全 文 ：减量施氮对玉米鄄大豆套作体系中作物产量
及养分吸收利用的影响*
雍太文1,2摇 刘小明1,2摇 刘文钰1,2摇 苏本营1,2摇 宋摇 春2,3摇 杨摇 峰1,2摇 王小春1,2摇 杨文钰1,2**
( 1四川农业大学农学院, 成都 611130; 2农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室, 成都 611130; 3四川农业大学资源环境
学院生态环境研究所, 成都 611130)
摘摇 要摇 通过田间试验研究了种植方式(玉米单作、大豆单作、玉米鄄大豆套作)和施氮水平
(0、180、240 N kg·hm-2)对玉米和大豆产量、养分吸收及氮肥利用的影响.结果表明: 与单作
相比,玉米鄄大豆套作体系中玉米籽粒产量、地上部植株 N、P、K 吸收量及收获指数略有降低,
而大豆籽粒产量、地上部植株 N、P、K吸收量及收获指数显著提高.玉米鄄大豆套作系统的套作
优势随施氮量的增加而降低,与当地农民常规施氮量(240 kg·hm-2 )相比,减量施氮(180
kg·hm-2)处理下玉米和大豆产量、经济系数,以及 N、P、K吸收量和收获指数、氮肥农学利用
率、氮肥吸收利用率显著提高,土壤氮贡献率降低;与不施氮相比,减量施氮降低了玉米带土
壤的全 N、全 P含量,提高了大豆带土壤的全 N、全 P、全 K含量和玉米带土壤的全 K含量.减
量施氮水平下,玉米鄄大豆套作系统的周年籽粒总产量、地上部植株 N、P、K总吸收量均高于玉
米和大豆单作,土地当量比(LER)达 2. 28;玉米鄄大豆套作系统的氮肥吸收利用率比玉米单作
高 20郾 2% ,比大豆单作低 30. 5% ,土壤氮贡献率比玉米和大豆单作分别低 20. 0%和 8. 8% .玉
米鄄大豆套作减量一体化施肥有利于提高系统周年作物产量和氮肥利用率.
关键词摇 玉米鄄大豆套作摇 减量施氮摇 产量摇 养分吸收摇 氮素利用效率
*国家自然科学基金项目(31271669,31201169)和国家公益性行业(农业)科研专项(201203096)资助.
**通讯作者. E鄄mail: wenyu. yang@ 263. net
2013鄄05鄄24 收稿,2013鄄11鄄15 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)02-0474-09摇 中图分类号摇 S147. 3, S344. 3摇 文献标识码摇 A
Effects of reduced N application rate on yield and nutrient uptake and utilization in maize鄄
soybean relay strip intercropping system. YONG Tai鄄wen1,2, LIU Xiao鄄ming1,2, LIU Wen鄄yu1,2,
SU Ben鄄ying1,2, SONG Chun2,3, YANG Feng1,2, WANG Xiao鄄chun1,2, YANG Wen鄄yu1,2 ( 1Col鄄
lege of Agronomy, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2Ministry of Agricul鄄
ture Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Cultivation in Southwest, Chengdu 611130,
China; 3 Institute of Ecological and Environmental Sciences, College of Resources and Environment,
Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(2):
474-482.
Abstract: A field experiment with three N application rates (0, 180, 240 N kg·hm-2, represen鄄
ting zero, reduced and conventional N application, respectively) and three planting patterns (maize
monoculture, soybean monoculture and maize鄄soybean relay strip intercropping) was conducted to
reveal the effects of cropping patterns and N application rates on yield, nutrient uptake and nitrogen
use efficiency of maize and soybean. The results showed that the grain yield, N, P and K uptake
and harvest index of the intercropped maize reduced slightly compared with the monoculture maize,
however these indices of the intercropped soybean increased significantly compared with the mono鄄
culture. With the increase in nitrogen fertilizer application, the excellence of relay strip intercrop鄄
ping was weakened in the maize鄄soybean intercropping system. The grain yield, economic coeffi鄄
cient, N, P and K uptake, harvest index, N agronomy efficiency and N uptake efficiency of maize
and soybean increased significantly at the reduced nitrogen rate (180 N kg·hm-2), but the rate of
soil N contribution declined, compared with the conventional rate of N application by local farmers
(240 N kg·hm-2). In the reduced nitrogen rate treatment, total soil N and P contents of the maize
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 2 月摇 第 25 卷摇 第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2014, 25(2): 474-482
strip reduced, whereas the total soil N, P and K contents of soybean strip and the total K content of
maize strip increased compared with the zero N application treatment. With the reduced N applica鄄
tion, the annual total grain yield, N, P and K uptake of above鄄ground biomass in the maize鄄soybean
relay strip intercropping system were higher than in the monoculture, and the land equivalent ratio
(LER) was 2. 28. N uptake efficiency of maize in the relay strip intercropping system was 20. 2%
higher than in the maize monoculture, and the index of soybean was 30. 5% lower than in the mon鄄
oculture. The rate of soil N contribution in the relay strip intercropping system was 20. 0% and
8郾 8% lower than in the maize and soybean monoculture, respectively. The reduced N application
in the maize鄄soybean relay strip intercropping system was helpful to promote annual grain yield and
improve N utilization efficiency.
Key words: maize鄄soybean relay strip intercropping; reduction of N application; yield; nutrient
uptake; N utilization efficiency.
摇 摇 我国人均可耕地面积大大低于发达国家,用经
济高效的方式增加单位面积作物产量和依靠间套复
种提高播种面积是保障粮食安全的有力措施. 我国
是世界上单位化肥投入粮食产出最低的国家之一,
小麦、玉米等主要粮食作物的氮肥利用率仅为
26% ~28% (发达国家为 45% ) [1] . 氮肥的低效利
用,是农业面源污染成为水系富营养化、土壤酸化与
重金属污染最重要的因素,威胁生态安全与可持续
发展[2] .间作、套种正是在这种背景下发展起来的
一系列有效利用土地和提高养分利用率的生产技
术[3-5],尤其是豆科与禾本科作物的间套作效应更
为明显. Nielsen 等[6]研究表明,豌豆与大麦间作相
比单作,对氮的利用效率提高了 30% ~ 40% . 雍太
文等[7]研究表明,麦 /玉 /豆套作的玉米植株15N 当
季吸收量和回收率较单作提高 25. 2% . Li等[8]研究
发现,在施纯氮 200 ~ 400 kg·hm-2时,小麦 /玉米套
作籽粒的吸氮量比单作高 37% .叶优良等[9]对不同
品种小麦与玉米套作的研究表明,在施纯氮 300
kg·hm-2时,套作小麦籽粒吸氮量较单作增加
28郾 6% ~63. 0% .
近年来,玉米鄄大豆带状间套作模式发展迅速,
对西南乃至南方旱地农业增产、农民增收起到了十
分重要的作用[10-11] . 在玉米鄄大豆带状套作模式中
由于大豆的引入,改变了传统玉米鄄甘薯套作的作物
结构,导致系统功能改变,大豆通过根瘤固氮作用,
不仅改善了土壤环境,也改变了系统的氮素循环.而
生产中作物施肥仍按传统玉米鄄甘薯套作模式,或以
玉米、大豆单季作物独立实施,施肥总量大、易流失,
肥料利用率低、损耗大. 对此,笔者提出了建立在减
量施氮基础上的玉米鄄大豆带状套作一体化施肥方
法.有关减量施氮技术在水稻[12]、小麦[13]、玉米[14]、
大豆[15]等作物上的应用,前人已作了大量研究,认
为适当减量施氮对作物产量及氮素吸收不会产生显
著影响.前人的减量施氮技术研究主要是针对单作
或间作系统,尚未针对玉米鄄大豆带状套作系统开展
研究.为此,本文拟通过玉米、大豆在单作和套作模
式下不同施氮水平间单季作物及周年作物的生物
量、植株养分吸收利用及土壤养分含量变化规律的
研究,揭示玉米鄄大豆带状套作体系在减量一体化施
肥方式下的养分高效利用特性,为玉米鄄大豆带状复
合种植高产及高效施肥提供理论与实践依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验材料
供试玉米品种为川单 418,由四川农业大学提
供;大豆品种为南豆 12,由南充市农业科学院提供.
试验于 2012 年 3—10 月在四川省现代粮食产业(仁
寿)示范基地进行.
1郾 2摇 试验设计
采用二因素裂区设计,主区为种植模式,分别为
玉米单作 ( P1 )、大豆单作 ( P2 )、玉米鄄大豆套作
(P3);副区为施氮水平,分别为不施氮(N0,对照)、
减量施氮(N1,180 kg N·hm-2,根据当地玉米施氮
量确定)、常规施氮(N2,240 kg N·hm-2,根据当地
玉米和大豆的总施氮量确定),共 9 个处理,重复 3
次.每个处理连续种 3 带,带长 6 m、带宽 2 m,小区
面积 36 m2 .玉米单作和大豆单作(P1、P2)采用等行
距种植,玉米行距 100 cm、大豆行距 50 cm,玉米、大
豆穴距均 19 cm,穴留 1 株;玉米鄄大豆套作(P3)采
用宽窄行种植,玉米宽行 160 cm,窄行 40 cm,玉米
宽行内种 2 行大豆,大豆行距 40 cm,玉米与大豆间
距 60 cm,玉米、大豆穴距均 19 cm,玉米穴留 1 株,
密度 5. 25 万株·hm-2,大豆穴留 2 株,密度 10. 5 万
株·hm-2 .各作物保证在单、套作方式下,单位土地
5742 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 雍太文等: 减量施氮对玉米鄄大豆套作体系中作物产量及养分吸收利用的影响摇 摇 摇 摇
面积的种植密度和施肥水平一致. 玉米氮肥分 2 次
施用,即底肥和大喇叭口期追肥,大豆氮肥一次性施
用.玉米单作和大豆单作(P1、P2)按传统株间穴施
方式施肥;玉米鄄大豆套作(P3)体系按玉米、大豆一
体化施肥方式施肥(在玉米、大豆之间,距玉米 25
cm处开沟施肥),玉米底肥统一按 72 kg N·hm-2实
施,玉米大喇叭口期追肥则与大豆磷钾肥混合一起
同时施用,各作物氮肥施用方式及施用量见表 1;
单、套作玉米及单作大豆的磷钾肥随底肥施用,玉米
施用量为 P2O5 105 kg·hm-2、K2O 112. 5 kg·hm-2,
大豆的施用量为 P2O5 63 kg · hm-2、 K2O 52郾 5
kg·hm-2 .玉米 4 月 5 日播种,8 月 2 日收获;大豆 6
月 15 日播种,10 月 26 日收获.
1郾 3摇 采样与测定方法
1郾 3郾 1 土壤样品的采集与测定摇 各作物收获时用土
钻分带采集土壤样品(0 ~ 30 cm),单作玉米土壤样
品和单作大豆土壤样品分别为垂直玉米行或大豆行
0 cm、距玉米行间 25 cm、距大豆行间 25 cm,共 3 个
样点;玉米鄄大豆套作处理下玉米土壤样品和大豆土
壤样品分别为垂直玉米行或大豆行距窄行 0 cm、20
cm,距宽行 20 cm、40 cm,共 4 个样点;将采集样品
制备成混合样,按四分之一法取 50 g 土,风干后测
定全氮、全磷、全钾含量,土壤全氮采用凯氏定氮法,
全磷采用钼锑比色法,全钾采用火焰光度法测定.
1郾 3郾 2 植株样品的采集与测定摇 于成熟期采集各作
物的植株样品.套作与单作处理的玉米、大豆植株取
样方法相同,每小区随机选取长势一致样段两段,每
段取对称 2 行的连续 2 穴,单作和套作处理的玉米
均为 8 株,单作大豆 8 株、套作大豆 16 株.将植株样
品按地上部秸秆、籽粒和地下根系分开,105 益下杀
表 1摇 不同种植模式的氮肥施用量
Table 1 摇 N application rate under different planting pat鄄
terns (kg·hm-2)
种植模式
Planting
pattern
施氮处理
N application
treatment
施氮总量
Total N
application
rate
底肥
Base
fertilizer
追肥
Top
fertilizer
P1 N1 135 72 63
N2 180 72 108
P2 N1 45 45 0
N2 60 60 0
P3 N1 180 72 108
N2 240 72 168
P1:玉米单作 Maize monoculture; P2:大豆单作 Soybean monoculture;
P3:玉米鄄大豆套作 Maize鄄soybean relay strip intercropping. N1:减量施
氮 Reduced N application; N2:常规施氮 Normal N application. 下同
The same below.
青 30 min后继续在 75 益烘至恒量,测定干物质量;
样品粉碎后过 60 目筛,测定全氮、全磷、全钾含量,
测定方法同土壤样品.
1郾 4摇 计算公式
按 Jaynes和 Swan[16]报道的公式计算土壤氮贡
献率、氮肥利用率和养分收获指数:
土壤氮贡献率(SCRN) = 不施氮区地上植株氮
积累量 /施氮区地上植株氮积累量伊100%
氮肥农学利用率(AEN)= (施氮区作物产量-不
施氮区作物产量) /施氮量
氮肥吸收利用率(UEN)= (施氮区地上植株氮积
累量-不施氮区地上植株氮积累量) /施氮量伊100%
养分收获指数(NHI)= 籽粒中 N(P 或 K)积累
量 /成熟期总 N(P或 K)积累量伊100%
土地当量比(LER) [5] =(套作玉米产量 /单作玉
米产量)+(套作大豆产量 /单作大豆产量)
经济系数=籽粒产量 /地上部植株生物量
玉米鄄大豆套作系统(P3 )的总生物量(总籽粒
产量)为玉米地上部总生物量(总籽粒产量)与大豆
地上部总生物量(总籽粒产量)之和;玉米鄄大豆套作
系统(P3)的总吸氮(磷或钾)量为玉米地上部总吸
氮(磷或钾)量与大豆地上部总吸氮(磷或钾)量之
和;玉米鄄大豆套作系统(P3)的经济系数、氮素利用
率和土壤氮贡献率均根据系统的总生物量与总养分
吸收量进行计算.
1郾 5摇 数据处理
采用 Excel 2003 和 DPS 7. 05 软件进行数据处
理和统计分析,利用 LSD 法进行差异显著性检验
(琢=0. 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同种植模式下作物生物量和经济系数
2郾 1郾 1 生物量摇 施氮与种植方式对玉米、大豆生物
量均有显著影响(表 2),单作与套作处理间玉米地
下部根系与地上部茎叶、籽粒等生物量差异不显著,
单作略高于套作,其中玉米单作的籽粒产量比套作
高 6. 8% .单套作处理对大豆生物量有显著影响,地
下部根系和地上部茎叶生物量为单作大于套作,而
籽粒产量为套作大于单作,其中,套作处理的大豆籽
粒产量比单作高 30. 4% . 各单套作模式下玉米、大
豆的根系生物量随施氮量的增加而增加;相对不施
氮和常规施氮处理,单作、套作模式下减量施氮处理
(180 kg·hm-2)的玉米、大豆茎叶和籽粒生物量显
著提高,其中套作模式下减量施氮处理的玉米和大
674 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 2摇 不同种植模式下玉米、大豆生物量
Table 2摇 Biomass of maize and soybean under different planting patterns (kg·hm-2)
施 N水平
N application
rate
(kg·hm-2)
玉米 Maize
根 Root
P1 P3
茎叶 Stem
P1 P3
籽粒 Grain
P1 P3
大豆 Soybean
根 Root
P2 P3
茎叶 Stem
P2 P3
籽粒 Grain
P1 P3
0 428. 2b 440. 4b 6841. 1a 6610. 5a 6378. 5b 6095. 0b 193. 5b 152. 5b 2254. 6b 1551. 8b 1552. 1b 1567. 3c
180 552. 7ab 533. 0ab 6760. 4a 6798. 3a 7115. 5a 6790. 5a 221. 4ab 193. 8ab 2775. 6a 2297. 6a 1788. 7a 2364. 1a
240 707. 1a 631. 0a 6608. 0a 6621. 1a 7038. 0a 6346. 5b 246. 1a 201. 0a 2205. 5b 2250. 0a 1341. 9c 2176. 8b
平均 Mean 562. 6A 534. 8A 6736. 5A 6676. 6A 6844. 0A 6410. 7A 220. 3A 182. 4B 2411. 9A 2033. 1A 1560. 9A 2036. 1A
同列不同小写字母表示不同氮处理间差异显著,同行不同大写字母表示不同种植模式间差异显著(P<0. 05)Different small letters in the same
column meant significant difference among different N treatments at 0郾 05 level, and different capital letters in the same row meant significant difference
among different planting patterns at 0郾 05 level. 下同 The same below.
表 3摇 玉米鄄大豆套作系统的总生物量和土地当量比(LER)
Table 3摇 Total biomass and land equivalent ratio (LER) in maize鄄soybean relay strip intercropping system
施 N水平
N application rate
(kg·hm-2)
总生物量 Total biomass (kg·hm-2)
P1 P2 P3
籽粒总产量 Total grain yield (kg·hm-2)
P1 P2 P3
LER
0 13647. 8b 4000. 3b 16417. 3c 6378. 5b 1552. 1ab 7662. 2c 1. 97
180 14428. 6a 4785. 7a 18977. 3a 7115. 5a 1788. 7a 9154. 6a 2. 28
240 14353. 1a 3793. 5b 18226. 4b 7038. 0a 1341. 9b 8523. 3b 2. 52
平均 Mean 14143. 1A 4193. 1B 17873. 7C 6844. 0A 1560. 9B 8446. 7C
豆籽粒生物量比不施氮处理高 11. 4%和 50. 8% ,比
常规施氮处理高 6. 7%和 8. 6% .
进一步分析套作系统周年总生物量可知(表
3),各施氮处理下,玉米鄄大豆套作处理的周年总生
物量和籽粒总产量显著高于玉米单作和大豆单作.
与不施氮处理相比,施氮可以提高玉米鄄大豆套作系
统的周年总生物量和籽粒总产量,以减量施氮处理
最高,该处理下玉米鄄大豆套作系统的周年总生物量
和籽粒总产量分别比玉米单作高 31. 5%和 28. 6% ,
比大豆单作高 296. 5%和 411. 8% ,LER 达 2. 28,比
不施氮处理的 LER高 15. 7% .
2郾 1郾 2 经济系数摇 由表 4 可知,与单作相比,玉米套
作处理的经济系数降低,而大豆套作处理的经济系
数显著增加,说明套作更有利于大豆干物质向籽粒
转运;与不施氮相比,施氮可以提高玉米单作、套作
表 4摇 不同种植模式下玉米、大豆经济系数
Table 4摇 Economic coefficients of maize and soybean under
different planting patterns
施 N水平
N application
rate
(kg·hm-2)
玉米 Maize
P1 P3
大豆 Soybean
P2 P3
玉米鄄
大豆系统
Maize鄄
soybean
system
0 0. 47b 0. 46b 0. 39a 0. 48ab 0. 47b
180 0. 49a 0. 48a 0. 37a 0. 49a 0. 48a
240 0. 49a 0. 47b 0. 35b 0. 47b 0. 47b
平均 Mean 0. 48A 0. 47A 0. 37A 0. 48B 0. 47
和大豆套作的经济系数,以减量施氮处理最高,而大
豆单作在施氮后经济系数显著降低.玉米鄄大豆套作
系统的总经济系数显著高于大豆单作,但与玉米单
作、套作和大豆套作的差异不显著,各施氮水平间仍
以减量施氮处理最高.
2郾 2摇 不同种植模式下作物的养分吸收
2郾 2郾 1 吸氮量摇 玉米套作的根系吸氮量和茎叶吸氮
量与玉米单作差异不显著,但玉米单作的籽粒吸氮
量显著高于套作;大豆吸氮量规律与玉米正好相反,
根系和茎叶吸氮量为单作大于套作,籽粒吸氮量为
套作大于单作.与不施氮相比,施氮可以提高玉米和
大豆的吸氮量,以减量施氮处理最高,该施氮处理下
玉米套作和大豆套作的籽粒吸氮量分别比不施氮处
理高 21. 8%和 58. 7% ;增施氮肥后作物氮素吸收量
呈降低趋势,玉米单作和大豆单作在常规施氮处理
下的茎叶和籽粒吸氮量显著低于不施氮处理(表
5).
与玉米单作相比,套作处理下玉米地上部总吸
氮量虽呈降低趋势,但因套作处理的大豆吸氮量显
著增加,使套作系统的周年植株总吸氮量显著高于
玉米单作和大豆单作(表 6). 各施氮水平间仍以减
量施氮处理的周年植株总吸氮量最高,比不施氮处
理高 39. 2% ;该施氮水平下,套作系统的周年植株
总吸氮量比玉米单作和大豆单作分别高 128. 1%和
109郾 6% .进一步分析作物的氮收获指数可知,各施
7742 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 雍太文等: 减量施氮对玉米鄄大豆套作体系中作物产量及养分吸收利用的影响摇 摇 摇 摇
表 5摇 不同种植模式下玉米、大豆养分吸收量
Table 5摇 Nutrient uptake of maize and soybean under different planting patterns (kg·hm-2)
养分
Nutrient
施 N水平
N application
rate
(kg·hm-2)
玉米 Maize
根 Root
P1 P3
茎叶 Stem
P1 P3
籽粒 Grain
P1 P3
大豆 Soybean
根 Root
P2 P3
茎叶 Stem
P2 P3
籽粒 Grain
P2 P3
N 0 1. 8b 1. 7b 53. 2ab 52. 1ab 70. 8b 62. 5c 1. 6a 1. 3a 20. 7c 12. 7b 98. 9b 101. 1c
180 3. 1a 2. 8a 57. 8a 60. 9a 80. 2a 76. 1a 1. 9a 1. 5a 28. 4a 20. 1a 123. 3a 160. 6a
240 3. 2a 3. 5a 48. 7b 51. 0b 78. 2a 68. 1b 2. 2a 1. 7a 22. 5b 19. 0a 91. 4b 144. 0b
平均 Mean 2. 7A 2. 7A 53. 3A 54. 7A 76. 4A 68. 9B 1. 9A 1. 5A 23. 9A 16. 9B 104. 5A 135. 4B
P 0 0. 2b 0. 1c 3. 5a 3. 0a 12. 4c 14. 2b 0. 3a 0. 2b 5. 3a 3. 1b 11. 8b 11. 6b
180 0. 2b 0. 2b 3. 5a 3. 5a 15. 1b 20. 1a 0. 3a 0. 3a 5. 5a 4. 8a 13. 2a 16. 7a
240 0. 3a 0. 3a 3. 8a 3. 9a 20. 1a 11. 2c 0. 3a 0. 3ab 5. 2a 4. 4a 9. 7c 15. 6a
平均 Mean 0. 2A 0. 2A 3. 6A 3. 5A 15. 9A 15. 2A 0. 3A 0. 3A 5. 4A 4. 1B 11. 6A 14. 6B
K 0 2. 9b 6. 4b 143. 3a 152. 1a 24. 5b 25. 6b 8. 5a 6. 5b 140. 1a 90. 6c 57. 0b 56. 6c
180 7. 9a 9. 6a 154. 2a 161. 3a 30. 9a 30. 8a 9. 6a 8. 4a 145. 0a 142. 3a 63. 3a 86. 0a
240 7. 7a 10. 9a 147. 1a 153. 9a 32. 4a 28. 4ab 10. 2a 8. 7a 130. 6a 122. 7b 47. 7c 78. 5b
平均 Mean 6. 2A 8. 9A 148. 2A 155. 8A 29. 2A 28. 3A 9. 4A 7. 9A 138. 6A 118. 5B 56. 0A 73. 7B
表 6摇 玉米鄄大豆套作系统的植株总养分吸收量及收获指数
Table 6摇 Total nutrient uptake and harvest index in maize鄄soybean relay strip intercropping system
养分
Nutrient
施 N水平
N application
rate
(kg·hm-2)
总吸收量 Total uptake (kg·hm-2)
P1 P2 P3
收获指数 Harvest index (% )
玉米 Maize
P1 P3
大豆 Soybean
P2 P3
玉米鄄
大豆系统
Maize鄄soybean
system
N 0 125. 8b 121. 2b 231. 3c 57. 2b 54. 7a 82. 7a 88. 9a 71. 7b
180 141. 1a 153. 6a 321. 9a 58. 1b 55. 5a 81. 2a 88. 9a 74. 5ab
240 130. 1ab 116. 1b 286. 9b 61. 7a 57. 2a 80. 2a 88. 9a 75. 5a
平均 Mean 132. 3A 130. 3A 280. 1B 59. 0A 55. 8B 81. 4A 88. 9B 73. 9
P 0 16. 1c 17. 4a 32. 3c 78. 4c 82. 3a 68. 9ab 78. 8a 80. 7a
180 18. 8b 19. 0a 45. 7a 80. 8b 85. 3a 70. 5a 77. 7a 81. 7a
240 24. 1a 15. 2b 35. 7b 84. 2a 74. 3b 65. 0b 78. 2a 76. 4b
平均 Mean 19. 7A 17. 2A 37. 9B 81. 2A 80. 6A 68. 2A 78. 2B 79. 6
K 0 170. 6b 205. 6ab 337. 8c 14. 6b 14. 5a 28. 9ab 38. 4a 25. 3a
180 193. 1a 217. 8a 438. 4a 16. 7ab 16. 1a 30. 4a 37. 8a 27. 8a
240 187. 2ab 188. 5b 403. 0b 18. 1a 15. 6a 26. 8b 39. 0a 27. 8a
平均 Mean 183. 6A 203. 9A 393. 1B 16. 5A 15. 4A 28. 7A 38. 4B 27. 0
氮处理下均表现为玉米套作小于玉米单作、大豆套
作大于大豆单作,套作系统的氮收获指数比玉米单
作高 25. 3% ,比大豆单作低 9. 2% ;与不施氮相比,
施氮后玉米单作及套作系统的氮收获指数显著提
高,而玉米套作、大豆单作和大豆套作的氮收获指数
差异不显著.
2郾 2郾 2 吸磷量摇 各单套作处理间的玉米根系、茎叶
及籽粒对磷的吸收量差异不显著,但单作大豆茎叶
吸磷量比套作高 30. 2% ,套作大豆籽粒吸磷量比单
作高 26. 5% .与不施氮相比,施氮提高了玉米、大豆
茎叶及籽粒的吸磷量,但各单套作模式下的变化规
律不一致;玉米单作的茎叶及籽粒吸磷量以及套作
处理下玉米的茎叶吸磷量均随施氮量的增加而增
加,而玉米套作的籽粒吸磷量以减量施氮处理最高,
比不施氮处理高 41. 4% ,并且该施氮处理下,玉米
套作的籽粒吸磷量比单作高 33. 1% .大豆茎叶和籽
粒吸磷量在单套作模式下均以减量施氮处理最高,
而常规施氮处理降低了植株地上部吸磷量,尤其是
对大豆单作的影响较大,常规施氮处理的茎叶与籽
粒吸磷量甚至低于不施氮处理(表 5).
玉米鄄大豆套作系统周年植株对磷的吸收总量
显著高于玉米单作和大豆单作 (表 6 ),分别高
92郾 5%和 120. 3% .各施氮处理间,玉米单作和大豆
单作的植株吸磷总量随施氮量的增加而增加,玉米鄄
大豆套作的周年植株吸磷总量以减量施氮处理最
高,比不施氮和常规施氮处理分别高 41郾 2% 和
28郾 0% .进一步分析磷收获指数可知,玉米和大豆的
磷收获指数在不施氮及减量施氮处理下表现为套作
874 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
大于单作,常规施氮处理下则为玉米套作小于玉米
单作、大豆套作大于大豆单作,且玉米鄄大豆套作系
统的磷收获指数比玉米单作降低 2. 0% . 与不施氮
相比,减量施氮可以提高玉米、大豆单套作模式下的
磷收获指数,常规施氮则呈降低趋势,该施氮水平
下,玉米鄄大豆套作系统的磷收获指数比不施氮低
5郾 3% ,比减量施氮低 6. 5% .
2郾 2郾 3 吸钾量摇 与玉米单作相比,玉米套作降低了
籽粒吸钾量,提高了茎叶吸钾量,但差异不显著(表
5);大豆套作的籽粒吸钾量比单作高 31. 6% ,而大
豆套作的茎叶吸钾量比单作低 14. 5% .与不施氮相
比,施氮可以提高玉米和大豆对钾的吸收,以减量施
氮处理最高;施氮过高会降低茎叶与籽粒的吸钾量,
尤其是对大豆单作的影响较大,大豆单作模式下常
规施氮处理的茎叶与籽粒吸钾量显著低于不施氮和
减量施氮处理.
玉米鄄大豆套作系统的周年植株总吸钾量显著
高于玉米单作和大豆单作(表 6).与不施氮相比,施
氮显著提高了玉米大豆套作系统和玉米、大豆单作
的植株总吸钾量,以减量施氮处理最高,分别比不施
氮处理高 29. 8% 、13. 2%和 6. 0% .施氮与种植方式
对钾收获指数的影响与氮收获指数一致,各施氮处
理下表现为玉米套作小于玉米单作、大豆套作大于
大豆单作,套作系统的钾收获指数比玉米单作高
63. 6% ,比大豆单作低 5. 9% ;与不施氮相比,减量
施氮提高了玉米单套作及玉米鄄大豆套作系统的钾
收获指数,大豆则呈降低趋势,但差异不显著.
2郾 3摇 不同种植模式下作物氮肥利用率
与玉米单作相比,玉米套作在各施氮处理下的
氮肥农学利用率降低,氮肥吸收利用率提高,其中减
量施氮处理下玉米套作氮肥农学利用率比玉米单作
低 29. 3% ,氮肥吸收利用率比玉米单作高 20. 2%
(表 7).与大豆单作相比,大豆套作在减量施氮处理
下的氮肥农学利用率和吸收利用率均降低;常规施
氮处理下,由于加剧了大豆旺长和抑制了生物固氮,
导致单作大豆在常规施氮处理下的吸氮量低于不施
氮处理,氮肥吸收利用率和农学利用率接近于 0;进
一步分析周年玉米鄄大豆套作系统氮肥利用率可知,
玉米鄄大豆套作系统在减量施氮处理下的周年氮肥
农学利用率高于玉米和大豆的单作与套作,周年氮
肥吸收利用率则为大豆单作>玉米鄄大豆套作系统>
大豆套作>玉米套作>玉米单作.与玉米和大豆单作
相比,玉米鄄大豆套作在各施氮处理下的单季作物和
玉米鄄大豆套作系统的土壤氮贡献率均降低,其中减
量施氮处理下玉米鄄大豆套作系统土壤氮贡献率分
别比玉米单作和大豆单作低 20. 0%和 8. 8% . 由此
说明,玉米鄄大豆套作系统通过减量一体化施肥适当
降低了大豆的氮肥利用率,但大大提高了玉米的氮
肥利用率,并通过土壤氮贡献率的降低,减少了土壤
氮消耗,使土壤肥力得以保持.
2郾 4摇 不同种植模式下土壤养分含量
种植方式影响了玉米、大豆的当季土壤养分含
量(表 8),玉米套作比单作土壤全 N、全 P 含量高
32. 0%和 13. 5% ,土壤全 K含量则降低 4. 0% ;大豆
土壤全 N和全 K含量为套作<单作,土壤全 P 含量
为套作>单作,但差异不显著.不同施氮水平间土壤
养分含量在单套作模式下的变化规律不一致,玉米
单作的土壤全N含量以减量施氮最高,而玉米套作
表 7摇 玉米鄄大豆套作系统的氮肥利用率及土壤氮贡献率
Table 7摇 N utilization efficiency and soil N contribution in maize鄄soybean relay strip intercropping system
施 N水平
Napplication
rate
(kg·hm-2)
氮肥农学利用率 AEN (kg·kg-1)
玉米
Maize
P1 P3
大豆
Soybean
P2 P3
玉米鄄
大豆系统
MSS
氮肥吸收利用率 UEN (% )
玉米
Maize
P1 P3
大豆
Soybean
P2 P3
玉米鄄
大豆系统
MSS
土壤氮贡献率 SCN (% )
玉米
Maize
P1 P3
大豆
Soybean
P2 P3
玉米鄄
大豆系统
MSS
180 5. 5 3. 9 5. 3 4. 4 8. 3 10. 4 12. 5 71. 4 37. 1 49. 6 89. 8 83. 6 78. 8 63. 0 71. 9
240 3. 7 1. 1 0. 0 2. 5 3. 6 1. 6 1. 9 0. 0 20. 3 22. 2 97. 7 96. 1 100. 0 70. 0 81. 1
AEN:N agronomy efficiency; UEN:N uptake efficiency; SCN:Soil N contribution; MSS:Maize鄄soybean system.
表 8摇 不同种植模式下玉米、大豆土壤养分含量
Table 8摇 Soil nutrient content of maize and soybean under different planting patterns (g·kg-1)
施 N水平
N application
rate (kg·hm-2)
玉米 Maize
全氮 Total N
P1 P3
全磷 Total P
P1 P3
全钾 Total K
P1 P3
大豆 Soybean
全氮 Total N
P2 P3
全磷 Total P
P2 P3
全钾 Total K
P2 P3
0 0. 52b 0. 73a 0. 67a 0. 72a 15. 10b 13. 78b 0. 77b 0. 72b 0. 52b 0. 62a 17. 40a 15. 98a
180 0. 62a 0. 72a 0. 59b 0. 70a 15. 23b 15. 84a 0. 84a 0. 87a 0. 68a 0. 66a 15. 67b 16. 50a
240 0. 55b 0. 78a 0. 56b 0. 65a 16. 28a 15. 11a 0. 88a 0. 82a 0. 67a 0. 72a 15. 89b 16. 08a
平均 Mean 0. 56A 0. 74B 0. 61A 0. 69A 15. 54A 14. 91A 0. 83A 0. 80A 0. 62A 0. 67A 16. 32A 16. 19A
9742 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 雍太文等: 减量施氮对玉米鄄大豆套作体系中作物产量及养分吸收利用的影响摇 摇 摇 摇
因植株吸氮能力强,导致减量施氮水平下玉米带土
壤全 N含量略有降低,比不施氮处理低 1. 9% ;大豆
因生物固氮作用,在减量施氮水平下套作处理不仅
植株吸氮能力最强,土壤全 N 含量也最高,比不施
氮处理高 20. 4% .玉米单作和套作处理的土壤全 P
含量均随施氮量的增加而降低,而大豆土壤全 P 含
量则随施氮量的增加而增加.玉米单作的土壤全 K
含量随施氮量的增加而增加,大豆单作的土壤全 K
含量随施氮量的增加而降低;玉米套作和大豆套作
的土壤全 K含量均为施氮显著高于不施氮处理,以
减量施氮处理最高,分别比不施氮处理高 14. 9%和
3. 3% .
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 玉米鄄大豆套作减量一体化施肥对氮肥吸收和
利用的影响
间套作有利于作物产量增大和氮素的吸收,在
氮素竞争吸收过程中表现出明显的套作优势,尤其
是豆科与禾本科作物间套作,禾本科作物的间套作
优势十分明显,产量和氮素吸收量往往比其在单作
条件下提高很多,如小麦+蚕豆[17]、小麦+大豆[18]、
玉米+大豆[19]、水稻 /花生[20]、苜蓿+玉米[21]等间套
作系统.笔者在前期研究中也发现,小麦 /玉米 /大豆
套作体系下玉米始终占据优势生态位,大豆处于竞
争劣势[22],与单作相比,套作体系下玉米产量、吸氮
量及氮肥利用率显著提高,大豆则呈降低趋势[7],
尤其是大豆对氮肥的利用率降低 51. 5% ,不利于套
作系统玉米、大豆双高产的形成和养分利用率的整
体提高.对此,笔者提出了基于减量施氮理论的玉
米鄄大豆套作一体化施肥方法,将大豆用肥与玉米大
喇叭口期追肥整合在一起,期望通过整合施肥时间、
优化施肥距离、降低施肥量等方式来提高玉米大豆
套作系统的产量和养分利用率,降低套作系统的氮
肥用量和劳动用工,实现系统高产、高效、生态、安
全.本研究中,玉米套作处理的籽粒产量和吸氮量虽
比单作降低了 6. 3%和 9. 9% ,但差异不显著,且减
量施氮方式下套作处理的地上部总生物量和总吸氮
量仍高于单作.杨文亭等[15]采用减量施氮技术对甘
蔗 /大豆间作体系研究发现,减量施氮水平下,间作
甘蔗鲜产量较单作显著下降,但间作的土地当量比
均>1,施氮水平和种植方式对甘蔗单株氮吸收量无
显著影响. 在玉米鄄大豆套作处理中,与玉米共生的
大豆籽粒产量和吸氮量显著高于单作,分别高
30郾 4%和 29. 5% ;导致玉米鄄大豆套作系统的周年总
生物量和养分吸收量均显著高于玉米单作和大豆单
作.其原因可能是大豆远离根区施肥后,不仅满足了
玉米的需肥要求,更刺激了大豆生物固氮,不施氮
时,大豆套作的籽粒产量、吸氮量与大豆单作的差异
不显著;施氮后,由于大豆单作采用传统根区施肥,
大豆极易旺长,落花落荚现象严重,使得单作处理的
经济系数和籽粒产量均显著低于套作.万燕等[23]在
不同施氮水平下研究套作大豆的氮代谢规律也发
现,增施氮肥促进大豆株高增加、节间伸长、干物质
增加、地上部与地下部植株全氮含量增加,导致大豆
极易旺长,花荚脱落数增加,产量降低.
不同的施氮量和氮肥运筹方式对作物氮素吸收
和利用的影响较大,增施氮肥能够显著提高玉米产
量,然而随施氮量增加氮肥增产效果下降,氮肥利用
效率降低[1,24],过量施氮甚至还会加重面源污染,带
来环境问题.对此,减量施氮理论与技术被大量学者
研究和报道.本研究中,与不施氮相比,施氮条件下
单作和套作处理的玉米、大豆生物量与养分吸收量
均有不同程度的提高,以减量施氮处理最高,农民常
规施氮处理的生物量和吸氮量反而降低,这是由于
玉米鄄大豆套作系统在玉米追肥时,通过减少大豆施
氮量,增加磷、钾肥,使养分配比更加趋于合理,养分
之间相互促进吸收[25] . 研究结果也证实,减量施氮
时,玉米鄄大豆套作处理下玉米、大豆的吸氮量、吸磷
量、吸钾量均显著高于不施氮和常规施氮处理;该施
氮水平下玉米套作处理的吸氮量比玉米单作虽有降
低,但吸磷量和吸钾量均高于单作处理,且 N、P、K
等养分利用率均显著提高.这与刘学军等[13]研究得
出的在冬小麦季减半施 N既未引起小麦产量和吸 N
量的变化,又有利于提高作物的氮肥利用率的结果
一致.在战秀梅等[26]的研究中,春玉米氮肥减量后
移和农民习惯施肥相比,氮肥利用率提高了
20郾 7% ,氮的吸收效率、利用效率和收获指数也显著
提高. 此外,玉米鄄大豆套作也存在养分的种间促进
作用,这与前期研究结果一致[22,27] .另一方面,从干
物质和氮素的转移分配来看,施氮相对不施氮有利
于干物质和养分向籽粒的运转,以减量施氮处理下
玉米和大豆的经济系数、氮磷钾收获指数最高,尤其
是该施氮处理极有利于大豆套作处理的养分向籽粒
转移,其氮磷钾收获指数比大豆单作分别高 9. 5% 、
10. 2%和 24. 3% .由于玉米鄄大豆套作减量一体化施
肥优化了玉米、大豆对氮素的吸收与分配,使得玉
米鄄大豆套作系统的氮肥农学利用率和吸收利用率
均高于玉米单作处理,玉米减量施氮水平下,玉米鄄
084 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
大豆套作系统的氮肥农学利用率和吸收利用率比玉
米单作高 51. 8%和 378. 1% . 但减量施氮如何引起
作物养分吸收、转移和分配的变化,尤其是玉米追肥
后的花后干物质及养分积累、分配及其对产量和养
分的贡献,还有待结合套作系统地下根系时空分布
变化及地下根系变化对地上养分吸收响应机制进行
深入研究.
3郾 2摇 减量一体化施肥对玉米鄄大豆套作体系的节氮
培肥效应
间套作可以调节土壤中氮素的转化过程,使其
氮素形态向有利于作物吸收的方向进行. 笔者在前
期研究发现,小麦鄄玉米鄄大豆套作时,通过对土壤氮
素转化相关的蛋白酶、脲酶和硝酸还原酶等的调控,
有效调节了各作物的土壤氮素转化过程,使土壤氮
素转化更有利于向作物对氮的吸收形态进行,以提
高氮肥利用率,减轻作物对土壤氮的过度吸收,以确
保土壤肥力[28] .本研究中,玉米鄄大豆套作减量一体
化施肥不仅提高了大豆生物固氮,还提高了玉米土
壤养分含量,使土壤肥力得以保持,尤其是在玉米产
量和吸氮量最高的减量施氮水平下玉米套作处理的
土壤养分保持效应最明显,土壤全 N、全 P、全 K 含
量分别比玉米单作高 16. 6% 、18. 0%和 4. 0% ;Wani
等[29]研究高粱+豇豆间作发现,土壤有机氮矿化势、
土壤供氮能力、植物总吸氮量和土壤鄄植物氮总量均
明显高于高粱、 豇豆单作和休闲. Karpenstein鄄
Machan和 Stuelpnagel[30]研究表明,豌豆与黑麦间作
时,由于发生了氮的固定,下季种玉米时需要的肥料
氮高于相应的单作. 另一方面,从土壤氮贡献率来
看,减量施氮水平下玉米鄄大豆套作系统的土壤氮贡
献率比玉米单作和大豆单作分别低 20郾 0% 和
8郾 8% .由此说明,玉米鄄大豆套作系统氮素吸收量和
利用率的提高不是依赖于消耗土壤氮,而是加快了
土壤中氮素的转化强度,刺激了大豆生物固氮,使土
壤氮素转化更有利于向作物氮素吸收的方向进行,
但有关玉米鄄大豆套作体系下减量施氮对大豆根瘤
特性及生物固氮能力的影响以及土壤氮素转化过程
和转化强度还有待进一步研究.
4摇 结摇 摇 论
玉米鄄大豆套作相对于单作显著提高了大豆及
套作系统的籽粒产量、地上部植株对 N、P、K的吸收
量与收获指数,玉米鄄大豆套作体系下的玉米产量及
养分吸收量略有降低,但氮肥吸收利用率显著提高.
减量施氮(180 kg N·hm-2)降低了玉米鄄大豆套作
体系下玉米和大豆的土壤氮贡献率,提高了玉米和
大豆产量、经济系数、养分吸收量和收获指数、氮肥
利用率及土壤养分含量.玉米鄄大豆套作减量一体化
施肥有利于提高系统周年作物产量、土地利用率和
养分的吸收利用效率,保持土壤肥力,是一种科学的
施肥方法.
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作者简介 摇 雍太文,男,1976 年生,博士,副教授. 主要从事
作物高产栽培生理生态研究. E鄄mail: yongtaiwen@ sicau.
edu. cn
责任编辑摇 张凤丽
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