玉米-大豆间作和减量施氮对玉米生长、产量及土壤硝态氮含量的影响

赵笃勤，刘淑慧，赵凯超

(太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024)

豆科禾本科间作是北方地区重要的农业耕作方法，是当前脆弱生态环境条件下维持作物产量，保证粮食安全的有效农业措施。在农业生产过程中，由于超量使用化肥，偏施氮肥，不仅导致大量氮素流失，氮肥利用率降低，而且易因硝态氮的淋失造成水体污染[1-2]。研究表明，间作可以提高土地利用效率并减少氮素流失[3- 5]，特别是豆科禾本科间作能够有效利用两种作物间形态与生理作用的互补，提高养分利用效率，最终提高作物产量和经济效益[6-10]。也有研究表明，玉米-大豆间套作模式具有保肥、改善农田生态系统的功能[11]，且在此种植模式下，减量施氮能充分发挥大豆根瘤菌的固氮作用，促进玉米对氮素的吸收[12]，减少氮肥中硝态氮等无机氮的损失[13]。因此，探讨减量施氮和合理的玉米大豆间作模式对节肥增产有重要意义。目前大部分研究集中于单一的间作模式和减量施氮对作物生长及产量的影响，而对不同间作模式和减量施氮下作物生长、增产和节肥三者之间关系的研究较少。为此，本试验研究不同间作模式和减量施氮对玉米生长、产量及各土层土壤硝态氮含量的影响，筛选出适宜的玉米大豆间作模式和合理的施氮水平，为玉米-大豆间作模式下作物增产和氮素高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年5月—10月在山西省节水高效示范基地进行。该地区属于暖温带大陆性季风气候，四季分明。年平均气温9.4 ℃，年平均降水量478.6 mm，年均日照时数2 675.8 h。供试土壤初始性质见表1。

1.2 供试材料

供试玉米品种为‘福莱818’，大豆品种为‘汾豆65’。

1.3 试验设计

试验采用二因素随机区组设计，因素一为种植模式，分别为玉米单作(MM)，玉米-大豆间作 1∶2(IMS1，玉米1行，大豆2行)、玉米-大豆间作2∶2( IMS2，玉米2行，大豆2行)。因素二为施氮水平，分别为不施氮肥(N0)为对照，减量施氮200 kg/hm2(N1)，常量施氮300 kg/hm2(N2)。试验共9个处理，重复3次。小区长6 m，宽3 m。种植模式如图1。玉米每穴播1粒，大豆每穴播2粒。

试验于2018-05-25同时播种玉米和大豆，10月1日收获。氮肥在拔节期(7月2日—8月1日)和大喇叭口期(8月2日—8月30日)分两次施入，且均施于玉米行。7月2日第1次施氮肥，按各处理施氮总量的70%施入，同时施磷肥90 kg/hm2，钾肥75 kg/hm2，均匀施于各小区。8月2日第2次追施氮肥，各处理按其施氮总量的30%施入。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 生长指标 在玉米大喇叭口期，每个小区选取具有代表性的植株3株，采用Montgomery法[14]测定植株的全株叶面积，即用刻度尺按叶 长×最大叶宽×0.75，求出各单叶的叶面积后，累加得全株总面积；用卷尺测量玉米株高和穗位高；用游标卡尺测量玉米茎粗。

表1 试验区土壤初始理化性质Table 1 Initial soil physicochemical property of tested soil

图1 玉米和大豆不同种植模式示意图(单位:cm )Fig.1 Different maize and soybean planting patterns(unit:cm)

1.4.2 产量 在玉米成熟期，每个小区选取1 m2作为测产区[15]，在每个测产区的样方中选取具有代表性的植株3株，分别测定玉米的穗长、穗粗、穗粒数和百粒质量，收获后称取玉米鲜质量，换算为每公顷产量。

1.4.3 氮肥农学效率 参照文献[16]计算氮肥农学效率，即氮肥农学效率=作物产量/施氮区施氮量。

1.4.4 土壤取样及硝态氮测定 在玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、成熟期，用土钻在玉米行距玉米根部10 cm处分别取0～10、10～20、20～30、30～40 cm土层土壤，用紫外分光光度法[17]测定各土样土壤硝态氮含量。

1.4.5 土壤硝态氮累积量 参照文献[18]计算土壤硝态氮积累量。土壤硝态氮积累量=土层厚度×土壤体积质量×土壤硝态氮含量/10

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0软件进行数据处理和F检验，采用邓肯氏新复极差法进行处理均值的差异显著性比较(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 间作和减量施氮对玉米生长指标的影响

玉米叶片是光合产物合成的主要器官，绿叶面积是决定光合产量的一个重要因素[19]。玉米茎的粗细能够体现出玉米生长是否健壮，是玉米重要的生长指标之一[20]。从表2可以看出，施氮对玉米株高、茎粗和穗位高的影响均未达显著水平，而对玉米叶面积的影响达极显著水平(P< 0.01)；MM下，N1、N2较N0分别增加4.07%、2.62%；IMS1下，N2较N0增加6.30%；IMS2下，N1、N2较N0分别增加3.21%、3.77%。此外，种植模式对叶面积影响达显著水平(P< 0.05)；与MM相比，N2下，IMS1、IMS2分别增加4.25%、3.72%。

表2 间作和减量施氮玉米生长指标Table 2 Maize growth index under intercropping and reduced nitrogen application

2.2 间作和减量施氮对作物产量的影响

2.2.1 对玉米产量构成要素的影响 作物种植方式和施氮水平对作物产量的影响可以通过对作物产量构成要素的影响表现出来[21]。由表3可知，在同一施氮水平下，间作玉米穗长、穗粗、穗粒数和百粒质量与单作相比差异均不显著。在同一种植模式下，玉米的穗长、穗粗和百粒质量在各施氮水平间差异均不显著(P>0.05)，而穗粒数差异达显著水平(P<0.05)；3种种植模式下，与N0相比，N1玉米穗粒数分别增加14.34%、 18.04%、13.88%，N2玉米穗粒数分别增加 20.38%、17.44%、9.65%。

表3 间作和减量施氮玉米产量构成要素Table 3 Maize yield components under intercropping and reduced nitrogen application

2.2.2 对玉米、大豆产量的影响 由表4可知，各施氮量处理下，IMS1和IMS2的玉米产量较MM无显著变化，而玉米和大豆总产量显著提高，且减量施氮处理下间作总产量最高。IMS1、IMS2下，N1总产量比N0显著提高28.57%、21.74%，比N2高5.41%、1.82%。N1下，IMS1、IMS2总产量较MM显著提高 40.96%、34.94%。此外，减量施氮显著提高了氮肥农学效率。IMS1、IMS2下，N1处理农学效率比N2提高58.27%、52.04%。

表4 间作和减量施氮玉米、大豆产量和氮肥农学效率Table 4 Maize and soybean yield and N-fertilizer agronomic efficiency under intercropping and reduced nitrogen application

2.3 间作和减量施氮对玉米不同土层土壤硝态氮含量的影响

从图2可以看出，各处理下土壤硝态氮含量均随土层深度的增加而降低。在苗期，各处理土壤硝态氮含量无显著差异。拔节期由于增施氮肥，土壤硝态氮含量增加。与N0相比，N1和N2处理显著提高了土壤的硝态氮含量。随着植株的生长，氮肥需求量逐渐增加，大喇叭口期土壤硝态氮含量急剧降低。在0～10 cm土层，N2条件下，IMS2的土壤硝态氮含量较MM显著提高。在玉米成熟期，IMS2下，N1处理在0～10、20～30、 30～40 cm土层的土壤硝态氮含量均低于N2，但差异不显著。

2.4 间作和减量施氮对玉米0～40 cm土层土壤硝态氮累积量的影响

从表5可以看出，在玉米苗期，各处理间无显著差异。在玉米拔节期，施氮较不施氮处理土壤硝态氮累积量显著提高；MM下，N1、N2分别较N0提高1.11倍、1.21倍；IMS2下，N1、N2分别较N0提高1.25倍、1.30倍。在大喇叭口期，间作和施氮对硝态氮累积量均产生显著影响；N2下，IMS2较MM提高17.24%。玉米成熟期，不同种植模式间硝态氮累积量无显著差异，而同一种植模式下施氮较不施氮显著提高了玉米土壤硝态氮累积量；MM下，N1、N2分别较N0提高 1.54倍、1.59倍；IMS2下，N1、N2分别较N0提高1.20倍、1.38倍。

3 讨 论

玉米是重要的粮食作物之一，如何优化种植与氮肥施用是一直以来需要突破的瓶颈。大量研究表明，禾本科、豆科作物间作和增加施氮量均能提高作物产量[22-23]，这是由于豆科作物自身具有固氮作用，能为禾本科作物提供一定的氮素，从而促进禾本科作物对氮素的吸收[24]。本研究针对当地施氮不合理的情况，结合玉米需肥特性，探讨不同种植模式与适当减氮对玉米生长、产量和土壤硝态氮的影响。研究发现，间作显著提高玉米叶面积，而对株高、茎粗和穗位高影响不显著，说明间作模式下，叶面积的增大能更好地促进植物光合作用，提高光合产量，减少营养物质向茎等器官转移，不致因穗位过高导致植株重心上移，降低植株的抗倒伏能力。从玉米产量构成要素来看，各处理间玉米穗长、穗粗和百粒质量均无显著差异，说明减量施氮和间作未对玉米生长产生负面影响；施氮显著提高玉米穗粒数，反映出氮肥有增加玉米穗粒数的作用。从产量上看，各施氮量处理下，间作玉米产量较单作无显著变化，而间作体系玉米和大豆总产量显著提高，且以减量施氮处理为最高，这与李志贤等[25]的研究结果较为一致。此外，间作模式下，施氮未显著提高玉米产量，而显著提高间作体系总产，且以减量施氮为最高，同时与常量施氮无显著差异，说明减量施氮并未引起作物产量的显著降低，而施氮量的增加也并未显著提高玉米产量和间作总产量，反而出现一定程度的减产。这可能是由于减量施氮降低了玉米和大豆的种间竞争力，使作物间和谐共生，促进协调增产[26]。减量施氮较常量施氮的氮肥农学效率显著提高，说明适当减少施氮量有助于缓解氮肥用量过多造成的浪费及环境污染等一系列问题。

同一土层下，各处理间不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

表5 不同种植制度下玉米土壤硝态氮累积量Table 5 Soil nitrate nitrogen accumulation of maize under different planting systems kg/hm2

施氮量是影响土壤硝态氮累积量最重要的因素之一[27]。过量施用氮肥会增加土壤剖面硝态氮含量，由于土壤胶体无法吸附硝酸根离子，导致硝酸盐淋溶，造成地下水硝态氮污染[28-29]。在玉米大喇叭口期，常量施氮条件下，间作较单作显著增加土壤硝态氮累积，这说明间作有利于保持土壤肥力，为作物后续生长提供充足的养分，减少硝酸盐淋溶的风险。各种植模式下，减量施氮与常量施氮间土壤硝态氮无显著差异，说明减量施氮并未显著降低土壤养分含量，且能满足作物对氮素的需求并保持高产。

4 结 论

施氮和间作均显著提高玉米叶面积，对株高、茎粗和穗位高无显著影响。施氮显著提高玉米穗粒数。减量施氮较常量施氮未显著降低玉米穗长、穗粗和百粒质量。施氮和间作对玉米产量无显著影响，而玉米和大豆总产量显著提高，且以减量施氮处理为最高。减量施氮较常量施氮的氮肥农学效率显著提高。减量施氮较常量施氮未显著降低土壤硝态氮含量和累积量，且能满足作物对氮素的需求并保持高产。