間作和施氮水平對玉米和花生農(nóng)藝性狀及花生結(jié)瘤的影響

喬月彤，蔣曦龍，李曉靖，王瀾，薛燕慧，夏海勇

（1.山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所／山東省作物遺傳改良與生態(tài)生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室／小麥玉米國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；3.水發(fā)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

間作是指在同一土地上按照不同比例種植不同種類農(nóng)作物的種植方式，能夠運(yùn)用群落的空間結(jié)構(gòu)原理，充分利用光能、空間和時間資源而提高農(nóng)作物產(chǎn)量。合理的間作可以改善作物礦質(zhì)營養(yǎng)［1］。已有研究表明，間作系統(tǒng)可以提高生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，提高土壤利用率，充分利用環(huán)境資源：Zhang等［2］指出，間作相比單作而言，糧食產(chǎn)量和養(yǎng)分獲取均高于單作，至少在三到四年內(nèi)提高生產(chǎn)力并保持土壤肥力；間作可以提高作物產(chǎn)量和營養(yǎng)吸收［3］。

施肥可以增加作物產(chǎn)量［4］，但是過度施肥也會帶來負(fù)面影響。氮素是作物生長所需要的大量元素之一，但是大量氮肥的投入會破壞生態(tài)環(huán)境、減少生物多樣性，導(dǎo)致土壤中的氮含量過多，繼而導(dǎo)致豆科作物的固氮作用下降，不利于豆科作物生長。過量施氮肥使得豆科作物固氮效率降低，即產(chǎn)生“氮阻遏”效應(yīng)。過多或較少的土壤肥力均不利于間作谷物的生長，適當(dāng)提高氮肥用量可以緩解種間競爭力度，最大限度地提高谷物間作的生產(chǎn)力［5］。研究表明，適當(dāng)?shù)牡柿靠梢园l(fā)揮玉米和大豆的產(chǎn)量優(yōu)勢［6］；優(yōu)化氮素管理可以提高間作氮素的利用效率，提高間作系統(tǒng)作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益［7－14］。因此，選擇合適的氮肥水平是需要研究的重要方向。

為了進(jìn)一步明確大田環(huán)境中間作對豆科作物的影響，本試驗(yàn)以玉米品種先玉335、花生品種花育25為材料，設(shè)置間作和不同氮肥用量梯度處理，研究其對玉米、花生兩種作物農(nóng)藝性狀、干物質(zhì)積累和結(jié)瘤的影響，以期為充分發(fā)揮玉米／豆科間作系統(tǒng)的效應(yīng)和科學(xué)合理的間作氮肥施用水平提供一定的技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在濟(jì)南市濟(jì)陽區(qū)太平街道羊欄口村（36°98′N，116°9′E）進(jìn)行。該地屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12℃，年降水量600 mm左右。

1.2 試驗(yàn)材料

供試玉米（Zea mays L.）品種為先玉335，花生（Arachis hypogaea L.）品種為花育25。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用雙因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為4個施氮（N）量水平，分別為N0、N1、N2、N3；副區(qū)為3個種植模式，分別為玉米／花生間作（IM，IP）、玉米單作（MM）和花生單作（MP）。共計(jì)36個小區(qū)。小區(qū)長10 m，寬5 m。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。

4個主區(qū)均施基肥，其中磷肥（重過磷酸鈣，P2O542%）為120 kg／hm2，鉀肥（硫酸鉀，K2O 50%）為100 kg／hm2。間作時4個主區(qū)分別基施純氮（N）0、60、80、100 kg／hm2，后期僅玉米在拔節(jié)期和大喇叭口期分別追施純氮（N）0、30、40、50 kg／hm2，花生不追肥。單作時，玉米按主區(qū)標(biāo)準(zhǔn)基施純氮（N）0、60、80、100 kg／hm2，并在拔節(jié)期和大喇叭口期分別追施純氮（N）0、30、40、50 kg／hm2；花生僅按主區(qū)標(biāo)準(zhǔn)基施純氮（N）0、60、80、100 kg／hm2，后期不追肥。供試氮肥為尿素（N 46.7%）。追肥施于玉米行間和玉米花生行間，施肥點(diǎn)靠近玉米處。

間作種植采用2∶2模式（圖1），即兩行玉米兩行花生，玉米與花生間距均為50 cm。帶長5 m，帶寬2 m，每小區(qū)5個重復(fù)帶。玉米和花生穴距均為20 cm。單作玉米、單作花生行距均為50 cm，穴距均為20 cm。兩種作物于2018年6月24日播種，其它田間管理措施同大田。

圖1 間作種植模式和規(guī)格示意圖

1.4 樣品指標(biāo)測定及方法

1.4.1 農(nóng)藝性狀 9月15日，即花生結(jié)莢期、玉米灌漿期，各小區(qū)分別取兩作物具有代表性植株各2株，測定花生株高、分枝數(shù)、各器官鮮重和玉米株高、莖粗、地上部各器官鮮重。之后花生和玉米植株各器官于105℃殺青30 min后，75℃烘干至恒重，測干物質(zhì)重。

1.4.2 根瘤數(shù)量和計(jì)重 于花生結(jié)莢期挖取整株花生植株，將分離下來的根裝入尼龍網(wǎng)袋，用水浸泡后快速沖洗干凈，之后泥水過鋼篩收集散落根瘤，洗凈的根系浸入冰水迅速剝落根瘤、計(jì)數(shù)，再用濾紙吸干根瘤表面水分、裝袋標(biāo)記，用天平進(jìn)行計(jì)重［15］。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010和SAS（9.0）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和方差分析（ANOVA），最小顯著性差異法（LSD，0.05）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米花生間作和施氮水平對玉米農(nóng)藝性狀的影響

由表1和表2可以看出，在不考慮施氮因素影響下，間作玉米（IM）農(nóng)藝性狀明顯優(yōu)于單作玉米（MM）。IM株高低于MM 3.5%，莖粗高于MM 2.5%，但差異均不顯著；莖葉、雌穗鮮重IM顯著高于MM，分別提高9.4%和11.0%；莖葉＋雌穗鮮重IM比MM提高9.8%（P<0.05）。

表1 間作和施氮水平對玉米株高和莖粗的影響

表2 間作和施氮水平對玉米地上部各器官鮮重的影響 （g／株）

不同施氮水平對兩種模式下玉米株高、莖粗均無顯著影響。MM 下，N1、N2、N3莖葉＋雌穗鮮重比N0提高34.5%、30.1%和32.5%（P<0.05）；IM下，莖葉＋雌穗鮮重N1、N2、N3比N0分別提高21.3%、13.4%和16.90%（P<0.05），N1比N2、N3提高6.9%、3.8%。

在不考慮單間作情況下，N1、N2、N3莖葉鮮重比N0提高36.0%、32.3%和32.5%，莖葉＋雌穗鮮重比N0提高27.3%、21.0%和24.0%（P<0.05）。

2.2 玉米花生間作和施氮水平對玉米干物質(zhì)積累的影響

由表3可知，不考慮施氮的影響，莖葉干重、雌穗干重IM 顯著高于MM，分別提高9.5%和15.9%，莖葉＋雌穗干重IM比MM提高12.4%。

表3 間作和施氮水平對玉米各器官干重的影響 （g／株）

MM下，莖葉＋雌穗干重N1比N0、N2、N3分別提高21.0%、6.5%、6.5%，其中N1與N0差異顯著；IM下，莖葉干重、雌穗干重不同施氮水平間無顯著差異。

在不考慮單間作情況下，N1、N2莖葉＋雌穗干重比N0分別提高14.3%和11.3%，有顯著性差異。隨著施氮量增加，間作對玉米干物質(zhì)積累的促進(jìn)作用下降。

2.3 玉米花生間作和施氮水平對花生農(nóng)藝性狀的影響

由表4和表5可知，不考慮施氮的影響，花生間作（IP）和單作（MP）差異顯著。IP花生株高低于MP 6.9%，差異顯著，分枝數(shù)差異不顯著；IP莖葉鮮重、根鮮重、莢果鮮重比MP分別降低39.8%、32.9%和51.3%，均差異顯著；從全株水平來看，IP低于MP 43.4%，差異顯著。

表4 間作和施氮水平對花生株高和分枝數(shù)的影響

表5 間作和施氮水平對花生各器官鮮重的影響 （g／株）

氮肥對花生的影響各有不同。無論MP還是IP，N3株高顯著高于其它施氮水平，花生分枝數(shù)無顯著性差異。MP莖葉鮮重和根鮮重?zé)o顯著性差異，莢果鮮重N1比N0、N2、N3高出20.7%、18.0%、18.6%（P<0.05），全株鮮重各施氮水平間無顯著差異。IP莖葉鮮重和根鮮重在N1和N2水平下較高，莢果鮮重N1顯著高于其它施氮水平，N0顯著低于施氮處理，全株鮮重N1、N2比N0分別提高59.4%、43.7%（P<0.05）。不考慮單間作的影響，花生全株鮮重施氮肥效果明顯好。

2.4 玉米花生間作和施氮水平對花生干物質(zhì)積累的影響

由表6可知，不考慮施氮的影響，花生間作和單作存在顯著差異，IP莖葉干重、根干重、莢果干重、全株干重比MP分別降低39.8%、32.0%、52.1%和43.6%。

表6 間作和施氮水平對花生各器官干重的影響 （g／株）

MP下，N2、N3莖葉干重顯著高于N0，N1與N0差異不顯著；N1、N2根干重顯著高于N0、N3；N1莢果干重顯著高于N0、N2、N3；N1全株干重顯著高于N0和N3，比N0、N2、N3分別增加31.8%、9.7%和10.6%。IP下，N1、N2莖葉干重和根干重顯著高于N0、N3；N1莢果干重顯著高于其它3個處理；N1和N2全株干重顯著高于N0、N3，比N0分別增加55.5%和43.4%。

不考慮單間作，N1全株干重比N0、N2、N3分別增加39.9%、9.3%、18.4%（P<0.05）。施肥后，間作對花生的抑制作用下降：與N0全株干重間作比單作降低48.45%相比，N1和N2降幅分別為39.17%和38.47%，分別少9.28、9.98個百分點(diǎn)，N3則無顯著差異。

2.5 玉米花生間作和施氮水平對花生結(jié)瘤的影響

由圖2可知，MP下，N1根瘤數(shù)量最多，分別高出N0、N2、N3 30%、70%和140%；N0分別高出N2、N3 30%和80%。IP下，N1根瘤數(shù)量最多，分別高出N0、N2、N3 100%、30%和50%；N2、N3分別高出N0 60%和30%。

圖2 間作和施氮水平對單株花生結(jié)瘤數(shù)量的影響

由圖3可知，MP下，N1根瘤鮮重比N0、N2、N3分別高出28.3%、117.4%和272.0%；N0比N2、N3分別高出69.5%和190.0%。IP下，N1根瘤鮮重最高，比N0、N2、N3分別高出472%、101%和308%，N2、N3比N0分別高184%和40%。

圖3 間作和施氮水平對單株花生根瘤鮮重的影響

由上可知，間作花生根瘤數(shù)量和鮮重明顯高于單作。不同施氮水平對間作和單作花生的根瘤數(shù)量和鮮重影響不同。

3 討論

3.1 玉米花生間作和施氮水平對玉米和花生農(nóng)藝性狀、干物質(zhì)積累的影響

間作群體受冠層結(jié)構(gòu)影響，其光截獲能力也存在差異，繼而影響作物對光的競爭［16］。本研究結(jié)果表明，間作明顯有利于玉米的生長發(fā)育，但不利于花生對養(yǎng)分的吸收和植株發(fā)育，這與前人的研究結(jié)論相似［17］。玉米作為高位作物，對光的截獲能力強(qiáng)，對花生產(chǎn)生遮蔭作用，抑制花生光合，其植株的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率顯著下降［18］。本研究中，間作花生根鮮重比單作降低32.9%。這表明花生地下部發(fā)育受到抑制，且玉米對花生根系的水分和養(yǎng)分吸收具有競爭［10］，因此花生對土壤養(yǎng)分的吸收受到影響。

間作玉米植株干物質(zhì)積累量，N1（施氮量120 kg／hm2）和N2（160 kg／hm2）比N0（不施氮）分別提高8.7%和9.3%；間作花生植株干物質(zhì)積累量N1比N0提高55.5%。高施氮量時花生莖葉發(fā)育最好，但莢果干物質(zhì)積累量低，而施氮量120 kg／hm2時花生莢果干物質(zhì)分配最高。除此之外，本研究表明，施加氮肥緩解間作對花生生長的抑制作用：N1、N2處理間作比單作花生的全株干重降幅較N0分別少9.28、9.98個百分點(diǎn)。

3.2 玉米花生間作和施氮水平對花生結(jié)瘤的影響

根瘤菌在豆科根系上繁殖，使得根皮層細(xì)胞形成根瘤，賦予豆科作物生物固氮能力［19］。一些固氮作物依靠生物固氮滿足自身對氮素的需求。本研究表明，間作花生結(jié)瘤數(shù)量明顯高于單作，這與前人的研究結(jié)果相似［20，21］。張曉娜等［22］研究指出，間作花生早期結(jié)瘤數(shù)量高于單作，也與本研究結(jié)果相似。單作情況下，低施氮量時花生結(jié)瘤數(shù)量最多，不施氮次之，隨著施氮量的增加，結(jié)瘤數(shù)量隨之減少。間作情況下，有氮肥和間作兩種抑制作用，不施氮時花生結(jié)瘤數(shù)量最少，而施氮量120 kg／hm2時結(jié)瘤數(shù)量最多，且隨著施氮量增加結(jié)瘤數(shù)量下降。李玉英等［21］研究指出，蠶豆／玉米間作系統(tǒng)中施氮對蠶豆農(nóng)藝性狀無影響，但抑制結(jié)瘤。本研究則表明，低施氮量促進(jìn)花生結(jié)瘤，高施氮量明顯抑制花生結(jié)瘤。其原因可能是，李玉英等設(shè)置的低施氮量為150 kg／hm2，與本研究施氮量有所不同，且花生和蠶豆的結(jié)瘤固氮能力也有所不同。

4 結(jié)論

本研究表明，玉米花生間作明顯促進(jìn)玉米生長，而抑制花生生長，不利于花生的干物質(zhì)積累，施加氮肥有利于緩解間作對花生的抑制作用。間作有利于花生結(jié)瘤，低氮水平下花生結(jié)瘤數(shù)量最多，高施氮量時結(jié)瘤數(shù)量最少。總體來看，施氮（N）量在120～160 kg／hm2范圍內(nèi)玉米花生間作模式的作物長勢較佳，也有利于間作體系化學(xué)氮肥減施和高產(chǎn)高效。