间作下不同肥料对玉米花生生长发育、氮代谢及产量的影响
2022-06-04董奇琦贾佩岩史晓龙蒋春姬王晓光万书波于海秋赵新华
袁 洋，董奇琦，贾佩岩，史晓龙，蒋春姬，王晓光，张 正，万书波，于海秋，赵新华
（1.沈阳农业大学农学院，沈阳 110161；2.山东省农业科学院，济南 250110）
近年来随着人口不断增长、可耕地面积持续减少、环境污染加剧和粮油争地矛盾日益恶化，全球粮食危机持续增加，2020 年食物不足发生率从8.4%升至9.9%，到2030 年实现零饥饿目标变得更具挑战性，传统的种植制度已经不能满足人口增长对粮食的需求。间作能够充分利用田间资源、提高净光合速率、增加土壤微生物群落、改变土壤孔隙度、减少病虫害发生和肥料施用，提高土地当量比，是保障粮油安全生产、实现农业可持续发展的重要措施之一。农业农村部《“十四五”全国种植业发展规划》明确指出，东北地区重点集成推广“玉米花生宽幅间作”技术。因此，阐明玉米花生宽幅带状间作模式下氮素利用效率，创新优化种植模式，对促进农业可持续发展、实现乡村振兴具有十分重要的意义。
在过去的几十年里，化肥的使用为提高作物产量和缓解粮食危机做出了巨大贡献，但也加剧了环境恶化，如严重的水和空气污染、土壤板结和酸化。这些严重问题给粮食安全和可持续发展带来了新的挑战。过度施肥引起的环境问题使得间(套)作制度在我国重新得到重视。玉米是我国重要的粮食作物之一，在粮食生产、饲料加工及能源利用等方面具有重要作用。花生是我国重要的油料作物之一，具有良好的耐贫瘠、固氮、培肥地力、经济效益高等特性，两者均为北方地区主要作物。禾豆间作不仅能够更加充分利用自然资源，有效减少病虫害发生，提高作物的养分吸收利用效率并且增加产量，而且还能减少肥料、农药施用量，改善土壤结构，解决粮油争地矛盾。研究结果表明，玉米大豆间作和玉米花生间作中玉米的氮吸收较单作玉米可显著提高52.5%和62.4%。与单作相比，间作谷子地上部和地下部的氮素吸收分别提高70.5%、73.5%和25.2%、77.1%。另外，油菜蚕豆间作中，间作油菜的氮素积累量比单作提高20.0%，蚕豆的生物固氮率比单作高9.0%。玉米大豆间作能提高光辐射利用效率，且豆科植物不仅能通过生物固氮从大气中固定氮，而且通过种间氮竞争有效利用化学氮肥，导致间作系统氮素利用效率和产量的提高。然而，关于玉米花生带状间作下不同肥料处理对作物生长发育及氮素吸收的影响研究较少。
本试验在前期研究基础上，根据东北地区实际生产情况采用适宜的玉米花生16∶8 带状间作模式，探究不同肥料处理下作物农艺性状、氮代谢酶活性、干物质积累、氮素积累量、净光合速率强弱和产量的变化规律，为东北地区农业可持续发展、促氮固碳、丰产高效和减肥减排提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地点及材料
试验于2020 年在沈阳农业大学农业部作物生理生态与耕作东北观测实验站定位试验田进行。土壤类型为棕壤土，碱解氮含量104.7mg·kg，速效磷含量24.1mg·kg，速效钾含量120.3mg·kg，pH值6.5。供试玉米品种为良玉99，株型半紧凑，中晚熟杂交种，花生品种为农花9号，疏枝直立型品种，耐荫性强、结荚集中。两者均为辽宁省主栽品种。
1.2 试验设计
本试验采取玉米花生16∶8间作、单作玉米和单作花生3种种植模式，设5个处理：间作不施肥(K0)、常规施肥(K1.间作玉米施用常规复合肥750kg·hm，N−PO−KO=27−13−15；间作花生施用硫酸钾复合肥750kg·hm，N−PO−KO=14−16−15)、施用缓控肥(K2.间作玉米施用缓控肥600kg·hm，N−PO−K0=24−10−14；间作花生施用硫酸钾复合肥600kg·hm，N−PO−KO=14−16−15)、单作玉米(SM.施用常规复合肥750kg·hm)、单作花生(SP.施用硫酸钾复合肥750kg·hm)，3次重复，完全随机区组设计，共15个小区，每小区共24行，行长10m，行宽0.5m，小区面积120m。其他田间管理与常规大田相同，南北向种植。玉米采用单垄裸地种植，间作株距26.7cm，密度75000株·hm，单作玉米株距29.6cm，密度67500株·hm；间作和单作花生均采用单垄小双行交错布种，小垄行距10cm，每行株距13.3cm，密度3.0×10株·hm。玉米和花生于2020年5月12日同时播种，于9月27同时收获。
图1 田间种植示意图Figure1 Diagram of experimental field planting
1.3 测定项目及方法
1.3.1 样品采集 于出苗后第50 天开始取样，每隔15d 取1 次样，在单作玉米(SM)、单作花生(SP)、间作玉米边行(BM)及中间行(ZM)、间作花生边行(BP)及中间行(ZP)进行样品采集，每个取样点选取5株代表性植株，洗去泥土，测定各器官干物质积累量和器官氮素积累量。同时，采集玉米功能叶和花生主茎倒三叶放进液氮中短暂保存后，存入−80℃超低温冰箱，以便测定氮代谢关键酶和叶绿素含量测定。
1.3.2 植株形态指标测定 使用卷尺测量玉米株高、花生主茎高和侧枝长。
1.3.3 植株干物质测定 将选取的植株按根、茎、叶和穗(果)分开，放入105℃烘箱杀青30min，然后调至85℃烘干至恒重，用百分之一天平称量。
1.3.4 氮代谢相关酶测定 采用谷氨酸合成酶活性检测试剂盒测定谷氨酸合成酶(GOGAT)；硝酸还原酶(NR)测定参照植物生理学实验手册的方法；谷氨酰胺合成酶(GS)测定参照MICHÈLE and BERTRAND 的方法。
1.3.5 植株各器官氮含量测定 用HSO−HO联合消煮法，将0.3g 样本(叶、根、茎)烘干研磨后进行消解采用凯氏定氮法测定植株各器官氮含量。
1.3.6 净光合速率测定 采用便携式CIRAS−2(PP Systems，Hitchin，UK)光合仪，于各个时期在天气晴朗的上午9∶00～11∶00进行光合速率测定。在花生1200μmol·m·s、玉米1400μmol·m·s的PPFD 下，从叶室内的内部光源记录净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和细胞间CO浓度(Ci)。相对湿度保持在70%，叶温设定在25℃，叶室中的CO浓度保持在380μ·mol。
1.3.7 叶绿素含量测定 叶绿素是用95%乙醇从0.1g 新鲜叶片中提取。根据将提取液用分光光度计分别在665，649，470nm波长下测定吸光度，计算叶绿素含量。
1.3.8 产量及土地当量比测定 在玉米、花生成熟后，除去地头对间作和单作的各小区连续取4m(宽)×5m(长)进行测产。
Yim
和Yip
分别代表间作玉米和间作花生的产量；Ysm
和Ysp
分别为单作玉米和单作花生的产量。LER
>1为间作优势，LER
<1为间作劣势。1.3.9 数据处理 用Excel 2013 软件进行数据整理和作图，用DPS 7.05 软件对数据进行方差分析(p
<0.05)、Logistic方程计算。Logistic方程：
X
为任意天数株高(cm)；a
为最大株高(cm)；X
为出苗后天数(d)；b
、c
为待定系数；V
为最大增长速率(cm·d)；T
为最大增长速率V
出现的时间。Logistic 方程模拟发现，玉米、花生株高最大增长速率出现在58～64d，结合生育时期选取出苗后第65天的指标进行分析。2 结果与分析
2.1 不同肥料处理对间作作物形态的影响
2.1.1 不同肥料处理对间作玉米株高的影响 由图2可知，玉米株高在出苗后第80天前快速增长，80d后呈缓慢稳定的趋势，第95 天达到最大值。在出苗后第95 天，K1 和K2 处理玉米边行、中间行株高比K0 处理分别显著增加3.80%、5.54%和6.83%、7.47%(p
<0.05)。在出苗后第120 天，K1 和K2 处理中间行>边行，差异显著。不同肥料处理下，中间行玉米株高均高于边行。
图2 不同肥料处理对间作玉米株高的影响Figure2 Effects of different fertilizer treatments on plant height of intercropping maize
由表2 可知，在不同肥料处理下，中间行玉米株高达最大生长速率的时间(T
)顺序为K1>K2>K0；间作边行玉米株高最大生长速率(V
)表现为K2>K1>K0，K2和K1处理V
分别较K0处理增加4.40%和1.80%。K1处理中间行玉米株V
高于单作，间作玉米T
比单作玉米提前约2d。可见，间作玉米在前期生长速率较单作快，且在达到最大生长速率后更快积累干物质。表1 不同处理的肥料用量
Table1 Amount of fertilizer used for different treatments
注：K0.不施肥；K1.常规施肥；K2.施缓控肥。
Note:K0.No fertilization;K1.Conventional fertilization;K2.Application of slow and controlled fertilizer.
表2 玉米花生间作系统玉米株高Logistic拟合方程
Table2 Logistic fitting equation of maize plant height in maize and peanut intercropping system
p
<0.05)。K0、K1 和K2 处理边行比中间行分别显著降低39.56%、10.73%和17.53%(p
<0.05)。间作花生边行主茎高低于单作，而中间行高于单作。
图3 不同肥料处理对间作花生主茎高的影响Figure3 Effects of different fertilizer treatments on main stem height of intercropping peanut
由表3 可知，K0、K1 和K2 处理下中间行花生最大生长速率V
比边行分别增加5.04%、2.03%和1.79%，K1处理边行花生V
较单作减少1.71%。不同肥料处理下，K1处理花生主茎高V
最大，且K1处理中间行花生主茎高V
比K0处理增加2.18%。间作花生中间行T
比边行提前，且最大生长速率比边行增加。表3 玉米花生间作系统花生主茎高Logistic拟合方程
Table3 Logistic fitting equation of peanut main stem height in maize and peanut intercropping system
p
<0.05)。在出苗后第95 天，间作花生边行和中间行侧枝长均表现为K1>K2>K0，K1 和K2 处理花生边行、中间行侧枝长比K0处理显著增加28.20%、20.92%和19.59%、10.13%(p
<0.05)。增加施肥能够增加花生侧枝长，且间作降低了边行花生的侧枝长。
图4 不同肥料处理对间作花生侧枝长的影响Figure4 Effect of different fertilizer treatment on the lateral branch length of peanut
2.2 不同肥料处理对间作作物干物质积累的影响
2.2.1 不同肥料处理对间作玉米干物质积累的影响由表4可知，间作条件下施缓控肥有利于玉米各器官干物质量积累。K2 和K1 处理下玉米边行、中间行根干物质积累量比K0 处理显著增加26.35%、15.36% 和33.40%、33.02%(p
<0.05)；茎干物质积累量比K0 处理显著增加31.13%、21.47 和29.40%、22.91%(p
<0.05)；叶干物质积累量比K0 处理显著增加22.29%、19.75%和22.43%、14.40%(p
<0.05)。表4 不同肥料处理对间作玉米干物质积累的影响
Table4 Effects of different fertilizer treatments on dry matter accumulation of intercropping maize （g·plant）
p
<0.05)；中间行茎干物质积累量比K0 处理增加7.56%(p
>0.05)和52.73%(p
<0.05)；边行、中间行叶干物质积累量比K0 处理分别显著增加41.20%、65.97%和74.70%、98.80%(p
<0.05)。K1 处理花生边行和中间行根干物质积累量比单作分别显著降低43.63%和29.09%(p
<0.05)，茎干物质积累量分别显著降低40.21%和24.43%(p
<0.05)，叶干物质积累量分别显著降低43.28%和21.68%(p
<0.05)。表5 不同肥料处理对间作花生干物质积累的影响
Table5 Effects of different fertilizer treatments on dry matter accumulation of intercropping peanut（g·plant）
2.3 不同肥料处理对间作作物氮代谢酶活性的影响
2.3.1 不同肥料处理对间作玉米氮代谢酶活性的影响 硝酸还原酶(NR)、谷氨酸合成酶(GOGAT)及谷氨酰胺合成酶(GS)均为植物氮代谢关键酶，对植物氮素吸收和利用起重要作用。由表6 可知，间作和施缓控肥均提高边行玉米叶片的氮代谢酶活性，3 种酶活性均表现为K2>K1>K0。K2 和K1 处理下玉米边行、中间行叶片GS分别比K0 处理显著增加36.84%、27.21%和19.67%、14.24%(p
<0.05)；GOGAT 比K0 处理分别提高14.29%、11.49%和9.97%、6.59%(p
<0.05)；NR比K0处理分别显著提高51.16%、39.53%和47.66%、36.07%(p
<0.05)。表6 不同肥料处理对间作玉米氮代谢酶活性的影响
Table6 Effects of different fertilizer treatments on activity of nitrogen metabolizing enzymes of intercropping maize
p
<0.05)；NR 比K0 处理分别显著增加25.64%、29.74%和11.22%和13.04%(p
<0.05)；边行花生GOGAT比K0处理显著增加13.59%和22.71%(p
<0.05)。表7 不同肥料处理对间作花生氮代谢酶活性的影响
Table7 Effects of different fertilizer treatments on activity of nitrogen metabolizing enzymes of intercropping peanut
2.4 不同肥料处理对间作作物氮素积累量的影响
2.4.1 不同肥料处理对间作玉米氮素积累量的影响由表8 可知，与单作相比，间作和施缓控肥均显著提高了边行玉米各器官氮素积累量。K2 和K1 处理下边行、中间行玉米根系氮素积累量比K0 处理分别显著增加43.85%、30.04%和31.85%、60.17%(p
<0.05)；茎氮素积累量比K0 处理分别显著增加26.30%、23.65%和70.79%、63.67%(p
＜0.05)；叶氮素积累量比K0处理分别显著增加46.27%、43.32%和22.81%和24.90%(p
<0.05)。K2处理边行根、茎和叶氮素累积量比单作分别显著增加69.40%、13.21%和24.15%(p
<0.05)。表8 不同肥料处理对间作玉米氮素积累的影响
Table8 Effects of different fertilizer treatments on nitrogen accumulation of intercropping maize (mg·plant)
p
＜0.05)；K2和K1处理花生边行茎氮素积累量比K0 处理显著增加23.15%和39.23%(p
<0.05)；边行、中间行花生叶氮素积累量比K0 处理显著增加50.33%、69.23%和77.02%、100.06%(p
<0.05)。K1 处理下边行根、茎和叶氮素积累量比单作分别显著降低37.28%、35.52%和35.17%(p
<0.05)，中间行比单作降低18.96%、20.69%(p
<0.05)和7.47%(p
>0.05)。表9 不同肥料处理对间作花生氮素积累的影响
Table9 Effects of different fertilizer treatments on nitrogen accumulation of intercropping peanut (mg·plant)
2.5 不同肥料处理对间作作物净光合速率和光合色素含量的影响
2.5.1 不同肥料处理对间作玉米净光合速率和光合色素含量的影响 由表10 可知，与单作玉米相比，间作和施缓控肥均显著增加边行玉米的净光合速率和叶绿素a含量。K2和K1处理下，玉米边行和中间行叶绿素a含量比K0 处理分别显著增加75.55%、65.73%和55.20%、25.61%(p
<0.05)；叶绿素b 含量显著增加114.77%、107.39%和104.88%、93.41%(p
<0.05)。K2和K1处理玉米边行、中间行净光合速率比K0处理显著增加41.09%、34.13%和26.97%、12.47%(p
<0.05)。间作玉米边行叶绿素b 显著低于中间行，K1 和K2 处理玉米边行叶绿素b含量比中间行分别降低7.94%和10.00%(p
<0.05)。间作玉米边行叶绿素a/b 表现为K0>K1>K2，且均高于单作，比单作分别显著增加62.31%、29.20%、7.66%(p
<0.05)，而K0处理下玉米中间行叶绿素a/b比单作显著高29.20%。表10 不同肥料处理对间作玉米光合色素和净光合速率的影响
Table10 Effects of different fertilizer treatments on photosynthetic pigments and net photosynthetic rate of intercropping maize
p
<0.05)；叶绿素b显著增加89.96%、99.26%和85.93%、117.08%(p
<0.05)；净光合速率显著增加46.21%、67.75%和37.77%、64.82%(p
<0.05)。K0、K1 和K2 处理下，花生边行叶绿素a 含量比中间行显著降低14.06%、10.18%和22.20%(p
<0.05)。不同肥料处理下，间作边行叶绿素a/b 表现为K0>K1>K2，且均低于单作，分别降低32.26%、35.94%、47.01%(p
<0.05)；K0处理下间作中间行叶绿素a/b最高，比单作增加6.45%(p
<0.05)，而K2、K1处理下间作中间行叶绿素a/b均低于单作，分别降低2.85%和5.76%(p
<0.05)。表11 不同肥料处理对间作花生光合色素和净光合速率的影响
Table11 Effects of different fertilizer treatments on photosynthetic pigments and net photosynthetic rate of intercropping peanut
2.6 不同肥料处理对作物产量和土地当量比的影响
由表12可知，不同肥料处理下，K2和K1处理间作玉米产量分别为14559.30kg·hm和14008.90kg·hm，比K0处理（11938.60kg·hm）显著增加21.95% 和17.34%(p
<0.05)，比单作（12759.90kg·hm）显著增加14.10%和9.78%(p
<0.05)。间作花生产量表现为K1>K2>K0，K1和K2处理间作花生产量分别为3925.91kg·hm和3643.64kg·hm，比K0处理（3005.92 kg·hm）显著增加30.65%和21.26%，比单作（4212.79kg·hm）显著降低6.81%和13.49%(p
<0.05)。K1 和K2 处理土地当量比分别为1.07和1.10，均大于1，表明间作具有增产效益。表12 不同肥料处理对玉米、花生产量和土地当量比的影响
Table12 Effects of different fertilizer treatments on the LER and yield of maize and peanut
3 讨论与结论
3.1 间作及肥料对作物生长发育的影响
干物质积累量是籽粒形成的物质基础，产量的形成最终取决于干物质的积累及对籽粒的分配。前人研究发现，间作玉米生长速度更快，会获得更多的可用资源，产生更多的干物质，在吐丝前积累更多的同化物质有助于间作玉米产生更多的叶片，从而延长叶片寿命，以增加源容量，增加间作玉米地上部(穗、叶、茎)生长速率，更多干物质被分配到果实中。刘颖等研究发现玉米花生间作下花生边行，中间行各器官及全株的干物质积累量，经济产量显著低于单作，且边行低于中间行。ZHANG 等研究发现玉米花生间作能增加提高玉米器官干物质积累，增加茎和叶干物质向果穗中的转移进而提高产量，这与本研究结果基本一致。本试验研究表明，不同肥料处理下，间作玉米的株高、器官干物质积累量均表现为K2>K1>K0，且边行器官干物质积累量>中间行；花生主茎高、侧枝长，器官干物质积累量均表现为K1>K2>K0，且中间行>边行；与单作相比，间作降低了边行花生的株高、侧枝长和干物质积累量，增加了边行玉米干物质积累。在玉米花生间作系统中，玉米具有边行优势，光照、养分较中间行获取更多，导致边行玉米干物质积累量增加，而间作玉米种植密度更大，种内竞争加剧，导致间作中间行玉米干物质积累量低于单作玉米；在不同肥料处理中，正常肥料在土壤中分解较快，播种后雨水较多，肥料淋失和挥发严重，养分供应不充足，缓控肥在土壤中分解较慢，比较符合玉米生长发育的需肥规律；在花生未形成根瘤之前，主要吸收外界氮素，正常施肥使花生生长前期获取足够的养分，使主茎高和侧枝长增加，形成更多绿叶，使干物质积累量增加。
3.2 间作及肥料提对作物光合特性的影响
叶绿素是光合作用的前提，其含量直接影响光合作用，增加施氮量可以提高作物叶片中的叶绿素含量，延长光合速率高的时期，从而提高光合性能。施缓控肥能够提高玉米开花后叶面积指数，增加穗位叶净光合速率、延长光合作用有效时间，有利于花后干物质的积累和产量的提高。本试验研究发现，不同肥料处理下间作玉米边行和中间行叶绿素a 含量、净光合速率表现为K2>K1>K0，且边行>中间行；花生表现为SP>K1>K2>K0，中间行>边行；间作玉米边行叶绿素a/b表现为K0>K1>K2，且均高于单作，而间作花生边行叶绿素a/b表现为K0>K1>K2，且均低于单作。在间作系统中，边行玉米比单作和中间行获得更多光和CO，增加净光合速率，而中间行玉米密度增加，降低净光合速率；边行花生受玉米遮荫作用明显，净光合速率比单作和中间行花生显著降低；在不同肥料处理中，缓控肥肥效更长、利用率高，玉米能从土壤中获取充足的养分，叶面积增加，叶绿素合成能力增强，同时间作玉米能产生更厚叶片，单位面积叶绿体更多，更有利于气体交换，导致净光合速率增加；减施肥料导致花生养分吸收不足，植株矮小，叶面积降低，最终导致对光能捕获能力降低。
3.3 间作及肥料对作物氮素吸收和产量的影响
中国是世界化肥施用大国，2017 年中国化肥施用量占世界用量的23.9%(折纯量)，化肥施用综合效率低。研究发现过量施用肥料不仅不能进一步提高作物产量，还会影响农产品品质，降低肥料利用率，引起土壤酸化，水体富营养化及温室气体排放等一系列环境问题，严重威胁粮食生产安全。XIA 等研究表明与常规施肥相比，在玉米上一次性基施缓控释肥，可使玉米增产8.3%，氮肥利用率平均提高37.5%，氨挥发、NO 排放、氮淋溶和氮径流分别平均降低58.6%、24.5%、25.7%和22.4%。本试验研究表明，不同肥料处理下，间作玉米的氮代谢酶活性和器官氮素积累量表现为K2>K1>K0，且边行>中间行和单作；间作花生氮代谢酶活性和器官氮素积累量和花生产量均表现为SP>K2>K1>K0。这可能由于间作边行玉米处于竞争优势，且光照有利于NR 的诱导合成、激活细胞中无活性的NR 前体促进NO−从“储存库”向“代谢库”的转移，增加植株体内NO−含量，促进了边行玉米氮代谢酶活性和氮素积累，而中间行玉米氮代谢酶合成和活性受到影响，影响氮素积累，而间作花生则相反；在不同肥料处理中，缓控肥肥效时间更长，可以使土壤和作物体内NO−维持在一个较高的浓度，促进氮代谢酶活性的提高，而肥料减施降低了养分吸收，进而影响氮代谢酶活性；在营养生长转生殖生长过程中，施缓控肥增加净光合速率和氮代谢关键酶活性，积累大量干物质和氮素，最终促使产量增加；正常施肥和施缓控肥下间作玉米产量均高于单作玉米，除了间作玉米边行优势，提高间作交互区玉米产量，间作玉米密度更大，也会增加间作玉米的产量；在一定范围内，施用肥料提高了外界氮素含量，促进间作花生氮素吸收利用，正常施肥使花生生长前期获取足够的养分，使主茎高、侧枝长、净光合速率和氮代谢酶活性增强、生长速率加快，积累更多干物质和氮素，最终作用到产量。
玉米花生间作提高边行玉米净光合速率、叶绿素a 含量、干物质积累量、氮代谢关键酶活性和各器官氮素积累量，间作边行花生则相反；玉米花生间作下施缓控肥更能提高玉米叶片氮代谢关键酶活性、净光合速率、干物质积累量和产量。间作花生主茎高、侧枝长、氮代谢关键酶活性、净光合速率、干物质积累量、产量和施肥量呈正相关。正常施肥和施缓控肥两种处理下间作系统土地当量比均大于1。综上，玉米花生16∶8间作下，施用缓控肥减少了肥料投入量，提高了群体光合特性，氮代谢酶活性增强，氮素吸收量增加，产量提高。
