小麦/玉米/大豆套作和施氮对玉米生长及氮吸收利用的影响

陈远学，王科，赵亚妮，王佳锐，徐开未

(四川农业大学资源学院，四川 成都 611130)

小麦/玉米/大豆套作和施氮对玉米生长及氮吸收利用的影响

陈远学*，王科，赵亚妮，王佳锐，徐开未

(四川农业大学资源学院，四川 成都 611130)

为研究小麦/玉米/大豆套作种植模式和施氮水平对玉米生长、产量及氮吸收利用规律的影响，进行了2个种植模式(玉米单作和小麦/玉米/大豆套作)和2013年3个施氮水平(0，180，360 kg/hm2)及2014年4个施氮水平(0，90，180，270 kg/hm2)的双因素随机区组实验，以期揭示施氮及套作对玉米产量的影响规律，为进一步提高小麦/玉米/大豆套作体系产量提供理论依据。研究结果表明,1)在N0及N90处理下套作玉米的产量分别比单作低20.5%、7.5%，表现为套作劣势，而在N180、N270、N360处理下，套作玉米与单作玉米产量无显著差异。2)单/套作玉米地上部生物量在各生育时期均表现为随施氮量的增加先增加后略有降低，干物质积累速率均在吐丝期到收获期达到最大。相对单作，各施氮处理下小麦对套作玉米的茎秆生长均产生显著不利影响，在拔节期套作玉米茎秆生长率比单作低12.5%，这种影响随施氮量的增加而减小，在施氮量到达180 kg/hm2后影响不显著。3)在N0、N90处理下，单作玉米花期氮积累量在生殖生长期更多转运到籽粒，而在N180、N270、N360处理下，套作花期前氮积累量转移到籽粒的比例更高。而两种模式下均以施氮180～270 kg/hm2下氮转运指标最优，这说明在该施氮条件下最有利于提高植株氮素转运机能。综上所述，适量施氮有利于稳定小麦/玉米/大豆套作种植模式中的玉米产量，提高氮的吸收转运效率，减轻小麦对玉米生长和氮吸收利用的影响，本研究条件下，套作玉米施氮量以180 kg/hm2为宜。

生长率；氮积累；氮转运

氮既是土壤中最活跃的营养元素，也是作物产量的主要限制因素[1]。施用氮肥是保证玉米(Zeamays)增产的重要手段，因而氮素管理在玉米生产中十分重要[2]，因此在生产中农民往往投入大量氮肥以获得高产。

间套作能够充分利用各种农业资源，实现土壤水分、养分、光、热等资源的集约利用[3]。四川70%以上的玉米均为套作种植，大量研究表明小麦(Triticumaestivum)/玉米/大豆(Glycinemax)套作体系是一个可持续高产的生产体系，可以提高作物产量，促进作物养分吸收[4-5]。雍太文等[6]认为在小麦/玉米/大豆套作体系中，氮素吸收特性改变最大的是玉米，而且玉米与小麦、大豆间存在氮素双向移动[7]。适宜的施氮量有利于提高小麦/大豆套作体系中玉米群体干物质最大增长速率和花后干物质同化量，促进花后干物质向籽粒转运，提高籽粒产量[8]，而高氮投入则会使氮素更多滞留在营养器官中而阻碍其花后向籽粒的转移[9]，这使得小麦/玉米/大豆套作体系比单作具有更高的氮利用效率[10]。

玉米作为小麦/玉米/大豆体系的核心作物，其生长前期受小麦的影响，后期受到大豆的影响，玉米与小麦、大豆共生期占到玉米生育期的60%以上，因而本研究以小麦/玉米/大豆体系中玉米与相同种植规格下的单作玉米为研究对象，定量比较在不同施氮量下单/套作玉米的产量、氮素吸收利用及土壤硝态氮含量变化的差异，以期探明氮肥用量及前作小麦、后作大豆对玉米生长的影响，为揭示四川套作玉米高产高效机理，进一步优化该体系氮肥用量并挖掘该体系生产力提供支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2012年11月-2014年11月(2013 和 2014两季)于四川省崇州市桤泉镇四川农业大学现代农业研发基地进行，土壤类型为水稻土，土壤质地为壤土，耕种前耕层(0～20 cm)混合土样基础数据见表1。

1.2 试验材料

2013年小麦选用高抗优质品种“川麦37”，2014年选用高产优质品种“蜀麦969”，均由四川农业大学小麦研究所选育；玉米两年均选用四川省和农业部主推优良品种“川单418”，由四川农业大学玉米研究所选育；大豆选用四川应用面积最大的秋豆品种“贡选1号”，由四川省自贡市农业科学研究所选育。试验用氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O512% )，钾肥为氯化钾(含K2O 60% )，均购于当地农资市场。

表1 土壤基础数据Table 1 Soil foundation data

1.3 试验设计

设氮肥用量和种植模式两个因素。主因素为施氮量，2013年设3个水平，依次为纯氮0、180和360 kg/hm2，2014年调整为4个水平，依次为0、90、180和270 kg/hm2，具体施肥量见表2，副因素设单作与套作两种玉米种植方式。试验氮肥均按底肥∶拔节肥∶穗肥=3∶3∶4施用，磷钾肥均在移栽时一次性施用，套作玉米与单作玉米的种植规格及施肥方法完全一致。

表2 玉米氮肥用量及施用时期Table 2 Application rates and times of nitrogen fertilizer in maize kg/hm2

1.4 试验实施

图1 试验布置图Fig.1 The field experiment layout

套作玉米采用带状复合种植的模式，单作与套作玉米种植规格一致，小区布置见图1。玉米种植规格均为宽行150 cm，窄行50 cm，穴距40 cm，穴植两株，玉米密度均为52500株/hm2。套作玉米的前作为小麦，玉米宽行内种5行小麦，小麦行距20 cm，玉米与小麦边行间距25 cm，小麦收获后玉米套种大豆，宽行内种2行大豆，大豆行距40 cm， 穴距35 cm，密度5.72×104株/hm2，单作玉米宽行中不种作物。各处理重复3次，2013年试验共30个小区，2014年为36个小区，小区面积5 m×6 m=30 m2。每小区3个玉米带幅，共6行。

2012-2013年度试验，小麦于2012年11月5日播种，玉米在2013年3月18日育苗，4月3日(二叶一心)移栽于小麦预留隙地中，单作玉米种前为空地。小麦于2013年5月3日收获，大豆6月17日播种在前作小麦茬地，大豆不施肥。2013-2014年度试验，小麦于2013年11月10日播种，玉米在2014年3月21日育苗，4月8日(二叶一心)移栽于小麦预留隙地中，单作玉米种前为空地。小麦于2014年5月6日收获，大豆6月19日播种在前作小麦茬地，大豆不施肥。

施肥方法：玉米打窝施底肥，窝深15 cm左右，30%的氮和全部磷、钾肥作底肥施于窝内，然后覆土移栽玉米苗；再于玉米拔节期追施30%的氮，于吐丝期追施40%的氮，均采用兑清水冲施于株旁。

1.5 样品采集

两年套作玉米均分3次采样，分别为：拔节期(小麦收获时)、吐丝期(种植大豆)、收获期，单作玉米同时采样。在既定时期内，每小区选取具有代表性5株玉米，在离地面2 cm处截断作为地上部样品。样品带回试验室，分茎、叶、穗、籽粒、穗轴几部分在105 ℃下杀青30 min，然后在75 ℃条件下烘干，称重，以此为基础折算生物量。在玉米收获期进行实收测产。

1.6 样品分析

玉米各次植株样品，烘干称重测定生物量后，按部位粉碎过0.25 mm筛，样品经浓H2SO4-H2O2消解，以凯氏定氮法测氮，并计算玉米生长速率、养分吸收积累动态及养分吸收利用率等指标。

1.7 各指标计算公式

干物质积累速率=两个测定时期的干物质积累量差值/间隔时间；氮素积累量=生物量×氮含量；营养器官氮素转移量=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量；营养器官氮素转移率(%)=(营养器官氮素转移量/开花期营养器官氮素积累量)×100；营养器官氮素贡献率(%)=(营养器官氮素转移量/成熟期籽粒氮素积累量)×100。

所有数据用Excel 2010软件汇总计算，DPS 14.05软件统计分析，LSD法显著性测验(P<0.05)，Excel 2010软件作图。

2 结果与分析

2.1 施氮对单/套作玉米产量的影响

从表3可以看出玉米籽粒产量差异两年结果表现一致。在套作、单作两种玉米种植模式下，玉米产量变化规律相似，均随着施氮量的增加，呈现先显著增加后略有下降的趋势，单作与套作玉米均在施氮量为180 kg/hm2时产量达到最大。在N0、N90处理下，套作玉米产量均显著低于单作，套作分别比单作低20.5%、7.5%，表现为套作劣势，在施氮(N180、N360)处理下，套作玉米与单作玉米产量无显著差异。2013年套作玉米各施氮处理平均增产量是单作的2.92倍，2014年为1.06倍，氮肥的施入对套作玉米增产效果显著。单/套作玉米种植规格一致及施肥量一致，这说明造成产量差异的原因是套作小麦、大豆及对玉米产生的影响，在不施氮及低施氮处理下影响显著。

表3 不同氮用量下单/套作的玉米产量Table 3 The yield of maize on sole-cropping and inter-cropping under different nitrogen rates

注：同列不同小写字母表示同年不同氮处理间差异显著，*表示套作、单作间差异显著。

Note: The letters in the same column indicate the significantly different (P<0.05) between treatments for maize by LSD in a one year. * indicate the significantly different (P<0.05) between sole and intercropping maize.

2.2 施氮对单/套作玉米生物量的影响

从图2可以看出，单/套作玉米的生物量积累规律相对一致，各时期生物量均随施氮量的增加，表现为先增加后略有降低。在各采样时期N0、N90处理下，单/套作玉米生物量均显著低于N180、N270、N360处理。单作与套作玉米相比，在玉米与小麦共生期，N0、N90处理下，套作玉米生物量积累显著低于单作，在小麦收获后，套作玉米N0、N90处理依然显著低于单作，N0处理2013年玉米3个生长时期套作比单作分别低14.2%、33.7%、31.8%，2014年分别低36.5%、21.2%、15.6%。在N180、N270、N360处理下，套作玉米受到小麦的影响显著降低，各时期生物量与相同施氮量处理下的单作无显著差异，2014年在N90处理下，套作玉米收获期生物量比单作低6.1%，差异显著。

图2 不同氮用量下单/套作玉米的生物量Fig.2 The shoot biomass of maize on sole-cropping and inter-cropping under different nitrogen rates JS(拔节期)，SS(吐丝期)，MS(成熟期)，柱上小写字母表示同一时期，同种模式不同处理间差异显著(P<0.05)，*表示套作和单作在同一时期、同一处理下差异显著(P<0.05)。JS： Jointing stage; SS: Spinning stage; MS: Maturity stage. The letters on the column indicate the significantly different (P<0.05) between treatments for maize by LSD at stages; * indicate significantly different (P<0.05) between sole and intercropping maize.

2.3 施氮对单/套作玉米生长率的影响

比较玉米不同部位生长率(表4)，整体来看N180、N270、N360处理下，套作与单作各阶段植株生长率均无显著差异，N0、N90处理时，均为套作低于单作，N0处理下各生长阶段生长率均显著低于单作，2013年分别低15.7%、34.8%、14.1%，2014年分别低23.5%、18.9%、13.0%。这也说明，在小麦玉米共生期内，小麦生长对玉米生长具有不利影响，而且影响的程度与玉米施氮量有关，随着施氮量的增加，这种影响较小。从苗期到拔节期，套作茎秆平均生长率为2.4 kg/(hm2·d)，单作为2.7 kg/(hm2·d)，单作比套作高12.5%，该时期两年各施氮处理下均有套作<单作，在N0处理下差异达到显著，这说明小麦对玉米茎秆生长有不利影响，且缺氮会增强这种影响。相同施氮量下，单/套作玉米间叶生长率差异不显著，在N0处理下，单/套作玉米叶生长率均显著低于施氮处理。拔节期到吐丝期，套作茎秆平均生长率为54.7 kg/(hm2·d)，单作为59.8 kg/(hm2·d)，单作比套作高9.3%，其变化规律与苗期到拔节期相似，该时期单/套作玉米茎与叶生长率达到最大。在吐丝期到完熟期，玉米主要进行生殖生长，茎秆与叶的生长率快速降低，两年茎秆及叶生长率均表现为:套作<单作。

2.4 施氮对单/套作玉米氮吸收积累量的影响

从表5可以看出，玉米氮积累量变化与生物量积累变化规律一致，施氮可显著增加单/套作玉米的各时期氮积累量，N0、N90处理下套作玉米氮积累量在各生育时期均显著低于单作，小麦生长严重抑制了玉米对氮素的吸收，而在N180、N270、N360处理下套作与单作玉米在各采样时期氮积累无显著差异，这说明中高量施氮可显著减轻小麦对玉米氮素吸收的不利影响，缓解小麦与玉米种间的氮素竞争。施氮量可在一定程度上改变单/套作玉米不同生育时期各器官中氮素的积累，单/套作玉米间相同器官氮素积累差异较大。单/套作玉米在各采样时期各器官的氮积累均有随着施氮量的增加先显著增加后无显著差异的变化规律。N0处理下套作玉米的茎秆及叶在拔节期的氮积累分别比单作低12.1%、31.7%，2014年分别比单作低59.7%、34.1%，差异均到达显著水平，这说明小麦的生长显著降低了玉米茎秆及叶片对氮的吸收，2014年在N90处理下套作玉米茎秆氮积累也低于单作，但差异未到达显著水平，这种差异在玉米吐丝期、完熟期持续存在。在N180、N270、N360处理下单/套作各器官间氮积累无显著差异，这说明小麦对玉米茎秆及叶片的氮吸收的影响随着玉米施氮量的增加而显著减小。

表4 不同施氮量下单/套作玉米各部位生长率Table 4 The growth rate of parts of maize on sole-cropping and inter-cropping under different nitrogen rates kg/(hm2·d)

同列不同小写字母表示同年不同氮处理间差异显著，*表示套作、单作间差异显著,下同。

The letters in the same column indicate the significantly different (P<0.05) between treatments for maize by LSD in a one year. * indicate the significantly different (P<0.05) between sole and intercropping maize, the same below.

表5 不同施氮量下单/套作玉米各部位的氮积累量Table 5 The N accumulation of parts of maize on sole and intercropping under nitrogen rates kg/hm2

2.5 施氮对单/套作玉米氮转运效率的影响

从表6可以看出，单/套作玉米氮转运量均为随施氮量增加呈现先增加后降低的变化，而单/套作玉米间在不同施氮处理下氮转运效率的差异不同。套作玉米营养器官(茎秆+鞘)氮转运量、转运率及对籽粒贡献率平均值分别为27.5 kg/hm2、19.6%、25.8%，而单作为26.7 kg/hm2、17.7%、25.5%，套作营养器官氮转运指标均高于单作。在N0及N90处理下套作茎秆平均氮转运量、氮转运率、氮转运对籽粒贡献率比单作分别低31.7%、36.3%、 46.0%，而叶片氮转运量及氮转运对籽粒贡献率则比单作分别低19.6%、11.4%，而叶氮转运率比单作高4.6%。在N180、N270、N360处理下套作茎秆平均氮转运量、氮转运率、氮转运对籽粒贡献率比单作分别高19.2%、44.4%、31.4%，而叶片则比单作分别高6.3%、8.2%、3.9%，这说明在N0、N90处理下，单作氮积累转运能力优于套作，在N180、N270、N360处理下，套作氮转运能力优于单作。单/套作玉米均以N180、N270处理下氮转运指标最优，这说明在该施氮条件下最有利于提高玉米植株氮素转运能力。

表6 不同施氮处理下单/套作玉米的叶片和茎鞘氮素转移及对籽粒贡献Table 6 N translocation in leaves and stem-sheathes of maize on sole-cropping and inter-cropping under different nitrogen application

3 讨论

有研究表明小麦/玉米/大豆套作体系各作物之间存在氮素双向转移[7]，该体系3 种作物的时间(生育期周期)及空间生态位不同，再加上各作物根系的相互穿插，从而使氮素在小麦/玉米间及玉米/大豆间发生转移，最终表现出不同的种间关系。肖焱波等[11]研究发现，小麦/蚕豆(Viciafaba)间作体系中，由于根系间的交互作用，小麦对肥料氮的吸收增加，蚕豆吸收肥料氮量下降，进而降低蚕豆带土壤氮水平，促进蚕豆固氮。小麦/玉米/大豆套作体系中的玉米在生育期周期的前期与小麦套作，小麦收获后单独生长，后期又与大豆套作，玉米与小麦、大豆共生期占到玉米生育期的60%以上，这种间套作关系与北方地区玉米的单一间作体系不同。本研究结果表明，在N0及N90处理下，套作玉米各生长阶段的生长速度、生物量、产量及氮素吸收积累量均显著低于单作玉米，最终造成套作玉米显著减产。

小麦/玉米/大豆套作体系中，当玉米施氮量90 kg/hm2时，套作玉米的氮素供应不足，玉米与套作作物小麦间有养分竞争作用，尤其是前套作物小麦对玉米带土壤的氮素的吸收，导致玉米带土壤硝态氮显著下降[12]，本研究在N0及N90处理下套作玉米生长速率，特别是茎秆生长速率显著低于单作，而氮吸收量也显著低于单作。这说明在低氮处理下小麦显著影响套作玉米前期的生长及对氮素的吸收，适宜的肥料的施入可以减轻小麦对玉米生长的影响[13]。玉米间作豆科作物后其植株全氮含量及土壤硝态氮含量显著提高[14]，间作大豆也可给玉米提供一定量的氮素[15]，在小麦/玉米/大豆套作玉米生长后期，大豆的套入对玉米生长及氮素吸收可能有促进作用，本研究中在高施氮处理下(N180、N270、N360)，套作玉米比单作玉米产量略有提高，氮吸收量、生物量差异不显著，说明充足的氮肥供应稳定了玉米土壤的氮素，减轻了小麦对套作玉米的不利影响，这使得套作玉米生长更为顺利。因此该体系要通过增施氮肥来弥补种间的氮素竞争对玉米的影响。

玉米以套作或间作种植可显著提高玉米及系统的氮吸收量及氮肥的利用效率[16-17]。单/套作玉米各生育时期生物量、氮积累量及产量均随施氮量增加先增加后略有降低。本研究中两种模式下玉米产量、氮收获指数均在施氮180 kg/hm2下达到最大，说明两种模式下氮肥对玉米的增产作用规律一致。产量形成依赖花后氮素营养转移，文熙宸等[8]认为玉米/大豆套作体系中玉米施氮量为180 kg/hm2时有利于花前营养器官氮素向籽粒转运和贡献，从而获得最佳氮肥运筹方式，本研究与其结果类似，王小春等[5]的研究也认为小麦/玉米套作条件下，玉米施氮以180 kg/hm2为最佳，在N180、N270、N360处理下，套作玉米比单作具有优越的氮素转运能力，本研究结果表明套作体系中玉米对氮肥的利用效率优于单作，这与陈晓辉等[9]的研究结果类似，因而要发挥小麦/玉米/大豆套作体系的套作优势，实现生产的“高产高效”，应保证该体系玉米施氮量在180 kg/hm2为最佳。

4 结论

(1)从两年的试验结果看，单/套作玉米产量随施氮量的增加先增加后略有降低，两种种植模式下玉米均在施氮量为180 kg/hm2时产量达到最大。在N0及N90处理下套作玉米的产量分别比单作低20.5%、7.5%，表现为套作劣势，而在N180、N270、N360处理下，套作玉米与单作玉米产量无显著差异。

(2)玉米的地上部干物质积累量，单/套作玉米各生育时期均表现为随施氮量的增加先增加后降低，干物质积累速率均在吐丝期到收获期达到最大。相对单作，小麦对套作玉米的茎秆生长产生显著不利影响，在拔节期套作玉米茎秆生长率比单作低12.5%，这种影响随施氮量的增加而减小，在施氮量到达180 kg/hm2后影响不显著。

(3)单/套作玉米地上部氮积累量随施氮量的增加先增加后降低。在N0、N90处理下，玉米单作种植，其花期氮积累量在生殖生长期更多转运到籽粒，而在N180、N270、N360处理下，套作花前氮积累量转移到籽粒的比例更高。而两种模式下均以施氮180～270 kg/hm2下氮转运指标最优，这说明在该施氮条件下最有利于提高植株氮素转运机能。

综上所述，小麦/玉米/大豆套作体系中玉米应施入足量的氮肥，才能降低小麦对玉米生长的不利影响，发挥玉米套作种植的氮转运优势，最终稳定该体系玉米的产量，实现生产的高产高效。本研究条件下小麦/玉米/大豆套作体系玉米的氮肥投入以180 kg/hm2为宜。

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Effects of wheat/maize/soybean intercropping and nitrogen fertilizer on growth and nitrogen uptake of maize

CHEN Yuan-Xue*, WANG Ke, ZHAO Ya-Ni, WANG Jia-Rui, XU Kai-Wei

CollegeofResourceSciences,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611130,China

The aim of this study was to evaluate the effects of wheat/maize/soybean intercropping and nitrogen levels on maize growth and nitrogen (N) uptake. We conducted a double-factor randomized block experiment with two planting patterns (sole cropping and wheat/maize/soybean intercropping), with three N levels (0, 180, and 360 kg/ha) in 2013 and four N levels (0, 90, 180, and 270 kg/ha) in 2014. The overall aim was to determine the effect of N fertilizer and intercropping on maize yield, and then to further improve the wheat/maize/soybean intercropping system. The results showed that: 1) intercropped maize in the N0and N90treatments showed 20.5% and 7.5% lower yields, respectively, than that of sole-cropped maize (i.e., an intercropping disadvantage). In the N180, N270, and N360treatments, there was no significant difference in maize yield between the sole cropping and intercropping planting patterns. As the nitrogen supply increased, the dry matter content in maize first increased and then decreased. The maximum dry matter accumulation rate in maize was at the spinning to harvest stage. Compared with sole-cropping, intercropping significantly and negatively affected the stem growth of maize in all N treatments. The maize stem growth rate was 12.5% lower in the intercrop than in the sole crop at the jointing stage, but this effect was mitigated when the amount of N fertilizer applied was 180 kg/ha or greater. The maize biomass and N accumulation in maize were significantly lower in the intercropping system than in the sole cropping system, and N transformation from nutritional organs to the seeds was also lower in the N0and N90treatments than in the sole cropping system. In the N180, N270, and N360treatments, the maize biomass and N accumulation in maize did not differ significantly between the two cropping systems, while the N transformation rate was higher in the intercropping system than in the sole cropping system. The highest N optimum transport index was in the N180and N270treatments, indicating that these treatments were most favorable for N-transporter function. In conclusion, it is important to provide the right amount of N to provide stability to the wheat/maize/soybean relay-planting system. Optimizing the amount of N supplied can increase maize yield, improve the efficiency of N absorption and transport, and reduce the effects of the growth and N absorption of maize on wheat. Under the conditions of this study, the amount of N fertilizer required for intercropped maize was 180 kg/ha.

growth rate; nitrogen accumulation; nitrogen transshipment

10.11686/cyxb2016125

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-03-23；改回日期：2016-06-07

国家现代农业玉米产业技术体系项目(CARS-02-04)和国家自然科学基金重大国际(地方)合作项目(31210103906)资助。

陈远学(1971-),男,重庆开县人,博士，副教授。E-mail: cyxue11889@163.com

陈远学, 王科, 赵亚妮, 王佳锐, 徐开未. 小麦/玉米/大豆套作和施氮对玉米生长及氮吸收利用的影响. 草业学报, 2017, 26(2): 171-179.

CHEN Yuan-Xue, WANG Ke, ZHAO Ya-Ni, WANG Jia-Rui, XU Kai-Wei. Effects of wheat/maize/soybean intercropping and nitrogen fertilizer on growth and nitrogen uptake of maize. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(2): 171-179.

*通信作者Corresponding author.