玉米間作夏季綠肥對當季植物養分吸收和土壤養分有效性的影響

杜青峰，王黨軍，于翔宇，姚露花，和玉吉，王瑞，馬生蘭，郭彥軍*

(1.西南大學農學與生物科技學院，重慶400716；2.青海省門源縣種子經營管理站，青海 門源 810399)

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玉米間作夏季綠肥對當季植物養分吸收和土壤養分有效性的影響

杜青峰1，王黨軍1，于翔宇1，姚露花1，和玉吉1，王瑞1，馬生蘭2，郭彥軍1*

(1.西南大學農學與生物科技學院，重慶400716；2.青海省門源縣種子經營管理站，青海 門源 810399)

摘要：本試驗在重慶冬油菜種植區，于油菜收獲后，選擇竹豆、田菁和檉麻3種夏季綠肥作物，通過與夏玉米間作，分析了間作模式下土壤當季速效養分、植物養分吸收性能及地上部生物產量變化情況。結果表明，間作檉麻后玉米地上部產量顯著提高35%，間作田菁后玉米產量顯著下降21%，而間作竹豆無顯著影響。單作綠肥除田菁地上部全氮含量顯著低于間作田菁外，其余兩個品種的全氮、全磷含量與間作綠肥無顯著差異；而單作綠肥全鉀含量均顯著高于間作綠肥。與單作玉米比較，間作竹豆和田菁時玉米全氮含量、全磷含量顯著增加，而間作檉麻時無顯著變化；玉米全鉀含量整體呈增加趨勢。綠肥周圍土壤的硝態氮含量顯著高于間作玉米周圍土壤。間作玉米周圍土壤硝態氮含量、速效磷含量和速效鉀含量呈現出整體高于單作玉米土壤的趨勢，且相關分析結果表明土壤硝態氮含量與植物全氮含量呈顯著正相關關系。綜合分析認為，檉麻植株有較高的全氮含量和生物產量，且與檉麻間作的玉米地上部產量也最高，適宜作為玉米夏季間作的豆科綠肥。

關鍵詞：豆科綠肥；玉米；土壤養分；間作；養分吸收

我國是一個人多地少的國家，人地矛盾日益突出已成為影響中國糧食安全的重大問題[1]。如何在有限的耕地面積上提高糧食產量已引起廣泛關注。其中提高復種指數被認為是區域糧食增產最簡單直接并且行之有效的方式之一，對保障中國糧食安全發揮著重要作用[2]。對1998年至2012年中國耕地復種指數的分析發現，在全國尺度上，中國耕地復種指數總體上呈逐年增長的趨勢[3]。耕地復種指數在提高糧食產量的同時也加重了土壤的負荷，不合理的復種模式將影響土壤質量。對復種制農田生態系統的養分循環研究表明，復種制鈣(Ca)、鎂(Mg)養分有盈余，鐵(Fe)、錳(Mn)、氮(N)、磷(P)、鉀(K)養分則表現出虧缺，N 素養分有較大的浪費[4]。在四川稻田休閑期復種蔬菜后，稻作期土壤N素礦化速率下降，水稻(Oryzasativa)產量降低[5]。在云南滇池地區，連續集約種植蔬菜，使得58%的N素、72%的P素和20%的K素未被作物吸收而殘留在土壤中，農業污染問題嚴重[6]。

研究表明，作物休閑期種植綠肥有利于改善土壤質量，提高后茬作物產量[7-8]。如在南方紅壤旱作地區，綠肥種植和綠肥翻壓還田對土壤具有明顯養地效果[9]。種植綠肥后，后茬玉米(Zeamays)產量及氮素利用效率均有所提高[10]，并可降低后茬小麥(Triticumaestivum)氮肥施用量[11]。但是，目前綠肥推廣主要以冬季綠肥為主，在南方冬小麥、冬油菜(Brassicacampestris)種植區，因夏季良好的水熱條件，后茬多種植蔬菜、玉米、甘薯(Ipomoeabatatas)等作物，綠肥種植難以推廣。豆科與禾本科作物間作在提高作物群體產量上的研究報道較多，其中養分吸收量的增加和養分利用效率的提高是其產量優勢的生物學基礎[12-13]。在甘肅河西走廊的一項研究發現，玉米間作草木樨(Melilotussuaveolens)、豌豆(Pisumsativum)并壓青處理具有較好的增產、培肥效果[14]。在巴西南里奧格蘭德的研究表明，玉米間作夏季填閑植物矮木豆(Cajanuscajan)后，土壤物理結構得到改善[15]。這些研究主要側重種植綠肥的后效[16]，而就綠肥對間作作物當季生長及養分吸收性能影響方面的報道較少。因此，本研究在重慶冬油菜種植區，選擇竹豆(Phaseoluscalcaltus)、田菁(Sesbaniacannabina)和檉麻(Crotalariajunceal)3種夏季綠肥作物，通過與夏玉米間作，研究間作模式下土壤當季速效養分變化情況及植物養分吸收性能，旨在探討二者間作時能否促進作物生產的同時又能改善土壤質量，并為高復種指數下的農業生產提供土壤改良的新途徑。

1材料與方法

1.1試驗地概況

本試驗在重慶市合川區西南大學試驗農場進行。該區屬亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫18.4℃,年日照時數1342.6 h，年降雨量1552.7 mm，平均海拔210 m。土壤類型為黃壤，0～20 cm土壤有機質、全氮、全磷、全鉀含量分別為20.49 g/kg,1.03 g/kg,0.79 g/kg和15.55 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為81.52 mg/kg,23.99 mg/kg和47.29 mg/kg，土壤pH為7.45。

1.2供試作物

玉米品種為京科糯玉米2000；綠肥品種包括：檉麻、竹豆和田菁。

1.3實驗設計

在連續種植冬油菜10年的地塊，于2015年4月收獲油菜后，除去油菜秸稈及根系，并噴施草甘膦除雜草。20 d后，進行土壤翻耕，并按375 kg/hm2撒施復合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)。試驗設單作和間作2種種植模式，單作分別種植玉米、檉麻、竹豆和田菁，而間作模式分別將檉麻、竹豆和田菁與玉米間作。小區面積為20 m2(5 m×4 m)，每個處理3個重復，采用隨機區組設計。另設空白對照不進行種植。

檉麻單作播量為45 kg/hm2，間作播量為22.5 kg/hm2；竹豆單作播量為30 kg/hm2，間作播量為15 kg/hm2；田菁單作播量為60 kg/hm2，間作播量為30 kg/hm2。玉米單作、間作播量相同，為42.9 kg/hm2，行距80 cm，株距30 cm。各綠肥采用穴播方式，穴距30 cm，單作時行距40 cm，間作時種植于玉米行間，與玉米行距離40 cm。

出苗后分別于2015年5月和6月人工除雜2次，不采取灌水、施肥、中耕等田間管理措施。8月中旬于玉米成熟期統一采樣分析。

按對角線法于兩個穴播植株間采集0～20 cm土壤樣品，每種植物每小區共采集5個點后混合，即每個單作小區1個混合土壤，每個間作小區有1個綠肥根系土壤混合樣和1個玉米根系土壤混合樣。植物地上部采樣也采用對角線法，分別在5個點各選取3窩，齊地面刈割、稱重，帶回實驗室于65℃烘48 h至恒重?？紤]到邊際效應的存在，距離小區邊緣50 cm范圍內不采樣。

1.4測定指標

土壤養分指標測定均采用常規土壤化學分析法[17]。土壤硝態氮和銨態氮含量分析采用鮮土，前者用酚二磺酸比色法，后者采用KCl浸提—靛酚藍比色法；土壤堿解氮含量采用堿解擴散吸收法，土壤速效磷含量經NaHCO3浸提后采用鉬梯抗比色法；土壤速效鉀含量采用火焰光度法。

植物樣品經H2SO4-H2O2消化后[17]，采用半微量凱氏定氮法測定樣品中全氮含量；采用釩鉬黃比色法測定全磷含量；采用火焰光度法測定全鉀含量。

1.5數據分析

采用SPSS 17.0統計軟件，按單因素方差分析方法分析單作與間作植物地上部產量及養分含量差異。采用雙因素方差分析方法，分析綠肥品種與種植模式對土壤速效養分含量的影響。因交互作用的存在，按單因素分析不同處理土壤速效養分含量的差異。顯著水平為P<0.05(最小顯著極差法)。

2結果與分析

2.1種植模式對植物生物產量的影響

3種豆科綠肥生長旺盛，田間無病蟲害發生。收獲時田菁處于始花期，而竹豆和檉麻處于營養生長階段。單作綠肥產量均顯著高于間作綠肥產量(圖1A)，其中檉麻間作產量只有單作的42%，而竹豆和田菁分別占單作的65%和63%。品種之間比較，檉麻和竹豆單作產量超過8450 kg/hm2，顯著高于田菁(2770 kg/hm2)。

不同綠肥對間作玉米地上部產量的影響不盡相同，其中間作檉麻后玉米地上部產量顯著提高35%，間作田菁后玉米產量顯著下降21%，而間作竹豆則無顯著影響(圖1B)。

2.2種植模式對植物養分含量的影響

對收獲的綠肥及玉米進行了地上部植株養分含量分析(圖2和圖3)。單作綠肥除田菁地上部全氮含量顯著低于間作田菁外，其余兩個品種的全氮、全磷含量與間作綠肥無顯著差異；而單作綠肥全鉀含量均顯著高于間作綠肥。品種間單作養分含量比較，檉麻全氮含量達到33.63 g/kg，顯著高于竹豆和田菁，其中田菁只有5.81 g/kg；田菁全磷含量達到10.42 g/kg，是檉麻和竹豆的3倍左右；竹豆全鉀含量達到27.03 g/kg，是檉麻和田菁的2倍左右。

玉米間作綠肥顯著影響其地上部植株養分含量(圖3)。與單作玉米比較，全氮含量間作竹豆玉米顯著提高49.5%，間作田菁玉米顯著提高26.6%，而間作檉麻玉米無顯著變化。間作玉米全磷含量也表現出間作竹豆和田菁玉米顯著高于單作玉米，而間作檉麻玉米無顯著差異的現象。間作綠肥后玉米全鉀含量整體呈增加趨勢，其中間作檉麻和竹豆玉米全鉀含量顯著高于單作玉米。

圖1　種植模式對綠肥(A)和玉米(B)地上部干重的影響Fig.1　The effects of planting pattern on aboveground yield of green manure (A) and corn (B)　數據柱上不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著；下同。Different small letters above the data bar represent significant differences at P<0.05 level. The same below.

圖2　種植模式對綠肥地上部養分含量的影響Fig.2　The effects of planting pattern on contents of plant nutrients in green manures

圖3　間作綠肥對玉米植株養分含量的影響Fig.3　The effects of intercropping green manure on the contents of plant nutrients in corn 　A:間作檉麻With C. juncea;B:間作竹豆With P. calcaltus;C:間作田菁With S. cannabina;D:單作 Sole cropping.

2.3種植模式對土壤速效養分含量的影響

方差分析結果表明，土壤硝態氮含量和速效鉀含量受到綠肥品種及種植模式(單作/間作)的顯著影響，而土壤銨態氮、堿解氮和速效磷含量只受種植模式的顯著影響(表1)。其中土壤硝態氮、銨態氮和堿解氮含量受到品種和種植模式顯著交互作用。

種植綠肥后，不論是單作還是間作，綠肥根系周圍土壤的硝態氮含量顯著高于間作玉米根系周圍土壤(圖4)。單作和間作綠肥根系周圍土壤硝態氮含量無顯著差異。間作玉米根系周圍土壤硝態氮含量整體高于單作玉米土壤，但只有間作竹豆時差異顯著。無作物種植的對照土壤其硝態氮含量顯著高于間作或單作玉米根系周圍土壤及田菁根系周圍土壤，而與單作或間作檉麻和竹豆根系土壤無顯著差異。土壤銨態氮含量除間作竹豆根系土壤顯著高于其他綠肥處理外，其他處理間無顯著差異；無作物種植的對照土壤銨態氮含量低于其他處理，但只與間作竹豆的竹豆根系土壤和玉米根系土壤存在顯著差異。除間作竹豆根系土壤堿解氮含量顯著低于單作竹豆和間作玉米根系土壤外，其余綠肥間作對土壤堿解氮無顯著影響。單作玉米土壤其堿解氮含量顯著低于其他所有處理。

表1　綠肥與玉米間作影響土壤速效養分含量的方差分析

AN: 土壤堿解氮Available nitrogen; AP: 土壤速效磷Available phosphorus; AK: 土壤速效鉀Available potassium; ns: 不顯著Not significant. 下同。The same below.

土壤速效磷含量和速效鉀含量整體上呈現單作綠肥土壤最低、間作玉米土壤最高的趨勢。間作玉米土壤的速效磷含量和速效鉀含量均顯著高于單作玉米土壤和對照土壤(間作田菁土壤速效磷差異不顯著)。

圖4　種植模式對土壤養分含量的影響

A,D,G:檉麻、竹豆、田菁單作土壤Sole cropping soils ofC.junceal,P.calcaltusandS.cannabina；B,E,H: 檉麻、竹豆、田菁間作土壤Intercropping soils ofC.junceal,P.calcaltusandS.cannabina；C,F,I: 與檉麻、竹豆、田菁間作玉米土壤Soils of corn intercropped withC.junceal,P.calcaltusandS.cannabina；J：玉米單作土壤Sole cropping soil of corn； K：空白對照土壤Soils from plots with no plants.

2.4植物養分含量與土壤速效養分含量之間的相關性

相關分析結果表明，土壤硝態氮含量與植物全氮含量(P<0.01)和全鉀含量(P<0.05)呈顯著正相關關系，而與全磷含量呈顯著負相關關系(P<0.01)(表2)。土壤速效磷含量與植物全氮含量(P<0.01)和全鉀含量(P>0.05)呈負相關關系，而土壤速效鉀含量與植物全鉀含量之間呈顯著負相關關系(P<0.05)。

3討論

豆科與禾本科作物間作是農業生產中使用較為廣泛的種植模式之一[18-19]。當兩種作物種植在一起時,一般認為豆科作物可以通過根瘤菌的生物固氮作用向禾本科作物供給氮素，促進其生長[20]。但是二者的促進作用和種間競爭作用總是相伴存在的[21]。本試驗中，3種夏季綠肥單作播量及播種面積是間作的2倍，而它們與玉米間作時，檉麻產量只有單作的42%，而竹豆和田菁間作產量占單作的60%以上。說明間作后玉米對豆科綠肥本身的生長存在促進或抑制作用，且這種作用可能依賴于品種本身的生物學特性。玉米屬于高稈植物，間作時對其他植物存在遮蔭作用，可能影響了檉麻的光合作用[22]。而竹豆屬于蔓生植物，田間生長茂密，間作時竹豆植株間的競爭較單作時小，可能促進了其生長。

表2　土壤速效養分與植物養分含量之間的相關性分析

PN:植物全氮Plant nitrogen; PP:植物全磷Plant phosphorus; PK:植物全鉀Plant potassium;*,P<0.05; **,P<0.01.

植株養分含量是評價綠肥推廣價值的重要指標[23-24]。本試驗中，3種豆科綠肥具有完全不同的植株養分構成，如檉麻全氮含量最高，田菁全磷含量最高，而竹豆全鉀含量最高。今后在改良土壤時，可根據當地土壤養分的基本情況，選擇適宜的綠肥品種[25]。與玉米間作后，除田菁全氮含量顯著下降外，其余綠肥全氮、全磷含量較單作無顯著變化，而全鉀含量均顯著下降。這說明當玉米與這些豆科綠肥共同生長時，豆科綠肥對鉀素吸收的競爭能力可能小于玉米。在一項玉米間作大豆(Glycinemax)的研究中，玉米相對大豆有較高的氮、磷、鉀營養競爭能力[26]。棉花(Gossypiumhirsutum)和鷹嘴豆(Cicerarietinum)間作時，鷹嘴豆收獲前棉花對養分的競爭能力則強于鷹嘴豆，表現為棉花生長處于優勢地位，鷹嘴豆處于不利地位[27]。綜合分析3種綠肥作物地上部養分積累量(圖2和3產量與養分含量的乘積)，間作條件下檉麻和竹豆氮、磷、鉀總積累量分別達到296 和268 kg/hm2,顯著高于田菁的70 kg/hm2。從改良土壤的角度分析，檉麻和竹豆好于田菁。

本試驗中，與單作玉米相比，間作玉米的全氮、全磷和全鉀含量整體呈增加趨勢。這說明與豆科綠肥間作促進了玉米的養分吸收性能。這與多數禾本科和豆科間作試驗所獲得的研究結果一致[28-29]。間作玉米養分含量的增加得益于間作時土壤有效養分含量的增加[30-31]。不論是單作還是間作，綠肥根系周圍土壤的硝態氮含量顯著高于間作玉米根系周圍土壤。一方面說明豆科綠肥的生物固氮作用提升了土壤氮素營養水平；另一方面，間作時玉米根系可從綠肥根系周圍獲得更多的氮素[32]。本試驗中，間作玉米根系周圍土壤硝態氮含量也表現出整體高于單作玉米土壤的趨勢；且相關分析結果也表明土壤硝態氮含量與植物全氮含量呈顯著正相關關系。此外，土壤速效磷含量和速效鉀含量也呈現出間作玉米土壤高于單作玉米土壤的趨勢。這一結果與間作玉米較高的植株全氮、全磷、全鉀含量是一致的。土壤速效鉀含量與植物全鉀含量之間呈負相關關系，這可能與本試驗相對較低的土壤速效鉀含量有關。本試驗區長期種植冬油菜，基礎土壤速效鉀含量只有47.29 mg/kg，處于較低水平[33]。盡管間作后植物根系的活化作用提高了土壤速效鉀含量[34]，間作植物從土壤帶走的鉀素也顯著高于其他處理，植物仍可能處于一定的鉀素脅迫狀態。

盡管間作時玉米根系周圍土壤速效養分含量和玉米植株養分含量較單作玉米有增加趨勢，但玉米地上部生物產量對間作綠肥的響應不盡相同。如檉麻有促進作用，田菁有抑制作用，而竹豆無影響。這說明豆科綠肥與玉米間作時，土壤養分供應水平的增加并不一定促進地上部產量的增加。間作作物地上部的競爭作用可能也是影響作物生長的重要因素之一[35]。有研究表明玉米、花生(Arachishypogaea)間作可提高玉米光補償點、光飽和點、光飽和時的最大凈光合速率，表現出明顯的間作產量優勢[36]。當玉米與綠肥作物間作時，因相互之間的促進或抑制作用與品種有關[37]，使得單位土地面積所收獲的總生物量(間作綠肥+間作玉米)也存在差異。如玉米與竹豆或田菁間作時，總生物量顯著高于相應單作綠肥或玉米產量，而間作檉麻時總產量與單作綠肥接近。這與綠肥對玉米地上部產量的作用是不一致的。今后在生產中，如以收獲玉米為主要目的，可考慮與檉麻間作；如以收獲營養體為主，可考慮田菁或竹豆。但因田菁總產量較低，沒有實際推廣價值。

間作時地上部植株從土壤帶走的氮、磷、鉀總養分顯著高于單作玉米土壤，如與檉麻和竹豆間作時高達441和425 kg/hm2，而單作玉米土壤只有79 kg/hm2。但從土壤速效鉀、速效磷及堿解氮含量分析，各綠肥間作土壤與單作玉米土壤沒有大的差異。在氮素供應方面，這可能歸功于豆科綠肥的生物固氮作用[38]；在磷和鉀素方面，豆科綠肥的種植可能通過根系分泌物的活化作用，提高了土壤磷素與鉀素的轉化[39-40]。就3種豆科綠肥而言，田菁植株全氮含量和產量最低，且對間作玉米存在抑制作用，不適宜作為玉米的間作綠肥；竹豆盡管生長茂盛，對間作玉米產量也無抑制影響，但其藤蔓纏繞玉米植株，不利于玉米采收，不適宜與玉米間作；檉麻植株有較高的全氮含量和生物產量，且與檉麻間作的玉米地上部產量也最高，適宜作為玉米夏季間作的豆科綠肥。

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The effects of corn and green manure intercropping on soil nutrient availability and plant nutrient uptake

DU Qing-Feng1, WANG Dang-Jun1, YU Xiang-Yu1, YAO Lu-Hua1, HE Yu-Ji1, WANG Rui1, MA Sheng-Lan2, GUO Yan-Jun1*

1.CollegeofAgronomyandBiotechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China; 2.QinghaiMenyuanSeedManagementStation,Menyuan810399,China

Abstract:Intensive cropping and a high multiple cropping index have been shown to be important for food security in China. However, inappropriate cropping systems decreases soil quality and causes environmental problems. In this study, three legume green manures, Crotalaria junceal, Phaseolus calcaltus and Sesbania cannabina were intercropped with summer corn in a winter canola production area in Chongqing, southwestern China. Soil nutrient availability, plant nutrient content, and aboveground biomass yields were assessed. Corn yield increased 35% when intercropped with C. junceal, reduced by 21% when intercropped with S. cannabina, and was not affected by P. calcaltus. No differences in plant nitrogen and phosphorus were detected apart from S. cannabina which had higher nitrogen when intercropped. Potassium contents were higher under monoculture compared with intercropping for all three intercrop species. Compared with monoculture corn, nitrogen, phosphorus and potassium increased in corn intercropped with green manures. Soil NO3 nitrogen, available phosphorus and available potassium under intercropped corn were all higher than under monoculture corn. Correlation analysis indicated that nitrogen content was positively correlated with soil NO3 levels. Among the three legume green crops, S. cannabina had the lowest plant nitrogen content and aboveground yield which negatively influenced corn yield; P. calcaltus had higher aboveground yield and had no effect on corn yield, however its long vines hindered the corn harvest. However, C. junceal had high nitrogen content and high yield, and increased corn yield suggesting that C. junceal might be a suitable legume green manure crop with summer corn.

Key words:legume green manure; corn; soil nutrients; intercropping; nutrient uptake

*通信作者

Corresponding author. E-mail: qhgyj@126.com

作者簡介：杜青峰(1989-),男,山東平原人,在讀碩士。E-mail: 1173355689@qq.com

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2014CB138806) 和中央高?；究蒲袠I務費專項(XDJK2014B002)資助。

收稿日期：2015-10-21；改回日期：2015-11-30

DOI：10.11686/cyxb2015483

http://cyxb.lzu.edu.cn

杜青峰，王黨軍，于翔宇，姚露花，和玉吉，王瑞，馬生蘭，郭彥軍. 玉米間作夏季綠肥對當季植物養分吸收和土壤養分有效性的影響. 草業學報, 2016, 25(3): 225-233.

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