不同供氮水平下玉米/大豆间作体系干物质积累和氮素吸收动态模拟*

王雪蓉, 张润芝, 李淑敏,许 宁, 牟 尧, 张春怡

不同供氮水平下玉米/大豆间作体系干物质积累和氮素吸收动态模拟*

王雪蓉, 张润芝, 李淑敏**,许 宁, 牟 尧, 张春怡

(东北农业大学资源与环境学院 哈尔滨 150030)

玉米/大豆间作具有一定的养分利用优势, 但是不同供氮水平对玉米/大豆间作体系干物质累积和氮素吸收的调控作用不同。本试验采用田间裂区设计, 运用Logistic模型分析, 模拟了4个氮水平下玉米/大豆间作作物干物质积累和氮素吸收的动态变化。结果表明, 玉米、大豆干物质累积和氮素吸收动态符合Logistic模型, 相关系数2均在0.9以上。在N0(不施氮肥)、N1(180 kg·hm-2)、N2(240 kg·hm-2)和N3(300 kg·hm-2)供氮水平时, 间作玉米最大生长速率(max-B)分别比单作提高34.2%、46.7%、25.9%和25.1%, 而相应的供氮水平下, 大豆的max-B分别降低27.7%、30.3%、16.5%和23.7%, 但整个间作系统的max-B平均增加32.1%; 玉米和大豆干物质的其他模拟参数与max-B规律一致。氮素吸收动态与干物质积累表现出同步的变化特点, 在N1水平下, 单位面积间作玉米的氮素最大吸收量(KN)、最大吸收速率(max-N)和瞬时吸收速率(rN)比相应单作分别提高18.4%、48.9%和25.8%, 而间作大豆的KN、max-N和rN值比单作处理分别降低15.9%、29.9%和16.69%, 整个间作系统氮素分别提高0.4%、13.7%和7.8%; 施氮水平对大豆rN无显著性影响。间作显著地提高了氮素当量比(LERN>1), 其中N0水平下LERN值最高, 随着施氮量的增加, LERN有下降趋势。在本试验条件下, N2供氮水平下玉米/大豆间作体系干物质积累量和氮素吸收量最高, 间作优势最明显。

玉米/大豆间作; 干物质累积; 氮素吸收量; 间作优势; Logistic模型

间作作为传统农业的精华, 对于农业生产的可持续发展具有重要的作用。已有研究表明, 选择合理的作物搭配进行间作, 发挥种间促进作用, 有利于间作体系生产力的提高[1]。比如在小麦(L.)/大豆[(Linn.) Merr]间作[2]、蚕豆(L.)/玉米(L.)间作[3]、玉米/大豆间作[4]等作物上都获得较高的产量, 提高了作物土地利用效率。在众多的间作模式中, 禾本科/豆科间作, 尤其玉米/大豆间作具有明显的产量优势, 并且已被大量研究所证实[5-6]。

但是不同的供氮水平下间作体系的养分利用效率和产量优势表现不同。王晓维等[7]在江西省进行了玉米/大豆间作和施氮对产量影响试验发现, 与不施氮相比, 施氮量150 kg·hm-2处理显著地提高了春、秋两季间作玉米的产量(23.81%和40.99%)。有研究表明, 不同水氮处理可调控玉米/大豆间作群体内光能截获, 提高了玉米叶片中叶绿素的含量, 从而影响了间作玉米干物质累积和产量[8]。还有研究表明, 间作可以显著地改善农作物的氮素营养, 进而提高系统氮素吸收量[9]。小麦/玉米间作系统中小麦和玉米对氮素的吸收总量显著地高于相应单作小麦和玉米之和[10]。玉米/马铃薯(L.)间作研究表明[11], 相对于单作, 在施氮量为125 kg·hm-2水平下, 间作体系对氮素的吸收量提高了15%; 间作在施氮量375 kg·hm-2时, 系统具有更高的养分利用效率, 并且较单作可提高氮素利用效率14.3%左右。由此可见, 施用氮肥对间作体系干物质累积和养分的利用有调控作用。肖春华等[12]和何萍等[13]通过Logistic方程模拟发现, 玉米氮素的积累动态与干物质积累动态基本同步。柏文恋等[14]运用Logistic分析模拟了小麦/蚕豆间作和不同磷水平下作物生长动态及模式, 结果表明, 与单作相比, 间作提高了小麦的最大生长速率和瞬时生长速率, 并且小麦、蚕豆的最大吸收速率受施肥的影响。但是不同氮水平对玉米/大豆间作体系中干物质累积和氮素利用的影响等方面还缺乏详细的报道。

本研究通过设置4个供氮水平, 利用Logistic模型模拟分析在不同氮素供应水平下, 玉米/大豆间作体系玉米、大豆地上部分干物质累积和氮素吸收的动态变化, 探讨不同供氮水平下间作与单作对玉米、大豆氮素利用效率的影响, 比较Logistic模型中各参数在单作与间作之间的差异。为玉米/大豆间作体系优化氮肥用量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验设在黑龙江省哈尔滨市阿城区东北农业大学试验基地。供试土壤为典型黑土, 耕层土壤有机质含量29.8 g·kg-1, 全氮1.47 g·kg-1, 碱解氮125 mg·kg-1, 有效磷29.1 mg·kg-1, 有效钾122.55 mg·kg-1, pH 6.11, 土壤容重为1.23 g·cm-3。采用裂区设计, 设置4个氮水平和3种种植模式。种植模式分别为单作玉米(M)、单作大豆(S)、玉米/大豆间作[间作玉米(IM)、间作大豆(IS)]。单作玉米设N0(0 kg·hm-2)、N1(180 kg·hm-2)、N2(240 kg·hm-2)、N3(300 kg·hm-2)4个施氮水平, 单作大豆设N0(0 kg·hm-2)、N1(40 kg·hm-2)、N2(80 kg·hm-2)、N3(120 kg·hm-2)4个施氮水平。玉米大豆为2∶2间作模式即2行玉米间作2行大豆, 相应的肥料用量为单作的一半, 所以间作模式下4个施氮水平分别为不施氮肥、施氮为110 kg·hm-2、160 kg·hm-2、210 kg·hm-2(分别记作N0、N1、N2、N3); 总共12个处理, 每个处理3次重复, 共计36个小区, 每个小区面积为48 m2(10 m× 4.8 m), 小区间有0.6 m宽的山脊隔开。试验种植的玉米品种为‘先玉335’, 大豆品种为‘东农252’。玉米的行距为60 cm、株距为17 cm, 密度为9.8万株·hm-2。大豆行距为60 cm、株距为8.5 cm, 密度为19.6万株·hm-2。间作模式下玉米和大豆行距、株距与单作一致, 种植密度相同。间作模式为两行玉米与两行大豆间作组成一个间作条带, 每个小区有2个间作条带。

所有处理基肥氮素用量为0 kg(N)·hm-2、40 kg(N)·hm-2、80 kg(N)·hm-2、120 kg(N)·hm-2, 采用尿素作为氮素肥料; 各处理的磷、钾施用量一致, 磷施用量为120 kg·hm-2, 采用重过磷酸钙, 钾施用量为100 kg·hm-2, 采用硫酸钾, 于玉米和大豆播种前一天施入各处理小区, 各处理其余的氮肥于玉米大喇叭口期追施。2017年5月8日玉米和大豆同时进行播种。

1.2 样品采集方法和测定方法

分别在玉米出苗后的34 d(出苗期)、48 d(拔节期)、70 d(抽雄期)、99 d(灌浆期)和126 d(成熟期), 以及大豆出苗后的40 d(苗期)、54 d(开花期)、76 d(结荚期)、109 d(鼓粒期)、132 d(成熟期)在取样区进行随机取样, 每个小区8根垄, 其中4条垄为取样区。玉米样品在每次采样时随机抽取3株, 大豆样品每次随机抽取5株, 收获植株地上部分带回实验室。先将样品放置在105 ℃烘箱杀青30 min, 然后在80 ℃条件下烘至恒重称重, 然后将样品粉碎后供植株含氮量的测定。样品含氮量采用凯氏定氮法测定。

1.3 作物干物质累积以及氮素吸收动态模拟方法

本试验采用Logistic模型模拟不同供氮水平下玉米/大豆间作中玉米和大豆干物质累积曲线以及氮素吸收动态变化的过程。利用Logistic模型模拟作物从出苗到收获的生长以及氮素吸收动态曲线, 公式如下[15]:

1.4 氮素吸收量的比较

计算间作系统氮素吸收量相对于单作的变化()[16]:

式中:t为间作中玉米和大豆的总吸氮量,m和s分别为单作玉米和单作大豆的吸氮量;m和s分别为间作中玉米和大豆的比例, 在本试验中m、s为0.5。>0, 表示相对于单作, 间作的氮吸收量增加;<0, 表示相对于单作, 间作的氮吸收量减少。

1.5 氮素利用效率的比较

养分利用效率分为经济产量养分利用效率和生物学产量养分利用效率[16]。间作相对单作的经济产量氮素利用效率变化(NUE)采用下式计算:

式中:t表示间作籽粒总产量;t表示间作总吸氮量;m、s分别表示在单作中玉米、大豆的籽粒产量;m、s分别表示单作中玉米、大豆的吸氮量;m和s分别为间作中玉米和大豆的比例, 本试验中m、s为0.5。NUE的正负反映间作氮素利用效率相对于单作加权平均的增加或减少, 绝对值大小指示增减的幅度。

生物学产量氮素利用效率计算方式与其相似, 只需将经济学产量都替代为生物学产量即可。

1.6 氮素当量比

定义玉米在间作和单作中吸氮量分别为im和m, 相应大豆分别为is和s,m和s分别为间作中玉米和大豆的比例(0.5), 则氮素当量比(LERN)的计算公式[17]为:

1.7 数据分析

采用OriginPro 8软件的Slogistic1程序估算。采用SPSS 22.0软件进行分析, 双因素方差分析多重比较级采用最小显著差异法。

2 结果与分析

2.1 不同供氮水平玉米干物质积累和关键生长参数

由图1可见, 不同供氮水平下单、间作玉米的生长动态符合Logistic模型, 模拟的相关系数(2)为0.986~0.999(<0.001)。模拟结果表明不同供氮水平下单、间作玉米的生长曲线参数有显著性差异(表1)。氮水平、间作模式及其交互作用对玉米的单位面积最大干物质量(-B)、达到最大生长速度所需时间(max-B)、瞬时生长速率(-B)以及最大生长速率(max-B)具有显著影响。

玉米干物质积累max-B与-B表现出相同的变化趋势。玉米-B和max-B主要受供氮水平的影响, 在4个供氮水平中, N2处理的玉米-B以及max-B值显著高于N0、N1处理, 施氮量最高的N3处理的-B以及max-B值低于N2处理。不同供氮水平下, 间作种植模式可以显著地提高玉米-B和max-B, 且间作在N0、N1、N2和N3水平下玉米的max-B分别提高34.2%、46.7%、25.9%和25.1%, 其中N2IM处理-B达到最大值, 并与其他处理间具有显著差异。不同供氮水平下, 间作玉米max-B均显著少于单作玉米, 并且N2、N3水平相对于N1平均缩短3~4 d, 其中N2IM处理的玉米在播种后84 d达到max-B。间作玉米-B明显大于单作, 且玉米于N3水平下-B最高, 并且和其他氮水平之间差异显著。

图1 不同供氮水平下单作玉米和与大豆间作的玉米的干物质积累动态

M和IM分别代表单作玉米和与大豆间作的玉米; N0、N1、N2和N3代表施氮量分别为0 kg·hm-2、180 kg·hm-2、240 kg·hm-2、320 kg·hm-2。M and IM represent monocultured maize and intercropped maize. N0, N1, N2 and N3 respectively represent N supply levels of 0 kg·hm-2, 180 kg·hm-2, 240 kg·hm-2and 320 kg·hm-2.

2.2 不同供氮水平大豆干物质积累和关键生长参数

氮水平以及单间作种植模式下, 大豆的生长曲线符合Logistic模型(图2、表2), 模拟的相关系数(2)为0.990~0.999(<0.001)。从图2可以得出, 大豆生育初期生长迅速, 然后增长缓慢并于成熟时停止。因此, 大豆地上部分生物积累量逐渐升高, 且在结荚期积累速度较快。4个供氮水平中, N2水平大豆的干物质积累量明显地高于N0、N1、N3水平的积累。

如表2所示, 不同处理下大豆的干物质积累曲线参数具有差异。其中, 氮水平、间作种植模式对大豆单位面积最大干物质量(-B)、达到最大生长速度所需时间(max-B)以及最大生长速率(max-B)有显著影响。相对于单作, 间作在N0、N1、N2和N3水平下大豆的max-B分别降低27.7%、30.3%、16.5%和23.7%。N2S处理-B最高, 为10.6×103kg·hm-2, 而N0IS处理-B最低, 为6.7×103kg·hm-2。施氮量显著地影响大豆的关键生长参数, 相较于N0水平, N2、N3水平下, 单作大豆-B值分别提高14.43%和9.28%。间作显著地缩短大豆max-B, 且间作大豆在出苗71 d左右达到max-B。氮水平以及间作种植模式对大豆瞬时生长速率(-B)无显著影响。

2.3 不同氮水平玉米氮素吸收和关键吸收参数

从表3可知, 玉米对氮素的吸收动态与干物质累积同步, 也符合Logistic模型, 其相关系数(2)为0.950~0.995(<0.001)。同一种植模式下, 通过对玉米氮素吸收曲线在不同氮水平下的比较可知, 单、间作之间玉米氮素吸收状况的关键参数有显著差异。氮水平、间作模式以及交互作用对玉米的氮素最大积累量(K-N)、氮素瞬时吸收速率(r-N)和氮素最大瞬时吸收率(max-N)具有显著性影响。间作种植相对于单作显著地提高了玉米K-N, 其中, N0IM 处理>N0M 处理, N1IM 处理>N1M 处理, N2IM 处理>N2M处理, N3IM 处理>N3M 处理; 玉米在N2IM处理下对氮素的吸收量最高, 达421.6 kg·hm-2, 与其他氮素水平之间有显著差异; N0IM 处理下玉米对氮素吸收量最低, 为260.3 kg·hm-2。玉米max-N与-N表现出了相同的变化趋势。在N1 水平下, 间作玉米-N、max-N和-N比相应单作分别提高18.4%、48.9%和25.8%。

氮水平、间作模式对玉米达到最大生育所需时间(max-N)具有显著影响, 但是二者之间的交互作用不明显。间作模式显著地缩短了玉米max-N, 其中, 间作相对于单作,max-N缩短2~3 d, 并且在播种后73 d左右达到max-N。

表1 不同供氮水平下单作玉米和与大豆间作的玉米的干物质累积的Logistic函数参数

不同大写字母表示在同一供氮水平不同种植模式间差异显著(<0.05), 不同小写字母表示同一种植模式不同供氮水平间差异显著(<0.05)。**表示在<0.01水平差异显著。M和IM分别代表单作玉米和与大豆间作的玉米; N0、N1、N2和N3代表施氮量分别为0 kg·hm-2、180 kg·hm-2、240 kg·hm-2、320 kg·hm-2。Different capital letters mean significant differences between monoculture and intercropping at 0.05 level at the same N level. Different lowercase letters mean significant differences among different N levels at 0.05 level in the same planting pattern. ** shows significant differences at 0.01 level. M and IM represent monocultured maize and intercropped maize. N0, N1, N2 and N3 respectively represent N levels of 0 kg·hm-2, 180 kg·hm-2, 240 kg·hm-2and 320 kg·hm-2.

图2 不同供氮水平下单作大豆和与玉米间作的大豆的干物质积累动态

S和IS分别代表单作大豆和与玉米间作的大豆; N0、N1、N2和N3代表施氮量分别为0 kg·hm-2、40 kg·hm-2、80 kg·hm-2、120 kg·hm-2。M and IM represent monocultured soybean and intercropped soybean. N0, N1, N2 and N3 represent N levels of 0 kg·hm-2, 40 kg·hm-2, 80 kg·hm-2and 120 kg·hm-2, respectively.

表2 不同供氮水平下单作大豆和与玉米间作的大豆干物质累积Logistic函数参数

不同大写字母表示在同一供氮水平不同种植模式间差异显著(<0.05), 不同小写字母表示同一种植模式不同供氮水平间差异显著(<0.05)。ns和**分别表示差异不显著和在<0.01水平差异显著。S和IS分别代表单作大豆和与玉米间作的大豆; N0、N1、N2和N3代表施氮量分别为0 kg·hm-2、40 kg·hm-2、80 kg·hm-2、120 kg·hm-2。Different capital letters mean significant differences between monoculture and intercropping at 0.05 level at the same N level. Different lowercase letters mean significant differences among different N levels at 0.05 level in the same planting pattern. ns and ** mean not significant difference and significant differences at< 0.01, respectively. S and IS represent monocultured soybean and intercropped soybean. N0, N1, N2 and N3 respectively represent N levels of 0 kg·hm-2, 40 kg·hm-2, 80 kg·hm-2and 120 kg·hm-2.

表3 不同供氮水平下单作玉米和与大豆间作的玉米的氮素吸收Logistic函数参数

不同大写字母表示在同一供氮水平不同种植模式间差异显著(<0.05), 不同小写字母表示同一种植模式不同供氮水平间差异显著(<0.05)。ns和*、**分别表示差异不显著和在<0.05和<0.01水平差异显著。M和IM分别代表单作玉米和与大豆间作的玉米; N0、N1、N2和N3代表施氮量分别为0 kg·hm-2、180 kg·hm-2、240 kg·hm-2、300 kg·hm-2。Different capital letters mean significant differences between monoculture and intercropping at 0.05 level at the same N level. Different lowercase letters mean significant differences among different N levels at 0.05 level in the same planting pattern. ns, * and ** mean not significant difference, significant differences at< 0.05 and< 0.01, respectively. M and IM represent monocultured maize and intercropped maize. N0, N1, N2 and N3 respectively represent N levels of 0 kg·hm-2, 180 kg·hm-2, 240 kg·hm-2, 300 kg·hm-2.

2.4 不同供氮水平大豆氮素吸收和关键吸收参数

从Logistic模型对大豆氮素吸收曲线拟合所得的各参数值(表4)比较可知, 各氮素吸收曲线拟合的相关性都非常高,2的值均在0.98(<0.001)以上。氮水平、种植模式以及交互作用对大豆氮素最大吸收量(KN)具有显著性影响。相对于单作, 间作模式显著地降低大豆KN值, 施氮量在N0、N1、N2和N3水平下, 间作大豆KN值分别降低41%、16%、24%和27%, 其中N2S处理的氮素积累量达354.0 kg·hm-2, 并且相较于N0S, N2S处理KN值提高25%。氮水平、种植模式对大豆氮素最大瞬时吸收率(max-N)有显著性影响, 但是二者之间无交互作用。间作种植的大豆max-N比单作有所降低, 其中N2IS处理max-N达3.7 kg·hm-2·d-1, 相较于N2S处理, 大豆max-N降低29%。氮水平显著地影响了大豆达到氮素最大积累量所用的时间(max-N), 其中N2水平下大豆所需时间最短, 与N0处理间无显著性差异, 与N1处理之间差异显著, 间作模式对max-N没有显著影响。间作模式对大豆氮素瞬时吸收速率(rN)的影响显著, 间作降低大豆的rN, 氮水平对大豆rN几乎没有显著影响, 在 N1 水平下, 间作大豆的-N、max-N和-N值比单作处理分别降低 15.9%、29.9%和 16.69%。

表4 不同供氮水平下单作大豆和与玉米间作的大豆的氮素吸收Logistic函数参数

不同大写字母表示在同一供氮水平不同种植模式间差异显著(<0.05), 不同小写字母表示同一种植模式不同供氮水平间差异显著(<0.05)。ns和*、**分别表示差异不显著和在<0.05和<0.01水平差异显著。S和IS分别代表单作大豆和与玉米间作的大豆; N0、N1、N2和N3代表施氮量分别为0 kg·hm-2、40 kg·hm-2、80 kg·hm-2、120 kg·hm-2。Different capital letters mean significant differences between monoculture and intercropping at 0.05 level at the same N level. Different lowercase letters mean significant differences among different N levels at 0.05 level in the same planting pattern. ns, * and ** mean not significant difference, significant differences at< 0.05 and< 0.01, respectively. S and IS represent monocultured soybean and intercropped soybean. N0, N1, N2 and N3 respectively represent N levels of 0 kg·hm-2, 40 kg·hm-2, 80 kg·hm-2and 120 kg·hm-2.

2.5 不同供氮水平下玉米/大豆间作体系相对于单作的氮素吸收量和利用效率的变化

从表5可见, 间作玉米和大豆的氮素利用效率均高于单作, 其中间作的经济学氮素利用效率在N0、N1、N2和N3氮水平下均显著增加; N1、N2、N3水平相对于对照(N0水平)增幅分别为11.03%、7.75%和5.15%, 其中, N1水平下的玉米/大豆间作体系经济产量氮素利用效率最高。

表5 供氮水平对玉米/大豆间作体系相对单作的氮素吸收量以及利用效率变化的影响

N0、N1、N2和N3代表施氮量分别为0 kg·hm-2、110 kg·hm-2、160 kg·hm-2、210 kg·hm-2。N0, N1, N2 and N3 respectively represent N levels of 0 kg·hm-2, 110 kg·hm-2, 160 kg·hm-2and 210 kg·hm-2.

从表5可见, 随着施氮量增加, 间作体系的生物学产量氮素利用率逐渐增加。在N3水平下, 玉米/大豆间作方式的生物学产量氮素利用率增加最明显(6.68%); 而N1、N2水平却没有明显的增加, N0水平下间作模式降低了生物学产量氮素利用率。

通过计算氮素当量比(LERN)发现, 间作在各施氮水平下LERN>1, 说明间作具有养分优势。随着施氮量的增加, LERN有下降趋势, 其中N0水平LERN最高, 玉米/大豆间作优势最为显著; N2水平下氮素LERN值略低于N0水平, N1与N3水平下间作优势相近, LERN值最低。

如表5所示, 相对于单作, 玉米/大豆间作体系提高了系统的氮素吸收量, 并且不同氮水平对间作系统氮素吸收量有不同的影响。N0水平下, 间作系统比单作种植的氮吸收量提高12.29%; N2水平下间作系统对氮素吸收量增幅最高; N1、N3水平下系统对氮素吸收量有所增加, 但是低于N2水平。

3 讨论与结论

本试验结果表明, 间作系统显著提高了玉米干物质积累量, 而间作大豆却与之相反, 但间作系统整体干物质积累量高于单作, 说明了本试验中玉米/大豆间作模式具有间作优势。间作系统对氮素吸收与干物质积累有相同的变化趋势。朱元刚等[18]对鲁西北地区玉米/大豆进行测定也发现了相似的规律, 玉米/大豆间作模式较单作种植有显著的间作优势。间作产量优势在于对养分的吸收[19-20], 本试验也表明间作可以提高玉米和大豆养分的利用效率。间作优势的主要原因是不同株型的作物占据不同的生态位, 有利于提高资源与空间的利用率。玉米/大豆间作系统中, 玉米根系较浅, 大豆根系较深且为直根系, 间作模式充分利用了空间生态位的差异, 提高了整个系统的养分利用率。另外, 大豆通过根瘤固氮, 减少了氮肥施用, 可以降低与间作玉米对土壤氮素的竞争, 从而使玉米氮素吸收量增加[3,10,21-22]; 除此之外, 玉米是高秆作物, 而大豆是矮秆作物, 两种作物可以利用不同层高的光强, 这样间作系统可以充分地利用太阳光能[23]。

本研究通过Logistic模型估算了作物干物质积累和氮素吸收参数。间作模式以及施氮量显著地提高了玉米单位面积最大干物质量/吸氮量和最大生长速率/氮素最大吸收量。当施氮量为240 kg·hm-2(N2)时, 玉米干物质积累量和氮素吸收量达到最大, 更高的施氮量(N3, 300 kg·hm-2)下的玉米干物质积累量和氮素吸收量却有所降低, 说明适当施用氮肥可以有效地提高玉米、大豆对养分的吸收与积累, 但过度施肥会造成作物减产, 以及肥料的浪费[2,24]。除此之外, 本试验表明间作玉米和大豆分别在播种后平均第73 d和第88 d达到氮素最大瞬时吸收率, 说明玉米氮素吸收高峰早于大豆, 而且与单作相比, 间作玉米平均缩短2~3 d, 大豆平均延迟1~2 d, 因此, 玉米与大豆对氮素的吸收高峰时间生态位是错开的[25], 玉米对养分竞争强于大豆[26], 这可能是玉米/大豆间作具有养分优势的主要因素。Zhang等[15,27]也发现, 间作玉米的最大生物量接近或显著地高于单作玉米, 宋海星等[28]认为玉米养分吸收最大速率出现在干物质积累最大速率之前。Logistic方程模拟出的玉米、大豆干物质积累和氮素吸收的参数与前人的研究结果趋势一致。

通过对玉米/大豆间作体系的氮素吸收量、经济学产量利用率以及生物学养分利用率进行计算分析, 间作系统可以提高玉米对氮素的吸收, 在N2水平下间作体系氮素吸收量相对于单作增加幅度达到14.25%, 龙光强等[29]通过对玉米、马铃薯的测定发现, 随着施氮量的增加, 间作体系氮素的加权平均吸收量呈现先增加后减少的规律。间作系统有提高籽粒经济学利用效率能力, 其中, N1水平更有利于提高系统对氮肥的利用效率, 其幅度达到了20.22%。生物学产量养分利用率随着施氮水平的增加而升高, 其中N3水平下间作系统生物学效率最高, 相对于单作提高了6.68%, 由此说明, 不同供氮水平对间作系统经济学和生物学利用效率不同, 有研究指出, 不同的配套体系, 间作对养分利用的效率并不相同[20]。除此之外, 在不同的供氮水平下玉米/大豆间作系统的氮素当量比(LERN值)均大于1, 说明在不同的供氮水平下, 间作相对于单作种植都具有一定的养分利用优势, 随着氮肥用量的增加, 氮素LERN值呈下降趋势, 其中N0水平的LERN值为1.13, 其氮素利用优势最为显著。有研究表明, 增施磷肥有利于提高氮和钾的当量比[30]。

由此可见, 不同氮素供应水平对间作体系作物的干物质累积和氮素吸收有显著性影响, 氮素水平通过调控间作体系的生长参数和养分参数, 进而影响作物的生长。在本试验中160kg·hm-2施氮水平下间作体系的养分优势最为明显, 为玉米/大豆间作体系中氮素优化施用提供理论依据。

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Simulation of dry matter accumulation and nitrogen absorption in a maize/soybean intercropping system supplied with different nitrogen levels*

WANG Xuerong, ZHANG Runzhi, LI Shumin**, XU Ning, MU Yao, ZHANG Chunyi

(College of Resources and Environmental Sciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Maize/soybean intercropping has yield advantages to an extent. However, different nitrogen supply levels have different effects on dry matter accumulation and nitrogen uptake in the maize/soybean intercropping system. A field experiment with a split design and logistic model were used to simulate dynamic changes in dry matter accumulation and nitrogen uptake in a maize/soybean intercropping system supplied with four nitrogen levels. Simulation results showed that dry matter accumulation and nitrogen uptake dynamics in maize and soybean were consistent with the logistic model, with correlation coefficients (2) higher than 0.9 at the four nitrogen levels. The maximum growth rate (max-B) of intercropped maize compared with monoculture increased by 34.2%, 46.7%, 25.9% and 25.1% when the nitrogen supply levels were N0 (without N supply), N1 (180 kg·hm-2), N2 (240 kg·hm-2), and N3 (300 kg·hm-2), respectively. Themax-Bof the soybean decreased by 27.7%, 30.3%, 16.5%, and 23.7%, respectively. However, the averagemax-Bin the intercropping system was increased by32.1%. The other dry matter simulation parameters of maize and soybean were consistent with themax-B. Additionally, nitrogen uptake dynamics showed synchronous changes with dry matter accumulation. Under N1 treatment, the maximum nitrogen uptake (KN), maximum uptake rate (max-N), and instantaneous uptake rate (rN) of intercropped maize was 18.4%, 48.9%, and 25.8% higher than that of the monoculture, while theKN,max-N, andrNof the intercropped soybean was 15.9%, 29.9%, and 16.69% lower than that of the monoculture, respectively. The simulation parameters ofKN,max-N, andrNin the intercropping system were 0.4%, 13.7%, and 7.8% higher than those of monoculture, respectively. Nitrogen supply had no significant effect onrNof soybean. A significant advantage of nitrogen in the intercropping system was observed with nitrogen land equivalent ration (LERN) > 1, and the LERNvalue under N0 treatment was the highest. With the increase in nitrogen application, the LERNexhibited a downward trend. In the present experiment, the highest dry matter accumulation and nitrogen uptake were observed under N2 treatment, which had obvious advantages for intercropping.

Maize/soybean intercropping; Dry matter accumulation; Nitrogen uptake; Intercropping advantage; Logistic model

, E-mail: lishumin113@126.com

Jan. 23, 2019;

May 8, 2019

S344.2

2096-6237(2019)09-1354-10

10.13930/j.cnki.cjea.190075

李淑敏, 主要研究方向为作物营养与施肥。E-mail: lishumin113@126.com 王雪蓉, 主要研究方向为植物营养学。E-mail: 1647141854@qq.com

2019-01-23

2019-05-08

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFD030020204).

* 国家重点研发计划项目(2016YFD030020204)资助

王雪蓉, 张润芝, 李淑敏, 许宁, 牟尧, 张春怡. 不同供氮水平下玉米/大豆间作体系干物质积累和氮素吸收动态模拟[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(9): 1354-1363

WANG X R, ZHANG R Z, LI S M, XU N, MU Y, ZHANG C Y. Simulation of dry matter accumulation and nitrogen absorption in a maize/soybean intercropping system supplied with different nitrogen levels[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(9): 1354-1363