土默川平原麦后复种饲用玉米‖油菜模式的增产优势及氮素利用效率

常青 李立军 渠佳慧 张艳丽 韩冬雨 赵鑫瑶

（内蒙古农业大学农学院，010019，内蒙古呼和浩特）

内蒙古畜牧养殖业的快速发展和长期单一化饲草种植模式导致优质饲草料短缺和多样性匮乏，并导致土壤退化、侵蚀和生物多样性缺失等一系列问题[1]。在内蒙古土默川地区，利用麦后充沛的光热资源进行饲草复种会大大提高优质饲草料的供应水平以及饲草多样性，同时合理的间作兼具资源高效性和高产性能[1-4]，还能够显著提高氮素利用效率[5-6]，并在一定程度上有增强土壤肥力的作用。饲用玉米是饲畜牧业不可缺乏的基础饲料，饲用油菜具有良好的适口性、丰富的营养价值及耐寒耐盐碱的特性[7]，使其在内蒙古等地也得到了大面积推广。研究[8-10]表明，饲用油菜与青贮玉米等作物混合饲喂，对山羊、肉牛和奶牛等动物生长有很好的效果。适量的氮肥施入能提升作物产量，明显改善间作氮素吸收和利用情况[11]，还可以协调2 种作物之间的竞争与互惠关系[12]。前人研究表明，种间互作具有促进作物氮素吸收和增产的作用。唐明明等[3]对玉米‖马铃薯、玉米‖油菜、大豆‖油菜和大豆‖马铃薯4 种间作模式的增产效应研究显示，这4 种间作模式产量优势及经济效益方面均高于相应单作，其中玉米‖油菜间作作物氮素利用效率高出相应单作10%～21%。玉米‖油菜系统中玉米在生长前期占据生态位优势。小麦‖玉米对小麦生长和养分吸收有明显的促进作用，小麦收获后玉米前期营养生长阶段生物量显著提高[13]，间作玉米生物量可较单作提高50.26%[14]。在小麦收获后期适当提高氮肥供应水平可以加速玉米产量恢复[15]。钱欣[16]对燕麦‖向日葵带状种植的养分吸收效应研究表明，间作显著提高了系统的氮素吸收效率，高施氮量下（100kg/hm2）氮肥利用率显著高于低施氮量（50kg/hm2），但与不施氮处理间无显著差异。

前人[11,17-19]对豆科与禾本科饲用作物间作的产量、品质及氮素竞争转移等研究较多，作物种类搭配[4]、种植比例[20]和水肥管控[21-22]等手段对间作系统种间关系起到了调控作用，并影响了其氮素利用和分配。在此基础上，在内蒙古农牧交错区，探讨麦后复种2 种非豆科饲用作物间作模式的增产优势，丰富该地区饲草栽培种植和饲草供应的多样性，并进一步明确施氮对饲用作物种间竞争力及氮素吸收利用效率的影响具有重要意义，为饲草间作增产效应研究和发展氮素节约型饲草间作生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

田间试验于2019-2020 年在内蒙古呼和浩特市土默特左旗毕克齐镇兵州亥村土默特左旗农业综合开发技术研究中心（111°47'E、40°32'N）进行，该地为温带大陆性气候，年均降水量379.4mm，年均气温7.2℃。前茬作物为小麦，供试土壤为栗钙土。试验地基础土壤养分含量为有机质8.2g/kg、全氮1.1g/kg、碱解氮90.4mg/kg、速效钾140.2mg/kg、速效磷19mg/kg、pH 7.5。每年田间试验于7月10-15日播种，10 月1-5 日收获。

供试作物为饲用玉米（Zea maysL.）品种伊丹76 和饲用油菜（Brassica campestrisL.）品种饲油二号。

供试肥料为尿素（N≥46.0%）和过磷酸钙（P2O5≥16.0%）。

1.2 试验设计

试验采用双因素随机区组设计，种植模式因素（A）包括饲用玉米单作（SM）、饲用油菜单作（SO）和玉米‖油菜间作（M‖O，其中间作玉米IM；间作油菜IO）；施氮量因素（B）包括不施氮（N0）、低氮处理（N1，施氮量120kg/hm2）和正常施氮处理（N2，施氮量210kg/hm2），共9 个处理，每个处理重复5 次，共45 个小区，小区面积27.5m2（5.5m×5.0m）。

1.3 田间管理

小麦收获后，用旋耕机整地，将氮肥、磷肥先后均作为基肥一次性施入，作物生长期间不追肥，机器开沟使用定制肥盒人工撒肥，各处理磷肥施用量均为90kg/hm2。在肥沟的斜上方开一条种沟，进行人工播种，饲用玉米种植密度16 万株/hm2，采用点播，行距0.25m，株距0.25m，深度2cm，饲用油菜种植密度为45 万株/hm2，采用条播（使用定制种盒保证播种密度），行距0.25m，深度2cm。间作小区中玉米油菜行数比例为4:2，种植3 个条带，播种密度及方式同单作。出苗后7d 进行查苗补苗工作，6d 后间苗，保证密度的统一。各单作小区种植22 行；间作小区玉米16 行，油菜6 行。田间管理措施参照当地大田常规管理。

1.4 样品采集与指标测定

生物量：收获期取样与测产在饲用玉米（无雌穗）的抽雄期，同期油菜处于盛花期进行[23]，单作油菜于中间行齐地取一行50cm 样段，间作油菜于2 个边行及中间条带各取一行50cm 样段；单作玉米于中间行取相连植株3 株，间作玉米于2 个边行及中间行取相连植株3 株[17,24-25]，测定单位面积平均鲜草产量后，将样品于105℃杀青30min 后，85℃烘干至恒重，粉碎后用于室内指标测定。

1.5 植株养分含量测定及养分利用指标计算

1.5.1 产量及品质 生物产量：采用称量法，齐地剪取地上部分称重并计算鲜草产量，将样品放入烘箱内105℃杀青0.5h 后，85℃条件下烘干至恒重，称重并计算干草产量。

1.5.2 土地当量值（land equivalent rate，LER）LER是指2 种作物在间作条件下单位面积产量与在相同面积单作条件下该作物产量的比[26]。

式中，Yim和Ym分别代表玉米的间作和单作产量，Yio和Yo分别代表油菜的间作和单作产量。当LER＞1 时，说明具有间作优势，土地利用率高；当LER＜1 时，说明没有间作优势。

1.5.3 种间相对竞争力（relative competitive index，Amo）Amo是指衡量间作两作物间资源竞争力的指标[26-27]。

式中，Amo为玉米相对于油菜的资源竞争力；Zm和Zo分别为间作中玉米和油菜面积比例，Zm=2/3，Zo=1/3。Amo＞0 表示玉米竞争能力强于油菜；Amo＜0 表示玉米竞争能力弱于油菜。

1.5.4 相对拥挤系数（relative crowding coefficient，RCC）RCC可以评定间作系统种间竞争力及资源利用效率的大小[26-27]。

式中，Zm和Zo分别为间作中玉米和油菜的面积比例。

1.5.5 氮素利用效率 氮肥农学效率（AEN，kg/kg）=（施氮肥区产量-不施氮肥区产量）/施氮量；氮肥偏生产力（PFPN，kg/kg）=施氮区产量/施氮量；植株氮素积累量（kg/hm2）=植株全氮含量（%）×植株干物质重量（kg/hm2）；氮肥利用率（NER，%）=（施氮肥区植株氮积累量-不施氮肥区植株氮积累量）/施氮量×100。

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2007、SigmaPlot 12.0 及SPSS 25.0 进行数据处理、分析及作图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理对间作作物产量的影响

由表1 可知，2019 和2020 年施氮与种植模式对鲜草及干草产量的影响均达到了极显著水平（P＜0.01），且施氮与种植模式对饲草的鲜草和干草产量均存在显著的交互作用。随施氮量增加，间作玉米和单作玉米产量呈增加趋势，在N0、N1、N2下，间作玉米鲜草产量较单作显著提高了11.50%、16.81%和10.61%，在N1 间作玉米干草产量与N2下无显著差异（P＞0.05），N0 下间作玉米产量即达到或已经超过N1 下的单作产量，这显示出间作的产量优势；除2020 年N1 间作油菜产量较N0 显著增加外，间作油菜产量在各施氮处理下无显著差异（P＞0.05）。与单作油菜相比，除2019 年间作油菜鲜草产量增加了20.56%外，其他施氮处理间作油菜产量与单作均无显著差异（P＞0.05）。总体来看，由于2020 年春季燕麦播种推迟至5 月4日，所以复种延迟了15d，且玉米、油菜苗期土壤干旱降低了出苗率，导致油菜小幅度减产，间作总体产量较2019 年有所下降。增施氮肥和间作模式对玉米的产量均有促进作用，而间作下油菜在2 年试验中表现不尽相同。

表1 2019-2020 年不同施肥处理下间作玉米和油菜生物产量Table 1 2019-2020 biological yield of intercropped maize and rape under different nitrogen levelst/hm2

2.2 不同施氮处理对间作LER 的影响

LER是评价某个间作模式是否具有增产效果的指标，可以反映土地利用效率。由图1 可知，2019-2020 年各施氮处理下间作系统的LER均大于1.00，N1 水平下间作系统LER 均显著高于N0 和N2（P＜0.05），分别为1.14 和1.12；2019 年N0处理间作LER 显著大于N2，2020 年两者无显著差异（P＞0.05）；且在同一施氮处理下，间作中饲用玉米LER（0.74～0.77）均大于饲用油菜的（0.35～0.37）。说明饲用玉米油菜间作与其单作相比具有增产优势（LER＞1），且本试验此间作模式的增产组分为玉米。

图1 2019-2020 年不同处理下间作玉米和油菜土地当量比Fig.1 LER of intercropping crops under different treatments in 2019-2020

2.3 不同施氮处理对间作植株氮素含量及积累量的影响

由表2 可知，对不同施肥之间进行比较时，间作系统的N2 和N1 下植株氮素含量显著高于不施氮处理（P＜0.05），但两者之间无显著差异（P＞0.05），而N2 下氮素积累量显著高于N1 和N0；不同种植方式之间进行比较时，2019-2020 年玉米间作的氮素含量较单作显著提高了13.01%和22.08%，而间作油菜较单作油菜有所降低但没有显著差异；植株氮素积累量间作玉米（IM）＞单作玉米（SM）＞间作油菜（IO）和单作油菜（SO），2019 年IM 较IO 氮素积累量提高了66.14%；种植模式显著影响了植株氮素含量和氮素积累量。间作模式下作物对氮素的吸收情况均大于单作，玉米的氮素竞争能力也强于油菜，同时Amo均大于0.000（表3），说明玉米的氮素竞争能力强于油菜，这种趋势也与LER和RCC结果吻合。即油菜处在竞争劣势地位，间作油菜较单作油菜有所降低但没有差异。

表2 2019-2020 年不同施肥处理下间作植株地上氮素含量及氮素积累量Table 2 Nitrogen content and uptake rate of above-ground parts of intercropping crops under different nitrogen rates in 2019-2020

表3 2019-2020 年不同施氮处理下间作种间相对竞争力及相对拥挤系数Table 3 Amo and RCC of intercropping system under different nitrogen rates in 2019-2020

2.4 不同施氮处理对间作植株氮素利用率的影响

由表4 可知，2019-2020 年间作作物的氮肥偏生产力随施氮量增加而显著降低，说明施氮会降低间作的氮素利用效果，N2 下间作玉米和间作油菜氮肥偏生产力均小于N1，玉米在2019 和2020 年分别显著降低了57.48%和61.26%，油菜2 年间分别显著降低47.16%和48.65%；同一施氮条件下，间作可以显著提高作物氮肥偏生产力，N1 下间作玉米的PEP较单作玉米显著提高了14.15%和30.22%，2019 年N1 下间作油菜PEP较单作显著提高了12.93%，2020 年没有显著差异；N2 下间作玉米的PEPN较单作玉米显著提高了11.95%和13.89%，2019 年N2 下间作油菜PEPN较单作显著提高了12.09%，2020 年没有显著差异。在同一间作群体中，同一施氮量下饲用玉米的氮素利用率均显著大于饲用油菜，但是除2020 年间作玉米较单作玉米氮素利用率显著增加外，其余各施氮处理下间作作物的氮素利用率与其单作均无显著差异。N2处理虽增加了氮肥的用量，但相较于N1，氮素利用效率并没有提高。

表4 2019-2020 年不同处理下间作植株氮肥利用效率Table 4 Nitrogen utilization of intercropping crops under different treatments in 2019-2020

3 讨论

3.1 施氮和种间竞争对间作系统作物产量和土地当量比的影响

本试验鲜草和干草产量均随施氮量增加而提高，N2 间作产量达到最高，与N1 没有显著差异，这与钱欣等[28]对燕麦间作向日葵得出结果一致，在张海星等[29]研究中，施氮处理较不施氮明显提高了玉米生物量、籽粒产量和豆科作物产量，但高氮肥（360kg/hm2）与中氮肥（240kg/hm2）处理无显著差异，此结果与本研究相似。同一施氮量下，间作玉米产量显著高于单作，但2020 年间作油菜和单作油菜的产量没有显著差异。2020 年油菜产量较2019 年总体下降了18.64%，原因是晚播和苗期的缺水都会导致对水分需求更高的油菜产量明显降低，另一方面，从Amo指数上看，玉米对氮素争夺能力强于油菜，而2020 年不同施氮量下Amo指数均大于2019 年，说明经过一年的间作种植之后，玉米养分竞争能力强于油菜，油菜养分吸收能力下降会导致营养体生长缓慢，玉米与油菜株高差距会越来越大，遮光面积越来越大，使油菜的产量有所下降。

根据李隆[30]的研究，有记录的50 多种间作套种模式中93%以上均具有显著的间作产量优势，也有研究[31]显示，玉米和油菜具有间作产量优势，LER均大于1。施氮是提高产量的有效措施之一[32]，LER与系统内物种间竞争和互利的权重大小有密切关系[33]，钱欣[16]的研究显示，2 年内燕麦与向日葵带状间作LER最高为1.23～1.38。本试验2 年内不同施氮量下饲用玉米与油菜间作LER均大于1.00，为1.08～1.14，与单作相比增产效果明显，表现为N1＞N0＞N2，120kg/hm2施氮量下间作对土地利用程度最高。

物种多样性的增加会导致间作体系生态位的分化，这种时空生态位的分化效应会形成一种比单一种植模式更稳定的产量优势[34]，而这种分化最终体现就是植物内部或物种间的竞争与促进[35]。Amo、RCC表征玉米对油菜的竞争力大小，本试验Amo数值均大于0.000（除2019 年N0 外），RCC均大于1.000（除2019 年N0 外），说明玉米相对于油菜是此间作系统的优势物种。在2019 年N0 下Amo小于0.000，表示油菜在此施氮处理下竞争力比玉米强，随施氮增多，Amo逐渐增大并在120kg/hm2达到最大，说明施氮强化玉米的氮素竞争力，由竞争弱势转为强势地位，并在120kg/hm2下玉米竞争优势发挥最高。综上所述，120kg/hm2施氮量适于饲用玉米与油菜间作中发挥间作产量优势和增强土地利用程度。

3.2 施氮和种间竞争对间作系统作物氮素吸收及氮素利用效率的影响

间作模式中作物氮肥利用率的提高可以降低全球化肥的需求量，减少约26%[36]。种间所占据的环境及营养资源在时空上的互补扩大，是间作模式产量优势的主要原因，间作增强了资源的利用效率。本研究中，2 年内随施氮量增加，间作氮素吸收量显著提高（P＜0.05），玉米在间作下氮素吸收量均显著高于单作（P＜0.05），这和钱欣[16]的研究相似；沈其荣等[37]研究发现，水稻‖花生显著提高了水稻叶片的氮含量，而显著降低了花生的氮含量，玉米‖油菜与其不同的是，间作玉米的氮素吸收量显著高于单作，间作油菜的氮素吸收量与单作之间没有显著差异，这一方面可能由于玉米大喇叭口期至抽雄期是养分需求的高峰，此时油菜正处于盛花期，玉米和油菜都处于急需养分的阶段，所以两者对氮素的激烈竞争是不可避免的，通过相对竞争比率和拥挤指数可知，玉米此时处于优势地位，而油菜会以降低氮素吸收量为代价来平衡这种由资源竞争与协调利用引起的活动[38]，以此来拓宽玉米的生态位宽度；另一方面，玉米是C4作物，油菜是典型的C3作物，Moore[39]研究发现，在相同条件下，C4植物的光合速率远高于C3植物，这是由于C4植物具有CO2浓缩机制[40]，能够使维管束鞘细胞中维持相对较高的CO2浓度，从而促进羧化反应，降低光呼吸消耗，所以玉米较油菜具有明显的竞争优势，氮素利用率更高。从LER和Amo来看，玉米较油菜来说是优势种，施氮可以强化玉米竞争力，以降低油菜的氮素吸收来满足自身养分需求，之所以间作油菜与单作油菜氮素吸收量和积累量之间没有显著差异，可能是由于玉米作为禾本科作物具有较强的氮素吸收竞争能力，十字花科的油菜对氮素的吸收也主要集中在开花期以前，所以2种作物在有限的资源下，竞争结果必定会以降低其中一种作物的氮素吸收量为代价。

饲用玉米与油菜间作产量优势与氮素投入紧密相关，有研究[41]显示，施氮行为会增加间作体系的氮素吸收量，但是氮素含量增加并不一定会使氮素利用效率提高，钱欣[16]研究发现，燕麦‖向日葵带状间作提高了系统的氮素吸收效率，高施氮量（100kg/hm2）下氮肥利用率显著高于低施氮量（50kg/hm2），但与不施氮处理间差异不显著。2年间养分低（N0、N1）时间作的氮素偏生产力显著高于N2（P＜0.05），2019 年N1 与N2 间作的氮素利用率之间无显著差异，并显著高于不施氮处理，间作模式的氮素利用率较单作也没有显著差异，可见较高施氮量并不能促进作物对氮素的吸收，还要考虑2 种作物对低于或高于施氮量阈值的种间反馈效应[12]。以上结果表明，饲用玉米油菜间作在120kg/hm2施氮量下氮素利用效率最高。

4 结论

饲用玉米油菜间作具有显著的产量优势（LER＞1），在N1 处理下Amo和RCC指数（2 年平均分别为0.092 和1.160）均高于N2（2 年平均分别为0.062 和1.019），收获期玉米在间作中占主导地位，氮肥的加入强化了这种优势；间作系统的氮素效率显著高于单作，施肥增加了间作的氮素吸收量，N2处理下氮素吸收量最高，但间作在N1 处理下氮肥偏生产力和氮肥利用率均显著高于N2 处理。综上所述，麦后饲用玉米与油菜间作有明显的增产优势，施氮量120kg/hm2更适合饲用玉米油菜间作发挥产量优势并保持较高的氮肥利用率。