東北地區西部不同燕麥帶狀間作模式的產量及氮素吸收效應

錢 欣，臧華棟，葛軍勇，曾昭海，任長忠，郭來春，王春龍，胡躍高

(1.中國農業大學農學院，北京 100193； 2.河北省張家口市農業科學院，河北張家口 075000；3.吉林省白城市農業科學院，吉林白城 137000)

東北地區西部不同燕麥帶狀間作模式的產量及氮素吸收效應

錢 欣1，臧華棟1，葛軍勇2，曾昭海1，任長忠3，郭來春3，王春龍3，胡躍高1

(1.中國農業大學農學院，北京 100193； 2.河北省張家口市農業科學院，河北張家口 075000；3.吉林省白城市農業科學院，吉林白城 137000)

為給東北地區西部種植模式優化提供可行的帶狀間作組合，于2014-2015年，在吉林省白城市開展了連續兩年的大田試驗，研究了燕麥//玉米、燕麥//向日葵及燕麥//綠豆三種帶狀間作模式的產量及氮素吸收效應。結果表明，三種間作模式均具有顯著的產量優勢及較高的氮素吸收效率，土地當量比(LER)及氮素吸收當量比(NER)均大于1，燕麥//向日葵帶狀間作的LER及NER分別為1.23～1.38、1.29～1.44，兩年內均為最高。燕麥//向日葵間作中，兩種作物的邊行產量均顯著高于單作及內行，對間作燕麥、向日葵產量的貢獻率分別為44.2%～45.1%、69.9%～70.8%，具有顯著的邊行優勢。綜合分析認為，燕麥//向日葵帶狀間作在東北地區西部具備一定的推廣應用價值。

帶狀間作；土地當量比；氮素吸收當量比；邊行效應

以玉米、水稻為代表的高度集約化種植模式一方面確保了東北地區在保障國家糧食安全方面的重要地位；另一方面，該模式下的高水肥投入致使東北地區尤其是東北西部生態脆弱區面臨著土地荒漠化、地下水污染以及土壤酸化等一系列的環境問題[1-3]，該區耕地已有97.01%處于生態不安全和較不安全級別[4]。因此，在東北地區西部尋求一種可持續的集約化種植模式迫在眉睫。

間套作是在同一地塊上同時種植兩種或兩種以上作物的多熟種植模式[5]，時間以及空間上的集約化使其具有明顯的產量優勢[6]。作物的生態位置差異使間套作系統具備較高的水分、氮肥、磷肥以及光照等資源利用效率[7-10]；另外，間套作在控制病蟲草害，減少農藥用量方面也有一定的積極作用[11-12]。強化生態服務的功能使間套作在可持續農業中扮演著重要角色。

間套作在我國經歷了兩千多年的發展歷史，從低投入低產出逐步演變為高投入高產出的集約化種植模式，在現代農業中仍具有一定地位[13]。在西北干旱半干旱地區，小麥//玉米、小麥//棗樹以及燕麥//馬鈴薯等間作模式較為普遍[14-16]。東北地區間套作模式十分少見，近年來，燕麥作為一種糧飼兼用的作物，在東北地區西部農牧交錯帶種植業結構中扮演著越來越重要的角色，在春小麥面積逐年萎縮的背景下，燕麥成為該地區種植制度調整的重要作物。楊學超等[17]發現，吉林西部地區燕麥//綠豆以2∶1比例進行間作，在施氮量為90 kg·hm-2時土地當量比可以達到1.49；馮曉敏等[18]發現，燕麥//花生、燕麥//大豆以2∶2比例間作，不施氮時土地當量比分別為1.41～1.63和1.31～1.52。上述結果表明，燕麥與豆科作物間套作在東北西部地區具有較高的土地利用效率。由于目前的間套作種植模式帶幅設計較窄，不利于機械化作業，面臨著難以大面積推廣應用的問題[19]。本研究在東北地區西部的吉林省白城市開展兩年大田試驗，選擇玉米、向日葵及綠豆三種當地主要旱地栽培作物與燕麥進行帶狀間作，研究三種模式下的產量及氮素吸收效應，以期篩選出適合當地生態條件以及小型機械化作業的帶狀間作模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014年至2015年在吉林省白城市農科院(45° 37′N,122° 48′E)進行，該地屬于溫帶大陸性季風氣候，年均日照時數2 919.4 h，年均氣溫4.9 ℃，無霜期157 d，年均降水量407.9 mm。試驗地土壤類型為淡黑鈣土，耕層土壤(0～20 cm)有機質含量17.4 g·kg-1、全氮含量1.12 g·kg-1、有效磷含量12.2 mg·kg-1、速效鉀含量102.4 mg·kg-1、pH 8.2。前茬作物為馬鈴薯。生育期氣象數據由白城市氣象局提供(圖1)。

圖1 生育期降雨量及日均氣溫

1.2 試驗設計及管理

試驗采用完全隨機區組設計，小區面積108 m2(10.8 m×10 m)，種植模式分別為燕麥(TO)、玉米(TM)、向日葵(TS)、綠豆(TB)單作以及燕麥//玉米(TOM)、燕麥//向日葵(TOS)、燕麥//綠豆(TOB)帶狀間作，共7個處理，每個處理重復3次。燕麥于5月8日播種，7月30日收獲；玉米于5月8日播種，9月18日收獲，向日葵及綠豆于6月8日播種，9月18日收獲，2014年及2015年各作物播期、收獲期均一致。燕麥單作及間作行距均為30 cm，播量150 kg·hm-2；玉米、向日葵單作及間作株距、行距均為30 cm、60 cm；綠豆單作及間作株距、行距均為10 cm、60 cm。供試燕麥、玉米、向日葵、綠豆品種分別為白燕2號、鄭單958、白葵雜6號和白綠8號。

帶狀間作模式中帶寬3.6 m，每小區三組條帶。其中，燕麥6行，玉米、向日葵及綠豆均為3行。所有處理氮、磷、鉀肥施用量一致(N、P2O5、K2O分別為150、60、50 kg·hm-2)，于播種前作為基肥一次性施入。燕麥、向日葵、綠豆每年均灌溉兩次，玉米每年灌溉四次，每次灌溉量50 mm，采取漫灌方式，灌溉時間取決于當年降雨情況。本試驗中，播種、除草、收獲均采用人工方式。

1.3 樣品采集及測定項目與方法

籽粒產量測定：燕麥成熟期每小區取1.8 m2(1.8 m×1 m)樣方；玉米、向日葵、綠豆成熟期于單作小區中間行取長勢均勻相連植株9株(1.62 m2)，間作小區中間條帶每行取相連植株3株(共9株，1.62 m2)。

成熟期地上部干物質積累量測定：單作燕麥于中間行齊地取2行50 cm樣段，間作燕麥于中間條帶取6行25 cm樣段；單作玉米、向日葵、綠豆于中間行取相連植株3株，間作玉米、向日葵、綠豆分別于兩個邊行及中間行取相連植株2株。樣品于105 ℃殺青30 min，85 ℃烘干至恒重。

樣品粉碎后，H2SO4-H2O2消煮后用凱氏定氮法測定樣品全氮含量。

1.4 相關計算公式

土地當量比(LER)用于衡量間作的產量優

勢，計算公式為：

(1)

式中，LO、LS分別為燕麥、玉米(向日葵、綠豆)偏土地當量比；Yso、Yss為單作燕麥和單作玉米(向日葵、綠豆)的籽粒產量；Yio、Yis為間作總面積上燕麥和玉米(向日葵、綠豆)籽粒產量；當LER>1時，表示間作系統具有產量優勢。

氮素吸收當量比(NER)用來衡量間作系統的氮素吸收效率,計算公式為：

(2)

式中，NERO、NERS分別為燕麥、玉米(向日葵、綠豆)氮素偏吸收當量比；Nso、Nss分別為單作燕麥和單作玉米(向日葵、綠豆)的吸氮量；Nio、Nis分別為間作總面積上燕麥和玉米(向日葵、綠豆)吸氮量；當NER>1時，說明相對于單作，間作提高了系統的氮吸收效率。

1.5數據處理

采用Excel 2013進行數據整理，Sigmaplot 12.5繪制圖形，利用SPSS 20進行方差分析及LSD多重比較。

2 結果與分析2.1 不同種植模式下燕麥的產量及地上部吸氮量

燕麥//玉米帶狀間作模式下，燕麥籽粒產量在2014年較單作提高10.3%，差異顯著，但在2015年降低8.5%(表1)，差異顯著；2014年生物產量及地上部吸氮量與單作相比，均無顯著差異；

表1 不同種植模式下燕麥籽粒和生物產量及地上部吸氮量Table 1 Grain yield,biomass and above ground nitrogen uptake of oat in different cropping patterns kg·hm-2

相同年份同列數據后不同字母表示差異在5%水平顯著；間作與單作籽粒、生物產量以及地上部吸氮量均在同等土地面積的基礎上計算得出。

Values followed by different letters in the same column in the same year are significantly different at 5% level.Grain yield,biomass and nitrogen uptake of sole crop and intercrop were calculated on the basis of the same land area.

2015年則分別較單作提高13.3%、16.7%，差異顯著。燕麥//向日葵、燕麥//綠豆帶狀間作模式中，2014年燕麥籽粒產量、生物產量及地上部吸氮量與燕麥單作之間無顯著差異；2015年這兩種模式下，燕麥籽粒產量均提高8.9%，生物產量提高12.8%、27.5%，地上部吸氮量提高31.6%、30.8%，差異均顯著。

2.2不同種植模式下玉米、向日葵及綠豆的產量及地上部吸氮量

間作玉米的籽粒產量、生物產量及地上部吸氮量在2014、2015年較單作玉米分別提高了15.2%～29.0%、21.4%～33.8%及29.4%～31.8%，差異顯著(表2)。間作向日葵的籽粒產量、生物產量及地上部吸氮量在2014-2015年較單作向日葵分別提高了36.3%～66.0%、34.1%～46.8%及50.3%～55.7%,差異顯著。間作綠豆與單作綠豆間的籽粒、生物產量及地上部吸氮量在2014年和2015年均無顯著差異。

2.3不同種植模式的土地當量比及氮素吸收當量比

2014及2015年所有帶狀間作模式的土地當量比及氮素吸收當量比均大于1(圖2)，說明與單作相比，帶狀間作提高了土地利用效率及氮素吸收效率。間作模式之間比較，兩個生產季，燕麥//向日葵帶狀間作的土地當量比為1.23～1.38，顯著高于燕麥//玉米(1.10～1.14)、燕麥//綠豆(1.05～1.08)(2014年燕麥//玉米除外)；燕麥//向日葵帶狀間作的氮素吸收當量比為1.29～1.44，較燕麥//玉米、燕麥//綠豆分別提高了11.1%～16.8%、16.8%～25.9%，差異顯著。

表2 不同種植模式下玉米、向日葵及綠豆籽粒、生物產量及地上部吸氮量Table 2 Grain yield,biomass and above ground nitrogen uptake of maize,sunflower and mung bean in different cropping patterns kg·hm-2

同種作物同年份數據后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Different letters following the date of the same crop and year mean significant different(P<0.05) between treatments.

2.4 不同種植模式下燕麥的邊行效應

燕麥//玉米帶狀間作模式下，2014年間作燕麥邊行籽粒產量為196.2 g·m-1，顯著高于單作及間作內行，2015年三者間無顯著差異(圖3)。燕麥//向日葵帶狀間作模式下，兩年間作燕麥邊行籽粒產量(242.2、209.1 g·m-1)均顯著高于單作及間作內行，邊行對間作燕麥產量的貢獻率為44.2%～45.1%，高于邊行所占比例(33.3%)。燕麥//綠豆帶狀間作模式中，兩年中燕麥邊行籽粒產量(209.1、194.6 g·m-1)也顯著高于單作及間作內行，邊行對間作燕麥產量的貢獻率為42.2%～42.9%，高于邊行所占比例(33.3%)。

2.5 間作玉米、向日葵及綠豆的邊行效應

間作玉米邊行籽粒產量(881.8、700.7 g·m-1)及間作向日葵邊行籽粒產量(333.8、281.7 g·m-1)均顯著高于單作及間作內行(圖4)，邊行對間作玉米、向日葵產量的貢獻率分別為(70.2%～70.9%、69.9%～70.8%)，均高于邊行所占比例(66.7%)。間作綠豆邊行籽粒產量(242.4、207.5 g·m-1)顯著高于單作，但與間作內行無顯著差異。

TOM、TOS和TOB分別代表燕麥//玉米、燕麥//向日葵及燕麥//綠豆帶狀間作；相同年份圖柱上不同字母表示處理間差異在5%水平顯著。下同。

TO為燕麥單作；TOM-B、TOS-B和TOB-B分別代表燕麥//玉米、燕麥//向日葵及燕麥//綠豆帶狀間作燕麥邊行；TOM-I、TOS-I和TOB-I為各間作模式下燕麥中間行。

圖4 不同種植模式下玉米、向日葵及綠豆的行產量

3 討 論

間作系統中兩種作物共生期較長時，種間競爭強度易受外部環境的影響，從而表現出生產效應上的不穩定[20]。本研究中，2014年、2015年燕麥孕穗期至成熟期降雨量分別為130.0 mm、32.2 mm(圖1)，燕麥//玉米帶狀間作模式下，兩種作物共生期為80 d，由于燕麥在孕穗后抗旱性減弱，干旱脅迫可使籽粒減產51.8%以上[21]，玉米處于競爭優勢地位，導致間作燕麥產量在2015年較單作顯著降低(8.5%)。燕麥//向日葵、燕麥//綠豆間作系統中兩種作物共生期為50 d，且作為早播作物的燕麥在孕穗-灌漿期時向日葵、綠豆仍處于苗期，燕麥處于競爭優勢地位，故2015年這兩種模式下，間作燕麥籽粒產量、生物產量及地上部吸氮量均較單作顯著提高。

間作系統中，晚熟作物的產量效應取決于共生期作物間的競爭強度以及早熟作物收獲后晚熟作物的恢復能力[22]。本研究中，間作玉米、向日葵較強的恢復能力使其充分利用了燕麥收獲后的有利環境，從而獲得了較單作高的籽粒、生物產量以及吸氮量。綠豆作為一種矮桿作物，前期在與燕麥的競爭中處于絕對劣勢地位，且燕麥收獲后綠豆恢復能力較弱，故間作綠豆與單作綠豆間在籽粒產量、生物產量以及吸氮量方面均無顯著差異。

土地當量比(LER)以及氮素吸收當量比(NER)被用以評價間作系統的土地利用效率及氮素吸收效率。本研究中，燕麥//向日葵帶狀間作的LER及NER最高，分別為1.23～1.38、1.29～1.44，說明該模式具有更高的土地利用及氮素吸收效率，這與董宛麟等[23]研究結果基本一致。

邊行效應是間作優勢的主要來源之一[14]。在燕麥//向日葵、燕麥//綠豆帶狀間作模式中，燕麥作為早播作物具有顯著的邊行優勢，這主要是由于間作系統中早播作物邊行較內行及單作具有更優越的生長環境[24]；兩種模式下，邊行對間作燕麥產量的貢獻率分別為44.2%～45.1%、42.2%～42.9%，而Gou等[25]在小麥//玉米間作上的研究結果表明，早播作物小麥邊行(所占比例33%)對間作小麥產量的貢獻率為50%，造成這種差異的原因可能為本實驗中燕麥帶幅設計較寬，行距較大，沒有充分發揮出間作燕麥的邊行優勢。在燕麥收獲后，間作玉米、向日葵邊行擁有更優的生長環境，使得最終邊行產量顯著高于內行及單作，這一過程可用Zhang等[22]提出的“競爭-恢復生產理論”解釋。間作綠豆邊行及中間行產量均顯著高于單作內行，而間作綠豆整體產量雖高于單作綠豆，差異卻不顯著，其原因可能是取樣量及計算方法不同所導致。

4 結 論

東北地區西部燕麥//玉米、燕麥//向日葵和燕麥//綠豆等三種帶狀間作模式具有顯著的產量優勢及較高的氮素吸收效率，LER及NER均大于1，其中，燕麥//向日葵帶狀間作LER及NER分別為1.23～1.38、1.29～1.44，兩年內均為最高。燕麥//向日葵間作中，兩種作物的邊行產量均顯著高于單作及內行，對間作燕麥、向日葵產量的貢獻率分別為44.2%～45.1%、69.9%～70.8%，具有顯著的邊行優勢。綜合分析認為，燕麥//向日葵帶狀間作在東北地區西部具備一定的推廣應用價值。

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YieldandNitrogenUptakeofVariousOatStripIntercroppingPatternsinWesternofNortheastChina

QIANXin1,ZANGHuadong1,GEJunyong2,ZENGZhaohai1,RENChangzhong3,GUOLaichun3,WANGChunlong3，HUYuegao1
(1.College of Agronomy and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing 100193,China; 2.Zhangjiakou Academy of Agricultural Sciences,Zhangjiakou,Hebei 075000,China; 3.Baicheng Academy of Agricultural Sciences,Baicheng,Jilin 137000,China)

In order to provide an optimal strip intercropping pattern for oat growing in western of Northeast China,two-year(2014-2015) field trails were conducted in Baicheng of Jilin province. The objective of this study was to compare the yield and nitrogen(N) utilization in the strip intercropping patterns of oat//maize,oat//sunflower,and oat//mung bean. All intercropping patterns had significant advantages in crop yield and N utilization. The land equivalent ratio(LER) and N equivalent ratio(NER) of all intercropping patterns were higher than 1. Among the three patterns,LER and NER of oat//sunflower were highest,1.23 to 1.38 and 1.29 to 1.44 in 2014 and 2015,respectively. The yield of edge row of oat and sunflower were significantly higher than those of inner row and sole cropping,with the contributing rate of 44.2% to 45.1% and 69.9% to 70.8%,respectively. Overall,oat//sunflower strip intercropping is the optimal intercropping pattern.

Strip intercropping; Land equivalent ratio; Nitrogen uptake equivalent ratio; Edge effect

時間：2017-08-08

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170808.0911.028.html

2017-01-23

2017-02-15

國家燕麥蕎麥產業技術體系項目(CARS-08-B-1)

E-mail：qianxin203@163.com

胡躍高(E-mail：huyuegao@cau.edu.cn)

S512.6；S311

： A

：1009-1041(2017)08-1105-07