不同植物生長延緩劑和除草劑對苜蓿/玉米套作系統產量和種間競爭的影響

許瑞軒，趙海明，劉貴波，張英俊，曲 毅

（1. 中國農業大學草業科學與技術學院，北京 100193；2. 農業農村部草地管理與合理利用重點實驗室，北京 100193；3. 河北省農林科學院旱作農業研究所，河北 衡水 053000；4. 河北省農作物抗旱研究重點實驗室，河北 衡水 053000）

紫花苜蓿(Medicago sativa)作為高產優質的豆科牧草，是奶牛養殖中必不可少的蛋白飼料來源。華北平原是我國重要的奶牛養殖基地之一，2018 年華北各省奶牛存欄數達到263.2 萬頭，占全國的25%，對苜蓿的需求量巨大[1]。但該區域夏季高溫多雨的氣候特點給苜蓿大面積種植帶來了一些問題，如由高溫高濕引起苜?！跋拿摺焙筒∠x害頻發，導致產量和品質下降；集中的降雨也給苜蓿晾曬干草帶來困難，如遇連續陰雨天氣也會造成收獲機械無法下地[2]，經濟效益大幅降低[3]。劉貴波等[4]根據這一氣候特點，開發了單作紫花苜蓿田夏季套作青貯玉米(Zea mays)技術，即在相對涼爽干燥的春季進行紫花苜蓿干草生產，產量可占單作苜蓿全年產量的50%～70%[5-8]，6 月刈割第2 茬后在苜蓿行間套種青貯玉米，轉為生產青貯玉米，至9 月下旬青貯玉米和苜蓿混收進行青貯，之后苜蓿正常再生，次年收獲兩茬苜蓿后再重復種植青貯玉米。該模式可充分利用夏季的光、雨、熱資源，獲得與單作苜蓿相同的經濟效益[2]，有效解決了目前華北平原苜蓿生產存在的問題。

作為一項新的技術，該模式還有一些關鍵技術需要優化和完善。如何有效控制苜蓿過快再生對玉米苗期產生的生長空間、水分和養分競爭，進一步促進系統的生產力，為該模式亟待解決的問題之一。種間競爭常常造成與多年生豆科作物套作的玉米減產10%以上[9-10]，使用除草劑或植物生長延緩劑等化學農藥控制多年生作物的生長是增加套作玉米產量的常用措施[11]。Hall 等[12]報道，在玉米苗前或生長前期通過化學藥劑控制豆科地被作物可保證套作玉米的生產，且多年生豆科作物可在秋季恢復生長。Eberlein 等[13]在不考慮綠肥作物成活率的前提下，使用除草劑莠去津和草甘膦抑制苜蓿，顯著提高了玉米的產量。Grabber[10]發現噴施植物生長延緩劑調環酸鈣可以有效抑制套種于玉米行間的苜蓿苗期的生長，提高玉米產量的同時，增加了苜蓿的建植成功率，并提高了苜蓿第2 年的產量，而多效唑則會降低苜蓿的密度。華北平原是傳統的夏玉米種植區，播種后噴施苗前除草劑是該區域常規的雜草管理措施。在套作系統中使用除草劑也可控制苜蓿過快生長，但除草劑施用不當易導致苜蓿產生藥害，降低苜蓿的生產力[14]。相比而言，植物生長延緩劑具有延緩植物生長、抑制莖稈伸長、促進植物分蘗、增強植物抗逆性等作用的同時，還可以提高產量，更加安全高效[15]。目前，針對苜蓿生長延緩劑的研究主要集中在苜蓿種子生產方面，使用生產延緩劑(如乙烯利、多效唑、縮節胺、矮壯素等)可降低植株高度和倒伏指數，增加種子產量[16-18]。但生長延緩劑對于該苜蓿/玉米套作系統中苜蓿的抑制作用和對干草產量的影響更無報道。本研究以不損害青貯玉米和春季苜蓿的產量為前提，選擇植物生長延緩劑調環酸鈣、多效唑和甲哌鎓(又名縮節胺)以及該區域常用的玉米田除草劑丁異莠去津和異丙甲草胺，探究5 種抑制劑對苜蓿/玉米套作系統中苜蓿的抑制作用以及對苜蓿、玉米和系統產量的影響，篩選出適合該模式的苜蓿抑制劑，保證該模式的生產力水平和生產應用。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究于2018 年6 月至2019 年10 月在位于華北平原腹地的河北省深州市河北省農林科學院旱作節水農業試驗站(37°44′ N，115°42′ E，海拔20 m)開展。2018 和2019 年該地區的年平均氣溫分別為13.9 和14.4 ℃，年降水量分別為502 和250 mm，其中6 月 – 9 月的降水量分別占總降水量的67%和81% (圖1)。供試土壤為壤質粘潮土，試驗前測定0 – 20 cm 土壤pH 為7.8，全氮含量為1.5 g·kg–1，全磷含量為886.7 mg·kg–1，全鉀含量為9.5 g·kg–1，堿解氮含量為74.0 mg·kg–1，速效磷含量為19.4 mg·kg–1，速效鉀含量為202.1 mg·kg–1，有機質含量為15.62 g·kg–1。

圖1 試驗地2018、2019 和1980-2019 年溫度和降水量Figure 1 Monthly precipitation and average air temperature of 2018, 2019 and 1980-2019

1.2 試驗材料及藥劑

紫花苜蓿品種為“中苜1 號”，由中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所提供；玉米品種為糧飼兼用品種“鄭單958”，購自河南金博士種業股份有限公司。

3 種植物生長延緩劑和2 種除草劑的的具體參數信息如表1 所列。

表1 5 種藥劑詳情及使用劑量Table 1 Detailed information on five agrichemicals and the dose applied in the study

1.3 試驗設計與田間管理

采用雙因素完全隨機區組設計，兩個因素分別為噴施植物生長延緩劑和噴施玉米田除草劑。生長延緩劑處理有4 個水平，分別為清水對照(CK)、調環酸鈣(A)、多效唑(B)、甲哌鎓(C)；除草劑處理3 個水平，分別為清水對照(CK)、丁異莠去津(D)、異丙甲草胺(E)；試驗設3 個區組，共12 個處理組合，其中包括1 個噴施清水的對照，3 個單施生長延緩劑處理，2 個單施除草劑的處理和6 個生長延緩劑和除草劑的混施處理，每個處理3 個重復，共36 個小區。小區面積2.4 m × 1.8 m，區組間距為1 m。

紫花苜蓿于2017 年10 月初進行秋播，播種前用專用根瘤菌拌種，條播種植，播種量為15 kg·hm–2，播深2～3 cm。播種前施復合肥750 kg·hm–2(N ∶ P ∶ K =15 ∶ 15 ∶ 15)。2018 和2019 年分別于5 月上旬和6月中旬在初花期刈割一次。為了套播青貯玉米，苜蓿由傳統的30 cm 等行距調整為20 – 40 – 20 – 40 cm寬窄行距的播種方式，苜蓿40 cm 行間播種一行青貯玉米，玉米行距與當地單播玉米行距一致，均為60 cm，播種時間分別為2018 年6 月25 日和2019年6 月27 日，種植密度為45 000 株·hm–2，套種玉米后施復合肥750 kg·hm–2，并立即灌溉600 m3·hm–2。噴施處理的時間在玉米播后苗前，日期為2018 年6 月30 日和2019 年6 月30 日，分別為苜蓿第2 茬刈割后的第11 天和第7 天，玉米播種后第6 天和第4 天。套作玉米后苜蓿不再收割，參照玉米田管理方式，直至玉米蠟熟期時同時分別對苜蓿和全株玉米測產，并分別計算全株產量。2018 和2019 年的收獲時間分別為10 月6 日和10 月5 日。

噴施劑量根據產品推薦劑量和文獻[16, 19]的使用劑量綜合設定(表1)。噴施時將每個小區的相應試劑按照劑量稀釋于1 L 的清水中，使用手持壓縮噴霧器均勻噴施，噴施時小區四周用木板圍擋，防止藥劑飄散到臨近小區。

1.4 測定指標與方法

株高：2019 年分別于套作前期(7 月14 日，施藥后14 d)和套作后期(8 月26 日，施藥后56 d)，在每個小區分別隨機選取10 株苜蓿和玉米，測定莖基部至植株頂端高度。2018 年未進行測定。

葉綠素含量：2019 年測定株高的同時，每個小區分別隨機選取10 片苜蓿和玉米的葉片，使用SPAD 葉綠素測定儀(日本美能達)測定，以SPAD值表示。2018 年未進行測定。

產量：苜蓿和玉米均全小區收獲，測定小區鮮草產量，通過干鮮比折算干草產量。玉米選擇有代表性單株5 株，稱其鮮重，苜蓿選擇有代表性的樣品500 g，自然風干后稱其干重，計算干鮮比。2018年春季2 茬苜蓿未進行處理，全試驗區域統一測產，春季兩茬總產量為10.2 t·hm–2。

食物當量：食物當量是任繼周提出的基于蛋白質和熱量的新量綱，用以衡量不同物品用作食物的效能或潛力[20-21]。本研究用食物當量統一兩種作物的價值，對比套作系統產值的變化。其計算公式為：食物當量[22](food equivalent unit，FEU) =H/1 580.0 +P/77.0；H、P分別為單位重量(100 g)食物中的熱量和蛋白質含量。苜蓿和青貯玉米[2]的H值分別為16.58 和17.79 kJ·g–1；P值分別為1.6 和0.7 g·kg–1。

1.5 數據處理

運用Excel 2010 進行數據整理和初步計算，使用SPSS 17.0 進行二因素方差分析，分析生長延緩劑和除草劑對苜蓿/玉米套作系統株高、葉綠素含量和產量的影響。數據通過Shapiro–Wilk 正態分布檢驗，兩年數據分別統計。如果差異顯著，則使用Turkey 法比較處理間在P= 0.05 水平上進行多重比較。采用SigmaPlot 12.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 噴施植物生長延緩劑和除草劑對套作期間植物株高和葉綠素含量的影響

2019 年在植物生長延緩劑和除草劑處理14 d后(表2)，苜蓿株高達到了45.8 cm，而玉米則在出苗后受到苜蓿的競爭，生長緩慢，株高僅59.8 cm。噴施生長延緩劑處理對套作前期苜蓿株高和葉綠素含量沒有顯著影響(P＞ 0.05)，而噴施除草劑影響極顯著(P＜ 0.01)，其中噴施丁異莠去津的處理苜蓿株高和葉綠素含量顯著低于對照和異丙甲草胺處理(P＜ 0.05)，但噴施異丙甲草胺并未影響苜蓿套作前期的株高和葉綠素含量(P＞ 0.05)。植物生長延緩劑處理和除草劑處理對苜蓿的生長沒有交互作用。對于套作前期的玉米株高，生長延緩劑、除草劑和二者的交互作用均不顯著(P＞ 0.05)。而丁異莠去津顯著增加了套作初期玉米的葉綠素含量(P＜ 0.05)。

在處理后的第56 天(表2)，玉米進入抽穗期，株高達到236.0 cm，苜蓿的株高為104.1 cm，除草劑處理對苜蓿和玉米株高的影響均達到極顯著水平(P＜0.01)，生長延緩劑和二者的交互作用對株高的影響不顯著(P＞ 0.05)。丁異莠去津處理相較于對照和異丙甲草胺處理，顯著降低了套作后期苜蓿的株高，顯著增加了玉米的株高(P＜ 0.05)。且玉米株高顯著高于對照(P＜ 0.05)。異丙甲草胺處理與對照無差異(P＞ 0.05)。苜蓿葉綠素對生長延緩劑、除草劑和二者的交互作用均無響應(P＞ 0.05)，除草劑處理對玉米葉綠素影響極顯著(P＜ 0.01)，丁異莠去津處理的玉米葉綠素含量顯著高于對照和異丙甲草胺處理(P＜ 0.05)。

表2 2019 年套作期間苜蓿和玉米的株高和葉綠素含量Table 2 Plant height and SPAD value of alfalfa and corn during the intercropping period in 2019

2.2 噴施植物生長延緩劑和除草劑對套作期間苜蓿和玉米產量的影響

噴施除草劑對2018 年套作期間的苜蓿、玉米、系統總產量和系統食物當量均有極顯著影響(P＜0.01)，生長延緩劑處理和二者的交互作用不顯著(P＞0.05) (表3)。2018 年套作期間所有處理平均苜蓿產量為2.8 t·hm–2，平均玉米產量7.4 t·hm–2。丁異莠去津處理顯著抑制了苜蓿的產量而顯著增加了玉米的產量(P＜ 0.05)，異丙甲草胺處理與對照差異不顯著(P＞ 0.05)，但苜蓿產量和系統總產量高于對照。2019年生長延緩劑和除草劑處理均對苜蓿套作期間產量有極顯著影響(P＜ 0.01)，但沒交互作用。生長延緩劑多效唑處理的苜蓿產量顯著高于對照(P＜ 0.05)，但與調環酸鈣和甲哌鎓處理差異不顯著(P＞ 0.05)；丁異莠去津顯著降低了苜蓿的產量(P＜ 0.05)，異丙甲草胺處理則與對照無差異(P＞ 0.05)。對于2019 年套作期間的玉米產量，只有除草劑處理的差異極顯著(P＜ 0.01)，丁異莠去津處理產量較異丙甲草胺處理提高了1.5 t·hm–2(P＞ 0.05)，較對照提高了2.4 t·hm–2(P＜ 0.05)。而2019 年套作期間系統總產量和總食物當量沒有響應生長延緩劑和除草劑處理(P＞ 0.05)。

表3 2018?2019 年套作期間苜蓿、玉米及系統產量和食物當量Table 3 Yield and food equivalent unit of alfalfa and corn during the intercropping period in 2018-2019

2.3 噴施植物生長延緩劑和除草劑對苜蓿第2 年春季產量的影響

2018 年除草劑處理對苜蓿2019 年春季的生長產生了極顯著的影響(P＜ 0.01)，而生長延緩劑和二者的交互作用不顯著(P＞ 0.05) (表4)。第1 茬苜蓿產量最高的為除草劑異丙甲草胺處理，為7.4 t·hm–2，顯著高于對照(P＜ 0.05)，丁異莠去津處理的產量最低，只有4.4 t·hm–2，顯著低于對照(P＜ 0.05)。第2 茬苜蓿產量異丙甲草胺處理產量最高，高于對照0.3 t·hm–2，但差異不顯著(P＞ 0.05)，二者均顯著高于丁異莠去津處理(P＜ 0.05)。春季兩茬總產量異丙甲草胺處理最高，較對照提高了8%，丁異莠去津處理產量最低，僅有對照的62%。

表4 2019 年春季苜蓿產量Table 4 Yield of alfalfa during the solo-growing period in 2019

2.4 噴施植物生長延緩劑和除草劑對全年總產量和食物當量的影響

由于2018 年春季苜蓿未作處理，所以2018 年套作期間的產量直接影響了套作系統全年總產量(圖2)。生長延緩劑和交互作用并未影響2018 年的套作系統全年產量和食物當量(P＞ 0.05)，除草劑處理之間差異顯著(P＜ 0.05)，丁異莠去津通過增加玉米的產量顯著增加了全年系統的產量(P＜ 0.05)。2019 年的系統總產量包括苜蓿春季產量和套作期間的產量，生長延緩劑及其和除草劑的交互作用均不顯著(P＞ 0.05)。對于除草劑處理，雖然噴施丁異莠去津顯著增加了玉米的產量，但同時顯著降低了苜蓿的全年產量，丁異莠去津處理的苜蓿全年總產量僅有9.9 t·hm–2，較對照降低了40%，而玉米產量只比對照提高了18%，所以2019 年全年總產量丁異莠去津處理全年總產量最低，較對照減少了4.1 t·hm–2，較異丙甲草胺處理減少了5.9 t·hm–2。2018–2019年丁異莠去津處理的系統總產量和食物當量最低，且顯著低于異丙甲草胺處理(P＜ 0.05)。

圖2 2018-2019 年系統總產量和總食物當量Figure 2 Total system yield and food equivalent unit during 2018 to 2019

3 討論與結論

植物生長調節劑與天然激素具有相似的生物效應，生產中常用來調節和控制植物生長發育，可增加作物的產量和品質，增強抗逆性，具有微量低毒等特點[23]，是控制苜蓿生長的首選。本研究選取的3 種植物生長延緩劑是在以往苜蓿相關研究中應用較多的，其原理均是通過抑制植物中內源赤霉素(GA)的生物合成，從而抑制莖尖伸長區中的細胞伸長控制植物株高。但3 種植物生長延緩劑在本研究中均未能有效抑制苜蓿的株高，起到緩解苜蓿對玉米幼苗過度競爭的作用(表2)。這可能與噴施劑量和噴施時間的選擇有關。Osterholz 等[19]在美國威斯康辛州開展的苜蓿玉米間作試驗中，使用有效成分(a.i.)濃度為0.25～1.0 kg·hm–2的調環酸鈣在苜蓿幼苗株高15 或25 cm 時進行葉面噴施處理，使苜蓿株高降低了13%～32%，苜蓿第2 年單作的干物質產量提高了4%～23%；對于水稻(Oryza sativa)分蘗末期的研究，發現調環酸鈣5%泡騰片在用量9.0～31.5 g·hm–2范圍內可顯著縮短節間，降低植株高度[24]；另有研究表明，調環酸鈣主要抑制GA 合成，而GA 與幼苗的生長有關[25]。本研究使用的調環酸鈣的劑量為0.12 kg·hm–2，高于產品的推薦劑量和水稻中的使用劑量，但低于Osterholz 等[19]使用的劑量，且苜蓿已非苗期，處于旺盛再生期，可能影響了抑制效果。多效唑和甲哌鎓多用于苜蓿種子生產的研究中，王曉龍等[16]使用60 g·hm–2的縮節胺在苜蓿現蕾前后分3 次噴施，顯著抑制了苜蓿的株高，促進了苜蓿早熟，提高了種子產量。不同于種子生產，苜蓿/玉米套作系統的最佳噴施時間為玉米出苗前，此時噴施對玉米的影響最小，也可以對苜蓿早期的再生產生抑制，有助于玉米出苗和生長，噴施時間也可能不利于3 種生長延緩劑發揮最佳藥效。Rajabpoor 和Hajihashemi[26]研究表明，多效唑可提高苜蓿抗旱性，但相比于另外兩種生長延緩劑，多效唑在土壤中殘留水平較高，半衰期長達0.5～1.0 年[27]，這也可能是多效唑處理在較為干旱的2019 年套作期間增加了苜蓿產量的原因(表3)。

本研究選用的兩種玉米田除草劑表現差異較大，丁異莠去津是當地應用最普遍的玉米田除草劑，由4%的丁草胺，20%的異丙草胺和18%的莠去津組成。丁草胺，異丙草胺和另一種選用的除草劑異丙甲草胺均為酰胺類除草劑，具有低毒、高效、穩定、安全、殘留量小等特點[28]。而莠去津屬于三嗪類化合物，主要作用機制是通過抑制植物光合作用使碳水化合物和光合合成反應受阻，對植物生長起到抑制作用[29]。

在本研究中，丁異莠去津處理的苜蓿葉片在噴施后第14 天明顯變黃，再生速度降低，株高和SPAD值顯著降低，而丁異莠去津處理的玉米SPAD 值顯著增加(表2)。葉綠素含量的增加說明玉米光能利用率的提升；大量研究也表明，葉綠素含量與葉片的含氮量呈正相關關系[30-31]，這也說明抑制苜蓿有利于玉米苗期對氮素的吸收利用，促進了玉米的生長。苜蓿雖然產生藥害，但并未完全停止生長，之后苜蓿葉片逐漸返綠，至處理第56 天時，苜蓿葉片SPAD 值恢復至與對照無差異，但株高仍顯著降低。玉米由于苗期的促進作用，株高和葉綠素水平均顯著提高(表2)，進而在2018 和2019 年丁異莠去津處理玉米的產量相應升高了89%和22% (表3)。在2018 年，所有套作玉米均生長不佳，平均產量僅有7.4 t·hm–2，遠低于2019 年的12.2 t·hm–2(表3)，可能是由于苜蓿2018 年6 月刈割后距玉米播種間隔較長，苜蓿再生旺盛，對玉米生長生產了較強的競爭導致的，同時也表明丁異莠去津在苜蓿競爭力強的情況下抑制作用更顯著。但丁異莠去津對苜蓿的抑制作用持續到了苜蓿第2 年單作期間，影響了苜蓿全年總產量，說明丁異莠去津對苜蓿產生了不可逆的損傷，造成苜蓿減產，且莠去津在土壤中淋溶性較高，對根系較深的苜蓿有持續的作用，不適合應用于該系統。這與王淼等[14]對苜蓿幼苗噴施煙嘧磺隆·莠去津造成苜蓿幼苗成活率降低的研究結果相似。張靜靜[32]研究了莠去津對苜蓿的毒理效應和解毒代謝機制，發現苜蓿地上和根部伸長量、干重均受到莠去津的抑制，苜蓿體內丙二醛含量增加，對苜蓿產生了氧化損傷。目前，莠去津被列為環境荷爾蒙類有機污染物，并對最大允許殘留量作出嚴格規定，含有莠去津成分的除草劑應逐步減少使用[33]。

異丙甲草胺通過在發芽種子的蛋白質合成過程中起抑制作用，從而起到防除雜草的作用。在本研究中，異丙甲草胺未對苜蓿產生明顯的藥害，也未抑制苜蓿的生長，但對苜蓿第2 年春季的產量有促進作用，提高了系統的總產量。張萌萌[34]發現苜蓿播后苗前噴施異丙甲草胺，促進了苜蓿苗期的株高和產量，未產生明顯的藥害；此外，異丙甲草胺改變了土壤微生物的組成，提高了土壤微生物群落多樣性。高越等[35]研究發現異丙甲草胺對花生(Arachis hypogaea)生長發育沒有影響，且有一定的增產效果。異丙甲草胺是目前比較安全的除草劑，雖未能促進玉米的生長，但有助于提升系統總產量，對于系統的雜草防治亦有作用。

綜上，3 種植物生長延緩劑均未能抑制苜蓿生長，對苜蓿的株高、葉綠素含量和產量均未產生影響，對套作玉米的產量也沒有促進作用。除草劑丁異莠去津對苜蓿有強烈的抑制作用，但苜蓿第2 年的單作產量亦受到影響，系統總產量和食物當量值大幅降低，證明含有莠去津成分的除草劑不適宜在苜蓿田使用。除草劑異丙甲草胺未能抑制套作前期苜蓿的生長，但對苜蓿有促進的作用，顯著提高了第2 年單作的產量，有利于提升系統總產量。在本試驗的基礎上，還需要進一步研究適用于該苜蓿/玉米套作系統的苜蓿抑制劑的種類、劑量和噴施時間，篩選既可有效抑制苜蓿早期再生、又不影響系統生產力的抑制劑。