棉花间作模式中作物养分竞争吸收和积累动态的研究

党小燕，刘建国，帕尼古丽，王江丽，危常州，李 隆，2*

(1石河子大学农学院，新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子832000;2中国农业大学资源与环境学院，北京100193)

棉花是我国的主要经济作物，棉花产业在整个国民经济和社会发展中占有非常重要的地位［1］。但是近年来由于对粮食作物的重视、蔬菜面积的扩大等原因，棉花面积有了较大幅度的减少［2］。棉花与粮食及其他作物的争地矛盾已成为制约棉花生产发展的重要因素之一。新疆是我国最重要的棉花生产基地，种植面积约占全国的1/3，此外新疆具光热资源丰富、棉花品质较好、生产潜力较大等条件［3］。因此，发展棉田间作是该地区发展可持续现代农业种植技术体系的重要途径之一。棉田间作模式繁多，主要有四大基本作物搭配类型:棉菜型、棉果型、棉药型、棉油粮(饲)型。在全世界，有各种各样的棉田间作体系被广泛的采纳应用［4－9］。

已有较多的研究表明，以棉花为主的间作体系在产量和养分吸收方面都有一定的间作优势，如在河南安阳的麦棉间作中，小麦∶棉花行比分别为3∶1、3∶2和4∶2体系中，小麦的产量比单作增加了70% ～79%，棉花产量比单作相比减少，但在3年的试验中麦棉间作体系的土地当量比(LER)都大于1［10］;Bt棉花与花生间作后棉花的氮、磷、钾的吸收量比单作分别高 79.4、6.6 和 46.0 kg/hm2［11］; 而且，在不同作物于棉花间作的体系中发现，棉花与洋葱、萝卜、鹰嘴豆、花生间作具有明显的间作优势，棉花与洋葱、萝卜间作显著提高了棉花的产量和养分吸收量，尤其是与洋葱间作后显著增加了棉花纤维上半部分平均长度［12－13］。间作产量优势的作物生态基础主要有两个方面:一是地上部光、热资源的充分利用，二是地下部水分和养分资源的充分利用［14］。研究表明，间作能有效的增加作物产量，提高养分的利用效率及养分的吸收量［14－15］，这主要是由于种间相互作用，一种作物能促进另一种作物的养分吸收和利用，尤其是豆科作物能促进禾本科作物的产量提高和养分吸收［15－19］。而对棉花间作体系的养分资源的种间竞争和促进作用方面研究相对较少。本文试图通过间作和单作作物养分吸收特点的比较，阐明间作作物种间养分吸收的竞争作用和促进作用，从而揭示以棉花为基础的间作体系中的产量优势的营养学基础。

1 材料与方法

1.1 试验点概况及供试土壤

试验于2010年在新疆石河子大学试验站进行(44°18'50″N，86°03'33″E)，海拔 399.2 m，年日照时数为2721～2818 h，无霜期为168～171 d，≥0℃的活动积温为4100℃，≥10℃的活动积温为3650℃，年平均气温为6.9℃，年降水量为125.0～207.7 mm。土壤质地为壤土，pH 7.56，有机质 15.31 g/kg，全氮 1.05 g/kg，有效氮 54.80 mg/kg，有效磷19.12 mg/kg，有效钾 196 mg/kg。

1.2 供试作物及其品种

供试棉花(Gossypium hirsutum．)品种为新陆早13号，萝卜(Raphanus sativus L．)，花生(Arachis hypogaea．)品种为豫花 15号，大豆［Glycine max(Linn．)Merr．］品种为新大豆 10 号，鹰嘴豆(Cicer microphyllum Benth．)品 种 为 88 － 1，线 辣 椒(Capsicum cayenne pimiento．)品种为改良8819，洋葱(Allium cepa Linn．)品种为宝红A号。

1.3 试验设计

试验设6种间作组合和7种单作，分别为:花生/棉花、大豆/棉花、鹰嘴豆/棉花、洋葱/棉花、萝卜/棉花、辣椒/棉花、花生单作、大豆单作、洋葱单作、萝卜单作、辣椒单作和棉花单作。试验小区施磷酸二铵300 kg/hm2，折合纯氮(N)54 kg/hm2，纯磷(P2O5)138 kg/hm2。棉花现蕾后增施滴灌肥230 kg/hm2，折合纯氮(N)36.8 kg/hm2，纯磷(P2O5)46 kg/hm2，纯钾(K2O)34.5 kg/hm2。试验设 3次重复，共计39个小区，随机区组排列。于4月28日统一播种。

棉花/大豆间作处理，每个小区种植3个间作组合带，一个间作带宽1.50 m，一个间作带种植2行棉花、2行大豆，棉花行距为0.45 m、株距0.1 m，大豆行距为0.30 m、株距0.15 m，行长5 m。小区面积22.5 m2(1.5 m×5 m×3)。棉花/花生、棉花/鹰嘴豆、棉花/线辣椒间作处理如同棉花/大豆间作处理。

棉花/萝卜间作处理，每个小区种植3个间作组合带，一个间作带宽1.50 m，一个间作带种植2行棉花3行萝卜，棉花行距为0.45 m、株距0.1 m，萝卜行距为0.20 m、株距0.2 m，行长5 m。小区面积22.5 m2(1.5 m×5 m×3)。棉花/洋葱间作处理如同棉花/萝卜间作处理。

单作作物采用等行距种植，株、行距都与间作时相同，小区面积15 m2(3 m×5 m)，单作棉花每个小区种植7行;单作花生、大豆、鹰嘴豆、辣椒每个小区种植10行;单作洋葱、萝卜每个小区种植15行，小区面积15 m2(3 m×5 m)。养分吸收量按间作中两种作物各自所占净面积计，单作和间作作物播种密度是相同的。采用滴灌的灌溉方式，棉花整个生育期灌水次数为14次，总灌水量为5625 m3/hm2。

1.4 取样、测定及数据分析

在棉花的出苗期(6月9日)、苗期(7月2日)、蕾期(7月27日)、开花结铃期(8月20)、吐絮期(9月12日)和成熟期(10月1日)对每一种作物取样，每种作物成熟期也同时取样。取样时按一定面积分别取植株样，由于作物播种时是按南北走向种植，取样时按作物所在行的地理位置的东西行分别采样。

样品经H2SO4－H2O2消煮后，分别以凯氏定氮法、钒钼黄比色法、火焰光度法测定植株氮、磷、钾含量，并根据生物学产量折算为作物的氮磷钾吸收量。当比较间作与单作养分吸收量时，均以可比面积为基础。

营养竞争比率是度量一种作物相对于另一种作物竞争吸收养分能力强弱的指标。本文用棉花相对于和其间作的作物对养分的竞争比率来衡量养分竞争能力(CRcc1)。根据 Morris提供的公式［18］进行计算:

CRcc1=(PUic/PUsc)×Fc/(PUic1/PUsc1)×Fc1

式中:PUic和PUic1分别为间作棉花和其间作的作物的吸磷量，PUsc和PUsc1分别为单作棉花和单作其他作物的吸磷量，Fc和Fc1分别为间作中棉花和其他作物所占比例。当CRcc1＞1，表明棉花比和其间作的作物的营养竞争能力强;当CRcc1＜1，表明棉花比其间作的作物的营养竞争能力弱。氮、钾的营养竞争比率用同法计算。

2 结果与分析

2.1 间作和单作棉花干物质累积和氮磷钾累积的差异

2.1.1 地上部干物质 棉花生长早期，各种间作体系中棉花地上部干物质重与单作棉花没有显著差异。但在生长后期各种间作体系中棉花地上部干物质重与单作棉花出现显著差异。棉花与洋葱、萝卜间作，棉花的干物质重在开花结铃期以后都显著高于单作棉花。而棉花与大豆、鹰嘴豆间作以后棉花的干物质重在整个生育期都显著低于棉花单作(图1－A)。

祝国寺的管理工作有很多方面。首先根据相关标准和条件，选配小寺小庙领导班子和管理人员，有了管理团队，还要建立“四公开一监督”的制度，并对这些分散各地的寺庙进行监督、检查。

2.1.2 地上部养分累积动态 从第3次取样开始，各间作体系中棉花与单作棉花地上部养分吸收累积量开始出现差异。与洋葱、萝卜、辣椒、花生间作的棉花的氮磷钾吸收积累量逐渐高于单作棉花。相反，与大豆、鹰嘴豆间作的棉花的氮磷钾吸收积累量在整个生育期都低于单作棉花(图1－B，C，D)。此外，在收获前各种间作体系中棉花和单作棉花的地上部磷累积均有下降趋势(图1－B，C，D)。

2.2 配对作物间作和单作干物质累积和氮磷钾累积的差异

2.2.1 大豆、花生、鹰嘴豆、洋葱、辣椒和萝卜干物质累积量 图2表明，间作洋葱和辣椒的干物质重在生育期后期均显著低于单作;间作花生的干物质重在整个生育期与单作相比没有显著差异;间作鹰嘴豆和大豆的干物质重在生育期后期均显著地高于单作。这表明与棉花间作提高了大豆和鹰嘴豆的生长;降低了辣椒和洋葱的生长;对花生生长影响不大。与棉花间作后，萝卜干物质积累量高于单作(P=0.08)。

2.2.2 间作和单作大豆、花生、鹰嘴豆、洋葱、辣椒和萝卜养分吸收积累特征 图3表明，与棉花间作的洋葱和辣椒的氮吸收量在生育期后期均显著低于相应的单作洋葱和单作辣椒。间作花生的氮吸收量在整个生育期与单作相比没有显著差异。间作鹰嘴豆和大豆的氮吸收量在整个生育期均显著高于相应单作鹰嘴豆和大豆。间作以后萝卜的氮的吸收量与单作相比没有显著差异。间作洋葱、辣椒、花生、鹰嘴豆、大豆和萝卜等与棉花间作后磷、钾吸收累积特点(图4、图5)与氮素吸收特点(图3)类似。

图5 间作与单作大豆、花生、鹰嘴豆、洋葱、辣椒、萝卜累积吸钾量Fig．5 The K accumulation in intercropped and monocultured soybean，peanut，chickpea，onion，chilli and radish

2.3 不同作物与棉花间作后作物对养分的竞争比率

表1显示，棉花与大豆、棉花与鹰嘴豆间作体系，两作物共生期，棉花对氮的竞争能力表现为比大豆和鹰嘴豆的弱。除鹰嘴豆成熟期外，棉花相对于大豆或鹰嘴豆的竞争比率(CRcc1)小于1。棉花与辣椒、棉花与花生和棉花与洋葱间作体系，两作物共生期间，棉花对氮的竞争能力始终比配对作物强(CRcc1＞1)。棉花和萝卜的共生期很短，萝卜只有一次取样，结果表明棉花竞争能力弱于萝卜(表1)。

不同作物与棉花间作以后对磷、钾营养的竞争比率的结果基本与氮素竞争比率类似。

3 讨论

两种作物间作以后，除了在地上部光、热资源的利用方面具有空间和时间上的互补竞争作用外，在共同生长期间作物养分吸收利用方面也具有种间的相互作用，包括养分吸收的种间竞争作用、促进作用(或补偿作用)。种间竞争和促进作用的相对大小共同决定了间作作物吸收养分的状况［15］。本文从养分吸收的种间相互促进和竞争作用方面探讨了间作优势产生的基础。

棉花生育期长达150多天，与大豆和辣椒共生期为130天，与花生、鹰嘴豆和洋葱共生期为107天，与萝卜共生期为50多天。棉花与大豆和鹰嘴豆间作后，在整个共生期棉花处在劣势地位，而大豆和鹰嘴豆处在优势地位，间作后大豆和鹰嘴豆干物质重和养分吸收量显著提高，而棉花干物质重和养分吸收量有所下降，说明两者间作以后棉花处于不利地位而两种豆科植物处于优势地位。棉花与辣椒和洋葱间作以后干物质重和养分吸收量都显著高于单作，但是辣椒和洋葱的干物质重和养分吸收量比单作有所下降，棉花的竞争能力比辣椒和洋葱强。与花生间作以后，棉花干物质重和养分吸收量都显著高于单作，花生的干物质重和养分吸收量高于单作但无显著差异，体系整体表现为产量优势，且棉花的竞争能力比花生的强，或者说花生促进了棉花的养分吸收。关于间作能促进养分的吸收利用的研究中较多，如禾本科和豆科间作具有种间促进作用，促进氮营养的吸收［16，21］;小麦与玉米、蚕豆间作以后产量和养分吸收量比单作显著增加，与玉米间作增加了40%～70%的产量，与蚕豆间作增加了28%～30%的产量，N、P、K养分的积累也具有相似趋势［22］。棉花与萝卜间作后，两作物在养分吸收高峰的时间上有补偿作用，错开了养分吸收高峰，具有合理分配养分吸收时间有效性的特点，表现为间作棉花养分吸收高峰后移，并且吸收强度加大;萝卜收获以后棉花在空间上占据优势，间作棉花的养分吸收量增加，是其获得高产的基础;间作棉花虽然竞争养分的能力弱，在前期受到不利影响，但萝卜收获后，可得到恢复和补偿，成熟时养分吸收量并未降低，为两种作物共同高产奠定了物质基础。在萝卜/棉花间作中萝卜收获后棉花所呈现的生长与养分吸收的恢复。李隆等［23］也发现小麦/大豆间作体系中，在小麦收获以后大豆产量和养分吸收也有类似的恢复现象。

表1 棉花相对于其他作物的氮、磷、钾营养竞争比率Table 1 Competitive ratio for nitrogen(N)，phosphorus(P)and potassium(K)uptake by cotton relative to uptake by other crops

棉花与洋葱间作显著地提高棉花上半部分平均长度［12］，可能与间作后棉花钾吸收量有关。研究表明，钾肥对棉花的生长、叶片的生理特性、产量、棉花纤维品质都有影响［24－26］。钾肥促进了棉花叶片叶绿素的合成，提高棉花功能叶的光合功能，延缓叶片衰老［24］;且钾肥能有效的促进棉铃体积增大、铃重提高、纤维长度变长和成熟度提高［25－26］。因此，本文中棉花与洋葱间作以后在棉花生长的开花结铃期提高了棉花的吸钾量，从而促进了棉花品质的提高。

4 结论

在以棉花为主的间作体系中，棉花和花生、洋葱、辣椒间作后棉花对养分的竞争能力强，棉花和萝卜间作后在棉花生长后期，即萝卜收获以后棉花对养分的吸收有一个恢复的过程，所以棉花和花生、洋葱、辣椒、萝卜间作后既促进了棉花的生物量和养分吸收，又增加了整个间作体系的养分吸收量。因此，花生、棉花/洋葱、棉花/辣椒和棉花/萝卜间作体系具有明显的间作优势，并且对棉花产量没有不利影响，可以考虑在该地区应用推广。

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