玉米與豆科作物間套作體系氮素吸收效應研究進展

孫巖 喬月彤 趙強 胡延峰 朱英華 趙培國 宋立成 夏海勇

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.10.003

摘要：玉米與豆科作物間套作可以提高作物對氮、磷、鉀等養分的吸收能力，從而提高土地利用當量比和耕地產能。通過查閱相關文獻，對玉米與豆科作物間套作體系氮素吸收的表觀現象，包括氮素吸收量、地上部生物量和籽粒產量等指標，以及相關機制進行歸納總結。諸多研究結果表明，玉米與豆科作物間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產量，增長幅度分別在6.0%～57.5%、2.6%～52.6%和14.0%～64.2%之間，而與玉米全生育期共生間作的大豆、花生和豌豆等作物則受到抑制，蠶豆等套作豆科作物（整個生育期中的部分時間與玉米共生，通常與玉米錯期播種/收獲）則受到促進。關于玉米與豆科作物間套作體系氮素高效吸收的機制可概括為3個方面：一是種間競爭作用，由于玉米對氮素的競爭大于豆科作物，促進玉米對氮素的優勢吸收；二是作物根系相互作用和土壤微生物的存在，促進養分循環和作物之間的氮素轉移，豆科作物固定的氮素可以被玉米吸收利用；三是豆科作物結瘤增加，固氮基因表達增強，提高了自身固氮能力。在以往研究的基礎上，下一步需要加強在田間多場景（作物品種類型不同、土壤肥力梯度不同等）條件下的原位研究，從根際生命共同體（根系-土壤-微生物）作用機制以及種間地上相互作用-地下相互作用互饋的角度，更加全面和準確地闡明玉米與豆科作物間套作體系氮素高效吸收的機制，并加強農機農藝融合關鍵調控技術的研發，讓傳統間套作在現代農業中繼續發光發熱，賡續農耕文明。

關鍵詞：玉米；豆科作物；間套作；氮素利用效率；根際生命共同體

中圖分類號：S344.2；S344.3? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）10-0021-08

收稿日期：2023-10-21

基金項目：國家重點研發計劃子課題（編號：2016YFD0300202）；山東省科技特派員創新創業共同體濱州市玉米產業服務團項目。

作者簡介：孫? 巖（1969—），女，山東高青人，高級農藝師，主要從事基層農技推廣和農民教育培訓工作。E-mail：bzsy0898@126.com。

通信作者：夏海勇，博士，副研究員，主要從事農田糧油作物生態強化研究。E-mail：haiyongxia@cau.edu.cn。

作物間套作種植是指在同一地塊面積上依據一定空間組合比例優化配置2種或2種以上農作物的栽培方法，可以充分挖掘利用水、肥、氣、熱、光照、時間和空間等環境資源，改善作物營養生長狀況，從而提高土地利用效率、增加系統綜合產能和經濟效益［1］。與單作體系相比，間套作體系的養分吸收量和糧食產量均優于單作，并維持土壤肥力［2］。玉米與豆科作物間套作是常見的一種作物間套作種植組合類型。研究發現，豆科作物與玉米間套作種植能夠提高體系對氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵、錳、銅、鋅等礦質元素的吸收利用能力［3-6］，從而改善作物生長發育性狀［7］，最終增加總生物量和籽粒的產量［8］。例如，玉米與花生共生能夠防治花生葉片因缺鐵所導致的失綠黃化現象的發生，提高花生產量［3，9］。

氮元素是作物生長發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農業研究的重要方向之一。根瘤菌能夠在豆科作物根系繁殖，使得根皮層細胞形成根瘤，賦予豆科作物生物固氮能力，從而減少化學氮肥的使用，促進農業可持續發展［10］。已有許多研究表明，谷類與豆科作物間套作體系的種間相互促進作用可以增加生物固氮能力，提高氮素利用率，降低土壤中過多礦質氮累積［11-12］。

關于玉米與豆科作物間套作對玉米和豆科作物以及體系氮素吸收的影響，前人已經做了大量的研究，但由于試驗配置和環境的差異，導致研究結果存在諸多差異。本文系統歸納總結了玉米與豆科作物間套作體系氮素吸收的表觀現象及相關機制，并提出未來研究的方向，以期為氮素資源的合理利用和通過間套作發展集約化生態農業提供有益借鑒。

1? 間套作系統中氮素吸收的表觀效應

目前，對于玉米與豆科作物間套作體系的研究已有許多，為詳細了解氮素吸收的表觀效應，通過查閱相關文獻，筆者所在課題組總結并羅列了不同地區玉米與豆科作物間套作系統中作物地上部氮素吸收量、地上部生物量和籽粒產量與單作相比的相對變化情況（表1），并收集了每個試驗點具體的種植方式（間作/套作）、作物搭配組合、試驗類型（盆栽/大田）、土壤質地和pH值以及種植行比等信息。

由表1可以看出，與大豆間作對玉米的生長整體有明顯的促進作用，玉米地上部氮素吸收量、地上部生物量和籽粒產量明顯高于單作，增長幅度分別在6.0%～57.5%、2.6%～52.6%、14.0%～64.2%之間［5，11，13-22］；而間作對大豆的生長整體具有明顯的抑制作用，降低了大豆氮素吸收。當玉米與大豆套作時，對大豆的生長整體具有明顯促進作用［23-26］，原因在于套作情況下2種作物的共生期較短，玉米對大豆的遮陰影響小，且玉米收獲后有利于大豆生長和干物質累積，發揮邊行優勢。玉米花生間作時，由于遮陰作用影響，抑制花生早期生長，不利于花生干物質積累和氮素吸收［27-29］。玉米與蠶豆間作時具有明顯的間作優勢，玉米地上部氮吸收量、地上部生物量和籽粒產量比單作分別增加1.5%～30.5%、3.7%～29.9%、0.7%～23.3%，蠶豆地上部氮吸收量、地上部生物量和籽粒產量分別比單作增長4.5%～72.0%、13.9%～72.0%、4.2%～88.0%［6，12，30-37］。玉米豌豆間作情況沒有明顯的規律，但是總體來看，玉米氮素吸收狀況要優于豌豆［38-41］。造成試驗結果不同的原因涉及諸多因素。例如，不同地區每年降水量和土壤類型不同、試驗設計不同，如豆科種類［42］、行比和株距等存在差異；另外，盆栽和大田試驗之間的表現會存在明顯差異，甚至出現截然相反的結果。這些因素均會對作物生長發育和氮素吸收利用產生不同的影響。