5年间作和施氮对甜玉米和大豆产量、农艺性状的影 响

肖世豪 潘语卓 俞 霞 陈忠平 颜廷献 周 泉 梁效贵 杨文亭，*

（1江西农业大学作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，江西 南昌 330045；2江西省农业技术推广中心，江西 南昌 330046；3江西省农业科学院作物研究所，江西 南昌 330200）

间作是一种古老且应用广泛的种植模式。国内外大量文献表明，豆科间作禾本科能够增加作物产量［1-2］以及作物对养分的吸收利用［3-4］，改善土壤肥力和微生物群落［5-6］，促进病虫草害防控［7-8］，减少化肥农药的施用［9-10］等。近年来机播机收在间作种植模式中的应用也取得了很大进展［11］。因而，加拿大科学家Martin-Guay等［12］认为间作是农业领域一项新的绿色革命。

甜玉米（Zea maysL.var.Rugosa Bonaf.）属于玉米（Zea maysL.）的一种，富含可溶性糖，具有较高的营养价值［13］。随着经济和社会的发展，全球甜玉米市场需求越来越大，特别是美国［14］。甜玉米在中国的种植规模也发展迅速，2018年种植面积达33.3 万公顷，占全球总种植面积的25%［15］。大力发展间作种植可能是在总耕地面积有限的条件下扩大甜玉米种植规模的有效途径之一。玉米间作大豆模式在亚洲［16］、美洲［17］、欧洲［18］、非洲［19］和澳洲［20］均有种植。玉米（粮食或饲料型）和豆科作物间作能够促进作物增产［2，21-22］，但有关甜玉米和豆科作物间作研究相对较少。目前已有研究表明，甜玉米和豆类［大豆（Glycine max（L.）Merr.）、豇豆（Vigna unguiculata（L.） Walp）、矮菜豆（Phaseolus vulgarisL.）］间作能够提高甜玉米叶绿素含量和产量［23］，减量施氮（300 kg·hm-2）下的甜玉米间作大豆种植模式能够稳定间作产量优势［24］，提高甜玉米对氮磷的吸收［25］，减少氨挥发［26］和氧化亚氮的排放［27］。甜玉米一般在乳熟期收获，相较于粮食型玉米，甜玉米生长周期较短，生物量较小［14］，对土壤氮素的需求可能会降低。而前人研究报道粮食型玉米间作大豆模式中的优化施氮量为225 kg·hm-2［28］和180 kg·hm-2［29］。适当降低甜玉米间作大豆模式中的施氮量能否维持红壤地甜玉米鲜穗产量，目前还不清楚。因此，本研究基于5年（2017—2021）的大田试验，探讨种植模式（甜玉米单作、大豆单作、甜玉米间作大豆）和施氮水平（0、150、300 kg·hm-2）对甜玉米和大豆产量及其主要农艺性状的影响，以期优化构建甜玉米间作大豆种植模式，合理扩大甜玉米和大豆种植规模。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

定位试验在江西农业大学农业科技园（115.85°E，28.77°N）红壤旱地试验田进行。试验区属于亚热带季风气候特点，年平均气温约19.7 ℃，年平均降水量132.7 mm。土壤类型为南方典型的第四纪红壤，土壤基础数据如下：土壤pH值4.53、有机质24.63 g·kg-1、全氮1.4 g·kg-1、碱解氮183.23 mg·kg-1、有效磷23.83 mg·kg-1和速效钾102.03 mg·kg-1。2017—2021年试验期间试验地所在地（新建区）月平均气温和平均降雨量数据如图1所示。

图1 2017—2021年南昌市新建区月平均气温及降水量Fig.1 Monthly rainfall and mean temperature during 2017—2020 in Xinjian county，Nanchang city

1.2 试验设计

甜玉米品种为赣科甜6 号，由江西省农业科学院作物研究所提供。供试大豆品种为台湾292，由江西省南昌市蛟桥镇种子站提供。

试验采用完全随机区组设计，设置2个因素，种植模式分为甜玉米间作大豆（sweet corn-soybean intercropped，CS）、甜玉米单作（monocropped sweet corn，MC）和大豆单作（monocropped soybean，MS），施氮水平分为不施氮（N0）（对照）、减量施氮（N1，150 kg·hm-2）、常规施氮（N2，300 kg·hm-2），共7种处理（表1），每个处理3组重复，合计21个小区。每个小区长5.5 m，宽4.8 m，小区之间的过道为0.5 m。甜玉米间作大豆模式中甜玉米株距25 cm，行距40 cm，甜玉米播种密度50 526株·hm-2。甜玉米单作实行宽窄行种植，宽行70 cm，窄行40 cm，甜玉米株距30 cm，播种密度60 788株·hm-2。间作模式中大豆与大豆、大豆与甜玉米的行距均为40 cm，大豆播种密度为124 248 株·hm-2；单作大豆行距为30 cm，大豆播种密度为334 668 株·hm-2，所有模式下的大豆株距均为30 cm（图2）。

图2 甜玉米和大豆种植模式图Fig.2 Planting pattern of sweet corn and soybean

表1 田间试验设计Table 1 Field experiment design

田间试验开始于2017年3月，5年（2017—2021）试验期根据当地气候条件于3 月底4 月初翻地开沟直播种甜玉米和大豆，在6月收鲜荚大豆，7月收鲜穗甜玉米，具体播种和收获时间见表2。甜玉米和大豆播前施用基肥，氮肥施用尿素（含N 46%），3种施氮水平（N0、N1、N2）下尿素用量分别为0、65、130 kg·hm-2，各处理钾肥和磷肥施用量相同，钾肥施用氯化钾（含K2O 60%）75 kg·hm-2，磷肥施用过磷酸钙（含P2O512%）375 kg·hm-2。甜玉米苗期进行第一次追肥，3种施氮水平（N0、N1、N2）下尿素用量分别为0、98、196 kg·hm-2，各处理氯化钾施用量均为75 kg·hm-2。甜玉米孕穗期进行第二次追肥，3 种施氮水平（N0、N1、N2）下尿素用量分别为0、163、326 kg·hm-2，所有处理氯化钾施用量均为100 kg·hm-2。甜玉米间作和单作种植模式中氮肥均施用在甜玉米行间，大豆未额外施氮肥，5年（2017—2021）施肥量和施肥方式均相同。

表2 甜玉米和大豆播种和收获时间Table 2 Timing of seeding and harvest date for sweet corn and soybean

1.3 测定项目与方法

大豆和甜玉米产量：甜玉米产量在甜玉米收获期从小区中间2行随机连续取10株玉米鲜穗称重取单株平均值后根据种植密度换算为公顷产量［30］。大豆产量在甜玉米间作大豆或大豆单作中间行连续取10 株，然后根据单株平均鲜荚产量换算为每公顷产量［31］。

大豆和甜玉米的农艺性状：在甜玉米收获期，用卷尺测定甜玉米中间行连续6株甜玉米株高、穗位高，用游标卡尺测定甜玉米的茎粗。在大豆收获期，用卷尺测定间作和单作中间行连续6株大豆株高，统计多荚、单荚和秕荚数量，并全部进行称重。

土壤基础养分测定参考《土壤农化分析方法》［32］，土壤pH 值用雷磁酸度计（上海精密科学仪器有限公司，土∶1 mol·L-1KCl=1∶5）测定，土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾分别采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法、凯氏定氮法、碱解扩散法、钼锑抗比色法、火焰分光光度法进行测定。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2019 进行数据整理和绘图，用SPSS 26.0 软件进行单因素、双因素方差分析以及相关性分析，采用Duncan 多重比较方法检验差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 施氮和种植模式对甜玉米鲜穗产量的影响

由表3可知，相比不施氮（N0），5年的施氮处理（N1和N2）均显著增加了甜玉米鲜穗产量。N1和N2处理间的甜玉米鲜穗产量5年均无显著差异。相比5年均值，相同施氮水平下间作或单作模式的甜玉米鲜穗产量在2017—2021年年间均无显著差异。

表3 2017—2021年甜玉米鲜穗的产量Table 3 Fresh ear yield of sweet corn in 2017—2021/（t·hm-2）

相比甜玉米单作，相同施氮水平间作模式下的甜玉米鲜穗产量在2017—2021年整体无显著差异。甜玉米间作大豆模式中，不施氮（N0）条件下的甜玉米鲜穗产量随着种植年限的增加有降低的趋势，2020 和2021年甜玉米鲜穗产量较2018年分别显著降低了47.52%和59.75%；连续施氮有利于促进甜玉米增产，N1水平下，相比2017年甜玉米鲜穗产量，2018—2021年的甜玉米鲜穗产量均有一定程度的增加，其中2018年较2017年显著增加了35.08%。

双因素方差分析结果表明，施氮在5年均极显著影响了甜玉米鲜穗产量，种植模式仅在2019和2020年对甜玉米鲜穗产量有显著影响。

2.2 施氮和种植模式对大豆鲜荚产量的影响

由表4可知，5年结果表明，相比大豆单作，间作模式下的大豆鲜荚产量均显著降低，大约降低了62.63%～72.45%。甜玉米间作大豆模式中，不同甜玉米施氮水平下的大豆鲜荚产量无显著差异。

表4 2017—2021年大豆鲜荚产量Table 4 Fresh pod yield of soybean in 2017—2021/（kg·hm-2）

从年际来看，不同年份大豆单作模式下的鲜荚产量相比5年均值均无显著差异。甜玉米间作大豆模式中大豆鲜荚产量差异也较小，相比5年均值，N0和N1水平下，仅2020年的大豆鲜荚产量有显著增加，分别增加了59.50%和74.31%；N0 水平下的2017年大豆鲜荚产量则显著降低了56.26%。

2.3 施氮和种植模式对甜玉米农艺性状的影响

由表5 可知，相比甜玉米单作，仅N0 和N1 水平下的间作甜玉米株高在2020年显著降低。施氮有利于提高甜玉米株高。相比N0，无论间作或单作，施氮（N1和N2）5年均显著提高了甜玉米的株高。相比N2，N1水平仅在2020年间作模式下甜玉米株高有显著下降，降低了2.96%。

表5 2017—2021年甜玉米株高Table 5 Plant height of sweet corn in 2017—2021/cm

甜玉米单作中，相比2017年的甜玉米株高，N1 水平下甜玉米株高在2018年有显著增加，N1和N2水平下在2019年均有显著降低。甜玉米间作大豆模式中，相比2017年的甜玉米株高，N1水平下在2018和2021年有显著增加，但在2019 和2020年有显著降低；N0 和N2水平下的甜玉米株高在2019年有显著降低。双因素分析结果表明，施氮5年均极显著影响了甜玉米株高，种植模式仅在2020年有极显著影响。

相比甜玉米单作，间作甜玉米的茎粗仅在2018年N2水平下有显著差异，降低了9.47%（表6）。施氮有利于提高甜玉米茎粗。相比N0，无论间作或单作，施氮（N1和N2）5年均显著提高了甜玉米的茎粗。相比N2，N1 水平在2017年单作和2021年间作模式下的甜玉米茎粗分别降低了10.20%和12.57%。

表6 2017—2021年甜玉米茎粗Table 6 Stem diameter of sweet corn in 2017—2021/cm

甜玉米单作模式中，相比2017年的甜玉米茎粗，N0水平在2018、2020 和2021年均有显著增加，N1 水平在2018—2021年均有显著增加。N2 水平仅在2018年单间作模式下的甜玉米茎粗较2017年有显著增加。甜玉米间作大豆模式中，相比2017年的甜玉米茎粗，N0和N2水平仅在2021年均有显著增加。双因素分析结果表明，施氮5年均极显著影响了甜玉米茎粗，种植模式在2018和2021年有极显著和显著影响。

相比甜玉米单作，间作甜玉米穗位高仅在2020年N2水平下有显著增加，增加了16.41%（表7）。施氮有利于提高甜玉米穗位高。相比N0，无论间作或单作，5年施氮（N1 和N2）均显著提高了甜玉米的穗位高。相比N2，N1 水平下的甜玉米穗位高仅在2020年间作模式有显著降低，降低了15.19%。

表7 2017—2021年甜玉米穗位高Table 7 Ear height of sweet corn in 2017—2021/cm

相同施氮和种植模式下，相比2017年，2019年所有处理的甜玉米穗位高都有显著降低，其他3年整体均无显著差异。双因素分析结果表明，施氮5年均极显著影响了甜玉米的穗位高。

2.4 不同种植模式对大豆农艺性状的影响

由表8可知，相比大豆单作，大豆间作对大豆株高、单株豆荚重、多荚、单荚、秕荚和总荚数影响较小，大豆间作在2020年N1和2021年N0水平分别显著降低了大豆株高和单荚数。甜玉米的施氮量对大豆农艺性状影响不大。甜玉米间作大豆模式下，N1水平下大豆单荚数和秕荚数在2020年均显著高于N2，分别提高了27.09%和43.86%。施氮（N1 和N2）较不施氮（N0）在2021年显著增加了大豆的株高。

表8 2017—2021年大豆农艺性状Table 8 Soybean agronomic traits in 2017—2021

相同种植模式和施氮水平下，不同年份间的大豆农艺性状变化较小。相比2017年的大豆农艺性状，除株高和秕荚数外的其他大豆农艺性状在2020年的间作模式中均有明显增加。2019年间作模式下大豆株高较2017年有增加的趋势，其中N0 和N2 水平下达到显著水平。

2.5 甜玉米鲜穗产量与其主要农艺性状的相关性

相关性分析结果如表9所示，甜玉米产量与茎粗和株高均呈正相关，其中CSN0 和CSN2 处理下的甜玉米鲜穗产量与株高呈显著正相关。MCN1、MCN2和CSN1处理下的甜玉米鲜穗产量与茎粗呈显著正相关。CSN1处理中的甜玉米鲜穗产量与穗位高呈负相关，其他处理下的甜玉米鲜穗产量则与穗位高呈正相关，但未达到显著水平。

表9 2017—2021年甜玉米鲜穗产量与其主要农艺性状的相关系数Table 9 Correlation coefficient of fresh ear yield with other main agronomic traits in 2017—2021

2.6 大豆鲜荚产量与其主要农艺性状的相关性

相关性分析结果如表10 所示，各处理大豆鲜荚产量与单株多荚数、单荚数和总荚数均呈显著或极显著正相关。除CSN1 处理外，其他处理的大豆株高与大豆鲜荚产量呈正相关。CSN2 处理的秕荚数与大豆产量呈负相关，其余处理均呈正相关。其中，CSN0和CSN2处理的单荚数与大豆鲜荚产量呈显著正相关，MS 和CSN1 处理的单荚数与大豆鲜荚产量呈极显著正相关。株高和秕荚数与大豆鲜荚产量的相关性不显著。

表10 2017—2021年大豆鲜荚产量与其主要农艺性状的相关系数Table 10 Correlation coefficient of fresh pod yield with other main agronomic traits in 2017—2021

3 讨论

本研究5年（2017—2021）试验结果表明，相比甜玉米单作，相同施氮水平下的甜玉米间作大豆模式中甜玉米鲜穗产量有降低趋势，但未达到显著水平。双因素方差分析表明，种植模式在2019和2020年显著影响了甜玉米鲜穗产量。本研究中，间作模式下甜玉米鲜穗产量有降低趋势，主要可能是由于种植密度有差异，间作模式中甜玉米种植密度（50 526 株·hm-2）小于单作模式的甜玉米种植密度（60 788 株·hm-2）。另一方面，尽管间作模式下甜玉米种植密度低于单作，但间作模式改善了甜玉米透光环境和通风条件，使其能够获得更多的光温水等自然资源，提高了其根系对土壤养分的吸收［33］，其次豆科作物也能给玉米提供一定的氮源［34］，从而促进间作模式下的甜玉米生长，提高单株鲜穗重。刘培等［24］通过多年大田试验研究表明，单作模式（55 778 株·hm-2）的甜玉米产量显著高于间作模式（38 156 和32 432 株·hm-2），但间作模式中甜玉米的相对产量均高于单作。温州地区的甜玉米间作毛豆模式中甜玉米产量也有相似结果［35］。后续研究需进一步筛选适合间作的甜玉米品种并优化甜玉米和大豆的株行距，提高间作模式中的甜玉米鲜穗产量。

随着种植年份的增加，不施氮条件下甜玉米鲜穗产量有降低趋势，且间作模式下2020和2021年甜玉米鲜穗产量较2017年有显著下降。这可能是由不施氮条件下连续种植甜玉米使土壤氮素含量下降所致，长期定位试验研究也表明，连续47年未施用氮肥的农田土壤全氮含量有显著下降［36］。其次，甜玉米属于禾本科C4作物，对养分的需求大，仅依靠土壤氮素可能无法满足甜玉米正常生长需求。相比不施氮，5年施氮显著增加了甜玉米鲜穗产量，但N1（150 kg·hm-2）和N2（300 kg·hm-2）之间的甜玉米鲜穗产量无显著差异。说明施氮对甜玉米生长有重要作用，但过多的氮素施用并不能持续促进甜玉米增产，合理减少化学氮肥的投入不会影响甜玉米鲜穗产量。中国西南地区玉米套作大豆研究表明，施氮量180 kg·hm-2有利于保护农田环境和实现可持续发展［37］，施氮量达到240 kg·hm-2会抑制玉米套作大豆的优势［38］，高施氮量还可能抑制豆科作物根瘤菌的固氮能力［39］。巴基斯坦半干旱地区研究发现施氮量250 kg·hm-2相较于300 kg·hm-2，玉米产量未显著降低［40］，进一步说明玉米产量并非随施氮量增加而持续增加。15N同位素示踪试验研究表明，除施用的肥料，玉米整个生长季吸收利用的氮素有超过50%是来自土壤氮矿化的氮素［41-42］。另一方面，施氮150 kg·hm-2未显著降低甜玉米鲜穗产量还可能与甜玉米乳熟期收获相关，相比普通玉米收获提前了近1个月，从而减少了作物对土壤氮素的需求。前人研究表明，减量施氮（300 kg·hm-2）水平下的甜玉米间作大豆种植模式能够稳定间作产量优势［24］，可见合理施用氮肥有利于维持稳定的甜玉米鲜穗产量。

5年定位试验表明种植模式显著影响了大豆鲜荚产量，间作大豆的鲜荚产量显著低于单作模式。单株豆荚重在5年均无显著差异（表8），间作和单作模式中大豆产量差异主要是由种植密度引起的，本试验中单作大豆的种植密度是间作的2.69倍。这与唐艺玲等［43］的研究结果类似。施氮未显著影响大豆鲜荚产量，这可能是由于大豆通过根瘤菌固定空气中的氮素［44］，对土壤氮素的需求较低。施氮过多还可能会导致氮阻遏，降低大豆根瘤菌的固氮能力［34，44］。从大豆鲜荚产量年际变化来看，甜玉米间作大豆模式中，相比5年均值，N0和N1 水平下，2020年的大豆鲜荚产量均有显著增加，N0水平下的2017年大豆鲜荚产量有显著降低。这可能是由于2017年6 月的降雨量超过500 mm（图1），影响了大豆生长和产量；而2020年4—6月的降雨量适中，有利于大豆生长，从而获得较高的产量。有研究表明甜玉米间作大豆模式中的大豆产量与降雨量呈显著负相关，有明显的生长季节动态变化［24］。

本研究结果表明，甜玉米株高仅在2020年不施氮和施氮150 kg·hm-2的间作模式下显著低于单作。玉米株高和穗位高易受环境和品种自身的因素影响［45］，有研究表明间作模式下的玉米株高显著低于单作模式［46-47］，特别是在间作玉米种植密度高于单作模式时更明显［48］。茎粗对单株产量的形成具有重要的作用，本研究结果表明种植模式在2018 和2021年显著影响了甜玉米茎粗，2018年施氮300 kg·hm-2下间作模式中的甜玉米茎粗显著低于甜玉米单作，但2021年显著高于甜玉米单作。这种不同种植模式间甜玉米茎粗差异产生的原因可能与甜玉米种植密度和株距有关。间作模式下的甜玉米种植密度和株距均小于单作，甜玉米净作面积上的种植密度在间作中大于单作，再加上间作种植的大豆，导致单位面积间作的作物种植密度大于单作模式。为了适应群体环境和个体之间的竞争，玉米植株会进入快速生长的阶段，通过伸长茎秆基部的长度来争夺光照温度水分和肥料等资源，进而导致茎粗变细［45］。本研究2021年施氮300 kg·hm-2下间作模式中的甜玉米茎粗显著高于单作，可能是由于种植甜玉米的第5年，连续间作大豆后间作优势逐渐明显，一方面豆科作物的残留物可为下茬作物提供的养分在不断累积，另一方面间作减轻了长期玉米单作造成的连作障碍［47］。相关分析结果表明，间作模式下的甜玉米鲜穗产量与株高正相关性更强，单作模式下的甜玉米鲜穗产量与茎粗正相关性更强，进一步验证了种植密度对甜玉米株高和茎粗的影响。前人研究发现，当种植密度增大时，由于空间胁迫，玉米茎粗有明显降低［49］。本研究发现，施氮显著增加了甜玉米株高、茎粗和穗位高。但相比施氮300 kg·hm-2，施氮150 kg·hm-2仅在2017和2020年分别显著降低了甜玉米茎粗和穗位高。此外，本研究团队前期研究表明施氮有利于提高玉米株高［50］。综合来看，在减量施氮（150 kg·hm-2）下甜玉米和大豆间作模式中，后续工作需研究如何合理提高甜玉米株高来达到增产的目标。

2020年的大豆单荚重、多荚数、单荚数、秕荚数和总荚数较其他年份都有较明显的优势，大豆农艺性状在年际间的变化较大，这可能与生长季的降雨量和温度（图1）有关。本研究相关性分析结果表明，大豆鲜荚产量主要与单株总荚数、多荚数和单荚数呈显著或极显著正相关。这与刘明等［51］在玉米间作大豆模式研究中结果较一致，此外，在甘蔗间作大豆模式研究中也有相似结果［31］。

4 结论

本研究结果表明，相同施氮水平间作和单作模式下的甜玉米鲜穗产量无显著差异。施氮增加了甜玉米鲜穗产量，增加了甜玉米株高、茎粗和穗位高。施氮有利于维持甜玉米鲜穗产量的年际稳定性，但施氮300 kg·hm-2相较于150 kg·hm-2未显著增加甜玉米鲜穗产量和大豆鲜荚产量。从节约成本和保护农田环境考虑，施氮量为150 kg·hm-2的甜玉米间作大豆种植模式有利于甜玉米和大豆种植的可持续发展。