玉米追氮對(duì)玉米∥大豆間作體系產(chǎn)量和土壤硝態(tài)氮的影響及其后茬效應(yīng)

張亦濤， 任天志， 劉宏斌， 雷秋良， 翟麗梅， 王洪媛，劉 申， 尹昌斌， 張繼宗*

(1農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 北京 100081;2農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所,天津 300191)

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玉米追氮對(duì)玉米∥大豆間作體系產(chǎn)量和土壤硝態(tài)氮的影響及其后茬效應(yīng)

張亦濤， 任天志2， 劉宏斌1， 雷秋良1， 翟麗梅1， 王洪媛1，劉 申1， 尹昌斌1， 張繼宗1*

(1農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 北京 100081;2農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所,天津 300191)

間作; 追施氮量; 產(chǎn)量; 土壤; 后茬效應(yīng)

集約化單作種植模式下，生產(chǎn)資料的高投入尤其是化肥的過量施用帶來了日益嚴(yán)峻的大氣、 土壤、 水等各種環(huán)境問題[1]，并且同一塊土地上，長(zhǎng)期單一種植相同作物也會(huì)導(dǎo)致土地利用率和生物多樣性的降低。而合理的間作可以優(yōu)化作物配置，克服作物單一種植的劣勢(shì)，充分利用水肥氣熱等自然資源，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中效益較高的種植模式[2]; 已有研究表明，合理的間作能提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)抗逆能力[3]。

間作是指在同一塊土地上同時(shí)種植兩種或兩種以上作物的種植模式，豆科作物與禾本科作物間作是最重要、 最常見的間作種植模式[4]。在我國(guó)，禾本科的玉米與豆科作物大豆都適于夏季生長(zhǎng)，其生育期也相近，兩者之間的高度差也保證了光熱資源的有效利用，因此玉米與大豆間作成為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的種植模式[5-6]。間作種植系統(tǒng)中，禾本科作物競(jìng)爭(zhēng)資源的能力高于豆科作物，尤其是禾本科作物吸收土壤無機(jī)氮的能力很強(qiáng)[7]，促使與之間作的豆科作物固定更多的大氣氮，因此間作豆科作物中的總氮來源于生物固定的比例要高于豆科作物單作種植[8]。生產(chǎn)中，為了最大限度的提高作物產(chǎn)量，即使是間作種植系統(tǒng)往往也要投入適量的氮肥，間作種植涉及到兩種以上作物，而這兩種作物的氮素需求量往往不同，玉米需氮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大豆，因而在確定施氮量時(shí)，必須同時(shí)考慮各種作物氮素需求以及作物間的相互影響。理論上基于種間互利的間作種植可以促進(jìn)氮素高效利用[9]，緩解施氮對(duì)豆科根瘤菌形成和固氮作用的抑制效應(yīng)[10]，然而過多的氮肥施用在一定程度上仍會(huì)抑制豆科作物的固氮作用[11]。

目前，有關(guān)間作對(duì)作物產(chǎn)量、 吸氮量以及土壤氮?dú)埩麸L(fēng)險(xiǎn)的研究較多，但在玉米和大豆需氮規(guī)律不同的情況下，探索間作系統(tǒng)各作物合理施氮量的研究較少。本研究以4行玉米與6行大豆間作種植模式為研究對(duì)象，在玉米大豆施用同量基肥的基礎(chǔ)上，分析了玉米追施氮量不同對(duì)生育期間作物和土壤及其后茬作物的影響，旨在為確定間作系統(tǒng)優(yōu)化施氮方式提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在河北省徐水縣留村鄉(xiāng)荊塘鋪村，該地屬大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，自然環(huán)境良好。年平均氣溫11.9℃，年無霜期平均184d，年均降水量546.9mm，年日照時(shí)數(shù)平均2 744.9h。供試土壤為褐土，土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究中玉米品種為秋樂鄭單958，大豆品種為中黃30。玉米與大豆間作(玉米//大豆)采用條帶間作種植的方式，每個(gè)間作單元由4行玉米與6行大豆組成。玉米和大豆于2011年6月24日同日播種，播種時(shí)整個(gè)農(nóng)田施用等量基肥，采用播種施肥一體機(jī)一次性完成操作，所有處理的基肥施用量均為氮(N) 45kg/hm2、 磷(P2O5) 75kg/hm2、 鉀(K2O) 75kg/hm2。其后大豆不再追肥; 玉米在播種后40天(大喇叭口期)追施不同量的氮肥(N0、 75、 180kg/hm2)，從而構(gòu)成3個(gè)處理(N0，N75，N180)，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積90m2(長(zhǎng)10m、 寬9m)，玉米、 大豆帶寬均為1.5m，其中每個(gè)小區(qū)均包括交錯(cuò)排列的2個(gè)玉米條帶和3個(gè)大豆條帶，相鄰的玉米條帶與大豆條帶間距30cm，各條帶均采用等行距種植，玉米行距50cm，株距25cm，大豆行距30cm，株距20cm; 各小區(qū)間用寬1m的隔離帶隔開，隔離帶不種植作物。播種前，試驗(yàn)地統(tǒng)一施用農(nóng)藥以防除雜草及病蟲害; 播種后灌溉一次，出苗后及時(shí)間定苗，作物生長(zhǎng)期間及時(shí)人工鋤草，10月6日收獲。

表1　供試土壤理化性質(zhì)Table 1　Physical and chemical properties of test soils

玉米和大豆收獲后，于10月7日在原有處理小區(qū)上繼續(xù)種植冬小麥。播種時(shí)，采用播種施肥一體機(jī)一次性完成操作，小麥于2012年6月17收獲。小麥基肥施用氮(N) 112.5kg/hm2、 磷(P2O5) 75kg/hm2、 鉀(K2O) 75kg/hm2，拔節(jié)期追施氮肥112.5kg/hm2。其中，玉米施氮量225kg/hm2、 大豆施氮量45kg/hm2、 小麥?zhǔn)┑?25kg/hm2為各作物在當(dāng)?shù)貑巫鞣N植時(shí)的推薦施肥量。

1.3樣品采集與測(cè)定

播種后26天(玉米小喇叭口期)、 57天(玉米抽雄期)、 104天(玉米成熟期)分別采集地上部整株植株樣，以各處理小區(qū)為單元，各個(gè)作物條帶分別采集12株，其中成熟期的秸稈與籽粒分別取樣。小麥?zhǔn)斋@后，在原有玉米條帶和大豆條帶上分別取2m2小麥樣方，籽粒、 秸稈分別取樣。所有植株樣品均在105℃條件下殺青30min，85℃條件下烘干至恒重，粉碎待測(cè)。

土壤全氮采用半微量開氏定氮法測(cè)定; 植株全氮采用H2SO4-H2O2消煮后，凱氏定氮法測(cè)定; 土壤硝態(tài)氮采用流動(dòng)分析儀(TRAACS2000)檢測(cè); 其他指標(biāo)均采用《土壤分析技術(shù)規(guī)范》[12]中相關(guān)檢測(cè)方法測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)差異的顯著性分析采用SPSS19.0 (One-WayANOVA)軟件進(jìn)行。

2　結(jié)果與分析

2.1生物量

在玉米追肥前、 后，無論玉米還是大豆，N0、N75和N180各處理的生物量之間均無顯著差別(P<0.05)(圖1)。

與不同追施氮量對(duì)成熟期玉米和大豆生物量造成的影響結(jié)果相似(表2)，N0、N75和N180處理的玉米、 大豆產(chǎn)量均無顯著差異(P<0.05)。這說明，由于間作種植優(yōu)勢(shì)的存在，在當(dāng)前土壤肥力水平下(播前0—100cm土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅繛?0.8kg/hm2)，只施用基肥(45kg/hm2)而不再追施氮肥即可滿足玉米各關(guān)鍵生育期氮素需求，追施氮肥并不能使各生育階段玉米生物量顯著增加。此外，各處理大豆生育期間的施氮量均相同，其產(chǎn)量之間也無顯著差異。

圖1　各處理玉米與大豆生物量Fig.1　Biomass of maize and soybean under different treatments

2.2吸氮量

由表3可知，無論玉米還是大豆，追肥前各處理的吸氮量之間無明顯差別。作物播種后40d，對(duì)玉米條帶追施氮量的多少對(duì)抽雄期(播種后57d)和成熟期(播種后104d)玉米和大豆的吸氮量仍無明顯影響(表3)，最終N0、N75和N180處理的總吸氮量之間也無顯著差異(P<0.05)，這說明玉米條帶施氮量的多少對(duì)間作種植系統(tǒng)整體吸氮量無顯著影響。

表2　各處理玉米與大豆產(chǎn)量 (kg/hm2)Table 2　Yields of maize and soybean underdifferent treatments

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間在P<0.05水平上差異的顯著性ValuesfollowedbydifferentlettersineachcolumnaresignificantlydifferentatP<0.05level.

表3　各處理玉米與大豆吸氮量(kg/hm2)Table 3　N accumulation amounts of maize and soybean under different treatments

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間在P<0.05水平上差異的顯著性ValuesfollowedbydifferentlettersineachcolumnaresignificantlydifferentatP<0.05level.

2.3土壤硝態(tài)氮含量和殘留量

玉米拔節(jié)期(播種后40d)追施氮肥(N75，N180處理)顯著增加了玉米條帶各層土壤硝態(tài)氮含量，并隨追施氮量的增加而增加，而N0處理玉米條帶的土壤硝態(tài)氮含量在抽雄期(播種后57d)至成熟期變化幅度不大; 大豆條帶也受到了追施氮肥措施的影響，N180大豆條帶土壤硝態(tài)氮含量也高于其他處理(圖2)。從播種到玉米抽雄，0—20cm土壤硝態(tài)氮含量一直降低，直到追施氮肥后，土壤硝態(tài)氮含量開始有所增加，而20—40cm的土壤硝態(tài)氮含量整體上一直呈下降趨勢(shì)。無論是0—20cm還是20—40cm，N180的玉米條帶土壤硝態(tài)氮含量最高，N75的玉米條帶土壤硝態(tài)氮含量次之，兩者均高于N0玉米條帶土壤硝態(tài)氮含量。此外，作物各生育階段，0—20cm土壤硝態(tài)氮含量一直高于20—40cm土壤硝態(tài)氮含量，并且表層土層硝態(tài)氮含量受追施氮肥措施的影響大于20—40cm土層。這說明追施氮肥補(bǔ)充了玉米生長(zhǎng)前期消耗的土壤氮素，并且玉米條帶追施氮量越多，其表層土壤硝態(tài)氮含量增加越多; 由于大豆條帶并不追施氮肥，各處理中各層土壤硝態(tài)氮含量差別不大。

圖2　各處理0—20 cm、 20—40 cm土壤硝態(tài)氮含量變化Fig.2　Dynamics of soil nitrate N contents in 0—20 cm and 20—40 cm depth under different treatments

2.4小麥季的后茬效應(yīng)

從表4可以看出，夏茬作物(玉米)追施氮量對(duì)后茬的冬小麥產(chǎn)量、 吸氮量的影響并不顯著(P<0.05)。主要原因可能在于所有小麥的施氮量(225kg/hm2)均相同，而這一施氮量實(shí)際上是完全滿足了小麥生長(zhǎng)氮素需求，因而使得各夏播處理對(duì)應(yīng)的小麥產(chǎn)量和吸氮量沒有顯著差異。

雖然夏播間作種植模式施氮方式對(duì)后茬作物產(chǎn)量的影響不顯著，但不追施氮肥的夏播間作種植可以顯著降低后茬0—100cm土壤硝態(tài)氮?dú)埩?表5)。隨著追施氮量的增加，小麥季0—100cm土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅匡@著增加，N75、N180的小麥季土壤(0—100cm)硝態(tài)氮?dú)埩袅肯鄬?duì)N0分別增加了22.38%、 70.18%。隨著土壤深度的增加，N0和N75處理各條帶土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅坎粩鄿p少，然而追施高量氮肥(N180處理)，在土壤60—100cm上出現(xiàn)了硝態(tài)氮累積現(xiàn)象。

表4　間作系統(tǒng)追氮對(duì)后茬小麥產(chǎn)量和吸氮量的影響Table 4　Yield and N accumulation of wheat affected bytopdressing nitrogen in the intercropping planting system

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間在P<0.05水平上差異的顯著性ValuesfollowedbydifferentlettersineachcolumnaresignificantlydifferentatP<0.05level.

3　討論

合理的農(nóng)田施肥管理措施，尤其是施用氮肥能夠滿足作物生育期間養(yǎng)分需求，還能提高植株氮素含量，從而促進(jìn)植株體內(nèi)外的生理生化反應(yīng)[13]，同

表5間作種植系統(tǒng)追施氮量對(duì)后茬土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅康挠绊?kg/hm2)

Table5EffectofthetopdressingnitrogenoftheintercroppingplantingsystemonsoilnitrateNresidual

處理Treatment土層Soillayer(cm)0—2020—4040—6060—8080—1000—100N0玉米條帶Maizestrip12.49b14.61a6.09b1.99c2.04c69.71c大豆條帶Soybeanstrip17.70a7.73b2.40c3.63bc1.03cN75玉米條帶Maizestrip17.10a15.84a13.29a4.78b2.01c85.31b大豆條帶Soybeanstrip13.31b6.98b3.43c5.09b3.49cN180玉米條帶Maizestrip16.43a13.59a11.50a3.22bc16.91a118.63a大豆條帶Soybeanstrip12.51b13.29a10.52a13.85a6.83b

注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間在P<0.05水平上差異的顯著性ValuesfollowedbydifferentlettersineachcolumnaresignificantlydifferentatP<0.05level.

時(shí)施氮還提高了作物對(duì)光熱等資源的利用率以及水分利用效率，最終提高作物產(chǎn)量[14]。然而，間作種植系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單作種植系統(tǒng)還有所不同，本研究中氮肥施用量對(duì)間作系統(tǒng)生物量、 產(chǎn)量以及氮素的吸收利用均無顯著性影響(P<0.05)，玉米條帶追施氮量的多少對(duì)間作大豆生物量、 產(chǎn)量和氮素吸收也幾乎沒有任何影響, 并且玉米條帶生物量、 產(chǎn)量和吸氮量也無明顯變化。究其原因可能是: 1)目前華北地區(qū)農(nóng)田的土壤氮?dú)埩袅糠浅４骩15]，本研究中試驗(yàn)前0—100cm土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅恳策_(dá)到90.8kg/hm2，因此基施氮肥(45kg/hm2)完全可以滿足間作系統(tǒng)作物整個(gè)生育期的生長(zhǎng)，額外的氮素并不能全部被吸收轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量; 2)大豆是自生固氮類作物，不需要額外的氮素投入就可以滿足自身氮素需求[16]，而鑒于玉米與大豆需氮量的差別，只在玉米條帶設(shè)置了追施氮肥處理，這也致使大豆生物量、 產(chǎn)量和吸氮量對(duì)玉米追施氮量的響應(yīng)并不敏感; 3)間作種植系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的種植體系，尤其是大豆固定的氮素可能通過特定的過程供給玉米，從而減少了整個(gè)種植系統(tǒng)對(duì)外源氮素的依賴[17]。間作種植體系不同于作物單作種植，玉米和大豆地上部高矮相間，通風(fēng)透光性好，地下部根系相互作用也有利于資源的高效吸收[18]，并且大豆具有固氮作用[19]，因此在確定間作種植模式合理施氮量時(shí)，不能簡(jiǎn)單照搬各種作物單作種植時(shí)的施氮量[4]，而應(yīng)當(dāng)充分利用間作種植優(yōu)勢(shì)，以最少的施氮量獲得最大的效益。

施氮可以顯著增加土壤硝態(tài)氮含量[20]，但隨著土壤深度的增加，土壤硝態(tài)氮含量有所下降[21]，本研究也發(fā)現(xiàn)不追施氮肥處理的土壤硝態(tài)氮含量維持在一個(gè)較穩(wěn)定的水平上，而追施氮肥處理各作物條帶0—20cm土壤硝態(tài)氮含量在抽雄期后均有較明顯的增加，并且作物生育期間20—40cm土壤硝態(tài)氮含量低于0—20cm。這說明作物生長(zhǎng)初期大量吸收氮素，使得土壤硝態(tài)氮不斷消耗，而追施氮肥使土壤氮素得到補(bǔ)充，并且追施氮量越多，土壤硝態(tài)氮含量增加越多，從而導(dǎo)致作物收獲后的土壤硝態(tài)氮?dú)埩粢苍礁遊20]。然而土壤中過多的氮素殘留存在很大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，上層土壤中殘留的氮素將不斷向下層土壤遷移[22]，尤其是這些氮素淋失進(jìn)入地下水將導(dǎo)致地下水硝酸鹽含量超標(biāo)[23]，因此，在保證土壤氮素滿足間作作物生長(zhǎng)需求的情況下，應(yīng)盡可能的減少施氮量，以降低其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

在后茬作物管理措施一致的前提下，尤其是當(dāng)后茬作物施氮量可以充分滿足作物需求時(shí)，前茬作物施氮?dú)埩魧?duì)后茬作物產(chǎn)量、 吸氮量的影響將被掩蓋，但卻顯著增加了后茬作物收獲后的土壤硝態(tài)氮?dú)埩?，并且前茬作物追施氮量越多，后茬作物收獲后土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅恳苍蕉郲24]。本研究也表明，前茬作物施氮量的增加對(duì)后茬小麥產(chǎn)量和吸氮量無顯著影響，但大幅度增加了后茬作物收獲后土壤硝態(tài)氮?dú)埩?P<0.05)。因此，應(yīng)當(dāng)發(fā)揮前茬作物間作種植優(yōu)勢(shì)，降低間作種植施氮量以創(chuàng)造良好的后茬效應(yīng)。

4　結(jié)論

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Effectoftopdressingnitrogenofintercroppedmaizestriponintercroppedcropyieldsandsoilnitratenitrogenaswellasitsresidualeffect

ZHANGYi-tao1,RENTian-zhi2,LIUHong-bin1,LEIQiu-liang1,ZHAILi-mei1,WANGHong-yuan1,LIUShen1,YINChang-bin1,ZHANGJi-zong1*

(1 Ministry of Agriculture Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, CAAS, Beijing 100081, China;2 Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China)

intercropping;topdressingnitrogen;yield;soil;residualeffect

2014-11-17接受日期: 2015-01-19 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-05-25

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(200903011); 農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)項(xiàng)目資助。

張亦濤(1986—)，男，山東沾化人，博士，主要從事面源污染控制研究。E-mail:ytzhang1986@163.com

Tel: 010-82109645，E-mail:zhangjizong@caas.cn

S344.2;S513.06文獻(xiàn)類型:A

1008-505X(2016)01-0104-07