玉米与豆科作物间套作体系氮素吸收效应研究进展

孙岩 乔月彤 赵强 胡延峰 朱英华 赵培国 宋立成 夏海勇

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.10.003

摘要：玉米与豆科作物间套作可以提高作物对氮、磷、钾等养分的吸收能力，从而提高土地利用当量比和耕地产能。通过查阅相关文献，对玉米与豆科作物间套作体系氮素吸收的表观现象，包括氮素吸收量、地上部生物量和籽粒产量等指标，以及相关机制进行归纳总结。诸多研究结果表明，玉米与豆科作物间套作可以提高玉米地上部氮素吸收量、地上部生物量和籽粒产量，增长幅度分别在6.0%～57.5%、2.6%～52.6%和14.0%～64.2%之间，而与玉米全生育期共生间作的大豆、花生和豌豆等作物则受到抑制，蚕豆等套作豆科作物（整个生育期中的部分时间与玉米共生，通常与玉米错期播种/收获）则受到促进。关于玉米与豆科作物间套作体系氮素高效吸收的机制可概括为3个方面：一是种间竞争作用，由于玉米对氮素的竞争大于豆科作物，促进玉米对氮素的优势吸收；二是作物根系相互作用和土壤微生物的存在，促进养分循环和作物之间的氮素转移，豆科作物固定的氮素可以被玉米吸收利用；三是豆科作物结瘤增加，固氮基因表达增强，提高了自身固氮能力。在以往研究的基础上，下一步需要加强在田间多场景（作物品种类型不同、土壤肥力梯度不同等）条件下的原位研究，从根际生命共同体（根系-土壤-微生物）作用机制以及种间地上相互作用-地下相互作用互馈的角度，更加全面和准确地阐明玉米与豆科作物间套作体系氮素高效吸收的机制，并加强农机农艺融合关键调控技术的研发，让传统间套作在现代农业中继续发光发热，赓续农耕文明。

关键词：玉米；豆科作物；间套作；氮素利用效率；根际生命共同体

中图分类号：S344.2；S344.3  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）10-0021-08

收稿日期：2023-10-21

基金项目：国家重点研发计划子课题（编号：2016YFD0300202）；山东省科技特派员创新创业共同体滨州市玉米产业服务团项目。

作者简介：孙  岩（1969—），女，山东高青人，高级农艺师，主要从事基层农技推广和农民教育培训工作。E-mail：bzsy0898@126.com。

通信作者：夏海勇，博士，副研究员，主要从事农田粮油作物生态强化研究。E-mail：haiyongxia@cau.edu.cn。

作物间套作种植是指在同一地块面积上依据一定空间组合比例优化配置2种或2种以上农作物的栽培方法，可以充分挖掘利用水、肥、气、热、光照、时间和空间等环境资源，改善作物营养生长状况，从而提高土地利用效率、增加系统综合产能和经济效益［1］。与单作体系相比，间套作体系的养分吸收量和粮食产量均优于单作，并维持土壤肥力［2］。玉米与豆科作物间套作是常见的一种作物间套作种植组合类型。研究发现，豆科作物与玉米间套作种植能够提高体系对氮、磷、钾、钙、镁、铁、锰、铜、锌等矿质元素的吸收利用能力［3-6］，从而改善作物生长发育性状［7］，最终增加总生物量和籽粒的产量［8］。例如，玉米与花生共生能够防治花生叶片因缺铁所导致的失绿黄化现象的发生，提高花生产量［3，9］。

氮元素是作物生长发育所必需的大量元素之一，如何提高作物氮素利用效率和合理利用氮肥是农业研究的重要方向之一。根瘤菌能够在豆科作物根系繁殖，使得根皮层细胞形成根瘤，赋予豆科作物生物固氮能力，从而减少化学氮肥的使用，促进农业可持续发展［10］。已有许多研究表明，谷类与豆科作物间套作体系的种间相互促进作用可以增加生物固氮能力，提高氮素利用率，降低土壤中过多矿质氮累积［11-12］。

关于玉米与豆科作物间套作对玉米和豆科作物以及体系氮素吸收的影响，前人已经做了大量的研究，但由于试验配置和环境的差异，导致研究结果存在诸多差异。本文系统归纳总结了玉米与豆科作物间套作体系氮素吸收的表观现象及相关机制，并提出未来研究的方向，以期为氮素资源的合理利用和通过间套作发展集约化生态农业提供有益借鉴。

1  间套作系统中氮素吸收的表观效应

目前，对于玉米与豆科作物间套作体系的研究已有许多，为详细了解氮素吸收的表观效应，通过查阅相关文献，笔者所在课题组总结并罗列了不同地区玉米与豆科作物间套作系统中作物地上部氮素吸收量、地上部生物量和籽粒产量与单作相比的相对变化情况（表1），并收集了每个试验点具体的种植方式（间作/套作）、作物搭配组合、试验类型（盆栽/大田）、土壤质地和pH值以及种植行比等信息。

由表1可以看出，与大豆间作对玉米的生长整体有明显的促进作用，玉米地上部氮素吸收量、地上部生物量和籽粒产量明显高于单作，增长幅度分别在6.0%～57.5%、2.6%～52.6%、14.0%～64.2%之间［5，11，13-22］；而间作对大豆的生长整体具有明显的抑制作用，降低了大豆氮素吸收。当玉米与大豆套作时，对大豆的生长整体具有明显促进作用［23-26］，原因在于套作情况下2种作物的共生期较短，玉米对大豆的遮阴影响小，且玉米收获后有利于大豆生长和干物质累积，发挥边行优势。玉米花生间作时，由于遮阴作用影响，抑制花生早期生长，不利于花生干物质积累和氮素吸收［27-29］。玉米与蚕豆间作时具有明显的间作优势，玉米地上部氮吸收量、地上部生物量和籽粒产量比单作分别增加1.5%～30.5%、3.7%～29.9%、0.7%～23.3%，蚕豆地上部氮吸收量、地上部生物量和籽粒产量分别比单作增长4.5%～72.0%、13.9%～72.0%、4.2%～88.0%［6，12，30-37］。玉米豌豆间作情况没有明显的规律，但是总体来看，玉米氮素吸收状况要优于豌豆［38-41］。造成试验结果不同的原因涉及诸多因素。例如，不同地区每年降水量和土壤类型不同、试验设计不同，如豆科种类［42］、行比和株距等存在差异；另外，盆栽和大田试验之间的表现会存在明显差异，甚至出现截然相反的结果。这些因素均会对作物生长发育和氮素吸收利用产生不同的影响。