施肥位置與雜草管理對間作玉米、馬鈴薯生長和產量的影響

張曉云，吳伯志，吳開賢，張磊磊，李永賢，李 建，王 超

（云南農業大學農學與生物技術學院，昆明 650201）

精準施肥是提高肥料利用率的有效措施和主要發展趨勢之一。在植株個體水平，精準施肥可以體現在三個方面：一是養分供給時間與作物養分需求契合，即肥料運籌；二是養分配比和肥料用量與作物需求一致，即平衡施肥；三是空間上的施用位置能夠有效降低肥料損失，便于作物吸收。該精準施肥方式中的第三點受重視相對較少。目前，許多研究表明肥料深施或根區施肥能夠顯著地提高作物產量[1-3]，在土壤耕層的水平方向上，改變施肥位置對小麥[4]、大豆[5]、玉米[6]、水稻[[7]等作物的生長和產量具有顯著的影響。

除草是農業生產中的主要管理措施之一。雜草和肥料在調節作物生長中存在相互影響。從雜草管理對作物利用肥料來看，雜草直接消耗養分，或惡化作物群體生態環境 (如降低冠層光照、增加冠層濕度、為作物病蟲害提供生境) 后對作物利用肥料形成障礙[8-9]。從施肥對雜草生長來看，大量研究證實施肥能夠影響雜草群落的組成及動態[10-13]。然而，就施肥位置對雜草的影響研究報道不多，且主要來自國外[14-16]。同時，這些研究多基于單作群體探討施肥位置與雜草在影響作物生長過程中的關系，而缺乏對間作條件下的研究。與單作相比，間作條件下作物需要同時適應種內和種間鄰株個體的競爭和養分的不均勻分布，此時作物對施肥位置的響應與單作存在差異[17-18]。因此有必要研究基于多樣性種植群體的施肥位置和雜草在影響作物生長和產量中的關系。

玉米-馬鈴薯間作是重要的作物多樣性種植模式，被大量研究和生產實踐證實能夠顯著提高土地生產力，在山區生產中有較大面積的推廣與應用[17-19]。本研究以該間作模式為對象，分別在除草和不除草的情況下設置3種施肥位置 (均勻施肥、種間行施肥、種內行施肥)，通過對作物產量和生長的研究，明確施肥位置與雜草在影響作物生產力中的關系，以期為該種植模式生產中的化肥施用和雜草防控提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年在云南省昆明市尋甸縣仁德鎮云南農業大學試驗教學基地 (25°31′07″N，103°16′41″E)進行，該地區海拔1860 m，年均氣溫14.7℃、年均降水量960.0 mm，降水主要集中在5—9月，屬亞熱帶高原季風氣候。該試驗地土壤為水改旱紅壤，前茬作物為蠶豆。試驗前取0—25 cm耕層土樣，土壤基本肥力狀況為有機質含量22.97 g/kg (重鉻酸鉀容量法—外加熱法)、全氮1.09 g/kg (凱氏定氮法)、堿解氮90.1 mg/kg (堿解擴散法)、全磷0.82 g/kg (鉬銻抗比色法)、速效磷10.7 mg/kg (0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法)、全鉀19.07 g/kg和速效鉀143.7 mg/kg (火焰光度計法)，pH值為7.92 。試驗地的主要雜草為馬唐 (Digitaria sanguinalisL.)、花葉滇苦菜(Sonchus asperL.)、牛筋草 (Eleusine indicaL.)、鬼針草 (Bidens pilosaL.) 和狗尾草 (Setaria viridisL.) 等，其中雜草優勢種為鬼針草。

1.2 試驗設計

試驗選擇玉米‘云瑞88’和馬鈴薯‘會-2’為研究材料。間作采用生產中應用較為廣泛的2∶2行比模式，設施肥位置和雜草防除兩因素。

施肥位置含3個水平：代表傳統方式的均勻施肥、種間行施肥和種內行施肥 (圖1)。

雜草管理含兩個水平，分別為除草和對照。試驗共有6個處理，每個處理重復3次，按完全隨機方式布置于18個小區內，小區面積為20 m2(5.0 m ×4.0 m)。

圖1 施肥位置及根系取樣區示意圖Fig. 1 Schematic diagram of fertilizer placements and root sampling area

試驗播種前，馬鈴薯種薯先進行室內遴選，選擇薯形規整、薯皮光滑、色澤鮮明、芽眼多，大小適中的健康種薯，選中后于2017年3月25日進行播種。類似地，玉米選用粒大飽滿、完好的種子，于2017年4月18日進行播種。播種時，玉米和馬鈴薯的種內行和種間行行距均為50 cm，株距均為30 cm，播種均采用開溝播種 (東西行向)，馬鈴薯播深10～12 cm，玉米播深4～5 cm。試驗期間，在作物苗期進行適量的澆水和必要的病蟲害防治。

為構建持久有效的養分斑塊，試驗選擇控釋性復合肥 (沃夫特包膜控釋肥N-P2O5-K2O為26-11-11)，在播種前平行于行向 (距兩側種植行10 cm) 將復合肥一次性撒施并均勻混入土壤中 (寬度30 cm，深度15 cm)。均勻施肥、種間行施肥和種內行施肥的施肥量均為600 kg/hm2。除草處理在馬鈴薯和玉米苗期進行1次人工拔除，然后在兩種作物的開花期再進行1次割除；不除草處理在作物生長至開花期時，為避免對作物造成的競爭淘汰，當雜草株高超過玉米穗位高時，將頂端15 cm高度的雜草冠梢割除，其余大部分保留，割除部分烘干至恒重后計入雜草生物量中。

1.3 采樣與觀測

作物生長至開花盛期時，將1/3小區用于進行作物株高、生物量和根系生物量的觀測。從每小區1/3的區域內隨機選取15株，利用塔尺和鋼卷尺分別測量玉米和馬鈴薯的株高 (玉米株高為地面到雄穗頂端的高度，馬鈴薯株高為地面到馬鈴薯莖葉最高處的垂直高度)，然后齊地面取走地上部分，帶回實驗室在105℃下殺青20 min后，于80℃下烘至恒重后用于測定地上部生物量。取根系時，由于玉米和馬鈴薯根系難以從形態上區分，本研究取根時不區分作物類型，只評估單位土體內總根量。操作時如圖1，垂直于作物行向，以一個玉米馬鈴薯種間行 +1/2玉米種內行 + 1/2馬鈴薯種內行，連續3株為單元，面積0.9 m2(1 m × 0.9 m)，土層深度25 cm，每小區3個取樣單元，用鐵鍬挖掘出根土混合體 (并同時取出馬鈴薯塊莖，與地上部一同烘干)，在田間條件下進行初步的根土分離，識別保留的雜草莖基部，并挑出其雜草根系 (對于斷裂在土體中的少量根系，從形態、顏色和分枝方式上仔細核對，將其與作物根系區分開來)，然后用自來水管沖洗，獲得作物根系樣品，然后將所有根樣在70℃下烘至恒重測定干重。待作物成熟時，對剩余的2/3小區進行測產，其中馬鈴薯為鮮重，玉米在小區鮮產量的基礎上，各處理隨機選取8株烘干，計算鮮干比和出籽率，最后用14%含水量進行校正，獲得產量數據。測產時，同時割除不除草處理種間行和種內行[面積2 m2(4 m × 0.5 m)]全部雜草的地上部，帶回實驗室烘干至恒重 (方法同生物量)，用于測定雜草地上部生物量。

1.4 數據處理與統計

數據經整理后，以施肥位置和雜草管理為因子，以產量、株高、生物量和根系生物量為因變量，采用IBM SPSS Statistics 23.0對所有指標進行方差分析。分析前對所有統計指標進行方差齊性檢驗，若方差不齊則進行自然對數轉換。分析時，以P〈 0.05為差異有顯著性意義，并用Duncan法進行均值的多重比較。

2 結果與分析

2.1 施肥位置與雜草管理對作物產量的影響

從馬鈴薯來看，施肥位置對其產量無顯著影響(表1、表2)。但除草顯著提高了種間行和種內行施肥的產量，且較不除草處理分別增產29.8%和34.9%。

從玉米來看，施肥位置和雜草管理對產量均有顯著影響，且存在顯著的交互效應，表現為在除草情況下，種內行施肥的玉米產量顯著高于均勻施肥和種間行施肥處理。而在不除草情況下，則為種間行施肥的玉米產量顯著高于種內行施肥和均勻施肥，其中種間行施肥較均勻施肥的產量高63.74%；不同施肥方式下進行的除草效果存在顯著差別，其中均勻施肥和種內行施肥下除草能顯著提高玉米產量，但種間行施肥下進行除草未能顯著提高玉米產量。

表1 不同施肥位置和雜草管理下間作玉米和馬鈴薯的產量 (kg/hm2)Table 1 Yields of maize and potato affected by fertilizer placement and weed management

表2 施肥位置和雜草管理影響間作玉米和馬鈴薯產量和生物量的方差分析表Table 2 Variance analysis of the effects of fertilizer placement and weed management on yield and biomass of maize and potato

2.2 施肥位置與雜草管理對玉米和馬鈴薯生物量的影響

與產量相似，施肥位置對馬鈴薯的生物量無顯著影響，但除草有顯著促進作用，其顯著影響出現在均勻施肥和種內行施肥時，種間行施肥時除草無顯著作用。

對于玉米，施肥位置和雜草對生物量均有顯著影響，也存在顯著的交互效應 (圖2、表2)，且兩個試驗因素對玉米生物量的影響規律與對其產量的影響相同。

2.3 施肥位置與雜草管理對植株株高的影響

對于馬鈴薯，施肥位置和雜草對株高均有顯著影響 (圖3、表2)。在除草情況下，均勻施肥的馬鈴薯株高顯著高于種間行施肥。但在不除草情況下，均勻施肥則顯著低于種間行施肥。無論除草與否，種間行施肥的馬鈴薯株高與種內行施肥之間的差異不顯著。在均勻施肥情況下，除草顯著增加了株高，種間行和種內行施肥時，除草均無顯著影響。

對于玉米，施肥位置和雜草對株高均有顯著影響，且存在顯著的交互效應，表現為除草顯著提高了均勻施肥和種間行施肥的株高。無論除草與否，種間行施肥的株高均顯著高于均勻施肥和種內行施肥。其中，在不除草情況下，兩兩間的差異均達顯著水平 (種間行施肥 〉 種內行施肥 〉 均勻施肥)；在除草情況下，均勻施肥和種內行施肥的玉米株高差異不顯著，但顯著低于種間行施肥。

2.4 施肥位置與雜草管理對根系生物量的影響

施肥位置和雜草管理對作物根系生物量均有顯著影響 (圖4、表2)。不論是否除草，與均勻施肥相比，種內行施肥顯著提高兩種作物的總根系生物量，但種間行施肥無顯著影響；在均勻施肥和種內行施肥的情況下，除草顯著提高作物的總根系生物量，但在種間行施肥時無顯著影響。

圖2 不同施肥位置與雜草管理下玉米及馬鈴薯的生物量Fig. 2 Biomasses of maize and potato of various fertilizer placements and weed managements

圖3 不同施肥位置和雜草管理下間作玉米及馬鈴薯株高Fig. 3 Heights of maize and potato plants affected by various fertilizer placement and weed control

2.5 施肥和生長位置對雜草生物量的影響

施肥位置 (F= 7.147，P= 0.001) 和雜草生長位置 (F= 28.052，P〈 0.001) 均對雜草生物量有顯著影響 (圖5)。與均勻施肥相比，種間行施肥顯著抑制了種間行和玉米種內行的雜草生物量，而種內行施肥則顯著抑制了種間行和馬鈴薯種內行的雜草生物量；無論施肥位置如何，雜草生物量在玉米種內行最高，種間行次之，馬鈴薯種內行最低。但僅有種內行施肥時，玉米種內行的雜草生物量顯著高于種間行，而在種間行施肥時，三個行間的雜草生物量無顯著差異。

2.6 施肥位置對作物和雜草總生物量的影響

在不除草情況下，種間行施肥和種內行施肥的作物及雜草總生物量分別較均勻施肥提高6.48%和2.48%，但從統計上來看，施肥位置對玉米、馬鈴薯和雜草的總生物量卻無顯著影響 (F= 0.724，P=0.523) (圖6)，這可能與各處理相等的施肥量和土地生產力有關。盡管施肥位置對馬鈴薯生物量及產量均無顯著影響 (表1、表2)，但有意義的是，施肥位置對玉米生物量 (圖2、表2) 和產量 (表1、表2) 以及雜草生物量 (圖5) 均有顯著影響，即通過種間行施肥降低了雜草對玉米的影響，從而獲得更高的玉米產量，提高了肥效。

圖4 不同施肥位置與雜草管理下玉米及馬鈴薯根系生物量Fig. 4 Root biomass of maize and potato affected by various fertilizer placement and weed control

圖5 不同施肥位置下作物行間雜草生物量Fig. 5 Weeds biomass in crop rows affected by various fertilizer placement

3 討論

本研究以玉米馬鈴薯間作模式為研究對象，通過一年的田間試驗，初步明確了施肥位置與除草在影響作物生長過程中具有一定的交互效應。從施肥位置對雜草抑制作用的影響來看，相對種內行施肥和均勻施肥，種間行施肥下玉米的產量和生物量對雜草的響應不敏感，具有較好的穩定性，即雜草對玉米的抑制作用可以通過不同施肥位置來降低；從雜草對施肥位置效應的調節來看，在保留雜草的情況下，種間行施肥相對有利于馬鈴薯的生長和產量提高，而在除草情況下種內行施肥有利于玉米產量的提高。研究初步表明，施肥位置與除草兩種重要的農業生產管理措施在影響作物多樣性種植模式的生產中存在聯系，這對于促進肥料施用效果，以及完善雜草防控措施有一定的參考價值。

圖6 不同施肥位置下作物和雜草總生物量Fig. 6 Total crop and weeds biomass affected by various fertilization placement

由于群體中的植物需要綜合地響應相鄰植株和土壤養分[17]，因此，需要從作物種間關系和異質作物群體結構來了解兩種田間管理措施間的特定聯系及形成原因。從雜草影響施肥位置效應來看，理論上雜草通過養分耗竭勢必降低作物產量和生長。

然而，本試驗中保留雜草條件下馬鈴薯的產量并未受到顯著影響，去除雜草后，不同施肥位置處理間馬鈴薯的產量也無顯著差異。這可能得益于該作物具有較快的生長速度和較高的地表覆蓋度。由于雜草是一種機會主義者，在沒有空間機會，特別是光照的情況下[20]，雜草的生長能夠得到有效的抑制。事實上，有研究已證實調整作物播種時期[21]、田間布局和密度設計[13,22]，減少雜草入侵的光照機會是控制雜草的有效措施。因此，本研究一定程度地表明，雜草對施肥位置效應的影響在覆蓋度低和苗期生長速度慢的作物，例如禾本科類谷物上的重要性相對更高，而對于速生類、闊葉類、覆蓋性較好的作物如綠葉蔬菜、甘薯等影響相對較小 (需要配合播種前的耕作)。

與馬鈴薯不同的是，玉米在保留雜草的情況下，種間行施肥處理的產量高于種內行和均勻施肥，而除草后，種內行與種間行施肥的產量差異不再顯著，即除草管理能夠一定程度地消除施肥位置對玉米的影響，但具體的有關機制，如雜草根系分泌物可能改變土壤理化性狀和土壤微生物活性，進而影響作物根系對養分的吸收利用等有待研究。

從施肥位置影響雜草效應來看，土壤資源及其分布均可以影響植物群落的結構與功能，此重要過程主要是通過調節物種間關系來實現[23-24]。本研究中，施肥位置顯著地影響了小區內總的雜草生物量，以及不同作物行間的雜草生物量，其過程可以分為三類。一是改變雜草與雜草間的種間關系。例如，相對于均勻施肥，肥料位于種間行時，由于該區域的雜草對光照和養分資源的需求同時得到滿足，相對于種內行具有生長優勢。當然并不必然形成強烈的競爭，導致優勢雜草的抑制作用增加，因為兩種作物行間位置的雜草空間位置相對獨立，這也有助于增加雜草物種多樣性，改善農田生態功能[25-26]。二是影響雜草與作物之間的種間關系。當肥料位于種間行時，馬鈴薯根系和雜草根系因趨肥性而集中生長在種間行，形成較強烈的競爭，但由于馬鈴薯前期生長速度快，可以對雜草形成一定的抑制，削弱雜草對玉米的影響。這在種內行施肥時體現得尤其明顯，但該施肥位置增加了雜草對玉米的競爭作用。值得指出的是，不論是否除草，種間行施肥下玉米的產量沒有發生顯著改變，即可以通過種間行施肥來降低雜草對玉米生長的影響。三是基于雜草來調節作物間的相互關系。當種間行施肥時，前期快速生長的馬鈴薯在種間行的驅肥性根系生長和郁蔽的枝葉覆蓋顯著地抑制了雜草生長，緩解了雜草抑制競爭力較弱的玉米，反之肥料施用在種內行時，間作玉米和馬鈴薯基于雜草的種間互利作用削弱。

此外，對于本研究中種間行施肥下除草與不除草處理的作物生產力相對較穩定，而均勻施肥和種內行施肥下則波動較大。除了與施肥位置改變了種間關系有關，可能還需要考慮作物種內競爭的影響。研究表明許多植物具有親緣識別能力，表現為根系生長趨避親緣關系更近的鄰株個體，當養分斑塊介于兩株親緣關系較近的個體間時，根系的趨肥性生長受到抑制。因此，推測在種內行施肥時，作物對養分的競爭力低于雜草，導致雜草在種內行內借助養分斑塊滋長。當然，這一推測需要進一步結合不同作物和播差期來考慮。本研究中，種間行施肥有利于馬鈴薯的生長和產量提高，種內行施肥則有利于玉米，這可能是由于馬鈴薯提前播種，在生長前期對玉米的競爭強度較大。

根據本研究的初步結果，鑒于不同施肥下馬鈴薯的產量不受施肥位置影響，建議實際生產中以種間行施肥為宜，以降低雜草的影響，同時提高肥料的利用。當然，由于本試驗中采用的是控釋肥，如果是常規速效肥，建議可以針對不同作物，進一步實施精準施肥。對于馬鈴薯進行種間行施肥，對于玉米可適當分配一定量的肥料在種內行，尤其是在播差期較大 (例如超過1個月) 的情況下，避免前期馬鈴薯對玉米形成嚴重的光競爭抑制，影響玉米后期的恢復性生長。也可以考慮作物生長前期在種間行施基肥 (促進馬鈴薯，抑制雜草)，追肥時在玉米種內行施肥 (促進玉米)。此外，在玉米與馬鈴薯間作體系中，玉米多為主作物，本研究結果顯示在種間行施肥時，雜草對玉米產量的影響不顯著，同時，鑒于馬鈴薯對雜草相對較不敏感，因此可以減少該間作體系中的除草頻次或除草劑用量，其中在馬鈴薯種內行的雜草甚至可以不除，這有利于減少勞動力投入，實現輕簡化種植，減少除草劑的使用量，促進農田生態環境質量的改善。

4 結論

在玉米-馬鈴薯間作體系中，施肥位置與雜草控制在影響作物生長過程中具有交互效應。相對于種內行施肥和均勻施肥，種間行施肥下玉米的產量和生物量對雜草的響應不敏感，具有較好的穩定性；在保留雜草的情況下，種間行施肥有利于玉米產量的提高，而在除草情況下種內行施肥有利于玉米產量的提高。因此，可通過種間行施肥來降低雜草對玉米的影響，提高肥料的施用效果。