全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2014, 40(9): 16291638 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究由国家自然科学基金项目(31271669, 31201169), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-04-PS19)和国家公益性行业(农业)
科研专项经费项目(201203096)资助。
通讯作者(Corresponding authors): 雍太文, E-mail: yongtaiwen@sicau.edu.cn; 杨文钰, E-mail: wenyu.yang@263.net
第一作者联系方式: E-mail: liuxiaomingsicau@126.com
Received(收稿日期): 2014-03-08; Accepted(接受日期): 2014-06-16; Published online(网络出版日期): 2014-07-10.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20140710.1437.002.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2014.01629
减量施氮对玉米-大豆套作系统中作物产量的影响
刘小明 1 雍太文 1, 苏本营 1 刘文钰 1 周 丽 1 宋 春 1,2 杨 峰 1
王小春 1 杨文钰 1
1 四川农业大学农学院 / 农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室, 四川成都 611130; 2 四川农业大学资源环境学院生态环境研
究所, 四川成都 611130
摘 要: 通过田间试验, 研究了种植模式(玉米单作、大豆单作、玉米-大豆套作)和施氮水平(0、180、240 kg N hm–2)
对作物产量和大豆光合特性、干物质积累的影响。结果表明, 大豆叶片 Pn、Gs、Ci、Tr 和植株干物质积累量随生育
时期的推移呈先增加后降低的趋势。与单作相比, 套作处理大豆的 Pn、Gs、Tr在 V5期(玉米大豆共生期)显著降低, 但
在 R2、R4、R6期(玉米收获后)无显著差异, 地下部、地上部及总干物质积累量在各生育时期呈降低趋势, R4~R6期
的作物生长率和经济系数则显著提高。玉米-大豆套作体系下, 施氮显著提高了大豆花后叶片 Pn、Gs、Tr和植株地下部、
地上部及总干物质积累量, 增加了大豆单株荚数和产量, 与习惯施氮(240 kg N hm–2)相比, 减量施氮处理(180 N kg hm–2)
大豆的 Pn在 R4、R6期提高了 3.57%、11.82%, 总干物质积累量在 R6、R8期提高了 5.06%、10.21%, 单株荚数、产
量提高了 8.30%、10.15%。减量施氮处理下, 玉米-大豆套作系统的总产量最高, 总经济系数为 0.49, LER达 2.17。玉
米-大豆套作减量一体化施肥有利于提高大豆光合特性和干物质积累, 提高大豆产量和玉米-大豆套作系统总产。
关键词: 减量施氮; 光合特性; 干物质积累; 产量; 大豆; 玉米-大豆套作
Effect of Reduced N Application on Crop Yield in Maize-Soybean Intercropp-
ing System
LIU Xiao-Ming1, YONG Tai-Wen1,, SU Ben-Ying1, LIU Wen-Yu1, ZHOU Li1, SONG Chun1,2, YANG Feng1,
WANG Xiao-Chun1, and YANG Wen-Yu1
1 Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Cultivation in Southwest, Ministry of Agriculture / College of Agronomy, Sichuan Agricultural
University, Chengdu 611130, China; 2 Institute of Ecological and Environmental Sciences, College of Resources and Environment, Sichuan Agricul-
tural University, Chengdu 611130, China
Abstract: Maize-soybean strip relay intercropping pattern is widely adopted in Southeast China. Whereas the traditional fertilized
measures used by farmers are not good for high yield of soybean. In order to get high yield for both maize and soybean in this
system, a field experiment was conducted to investigate the effect of reduced N application on photosynthetic characteristics and
dry matter accumulation of soybean, and the system crop yield. The experiment included three planting patterns (maize
monocropping, soybean monocropping and maize-soybean relay strip intercropping) and three rates of N fertilizer application (0,
180, 240 kg ha–1). The results demonstrated that, the net photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Gs), stomatal conductance (Ci),
photosynthetic capacity (Tr), dry matter accumulation of soybean increased initially and then decreased in the later stage. Com-
pared with soybean monocropping, the Pn, Gs, and Tr of intercropped soybean decreased significantly in the intergrowth stage
(V5), but had no significant differences at R2, R4, and R6 stages. Although the below-ground, above-ground and total dry matter
accumulation of soybean significantly decreased during the whole growth period, the crop growth rate from R4 to R6 stages and
economic coefficient significantly increased. In the maize-soybean relay strip intercropping system, N application significantly
enhanced the Pn, Gs, Tr, dry matter accumulation, pod number per plant, and grain yield of soybean. Compared with the conven-
tional N application (240 N kg ha–1), Pn of soybean under the reduced amount of N application (180 kg N ha–1) increased by
1630 作 物 学 报 第 40卷
3.57% and 11.82% at R4 and R6 stages, respectively. Furthermore, the total dry matter accumulation increased by 5.06% and
10.21% at R6 and R8 stages, and pod number per plant and grain yield increased by 8.30% and 10.15%, respectively. Finally, the
maize-soybean relay strip intercropping system possessed the highest yield under the N application rate of 180 kg N ha–1, with the
economic coefficient and land equivalent ratio (LER) of 0.49 and 2.17, respectively. Taken together, the reduced N application in
maize-soybean relay strip intercropping system can increase the yield of soybean and whole the system through improving soy-
bean photosynthetic characteristics and enhancing dry matter accumulation.
Keywords: Reduced N application; Photosynthetic characteristics; Dry matter accumulation; Yield; Soybean; Maize-soybean
intercropping
氮肥在农业生产中占有重要地位, 施入土壤中
的氮肥 50%以上通过氮素损失途径进入大气和水体
中, 造成严重的生态环境问题, 如温室效应增加、水
体富营养化等[1-2]。我国是世界上最大的氮肥生产国
和消费国, 且氮肥利用水平远低于发达国家, 由氮
肥损失引发的生态环境问题已成为众多专家和学者
共同关注的焦点[3]。减量施氮正是在这种背景下发
展起来的一种高效施氮方式。众多研究表明, 适当
减少氮肥施用量不会对作物产量产生显著影响, 而
且显著提高氮肥利用效率, 并从氮肥损失、土壤氮
素转化、土壤微生物等方面进行了深层次的机制探
讨。邹晓锦等[4]研究发现, 与习惯施肥相比, 氮肥减
量 10%和 20%处理的玉米产量并没有降低, 而氮肥
利用效率则显著增加; 战秀梅等 [5]研究氮肥减量后
移对春玉米的影响表明, 与习惯施肥相比, 氮肥利
用率提高了 20.7%, 氮的吸收利用效率和收获指数
也显著提高; Constantin 等[6]研究填闲作物、免耕和
减氮处理的影响发现 , 减量施氮降低了氮肥的淋
溶、土壤有机氮以及土壤反硝化作用和氨挥发所带
来的氮肥损失; Ruan等[7]研究减量施氮对蔬菜土壤
线虫群体和作物产量影响表明 , 与习惯施氮相比 ,
减量施氮并没有降低番茄的产量, 且提高了土壤线
虫群落结构, 降低了根瘤病的丰度。前人关于减量施
氮的研究大多集中在单一作物或在当地条件下[4-7], 对
西南地区近几年发展起来的玉米-大豆带状复合种
植模式尚未见报道。
玉米-大豆带状复合种植模式自推广以来, 迅速
发展, 推广面积逐年扩大, 对当地农民增收和农业
增产作出重要贡献, 已成为四川省和农业部的主推
模式[8-9]。该模式中的大豆替代了传统玉米-甘薯套作
模式中的甘薯, 改变了作物间的作用关系和作物的
生态地位 , 促进了玉米生长 , 提高了玉米产量 , 但
传统的根区穴施施肥方式下, 大豆的产量和氮肥利
用效率均显著下降[10-11], 不利于该模式作物间和谐
生长和进一步推广应用。因此, 本试验在单作和套
作模式下, 研究不同施氮量对大豆生育关键时期的
光合特性、干物质积累以及作物产量的影响, 旨在
探明改变作物施肥方式后, 套作大豆在受前期遮阴
的影响下, 玉米收获后大豆的光合特性、干物质积
累的恢复状况, 以及它们对大豆产量的影响, 为玉
米-大豆带状复合种植模式施肥技术的优化和双高
产的形成奠定理论基础。
1 材料与方法
1.1 试验点及供试品种
试验于 2012年 3月至 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
pH 6.8, 含有机质 17.26 g kg–1、全氮 0.90 g kg–1、全磷
0.50 g kg–1、全钾 14.28 g kg–1、碱解氮 77.35 mg kg–1、
速效磷 22.83 mg kg–1和速效钾 196.63 mg kg–1。供试
玉米品种为登海 605, 由山东登海种业股份有限公
司提供; 大豆品种为南豆12, 由四川省南充市农业
科学研究所提供。
1.2 试验设计
采用二因素裂区设计, 主因素为种植模式(图 1),
分别为玉米单作(MM), 大豆单作(SS), 玉米-大豆套
作(IMS); 副因素为玉米大豆施氮总量, 分别为 NN
不施氮(对照), RN减量施氮(180 N kg hm–2, 根据当
地玉米施氮量确定), CN 习惯施氮(240 N kg hm–2,
根据当地玉米与大豆的总施氮量确定), 且玉米与大
豆施氮比为 3∶1, 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采用等行距种植 , 玉米行距
100 cm、大豆行距 50 cm, 玉米穴距 17 cm, 大豆穴
距 34 cm, 玉米穴留 1株, 大豆穴留 2株; 玉米-大豆
套作采用宽窄行种植, 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, 穴距 17 cm, 玉米穴留 1株, 密度每
公顷 5.85 万株, 大豆穴留 2 株, 密度每公顷 11.7 万
株。保证在单、套作方式下, 各作物单位土地面积
的种植密度和施肥水平一致。玉米氮肥分 2次施用,
即玉米底肥和大喇叭口期追肥, 大豆氮肥一次性施
第 9期 刘小明等: 减量施氮对玉米-大豆套作系统中作物产量的影响 1631
用。玉米单作和大豆单作按传统株间穴施方式施肥。
玉米-大豆套作体系按玉米、大豆一体化施肥方式,
玉米底肥统一按株间穴施 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,
在玉米、大豆之间, 距玉米 25 cm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
P2O5 105 kg、K2O 112.5 kg, 每公顷大豆施用量为
P2O5 63 kg、K2O 52.5 kg。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。
图 1 不同种植模式示意图
Fig. 1 Maize-soybean planting patterns
表 1 不同种植模式的氮肥施用量
Table 1 N application rates under different planting patterns (kg hm–2)
种植模式
Planting pattern
施氮处理
N treatment
施氮总量
Total N application amount
底肥
Base fertilizer
追肥
Top fertilizer
减氮 Reduced N 135 72 63 玉米单作
Maize 习惯施氮 Conventional N 180 72 108
减氮 Reduced N 45 45 0 大豆单作
Soybean 习惯施氮 Conventional N 60 60 0
减氮 Reduced N 180 72 108 玉米大豆
Maize-soybean 习惯施氮 Conventional N 240 72 168
1.3 测定项目
1.3.1 光合参数 于大豆五节期(V5)、盛花期
(R2)、结荚期(R4)和鼓粒期(R6), 从每个小区选择长
势一致的植株 4 株 , 采用便携式光合系统测定仪
LI-6400 (LI-COR, Lincoln, USA), 在晴天上午 9:00
至 11:00, 测定大豆叶片净光合速率 Pn, 同时得到气
孔导度 Gs、蒸腾速率 Tr、胞间二氧化碳浓度 Ci等光合
参数。测定时叶室内设置为蓝光, 光强度 1000 μmol
m–2 s–1, 温度 24~28 , ℃ 相对湿度 65%~75%, CO2浓
度 0.350‰。选取大豆顶部倒数第 3片完全展开三出
复叶的中间叶片, 重复测定 3次。
1.3.2 干物质积累量 于大豆五节期(V5)、盛花
期(R2)、结荚期(R4)、始粒期(R5)、鼓粒期(R6)及成
熟期(R8), 采用传统挖掘法在每个小区选择长势一
致的植株 6株(3穴), 将植株样按地上部和地下部分
开, 均在 105℃下杀青 30 min 后以 75℃烘至恒重,
测定干物质重。
1.3.3 产量调查 收获玉米、大豆时, 从各小区
取2行共12 m2计产, 连续取10株考种, 调查大豆产
量构成。
1.4 相关计算
(1) 作物生长率 = (W2–W1)/(T2–T1)
该参数反映群体的绝对生长速率, 也可以用于
表达农作物的平均生长速率。W2–W1 表示一定期间
内每平方米土地面积上植株干物质重的净增长速率;
T2–T1为 2次测定期间的间隔时间。
(2) 土地当量比率[12]LER = Lc+Ls
Lc = 套作玉米籽粒产量/单作玉米籽粒产量; Ls
= 套作大豆籽粒产量/单作大豆籽粒产量。LER>1表
示套作系统有产量优势; LER<1则无产量优势。
(3) 种间相对竞争能力[12] Acs = (Yic/Ysc)–(Yis/Yss)
Acs为玉米相对于大豆的竞争能力; Yic、Yis为玉
米、大豆在套作时的籽粒产量; Ysc、Yss为玉米、大豆
在单作时的籽粒产量。Acs>0, 表明玉米竞争能力强
于大豆; Acs<0, 表明玉米竞争能力弱于大豆。
(4) 竞争比率[12]CRcs = (Yic/Ysc)/(Yis/Yss)
1632 作 物 学 报 第 40卷
CRcs 为玉米相对于大豆的竞争比率; Yic、Yis 为
玉米、大豆在套作时的籽粒产量; Ysc、Yss为玉米、
大豆在单作时的籽粒产量。CRcs>1, 表明玉米比大豆
竞争能力强; CRcs<1, 表明玉米比大豆竞争能力弱。
(5) 经济系数 = 籽粒产量/地上部植株干物质重
(6) 玉米-大豆套作系统(IMS)的总籽粒产量 =
套作玉米籽粒产量+套作大豆籽粒产量
1.5 数据处理
采用Microsoft Excel 2003整理数据 ; 采用
SigmaPlot10.0软件作图 ; 采用DPS7.05软件分析数
据, 测验LSD显著性。
2 结果与分析
2.1 大豆叶片光合特性
由图 2 可知, 随生育时期的推移, 大豆的 Pn、
Gs、Ci及 Tr均呈先增加后降低的趋势, 其中, Pn在
R4 期达最高。V5 期(玉米和大豆共生期), 与 SS 相
比, IS的 Pn、Gs、Tr显著降低, 其中, NN、RN和 CN
下的 Pn分别降低 74.24%、75.70%和 77.27%; R2、
R4、R6期, IS的 Pn、Gs、Ci与 SS差异不显著。单
作、套作模式下大豆的 Pn、Gs、Ci和 Tr在各施氮水
平间的变化规律不一致。单作模式下, V5期, CN的
Pn显著高于 NN 和 RN, 但 Gs、Ci和 Tr在施氮处理
间无显著变化; R2、R4期, 施氮处理间的 Pn、Gs、
Tr随施氮量的增加呈增加的趋势, 以 CN最高; R6期,
施氮处理间的 Pn、Gs、Tr随施氮量的增加呈先增加
后降低的趋势, 以 RN最高。套作模式下, V5期, 施
氮处理间的 Pn、Gs、Tr差异不显著; R2、R4、R6期,
施氮处理的 Pn、Gs、Tr高于不施氮处理, 其中, 2013
年, R4、R6 期, 施氮处理间的 Pn、Gs、Tr以 RN 最
高, Pn 分别比 NN 高 27.18%、41.85%, 比 CN 高
3.57%、11.82%; Gs分别比 NN高 21.21%、137.5%, 比
CN 高 5.26%、46.15%; Tr分别比 NN 高 27.24%、
150.30%, 比 CN高 5.53%、57.14%。
2.2 大豆植株干物质积累量
大豆的地下部、地上部及总干物质积累量随生
育时期的推移呈先增加后降低的趋势, 在R6期达到
最高(图 3)。V5~R6期, 与 SS相比, IS的地下部、地
上部及总干物质积累量呈降低趋势 , 其中 , R6 期
(2013年), NN、RN与 CN下的总干物质积累量分别
降低 39.02%、12.70%、20.66%。各生育时期, 单作、
套作模式下大豆的地下部、地上部及总干物质积累
量在各施氮处理间的变化规律不一致。单作模式下,
V5~R5期(2012年)和 V5~R6期(2013年), 地下部、
地上部及总干物质积累量在施氮处理间以 CN 最高,
其中 , 2013 年 , 总干物质积累量分别比 NN 高
25.83%、17.19%、15.15%、4.46%, 比 RN高 6.37%、
13.66%、12.20%、4.74%; R8期, 减量施氮处理的干
物质积累量呈增加趋势, 2 年平均值 RN 比 NN 高
11.33%, 比 CN高 9.91%。套作模式下, V5期, 地下
部、地上部及总干物质积累量在施氮处理间差异不
显著; R2~R8期, 地下部、地上部及总干物质积累量
在施氮处理间以 RN最高, 其中, 2013年, 地上部干
物质积累量分别比 NN高 52.13%、60.13%、45.73%、
28.13%, 比 CN高 31.95%、3.58%、4.48%、10.84%;
总干物质积累量分别比 NN 高 47.97%、53.19%、
42.77%、26.83%, 比 CN高 26.67%、5.80%、5.06%、
10.21%。
2.3 大豆作物生长率
由表 2可知, V5~R2期, SS>IS; R2~R5期(2012
年)和 R4~R6 期(2013 年), SS
期后, 直到 R6期都能保持较高的生长速率。施氮水
平对单作、套作模式下不同时间段大豆作物生长率
影响规律不一致。单作模式下, V5~R2期, 施氮处理
显著高于不施氮处理, 以 CN 最高; R2~R5 期(2012
年)和 R4~R6期(2013年), 施氮处理间随施氮量的增
加而降低, 以 CN最低。套作模式下, 施氮显著提高
了大豆各时间段的作物生长率, V5~R2 期、R2~R5
期(2012 年)和 R4~R6 期(2013 年), 施氮处理间均以
RN最高, 2013年, V5~R2、R2~R4和 R4~R6期 RN
比 NN分别高 53.85%、59.00%和 22.05%。
2.4 大豆产量构成因素
与 SS相比, IS的单株荚数、单荚粒数和百粒重
呈增加趋势, 2 年平均值分别提高 4.20%、8.86%和
5.81% (表 3)。单作、套作模式下大豆的单株荚数、
单荚粒数及百粒重在各施氮处理间的变化规律不一
致。单作模式下, 单株荚数表现为 NN和 RN间差异
不显著, RN显著高于 CN, 2年平均值 RN比 CN高
18.43%; 单荚粒数以 RN最高, 2年平均值 RN比 NN
和 CN高 5.81%和 5.13%; 百粒重在减量施氮处理下
呈降低的趋势, 2 年平均值 RN 比 CN 低 1.61%。套
作模式下, 单株荚数以 RN 最高, 2 年平均值 RN 比
NN和 CN高 42.90%和 8.30%; 单荚粒数表现为施氮
处理低于不施氮处理, 2年平均值RN比NN低 2.01%;
百粒重在减量施氮处理下呈增加的趋势, 2年平均值
第 9期 刘小明等: 减量施氮对玉米-大豆套作系统中作物产量的影响 1633
RN比 CN高 3.10%。
2.5 玉米、大豆产量及经济系数
2.5.1 产量 由表 4 可知, 与 MM (SS)相比, IM
和 IS 的产量在不施氮处理下呈降低趋势, 2 年平均
值分别降低 13.60%、9.84%, 而施氮处理下, IM的产
量无显著变化, 但 IS的产量则显著提高, RN和 CN
图 2 种植模式和施氮水平对大豆叶片光合特性的影响
Fig. 2 Effect of different N application rates and planting patterns on leaf photosynthesis characteristic of soybean
SS: 大豆单作; IS: 大豆套作; NN: 不施氮; RN: 减氮量; CN: 习惯用氮。图柱上的小写字母表示处理间差异在 0.05水平显著。
SS: soybean monocropping; IS: soybean intercropping; NN: zero N application; RN: reduced N application; CN: conventional N application.
Bars superscripted by different small letters are significantly different among different treatments at 0.05 probability level.
1634 作 物 学 报 第 40卷
图 3 种植模式和施氮水平对大豆干物质积累的影响
Fig. 3 Effect of different N application rates and planting patterns on dry matter accumulation of soybean
SS: 大豆单作; IS: 大豆套作; NN: 不施氮; RN: 减氮量; CN: 习惯用氮。
SS: soybean monocropping; IS: soybean intercropping; NN: zero N application; RN: reduced N application; CN: conventional N application.
表 2 种植模式和施氮水平对大豆作物生长率的影响
Table 2 Effect of different N application rates and planting patterns on crop growth rate of soybean (g m–2 d–1)
2012 2013
V5–R2 R2–R5 V5–R2 R2–R4 R4–R6
施氮水平
N application amount
SS IS SS IS SS IS SS IS SS IS
不施氮 Zero N 7.93 b 4.02 a 9.19 a 9.73 b 8.67 b 3.64 b 8.48 a 5.61 b 8.23 a 8.98 a
减氮量 Reduced N 11.12 a 4.80 a 7.18 b 11.97 a 8.74 ab 5.60 a 8.64 a 8.92 a 7.14 a 10.96 a
习惯用氮 Conventional N 11.91 a 4.43 a 7.12 b 10.96 ab 10.04 a 4.33 ab 9.44 a 10.05 a 4.64 a 10.62 a
平均 Mean 10.32 a 4.42 b 7.83 b 10.89 a 9.15 a 4.52 b 8.86 a 8.19 a 6.67 b 10.19 a
SS: 大豆单作; IS: 大豆套作。同列中标以不同字母的值在 0.05水平上差异显著。
SS: soybean monocropping; IS: soybean intercropping. Values followed by different letters within a column are significantly different
at 0.05 probability level.
第 9期 刘小明等: 减量施氮对玉米-大豆套作系统中作物产量的影响 1635
表 3 种植模式和施氮水平对大豆产量构成因素的影响
Table 3 Effect of different N application rates and planting patterns on yield components of soybean
单株荚数 Pod No. per plant 单荚粒数 Seed No. per pod 百粒重 100-seed weight (g) 施氮水平
N application amount SS IS SS IS SS IS
2012
不施氮 Zero N 77.41 ab 59.28 b 1.59 a 1.85 a 20.14 a 21.75 a
减氮量 Reduced N 85.44 a 89.83 a 1.61 a 1.83 a 18.98 b 21.70 a
习惯用氮 Conventional N 72.33 b 84.41 a 1.54 a 1.77 a 18.99 b 21.01 a
平均 Mean 78.40 a 77.84 a 1.58 b 1.82 a 19.37 b 21.49 a
2013
不施氮 Zero N 57.25 a 50.63 b 1.51 b 1.64 a 19.47 a 19.77 a
减氮量 Reduced N 55.91 a 67.25 a 1.66 a 1.59 a 19.50 a 20.17 a
习惯用氮 Conventional N 47.03 b 60.63 a 1.58 ab 1.63 a 20.12 a 19.60 a
平均 Mean 53.40 b 59.50 a 1.58 a 1.62 a 19.70 a 19.85 a
SS: 大豆单作; IS: 大豆套作; 同列中标以不同字母的值在 0.05水平上差异显著。
SS: soybean monocropping; IS: soybean intercropping. Values followed by different letters within a column are significantly different
at 0.05 probability level.
下 2年平均值分别提高 16.26%和 34.66%。施氮水平
对玉米、大豆产量影响显著, 单作、套作模式下均
以 RN 最高, 其中套作模式下, 玉米、大豆的产量 2
年平均值 RN 比 NN 高 33.90%、42.61%, 比 CN 高
8.04%、10.15%。进一步分析玉米-大豆套作系统的
总产量, 各施氮处理间仍以 RN 最高, 2 年平均值比
NN和 CN高 35.78%和 8.51%。
2.5.2 经济系数 与 MM(SS)相比, IM 的经济系
数无显著变化, 而 IS的经济系数显著增加, 2年平均
值提高 27.78%, 说明套作更有利于大豆干物质向籽
粒运转(表 4); 与 NN相比, 施氮可以提高玉米单作、
套作和大豆套作的经济系数, 以RN最高, 而大豆单
作在施氮后经济系数降低, CN的降低达显著水平。
玉米-大豆套作系统的总经济系数显著高于大豆单
作, 但与 MM、IM 的差异不显著, 施氮处理间仍以
RN最高, 2年平均值为 0.49。
2.6 土地当量比率(LER)、种间竞争力(Acs)及竞
争比率(CRcs)
由表 5 可知, 玉米-大豆套作体系表现出明显的
种间产量优势(LER>1), 玉米的种间竞争能力弱于
大豆(Acs<0, CRcs<1)。土地当量比率(LER)随施氮量
的增加而增加, CN下, 由于 SS的产量显著低于 IS,
表 4 种植模式和施氮水平对玉米、大豆产量及经济系数的影响
Table 4 Effect of different N application rates and planting patterns on yield and economic coefficient of maize and soybean
作物产量 Crop yield (kg hm–2) 经济系数 Economic coefficient
玉米 Maize 大豆 Soybean 玉米 Maize 大豆 Soybean 施 N水平
N application amount
MM IM SS IS
玉米-大豆
Maize-soybean MM IM SS IS
玉米-大豆
Maize-soybean
2012
不施氮 Zero N 6378.5 b 6095.0 b 1552.1 b 1567.3 c 7662.2 c 0.47 b 0.46 b 0.39 a 0.48 ab 0.47 b
减氮量 Reduced N 7115.5 a 6790.5 a 1788.7 a 2364.1 a 9154.6 a 0.49 a 0.48 a 0.37 a 0.49 a 0.48 a
习惯用氮 Conventional N 7038.0 a 6346.5 b 1341.9 c 2176.8 b 8523.3 b 0.49 a 0.47 b 0.35 b 0.47 b 0.47 b
平均 Mean 6844.0 a 6410.7 a 1560.9 b 2036.1 a 0.48 a 0.47 a 0.37 b 0.48 a
2013
不施氮 Zero N 6867.7 b 5350.2 b 1954.3 ab 1594.1 b 6944.3 b 0.48 a 0.49 b 0.37 a 0.42 a 0.48 a
减氮量 Reduced N 8330.7 a 8534.4 a 2089.1 a 2144.2 a 10678.6 a 0.50 a 0.52 a 0.37 ab 0.45 a 0.51 a
习惯用氮 Conventional N 7682.7 ab 7837.6 a 1697.7 b 1916.1 ab 9753.7 a 0.49 a 0.52 ab 0.30 b 0.44 a 0.50 a
平均 Mean 7627.0 a 7240.7 a 1913.7 a 1884.8 a 0.49 a 0.51 a 0.35 b 0.44 a
MM: 玉米单作; IM: 玉米套作; SS: 大豆单作; IS: 大豆套作; 同列中标以不同字母的值在 0.05水平上差异显著。
MM: maize monocropping; IM: maize intercropping; SS: soybean monocropping; IS: soybean intercropping. Values followed by dif-
ferent letters with a column are significantly different at 0.05 probability level.
1636 作 物 学 报 第 40卷
表 5 玉米-大豆套作体系的土地当量比(LER)、种间竞争力(Acs)及竞争比率(CRcs)
Table 5 Land equivalent ratio, competition, and competition ratio of maize-soybean relay strip intercropping systems
2012 2013 施氮量
N application amount LER Acs CRcs LER Acs CRcs
不施氮 Zero N 1.965 b –0.054 a 0.946 a 1.595 b –0.037 a 0.955 a
减氮量 Reduced N 2.276 a –0.367 b 0.722 b 2.051 ab –0.002 a 0.998 a
习惯用氮 Conventional N 2.524 a –0.720 c 0.556 c 2.149 a –0.109 a 0.904 a
同列中标以不同字母的值在 0.05水平上差异显著。
Values followed by different letters within a column are significantly different at 0.05 probability level.
致使 LER 显著升高; RN 下, 玉米-大豆套作系统的
总产量最高(表 4), 2 年平均值 LER 达 2.17。与 CN
相比, NN和 RN的种间竞争力(Acs)和竞争比率(CRcs)
明显提高, 说明减量施氮处理降低了大豆对玉米的
竞争作用。RN下, 2012年, 玉米大豆间存在一定竞
争(Acs<0, CRcs<1), 但随着大豆培肥及固氮能力改
善, 连续种植后, 2013年竞争力下降, 玉米和大豆的
种间竞争力(Acs)接近0, 竞争比率(CRcs)接近 1, 说明
玉米-大豆套作减量一体化施肥条件下, 玉米和大豆
间的竞争作用减弱, 使作物间和谐共生, 有利于玉
米大豆协调增产。
3 讨论
3.1 减量施氮对玉米-大豆套作体系中大豆光合
产物积累的影响
光合作用是作物干物质积累的主要来源。在间
套作种植模式下, 高位作物对低位作物的影响主要
集中在光资源的利用上, 低位作物光合有效辐射降
低[13]、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)
下降[14-16]、导致干物质积累量显著降低[17]。本研究
中, 在玉米-大豆套作种植系统中, 大豆播种于玉米
行间, 前期生长受到玉米遮阴的影响, 玉米和大豆
共生生长(大豆 V5期)时, 大豆的 Pn、Gs、Tr显著低
于单作, V5~R2 期作物生长率显著下降, 导致干物
质积累量也显著降低, 与王竹等[15]、宋艳霞等[18]研
究结果一致。
玉米-大豆套作体系中, 玉米收获后, 大豆进行
一段时间的恢复生长, 光合特性已有明显提高, R2、
R4、R6期, 大豆的 Pn、Gs、Tr在单作与套作模式间
无显著差异, 但整个生育期套作大豆的干物质积累
量呈下降趋势, 主要是由于其前期生长受玉米阴蔽
的影响, 抑制了大豆旺长。前人研究表明, 施氮对大
豆光合作用和干物质积累有显著影响。谷秋荣等[19]
研究发现, 3种施肥处理各时期大豆叶片 Pn、Gs、Ci、
叶绿素含量及成熟期产量均较对照有不同幅度的提
高; 谢甫绨等[20]研究表明, 不同施肥处理下各品种
单株干物质积累均呈“S”型曲线 , 随着施肥量的增
加, 单株干物质积累量也增大。本研究中, 大豆植株
干物质积累量也呈“S”型曲线变化 , 干物质积累量
峰值出现在鼓粒期(R6 期); 施氮相对于不施氮提高
了大豆叶片 Pn、Gs、Tr 及植株干物质积累量, 与前
人研究一致[19-20]。但单作模式下, V5、R2、R4期, 与
不施氮和减量施氮处理相比, 习惯施氮处理始终保
持较高的 Pn、Gs、Tr 和干物质积累量, 说明传统施
肥方式下大豆在 R4 期以前旺长加剧, 落花落荚加
重, 致使 R4~R6 期的作物生长率显著降低, 最终经
济系数和产量下降。而套作模式下, R4、R6 期, 减
量施氮处理大豆的叶片 Pn、Gs、Tr和干物质积累量
高于不施氮和习惯施氮处理, 且套作大豆在 R4~R6
期仍保持较高的作物生长率, 显著高于单作大豆。
说明玉米-大豆套作减量一体化施肥有利于大豆光
合特性和干物质积累的恢复, 促进了大豆花后的生
长, 且提高了经济系数, 最终促进了大豆产量的提
高。另一方面, 雍太文等[21]在前期研究中发现, 玉
米-大豆套作条件下, 与习惯施氮相比, 减量施氮提
高了大豆 R2、R5 期单株根瘤数量、根瘤干重和根
瘤固氮潜力, 表明降低施氮量、远离根区施肥、以
及整合施肥时期之后, 玉米-大豆套作减量一体化施
肥不仅能够满足玉米对氮肥的需求, 而且促进了大
豆的生物固氮, 使植株根系对氮素的吸收能力增加,
为地上部植株生长提供充足的营养, 以促进叶片更
好地生产和积累光合物质, 为大豆花荚的形成奠定
了物质基础, 从而促进了产量的提高, 但有关减量
一体化施肥促进玉米-大豆套作体系下大豆生物固
氮的作用机理还有待进一步研究。
3.2 减量施氮对玉米-大豆套作体系产量的影响
合理的间作套种有利于增加作物产量, 尤其是
禾本科作物与豆科作物的间套种植, 具有明显的间
套优势。王秋杰等[22]研究表明, 小麦套作花生相对
于两作物持续种植有明显的产量优势, 4年平均增产
第 9期 刘小明等: 减量施氮对玉米-大豆套作系统中作物产量的影响 1637
分别为 27.7%和 14.3%; Haugaard-Nielsen 等[23]研究
表明 , 豌豆 -大麦间作系统中产量提高 25%~38%;
Willey 等[24]和 Oljaca 等[25]研究发现, 玉米和豆类间
作分别增产 38%和 54%; Li 等[26]研究表明, 小麦和
大豆间作可增产 28%~30%; Subedi 等[27]研究发现,
小麦和豌豆间作可增产 17%~42%。
雍太文等 [28]在前期研究中发现, 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, 与单作相比, 套作体系下玉米产量显著
提高, 大豆则呈降低趋势[11], 不利于套作系统玉米、
大豆双高产。本研究中, 玉米-大豆套作系统具有明
显的产量优势(LER>1), 施氮处理下, 玉米的产量在
单作与套作模式间无显著变化, 套作大豆的产量显
著高于单作, 且以减量施氮处理的最高, 说明玉米-
大豆套作减量一体化施肥有利于提高大豆产量, 促
进玉米、大豆双高产。Yang等[12]研究表明, 甘蔗-大
豆间作系统中, 甘蔗的种间竞争力和营养竞争比率
弱于大豆, 甘蔗产量与单作无显著变化, 间套优势
主要取决于大豆作物。本研究也表明, 玉米的种间
竞争力和竞争比率弱于大豆(Acs<0, CRcs<1), 另外,
与习惯施氮相比, 减量施氮处理下玉米对大豆的种
间竞争力和竞争比率明显提高, 2013年, 种间竞争
力(Acs)接近0, 竞争比率(CRcs)接近1, 说明玉米-大
豆减量一体化施肥促进了套作体系中玉米大豆和谐
共生, 从而提高套作系统的产量。从产量构成因素
来看 , 与单作相比 , 不施氮时 , 套作大豆的单株荚
数显著降低, 而施氮时, 套作大豆的单株荚数则显
著提高, 且套作模式下, 大豆的单株荚数在施氮处
理间以减量施氮处理最高, 说明玉米-大豆套作减量
一体化施肥提高了大豆的单株荚数, 从而提高了大
豆产量。张正翼等[29]通过研究24份品种在套作下的
产量和产量构成发现, 单株荚数对大豆产量影响最
大, 其次为百粒重和单荚粒数, 与本试验结果一致。
另外, 万燕等[30]在不同施氮水平下研究套作大豆的
氮代谢规律发现增施氮肥促进大豆株高增加、节间
伸长 , 花荚脱落数增加 , 产量降低 , 在本研究中也
得到体现, 习惯施氮处理大豆的单株荚数低于减量
施氮处理, 但有关玉米-大豆套作减量一体化施肥如
何促进大豆花荚形成的生理机制还有待进一步研究。
4 结论
花期后, 套作大豆的 Pn、Gs、Tr 与单作差异不
显著, 干物质积累量显著降低, R4~R6 期的作物生
长率和经济系数显著提高; 减量施氮提高了大豆的
Pn、Gs、Tr、干物质积累量和单株荚数。玉米-大豆
套作减量一体化施肥促进了大豆花后光合特性的恢
复和干物质的积累, 提高了大豆的经济系数及产量,
最终提高了系统总产。
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