全 文 ：第 35 卷第 13 期
2015年 7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.13
Jul.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金 ( 31271669);国家大豆现代产业技术体系建设专项 ( CARS鄄04鄄PS19);国家公益性行业 (农业)科研专项
(201203096)
收稿日期:2014鄄08鄄30; 摇 摇 修订日期:2015鄄03鄄27
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: mssiyangwy@ sicau.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201408301726
雍太文, 刘小明,刘文钰,周丽,宋春,杨峰,蒋利,王小春, 杨文钰.减量施氮对玉米鄄大豆套作系统下作物氮素吸收和利用效率的影响.生态学
报,2015,35(13):4473鄄4482.
Yong T W,Liu X M,Liu W Y,Zhou L,Song C,Yang F,Jiang L,Wang X, Yang W Y.Effects of reduced nitrogen application on nitrogen uptake and
utilization efficiency in maize鄄soybean relay strip intercropping system.Acta Ecologica Sinica,2015,35(13):4473鄄4482.
减量施氮对玉米鄄大豆套作系统下作物氮素吸收和利
用效率的影响
雍太文1,2,刘小明1,2,刘文钰1,2,周摇 丽1,2,宋摇 春2,3,杨摇 峰1,2,蒋摇 利1,2,王小春1,2,
杨文钰1,2,*
1 四川农业大学农学院, 成都摇 611130
2 农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室, 成都摇 611130
3 四川农业大学资源环境学院生态环境研究所, 成都摇 611130
摘要:为探索玉米鄄大豆套作系统中作物对 N素吸收的差异特性,揭示减量施 N 对玉米鄄大豆套作系统的 N 高效利用机理。 利
用15N同位素示踪技术,结合小区套微区多年定位试验,研究了玉米单作(MM)、大豆单作(SS)、玉米鄄大豆套作( IMS)及不施 N
(NN)、减量施 N(RN:180 kg N / hm2)、常量施 N(CN:240 kg N / hm2)下玉米、大豆的生物量、吸 N 量、N 肥利用率及土壤 N 素含
量变化。 结果表明,与 MM(SS)相比,IMS下玉米茎叶及籽粒的生物量、吸 N 量降低,15N%丰度及15N 吸收量增加,大豆籽粒及
植株的生物量、吸 N量及15N吸收量显著提高;IMS下玉米、大豆植株的 N肥利用率、土壤 N贡献率、土壤15N%丰度降低,15N回
收率显著增加。 施 N与不施 N相比,显著提高了单、套作下玉米、大豆植株的生物量、吸 N量、15N丰度及15N吸收量;RN与 CN
相比,IMS下,RN的玉米、大豆植株总吸 N量提高 13.4%和 12.4%,N肥利用率提高 213.0%和 117.5%,土壤总 N含量提高12.2%
和 11.6%,土壤 N贡献率降低 12.0%和 11.2%,玉米植株15N 吸收量与15N 回收率提高 14.4%和 52.5%,大豆的则降低 57.1%和
42.8%,单作与套作的变化规律一致。 玉米鄄大豆套作系统中作物对 N素吸收存在数量及形态差异,减量施 N有利于玉米鄄大豆
套作系统对 N肥的高效吸收与利用,实现作物持续增产与土壤培肥。
关键词:玉米鄄大豆套作;减量施 N;N素吸收利用;15N
Effects of reduced nitrogen application on nitrogen uptake and utilization
efficiency in maize鄄soybean relay strip intercropping system
YONG Taiwen1,2, LIU Xiaoming1,2, LIU Wenyu1,2, ZHOU Li1,2, SONG Chun2,3, YANG Feng1,2, JIANG Li1,2,
WANG Xiaochun1,2, YANG Wenyu1,2,*
1 College of Agronomy,Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
2 Key Laboratory of Crop Physiology,Ecology and Cultivation in Southwest,Ministry of Agriculture, Chengdu 611130, China
3 Institute of Ecological and Environmental Sciences,College of Resources and Enviroment,Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
Abstract: To investigate the N uptake difference features between crops in the relay strip maize鄄soybean intercropping
system, and reveal the efficient N utilization mechanism under reduced N application condition, the 15N isotope tracer and
plot location experiment combined with micro plot test assays were employed in the present study. Two field experiments
were performed to analyze the biomass, N uptake, N use efficiency and soil N content of maize and soybean with 3 planting
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patterns, including maize monoculture (MM), soybean monoculture ( SS) and maize鄄soybean relay strip intercropping
( IMS), under 3 N application rates, including no N application (NN), reduced N application (RN: 180 kg N / hm2) and
conventional N application (CN: 240 kg N / hm2). The results showed that the biomass and N uptake of maize stem and
grain with IMS decreased, and 15N% abundance and 15N uptake increased, compared to monoculture system; the biomass,
N uptake and 15N uptake of soybean grain and plant with IMS increased significantly; and the N fertilizer utilization
efficiency, soil N contribution rate, and soil 15N% abundance of maize and soybean with IMS reduced. However, the 15N
recovery rate of maize and soybean increased. Comparing N application to no N application, the total N uptake, N fertilizer
utilization efficiency and soil total N content of maize and soybean with N application increased, and the soil N contribution
rate reduced, both in monoculture and relay strip intercropping systems; Furthermore, the 15N% abundance, 15N uptake
and the recovery rate of maize aboveground plant increased significantly, but those indices of soybean decreased remarkably.
Comparing reduced N application to conventional N application, the total N uptake of aboveground plant of maize and
soybean with IMS raised 13.4% and 12.4%, and N fertilizer utilization efficiency raised 213.0% and 117.5%, and the soil
total N content increased 12.2% and 11.6%, but the soil N contribution rate decreased 12.0% and 11.2%.In addition, the
15N uptake and recovery rate of maize plant with IMS increased 14.4% and 52.5%, for soybean, correspondingly reduced
57.1% and 42.8%. 15N abundance of maize soil with IMS dropped 6.3%, but that of soybean improved 9.2%.There were
quantitative and morphological differences of N uptake in the maize鄄 soybean relay strip intercropping system. It is conclude
that reduced N application was not only benefit to the N fertilizer efficient absorption and utilization for relay strip
intercropping crops, but also achieve sustained crop yield and soil fertility.
Key Words: Maize鄄soybean relay strip intercropping; reduced N application; N uptake and utilization; 15N
我国是世界上单位化肥投入粮食产出最低的国家之一[1],如何合理施用氮肥,建立高产稳产、优质低耗、
省工无污染的氮肥管理技术,成为了关系国计民生的大事。 研究表明,适当的氮素减量不仅不会引起作物产
量发生显著的变化,而且还可以降低农田氮素损失[2鄄3],提高氮肥利用率[4鄄5],改善土壤微生物群落结构[6],优
化农田生态系统氮素循环,利于农业可持续发展。 间作套种在耕地面积不增加的前提下,显著增加了播种面
积、提高了资源利用率和粮食产量[7鄄8],尤其是豆科+禾本科的间作优势十分明显,被广泛研究和利用[9鄄12]。 玉
米鄄大豆带状套作作为我国南方旱地农业的一种主要种植模式,不仅增产增收效果明显[13],还有助于提高系
统光能利用效率[14],降低农田氮素损失[15],改善农田生态系统服务功能[16]。 在现有的间套作系统中,尤其
是豆科+禾本科的间作优势很大程度是因为氮营养的促进作用[17鄄18],针对种间氮素促进机制研究者们通常利
用生态位理论及氮素转移理论来解释[19鄄20],但有关玉米鄄大豆带状套作系统下作物氮素吸收的生态位差异特
性鲜见报道。 前期研究表明在玉米鄄大豆套作体系中作物对 N的吸收存在竞争与补偿[21鄄22],但这种 N素补偿
作用是否与作物对 N素吸收形态差异有关尚不清楚? 本文拟借助15N 同位素示踪技术,研究减量施氮下玉
米鄄大豆套作系统中作物对 N素吸收的形态差异,并利用生态位原理来阐述玉米鄄大豆套作系统氮高效利用机
理,对揭示间套复合系统种间资源竞争补偿原理提供理论参考,对完善玉米鄄大豆减量一体化施肥技术提供实
践依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验时间、地点
试验于 2012年 3月—2013年 10月在四川省现代粮食产业(仁寿)示范基地进行。 2012 年基础土壤肥
力:pH值 6.8,有机质 17.26 g / kg,全 N0.90 g / kg,全 P0.50 g / kg,全 K14.28 g / kg,碱解氮 77.35 mg / kg,速效磷
22.83 mg / kg,速效钾 196.63 mg / kg。
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1.2摇 试验材料
供试玉米品种为“登海 605冶,由山东登海种业股份有限公司提供;大豆品种为“南豆 12冶,由四川省南充
市农业科学研究院大豆所提供。15NH4 15NO3肥料( 15N的丰度为 10.02%)由上海化工研究院生产。
1.3摇 试验方法
1.3.1摇 小区试验设计
采用二因素裂区设计,主因素为种植方式,玉米单作(MM)、大豆单作(SS)、玉米鄄大豆套作( IMS);副因
素为玉米、大豆施 N总量,不施 N(NN)、减量施 N(RN:180 kg N / hm2,根据当地玉米施 N 量确定)、常量施 N
(CN:240 kg N / hm2,根据当地玉米与大豆的总施 N量确定),玉米、大豆施 N比例为 3颐1,重复 3次。 每处理连
续种 3带,带长 6m、带宽 2m,N肥施用普通尿素。
玉米、大豆单作采用等行距种植,玉米行距 100cm、大豆行距 50cm,玉米、大豆穴距 17cm,穴留 1株;玉米鄄
大豆套作采用宽窄行种植,玉米宽行 160cm,窄行 40cm,玉米宽行内种 2 行大豆,大豆行距 40cm,玉米与大豆
间距 60cm,穴距 17cm,玉米穴留 1株,密度 5.85万株 / hm2,大豆穴留 2 株,密度 11.7 万株 / hm2,玉米、大豆单
作与套作的密度相同。 玉米 N肥分两次施用,即玉米底肥和大喇叭口期追肥,大豆 N 肥一次性施用。 玉米、
大豆单作按株间穴施方式施肥,玉米鄄大豆套作按玉米、大豆一体化施肥方式,即玉米底肥统一施纯 N 72 kg /
hm2,玉米大喇叭口期追肥与大豆氮磷钾肥混合施用,在玉米、大豆之间,距玉米 25cm 处开沟施肥,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,每公顷玉米施用量为 P 2O5 105
kg、K2O 112.5 kg,每公顷大豆施用量为 P 2O5 63 kg、K2O 52.5kg。 2012年,玉米 4月 1日播种,7月 29日收获;
大豆 6月 10日播种,10月 31日收获;2013年,玉米 4 月 3 日播种,8 月 1 日收获;大豆 6 月 11 日播种,10 月
29日收获。
表 1摇 不同种植方式下的氮肥施用量
Table 1摇 N application rates under different planting patterns
种植模式
Planting
pattern
施 N处理
N application
小区 / (kg N / hm2)
Plot
施 N总量
Total N
application rate
底肥
Base
fertilizer
追肥
Top
fertilizer
微区 / g 15NH4 15NO3
Micro plot
施 N总量
Total N
application rate
底肥
Base
fertilizer
追肥
Top
fertilizer
MM RN 135 72 63 29.30 15.63 13.67
CN 180 72 108 39.07 15.63 23.44
SS RN 45 45 0 9.77 9.77 0
CN 60 60 0 13.02 13.02 0
IMS RN 180 72 108 97.67 39.07 58.6
CN 240 72 168 130.22 39.07 91.15
摇 摇 MM:玉米单作 Maize monoculture;SS:大豆单作 Soybean monoculture;IMS:玉米鄄大豆套作 Maizesoybean relay strip intercropping; RN:减量施氮
Reduced N application;CN:常量施氮 Conventional N application
1.3.2摇 微区试验
除 NN处理外,RN与 CN处理均采用小区套微区方式,设置微区 18 个。 单作(MM、SS)、套作(IMS)处理
下微区面积为分别为 0.76m2和 1.9m2,施用氮肥为硝酸铵鄄15N2( 15NH4 15NO3),施氮水平如表 1。 施肥时,将硝
酸铵鄄15N2溶于蒸馏水后等量施用于各处理的每穴植株,施用方式与小区一致。 微区布置在小区中间一带,小
心地将所要布置微区周边的土挖开,MM、SS处理下挖成长伊宽伊深为 2m伊0.38m伊0.6m 的土柱,IMS 处理下挖
成长伊宽伊深为 2m伊0.95m伊0.6m的土柱,然后均用高度为 0.7m的无底渡锌铁皮围圈起来,并保持该土柱桶与
土柱紧贴,土柱桶顶端高出地面 0.1m。 最后把微区土柱桶内有缝隙的地方用原层次土填充,土柱桶外挖出的
土也进行原状回填。 微区作物种植及磷钾施肥水平同小区试验。
1.4摇 植株样品采集及全氮含量测定
小区试验于成熟期采集各作物的植株样。 套作与单作处理的植株取样方法相同,每小区随机取长势一致
5744摇 13期 摇 摇 摇 雍太文摇 等:减量施氮对玉米鄄大豆套作系统下作物氮素吸收和利用效率的影响 摇
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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
植株按地上部秸秆、籽粒和地下根系分开,105益下杀青 30 min 后继续在 75益烘至恒重,测定干物质重;样品
粉碎过 60目筛后存放于干燥器中,用 FOSS 全自动定氮仪测定玉米、大豆各个器官中全氮的含量,计算氮素
吸收利用率。
植株各器官吸氮量 (kg / hm2) = 植株各器官生物量 (kg / hm2) 伊 植株各器官氮浓度(g / g)
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
1.5摇 微区植株15N吸收及土壤15N残留
1.5.1摇 玉米、大豆植株取样及15N%丰度测定
微区试验于玉米、大豆成熟期取样,玉米 4株,大豆 8 株,连根整体挖出,抖掉与根系结合的土壤,植株按
地上部秸秆、籽粒和地下根系分开,均在 105益下杀青 30 min后继续在 75益烘至恒重,测定干物质重;样品粉
碎后过 60目筛,测定总 N含量和15N%丰度。 用 K鄄05自动定氮仪测定总 N含量,并将定氮后的馏出液浓缩至
1 mL,用同位素比率质谱仪(Thermo鄄Fisher Delta V Advantage IRMS)测定15N丰度。 氮原子百分超(atom%15N
excess)等于标记样品的15N%与未标记样品(不施 N处理)的15N%之差。
植株中来自15N的百分数摇 %Ndff = (植株中15N原子百分超 /肥料的15N原子百分超) 伊 100;
植株对15N的吸收量(mg /株)摇 Ndff =植株吸氮量 伊%Ndff / 100;
植株对施入15N标记肥料的回收率摇 %NUR=植株对15N的吸收量(Ndff) /标记15N的量伊100
1.5.2摇 玉米、大豆带土壤 N含量及15N残留
各作物收获后用土钻分带采集土壤样品(0—20 cm)。 单作玉米和单作大豆土壤样品分别为垂直玉米行
或大豆行 0cm、距玉米行间 25cm、距大豆行间 25cm,共 3个样点;玉米鄄大豆套作处理下玉米带土壤样品和大
豆带土壤样品分别为垂直玉米行或大豆行距窄行 0cm、20cm,距宽行 20cm、40cm,共 4个样点。 将采集样品制
备成混合样,按四分之一法则取 20 g土,所取土样留一部分作鲜样测 NO3鄄N和 NH4鄄N含量,另一部分风干后
测定总 N含量和15N丰度。 土壤总 N 含量和15N 丰度测定方法同植株。 称取 5.00 g 鲜土置振荡瓶中,加 1
mol / L KCL溶液 50 mL,于恒温气浴摇床以振速 120 r / min,振荡 60 min 后,取滤液于塑料瓶中,4益冷藏,在 1
周内用连续流动分析仪(ALLIANCE INTEGRAL Futura)测定浸提液中的 NH4鄄N和 NO3鄄N含量。
1.6摇 数据处理
采用 Microsoft Excel 2003数据整理;采用 DPS7.05 软件对试验数据进行方差分析和 LSD 显著性测验。
2摇 结果分析
2.1摇 施氮与种植方式对作物生物量及吸 N量的影响
2.1.1摇 生物量
施氮与种植方式显著影响了作物的生物量(表 2)。 与 MM 相比,IM 下玉米根、茎叶及籽粒干物质重降
低,但差异不显著,两年平均降低 12.9%、3.3%和 3.2%。 施 N 相对不施 N 显著提高了玉米根、茎叶及籽粒干
物质重,但 RN与 CN 间在不同种植方式下的变化规律不一致;MM 下,RN 与 CN 间除茎叶重差异不显著外,
CN的根和籽粒重均显著高于 RN,两年平均高 20.5%和 3.2%;IM 下,除 CN 与 RN 的根重差异不显著外,RN
的茎叶、籽粒重均显著高于 CN,两年平均高 6.4%和 7.9%。
对大豆,SS的根、茎叶重虽高于 IS,但 IS的籽粒重比 SS的高 15.0%。 单套作方式下,大豆根重随施 N量
的增加而增加,且 RN与 CN间差异不显著;大豆茎叶和籽粒重则为 RN 的显著高 NN 与 CN,其中,SS 下 RN
的籽粒重比 NN、CN平均高 20.0%和 19.2%,IS下 RN的籽粒重则分别高 45.7%和 11.9%。
2.1.2摇 吸 N量
与 MM相比,IM的玉米根、茎叶及籽粒吸 N量呈降低趋势,其中籽粒吸 N量平均降低 5.1%(表 3);对大
6744 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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豆,IS下根与茎叶的吸 N量相对 SS虽呈降低趋势,但 IS 的籽粒吸 N 量显著高于 SS,平均高 15.1%。 单套作
下施 N处理的玉米、大豆根与茎叶的吸 N量显著高于不施 N的,其中茎叶吸 N量以 RN的最高,根吸 N量以
CN的最高;玉米籽粒吸 N量在 MM下随施 N量的增加而增加,以 CN 的最高,比 RN 的高 5.4%,IM 下以 RN
的最高,比 NN和 CN的分别高 44.2%和 11.5%;大豆籽粒吸 N量在 SS与 IS下均以 RN的最高,SS下比 NN和
CN的分别高 28.2%和 22.3%,IS 下分别高 46.6%和 12.3%。 进一步分析玉米、大豆植株地上部总吸 N 量可
知,IM的低于 MM,IS的高于 SS;各施 N水平间,单套作下均以 RN 的最高,尤其是 IMS 下表现十分明显,RN
的玉米、大豆地上部植株总吸 N量分别比 CN的高 13.4%和 12.4%。
表 2摇 不同施 N水平与种植方式下的玉米、大豆生物量
Table 2摇 Biomass of maize and soybean under different N rates and planting patterns
N处理
N Treatments
玉米 Maize / (kg / hm2)
根 Root
MM IM
茎叶 Stem
MM IM
籽粒 Grain
MM IM
大豆 Soybean / (kg / hm2)
根 Root
SS IS
茎叶 Stem
SS IS
籽粒 Grain
SS IS
2012
NN 428.2c 440.4b 6524.1b 6374.5b 6174.8c 6095c 217.0a 152.5b 2254.6b 1551.8b 1552.1b 1567.3c
RN 552.7b 533.0ab 6760.4a 6798.3a 6914.3b 6790.5a 221.4a 193.8a 2775.6a 2297.6a 1888.4a 2364.1a
CN 707.1a 631.0a 6608.0ab 6621.1ab 7187.3a 6346.5b 246.1a 201.0a 2205.5b 2250.0a 1471.7b 2176.8b
平均 Mean 562.6 534.8 6630.8 6598.0 6758.8 6410.7* 228.2 182.4 2411.9 2033.1 1637.4 2036.1*
2013
NN 1151.3b 955.2a 6349.6a 5190.8c 6291.3b 5630.8c 639.2b 433.5a 2322.1b 1904.7b 1675.1b 1594.1c
RN 1292.2ab 1040.6a 6742.2a 6877.8a 7903.7a 8534.4a 693.7ab 507.3a 2985.3a 2236.2a 1981.0a 2224.1a
CN 1462.0a 1092.1a 6425.6a 6245.5b 8101.7a 7837.6b 747.6a 447.9a 3080.3a 2001.7ab 1800.7ab 1947.0b
平均 Mean 1301.8 1029.3 6505.8 6104.7 7432.a 7334.3 693.5 462.9* 2795.9 2047.5* 1818.9 1921.7
摇 摇 MM:玉米单作 Maize monoculture;IM:玉米套作 Maize relay strip intercropping;SS:大豆单作 Soybean monoculture;IS:大豆套作 Soybean relay
strip intercropping;NN:不施氮 No N application;RN:减量施氮 Reduced N application;CN:常量施氮;Conventional N application 同列数据后不同字母
表示处理间差异显著(P<0.05);IM(S)处理平均值后的星号(*)表示 IM(S)与 MM(或 SS)差异显著(P<0.05)
表 3摇 不同施 N水平与种植方式下玉米、大豆吸 N量
Table 3摇 N uptake of maize and soybean under different N rates and planting patterns
N处理
N Treatments
玉米 Maize / (kg / hm2)
根 Root
MM IM
茎叶 Stem
MM IM
籽粒 Grain
MM IM
大豆 Soybean / (kg / hm2)
根 Root
SS IS
茎叶 Stem
SS IS
籽粒 Grain
SS IS
2012
NN 1.77b 1.70b 49.35b 47.17b 65.10b 62.45c 1.65a 1.31a 20.69c 12.66c 96.50b 103.54c
RN 3.08a 2.80a 55.37a 60.92a 77.92a 76.05a 1.91a 1.49a 28.38a 22.12a 130.19a 160.55a
CN 3.17a 3.52a 50.55b 51.04b 79.85a 68.12b 2.16a 1.74a 24.08b 17.99b 100.31b 144.51b
平均 Mean 2.67 2.67 51.75 53.04 74.29 68.87* 1.91 1.51* 24.38 17.59* 109.0 136.20*
2013
NN 4.27b 4.29a 44.04c 34.77c 75.16b 71.22c 4.38b 2.44a 29.66b 18.17b 134.61b 128.86c
RN 6.12a 4.90a 56.83a 60.49a 110.44a 118.70a 4.83b 3.27a 32.43a 21.90a 163.55a 178.10a
CN 6.58a 4.95a 51.73b 53.42b 119.53a 106.56b 5.87a 2.87a 32.24a 19.16ab 142.48b 156.85b
平均 Mean 5.66 4.71 50.87 49.56 101.71 98.83 5.03 2.86* 31.44 19.74* 146.88 154.60
2.2摇 施氮与种植方式对作物15N吸收的影响
2.2.1摇 植株总 N含量及15N%丰度
不同15NH4 15NO3标记量对不同种植方式下玉米、大豆植株各器官的总 N 含量及15N 丰度有显著影响(表
4,表 5)。 与 MM相比,IM下玉米根的总 N含量及15N%丰度显著降低,且 IM 下玉米茎叶及籽粒的总 N 含量
分别降低 1.8%和 3.3%,但15N丰度显著增加 18.6%和 15.8%。 各施 N水平间,MM下玉米根、茎叶及籽粒的总
N含量均为 RN>CN>NN,IM下除施 N处理的茎叶总 N含量显著高于不施 N外,根与籽粒的总 N含量施 N与
7744摇 13期 摇 摇 摇 雍太文摇 等:减量施氮对玉米鄄大豆套作系统下作物氮素吸收和利用效率的影响 摇
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不施 N差异不显著;施 N后,玉米各器官的15N%丰度均显著高于不施 N 植株的15N%自然丰度,RN 与 CN 相
比,玉米根的15N%丰度显著降低,玉米茎叶与籽粒的15N%丰度显著增加。
表 4摇 不同施 N水平与种植方式下玉米、大豆植株的总 N含量
Table 4摇 Plant total N content of maize and soybean under different N rates and planting patterns(g / kg)
N处理
N Treatments
玉米 Maize
根 Root
MM IM
茎叶 Stem
MM IM
籽粒 Grain
MM IM
大豆 Soybean
根 Root
SS IS
茎叶 Stem
SS IS
籽粒 Grain
SS IS
NN 5.58b 5.29a 8.56b 8.18b 11.40b 11.78a 9.25a 11.59a 12.08c 10.34b 71.01a 70.88a
RN 6.80a 5.17a 11.45a 11.02a 12.99a 11.72a 7.21b 8.49b 16.51a 13.92a 66.25b 67.55ab
CN 6.49a 5.10a 10.80a 11.07a 12.43a 12.10a 8.14ab 8.73b 14.72b 13.91a 73.91a 66.25b
平均 Mean 6.29 5.18* 10.27 10.09 12.28 11.87 8.2 9.6* 14.44 12.72 70.39 68.23
表 5摇 不同施 N水平与种植方式下玉米、大豆植株的15N%丰度
Table 5摇 15N% abundance of maize and soybean under different N rates and planting patterns (%)
N处理
N Treatments
玉米 Maize
根 Root
MM IM
茎叶 Stem
MM IM
籽粒 Grain
MM IM
大豆 Soybean
根 Root
SS IS
茎叶 Stem
SS IS
籽粒 Grain
SS IS
NN 0.371c 0.374c 0.376c 0.373c 0.372c 0.371c 0.373c 0.377c 0.373b 0.370c 0.369b 0.368c
RN 2.288b 2.314b 2.252a 2.718a 2.303a 2.726a 0.538b 0.480b 0.436a 0.514b 0.424a 0.503b
CN 3.354a 2.664a 2.155b 2.583b 2.184b 2.532b 0.720a 0.798a 0.461a 0.789a 0.481a 0.795a
平均 Mean 2.005 1.784* 1.594 1.891* 1.620 1.876* 0.544 0.552 0.423 0.558* 0.425 0.556*
对大豆,IS下茎叶与籽粒的总 N含量相对 SS降低,但 IS下茎叶及籽粒的15N%丰度显著增加。 各施 N处
理间,大豆根的总 N含量随施 N量的增加而降低,15N%丰度则随施 N量的增加而增加;大豆茎叶总 N含量在
SS及 IS下均以 RN的最高;大豆籽粒总 N含量在 SS下以 RN的最低,IS下则以 RN的最高;大豆茎叶及籽粒
的15N%丰度随施 N量的增加而增加,SS及 IS下均以 CN的最高。
2.2.2摇 15N吸收量
与 MM(SS)相比(表 6),IM(IS)下玉米、大豆茎叶和籽粒的15N 吸收量增加,其中,IM、IS 的籽粒15N 吸收
量比 MM、SS的分别高 12.3%、335.5%, 植株15N总吸收量分别高 5.6%和 255.1%。 RN与 CN相比,玉米茎叶、
籽粒及植株15N总吸收量显著提高,而大豆的则显著降低;其中,玉米在 IM下 RN的比 CN的分别提高 12.2%、
17.3%和 14.4%,导致 RN下玉米植株15N吸收量占植株总 N 吸收量百分比显著提高,MM 与 IM 下分别提高
4.5%和 7.2%,而大豆在 IS下 RN的比 CN的分别降低 54.5%、57.5%和 57.1%,最终 RN下大豆植株15N吸收量
占植株总 N吸收量百分比显著降低,SS与 IS下分别降低 43.8%和 67.8%。 由此可见,与 CN相比,RN降低了
套作系统中大豆对肥料 N的吸收,但增加了套作系统中玉米对肥料 N的吸收。
表 6摇 不同施 N水平与种植方式下玉米、大豆植株的15N吸收量
Table 6摇 The 15N uptake of maize and soybean under different N rates and planting patterns (mg /株)
作物
Crops
N处理
N Treatments
根 Root
MM / SS IM / IS Mean
茎叶 Stem
MM / SS IM / IS Mean
籽粒 Grain
MM / SS IM / IS Mean
总计 Total
MM / SS IM / IS Mean
玉米 Maize RN 18.17b 11.12a 14.64b 330.19a 326.78a 328.48a 354.52a 388.79a 371.65a 702.87a 726.69a 714.78a
CN 23.86a 12.54a 18.20a 275.62b 291.32b 283.47b 286.95b 331.49b 309.22b 586.44b 635.35b 610.89b
平均 21.02 11.83* 302.90 309.05 320.74 360.14* 644.66 681.02*
大豆 Soybean RN 0.18b 0.14b 0.16b 2.13a 3.41b 2.77b 2.92b 9.43b 6.18b 5.24b 12.98b 9.11b
CN 0.39a 0.57a 0.48a 2.21a 7.50a 4.85a 4.34a 22.18a 13.26a 6.95a 30.25a 18.60a
平均 0.29 0.36 2.17 5.45* 3.63 15.81* 6.09 21.62*
8744 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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2.3摇 N肥利用率与土壤 N贡献率
2.3.1摇 N肥利用率
MM与 IM间的玉米 N肥利用率差异不显著(表 7),但 IS下的大豆 N肥利用率比 SS 的降低 46.7%。 RN
与 CN相比,玉米、大豆的 N肥利用率均显著提高,其中,玉米在 MM与 IM下分别提高 40.2%和 213.0%,大豆
在 SS与 IS下分别提高 455.2%和 117.5%。 玉米鄄大豆套作系统的周年 N肥利用率明显高于玉米单作和套作
模式下单一作物的 N肥利用率,比玉米单作平均高 146.5%;各施 N水平间则为 RN显著高于 CN。 进一步分
析15N回收率(表 8),与 MM(SS)相比,IM(IS)下的玉米、大豆植株15N 回收率显著提高 5.3%和 241.4%。 与
CN相比,MM、IM下 RN的玉米植株15N回收率显著提高 59.8%和 52.5%,但 IS 下 RN 的大豆植株15N 回收率
显著降低 42.8%,SS下 RN的与 CN的差异不显著。
表 7摇 玉米鄄大豆套作系统的氮肥利用率
Table 7摇 N utilization efficiency of maize鄄soybean relay strip intercropping system(%)
N处理
N Treatments
2012
玉米 Maize
MM IM
大豆 Soybean
SS IS
玉米鄄大豆
IMS
2013
玉米 Maize
MM IM
大豆 Soybean
SS IS
玉米鄄大豆
IMS
RN 14.0a 15.1a 88.7a 36.9a 52.1a 35.6a 37.6a 64.6a 29.5a 70.1a
CN 8.9b 3.2b 12.0b 19.3b 23.3b 28.9b 24.4b 17.4b 12.1b 34.6b
平均 Mean 11.4 9.2 50.3 28.1* 37.7 32.3 31.0 41.0 20.8* 52.4
表 8摇 玉米鄄大豆套作系统中作物的15N回收率
Table 8摇 15N recovery rate of crops in maize鄄soybean relay strip intercropping system (%)
N处理
N Treatments
玉米 Maize
MM IM Mean
大豆 Soybean
SS IS Mean
RN 27.429a 28.358a 27.894a 1.225a 3.037b 2.131b
CN 17.160b 18.591b 17.875b 1.219a 5.307a 3.263a
平均 Mean 22.294 23.475 1.222 4.172*
2.3.2摇 土壤 N贡献率
与 MM(SS)相比,IM(IS)下玉米、大豆的土壤 N 贡献率降低 6.2%和 15.6%(表 9)。 RN 与 CN 相比,除
MM下玉米土壤 N贡献率差异不显著外,其它处理下均为 RN 的显著低于 CN,其中,IM 与 IS 下 RN 的玉米、
大豆土壤 N贡献率分别降低 12.0%和 11.2%。 连续 2年种植后,由于套作系统周年 N肥利用率提高(表 7),
玉米鄄大豆套作系统周年土壤 N贡献率呈降低趋势,且套作系统的土壤 N 贡献率低于单作系统和套作模式下
单一作物,其中,RN下 IMS的比 MM和 SS的分别低 12.0%和 12.6%。
表 9摇 玉米鄄大豆套作系统下各作物的土壤氮贡献率
Table 9摇 Soil N contribution of crops in relay strip intercropping system(%)
N处理
N Treatments
2012
玉米 Maize
MM IM
大豆 Soybean
SS IS
玉米鄄大豆
IMS
2013
玉米 Maize
MM IM
大豆 Soybean
SS IS
玉米鄄大豆
IMS
RN 86.0a 80.0b 74.0b 63.6b 70.7b 71.3a 59.1b 84.3b 74.1b 66.9b
CN 87.8a 92.0a 94.2a 71.6a 80.2a 70.0a 66.3a 94.1a 83.5a 75.3a
平均 Mean 86.9 86.0 84.1 67.6* 75.4 70.7 62.7 89.2 78.8* 71.1
2.4摇 土壤 N含量及15N%丰度
2.4.1摇 土壤无机 N含量
玉米、大豆土壤的无机总 N与 NO3鄄N含量变化规律一致(表 10),种植方式间为 IM>MM,IS
9744摇 13期 摇 摇 摇 雍太文摇 等:减量施氮对玉米鄄大豆套作系统下作物氮素吸收和利用效率的影响 摇
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壤的 NO3鄄N及无机总 N 含量均随施 N 量的增加而增加。 相对 MM(SS)处理,IM 与 IS 下玉米、大豆土壤
NH4鄄N含量呈增加趋势;施 N相对不施 N提高了玉米土壤 NH4鄄N含量,但显著降低了大豆土壤 NH4鄄N含量。
表 10摇 玉米鄄大豆套作系统中作物土壤 NO3 鄄N、NH4 鄄N含量
Table 10摇 Soil NO3 鄄N and NH4 鄄N content of crops in the relay strip intercropping system(mg / kg)
N处理
N Treatments
玉米 Maize
NO-3 鄄N
MM IM
NH+4 鄄N
MM IM
Inorganic total N
MM IM
大豆 Soybean
NO-3 鄄N
SS IS
NH+4 鄄N
SS IS
Inorganic total N
SS IS
NN 41.19b 42.79b 24.49a 25.18a 65.68b 69.96b 58.77b 42.83a 20.05a 30.04a 78.82b 72.86a
RN 49.15a 55.77a 25.57a 25.33a 74.72a 81.11a 64.67a 42.25a 18.91a 25.68a 83.58ab 67.93a
CN 52.38a 59.71a 27.16a 26.96a 79.54a 86.67a 68.20a 39.26a 21.19a 29.35a 89.38a 68.62a
平均 Mean 47.57 52.76* 25.74 25.82 73.3 79.2a 63.8a 41.45* 20.05 28.36 83.93 69.80
2.4.2摇 土壤总 N含量及15N%丰度
与 MM(SS)相比,IM下玉米土壤15N%丰度降低 2.0%,土壤总 N含量增加 7.8%,而 IS下大豆土壤15N%丰
度和土壤总 N含量分别降低 3.0%和 13.8%(表 11)。 施 N与不施 N 相比,玉米土壤总 N 含量和15N%丰度显
著提高,而大豆的土壤总 N 含量降低,土壤15N%丰提高;MM 与 IM 下玉米土壤总 N 含量为 RN>CN,而土壤
15N丰度则为 RN
高 11.6%和 9.2%。
表 11摇 玉米鄄大豆套作系统中作物土壤总氮含量及15N%丰度
Table 11摇 Soil total N content and 15N% abundance of crops in the relay strip intercropping system
N处理
N Treatments
玉米 Maize
Total N / (g / kg)
MM IM Mean
15N abundance / %
MM IM Mean
大豆 Soybean
Total N / (g / kg)
SS IS Mean
15N abundance / %
SS IS Mean
NN 0.803b 0.909a 0.856b 0.379c 0.382b 0.380c 1.061a 0.961a 1.011a 0.380b 0.379b 0.379c
RN 0.972a 1.036a 1.004a 0.469b 0.461a 0.465b 1.012ab 0.885b 0.949b 0.460a 0.451a 0.455a
CN 0.886ab 0.923a 0.905ab 0.515a 0.492a 0.504a 0.988b 0.793c 0.890c 0.443a 0.413b 0.428b
平均 Mean 0.887 0.956 0.454 0.445 1.020 0.879* 0.427 0.414
3摇 讨论
3.1摇 玉米鄄大豆套作系统作物氮素吸收差异特性
根据生态位理论,如果限制因子为不同资源但满足同一需求,如豆科作物利用 N2,非豆科作物利用NO3鄄N
或 NH4鄄N,各自占据不同的生态位,那么也会使种间竞争作用缓解[23]。 高浓度的土壤无机氮可能阻碍豆科固
氮,如非豆科与豆科间作,非豆科可能竞争到更多的土壤无机氮,间作豆科的生物固氮比单作增加[19,24]。 豆
科与非豆科间作时,豆科与非豆科对 N的需求都将得到一定程度上的满足,也就存在了种间互利大于种间竞
争的可能性,形成产量和氮素吸收利用优势。 本研究中,利用微区与大田试验相结合的方法,充分揭示了玉
米鄄大豆套作体系中作物对 N素吸收数量与形态的差异,与 MM相比,大田试验中 IM下玉米茎叶、籽粒的吸 N
量虽降低,但微区试验中,IM下玉米地上部植株15N%丰度及15N 吸收量显著增加,其中籽粒15N 吸收量增加
12.3%,加之土壤 N贡献率降低 6.2%,体现出玉米鄄大豆套作体系玉米对 NO3鄄N、NH4鄄N 的吸收优势,植株15N
吸收量占总 N吸收量的 23.9%;减量施 N 促进了套作植株对15N 的吸收,IM 下 RN 的玉米籽粒15N 吸收量比
CN的高 17.3%,而且,RN下 IM的比 MM的高 9.7%;前期研究发现减量施 N有利于促进套作玉米籽粒灌浆,
提高经济系数及籽粒百粒重[25],这就为玉米鄄大豆套作共生期间玉米对15N的吸收优势奠定基础。 对大豆,套
作植株 N吸收量及15N回收率相对单作虽都提高,但植株15N 总吸收量较小,仅占植株总 N 吸收量的 0.6%—
4.4%,IS下的大豆 N肥利用率也比 SS的低 46.7%,减量施 N后的降低效果更明显,说明大豆对 NO3鄄N、NH4鄄N
0844 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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为吸收劣势,N素吸收主要以根瘤固 N为主;减量施 N不仅促进大豆植株对肥料 N 的吸收,更有利于大豆根
瘤固氮,减 N 18%提高了套作大豆根瘤固氮酶活性[26]。
氮的利用效率受环境中 N形态影响,大多数植物吸收的 N 主要是 NO-3、NH
+
4离子,尤其是禾本科作物吸
收的 N主要为无机态氮。 本研究中,虽然 IM下玉米土壤 NO3鄄N及无机 N 总含量相对 MM 提高,但 RN 相对
CN降低;此外,套作玉米的土壤表观 N 损失显著降低[15]。 因此,玉米鄄大豆套作既有利于玉米当季对肥料 N
的吸收利用,更有利于降低对土壤 N素的过度消耗,维持土壤肥力。 NO3鄄N、NH4鄄N会抑制固氮作物根瘤菌的
侵染、固氮酶活性和根瘤菌分化与生长[27],以抑制共生固氮;本研究中,由于玉米对 N肥的竞争吸收以及大豆
固定的 N及时向玉米转移[28],降低了土壤 N浓度,既满足了根瘤发育必需的“启动 N冶 [29],又避免 N 过量而
抑制根瘤固氮[30],RN的大豆土壤 NO3鄄N及无机 N含量均最低,为根瘤固氮及 N转移创造了条件。
3.2摇 减量施 N对玉米鄄大豆套作系统的增产节肥效应
氮肥对提高作物产量起着重要作用,但过量施用和低效利用会造成资源浪费和环境污染,不利于农业可
持续发展[31],而适当的氮素减量不会引起作物产量的显著变化[4鄄6]。 本研究中,IM的玉米植株生物量及籽粒
产量相对 MM虽降低,但 RN的产量及生物量相对 CN的显著增加,这就弥补了套作条件下的玉米产量劣势,
2013年,IM下 RN的玉米产量比 MM 下 CN 的最高玉米产量高 5.3%。 此外,减量施 N 提高了大豆光合作用
及物质积累,降低了玉米鄄大豆套作体系的种间竞争作用[13],显著提高了套作体系下大豆产量,比大豆单作高
15.0%,有利于玉米鄄大豆套作体系下作物均衡增产。 前期研究发现减 N 18%有效提高了玉米花后和大豆花前
干物质积累量、转移量、转移率和对籽粒的贡献率[25],与本研究的增产效应十分一致。 但有关减量施 N 下玉
米鄄大豆套作体系地下根系相互作用及地下根系 N吸收对地上部产量形成的贡献还有待进一步研究。
禾本科与豆科作物间套作有明显的间套作优势[11,18鄄19],在“小麦 /玉米 /大豆冶套作体系施肥效应研究中,
发现采用传统株间穴施化肥后,玉米占据优势生态位,大豆处于竞争劣势[23];与单作相比,套作体系下玉米产
量、氮素吸收量及氮肥利用率显著提高,而大豆对氮肥的利用率降低 51.45%[21],不利于套作系统平衡吸收养
分及可持续利用养分。 本研究采用减量一体化施肥后,相对 MM或 SS,IMS不仅未显著影响玉米植株 N吸收
量,还使大豆籽粒吸 N量显著增加,确保了玉米鄄大豆套作系统总吸 N量及周年 N肥利用率提高;RN与 CN相
比,玉米、大豆的籽粒及茎叶吸 N量提高,使 IMS下 RN 的玉米、大豆地上部植株总吸 N 量比 CN 的高 12.4%
和 13.4%,体现出减量施 N对玉米鄄大豆套作系统 N 素吸收的平衡效应。 此外,RN 相对 CN 还降低了土壤 N
素贡献率、提高了土壤总 N 含量;与 MM 和 SS 相比,IMS 下单季作物土壤 N 素贡献率分别降低 6. 2%和
15.6%,而套系统相对单作则降低 12%左右,且呈逐年降低趋势,其原因则归因于 RN 显著提高了 IMS 下玉米
和大豆的 N肥吸收利用率,分别较 CN的高 213.0%和 117.5%,且呈逐年增加趋势,导致 RN下系统周年 N肥
利用率提高 113.0%,土壤 N素贡献率降低 11.5%,维持了土壤肥力,尤其是显著提高了耗地作物玉米的土壤
总 N含量,IM的比 MM的高 7.8%,RN的比 CN的高 10.6%。 这与战秀梅等[5]、Constantin 等[2]研究减量施 N
的节肥效应一致,但减量施 N下玉米鄄大豆套作体系 N素种间竞争补偿机理及土壤 N素转化与作物 N素吸收
间的关系还有待进一步研究。
4摇 结论
玉米鄄大豆套作系统中作物对 N素吸收存在数量及形态差异,相对单作,套作下玉米的籽粒及植株总吸 N
量降低,大豆的则增加;玉米的土壤 NO3鄄N含量、总 N 含量增加,大豆的则降低;玉米、大豆的 N 肥利用率及
15N回收率提高,土壤 N贡献率及土壤15N%丰度降低。 玉米植株对 NO3鄄N、NH4鄄N 为吸收优势,大豆则为吸收
劣势,以生物固 N为主。 减量施 N有利于玉米鄄大豆套作体系作物持续增产及维持土壤肥力,IMS下,RN的玉
米、大豆籽粒产量及植株吸 N量显著高于 CN,系统周年 N肥利用率逐年增加,土壤 N贡献率逐年降低。
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