減氮對玉米黃草烏間作優(yōu)勢的影響*

梅富鵬，黃之遠(yuǎn),2,3，吳加香,2,3，寸夢壵,2,3，趙桂茹，李世華，楊旺福，字淑慧,2,3

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，西南中藥材種質(zhì)創(chuàng)新與利用國家地方聯(lián)合工程研究中心，云南 昆明 650201；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南省藥用植物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650201)

玉米是重要的傳統(tǒng)旱地作物[1]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常和其他作物間作[2]。如玉米與豆科作物間作，不僅能減少氮肥施用量，還能促進(jìn)作物對氮素的吸收利用以獲得高產(chǎn)[3-5]；但在減少氮肥施用量的情況下，玉米與非豆科作物間作能否發(fā)揮間作優(yōu)勢的報(bào)道相對較少，特別是鮮有與高寒山區(qū)藥用植物間作的研究。間作作為一種集約化、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)種植模式，在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用[6-7]。相較于單作，間作通過促進(jìn)種間作用或時(shí)空生態(tài)位分離，提高養(yǎng)分、水分和光能等資源的高效利用[8-10]，實(shí)現(xiàn)多樣性防治病蟲害及提高產(chǎn)量的目的[11-12]。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為了獲得高產(chǎn)，施用大量化肥并偏施氮肥，過量氮肥導(dǎo)致肥料利用率低，氮素流失，進(jìn)而對水體造成污染[13-14]。如何減少氮肥投入，是發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)目前面臨的重要問題。

黃草烏(Aconitum vilmorinianum)是云南獨(dú)具特色的中藥材，主要種植在海拔2 100～2 600 m 的高寒冷涼山區(qū)和半山區(qū)，其藥用部位為側(cè)生塊根，具有祛風(fēng)散寒、活血止痛和解毒消腫的藥理作用[15]，是云南白藥、云南紅藥、百寶丹、無敵膏和虎力散等多種名藥的重要原料。隨著生物醫(yī)藥大健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，黃草烏需求量逐年攀升，野生資源逐年銳減，栽培面積逐年遞增。由于受高寒山區(qū)有限耕地的限制，藥農(nóng)多采用單作高肥水投入方式連年種植黃草烏以獲取高產(chǎn)，導(dǎo)致其病蟲害逐年加重，產(chǎn)量逐年減低，既影響了藥材品質(zhì)，也制約了黃草烏種植產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。課題組前期利用玉米與黃草烏間作開展黃草烏多樣性種植試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2 種作物間作能提高黃草烏根際土壤微生物群落的豐富度和多樣性(另文發(fā)表)，但鮮有關(guān)于減氮施肥的玉米與黃草烏間作能否發(fā)揮間作優(yōu)勢的報(bào)道。因此，針對高寒山區(qū)中藥材種植過程中出現(xiàn)的“糧藥爭地”現(xiàn)象，本研究通過玉米與烏頭屬藥用植物黃草烏間作，探討減少玉米氮肥施用量對2 種作物間作優(yōu)勢的影響，以期為高寒山區(qū)發(fā)展玉米與黃草烏間作種植提供技術(shù)支持，也為在云南及其他相似地方推廣應(yīng)用該間作模式提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及供試品種

試驗(yàn)在云南省昆明市祿勸縣撒營盤鎮(zhèn)書西村委會干海子村 (N25°91′，E102°57′)進(jìn)行，試驗(yàn)地平均海拔2 400 m，年平均氣溫11 ℃，年降雨量960 mm。土壤為沙壤土，土質(zhì)疏松，有機(jī)質(zhì)含量46.420 g/kg，全氮含量2.870 g/kg，堿解氮含量178.300 mg/kg，全磷含量1.009 g/kg，有效磷含量63.990 mg/kg，全鉀含量14.010 g/kg，pH 值7.99。前茬作物為黃草烏。供試玉米品種為金玉2 號，購于云南會豐種業(yè)責(zé)任有限公司，該品種適應(yīng)性廣(海拔1 180～2 500 m)，抗逆性強(qiáng)，綜合性狀好，株型半緊湊[16]，近幾年在西南山區(qū)種植面積較大；黃草烏(A.vilmorinianum)選用云南農(nóng)業(yè)大學(xué)2016 年選育的新品種滇草烏1 號。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)IN (玉米常規(guī)施氮肥間作黃草烏)、IN20 (玉米減氮20%間作黃草烏)、IN40 (玉米減氮40%間作黃草烏)、IN60 (玉米減氮60%間作黃草烏)、MS (玉米常規(guī)施氮單作)和AS (黃草烏常規(guī)施肥單作)，共6 個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)地周圍設(shè)0.5 m 走道，0.1 m 保護(hù)行，小區(qū)長10 m，寬3 m，面積30 m2。玉米采用等行距種植，行距0.8 m，株距0.2 m，每穴種2 株，單作種植密度62 505 株/hm2，間作種植密度34 485 株/hm2；黃草烏采用寬窄行種植，寬行0.7 m，窄行0.3 m，株距0.2 m，單作種植密度100 005 株/hm2，間作種植密度68 970 株/hm2。

2020 年1 月6 日選取當(dāng)?shù)禺?dāng)年收獲的黃草烏新鮮健康側(cè)生塊根，大小均勻一致、無病蟲害、具芽頭，每個(gè)質(zhì)量為10～15 g，采用常規(guī)條播種植方式播種，4 月20 日采用點(diǎn)播種植方式播種玉米。黃草烏施肥參照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥方法，農(nóng)家肥作為底肥施用，施用量為16 245 kg/hm2，不施追肥。玉米施用氮肥為尿素 (含氮量46.4%)，磷肥為過磷酸鈣 (含磷量16%)，鉀肥為硫酸鉀 (含鉀量51%)；不施基肥，于2020 年5 月31 日進(jìn)行第1 次追肥，常規(guī)施肥處理純氮、磷、鉀施用量分別為144、243 和72 kg/hm2；2020 年8 月9 日進(jìn)行第2 次追肥，常規(guī)施肥處理純氮、磷、鉀施用量分別為96、162 和48 kg/hm2；各減氮處理按照相應(yīng)比例減少氮肥用量。

1.3 測定指標(biāo)及計(jì)算方法

在玉米抽雄期、黃草烏初花期及兩作物收獲期進(jìn)行生長和產(chǎn)量指標(biāo)測定。測定生長指標(biāo)時(shí)，在各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選5 株代表性植株，測定自然株高和莖粗；收獲期，取玉米莖葉和穗以及黃草烏地上部莖葉，在103 ℃下殺青30 min，75 ℃烘干至恒質(zhì)量；收獲后取黃草烏塊根于50 ℃烘干至恒質(zhì)量[17]，稱其干質(zhì)量，用于分析兩作物產(chǎn)量優(yōu)勢。將烘干后的黃草烏塊根磨成粉末，參照1977 年版《中華人民共和國藥典：一部》中雪上一枝蒿相應(yīng)物質(zhì)含量測定的方法，檢測黃草烏塊根浸出物和總生物堿含量。通過計(jì)算得出收獲指數(shù)、土地當(dāng)量比和單位面積產(chǎn)量凈效應(yīng)。

(1)收獲指數(shù)(HI)[18]：

式中：經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量為玉米籽粒產(chǎn)量和黃草烏塊根產(chǎn)量。

(2)土地當(dāng)量比(LER)[19]：

式中：Yip為草烏的間作產(chǎn)量，Ysp為草烏的單作產(chǎn)量，Yim為玉米的間作產(chǎn)量，Ysm為玉米的單作產(chǎn)量。

(3)單位面積產(chǎn)量的凈效應(yīng)(NE)[20]：

式中：Y1和Y2分別為間作中玉米和黃草烏的實(shí)際產(chǎn)量，EY1和EY2分別為玉米和黃草烏的預(yù)期產(chǎn)量，即單作產(chǎn)量和土地占有率的乘積；M1和M2分別為單作玉米和黃草烏的產(chǎn)量，LS1和LS2分別為玉米和黃草烏間作中的土地份額(根據(jù)間作和單作中某一作物的密度計(jì)算)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；用SPSS 26 對所有指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析和LSD 檢驗(yàn)，顯著水平為P＜0.05；采用GraphPad Prism 8 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米減氮對兩作物間作優(yōu)勢的影響

由表1 可知：減氮對間作玉米和黃草烏產(chǎn)量均產(chǎn)生明顯影響。與MS 和AS 處理相比，IN 處理可顯著提高間作系統(tǒng)復(fù)合產(chǎn)量(P＜0.05)，分別提高71.4%和129.7%，IN 處理的黃草烏產(chǎn)量有所增加，但與AS 處理相比差異不顯著(P＞0.05)。間作減氮處理下，隨著玉米減氮比例增加，2 種作物的產(chǎn)量及復(fù)合產(chǎn)量均呈降低的趨勢。與IN處理相比，IN20 處理的玉米、黃草烏產(chǎn)量及復(fù)合產(chǎn)量小幅增加 (P＞0.05)，IN40 和IN60 處理的玉米產(chǎn)量分別降低2.3%和13.1% (P＞0.05)、黃草烏產(chǎn)量分別降低35.9%和41.6% (P＜0.05)、復(fù)合產(chǎn)量分別降低16.8%和27.0% (P＜0.05)。間作減氮處理對玉米和黃草烏的收獲指數(shù)均無顯著影響?？梢?，玉米減氮20%與黃草烏間作有利于2 種作物產(chǎn)量的增加。

表1 不同處理產(chǎn)量及收獲指數(shù)比較Tab.1 Comparison of yield and harvest index of different treatments

由圖1 可知：所有間作處理的土地當(dāng)量比均大于1，IN 和IN20 處理的土地當(dāng)量比最大 (1.54)，比最小的IN60 處理提高了21.6%，但處理間差異均不顯著 (P＞0.05)；減氮可顯著影響單位面積產(chǎn)量凈效應(yīng)(NE)，所有間作處理的NE 值均大于0，最大為IN20 處理的2 837.57 kg/hm2，其次是IN 處理的2 577.57 kg/hm2和IN40 處理的2 523.12 kg/hm2，最小為IN60 處理的626.98 kg/hm2，其中IN60 與其他處理差異顯著(P＜0.05)?？梢姡衩诇p氮與黃草烏間作能提高土地利用率，且減氮20%的單位面積產(chǎn)量凈效應(yīng)最高。

圖1 4 種間作處理的土地當(dāng)量比和產(chǎn)量凈效應(yīng)Fig.1 Land equivalent ratio and net yield effect of four intercropping treatments

2.2 不同處理對作物生長性狀及生物量的影響

由表2 可知：間作對玉米生長的影響大于黃草烏。與單作相比，IN 處理可顯著降低玉米莖粗(P＜0.05)，玉米和黃草烏的生物量有所增加但差異不顯著(P＞0.05)。間作模式下，IN20 和IN40處理的玉米株高分別較IN 處理顯著增加11.8%和12.6% (P＜0.05)，其余指標(biāo)處理間差異不顯著(P＞0.05)；與IN 處理相比，IN20 處理的黃草烏生物量增加16.2%、IN40 和IN60 處理則分別降低7.6%和72.8%，且IN20 與IN60 處理間差異顯著(P＜0.05)?？梢姡衩诇p氮20%與黃草烏間作不影響兩作物正常生長。

表2 不同處理玉米抽雄期和黃草烏初花期的生長性狀和生物量的比較Tab.2 Growth characters and biomass of different treatments of heading stage of maize and early flowering stage of A.vilmorinianum

2.3 不同間作模式對黃草烏品質(zhì)的影響

由圖2 可知：間作減氮模式對黃草烏浸出物有顯著影響(P＜0.05)，但對總生物堿含量的影響不顯著(P＞0.05)。與AS 相比，IN40 和IN60 處理可顯著提高浸出物含量(P＜0.05)；間作模式下，隨著施氮量的減少，黃草烏浸出物和總生物堿含量均呈先增后減的趨勢，且均在IN40 處理達(dá)到峰值?？梢?，玉米適量減氮與黃草烏間作既能提高黃草烏浸出物又不會影響總生物堿含量。

圖2 不同處理的黃草烏浸出物和總生物堿含量Fig.2 Extract and total alkaloids content of A.vilmorinianum of different treatments

3 討論

間作是基于生態(tài)學(xué)原理，通過調(diào)節(jié)作物群體結(jié)構(gòu)，使其互補(bǔ)性利用地上和地下空間資源，提高間作群體生產(chǎn)力，發(fā)揮間作優(yōu)勢[21]。黃草烏是云南高寒山區(qū)種植的塊根類藥用植物，需種植在土層深厚、有機(jī)質(zhì)含量較高的沙壤土中才能獲得高產(chǎn)[22]。本研究選擇云南黃草烏種植面積最大、種植時(shí)間最長的祿勸縣開展試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：玉米常規(guī)施氮及減氮20%、40%和60%與黃草烏間作的土地當(dāng)量比均大于1.22，表明玉米減少氮肥施用量后，可通過2 行玉米間作4 行黃草烏的種植模式提高土地利用效率，獲得間作優(yōu)勢。該結(jié)果與薄荷、紫蘇和苜蓿與丹參間作可顯著提高丹參及其間作作物的產(chǎn)量而發(fā)揮間作優(yōu)勢的結(jié)果[23]一致；也與減少20%氮肥投入的花生和玉米間作可提高土地當(dāng)量比的結(jié)果[24]相似。由此可見，本研究通過減施玉米氮肥與黃草烏間作的模式，可有效提高土地利用率，發(fā)揮兩作物間作的優(yōu)勢，為云南高寒山區(qū)發(fā)展黃草烏多樣性種植提供借鑒和參考。

在農(nóng)田微環(huán)境內(nèi)，間作作物的生物量主要由作物對資源的獲取能力決定，作物獲取資源的能力更決定了作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[25]。與單作相比，玉米和黃草烏間作存在種間互作關(guān)系。玉米間作黃草烏的復(fù)合產(chǎn)量顯著高于玉米單作和黃草烏單作，分析其原因可能是在玉米和黃草烏間作體系中，玉米為淺根系作物，而黃草烏為深根系作物，兩作物充分利用了地下營養(yǎng)物質(zhì)源，實(shí)現(xiàn)了資源的重新利用和分配。這與桔梗辣椒間作有利于桔梗根系生長[26]、間作可提高半夏一級種產(chǎn)出從而提高半夏產(chǎn)量[27]的研究結(jié)果相似。玉米黃草烏行比2∶4 減氮20%的種植模式提高了兩作物的復(fù)合產(chǎn)量，說明此種植模式的經(jīng)濟(jì)效益最好。

糧藥間作不僅能發(fā)揮間作優(yōu)勢，還能提高藥材品質(zhì)。中藥材品質(zhì)主要受到遺傳和生長環(huán)境的共同影響，間作模式改變了黃草烏的生長微環(huán)境，刺激了黃草烏次生代謝的加強(qiáng)，從而影響其浸出物的積累。張文靜等[26]利用辣椒與桔梗間作發(fā)現(xiàn)：間作能顯著提高桔梗主根的水溶性浸出物和總皂苷含量等，改善桔梗的內(nèi)在品質(zhì)。劉偉等[23]將丹參與薄荷、紫蘇和苜蓿間作發(fā)現(xiàn)：間作丹參的脂溶性成分含量顯著高于單作。本研究發(fā)現(xiàn)：與黃草烏單作相比，玉米減氮與黃草烏間作對黃草烏品質(zhì)影響很小。說明玉米減氮間作黃草烏不僅能發(fā)揮間作優(yōu)勢，還能減少氮肥用量。

4 結(jié)論

在高寒冷涼和含氮相對較高的中等肥力土壤條件下，玉米減氮與黃草烏間作均能發(fā)揮間作優(yōu)勢。其中，玉米減氮20%間作黃草烏的種植模式能顯著提高系統(tǒng)復(fù)合產(chǎn)量，且對黃草烏的品質(zhì)影響較??；玉米減氮40%間作黃草烏的種植模式能顯著提高黃草烏浸出物含量，但對總生物堿含量的影響較小。這一結(jié)果可為高寒山區(qū)進(jìn)一步推廣玉米減氮與黃草烏間作的種植模式提供一定的理論依據(jù)。