禾豆间距对间作豌豆“氮阻遏”减缓效应的影响*

2016-10-12 07:43乔寅英王建康
中国生态农业学报(中英文) 2016年9期
关键词:单作间作豌豆

赵 财 柴 强 乔寅英 王建康



禾豆间距对间作豌豆“氮阻遏”减缓效应的影响*

赵 财 柴 强**乔寅英 王建康

(甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院 兰州 730070)

针对禾豆间作协同利用化学氮肥和豆科固氮潜力调控依据薄弱问题, 以河西走廊区主导间作模式玉米/豌豆间作系统为研究对象, 研究了禾豆间作间距为15 cm、30 cm和45 cm空间结构对间作豌豆氮阻遏减缓效应的影响, 以期为禾豆间作种植模式优化空间结构、减缓氮阻遏、提高氮素利用效率提供理论依据。2013和2014两年研究结果表明, 与单作相比, 间作豌豆有效根瘤个数和根瘤重均有显著提高, 根瘤数提高幅度达0~500%, 其中间距为30 cm时, 豌豆的根瘤数和瘤重达最大。以根瘤数和根瘤重计算的氮阻遏消减效应(Ca)均为正值, 施氮条件下, 玉米与豌豆间距为30 cm处理的氮阻遏消减效应显著高于15 cm和45 cm间距处理, 2013年和2014年以根瘤数计算的Ca值分别达78.70%和161.21%, 说明间作相对于单作都具有减缓氮阻遏的作用。而在此期豌豆的营养竞争比率(CRpm)大于1, 豌豆相对于玉米具有较强的种间竞争能力。禾豆间作可显著提高氮素利用效率, 以间距为30 cm的间作处理最高, 2013年和2014年两年平均较间距为15 cm和45 cm空间结构的间作模式分别提高21.90%和21.88%。说明优化空间结构可有效增加间作豌豆的结瘤数和瘤重, 增强氮阻遏减缓效应, 调控禾豆间作系统氮素吸收利用, 提高氮素利用效率。

玉米/豌豆间作 空间结构 间作作物间距 氮阻遏 根瘤 氮素利用效率 营养竞争比率

禾本科/豆科作物(禾豆)间作具有保护土壤[1]、控制杂草和病害[2-3]、增加产量[4]等诸多优点, 并在热带和雨养农业地区广泛应用[5-6]。近年来, 随种植业对化肥依赖性的增大, 以及大量施用化肥带来的环境污染和农业可持续性下降问题的加剧, 禾豆间作提高养分利用效率、减少种植业对化肥的依赖性等优点得到诸多研究者的高度关注[7-8], 并被认为是未来有机农业和高效替代农业的重要模式。相关研究证明, 间作资源高效利用的前提是科学调控种间竞争[9]、充分挖掘种间互补, 而竞争、互补作用的调控因子主要包括作物品种[10]、养分[11]、水分管理制度、作物空间布局和密度[12-14]等。这些研究成果提供了高效调控间作群体的实践依据, 但深入到通过优化作物空间布局、密度和作物搭配, 进而提高“氮阻遏”消减效应的理论十分薄弱, 使得禾豆间作氮素互补高效利用的生物学潜力远未挖掘出来。

作物生长期间, 施氮将导致豆科作物结瘤数量和生物固氮量的下降, 这种现象被视为“氮阻遏”[15]。与禾本科作物间作时, 由于禾本科作物大量吸收硝酸盐使土壤矿质氮维持在低的比较适宜的水平, 通过降低土壤矿质氮来减小对豆科固氮的抑制[16], 这种作用可视为禾本科作物对豆科作物“氮阻遏”的“减缓效应”。研究表明, 禾本科作物能够刺激豆科作物的结瘤量和固氮量, 其可能的原因是禾本科作物竞争利用了豆科作物根际的硝态或者铵态氮[17]。Li等[18]在中国西北地区设计了不同供氮水平下的玉米()间作蚕豆()试验, 探讨了间作玉米对间作蚕豆“氮阻遏”的“减缓作用”, 结果发现在75 kg·hm-2、150 kg·hm-2、225 kg·hm-2和300 kg·hm-24个施氮水平下, 玉米减缓氮肥对蚕豆瘤重抑制作用的百分比Ca分别为9.7%、-10%、15.2%和10%, 减缓氮肥对蚕豆固氮量占总氮吸收量的百分比Cis(%)分别为20.3%、-0.5%、17.4%和3.9%, 这充分证明了通过间作禾本科作物缓解施氮对豆科作物结瘤和固氮抑制作用的可行性, 同时为禾豆间作群体选择合理的施氮水平提供了理论依据。因此, 在集成应用农艺调控措施的基础上, 探讨作物空间布局与“氮阻遏”消减效应的关系, 将对深化禾豆间作氮素高效利用机理、构建高效调控技术产生重要推动。

西北内陆灌区光资源丰富、土质良好、热量一熟有余两熟不足, 适宜发展间作套种, 但受水资源不足矛盾的日益加剧, 传统的小麦()间作玉米、小麦间作大豆()等模式已不适应生产实践需求。2005年以来, 玉米间作豌豆因其显著的节水、高效和推进农牧结合的潜力而迅速推广[19]。但按现有生产规范, 玉米间作豌豆按单作玉米的施肥制度进行管理, 而作物空间布局参照小麦间作玉米设计[20]。现有管理技术既忽视了禾豆间作的氮素补偿效应, 又忽略了不同作物组合时潜在的竞争效应以及竞争对“氮阻遏”消减效应的影响, 使得该模式在限量供水条件下提高氮肥利用效率、作物产量和土地利用效率等方面的优势未能充分发挥出来。

为此, 在已有单作和禾豆间作氮素高效利用理论基础之上, 重点解析玉米/豌豆()间作氮素利用效率与“氮阻遏”消减效应的关系, 探明“氮阻遏”消减效应对作物空间布局的响应, 明确通过“氮阻遏”消减效应提高禾豆间作氮素补偿利用的基本机制, 将对构建简易、高产、高效、氮肥节约型禾豆间作模式提供有力的理论和实践支撑。鉴于此, 本试验通过对玉米/豌豆间作体系进行地上空间布局的调整, 研究了15 cm、30 cm和45 cm禾豆间距下豌豆的结瘤特征, 分析了不同禾豆间距下对间作豌豆氮阻遏减缓效应的影响, 以期为禾豆间作种植模式优化空间结构、减缓“氮阻遏”、提高氮素利用效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2013年和2014年在甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地(103°5′E, 37°30′N)进行。试验区位于河西走廊东端的武威市凉州区黄羊镇, 属寒温带干旱气候区, 海拨1 750 m, 无霜期约155 d, 多年平均降雨量156 mm、年蒸发量约2 400 mm, 干燥度5.85, 年平均气温7.2 ℃, ≥0 ℃和≥10 ℃积温分别为3 513.4 ℃和2 985.4 ℃; 日照时数2 945 h, 土地资源广阔, 光照资源丰富, 日照时数长, 昼夜温差大, 适于发展间作套种等多熟种植。试验期间试验区日均温17.85 ℃, 有效降雨量216.6 mm, 高于多年平均降雨量。土壤类型为灌漠土, 2013年测定土壤0~30 cm养分含量见表1。

表1 播种前试验地土壤养分含量

1.2 试验设计

试验设单作豌豆(P)、单作玉米(M)、玉米间作豌豆(PM)3种种植模式, 玉米间作豌豆模式中设15 cm (D1)、30 cm (D2)和45 cm (D3)3种玉米和豌豆间距处理, 施氮(N1)和不施氮(N0)两种施氮处理。试验共10个处理, 各处理3次重复。单作玉米及间作玉米带的总施氮量一致, 设为当地习惯施氮量450 kg·hm-2, 按基肥︰玉米拔节期︰大喇叭口期=3︰2︰5分施; 氮肥在间作中按玉米、豌豆占土地面积比例11︰8分别施肥, 豌豆带氮肥和磷肥全部按基肥一次性施入, 玉米追肥在玉米根部膜下附近追施, 单作与间作施肥方式相同; 施用的氮肥为尿素, 磷肥为过磷酸钙。磷肥按照N︰P为2︰1比例全部作为基肥施用。具体施氮模式见表2。

表2 不同种植模式作物的施肥制度

小区面积45.6 m2, 小区长8 m、宽5.7 m, 各小区间留0.3 m宽的走道。间作每个小区种3个单元, 其中1个单元用于测产, 另外两单元用于各生育时期干物质采样。每单元玉米带3行、豌豆带4行, 带幅分别为110 cm、80 cm。单作玉米带行距40 cm, 株距30 cm, 间作玉米随处理而定(见图1), 单作玉米种植密度8.3万株×hm-2, 间作玉米5.3万株×hm-2; 豌豆带行距20 cm, 株距20 cm, 单作豌豆种植密度180万株×hm-2, 间作豌豆76万株×hm-2。各小区随机排列, 玉米带全膜覆盖, 机械覆膜; 豌豆带不覆膜, 其他处理同大田。地膜为厚度0.08 mm的农用地膜。

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