橡胶-豆科间作对植株生长和氮吸收的影响

王桂花 吴敏 王大鹏 韦家少 吴炳孙 吴文冠陈志坚 董荣书

(1中国热带农业科学院橡胶研究所 海南海口571101;2农业农村部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室 海南海口571101;3中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所 海南海口571101)

橡胶是中国热区典型的经济作物，其乳胶加工产品天然橡胶是重要的战略物资［1-3］。当前，中国胶园种植密度约为450株/hm2［4］，胶园行间未被充分利用，特别是幼龄胶园。间作是一种复合种植模式，不仅能高效利用林下土地资源，还能提高胶园整体经济效益。其中，橡胶间作豆科作物在提高橡胶植株产量、植株养分吸收效率以及改善胶园土壤养分含量等方面具有重要作用。胶园间作豆科作物技术日趋成熟，被广泛应用于胶园林下经济发展等关键领域［5-11］。豆科作物具有根瘤，能固定空气中游离的氮，增加土壤氮素营养［12］。研究表明［13-14］，海南植胶区土壤普遍缺氮，土壤全氮含量平均仅有0.82 g/kg。因此，在当前植胶背景下，通过间作豆科作物和接种根瘤菌，提高胶园土壤氮素，实现橡胶树高产、优质及培肥胶园土壤地力具有重要意义。

柱花草属多年生草本植物，适宜于胶果园中套种，作饲料或绿肥用，是改良土壤的优良豆科作物。研究表明，胶园-柱花草间作系统主要适用于幼龄胶园［15］，该间作系统不仅能促进橡胶树根系生长，还能提高橡胶树干重，增加胶园土壤有机质、全氮和碱解氮等含量，从而促进胶园土壤养分的吸收与利用［16］。此外，间作柱花草能充分利用各类自然资源，促进种间相互作用，提高单位面积产量和促进植株氮磷的吸收［17-18］。与此同时，花生作为营养高、适用性较广的一类豆科作物，被视为胶园间作的有效作物。相关研究表明，对于成龄胶园，间作花生、平托花生等豆科作物会降低土壤全氮含量，但间作花生的土壤铵态氮含量显著高于不间作的土壤［19］。对于全周期间作胶园，间作的花生也能正常生长，并能获得一定的产量。虽然间作花生的全周期胶园橡胶树单位面积干胶产量较单作低，但通过间作花生可增加间作胶园的经济效益［20］。

综上所述，胶园间作柱花草或花生等作物，对胶园植株的生长均具有一定促进作用。而橡胶间作豆科作物，接种根瘤菌后对间作系统植株生长、氮吸收以及胶园土壤氮素的影响还鲜有报道。鉴于此，本研究以橡胶间作柱花草、橡胶间作花生为研究对象，探讨不同氮水平和接种豆科根瘤菌对胶园植株生长、氮吸收量和土壤碱解氮的影响，以期为进一步发展胶园间作技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 基质

土壤采自海南省儋州市中国热带农业科学院试验场三队橡胶林萌生带土壤，过5 mm孔径筛。土壤理化性质按常规方法测定［21］，测定结果为：pH6.12，有机质6.43 g/kg，有效磷22.16 mg/kg，速效钾38.24 mg/kg，碱解氮49.80 mg/kg。盆栽容器为蓝色胶桶，桶口内径29 cm，桶底内径26 cm，桶高29 cm，底部设3排水孔，孔径0.6 cm［22］。

1.1.2 植株和根瘤菌菌种

橡胶幼苗选用长势均匀的2～3蓬叶的热研7-33-97组培苗，来自中国热带农业科学院橡胶研究所种质资源苗圃；柱花草为热研二号，由中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所热带牧草研究室提供；花生种子为海南本地小种花生，来自中国热带农业科学院橡胶研究所产业发展研究室林下经济课题组。

柱花草根瘤菌编号为RJS9-2，由中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所热带牧草研究室提供；花生根瘤菌编号2HY4，来自华南师范大学生命科学学院。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验设计施氮水平、种植方式和接种方式3种因素。施氮水平设置氮1（施用尿素2 g/盆）和氮2（不施用尿素）；种植方式包括橡胶-花生间作、橡胶-柱花草间作、单作橡胶；接种方式设接种根瘤菌（2HY4花生根瘤菌和RSJ9柱花草根瘤菌）和不接根瘤菌。试验设2个氮水平、3个种植模式和2个接种方式，共10个处理，每个处理重复6次。

采用盆栽试验，每桶装土壤15 kg，分别按照氮1和氮2水平进行处理，其他磷钾和微量肥根据橡胶树生长情况统一施用。每桶移植橡胶组培苗1株，3周后，筛选出生长良好的橡胶苗用于试验。将柱花草种子去种皮，经80℃加热2 min，并置于黑暗条件下萌发2～3 d；移植柱花草幼苗到桶里，每桶移植5株（柱花草植株较小，故移植5株）。花生种子先用75%酒精进行灭菌，将种子种到石英砂中；待花生萌芽4 d左右，用于接种和移植，每桶移植1株。即橡胶-柱花草间作系统共有1株橡胶和5株柱花草，橡胶-花生间作系统共有1株橡胶和1株花生，分别种植在桶的两侧；橡胶单作系统则只种植1株橡胶苗。

于间作系统生长一周后进行柱花草的根瘤菌接种处理，每桶每株柱花草加5 mL柱花草根瘤菌菌液；不接种处理为加灭菌二级水5 mL。花生需在移植前进行接种处理，将20株花生根部浸泡在100 mL的根瘤菌菌液0.5 h，然后移植；不接种处理为采用灭菌二级水替代菌液，步骤与接种处理一致。

1.2.2 指标测定

培养4个月后收样，测定植株干重、氮含量。将植株用去离子水洗净后，于105℃烘箱中杀青0.5 h，后以70℃烘48 h，称重，粉碎过1 mm筛；采用H2SO4-H2O2消煮法、连续流动分析仪测定［21］植株全氮含量。培养后采集土壤样品，经风干混匀磨碎后过2 mm筛，使用半自动凯氏定氮仪测定土壤碱解氮［23］。

1.2.3 数据处理与分析

采用Micr osof t Excel进行数据整理，采用（DPS）9.0软件中的Duncan’s新复极差法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 橡胶-豆科间作的系统植株干重变化

由图1可知，橡胶-花生间作对植株干重影响不明显，但橡胶-柱花草间作显著增加了植株干重。在氮1和氮2水平下，不接根瘤菌的橡胶-柱花草植株干重分别比单作橡胶增加了54%和80%；接种根瘤菌后，橡胶-柱花草植株干重分别比橡胶单作增加了62%和58%。此外，相对氮2水平，氮1水平处理显著提高了橡胶-柱花草和橡胶-花生的植株干重，特别是接种根瘤菌后，橡胶-柱花草植株干重显著高于氮2水平处理。然而，与不接根瘤菌相比，接种根瘤菌对橡胶-花生、橡胶-柱花草的植株干重影响不明显。结果表明，橡胶-柱花草间作和橡胶-花生间作对系统植株干重有促进作用，且橡胶-柱花草间作比橡胶-花生间作对系统植株干重的促进作用更大。

图1 不同栽培方式对植株干重的影响

2.2 橡胶-豆科间作的系统植株氮含量变化

由图2可知，在氮1水平下，不同橡胶-豆科间作对系统植株氮含量影响不显著。在氮2水平下，橡胶-柱花草间作的植株氮含量比单作橡胶显著增加，不接种和接种根瘤菌处理分别提高了31%和37%；橡胶-花生间作植株氮含量有增加趋势但变化不明显，不接种和接种根瘤处理分别增加了20%和19%。此外，与氮2相比，氮1水平处理显著增加了橡胶-柱花草、橡胶-花生和橡胶的氮含量。不接根瘤菌的橡胶-柱花草植株氮含量在氮1水平下比氮2水平提高27%，接种根瘤菌后提高25%；橡胶-花生间作在氮1水平下比氮2水平的不接种和接种根瘤菌处理显著提高61%和44%；橡胶单作在氮1水平下比氮2水平显著提高了79%。然而，接种与不接根瘤菌处理相比对植株氮含量无明显影响，仅有在氮1水平下接种根瘤菌的橡胶-花生间作比不接种显著降低了13%。结果表明，橡胶-花生间作和橡胶-柱花草间作能提高系统植株氮含量，且受氮水平调控。

图2 不同栽培方式对系统植株氮含量的影响

由图3可知，橡胶-花生间作对系统植株氮吸收量促进作用不明显，但橡胶-柱花草间作显著促进系统植株氮吸收量增加。在氮1和氮2水平下，不接根瘤菌的橡胶-柱花草氮吸收量比橡胶单作分别增加了60%和229%；接种根瘤菌后，橡胶-柱花草氮吸收量比橡胶单作分别增加75%和189%，这与植株干重结果相一致。此外，相较于氮2水平，在氮1水平下显著提高了橡胶-花生、橡胶-柱花草和橡胶的氮吸收量。然而，与不接种根瘤菌相比，接种根瘤菌对橡胶-花生、橡胶-柱花草的氮吸收量影响不明显。结果表明橡胶-花生间作、橡胶-柱花草间作能提高系统植株氮吸收效率，且植株氮吸收量受氮水平调控。

2.3 橡胶-豆科间作的土壤碱解氮变化

图3 不同栽培方式对系统植株氮吸收量的影响

由图4可知，在氮2水平下，橡胶-柱花草间作的土壤碱解氮含量比橡胶单作显著增加；其中，不接根瘤菌的橡胶-柱花草间作比橡胶单作提高32%，接种根瘤菌橡胶-柱花草间作显著提高80%。在氮1水平下的结果则相反，不接和接种根瘤菌处理土壤碱解氮含量分别较橡胶单作降低了55%和38%。橡胶-花生间作的土壤碱解氮含量在氮1水平中变化不明显；在氮2水平下，不接和接种处理比橡胶单作分别提高55%和32%，其中不接根瘤菌处理与橡胶单作相比差异显著。

图4 不同栽培方式对土壤碱解氮含量的影响

此外，相对氮2水平，氮1水平使单作橡胶土壤碱解氮显著提高68%；橡胶-柱花草间作的碱解氮含量在氮1水平均比氮2水平降低，其中接种处理间差异显著。而接种与不接种根瘤菌处理间变化不明显，除了在氮2水平下橡胶-柱花草间作接种比不接种根瘤菌显著增加了36%。结果表明，橡胶-花生间作、橡胶-柱花草间作对土壤碱解氮含量的提高有一定的促进作用。

3 讨论与结论

3.1 橡胶-豆科间作对系统植株生长的影响

本研究结果显示，橡胶-花生间作、橡胶-柱花草间作均对系统植株的生长具有促进作用，且橡胶-柱花草间作系统比橡胶-花生间作系统更能促进植株生长，这与黄坚雄等［24］研究橡胶-作物农林复合系统的结果相一致［24］，即花生与豆薯相比，其间作优势小。花生作为豆科作物虽可促进胶园间作系统中植株的生长，但相较其他豆科作物，其间作优势较弱。

众所周知，豆科作物可与根瘤菌共生固氮，将空气中的氮转化为植物可吸收利用的氮素，且豆科-非豆科间作系统接种根瘤菌后能显著促进植株生长［25-26］。本研究发现，橡胶-柱花草间作系统接种根瘤菌对植株生长有一定的促进作用，但效果不显著，其原因可能是种植的时间不够长，导致接种的根瘤菌共生固氮效果尚未对植株生长起到作用，或共生固氮效果不明显；同时，接种效果还受生长条件、土壤环境以及菌种等因素影响，从而导致根瘤菌接种效果并不明显［27-30］。根瘤生长条件主要受氮、磷等元素影响，施氮不足将影响根瘤的生长发育和固氮能力；此外，土壤中含有大量的土著根瘤菌，相较于外接根瘤菌更容易与豆科共生，形成无效根瘤，在消耗豆科作物碳水化合物和矿质养分的同时，还抑制外接根瘤菌的生长；根瘤菌种通常分为高效、低效菌种，而高效根瘤菌种需具有宿主匹配性高、固氮能力强、环境适应性强等特性［31］。以上原因都可能导致本研究中豆科作物接种根瘤菌后对植株生长的促进作用不明显，其具体原因有待进一步研究。但是，从植物氮含量、氮吸收量及土壤碱解氮含量可知，橡胶间作豆科并接种根瘤菌对间作系统具有促进作用，对提高胶园间作系统的植物氮素利用率和改善土壤氮肥地力具有重要意义。

3.2 橡胶-豆科间作对系统植株氮养分的影响

本研究结果显示，相比橡胶单作，橡胶-柱花草间作能显著增加系统植株氮含量和氮吸收量，橡胶-花生间作则有增加的趋势，这与前人的研究结果相一致，即在豆科与非豆科间作系统中植株氮吸收量比单作显著增高［32-37］。在橡胶园中间作花生和柱花草等豆科作物，也能够促进间作系统中植株氮含量和氮吸收量的增加。此外，不同氮素水平对比的结果显示，间作系统的植株氮含量、氮吸收量在氮1水平比氮2水平显著增高，说明在间作系统中，植株氮含量、氮吸收量受氮素水平的调控。在氮1水平下，与橡胶单作相比，接种根瘤菌后橡胶-花生间作、橡胶-柱花草间作氮吸收量提高范围分别在11%～20%、60%～80%；在氮2水平下，则分别提高25%～47%、189%～229%。由此可见，氮2水平下，橡胶-花生间作、橡胶-柱花草间作更能提高氮吸收量，原因可能有两点：第一，间作花生、柱花草在不施氮肥时，短期内能加快土壤有机质矿化，增加土壤易吸收的氮素含量，提高土壤供氮能力，从而促进植株氮素吸收量的增加；第二，在豆科/非豆科间作体系中，非豆科作物竞争吸收豆科作物根区的土壤氮和肥料氮，刺激豆科作物固氮活性，为植株生长提供更多氮素，从而提高植物氮素的利用率［38］。虽然接种根瘤菌后橡胶-花生间作和橡胶-柱花草间作能促进植株氮含量、氮吸收量增加，但可能由于种植时间较短，所以对植株生长的促进作用不是很明显。从植物干重、氮含量和氮吸收量可知，植株干重与氮含量和氮吸收量呈正相关。表明橡胶-豆科间作促进系统植株生长的机理，可能是通过提高植物氮素的利用率来实现。

3.3 橡胶-豆科间作对土壤碱解氮的影响

土壤碱解氮含量反映土壤近期内氮素的供应情况，同时还与植株生长密切相关。本研究结果显示，橡胶-花生间作系统和橡胶-柱花草间作系统对土壤碱解氮含量的提高有一定的促进作用。在氮2水平下，橡胶-柱花草间作和橡胶-花生间作比单作橡胶均提高了土壤碱解氮含量，这与贺军军等［16］的研究结果相一致，即胶园间作豆科可提高土壤碱解氮含量。但橡胶-柱花草间作在氮1水平下比单作橡胶显著降低。结合植株干重和氮吸收量可知，橡胶-柱花草间作系统的植株生长带走了大量的氮养分，导致土壤碱解氮含量显著减低。此外，从不同氮水平对土壤碱解氮的影响可知，相对氮2水平，氮1水平提高了橡胶-花生间作系统和橡胶单作的土壤碱解氮含量，橡胶单作间差异达显著水平，表明施氮量多可提高橡胶-花生间作和单作橡胶的土壤碱解氮含量。但在橡胶-柱花草间作系统中，发现不施氮比施氮的碱解氮含量高，这可能与系统植株生长、间作豆科共生固氮有关，在氮1水平下橡胶-柱花草的植株干重和氮吸收效率均显著增加，说明在氮1水平中植株生长带走土壤中大量的氮素；其次，不施氮促进豆科根瘤菌共生固氮，为植株生长提供氮素，从而减少土壤氮素的消耗［39］。本研究中，氮2水平的橡胶-柱花草间作接种根瘤菌显著提高土壤碱解氮含量，说明接种根瘤菌对土壤碱解氮有促进作用。总而言之，在本研究中，橡胶-豆科间作可改善土壤碱解氮含量；进一步探讨橡胶间作豆科接种根瘤菌对土壤氮素的促进作用可知，其促进作用不明显，具体原因需进一步研究。

综上所述，橡胶-豆科间作能促进系统植株生长，提高系统植株氮含量、氮吸收量及土壤碱解氮含量。同时本研究发现，橡胶-柱花草间作比橡胶-花生间作系统的间作优势更明显，表明柱花草较花生更适合与橡胶间作。此外，通过探讨接种根瘤菌及施氮水平对橡胶-豆科间作的影响可知，在橡胶-柱花草间作系统中接种根瘤菌，在一定程度上能促进植株生长和土壤养分含量的增加，但对间作优势有多大作用尚不清楚，需进一步研究。