间作和施氮水平对玉米和花生农艺性状及花生结瘤的影响

乔月彤，蒋曦龙，李晓靖，王澜，薛燕慧，夏海勇

（1.山东师范大学生命科学学院，山东 济南 250014；2.山东省农业科学院作物研究所／山东省作物遗传改良与生态生理重点实验室／小麦玉米国家工程实验室，山东 济南 250100；3.水发集团有限公司，山东 济南 250101）

间作是指在同一土地上按照不同比例种植不同种类农作物的种植方式，能够运用群落的空间结构原理，充分利用光能、空间和时间资源而提高农作物产量。合理的间作可以改善作物矿质营养［1］。已有研究表明，间作系统可以提高生物产量和经济效益，提高土壤利用率，充分利用环境资源：Zhang等［2］指出，间作相比单作而言，粮食产量和养分获取均高于单作，至少在三到四年内提高生产力并保持土壤肥力；间作可以提高作物产量和营养吸收［3］。

施肥可以增加作物产量［4］，但是过度施肥也会带来负面影响。氮素是作物生长所需要的大量元素之一，但是大量氮肥的投入会破坏生态环境、减少生物多样性，导致土壤中的氮含量过多，继而导致豆科作物的固氮作用下降，不利于豆科作物生长。过量施氮肥使得豆科作物固氮效率降低，即产生“氮阻遏”效应。过多或较少的土壤肥力均不利于间作谷物的生长，适当提高氮肥用量可以缓解种间竞争力度，最大限度地提高谷物间作的生产力［5］。研究表明，适当的氮肥量可以发挥玉米和大豆的产量优势［6］；优化氮素管理可以提高间作氮素的利用效率，提高间作系统作物产量和经济效益［7－14］。因此，选择合适的氮肥水平是需要研究的重要方向。

为了进一步明确大田环境中间作对豆科作物的影响，本试验以玉米品种先玉335、花生品种花育25为材料，设置间作和不同氮肥用量梯度处理，研究其对玉米、花生两种作物农艺性状、干物质积累和结瘤的影响，以期为充分发挥玉米／豆科间作系统的效应和科学合理的间作氮肥施用水平提供一定的技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在济南市济阳区太平街道羊栏口村（36°98′N，116°9′E）进行。该地属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温12℃，年降水量600 mm左右。

1.2 试验材料

供试玉米（Zea mays L.）品种为先玉335，花生（Arachis hypogaea L.）品种为花育25。

1.3 试验设计

试验采用双因素裂区设计，主区为4个施氮（N）量水平，分别为N0、N1、N2、N3；副区为3个种植模式，分别为玉米／花生间作（IM，IP）、玉米单作（MM）和花生单作（MP）。共计36个小区。小区长10 m，宽5 m。随机区组排列，重复3次。

4个主区均施基肥，其中磷肥（重过磷酸钙，P2O542%）为120 kg／hm2，钾肥（硫酸钾，K2O 50%）为100 kg／hm2。间作时4个主区分别基施纯氮（N）0、60、80、100 kg／hm2，后期仅玉米在拔节期和大喇叭口期分别追施纯氮（N）0、30、40、50 kg／hm2，花生不追肥。单作时，玉米按主区标准基施纯氮（N）0、60、80、100 kg／hm2，并在拔节期和大喇叭口期分别追施纯氮（N）0、30、40、50 kg／hm2；花生仅按主区标准基施纯氮（N）0、60、80、100 kg／hm2，后期不追肥。供试氮肥为尿素（N 46.7%）。追肥施于玉米行间和玉米花生行间，施肥点靠近玉米处。

间作种植采用2∶2模式（图1），即两行玉米两行花生，玉米与花生间距均为50 cm。带长5 m，带宽2 m，每小区5个重复带。玉米和花生穴距均为20 cm。单作玉米、单作花生行距均为50 cm，穴距均为20 cm。两种作物于2018年6月24日播种，其它田间管理措施同大田。

图1 间作种植模式和规格示意图

1.4 样品指标测定及方法

1.4.1 农艺性状 9月15日，即花生结荚期、玉米灌浆期，各小区分别取两作物具有代表性植株各2株，测定花生株高、分枝数、各器官鲜重和玉米株高、茎粗、地上部各器官鲜重。之后花生和玉米植株各器官于105℃杀青30 min后，75℃烘干至恒重，测干物质重。

1.4.2 根瘤数量和计重 于花生结荚期挖取整株花生植株，将分离下来的根装入尼龙网袋，用水浸泡后快速冲洗干净，之后泥水过钢筛收集散落根瘤，洗净的根系浸入冰水迅速剥落根瘤、计数，再用滤纸吸干根瘤表面水分、装袋标记，用天平进行计重［15］。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010和SAS（9.0）软件进行数据处理和方差分析（ANOVA），最小显著性差异法（LSD，0.05）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 玉米花生间作和施氮水平对玉米农艺性状的影响

由表1和表2可以看出，在不考虑施氮因素影响下，间作玉米（IM）农艺性状明显优于单作玉米（MM）。IM株高低于MM 3.5%，茎粗高于MM 2.5%，但差异均不显著；茎叶、雌穗鲜重IM显著高于MM，分别提高9.4%和11.0%；茎叶＋雌穗鲜重IM比MM提高9.8%（P<0.05）。

表1 间作和施氮水平对玉米株高和茎粗的影响

表2 间作和施氮水平对玉米地上部各器官鲜重的影响 （g／株）

不同施氮水平对两种模式下玉米株高、茎粗均无显著影响。MM 下，N1、N2、N3茎叶＋雌穗鲜重比N0提高34.5%、30.1%和32.5%（P<0.05）；IM下，茎叶＋雌穗鲜重N1、N2、N3比N0分别提高21.3%、13.4%和16.90%（P<0.05），N1比N2、N3提高6.9%、3.8%。

在不考虑单间作情况下，N1、N2、N3茎叶鲜重比N0提高36.0%、32.3%和32.5%，茎叶＋雌穗鲜重比N0提高27.3%、21.0%和24.0%（P<0.05）。

2.2 玉米花生间作和施氮水平对玉米干物质积累的影响

由表3可知，不考虑施氮的影响，茎叶干重、雌穗干重IM 显著高于MM，分别提高9.5%和15.9%，茎叶＋雌穗干重IM比MM提高12.4%。

表3 间作和施氮水平对玉米各器官干重的影响 （g／株）

MM下，茎叶＋雌穗干重N1比N0、N2、N3分别提高21.0%、6.5%、6.5%，其中N1与N0差异显著；IM下，茎叶干重、雌穗干重不同施氮水平间无显著差异。

在不考虑单间作情况下，N1、N2茎叶＋雌穗干重比N0分别提高14.3%和11.3%，有显著性差异。随着施氮量增加，间作对玉米干物质积累的促进作用下降。

2.3 玉米花生间作和施氮水平对花生农艺性状的影响

由表4和表5可知，不考虑施氮的影响，花生间作（IP）和单作（MP）差异显著。IP花生株高低于MP 6.9%，差异显著，分枝数差异不显著；IP茎叶鲜重、根鲜重、荚果鲜重比MP分别降低39.8%、32.9%和51.3%，均差异显著；从全株水平来看，IP低于MP 43.4%，差异显著。

表4 间作和施氮水平对花生株高和分枝数的影响

表5 间作和施氮水平对花生各器官鲜重的影响 （g／株）

氮肥对花生的影响各有不同。无论MP还是IP，N3株高显著高于其它施氮水平，花生分枝数无显著性差异。MP茎叶鲜重和根鲜重无显著性差异，荚果鲜重N1比N0、N2、N3高出20.7%、18.0%、18.6%（P<0.05），全株鲜重各施氮水平间无显著差异。IP茎叶鲜重和根鲜重在N1和N2水平下较高，荚果鲜重N1显著高于其它施氮水平，N0显著低于施氮处理，全株鲜重N1、N2比N0分别提高59.4%、43.7%（P<0.05）。不考虑单间作的影响，花生全株鲜重施氮肥效果明显好。

2.4 玉米花生间作和施氮水平对花生干物质积累的影响

由表6可知，不考虑施氮的影响，花生间作和单作存在显著差异，IP茎叶干重、根干重、荚果干重、全株干重比MP分别降低39.8%、32.0%、52.1%和43.6%。

表6 间作和施氮水平对花生各器官干重的影响 （g／株）

MP下，N2、N3茎叶干重显著高于N0，N1与N0差异不显著；N1、N2根干重显著高于N0、N3；N1荚果干重显著高于N0、N2、N3；N1全株干重显著高于N0和N3，比N0、N2、N3分别增加31.8%、9.7%和10.6%。IP下，N1、N2茎叶干重和根干重显著高于N0、N3；N1荚果干重显著高于其它3个处理；N1和N2全株干重显著高于N0、N3，比N0分别增加55.5%和43.4%。

不考虑单间作，N1全株干重比N0、N2、N3分别增加39.9%、9.3%、18.4%（P<0.05）。施肥后，间作对花生的抑制作用下降：与N0全株干重间作比单作降低48.45%相比，N1和N2降幅分别为39.17%和38.47%，分别少9.28、9.98个百分点，N3则无显著差异。

2.5 玉米花生间作和施氮水平对花生结瘤的影响

由图2可知，MP下，N1根瘤数量最多，分别高出N0、N2、N3 30%、70%和140%；N0分别高出N2、N3 30%和80%。IP下，N1根瘤数量最多，分别高出N0、N2、N3 100%、30%和50%；N2、N3分别高出N0 60%和30%。

图2 间作和施氮水平对单株花生结瘤数量的影响

由图3可知，MP下，N1根瘤鲜重比N0、N2、N3分别高出28.3%、117.4%和272.0%；N0比N2、N3分别高出69.5%和190.0%。IP下，N1根瘤鲜重最高，比N0、N2、N3分别高出472%、101%和308%，N2、N3比N0分别高184%和40%。

图3 间作和施氮水平对单株花生根瘤鲜重的影响

由上可知，间作花生根瘤数量和鲜重明显高于单作。不同施氮水平对间作和单作花生的根瘤数量和鲜重影响不同。

3 讨论

3.1 玉米花生间作和施氮水平对玉米和花生农艺性状、干物质积累的影响

间作群体受冠层结构影响，其光截获能力也存在差异，继而影响作物对光的竞争［16］。本研究结果表明，间作明显有利于玉米的生长发育，但不利于花生对养分的吸收和植株发育，这与前人的研究结论相似［17］。玉米作为高位作物，对光的截获能力强，对花生产生遮荫作用，抑制花生光合，其植株的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率显著下降［18］。本研究中，间作花生根鲜重比单作降低32.9%。这表明花生地下部发育受到抑制，且玉米对花生根系的水分和养分吸收具有竞争［10］，因此花生对土壤养分的吸收受到影响。

间作玉米植株干物质积累量，N1（施氮量120 kg／hm2）和N2（160 kg／hm2）比N0（不施氮）分别提高8.7%和9.3%；间作花生植株干物质积累量N1比N0提高55.5%。高施氮量时花生茎叶发育最好，但荚果干物质积累量低，而施氮量120 kg／hm2时花生荚果干物质分配最高。除此之外，本研究表明，施加氮肥缓解间作对花生生长的抑制作用：N1、N2处理间作比单作花生的全株干重降幅较N0分别少9.28、9.98个百分点。

3.2 玉米花生间作和施氮水平对花生结瘤的影响

根瘤菌在豆科根系上繁殖，使得根皮层细胞形成根瘤，赋予豆科作物生物固氮能力［19］。一些固氮作物依靠生物固氮满足自身对氮素的需求。本研究表明，间作花生结瘤数量明显高于单作，这与前人的研究结果相似［20，21］。张晓娜等［22］研究指出，间作花生早期结瘤数量高于单作，也与本研究结果相似。单作情况下，低施氮量时花生结瘤数量最多，不施氮次之，随着施氮量的增加，结瘤数量随之减少。间作情况下，有氮肥和间作两种抑制作用，不施氮时花生结瘤数量最少，而施氮量120 kg／hm2时结瘤数量最多，且随着施氮量增加结瘤数量下降。李玉英等［21］研究指出，蚕豆／玉米间作系统中施氮对蚕豆农艺性状无影响，但抑制结瘤。本研究则表明，低施氮量促进花生结瘤，高施氮量明显抑制花生结瘤。其原因可能是，李玉英等设置的低施氮量为150 kg／hm2，与本研究施氮量有所不同，且花生和蚕豆的结瘤固氮能力也有所不同。

4 结论

本研究表明，玉米花生间作明显促进玉米生长，而抑制花生生长，不利于花生的干物质积累，施加氮肥有利于缓解间作对花生的抑制作用。间作有利于花生结瘤，低氮水平下花生结瘤数量最多，高施氮量时结瘤数量最少。总体来看，施氮（N）量在120～160 kg／hm2范围内玉米花生间作模式的作物长势较佳，也有利于间作体系化学氮肥减施和高产高效。