玉米追氮对玉米∥大豆间作体系产量和土壤硝态氮的影响及其后茬效应

2016-08-24张亦涛任天志刘宏斌雷秋良翟丽梅王洪媛尹昌斌张继宗

植物营养与肥料学报 2016年1期

关键词：硝态间作氮量

张亦涛，任天志，刘宏斌，雷秋良，翟丽梅，王洪媛，刘申，尹昌斌，张继宗*

(1农业部面源污染控制重点实验室，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081;2农业部环境保护科研监测所,天津 300191)

玉米追氮对玉米∥大豆间作体系产量和土壤硝态氮的影响及其后茬效应

张亦涛，任天志2，刘宏斌1，雷秋良1，翟丽梅1，王洪媛1，刘申1，尹昌斌1，张继宗1*

(1农业部面源污染控制重点实验室，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081;2农业部环境保护科研监测所,天津 300191)

间作; 追施氮量; 产量; 土壤; 后茬效应

集约化单作种植模式下，生产资料的高投入尤其是化肥的过量施用带来了日益严峻的大气、土壤、水等各种环境问题[1]，并且同一块土地上，长期单一种植相同作物也会导致土地利用率和生物多样性的降低。而合理的间作可以优化作物配置，克服作物单一种植的劣势，充分利用水肥气热等自然资源，是农业生产中效益较高的种植模式[2]; 已有研究表明，合理的间作能提高农业生态系统的稳定性，增强生态系统抗逆能力[3]。

间作是指在同一块土地上同时种植两种或两种以上作物的种植模式，豆科作物与禾本科作物间作是最重要、最常见的间作种植模式[4]。在我国，禾本科的玉米与豆科作物大豆都适于夏季生长，其生育期也相近，两者之间的高度差也保证了光热资源的有效利用，因此玉米与大豆间作成为我国农业生产中常见的种植模式[5-6]。间作种植系统中，禾本科作物竞争资源的能力高于豆科作物，尤其是禾本科作物吸收土壤无机氮的能力很强[7]，促使与之间作的豆科作物固定更多的大气氮，因此间作豆科作物中的总氮来源于生物固定的比例要高于豆科作物单作种植[8]。生产中，为了最大限度的提高作物产量，即使是间作种植系统往往也要投入适量的氮肥，间作种植涉及到两种以上作物，而这两种作物的氮素需求量往往不同，玉米需氮量远远高于大豆，因而在确定施氮量时，必须同时考虑各种作物氮素需求以及作物间的相互影响。理论上基于种间互利的间作种植可以促进氮素高效利用[9]，缓解施氮对豆科根瘤菌形成和固氮作用的抑制效应[10]，然而过多的氮肥施用在一定程度上仍会抑制豆科作物的固氮作用[11]。

目前，有关间作对作物产量、吸氮量以及土壤氮残留风险的研究较多，但在玉米和大豆需氮规律不同的情况下，探索间作系统各作物合理施氮量的研究较少。本研究以4行玉米与6行大豆间作种植模式为研究对象，在玉米大豆施用同量基肥的基础上，分析了玉米追施氮量不同对生育期间作物和土壤及其后茬作物的影响，旨在为确定间作系统优化施氮方式提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验地设在河北省徐水县留村乡荆塘铺村，该地属大陆性季风气候，四季分明，光照充足，自然环境良好。年平均气温11.9℃，年无霜期平均184d，年均降水量546.9mm，年日照时数平均2 744.9h。供试土壤为褐土，土壤基本理化性质见表1。

1.2试验设计

本研究中玉米品种为秋乐郑单958，大豆品种为中黄30。玉米与大豆间作(玉米//大豆)采用条带间作种植的方式，每个间作单元由4行玉米与6行大豆组成。玉米和大豆于2011年6月24日同日播种，播种时整个农田施用等量基肥，采用播种施肥一体机一次性完成操作，所有处理的基肥施用量均为氮(N) 45kg/hm2、磷(P2O5) 75kg/hm2、钾(K2O) 75kg/hm2。其后大豆不再追肥; 玉米在播种后40天(大喇叭口期)追施不同量的氮肥(N0、 75、 180kg/hm2)，从而构成3个处理(N0，N75，N180)，每个处理3次重复，随机区组排列。小区面积90m2(长10m、宽9m)，玉米、大豆带宽均为1.5m，其中每个小区均包括交错排列的2个玉米条带和3个大豆条带，相邻的玉米条带与大豆条带间距30cm，各条带均采用等行距种植，玉米行距50cm，株距25cm，大豆行距30cm，株距20cm; 各小区间用宽1m的隔离带隔开，隔离带不种植作物。播种前，试验地统一施用农药以防除杂草及病虫害; 播种后灌溉一次，出苗后及时间定苗，作物生长期间及时人工锄草，10月6日收获。

表1　供试土壤理化性质Table 1　Physical and chemical properties of test soils

玉米和大豆收获后，于10月7日在原有处理小区上继续种植冬小麦。播种时，采用播种施肥一体机一次性完成操作，小麦于2012年6月17收获。小麦基肥施用氮(N) 112.5kg/hm2、磷(P2O5) 75kg/hm2、钾(K2O) 75kg/hm2，拔节期追施氮肥112.5kg/hm2。其中，玉米施氮量225kg/hm2、大豆施氮量45kg/hm2、小麦施氮量225kg/hm2为各作物在当地单作种植时的推荐施肥量。

1.3样品采集与测定

播种后26天(玉米小喇叭口期)、 57天(玉米抽雄期)、 104天(玉米成熟期)分别采集地上部整株植株样，以各处理小区为单元，各个作物条带分别采集12株，其中成熟期的秸秆与籽粒分别取样。小麦收获后，在原有玉米条带和大豆条带上分别取2m2小麦样方，籽粒、秸秆分别取样。所有植株样品均在105℃条件下杀青30min，85℃条件下烘干至恒重，粉碎待测。

土壤全氮采用半微量开氏定氮法测定; 植株全氮采用H2SO4-H2O2消煮后，凯氏定氮法测定; 土壤硝态氮采用流动分析仪(TRAACS2000)检测; 其他指标均采用《土壤分析技术规范》[12]中相关检测方法测定。

1.4数据处理

数据差异的显著性分析采用SPSS19.0 (One-WayANOVA)软件进行。

2　结果与分析

2.1生物量

在玉米追肥前、后，无论玉米还是大豆，N0、N75和N180各处理的生物量之间均无显著差别(P<0.05)(图1)。

与不同追施氮量对成熟期玉米和大豆生物量造成的影响结果相似(表2)，N0、N75和N180处理的玉米、大豆产量均无显著差异(P<0.05)。这说明，由于间作种植优势的存在，在当前土壤肥力水平下(播前0—100cm土壤硝态氮残留量为90.8kg/hm2)，只施用基肥(45kg/hm2)而不再追施氮肥即可满足玉米各关键生育期氮素需求，追施氮肥并不能使各生育阶段玉米生物量显著增加。此外，各处理大豆生育期间的施氮量均相同，其产量之间也无显著差异。

图1　各处理玉米与大豆生物量Fig.1　Biomass of maize and soybean under different treatments

2.2吸氮量

由表3可知，无论玉米还是大豆，追肥前各处理的吸氮量之间无明显差别。作物播种后40d，对玉米条带追施氮量的多少对抽雄期(播种后57d)和成熟期(播种后104d)玉米和大豆的吸氮量仍无明显影响(表3)，最终N0、N75和N180处理的总吸氮量之间也无显著差异(P<0.05)，这说明玉米条带施氮量的多少对间作种植系统整体吸氮量无显著影响。

表2　各处理玉米与大豆产量 (kg/hm2)Table 2　Yields of maize and soybean underdifferent treatments

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间在P<0.05水平上差异的显著性ValuesfollowedbydifferentlettersineachcolumnaresignificantlydifferentatP<0.05level.

表3　各处理玉米与大豆吸氮量(kg/hm2)Table 3　N accumulation amounts of maize and soybean under different treatments

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间在P<0.05水平上差异的显著性ValuesfollowedbydifferentlettersineachcolumnaresignificantlydifferentatP<0.05level.

2.3土壤硝态氮含量和残留量

玉米拔节期(播种后40d)追施氮肥(N75，N180处理)显著增加了玉米条带各层土壤硝态氮含量，并随追施氮量的增加而增加，而N0处理玉米条带的土壤硝态氮含量在抽雄期(播种后57d)至成熟期变化幅度不大; 大豆条带也受到了追施氮肥措施的影响，N180大豆条带土壤硝态氮含量也高于其他处理(图2)。从播种到玉米抽雄，0—20cm土壤硝态氮含量一直降低，直到追施氮肥后，土壤硝态氮含量开始有所增加，而20—40cm的土壤硝态氮含量整体上一直呈下降趋势。无论是0—20cm还是20—40cm，N180的玉米条带土壤硝态氮含量最高，N75的玉米条带土壤硝态氮含量次之，两者均高于N0玉米条带土壤硝态氮含量。此外，作物各生育阶段，0—20cm土壤硝态氮含量一直高于20—40cm土壤硝态氮含量，并且表层土层硝态氮含量受追施氮肥措施的影响大于20—40cm土层。这说明追施氮肥补充了玉米生长前期消耗的土壤氮素，并且玉米条带追施氮量越多，其表层土壤硝态氮含量增加越多; 由于大豆条带并不追施氮肥，各处理中各层土壤硝态氮含量差别不大。

图2　各处理0—20 cm、 20—40 cm土壤硝态氮含量变化Fig.2　Dynamics of soil nitrate N contents in 0—20 cm and 20—40 cm depth under different treatments

2.4小麦季的后茬效应

从表4可以看出，夏茬作物(玉米)追施氮量对后茬的冬小麦产量、吸氮量的影响并不显著(P<0.05)。主要原因可能在于所有小麦的施氮量(225kg/hm2)均相同，而这一施氮量实际上是完全满足了小麦生长氮素需求，因而使得各夏播处理对应的小麦产量和吸氮量没有显著差异。

虽然夏播间作种植模式施氮方式对后茬作物产量的影响不显著，但不追施氮肥的夏播间作种植可以显著降低后茬0—100cm土壤硝态氮残留(表5)。随着追施氮量的增加，小麦季0—100cm土壤硝态氮残留量显著增加，N75、N180的小麦季土壤(0—100cm)硝态氮残留量相对N0分别增加了22.38%、 70.18%。随着土壤深度的增加，N0和N75处理各条带土壤硝态氮残留量不断减少，然而追施高量氮肥(N180处理)，在土壤60—100cm上出现了硝态氮累积现象。

表4　间作系统追氮对后茬小麦产量和吸氮量的影响Table 4　Yield and N accumulation of wheat affected bytopdressing nitrogen in the intercropping planting system

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间在P<0.05水平上差异的显著性ValuesfollowedbydifferentlettersineachcolumnaresignificantlydifferentatP<0.05level.

3　讨论

合理的农田施肥管理措施，尤其是施用氮肥能够满足作物生育期间养分需求，还能提高植株氮素含量，从而促进植株体内外的生理生化反应[13]，同

表5间作种植系统追施氮量对后茬土壤硝态氮残留量的影响(kg/hm2)

Table5EffectofthetopdressingnitrogenoftheintercroppingplantingsystemonsoilnitrateNresidual

处理Treatment土层Soillayer(cm)0—2020—4040—6060—8080—1000—100N0玉米条带Maizestrip12.49b14.61a6.09b1.99c2.04c69.71c大豆条带Soybeanstrip17.70a7.73b2.40c3.63bc1.03cN75玉米条带Maizestrip17.10a15.84a13.29a4.78b2.01c85.31b大豆条带Soybeanstrip13.31b6.98b3.43c5.09b3.49cN180玉米条带Maizestrip16.43a13.59a11.50a3.22bc16.91a118.63a大豆条带Soybeanstrip12.51b13.29a10.52a13.85a6.83b

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间在P<0.05水平上差异的显著性ValuesfollowedbydifferentlettersineachcolumnaresignificantlydifferentatP<0.05level.

时施氮还提高了作物对光热等资源的利用率以及水分利用效率，最终提高作物产量[14]。然而，间作种植系统与传统的单作种植系统还有所不同，本研究中氮肥施用量对间作系统生物量、产量以及氮素的吸收利用均无显著性影响(P<0.05)，玉米条带追施氮量的多少对间作大豆生物量、产量和氮素吸收也几乎没有任何影响, 并且玉米条带生物量、产量和吸氮量也无明显变化。究其原因可能是: 1)目前华北地区农田的土壤氮残留量非常大[15]，本研究中试验前0—100cm土壤硝态氮残留量也达到90.8kg/hm2，因此基施氮肥(45kg/hm2)完全可以满足间作系统作物整个生育期的生长，额外的氮素并不能全部被吸收转化为产量; 2)大豆是自生固氮类作物，不需要额外的氮素投入就可以满足自身氮素需求[16]，而鉴于玉米与大豆需氮量的差别，只在玉米条带设置了追施氮肥处理，这也致使大豆生物量、产量和吸氮量对玉米追施氮量的响应并不敏感; 3)间作种植系统是一个复杂的种植体系，尤其是大豆固定的氮素可能通过特定的过程供给玉米，从而减少了整个种植系统对外源氮素的依赖[17]。间作种植体系不同于作物单作种植，玉米和大豆地上部高矮相间，通风透光性好，地下部根系相互作用也有利于资源的高效吸收[18]，并且大豆具有固氮作用[19]，因此在确定间作种植模式合理施氮量时，不能简单照搬各种作物单作种植时的施氮量[4]，而应当充分利用间作种植优势，以最少的施氮量获得最大的效益。

施氮可以显著增加土壤硝态氮含量[20]，但随着土壤深度的增加，土壤硝态氮含量有所下降[21]，本研究也发现不追施氮肥处理的土壤硝态氮含量维持在一个较稳定的水平上，而追施氮肥处理各作物条带0—20cm土壤硝态氮含量在抽雄期后均有较明显的增加，并且作物生育期间20—40cm土壤硝态氮含量低于0—20cm。这说明作物生长初期大量吸收氮素，使得土壤硝态氮不断消耗，而追施氮肥使土壤氮素得到补充，并且追施氮量越多，土壤硝态氮含量增加越多，从而导致作物收获后的土壤硝态氮残留也越高[20]。然而土壤中过多的氮素残留存在很大的环境风险，上层土壤中残留的氮素将不断向下层土壤迁移[22]，尤其是这些氮素淋失进入地下水将导致地下水硝酸盐含量超标[23]，因此，在保证土壤氮素满足间作作物生长需求的情况下，应尽可能的减少施氮量，以降低其环境风险。

在后茬作物管理措施一致的前提下，尤其是当后茬作物施氮量可以充分满足作物需求时，前茬作物施氮残留对后茬作物产量、吸氮量的影响将被掩盖，但却显著增加了后茬作物收获后的土壤硝态氮残留，并且前茬作物追施氮量越多，后茬作物收获后土壤硝态氮残留量也越多[24]。本研究也表明，前茬作物施氮量的增加对后茬小麦产量和吸氮量无显著影响，但大幅度增加了后茬作物收获后土壤硝态氮残留(P<0.05)。因此，应当发挥前茬作物间作种植优势，降低间作种植施氮量以创造良好的后茬效应。

4　结论

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Effectoftopdressingnitrogenofintercroppedmaizestriponintercroppedcropyieldsandsoilnitratenitrogenaswellasitsresidualeffect

ZHANGYi-tao1,RENTian-zhi2,LIUHong-bin1,LEIQiu-liang1,ZHAILi-mei1,WANGHong-yuan1,LIUShen1,YINChang-bin1,ZHANGJi-zong1*

(1 Ministry of Agriculture Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, CAAS, Beijing 100081, China;2 Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China)