• ISSN 1008-505X
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合理施氮量缓解小麦蚕豆间作体系氮素竞争提高间作小麦产量优势

刘振洋 吴鑫雨 汤利 郑毅 李海叶 潘浩男 朱东宇 王静静 黄少欣 覃潇敏 肖靖秀

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合理施氮量缓解小麦蚕豆间作体系氮素竞争提高间作小麦产量优势

    作者简介: 刘振洋 E-mail: zhenyangliu0621@163.com;
    通讯作者: 肖靖秀, E-mail:xiaojingxiuxjx@126.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金(31760611,31560581),云南农业基础联合专项(2018FG 001-071)。

Reasonable nitrogen application rate relive the interspecific N competition and increase yield advantage of wheat in a wheat-faba bean intercropping system

    Corresponding author: XIAO Jing-xiu, E-mail:xiaojingxiuxjx@126.com
  • 摘要:   【目的】  通过研究小麦//蚕豆间作地上部的氮含量和吸收量,明确不同氮水平下小麦//蚕豆间作的氮吸收累积特征,解析间作小麦和蚕豆种间氮素竞争关系。  【方法】  田间试验采用两因素随机区组试验设计,设置3个种植模式 (单作小麦,单作蚕豆及小麦//蚕豆间作) 及4个氮水平 (N0,N1,N2,N3),其中小麦的4个施氮量依次为0、90、180、270 kg/hm2,蚕豆的4个施氮量依次为0、45、90、135 kg/hm2。测定分析了单间作小麦和蚕豆的产量、地上部氮累积含量,利用logistic模型模拟小麦蚕豆的氮吸收关键参数及氮吸收动态,分析了间作小麦和蚕豆的氮素竞争关系。  【结果】  小麦//蚕豆间作提高小麦产量33.4%、降低蚕豆产量20.7%,N0和N1水平下,间作具有显著产量优势。通过logistic模型分析发现,小麦的氮吸收高峰比蚕豆晚12~22天。4个氮水平下,间作主要提高了小麦最大氮累积量 (A)、最大氮吸收速率 (Rmax) 和初始氮吸收速率 (r),却降低了蚕豆的A、达到最大氮吸收速率所需的时间 (Tmax) 和Rmax。在营养生长阶段,小麦的氮素竞争力低于蚕豆,施氮可提高小麦的氮素吸收量。从施氮水平和种植模式共同作用角度,N0、N1和N2水平下,间作分别提高小麦的Rmax 34.1%、44.6%和21.0%。因此,当小麦达到氮吸收高峰后,间作分别提高小麦氮吸收速率和氮素累积量15.1%~48.4%和9.2%~28.9%,但却降低蚕豆氮吸收速率和氮素累积量7.3%~28.4%和7.9%~14.0%。此时,间作小麦氮素竞争力大于蚕豆,在N1水平下小麦氮素竞争力最强。  【结论】  小麦//蚕豆间作提高了小麦的初始及最大氮素吸收速率 (rRmax),提高了小麦生殖生长阶段的氮素吸收和累积,是间作小麦产量优势的基础。优化氮肥投入量,可调控小麦和蚕豆的种间竞争及互补关系,是小麦//蚕豆间作体系产量优势形成、氮素高效吸收利用的关键。
  • 图 1  2017—2018年田间试验月均温度和降雨量及2018年田间试验播种前有效氮含量

    Figure 1.  Monthly average temperature and rainfall during the field experiment period in 2017 and 2018 and available nitrogen content before sowing in field trials in 2018

    图 2  不同氮水平下单间作小麦蚕豆的产量及其产量的土地当量比 (LER)

    Figure 2.  The yield and LER for yield of inter- and mono- cropped wheat and faba bean under different nitrogen levels

    图 3  不同氮水平下小麦蚕豆氮素吸收速率 (P < 0.05)

    Figure 3.  Nitrogen absorption rate of wheat and faba bean under different nitrogen supplying levels (P < 0.05)

    图 4  不同氮水平下小麦蚕豆氮素累积 (P < 0.05)

    Figure 4.  Nitrogen accumulation of wheat and faba bean under different nitrogen levels (P < 0.05)

    图 5  不同氮水平下小麦与蚕豆种间竞争作用 (P < 0.05)

    Figure 5.  Interspecific competition between wheat and faba bean under different nitrogen levels (P < 0.05)

    表 1  2017—2018 年不同氮水平下单间作小麦的氮素吸收关键参数

    Table 1.  Key N uptake parameters of inter- and mono- cropped wheat at different nitrogen levels from 2017 to 2018

    氮水平N Level种植模式Cropping pattern20172018
    Adjust-R2ATmaxr (× 10–2)RmaxAdjust-R2ATmaxr (× 10–2)Rmax
    N0M0.9894**165.3 a81 a7.9 a3.3 a0.9867**173.4 a78 a7.3 a3.2 a
    I0.9718**143.4 a75 a7.9 a2.8 a0.9559**152.5 a74 a7.3 a2.8 a
    N1M0.9873**183.3 a79 a7.6 a3.5 a0.9948**188.2 a71 a7.6 a3.6 a
    I0.9923**161.0 a77 a7.7 a3.1 a0.9824**170.0 a69 a7.5 a3.2 a
    N2M0.9857**221.9 a74 a7.8 a4.3 a0.9882**229.9 a71 a7.5 a4.3 a
    I0.9805**204.1 a73 a7.7 a3.9 a0.9780**202.9 a67 a7.5 a3.8 a
    N3M0.9538**208.3 a72 a7.6 a4.0 a0.9506**197.9 a69 a7.6 a3.7 a
    I0.9762**185.3 a72 a8.1 a3.7 a0.9293**170.3 a68 a7.4 a3.2 a
    平均Average
    N0154.4d78 a7.9 a3.1d162.9 c76 a7.3 a3.0 c
    N1172.1 c78 a7.6 a3.3 c179.1 b70 b7.6 a3.4 b
    N2213.0 a73 b7.7 a4.1 a216.4 a69 b7.5 a4.1 a
    N3196.8 b72 b7.8 a3.9 b184.1 b69 b7.5 a3.5 b
    线性Linearns**nsnsns**nsNs
    平均Average
    M195 a77 a7.9 a3.7 a197 a72 a7.5 a3.7 a
    I173 b74 b7.9 a3.4 b174 b70 b7.4 a3.2 b
    氮水平N Level (N)*****ns*********ns***
    种植模式Cropping Pattern (C)****ns********ns***
    氮水平 × 种植模式 N × cnsNsnsnsnsnsnsNs
    注(Note):M—单作Mono-cropping;I—间作Intercropping;A—最大氮素累积量 The maximum nitrogen accumulation;r—最初氮素吸收速率 The initial nitrogen uptake rate;Tmax—达到最大氮吸收速率所需的天数 The days needed to reach the maximum nitrogen uptake rate;Rmax—最大氮吸收速率 The maximum nitrogen uptake rate;每一列中不同字母表示不同氮水平、种植模式及氮水平 × 种植模式下处理间有差异 (双因素方差分析,P < 0.05) Values with the different letters in the each column meant significant difference among the N levels,the cropping patterns and the interaction of N levels by cropping patterns respectively (two-way ANOVA,P < 0.05). ***—P < 0.001;**—P < 0.01;*—P < 0.05;ns—没有显著差异 No significant difference.
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    表 2  2017—2018年不同氮水平下单间作蚕豆的氮素吸收关键参数

    Table 2.  Key N uptake parameters of inter- and mono- cropped faba bean under different nitrogen levels from 2017 to 2018

    氮水平N Level种植模式Cropping pattern20172018
    Adjust-R2ATmaxr (× 10–2)RmaxAdjust-R2ATmaxr (× 10–2)Rmax
    N0M0.9894**165.3 a81 a7.9 a3.3 a0.9867**173.4 a78 a7.3 a3.2 a
    I0.9718**143.4 a75 a7.9 a2.8 a0.9559**152.5 a74 a7.3 a2.8 a
    N1M0.9873**183.3 a79 a7.6 a3.5 a0.9948**188.2 a71 a7.6 a3.6 a
    I0.9923**161.0 a77 a7.7 a3.1 a0.9824**170.0 a69 a7.5 a3.2 a
    N2M0.9857**221.9 a74 a7.8 a4.3 a0.9882**229.9 a71 a7.5 a4.3 a
    I0.9805**204.1 a73 a7.7 a3.9 a0.9780**202.9 a67 a7.5 a3.8 a
    N3M0.9538**208.3 a72 a7.6 a4.0 a0.9506**197.9 a69 a7.6 a3.7 a
    I0.9762**185.3 a72 a8.1 a3.7 a0.9293**170.3 a68 a7.4 a3.2 a
    平均Average
    N0154.4d78 a7.9 a3.1d162.9 c76 a7.3 a3.0 c
    N1172.1 c78 a7.6 a3.3 c179.1 b70 b7.6 a3.4 b
    N2213.0 a73 b7.7 a4.1 a216.4 a69 b7.5 a4.1 a
    N3196.8 b72 b7.8 a3.9 b184.1 b69 b7.5 a3.5 b
    线性Linearns**nsnsns**nsNs
    平均Average
    M195 a77 a7.9 a3.7 a197 a72 a7.5 a3.7 a
    I173 b74 b7.9 a3.4 b174 b70 b7.4 a3.2 b
    氮水平N Level (N)*****ns*********ns***
    种植模式Cropping Pattern (C)****ns********ns***
    氮水平 × 种植模式 N × cnsNsnsnsnsnsnsNs
    注(Note):M—单作 Mono-cropping; I—间作 Intercropping; A—最大氮素累积量 The maximum nitrogen accumulation; r—最初氮素吸收速率 The initial nitrogen uptake rate; Tmax—达到最大氮吸收速率所需的天数 The days needed to reach the maximum nitrogen uptake rate; Rmax—最大氮吸收速率 The maximum nitrogen uptake rate; 每一列中不同字母表示不同氮水平、种植模式及氮水平 × 种植模式下处理间有差异 (双因素方差分析, P < 0.05) Values with the different letters in the each column meant significant difference among the N levels,the cropping patterns and the interaction of N levels by cropping patterns respectively (two-way ANOVA, P < 0.05). ***—P < 0.001; **—P < 0.01; *—P < 0.05; ns—没有显著差异 No significant difference.
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  • [1] Bedoussac L, Journet E P, Hauggaard-Nielsen H, et al. Ecological principles underlying the increase of productivity achieved by cereal-grain legume intercrops in organic farming: A review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2015, 35(3): 911–935. doi:  10.1007/s13593-014-0277-7
    [2] Brooker R W, Bennett A E, Cong W F, et al. Improving intercropping: A synthesis of research in agronomy, plant physiology and ecology[J]. New Phytologist, 2015, 206(1): 107–117. doi:  10.1111/nph.13132
    [3] Martinguay M O, Paquette A, Dupras J, et al. The new Green Revolution: Sustainable intensification of agriculture by intercropping[J]. Science of the Total Environment, 2018, 615: 767–772. doi:  10.1016/j.scitotenv.2017.10.024
    [4] Dai J, Qiu W, Wang N, et al. From Leguminosae/Gramineae intercropping systems to see benefits of intercropping on iron nutrition[J]. Frontiers in Plant Science, 2019, 10: 605. doi:  10.3389/fpls.2019.00605
    [5] Li L, Li S M, Sun J H, et al. Diversity enhances agricultural productivity via rhizosphere phosphorus facilitation on phosphorus-deficient soils[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2007, 104(27): 11192–11196. doi:  10.1073/pnas.0704591104
    [6] Lopes T, Hatt S, Xu Q, et al. Wheat (Triticum aestivum L.)‐based intercropping systems for biological pest control[J]. Pest Management Science, 2016, 72(12): 2193–2202. doi:  10.1002/ps.4332
    [7] Zhu J, van der Werf W, Anten N P R, et al. The contribution of phenotypic plasticity to complementary light capture in plant mixtures[J]. New Phytologist, 2015, 207(4): 1213–1222. doi:  10.1111/nph.13416
    [8] Mao L, Zhang L, Li W, et al. Yield advantage and water saving in maize/pea intercrop[J]. Field Crops Research, 2012, 138: 11–20. doi:  10.1016/j.fcr.2012.09.019
    [9] Hauggaard-Nielsen H, Ambus P, Jensen E S. Temporal and spatial distribution of roots and competition for nitrogen in pea-barley intercrops — a field study employing 32P technique[J]. Plant and Soil, 2001, 236(1): 63–74. doi:  10.1023/A:1011909414400
    [10] 杨亚东, 冯晓敏, 胡跃高, 等. 豆科作物间作燕麦对土壤固氮微生物丰度和群落结构的影响[J]. 应用生态学报, 2017, 28(3): 957–965. Yang Y D, Feng X M, Hu Y G, et al. Effects of legume-oat intercropping on abundance and community structure of soil N2-fixing bacteria[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(3): 957–965.
    [11] Zhou L, Wang Y, Xie Z, et al. Effects of lily/maize intercropping on rhizosphere microbial community and yield of Lilium davidii var. unicolor[J]. Journal of Basic Microbiology, 2018, 58(10): 892–901. doi:  10.1002/jobm.201800163
    [12] 张小明, 来兴发, 杨宪龙, 等. 施氮和燕麦/箭筈豌豆间作比例对系统干物质量和氮素利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(2): 489–498. Zhang X M, Lai X F, Yang X L, et al. Effects of nitrogen application and intercropping ratio on dry matter production and nitrogen use efficiency of the oat and common vetch intercropping system[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(2): 489–498. doi:  10.11674/zwyf.17159
    [13] Hauggaard-Nielsen H, Andersen M K, Jeune B, et al. Density and relative frequency effects on competitive interactions and resource use in pea-barley intercrops[J]. Field Crops Research, 2006, 95(2–3): 256–267. doi:  10.1016/j.fcr.2005.03.003
    [14] 肖焱波, 段宗颜, 金航, 等. 小麦/蚕豆间作体系中的氮节约效应及产量优势[J]. 植物营养与肥料学报, 2007, 13(2): 267–271. Xiao Y B, Duan Z Y, Jin H, et al. Spared N response and yields advantage of intercropped wheat and faba bean[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2007, 13(2): 267–271. doi:  10.3321/j.issn:1008-505X.2007.02.014
    [15] Ashworth A J, Taylor A M, Reed D L, et al. Environmental impact assessment of regional switchgrass feedstock production comparing nitrogen input scenarios and legume-intercropping systems[J]. Journal of Cleaner Production, 2015, 87: 227–234. doi:  10.1016/j.jclepro.2014.10.002
    [16] 杨峰, 娄莹, 廖敦平, 等. 玉米-大豆带状套作行距配置对作物生物量、根系形态及产量的影响[J]. 作物学报, 2015, 41(4): 642–650. Yang F, Lou Y, Liao D P, et al. Effects of row spacing on crop biomass, root morphology and yield in maize-soybean relay strip intercropping system[J]. Acta Agronomica Sinica, 2015, 41(4): 642–650. doi:  10.3724/SP.J.1006.2015.00642
    [17] 焦念元, 赵春, 宁堂原, 等. 玉米-花生间作对作物产量和光合作用光响应的影响[J]. 应用生态学报, 2008, 19(5): 981–985. Jiao N Y, Zhao C, Ning T Y, et al. Effects of maize-peanut intercropping on economic yield and light response of photosynthesis[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(5): 981–985.
    [18] 李隆, 李晓林, 张福锁, 等. 小麦大豆间作条件下作物养分吸收利用对间作优势的贡献[J]. 植物营养与肥料学报, 2000, 6(2): 140–146. Li L, Li X L, Zhang F S, et al. Uptake and utilization of nitrogen, phosphorus and potassium as related to yield advantage in wheat/soybean intercropping[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2000, 6(2): 140–146. doi:  10.3321/j.issn:1008-505X.2000.02.003
    [19] Fan F, Zhang F, Song Y, et al. Nitrogen fixation of faba bean (Vicia faba L.) interacting with a non-legume in two contrasting intercropping systems[J]. Plant and Soil, 2006, 283(1–2): 275–286. doi:  10.1007/s11104-006-0019-y
    [20] Xiao Y, Li L, Zhang F. Effect of root contact on interspecific competition and N transfer between wheat and faba bean using direct and indirect 15N techniques[J]. Plant and Soil, 2004, 262(1–2): 45–54.
    [21] Zang H, Yang X, Feng X, et al. Rhizodeposition of nitrogen and carbon by mungbean (Vigna radiata L.) and its contribution to intercropped oats (Avena nuda L.)[J]. PloS ONE, 2015, 10(3). doi:  10.1371/journal.pone.0121132
    [22] Xiao J X, Yin X H, Ren J B, et al. Complementation drives higher growth rate and yield of wheat and saves nitrogen fertilizer in wheat and faba bean intercropping[J]. Field Crops Research, 2018, 221: 119–129. doi:  10.1016/j.fcr.2017.12.009
    [23] 肖靖秀, 周桂夙, 汤利, 等. 小麦/蚕豆间作条件下小麦的氮、钾营养对小麦白粉病的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2006, 12(4): 517–522. Xiao J X, Zhou G S, Tang L, et al. Effects of nitrogen and potassium nutrition on the occurrence of Blumeria graminis (DC). Speer of wheat in wheat and faba bean intercropping[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2006, 12(4): 517–522. doi:  10.3321/j.issn:1008-505X.2006.04.010
    [24] 赵平, 郑毅, 汤利, 等. 小麦蚕豆间作施氮对小麦氮素吸收、累积的影响[J]. 中国生态农业学报, 2010, 18(4): 742–747. Zhao P, Zheng Y, Tang L, et al. Effect of N supply and wheat/faba bean intercropping on N uptake and accumulation of wheat[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(4): 742–747. doi:  10.3724/SP.J.1011.2010.00742
    [25] 朱锦惠, 董艳, 肖靖秀, 等. 小麦与蚕豆间作系统氮肥调控对小麦白粉病发生及氮素累积分配的影响[J]. 应用生态学报, 2017, 28(12): 3985–3993. Zhu J H, Dong Y, Xiao J X, et al. Effects of N application on wheat powdery mildew occurrence, nitrogen accumulation and allocation in intercropping system[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(12): 3985–3993.
    [26] 鲍士旦. 土壤农化分析 (3版)[M]. 北京: 农业出版社, 2000.

    Bao S D. Soil and agrochemistry analysis (3rd edition) [M]. Beijing: China Agriculture Press, 2000.
    [27] Trinder C, Brooker R, Davidson H, Robinson D. Dynamic trajectories of growth and nitrogen capture by competing plants[J]. New Phytologist, 2012, 193(4): 948–958. doi:  10.1111/j.1469-8137.2011.04020.x
    [28] Zhang W P, Liu G C, Sun J H, et al. Growth trajectories and interspecific competitive dynamics in wheat/maize and barley/maize intercropping: International journal of plant nutrition, plant chemistry, soil microbiology and soil-born plant diseases[J]. Plant and Soil, 2015, 397(1–2): 227–238. doi:  10.1007/s11104-015-2619-x
    [29] Robinson D. Root proliferation, nitrate inflow and their carbon costs during nitrogen capture by competing plants in patchy soil[J]. Plant and Soil, 2001, 232(1–2): 41–50.
    [30] Willey R W. Resource use in intercropping systems[J]. Agricultural Water Management, 1990, 17(1): 215–231.
    [31] 李春杰. 种内/种间互作调控小麦/蚕豆间作体系作物生长与氮磷吸收的机制[D]. 北京: 中国农业大学博士学位论文, 2018.

    Li C J. The mechanisms of intra and interspecific interaction on regulating growth and N/P acquisition by intercropped wheat and faba bean[D]. Beijing: PhD Dissertation of China Agricultural University, 2018.
    [32] Li B, Li Y Y, Wu H M, et al. Root exudates drive interspecific facilitation by enhancing nodulation and N2 fixation[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016, 113(23): 6496–6501. doi:  10.1073/pnas.1523580113
    [33] 柏文恋, 张梦瑶, 任家兵, 等. 小麦/蚕豆间作作物生长曲线的模拟及种间互作分析[J]. 应用生态学报, 2018, 29(12): 4037–4046. Bai W L, Zhang M Y, Ren J B, et al. Simulation of crop growth curve and analysis of interspecific interaction in wheat and faba bean intercropping system[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2018, 29(12): 4037–4046.
    [34] Grime J P. Plant strategies and vegetation processes[M]. Chichester, UK: JohnWiley and Sons, 1979.
    [35] Ying C L, Xiao M Q, Jing X X, et al. Intercropping influences component and content change of flavonoids in root exudates and nodulation of faba bean[J]. Journal of Plant Interactions, 2017, 12(1): 187–192. doi:  10.1080/17429145.2017.1308569
    [36] Zhang F, Li L. Using competitive and facilitative interactions in intercropping systems enhances crop productivity and nutrient-use efficiency[J]. Plant and Soil, 2003, 248(1–2): 305–312.
    [37] Hauggaard-Nielsen H, Jensen E S. Evaluating pea and barley cultivars for complementarity in intercropping at different levels of soil N availability[J]. Field Crop Research, 2001, 72(3): 185–196. doi:  10.1016/S0378-4290(01)00176-9
    [38] 肖焱波, 李隆, 张福锁, 等. 小麦/蚕豆间作体系中的种间相互作用及氮转移研究[J]. 中国农业科学, 2005, 38(5): 965–973. Xiao Y B, Li L, Zhang F S. The interspecific nitrogen facilitation and the subsequent nitrogen transfer between the intercropped wheat and faba bean[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2005, 38(5): 965–973. doi:  10.3321/j.issn:0578-1752.2005.05.016
    [39] 高阳, 段爱旺, 孙景生, 等. 玉米大豆条带间作根系分布模式[J]. 干旱地区农业研究, 2009, 27(2): 98–104. Gao Y, Duan A W, Sun J S, et al. Crop root distribution model in maize/soybean strip intercropping system[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2009, 27(2): 98–104.
    [40] ChapagainT, Riseman A. Barley-pea intercropping: Effects on land productivity, carbon and nitrogen transformations[J]. Field Crops Research, 2014, 166(9): 18–25.
    [41] 冯晓敏, 杨永, 臧华栋, 等. 燕麦花生间作系统作物氮素累积与转移规律[J]. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(3): 489–498. Feng X M, Yang Y, Zang H D, et al. Characteristics of crop nitrogen accumulation and nitrogen transfer in oat and peanut intercropping system[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(3): 489–498.
  • [1] 马连坤董坤朱锦惠董艳 . 小麦蚕豆间作及氮肥调控对蚕豆赤斑病和锈病复合危害及产量损失的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18364
    [2] 张梦瑶肖靖秀汤利郑毅 . 不同磷水平下小麦蚕豆间作对根际有效磷及磷吸收的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18346
    [3] 胡文诗刘秋霞任涛明日鲁剑巍 . 提高冬油菜播种量和施氮量抑制杂草生长的机理研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.16004
    [4] 焦念元汪江涛尹飞马超齐付国刘领付国占李友军 . 施用乙烯利和磷肥对玉米//花生间作氮吸收分配及间作优势的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.15489
    [5] 张德闪王宇蕴汤利郑毅左建花 . 小麦蚕豆间作对红壤有效磷的影响及其与根际pH值的关系. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2013.0115
    [6] 党小燕刘建国帕尼古丽王江丽危常州李隆 . 棉花间作模式中作物养分竞争吸收和积累动态的研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2013.0120
    [7] 吴开贤安瞳昕范志伟贺佳周峰薛国峰吴伯志 . 玉米与马铃薯的间作优势和种间关系对氮投入的响应. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2012.11388
    [8] 肖靖秀汤利郑毅 . 氮肥用量对油菜//蚕豆间作系统作物产量及养分吸收的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2011.1040
    [9] 鲁耀郑毅汤利赵平董艳段宗颜张福锁 . 施氮水平对间作蚕豆锰营养及叶赤斑病发生的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0225
    [10] 李秋祝余常兵胡汉升孙建好陈伟李隆 . 不同竞争强度间作体系氮素利用和土壤剖面无机氮分布差异. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0401
    [11] 乔鹏汤利郑毅李少明 . 不同抗性小麦品种与蚕豆间作条件下的养分吸收与白粉病发生特征. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0507
    [12] 路文静张树华郭程瑾段巍巍肖凯 , . 不同氮素利用效率小麦品种的氮效率相关生理参数研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2009.0501
    [13] 李玉英孙建好余常兵程序张福锁李隆 . 施氮量和蚕豆/玉米间作对土壤无机氮时空分布的影响 . 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2009.0412
    [14] 同延安赵营赵护兵樊红柱 . 施氮量对冬小麦氮素吸收、转运及产量的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2007.0111
    [15] 肖焱波段宗颜金航胡万里陈拾华魏朝富 . 小麦/蚕豆间作体系中的氮节约效应及产量优势. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2007.0214
    [16] 肖焱波李隆张福锁 . 根瘤菌菌株NM353对小麦/蚕豆间作体系中作物生长及养分吸收的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2006.0115
    [17] 肖靖秀周桂夙汤利郑毅李永梅李隆 . 小麦/蚕豆间作条件下小麦的氮、钾营养对小麦白粉病的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2006.0410
    [18] 叶优良包兴国宋建兰孙建好李隆张福锁李庆江周丽莉 . 长期施用不同肥料对小麦玉米间作产量、氮吸收利用和土壤硝态氮累积的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2004.0201
    [19] 肖焱波李隆张福锁 . 小麦//蚕豆间作中的种间氮营养差异比较研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2003.0403
    [20] 李隆李晓林张福锁孙建好杨思存芦满济 . 小麦大豆间作条件下作物养分吸收利用对间作优势的贡献. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2000.0203
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  • 收稿日期:  2019-11-18

合理施氮量缓解小麦蚕豆间作体系氮素竞争提高间作小麦产量优势

  • 基金项目: 国家自然科学基金(31760611,31560581),云南农业基础联合专项(2018FG 001-071)。
  • 摘要:   【目的】  通过研究小麦//蚕豆间作地上部的氮含量和吸收量,明确不同氮水平下小麦//蚕豆间作的氮吸收累积特征,解析间作小麦和蚕豆种间氮素竞争关系。  【方法】  田间试验采用两因素随机区组试验设计,设置3个种植模式 (单作小麦,单作蚕豆及小麦//蚕豆间作) 及4个氮水平 (N0,N1,N2,N3),其中小麦的4个施氮量依次为0、90、180、270 kg/hm2,蚕豆的4个施氮量依次为0、45、90、135 kg/hm2。测定分析了单间作小麦和蚕豆的产量、地上部氮累积含量,利用logistic模型模拟小麦蚕豆的氮吸收关键参数及氮吸收动态,分析了间作小麦和蚕豆的氮素竞争关系。  【结果】  小麦//蚕豆间作提高小麦产量33.4%、降低蚕豆产量20.7%,N0和N1水平下,间作具有显著产量优势。通过logistic模型分析发现,小麦的氮吸收高峰比蚕豆晚12~22天。4个氮水平下,间作主要提高了小麦最大氮累积量 (A)、最大氮吸收速率 (Rmax) 和初始氮吸收速率 (r),却降低了蚕豆的A、达到最大氮吸收速率所需的时间 (Tmax) 和Rmax。在营养生长阶段,小麦的氮素竞争力低于蚕豆,施氮可提高小麦的氮素吸收量。从施氮水平和种植模式共同作用角度,N0、N1和N2水平下,间作分别提高小麦的Rmax 34.1%、44.6%和21.0%。因此,当小麦达到氮吸收高峰后,间作分别提高小麦氮吸收速率和氮素累积量15.1%~48.4%和9.2%~28.9%,但却降低蚕豆氮吸收速率和氮素累积量7.3%~28.4%和7.9%~14.0%。此时,间作小麦氮素竞争力大于蚕豆,在N1水平下小麦氮素竞争力最强。  【结论】  小麦//蚕豆间作提高了小麦的初始及最大氮素吸收速率 (rRmax),提高了小麦生殖生长阶段的氮素吸收和累积,是间作小麦产量优势的基础。优化氮肥投入量,可调控小麦和蚕豆的种间竞争及互补关系,是小麦//蚕豆间作体系产量优势形成、氮素高效吸收利用的关键。

    English Abstract

    • 多样性种植是降低农业生产环境成本、提高农田生产力,实现农业可持续发展的重要手段[1-2]。其中,豆科作物参与的种植模式在世界范围内广泛分布[3],尤其在维持低投入/资源有限的农业系统生产力方面发挥了重要作用[4]。前人从多样性种植降低病虫害[5-6],时空生态位差异促进水分、养分、光、热资源高效利用[7-9],根土互作改变根际微生态系统[10-11],种间竞争补偿机制[12-13]等方面系统揭示多样性种植维持生态系统稳定性、提高作物产量的机制。

      豆科作物具备生物固氮功能,可减少对土壤资源的利用,也能将部分固定的氮贡献给相邻的作物以增加作物氮来源的多样性[14],对减少氮肥投入、减轻环境压力有重要意义[15]。禾本科作物则大多资源耗竭性、竞争能力强于豆科作物。因此,豆科禾本科作物间作是较佳的种植模式,广泛应用于我国各地,例如玉米//大豆[16]和玉米//花生[17]在华北及东北地区广泛分布;西北地区分布有小麦//大豆[18]、小麦//蚕豆和玉米//蚕豆等[19]。在此系统中,前人围绕氮的固定和转移开展了大量研究工作,但是作物较长的共生期内,氮素吸收累积的动态特征并未引起足够重视。虽然前人研究明确了豆科禾本科间作促进了豆科作物氮素的固定,并将部分固定的氮素转移到相邻作物[20-21]。但是,在豆科作物固氮能力较弱的生长前期,豆科禾本科作物种间是否也存在氮素的竞争关系,其对氮肥施用的响应如何还尚不清楚。

      小麦//蚕豆间作是云南乃至西南地区普遍采用的小春作物种植体系[14, 22],具有显著的产量优势[14][23]、能提高养分资源利用效率[24]、降低病害[23, 25]。赵平等[24]发现小麦//蚕豆间作提高了小麦的氮素吸收速率,改变了小麦对氮肥施用的响应,但两作物共生期内的氮素吸收速率、累积动态及氮素竞争未见深入报道。我们在前期研究中已经证实,小麦和蚕豆虽然生育期相近、株高相似,但两者生育高峰错开[22]。那么,两者是否也存在氮素错峰吸收的差异?肖炎波等[14]通过盆栽试验定量了小麦蚕豆间作的种间互补关系。但是在蚕豆生长的早期,其固氮能力较弱,此时两者之间也存在氮素竞争关系,氮肥施用会如何影响两者之间的互作,目前尚不清楚。为此,拟通过田间定位试验,研究不同氮水平下小麦//蚕豆间作体系中氮素吸收与累积的动态变化规律,解析小麦和蚕豆共生期内种间互作关系,阐明不同氮水平下小麦//蚕豆间作体系氮吸收累积-种间互作-产量的关系,以期为豆科禾本科间作体系氮肥合理施用提供理论依据。

      • 田间试验在云南省昆明市寻甸县大河桥试验基地进行,地理坐标N 23°32'、E103°13',地处北亚热带季风气候带,年平均降雨量1020 mm,年平均气温14.7℃。

        田间试验于2014年10月建立,前茬作物为水稻,供试土壤为熟化程度较高的红壤。2014年田间试验建立时土壤有机质含量35.05 g/kg、全氮含量1.4 g/kg,碱解氮80 mg/kg,速效钾146 mg/kg,速效磷17 mg/kg,pH 7.18。每年田间试验于10月中下旬播种,4月中旬收获,收获后秸秆移出实验田,5—9月保持休耕。本研究分析2017和2018两年田间试验,试验期内的温度和降雨如图1所示。2018年田间试验布置前,各试验处理和种植模式下土壤有效氮含量见图1

        图  1  2017—2018年田间试验月均温度和降雨量及2018年田间试验播种前有效氮含量

        Figure 1.  Monthly average temperature and rainfall during the field experiment period in 2017 and 2018 and available nitrogen content before sowing in field trials in 2018

        供试品种:小麦品种为云麦52 (Triticum aestivum L.),蚕豆品种为玉溪大粒豆 (Vicia faba L.)。

        供试肥料:尿素 (含 N 46.0%),普通过磷酸钙 (含 P2O5 16.0%),硫酸钾 (含 K2O 50.0%)。

      • 试验为两因素设计 (A、B):A为3种种植模式,分别为小麦单作 (MW)、蚕豆单作 (MF) 和小麦//蚕豆间作 (W//F,其中间作小麦IW;间作蚕豆IF);B因素为4个氮水平:N0、N1、N2和N3;其中N0为不施氮;N1为低氮处理,小麦施氮量90 kg/hm2,蚕豆施氮量45 kg/hm2;N2为正常施氮处理,小麦施氮量180 kg/hm2,蚕豆施氮量90 kg/hm2;N3为高氮处理,小麦施氮量270 kg/hm2,蚕豆施氮量135 kg/hm2

        所有处理中,间作蚕豆和小麦的施氮量与其单作一致。田间试验采用随机区组布置,每处理设3次重复,共36个小区,小区面积为5.4 m × 6 m = 32.4 m2

      • 本研究小麦蚕豆于2017和2018年10月20—22日播种,于次年4月20日收获。小麦条播,行距0.2 m;蚕豆点播,行距0.3 m,株距0.10 m。小麦蚕豆间作小区的种植参照当地推荐种植模式,小区分为3个种植条带,小麦蚕豆行数比例为3:1,即6行小麦//2行蚕豆//6行小麦//2行蚕豆//6行小麦//2行蚕豆。单作小麦每小区27行 (中间9行为产区);单作蚕豆每小区18行 (其中6行为产区);间作小区小麦共18行 (中间条带6行为产区),蚕豆6行 (中间2行为产区),间作小麦和蚕豆播种密度同单作。

        试验处理磷、钾肥施用量均为90 kg/hm2,作为基肥一次性施入。小麦的氮肥施用分两次,1/2作为基肥施入,1/2在小麦拔节期作为追肥施入。蚕豆不追氮肥,一次施入,田间试验日常管理参照当地田间常规管理。

      • 小麦生物量采集与测定:小麦采样以点计,每点采样面积0.2 m × 0.2 m,每小区采集3点,在小麦 (分蘖、拔节、抽穗、灌浆、成熟) 和蚕豆 (分枝期、开花期、结荚期、籽粒膨大期、成熟期) 5个关键生育期采集植株地上部样品,采样后在105℃下杀青30 min,75℃烘干称重。

        在小麦和蚕豆成熟期采集并测定产区产量。小麦蚕豆地上部氮含量采用凯氏定氮法[26]测定。

      • 逻辑斯蒂增长模型 (Logistic1) 模型通过拟合数据可以很好的模拟植物生长过程中的即时数据[27-28]。采用Origin 8.0 软件通过Logistic模拟单间作小麦蚕豆氮吸收参数、氮累积动态及氮吸收速率动态。模型如下[27, 29]

        $\begin{split} {y_t} =& \frac{A}{{1 + EXP[r \times \left( {{T_{max}} - t} \right)]}}\\& \;\;{r_t} = r \times {y_t}(1 - {y_t}/A) \end{split}$

        其中,yt表示小麦蚕豆整个生育期某天的地上部氮累积量,单位:kg/hm2A 表示小麦蚕豆地上部最大氮累积量,单位:kg/hm2r 为小麦蚕豆的初始氮吸收速率,代表小麦的氮素吸收潜力,单位:kg/(hm2·d);Tmax表示小麦蚕豆达到最大氮吸收速率需要的时间,单位:d;t表示小麦蚕豆生长的时间,单位:d;rt表示小麦整个生育期中某天的氮吸收速率,单位:kg/(hm2·d)。

      • 本研究以土地当量比 (LER) 作为间作优势指标,公式如下[30]

        $ LER=\frac{{Y}_{IW}}{{Y}_{MW}}+\frac{{Y}_{IF}}{{Y}_{MF}} $

        式中:YIWYIF分别为间作小麦和间作蚕豆小区产区产量;YMWYMF则分别为单作小麦和单作蚕豆小区产区产量。LER > 1表示间作相比单作具有产量优势;LER < 1表示间作相比单作没有产量优势。

        同时,以相对竞争力 (RC) 作为衡量间作体系中作物的氮营养竞争力指标,公式见下[30]

        $ RC=\frac{{N}_{IW}}{{N}_{MW}}-\frac{{N}_{IF}}{{N}_{MF}} $

        式中:NIWNMW分别代表等面积上间作小麦和单作小麦地上部氮累积量; NIFNMF分别代表等面积上间作蚕豆和单作蚕豆地上部氮累积量。RC > 0表示间作小麦的竞争能力强于间作蚕豆;RC = 0表示间作小麦和蚕豆竞争力等同;RC < 0表示间作小麦的竞争力弱于间作蚕豆。

      • 数据采用 Excel 2010 软件进行处理。采用 SPSS 20.0 软件对产量、LERRC进行单因素方差分析,用两因素方差分析小麦蚕豆的氮吸收累积参数,采用独立样本T检验对不同氮水平在同一时期的氮累积量及氮吸收速率进行差异性分析,用最小显著差异法 (Duncan),检验各处理的差异显著性 (P = 0.05)。

      • 两年产量结果 (图2) 表明,随着施氮量的增加,土地当量比 (LER) 显著降低。除N3水平外,小麦蚕豆间作的LER均大于1,N0、N1、N2水平下,LER分别平均为1.31、1.13、1.04。与单作相比,N0 和N1水平下,间作具有产量优势。

        图  2  不同氮水平下单间作小麦蚕豆的产量及其产量的土地当量比 (LER)

        Figure 2.  The yield and LER for yield of inter- and mono- cropped wheat and faba bean under different nitrogen levels

        相比单作小麦 (MW),N0、N1、N2水平下间作平均提高小麦产量54.7%、28.7%、16.8% (图2)。同时发现,间作小麦氮肥施用量90 kg/hm2仍然能维持与单作小麦正常施氮量 (180 kg/hm2) 一致的产量。

        就蚕豆而言,两年试验都显示单、间作蚕豆均在低氮时 (N1) 产量最高,且随施氮量的增加而降低。N0~N3水平下间作蚕豆 (IF) 产量分别平均比单作蚕豆 (MF) 降低17.1%、18.3%、22.2%、25.0%。

      • Logistic 模型较好的模拟了单间作小麦和蚕豆的氮素吸收累积规律 (R2 = 0.9293~0.9938)。由表1来看,小麦关键生长参数ArRmax均受施氮水平和种植模式的影响。但仅rRmax受施氮水平 × 种植模式交互作用的影响。随氮水平的提高,小麦的ArRmax显著提高。不考虑氮肥施用水平,与单作相比,间作平均提高小麦的ArRmax 13.1%、10.6%和24.9%。由于氮水平 × 种植模式交互作用显著,N0~N3水平下,间作分别提高小麦的Rmax 34.1%、44.6%、21.0%、13.7%,N0、N1、N2水平下间作提高小麦r 15.8%、17.0%、11.5%,N3水平下无差异。从表1还可看出,间作小麦氮肥用量减少50%,仍能维持与单作一致的rRmax

        表 1  2017—2018 年不同氮水平下单间作小麦的氮素吸收关键参数

        Table 1.  Key N uptake parameters of inter- and mono- cropped wheat at different nitrogen levels from 2017 to 2018

        氮水平N Level种植模式Cropping pattern20172018
        Adjust-R2ATmaxr (× 10–2)RmaxAdjust-R2ATmaxr (× 10–2)Rmax
        N0M0.9894**165.3 a81 a7.9 a3.3 a0.9867**173.4 a78 a7.3 a3.2 a
        I0.9718**143.4 a75 a7.9 a2.8 a0.9559**152.5 a74 a7.3 a2.8 a
        N1M0.9873**183.3 a79 a7.6 a3.5 a0.9948**188.2 a71 a7.6 a3.6 a
        I0.9923**161.0 a77 a7.7 a3.1 a0.9824**170.0 a69 a7.5 a3.2 a
        N2M0.9857**221.9 a74 a7.8 a4.3 a0.9882**229.9 a71 a7.5 a4.3 a
        I0.9805**204.1 a73 a7.7 a3.9 a0.9780**202.9 a67 a7.5 a3.8 a
        N3M0.9538**208.3 a72 a7.6 a4.0 a0.9506**197.9 a69 a7.6 a3.7 a
        I0.9762**185.3 a72 a8.1 a3.7 a0.9293**170.3 a68 a7.4 a3.2 a
        平均Average
        N0154.4d78 a7.9 a3.1d162.9 c76 a7.3 a3.0 c
        N1172.1 c78 a7.6 a3.3 c179.1 b70 b7.6 a3.4 b
        N2213.0 a73 b7.7 a4.1 a216.4 a69 b7.5 a4.1 a
        N3196.8 b72 b7.8 a3.9 b184.1 b69 b7.5 a3.5 b
        线性Linearns**nsnsns**nsNs
        平均Average
        M195 a77 a7.9 a3.7 a197 a72 a7.5 a3.7 a
        I173 b74 b7.9 a3.4 b174 b70 b7.4 a3.2 b
        氮水平N Level (N)*****ns*********ns***
        种植模式Cropping Pattern (C)****ns********ns***
        氮水平 × 种植模式 N × cnsNsnsnsnsnsnsNs
        注(Note):M—单作Mono-cropping;I—间作Intercropping;A—最大氮素累积量 The maximum nitrogen accumulation;r—最初氮素吸收速率 The initial nitrogen uptake rate;Tmax—达到最大氮吸收速率所需的天数 The days needed to reach the maximum nitrogen uptake rate;Rmax—最大氮吸收速率 The maximum nitrogen uptake rate;每一列中不同字母表示不同氮水平、种植模式及氮水平 × 种植模式下处理间有差异 (双因素方差分析,P < 0.05) Values with the different letters in the each column meant significant difference among the N levels,the cropping patterns and the interaction of N levels by cropping patterns respectively (two-way ANOVA,P < 0.05). ***—P < 0.001;**—P < 0.01;*—P < 0.05;ns—没有显著差异 No significant difference.

        蚕豆的ATmaxRmax受氮水平和种植模式的影响 (表2)。随氮水平的提高,Tmax有所下降,而ARmax则是先提高后下降,其中N2水平最高。间作使蚕豆的ATmaxRmax分别降低11.5%、3.3%和10.8%。

        表 2  2017—2018年不同氮水平下单间作蚕豆的氮素吸收关键参数

        Table 2.  Key N uptake parameters of inter- and mono- cropped faba bean under different nitrogen levels from 2017 to 2018

        氮水平N Level种植模式Cropping pattern20172018
        Adjust-R2ATmaxr (× 10–2)RmaxAdjust-R2ATmaxr (× 10–2)Rmax
        N0M0.9894**165.3 a81 a7.9 a3.3 a0.9867**173.4 a78 a7.3 a3.2 a
        I0.9718**143.4 a75 a7.9 a2.8 a0.9559**152.5 a74 a7.3 a2.8 a
        N1M0.9873**183.3 a79 a7.6 a3.5 a0.9948**188.2 a71 a7.6 a3.6 a
        I0.9923**161.0 a77 a7.7 a3.1 a0.9824**170.0 a69 a7.5 a3.2 a
        N2M0.9857**221.9 a74 a7.8 a4.3 a0.9882**229.9 a71 a7.5 a4.3 a
        I0.9805**204.1 a73 a7.7 a3.9 a0.9780**202.9 a67 a7.5 a3.8 a
        N3M0.9538**208.3 a72 a7.6 a4.0 a0.9506**197.9 a69 a7.6 a3.7 a
        I0.9762**185.3 a72 a8.1 a3.7 a0.9293**170.3 a68 a7.4 a3.2 a
        平均Average
        N0154.4d78 a7.9 a3.1d162.9 c76 a7.3 a3.0 c
        N1172.1 c78 a7.6 a3.3 c179.1 b70 b7.6 a3.4 b
        N2213.0 a73 b7.7 a4.1 a216.4 a69 b7.5 a4.1 a
        N3196.8 b72 b7.8 a3.9 b184.1 b69 b7.5 a3.5 b
        线性Linearns**nsnsns**nsNs
        平均Average
        M195 a77 a7.9 a3.7 a197 a72 a7.5 a3.7 a
        I173 b74 b7.9 a3.4 b174 b70 b7.4 a3.2 b
        氮水平N Level (N)*****ns*********ns***
        种植模式Cropping Pattern (C)****ns********ns***
        氮水平 × 种植模式 N × cnsNsnsnsnsnsnsNs
        注(Note):M—单作 Mono-cropping; I—间作 Intercropping; A—最大氮素累积量 The maximum nitrogen accumulation; r—最初氮素吸收速率 The initial nitrogen uptake rate; Tmax—达到最大氮吸收速率所需的天数 The days needed to reach the maximum nitrogen uptake rate; Rmax—最大氮吸收速率 The maximum nitrogen uptake rate; 每一列中不同字母表示不同氮水平、种植模式及氮水平 × 种植模式下处理间有差异 (双因素方差分析, P < 0.05) Values with the different letters in the each column meant significant difference among the N levels,the cropping patterns and the interaction of N levels by cropping patterns respectively (two-way ANOVA, P < 0.05). ***—P < 0.001; **—P < 0.01; *—P < 0.05; ns—没有显著差异 No significant difference.
      • 两年试验结果 (图3) 表明,在营养生长阶段 (播种后60天内),虽然单间作小麦和蚕豆的氮吸收速率无显著差异 (除2017年N2下小麦外),但间作小麦氮吸收速率有降低趋势。当小麦和蚕豆进入氮素吸收高峰期后,间作显著提高了小麦的氮素吸收速率,4个施氮水平下增幅15.1%~48.4%,反之,蚕豆的吸收速率则分别降低7.3%~28.4%。

        图  3  不同氮水平下小麦蚕豆氮素吸收速率 (P < 0.05)

        Figure 3.  Nitrogen absorption rate of wheat and faba bean under different nitrogen supplying levels (P < 0.05)

        小麦和蚕豆的氮素吸收高峰交错出现 (图3)。小麦的氮素吸收高峰出现在播种后79~92天,蚕豆的氮素吸收高峰出现在播种后67~81天,相差12~22天。在小麦达到氮素吸收高峰前,蚕豆的氮素吸收速率显著高于小麦;当小麦达到氮素吸收高峰后,小麦的氮素吸收速率则高于蚕豆,且施氮量越高,差异越大 (图3)。

        分析图4得到,在营养生长阶段 (播种90天内),单间作小麦、蚕豆的氮素累积曲线几乎重合 (除2017年N2下MW > IW),但间作整体有降低小麦氮素累积的趋势。进入生殖生长阶段 (播种90—180天),间作均提高了小麦的氮素累积量,增幅9.2%—28.9%;但间作降低了蚕豆的氮素累积量,降幅7.9%—14.0%。

        图  4  不同氮水平下小麦蚕豆氮素累积 (P < 0.05)

        Figure 4.  Nitrogen accumulation of wheat and faba bean under different nitrogen levels (P < 0.05)

      • 小麦和蚕豆的氮素竞争力随生育期改变而改变。在营养生长阶段 (播种后90天内),间作小麦的氮素竞争力低于蚕豆 (RC < 0,除2017年N3水平),而进入生殖生长阶段后,间作小麦的氮素竞争力则显著大于蚕豆 (RC > 0)。同时,小麦和蚕豆的氮素种间竞争力受氮水平的影响。在营养生长阶段,施氮量提高了间作小麦的氮素竞争力,进入生殖生长阶段,N1水平下小麦的氮素竞争力最强,2017年差异达到显著水平。

      • 本试验中,Logistic方程很好的模拟了小麦和蚕豆氮营养吸收的关键参数 (表1表2),明晰了不同氮水平下间作小麦和蚕豆的氮素吸收及累积的动态规律。当两种作物时间生态位分离时,降低种间竞争的同时还会产生互补效应,从而使资源利用率更高[31-32];因此,Tmax是衡量间作作物是否是较佳组合的指标之一[28, 33]。本研究发现小麦与蚕豆的Tmax在同水平下相差12~22天 (表1表2),证实了我们的推测,小麦和蚕豆氮素吸收存在生态位的分离。Rmaxr作为衡量作物对养分资源利用能力的指标,也是作物竞争力的关键属性[34];本试验研究表明,间作显著提高了小麦的Rmaxr,提高了间作体系中小麦的氮素竞争力,促进间作小麦的氮素吸收和累积优势的形成,为间作产量优势奠定了基础。

        小麦//蚕豆间作体系中小麦在生殖生长阶段表现出显著的生长优势[22];本研究也证明,间作小麦在生殖生长阶段取得了显著的氮素吸收及氮累积优势 (图3图4)。其重要原因除上述种间氮营养生态位分离外,也与豆科作物的氮转移及氮节约效应有关[14, 20]。除此之外,刘英超等[35]在小麦//蚕豆体系盆栽试验中发现,小麦与蚕豆间作能够提高两者根系黄酮类物质的分泌,促进蚕豆结瘤固氮;可见,小麦对与之间作的蚕豆做出了积极反应,那么,是否蚕豆也会分泌某种信号物质来积极响应小麦,值得探究,这也会让我们对禾豆间作优势形成有更清晰的认识。

        禾本科作物的养分竞争普遍强于豆科作物[14, 36],但是在土壤有效氮含量低的情况下,豆科作物往往具有较强的种间竞争力[37]。虽然肖炎波等[38]的研究证实,蚕豆固定的氮素约有5%转移到小麦体内。但是本研究发现,在营养生长阶段,由于蚕豆初始氮素吸收速率大于小麦 (表1表2),小麦的氮素竞争力反而低于蚕豆 (图5);同时,由于蚕豆根瘤尚未大量形成、固氮能力较弱,小麦和蚕豆还可能存在氮素的竞争关系。但可能受前期小麦和蚕豆根系伸展空间限制[39],间作对小麦和蚕豆的氮素吸收累积影响较小。随着蚕豆固氮能力的增强,小麦进入氮素吸收高峰期后,小麦氮素竞争力增强,两者也由氮素竞争关系转变为互补关系,间作才促进了小麦的氮素吸收累积。值的关注的是,氮肥施用可调控全生育期间作小麦的氮素竞争力。在营养生长阶段,氮肥施用可以提高间作小麦的氮素竞争力 (图5);同样在生殖生长阶段,N1水平下间作小麦也表现出较强的氮素竞争力 (图5)。因此,通过氮肥运筹调控小麦和蚕豆的种间互作关系将有助于促进该间作体系的氮素吸收和利用,最终影响间作体系的产量构成。

        图  5  不同氮水平下小麦与蚕豆种间竞争作用 (P < 0.05)

        Figure 5.  Interspecific competition between wheat and faba bean under different nitrogen levels (P < 0.05)

        本研究发现小麦//蚕豆间作体系的氮素吸收累积与间作产量的形成密切相关。因为间作体系中小麦和蚕豆的氮素吸收累积与产量的表现是一致的,即间作促进小麦的氮素吸收累积,则间作小麦产量提高;反之,间作抑制蚕豆的氮素累积,则间作蚕豆产量降低。此外,随着施氮量的提高,间作对小麦氮素吸收关键参数的影响逐步减小,间作产量优势也逐步消失。由此可见,合理的氮肥管理可以实现小麦蚕豆间作体系产量、经济和环境效益的最大化。本研究分析2017—2018年的田间定位试验,间作显著提高了不施氮和减氮处理下土壤有效氮含量 (图1),同时还具有间作产量优势 (图2)。说明禾本科对氮素的竞争刺激了豆科作物固氮[40-41],提高了土壤肥力。本研究还发现,减氮50%时,间作小麦维持了较高的Rmaxr (表1),在生殖生长阶段也具有较强的氮素竞争力,且还维持着较高产量 (图2)。这些结果均表明,氮肥减施提高禾本科作物的氮素竞争力,刺激豆科作物的固氮是豆科禾本科间作节氮、增产、提高地力、维持系统生产力的作用机制。此外,我们还发现,蚕豆的产量也与氮肥施用量密切相关 (图2)。因此,豆科禾本科间作体系的氮肥管理显得十分重要。如何优化氮肥施用制度,使豆科作物更好的发挥结瘤固氮功能,同时提高禾本科作物的竞争能力,充分发挥间作优势,是值得深入探讨的问题。

      • 小麦//蚕豆间作体系中,营养生长阶段小麦和蚕豆存在氮素竞争关系,间作小麦氮素吸收和累积比单作有所降低。但间作提高了小麦的最大氮吸收速率 (Rmax) 和初始氮吸收速率 (r)24.9%和10.6%,促进生殖生长阶段小麦的氮素吸收和累积。与此同时,间作降低蚕豆的Rmax,抑制了蚕豆的氮素累积。最终间作提高小麦产量33.4%,降低蚕豆产量20.7%,尤其在N0和N1水平下表现出间作产量优势。随着施氮量的提高,间作提高小麦氮素吸收累积的优势降低,间作产量优势也随之消失。但氮肥施用调控了小麦和蚕豆的氮素竞争关系。显然,间作小麦和蚕豆在氮素吸收上竞争和互补关系共存,优化间作体系的氮肥投入量,调控豆科禾本科间作的种间互作,促进氮素的高效利用,对农业绿色可持续发展有现实意义。

    参考文献 (41)
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