施氮對套作玉米氮素吸收利用的影響

賈志榮，張美俊，楊武德

施氮對套作玉米氮素吸收利用的影響

賈志榮，張美俊，楊武德

（山西農業大學農學院，山西太谷030801）

研究不同施氮水平下冬小麥/春玉米體系套作玉米的氮素吸收利用特征，并且探索套作玉米氮素高效吸收利用的最適施氮量。試驗采用田間裂區設計，設置4個施氮水平（0，150，300，450 kg/hm2），2個種植模式（春玉米單作和冬小麥/春玉米）。結果表明，整個生育過程，套作玉米相較于單作玉米表現出氮素積累優勢，在施氮量為300 kg/hm2時，套作玉米氮素積累量達到最大；隨施氮量增加，玉米的氮素利用率逐漸降低，但套作玉米仍較單作玉米表現優勢；成熟期套作玉米籽粒的氮素積累量較單作玉米顯著增加；在施氮量為300 kg/hm2時，套作玉米的葉片貢獻率顯著高于單作玉米和其他套作玉米施氮處理。套作玉米具有氮素吸收利用及轉運優勢，合理施氮可促進套作玉米葉片氮素向籽粒轉運。

套作玉米；氮素積累量；氮素利用效率；氮素分配

氮是植物生長發育所必需的營養元素，在保障糧食穩產、增產中起到重要作用[1]。但是氮素流動性大、不易固定以及生產中不合理的施用，導致氮的大量流失，最終降低了氮素的利用率[2]。因此，氮的高效利用對國家的糧食生產安全和環境安全起到至關重要的作用。間作套種在我國具有悠久的歷史，長期以來的生產勞動證實，間作套種在提高作物產量上有突出貢獻[3]。間作套種可以通過搭配種植不同作物使它們之間產生互作作用來達到增產、增效的目的[4-5]。小麥/玉米間套作在西北、西南、內蒙、華北等地廣泛使用[6-7]。小麥玉米間套作模式作為一種禾本科間套模式，充分利用不同物種時空生態位互補效應，錯開物種對于養分、水分和光照的吸收利用高峰，是一種高產量、高效率的間套作模式。目前，農業生產已經由資源消耗型向技術效益型逐漸轉變，資源的高效利用已成為間作套種研究的重點[8]。研究表明，小麥與玉米進行間套作能提高小麥對養分的吸收和利用，最終使小麥產量增加40%～70%。小麥與玉米套作系統中，小麥處于競爭優勢，對土壤和肥料氮的競爭力強于玉米，玉米為劣勢作物，可通過增施適量氮肥減弱種間的競爭[9]；LI等[10]、劉廣才等[11]的田間試驗表明，共生期玉米根系的生長范圍會受到小麥生長的影響，玉米根系無法延伸到小麥根系分布區，而小麥根系可延伸到玉米根區，間套作小麥具有養分吸收優勢，增產顯著。小麥玉米間套作的種間相互作用表現為競爭恢復的變化過程，并通過這一過程最終獲得生長和養分吸收上的優勢[12]。趙亞妮等[13]研究表明，施氮可調節作物的種間競爭能力，增加施氮量至適宜水平后，小麥受套入玉米的競爭減弱達到雙贏效果。然而，目前有關小麥/玉米套作體系套作玉米氮素調控管理及吸收利用的研究較少。

本試驗通過設置冬小麥/春玉米田間試驗，研究不同施氮水平下，套作玉米的氮素吸收利用特征，旨在為冬小麥/春玉米在晉中地區的高產種植以及氮素的高效吸收利用提供理論與實踐依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試春玉米品種為潞鑫二號；冬小麥品種為長4738。

1.2 試驗設計

試驗于2015—2016年在山西農業大學試驗農場進行，試驗土壤肥力中等，有機質13.74 g/kg，全氮 0.84g/kg，速效磷 6.53mg/kg，速效鉀 145.86mg/kg。

冬小麥于2015年10月3日條播，2016年6月22日收獲；春玉米于2016年4月22日點穴播種。試驗采用二因素裂區設計，主區為氮肥，套作春玉米帶和春玉米單作區設置4個氮肥水平：0 kg/hm2（N0）；150 kg/hm2（N1）；300 kg/hm2（N2）；450 kg/hm2（N3），氮肥基追比為1∶1，在大喇叭口期追肥。套作冬小麥帶施氮肥225kg/hm2，氮肥基追比為1∶1，在拔節期追肥。磷肥（120 kg/hm2）和鉀肥（150 kg/hm2）作為基肥在播前一次性施入。副區為種植模式：冬小麥與春玉米套作（W/M）和春玉米單作（M）。6次重復，3次重復用于生育時期取樣，3次重復用于成熟期測產，共48個小區。

春玉米單作（M）小區面積為3.6 m×9.0 m＝32.4 m2。冬小麥與春玉米套作（W/M）小區面積為17.6 m×9.0 m＝158.4 m2。冬小麥行距為20 cm，密度為450萬株/hm2。春玉米行距為40 cm，株距為33.3 cm。冬小麥/春玉米（W/M）采用6∶2套作，套作區冬小麥與春玉米間距為30 cm。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 玉米干物質積累及植株氮含量的測定 分別在苗期、拔節期、大喇叭口期、吐絲期、吐絲后20 d、成熟期采集長勢一致的植株樣品，自玉米根部齊地面割下，每次每小區采集4株。把各器官分別稱鮮質量后，105℃下殺青 30 min，80℃（12～24 h）烘干至恒質量，再稱干質量，將烘干的植株樣研磨粉碎，放于干燥處待用。用凱氏定氮法（H2SO4-H2O2消煮）測定氮含量。

1.3.2 玉米產量測定 于玉米成熟期（8月30日）取測產區樣調查小區產量，在玉米單作區和套作區每小區隨機取20個果穗進行室內考種，分別計算單位土地面積玉米產量。

1.3.3 指標計算 植株地上部氮積累量（kg/hm2）＝各生育時期地上部各器官生物量（kg/hm2）×各器官含氮量（kg/kg）；氮素生理利用率（kg/kg）＝（施氮區籽粒產量－不施氮區籽粒產量）/（施氮區植株地上部積累量－不施氮區植株地上部積累量）；氮素農學利用率（kg/kg）＝（施氮區籽粒產量－不施氮區籽粒產量）/施氮量；氮肥偏生產力（kg/kg）＝籽粒產量/施氮量；葉片（莖、鞘）氮轉運量＝吐絲期氮積累量－成熟期氮積累量；葉片（莖、鞘）氮轉運對籽粒的貢獻率＝氮轉運量/成熟期氮積累量×100%；氮素收獲指數＝籽粒氮積累量/成熟時植株氮積累總量×100%。

1.4 數據處理

采用Excel和DPS軟件對數據進行t檢驗或Tukey新復極差多重比較。

2 結果與分析

2.1 種植模式和施氮量對玉米氮素積累的影響

由表1，2可知，不同種植模式對苗期和拔節期玉米的氮素積累量無顯著影響（P＞0.05），但對其他生育時期玉米的氮素積累量的影響均達到極顯著水平（P＜0.01）；不同施氮水平對苗期玉米的氮素積累量無顯著影響（P＞0.05），對拔節期的影響達到顯著水平（P＜0.05），對其他生育時期的影響均達到極顯著水平（P＜0.01）；種植模式和施氮水平的交互效應對大喇叭口期玉米的氮素積累量達到極顯著水平（P＜0.01），在吐絲期和吐絲后20 d達到顯著水平（P＜0.05），在其他生育時期均無顯著差異（P＞0.05）。

套作玉米跟單作玉米一致表現為：隨施氮量的增加，氮素積累量在各生育時期均呈先增后減的變化趨勢，均在N2處理水平達到最高值，氮素積累量總體趨勢表現為N2＞N3＞N1＞N0。同一施氮水平下，套作玉米與單作玉米一致表現為：隨生育進程的推進，氮素積累量逐漸增加，成熟期達到最大值。從大喇叭口期開始，相同施氮水平下套作玉米氮素積累量均顯著大于單作，如在大喇叭口期，N0，N1，N2，N3水平下，套作玉米氮素積累量較單作玉米分別顯著提高了42.46%，64.94%，61.76%，55.18%，說明套作具有顯著增加玉米氮素積累量的優勢。

表1 不同生育時期玉米氮素積累量 kg/hm2

表2 2種處理對不同生育時期玉米氮素積累量的方差分析

2.2 種植模式和施氮量對玉米氮素分配的影響

由圖1可知，不同施氮處理，單作和套作玉米成熟期各器官氮素積累量隨施氮量的增加表現為先升高后降低的趨勢，均在N2處理水平下達到最大值，即施氮量超過300 kg/hm2時，玉米各器官氮素積累量不再增加。且單作玉米和套作玉米莖鞘、葉片、籽粒各器官氮素積累量在不同施氮水平下差異均達顯著水平（P＜0.05），如在套作模式下，玉米葉片氮素積累量N2處理水平比N0，N1，N3處理水平顯著增加了99.18%，38.6%，22.95%。同一施氮量下，不同種植模式對玉米成熟期各器官氮素積累量影響表現為：單作玉米葉片、莖鞘器官氮素積累量均顯著高于套作玉米，套作玉米籽粒器官氮素積累量均顯著高于單作玉米。套作玉米籽粒中氮素積累量在N0，N1，N2，N3處理下，分別比同水平單作玉米顯著增加40.27%，40.49%，20.57%和26.06%。

從表3可以看出，2種種植模式下成熟期玉米各器官氮含量在整株氮素積累量中的占比表現為：籽粒＞葉片＞莖鞘＞苞葉，籽粒占比達到1/2以上。2種種植模式下玉米莖鞘和葉片的氮素積累量均表現為單作顯著大于套作，分別顯著增加33.01%和44.49%，但在整株氮素積累量中的占比不大；而在整株中占比最大的為籽粒，套作相對于單作增長27.69%，達顯著性差異水平（P＜0.05），說明套作有利于氮素向籽粒中轉移。

表3 成熟期玉米各器官氮素積累量占整株的比例 %

2.3 種植模式和施氮量對玉米氮素利用率的影響

由表4，5可知，不同種植模式對玉米氮素生理利用率和氮肥偏生產力的影響均達到極顯著水平（P＜0.01），對玉米氮素農學利用率的影響達顯著水平（P＜0.05）；不同施氮量對玉米氮素生理利用率、氮肥偏生產力和氮素農學利用率的影響均達到極顯著水平（P＜0.01）；施氮水平和種植模式交互效應對玉米氮素生理利用率和氮肥偏生產力達到極顯著水平（P＜0.01），對玉米氮素農學利用率無顯著差異（P＞0.05）。

表4 玉米氮素利用率

表5 2種處理對玉米氮素利用率的方差分析

由表4可知，施氮量從N1增加到N3，單、套作玉米的氮素生理利用率、氮素農學利用率和氮肥偏生產力均隨之降低。說明增施氮肥會明顯降低玉米氮素利用率。總體來看，套作玉米的氮素生理利用率、氮素農學利用率和氮肥偏生產力都比單作玉米顯著提高，如在N1施氮水平下，氮素生理利用率套作玉米比單作玉米高25.45%，氮素農學利用率套作玉米比單作玉米高14.44%，氮肥偏生產力套作玉米比單作玉米高5.6%。說明套作玉米的氮素利用率顯著高于單作玉米。

從表6，7可以看出，不同種植模式對玉米葉片貢獻率和氮素收獲指數的影響達到極顯著水平（P＜0.01），但對莖鞘貢獻率無顯著性影響（P＞0.05）；不同施氮水平對玉米葉片和莖鞘貢獻率的影響達到極顯著性水平（P＜0.01），對氮素收獲指數無顯著性影響（P＞0.05）；種植模式和施氮水平交互效應僅對葉片貢獻率達到極顯著水平。

同一施氮水平下，單作與套作玉米氮收獲指數和莖鞘貢獻率均沒有達到顯著水平。單作玉米和套作玉米的葉片貢獻率僅在施氮量N2水平下達顯著差異，套作玉米比單作玉米顯著增加11.35%；且套作玉米在施氮量N2水平下的葉片貢獻率顯著高于其他套作玉米施氮處理，分別比施氮量N0，N1，N3水平顯著提高13.19%，11.75%，16.17%，表明合理的 施氮水平下，套作有利于玉米葉片氮素向籽粒轉運。

表6 玉米籽粒氮素利用率

表7 2種處理對玉米籽粒氮素利用率的方差分析

3 討論

間套作是一種傳統的農藝技術[14-15]，也是現代農業高產高效的主要措施之一。資源的有效利用是間套作產量優勢的生物學基礎。間套作產量優勢是以養分吸收優勢為物質基礎[16-17]。本試驗條件下，冬小麥與春玉米套作體系的玉米氮素積累量在成熟期達到最高值。不同生育時期玉米氮素積累量均表現為隨施氮量的增加先升后降的變化趨勢，在N2處理（300 kg/hm2）水平下，玉米氮素積累量達到最大值，雍太文等[18]、徐婷等[19]在進行田間玉米間套作試驗時也發現，隨著玉米的生長其氮素積累量持續增加，且隨施氮量的升高先升后降。

在玉米中后期，同一氮肥水平下，套作玉米氮素積累量均顯著大于單作，說明套作具有顯著增加玉米中后期氮素積累量的優勢。研究表明，小麥收獲后間套作玉米單位根長吸氮速率顯著高于單作，是單作玉米的1.97倍，這歸功于間套作玉米生長和養分吸收的快速恢復機制[20]。本試驗玉米于4月22日播種，小麥于6月下旬收獲，小麥玉米有2個月的共生期。GOU等[21]研究指出，較長的共生期對小麥起到抑制作用，而為玉米在后期獲得較高的干物質積累量提供了有利條件，本試驗中后期套作玉米相對于單作玉米氮素積累量的顯著增加可能也與套作玉米干物質積累量提高有關。在本試驗氮肥水平下，套作玉米的氮素利用率具有顯著高于單作的趨勢，其中，氮肥偏生產力、氮素生理利用率、氮素農學利用率與單作玉米分別平均高出8.72%，10.15%，14.77%。本研究認為，由于套作模式較單作模式具有氮素積累和利用的優勢，在生育后期有部分氮素從各器官轉移到籽粒中去，使得成熟期套作玉米籽粒中氮素積累量顯著高于單作玉米。

本研究顯示，在N2處理（300 kg/hm2）水平下，套作玉米的葉片貢獻率顯著高于單作玉米，且套作玉米在N2水平下的葉片貢獻率顯著高于其他套作玉米施氮處理，表明合理的氮肥供應，有利于套作玉米葉片氮素向籽粒轉運。有研究顯示，小麥與玉米套作體系中，小麥與玉米之間的互作效應與施氮量的多少密切相關；氮素水平不足時，小麥表現競爭優勢，增施氮素，玉米受小麥競爭優勢影響逐漸降低，當氮素水平達到臨界值（300 kg/hm2）時，2種作物達到互作效果均表現生長優勢，認為在小麥與玉米套作體系中合理施用氮肥，可以降低種間競爭作用[13]。

4 結論

本試驗表明，套作玉米相對于單作玉米具有氮素積累、利用及向籽粒轉運的優勢，在施氮量為300 kg/hm2條件下，冬小麥/春玉米體系套作玉米氮素吸收利用達到最優，過量施氮沒有獲得更高氮素積累量及利用效率，并可能會加劇環境污染，因此，冬小麥/春玉米體系適量施氮有助于發揮套作優勢。

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Effects of Nitrogen Fertilizer on Nitrogen Uptake and Utilization of Intercropped Maize

JIA Zhirong，ZHANGMeijun，YANGWude
（Collegeof Agronomy，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

The aim of the experiment was to study the nitrogen uptake and utilization characteristics of intercropped maize under different nitrogen application,and explore the optimumnitrogen application levels,which helped intercropping maizetouptakeand utilize efficiently nitrogen in winter wheat/spring maize system.A split block field experiment was designed with four nitrogen application levels（0,150,300,450 kg/hm2）,and two planting patterns（spring maize monoculture and winter wheat/spring maize）.The results showed that during the whole growing period,intercropping maize showed the advantage of nitrogen accumulation compared with monoculture maize,and the value of its nitrogen accumulation reached maximum at the nitrogen application of 300 kg/hm2.With the increasing of nitrogen application,the utilization efficiency of maizeto nitrogen gradually decreased,however,the intercroppingmaizestill showed great advantages than maize monoculture.At mature stage,the amount of nitrogen accumulation in grain of intercropping maize significantly increased compared with that of monoculture maize.When the nitrogen application was 300 kg/hm2,the NCPin leave of intercropping maize was significantly higher than that of monoculture maize and other nitrogen application levels in intercropping maize field.It concluded that intercropped maize had advantages in nitrogen uptake,utilization and transfer,furthermore,reasonable nitrogen application could promote thenitrogen transfer of intercropped maizefromleave to grain.

intercropped maize;nitrogen accumulation;nitrogen utilization efficiency;nitrogen allocation

S513；S344.3

A

1002-2481（2017）12-1960-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.12.16

2017-07-25

國家重點研發計劃項目（2016YFD0300202）；山西省科技攻關項目（20150311002-4）

賈志榮（1992-），男，山西臨汾人，在讀碩士，研究方向：作物生態。張美俊為通信作者。