(P＜0.05)。不同種植模式相比，間作干物質(zhì)總累積量最高，與單作相比在N0、N1和N2處理下分別提高23.3%、22.5%和23.0%。施氮水平間，N1處理的干物質(zhì)累積總量最高，達(dá)20980 kg/hm2，在間作模式下比N2提高9.3%，比N0提高19.8%；在單作模式下，N1干物質(zhì)累積比N2提高9.9%，比N0提高20.7%。

圖1 不同施氮水平下單作和間作箭筈豌豆、玉米的干物質(zhì)累積

2.2 產(chǎn)量構(gòu)成要素

2.2.1 箭筈豌豆 不同處理箭筈豌豆的豆莢數(shù)、單莢粒數(shù)和500粒重因種植模式和施氮水平表現(xiàn)出較大差異（表1）。就豆莢數(shù)而言，種植模式影響顯著，間作較單作提高7.6%；此外，施氮水平影響顯著，N1處理豆莢數(shù)較N2提高5.3%，較N0提高16.9%；就豆莢粒數(shù)而言，種植模式影響不顯著，施氮水平影響顯著，N1較N2和N0分別提高14.3%和44.5%；就500粒重而言，種植模式影響不顯著，但施氮水平影響顯著，且不同施氮水平中N1處理500粒重最高，較N2提高9.5%，較N0提高14.4%。

2.2.2 玉米 種植模式和施氮水平對(duì)不同處理玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)和500粒重的影響具有較大差異（表1）。就穗數(shù)而言，種植模式影響顯著，且間作玉米的穗數(shù)顯著高于單作玉米，與單作相比，間作玉米穗數(shù)平均提高14.5%；此外，施氮水平同樣顯著，N1較N2提高10.5%，較N0提高12.0%。就穗粒數(shù)和500粒重而言，種植模式和施氮水平的影響均不顯著。

表1 不同施氮水平下單作和間作箭筈豌豆、玉米的產(chǎn)量構(gòu)成因子

2.3 產(chǎn)量表現(xiàn)

2.3.1 箭筈豌豆 主效應(yīng)分析表明，種植模式(P＜0.01)和施氮水平(P＜0.01)對(duì)箭筈豌豆產(chǎn)量的影響顯著，但種植模式×施氮水平的交互作用不顯著(P＞0.05)。種植模式間相比，間作比單作具有明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，較單作平均提高34.9%（圖2）。施氮水平間相比，N1處理產(chǎn)量最高，與N2相比差異不顯著，與N0相比平均提高30.0%。因此，減量施氮可同樣獲得較高產(chǎn)量。

圖2 不同施氮水平下單作和間作箭筈豌豆、玉米的產(chǎn)量

2.3.2 玉米 主效應(yīng)分析表明，種植模式對(duì)玉米產(chǎn)量的影響顯著(P＜0.01)，施氮水平影響顯著(P＜0.01)，且間作模式和施氮的交互作用顯著(P＜0.01)。種植模式間相比，間作玉米產(chǎn)量顯著高于單作玉米，較單作平均提高27.0%（圖2）。不同施氮水平間，N1處理產(chǎn)量最高，與N2相比無(wú)顯著差異，與N0相比平均提高70.1%。此結(jié)果表明，減量施氮同樣支撐玉米獲得高產(chǎn)。

2.4 通徑分析

2.4.1 箭筈豌豆產(chǎn)量形成機(jī)制 在不同種植模式及施氮水平下，箭筈豌豆籽粒產(chǎn)量與各產(chǎn)量構(gòu)成因子成正相關(guān)（表2）。通過(guò)籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成的直接通徑系數(shù)可以看出，各指標(biāo)對(duì)籽粒產(chǎn)量的決定次序是豆莢數(shù)＞粒重＞單莢粒數(shù)；通過(guò)籽粒產(chǎn)量與各指標(biāo)的間接通徑系數(shù)可看出，豆莢數(shù)通過(guò)單莢粒數(shù)和粒重，以及粒重通過(guò)豆莢粒數(shù)對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大。由此說(shuō)明，不同種植模式及施氮條件主要通過(guò)豆莢數(shù)增加來(lái)提高箭筈豌豆籽粒產(chǎn)量。

2.4.2 玉米產(chǎn)量形成機(jī)制 在不同種植模式及施氮條件下，玉米籽粒產(chǎn)量與各產(chǎn)量構(gòu)成因子呈正相關(guān)（表2）。通過(guò)籽粒產(chǎn)量與各指標(biāo)的直接通徑系數(shù)可看出，各指標(biāo)對(duì)玉米產(chǎn)量形成的決定次序是穗數(shù)＞粒重＞穗粒數(shù)；通過(guò)籽粒產(chǎn)量與各指標(biāo)的間接通徑系數(shù)可以看出，穗數(shù)通過(guò)穗粒數(shù)和粒重，以及粒重通過(guò)穗粒數(shù)對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大。說(shuō)明不同間作和施氮條件主要是通過(guò)增加穗數(shù)提高玉米籽粒產(chǎn)量。

表2 不同處理箭筈豌豆和玉米籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)量因素的相關(guān)系數(shù)和通徑系數(shù)

3 結(jié)論

玉米和箭筈豌豆間作可使兩作物的干物質(zhì)累積量增加，進(jìn)而使籽粒產(chǎn)量較單作顯著提高。間作模式中，減量施氮提高了2種作物的干物質(zhì)累積量和決定籽粒產(chǎn)量的構(gòu)成因子，因而減氮20%未引起箭筈豌豆和玉米顯著減產(chǎn)。通過(guò)通徑分析可知，對(duì)箭筈豌豆產(chǎn)量影響最大是豆莢數(shù)，其次是粒重和單莢粒數(shù)；對(duì)玉米產(chǎn)量影響最大的是穗數(shù)，其次是粒重和穗粒數(shù)。因此，240 kg/hm2是玉米間作箭筈豌豆的適宜施氮水平。

4 討論

4.1 地上部干物質(zhì)積累特性

作物生育期內(nèi)干物質(zhì)積累是產(chǎn)量形成的重要基礎(chǔ)。趙平等[19]研究表明，小麥/蠶豆間作顯著提高了整個(gè)生育期內(nèi)小麥地上部植株含氮量，為干物質(zhì)形成和產(chǎn)量提高奠定了基礎(chǔ)。因此，間作可通過(guò)提高作物對(duì)養(yǎng)分的截獲利用，進(jìn)而提高系統(tǒng)生產(chǎn)力[8,17]。本研究中，間作箭筈豌豆和玉米干物質(zhì)累積量較相應(yīng)單作均有顯著提高。與單作相比，間作箭筈豌豆干物質(zhì)累積總量在3個(gè)施氮水平下平均提高39.3%，間作玉米在3個(gè)施氮水平下平均提高22.9%。雍太文等[20]研究發(fā)現(xiàn)，間作減量施氮可促進(jìn)大豆生物固氮，使葉片生產(chǎn)和積累更多光合物質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn)相似結(jié)果，在玉米/箭筈豌豆間作系統(tǒng)中氮肥施用量降低20%可使箭筈豌豆干物質(zhì)累積總量較傳統(tǒng)施氮提高9.1%，使玉米干物質(zhì)累積總量較傳統(tǒng)施氮提高9.3%。

4.2 產(chǎn)量形成機(jī)制

合理的間作模式有利于提高作物產(chǎn)量，尤其是禾本科作物與豆科作物間作[11,18]。其主要機(jī)理是禾本科作物對(duì)豆科作物固氮作用的促進(jìn)以及土壤磷素活化[8,21]，在地上部則表現(xiàn)為單位面積籽粒數(shù)增多和粒重增大[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，箭筈豌豆單株豆莢數(shù)受到種植模式顯著影響，較單作提高7.6%，但單莢粒數(shù)和500粒重未受到顯著影響，表明生物固氮量增大會(huì)促進(jìn)箭筈豌豆花芽分化，但對(duì)同化物轉(zhuǎn)運(yùn)和分配的調(diào)控作用較小，這與Hu等[23]研究發(fā)現(xiàn)玉米/豌豆間作可提高豌豆粒數(shù)和粒重的結(jié)果有所不同。此外，與之間作的玉米也表現(xiàn)出相似結(jié)果，其單位面積穗數(shù)較單作提高14.5%，但穗粒數(shù)和500粒重并未受到顯著影響。張正翼等[24]研究了24份大豆品種發(fā)現(xiàn)，豆莢數(shù)對(duì)大豆產(chǎn)量影響最大，其次為百粒重和豆莢粒數(shù)，這與本研究發(fā)現(xiàn)箭筈豌豆豆莢數(shù)對(duì)其產(chǎn)量影響最大，其次是粒重和單莢粒數(shù)的結(jié)果趨于一致。因此，本研究中，間作箭筈豌豆產(chǎn)量較單作平均提高34.9%。葉君等[25]認(rèn)為穗數(shù)是決定玉米產(chǎn)量高低的決定因子，與本研究中玉米穗數(shù)對(duì)其產(chǎn)量影響最大，其次是粒重和穗粒數(shù)的結(jié)果相似。因此，間作通過(guò)提高單位面積穗數(shù)使其產(chǎn)量較單作平均提高27.0%。

作物生長(zhǎng)離不開(kāi)氮素，因此氮肥被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，是農(nóng)作物獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)。然而，禾/豆間作模式中豆科作物能進(jìn)行生物固氮，施氮量增大會(huì)引起氮阻遏效應(yīng)、制約固氮量提高[17-18]。本研究中箭筈豌豆在氮肥減量20%時(shí)豆莢數(shù)、單莢粒數(shù)及500粒重較傳統(tǒng)施氮分別提高5.3%、14.3%和9.5%，表明箭筈豌豆可通過(guò)生物固氮彌補(bǔ)氮素供應(yīng)不足，并促進(jìn)同化物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)[26-27]。高施氮使玉米等禾本科作物長(zhǎng)期保持較高的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，導(dǎo)致同化物在生殖器官中的轉(zhuǎn)運(yùn)量減少[28]。本研究中，氮肥減量20%(240 kg/hm2)能有效防止玉米由于氮素營(yíng)養(yǎng)豐沛而產(chǎn)生的生殖生長(zhǎng)受限，與傳統(tǒng)施氮相比，該處理下玉米的單位面積穗數(shù)提高了10.5%。通過(guò)通徑分析發(fā)現(xiàn)，箭筈豌豆和玉米產(chǎn)量形成的決定因子分別是單株豆莢數(shù)和單位面積穗數(shù)，因此氮肥減量20%處理通過(guò)提高兩種作物的產(chǎn)量決定因子使其最終產(chǎn)量與高施氮處理無(wú)顯著差異。綜上，間作結(jié)合施氮量240 kg/hm2是綠洲灌區(qū)玉米、箭筈豌豆適宜的種植模式和施氮水平。