箭筈豌豆、玉米產量對間作和施氮水平的響應

韓鐘英，趙 財，胡發龍

（1甘肅省農業工程技術研究院，甘肅武威733000；2甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農業大學農學院，蘭州730070）

0 引言

氮肥在農業生產中具有重要作用，但施入土壤中的氮肥50%以上通過氮素損失進入大氣、水體中，導致嚴重的生態環境問題，如水體富營養化、溫室效應加劇等[1-2]。中國氮肥生產和消費水平遠高于世界其他國家，但利用率卻很低[3]，由此導致了諸多農業生產問題，受到了專家和學者們廣泛關注[4-5]。探索高效的種植模式和降低氮肥施用量是提高氮肥利用率、降低農業生產成本和促進農業可持續發展的必然要求[6-7]。間作套種作為中國傳統農業的重要組成部分，對提高農業生產可持續性具有積極作用。大量研究表明，合理間套作能顯著改善作物礦質營養條件、促進作物生長[8-9]。與單作相比，間作系統充分利用了各種生長因子從而獲得高產[10]。不同作物類型搭配模式中，禾/豆間作在節約化學氮肥、提高氮肥利用率等方面有明顯優勢[11]，是可持續農業發展的重要方向之一[12]。目前，禾/豆間作類型豐富多樣，如玉米間作蠶豆[13]、玉米間作豌豆[14]、小麥間作蠶豆[15]、小麥間作豌豆[16]等，多項研究普遍認為間作的禾本科作物促進了豆科作物生物固氮，進而提高了系統產量[17-18]。以玉米為主栽作物的禾/豆間作模式近年來成為國內大面積采用的復合種植體系[14]，其在時間和空間生態位上的高效互補，使該系統具有較高的產量和經濟效益[8,11]。將玉米與綠肥作物間作，可降低化學氮肥投入，同步實現氮肥減量和氮素利用效率提升。然而該種植模式下氮肥減量是否會造成作物減產還不甚明確。為此，本研究以玉米、箭筈豌豆間作復合群體為對象，在不同施氮水平下探究間作玉米和箭筈豌豆的產量表現，明確玉米間作箭筈豌豆產量形成機制，以期為創建高產高效的種植模式和氮肥管理體系提供理論依據。

1 試驗設計與方法

1.1 試區概況

本試驗于2017在甘肅省武威市涼州區甘肅農業大學試驗教學基地進行，該基地位于河西走廊東端，屬典型的內陸荒漠氣候區，海拔1776 m，年降水分布不均勻，主要集中在7—9月，年蒸發量2400 mm，平均氣溫7.7℃，日照時數2945 h，太陽輻射總量5.67 kJ/m2。試區供試土壤為灌漠土，pH 7.39，有機質含量17.82 g/kg，全磷1.41 g/kg，全氮0.79 g/kg，容重1.56 g/cm3。

1.2 試驗設計

采用裂區試驗設計，種植模式為主處理，施氮水平為副處理。種植模式設玉米間作箭筈豌豆(V/M)、單作玉米(M)、單作箭筈豌豆(V)3種；施氮水平設0 kg/hm2(N0)、240 kg/hm2（N1，習慣施氮減量20%）、300 kg/hm2（N2，習慣施氮）3個梯度，共9個處理，每處理3次重復。玉米間作箭筈豌豆田間結構為玉米幅寬110 cm、箭筈豌豆幅寬80 cm，每小區3個自然帶。每個自然帶內箭筈豌豆分行種植，行距20 cm，共4行；玉米行距40 cm，共3行。單作箭筈豌豆和單作玉米田間結構與相應作物在間作系統中布置相同。小區面積5.7 m×7 m，供試箭筈豌豆品種為‘蘭箭3號’，4月1日播種，7月8日收獲；玉米品種為‘先玉335’，4月20日播種，9月28日收獲。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 干物質測定 玉米播種后（箭筈豌豆出苗20天后）每隔15天取樣一次，選取代表性玉米10株，收獲后（大喇叭口期—成熟期）每隔25天取樣一次，選取代表性玉米5株；箭筈豌豆按邊行10株、內行10株，取連續的20株。間作每小區玉米、箭筈豌豆各留一自然帶不進行任何采樣破壞，用于最后測產。采回樣品首先在105℃下殺青15～30 min，然后在80℃烘干8～12 h，直到恒重，用電子天平稱重(0.01 g)。

1.3.2 產量構成因素測定 每小區取連續的4行箭筈豌豆，長50 cm，測定每株豆莢數、單莢粒數和500粒重；玉米每小區取1 m2樣方測定穗數，并取5株玉米測定穗行數、行粒數和500粒重。

1.3.3 籽粒產量測定 待箭筈豌豆成熟后在間作小區中未經擾動的自然帶量取150 cm收割、脫粒并進行計產；在單作小區中間選取長勢均勻的1 m×1 m樣方收割后脫粒進行計產（單、間作每小區取3次重復）。玉米成熟后于間作和單作每小區中未經擾動的種植帶內分別取60株脫粒后進行計產。

1.3.4 收獲指數(HI)收獲指數計算如式(1)所示。

式中，GY是籽粒產量，BY是生物產量。

1.4 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2013進行整理匯總，用SPSS 19.0軟件進行顯著性檢驗和通徑分析。

2 結果與分析

2.1 干物質累積特征

2.1.1 箭筈豌豆干物質累積 單作和間作種植模式下箭筈豌豆干物質累積動態遵循“S”型生長，且不同階段干物質累積量受種植模式和施氮水平顯著影響（圖1）。主效應分析表明，種植模式、施氮水平對箭筈豌豆干物質累積總量的影響顯著(P＜0.05)，且種植模式×施氮水平的交互作用顯著(P＜0.05)。種植模式間相比，間作干物質總累積量顯著高于單作，與單作相比在不施氮(N0)、減量施氮(N1)和傳統施氮(N2)處理下分別提高44.0%、36.7%和37.2%。施氮水平間，N1處理干物質累積總量最高，達3435 kg/hm2，在間作模式下比N2提高9.1%，比N0提高25.5%；單作模式下，比N2提高9.4%，比N0提高32.1%。因此，相比傳統施氮，減量施氮可獲得更高的箭筈豌豆干物質累積量。

2.1.2 玉米干物質累積 與箭筈豌豆變化趨勢相似，單作和間作玉米的干物質累積動態符合“S”型生長曲線，且不同階段干物質累積量受種植模式和施氮水平顯著影響（圖1）。主效應分析發現，種植模式、施氮水平對玉米干物質累積總量影響顯著(P＜0.05)，且種植模式×施氮水平的交互作用顯著(P＜0.05)。不同種植模式相比，間作干物質總累積量最高，與單作相比在N0、N1和N2處理下分別提高23.3%、22.5%和23.0%。施氮水平間，N1處理的干物質累積總量最高，達20980 kg/hm2，在間作模式下比N2提高9.3%，比N0提高19.8%；在單作模式下，N1干物質累積比N2提高9.9%，比N0提高20.7%。

圖1 不同施氮水平下單作和間作箭筈豌豆、玉米的干物質累積

2.2 產量構成要素

2.2.1 箭筈豌豆 不同處理箭筈豌豆的豆莢數、單莢粒數和500粒重因種植模式和施氮水平表現出較大差異（表1）。就豆莢數而言，種植模式影響顯著，間作較單作提高7.6%；此外，施氮水平影響顯著，N1處理豆莢數較N2提高5.3%，較N0提高16.9%；就豆莢粒數而言，種植模式影響不顯著，施氮水平影響顯著，N1較N2和N0分別提高14.3%和44.5%；就500粒重而言，種植模式影響不顯著，但施氮水平影響顯著，且不同施氮水平中N1處理500粒重最高，較N2提高9.5%，較N0提高14.4%。

2.2.2 玉米 種植模式和施氮水平對不同處理玉米穗數、穗粒數和500粒重的影響具有較大差異（表1）。就穗數而言，種植模式影響顯著，且間作玉米的穗數顯著高于單作玉米，與單作相比，間作玉米穗數平均提高14.5%；此外，施氮水平同樣顯著，N1較N2提高10.5%，較N0提高12.0%。就穗粒數和500粒重而言，種植模式和施氮水平的影響均不顯著。

表1 不同施氮水平下單作和間作箭筈豌豆、玉米的產量構成因子

2.3 產量表現

2.3.1 箭筈豌豆 主效應分析表明，種植模式(P＜0.01)和施氮水平(P＜0.01)對箭筈豌豆產量的影響顯著，但種植模式×施氮水平的交互作用不顯著(P＞0.05)。種植模式間相比，間作比單作具有明顯的產量優勢，較單作平均提高34.9%（圖2）。施氮水平間相比，N1處理產量最高，與N2相比差異不顯著，與N0相比平均提高30.0%。因此，減量施氮可同樣獲得較高產量。

圖2 不同施氮水平下單作和間作箭筈豌豆、玉米的產量

2.3.2 玉米 主效應分析表明，種植模式對玉米產量的影響顯著(P＜0.01)，施氮水平影響顯著(P＜0.01)，且間作模式和施氮的交互作用顯著(P＜0.01)。種植模式間相比，間作玉米產量顯著高于單作玉米，較單作平均提高27.0%（圖2）。不同施氮水平間，N1處理產量最高，與N2相比無顯著差異，與N0相比平均提高70.1%。此結果表明，減量施氮同樣支撐玉米獲得高產。

2.4 通徑分析

2.4.1 箭筈豌豆產量形成機制 在不同種植模式及施氮水平下，箭筈豌豆籽粒產量與各產量構成因子成正相關（表2）。通過籽粒產量與產量構成的直接通徑系數可以看出，各指標對籽粒產量的決定次序是豆莢數＞粒重＞單莢粒數；通過籽粒產量與各指標的間接通徑系數可看出，豆莢數通過單莢粒數和粒重，以及粒重通過豆莢粒數對產量的貢獻最大。由此說明，不同種植模式及施氮條件主要通過豆莢數增加來提高箭筈豌豆籽粒產量。

2.4.2 玉米產量形成機制 在不同種植模式及施氮條件下，玉米籽粒產量與各產量構成因子呈正相關（表2）。通過籽粒產量與各指標的直接通徑系數可看出，各指標對玉米產量形成的決定次序是穗數＞粒重＞穗粒數；通過籽粒產量與各指標的間接通徑系數可以看出，穗數通過穗粒數和粒重，以及粒重通過穗粒數對玉米產量的貢獻最大。說明不同間作和施氮條件主要是通過增加穗數提高玉米籽粒產量。

表2 不同處理箭筈豌豆和玉米籽粒產量與產量因素的相關系數和通徑系數

3 結論

玉米和箭筈豌豆間作可使兩作物的干物質累積量增加，進而使籽粒產量較單作顯著提高。間作模式中，減量施氮提高了2種作物的干物質累積量和決定籽粒產量的構成因子，因而減氮20%未引起箭筈豌豆和玉米顯著減產。通過通徑分析可知，對箭筈豌豆產量影響最大是豆莢數，其次是粒重和單莢粒數；對玉米產量影響最大的是穗數，其次是粒重和穗粒數。因此，240 kg/hm2是玉米間作箭筈豌豆的適宜施氮水平。

4 討論

4.1 地上部干物質積累特性

作物生育期內干物質積累是產量形成的重要基礎。趙平等[19]研究表明，小麥/蠶豆間作顯著提高了整個生育期內小麥地上部植株含氮量，為干物質形成和產量提高奠定了基礎。因此，間作可通過提高作物對養分的截獲利用，進而提高系統生產力[8,17]。本研究中，間作箭筈豌豆和玉米干物質累積量較相應單作均有顯著提高。與單作相比，間作箭筈豌豆干物質累積總量在3個施氮水平下平均提高39.3%，間作玉米在3個施氮水平下平均提高22.9%。雍太文等[20]研究發現，間作減量施氮可促進大豆生物固氮，使葉片生產和積累更多光合物質。本研究發現相似結果，在玉米/箭筈豌豆間作系統中氮肥施用量降低20%可使箭筈豌豆干物質累積總量較傳統施氮提高9.1%，使玉米干物質累積總量較傳統施氮提高9.3%。

4.2 產量形成機制

合理的間作模式有利于提高作物產量，尤其是禾本科作物與豆科作物間作[11,18]。其主要機理是禾本科作物對豆科作物固氮作用的促進以及土壤磷素活化[8,21]，在地上部則表現為單位面積籽粒數增多和粒重增大[22]。本研究發現，箭筈豌豆單株豆莢數受到種植模式顯著影響，較單作提高7.6%，但單莢粒數和500粒重未受到顯著影響，表明生物固氮量增大會促進箭筈豌豆花芽分化，但對同化物轉運和分配的調控作用較小，這與Hu等[23]研究發現玉米/豌豆間作可提高豌豆粒數和粒重的結果有所不同。此外，與之間作的玉米也表現出相似結果，其單位面積穗數較單作提高14.5%，但穗粒數和500粒重并未受到顯著影響。張正翼等[24]研究了24份大豆品種發現，豆莢數對大豆產量影響最大，其次為百粒重和豆莢粒數，這與本研究發現箭筈豌豆豆莢數對其產量影響最大，其次是粒重和單莢粒數的結果趨于一致。因此，本研究中，間作箭筈豌豆產量較單作平均提高34.9%。葉君等[25]認為穗數是決定玉米產量高低的決定因子，與本研究中玉米穗數對其產量影響最大，其次是粒重和穗粒數的結果相似。因此，間作通過提高單位面積穗數使其產量較單作平均提高27.0%。

作物生長離不開氮素，因此氮肥被廣泛應用于農業生產中，是農作物獲得高產的基礎。然而，禾/豆間作模式中豆科作物能進行生物固氮，施氮量增大會引起氮阻遏效應、制約固氮量提高[17-18]。本研究中箭筈豌豆在氮肥減量20%時豆莢數、單莢粒數及500粒重較傳統施氮分別提高5.3%、14.3%和9.5%，表明箭筈豌豆可通過生物固氮彌補氮素供應不足，并促進同化物向籽粒轉運[26-27]。高施氮使玉米等禾本科作物長期保持較高的營養生長，導致同化物在生殖器官中的轉運量減少[28]。本研究中，氮肥減量20%(240 kg/hm2)能有效防止玉米由于氮素營養豐沛而產生的生殖生長受限，與傳統施氮相比，該處理下玉米的單位面積穗數提高了10.5%。通過通徑分析發現，箭筈豌豆和玉米產量形成的決定因子分別是單株豆莢數和單位面積穗數，因此氮肥減量20%處理通過提高兩種作物的產量決定因子使其最終產量與高施氮處理無顯著差異。綜上，間作結合施氮量240 kg/hm2是綠洲灌區玉米、箭筈豌豆適宜的種植模式和施氮水平。