玉米间作夏季绿肥对当季植物养分吸收和土壤养分有效性的影响

杜青峰，王党军，于翔宇，姚露花，和玉吉，王瑞，马生兰，郭彦军*

(1.西南大学农学与生物科技学院，重庆400716；2.青海省门源县种子经营管理站，青海 门源 810399)



玉米间作夏季绿肥对当季植物养分吸收和土壤养分有效性的影响

杜青峰1，王党军1，于翔宇1，姚露花1，和玉吉1，王瑞1，马生兰2，郭彦军1*

(1.西南大学农学与生物科技学院，重庆400716；2.青海省门源县种子经营管理站，青海 门源 810399)

摘要：本试验在重庆冬油菜种植区，于油菜收获后，选择竹豆、田菁和柽麻3种夏季绿肥作物，通过与夏玉米间作，分析了间作模式下土壤当季速效养分、植物养分吸收性能及地上部生物产量变化情况。结果表明，间作柽麻后玉米地上部产量显著提高35%，间作田菁后玉米产量显著下降21%，而间作竹豆无显著影响。单作绿肥除田菁地上部全氮含量显著低于间作田菁外，其余两个品种的全氮、全磷含量与间作绿肥无显著差异；而单作绿肥全钾含量均显著高于间作绿肥。与单作玉米比较，间作竹豆和田菁时玉米全氮含量、全磷含量显著增加，而间作柽麻时无显著变化；玉米全钾含量整体呈增加趋势。绿肥周围土壤的硝态氮含量显著高于间作玉米周围土壤。间作玉米周围土壤硝态氮含量、速效磷含量和速效钾含量呈现出整体高于单作玉米土壤的趋势，且相关分析结果表明土壤硝态氮含量与植物全氮含量呈显著正相关关系。综合分析认为，柽麻植株有较高的全氮含量和生物产量，且与柽麻间作的玉米地上部产量也最高，适宜作为玉米夏季间作的豆科绿肥。

关键词：豆科绿肥；玉米；土壤养分；间作；养分吸收

我国是一个人多地少的国家，人地矛盾日益突出已成为影响中国粮食安全的重大问题[1]。如何在有限的耕地面积上提高粮食产量已引起广泛关注。其中提高复种指数被认为是区域粮食增产最简单直接并且行之有效的方式之一，对保障中国粮食安全发挥着重要作用[2]。对1998年至2012年中国耕地复种指数的分析发现，在全国尺度上，中国耕地复种指数总体上呈逐年增长的趋势[3]。耕地复种指数在提高粮食产量的同时也加重了土壤的负荷，不合理的复种模式将影响土壤质量。对复种制农田生态系统的养分循环研究表明，复种制钙(Ca)、镁(Mg)养分有盈余，铁(Fe)、锰(Mn)、氮(N)、磷(P)、钾(K)养分则表现出亏缺，N 素养分有较大的浪费[4]。在四川稻田休闲期复种蔬菜后，稻作期土壤N素矿化速率下降，水稻(Oryzasativa)产量降低[5]。在云南滇池地区，连续集约种植蔬菜，使得58%的N素、72%的P素和20%的K素未被作物吸收而残留在土壤中，农业污染问题严重[6]。

研究表明，作物休闲期种植绿肥有利于改善土壤质量，提高后茬作物产量[7-8]。如在南方红壤旱作地区，绿肥种植和绿肥翻压还田对土壤具有明显养地效果[9]。种植绿肥后，后茬玉米(Zeamays)产量及氮素利用效率均有所提高[10]，并可降低后茬小麦(Triticumaestivum)氮肥施用量[11]。但是，目前绿肥推广主要以冬季绿肥为主，在南方冬小麦、冬油菜(Brassicacampestris)种植区，因夏季良好的水热条件，后茬多种植蔬菜、玉米、甘薯(Ipomoeabatatas)等作物，绿肥种植难以推广。豆科与禾本科作物间作在提高作物群体产量上的研究报道较多，其中养分吸收量的增加和养分利用效率的提高是其产量优势的生物学基础[12-13]。在甘肃河西走廊的一项研究发现，玉米间作草木樨(Melilotussuaveolens)、豌豆(Pisumsativum)并压青处理具有较好的增产、培肥效果[14]。在巴西南里奥格兰德的研究表明，玉米间作夏季填闲植物矮木豆(Cajanuscajan)后，土壤物理结构得到改善[15]。这些研究主要侧重种植绿肥的后效[16]，而就绿肥对间作作物当季生长及养分吸收性能影响方面的报道较少。因此，本研究在重庆冬油菜种植区，选择竹豆(Phaseoluscalcaltus)、田菁(Sesbaniacannabina)和柽麻(Crotalariajunceal)3种夏季绿肥作物，通过与夏玉米间作，研究间作模式下土壤当季速效养分变化情况及植物养分吸收性能，旨在探讨二者间作时能否促进作物生产的同时又能改善土壤质量，并为高复种指数下的农业生产提供土壤改良的新途径。

1材料与方法

1.1试验地概况

本试验在重庆市合川区西南大学试验农场进行。该区属亚热带季风气候区，年平均气温18.4℃,年日照时数1342.6 h，年降雨量1552.7 mm，平均海拔210 m。土壤类型为黄壤，0～20 cm土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为20.49 g/kg,1.03 g/kg,0.79 g/kg和15.55 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为81.52 mg/kg,23.99 mg/kg和47.29 mg/kg，土壤pH为7.45。

1.2供试作物

玉米品种为京科糯玉米2000；绿肥品种包括：柽麻、竹豆和田菁。

1.3实验设计

在连续种植冬油菜10年的地块，于2015年4月收获油菜后，除去油菜秸秆及根系，并喷施草甘膦除杂草。20 d后，进行土壤翻耕，并按375 kg/hm2撒施复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)。试验设单作和间作2种种植模式，单作分别种植玉米、柽麻、竹豆和田菁，而间作模式分别将柽麻、竹豆和田菁与玉米间作。小区面积为20 m2(5 m×4 m)，每个处理3个重复，采用随机区组设计。另设空白对照不进行种植。

柽麻单作播量为45 kg/hm2，间作播量为22.5 kg/hm2；竹豆单作播量为30 kg/hm2，间作播量为15 kg/hm2；田菁单作播量为60 kg/hm2，间作播量为30 kg/hm2。玉米单作、间作播量相同，为42.9 kg/hm2，行距80 cm，株距30 cm。各绿肥采用穴播方式，穴距30 cm，单作时行距40 cm，间作时种植于玉米行间，与玉米行距离40 cm。

出苗后分别于2015年5月和6月人工除杂2次，不采取灌水、施肥、中耕等田间管理措施。8月中旬于玉米成熟期统一采样分析。

按对角线法于两个穴播植株间采集0～20 cm土壤样品，每种植物每小区共采集5个点后混合，即每个单作小区1个混合土壤，每个间作小区有1个绿肥根系土壤混合样和1个玉米根系土壤混合样。植物地上部采样也采用对角线法，分别在5个点各选取3窝，齐地面刈割、称重，带回实验室于65℃烘48 h至恒重。考虑到边际效应的存在，距离小区边缘50 cm范围内不采样。

1.4测定指标

土壤养分指标测定均采用常规土壤化学分析法[17]。土壤硝态氮和铵态氮含量分析采用鲜土，前者用酚二磺酸比色法，后者采用KCl浸提—靛酚蓝比色法；土壤碱解氮含量采用碱解扩散吸收法，土壤速效磷含量经NaHCO3浸提后采用钼梯抗比色法；土壤速效钾含量采用火焰光度法。

植物样品经H2SO4-H2O2消化后[17]，采用半微量凯氏定氮法测定样品中全氮含量；采用钒钼黄比色法测定全磷含量；采用火焰光度法测定全钾含量。

1.5数据分析

采用SPSS 17.0统计软件，按单因素方差分析方法分析单作与间作植物地上部产量及养分含量差异。采用双因素方差分析方法，分析绿肥品种与种植模式对土壤速效养分含量的影响。因交互作用的存在，按单因素分析不同处理土壤速效养分含量的差异。显著水平为P<0.05(最小显著极差法)。

2结果与分析

2.1种植模式对植物生物产量的影响

3种豆科绿肥生长旺盛，田间无病虫害发生。收获时田菁处于始花期，而竹豆和柽麻处于营养生长阶段。单作绿肥产量均显著高于间作绿肥产量(图1A)，其中柽麻间作产量只有单作的42%，而竹豆和田菁分别占单作的65%和63%。品种之间比较，柽麻和竹豆单作产量超过8450 kg/hm2，显著高于田菁(2770 kg/hm2)。

不同绿肥对间作玉米地上部产量的影响不尽相同，其中间作柽麻后玉米地上部产量显著提高35%，间作田菁后玉米产量显著下降21%，而间作竹豆则无显著影响(图1B)。

2.2种植模式对植物养分含量的影响

对收获的绿肥及玉米进行了地上部植株养分含量分析(图2和图3)。单作绿肥除田菁地上部全氮含量显著低于间作田菁外，其余两个品种的全氮、全磷含量与间作绿肥无显著差异；而单作绿肥全钾含量均显著高于间作绿肥。品种间单作养分含量比较，柽麻全氮含量达到33.63 g/kg，显著高于竹豆和田菁，其中田菁只有5.81 g/kg；田菁全磷含量达到10.42 g/kg，是柽麻和竹豆的3倍左右；竹豆全钾含量达到27.03 g/kg，是柽麻和田菁的2倍左右。

玉米间作绿肥显著影响其地上部植株养分含量(图3)。与单作玉米比较，全氮含量间作竹豆玉米显著提高49.5%，间作田菁玉米显著提高26.6%，而间作柽麻玉米无显著变化。间作玉米全磷含量也表现出间作竹豆和田菁玉米显著高于单作玉米，而间作柽麻玉米无显著差异的现象。间作绿肥后玉米全钾含量整体呈增加趋势，其中间作柽麻和竹豆玉米全钾含量显著高于单作玉米。

图1　种植模式对绿肥(A)和玉米(B)地上部干重的影响Fig.1　The effects of planting pattern on aboveground yield of green manure (A) and corn (B)　数据柱上不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著；下同。Different small letters above the data bar represent significant differences at P<0.05 level. The same below.

图2　种植模式对绿肥地上部养分含量的影响Fig.2　The effects of planting pattern on contents of plant nutrients in green manures

图3　间作绿肥对玉米植株养分含量的影响Fig.3　The effects of intercropping green manure on the contents of plant nutrients in corn 　A:间作柽麻With C. juncea;B:间作竹豆With P. calcaltus;C:间作田菁With S. cannabina;D:单作 Sole cropping.

2.3种植模式对土壤速效养分含量的影响

方差分析结果表明，土壤硝态氮含量和速效钾含量受到绿肥品种及种植模式(单作/间作)的显著影响，而土壤铵态氮、碱解氮和速效磷含量只受种植模式的显著影响(表1)。其中土壤硝态氮、铵态氮和碱解氮含量受到品种和种植模式显著交互作用。

种植绿肥后，不论是单作还是间作，绿肥根系周围土壤的硝态氮含量显著高于间作玉米根系周围土壤(图4)。单作和间作绿肥根系周围土壤硝态氮含量无显著差异。间作玉米根系周围土壤硝态氮含量整体高于单作玉米土壤，但只有间作竹豆时差异显著。无作物种植的对照土壤其硝态氮含量显著高于间作或单作玉米根系周围土壤及田菁根系周围土壤，而与单作或间作柽麻和竹豆根系土壤无显著差异。土壤铵态氮含量除间作竹豆根系土壤显著高于其他绿肥处理外，其他处理间无显著差异；无作物种植的对照土壤铵态氮含量低于其他处理，但只与间作竹豆的竹豆根系土壤和玉米根系土壤存在显著差异。除间作竹豆根系土壤碱解氮含量显著低于单作竹豆和间作玉米根系土壤外，其余绿肥间作对土壤碱解氮无显著影响。单作玉米土壤其碱解氮含量显著低于其他所有处理。

表1　绿肥与玉米间作影响土壤速效养分含量的方差分析

AN: 土壤碱解氮Available nitrogen; AP: 土壤速效磷Available phosphorus; AK: 土壤速效钾Available potassium; ns: 不显著Not significant. 下同。The same below.

土壤速效磷含量和速效钾含量整体上呈现单作绿肥土壤最低、间作玉米土壤最高的趋势。间作玉米土壤的速效磷含量和速效钾含量均显著高于单作玉米土壤和对照土壤(间作田菁土壤速效磷差异不显著)。

图4　种植模式对土壤养分含量的影响

A,D,G:柽麻、竹豆、田菁单作土壤Sole cropping soils ofC.junceal,P.calcaltusandS.cannabina；B,E,H: 柽麻、竹豆、田菁间作土壤Intercropping soils ofC.junceal,P.calcaltusandS.cannabina；C,F,I: 与柽麻、竹豆、田菁间作玉米土壤Soils of corn intercropped withC.junceal,P.calcaltusandS.cannabina；J：玉米单作土壤Sole cropping soil of corn； K：空白对照土壤Soils from plots with no plants.

2.4植物养分含量与土壤速效养分含量之间的相关性

相关分析结果表明，土壤硝态氮含量与植物全氮含量(P<0.01)和全钾含量(P<0.05)呈显著正相关关系，而与全磷含量呈显著负相关关系(P<0.01)(表2)。土壤速效磷含量与植物全氮含量(P<0.01)和全钾含量(P>0.05)呈负相关关系，而土壤速效钾含量与植物全钾含量之间呈显著负相关关系(P<0.05)。

3讨论

豆科与禾本科作物间作是农业生产中使用较为广泛的种植模式之一[18-19]。当两种作物种植在一起时,一般认为豆科作物可以通过根瘤菌的生物固氮作用向禾本科作物供给氮素，促进其生长[20]。但是二者的促进作用和种间竞争作用总是相伴存在的[21]。本试验中，3种夏季绿肥单作播量及播种面积是间作的2倍，而它们与玉米间作时，柽麻产量只有单作的42%，而竹豆和田菁间作产量占单作的60%以上。说明间作后玉米对豆科绿肥本身的生长存在促进或抑制作用，且这种作用可能依赖于品种本身的生物学特性。玉米属于高秆植物，间作时对其他植物存在遮荫作用，可能影响了柽麻的光合作用[22]。而竹豆属于蔓生植物，田间生长茂密，间作时竹豆植株间的竞争较单作时小，可能促进了其生长。

表2　土壤速效养分与植物养分含量之间的相关性分析

PN:植物全氮Plant nitrogen; PP:植物全磷Plant phosphorus; PK:植物全钾Plant potassium;*,P<0.05; **,P<0.01.

植株养分含量是评价绿肥推广价值的重要指标[23-24]。本试验中，3种豆科绿肥具有完全不同的植株养分构成，如柽麻全氮含量最高，田菁全磷含量最高，而竹豆全钾含量最高。今后在改良土壤时，可根据当地土壤养分的基本情况，选择适宜的绿肥品种[25]。与玉米间作后，除田菁全氮含量显著下降外，其余绿肥全氮、全磷含量较单作无显著变化，而全钾含量均显著下降。这说明当玉米与这些豆科绿肥共同生长时，豆科绿肥对钾素吸收的竞争能力可能小于玉米。在一项玉米间作大豆(Glycinemax)的研究中，玉米相对大豆有较高的氮、磷、钾营养竞争能力[26]。棉花(Gossypiumhirsutum)和鹰嘴豆(Cicerarietinum)间作时，鹰嘴豆收获前棉花对养分的竞争能力则强于鹰嘴豆，表现为棉花生长处于优势地位，鹰嘴豆处于不利地位[27]。综合分析3种绿肥作物地上部养分积累量(图2和3产量与养分含量的乘积)，间作条件下柽麻和竹豆氮、磷、钾总积累量分别达到296 和268 kg/hm2,显著高于田菁的70 kg/hm2。从改良土壤的角度分析，柽麻和竹豆好于田菁。

本试验中，与单作玉米相比，间作玉米的全氮、全磷和全钾含量整体呈增加趋势。这说明与豆科绿肥间作促进了玉米的养分吸收性能。这与多数禾本科和豆科间作试验所获得的研究结果一致[28-29]。间作玉米养分含量的增加得益于间作时土壤有效养分含量的增加[30-31]。不论是单作还是间作，绿肥根系周围土壤的硝态氮含量显著高于间作玉米根系周围土壤。一方面说明豆科绿肥的生物固氮作用提升了土壤氮素营养水平；另一方面，间作时玉米根系可从绿肥根系周围获得更多的氮素[32]。本试验中，间作玉米根系周围土壤硝态氮含量也表现出整体高于单作玉米土壤的趋势；且相关分析结果也表明土壤硝态氮含量与植物全氮含量呈显著正相关关系。此外，土壤速效磷含量和速效钾含量也呈现出间作玉米土壤高于单作玉米土壤的趋势。这一结果与间作玉米较高的植株全氮、全磷、全钾含量是一致的。土壤速效钾含量与植物全钾含量之间呈负相关关系，这可能与本试验相对较低的土壤速效钾含量有关。本试验区长期种植冬油菜，基础土壤速效钾含量只有47.29 mg/kg，处于较低水平[33]。尽管间作后植物根系的活化作用提高了土壤速效钾含量[34]，间作植物从土壤带走的钾素也显著高于其他处理，植物仍可能处于一定的钾素胁迫状态。

尽管间作时玉米根系周围土壤速效养分含量和玉米植株养分含量较单作玉米有增加趋势，但玉米地上部生物产量对间作绿肥的响应不尽相同。如柽麻有促进作用，田菁有抑制作用，而竹豆无影响。这说明豆科绿肥与玉米间作时，土壤养分供应水平的增加并不一定促进地上部产量的增加。间作作物地上部的竞争作用可能也是影响作物生长的重要因素之一[35]。有研究表明玉米、花生(Arachishypogaea)间作可提高玉米光补偿点、光饱和点、光饱和时的最大净光合速率，表现出明显的间作产量优势[36]。当玉米与绿肥作物间作时，因相互之间的促进或抑制作用与品种有关[37]，使得单位土地面积所收获的总生物量(间作绿肥+间作玉米)也存在差异。如玉米与竹豆或田菁间作时，总生物量显著高于相应单作绿肥或玉米产量，而间作柽麻时总产量与单作绿肥接近。这与绿肥对玉米地上部产量的作用是不一致的。今后在生产中，如以收获玉米为主要目的，可考虑与柽麻间作；如以收获营养体为主，可考虑田菁或竹豆。但因田菁总产量较低，没有实际推广价值。

间作时地上部植株从土壤带走的氮、磷、钾总养分显著高于单作玉米土壤，如与柽麻和竹豆间作时高达441和425 kg/hm2，而单作玉米土壤只有79 kg/hm2。但从土壤速效钾、速效磷及碱解氮含量分析，各绿肥间作土壤与单作玉米土壤没有大的差异。在氮素供应方面，这可能归功于豆科绿肥的生物固氮作用[38]；在磷和钾素方面，豆科绿肥的种植可能通过根系分泌物的活化作用，提高了土壤磷素与钾素的转化[39-40]。就3种豆科绿肥而言，田菁植株全氮含量和产量最低，且对间作玉米存在抑制作用，不适宜作为玉米的间作绿肥；竹豆尽管生长茂盛，对间作玉米产量也无抑制影响，但其藤蔓缠绕玉米植株，不利于玉米采收，不适宜与玉米间作；柽麻植株有较高的全氮含量和生物产量，且与柽麻间作的玉米地上部产量也最高，适宜作为玉米夏季间作的豆科绿肥。

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The effects of corn and green manure intercropping on soil nutrient availability and plant nutrient uptake

DU Qing-Feng1, WANG Dang-Jun1, YU Xiang-Yu1, YAO Lu-Hua1, HE Yu-Ji1, WANG Rui1, MA Sheng-Lan2, GUO Yan-Jun1*

1.CollegeofAgronomyandBiotechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China; 2.QinghaiMenyuanSeedManagementStation,Menyuan810399,China

Abstract:Intensive cropping and a high multiple cropping index have been shown to be important for food security in China. However, inappropriate cropping systems decreases soil quality and causes environmental problems. In this study, three legume green manures, Crotalaria junceal, Phaseolus calcaltus and Sesbania cannabina were intercropped with summer corn in a winter canola production area in Chongqing, southwestern China. Soil nutrient availability, plant nutrient content, and aboveground biomass yields were assessed. Corn yield increased 35% when intercropped with C. junceal, reduced by 21% when intercropped with S. cannabina, and was not affected by P. calcaltus. No differences in plant nitrogen and phosphorus were detected apart from S. cannabina which had higher nitrogen when intercropped. Potassium contents were higher under monoculture compared with intercropping for all three intercrop species. Compared with monoculture corn, nitrogen, phosphorus and potassium increased in corn intercropped with green manures. Soil NO3 nitrogen, available phosphorus and available potassium under intercropped corn were all higher than under monoculture corn. Correlation analysis indicated that nitrogen content was positively correlated with soil NO3 levels. Among the three legume green crops, S. cannabina had the lowest plant nitrogen content and aboveground yield which negatively influenced corn yield; P. calcaltus had higher aboveground yield and had no effect on corn yield, however its long vines hindered the corn harvest. However, C. junceal had high nitrogen content and high yield, and increased corn yield suggesting that C. junceal might be a suitable legume green manure crop with summer corn.

Key words:legume green manure; corn; soil nutrients; intercropping; nutrient uptake

*通信作者

Corresponding author. E-mail: qhgyj@126.com

作者简介：杜青峰(1989-),男,山东平原人,在读硕士。E-mail: 1173355689@qq.com

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(2014CB138806) 和中央高校基本科研业务费专项(XDJK2014B002)资助。

收稿日期：2015-10-21；改回日期：2015-11-30

DOI：10.11686/cyxb2015483

http://cyxb.lzu.edu.cn

杜青峰，王党军，于翔宇，姚露花，和玉吉，王瑞，马生兰，郭彦军. 玉米间作夏季绿肥对当季植物养分吸收和土壤养分有效性的影响. 草业学报, 2016, 25(3): 225-233.

DU Qing-Feng, WANG Dang-Jun, YU Xiang-Yu, YAO Lu-Hua, HE Yu-Ji, WANG Rui, MA Sheng-Lan, GUO Yan-Jun. The effects of corn and green manure intercropping on soil nutrient availability and plant nutrient uptake. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(3): 225-233.