不同植物生长延缓剂和除草剂对苜蓿/玉米套作系统产量和种间竞争的影响

许瑞轩，赵海明，刘贵波，张英俊，曲 毅

（1. 中国农业大学草业科学与技术学院，北京 100193；2. 农业农村部草地管理与合理利用重点实验室，北京 100193；3. 河北省农林科学院旱作农业研究所，河北 衡水 053000；4. 河北省农作物抗旱研究重点实验室，河北 衡水 053000）

紫花苜蓿(Medicago sativa)作为高产优质的豆科牧草，是奶牛养殖中必不可少的蛋白饲料来源。华北平原是我国重要的奶牛养殖基地之一，2018 年华北各省奶牛存栏数达到263.2 万头，占全国的25%，对苜蓿的需求量巨大[1]。但该区域夏季高温多雨的气候特点给苜蓿大面积种植带来了一些问题，如由高温高湿引起苜蓿“夏眠”和病虫害频发，导致产量和品质下降；集中的降雨也给苜蓿晾晒干草带来困难，如遇连续阴雨天气也会造成收获机械无法下地[2]，经济效益大幅降低[3]。刘贵波等[4]根据这一气候特点，开发了单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米(Zea mays)技术，即在相对凉爽干燥的春季进行紫花苜蓿干草生产，产量可占单作苜蓿全年产量的50%～70%[5-8]，6 月刈割第2 茬后在苜蓿行间套种青贮玉米，转为生产青贮玉米，至9 月下旬青贮玉米和苜蓿混收进行青贮，之后苜蓿正常再生，次年收获两茬苜蓿后再重复种植青贮玉米。该模式可充分利用夏季的光、雨、热资源，获得与单作苜蓿相同的经济效益[2]，有效解决了目前华北平原苜蓿生产存在的问题。

作为一项新的技术，该模式还有一些关键技术需要优化和完善。如何有效控制苜蓿过快再生对玉米苗期产生的生长空间、水分和养分竞争，进一步促进系统的生产力，为该模式亟待解决的问题之一。种间竞争常常造成与多年生豆科作物套作的玉米减产10%以上[9-10]，使用除草剂或植物生长延缓剂等化学农药控制多年生作物的生长是增加套作玉米产量的常用措施[11]。Hall 等[12]报道，在玉米苗前或生长前期通过化学药剂控制豆科地被作物可保证套作玉米的生产，且多年生豆科作物可在秋季恢复生长。Eberlein 等[13]在不考虑绿肥作物成活率的前提下，使用除草剂莠去津和草甘膦抑制苜蓿，显著提高了玉米的产量。Grabber[10]发现喷施植物生长延缓剂调环酸钙可以有效抑制套种于玉米行间的苜蓿苗期的生长，提高玉米产量的同时，增加了苜蓿的建植成功率，并提高了苜蓿第2 年的产量，而多效唑则会降低苜蓿的密度。华北平原是传统的夏玉米种植区，播种后喷施苗前除草剂是该区域常规的杂草管理措施。在套作系统中使用除草剂也可控制苜蓿过快生长，但除草剂施用不当易导致苜蓿产生药害，降低苜蓿的生产力[14]。相比而言，植物生长延缓剂具有延缓植物生长、抑制茎秆伸长、促进植物分蘖、增强植物抗逆性等作用的同时，还可以提高产量，更加安全高效[15]。目前，针对苜蓿生长延缓剂的研究主要集中在苜蓿种子生产方面，使用生产延缓剂(如乙烯利、多效唑、缩节胺、矮壮素等)可降低植株高度和倒伏指数，增加种子产量[16-18]。但生长延缓剂对于该苜蓿/玉米套作系统中苜蓿的抑制作用和对干草产量的影响更无报道。本研究以不损害青贮玉米和春季苜蓿的产量为前提，选择植物生长延缓剂调环酸钙、多效唑和甲哌鎓(又名缩节胺)以及该区域常用的玉米田除草剂丁异莠去津和异丙甲草胺，探究5 种抑制剂对苜蓿/玉米套作系统中苜蓿的抑制作用以及对苜蓿、玉米和系统产量的影响，筛选出适合该模式的苜蓿抑制剂，保证该模式的生产力水平和生产应用。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究于2018 年6 月至2019 年10 月在位于华北平原腹地的河北省深州市河北省农林科学院旱作节水农业试验站(37°44′ N，115°42′ E，海拔20 m)开展。2018 和2019 年该地区的年平均气温分别为13.9 和14.4 ℃，年降水量分别为502 和250 mm，其中6 月 – 9 月的降水量分别占总降水量的67%和81% (图1)。供试土壤为壤质粘潮土，试验前测定0 – 20 cm 土壤pH 为7.8，全氮含量为1.5 g·kg–1，全磷含量为886.7 mg·kg–1，全钾含量为9.5 g·kg–1，碱解氮含量为74.0 mg·kg–1，速效磷含量为19.4 mg·kg–1，速效钾含量为202.1 mg·kg–1，有机质含量为15.62 g·kg–1。

图1 试验地2018、2019 和1980-2019 年温度和降水量Figure 1 Monthly precipitation and average air temperature of 2018, 2019 and 1980-2019

1.2 试验材料及药剂

紫花苜蓿品种为“中苜1 号”，由中国农业科学院北京畜牧兽医研究所提供；玉米品种为粮饲兼用品种“郑单958”，购自河南金博士种业股份有限公司。

3 种植物生长延缓剂和2 种除草剂的的具体参数信息如表1 所列。

表1 5 种药剂详情及使用剂量Table 1 Detailed information on five agrichemicals and the dose applied in the study

1.3 试验设计与田间管理

采用双因素完全随机区组设计，两个因素分别为喷施植物生长延缓剂和喷施玉米田除草剂。生长延缓剂处理有4 个水平，分别为清水对照(CK)、调环酸钙(A)、多效唑(B)、甲哌鎓(C)；除草剂处理3 个水平，分别为清水对照(CK)、丁异莠去津(D)、异丙甲草胺(E)；试验设3 个区组，共12 个处理组合，其中包括1 个喷施清水的对照，3 个单施生长延缓剂处理，2 个单施除草剂的处理和6 个生长延缓剂和除草剂的混施处理，每个处理3 个重复，共36 个小区。小区面积2.4 m × 1.8 m，区组间距为1 m。

紫花苜蓿于2017 年10 月初进行秋播，播种前用专用根瘤菌拌种，条播种植，播种量为15 kg·hm–2，播深2～3 cm。播种前施复合肥750 kg·hm–2(N ∶ P ∶ K =15 ∶ 15 ∶ 15)。2018 和2019 年分别于5 月上旬和6月中旬在初花期刈割一次。为了套播青贮玉米，苜蓿由传统的30 cm 等行距调整为20 – 40 – 20 – 40 cm宽窄行距的播种方式，苜蓿40 cm 行间播种一行青贮玉米，玉米行距与当地单播玉米行距一致，均为60 cm，播种时间分别为2018 年6 月25 日和2019年6 月27 日，种植密度为45 000 株·hm–2，套种玉米后施复合肥750 kg·hm–2，并立即灌溉600 m3·hm–2。喷施处理的时间在玉米播后苗前，日期为2018 年6 月30 日和2019 年6 月30 日，分别为苜蓿第2 茬刈割后的第11 天和第7 天，玉米播种后第6 天和第4 天。套作玉米后苜蓿不再收割，参照玉米田管理方式，直至玉米蜡熟期时同时分别对苜蓿和全株玉米测产，并分别计算全株产量。2018 和2019 年的收获时间分别为10 月6 日和10 月5 日。

喷施剂量根据产品推荐剂量和文献[16, 19]的使用剂量综合设定(表1)。喷施时将每个小区的相应试剂按照剂量稀释于1 L 的清水中，使用手持压缩喷雾器均匀喷施，喷施时小区四周用木板围挡，防止药剂飘散到临近小区。

1.4 测定指标与方法

株高：2019 年分别于套作前期(7 月14 日，施药后14 d)和套作后期(8 月26 日，施药后56 d)，在每个小区分别随机选取10 株苜蓿和玉米，测定茎基部至植株顶端高度。2018 年未进行测定。

叶绿素含量：2019 年测定株高的同时，每个小区分别随机选取10 片苜蓿和玉米的叶片，使用SPAD 叶绿素测定仪(日本美能达)测定，以SPAD值表示。2018 年未进行测定。

产量：苜蓿和玉米均全小区收获，测定小区鲜草产量，通过干鲜比折算干草产量。玉米选择有代表性单株5 株，称其鲜重，苜蓿选择有代表性的样品500 g，自然风干后称其干重，计算干鲜比。2018年春季2 茬苜蓿未进行处理，全试验区域统一测产，春季两茬总产量为10.2 t·hm–2。

食物当量：食物当量是任继周提出的基于蛋白质和热量的新量纲，用以衡量不同物品用作食物的效能或潜力[20-21]。本研究用食物当量统一两种作物的价值，对比套作系统产值的变化。其计算公式为：食物当量[22](food equivalent unit，FEU) =H/1 580.0 +P/77.0；H、P分别为单位重量(100 g)食物中的热量和蛋白质含量。苜蓿和青贮玉米[2]的H值分别为16.58 和17.79 kJ·g–1；P值分别为1.6 和0.7 g·kg–1。

1.5 数据处理

运用Excel 2010 进行数据整理和初步计算，使用SPSS 17.0 进行二因素方差分析，分析生长延缓剂和除草剂对苜蓿/玉米套作系统株高、叶绿素含量和产量的影响。数据通过Shapiro–Wilk 正态分布检验，两年数据分别统计。如果差异显著，则使用Turkey 法比较处理间在P= 0.05 水平上进行多重比较。采用SigmaPlot 12.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 喷施植物生长延缓剂和除草剂对套作期间植物株高和叶绿素含量的影响

2019 年在植物生长延缓剂和除草剂处理14 d后(表2)，苜蓿株高达到了45.8 cm，而玉米则在出苗后受到苜蓿的竞争，生长缓慢，株高仅59.8 cm。喷施生长延缓剂处理对套作前期苜蓿株高和叶绿素含量没有显著影响(P＞ 0.05)，而喷施除草剂影响极显著(P＜ 0.01)，其中喷施丁异莠去津的处理苜蓿株高和叶绿素含量显著低于对照和异丙甲草胺处理(P＜ 0.05)，但喷施异丙甲草胺并未影响苜蓿套作前期的株高和叶绿素含量(P＞ 0.05)。植物生长延缓剂处理和除草剂处理对苜蓿的生长没有交互作用。对于套作前期的玉米株高，生长延缓剂、除草剂和二者的交互作用均不显著(P＞ 0.05)。而丁异莠去津显著增加了套作初期玉米的叶绿素含量(P＜ 0.05)。

在处理后的第56 天(表2)，玉米进入抽穗期，株高达到236.0 cm，苜蓿的株高为104.1 cm，除草剂处理对苜蓿和玉米株高的影响均达到极显著水平(P＜0.01)，生长延缓剂和二者的交互作用对株高的影响不显著(P＞ 0.05)。丁异莠去津处理相较于对照和异丙甲草胺处理，显著降低了套作后期苜蓿的株高，显著增加了玉米的株高(P＜ 0.05)。且玉米株高显著高于对照(P＜ 0.05)。异丙甲草胺处理与对照无差异(P＞ 0.05)。苜蓿叶绿素对生长延缓剂、除草剂和二者的交互作用均无响应(P＞ 0.05)，除草剂处理对玉米叶绿素影响极显著(P＜ 0.01)，丁异莠去津处理的玉米叶绿素含量显著高于对照和异丙甲草胺处理(P＜ 0.05)。

表2 2019 年套作期间苜蓿和玉米的株高和叶绿素含量Table 2 Plant height and SPAD value of alfalfa and corn during the intercropping period in 2019

2.2 喷施植物生长延缓剂和除草剂对套作期间苜蓿和玉米产量的影响

喷施除草剂对2018 年套作期间的苜蓿、玉米、系统总产量和系统食物当量均有极显著影响(P＜0.01)，生长延缓剂处理和二者的交互作用不显著(P＞0.05) (表3)。2018 年套作期间所有处理平均苜蓿产量为2.8 t·hm–2，平均玉米产量7.4 t·hm–2。丁异莠去津处理显著抑制了苜蓿的产量而显著增加了玉米的产量(P＜ 0.05)，异丙甲草胺处理与对照差异不显著(P＞ 0.05)，但苜蓿产量和系统总产量高于对照。2019年生长延缓剂和除草剂处理均对苜蓿套作期间产量有极显著影响(P＜ 0.01)，但没交互作用。生长延缓剂多效唑处理的苜蓿产量显著高于对照(P＜ 0.05)，但与调环酸钙和甲哌鎓处理差异不显著(P＞ 0.05)；丁异莠去津显著降低了苜蓿的产量(P＜ 0.05)，异丙甲草胺处理则与对照无差异(P＞ 0.05)。对于2019 年套作期间的玉米产量，只有除草剂处理的差异极显著(P＜ 0.01)，丁异莠去津处理产量较异丙甲草胺处理提高了1.5 t·hm–2(P＞ 0.05)，较对照提高了2.4 t·hm–2(P＜ 0.05)。而2019 年套作期间系统总产量和总食物当量没有响应生长延缓剂和除草剂处理(P＞ 0.05)。

表3 2018−2019 年套作期间苜蓿、玉米及系统产量和食物当量Table 3 Yield and food equivalent unit of alfalfa and corn during the intercropping period in 2018-2019

2.3 喷施植物生长延缓剂和除草剂对苜蓿第2 年春季产量的影响

2018 年除草剂处理对苜蓿2019 年春季的生长产生了极显著的影响(P＜ 0.01)，而生长延缓剂和二者的交互作用不显著(P＞ 0.05) (表4)。第1 茬苜蓿产量最高的为除草剂异丙甲草胺处理，为7.4 t·hm–2，显著高于对照(P＜ 0.05)，丁异莠去津处理的产量最低，只有4.4 t·hm–2，显著低于对照(P＜ 0.05)。第2 茬苜蓿产量异丙甲草胺处理产量最高，高于对照0.3 t·hm–2，但差异不显著(P＞ 0.05)，二者均显著高于丁异莠去津处理(P＜ 0.05)。春季两茬总产量异丙甲草胺处理最高，较对照提高了8%，丁异莠去津处理产量最低，仅有对照的62%。

表4 2019 年春季苜蓿产量Table 4 Yield of alfalfa during the solo-growing period in 2019

2.4 喷施植物生长延缓剂和除草剂对全年总产量和食物当量的影响

由于2018 年春季苜蓿未作处理，所以2018 年套作期间的产量直接影响了套作系统全年总产量(图2)。生长延缓剂和交互作用并未影响2018 年的套作系统全年产量和食物当量(P＞ 0.05)，除草剂处理之间差异显著(P＜ 0.05)，丁异莠去津通过增加玉米的产量显著增加了全年系统的产量(P＜ 0.05)。2019 年的系统总产量包括苜蓿春季产量和套作期间的产量，生长延缓剂及其和除草剂的交互作用均不显著(P＞ 0.05)。对于除草剂处理，虽然喷施丁异莠去津显著增加了玉米的产量，但同时显著降低了苜蓿的全年产量，丁异莠去津处理的苜蓿全年总产量仅有9.9 t·hm–2，较对照降低了40%，而玉米产量只比对照提高了18%，所以2019 年全年总产量丁异莠去津处理全年总产量最低，较对照减少了4.1 t·hm–2，较异丙甲草胺处理减少了5.9 t·hm–2。2018–2019年丁异莠去津处理的系统总产量和食物当量最低，且显著低于异丙甲草胺处理(P＜ 0.05)。

图2 2018-2019 年系统总产量和总食物当量Figure 2 Total system yield and food equivalent unit during 2018 to 2019

3 讨论与结论

植物生长调节剂与天然激素具有相似的生物效应，生产中常用来调节和控制植物生长发育，可增加作物的产量和品质，增强抗逆性，具有微量低毒等特点[23]，是控制苜蓿生长的首选。本研究选取的3 种植物生长延缓剂是在以往苜蓿相关研究中应用较多的，其原理均是通过抑制植物中内源赤霉素(GA)的生物合成，从而抑制茎尖伸长区中的细胞伸长控制植物株高。但3 种植物生长延缓剂在本研究中均未能有效抑制苜蓿的株高，起到缓解苜蓿对玉米幼苗过度竞争的作用(表2)。这可能与喷施剂量和喷施时间的选择有关。Osterholz 等[19]在美国威斯康辛州开展的苜蓿玉米间作试验中，使用有效成分(a.i.)浓度为0.25～1.0 kg·hm–2的调环酸钙在苜蓿幼苗株高15 或25 cm 时进行叶面喷施处理，使苜蓿株高降低了13%～32%，苜蓿第2 年单作的干物质产量提高了4%～23%；对于水稻(Oryza sativa)分蘖末期的研究，发现调环酸钙5%泡腾片在用量9.0～31.5 g·hm–2范围内可显著缩短节间，降低植株高度[24]；另有研究表明，调环酸钙主要抑制GA 合成，而GA 与幼苗的生长有关[25]。本研究使用的调环酸钙的剂量为0.12 kg·hm–2，高于产品的推荐剂量和水稻中的使用剂量，但低于Osterholz 等[19]使用的剂量，且苜蓿已非苗期，处于旺盛再生期，可能影响了抑制效果。多效唑和甲哌鎓多用于苜蓿种子生产的研究中，王晓龙等[16]使用60 g·hm–2的缩节胺在苜蓿现蕾前后分3 次喷施，显著抑制了苜蓿的株高，促进了苜蓿早熟，提高了种子产量。不同于种子生产，苜蓿/玉米套作系统的最佳喷施时间为玉米出苗前，此时喷施对玉米的影响最小，也可以对苜蓿早期的再生产生抑制，有助于玉米出苗和生长，喷施时间也可能不利于3 种生长延缓剂发挥最佳药效。Rajabpoor 和Hajihashemi[26]研究表明，多效唑可提高苜蓿抗旱性，但相比于另外两种生长延缓剂，多效唑在土壤中残留水平较高，半衰期长达0.5～1.0 年[27]，这也可能是多效唑处理在较为干旱的2019 年套作期间增加了苜蓿产量的原因(表3)。

本研究选用的两种玉米田除草剂表现差异较大，丁异莠去津是当地应用最普遍的玉米田除草剂，由4%的丁草胺，20%的异丙草胺和18%的莠去津组成。丁草胺，异丙草胺和另一种选用的除草剂异丙甲草胺均为酰胺类除草剂，具有低毒、高效、稳定、安全、残留量小等特点[28]。而莠去津属于三嗪类化合物，主要作用机制是通过抑制植物光合作用使碳水化合物和光合合成反应受阻，对植物生长起到抑制作用[29]。

在本研究中，丁异莠去津处理的苜蓿叶片在喷施后第14 天明显变黄，再生速度降低，株高和SPAD值显著降低，而丁异莠去津处理的玉米SPAD 值显著增加(表2)。叶绿素含量的增加说明玉米光能利用率的提升；大量研究也表明，叶绿素含量与叶片的含氮量呈正相关关系[30-31]，这也说明抑制苜蓿有利于玉米苗期对氮素的吸收利用，促进了玉米的生长。苜蓿虽然产生药害，但并未完全停止生长，之后苜蓿叶片逐渐返绿，至处理第56 天时，苜蓿叶片SPAD 值恢复至与对照无差异，但株高仍显著降低。玉米由于苗期的促进作用，株高和叶绿素水平均显著提高(表2)，进而在2018 和2019 年丁异莠去津处理玉米的产量相应升高了89%和22% (表3)。在2018 年，所有套作玉米均生长不佳，平均产量仅有7.4 t·hm–2，远低于2019 年的12.2 t·hm–2(表3)，可能是由于苜蓿2018 年6 月刈割后距玉米播种间隔较长，苜蓿再生旺盛，对玉米生长生产了较强的竞争导致的，同时也表明丁异莠去津在苜蓿竞争力强的情况下抑制作用更显著。但丁异莠去津对苜蓿的抑制作用持续到了苜蓿第2 年单作期间，影响了苜蓿全年总产量，说明丁异莠去津对苜蓿产生了不可逆的损伤，造成苜蓿减产，且莠去津在土壤中淋溶性较高，对根系较深的苜蓿有持续的作用，不适合应用于该系统。这与王淼等[14]对苜蓿幼苗喷施烟嘧磺隆·莠去津造成苜蓿幼苗成活率降低的研究结果相似。张静静[32]研究了莠去津对苜蓿的毒理效应和解毒代谢机制，发现苜蓿地上和根部伸长量、干重均受到莠去津的抑制，苜蓿体内丙二醛含量增加，对苜蓿产生了氧化损伤。目前，莠去津被列为环境荷尔蒙类有机污染物，并对最大允许残留量作出严格规定，含有莠去津成分的除草剂应逐步减少使用[33]。

异丙甲草胺通过在发芽种子的蛋白质合成过程中起抑制作用，从而起到防除杂草的作用。在本研究中，异丙甲草胺未对苜蓿产生明显的药害，也未抑制苜蓿的生长，但对苜蓿第2 年春季的产量有促进作用，提高了系统的总产量。张萌萌[34]发现苜蓿播后苗前喷施异丙甲草胺，促进了苜蓿苗期的株高和产量，未产生明显的药害；此外，异丙甲草胺改变了土壤微生物的组成，提高了土壤微生物群落多样性。高越等[35]研究发现异丙甲草胺对花生(Arachis hypogaea)生长发育没有影响，且有一定的增产效果。异丙甲草胺是目前比较安全的除草剂，虽未能促进玉米的生长，但有助于提升系统总产量，对于系统的杂草防治亦有作用。

综上，3 种植物生长延缓剂均未能抑制苜蓿生长，对苜蓿的株高、叶绿素含量和产量均未产生影响，对套作玉米的产量也没有促进作用。除草剂丁异莠去津对苜蓿有强烈的抑制作用，但苜蓿第2 年的单作产量亦受到影响，系统总产量和食物当量值大幅降低，证明含有莠去津成分的除草剂不适宜在苜蓿田使用。除草剂异丙甲草胺未能抑制套作前期苜蓿的生长，但对苜蓿有促进的作用，显著提高了第2 年单作的产量，有利于提升系统总产量。在本试验的基础上，还需要进一步研究适用于该苜蓿/玉米套作系统的苜蓿抑制剂的种类、剂量和喷施时间，筛选既可有效抑制苜蓿早期再生、又不影响系统生产力的抑制剂。