馬鈴薯豆類間作復(fù)合系統(tǒng)氮素吸收利用特性研究

滿本菊，王建鵬，劉吉利，吳 娜

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院，寧夏 銀川 750021)

間作是降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境成本、提高農(nóng)田生產(chǎn)力、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段[1-2]。相關(guān)研究表明合理的間作模式能高效利用時間和空間資源，促進作物對養(yǎng)分的吸收[3]。近年來，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，馬鈴薯成為了寧夏南部山區(qū)提高經(jīng)濟效益的優(yōu)勢作物，種植面積的不斷擴大和多年連作導(dǎo)致馬鈴薯病蟲害愈加嚴重、產(chǎn)量和品質(zhì)不斷下降[4-5]。而間作是解決這些問題的重要措施。

豆科作物參與的間作種植模式廣泛分布在世界各地，在改良土壤質(zhì)量、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用[6-7]。豆科作物具備生物固氮功能，可減少作物對土壤養(yǎng)分的過度消耗，也能將固定的氮貢獻給相鄰作物以增加氮的來源[8]，對減少氮肥投入、減輕農(nóng)業(yè)環(huán)境污染具有重要意義[9]。大量研究結(jié)果表明豆科作物和禾本科作物間作可以促進作物對光、溫、水、氣、熱等資源的利用，從而有效提高作物產(chǎn)量，同時也可以有效抑制病蟲害的頻繁發(fā)生，有利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[10-12]。李越等[13]研究表明，馬鈴薯和蠶豆間作可以在一定程度上通過改善根系微生物環(huán)境而減少馬鈴薯連作障礙。汪春明等[14]在馬鈴薯間作蠶豆的研究中發(fā)現(xiàn)，間作模式豐富了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，這有利于改善馬鈴薯連作栽培的根際微生態(tài)環(huán)境，從而減緩馬鈴薯連作障礙。有關(guān)馬鈴薯間作豆類對馬鈴薯氮素含量及土壤氮素影響的研究有限，對這一間作復(fù)合系統(tǒng)的作物氮素吸收規(guī)律和土壤氮素變化規(guī)律尚不明確。因此，本試驗通過設(shè)置馬鈴薯與豆類不同的間作種植模式，探究不同間作模式對馬鈴薯氮含量、土壤氮素及產(chǎn)量的影響，以期為寧南山區(qū)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2020年3―10月在寧夏海原縣樹臺鄉(xiāng)大嘴村試驗基地進行，其地理位置在105°09′～106°10′ E, 36°06′～37°04′ N之間。平均海撥高度為2 166 m，年平均降水量為286 mm，降水偏少，且季節(jié)分布不平衡，屬于干旱半干旱帶。無霜期為149～171 d，年平均氣溫為7℃，土壤類型為侵蝕黑壚土。試驗地基礎(chǔ)土樣的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗地基礎(chǔ)土樣理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

馬鈴薯供試品種為青薯9號，大豆為新選88，蠶豆為青海9號。試驗設(shè)置5個處理，分別為單作蠶豆(IB)、單作大豆(IS)、單作馬鈴薯(IP)、馬鈴薯間作大豆(PS)、馬鈴薯間作蠶豆(PB)。其中馬鈴薯單作為起壟覆膜種植，壟寬60 cm，壟距40 cm，壟上種植兩行馬鈴薯，行距30 cm，株距40 cm，種植深度20～25 cm，種植密度50 025株·hm-2。蠶豆單作為等行距平種，行距30 cm、株距20 cm，種植密度為16.5萬·hm-2。大豆單作為等行距平種，行距30 cm、株距15 cm，種植密度為22.5萬株·hm-2。馬鈴薯間作大豆、馬鈴薯間作蠶豆行距均為30 cm，種植行比均為2∶2。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，每個處理設(shè)4個重復(fù)，共計20個小區(qū)，每個小區(qū)長8 m，寬6 m，小區(qū)面積48 m2，過道寬1.5 m，試驗地周圍設(shè)2 m保護行種植馬鈴薯。馬鈴薯、大豆和蠶豆于5月2日播種，蠶豆和大豆于8月24日收獲，馬鈴薯于10月7日收獲。氮肥(尿素256 kg·hm-2)、磷肥(過磷酸鈣90 kg·hm-2)、鉀肥(硫酸鉀45 kg·hm-2)于翻地前一天結(jié)合整地撒施后翻耕入土(深度約10～30 cm)，在馬鈴薯苗期、中后期進行除草和相關(guān)田間管理。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 植株全氮的測定 在馬鈴薯苗期、現(xiàn)蕾期、塊莖形成期、塊莖膨大期和成熟期分部位分別取樣用凱氏定氮法[15]測定植株各部位的氮素含量。

1.3.2 土壤氮素的測定 在馬鈴薯苗期、現(xiàn)蕾期、塊莖形成期、塊莖膨大期和成熟期，分別采集0～20、20～40、40～60 cm的土壤樣品，用堿解擴散法測定土壤堿解氮含量、比色法測定銨態(tài)氮含量、酚二磺酸比色法測定硝態(tài)氮含量、凱氏定氮法測定全氮含量[15]。

1.3.3 收獲測產(chǎn)、土地當量比、種間相對競爭力 收獲期每小區(qū)實收1 m2大豆和蠶豆進行測產(chǎn)，取考種樣考察莢數(shù)、每莢粒數(shù)和百粒重。實收每小區(qū)全部馬鈴薯進行測產(chǎn)和考種，對每個小區(qū)的商品薯(≥0.075 kg)、大薯(≥0.1 kg)、中薯(0.1 kg>中薯≥0.05 kg)、小薯(<0.05 kg)分別計數(shù)、稱重；用土地當量比(LER)作為衡量產(chǎn)量間作優(yōu)勢的指標，用種間相對競爭力(A)作為衡量馬鈴薯相對大豆和蠶豆對資源競爭能力大小的指標。

土地當量比和種間相對競爭力計算公式如下：

LER=Yip/Ysp+Yis/Yss

LER=Yip/Ysp+Yib/Ysb

式中，Yip、Yib和Yis分別代表間作中馬鈴薯、蠶豆和大豆的產(chǎn)量；Ysp、Ysb和Yss分別代表單作馬鈴薯、蠶豆和大豆的產(chǎn)量。當LER>1，表明間作比單作的資源利用效率高；當LER<1，則單作比間作更有效利用資源。

Aps=Yip/(Ysp×Pp)-Yis/(Yss×Ps)

Apb=Yip/(Ysp×Pp)-Yib/(Ysb×Ps)

式中，Aps和Apb分別為馬鈴薯相對于大豆和蠶豆的資源競爭力，Pp、Ps和Pb分別為間作中馬鈴薯、大豆和蠶豆所占的土地面積比例，其他變量與上式含義相同。當Aps>0表示馬鈴薯對資源的競爭力大于大豆；Aps<0，表示馬鈴薯對資源的競爭力小于大豆，蠶豆同理。

1.3.4 隸屬函數(shù)分析 采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法，利用各氮素吸收指標對馬鈴薯材料進行隸屬函數(shù)平均值的計算，對其氮素吸收性進行評價；該平均值代表馬鈴薯氮素吸收性，數(shù)值越大表示對土壤氮素吸收越多。隸屬函數(shù)值的具體計算方法如下：

1.2 納入與排除標準 納入標準：①符合手術(shù)適應(yīng)證；②于本院行麥默通微創(chuàng)旋切術(shù)；③患者及其家屬自愿配合心理干預(yù)行為。排除標準：①合并精神障礙或有精神疾病史者；②近期發(fā)生重大生活事件者。③合并其他重大疾病者。

若指標與吸收性呈正相關(guān)關(guān)系，則：

Zij=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

若指標與吸收性呈負相關(guān)關(guān)系，則：

Zij=1-(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

式中：i表示不同間作處理，j表示氮素吸收指標，Zij為供試馬鈴薯材料的氮素吸收性隸屬函數(shù)值，Xij為各氮素指標的實際測量值，Ximax為各氮素指標實際測定的最大值，Ximin為各氮素指標實際測定的最小值。將隸屬函數(shù)值進行累加，求得平均值。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2010和Origin 2018進行數(shù)據(jù)分析，通過Duncan法進行顯著性差異檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作對馬鈴薯植株氮素積累和分配的影響

由圖1可知，不同間作系統(tǒng)中馬鈴薯植株氮素積累量隨生育時期的推進呈現(xiàn)上升的趨勢，在成熟期達到最大，且各生育時期均表現(xiàn)為PS最高，除塊莖膨大期外均顯著高于其他處理，但由圖2可知植株各部位氮素分配不均一，在各生育時期由于作物生長需要氮素發(fā)生轉(zhuǎn)移使得在各部位占比不同。根部氮素在苗期、塊莖膨大期和成熟期均表現(xiàn)為PS>PB>IP，在現(xiàn)蕾期和塊莖形成期表現(xiàn)為PB>PS>IP。莖部氮素除成熟期外其他各生育時期均為PS最高，且PS在苗期、現(xiàn)蕾期、塊莖形成期、塊莖膨大期分別較IP、PB高出16.39%和41.63%、65.62%和15.67%、36.35%和172%、8.92%和22.09%。葉部氮素在苗期和現(xiàn)蕾期時均表現(xiàn)為IP最高，成熟期表現(xiàn)為PS最高，塊莖膨大期表現(xiàn)為IP最高，塊莖形成期表現(xiàn)為PB最高。塊莖氮素在塊莖形成期表現(xiàn)為PB>PS>IP，PB分別較IP、PS高出90.49%和10.84%。在塊莖膨大期和成熟期表現(xiàn)為PS>PB>IP，PS分別較IP、PB高出72.66%、12.18%和37.17%、22.19%。

注：IP代表馬鈴薯單作、PS代表馬鈴薯間作大豆、PB代表馬鈴薯間作蠶豆。圖中同一時期不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

圖2 間作對馬鈴薯植株氮素分配的影響

2.2 間作對土壤堿解氮含量的影響

由圖3可知，不同間作模式下，從苗期到成熟期各處理土壤堿解氮含量在0～20 cm土層均表現(xiàn)為最高，隨著土層的深入其含量呈逐漸下降的趨勢，在各生育時期各土層均為PS處理最高。除苗期和成熟期外均表現(xiàn)為PS>PB>IP，且現(xiàn)蕾期PS在0～20、20～40、40～60 cm土層分別較IP和PB高出26.19%、2.25%、1.54%和3.45%、2.08%、3.23%。塊莖形成期PS在0～20、20～40、40～60 cm土層分別較IP和PB高出20.56%、25.88%、12.52%和1.02%、2.47%、2.78%。塊莖膨大期PS分別在0～20、20～40、40～60 cm土層較IP和PB高出14.14%、24.59%、29.18%和1.35%、2.85%、2.73%。

圖3 間作對馬鈴薯土壤堿解氮含量的影響

2.3 間作對土壤銨態(tài)氮含量的影響

由圖4可知，土壤銨態(tài)氮隨土層的深入和生育時期的推進均呈現(xiàn)下降趨勢，且均表現(xiàn)為PS

圖4 間作對馬鈴薯土壤銨態(tài)氮含量的影響

2.4 間作對土壤硝態(tài)氮含量的影響

由圖5可知，隨土層的深入土壤硝態(tài)氮在各生育時期均呈現(xiàn)下降的趨勢，且均表現(xiàn)為PS

圖5 間作對馬鈴薯土壤硝態(tài)氮含量的影響

2.5 間作對土壤全氮含量的影響

由圖6可知，隨土層的深入土壤全氮在各生育時期均表現(xiàn)為下降的趨勢，且除苗期外均表現(xiàn)為PS>PB>IP?，F(xiàn)蕾期PS在0～20、20～40、40～60 cm土層分別較IP和PB高出15.62%、37.67%、54.41%和14.48%、23.08%、36.23%。塊莖形成期PS在0～20、20～40、40～60 cm土層分別較IP和PB高出8.00%、20.99%、19.44%和6.05%、14.81%、17.02%。塊莖膨大期PS在0～20、20～40、40～60 cm土層分別較IP和PB高出16.24%、15.46%、32.29%和13.68%、12.24%、23.81%。成熟期PS在0～20、20～40、40～60 cm土層分別較IP和PB高出21.93%、59.2%、48.53%和8.77%、28.08%、4.41%。苗期表現(xiàn)為IP>PS>PB，IP在 0～20、20～40、40～60 cm土層分別較PS和PB高出36.69%、44.73%、52.46%和37.61%、60.38%、62.58%。

圖6 間作對馬鈴薯土壤全氮的影響

2.6 間作對產(chǎn)量、土地當量比和種間相對競爭力的影響

由表2可知，PB和PS兩間作處理土地當量比(LER)均大于1，其中PS的土地當量比最大為2.41。兩間作處理馬鈴薯的資源競爭力均小于豆類(Aps<0)，表現(xiàn)為PSPB>IP，PS和PB產(chǎn)量較IP分別增加了11.29%和5.06%。由此可知間作可以提高土地當量比，在利用資源方面更優(yōu)，其次合理的間作系統(tǒng)有利于降低種間相對競爭力，提高對資源的利用率及作物產(chǎn)量。

表2 間作對馬鈴薯、大豆和蠶豆的產(chǎn)量、土地當量比的影響

2.7 不同間作模式對馬鈴薯土壤各氮素指標隸屬函數(shù)值的影響

由表3可得，不同間作模式中0～60 cm土層各氮素指標隸屬函數(shù)平均值呈先升后降的趨勢。其中，馬鈴薯間作大豆在20～40 cm土層隸屬函數(shù)平均值最大為0.61，馬鈴薯單作在0～20 cm土層隸屬函數(shù)平均值最小為0.38。PS和PB土壤各氮素指標隸屬函數(shù)平均值均高于IP，隸屬函數(shù)平均值大小依次為PS>PB>IP。說明各指標氮素在間作模式下吸收更多，處理PS對氮素吸收利用最佳。

表3 間作對馬鈴薯土壤各氮素指標隸屬函數(shù)值的影響

3 討 論

大量研究表明[16-19]，不同作物在與豆科作物間作系統(tǒng)中大多存在氮營養(yǎng)間作優(yōu)勢，有利于作物對養(yǎng)分的吸收和利用。焦念元等[20]研究結(jié)果表明，玉米花生間作提高了玉米和花生莖、葉、籽粒氮含量，本研究表明間作馬鈴薯與單作馬鈴薯相比馬鈴薯植株根、莖、塊莖的氮素含量有了不同程度的提高，這與前人研究結(jié)果類似。其原因可能是馬鈴薯間作大豆和蠶豆改變了系統(tǒng)內(nèi)作物根系布局，有利用馬鈴薯根系吸收不同土層的氮素營養(yǎng)。同時豆科植物具有固氮功能，能將固定的氮素貢獻給與它相鄰的馬鈴薯。肖靖秀[21]和賈曼曼[22]等研究表明間作可以通過促進氮素從營養(yǎng)器官向生殖器官的轉(zhuǎn)運來提高作物的產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明間作馬鈴薯葉部氮素分配比例較單作馬鈴薯有所降低，而塊莖部位氮素分配比例有所提高，說明間作可以促進葉部氮素向塊莖的轉(zhuǎn)移，這與前人研究結(jié)果一致。

土壤中的堿解氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮作為速效氮，其含量在馬鈴薯生長發(fā)育各時期變化不同，其含量的多少可以為馬鈴薯種植過程中肥料的施用及種植方式的選擇提供參考。堿解氮能反映土壤的氮素供應(yīng)能力，合理間作不僅可以增強土壤氮素的互補利用，也可減輕作物間的競爭，提高氮素利用效率[23]。楊亞亞[24]等研究表明在同一生育時期，馬鈴薯田不同土層間作處理的土壤堿解氮較單作處理均有不同程度的提高。本研究表明在馬鈴薯塊莖形成期和塊莖膨大期這兩個高消耗養(yǎng)分時期，馬鈴薯間作大豆和蠶豆土壤堿解氮含量在不同土層均高于單作馬鈴薯，現(xiàn)蕾期馬鈴薯間作蠶豆和成熟期馬鈴薯間作大豆在0～20 cm土層土壤堿解氮含量均高于單作馬鈴薯，這與前人研究結(jié)果基本一致。在成熟期20～60 cm土層土壤堿解氮表現(xiàn)為PB

相關(guān)研究表明，間作可以促進氮素從營養(yǎng)器官向生殖器官轉(zhuǎn)運從而提高作物產(chǎn)量[35-36]，金建新等[37]研究表明馬鈴薯和玉米間作種植改變了作物生長的農(nóng)田小氣候環(huán)境, 間接影響了作物生長過程和同化物的積累，從而獲得產(chǎn)量優(yōu)勢。陳光榮[38]研究結(jié)果表明馬鈴薯間作大豆單位面積產(chǎn)量高于單作。本試驗研究結(jié)果表明馬鈴薯間作較單作產(chǎn)量有所增加，同時間作大豆和蠶豆產(chǎn)量較單作也有大幅增加，研究結(jié)果與前人一致。土地當量比是評判兩種作物是否適合間作的重要參數(shù)，當土地當量比大于1時說明對土地資源利用率高，兩種作物適合間作，反之利用率低不適合間作。侯慧芝等[39]研究結(jié)果表明馬鈴薯與蠶豆間作提高了土地當量比，本試驗研究結(jié)果顯示馬鈴薯間作大豆和蠶豆土地當量比分別為2.41和2.46，說明馬鈴薯與大豆和蠶豆適合間作，且間作效益良好，這與前人研究結(jié)果類似。種間相對競爭力表示兩種作物對資源的競爭能力大小。本試驗中馬鈴薯間作大豆和蠶豆的種間競爭力都小于0，說明馬鈴薯和豆類間作降低了對資源的競爭力。

采用隸屬函數(shù)法分析多指標測定對材料的影響進行綜合評價, 結(jié)果應(yīng)用于對處理材料的選擇, 更具科學(xué)性和可靠性[40]。唐明明等[41]研究結(jié)果表明，馬鈴薯間作具有氮素營養(yǎng)吸收優(yōu)勢。本試驗研究結(jié)果表明間作馬鈴薯對土壤氮素吸收效率高于單作馬鈴薯，這與前人研究結(jié)果一致。間作氮素營養(yǎng)吸收優(yōu)勢的主要原因是不同株型的作物占據(jù)不同的生態(tài)位，就根系而言馬鈴薯和大豆以及蠶豆的根系占據(jù)不同的生態(tài)位，間作模式充分利用了空間生態(tài)位的差異, 從而提高了整個系統(tǒng)的養(yǎng)分吸收率。

4 結(jié) 論

合理的馬鈴薯和豆類間作模式可有效提高氮素吸收和馬鈴薯產(chǎn)量。各處理中，馬鈴薯間作大豆土地當量比最大，種間競爭最小，作物產(chǎn)量相對較高。因此在生產(chǎn)中宜推廣的種植模式為馬鈴薯間作大豆(PS處理)。