施氮对套作玉米氮素吸收利用的影响

贾志荣，张美俊，杨武德

施氮对套作玉米氮素吸收利用的影响

贾志荣，张美俊，杨武德

（山西农业大学农学院，山西太谷030801）

研究不同施氮水平下冬小麦/春玉米体系套作玉米的氮素吸收利用特征，并且探索套作玉米氮素高效吸收利用的最适施氮量。试验采用田间裂区设计，设置4个施氮水平（0，150，300，450 kg/hm2），2个种植模式（春玉米单作和冬小麦/春玉米）。结果表明，整个生育过程，套作玉米相较于单作玉米表现出氮素积累优势，在施氮量为300 kg/hm2时，套作玉米氮素积累量达到最大；随施氮量增加，玉米的氮素利用率逐渐降低，但套作玉米仍较单作玉米表现优势；成熟期套作玉米籽粒的氮素积累量较单作玉米显著增加；在施氮量为300 kg/hm2时，套作玉米的叶片贡献率显著高于单作玉米和其他套作玉米施氮处理。套作玉米具有氮素吸收利用及转运优势，合理施氮可促进套作玉米叶片氮素向籽粒转运。

套作玉米；氮素积累量；氮素利用效率；氮素分配

氮是植物生长发育所必需的营养元素，在保障粮食稳产、增产中起到重要作用[1]。但是氮素流动性大、不易固定以及生产中不合理的施用，导致氮的大量流失，最终降低了氮素的利用率[2]。因此，氮的高效利用对国家的粮食生产安全和环境安全起到至关重要的作用。间作套种在我国具有悠久的历史，长期以来的生产劳动证实，间作套种在提高作物产量上有突出贡献[3]。间作套种可以通过搭配种植不同作物使它们之间产生互作作用来达到增产、增效的目的[4-5]。小麦/玉米间套作在西北、西南、内蒙、华北等地广泛使用[6-7]。小麦玉米间套作模式作为一种禾本科间套模式，充分利用不同物种时空生态位互补效应，错开物种对于养分、水分和光照的吸收利用高峰，是一种高产量、高效率的间套作模式。目前，农业生产已经由资源消耗型向技术效益型逐渐转变，资源的高效利用已成为间作套种研究的重点[8]。研究表明，小麦与玉米进行间套作能提高小麦对养分的吸收和利用，最终使小麦产量增加40%～70%。小麦与玉米套作系统中，小麦处于竞争优势，对土壤和肥料氮的竞争力强于玉米，玉米为劣势作物，可通过增施适量氮肥减弱种间的竞争[9]；LI等[10]、刘广才等[11]的田间试验表明，共生期玉米根系的生长范围会受到小麦生长的影响，玉米根系无法延伸到小麦根系分布区，而小麦根系可延伸到玉米根区，间套作小麦具有养分吸收优势，增产显著。小麦玉米间套作的种间相互作用表现为竞争恢复的变化过程，并通过这一过程最终获得生长和养分吸收上的优势[12]。赵亚妮等[13]研究表明，施氮可调节作物的种间竞争能力，增加施氮量至适宜水平后，小麦受套入玉米的竞争减弱达到双赢效果。然而，目前有关小麦/玉米套作体系套作玉米氮素调控管理及吸收利用的研究较少。

本试验通过设置冬小麦/春玉米田间试验，研究不同施氮水平下，套作玉米的氮素吸收利用特征，旨在为冬小麦/春玉米在晋中地区的高产种植以及氮素的高效吸收利用提供理论与实践依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试春玉米品种为潞鑫二号；冬小麦品种为长4738。

1.2 试验设计

试验于2015—2016年在山西农业大学试验农场进行，试验土壤肥力中等，有机质13.74 g/kg，全氮 0.84g/kg，速效磷 6.53mg/kg，速效钾 145.86mg/kg。

冬小麦于2015年10月3日条播，2016年6月22日收获；春玉米于2016年4月22日点穴播种。试验采用二因素裂区设计，主区为氮肥，套作春玉米带和春玉米单作区设置4个氮肥水平：0 kg/hm2（N0）；150 kg/hm2（N1）；300 kg/hm2（N2）；450 kg/hm2（N3），氮肥基追比为1∶1，在大喇叭口期追肥。套作冬小麦带施氮肥225kg/hm2，氮肥基追比为1∶1，在拔节期追肥。磷肥（120 kg/hm2）和钾肥（150 kg/hm2）作为基肥在播前一次性施入。副区为种植模式：冬小麦与春玉米套作（W/M）和春玉米单作（M）。6次重复，3次重复用于生育时期取样，3次重复用于成熟期测产，共48个小区。

春玉米单作（M）小区面积为3.6 m×9.0 m＝32.4 m2。冬小麦与春玉米套作（W/M）小区面积为17.6 m×9.0 m＝158.4 m2。冬小麦行距为20 cm，密度为450万株/hm2。春玉米行距为40 cm，株距为33.3 cm。冬小麦/春玉米（W/M）采用6∶2套作，套作区冬小麦与春玉米间距为30 cm。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 玉米干物质积累及植株氮含量的测定 分别在苗期、拔节期、大喇叭口期、吐丝期、吐丝后20 d、成熟期采集长势一致的植株样品，自玉米根部齐地面割下，每次每小区采集4株。把各器官分别称鲜质量后，105℃下杀青 30 min，80℃（12～24 h）烘干至恒质量，再称干质量，将烘干的植株样研磨粉碎，放于干燥处待用。用凯氏定氮法（H2SO4-H2O2消煮）测定氮含量。

1.3.2 玉米产量测定 于玉米成熟期（8月30日）取测产区样调查小区产量，在玉米单作区和套作区每小区随机取20个果穗进行室内考种，分别计算单位土地面积玉米产量。

1.3.3 指标计算 植株地上部氮积累量（kg/hm2）＝各生育时期地上部各器官生物量（kg/hm2）×各器官含氮量（kg/kg）；氮素生理利用率（kg/kg）＝（施氮区籽粒产量－不施氮区籽粒产量）/（施氮区植株地上部积累量－不施氮区植株地上部积累量）；氮素农学利用率（kg/kg）＝（施氮区籽粒产量－不施氮区籽粒产量）/施氮量；氮肥偏生产力（kg/kg）＝籽粒产量/施氮量；叶片（茎、鞘）氮转运量＝吐丝期氮积累量－成熟期氮积累量；叶片（茎、鞘）氮转运对籽粒的贡献率＝氮转运量/成熟期氮积累量×100%；氮素收获指数＝籽粒氮积累量/成熟时植株氮积累总量×100%。

1.4 数据处理

采用Excel和DPS软件对数据进行t检验或Tukey新复极差多重比较。

2 结果与分析

2.1 种植模式和施氮量对玉米氮素积累的影响

由表1，2可知，不同种植模式对苗期和拔节期玉米的氮素积累量无显著影响（P＞0.05），但对其他生育时期玉米的氮素积累量的影响均达到极显著水平（P＜0.01）；不同施氮水平对苗期玉米的氮素积累量无显著影响（P＞0.05），对拔节期的影响达到显著水平（P＜0.05），对其他生育时期的影响均达到极显著水平（P＜0.01）；种植模式和施氮水平的交互效应对大喇叭口期玉米的氮素积累量达到极显著水平（P＜0.01），在吐丝期和吐丝后20 d达到显著水平（P＜0.05），在其他生育时期均无显著差异（P＞0.05）。

套作玉米跟单作玉米一致表现为：随施氮量的增加，氮素积累量在各生育时期均呈先增后减的变化趋势，均在N2处理水平达到最高值，氮素积累量总体趋势表现为N2＞N3＞N1＞N0。同一施氮水平下，套作玉米与单作玉米一致表现为：随生育进程的推进，氮素积累量逐渐增加，成熟期达到最大值。从大喇叭口期开始，相同施氮水平下套作玉米氮素积累量均显著大于单作，如在大喇叭口期，N0，N1，N2，N3水平下，套作玉米氮素积累量较单作玉米分别显著提高了42.46%，64.94%，61.76%，55.18%，说明套作具有显著增加玉米氮素积累量的优势。

表1 不同生育时期玉米氮素积累量 kg/hm2

表2 2种处理对不同生育时期玉米氮素积累量的方差分析

2.2 种植模式和施氮量对玉米氮素分配的影响

由图1可知，不同施氮处理，单作和套作玉米成熟期各器官氮素积累量随施氮量的增加表现为先升高后降低的趋势，均在N2处理水平下达到最大值，即施氮量超过300 kg/hm2时，玉米各器官氮素积累量不再增加。且单作玉米和套作玉米茎鞘、叶片、籽粒各器官氮素积累量在不同施氮水平下差异均达显著水平（P＜0.05），如在套作模式下，玉米叶片氮素积累量N2处理水平比N0，N1，N3处理水平显著增加了99.18%，38.6%，22.95%。同一施氮量下，不同种植模式对玉米成熟期各器官氮素积累量影响表现为：单作玉米叶片、茎鞘器官氮素积累量均显著高于套作玉米，套作玉米籽粒器官氮素积累量均显著高于单作玉米。套作玉米籽粒中氮素积累量在N0，N1，N2，N3处理下，分别比同水平单作玉米显著增加40.27%，40.49%，20.57%和26.06%。

从表3可以看出，2种种植模式下成熟期玉米各器官氮含量在整株氮素积累量中的占比表现为：籽粒＞叶片＞茎鞘＞苞叶，籽粒占比达到1/2以上。2种种植模式下玉米茎鞘和叶片的氮素积累量均表现为单作显著大于套作，分别显著增加33.01%和44.49%，但在整株氮素积累量中的占比不大；而在整株中占比最大的为籽粒，套作相对于单作增长27.69%，达显著性差异水平（P＜0.05），说明套作有利于氮素向籽粒中转移。

表3 成熟期玉米各器官氮素积累量占整株的比例 %

2.3 种植模式和施氮量对玉米氮素利用率的影响

由表4，5可知，不同种植模式对玉米氮素生理利用率和氮肥偏生产力的影响均达到极显著水平（P＜0.01），对玉米氮素农学利用率的影响达显著水平（P＜0.05）；不同施氮量对玉米氮素生理利用率、氮肥偏生产力和氮素农学利用率的影响均达到极显著水平（P＜0.01）；施氮水平和种植模式交互效应对玉米氮素生理利用率和氮肥偏生产力达到极显著水平（P＜0.01），对玉米氮素农学利用率无显著差异（P＞0.05）。

表4 玉米氮素利用率

表5 2种处理对玉米氮素利用率的方差分析

由表4可知，施氮量从N1增加到N3，单、套作玉米的氮素生理利用率、氮素农学利用率和氮肥偏生产力均随之降低。说明增施氮肥会明显降低玉米氮素利用率。总体来看，套作玉米的氮素生理利用率、氮素农学利用率和氮肥偏生产力都比单作玉米显著提高，如在N1施氮水平下，氮素生理利用率套作玉米比单作玉米高25.45%，氮素农学利用率套作玉米比单作玉米高14.44%，氮肥偏生产力套作玉米比单作玉米高5.6%。说明套作玉米的氮素利用率显著高于单作玉米。

从表6，7可以看出，不同种植模式对玉米叶片贡献率和氮素收获指数的影响达到极显著水平（P＜0.01），但对茎鞘贡献率无显著性影响（P＞0.05）；不同施氮水平对玉米叶片和茎鞘贡献率的影响达到极显著性水平（P＜0.01），对氮素收获指数无显著性影响（P＞0.05）；种植模式和施氮水平交互效应仅对叶片贡献率达到极显著水平。

同一施氮水平下，单作与套作玉米氮收获指数和茎鞘贡献率均没有达到显著水平。单作玉米和套作玉米的叶片贡献率仅在施氮量N2水平下达显著差异，套作玉米比单作玉米显著增加11.35%；且套作玉米在施氮量N2水平下的叶片贡献率显著高于其他套作玉米施氮处理，分别比施氮量N0，N1，N3水平显著提高13.19%，11.75%，16.17%，表明合理的 施氮水平下，套作有利于玉米叶片氮素向籽粒转运。

表6 玉米籽粒氮素利用率

表7 2种处理对玉米籽粒氮素利用率的方差分析

3 讨论

间套作是一种传统的农艺技术[14-15]，也是现代农业高产高效的主要措施之一。资源的有效利用是间套作产量优势的生物学基础。间套作产量优势是以养分吸收优势为物质基础[16-17]。本试验条件下，冬小麦与春玉米套作体系的玉米氮素积累量在成熟期达到最高值。不同生育时期玉米氮素积累量均表现为随施氮量的增加先升后降的变化趋势，在N2处理（300 kg/hm2）水平下，玉米氮素积累量达到最大值，雍太文等[18]、徐婷等[19]在进行田间玉米间套作试验时也发现，随着玉米的生长其氮素积累量持续增加，且随施氮量的升高先升后降。

在玉米中后期，同一氮肥水平下，套作玉米氮素积累量均显著大于单作，说明套作具有显著增加玉米中后期氮素积累量的优势。研究表明，小麦收获后间套作玉米单位根长吸氮速率显著高于单作，是单作玉米的1.97倍，这归功于间套作玉米生长和养分吸收的快速恢复机制[20]。本试验玉米于4月22日播种，小麦于6月下旬收获，小麦玉米有2个月的共生期。GOU等[21]研究指出，较长的共生期对小麦起到抑制作用，而为玉米在后期获得较高的干物质积累量提供了有利条件，本试验中后期套作玉米相对于单作玉米氮素积累量的显著增加可能也与套作玉米干物质积累量提高有关。在本试验氮肥水平下，套作玉米的氮素利用率具有显著高于单作的趋势，其中，氮肥偏生产力、氮素生理利用率、氮素农学利用率与单作玉米分别平均高出8.72%，10.15%，14.77%。本研究认为，由于套作模式较单作模式具有氮素积累和利用的优势，在生育后期有部分氮素从各器官转移到籽粒中去，使得成熟期套作玉米籽粒中氮素积累量显著高于单作玉米。

本研究显示，在N2处理（300 kg/hm2）水平下，套作玉米的叶片贡献率显著高于单作玉米，且套作玉米在N2水平下的叶片贡献率显著高于其他套作玉米施氮处理，表明合理的氮肥供应，有利于套作玉米叶片氮素向籽粒转运。有研究显示，小麦与玉米套作体系中，小麦与玉米之间的互作效应与施氮量的多少密切相关；氮素水平不足时，小麦表现竞争优势，增施氮素，玉米受小麦竞争优势影响逐渐降低，当氮素水平达到临界值（300 kg/hm2）时，2种作物达到互作效果均表现生长优势，认为在小麦与玉米套作体系中合理施用氮肥，可以降低种间竞争作用[13]。

4 结论

本试验表明，套作玉米相对于单作玉米具有氮素积累、利用及向籽粒转运的优势，在施氮量为300 kg/hm2条件下，冬小麦/春玉米体系套作玉米氮素吸收利用达到最优，过量施氮没有获得更高氮素积累量及利用效率，并可能会加剧环境污染，因此，冬小麦/春玉米体系适量施氮有助于发挥套作优势。

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Effects of Nitrogen Fertilizer on Nitrogen Uptake and Utilization of Intercropped Maize

JIA Zhirong，ZHANGMeijun，YANGWude
（Collegeof Agronomy，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

The aim of the experiment was to study the nitrogen uptake and utilization characteristics of intercropped maize under different nitrogen application,and explore the optimumnitrogen application levels,which helped intercropping maizetouptakeand utilize efficiently nitrogen in winter wheat/spring maize system.A split block field experiment was designed with four nitrogen application levels（0,150,300,450 kg/hm2）,and two planting patterns（spring maize monoculture and winter wheat/spring maize）.The results showed that during the whole growing period,intercropping maize showed the advantage of nitrogen accumulation compared with monoculture maize,and the value of its nitrogen accumulation reached maximum at the nitrogen application of 300 kg/hm2.With the increasing of nitrogen application,the utilization efficiency of maizeto nitrogen gradually decreased,however,the intercroppingmaizestill showed great advantages than maize monoculture.At mature stage,the amount of nitrogen accumulation in grain of intercropping maize significantly increased compared with that of monoculture maize.When the nitrogen application was 300 kg/hm2,the NCPin leave of intercropping maize was significantly higher than that of monoculture maize and other nitrogen application levels in intercropping maize field.It concluded that intercropped maize had advantages in nitrogen uptake,utilization and transfer,furthermore,reasonable nitrogen application could promote thenitrogen transfer of intercropped maizefromleave to grain.

intercropped maize;nitrogen accumulation;nitrogen utilization efficiency;nitrogen allocation

S513；S344.3

A

1002-2481（2017）12-1960-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.12.16

2017-07-25

国家重点研发计划项目（2016YFD0300202）；山西省科技攻关项目（20150311002-4）

贾志荣（1992-），男，山西临汾人，在读硕士，研究方向：作物生态。张美俊为通信作者。