东北地区西部不同燕麦带状间作模式的产量及氮素吸收效应

钱 欣，臧华栋，葛军勇，曾昭海，任长忠，郭来春，王春龙，胡跃高

(1.中国农业大学农学院，北京 100193； 2.河北省张家口市农业科学院，河北张家口 075000；3.吉林省白城市农业科学院，吉林白城 137000)

东北地区西部不同燕麦带状间作模式的产量及氮素吸收效应

钱 欣1，臧华栋1，葛军勇2，曾昭海1，任长忠3，郭来春3，王春龙3，胡跃高1

(1.中国农业大学农学院，北京 100193； 2.河北省张家口市农业科学院，河北张家口 075000；3.吉林省白城市农业科学院，吉林白城 137000)

为给东北地区西部种植模式优化提供可行的带状间作组合，于2014-2015年，在吉林省白城市开展了连续两年的大田试验，研究了燕麦//玉米、燕麦//向日葵及燕麦//绿豆三种带状间作模式的产量及氮素吸收效应。结果表明，三种间作模式均具有显著的产量优势及较高的氮素吸收效率，土地当量比(LER)及氮素吸收当量比(NER)均大于1，燕麦//向日葵带状间作的LER及NER分别为1.23～1.38、1.29～1.44，两年内均为最高。燕麦//向日葵间作中，两种作物的边行产量均显著高于单作及内行，对间作燕麦、向日葵产量的贡献率分别为44.2%～45.1%、69.9%～70.8%，具有显著的边行优势。综合分析认为，燕麦//向日葵带状间作在东北地区西部具备一定的推广应用价值。

带状间作；土地当量比；氮素吸收当量比；边行效应

以玉米、水稻为代表的高度集约化种植模式一方面确保了东北地区在保障国家粮食安全方面的重要地位；另一方面，该模式下的高水肥投入致使东北地区尤其是东北西部生态脆弱区面临着土地荒漠化、地下水污染以及土壤酸化等一系列的环境问题[1-3]，该区耕地已有97.01%处于生态不安全和较不安全级别[4]。因此，在东北地区西部寻求一种可持续的集约化种植模式迫在眉睫。

间套作是在同一地块上同时种植两种或两种以上作物的多熟种植模式[5]，时间以及空间上的集约化使其具有明显的产量优势[6]。作物的生态位置差异使间套作系统具备较高的水分、氮肥、磷肥以及光照等资源利用效率[7-10]；另外，间套作在控制病虫草害，减少农药用量方面也有一定的积极作用[11-12]。强化生态服务的功能使间套作在可持续农业中扮演着重要角色。

间套作在我国经历了两千多年的发展历史，从低投入低产出逐步演变为高投入高产出的集约化种植模式，在现代农业中仍具有一定地位[13]。在西北干旱半干旱地区，小麦//玉米、小麦//枣树以及燕麦//马铃薯等间作模式较为普遍[14-16]。东北地区间套作模式十分少见，近年来，燕麦作为一种粮饲兼用的作物，在东北地区西部农牧交错带种植业结构中扮演着越来越重要的角色，在春小麦面积逐年萎缩的背景下，燕麦成为该地区种植制度调整的重要作物。杨学超等[17]发现，吉林西部地区燕麦//绿豆以2∶1比例进行间作，在施氮量为90 kg·hm-2时土地当量比可以达到1.49；冯晓敏等[18]发现，燕麦//花生、燕麦//大豆以2∶2比例间作，不施氮时土地当量比分别为1.41～1.63和1.31～1.52。上述结果表明，燕麦与豆科作物间套作在东北西部地区具有较高的土地利用效率。由于目前的间套作种植模式带幅设计较窄，不利于机械化作业，面临着难以大面积推广应用的问题[19]。本研究在东北地区西部的吉林省白城市开展两年大田试验，选择玉米、向日葵及绿豆三种当地主要旱地栽培作物与燕麦进行带状间作，研究三种模式下的产量及氮素吸收效应，以期筛选出适合当地生态条件以及小型机械化作业的带状间作模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014年至2015年在吉林省白城市农科院(45° 37′N,122° 48′E)进行，该地属于温带大陆性季风气候，年均日照时数2 919.4 h，年均气温4.9 ℃，无霜期157 d，年均降水量407.9 mm。试验地土壤类型为淡黑钙土，耕层土壤(0～20 cm)有机质含量17.4 g·kg-1、全氮含量1.12 g·kg-1、有效磷含量12.2 mg·kg-1、速效钾含量102.4 mg·kg-1、pH 8.2。前茬作物为马铃薯。生育期气象数据由白城市气象局提供(图1)。

图1 生育期降雨量及日均气温

1.2 试验设计及管理

试验采用完全随机区组设计，小区面积108 m2(10.8 m×10 m)，种植模式分别为燕麦(TO)、玉米(TM)、向日葵(TS)、绿豆(TB)单作以及燕麦//玉米(TOM)、燕麦//向日葵(TOS)、燕麦//绿豆(TOB)带状间作，共7个处理，每个处理重复3次。燕麦于5月8日播种，7月30日收获；玉米于5月8日播种，9月18日收获，向日葵及绿豆于6月8日播种，9月18日收获，2014年及2015年各作物播期、收获期均一致。燕麦单作及间作行距均为30 cm，播量150 kg·hm-2；玉米、向日葵单作及间作株距、行距均为30 cm、60 cm；绿豆单作及间作株距、行距均为10 cm、60 cm。供试燕麦、玉米、向日葵、绿豆品种分别为白燕2号、郑单958、白葵杂6号和白绿8号。

带状间作模式中带宽3.6 m，每小区三组条带。其中，燕麦6行，玉米、向日葵及绿豆均为3行。所有处理氮、磷、钾肥施用量一致(N、P2O5、K2O分别为150、60、50 kg·hm-2)，于播种前作为基肥一次性施入。燕麦、向日葵、绿豆每年均灌溉两次，玉米每年灌溉四次，每次灌溉量50 mm，采取漫灌方式，灌溉时间取决于当年降雨情况。本试验中，播种、除草、收获均采用人工方式。

1.3 样品采集及测定项目与方法

籽粒产量测定：燕麦成熟期每小区取1.8 m2(1.8 m×1 m)样方；玉米、向日葵、绿豆成熟期于单作小区中间行取长势均匀相连植株9株(1.62 m2)，间作小区中间条带每行取相连植株3株(共9株，1.62 m2)。

成熟期地上部干物质积累量测定：单作燕麦于中间行齐地取2行50 cm样段，间作燕麦于中间条带取6行25 cm样段；单作玉米、向日葵、绿豆于中间行取相连植株3株，间作玉米、向日葵、绿豆分别于两个边行及中间行取相连植株2株。样品于105 ℃杀青30 min，85 ℃烘干至恒重。

样品粉碎后，H2SO4-H2O2消煮后用凯氏定氮法测定样品全氮含量。

1.4 相关计算公式

土地当量比(LER)用于衡量间作的产量优

势，计算公式为：

(1)

式中，LO、LS分别为燕麦、玉米(向日葵、绿豆)偏土地当量比；Yso、Yss为单作燕麦和单作玉米(向日葵、绿豆)的籽粒产量；Yio、Yis为间作总面积上燕麦和玉米(向日葵、绿豆)籽粒产量；当LER>1时，表示间作系统具有产量优势。

氮素吸收当量比(NER)用来衡量间作系统的氮素吸收效率,计算公式为：

(2)

式中，NERO、NERS分别为燕麦、玉米(向日葵、绿豆)氮素偏吸收当量比；Nso、Nss分别为单作燕麦和单作玉米(向日葵、绿豆)的吸氮量；Nio、Nis分别为间作总面积上燕麦和玉米(向日葵、绿豆)吸氮量；当NER>1时，说明相对于单作，间作提高了系统的氮吸收效率。

1.5数据处理

采用Excel 2013进行数据整理，Sigmaplot 12.5绘制图形，利用SPSS 20进行方差分析及LSD多重比较。

2 结果与分析2.1 不同种植模式下燕麦的产量及地上部吸氮量

燕麦//玉米带状间作模式下，燕麦籽粒产量在2014年较单作提高10.3%，差异显著，但在2015年降低8.5%(表1)，差异显著；2014年生物产量及地上部吸氮量与单作相比，均无显著差异；

表1 不同种植模式下燕麦籽粒和生物产量及地上部吸氮量Table 1 Grain yield,biomass and above ground nitrogen uptake of oat in different cropping patterns kg·hm-2

相同年份同列数据后不同字母表示差异在5%水平显著；间作与单作籽粒、生物产量以及地上部吸氮量均在同等土地面积的基础上计算得出。

Values followed by different letters in the same column in the same year are significantly different at 5% level.Grain yield,biomass and nitrogen uptake of sole crop and intercrop were calculated on the basis of the same land area.

2015年则分别较单作提高13.3%、16.7%，差异显著。燕麦//向日葵、燕麦//绿豆带状间作模式中，2014年燕麦籽粒产量、生物产量及地上部吸氮量与燕麦单作之间无显著差异；2015年这两种模式下，燕麦籽粒产量均提高8.9%，生物产量提高12.8%、27.5%，地上部吸氮量提高31.6%、30.8%，差异均显著。

2.2不同种植模式下玉米、向日葵及绿豆的产量及地上部吸氮量

间作玉米的籽粒产量、生物产量及地上部吸氮量在2014、2015年较单作玉米分别提高了15.2%～29.0%、21.4%～33.8%及29.4%～31.8%，差异显著(表2)。间作向日葵的籽粒产量、生物产量及地上部吸氮量在2014-2015年较单作向日葵分别提高了36.3%～66.0%、34.1%～46.8%及50.3%～55.7%,差异显著。间作绿豆与单作绿豆间的籽粒、生物产量及地上部吸氮量在2014年和2015年均无显著差异。

2.3不同种植模式的土地当量比及氮素吸收当量比

2014及2015年所有带状间作模式的土地当量比及氮素吸收当量比均大于1(图2)，说明与单作相比，带状间作提高了土地利用效率及氮素吸收效率。间作模式之间比较，两个生产季，燕麦//向日葵带状间作的土地当量比为1.23～1.38，显著高于燕麦//玉米(1.10～1.14)、燕麦//绿豆(1.05～1.08)(2014年燕麦//玉米除外)；燕麦//向日葵带状间作的氮素吸收当量比为1.29～1.44，较燕麦//玉米、燕麦//绿豆分别提高了11.1%～16.8%、16.8%～25.9%，差异显著。

表2 不同种植模式下玉米、向日葵及绿豆籽粒、生物产量及地上部吸氮量Table 2 Grain yield,biomass and above ground nitrogen uptake of maize,sunflower and mung bean in different cropping patterns kg·hm-2

同种作物同年份数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Different letters following the date of the same crop and year mean significant different(P<0.05) between treatments.

2.4 不同种植模式下燕麦的边行效应

燕麦//玉米带状间作模式下，2014年间作燕麦边行籽粒产量为196.2 g·m-1，显著高于单作及间作内行，2015年三者间无显著差异(图3)。燕麦//向日葵带状间作模式下，两年间作燕麦边行籽粒产量(242.2、209.1 g·m-1)均显著高于单作及间作内行，边行对间作燕麦产量的贡献率为44.2%～45.1%，高于边行所占比例(33.3%)。燕麦//绿豆带状间作模式中，两年中燕麦边行籽粒产量(209.1、194.6 g·m-1)也显著高于单作及间作内行，边行对间作燕麦产量的贡献率为42.2%～42.9%，高于边行所占比例(33.3%)。

2.5 间作玉米、向日葵及绿豆的边行效应

间作玉米边行籽粒产量(881.8、700.7 g·m-1)及间作向日葵边行籽粒产量(333.8、281.7 g·m-1)均显著高于单作及间作内行(图4)，边行对间作玉米、向日葵产量的贡献率分别为(70.2%～70.9%、69.9%～70.8%)，均高于边行所占比例(66.7%)。间作绿豆边行籽粒产量(242.4、207.5 g·m-1)显著高于单作，但与间作内行无显著差异。

TOM、TOS和TOB分别代表燕麦//玉米、燕麦//向日葵及燕麦//绿豆带状间作；相同年份图柱上不同字母表示处理间差异在5%水平显著。下同。

TO为燕麦单作；TOM-B、TOS-B和TOB-B分别代表燕麦//玉米、燕麦//向日葵及燕麦//绿豆带状间作燕麦边行；TOM-I、TOS-I和TOB-I为各间作模式下燕麦中间行。

图4 不同种植模式下玉米、向日葵及绿豆的行产量

3 讨 论

间作系统中两种作物共生期较长时，种间竞争强度易受外部环境的影响，从而表现出生产效应上的不稳定[20]。本研究中，2014年、2015年燕麦孕穗期至成熟期降雨量分别为130.0 mm、32.2 mm(图1)，燕麦//玉米带状间作模式下，两种作物共生期为80 d，由于燕麦在孕穗后抗旱性减弱，干旱胁迫可使籽粒减产51.8%以上[21]，玉米处于竞争优势地位，导致间作燕麦产量在2015年较单作显著降低(8.5%)。燕麦//向日葵、燕麦//绿豆间作系统中两种作物共生期为50 d，且作为早播作物的燕麦在孕穗-灌浆期时向日葵、绿豆仍处于苗期，燕麦处于竞争优势地位，故2015年这两种模式下，间作燕麦籽粒产量、生物产量及地上部吸氮量均较单作显著提高。

间作系统中，晚熟作物的产量效应取决于共生期作物间的竞争强度以及早熟作物收获后晚熟作物的恢复能力[22]。本研究中，间作玉米、向日葵较强的恢复能力使其充分利用了燕麦收获后的有利环境，从而获得了较单作高的籽粒、生物产量以及吸氮量。绿豆作为一种矮杆作物，前期在与燕麦的竞争中处于绝对劣势地位，且燕麦收获后绿豆恢复能力较弱，故间作绿豆与单作绿豆间在籽粒产量、生物产量以及吸氮量方面均无显著差异。

土地当量比(LER)以及氮素吸收当量比(NER)被用以评价间作系统的土地利用效率及氮素吸收效率。本研究中，燕麦//向日葵带状间作的LER及NER最高，分别为1.23～1.38、1.29～1.44，说明该模式具有更高的土地利用及氮素吸收效率，这与董宛麟等[23]研究结果基本一致。

边行效应是间作优势的主要来源之一[14]。在燕麦//向日葵、燕麦//绿豆带状间作模式中，燕麦作为早播作物具有显著的边行优势，这主要是由于间作系统中早播作物边行较内行及单作具有更优越的生长环境[24]；两种模式下，边行对间作燕麦产量的贡献率分别为44.2%～45.1%、42.2%～42.9%，而Gou等[25]在小麦//玉米间作上的研究结果表明，早播作物小麦边行(所占比例33%)对间作小麦产量的贡献率为50%，造成这种差异的原因可能为本实验中燕麦带幅设计较宽，行距较大，没有充分发挥出间作燕麦的边行优势。在燕麦收获后，间作玉米、向日葵边行拥有更优的生长环境，使得最终边行产量显著高于内行及单作，这一过程可用Zhang等[22]提出的“竞争-恢复生产理论”解释。间作绿豆边行及中间行产量均显著高于单作内行，而间作绿豆整体产量虽高于单作绿豆，差异却不显著，其原因可能是取样量及计算方法不同所导致。

4 结 论

东北地区西部燕麦//玉米、燕麦//向日葵和燕麦//绿豆等三种带状间作模式具有显著的产量优势及较高的氮素吸收效率，LER及NER均大于1，其中，燕麦//向日葵带状间作LER及NER分别为1.23～1.38、1.29～1.44，两年内均为最高。燕麦//向日葵间作中，两种作物的边行产量均显著高于单作及内行，对间作燕麦、向日葵产量的贡献率分别为44.2%～45.1%、69.9%～70.8%，具有显著的边行优势。综合分析认为，燕麦//向日葵带状间作在东北地区西部具备一定的推广应用价值。

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YieldandNitrogenUptakeofVariousOatStripIntercroppingPatternsinWesternofNortheastChina

QIANXin1,ZANGHuadong1,GEJunyong2,ZENGZhaohai1,RENChangzhong3,GUOLaichun3,WANGChunlong3，HUYuegao1
(1.College of Agronomy and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing 100193,China; 2.Zhangjiakou Academy of Agricultural Sciences,Zhangjiakou,Hebei 075000,China; 3.Baicheng Academy of Agricultural Sciences,Baicheng,Jilin 137000,China)

In order to provide an optimal strip intercropping pattern for oat growing in western of Northeast China,two-year(2014-2015) field trails were conducted in Baicheng of Jilin province. The objective of this study was to compare the yield and nitrogen(N) utilization in the strip intercropping patterns of oat//maize,oat//sunflower,and oat//mung bean. All intercropping patterns had significant advantages in crop yield and N utilization. The land equivalent ratio(LER) and N equivalent ratio(NER) of all intercropping patterns were higher than 1. Among the three patterns,LER and NER of oat//sunflower were highest,1.23 to 1.38 and 1.29 to 1.44 in 2014 and 2015,respectively. The yield of edge row of oat and sunflower were significantly higher than those of inner row and sole cropping,with the contributing rate of 44.2% to 45.1% and 69.9% to 70.8%,respectively. Overall,oat//sunflower strip intercropping is the optimal intercropping pattern.

Strip intercropping; Land equivalent ratio; Nitrogen uptake equivalent ratio; Edge effect

时间：2017-08-08

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170808.0911.028.html

2017-01-23

2017-02-15

国家燕麦荞麦产业技术体系项目(CARS-08-B-1)

E-mail：qianxin203@163.com

胡跃高(E-mail：huyuegao@cau.edu.cn)

S512.6；S311

： A

：1009-1041(2017)08-1105-07