箭筈豌豆、玉米产量对间作和施氮水平的响应

韩钟英，赵 财，胡发龙

（1甘肃省农业工程技术研究院，甘肃武威733000；2甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院，兰州730070）

0 引言

氮肥在农业生产中具有重要作用，但施入土壤中的氮肥50%以上通过氮素损失进入大气、水体中，导致严重的生态环境问题，如水体富营养化、温室效应加剧等[1-2]。中国氮肥生产和消费水平远高于世界其他国家，但利用率却很低[3]，由此导致了诸多农业生产问题，受到了专家和学者们广泛关注[4-5]。探索高效的种植模式和降低氮肥施用量是提高氮肥利用率、降低农业生产成本和促进农业可持续发展的必然要求[6-7]。间作套种作为中国传统农业的重要组成部分，对提高农业生产可持续性具有积极作用。大量研究表明，合理间套作能显著改善作物矿质营养条件、促进作物生长[8-9]。与单作相比，间作系统充分利用了各种生长因子从而获得高产[10]。不同作物类型搭配模式中，禾/豆间作在节约化学氮肥、提高氮肥利用率等方面有明显优势[11]，是可持续农业发展的重要方向之一[12]。目前，禾/豆间作类型丰富多样，如玉米间作蚕豆[13]、玉米间作豌豆[14]、小麦间作蚕豆[15]、小麦间作豌豆[16]等，多项研究普遍认为间作的禾本科作物促进了豆科作物生物固氮，进而提高了系统产量[17-18]。以玉米为主栽作物的禾/豆间作模式近年来成为国内大面积采用的复合种植体系[14]，其在时间和空间生态位上的高效互补，使该系统具有较高的产量和经济效益[8,11]。将玉米与绿肥作物间作，可降低化学氮肥投入，同步实现氮肥减量和氮素利用效率提升。然而该种植模式下氮肥减量是否会造成作物减产还不甚明确。为此，本研究以玉米、箭筈豌豆间作复合群体为对象，在不同施氮水平下探究间作玉米和箭筈豌豆的产量表现，明确玉米间作箭筈豌豆产量形成机制，以期为创建高产高效的种植模式和氮肥管理体系提供理论依据。

1 试验设计与方法

1.1 试区概况

本试验于2017在甘肃省武威市凉州区甘肃农业大学试验教学基地进行，该基地位于河西走廊东端，属典型的内陆荒漠气候区，海拔1776 m，年降水分布不均匀，主要集中在7—9月，年蒸发量2400 mm，平均气温7.7℃，日照时数2945 h，太阳辐射总量5.67 kJ/m2。试区供试土壤为灌漠土，pH 7.39，有机质含量17.82 g/kg，全磷1.41 g/kg，全氮0.79 g/kg，容重1.56 g/cm3。

1.2 试验设计

采用裂区试验设计，种植模式为主处理，施氮水平为副处理。种植模式设玉米间作箭筈豌豆(V/M)、单作玉米(M)、单作箭筈豌豆(V)3种；施氮水平设0 kg/hm2(N0)、240 kg/hm2（N1，习惯施氮减量20%）、300 kg/hm2（N2，习惯施氮）3个梯度，共9个处理，每处理3次重复。玉米间作箭筈豌豆田间结构为玉米幅宽110 cm、箭筈豌豆幅宽80 cm，每小区3个自然带。每个自然带内箭筈豌豆分行种植，行距20 cm，共4行；玉米行距40 cm，共3行。单作箭筈豌豆和单作玉米田间结构与相应作物在间作系统中布置相同。小区面积5.7 m×7 m，供试箭筈豌豆品种为‘兰箭3号’，4月1日播种，7月8日收获；玉米品种为‘先玉335’，4月20日播种，9月28日收获。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 干物质测定 玉米播种后（箭筈豌豆出苗20天后）每隔15天取样一次，选取代表性玉米10株，收获后（大喇叭口期—成熟期）每隔25天取样一次，选取代表性玉米5株；箭筈豌豆按边行10株、内行10株，取连续的20株。间作每小区玉米、箭筈豌豆各留一自然带不进行任何采样破坏，用于最后测产。采回样品首先在105℃下杀青15～30 min，然后在80℃烘干8～12 h，直到恒重，用电子天平称重(0.01 g)。

1.3.2 产量构成因素测定 每小区取连续的4行箭筈豌豆，长50 cm，测定每株豆荚数、单荚粒数和500粒重；玉米每小区取1 m2样方测定穗数，并取5株玉米测定穗行数、行粒数和500粒重。

1.3.3 籽粒产量测定 待箭筈豌豆成熟后在间作小区中未经扰动的自然带量取150 cm收割、脱粒并进行计产；在单作小区中间选取长势均匀的1 m×1 m样方收割后脱粒进行计产（单、间作每小区取3次重复）。玉米成熟后于间作和单作每小区中未经扰动的种植带内分别取60株脱粒后进行计产。

1.3.4 收获指数(HI)收获指数计算如式(1)所示。

式中，GY是籽粒产量，BY是生物产量。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2013进行整理汇总，用SPSS 19.0软件进行显著性检验和通径分析。

2 结果与分析

2.1 干物质累积特征

2.1.1 箭筈豌豆干物质累积 单作和间作种植模式下箭筈豌豆干物质累积动态遵循“S”型生长，且不同阶段干物质累积量受种植模式和施氮水平显著影响（图1）。主效应分析表明，种植模式、施氮水平对箭筈豌豆干物质累积总量的影响显著(P＜0.05)，且种植模式×施氮水平的交互作用显著(P＜0.05)。种植模式间相比，间作干物质总累积量显著高于单作，与单作相比在不施氮(N0)、减量施氮(N1)和传统施氮(N2)处理下分别提高44.0%、36.7%和37.2%。施氮水平间，N1处理干物质累积总量最高，达3435 kg/hm2，在间作模式下比N2提高9.1%，比N0提高25.5%；单作模式下，比N2提高9.4%，比N0提高32.1%。因此，相比传统施氮，减量施氮可获得更高的箭筈豌豆干物质累积量。

2.1.2 玉米干物质累积 与箭筈豌豆变化趋势相似，单作和间作玉米的干物质累积动态符合“S”型生长曲线，且不同阶段干物质累积量受种植模式和施氮水平显著影响（图1）。主效应分析发现，种植模式、施氮水平对玉米干物质累积总量影响显著(P＜0.05)，且种植模式×施氮水平的交互作用显著(P＜0.05)。不同种植模式相比，间作干物质总累积量最高，与单作相比在N0、N1和N2处理下分别提高23.3%、22.5%和23.0%。施氮水平间，N1处理的干物质累积总量最高，达20980 kg/hm2，在间作模式下比N2提高9.3%，比N0提高19.8%；在单作模式下，N1干物质累积比N2提高9.9%，比N0提高20.7%。

图1 不同施氮水平下单作和间作箭筈豌豆、玉米的干物质累积

2.2 产量构成要素

2.2.1 箭筈豌豆 不同处理箭筈豌豆的豆荚数、单荚粒数和500粒重因种植模式和施氮水平表现出较大差异（表1）。就豆荚数而言，种植模式影响显著，间作较单作提高7.6%；此外，施氮水平影响显著，N1处理豆荚数较N2提高5.3%，较N0提高16.9%；就豆荚粒数而言，种植模式影响不显著，施氮水平影响显著，N1较N2和N0分别提高14.3%和44.5%；就500粒重而言，种植模式影响不显著，但施氮水平影响显著，且不同施氮水平中N1处理500粒重最高，较N2提高9.5%，较N0提高14.4%。

2.2.2 玉米 种植模式和施氮水平对不同处理玉米穗数、穗粒数和500粒重的影响具有较大差异（表1）。就穗数而言，种植模式影响显著，且间作玉米的穗数显著高于单作玉米，与单作相比，间作玉米穗数平均提高14.5%；此外，施氮水平同样显著，N1较N2提高10.5%，较N0提高12.0%。就穗粒数和500粒重而言，种植模式和施氮水平的影响均不显著。

表1 不同施氮水平下单作和间作箭筈豌豆、玉米的产量构成因子

2.3 产量表现

2.3.1 箭筈豌豆 主效应分析表明，种植模式(P＜0.01)和施氮水平(P＜0.01)对箭筈豌豆产量的影响显著，但种植模式×施氮水平的交互作用不显著(P＞0.05)。种植模式间相比，间作比单作具有明显的产量优势，较单作平均提高34.9%（图2）。施氮水平间相比，N1处理产量最高，与N2相比差异不显著，与N0相比平均提高30.0%。因此，减量施氮可同样获得较高产量。

图2 不同施氮水平下单作和间作箭筈豌豆、玉米的产量

2.3.2 玉米 主效应分析表明，种植模式对玉米产量的影响显著(P＜0.01)，施氮水平影响显著(P＜0.01)，且间作模式和施氮的交互作用显著(P＜0.01)。种植模式间相比，间作玉米产量显著高于单作玉米，较单作平均提高27.0%（图2）。不同施氮水平间，N1处理产量最高，与N2相比无显著差异，与N0相比平均提高70.1%。此结果表明，减量施氮同样支撑玉米获得高产。

2.4 通径分析

2.4.1 箭筈豌豆产量形成机制 在不同种植模式及施氮水平下，箭筈豌豆籽粒产量与各产量构成因子成正相关（表2）。通过籽粒产量与产量构成的直接通径系数可以看出，各指标对籽粒产量的决定次序是豆荚数＞粒重＞单荚粒数；通过籽粒产量与各指标的间接通径系数可看出，豆荚数通过单荚粒数和粒重，以及粒重通过豆荚粒数对产量的贡献最大。由此说明，不同种植模式及施氮条件主要通过豆荚数增加来提高箭筈豌豆籽粒产量。

2.4.2 玉米产量形成机制 在不同种植模式及施氮条件下，玉米籽粒产量与各产量构成因子呈正相关（表2）。通过籽粒产量与各指标的直接通径系数可看出，各指标对玉米产量形成的决定次序是穗数＞粒重＞穗粒数；通过籽粒产量与各指标的间接通径系数可以看出，穗数通过穗粒数和粒重，以及粒重通过穗粒数对玉米产量的贡献最大。说明不同间作和施氮条件主要是通过增加穗数提高玉米籽粒产量。

表2 不同处理箭筈豌豆和玉米籽粒产量与产量因素的相关系数和通径系数

3 结论

玉米和箭筈豌豆间作可使两作物的干物质累积量增加，进而使籽粒产量较单作显著提高。间作模式中，减量施氮提高了2种作物的干物质累积量和决定籽粒产量的构成因子，因而减氮20%未引起箭筈豌豆和玉米显著减产。通过通径分析可知，对箭筈豌豆产量影响最大是豆荚数，其次是粒重和单荚粒数；对玉米产量影响最大的是穗数，其次是粒重和穗粒数。因此，240 kg/hm2是玉米间作箭筈豌豆的适宜施氮水平。

4 讨论

4.1 地上部干物质积累特性

作物生育期内干物质积累是产量形成的重要基础。赵平等[19]研究表明，小麦/蚕豆间作显著提高了整个生育期内小麦地上部植株含氮量，为干物质形成和产量提高奠定了基础。因此，间作可通过提高作物对养分的截获利用，进而提高系统生产力[8,17]。本研究中，间作箭筈豌豆和玉米干物质累积量较相应单作均有显著提高。与单作相比，间作箭筈豌豆干物质累积总量在3个施氮水平下平均提高39.3%，间作玉米在3个施氮水平下平均提高22.9%。雍太文等[20]研究发现，间作减量施氮可促进大豆生物固氮，使叶片生产和积累更多光合物质。本研究发现相似结果，在玉米/箭筈豌豆间作系统中氮肥施用量降低20%可使箭筈豌豆干物质累积总量较传统施氮提高9.1%，使玉米干物质累积总量较传统施氮提高9.3%。

4.2 产量形成机制

合理的间作模式有利于提高作物产量，尤其是禾本科作物与豆科作物间作[11,18]。其主要机理是禾本科作物对豆科作物固氮作用的促进以及土壤磷素活化[8,21]，在地上部则表现为单位面积籽粒数增多和粒重增大[22]。本研究发现，箭筈豌豆单株豆荚数受到种植模式显著影响，较单作提高7.6%，但单荚粒数和500粒重未受到显著影响，表明生物固氮量增大会促进箭筈豌豆花芽分化，但对同化物转运和分配的调控作用较小，这与Hu等[23]研究发现玉米/豌豆间作可提高豌豆粒数和粒重的结果有所不同。此外，与之间作的玉米也表现出相似结果，其单位面积穗数较单作提高14.5%，但穗粒数和500粒重并未受到显著影响。张正翼等[24]研究了24份大豆品种发现，豆荚数对大豆产量影响最大，其次为百粒重和豆荚粒数，这与本研究发现箭筈豌豆豆荚数对其产量影响最大，其次是粒重和单荚粒数的结果趋于一致。因此，本研究中，间作箭筈豌豆产量较单作平均提高34.9%。叶君等[25]认为穗数是决定玉米产量高低的决定因子，与本研究中玉米穗数对其产量影响最大，其次是粒重和穗粒数的结果相似。因此，间作通过提高单位面积穗数使其产量较单作平均提高27.0%。

作物生长离不开氮素，因此氮肥被广泛应用于农业生产中，是农作物获得高产的基础。然而，禾/豆间作模式中豆科作物能进行生物固氮，施氮量增大会引起氮阻遏效应、制约固氮量提高[17-18]。本研究中箭筈豌豆在氮肥减量20%时豆荚数、单荚粒数及500粒重较传统施氮分别提高5.3%、14.3%和9.5%，表明箭筈豌豆可通过生物固氮弥补氮素供应不足，并促进同化物向籽粒转运[26-27]。高施氮使玉米等禾本科作物长期保持较高的营养生长，导致同化物在生殖器官中的转运量减少[28]。本研究中，氮肥减量20%(240 kg/hm2)能有效防止玉米由于氮素营养丰沛而产生的生殖生长受限，与传统施氮相比，该处理下玉米的单位面积穗数提高了10.5%。通过通径分析发现，箭筈豌豆和玉米产量形成的决定因子分别是单株豆荚数和单位面积穗数，因此氮肥减量20%处理通过提高两种作物的产量决定因子使其最终产量与高施氮处理无显著差异。综上，间作结合施氮量240 kg/hm2是绿洲灌区玉米、箭筈豌豆适宜的种植模式和施氮水平。