橡膠-豆科間作對植株生長和氮吸收的影響

王桂花 吳敏 王大鵬 韋家少 吳炳孫 吳文冠陳志堅 董榮書

(1中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所 海南?？?71101;2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部橡膠樹生物學(xué)與遺傳資源利用重點(diǎn)實驗室 海南海口571101;3中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所 海南?？?71101)

橡膠是中國熱區(qū)典型的經(jīng)濟(jì)作物，其乳膠加工產(chǎn)品天然橡膠是重要的戰(zhàn)略物資［1-3］。當(dāng)前，中國膠園種植密度約為450株/hm2［4］，膠園行間未被充分利用，特別是幼齡膠園。間作是一種復(fù)合種植模式，不僅能高效利用林下土地資源，還能提高膠園整體經(jīng)濟(jì)效益。其中，橡膠間作豆科作物在提高橡膠植株產(chǎn)量、植株養(yǎng)分吸收效率以及改善膠園土壤養(yǎng)分含量等方面具有重要作用。膠園間作豆科作物技術(shù)日趨成熟，被廣泛應(yīng)用于膠園林下經(jīng)濟(jì)發(fā)展等關(guān)鍵領(lǐng)域［5-11］。豆科作物具有根瘤，能固定空氣中游離的氮，增加土壤氮素營養(yǎng)［12］。研究表明［13-14］，海南植膠區(qū)土壤普遍缺氮，土壤全氮含量平均僅有0.82 g/kg。因此，在當(dāng)前植膠背景下，通過間作豆科作物和接種根瘤菌，提高膠園土壤氮素，實現(xiàn)橡膠樹高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)及培肥膠園土壤地力具有重要意義。

柱花草屬多年生草本植物，適宜于膠果園中套種，作飼料或綠肥用，是改良土壤的優(yōu)良豆科作物。研究表明，膠園-柱花草間作系統(tǒng)主要適用于幼齡膠園［15］，該間作系統(tǒng)不僅能促進(jìn)橡膠樹根系生長，還能提高橡膠樹干重，增加膠園土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮等含量，從而促進(jìn)膠園土壤養(yǎng)分的吸收與利用［16］。此外，間作柱花草能充分利用各類自然資源，促進(jìn)種間相互作用，提高單位面積產(chǎn)量和促進(jìn)植株氮磷的吸收［17-18］。與此同時，花生作為營養(yǎng)高、適用性較廣的一類豆科作物，被視為膠園間作的有效作物。相關(guān)研究表明，對于成齡膠園，間作花生、平托花生等豆科作物會降低土壤全氮含量，但間作花生的土壤銨態(tài)氮含量顯著高于不間作的土壤［19］。對于全周期間作膠園，間作的花生也能正常生長，并能獲得一定的產(chǎn)量。雖然間作花生的全周期膠園橡膠樹單位面積干膠產(chǎn)量較單作低，但通過間作花生可增加間作膠園的經(jīng)濟(jì)效益［20］。

綜上所述，膠園間作柱花草或花生等作物，對膠園植株的生長均具有一定促進(jìn)作用。而橡膠間作豆科作物，接種根瘤菌后對間作系統(tǒng)植株生長、氮吸收以及膠園土壤氮素的影響還鮮有報道。鑒于此，本研究以橡膠間作柱花草、橡膠間作花生為研究對象，探討不同氮水平和接種豆科根瘤菌對膠園植株生長、氮吸收量和土壤堿解氮的影響，以期為進(jìn)一步發(fā)展膠園間作技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 基質(zhì)

土壤采自海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗場三隊橡膠林萌生帶土壤，過5 mm孔徑篩。土壤理化性質(zhì)按常規(guī)方法測定［21］，測定結(jié)果為：pH6.12，有機(jī)質(zhì)6.43 g/kg，有效磷22.16 mg/kg，速效鉀38.24 mg/kg，堿解氮49.80 mg/kg。盆栽容器為藍(lán)色膠桶，桶口內(nèi)徑29 cm，桶底內(nèi)徑26 cm，桶高29 cm，底部設(shè)3排水孔，孔徑0.6 cm［22］。

1.1.2 植株和根瘤菌菌種

橡膠幼苗選用長勢均勻的2～3蓬葉的熱研7-33-97組培苗，來自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所種質(zhì)資源苗圃；柱花草為熱研二號，由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所熱帶牧草研究室提供；花生種子為海南本地小種花生，來自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究室林下經(jīng)濟(jì)課題組。

柱花草根瘤菌編號為RJS9-2，由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所熱帶牧草研究室提供；花生根瘤菌編號2HY4，來自華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計施氮水平、種植方式和接種方式3種因素。施氮水平設(shè)置氮1（施用尿素2 g/盆）和氮2（不施用尿素）；種植方式包括橡膠-花生間作、橡膠-柱花草間作、單作橡膠；接種方式設(shè)接種根瘤菌（2HY4花生根瘤菌和RSJ9柱花草根瘤菌）和不接根瘤菌。試驗設(shè)2個氮水平、3個種植模式和2個接種方式，共10個處理，每個處理重復(fù)6次。

采用盆栽試驗，每桶裝土壤15 kg，分別按照氮1和氮2水平進(jìn)行處理，其他磷鉀和微量肥根據(jù)橡膠樹生長情況統(tǒng)一施用。每桶移植橡膠組培苗1株，3周后，篩選出生長良好的橡膠苗用于試驗。將柱花草種子去種皮，經(jīng)80℃加熱2 min，并置于黑暗條件下萌發(fā)2～3 d；移植柱花草幼苗到桶里，每桶移植5株（柱花草植株較小，故移植5株）?；ㄉN子先用75%酒精進(jìn)行滅菌，將種子種到石英砂中；待花生萌芽4 d左右，用于接種和移植，每桶移植1株。即橡膠-柱花草間作系統(tǒng)共有1株橡膠和5株柱花草，橡膠-花生間作系統(tǒng)共有1株橡膠和1株花生，分別種植在桶的兩側(cè)；橡膠單作系統(tǒng)則只種植1株橡膠苗。

于間作系統(tǒng)生長一周后進(jìn)行柱花草的根瘤菌接種處理，每桶每株柱花草加5 mL柱花草根瘤菌菌液；不接種處理為加滅菌二級水5 mL。花生需在移植前進(jìn)行接種處理，將20株花生根部浸泡在100 mL的根瘤菌菌液0.5 h，然后移植；不接種處理為采用滅菌二級水替代菌液，步驟與接種處理一致。

1.2.2 指標(biāo)測定

培養(yǎng)4個月后收樣，測定植株干重、氮含量。將植株用去離子水洗凈后，于105℃烘箱中殺青0.5 h，后以70℃烘48 h，稱重，粉碎過1 mm篩；采用H2SO4-H2O2消煮法、連續(xù)流動分析儀測定［21］植株全氮含量。培養(yǎng)后采集土壤樣品，經(jīng)風(fēng)干混勻磨碎后過2 mm篩，使用半自動凱氏定氮儀測定土壤堿解氮［23］。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Micr osof t Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用（DPS）9.0軟件中的Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠-豆科間作的系統(tǒng)植株干重變化

由圖1可知，橡膠-花生間作對植株干重影響不明顯，但橡膠-柱花草間作顯著增加了植株干重。在氮1和氮2水平下，不接根瘤菌的橡膠-柱花草植株干重分別比單作橡膠增加了54%和80%；接種根瘤菌后，橡膠-柱花草植株干重分別比橡膠單作增加了62%和58%。此外，相對氮2水平，氮1水平處理顯著提高了橡膠-柱花草和橡膠-花生的植株干重，特別是接種根瘤菌后，橡膠-柱花草植株干重顯著高于氮2水平處理。然而，與不接根瘤菌相比，接種根瘤菌對橡膠-花生、橡膠-柱花草的植株干重影響不明顯。結(jié)果表明，橡膠-柱花草間作和橡膠-花生間作對系統(tǒng)植株干重有促進(jìn)作用，且橡膠-柱花草間作比橡膠-花生間作對系統(tǒng)植株干重的促進(jìn)作用更大。

圖1 不同栽培方式對植株干重的影響

2.2 橡膠-豆科間作的系統(tǒng)植株氮含量變化

由圖2可知，在氮1水平下，不同橡膠-豆科間作對系統(tǒng)植株氮含量影響不顯著。在氮2水平下，橡膠-柱花草間作的植株氮含量比單作橡膠顯著增加，不接種和接種根瘤菌處理分別提高了31%和37%；橡膠-花生間作植株氮含量有增加趨勢但變化不明顯，不接種和接種根瘤處理分別增加了20%和19%。此外，與氮2相比，氮1水平處理顯著增加了橡膠-柱花草、橡膠-花生和橡膠的氮含量。不接根瘤菌的橡膠-柱花草植株氮含量在氮1水平下比氮2水平提高27%，接種根瘤菌后提高25%；橡膠-花生間作在氮1水平下比氮2水平的不接種和接種根瘤菌處理顯著提高61%和44%；橡膠單作在氮1水平下比氮2水平顯著提高了79%。然而，接種與不接根瘤菌處理相比對植株氮含量無明顯影響，僅有在氮1水平下接種根瘤菌的橡膠-花生間作比不接種顯著降低了13%。結(jié)果表明，橡膠-花生間作和橡膠-柱花草間作能提高系統(tǒng)植株氮含量，且受氮水平調(diào)控。

圖2 不同栽培方式對系統(tǒng)植株氮含量的影響

由圖3可知，橡膠-花生間作對系統(tǒng)植株氮吸收量促進(jìn)作用不明顯，但橡膠-柱花草間作顯著促進(jìn)系統(tǒng)植株氮吸收量增加。在氮1和氮2水平下，不接根瘤菌的橡膠-柱花草氮吸收量比橡膠單作分別增加了60%和229%；接種根瘤菌后，橡膠-柱花草氮吸收量比橡膠單作分別增加75%和189%，這與植株干重結(jié)果相一致。此外，相較于氮2水平，在氮1水平下顯著提高了橡膠-花生、橡膠-柱花草和橡膠的氮吸收量。然而，與不接種根瘤菌相比，接種根瘤菌對橡膠-花生、橡膠-柱花草的氮吸收量影響不明顯。結(jié)果表明橡膠-花生間作、橡膠-柱花草間作能提高系統(tǒng)植株氮吸收效率，且植株氮吸收量受氮水平調(diào)控。

2.3 橡膠-豆科間作的土壤堿解氮變化

圖3 不同栽培方式對系統(tǒng)植株氮吸收量的影響

由圖4可知，在氮2水平下，橡膠-柱花草間作的土壤堿解氮含量比橡膠單作顯著增加；其中，不接根瘤菌的橡膠-柱花草間作比橡膠單作提高32%，接種根瘤菌橡膠-柱花草間作顯著提高80%。在氮1水平下的結(jié)果則相反，不接和接種根瘤菌處理土壤堿解氮含量分別較橡膠單作降低了55%和38%。橡膠-花生間作的土壤堿解氮含量在氮1水平中變化不明顯；在氮2水平下，不接和接種處理比橡膠單作分別提高55%和32%，其中不接根瘤菌處理與橡膠單作相比差異顯著。

圖4 不同栽培方式對土壤堿解氮含量的影響

此外，相對氮2水平，氮1水平使單作橡膠土壤堿解氮顯著提高68%；橡膠-柱花草間作的堿解氮含量在氮1水平均比氮2水平降低，其中接種處理間差異顯著。而接種與不接種根瘤菌處理間變化不明顯，除了在氮2水平下橡膠-柱花草間作接種比不接種根瘤菌顯著增加了36%。結(jié)果表明，橡膠-花生間作、橡膠-柱花草間作對土壤堿解氮含量的提高有一定的促進(jìn)作用。

3 討論與結(jié)論

3.1 橡膠-豆科間作對系統(tǒng)植株生長的影響

本研究結(jié)果顯示，橡膠-花生間作、橡膠-柱花草間作均對系統(tǒng)植株的生長具有促進(jìn)作用，且橡膠-柱花草間作系統(tǒng)比橡膠-花生間作系統(tǒng)更能促進(jìn)植株生長，這與黃堅雄等［24］研究橡膠-作物農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的結(jié)果相一致［24］，即花生與豆薯相比，其間作優(yōu)勢小?；ㄉ鳛槎箍谱魑镫m可促進(jìn)膠園間作系統(tǒng)中植株的生長，但相較其他豆科作物，其間作優(yōu)勢較弱。

眾所周知，豆科作物可與根瘤菌共生固氮，將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為植物可吸收利用的氮素，且豆科-非豆科間作系統(tǒng)接種根瘤菌后能顯著促進(jìn)植株生長［25-26］。本研究發(fā)現(xiàn)，橡膠-柱花草間作系統(tǒng)接種根瘤菌對植株生長有一定的促進(jìn)作用，但效果不顯著，其原因可能是種植的時間不夠長，導(dǎo)致接種的根瘤菌共生固氮效果尚未對植株生長起到作用，或共生固氮效果不明顯；同時，接種效果還受生長條件、土壤環(huán)境以及菌種等因素影響，從而導(dǎo)致根瘤菌接種效果并不明顯［27-30］。根瘤生長條件主要受氮、磷等元素影響，施氮不足將影響根瘤的生長發(fā)育和固氮能力；此外，土壤中含有大量的土著根瘤菌，相較于外接根瘤菌更容易與豆科共生，形成無效根瘤，在消耗豆科作物碳水化合物和礦質(zhì)養(yǎng)分的同時，還抑制外接根瘤菌的生長；根瘤菌種通常分為高效、低效菌種，而高效根瘤菌種需具有宿主匹配性高、固氮能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特性［31］。以上原因都可能導(dǎo)致本研究中豆科作物接種根瘤菌后對植株生長的促進(jìn)作用不明顯，其具體原因有待進(jìn)一步研究。但是，從植物氮含量、氮吸收量及土壤堿解氮含量可知，橡膠間作豆科并接種根瘤菌對間作系統(tǒng)具有促進(jìn)作用，對提高膠園間作系統(tǒng)的植物氮素利用率和改善土壤氮肥地力具有重要意義。

3.2 橡膠-豆科間作對系統(tǒng)植株氮養(yǎng)分的影響

本研究結(jié)果顯示，相比橡膠單作，橡膠-柱花草間作能顯著增加系統(tǒng)植株氮含量和氮吸收量，橡膠-花生間作則有增加的趨勢，這與前人的研究結(jié)果相一致，即在豆科與非豆科間作系統(tǒng)中植株氮吸收量比單作顯著增高［32-37］。在橡膠園中間作花生和柱花草等豆科作物，也能夠促進(jìn)間作系統(tǒng)中植株氮含量和氮吸收量的增加。此外，不同氮素水平對比的結(jié)果顯示，間作系統(tǒng)的植株氮含量、氮吸收量在氮1水平比氮2水平顯著增高，說明在間作系統(tǒng)中，植株氮含量、氮吸收量受氮素水平的調(diào)控。在氮1水平下，與橡膠單作相比，接種根瘤菌后橡膠-花生間作、橡膠-柱花草間作氮吸收量提高范圍分別在11%～20%、60%～80%；在氮2水平下，則分別提高25%～47%、189%～229%。由此可見，氮2水平下，橡膠-花生間作、橡膠-柱花草間作更能提高氮吸收量，原因可能有兩點(diǎn)：第一，間作花生、柱花草在不施氮肥時，短期內(nèi)能加快土壤有機(jī)質(zhì)礦化，增加土壤易吸收的氮素含量，提高土壤供氮能力，從而促進(jìn)植株氮素吸收量的增加；第二，在豆科/非豆科間作體系中，非豆科作物競爭吸收豆科作物根區(qū)的土壤氮和肥料氮，刺激豆科作物固氮活性，為植株生長提供更多氮素，從而提高植物氮素的利用率［38］。雖然接種根瘤菌后橡膠-花生間作和橡膠-柱花草間作能促進(jìn)植株氮含量、氮吸收量增加，但可能由于種植時間較短，所以對植株生長的促進(jìn)作用不是很明顯。從植物干重、氮含量和氮吸收量可知，植株干重與氮含量和氮吸收量呈正相關(guān)。表明橡膠-豆科間作促進(jìn)系統(tǒng)植株生長的機(jī)理，可能是通過提高植物氮素的利用率來實現(xiàn)。

3.3 橡膠-豆科間作對土壤堿解氮的影響

土壤堿解氮含量反映土壤近期內(nèi)氮素的供應(yīng)情況，同時還與植株生長密切相關(guān)。本研究結(jié)果顯示，橡膠-花生間作系統(tǒng)和橡膠-柱花草間作系統(tǒng)對土壤堿解氮含量的提高有一定的促進(jìn)作用。在氮2水平下，橡膠-柱花草間作和橡膠-花生間作比單作橡膠均提高了土壤堿解氮含量，這與賀軍軍等［16］的研究結(jié)果相一致，即膠園間作豆科可提高土壤堿解氮含量。但橡膠-柱花草間作在氮1水平下比單作橡膠顯著降低。結(jié)合植株干重和氮吸收量可知，橡膠-柱花草間作系統(tǒng)的植株生長帶走了大量的氮養(yǎng)分，導(dǎo)致土壤堿解氮含量顯著減低。此外，從不同氮水平對土壤堿解氮的影響可知，相對氮2水平，氮1水平提高了橡膠-花生間作系統(tǒng)和橡膠單作的土壤堿解氮含量，橡膠單作間差異達(dá)顯著水平，表明施氮量多可提高橡膠-花生間作和單作橡膠的土壤堿解氮含量。但在橡膠-柱花草間作系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)不施氮比施氮的堿解氮含量高，這可能與系統(tǒng)植株生長、間作豆科共生固氮有關(guān)，在氮1水平下橡膠-柱花草的植株干重和氮吸收效率均顯著增加，說明在氮1水平中植株生長帶走土壤中大量的氮素；其次，不施氮促進(jìn)豆科根瘤菌共生固氮，為植株生長提供氮素，從而減少土壤氮素的消耗［39］。本研究中，氮2水平的橡膠-柱花草間作接種根瘤菌顯著提高土壤堿解氮含量，說明接種根瘤菌對土壤堿解氮有促進(jìn)作用。總而言之，在本研究中，橡膠-豆科間作可改善土壤堿解氮含量；進(jìn)一步探討橡膠間作豆科接種根瘤菌對土壤氮素的促進(jìn)作用可知，其促進(jìn)作用不明顯，具體原因需進(jìn)一步研究。

綜上所述，橡膠-豆科間作能促進(jìn)系統(tǒng)植株生長，提高系統(tǒng)植株氮含量、氮吸收量及土壤堿解氮含量。同時本研究發(fā)現(xiàn)，橡膠-柱花草間作比橡膠-花生間作系統(tǒng)的間作優(yōu)勢更明顯，表明柱花草較花生更適合與橡膠間作。此外，通過探討接種根瘤菌及施氮水平對橡膠-豆科間作的影響可知，在橡膠-柱花草間作系統(tǒng)中接種根瘤菌，在一定程度上能促進(jìn)植株生長和土壤養(yǎng)分含量的增加，但對間作優(yōu)勢有多大作用尚不清楚，需進(jìn)一步研究。