施氮水平对间作蚕豆锰营养及叶赤斑病发生的影响

鲁 耀,郑毅,汤 利,赵 平,董艳,段宗颜,张福锁

(1云南农业大学资源与环境学院,昆明650201;2云南省农业科学院农业环境资源研究所,昆明650205;3中国农业大学资源与环境学院,北京100094)

云南省是蚕豆的主要产区,种植面积和总产均占全国的1/3多[1],但近年来蚕豆赤斑病的发生呈逐年加重的趋势,特别是早蚕豆发病更为严重,给蚕豆生产造成较大损失。小麦是云南省和蚕豆同季种植的主要小春作物,由于生物多样性种植能抑制作物病害的发生,小麦和蚕豆间作已成为云南省常见的种植模式。研究表明,小麦蚕豆间作不仅能减轻小麦锈病[2]、小麦白粉病[3]及蚕豆赤斑病[4]的发生,还有明显的氮吸收[5]及互补利用优势[6],磷、钾吸收总量通常也比单作高[2-4],小麦蚕豆产量优势也极为突出[7]。但关于小麦蚕豆间作条件下养分吸收利用方面的研究,仍仅限于氮、磷、钾,有关作物锰和根际土壤锰的研究报道较少。同时研究表明,锰可以通过本身的毒性或改变毒性来直接影响病原菌或通过根系分泌物的代谢改变来间接影响,从而直接或间接影响植物病害的发生[8]。那么,小麦蚕豆间作减轻蚕豆赤斑病是否与锰的营养有关呢,为此,本文通过田间小区试验研究小麦蚕豆间作及不同施氮水平对蚕豆锰营养和赤斑病控制的影响,并进一步分析了两者之间的关系,以期探寻小麦蚕豆间作的抗病机理,为间作作物的养分高效吸收和利用,提高产量提供理论依据和生产指导。

1 材料和方法

1.1 试验地基本情况

试验在云南省玉溪市红塔区研和镇玉溪农业职业技术学院试验田进行,地处云南省中部,北纬24°18′、东经 102°27′,海拔 1650 m 。属中亚热带半湿润冷冬高原季风气候,年平均气温16.5℃,极端最高气温30.8℃,极端最低气温0.3℃;全年日照2267 h,日照率51%;年均降雨量957.1mm,主要集中在每年5月～10月,11月～4月为旱季,因此,小春作物种植和生长主要依靠灌溉水。

供试土壤为水稻土,土壤有机质含量 16.6 g/kg、全氮1.59 g/kg、碱解氮 114.70 mg/kg、速效钾257.20 mg/kg、速效磷 56.00 mg/kg、NH4OAc-Mn 3.24 mg/kg、pH 7.82,前茬为烤烟。

1.2 试验设计与管理

试验为裂区区组设计,主区为种植模式,设蚕豆单作和蚕豆小麦间作;副区为氮肥水平,设4个氮水平为 1)N 0 kg/hm2(N0,对照)、2)N 45 kg/hm2(N45,常规施氮的1/2)、3)N 90 kg/hm2(N90,常规施氮)、4)N 135 kg/hm2(N135,常规施氮3/2)。每个处理3次重复,小区面积3.52×5.8=20.5m2,共24个小区,田间随机排列。每个处理均施 P2O575 kg/hm2。氮肥为尿素(N 46.4%),磷肥为普钙(P2O5 16%),均作为基肥一次施用,在播种前全部开沟与土壤混合;间、单作蚕豆施肥量一致。按农户常规的作物规范化栽培措施进行肥水管理,其中减少农药的施用量和施用次数。

1.3 作物种植

间作小区内作物种植规格为6行小麦-2行蚕豆,循环3个种植带,3个种植带分别作采样区、病害调查区和测产区。小麦行间距0.2 m,麦豆行间距0.3 m,蚕豆行间距0.3 m,株间距0.15 m,每行25株。单作蚕豆种植规格为每小区种19行,相应地也分为3个种植带分别作采样区、病害调查区和测产区,每行定植数、株间距、行间距均和间作相同。

供试作物及品种小麦为F-42,蚕豆为玉溪大粒豆。均于 2005年 10月19日播种,小麦播量150 kg/hm2,蚕豆定植量23×104株/hm2,称量到各个小区进行行播;2006年4月13日收获,在特定测产区实收进行间、单作蚕豆测产,再根据蚕豆实际占地面积折算单位面积产量。

1.4 采样及病害调查

在蚕豆生育期的分枝期、开花期、结荚期、膨大期、成熟期5次采集植株样及其根际土壤样品。其中植株根、茎和叶分别烘干制样,根际土壤采用“抖土法”抖掉与根系松散结合的土体土,然后将与根系紧密结合的土壤刷下来,再利用“四分法”,留取0.5 kg作为根际土壤样品。

分别在蚕豆分枝期、开花期、结荚期,在小区内按“S”型进行蚕豆植株叶赤斑病的定点调查,每小区调查5株,记载蚕豆叶赤斑病的总叶数、病叶数和各级病叶数,计算叶病情指数。

叶病分级标准为:0级,无病;1级,叶面有少数病斑;2级,叶面病斑占叶面积的1/4～1/2;3级,叶面病斑占叶面积的1/2～3/4;4级,叶面病斑占叶面积的3/4以上;5级,叶片枯死脱落[9]。

计算公式:

发病率(%)=发病叶数/调查叶数×100;

病情指数(%)=∑(各病级叶数×该病级值)/叶数总和×发病最重级代表数值×100。

1.5 测定项目与方法

蚕豆根际土交换锰含量采用 1mol/L NH4OAc(pH=7.0)浸提—原子吸收分光光度计法;蚕豆叶中锰浓度测定采用马氟炉550℃±25℃灰化7～8 h,5.8 mol/L盐酸溶解—原子吸收分光光度计法[10]。

试验数据采用EXCEL和SAS 9.0数据统计分析软件进行多重比较和相关分析。

2 结果与分析

2.1 施氮水平及间作对蚕豆产量的影响

由表 1 可见,在N0、N45、N90、N135四种施氮水平下,间作蚕豆产量均显著大于单作,间作蚕豆产量比单作分别提高 49.16%、63.53%、87.77%和60.79%,平均提高64.81%;其中,常规施氮水平下(N90)蚕豆产量间作增产效应最大。不同施氮水平之间蚕豆产量相比较,单作条件下没有差异,间作条件下有一定差异,高低依次是N90＞N45＞N0＞N135,而且常规施氮时的(N90)蚕豆产量显著高于高施氮(N135)和不施氮(N0)条件下。由此可见,小麦蚕豆间作对蚕豆产量有很大的影响,不仅有直接的影响,而且通过影响氮的利用效率间接影响蚕豆产量;施氮水平对蚕豆产量的影响较小。

2.2 施氮水平及间作对蚕豆根际土壤交换锰(NH4OAc-Mn)及叶中锰浓度的影响

图1表明,在N0、N45、N90、N135四种施氮水平下间作蚕豆根际土壤交换锰含量显著高于单作,整个生育期内,间作蚕豆根际土壤交换锰含量平均比单作蚕豆分别提高了35.25%、21.41%、16.27%和18.76%,其中不施氮时(N0)差异最为显著,而随着施氮水平提高,差异显著性降低。从不同生育期来看,不同施氮水平对蚕豆根际土壤交换锰含量的影响最为显著的是开花期,N45、N90、N135处理条件下蚕豆根际土壤交换锰含量平均比N0处理分别提高17.94%、38.61%和23.57%。

表1 蚕豆产量比较(×103kg/hm2)Table 1 The yield comparison of faba beans

从表2可以看出,在4种不同施氮水平下,分枝期、开花期和成熟期间作蚕豆叶中锰的浓度平均比单作分别提高12.53%、11.87%和8.49%,且在分枝期,间作和单作蚕豆叶中锰浓度的差异达到了显著水平;结荚期和膨大期差异不显著。不同施氮水平对蚕豆叶中锰浓度的影响主要表现在分枝期和成熟期,施氮水平在0～90 kg/hm2期间叶中锰浓度逐渐增加,到N 135 kg/hm2时反而降低,方差分析结果表明其差异达到了显著水平;但在开花期、膨大期和结荚期差异不显著。

综上,小麦蚕豆间作能显著提高蚕豆根际土壤交换锰的含量,进而促进蚕豆叶对锰的吸收,提高蚕豆叶中锰的浓度;施氮量对蚕豆锰营养的影响主要表现在生长早期(分枝期～开花期),在不施氮(N0)到常规施氮(N90)范围内,随着施氮量的增加,蚕豆根际土壤交换锰含量和叶中锰的浓度也会有一定程度的增加,但施氮量过多二者反而下降。

2.3 施氮水平及间作对蚕豆叶赤斑病的影响及相关分析

图2显示,在本试验条件下,蚕豆叶赤斑病发病较早,在分枝期～开花期进入发病盛期,而后发病率和病情指数逐渐降低,其中在发病盛期(分枝期～开花期)和中期(结荚期)间作蚕豆叶赤斑病发病率比单作蚕豆平均降低了15.75%、病情指数平均降低了1.5%,而后随着病斑消退,间、单作之间的发病差异消失。在发病盛期(分枝期～ 开花期),高氮(N135)和常规施氮(N90)条件下的蚕豆叶赤斑病发病率和病情指数均高于低氮(N45)和不施氮(N0)处理,这种差异在结荚期随着蚕豆叶赤斑病逐渐消失而消失。进一步将蚕豆叶中锰的浓度和叶赤斑病进行相关分析,结果发现,随着蚕豆叶中锰浓度的增加,叶赤斑病的发病率和病情指数均逐渐降低,而且蚕豆叶中锰浓度和蚕豆叶赤斑病的发病率和病情指数均表现有极显著的负相关,相关系数 r分别达到了-0.9196和-0.9229(图 3)。

图1 不同施氮水平下间、单作蚕豆不同生育期根际土壤交换锰含量比较Fig.1 NH4OAc-Mn content comparison in the rhizosphere soil between intercropping and monocropping faba beans of different growth stages under different nitrogen application

表2 蚕豆叶中锰的浓度比较(mg/kg,DW)Table 2 Manganese concentration comparison in leaves of faba beans

图2 蚕豆叶赤斑病发病率和病情指数比较Fig.2 The disease incidence and index comparisons of faba beans leaf spots

图3 蚕豆叶片锰浓度与叶赤斑病发病率、病情指数的关系Fig.3 Correlations between manganese concentration in leaves and the incidence and disease index of faba beans leaf spots

3 讨论与结论

3.1 小麦蚕豆间作对蚕豆产量、锰营养及病害发生的影响

大量研究结果表明,小麦蚕豆间作产量优势突出[7],这是因为豆科和非豆科作物间作有光、热、气、水等自然资源利用优势[11],能促进矿质养分的吸收利用[12]。前期的一些试验结果表明[13],在小麦蚕豆间作体系中,小麦蚕豆之间既存在互助又存在竞争,小麦具有竞争优势,因此,间作产量优势来自小麦大于来自蚕豆,个别甚至出现蚕豆减产的报道。本试验发现,间作蚕豆产量显著高于单作蚕豆,而间作小麦产量优势不明显,小麦蚕豆间作产量优势主要来自蚕豆,这与前人的研究结果并不一致。因此认为小麦蚕豆间作有产量优势是毫无疑问的,而优势是主要来自小麦还是蚕豆,与生产环境、栽培品种有密切关系,比如本试验中所用的蚕豆品种在株高上明显高于小麦,可能使蚕豆在光和热的竞争上处于优势,而小麦处于劣势。

同时,本试验结果还表明,小麦蚕豆间作提高了蚕豆根际土壤交换锰的含量及生长早期(分枝期～开花期)蚕豆叶中锰的浓度,原因可能是一方面通过小麦蚕豆间作促进蚕豆根瘤量的增加[14],提高了固氮量[15],使间作蚕豆根际土pH值降低,另一方面可能是通过小麦根系分泌物(如麦根酸类分泌物)[16]对Mn2+的鏊合作用而提高了蚕豆根际土壤中锰的有效性,进而促进了蚕豆对锰的吸收。

合理间作有利于病害的控制[17],在小麦蚕豆间作体系中也发现间作有利于小麦条锈病、小麦白粉病及蚕豆叶赤斑病的控制[2-4]。本试验中,发病盛期(分枝期～开花期)间作蚕豆叶赤斑病发病率和病情指数均显著低于单作蚕豆,进一步验证了前人的试验结果。

3.2 施氮水平对蚕豆产量、锰营养及病害发生的影响

氮是影响植物生长、生殖、发育和作物品质、产量的重要因素,氮素施用的合理与否关系到能否达到“高产优质作物”的目的,大部分试验结果表明,在一定的施氮范围内,随施氮水平的提高,作物产量会增加,但本试验中,不同施氮水平对蚕豆产量并没有显著影响,这可能是豆科作物对施氮水平的反应并不像禾本科作物那么敏感,因为豆科作物可以通过根瘤固定空气中的氮,以调节自身对氮的需求量[18]。因此,在实际农业生产中,种植豆科作物一般是很少施用氮肥的。

土壤交换锰是对植物有效的锰,能被植物立即吸收利用,其含量主要受土壤pH值的影响,一般随pH值增加而降低[19]。本试验结果表明,生长早期(分枝期～开花期)和生长晚期(成熟期)NH+4-N(尿素)施用量较高(N135和N90)比用量较低(N0和N45)时蚕豆根际土壤交换锰含量和蚕豆叶中锰的浓度高,这是因为施入土壤的NH+4-N使土壤H+量增加,pH值减小,土壤锰的有效性增加,植物对锰的吸收也相应提高;但整体来看,并不是施氮水平越高蚕豆根际土壤交换锰的绝对含量就越高,而是低氮(N0和N45)高于高氮(N90和N135)条件下。这与蚕豆根瘤固氮能力的季节性变化规律“两头小,中间大”有关,蚕豆根瘤数和固氮能力从苗期开始逐渐增加,到开花期达到高峰,结荚后根瘤衰老,固氮能力降低[20]。因此,在生长早期(苗期～分枝期)和生长晚期(成熟期),根瘤固氮不能满足蚕豆生长发育的需要,需要适当施入氮肥,同时,蚕豆根际土壤有效氮含量和交换锰的含量主要受施氮水平的影响;而生长中期(盛花期～结荚期)随着前期施入氮肥的消耗和蚕豆根瘤数及固氮能力的快速增加达到高峰,蚕豆根际土壤有效氮和交换锰的含量应该主要决定于蚕豆根瘤数和固氮能力;而有研究也表明,施氮尤其是过量施氮会抑制蚕豆根瘤数和固氮能力[20]。因此,蚕豆根际土壤交换锰的含量在生长早期和生长晚期主要受施氮水平影响,而生长中期主要受蚕豆根瘤数和固氮能力的影响。

合理施氮能够促进植物根系的发育和茎叶的生长,保持正常的光合作用而使作物保持绿色。如氮素不足,作物生长、发育会显著受阻;相反,施氮量过多会使作物木质素合成减少,作物徒长,茎叶软弱;又使质外体内氨基酸和酰胺等可溶性含氮化物增加,向叶片表面分泌量增加,而酚类物质合成减少,毒性降低,易受病菌侵染,抗病力下降[21]。研究表明,小麦蚕豆间作体系中,随着施氮水平增加,小麦锈病和白粉病加重[2-3]。本试验发现蚕豆叶赤斑病在发病盛期高氮水平(N135和N90)比低氮水平(N0和N45)下发病严重。

3.3 锰与植物病害发生的关系

锰是植物必需的微量营养元素,也是微生物生长的必需元素。锰通过产生抑制化合物或感染部位附近毒性锰的积累和病原体的不断吸收来直接影响植物病害[8]。有文献报道,施铵态氮肥后,由于提高了土壤中锰的有效性,也降低了小麦全蚀病的危害程度[22];有人在实验室中采用PDA培养基测定了锰对小麦全蚀病菌的抑菌效果,结果表明,锰浓度在0.2×10-4g/mL时的抑菌率为21.33%,在0.4×10-4g/mL时抑菌率为42.97%[23]。本试验显示,间作及单作蚕豆叶中锰的浓度与叶赤斑病的发生有极显著的负相关性,从而说明小麦蚕豆间作有效控制蚕豆叶赤斑病的原因,有可能与间作提高蚕豆根际土壤锰的有效性和蚕豆叶中锰浓度有关。

综上所述,在蚕豆的生产中,减少氮肥投入通常并不会影响蚕豆产量,且从整个生育期来看有利于蚕豆对锰的吸收,还可以降低因大量施氮引起蚕豆叶赤斑病的发生;同时,通过小麦蚕豆间作能显著提高蚕豆产量,而且有利于蚕豆叶锰的吸收和叶赤斑病的控制。因此,在蚕豆叶赤斑病的高发区及严重缺锰的土壤上,减少氮肥投入或通过小麦蚕豆间作可以有效地控制蚕豆叶赤斑病的发生,至于通过施锰尤其是叶面喷施锰能否减轻蚕豆叶赤斑病的发生,尚待进一步研究。

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