玉米/大豆帶狀復(fù)合種植模式下減量施氮對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)量的影響

牛建彪 陳光榮 樊廷錄 王立明 楊如萍 董博 張國(guó)宏 楊桂芳 溫健 南琴霞

摘要：2016年在蘭州地區(qū)不同海拔條件下，研究了玉米/大豆種植模式（玉米單作、大豆單作和玉米/大豆間作）和氮肥水平（不施氮、傳統(tǒng)施氮和減量施氮）對(duì)作物產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，不同種植模式下的傳統(tǒng)施氮（CN）和減量施氮（RN）間產(chǎn)量差異不顯著。在皋蘭、榆中、永登3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，單作玉米在傳統(tǒng)施氮（CN）條件下產(chǎn)量較高，分別為13 478.49、12 974.21、11 073.12 kg/hm2；而間作玉米在減量施氮（RN）條件下產(chǎn)量較高，分別是12 387.02、11 994.41、10 879.27 kg/hm2；單作大豆和間作大豆均在減量施氮（RN）條件下產(chǎn)量最高；玉米/大豆間作系統(tǒng)的總產(chǎn)量均以減量施氮（RN）條件下最高，分別是14 024.07、13 533.68、12 306.86 kg/hm2?？梢?，減量施氮下的玉米/大豆復(fù)合種植模式的系統(tǒng)產(chǎn)量并未降低，而氮肥利用效率顯著提高，適宜在該區(qū)域大面積推廣。

關(guān)鍵詞：玉米/大豆間作；減量施氮；產(chǎn)量；海拔

中圖分類號(hào)：S513；S565.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-1463（2017）07-0037-06

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.07.010

Abstract：Corn/soybean intercropping pattern is widely adopted in different altitudes in Lanzhou city. Whereas the traditional fertilized measures used by farmers are not good for high yield of corn/soybean intercropping system. In order to get high yield for both corn and soybean in this system，a field experiment is conducted to investigate the effect of the system crop yield in 2016. The experiment includes three planting patterns （corn mono cropping， soybean mono cropping and corn/soybean intercropping） and three rates of N fertilizer application， CK， the conventional N application （CN） and the reduced amount of N application （RN）. The result indicates that there is no significant difference between CN and RN of yield for different cropping system， for the corn mono cropping， the yields of CN are highest， which are 13 478.49 kg/hm2， 12 974.21 kg/hm2 and 11 073.12 kg/hm2， respectively. For the intercropping corn the yields of RN are highest， which are 12 387.02 kg/hm2， 11 994.41 kg/hm2 and 10 879.27 kg/hm2， respectively. For the mono soybean or intercropping soybean， the yields of CN are highest， and the yields of corn/soybean intercropping are highest either， which are 14 024.07 kg/hm2， 13 533.68 kg/hm2 and 12 306.86 kg/hm2. Therefore， reduced amount of N application for this intercropping system could increase the crop yield per unit area greatly， which could be extended at large scale.

Key words： Corn/soybean；Reduced amount of N application；Yield；Altitudes

中國(guó)是世界上最大的氮肥生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，對(duì)全球氮肥產(chǎn)量和用量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)分別達(dá)61%和52%。中國(guó)以全球10%的土地資源、21%的灌溉面積養(yǎng)活20%的人口，并不斷提高生活水平的關(guān)鍵在于氮肥、地膜、間套作等配套技術(shù)的有效實(shí)施[1 - 3 ]。但目前中國(guó)氮肥消費(fèi)量超過(guò)作物最高產(chǎn)量需求量，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的氮肥盈余對(duì)環(huán)境的影響逐步顯現(xiàn)。據(jù)第一次全國(guó)污染源普查公告，水體污染物中總氮的57%來(lái)自于農(nóng)業(yè)，農(nóng)田土壤pH下降0.5個(gè)單位，其中60%以上的貢獻(xiàn)來(lái)自于氮肥；全國(guó)大氣氮沉降增長(zhǎng)了60%，也與氮肥有關(guān)[4 - 6 ]。因此，盡快轉(zhuǎn)變發(fā)展觀念，充分利用各種氮素來(lái)源，實(shí)現(xiàn)氮肥投入與作物需求匹配，在發(fā)揮氮肥增產(chǎn)作用的同時(shí)努力減少環(huán)境污染是當(dāng)務(wù)之急。

近年來(lái)，玉米/大豆高產(chǎn)高效栽培模式在蘭州地區(qū)大面積被應(yīng)用，該模式在提高糧食產(chǎn)量和維持氮素平衡中起重要作用。然而，在生產(chǎn)實(shí)踐中，過(guò)量的施用氮肥并沒有提高該模式系統(tǒng)產(chǎn)量，反而導(dǎo)致間作的大豆產(chǎn)量下降。為此，我們依據(jù)當(dāng)?shù)赝寥朗覂?nèi)分析及前期養(yǎng)分試驗(yàn)結(jié)果，在了解土壤養(yǎng)分狀況的基礎(chǔ)上，針對(duì)玉米/大豆間作系統(tǒng)中作物養(yǎng)分吸收互補(bǔ)的特點(diǎn)，研究了不同施氮量對(duì)系統(tǒng)作物產(chǎn)量及肥料利用效率的影響，以期為該區(qū)玉米/大豆間作模式下作物高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

指示玉米（Zea mays Linn.） 品種選用金穗4號(hào)，株型為半緊湊型，株高250～255 cm，生育期140 d，為中晚熟品種；大豆[Glycine max （L.） Merrill] 品種選用中黃30，株型為收斂性，株高70～85 cm，有限結(jié)莢習(xí)性，生育期125 d，為中熟品種。供試肥料為尿素（含N 46%）、普通過(guò)磷酸鈣（含P2O5 12%）、硫酸鉀（K2O 50%）。

1.2 研究地概況

試驗(yàn)于2016年分別在甘肅省蘭州市皋蘭縣城關(guān)鎮(zhèn)明星村、榆中縣城關(guān)鎮(zhèn)李家莊和永登縣柳樹鎮(zhèn)柳樹村進(jìn)行。皋蘭縣試驗(yàn)點(diǎn)經(jīng)度104.35，緯度35.23，海拔1 754 m，年均溫度7.1 ℃，年均降水量263 mm，年蒸發(fā)量1 750 mm，無(wú)霜期144 d。土壤類型為粉質(zhì)壤土，耕層土壤含有機(jī)質(zhì)23.5 g/kg、堿解氮67.4 mg/kg、速效磷8.7 mg/kg、速效鉀164.3 mg/kg；榆中縣試驗(yàn)點(diǎn)經(jīng)度104.12，緯度35.85，海拔1 879 m，年均溫度6.5 ℃，年均降水量427 mm，年蒸發(fā)量1 550 mm，無(wú)霜期137 d。土壤類型為灰鈣土，耕層土壤含有機(jī)質(zhì)17.9 g/kg、堿解氮53.4 mg/kg、速效磷11.5 mg/kg、速效鉀135.7 mg/kg；永登縣試驗(yàn)點(diǎn)經(jīng)度103.27，緯度36.73，海拔2 032 m，年均溫度5.9 ℃，年均降水量304 mm，年蒸發(fā)量1 447 mm，無(wú)霜期126 d。土壤類型為灌淤土，耕層土壤含有機(jī)質(zhì)21.5 g/kg、堿解氮62.8 mg/kg、速效磷13.8 mg/kg、速效鉀149.2 mg/kg。

1.3 試驗(yàn)方法

采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)田間布置見圖1，主因素為種植模式，分別為玉米單作（M）、大豆單作（S）、玉米間作大豆（M/S）；副因素為氮素處理（玉米、大豆施氮總量），分別為不施氮（CK）、習(xí)慣施氮（CN）270 kg/hm2、減量施氮（RN）180 kg/hm2。玉米與大豆施氮比為3∶1，共9個(gè)處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積31.68 m2（3.60 m×8.80 m）。玉米單作（M）和大豆單作（S）采用等行距種植，行距均為40 cm。玉米間作大豆（M/S）采用寬窄行種植，玉米窄行40 cm，寬行180 cm；寬行內(nèi)間作2行大豆，行距40 cm，玉米與大豆的間距為70 cm；玉米種植密度均為6.0萬(wàn)株/hm2，大豆種植密度均為13.5萬(wàn)/hm2，保證單作、間作方式下各作物種植密度和施肥水平一致（圖1）。玉米氮肥分2次施用，即底肥和大喇叭口期追施，大豆氮肥一次性施用，玉米單作（M）、大豆單作（S）采用傳統(tǒng)株間施肥方式；玉米間作大豆（M/S）采用玉米、大豆一體化施肥方式。玉米底肥統(tǒng)一施N 90 kg/hm2，大喇叭口期在玉米、大豆間開溝追施剩余氮肥及大豆磷、鉀肥。單作、間作玉米及單作大豆的磷、鉀肥隨底肥施用。玉米統(tǒng)一施P2O5 135 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2；大豆施P2O5 75 kg/hm2，K2O 45 kg/hm2。玉米、大豆同時(shí)播種，播期為4月22日，玉米收獲期為10月2日，大豆收獲期為9月25日。施肥方案見表1。肥水及大田管理同當(dāng)?shù)厣a(chǎn)。

1.4 生育期記載及產(chǎn)量調(diào)查

記載玉米及大豆播種、出苗、始花、成熟等生育時(shí)期，統(tǒng)計(jì)出苗率、共生期。收獲玉米、大豆時(shí)，各小區(qū)取中間3帶計(jì)產(chǎn)，連續(xù)取玉米15株、大豆20株考種，調(diào)查玉米及大豆株高、莖粗及產(chǎn)量構(gòu)成因素。計(jì)算土地當(dāng)量比。

LER = Lc + Ls

式中LER為總土地當(dāng)量比（land equivalent ratio，LER）；Lc為間作玉米產(chǎn)量/單作玉米產(chǎn)量、Ls為間作大豆/單作大豆。LER > 1，表明間作具有優(yōu)勢(shì)；LER < 1 表明間作劣勢(shì)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel和DPS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生態(tài)區(qū)域各處理的系統(tǒng)產(chǎn)量與土地當(dāng)量比

由表2可知，施氮水平對(duì)玉米、大豆產(chǎn)量影響顯著。單作玉米（M）在傳統(tǒng)施肥（CN）處理下產(chǎn)量最高，在皋蘭、榆中和永登試驗(yàn)點(diǎn)分別為 13 478.49、12 974.21、11 073.12 kg/hm2，較CK產(chǎn)量分別提高了14.67%、17.04%和13.78%；間作玉米在RN處理下產(chǎn)量較高，在3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別是12 387.02、11 994.41、10 879.27 kg/hm2。單作大豆（S）和間作大豆均在RN處理下產(chǎn)量最高，其中單作大豆在3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的產(chǎn)量分別是 2 586.26、 2 494.11、2 318.47 kg/hm2，較CK產(chǎn)量分別提高了17.27%、23.56%、16.08%，較CN產(chǎn)量分別提高3.83%、4.47%、2.27%；間作大豆在3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)產(chǎn)量分別是1 637.05、1 539.27、 1 427.59 kg/hm2，較CK產(chǎn)量分別提高了10.69%、27.49%、24.21%，較CN產(chǎn)量分別提高2.68%、3.57%、2.02%。進(jìn)一步分析玉米/大豆間作系統(tǒng)的總產(chǎn)量，各氮肥處理均以RN產(chǎn)量最高，在3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別是 14 024.07、13 533.68、12 306.86 kg/hm2。說(shuō)明適量減少氮肥促進(jìn)大豆根瘤固氮，有利于大豆產(chǎn)量提高。另外，對(duì)于玉米/大豆間作而言，系統(tǒng)產(chǎn)量并沒有降低，氮肥施用效率顯著提高。

不同種植模式的氮肥處理在不同海拔條件下系統(tǒng)產(chǎn)量變化顯著。對(duì)于單作玉米，在皋蘭、榆中和永登試驗(yàn)點(diǎn)的平均產(chǎn)量分別為12 842.32、 12 214.48、10 608.2 kg/hm2，說(shuō)明隨海拔高度的增加產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降幅度為4.89%～17.39%。對(duì)于單作大豆，在皋蘭、榆中和永登試驗(yàn)點(diǎn)的平均產(chǎn)量分別為2 427.48、2 299.94、 2 194.25 kg/hm2，產(chǎn)量的變化趨勢(shì)與單作玉米一致，但降幅不大，僅為5.25%～9.60%。對(duì)于玉米/大豆間作系統(tǒng)，皋蘭、榆中和永登3個(gè)點(diǎn)的產(chǎn)量分別為13 216.32、12 418.14、11 557.84 kg/hm2，同樣隨海拔高度的增加產(chǎn)量下降，降幅為6.04%～12.55%。從土地當(dāng)量比分析，不同海拔條件下的氮肥處理與單作玉米或大豆相比，盡管間作玉米和間作大豆產(chǎn)量均降低，但玉米/大豆間作模式各處理LER均大于1，表明在該種植模式和氮肥處理下，間作可提高土地復(fù)種指數(shù)和土地利用效率，具有良好的產(chǎn)出效果。

2.2 不同處理對(duì)玉米農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表3可以看出，隨海拔高度增加玉米生育期呈逐漸延長(zhǎng)趨勢(shì)，在皋蘭、榆中和永登試驗(yàn)點(diǎn)均能正常成熟。玉米株高、穗位、穗粒數(shù)、千粒重、穗長(zhǎng)等指標(biāo)均隨海拔增高而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，其中，施氮處理（CN、RN）的株高、穗位長(zhǎng)、穗粒數(shù)、千粒重、穗長(zhǎng)等高于CK。單作、間作玉米穗粒數(shù)變化幅度分別為3.79%～10.27%、1.73%～19.34%，千粒重變化幅度分別為0.42%～5.75%、1.49%～9.86%，穗長(zhǎng)變化幅度分別為2.53%～18.99%、2.45%～9.8%。但玉米禿頂長(zhǎng)度隨海拔高度的增加而增加。相對(duì)于單作玉米，間作玉米千粒重分別下降了2.05%、4.53%、0.80%，說(shuō)明影響間作玉米產(chǎn)量下降的主要原因是千粒重的下降。

單作模式下，玉米穗粒數(shù)和千粒重表現(xiàn)為傳統(tǒng)施氮（CN）和減量施氮（RN）間差異較小，但與CK間差異明顯，穗粒數(shù)較CK平均增加了4.60%和4.95%，千粒重平均增加了9.83%、10.95%。間作模式下，玉米穗粒數(shù)和千粒重在減量施氮（RN）處理下最高，在皋蘭、榆中、永登試驗(yàn)點(diǎn)穗粒數(shù)分別為569、521、493粒，較CK分別增加了10.7%、8.77%、5.57%，較CN增加幅度為1.14%～2.74%；千粒重在3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別為377.9、361.8、363.6 g，較CK分別增加了4.57%、3.55%、6.28%。

2.3 不同處理對(duì)大豆農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表4可以看出，隨海拔的升高單作和間作大豆的生育期逐漸均有延長(zhǎng)，變化幅度分別為2.92%～10.22%、3.59%～11.51%。單作和間作大豆株高、底莢高度、分枝數(shù)、有效莢數(shù)、莢粒數(shù)、百粒重均隨海拔增高而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，其中株高變化幅度分別為4.62%～9.23%、4.48%～10.45%，底莢高度變化幅度分別為1.29%～15.58%、7.95%～17.22%。對(duì)大豆產(chǎn)量構(gòu)成因素而言，RN處理下有效莢數(shù)、百粒重較高。尤其是有效莢數(shù)，單作模式下在皋蘭、榆中、永登3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別是37.4、35.2、32.2個(gè)，較CK分別增加了16.15%、12.1%、9.52%；間作模式在3個(gè)點(diǎn)分別是26.5、27.9、26.4個(gè)，較CK分別增加了34.5%、30.98%、35.39%，較CN分別增加了23.83%、17.72%、16.29%，差異明顯。說(shuō)明適量減少氮肥施用，能有效促進(jìn)單作或間作大豆有效莢數(shù)的形成，進(jìn)而影響大豆產(chǎn)量。

3 小結(jié)與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同種植模式下的玉米、大豆在施氮量不同時(shí)產(chǎn)量差異明顯。在皋蘭、榆中、永登3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，單作玉米在施氮量為270 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量較高，分別為13 478.49、12 974.21、11 073.12 kg/hm2；而間作玉米在施氮量為180 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量較高，分別為12 387.02、11 994.41、10 879.27 kg/hm2。單作大豆和間作大豆3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均在施氮180 kg/hm2下產(chǎn)量最高。玉米/大豆間作系統(tǒng)的總產(chǎn)量，均以施氮量為180 kg/hm2產(chǎn)量最高，分別是14 024.07、13 533.68、12 306.68 kg/hm2。玉米/大豆間作模式各處理LER均大于1，表明在該種植模式和氮肥處理下，間作可提高土地復(fù)種指數(shù)和土地利用效率，具有良好的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。由此可見，在蘭州市不同海拔條件下，玉米/大豆間作模式較傳統(tǒng)施氮、減量施氮條件下玉米產(chǎn)量略有降低，而減量施氮有利于大豆有效莢的形成，較傳統(tǒng)施氮處理，產(chǎn)量顯著增加。對(duì)玉米/大豆間作系統(tǒng)，減量施氮顯著增加了間作玉米穗粒數(shù)和大豆有效莢數(shù)，最終提高了系統(tǒng)產(chǎn)量，適宜在該區(qū)域推廣。

以往研究表明，通過(guò)豆科與非豆科作物間作能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)，提高氮肥利用率，合理的田間群體結(jié)構(gòu)和施肥水平能夠顯著地提高氮肥利用效率[7 - 10 ]。目前新型肥料的研發(fā)、施肥方法的改進(jìn)和融合、種植模式的改革等一系列舉措，加上國(guó)家相對(duì)健全的推廣體系，已有很多研究表明化肥減量是可行的。戰(zhàn)秀梅等[11 ]和鄒曉錦等[12 ]研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)施肥相比，氮肥適量減施下單作玉米產(chǎn)量并沒有降低，氮肥利用率提高了20.7%。另有研究表明，氮肥減施20%～30%對(duì)稻麥輪作體系作物產(chǎn)量沒有降低，而氮肥單季利用率、氮素農(nóng)學(xué)利用率和氮素偏因子生產(chǎn)力顯著提高[13 ]。劉小明等[14 ]研究了氮肥減量對(duì)套作系統(tǒng)產(chǎn)量的影響，表明與習(xí)慣施氮相比，減量施氮處理下系統(tǒng)總經(jīng)濟(jì)系數(shù)為0.49，LER可達(dá)到2.17，顯著提高系統(tǒng)產(chǎn)量。

本課題組前期的研究表明，豆科/非豆科間套作具有明顯的間套作優(yōu)勢(shì)，主要是由于作物地下部根系生態(tài)位時(shí)空互補(bǔ)和根際過(guò)程促進(jìn)作物養(yǎng)分高效吸收利用。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，豆科/非豆科間套作能提高間作豆科作物的生物固氮量[3 ]。

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（本文責(zé)編：陳 偉）