宁夏引黄灌区玉豆间作和带状轮作模式对玉米水氮利用及产量的影响

2022-07-15玲郭茹刘洋钱锐梁霞张鹏蔡铁任小龙贾志宽

西北农业学报 2022年6期

杨玲郭茹刘洋钱锐梁霞张鹏蔡铁任小龙贾志宽

(1.西北农林科技大学农学院,陕西杨凌 712100;2.农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室/西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院,陕西杨凌 712100)

宁夏引黄灌区地处中国内陆中温带干旱区,日照充足、昼夜温差大、热量丰富,降雨少蒸发强烈,水资源分布严重不均。该地区通过扬黄工程充分利用黄河水灌溉,实现了旱作区向灌溉区的转变,但近年来黄河耗水指标逐年递减,灌区灌溉水效率低下。各种环境因子相互作用致使农业生产潜力受限,灌区生态环境恶化。

相较于传统单一种植,豆科与禾本科间作轮作种植模式有明显的“减肥增效”优势[1],从时间和空间上对资源高效集约化利用,被视为一种可持续农业生产体系[2-3]。研究表明,间轮作种植模式能提高作物的水分利用效率[4-5]。宫香伟等[6]研究发现,糜子与绿豆间作能改善西北旱作区糜子地下土壤水分环境,提高水分和土地生产力。作物产量高低主要取决于干物质的积累和干物质向籽粒的分配比率[7]。有研究发现玉米大豆间作种植作物干物质积累量明显高于单作,且间作有助于玉米干物质向果穗积累和转移,不利于大豆干物质向荚果分配与积累[7-8]。豆科与禾本科间作轮作具有改善作物氮素营养,提高系统氮素吸收的优势[9-10]。

不同农业区域和气候条件资源存在差异,针对宁夏引黄灌区玉米和大豆间轮作种植体系中土壤水分、植株氮素积累及产量的研究鲜有报道。本试验以玉米大豆间轮作种植模式为研究对象,通过探讨玉豆间作和带状轮作种植模式中玉米干物质积累、水分利用、氮素运移、土地当量比及产量等的变化,明确玉米和大豆的竞争互补关系,以期为宁夏引黄灌区选择优势种植模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概括

试验于2019 年4 月—2020 年10 月在宁夏引黄灌区同心县王团镇旱作节水高效农业科技园区(105°59′E,36°51′N)开展。该区平均海拔1 180 m,属中温带干旱大陆性气候,年平均气温8.6 ℃,≥10 ℃积温约3 000 ℃,日照时数3 024 h,无霜期188 d,年平均降水量273.4 mm,年平均蒸发量2 725 mm。2019年和2020年玉米生育期有效降水分别为174.57 mm 和187.59 mm(图1)。土壤质地为灰钙土,肥力偏低。试验地耕层土壤(0～20 cm)基础理化性状:土壤体积质量1.45 g·cm-3,p H 为8.7,有机质含量8.2 g·kg-1,硝态氮含量3.0 mg·kg-1,铵态氮含量4.4 mg·kg-1,全氮含量0.7 g·kg-1,速效磷含量20.5 mg·kg-1。

图1 试验地2019-2020年作物生育期内日平均降水量和温度Fig.1 Daily rainfall and mean temperature in growth period of experiment station

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计,设置4种种植模式:单作玉米(MM)、单作大豆(SS)、玉米/大豆间作(IMS)、玉米-大豆带状轮作(RMS),单作为对照,重复3次。小区面积44 m2(长11 m,宽4 m),间作设置4∶4种植,即4行玉米,4 行大豆,且连续种植两带。南北向种植,试验采用均一化处理,间轮作与单作种植密度一致,玉米种植密度8 万株·hm-2、大豆种植密度23.5 万株·hm-2,玉米每穴1株,大豆每穴2株,玉米和大豆行距均为0.5 m,玉米株距0.25 m,大豆株距0.17 m(图2)。

图2 间作种植示意图Fig.2 Schematic diagram of intercropping system

1.3 供试品种及试验管理

供试品种:玉米为‘先玉335’,大豆为‘中黄30’,均为适宜当地间作种植品种。

为保证作物生长所需水分,通过玉米作物系数和彭曼公式[11]计算出各个时期所需灌溉水量,作物生育期内总灌溉量为470 mm,播种后0 d、30 d、60 d、90 d、120 d 分别灌溉110 mm、170 mm、150 mm、30 mm、10 mm,2 a内灌溉时间和灌溉量均保持一致。试验地施肥方式采用行间沟播,两作物独立施肥,玉米基肥施氮150 kg·hm-2,P2O5120 kg·hm-2,大喇叭口期追施氮150 kg·hm-2。大豆基肥施氮90 kg·hm-2,P2O5120 kg·hm-2。玉米大豆同期播种和收获,2019-04-25 播种,10 月4 日收获,2020-04-27播种,10月6日收获。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤水分玉米和大豆播后每隔30 d,单作在长势均匀的中间行,间作分别在玉米带和大豆带中间行,选取3处样点。用土钻以20 cm 为一层,采用烘干法[12]测定0～200 cm 土层土壤含水量。

1.4.2 干物质及氮含量玉米和大豆播后每隔30 d,各小区连续选取长势一致的3株,地上部植株取样后按茎、叶、穗等部位进行分离,105 ℃杀青30 min,85 ℃烘干至恒量,称量样品各器官干物质并计算分析,粉碎待用,植株氮含量采用凯氏定氮法[13]测定。

1.5 数据处理

利用软件Microsoft Excel 2016 和SPSS 25对试验数据进行整理和统计分析,采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验。采用Origin 2018对数据进行处理和作图。数据表示“平均值±标准差”。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式产量及土地当量比

2.1.1 玉米产量各处理的玉米产量及构成因素存在显著差异(表1)。2019年,IMS处理的玉米百粒质量显著高于MM,其余产量构成因子间无显著差异;2020年,IMS处理的玉米穗粒数和百粒质量分别比MM 增加7.30%和2.17%,RMS处理比MM 增加9.79%和5.90%。产量构成因素的增加是玉米获得高产的基础,IMS处理下产量比MM 增加11.30%;RMS模式下产量比MM 增加21.98%,增产效果最佳,均与MM处理达到显著性差异(P<0.05)。

表1 不同种植模式玉米产量及构成因素Table 1 Yield and components of maize under different cropping patterns

2.1.2 大豆产量间作与带状轮作模式降低大豆产量及构成因素(表2)。2 a数据结果表明,IMS处理的大豆有效荚数、单株粒数、单株荚数及百粒质量比SS 平均降低29.85%～32.95%、34.59% ～43.56%、28.92% ～37.08% 和5.41%～6.69%;RMS 处理比SS 平均降低20.52%、27.16%、20.42%和6.37%。有关大豆产量方面,IMS 处理下的产量比SS 降低51.39%,减产幅度最大;RMS 模式下的产量比SS降低22.91%,减产效果较小,IMS比RMS处理产量降低36.95%,各处理均达到显著性差异(P<0.05)。

表2 不同种植模式大豆产量及构成因素Table 2 Yield and components of soybean under different cropping patterns

2.1.3 土地当量比及种间竞争作用间、轮作不同种植模式均表现出明显的产量优势(LER>1)(表3),2019 到2020 年RMS 处理LER值为1.99,达到最大。IMS和RMS模式下的A MS均大于0,说明两种种植模式下玉米竞争力强于大豆。2 a 数据结果表明,IMS 处理的A MS大于RMS处理。

表3 不同种植模式土地当量和种间竞争力Table 3 Land equivalent and interspecific competitiveness under different cropping patterns

2.2 不同种植模式下土壤水分的变化

2.2.1 土壤含水量从成熟期土壤水分分布图可以看出(图3),随土壤深度的增加基本呈现先降低后升高的变化趋势,大豆条带的土壤含水量明显高于玉米条带,且以SS处理土壤含水量最高。2 a数据结果表明,IMS 处理的大豆区域土壤水分比SS 处理平均降低2.88%～3.27%,RMS处理比SS 处理降低5.48%。相比之下,IMS和RMS模式中玉米土壤含水量均高于MM处理,IMS处理的玉米区域土壤含水量比MM 处理平均增加2.45%～3.98%,RMS 处理比MM增加了5.64%,说明两种模式中存在着对土壤水分的竞争和互补。从作物土壤水分变化主要是通过影响0～140 cm 土层的土壤含水量。IMS 和RMS 处理0～140 cm 土壤含水量玉米区域分别比MM 增加2.84%和7.01%,IMS和RMS处理大豆区域分别比SS降低3.50%和6.55%。IMS和RMS处理140～200 cm 土壤含水量比MM 处理分别增加1.66%和3.23%,比SS 处理分别降低1.8%和3.64%。

图3 成熟期作物土壤含水量Fig.3 Soil water content of crops at maturity stage

2.2.2 玉米农田耗水量及水分利用效率间作

和带状轮作对玉米条带水分利用效率影响显著(表4),IMS和RMS处理均有利于提高水分利用效率。2 a数据表明,IMS 处理玉米条带水分利用效率比MM平均增加19.37%～22.74%,RMS比MM 处理增加38.00%,且RMS比IMS高15.61%,差异均达到显著水平。IMS和RMS处理降低玉米条带的田间耗水量,IMS 处理比MM 平均降低6.71%～7.62%,IMS处理比MM降低11.59%,与MM 差异显著(P<0.05)。IMS 和RMS 模式在玉米条带具有水分优势(WER>1),IMS 处理WER均值(11.21)小于RMS处理(1.38)。

表4 不同种植模式玉米土壤耗水量、水分利用效率及水分当量比Table 4 Soil water consumption,water use efficiency and water equivalent ratio of maize under different cropping patterns

2.3 不同种植模式对玉米干物质积累的影响

随着生长发育过程的推进(图4),玉米干物质积累量逐渐增加,不同年份不同种植模式直接影响玉米干物质积累。2019年,IMS处理从拔节期(60 d)至成熟期(150 d)干物质积累量均高于MM 处理,增加4.67%～6.84%;2020 年,IMS处理在灌浆期(120 d)至成熟期干物质积累量比MM 处理增加4.59%和6.44%,RMS处理从拔节期到成熟期比 MM 处理增加9.58% ～11.45%,比间作处理增加4.29%～7.53%,各处理与对照达到显著水平(P<0.05)。

图4 不同种植模式玉米干物质积累量Fig.4 Dry matter accumulationof maize under different cropping patterns

2.4 不同种植模式下玉米氮素积累、转运及籽粒贡献率的影响

间作和带状轮作模式均有利于玉米氮素积累和转运(表5)。2019年数据表明,IMS处理玉米的氮素转运量和对籽粒贡献率比MM 分别增加25.18%和33.79%,与对照MM 差异显著。2020年,IMS和RMS处理氮素积累量比MM 处理增加3.73%和6.00%,且RMS处理较IMS处理高2.19%。IMS处理玉米的氮素转运量及对籽粒贡献率比MM 分别增加22.15%和19.13%,RMS比MM 处理增加59.34%和42.79%,且RMS较IMS处理高出30.44%和19.86%,各处理与对照达到显著水平(P<0.05)。

表5 不同种植模式玉米氮素积累量、转运量及氮素转运对籽粒贡献率Table 5 N accumulation,N nutrient translocation and contribution of N nutrient translocation to maize grain under different cropping patterns

3 讨论

3.1 玉米大豆间轮作种植模式对产量及土地当量比的影响

耕作制度的转变有利于提高土地利用率,间、轮作系统作物种间配置的差异导致其生态位出现错位,竞争和互补效益共同作用于生产力。本研究中,IMS和RMS模式提高玉米穗粒数和百粒质量,促进玉米籽粒发育,提高单株生产力;间作和轮作不利于大豆有效荚数、单株粒数、单株荚数及百粒质量增加,并且随着间作年限的积累其产量构成因素减少幅度增大,IMS 处理相比于SS平均降低29.85% ～32.95%、34.59% ～43.56%、28.92%～37.08%和5.41%～6.69%,RMS模式第1年,大豆单株有效荚数、单株粒数、单株荚数及百粒质量降低幅度减小,RMS处理比SS处理平均降低20.52%、27.16%、20.42%和6.37%。说明RMS处理有利于大豆的单株生产力的提高,产量构成因素的变化直接影响作物产量高低。IMS 处理玉米产量比MM 处理增加11.3%。大豆产量比SS处理减少51.39%;RMS处理玉米产量比MM 处理增加21.98%,RMS处理比SS处理减产22.91%。说明,随年份的增长同一块土地连续间作对玉米增产效果减弱,大豆减产效果加剧,而RMS模式促进玉米高产的同时缓解了大豆作为劣势作物的减产作用。刘洋等[14]研究表明,玉米/大豆间作系统增加了玉米带产量及产量性状指标,而间作大豆受遮阴作用严重减产。蔡倩等[15]对辽西半干旱区玉米大豆间作模式研究表明,间作能明显降低大豆净面积产量而增加玉米净面积产量。已有对豆科与禾本科作物长期轮作试验发现,禾本科作物轮作后的产量显著高于对照,豆科作物产量差异不显著[16-17]。有学者提出带状轮作种植模式中同时存在间套作效益与轮作效应,二者共同作用弱化了作物的种间竞争,使劣势作物在复合群里中合理利用资源[18]。本研究结果也表明,随着带状轮作模式的出现玉米和大豆两作物的种间竞争得到缓解,其竞争作用减弱互补作用增强。土地当量比被认为是衡量间轮作系统优劣的重要指标[19]。本研究表明,2019年和2020年,IMS和RMS处理土地当量比均大于1,具有间作优势,提高了土地利用效率。这与前人提出间作提高土地当量比的结论一致[20-22]。

3.2 玉米大豆间轮作种植模式对氮素积累及干物质的影响

作物干物质积累是产量形成的物质基础。本试验表明,IMS及RMS模式均对玉米关键生育期的干物质积累影响显著,且与MM 处理相比二者分别增加4.59% ～6.44% 和9.58% ～11.45%,差异达到显著水平(P<0.05)。已有对玉米大豆间作研究表明,间作种植能促进玉米干物质积累及分配[8-9,13]。氮素积累对作物籽粒形成起到重要作用,本研究结果表明,IMS和RMS模式均有利于玉米氮素转运,促进氮素对籽粒形成的贡献。IMS 处理玉米氮素转运量及对籽粒贡献率分别比对照MM 增加25.18%～22.15%和19.13%～33.79%,RMS 处理比MM 增加59.34%和42.79%,IMS和RMS处理对玉米氮素积累分别比MM 处理增加3.73%和6%,且RMS处理的影响最为显著(P<0.05)。说明,随种植年限的增加间作玉米带的氮素转运率降低趋势,带状轮作模式反而增加氮素积累及氮素转运。前人在玉米/大豆[9]、小麦/蚕豆[23]蚕豆/玉米和大豆/玉米[24]间作试验中得出:禾本科与豆科作物间作具有提高禾本科作物氮素含量的作用。玉米大豆间作种植模式中玉米作为优势作物对光、热、水、肥的竞争力强于大豆,致使间作玉米干物质和氮素积累具有优势,但常年种植同一地块导致土壤肥力下降,优势减弱直至消失。带状轮作模式中玉米干物质及氮素积累量较高,原因可能是该模式从间作模式演变而来,轮作第1年玉米带的茬口作物是大豆,大豆带的茬口作物为玉米,播种带的互换导致玉米和大豆微生物、营养元素等土壤中的资源充分利用,缓解对土壤的过度消耗。

3.3 玉米大豆间轮作种植模式对土壤水分的影响

水分是影响作物生长发育的重要因素,改善土壤蓄水能力是西北灌区农业可持续发展的有效途径。间、轮作群体中作物由于存在种间竞争和互作其自身耗水特性随环境变化而调整,能最大限度利用水资源,提高农田水分利用效率,促进作物高产[4,25-26]。本研究发现土壤含水量均随土层深度的增加呈现先降低后升高的趋势,与高阳等[27]研究结果一致。IMS处理的大豆区域土壤水分比SS处理平均降低2.88%～3.27%,玉米区域土壤含水量比MM 处理平均增加2.45%～3.98%;RMS处理大豆区土壤含水量比SS处理降低5.48%,玉米区比MM 处理增加5.64%;主要是通过影响0～140 cm 土层的土壤含水量。大豆旺盛生长期,IMS 大豆带耗水量最大,与之搭配的玉米带耗水量最小,玉米旺盛生长期,RMS处理玉米带耗水量最大,与之搭配的大豆带最小。已有研究发现,IMS、RMS处理玉米和大豆的水分利用存在明显生态位差异[28-29]。IMS和RMS处理降低玉米条带的田间耗水量,IMS比MM 处理平均降低6.71%～7.62%,IMS处理比MM处理降低11.59%。有学者通过研究30余种间套作作物需水量,发现间套作作物田间耗水量较单作种植减少7%,大大提高了水分利用效率的结论[30]。本研究发现,IMS和RMS种植模式均能提高玉米水分利用效率,IMS处理玉米条带水分利用效率比对照MM 平均增加19.37%～22.74%,RMS 比对照MM 增加38%;IMS 和RMS处理的水分当量比大于1,提高系统水分利用效率。Mao等[31]认为C4作物与C3作物间作存在土壤水分利用互补形态,改善了间作系统的土壤水分供应状况,提高了间作系统的水分利用效率。宫香伟等[6]研究发现糜子与绿豆间作能改善西北旱区糜子地下土壤水分利用环境,提高农田土地和水分生产力。

4 结论

玉米/大豆间作和玉米-大豆带状轮作模式均能提高玉米关键生育期的干物质积累量,促进玉米氮素积累,增强氮素转运,增强氮素对籽粒的贡献,同时增加玉米和大豆土壤含水量,降低玉米带耗水量,提升其水分利用效率。RMS种植模式玉米产量增产效果最显著,缓解大豆作为劣势作物的减产作用,是适宜宁夏扬黄灌区推广的种植模式。