隔根和種植模式對玉米豌豆群體的根分布及豌豆根瘤的影響

代 晉，柴 強，李 廣

(1．甘肅農業(yè)大學農學院,甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業(yè)大學信息科學技術學院,甘肅 蘭州730070)

間套作既可以提高資源有效利用率，又可以提高土地生產力，而豆科和禾本科間作能更好地保持土壤肥力。豆科禾本科間作是我國西部廣泛采用的一種種植模式，禾本科間作豆科，2種作物可以互相促進生長，提高經濟效益，并且在增產增收、改善土壤結構等方面表現(xiàn)極佳。同時根系的形態(tài)對地上部分的生長有重要的影響，目前對根系的研究越來越受到人們的關注[1-4]。而前人研究多集中在豆科作物與禾本科作物間作對其生物固氮的影響，間作條件下水、肥等外界環(huán)境條件對作物根系形態(tài)的影響、對間作系統(tǒng)中產量優(yōu)勢和養(yǎng)分競爭等方面[4-8]，對間套作根系在大田條件下的形態(tài)研究以及作物種間根系相互作用強度對豆科作物結瘤作用的影響還缺乏系統(tǒng)的研究[9-10]。為此，本研究對隔根條件下不同種植模式下玉米(Zeamays)和豌豆(Pisumsativum)根系的形態(tài)特征以及結瘤的特征進行研究，以期為農業(yè)生產的增產增收提供理論指導和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 試驗在武威市涼州區(qū)甘肅農業(yè)大學與武威市農技中心校地聯(lián)合實驗站開展，位于甘肅省中部，河西走廊的東端，地處103°5′ E，37°30′ N，總面積5 081 km2，屬寒溫帶干旱區(qū)。該地屬大陸性氣候，海拔1 506 m，無霜期155 d，年降水量156 mm，年蒸發(fā)量2 400 mm，干燥度5.85，年平均氣溫7.2 ℃，≥0 ℃積溫3 513.4 ℃·d，≥10 ℃積溫2 985.4 ℃·d；日照時數(shù)2 945 h，太陽輻射總量6 000 MJ/m2。土壤類型為厚層灌漠土，0～30 cm土壤全氮0.68 g/kg，全磷1.41 g/kg，有機質14.31 g/kg，容重1.57 g/cm3。涼州區(qū)土壤偏堿性，有機質中等偏高，土壤、灌溉水及大氣環(huán)境質量總體狀況良好，但地下水超采嚴重。

1.2試驗處理及設計 供試玉米品種為武科2號，豌豆為針葉豌豆MJ-1。試驗設種植模式、隔根兩個參試因子。其中種植模式設單作豌豆、單作玉米、豌豆間作玉米3種形式；隔根方式分為塑料布分隔、尼龍網(wǎng)分隔和不分隔3種方式，每個處理3次重復。3種分隔方式可以研究根系在不同分隔強度下(塑料布分隔>尼龍網(wǎng)分隔>不分隔)相互作用的表現(xiàn)。單作豌豆(P)：平作，播種量150 kg/hm2，分行種植，行距20 cm，小區(qū)面積25.6 m2，小區(qū)間留走道40 cm，周圍留有保護行；小區(qū)寬3.2 m，種16行。單作玉米(C)：平作，播種密度為82 500株/hm2，行距40 cm、株距30 cm，地膜覆蓋，小區(qū)面積25.6 m2，小區(qū)留走道40 cm，種8行。豌豆間作玉米：豌豆帶寬80 cm，種4行，行距15 cm；玉米帶寬80 cm，種2行，行距40 cm，株距30 cm，播種密度為52 500株/hm2，玉米地膜覆蓋。于間作小區(qū)設置3種分隔方式，塑料布隔根(SP/C)為完全分隔，尼龍網(wǎng)隔根(NP/C)為不完全分隔，根系不分隔為無隔根(P/C)。

1.3測量方法及指標 分別于5月9日、6月7日和6月27日3個階段進行測量。根系取樣采用場地法[9]，在田間小區(qū)根據(jù)不同種植方式挖寬0.8 m、深1.0 m (間作，以隔根行為準向兩邊取樣)，寬0.40 m、深1.0 m(單作豌豆)，寬0.30 m、深1.0 m(單作玉米)的剖面，將整個剖面劃分為0.1 m×0.1 m的小格，然后在剖面上向里取0.1 m，將剖面劃分為若干個0.1 m×0.1 m×0.1 m的立方體，每個立方體為一個樣，將每個立方體的土壤取出，放入100目的尼龍網(wǎng)制成的網(wǎng)袋中，在水中淘洗，將根從土壤中分離出來，并采用人工分離法將不同作物根系分開，烘干后稱干質量。

根系按要求洗出后，用吸水紙吸干表面水分，稱鮮質量。然后將根置于80 ℃烘箱中10～20 h至質量恒定，稱干質量。人工摘取計數(shù)根瘤數(shù)。萬分之一分析天平稱量根瘤質量。

1.4數(shù)據(jù)處理 所有數(shù)據(jù)均采用Excel處理。

2 結果與分析

2.1不同種植模式下根系垂直分布 在不同生育期不同種植模式下，豌豆與玉米間作后，玉米根系進入豌豆根系空間，豌豆根系分布形態(tài)發(fā)生改變，而單作豌豆根系垂直自然生長，與間作根系的垂直分布有明顯的差異(圖1、圖2)。

對不同生育階段根系分布進行研究得出，5月8日間作玉米主要根系分布于0～20 cm土層，而此時間作豌豆的根系主要分布于0～10 cm，分別占根系總干質量的97.34%和85.19%；同時同一作物同一生育期，間作和單作不同土層的根干質量，間作始終大于單作，證明種間互作對根系垂直分布具有影響(圖1)。

6月7日玉米處于拔節(jié)期，豌豆處于盛花期。玉米根系已十分發(fā)達，達到0～50 cm，而豌豆的根系垂直分布也已達到0～40 cm土層(圖2)。

6月27日玉米處于大喇叭口期，豌豆進入成熟期。豌豆的根系主要分布于0～50 cm土層，隨著深度的增加，各部分根量相應減少(圖2)。

間作豌豆在0～10、10～20、20～30 cm土層中的根干質量占全部根干質量的比例分別為43.60%、23.50%和18.52%，占總根干質量的85.62%；相同土層間作玉米和豌豆根干質量始終大于單作玉米和豌豆；在常規(guī)條件下，土壤中的養(yǎng)分在上層分布的比例較高，因此，在相同的土壤環(huán)境下，間作比單作能更好地利用上層土壤的養(yǎng)分，滿足作物的生長發(fā)育。同時表明種間互作影響根系的生長。

2.2不同種植模式對根干質量的影響 玉米單株根干質量測定于成熟期(9月20日)，此時豌豆已于6月底收獲。豌豆單株根干質量測于豌豆成熟期(6月27日)，玉米繼續(xù)生長直到成熟期，因此玉米的單株根干質量得到進一步的增長。對3種種植模式下單株根干質量的分析表明，單株根系干質量在單作與間作中表現(xiàn)不同(圖3)。間作玉米和豌豆根干質量分別比單作增加18.6%和11.1%。由于在間作種植模式下，玉米根系進入豌豆根系空間，豌豆根系的固氮作用促進玉米根系的生長。所以間作玉米根系干質量顯著高于單作。而間作對豌豆自身的形態(tài)有影響，對根系的干質量影響很小。方差分析結果表明，間作和單作的玉米根系單株根干質量具有顯著差異，而豌豆差異不顯著。

圖1 不同種植模式下5月8日根系不同土層根干質量

圖2 不同種植模式下6月7日和6月27日各根系不同土層根干質量

圖3 不同種植模式對單株玉米和豌豆根干質量的影響

2.3不同隔根方式對豌豆結瘤數(shù)和瘤質量的影響 豆科作物具有生物固氮作用，因此豆科作物與其他作物實行間套作時，可以為伴生作物提供氮素營養(yǎng)。分析表明，間作促進了豌豆結瘤的瘤質量和瘤數(shù)，進而證明種間互作影響豌豆的固氮作用。對不同生育階段的瘤質量和瘤數(shù)進行研究表明，與盛花期相比，成熟期根瘤質量和數(shù)量減少(圖4、表1)，這是因為進入成熟期營養(yǎng)主要進行生殖生長，豆科作物固氮作用減弱，因此豌豆的瘤質量和瘤數(shù)相應減少。同時在3種不同隔根方式下，豌豆結瘤質量無隔根>尼龍網(wǎng)隔根>塑料膜隔根，即存在種間互利作用(圖4)。存在這種差異的主要原因在于3種分隔方式的分隔強度不同，塑料膜分隔是完全分隔，尼龍網(wǎng)分隔是不完全分隔。無隔根和尼龍網(wǎng)隔根間作群體存在種間作用，無隔根種間作用強于尼龍網(wǎng)隔根，而塑料膜隔根間作群體不存在種間作用。在玉米和豌豆間作體系中盛花期，無分隔處理的豌豆根瘤質量均顯著高于尼龍網(wǎng)和塑料膜分隔以及單作豌豆處理，分別高出26.79%、48.21%和38.39%(表1)。同時可以看出在豌豆的結瘤數(shù)上，與豌豆結瘤質量呈相同規(guī)律(圖4)。進而得出結論，種間作用強度越大，豌豆的結瘤作用越強。

圖4 豌豆在不同隔根方式和單、間作條件下的結瘤數(shù)

表1 不同隔根方式以及種植模式對豌豆瘤質量的影響 g/株

3 討論

研究結果表明，間作玉米和豌豆的單株根干質量大于單作單株玉米、豌豆的根干質量，并且在豌豆、玉米共生階段二者根系垂直分布層次是不同的，間作條件下根系的垂直分布，更有利于作物對養(yǎng)分的吸收。這與以前的研究結果一致[11-13]。大豆(Glycinemax)、玉米間作，間作明顯促進玉米、大豆整個地下部根系的生長。

關于豆科作物根瘤的研究已有很多[14-15]。但間作系統(tǒng)中對根瘤的研究不多，且基本上都是在盆栽試驗中進行的。本研究于大田條件下進行，更能反映出自然條件下豌豆結瘤情況，以及不同隔根條件下玉米對豌豆結瘤的促進作用。玉米、豌豆間作無隔根，根瘤數(shù)、根瘤質量都比單作明顯增加。這與前人[16-17]的研究結果一致，且不同的隔根條件下，豌豆的結瘤情況也是不同的。表現(xiàn)為無隔根根瘤質量、瘤數(shù)大于尼龍網(wǎng)隔根根瘤質量、瘤數(shù)大于塑料膜隔根根瘤質量和瘤數(shù)。同一間作體系下，作物根系相互作用越強，越有利于豌豆結瘤作用。

4 結論

1)間作玉米、豌豆根干質量分別比單作增加18.6%和11.1%。相同的土壤層次上，間作玉米豌豆根干質量大于單作玉米、豌豆根干質量，二者根部形態(tài)互相影響。表明種間互作影響根系的生長。同時，在相同的土壤環(huán)境條件下，間作比單作能更好地利用上層土壤的養(yǎng)分，滿足作物的生長發(fā)育。

2)在3種不同隔根的方式下，無隔根豌豆結瘤質量>尼龍網(wǎng)隔根豌豆結瘤質量>塑料膜隔根豌豆結瘤質量。在玉米/豌豆間作體系中，無分隔處理的豌豆根瘤質量均顯著高于尼龍網(wǎng)和塑料膜分隔以及單作豌豆處理，分別高出26.79%、48.21%和38.39%。并且可以看出，豌豆的結瘤數(shù)與結瘤質量呈相同規(guī)律。表明同一間作體系種間根系相互作用越強，越有利于豌豆結瘤的產生，存在種間互利作用。

[1]張恩和，李玲玲，黃高寶，等.供肥對小麥間作蠶豆群體產量及根系的調控[J].應用生態(tài)學報，2002，13(8)：939-942.

[2]Jastrow J D,Miller R M.Neighbour influences on root morphology and mycorrhizal fungus colonization in tall grass prairieplants[J].Ecology,1993,72(2):561-569.

[3]Wilson J B.Shoot competition and root competition[J].Journal of Applied Ecology,1988,25(2):279-296.

[4]Shinano T,Osaki M,Yamada S.Comparison of root growth and nitrogen absorbing ability between Gramineae and Leguminosae during the vegetative stage[J].Soil Science and Plant Nutrition,1994,40(3):485-495.

[5]葉優(yōu)良，肖焱波，黃玉芳，等.小麥/玉米和蠶豆/玉米間作對水分利用的影響[J].農業(yè)工程科學，2008,24(3)：445-449.

[6]肖焱波，李隆，張福鎖.兩種間作體系中養(yǎng)分競爭與營養(yǎng)促進作用研究[J].中國生態(tài)農業(yè)學報，2004，12(4)：86-89.

[7]肖焱波，李隆，張福鎖.小麥/蠶豆間作體系中的種間相互作用及氮轉移研究[J].中國農業(yè)科學，2005，38：965-973.

[8]Stern W R.Nitrogen fixation and transfer in intercropping system[J].Field Crops Research,1993,34:335-35.

[9]苗銳，張福鎖，李隆.玉米、小麥和大麥與蠶豆間作體系不同根系分隔方式對蠶豆結瘤的影響[J].植物學報，2009，44(2):197-201.

[10]劉廣才.不同間套作系統(tǒng)中間營養(yǎng)競爭的差異性及其機理研究[D].蘭州：甘肅農業(yè)大學，2005.

[11]宋日，牟瑛，王玉蘭，等.玉米、大豆間作對兩種作物根系形態(tài)特征的影響[J].東北師大學報自然科學版，2002，34(4):83-86.

[12]張國盛，張仁陟，黃高寶.水分脅迫條件下春小麥根系對施肥的響應[J].草業(yè)學報，2003，12(3):105-109.

[13]王建華.鷹嘴紫云英生長第一年根系發(fā)育動態(tài)的研究[J].草業(yè)科學，1990，7(2):53-60.

[15]李隆，楊思存，孫建好，等.大豆/小麥及間作中作物種間的競爭作用和促進作用[J].應用生態(tài)學報，1999，10(2):197-200.

[16]周照留，趙平，湯利，等.小麥蠶豆間作對作物根系活力、蠶豆根瘤生長的影響[J].云南農業(yè)大學報，2007，22(5):665-671.

[17]洪銳民，雷耀平.豆科植物結瘤固氮研究進展[J].草業(yè)科學，1991，3(8):1-4.