高寒区燕麦、豌豆农艺性状对氮添加和间作模式的响应

冯晓云，张 鹏，李 媛，马婧娟，梁国玲，鲍根生

（1.青海省畜牧兽医科学院, 青海 西宁 810016；2.青海大学畜牧兽医科学院, 青海 西宁 810003）

青藏高原地区因天然草地生产力低、载畜量高、草地管理方式粗放等原因导致畜牧业发展缓慢和高寒草地退化严重等问题，因此建植栽培草地成为缓解上述问题的关键措施[1]。燕麦(Avena sativa)和豌豆(Pisum sativum)因营养价值丰富、适口性好等特点成为家畜喜食牧草，进而成为青藏高原高寒冷凉地带冬季家畜补饲重要饲草料[2-3]。研究发现，作物单一种植会造成土壤肥力低下和病虫害频发等不利影响[4]；而禾本科和豆科植物间作是提高土地资源利用效率、改善土壤结构、促进作物增产并获得较高经济效益的一种种植模式[5-6]。

目前，有关禾豆间作研究主要集中在产量增加、土壤微生物群落变化、土壤理化性质改变以及豆科植物生物固氮能力等方面[7-9]，而如何提高间作系统生产力仍是禾豆间作体系的聚焦问题。例如，李睿[10]研究发现春箭筈豌豆(Vicia sativa)和燕麦间作通过增加作物株高，改变作物光合特性和光能利用效率，提高系统生产力；赵建华等[11]对3 种豆科作物与玉米(Zea mays)间作对玉米生产力和种间竞争的影响研究发现，玉米与豆科植物间作均具有间作优势，且土地当量比(land equivalent ratio，LER)均大于1。此外，氮素作为提高产量的主要因素之一，对间作系统中植物的种间关系产生影响[12]。研究表明，豆科作物通过与之共生的根瘤菌固定大气中的氮素以满足自身对氮素的需求[13]。与单作禾本科作物相比，间作种植的禾本科作物不仅能凭借强大根系结构获取土壤中的氮素[14]，而且还能利用其高耗氮特性促进豆科作物生物固氮能力[15]，进而提高禾本科作物对氮素的利用效率，导致单位面积内作物产量增加[16]。同时，大量研究表明，外源氮添加对豆科间作禾本科体系存在一定影响。例如，Nasar等[17]对东北地区玉米||苜蓿(Medicago sativa)间作对玉米生理特性、氮素吸收及产量的影响研究发现，间作时施氮可逐步改善玉米作物的生理农艺指标。Gong 等[18]对间作与氮投入相结合促进了中国黄土高原小米(Panicum miliaceum)的生长和资源利用效率研究发现，间作和施氮显著改善了小米||绿豆(Vigna radiata)间作系统中小米的株高和干物质积累量。王晓维等[19]开展玉米||大豆(Glycine max)间作和施氮对玉米产量及农艺性状的影响的研究发现，施氮和间作均能促进玉米干物质累积和增加株高和叶绿素，且施氮效应高于间作效果。上述研究均表明，间作时外源添加氮素能够促进禾本科作物对氮素的吸收利用效率，同时改善间作体系组成作物的农艺性状。

综上所述，间作种植和氮添加能通过影响间作体系植物农艺性状进而提高生产力，然而高寒区因气候寒冷、昼夜温差大和干旱等逆境，致使植物生长季短，间作植物农艺性状可能与其他区域存在差异[20]。然而有关不同种植方式和氮添加互作对燕麦、豌豆农艺性状的影响以及调控产量的关键农艺性状的研究报道较少。基于此，本研究拟通过分析不同氮添加水平下单播、间作(同行混合和隔行间作)种植燕麦和豌豆关键农艺性状的差异，探讨不同种植方式和氮添加水平对高寒区燕麦、豌豆农艺性状的影响，筛选适合高寒区燕麦和豌豆高产种植模式，为高寒区栽培草地科学建植提供技术支撑，从而有效缓解高寒区草畜矛盾和加快青藏高原绿色有机产品输出建设进程。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地处青海省西宁市湟中区土门关乡加汝尔村(36°26′51″ N，101°41′28″ E，海拔2 668 m)，该区域位于青藏高原东北部，地处黄河支流湟水上游，属大陆性高原半干旱气候。太阳辐射强，昼夜温差大，光热资源充足。年降水量为250～550 mm，年蒸发量为900～1 000 mm，年均温2～9 ℃，极端最低和最高气温为-25 和33 ℃，无霜期100～200 d。试验地土壤类型为栗钙土，有机质、全氮和全磷含量分别为34.39、2.20 和2.45 g·kg-1，铵态氮含量为121 mg·kg-1，速效磷含量为27.60 mg·kg-1，速效钾含量为290 mg·kg-1，pH 为8.18。前茬作物为燕麦。

1.2 供试材料

供试燕麦为青海省畜牧兽医科学院新培育的‘青永久872’新品系，具有饲草和籽粒产量双高特点；豌豆品种为‘青建1 号’，该品种具有抗病和饲草产量高等优点[21]。

1.3 试验设计

田间试验采用裂区设计，氮添加水平作为主区，分别为不添加氮(0 kg·hm-2, N1)、低氮添加 (50 kg·hm-2，N2)、高氮添加 (200 kg·hm-2，N3)；种植模式为副区，分别为单播(燕麦和豌豆)、燕麦和豌豆隔行间作及同行混合间作(比例为1 ∶ 1)。共布置4 个区组，每个区组包含12 个处理，共48 个小区，每个小区面积为2 m × 5 m。其中，相邻小区间隔1.0 m，相邻区组间隔2.0 m。参考前人在高寒区种植燕麦和豌豆的播种量[22-23]，本研究燕麦单播播种量为225 kg·hm-2，豌豆单播播种量为112 kg·hm-2；隔行间作时，燕麦和豌豆依次交替种植4 行，播种量与单播燕麦和豌豆一致；同行混合间作时，燕麦和豌豆混合种植到同行内，播种量为燕麦和豌豆单播量的一半(图1)。2022 年5 月5 日开展田间试验，播种采用人工条播，行距为25 cm，播种深度为5 cm。供试氮肥为尿素(N 含量为46%)，分别在燕麦播种期和拔节期分两次施入，为防止尿素挥发损失，表土和尿素按照10 ∶ 1 比例混匀后均匀撒施至沟内。过磷酸钙(P2O5含量为12%)充当基肥播种时一次性施入，燕麦拔节期和开花期进行田间人工除杂两次。

图1 燕麦与豌豆单播、同行混合间作和隔行间作种植示意图Figure 1 Illustration of monocropped, mixed, and alternate-row intercropped oat and pea

1.4 测定指标及方法

1.4.1 农艺性状和产量

燕麦乳熟期，各处理小区随机选择50 cm × 50 cm样方齐地面刈割，鲜草装入信封袋带回实验室，105 ℃杀青30 min，65 ℃下烘至恒重并称重。燕麦完熟期和豌豆结荚期，各处理小区随机选取20 株长势一致的燕麦和豌豆单株进行农艺性状的观测，农艺性状调查项目参照燕麦和豌豆农艺性状标准进行[24-25]。燕麦农艺性状包括株高、茎粗、分蘖、轮生层数、单株小穗数、小穗粒数、单株籽粒数、单株籽粒重、粒长、粒宽和千粒重；豌豆农艺性状包括株高、茎粗、荚数、荚长、荚宽、每荚籽粒数、分枝数、主茎节数、果柄长度、始荚节数、节间长度、粒长、粒宽、单株籽粒数及百粒重。

1.4.2 土地当量比

土地当量比是指燕麦和豌豆间作的收益与燕麦或豌豆单播的收益比率，用于衡量间作比单播的增产程度，计算公式如下：

式中：LERO和LERP分别表示燕麦和豌豆的土地当量比，YIO和YMO分别表示间作和单播燕麦的干草产量(kg·m-2)，YIP和YMP分别表示间作和单播豌豆的干草产量(kg·m-2)；LER＞ 1 表示存在间作优势，LER＜ 1 表示存在间作劣势[26]。

1.4.3 种间竞争力(interspecific aggressivity，IA)

式中：IAO和IAP分别为燕麦和豌豆的种间竞争力，YIO和YIP分别表示燕麦和豌豆间作的干草产量，YMO和YMP分别表示燕麦和豌豆单播的干草产量，ZIO和ZIP分别表示间作燕麦和豌豆所占的土地面积。IAO＞ 0 表明燕麦竞争力大于豌豆，IAO＜ 0 表明豌豆竞争力大于燕麦[27]。

1.5 数据分析

采用双因素方差分析不同间作种植模式和氮添加水平及其交互作用对燕麦和豌豆农艺性状、土地当量比及种间竞争力的影响，其中，间作种植模式和氮添加水平为固定因子，区组为随机因子。同时，采用Duncan 多重比较分析间作种植模式或氮添加水平对燕麦和豌豆各农艺性状、土地当量比和种间竞争力的影响。另外，采用Canoco 5 软件进行农艺性状与间作种植方式和氮添加间相关性的冗余分析(redundancy analysis，RDA)，SPSS AU 软件进行间作种植方式和氮添加与燕麦、豌豆农艺性状与草产量的灰色关联分析。所有数据用“平均值 ± 标准误”表示，SPSS 26.0 软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 种植方式和氮添加对燕麦、豌豆农艺性状的影响

双因素方差分析结果表明，种植方式和氮添加对燕麦大多农艺性状影响显著(P ＜0.05)，而对粒宽和千粒重无影响(表1)。同时，种植方式和氮添加对燕麦分蘖、单株小穗数、单株籽粒数、单株籽粒重和草产量存在显著交互作用(P ＜0.05)。其次，不同种植方式和氮添加对豌豆茎粗、荚数、单株籽粒数和草产量的影响均达到极显著水平(P ＜0.01)，其交互作用对株高、荚数、荚长、节间长度、单株籽粒数、单株籽粒重和草产量存在显著影响(P ＜0.05)。其中，隔行间作燕麦的株高、单株小穗数、单株籽粒数、单株籽粒重和草产量高于单播，且随氮添加量的增加而增加；而同行混合间作燕麦大多农艺性状随施氮量的增加呈先降低后增加变化(表2)。豌豆单播时，株高、单株籽粒重高于隔行间作和同行混合间作豌豆，而株高随施氮量的增加降低后增加；隔行间作时，大多农艺性状随施氮量的增加呈先增加后降低变化；同行混合间作时，株高、荚长、每荚籽粒数在高氮添加下显著高于低氮和不添加氮(表2)。

表1 不同种植方式和氮添加下燕麦和豌豆农艺性状的双因素方差分析(F 值)Table 1 Two-way ANOVA of oats and peas agronomic traits under different planting patterns and nitrogen addition levels (F value)

表2 不同种植方式和氮添加对燕麦和豌豆农艺性状的影响Table 2 Effects of different planting patterns and nitrogen addition levels on agronomic traits of oats and peas

2.2 种植方式和氮添加对燕麦、豌豆土地当量比及种间竞争力的影响

种植方式对燕麦和豌豆土地当量比和种间竞争力存在显著影响(P ＜0.05) (表3)，而对总土地当量比无影响(P ＞0.05)。氮添加对燕麦和豌豆土地当量比和种间竞争力的影响不显著(P ＞0.05)。间作种植模式和氮添加对燕麦、豌豆土地当量比和总土地当量比存在显著的交互作用(P ＜0.05)，而对其种间竞争力的影响不显著(P ＞0.05)。在不添加氮(N1)和低氮添加 (N2)时隔行间作总土地当量比优于同行混合间作，且在N2时表现较好。隔行间作时，燕麦种间竞争力随氮添加量的升高呈先增后减趋势(表4)。

表3 不同种植方式和氮水平对燕麦、豌豆土地当量比和种间竞争力的双因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA of different planting patterns and nitrogen addition levels on land equivalent ratio and interspecific aggressivity of oats and peas

表4 不同种植方式和氮添加对燕麦、豌豆土地当量比和种间竞争力的影响Table 4 Effects of different planting patterns and nitrogen addition level on land equivalent ratio and interspecific aggressivity of oats and peas

2.3 间作方式和氮添加与燕麦、豌豆农艺性状的RDA 分析

间作方式与燕麦株高、茎粗、分蘖、粒宽和草产量正相关，而与粒长和千粒重负相关；氮添加除与燕麦千粒重负相关外，与其他农艺性状均正相关(图2)。间作方式与豌豆粒长、粒宽正相关，而与草产量、株高和单株籽粒数呈负相关；氮添加水平与豌豆单株籽粒数、草产量，单株籽粒重正相关，与粒长、粒宽负相关(图2)。

图2 间作方式和氮添加与燕麦、豌豆农艺性状的冗余分析Figure 2 Redundancy analysis of intercropping pattern and N addition level with agronomic traits of oats and peas

2.4 种植方式和氮添加后燕麦、豌豆农艺性状与草产量灰色关联分析

以草产量为参考数列，各农艺性状为比较数列，通过灰色关联分析(表5)发现，燕麦单播时，在N1和N2时，分蘖与草产量的关联系数均最大，分别为1.00和0.85；在N1时，千粒重与草产量的关联系数最小，为0.55，N2时，粒宽、粒长与草产量的关联系数最小，均为0.61；而在N3时，茎粗与草产量关联数最大，单株籽粒重与草产量关联数不大。隔行间作时，在N1、N2和N3时，单株籽粒数、粒长和单株籽粒重分别与草产量关联序数最高，而千粒重、单株小穗数和粒宽分别与草产量关联序数最低。同行混合间作时，分蘖、单株小穗数和单株籽粒数分别在N1、N2和N3时与草产量的关联系数最大，而轮生层数、株高及粒宽与草产量关联不大。豌豆单播时，在N1、N2和N3时，始荚节数、单株籽粒数和荚数分别与草产量的关联序数最高，株高、分枝数和节间长度分别与草产量的关联序数最低；隔行间作时，荚数在N1、N2与草产量的关联最大，单株籽粒数在N3时与草产量的关联最大，而粒长、始荚节数和节间长度与草产量的关联不大。同行混合间作时，在N1、N2和N3时，与草产量关联系数最大的分别是荚数、单株籽粒数和荚数，最小的分别是节间长度、始荚节数和单株籽粒重。

表5 不同种植方式和氮添加后燕麦、豌豆各农艺性状与草产量的灰色关联分析Table 5 Grey correlation analysis among agronomic traits of oats or peas and grass yield with different intercropping patterns and nitrogen addition levels

3 讨论

与单播草地相比，禾豆混播草地可通过改变间作作物的冠层结构、种间竞争关系和调节作物对光、热等环境资源的利用，进而优化间作系统，实现间作作物在空间资源利用的互补性[10]。本研究通过对燕麦和豌豆进行单播、隔行间作和同行混合间作种植以及添加外源氮后对其农艺性状进行观测，发现隔行间作燕麦的株高、单株小穗数、单株籽粒数、单株籽粒重和草产量高于单播，且随氮添加量的增加而增加；而单播豌豆的株高、单株籽粒重和草产量高于隔行间作，且株高随氮添加量的增加降低后增加，这与孔玮琳等[28]对不同氮肥梯度和种植模式对玉米和大豆农艺性状进行研究所得结论一致；同时，杨艳丽[29]对玉米||大豆间作和施氮对玉米产量及农艺性状影响的研究也证实了这一观点，这主要与不同间作种植方式下燕麦和豌豆不同的根系构型导致资源竞争能力出现差异有关[30]。一方面，隔行间作燕麦和豌豆根系间距较大，燕麦根系深且侧根发达，导致侧根大量分布在豌豆根系下方，促进了燕麦和豌豆对土壤空间资源利用的互补性。另一方面，在燕麦和豌豆同行混合间作条件下，燕麦和豌豆根系占据相同生态位，导致土壤水分和养分竞争强度增加[31]。

此外，牧草生长需要大量的氮肥，施氮肥虽然可以改善牧草农艺性状并提高其产量，但是大量投入氮肥会使牧草的光能利用率下降、生物多样性减少以及生态环境失衡，致使土壤含氮量增加，产生“氮阻遏”效应[32]。同时，过多或过少的土壤肥力均不利于禾本科牧草的生长，适当添加外源氮肥可缓解种间竞争强度，最大限度地提高禾本科牧草间作地生产力[33]。本研究表明，燕麦和豌豆部分农艺性状分别在N3(200 kg·hm-2)隔行间作和N1(0 kg·hm-2)单播种植模式下表现较好，可见，间作明显促进燕麦的生长，但不利于豌豆对养分的吸收，这与王雪蓉等[34]对玉米||大豆间作系统研究发现，在不同供氮水平下间作玉米最大生长速率比单作高，而间作大豆最大生长速率比单作低的研究结论相似。另外，外源氮添加对隔行间作燕麦农艺性状有促进作用，这可能是因为燕麦属高株型植物，光拦截能力强，光资源竞争能力明显强于豌豆[35]。其次，燕麦种子萌发和幼苗破土明显早于豌豆，导致燕麦根系生长较快，且土壤中根表面积较大，最终造成燕麦与豆科植物间作种植生长过程对氮素等资源的获取能力占主导地位[36]。如小麦(Triticum aestivum)||蚕豆(Vicia faba)间作体系中间作小麦比单作小麦多吸收79%施入土壤中的15N 量[37]。大麦(Hordeum vulgare)||豌豆间作的田间试验研究也表明，间作大麦对土壤氮素的竞争要比豌豆强30 倍，且吸收氮素的65%源于肥料氮，而豌豆仅有9%[38]，上述研究结论进一步证明了燕麦对土壤和肥料氮素的竞争能力比豌豆更强，外源添加氮肥对间作燕麦具有直接促进作用。同时，由于燕麦属高耗氮型植物，对氮素竞争力高于豌豆。间作条件下，豌豆不仅要满足自身氮需求，燕麦发达根系同时能转移大量豆科植物固氮作用所固定的氮素，造成豆科植物生物固氮状态处于活跃状态和固氮能力增加[38]。本研究同时发现，燕麦和豌豆无论是在隔行间作还是同行混合间作方式下，土地当量比均大于1，且在N2(50 kg·hm-2)隔行间作时最高。说明燕麦和豌豆间作均要比各自单作具有更高的生产力，两者组成的复合群体具有较大的生产潜力。原因可能为：1)高秆作物燕麦可充分利用光照，而豌豆作为矮秆作物则可以利用下层较弱的光照，燕麦和豌豆间作后株高高低搭配立体种植能充分利用光能，获取比燕麦单播、豌豆单播更高的产量。2)燕麦||豌豆间作模式中地下根系分布也存在空间差异性，燕麦为须根系，根量大而且主根较深；豌豆为直根系，根表面积少且主根较短。燕麦豌豆间作可实现地上和地下资源高效利用的互补性，进而造成间作种植系统生产力显著高于单播种植[39]。

RDA 分析也发现，燕麦和豌豆的农艺性状受种植方式和外源氮添加水平的影响很大，总解释度均大于50%。造成这种差异的主要原因可能是间作牧草通过改变根系形态促进其对氮素及其他养分的吸收和利用，表现为间作体系中牧草根系会通过缩小根直径、延长主根和促进侧根的分化等方式，促进间作燕麦和豌豆对土壤中养分的吸收[40]。同时，垂直方向上，间作燕麦和豌豆的地下根系分布于不同的土壤土层，两者占用不同的土壤生态位，形成了土壤空间生态位互补机制，能够高效吸收不同土层的养分和水分。另外，在水平方向上燕麦和豌豆根系能延伸至对方根区中，间作燕麦和豌豆在垂直和水平方向上的根系交互作用，能够促进燕麦和豌豆间作系统对水分和养分的吸收[41]。也有研究表明，施加外源氮后，能够显著影响牧草对某些营养元素的吸收，且在不同牧草作物中有不同的表现规律[42]，进而导致农艺性状表现不同。本研究发现外源氮添加水平与燕麦、豌豆不同农艺性状的相关性存在差异，这与罗蓉[43]对氮添加后对紫云英(Astragalus sinicus)||白术(Atractylodes macrocephala)间作体系农艺性状影响的研究结论一致。具体表现为与不施氮相比，施氮量与白术的株高、主茎粗、叶片数以及分枝数正相关。同时，王晓维等[19]对玉米||大豆间作系统农艺性状研究也发现氮添加后间作玉米穗位高、百粒重、秃尖长和单穗鲜重均高于单作玉米[19]。间作种植方式和外源氮添加水平与燕麦以及豌豆各农艺性状相关性存在差异的原因可能是与作物搭配不同或设置施氮水平不同有关，也可能是同一性状对不同生态环境的响应不同[44]。另外，不同氮添加水平下，间作燕麦和豌豆的单株草产量和其他农艺性状的灰色关联分析结果也表明，各性状对草产量具有主次之分，从而可通过改善主导因素实现高寒区禾豆混播草地高产、稳产目标，进而为缓解高寒区草地退化以及草畜矛盾做出贡献。

4 结论

本研究发现燕麦、豌豆农艺性状受不同种植方式和外源氮添加水平的影响而表现不同。其中，隔行间作和同行混合间作与外源氮添加水平及其两者的交互作用对燕麦、豌豆农艺性状及其产量有明显的调控作用。特别是，低氮添加N2(50 kg·hm-2)和隔行间作种植的燕麦、豌豆间作体系总土地当量比最高，且在低氮添加时燕麦种间竞争力强于豌豆。因此，低氮隔行间作可作为高寒牧区燕麦||豌豆间作栽培草地建植的推荐种植模式，进而为高寒区畜牧业持续健康发展以及生态修复提供理论依据。然而，本研究仅针对高寒区燕麦豌豆进行展开研究且样地单一，故还需对其他禾豆牧草组合农艺性状进行多样地研究，并综合考虑环境因素对作物农艺性状的影响。