• ISSN 1008-505X
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不同氮肥减施量下玉米针叶豌豆间作体系的产量及效益

卢秉林 车宗贤 包兴国 张久东 曹卫东 吴科生 杨蕊菊 崔恒

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不同氮肥减施量下玉米针叶豌豆间作体系的产量及效益

    作者简介: 卢秉林 E-mail:lblhappy@163.com;
    通讯作者: 车宗贤, E-mail:chezongxian@163.com
  • 基金项目: 国家绿肥产业技术体系(CARS-22)

Yield and economic benefit of corn/needle leaf pea intercropping system under different nitrogen fertilizer reduction rates

    Corresponding author: CHE Zong-xian, E-mail:chezongxian@163.com ;
  • 摘要:   【目的】  通过探讨河西绿洲灌区氮肥减施对玉米针叶豌豆间作体系产量及肥料贡献率的影响,为玉米针叶豌豆间作体系氮素资源高效管理提供理论依据。  【方法】  研究基于2011年设置在武威绿洲灌区的玉米间作针叶豌豆长期田间定位试验。不施肥和习惯施肥 (N100) 处理为单作玉米,施用习惯氮肥量95%、90%、85%、80%和0%处理为玉米间作针叶豌豆。调查了2014—2019年玉米针叶豌豆间作体系产量、产量构成要素、经济效益、氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和氮肥肥料贡献率。  【结果】  玉米针叶豌豆间作种植具有明显的增产优势,而且这种增产优势随种植年限的延长呈增加趋势。在85%常规氮肥用量条件下,玉米籽粒产量与N100基本相当,差异不显著,虽然玉米株高和茎粗会受到明显抑制,穗位和穗位比下降明显,但是成穗数、穗粒数和百粒重却无明显变化,同时因为增收了1419 kg/hm2针叶豌豆干草和1637 kg/hm2针叶豌豆籽粒,合计收益增加3813元/hm2,增幅明显,而且氮肥偏生产力和氮肥农学利用率显著提高,氮肥肥料贡献率除2019年显著降低外,其余年份无明显变化。在80%常规氮肥用量条件下,玉米籽粒产量显著降低,降幅达8.77%,但是同样因为可以增收1438 kg/hm2针叶豌豆干草和1569 kg/hm2针叶豌豆籽粒,合计收益增加2098元/hm2,增幅明显,氮肥偏生产力显著提高,增幅达14.04%,氮肥农学利用率无明显变化,但是玉米的成穗数、穗粒数、百粒重、株高、茎粗、穗位、穗长、穗粗、氮肥肥料贡献率等降幅均达到显著水平。  【结论】  在河西绿洲灌区,长期进行玉米间作针叶豌豆,在玉米季减少15%的化学氮肥施用量不会造成玉米减产,由于同时收获了针叶豌豆干草和籽粒,整个体系收益提高,氮肥效率显著增加。在玉米季减少20%的化学氮肥施用量虽然会造成玉米减产,氮肥肥料贡献率下降,但是同样因为增收了针叶豌豆干草和籽粒,整个体系收益提高,氮肥偏生产力显著增加。
  • 图 1  不同氮肥减施处理下间作体系玉米籽粒产量

    Figure 1.  Corn grain yield in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

    图 2  不同氮肥减施处理下间作体系针叶豌豆籽粒和干草产量

    Figure 2.  Needle leaf pea grain yield and hay yield in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

    图 3  不同氮肥减施处理下间作体系玉米籽粒产量构成要素

    Figure 3.  Corn grain yield components in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

    图 4  不同氮肥减施处理下间作体系玉米主茎生长状况

    Figure 4.  Corn stem growth in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

    图 5  不同氮肥减施处理下间作体系玉米果穗生长状况

    Figure 5.  Corn ear growth in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

    表 1  不同氮肥减施处理对间作体系经济效益的影响 (元/hm2)

    Table 1.  Economic benefits in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments (yuan/hm2)

    项目 Item处理 Treatment201420152016201720182019平均 Average
    针叶豌豆籽粒产值
    Output value of needle leaf pea grain
    CK0000000
    N1000000000
    N95P5275 a4775 a4614 a5253 ab4817 a5017 a4958 ab
    N90P5063 a5146 a4632 a5988 a4583 ab4950 a5060 a
    N85P5008 a5099 a4357 a5720 a4533 b4750 a4911 ab
    N80P4592 b4603 a4225 a5266 a4517 b5033 a4706 b
    N0P3225 c3583 b3242 b4469 b4467 b4683 a3945 c
    针叶豌豆干草产值
    Output value of needle leaf pea hay
    CK0000000
    N1000000000
    N95P1403 a1608 a1587 a1666 a2353 a2427 a1840 a
    N90P1320 a1550 a1510 a1630 a2233 a2380 ab1771 ab
    N85P1203 ab1490 ab1540 a1561 a2217 ab2207 bc1703 b
    N80P1323 a1501 ab1403 ab1618 a2213 ab2293 ab1725 ab
    N0P1007 b1269 b1197 b1348 b2025 b2039 c1481 c
    针叶豌豆合计产值
    Output value of needle leaf pea
    CK0000000
    N1000000000
    N95P6678 a6383 a6201 a6919 a7169 a7443 a6799 a
    N90P6383 ab6697 a6142 a7618 a6817 ab7330 a6831 a
    N85P6212 bc6588 a5897 a7280 a6751 ab6957 a6614 a
    N80P5915 c6104 a5628 a6884 a6730 b7326 a6431 a
    N0P4232 d4852 b4438 b5817 b6492 b6722 a5425 b
    玉米产值
    Output value of corn
    CK17990 d15593 c15447 c15940 c18702 c19413 c17181 d
    N10029932 ab29458 a30456 a29190 a27592 a29925 a29425 ab
    N95P30071 a29642 a30559 a29283 a27662 a29703 a29487 a
    N90P29213 ab28555 a29195 ab29108 a27376 a29400 ab28808 ab
    N85P28624 b28512 a28687 ab28821 a27137 a29003 ab28464 b
    N80P27055 c26358 b27448 b26822 b25562 b27825 b26845 c
    N0P14362 e15219 c17228 c13603 d15797 d18340 c15758 e
    新增成本
    Increase cost
    CK−2804−2804−2804−2804−2804−2804−2804
    N1000000000
    N95P1627162716271627162716271627
    N90P1453145314531453145314531453
    N85P1280128012801280128012801280
    N80P1107110711071107110711071107
    N0P67676767676767
    合计收益
    Total economic benefits
    CK20794 d18397 c18251 e18744 d21506 d22217 d19985 d
    N10029932 c29458 b30456 c29190 c27592 c29925 b29425 c
    N95P34736 a34012 a34746 a34189 a32818 a35134 a34273 a
    N90P33669 ab33325 a33410 ab34799 a32265 a34803 a33712 a
    N85P32996 b33260 a32744 abc34262 a32047 ab34120 a33238 a
    N80P31217 c30709 b31324 bc31953 b30539 b33398 a31523 b
    N0P18226 e19704 c21300 d19053 d21921 d24695 c20816 d
    注(Note):针叶豌豆秸秆 1.2 元/kg、籽粒 3.0 元/kg;玉米籽粒 2.1 元/kg;针叶豌豆种子 4.0 元/kg、种收劳工费 1500.0 元/hm2;化肥 N 4.62 元/kg、P2O5 7.14元/kg。Needle leaf pea straw 1.2 yuan/kg, grain 3.0 yuan/kg; corn grain 2.1 yuan/kg; Needle leaf pea seed 4.0 yuan/kg; labor cost of green manure sowing and harvesting 1500.0 yuan/hm2; chemical fertilizer N 4.62 yuan/kg, P2O5 7.14 yuan/kg. 同列数值后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 level.
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    表 2  不同氮肥减施处理下间作体系氮肥偏生产力 (kg/kg)

    Table 2.  Partial productivity of N fertilizer in corn/needle leaf pea intercropping systemunder different N reduction treatments

    处理 Treatment201420152016201720182019平均 Average
    N10038.01 c37.41 c38.67 b37.07 d35.04 d38.00 d37.37 c
    N95P40.19 b39.62 bc40.85 ab39.14 c36.97 c39.70 cd39.41 b
    N90P41.22 ab40.29 ab41.19 ab41.07 b38.63 b41.48 bc40.65 b
    N85P42.76 a42.59 a42.86 a43.06 a40.54 a43.33 ab42.52 a
    N80P42.94 a41.84 ab43.57 a42.57 ab40.57 a44.17 a42.61 a
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 level.
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    表 3  不同氮肥减施处理下间作体系氮肥农学利用率 (kg/kg)

    Table 3.  Nitrogen agronomic efficiency in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

    处理 Treatment201420152016201720182019平均 Average
    N10015.16 ab17.61 a19.06 a16.83 c11.29 a13.35 a15.55 bc
    N95P16.15 a18.78 a20.20 a17.84 abc11.98 a13.75 a16.45 ab
    N90P15.84 a18.29 a19.40 a18.58 ab12.24 a14.09 a16.41 ab
    N85P15.89 a19.30 a19.78 a19.24 a12.60 a14.33 a16.86 a
    N80P14.39 b17.09 a19.05 a17.27 c10.89 a13.35 a15.34 c
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 level.
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    表 4  不同氮肥减施处理下间作体系氮肥肥料贡献率 (%)

    Table 4.  Nitrogen fertilizer contribution rate in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

    处理 Treatment201420152016201720182019平均 Average
    N10039.88 a47.07 a49.28 a45.38 a32.18 a35.06 a41.47 a
    N95P40.20 a47.37 a49.44 a45.56 a32.34 a34.64 ab41.59 a
    N90P38.44 a45.37 a47.00 a45.24 a31.71 a33.99 ab40.29 ab
    N85P37.17 a45.32 a46.16 ab44.65 a31.10 a33.04 b39.57 bc
    N80P33.53 b40.69 b43.60 b40.55 b26.81 a30.15 c35.89 c
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 level.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-15
  • 网络出版日期:  2021-10-09
  • 刊出日期:  2021-09-25

不同氮肥减施量下玉米针叶豌豆间作体系的产量及效益

    作者简介:卢秉林 E-mail:lblhappy@163.com
    通讯作者: 车宗贤, chezongxian@163.com
  • 1. 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所,甘肃兰州 730070
  • 2. 农业农村部甘肃耕地保育与农业环境科学观测实验站,甘肃兰州 730070
  • 3. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 基金项目: 国家绿肥产业技术体系(CARS-22)
  • 摘要:   【目的】  通过探讨河西绿洲灌区氮肥减施对玉米针叶豌豆间作体系产量及肥料贡献率的影响,为玉米针叶豌豆间作体系氮素资源高效管理提供理论依据。  【方法】  研究基于2011年设置在武威绿洲灌区的玉米间作针叶豌豆长期田间定位试验。不施肥和习惯施肥 (N100) 处理为单作玉米,施用习惯氮肥量95%、90%、85%、80%和0%处理为玉米间作针叶豌豆。调查了2014—2019年玉米针叶豌豆间作体系产量、产量构成要素、经济效益、氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和氮肥肥料贡献率。  【结果】  玉米针叶豌豆间作种植具有明显的增产优势,而且这种增产优势随种植年限的延长呈增加趋势。在85%常规氮肥用量条件下,玉米籽粒产量与N100基本相当,差异不显著,虽然玉米株高和茎粗会受到明显抑制,穗位和穗位比下降明显,但是成穗数、穗粒数和百粒重却无明显变化,同时因为增收了1419 kg/hm2针叶豌豆干草和1637 kg/hm2针叶豌豆籽粒,合计收益增加3813元/hm2,增幅明显,而且氮肥偏生产力和氮肥农学利用率显著提高,氮肥肥料贡献率除2019年显著降低外,其余年份无明显变化。在80%常规氮肥用量条件下,玉米籽粒产量显著降低,降幅达8.77%,但是同样因为可以增收1438 kg/hm2针叶豌豆干草和1569 kg/hm2针叶豌豆籽粒,合计收益增加2098元/hm2,增幅明显,氮肥偏生产力显著提高,增幅达14.04%,氮肥农学利用率无明显变化,但是玉米的成穗数、穗粒数、百粒重、株高、茎粗、穗位、穗长、穗粗、氮肥肥料贡献率等降幅均达到显著水平。  【结论】  在河西绿洲灌区,长期进行玉米间作针叶豌豆,在玉米季减少15%的化学氮肥施用量不会造成玉米减产,由于同时收获了针叶豌豆干草和籽粒,整个体系收益提高,氮肥效率显著增加。在玉米季减少20%的化学氮肥施用量虽然会造成玉米减产,氮肥肥料贡献率下降,但是同样因为增收了针叶豌豆干草和籽粒,整个体系收益提高,氮肥偏生产力显著增加。

    English Abstract

    • 施氮是作物增产的重要途径,然而随着种植业对化学氮肥的依赖性增大,生产实践过程中不合理的氮肥管理不仅降低了氮肥利用效率,而且造成了土壤质量退化[1]、温室气体排放增加[2]、地下水硝酸盐超标[3]等一系列环境问题,严重制约了农田的可持续发展,所以,在保证作物不减产的前提下减少化学氮肥用量,提高肥料利用效率,是保证粮食安全、促进农业可持续发展的必然要求。绿肥作为清洁的有机肥源,在培肥地力和替代化肥方面具有重要作用[4]。针叶豌豆作为一种优质绿肥,与玉米间作是河西绿洲灌区广泛采用的种植模式[5-6],相关研究已有大量报道,内容涉及间作体系的作物产量[7]、土壤养分[8]、温室气体排放[9]、水分利用[10]和氮素吸收[11]等。合理施氮是获得较高产量、维持土壤氮肥力和降低施氮引起环境污染风险的关键。过高的施氮水平会抑制禾豆间作体系中豆科作物的固氮酶活性,降低其生物固氮作用,甚至出现氮阻遏现象,从而降低间作系统对氮素吸收和利用的优势[12]。较低的施氮水平虽然可以提高禾豆间作体系中豆科作物的根瘤数量和生物固氮能力,但是当豆科作物可转移供给禾本科作物的氮素不足以弥补因施氮水平降低对禾本科作物造成的缺素影响时,间作体系将会因为混合产量和组分产量的降低而导致经济效益下降。所以,寻求玉米针叶豌豆间作体系的合理施氮水平则显得尤为重要。河西绿洲灌区是我国玉米高产区之一,氮肥投入偏高,据调查,区域内玉米生产过程中的施氮量一般为375~600 kg/hm2,为了减小氮肥残效对研究结果的影响,本研究采用长期定位试验,将当地相对较低的施氮量375 kg/hm2定为习惯施氮量,同时,豌豆的生物固氮量约为46 kg/hm2[13],所以在本研究中,将20%设为间作针叶豌豆后的最大氮肥替代比例,通过探讨河西绿洲灌区不同施氮水平下玉米针叶豌豆间作体系的产量及肥料贡献率,为当地玉米针叶豌豆间作体系的高效合理施氮提供理论依据。

      • 试验于2014—2019年在农业农村部甘肃耕地保育与农业环境科学观测实验站进行,区域属温带大陆性干旱气候,海拔1465 m,年均温度7.7℃,无霜期150天,日照时数3023 h,≥ 10℃的有效积温为3016℃,年太阳辐射总量140~158 kJ/cm2,属于典型的两季不足、一季有余的自然生态区。

      • 试验始于2011年,分别在不施肥 (CK) 和习惯施肥 (N100) 水平下设置单作玉米处理,在95% (N95P)、90% (N90P)、85% (N85P)、80% (N80P) 和0% (N0P) 习惯氮肥用量水平下设置玉米针叶豌豆间作处理,共7个处理,3次重复,田间随机区组排列,小区面积21 m2 (4.2 m × 5.0 m)。除不施肥处理外,各处理施磷量相同。习惯施肥定为100%施肥量,即施N 375 kg/hm2、P2O5 150 kg/hm2,其中N肥30%做基肥,30%拔节期追施,40%大喇叭口期追施,磷肥作基肥一次性施入。供试玉米品种为‘武科2号’。试验采用宽窄行种植,玉米带宽40 cm,种2行玉米,株距20 cm,播种密度为75000株/hm2;针叶豌豆带宽80 cm,种3行,行距20 cm。玉米于4月下旬播种,10月上旬收获,针叶豌豆4月上旬播种,6月下旬收获,二者共生期约为60天。玉米和针叶豌豆成熟时,收获各小区的中间带 (1.2 m × 5.0 m) 进行测产,并进行经济效益核算。同时各小区收取20株测定株高、茎粗、穗位、穗长、穗粗、秃顶长度、穗粒数和百粒重等性状指标。

      • 穗位比 = 穗位/株高;

        氮肥偏生产力 (kg/kg) = 施氮处理产量/施氮量;

        氮肥农学利用率 (kg/kg) = (施氮处理产量 - 不施氮处理产量) /施氮量;

        氮肥贡献率 (%) = (施氮处理产量 - 不施氮处理产量) /施氮处理产量 × 100;

        作物产值 (元/hm2) = 作物产量 × 作物价格;

        间作针叶豌豆的成本 (元/hm2) = 针叶豌豆种子费用 + 针叶豌豆种收的劳工费 − 减施化肥的费用;

        玉米针叶豌豆间作体系收益 (元/hm2) = 玉米产值 + 针叶豌豆产值 − 间作针叶豌豆的成本。

        采用Microsoft Excel 2003软件对数据进行处理和绘图,采用DPS 7.5软件对数据进行统计分析。

      • 从不同供氮水平下间作针叶豌豆后的玉米籽粒产量 (图1) 可以看出,相比习惯施肥处理,在化学氮肥减施5%时,除2019年减产0.74%外,2014—2018年增产0.21%~0.62%,6年平均增产0.21%,但差异均不显著 (P > 0.05);在化学氮肥减施10%时,6年间的玉米籽粒产量下降0.78%~4.14%,年均减产2.1%,差异同样不显著 (P > 0.05);当化学氮肥减施15%时,6年间的玉米籽粒产量均有所下降,年均降幅为3.27%,但是除2014年外,其余年份的降幅不明显 (P > 0.05);当化学氮肥减施20%时,6年间的玉米籽粒产量明显下降 (P < 0.05),年均减产8.77%。可见,就玉米籽粒产量而言,通过间作针叶豌豆,可以在保证玉米不减产的前提下,减少15%的化学氮肥用量。

        图  1  不同氮肥减施处理下间作体系玉米籽粒产量

        Figure 1.  Corn grain yield in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

      • 在玉米针叶豌豆间作体系中,化学氮肥减施15%时,可以年均收获1419.11 kg/hm2针叶豌豆干草和1637.05 kg/hm2针叶豌豆籽粒;在化学氮肥减施20%时,可以年均收获针叶豌豆籽粒和干草1568.64和1437.70 kg/hm2 (图2),相比不施肥处理,差异均显著 (P < 0.05)。

        图  2  不同氮肥减施处理下间作体系针叶豌豆籽粒和干草产量

        Figure 2.  Needle leaf pea grain yield and hay yield in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

      • 成穗数、穗粒数和百粒重是玉米产量构成的基础。图3显示,化学氮肥减施5%~15%时间作针叶豌豆处理的玉米成穗数、穗粒数和百粒重在各年份以及各年份的平均值均与习惯施肥处理差异不显著 (P > 0.05),但是当化学氮肥减施量达到20%时,相比习惯施肥处理,6年的平均成穗数降幅明显 (P < 0.05),2014、2018年和6年的平均穗粒数也显著降低 (P < 0.05),2017、2018、2019年和6年平均百粒重的降幅也达到了显著水平 (P < 0.05)。

        图  3  不同氮肥减施处理下间作体系玉米籽粒产量构成要素

        Figure 3.  Corn grain yield components in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

      • 玉米株高和茎粗是衡量产量的重要指标,株高在很大程度上决定了玉米群体冠层对光的截获能力和光能利用率,茎粗则在很大程度上决定了玉米的抗倒伏能力[14-15]。本研究结果 (图4) 表明,在化学氮肥减施5%~20%的情况下,间作针叶豌豆后的玉米株高会受到明显抑制,相比习惯施肥处理有所降低,其中6年平均降幅达5.47%~9.18%,差异显著 (P < 0.05)。在茎粗方面,除2016和2017年在化学氮肥减施5%时略有提高外,其余氮肥减施处理在各年份均有不同程度的降低,其中在化学氮肥减施5%~10%的情况下间作针叶豌豆时,相比习惯施肥处理,玉米6年的平均茎粗下降3.15%~3.41%,差异不显著 (P > 0.05),但是当化学氮肥减施15%~20%时,玉米茎粗下降明显 (P < 0.05),降幅达8.26%~10.14%。同时,在化学氮肥减施5%~20%的情况下间作针叶豌豆,玉米穗位除2015和2016年外,其余年份的降幅均达到显著水平 (P < 0.05),6年平均降低11.51%~13.70%,差异显著 (P < 0.05)。而玉米穗位比,在化学氮肥减施5%~20%的情况下间作针叶豌豆后整体呈下降趋势,但是不同化学氮肥减施水平下的降幅因年份不同而有所差异,其中6年的平均降幅为4.41%~9.19%,差异显著 (P < 0.05)。

        图  4  不同氮肥减施处理下间作体系玉米主茎生长状况

        Figure 4.  Corn stem growth in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

      • 图5显示,在化学氮肥减施5%~20%的情况下间作针叶豌豆,各年份的玉米穗长与习惯施肥处理之间差异均不显著 (P > 0.05),但是6年的平均玉米穗长,只在化学氮肥减施5%~15%时与习惯施肥无明显差异 (P > 0.05),而在化学氮肥减施20%时的降幅达到显著水平 (P < 0.05)。在化学氮肥减施5%~15%的情况下间作针叶豌豆,除2019年穗粗显著降低外 (P < 0.05),其余年份及6年的平均穗粗均与习惯施肥处理相当,差异不显著 (P > 0.05)。在化学氮肥减施5%~20%的情况下间作针叶豌豆,各年份及各年份的穗棒秃顶长度平均值均与习惯施肥处理之间差异不显著 (P > 0.05)。

        图  5  不同氮肥减施处理下间作体系玉米果穗生长状况

        Figure 5.  Corn ear growth in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

      • 从玉米针叶豌豆间作体系的经济效益 (表1) 可以看出,在化学氮肥减施5%~20%时,针叶豌豆籽粒和干草6年的平均产值分别为4706~5060和1703~1840元/hm2,而且施肥处理显著高于不施肥处理。由于玉米秸秆搬运等费用和其自身产值基本相当,所以在玉米效益分析时未考虑秸秆产值,而玉米籽粒在化学氮肥减施5%~15%的情况下,6年的平均产值为28464~29487元/hm2,与习惯施肥处理之间差异不显著。在化学氮肥减施5%~20%时,间作体系6年的平均收益为31523~34273 元/hm2,均显著高于习惯施肥处理。其中,在化学氮肥减施15%时,间作体系6年平均收益为33238元/hm2,较习惯施肥处理增加3813元/hm2,增幅达12.96%;在化学氮肥减施20%时,间作体系6年平均收益为31523元/hm2,较习惯施肥处理增加2098元/hm2,增幅达7.13%。

        表 1  不同氮肥减施处理对间作体系经济效益的影响 (元/hm2)

        Table 1.  Economic benefits in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments (yuan/hm2)

        项目 Item处理 Treatment201420152016201720182019平均 Average
        针叶豌豆籽粒产值
        Output value of needle leaf pea grain
        CK0000000
        N1000000000
        N95P5275 a4775 a4614 a5253 ab4817 a5017 a4958 ab
        N90P5063 a5146 a4632 a5988 a4583 ab4950 a5060 a
        N85P5008 a5099 a4357 a5720 a4533 b4750 a4911 ab
        N80P4592 b4603 a4225 a5266 a4517 b5033 a4706 b
        N0P3225 c3583 b3242 b4469 b4467 b4683 a3945 c
        针叶豌豆干草产值
        Output value of needle leaf pea hay
        CK0000000
        N1000000000
        N95P1403 a1608 a1587 a1666 a2353 a2427 a1840 a
        N90P1320 a1550 a1510 a1630 a2233 a2380 ab1771 ab
        N85P1203 ab1490 ab1540 a1561 a2217 ab2207 bc1703 b
        N80P1323 a1501 ab1403 ab1618 a2213 ab2293 ab1725 ab
        N0P1007 b1269 b1197 b1348 b2025 b2039 c1481 c
        针叶豌豆合计产值
        Output value of needle leaf pea
        CK0000000
        N1000000000
        N95P6678 a6383 a6201 a6919 a7169 a7443 a6799 a
        N90P6383 ab6697 a6142 a7618 a6817 ab7330 a6831 a
        N85P6212 bc6588 a5897 a7280 a6751 ab6957 a6614 a
        N80P5915 c6104 a5628 a6884 a6730 b7326 a6431 a
        N0P4232 d4852 b4438 b5817 b6492 b6722 a5425 b
        玉米产值
        Output value of corn
        CK17990 d15593 c15447 c15940 c18702 c19413 c17181 d
        N10029932 ab29458 a30456 a29190 a27592 a29925 a29425 ab
        N95P30071 a29642 a30559 a29283 a27662 a29703 a29487 a
        N90P29213 ab28555 a29195 ab29108 a27376 a29400 ab28808 ab
        N85P28624 b28512 a28687 ab28821 a27137 a29003 ab28464 b
        N80P27055 c26358 b27448 b26822 b25562 b27825 b26845 c
        N0P14362 e15219 c17228 c13603 d15797 d18340 c15758 e
        新增成本
        Increase cost
        CK−2804−2804−2804−2804−2804−2804−2804
        N1000000000
        N95P1627162716271627162716271627
        N90P1453145314531453145314531453
        N85P1280128012801280128012801280
        N80P1107110711071107110711071107
        N0P67676767676767
        合计收益
        Total economic benefits
        CK20794 d18397 c18251 e18744 d21506 d22217 d19985 d
        N10029932 c29458 b30456 c29190 c27592 c29925 b29425 c
        N95P34736 a34012 a34746 a34189 a32818 a35134 a34273 a
        N90P33669 ab33325 a33410 ab34799 a32265 a34803 a33712 a
        N85P32996 b33260 a32744 abc34262 a32047 ab34120 a33238 a
        N80P31217 c30709 b31324 bc31953 b30539 b33398 a31523 b
        N0P18226 e19704 c21300 d19053 d21921 d24695 c20816 d
        注(Note):针叶豌豆秸秆 1.2 元/kg、籽粒 3.0 元/kg;玉米籽粒 2.1 元/kg;针叶豌豆种子 4.0 元/kg、种收劳工费 1500.0 元/hm2;化肥 N 4.62 元/kg、P2O5 7.14元/kg。Needle leaf pea straw 1.2 yuan/kg, grain 3.0 yuan/kg; corn grain 2.1 yuan/kg; Needle leaf pea seed 4.0 yuan/kg; labor cost of green manure sowing and harvesting 1500.0 yuan/hm2; chemical fertilizer N 4.62 yuan/kg, P2O5 7.14 yuan/kg. 同列数值后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 level.
      • 肥料偏生产力是评价肥料效应的适宜指标,比较适合我国目前土壤和环境养分供应量大、化肥增产效益下降的现实[16]。在化学氮肥减施5%~20%时,玉米间作针叶豌豆后的氮肥偏生产力随施氮量的减少而增加 (表2),相比习惯施肥处理,6年平均提高5.48%~14.04%,差异显著。

        表 2  不同氮肥减施处理下间作体系氮肥偏生产力 (kg/kg)

        Table 2.  Partial productivity of N fertilizer in corn/needle leaf pea intercropping systemunder different N reduction treatments

        处理 Treatment201420152016201720182019平均 Average
        N10038.01 c37.41 c38.67 b37.07 d35.04 d38.00 d37.37 c
        N95P40.19 b39.62 bc40.85 ab39.14 c36.97 c39.70 cd39.41 b
        N90P41.22 ab40.29 ab41.19 ab41.07 b38.63 b41.48 bc40.65 b
        N85P42.76 a42.59 a42.86 a43.06 a40.54 a43.33 ab42.52 a
        N80P42.94 a41.84 ab43.57 a42.57 ab40.57 a44.17 a42.61 a
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 level.
      • 农学利用率反映了单位施肥量增加作物产量的能力[16-17]。在化学氮肥减施5%~15%时,玉米间作针叶豌豆后的氮肥农学利用率均有所提高 (表3),其中在化学氮肥减施15%时,6年的平均氮肥农学利用率相比习惯施肥处理提高8.42%,差异显著。

        表 3  不同氮肥减施处理下间作体系氮肥农学利用率 (kg/kg)

        Table 3.  Nitrogen agronomic efficiency in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

        处理 Treatment201420152016201720182019平均 Average
        N10015.16 ab17.61 a19.06 a16.83 c11.29 a13.35 a15.55 bc
        N95P16.15 a18.78 a20.20 a17.84 abc11.98 a13.75 a16.45 ab
        N90P15.84 a18.29 a19.40 a18.58 ab12.24 a14.09 a16.41 ab
        N85P15.89 a19.30 a19.78 a19.24 a12.60 a14.33 a16.86 a
        N80P14.39 b17.09 a19.05 a17.27 c10.89 a13.35 a15.34 c
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 level.
      • 肥料贡献率是反映年投入肥料生产能力的指标[18]。在化学氮肥减施5%~20%的情况下间作针叶豌豆,氮肥的肥料贡献率整体随施氮量的减少而降低,说明氮肥施用量对氮肥肥料贡献率作用明显。但在化学氮肥减施5%时,玉米间作针叶豌豆的氮肥肥料贡献率均高于习惯施肥处理(除2019年外),说明玉米间作针叶豌豆在一定程度上可以提高化学氮肥的肥料贡献率,但这种提高作用相对有限,在化学氮肥减施10%时,玉米间作针叶豌豆后的氮肥肥料贡献率虽然与习惯施肥处理之间差异不显著,但在数值上均呈下降趋势;在化学氮肥减施15%时,玉米间作针叶豌豆后的氮肥肥料贡献率除2019年显著降低外,其余年份与习惯施肥处理之间差异不显著。6年的平均氮肥肥料贡献率在化学氮肥减施5%~10%时与习惯施肥处理之间差异不显著,但在化学氮肥减施15%~20%时降幅明显 (表4)。

        表 4  不同氮肥减施处理下间作体系氮肥肥料贡献率 (%)

        Table 4.  Nitrogen fertilizer contribution rate in corn/needle leaf pea intercropping system under different N reduction treatments

        处理 Treatment201420152016201720182019平均 Average
        N10039.88 a47.07 a49.28 a45.38 a32.18 a35.06 a41.47 a
        N95P40.20 a47.37 a49.44 a45.56 a32.34 a34.64 ab41.59 a
        N90P38.44 a45.37 a47.00 a45.24 a31.71 a33.99 ab40.29 ab
        N85P37.17 a45.32 a46.16 ab44.65 a31.10 a33.04 b39.57 bc
        N80P33.53 b40.69 b43.60 b40.55 b26.81 a30.15 c35.89 c
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at 0.05 level.
      • 许多研究结果表明,玉米针叶豌豆间作种植具有明显的增产优势,相比单作,能够显著提高玉米籽粒产量[18-20]。本研究结果与其相一致,在河西绿洲灌区进行玉米生产时,可以通过间作针叶豌豆对玉米产量的增产优势来达到化学氮肥减施的目的,其中玉米长期间作针叶豌豆,可以在保证玉米不减产的前提下,减少15%的化学施氮量。究其原因,主要是因为玉米和针叶豌豆根系分布的兼容性形成了种间促进效应[21],在玉米针叶豌豆间作体系中,虽然针叶豌豆在共生期为竞争优势种,玉米处于竞争劣势,玉米的生长在一定程度上会受到抑制[22],但二者的根系深浅不同,间作玉米的根系分布在针叶豌豆根系下方,并与上层土壤剖面的针叶豌豆根系交错在一起,可以吸收利用针叶豌豆从空气中固定的部分氮素,同时,这种吸收利用又会刺激和促进针叶豌豆的固氮作用,而在针叶豌豆收获后的玉米单独生长期,玉米与针叶豌豆之间的竞争作用消失,玉米的恢复效应得以体现,此时玉米会有更多的根系延伸到针叶豌豆种植带,从而吸收利用豌豆前期固定的氮素[19],同时,针叶豌豆收获时残留在土壤中的地下根系在分解过程中还可以为后期和下茬玉米的生长发育提供一定的养分,从而促进豌豆收获后玉米的快速恢复生长。有研究表明,实现这种恢复生长的前提条件是竞争能力强的作物收获后,竞争能力弱的作物具有足够长的生长时间[23],在河西绿洲灌区,玉米针叶豌豆间作体系中,针叶豌豆6月下旬收获,玉米在10月上旬收获前具有3个多月的生长恢复期,时间相对充足。同时,施氮水平的降低会提高豆科作物的结瘤量和生物固氮量[24-25],而这种促进作用在一定程度上又会弥补不同氮肥减施水平之间的差距。这种增产优势在其它禾豆间作体系中也得到了证实,Li等[26]在我国西北地区通过连续4年的田间试验发现,相比单作,间作蚕豆后的玉米产量增加了43%。Rusinamhodzi等[27]在非洲莫桑比克中部地区的禾豆间作试验发现,间作豆科作物的玉米产量显著提高了42.1%。但也有研究表明,尽管晚熟作物在后期进行了恢复生长,但其受到的损失并不能得到完全弥补,无法获得高产[7],究其原因,主要是由于间作豆科的品种和共生期的时间长短有所差异所致,所以在玉米豌豆间作体系中,可以通过选择生育期短且早熟的豌豆品种和适当提前豌豆播期来缩短二者的共生期及缓解其共生期内的竞争力,进而降低体系减产风险。同时,本研究结果表明,若只考虑玉米,间作针叶豌豆可以替代15%的化学氮肥用量,若考虑整个玉米针叶豌豆间作体系的混合产值,间作针叶豌豆则可以替代20%的化学氮肥用量。玉米针叶豌豆间作体系虽然会增加针叶豌豆种子以及种收的劳动成本,但是因为增加了针叶豌豆籽粒和干草收益,减少了化学氮肥投入,故而,整个间作体系的收益得到了显著提高。

        玉米针叶豌豆间作体系不仅在当季具有增产优势,而且这种增产优势随种植年限的延长呈递增趋势。对照玉米针叶豌豆间作体系前3年的玉米产量可以发现[28],相对习惯施肥处理,在化学氮肥减施10%时,间作体系前3年的玉米产量平均降幅为0.63%,而后6年的平均降幅为0.21%;在化学氮肥减施15%时,间作体系前3年的玉米产量平均降幅为3.59%,而后6年的平均降幅为3.27%,可见,随着间作年限的延长,在相同氮肥减施水平下的玉米籽粒产量与习惯施肥之间的差距在不断缩小。这主要是因为长期间作过程中,一方面针叶豌豆的残留物可为下茬作物提供的养分在不断累积,另一方面玉米针叶豌豆在间作体系中的小倒茬减轻了长期玉米单作造成的连作障碍[29-30]。产量构成要素之间的协调发展是保证作物高产的重要途径。本研究结果表明,长期间作针叶豌豆能够确保在化学氮肥减施15%的情况下,成穗数、穗粒数和百粒重不降低,但是株高和茎粗会受到明显抑制,穗位和穗位比也会明显下降。间作体系玉米营养生长的抑制主要是因为氮肥减施和针叶豌豆在共生期的竞争所致,而对生殖生长的影响不明显主要是因为伴随针叶豌豆的收获,玉米与针叶豌豆之间的竞争作用消失,针叶豌豆残留物的养分供应在一定程度上弥补了化学氮肥减施的影响,同时,穗位比的下降,在一定程度上还会增强玉米的抗倒伏能力。当化学氮肥减施量达到20%时,玉米针叶豌豆间作体系的玉米营养生长和生殖生长均会受到明显抑制,说明在玉米针叶豌豆间作体系中,针叶豌豆对玉米的增产优势无法弥补20%化学氮肥减施对玉米生长造成的影响。但是,这是玉米间作针叶豌豆9年的试验结果所得,若进行更长时间的玉米针叶豌豆间作,会不会存在更大的化学氮肥替代潜力?还需要进一步研究。

        玉米针叶豌豆间作体系在氮素利用效率方面同样具有明显优势。有研究表明,在禾豆间作体系中,豆科作物的生物固氮作用是间作体系运转的重要动力,可以增强禾本科作物对土壤氮素的利用,进而提高氮素的利用效率[31-32]。本研究结果表明,在化学氮肥减施5%~15%的情况下间作针叶豌豆,玉米的氮肥肥料贡献率整体随施氮量的减少而降低,而氮肥农学利用率和氮肥偏生产力却有所提高,这与杨文亭等[33]研究结果相一致,说明在玉米针叶豌豆间作体系中,玉米氮素吸收量的提高并不是完全依赖于消耗化肥氮,而是来自于氮素资源的互补利用,豆科作物主要是利用空气中的氮素,而禾本科作物对土壤氮和肥料氮的竞争会刺激豆科作物的生物固氮,加快土壤中氮素的转化强度,使土壤氮和肥料氮转化更有利于向禾本科作物氮素吸收的方向进行,这可能也是在氮肥减施情况下间作针叶豌豆能够促进玉米增产的原因之一。但是,过高的施氮水平会抑制禾豆间作体系中豆科作物的生物固氮作用,降低禾豆间作优势,增大农田氮素污染风险[34]。所以,合理的氮肥施用是发挥禾豆间作优势,提高氮素高效利用的关键。

      • 在河西绿洲灌区进行玉米生产时,可以通过间作针叶豌豆对玉米产量的增产优势来减少化学氮肥用量,其中长期间作针叶豌豆,可以在确保玉米不减产的情况下减少15%的化学氮肥施用量,同时因为增收1419.11 kg/hm2针叶豌豆干草和1637.05 kg/hm2针叶豌豆籽粒,合计收益增加3813元/hm2,增幅明显,而且氮肥偏生产力和氮肥农学利用率显著提高,氮肥肥料贡献率除2019年显著降低外,其余年份降幅不明显。长期间作针叶豌豆,可以在确保玉米针叶豌豆间作体系收益不减的情况下减少20%的化学氮肥施用量,虽然玉米籽粒产量降幅明显,达到8.77%,但是同样因为增收1438 kg/hm2针叶豌豆干草和1569 kg/hm2针叶豌豆籽粒,合计收益增加2098元/hm2,增幅明显,虽然氮肥肥料贡献率降幅明显,但是氮肥农学利用率无明显变化,氮肥偏生产力显著提高。

    参考文献 (34)

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