遼西半干旱區不同施氮水平下玉米‖花生系統對花生結瘤特性的影響

馮 晨，馮良山*，孫占祥*，鄭家明，杜桂娟，張東升，張 悅，高硯亮

（1．遼寧省農業科學院耕作栽培研究所，遼寧 沈陽 110161；2．中國農業大學資源與環境學院 北京100193；3．沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧 沈陽 110866）

遼西風沙半干旱區是我國風沙半干旱區的典型代表，也是遼寧省重要的糧食生產基地，該區域擁有豐富的光熱資源，增產潛力巨大，但存在水資源匱乏、旱災頻發、風蝕沙化和水土流失嚴重等突出問題［1-3］，嚴重制約了區域農業和農村的持續發展［4-5］。

針對上述存在問題，結合區域主要作物類型，經多年研究，提出了玉米和花生間作技術模式，并逐漸在區域得到應用和推廣。目前國內外有關玉米‖花生間作的研究有很多，包括間作對產量［6-7］、光合利用［8］及作物養分［9-12］等方面的影響，但針對風沙半干旱區自然環境與資源條件的玉米‖花生體系相關研究極少涉及。已有研究表明，玉米與花生間作能夠改善遼西半干旱區作物土壤水分利用環境，提高農田土地和水分生產力［13］；高硯亮等［13-14］提出4∶4（行比）為更適合于遼西地區的玉米與花生間作模式，并發現玉米‖花生系統可使作物比根長下降，根表面積密度顯著提高；王海新等［15］通過研究得出了較好的玉米‖花生系統防風蝕技術模式。由此可見，已有針對風沙半干旱區的研究也多集中于玉米‖花生系統產量效益與配置篩選，區域風蝕防治，間作體系水分利用和根系分布等方面，有關區域玉米‖花生系統對花生結瘤固氮影響方面的研究尚未見報道，而針對間作花生結瘤固氮進行研究，對于充分發揮間作花生共生固氮功能，減少氮肥施用，提高區域資源利用效率具有重要意義。

為了明確風沙半干旱區玉米‖花生體系花生的結瘤特性，本試驗以農業部阜新農業環境與耕地保育科學觀測實驗站為研究平臺，采用微區試驗，設置不同種植模式及不同施氮量，研究不同供氮水平下玉米‖花生系統對花生根瘤特性的影響，為豐富區域禾本科‖豆科間作理論，以及從養分層面揭示玉米‖花生系統提高旱作農田生產力的機制提供理論和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于阜新市阜新蒙古族自治縣阜新鎮（東經121?46′，北緯42?09′）農業部阜新農業環境與耕地保育科學觀測實驗站。該區域屬溫帶季風大陸性氣候，年均溫6～8℃，5～9月的日照時數1 200～1 300 h，無霜期135～165 d。年降水量350～500 mm，降水變率大，“十年九春旱”是當地基本氣候特征。供試土壤基本理化性質:容重1.35 g/cm3，pH值6.85，有機質13.82 g/kg，全氮0.78 g/kg，全磷0.76 g/kg，全鉀20.79 g/kg，堿解氮29.44 mg/kg，有效磷26.67 mg/kg，速效鉀112.66 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用微區試驗，微區采用聚丙烯板制成，規格為8 m2（2.0 m×4.0 m），隔離深度為1 m。試驗于2015年進行，采用3×3隨機區組設計，包括3種種植方式，分別為玉米單作（M），花生單作（P）和玉米‖花生間作（I），同時設置3個施氮水平，分別為0kg/hm2（N0）、100kg/hm2（N1）、200kg/hm2（N2），每個處理重復3次。玉米單作即微區內種植4行玉米，花生單作即微區內種植4行花生，玉米‖花生間作采用玉米 ∶ 花生2∶2間作模式，即種植2行玉米、2行花生；所有處理作物行距均為0.5 m，玉米株距0.3 m，花生穴距0.14 m（一穴雙株）；玉米和花生品種分別為鄭單958和白沙1016。選用尿素（N 46%）作為試驗用氮肥，均于播種時一次性條施，其他管理正常。

1.3 樣品采集

對不同處理花生根瘤樣品進行采集，分別于花針期、結莢期和飽果成熟期采樣。采取隨機取樣法，在各條帶用鐵鍬隨機挖取整株花生置于牛皮紙上，以保證所有根瘤取出，輕輕抖落根上的土，收集落在紙上的根瘤及帶根瘤的根，并將抖落的土放回原取樣處。樣品取回后將其放在0.15 mm的篩中流水沖洗，摘可見根瘤、計數、風干、稱重。

1.4 參考計算方法

玉米‖花生系統對花生“氮阻遏”的“減緩效應”Ca（%）［16］，是指較高施氮量間作花生相對于低一級施氮量的單作花生的結瘤值的變化率，計算公式為:

Ca（%）=［Yip（n）－Ysp（n－1）］×100/Ysp（n－1）

其中Yip和Ysp分別表示間作和單作花生的結瘤值，n和n－1分別表示高一級和低一級的施氮量，Yip（n）為高一級施氮量間作花生的結瘤值，Ysp（n－1）為低一級施氮量單作花生的結瘤值。若Ca＞0，表示玉米與花生間作根系相互作用促進花生根瘤生長而增加了生物固氮，且減緩了氮肥對花生結瘤和生物固氮的抑制作用，反之亦然。

1.5 數據處理

所得數據采用Excel 2016進行數據整理和作圖，使用SPSS 19.0（ANOVA）進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同供氮水平下玉米‖花生對花生根瘤特性的影響

圖1～3分別為供氮量為0、100和200kg/hm2時各種植模式不同生育時期的花生結瘤特性。由圖1可知，不施氮時，玉米‖花生系統在花針期行1（靠近玉米的花生行）的花生根瘤數為54個/株，行2（遠離玉米的花生行）為56個/株，即無論是靠近玉米或是遠離玉米的花生行，其根瘤數量均顯著高于花生單作（22個/株）；結莢期與成熟期也表現為相同規律，除成熟期花生行2外，其余均表現為間作處理根瘤數量顯著高于單作處理，3個時期間作花生的單株根瘤數（兩行花生根瘤的平均值）分別為55、23和25個/株，分別是單作花生根瘤數的2.5、3.8和2.5倍。

圖1 不施氮各處理不同生育時期的花生結瘤特性

當施氮量增至100 和200kg/hm2時，間作系統的花生根瘤數仍然高于單作系統，其中施氮量為100kg/hm2時，各生育時期間作花生根瘤數量平均值分別是單作花生的1.7、4.5和9.5倍；當施氮量為200kg/hm2時，則分別為單作花生的1.4、13和5.5倍；但與不施氮處理表現不同的是，在花生生長發育中前期（花針期）二者差異未達顯著水平，這可能是因為不施氮處理的氮缺乏，加之間作玉米吸收氮的影響，使得間作花生的缺氮情況加重，從而刺激了其中前期的根瘤發育；而施氮后，這種前期差異會不同程度減少，中后期（結莢期與成熟期）同樣表現出間作花生根瘤顯著高于單作花生，這是由于氮肥施入使得玉米生長更為迅速，從而使間作對花生根瘤的影響顯現出來。

圖2 施氮量100kg/hm2時各處理不同生育時期的花生結瘤特性

圖3 施氮量200kg/hm2時各處理不同生育時期的花生結瘤特性

間作后花生結瘤數增加幅度（花生間作與單作結瘤數之差與單作結瘤數的比值）見于表1，經計算，不施氮肥處理間作兩行花生根瘤數增加幅度分別為2.28和1.31倍，N1水平下根瘤增加幅度分別為5.72和3.92倍；N2水平增加幅度為5.66和3.96倍。由此可見，距玉米行較近的花生根瘤受間作影響較大，這也更加確定了間作體系玉米對花生根瘤生長發育的促進作用。此外，不施肥條件下間作花生根瘤增加幅度為1.79倍，施肥條件下平均增加幅度為4.81倍，因此，間作對施肥條件下花生根瘤形成具有更為顯著的效果。

表1 不同處理各生育時期花生根瘤數的增加幅度

綜上所述，遼西風沙半干旱區玉米‖花生系統可顯著增加各個生育時期的花生根瘤數，3種不同施氮處理間作條件下花生根瘤數均大于單作，且對施氮條件下花生根瘤形成具有更為顯著的促進效果。玉米‖花生體系對花生根瘤形成的影響存在邊行效應，但即使是遠離玉米的花生行其結瘤特性同樣受間作體系的影響。

2.2 玉米‖花生系統對花生“氮阻遏”的減緩效應

氮阻遏是指所有固氮植物均有一個共性，即在有氮的條件下不固氮，固氮酶不能合成，或者失去活性［17］。由表2可知，隨著施氮量的增加，單作花生根瘤數量呈減少趨勢，其中不施氮處理花生單作在花針期、結莢期和成熟期的根瘤數分別為22、6和10個/株；施氮量為100kg/hm2時，單作花生3個生育時期的根瘤數量分別減少至12、6和2個/株；施氮量為200kg/hm2時，根瘤數分別為26、2和2個/株，這正體現了豆科作物花生的“氮阻遏”現象；對于間作花生而言，3個生育時期的根瘤數量也從N0水平的55、23和25個/株，降至N1水平的20、27和19個/株，以及N2水平的37、26、11個/株，由此可見，在遼西風沙半干旱區，與玉米間作后，花生“氮阻遏”現象仍然存在。

表2 玉米‖花生間作種間相互作用對“氮阻遏”的減緩作用

通過對玉米‖花生系統對花生“氮阻遏”的“減緩效應”變化率的計算可以發現，施氮量為100kg/hm2時，玉米‖花生系統在花針期、結莢期和成熟期的變化率分別為-9.09%、328.95%和85.48%；當施氮量為200kg/hm2時，3個生育時期的變化率分別為209.72%、310.53%和580.00%。由此可見，在不同施氮量試驗中根瘤數的Ca（%）平均值總體上都大于0，這說明玉米‖花生系統作物相互作用在花生的整個生育期內起到了減緩“氮阻遏”效應的作用。

3 結論

遼西半干旱區玉米‖花生系統可顯著增加各個生育時期的花生根瘤數，且對施氮處理花生根瘤形成具有更為明顯的促進作用。

玉米‖花生系統對花生根瘤形成的影響存在邊行效應，靠近玉米的花生行根瘤增加幅度大于遠離玉米的花生行。

單作及間作花生都存在“氮阻遏”現象，玉米‖花生系統作物相互作用可對花生“氮阻遏”起到減緩作用。

4 討論

4.1 不同供氮量對間作花生根瘤特性的影響

有關間作對豆科根瘤特性的影響研究大多集中在大豆和蠶豆，對花生的研究極少涉及，多數結論表明氮肥的施用會對大豆、蠶豆等豆科作物根瘤的形成和生長有抑制作用［18-20］，本文針對遼西風沙半干旱區玉米‖花生系統進行研究，所得結果也支持上述結論；房增國等［21］通過玉米－花生混作試驗也得出了相似結論，即玉米－花生混作促進了花生根瘤的形成和生長發育，混作花生的根瘤數顯著高于單作花生；且發現隨著施氮水平的升高，無論單作還是混作，花生根瘤數均顯著降低，但混作處理顯著高于相應單作處理，這也與本項研究結論相一致。此外，本研究發現玉米花生間作對根瘤的促進作用存在邊行效應，這種邊行優勢可能主要由作物間的根系互作引起，這也說明玉米‖花生系統可能通過以下兩方面促進花生根瘤形成:一是玉米需肥量大于花生，因此在間作體系中玉米根系吸收了花生條帶的氮素，使花生條帶低氮從而促進根瘤形成；二是玉米根系產生的分泌物能優化豆科作物的生長環境，促進豆科作物對營養物質和微量元素的吸收［22］，從而有助于花生根瘤生長發育。左元梅等［12］就曾在研究中發現禾本科作物與花生間作可以改善花生的鐵營養狀況。但究竟玉米‖花生間作系統促進花生根瘤形成的機制如何尚需進一步深入研究。

也有相關研究表明適量的氮肥施入有利于豆科作物前期根瘤的形成［19，23］，本研究尚未發現這一現象，這可能歸因于以下兩點，一是本研究所設施氮量相對較高，表現的作用多為抑制；二是本研究調查根瘤集中在花針期、結莢期和成熟期（中前期及中后期），并未對根瘤初始形成時期（苗期）進行研究，因此并未發現施氮對根瘤的階段性促進作用。

4.2 玉米‖花生系統對花生“氮阻遏”的減緩效應

Fan 等［24］、Hardarson 等［25］、Agegnehu 等［26］通過室內和田間試驗研究，發現氮肥會對蠶豆結瘤固氮產生阻遏效應。Salvagiotti等［27］對40年中（1966～2006年）已發表的有關氮肥對大豆固氮影響的108個田間試驗有關數據進行分析，也發現大豆的生物固氮與施氮量之間呈負的指數相關。本研究從玉米‖花生系統角度進一步明確了間作對豆科結瘤固氮的促進作用和間作對“氮阻遏”的“減緩效應”，并發現即使施氮量高達200kg/hm2，玉米‖花生體系中這種減緩作用仍然存在。相關研究結論說明可以通過區域玉米間作花生來充分發揮花生結瘤固氮作用，實現氮肥資源種間高效利用；但該間作系統在區域層面上的“氮阻遏”閾值是多少，如何施氮才能在玉米、花生雙高產的同時，最大程度發揮花生固氮潛力和玉米‖花生系統資源利用優勢，還需要通過微區與田間試驗相結合的方法進一步深入研究。