不同施氮水平及根系分隔方式对间作小麦蚕豆氮吸收的影响

刘英超 肖靖秀 郑 毅,2 汤 利

(1. 云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201; 2. 云南省教育厅，云南 昆明 650223)

间套作是我国传统农业的重要组成部分，是增加农田生物多样性的有效措施，被广泛用诸于农业实践[1]。间作套种模式可大幅度提高农田生态系统生产力，可在时间和空间上实现集约化种植，提高太阳辐射、水肥等各种农业资源的利用效率，减少病虫害，进而提高单位土地面积的生产力[2]。但长期以来有关间套作的研究大多集中在作物搭配模式和光能利用效率[3-4]、间套作对氮、磷和钾等养分的吸收利用[5-9]、产量优势[10]、病虫害控制等方面[11-14]，对小麦 (Triticumaestivum) 蚕豆 (Viciafaba) 间作系统中作物干物质量变化特征及对氮素吸收累积的动态变化的研究尚少见报道。本试验以中国西南地区典型的小麦蚕豆间作模式为例, 采用盆栽试验的方法, 研究不同种植模式及不同施氮水平对小麦蚕豆氮素营养累积吸收特征和养分竞争规律的影响, 旨在阐明小麦蚕豆间作体系中小麦氮素营养的吸收利用规律，以便为间作系统中氮素养分的合理投入提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2014年10月至2015年4月在云南农业大学资源与环境学院植物营养系温室进。供试小麦品种为云麦-52，蚕豆为玉溪大粒豆，种子由云南省农业科学院提供。试验为盆栽试验，供试土壤为云南农业大学后山红壤，土壤基本养分状况见表1。

1.2 试验设计

试验设根系分隔方式和氮素施用水平2个因素，其中根系分隔方式设小麦//蚕豆根系尼龙分隔 (根系无直接相互作用，但根际的水分、养分等可以相互传递)，小麦//蚕豆根系塑料分隔 (根系无交互作用，相当于单作)，小麦//蚕豆根系无分隔 (既存在地下部根系相互作用也存在地上部相互作用)；氮素施用水平设低氮 (N/2)、常规施氮 (N) 和高氮 (3N/2) 处理。每个处理3次重复，分5个生育期采样，共计135盆。

表1 土壤基本养分状况Table 1 Nutrient status of the soils used in experiment

1.3 种植与管理

试验每盆装土10 kg，分2行种植6株蚕豆和12株小麦。常规氮肥用量为150 mg/kg土，磷肥用量为100 mg/kg，钾肥用量为100 mg/kg (肥料均为纯养分用量)。磷钾肥全部作为基肥一次性施入；氮肥1/2为基肥，1/2为追肥, 并于小麦拔节期追施。氮肥追施时仅施用于间作处理的小麦一侧, 蚕豆均不施用追肥。整个生长过程中，所有小麦和蚕豆采用统一的管理措施，每7 d浇水1次，使土壤水分达到田间持水量的70%，定期除杂草、松土等。

1.4 采样及测定

试验按小麦蚕豆生育期随机取样，分别在小麦分蘖期 (30 d)、拔节期 (60 d)、孕穗期 (95 d)、灌浆期 (131 d)、成熟期 (156 d)，蚕豆的分枝期 (30 d)、开花期 (60 d)、结荚期 (95 d)、籽粒膨大期 (131 d)、成熟期 (156 d)取样。

取样方法：将长势均匀小麦蚕豆的整盆土转移出来，轻轻的将植株从土壤中分离开，将植株分为根、茎、叶，分别用水冲洗干净，再放入110 ℃烘箱杀青30 min，然后调至75 ℃烘至恒质量，分别称其干质量并测定植株各部分氮含量，测定方法参照 《土壤农化分析》[15]，用H2SO4-H2O2消煮，蒸馏定氮法测定。

1.5 数据处理

营养竞争比率NCRcs=(Niw/Nmw)/(Nif/Nmf)。其中，NCRcs：小麦相对于蚕豆的种间营养竞争比率；Niw、Nif：小麦、蚕豆在间作时的吸氮量；Nmw、Nmf：小麦、蚕豆在单作时的吸氮量。NCRcs > 1，表明小麦比蚕豆氮营养竞争能力强；NCRcs < 1，表明小麦比蚕豆氮营养竞争能力弱[16]。试验数据采用Excel 2007、SPSS 19.0软件进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平和根系分隔方式对小麦蚕豆产量的影响

不同氮水平及分隔方式下小麦蚕豆产量见表2。从表2可知，适当增施氮肥可以提高小麦蚕豆的产量，在推荐施肥 (N) 条件下，小麦产量达到最大，在高氮 (3N/2) 条件下，蚕豆产量达到最大。但是过量施氮与推荐施氮相比，并不能提高小麦蚕豆的产量。在不同的氮水平下，不同根系分隔方式对小麦蚕豆产量影响并不相同。低氮 (N/2) 水平下，小麦蚕豆产量均表现为无分隔 > 塑料分隔、无分隔 > 尼龙分隔，与无分隔相比，尼龙网分隔和塑料分隔处理小麦和蚕豆平均产量分别减少19.25%、0.21%和25.62%、20.29%。推荐施氮 (N) 和高氮 (3N/2) 条件下，不同根系分隔方式间产量没有明显差异。

表2 不同氮水平及分隔方式下小麦蚕豆产量Table 2 Yield of T.aestivum and V.faba under different N levels and root barriers g/盆

注：PB为塑料分隔；MB为尼龙分隔；NB为不分隔。不同小写字母表示同一分隔方式下不同氮水平之间有差异 (P< 0.05)，不同大写字母表示同一氮水平下不同分隔方式之间有差异 (P< 0.05)。

2.2 不同氮水平及根系分隔方式对小麦蚕豆干物质累积的影响

所有N水平中，塑料分隔 (PB)、尼龙分隔 (MB) 和无分隔 (NB) 3种根系分隔方式下，整个生育期小麦干物质量都保持相似的增长趋势，拔节期、孕穗期和灌浆期呈现直线增加，灌浆到成熟期增长幅度降低 (图1)。

图1不同根系分隔方式和氮水平下小麦干物质量
Fig.1 Dry matter ofT.aestivumunder different root barriers and N levels

从图1可知，低氮水平下，小麦拔节期、尼龙分隔方式下的小麦干物质累积量分别高于不分隔和塑料分隔60.8%和61.46%，相反，抽穗期和成熟期，尼龙分隔分别低于不分隔和塑料分隔17.86%、18.98%和23.54%、20.07%，但不分隔与无分隔之间差异不显著。推荐施肥水平下，小麦拔节期、抽穗期到灌浆期，尼龙分隔方式下的小麦干物质累积量分别高于不分隔和塑料分隔71.19%、73.42%，10.55%、10.55%和6.74%、15.45%。而在高氮条件下，小麦拔节期，尼龙分隔分别高于不分隔和塑料分隔63.02%和61.54%；小麦灌浆期，塑料分隔分别高于不分隔和尼龙分隔11.32%和16.63%。

由图2可知，在所有的根系分隔方式及施氮水平下，蚕豆整个生育期干物质量的累积有相似趋势。低氮水平下，无分隔方式蚕豆干物质累积分别低于尼龙和塑料分隔15.46%和20.68%；在推荐施氮水平下，抽穗到成熟期，不分隔和塑料分隔无明显差异，但是均高于尼龙分隔，抽穗期分别高于尼龙分隔24.53%和23.11%，成熟期分别高于尼龙分隔26.66%和26.96%。在高氮条件下，3种根系分隔方式间，整个生育期蚕豆干物质量虽有差异，但并不明显。

2.3 不同氮水平及根系分隔方式对小麦蚕豆氮养分累积吸收的影响

整个生育期小麦对氮养分的累积吸收量都表现为随生育期的增加而增加。尼龙分隔方式下，增施氮肥促进了间作小麦的氮养分累积吸收；但根系不分隔方式，增施氮肥却有降低小麦氮吸收的趋势 (图3)。

图2不同根系分隔方式和氮水平下蚕豆干物质量
Fig.2 Dry matter ofV.fabaunder different root barriers and nitrogen levels

图3不同根系分隔方式氮水平下小麦的氮养分积累量
Fig.3 N accumulation ofT.aestivumunder different root barriers and N levels

由图3可知，低氮水平下 (N/2)，根系不分隔小麦氮养分吸收量最高，尼龙分隔和塑料分隔之间的差异不显著；小麦灌浆期，不分隔方式下，小麦氮吸收量分别高于尼龙和塑料分隔15.32%和22.38%。在推荐施氮水平下 (N)，与不分隔和塑料分隔相比，尼龙分隔方式下小麦氮吸收量分别增加6%～38%和28%～38%，但差异不显著。在高氮水平下 (3N/2)，尼龙分隔方式下，小麦氮养分吸收累积量最高，但只有在小麦拔节期时，尼龙分隔和不分隔方式相比达到显著差异水平，尼龙网分隔增加56.8%。

从图4可知，蚕豆整个生育期对氮养分的吸收累积量都表现为随生育期的增加而增加，蚕豆分枝期和籽粒膨大期呈直线增加，而成熟期增加量相对平缓。低氮水平下 (N/2)，尼龙分隔 (MB)、无分隔 (NB) 和塑料分隔 (PB) 3种方式下，蚕豆的氮吸收累积没有明显差异。蚕豆籽粒膨大期，与根系尼龙分隔和不分隔相比，在推荐施氮水平下 (N)，塑料分隔蚕豆氮素吸收量分别增加29.03%，26.48%，相反，高氮条件下 (3N/2)，塑料分隔蚕豆氮素累积吸收分别减少24.9%和6.5%。

图4不同根系分隔方式和氮水平下蚕豆氮养分积累量
Fig.4 Nitrogen accumulation ofV.fabaunder different root barriers and nitrogen levels

2.4 不同根系分隔方式和氮水平对作物养分竞争比率 (NCRcs) 的影响

相同氮水平条件下，在根系塑料分隔和不分隔小麦蚕豆间作体系中，小麦相对于蚕豆养分竞争比率不同，见表3。

由表3可知，与塑料分隔体系相比，低氮水平下，除拔节期外，其他生育期不分隔体系小麦对氮素的养分竞争比率均高于蚕豆，小麦孕穗期时达到最大；常规施氮条件下，不分隔体系小麦对养分的竞争比率先增加后减少，孕穗和灌浆期达到最大值；高氮水平下，仅在孕穗期不分隔体系小麦对养分竞争比率高于蚕豆。同一生育期内，不同氮水平条件下，与塑料分隔体系相比，不分隔体系小麦相对于蚕豆对养分竞争比率减少，小麦孕穗期时，不同氮水平条件下，小麦对养分竞争比率均高于蚕豆。

表3 不同氮水平不同生育期小麦相对蚕豆养分竞争比率 (NCRcs)Table 3 Nutrient competition ratio of T.aestivum relative to V.faba under different N level at different growth stages

注：N-P代表无分隔相对于塑料分隔养分竞争比率；M-P代表尼龙分隔相对于塑料分隔养分竞争比率。

由表3还可以看出，相同氮水平条件下，在根系塑料分隔和尼龙分隔小麦蚕豆间作体系中，小麦相对于蚕豆养分竞争比率不同。与根系塑料分隔体系相比，低氮水平下，小麦灌浆期、乳熟期和成熟期，不分隔体系小麦对氮素的养分竞争比率均高于蚕豆，小麦孕穗期达到最大 (NCRcs=2.89)；常规施氮条件下，不分隔体系小麦对养分的竞争比率先增加后减少，拔节期达到最大值 (NCRcs=2.24)；高氮水平下，拔节期、孕穗和成熟期尼龙分隔体系小麦对养分竞争比率高于蚕豆。同一生育期内，不同氮水平条件下，与塑料分隔体系相比，不分隔体系小麦相对于蚕豆对养分竞争比率不同，分蘖期小麦对养分竞争比率均小于1，孕穗期小麦对养分竞争比率均大于1。

3 结论与讨论

研究结果表明，适当增施氮肥可以提高间作小麦蚕豆的产量，但是过量施氮与推荐施氮相比，并不能提高作物的产量。与低氮处理相比，常规施氮和高氮小麦产量分别增加14.9%和0.2%，蚕豆产量分别增加1.1%和10.1%，这与姜卉等[17]在云南不同生态区小麦蚕豆间作对产量优势的研究结果相符。一方面是因为低氮环境增加了小麦蚕豆对养分竞争程度[18]，增施氮肥缓解竞争压力，增加作物产量[19-21]；另一方面是因为在小麦蚕豆间作体系中的产量优势主要是种间氮营养生态位发生了分化，蚕豆通过固定空气氮而减少对土壤有效氮的吸收，将土壤中的有效氮节约供给与之相伴的作物小麦利用[22]。

随施氮量增加，小麦和蚕豆干物质累积量均增加，但常规施氮和高氮条件下差异并不明显。3种施氮 (N/2、N、3N/2) 水平下，拔节期、孕穗期和灌浆期，尼龙分隔小麦干物质积累量均高于无分隔和塑料分隔，尤其常规施氮条件下，3个生育期分别高于无分隔和塑料分隔71.19%、73.42%，10.55%、10.55%和6.74%、15.45%；蚕豆刚好相反，在推荐施氮水平下，抽穗到成熟期，无分隔和塑料分隔差异不明显，但是均高于尼龙分隔，抽穗期分别高于尼龙分隔24.53%和23.11%，成熟期分别高于尼龙分隔26.66%和26.96%。一方面，豆科作物由于自身的固氮作用，能够有效固定空气中的氮，蚕豆固氮的作用无法作用于小麦，小麦的养分全部来自于施入的养分，因而在与禾本科作物间作时，蚕豆周围氮素的一部分可以通过各种途径转移并被禾本科作物所利用，从而提高氮素的利用效率[23]；另一方面，豆科与禾本科作物间作可以形成地上部和地下部时间和空间生态位的分离，从而能够更好地利用自然界中的光、热、水分等资源，同时挖掘土壤中不同层次的养分资源，从而达到间作优势[24]，表现为干物质量的增加。但这种间作优势仅在尼龙分隔方式下明显，尼龙分隔根系时，地下部具有半交互作用，水分养分可以透过尼龙网相互流动，根系之间没有交互影响，说明小麦蚕豆间作在只有水分养分交互作用的条件下对干物质累积影响更有效。

试验中，地下部水分和养分及根系的相互作用可以提高作物氮素累积吸收量。低氮条件下，无分隔小麦氮素累积吸收量明显高于尼龙和塑料分隔，随施氮量增加，这种优势逐渐不明显；与之相反，低氮条件下，3种根系分隔 (PB、MB、NB) 蚕豆氮素累积吸收量并没有多大差异，推荐施氮条件下，塑料分隔方式下蚕豆氮素吸收量急剧增加，尤其籽粒膨大期，与尼龙分隔和不分隔相比分别增加29.03%，26.48%，高氮条件下，这种趋势又逐渐消失。这一研究结果和李隆等[25]在小麦/大豆体系研究发现相同，小麦与大豆间作优势主要表现在作物氮养分吸收量的增加，同时在玉米/大豆、玉米/水稻、木薯/豇豆、木薯/花生、高粱/大豆等研究发现种间互作能够增加作物的氮养分利用效率[26]。与小麦间作蚕豆，低氮和常规施氮条件下，拔节期、孕穗期和灌浆期，无分隔和尼龙分隔小麦养分竞争能力高于蚕豆 (NCRcs > 1)，表明在该试验中，低氮和常规施氮条件下，无分隔和尼龙分隔处理时，小麦通过质流扩散从蚕豆一侧竞争性地吸收了养分，而蚕豆根系仅在自己一侧生长和吸收养分，随施氮量增加，对氮养分的竞争减小，表现为蚕豆对氮养分累积量增加[27]，塑料分隔小麦蚕豆根系地下部没有水分养分交互作用，竞争明显减少，蚕豆对氮养分累积量明显增加。但无分隔处理时氮养分的大量累积吸收并没有导致作物干物质累积量的提高，具体原因和机理还需要进一步研究和讨论。

本研究表明：不同根系分隔方式和氮水平会改变间作小麦蚕豆的产量、干物质量和氮素累积吸收量，随施氮量增加，小麦蚕豆干物质量均增加，常规施氮条件下，尼龙分隔小麦高于无分隔和塑料分隔，尼龙分隔蚕豆低于无分隔和塑料分隔。低氮条件下，无分隔小麦氮素累积吸收量明显高于尼龙和塑料分隔，随施氮量增加，这种优势逐渐不明显；低氮和高氮条件下，3种根系分隔 (PB、MB、NB) 蚕豆氮素累积吸收量差异不显著，推荐施氮条件下，塑料分隔方式下蚕豆氮素吸收量急剧增加，尤其籽粒膨大期，与尼龙分隔和不分隔相比分别增加29.03%，26.48%。低氮和常规施氮条件下，拔节期、孕穗期和灌浆期，与根系塑料分隔体系相比，尼龙和无分隔小麦养分竞争比率高于蚕豆。

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