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玉/豆和玉/薯模式下玉米氮素吸收利用差异及氮肥调控效应

本站小编 Free考研考试/2021-12-26

王小春1, 杨文钰1,*, 邓小燕1, 张群1, 雍太文1, 刘卫国1, 杨峰1, 毛树明2
1四川农业大学农学院 / 农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室, 四川温江 611130

2仁寿县农业局, 四川仁寿 620500

* 通讯作者(Corresponding author): 杨文钰, E-mail:wenyu.yang@263.net 收稿日期:2013-09-16 基金:本研究由国家公益性行业(农业)科研专项(201103001), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-04-PS19), 四川省育种攻关项目(2011NZ0098-15-2)和四川玉米单季稻大面积均衡增产技术集成研究与示范项目(2012BAD04B13-2)资助。;

摘要研究西南地区玉米主要2种套作模式下氮素吸收利用差异及氮肥调控效应, 为氮素高效利用提供科学依据。在四川2个玉米主产区, 通过连续4年的大田试验, 对比研究了玉/豆和玉/薯模式下玉米氮素吸收利用差异和不同供氮水平对玉米氮素吸收的调控效应。结果表明, 玉/豆模式下玉米收获期植株中的氮素积累2个试验点平均较玉/薯模式增加7.11%, 氮收获指数增加2.00%左右, 氮素吸收效率增加7.83%, 成熟期籽粒中氮素的分配比例增加1.76%, 而叶、茎鞘中氮素的分配比例分别减少5.85%和2.75%。分带轮作后, 由于不同前茬对土壤养分影响不同, 再加上套作优势, 玉/豆模式下玉米在生长前期就表现出明显的优势, 到收获期植株氮素积累2个试验点平均较玉/薯增加11.85%, 氮素吸收效率增加11.84%。在玉米氮素积累关键时期, 玉/豆模式在低氮处理下玉米植株氮素的积累量显著高于玉/薯模式相同施氮处理, 而在高氮处理下2种模式间差异不大或者表现相反, 氮肥偏生产力、氮素农艺效率和氮肥利用率也有相似的结果; 玉/豆模式在180 kg hm-2施氮量下较其他处理显著提高了玉米氮素农学利用率、氮素吸收利用率和籽粒中氮素的分配量, 玉/薯模式下玉米氮素农学利用率和氮肥利用效率, 在180~270 kg hm-2施氮量处理下较高; 花后氮素同化量玉/豆模式显著高于玉/薯; 2种模式均以施纯氮180~270 kg hm-2处理有利于氮素转运和花后氮素同化量积累。

关键词:玉/豆(薯)套作; 玉米; 施氮量; 氮素利用率
Differences of Nitrogen Uptake and Utilization and Nitrogen Regulation Effects in Maize between Maize/Soybean and Maize/Sweet Potato Relay Intercropping Systems
WANG Xiao-Chun1, YANG Wen-Yu1,*, DENG Xiao-Yan1, ZHANG Qun1, YONG Tai-Wen1, LIU Wei-Guo1, YANG Feng1, MAO Shu-Ming2
1 Agronomy College of Sichuan Agricultural University / Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in Southwest China, Ministry of Agriculture, Wenjiang 611130, China

2 Renshou Bureau of Agriculture, Renshou 620500, China

Fund:
AbstractThe aim of this study was to investigate the differences of maize nitrogen uptake and utilization and nitrogen regulation effects between two main intercropping systems including maize intercropped with soybean and sweet potato respectively in a four-year field experiment at two major maize producing areas of Sichuan in southwest China. Results showed that maize nitrogen accumulation (A), nitrogen harvest index (HI), nitrogen absorption efficiency (AE), and nitrogen distribution proportion to grain in maize/soybean relay strip intercropping were increased by 7.11%, 2.00%, 7.83%, and 1.76% respectively at maturity, on an average of two experimental sites, but the distribution proportion to leaves and stem/sheath decreased by 5.85% and 2.75% respectively. After strip rotation, maize intercropped with soybean showed obvious advantages even at early growing stage due to the effects of preceding crops on soil nutrients and relay intercropping advantage, with an increase of 11.85% in A and 11.84% in AE on average at maturity. During the key period of nitrogen accumulation, maize nitrogen accumulation was significantly higher when intercropped with soybean under low-nitrogen treatment than that when intercropped with sweet potato. However the results were insignificant or even opposite under high-nitrogen treatment. So did the results of nitrogen partial factor productivity (NPFP), nitrogen agronomic efficiency (NAE), and NRE. NAE, NRE and nitrogen distribution proportion to grain of maize were significantly higher in the treatment with nitrogen application of 180 kg ha-1 when intercropped with soybean, and in the treatment of 180-270 kg ha-1 when intercropped with sweet potato. After flowering stage, nitrogen assimilation amount after anthesis (AANAA) in maize/soybean was higher than that in maize/sweet potato significantly; consequently, nitrogen transfer (NT) and AANAA were higher in both intercropping systems with nitrogen application of 180-270 kg ha-1.

Keyword:Maize/soybean (sweet potato) intercropping; Maize; Nitrogen application amount; Nitrogen use efficiency
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西南山地玉米区是我国第三大玉米主产区, 该区热量资源丰富, 二熟有余, 三熟不足, 为提高资源利用效率, 长期以来, 形成了三熟套作种植模式, 玉米与大豆和甘薯套作是其主要的2种种植方式。间套作系统由于作物结构和配置差异, 对养分的吸收存在着竞争和协同作用, 不同套作系统的养分循环差异也较大[ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8], 雍太文等[ 9]就这2种模式下玉米养分积累量研究得出: 玉米与大豆套作, 氮素吸收总量较与甘薯套作高出41.18%, 究其原因是不同套作模式中作物间发生了氮素转移, 玉米、大豆套作时,15N由大豆向玉米转移, 而玉米与甘薯套种时15N由玉米向甘薯转移[ 10]。玉米作为2种套作体系中的主导作物, 对其氮素吸收利用特性和氮肥用量效应还缺乏深入研究。
氮素对玉米增产作用显著, 但为追求高产, 大量施用氮肥, 不仅达不到增产的目的, 往往还会减产和降低产品质量, 更重要的是加重了对环境的污染。前人研究认为[ 11, 12, 13, 14], 在土壤含氮量较低的情况下, 玉米与大豆间作显著提高玉米籽粒产量和氮素吸收利用, 且随着施氮量的增加产量显著提高, 但在土壤含氮量较高的情况下, 与单作差异不显著。同一种作物在不同间套作系统中施氮的调控效应研究却鲜见报道。理论上和生产上均迫切需要明确不同施氮水平对玉米在不同套作系统中氮素吸收利用的影响。
本研究以西南丘陵旱地新型种植模式玉/豆和传统模式玉/薯为研究对象, 进行连续4年的大田试验, 系统研究了2种套作系统中玉米氮素吸收利用规律, 在此基础上, 重点通过2种套作体系下氮肥用量对玉米氮素吸收效率的影响, 提出2种套作模式下玉米高效氮肥管理技术, 为进一步挖掘玉米增产潜力、科学施肥, 实现农业环境友好化、可持续化发展提供理论依据。
1 材料与方法1.1 试验设计于2008年3月至2011年8月分别在四川农业大学雅安教学农场(29°98′N, 103°0′E)和射洪县瞿河乡新华村(30°87′N, 105°38′E)试验, 土壤类型为紫色土, 质地雅安为重壤土, 射洪为中壤土。玉米( Zea mays)、大豆( Glycine max)、甘薯( Ipomoea batatas)品种依次为川单418 (四川农业大学玉米研究所)、贡选1号(四川省自贡市农业科学研究所)和川薯164 (四川省农业科学院作物研究所)。
试验前雅安试验地耕层土壤含有机质29.86 g kg-1、速效氮115.88 mg kg-1、速效磷36.85 mg kg-1、速效钾136.61 mg kg-1, pH 7.4; 射洪试验地耕层土壤含有机质17.33 g kg-1、速效氮62.50 mg kg-1、速效磷32.90 mg kg-1、速效钾141.30 mg kg-1, pH 7.8; 2008年单因素设计, 因素为不同套作模式, 2个水平, A为玉/豆, B为玉/薯。采用1 m/1 m田间配置, 玉米每带种2行, 带长5 m, 每小区10带, 重复3次, 6个小区, 小区面积100 m2, 全生育期玉米共施纯氮240 kg hm-2, 按底肥∶穗肥=5∶5施用, 2009年和2010年在上一年的基础上, 换茬分带轮作, 即玉米种在原大豆(或甘薯)茬口上。
2011年在前3年定位试验研究的基础上, 采用二因素裂区试验设计, 开展了2种模式下施氮量试验, A因素为不同套种模式, 2个水平, A1为玉/豆; A2为玉/薯; B因素为不同的施氮量, 5个水平, B1为N0 (不施氮, 对照); B2为N90 (纯氮90 kg hm-2); B3为N180 (纯氮180 kg hm-2); B4为N270 (纯氮270 kg hm-2); B5为N360 (纯氮360 kg hm-2); 按底肥∶穗肥=5∶5施用, 3次重复, 30个小区, 带长5 m, 每小区种2带, 小区面积20 m2
试验地与玉米套作的前作均为小麦, 在5月10至15日收获小麦, 于6月10日左右播栽大豆和甘薯在小麦行上, 每年均在3月23至25日间育苗移栽玉米于小麦预留行中, 第2年在上一年的基础上分带轮作。玉米密度均为52 500株 hm-2, 窄行行距40 cm, 窝距38 cm, 穴植双株。底肥和穗肥中的氮肥每公顷分别兑清粪水24 000 kg (含纯N 0.18%, P2O50.12%, K2O 0.08%)穴施, 底肥每公顷配施过磷酸钙600 kg (含P2O512%)和氯化钾150 kg (含K2O 60%)。大豆每带种2行, 种植密度为120 000株 hm-2, 窄行行距为40 cm, 穴距为25 cm, 穴留3株, 大豆底肥每公顷施尿素60 kg (含纯氮46%)、过磷酸钙450 kg和氯化钾60 kg, 追肥为初花期雨后每公顷施尿素60 kg; 甘薯每带起单垄, 垄宽0.6 m, 垄栽双行单株, 垄高0.5 m, 株距0.17 m, 施肥量与大豆相同。
1.2 测定项目与方法出苗后标记长势一致有代表性的植株, 在四叶期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期(开花后15 d)、蜡熟期(开花后30 d)和成熟期(花后45 d), 各处理分别取样5株(四叶期取10株), 按叶片、茎鞘、雄穗、苞叶、轴、籽粒等器官分开, 105℃杀青60 min后继续在80℃恒温烘干, 称重, 粉碎, 过60目筛, 用浓H2SO4-H2O2消煮, 全自动凯氏定氮仪测定含氮量。
1.3 数据处理与计算方法使用Microsoft Excel 2003整理数据, 在 SPSS16.0中统计分析, 采用LSD法( P<0.05)测验显著性。
氮素积累量与氮素利用率的计算[ 15, 16, 17, 18]如下。
积累量(Accumulation, kg hm-2) = 某生育期单位面积植株氮的积累量;收获指数(Harvest index, %) = (成熟期单位面积植株籽粒元素氮积累量/植株该元素总积累量)×100;形成100 kg籽粒所需养分量(kg 100 kg-1 grain) = [成熟期植株养分总积累量(kg)/籽粒干重(kg)]×100;氮吸收效率(AE, kg kg-1) = 植株在成熟期的全氮量/每株的氮肥施入量; 氮素生产效率(NPE, kg kg-1) = 单位面积籽粒产量/单位面积植株氮素积累量;氮肥农艺效率(NAE, kg kg-1) = (施氮肥区产量-不施氮肥区产量)/施氮量;氮肥利用率(NRE, %) = (施氮肥区植株N积累量-不施氮肥区植株N积累量)/施氮量×100%;氮肥偏生产力(NPFP, kg kg-1) = 施氮区产量/施氮量;叶片(茎鞘)氮转运量(NT, kg hm-2) = 抽雄期氮积累量-成熟期氮积累量;叶片(茎鞘)氮转运率(NTE, %) = (氮转运量/抽雄期氮积累量)×100%;开花后氮素同化量(AANAA, kg hm-2) = 成熟期籽粒氮素积累量-营养器官氮素转运量;叶片(茎鞘)氮素转运对籽粒的贡献率(NCP, %) = (氮转运量/成熟期氮积累量)×100%。

2 结果与分析2.1 2种模式下玉米氮素积累与分配2.1.1 氮素积累 氮素的积累量反映了玉米整个生育期对氮营养的吸收情况。2008年试验结果表明(表1), 2种套作模式下各生育阶段玉米氮素的积累量在开花前差异不显著, 从灌浆期开始至收获期, 雅安试验点玉/豆模式下玉米氮素积累量显著高于玉/薯模式, 3个时期玉米在玉/豆模式下的氮素积累量分别较玉/薯模式增加3.60%、4.01%和2.19%, 射洪试验点也表现为玉/豆模式下玉米氮素的积累量高于玉/薯模
表1
Table 1
表1(Table 1)
表1 2种模式下不同生育阶段玉米氮素积累 Table 1 N accumulation in maize at different growth stages under two intercropping systems (kg hm-2)
地点
Experiment
site
处理
Treatment
四叶期
4th leaf
age
拔节期Jointing
stage
大喇叭口期
Spike formation
stage
抽雄期Anthesis
stage
灌浆期 Filling
stage
蜡熟期Dough
stage
收获期
Harvest
stage
2008
雅安
Ya’an
玉/豆Maize/soybean1.87 a8.45 a68.85 a100.57 a146.45 a154.56 a188.65 a
玉/薯Maize/sweet potato1.92 a7.99 a68.23 a101.23 a141.32 b148.60 b178.84 b
射洪
Shehong
玉/豆Maize/soybean1.56 a7.68 a61.12 a97.65 a138.65 a152.23 a161.59 a
玉/薯Maize/sweet potato1.54 a7.98 a63.45 a100.90 a135.78 a148.97 b148.64 b
2009-2010
雅安
Ya’an
玉/豆Maize/soybean2.11 a14.39 a71.39 a104.16 a158.46 a183.13 a203.02 a
玉/薯Maize/sweet potato1.96 a12.76 b62.98 b94.70 b132.76 b146.37 b183.29 b
射洪
Shehong
玉/豆Maize/soybean1.64 a10.67 a63.47 a108.32 a147.37 a173.42 a197.25 a
玉/薯Maize/sweet potato1.43 a9.42 b60.02 b99.65 b126.49 b164.01 b174.66 b
同列数据后不同小写字母表示同主因素5%差异显著水平, 2009-2010为2009年和2010年数据的平均。
Labels of different letters in every list show 5% significant difference in different vice factors treatments. The data of 2009-2010 are the average of 2009 data and 2010 data.

表1 2种模式下不同生育阶段玉米氮素积累 Table 1 N accumulation in maize at different growth stages under two intercropping systems (kg hm-2)

式, 蜡熟期和收获期两者差异达显著水平, 玉/豆模式分别较玉/薯模式增加了5.49%和8.72%。
2009年和2010年分别在上一年基础上分带轮作, 2种模式玉米的前茬均分别是大豆和甘薯, 2年结果变化趋势基本一致。将2年数据平均, 轮作后玉米各生育阶段氮素积累量均高于轮作前, 到成熟期2个试验点较轮作前平均增加12.5%; 各生育阶段氮素积累量从拔节期开始, 玉/豆模式下玉米的氮素积累量均显著高于玉/薯模式下, 雅安试验点, 7个生育阶段玉/豆模式较玉/薯平均增加17.32%, 提高幅度在7.65%~29.09%之间, 蜡熟期提高幅度最大; 射洪试验点玉/豆模式较玉/薯平均增加13.29%, 提高幅度在6.59%~19.61%之间, 灌浆增加幅度最大, 成熟期雅安和射洪试验点玉/豆模式分别较玉/薯模式增加10.76%和12.94%。
2个试验点2种模式下玉米各生育阶段氮素积累量变化趋势一致。但雅安试验点各年份、各生育阶段, 玉米氮素积累量均高于射洪试验点, 2008年, 雅安试验点各生育阶段玉米氮素的积累量较射洪试验点高10.68%, 2009年和2010年分带轮作后, 2年的平均值雅安试验点较射洪试验点高6.59%。
2.1.2 成熟期氮素分配与利用 2种套作模式下成熟期玉米茎叶氮素积累量差异不显著(表2), 玉/豆模式玉米氮素积累量高于玉/薯, 籽粒和其他器官中氮素积累量在2种模式间差异达显著水平, 玉/豆模式玉米籽粒的含氮量较玉/薯平均高8.46%和12.73%, 射洪试验点2种模式间的差异大于雅安试验点; 分带轮作后, 玉/豆模式中玉米各器官的氮素积累量均显著高于玉/薯模式, 雅安和射洪试验点玉/豆模式中玉米叶和茎中氮素积累量分别较玉/薯高8.96%、7.46%和12.50%、11.11%, 雅安试验点2种模式间的差异高于射洪, 而籽粒中氮素积累量分别高出12.04%和17.26%, 射洪试验点2种模式间的差异高于玉/薯。
表2
Table 2
表2(Table 2)
表2 2种模式下成熟期玉米氮素分配和吸收利用 Table 2 Nitrogen distribution to different organs and accumulation in maize under two intercropping systems
地点
Exp. site
处理
Treatment
成熟期各器官氮素的分配
Nitrogen distribution to organs (g plant-1)
收获指数
Harvest index
(%)
吸收效率
Absorption efficiency
(kg kg-1)
氮素生产效率
N production efficiency
(kg kg-1)
形成100 kg籽粒需要量
Nutrients
required of
100 kg grain

Leaf
茎鞘
Stem/sheath
籽粒
Grain
其他
Other organs
2008
雅安
Ya’an
玉/豆Maize/soybean0.69 a0.52 a2.18 a0.38 a57.82 a0.67 a41.57 a2.41 a
玉/薯Maize/sweet potato0.67 a0.49 a2.01 a0.34 b57.26 a0.63 b42.82 a2.34 b
射洪
Shehong
玉/豆Maize/soybean0.60 a0.41 a1.86 a0.34 a57.94 a0.57 a44.11 b2.27 a
玉/薯Maize/sweet potato0.59 a0.39 a1.65 b0.29 b56.51 b0.52 b46.45 a2.15 b
2009-2010
雅安
Ya’an
玉/豆Maize/soybean0.73 a0.53 a2.42 a0.41 a59.17 a0.72 a38.89 a2.57 a
玉/薯Maize/sweet potato0.67 b0.46 b2.16 b0.34 b59.50 a0.65 b40.09 a2.49 a
射洪
Shehong
玉/豆Maize/soybean0.72 a0.50 a2.31 a0.38 a59.08 a0.70 a39.20 a2.55 a
玉/薯Maize/sweet potato0.67 b0.44 b1.97 b0.30 b58.28 b0.62 b38.70 b2.58 a
同列数据后不同小写字母表示同主因素5%差异显著水平, 2009-2010为2009年和2010年数据的平均。
Labels of different letters in every list show 5% significant difference in different vice factors treatments. The data of 2009-2010 are the average of 2009 data and 2010 data.

表2 2种模式下成熟期玉米氮素分配和吸收利用 Table 2 Nitrogen distribution to different organs and accumulation in maize under two intercropping systems

2种模式下氮收获指数玉/豆模式高于玉/薯模式, 增加1.65%左右; 氮素吸收效率2个试验点均表现为玉/豆模式高于玉/薯模式, 分别增加6.35%和9.62%, 表明玉/豆模式下玉米籽粒具有更高的氮素积累效率和对肥料氮的吸收效率; 从玉米生产效率来看, 2个试验点均表现为玉/薯模式高于玉/豆模式, 分别增加3.01%和5.30%; 雅安试验点玉/豆模式下玉米形成100 kg籽粒需要吸氮2.41 kg, 较玉/薯多0.07 kg, 射洪试验点玉/豆模式下玉米形成100 kg籽粒需要吸氮2.27 kg, 较玉/薯多0.12 kg。分带轮作后, 玉米收获指数平均较轮作前提高了1.625个百分点, 玉/豆模式也高于玉/薯模式, 增加1.60%和1.81%; 2种模式下氮素吸收效率的差异较2008年增大, 2个试验点也均表现为玉/豆模式高于玉/薯模式, 分别增加10.77%和12.90%, 表明分带轮作后, 加上玉/豆模式下种间促进作用叠加, 较大幅度提高了玉/豆模式玉米对氮肥的吸收; 玉/薯模式下玉米的生产效率仍高于玉/豆模式, 分别增加了3.09%和1.29%; 形成100 kg籽粒氮素需要量, 分带轮作后2种模式均有提高, 在2.49~2.58之间, 模式间差异不显著。
2.2 2种模式下施氮量对玉米氮素积累的影响种植模式和施氮量对玉米不同生育时期氮素积累量的影响各处理间差异达显著水平(表3表4)。玉/豆模式玉米植株所积累的氮素量均高于玉/薯模式, 生育前期差异不大, 生育后期差异均达显著水平, 雅安试验点, 玉米苗期、抽雄期和成熟期玉/豆模式下玉米氮素积累分别较玉/薯模式高16.30%、14.61%和14.28%, 射洪试验点分别增加4.55%、9.92%和19.62%。
随施氮量的提高, 玉米植株氮素积累量呈先增后降的变化趋势, 雅安试验点抽雄后玉/豆模式下玉米植株氮素积累量在N180处理最大, 而玉/薯在N270处理最高, 抽雄期与对照相比, N90、N180、N270和N360分别较对照增加35.59%、54.75%、58.87%和44.25%, 成熟期各处理较对照分别高17.92%、53.77%、58.27%和51.06%。射洪试验点抽雄前在N180处理时最大, 抽雄后N270处理氮素积累量最大, 与对照相比, 抽雄期N90、N180、N270和N360分别增加34.04%、47.26%、45.84%和35.40%, 成熟期分别高出18.88%、54.04%、61.15%和44.25% (表3)。
表3
Table 3
表3(Table 3)
表3 种植模式和施氮量对玉米各生育时期氮素积累的影响(四川雅安, 2011年) Table 3 Effect of intercropping systems and nitrogen rate on N uptake of maize at different growth stages in Ya’an (2011)
施肥量
Nitrogen rate
各生育时期氮累积量 N accumulation at different stages (kg hm-2)
四叶期
4th leaf age
拔节期
Jointing stage
大喇叭口期
Spike formation stage
抽雄期
Anthesis stage
灌浆期
Filling stage
蜡熟期
Dough stage
成熟期
Harvest stage
玉/豆Maize/soybean
N01.99 a17.31 b67.33 b90.70 b101.64 b126.54 d147.34 d
N902.15 a19.29 a93.51 a122.80 a135.12 a154.76 c176.35 c
N1802.19 a19.04 a88.03 a134.05 a143.28 a185.78 a231.37 a
N2702.12 a18.22 ab85.97 a135.83 a143.34 a177.12 ab225.90 ab
N3602.11 a17.53 b70.18 b130.73 a140.02 a163.92 bc217.60 b
平均Average2.11 a18.28 a81.01 a122.82 a132.68 a161.62 a199.71 a
玉/薯Maize/sweet potato
N01.66 a15.22 b60.52 b75.13 d85.89 c119.31 b127.58 d
N901.99 a17.96 a75.38 a102.05 c120.74 b130.83 b147.85 c
N1801.88 a18.12 a78.76 a122.57 ab138.34 a156.09 a191.39 b
N2701.79 a18.74 a81.85 a127.62 a138.71 a171.78 a209.23 a
N3601.76 a18.17 a76.74 a108.47 bc133.35 a164.23 a197.71 b
平均Average1.82 b17.64 a74.65 b107.17 b123.41 b148.45 b174.75 b
施氮量均值Average of nitrogen rate
N01.83 a16.26 b63.92 c82.91 c93.77 c122.92 c137.46 c
N902.07 a18.63 a84.45 a112.42 b127.93 b142.80 b162.10 b
N1802.03 a18.58 a83.39 a128.31 a140.81 a170.93 a211.38 a
N2701.95 a18.48 a83.91 a131.73 a141.03 a174.45 a217.57 a
N3601.94 a17.85 a73.46 b119.60 ab136.68 ab164.07 a207.66 a
F F-value
A49.999**2.1594.407*11.448*78.231**60.168**42.951**
B0.8827.431**9.103**22.523**41.316**14.777**91.091**
A×B0.1772.643*2.239*0.5290.7531.3035.627*
同列数据后不同小写字母表示同主因素0.05差异显著水平,***分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。A: 不同种植模式; B: 施肥量; A×B: 互作。
Labels of different letters in every list show 0.05 significant difference in different vice factors treatments.*and** denote significantly different at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. A: intercropping systems; B: nitrogen rate; A×B: interacion.

表3 种植模式和施氮量对玉米各生育时期氮素积累的影响(四川雅安, 2011年) Table 3 Effect of intercropping systems and nitrogen rate on N uptake of maize at different growth stages in Ya’an (2011)

在雅安试验点的拔节期、大喇叭口期和成熟期和射洪试验点的拔节期, 种植模式和施氮量对玉米植株氮素积累量的影响交互作用显著, 表现为玉/豆模式下较低氮处理的玉米植株氮素积累量达较高值, 而玉/薯模式下玉米植株氮素积累的较高值均在高氮处理下。2个试验点玉米植株氮素积累量差异较大, 成熟期雅安试验点玉米氮素积累量平均较射洪试验点高18.65 kg hm-2, 平均增加11.06% (表4)。
表4
Table 4
表4(Table 4)
表4 种植模式和施氮量对玉米各生育时期氮素积累的影响(四川射洪, 2011年) Table 4 Effect of intercropping systems and nitrogen rate on N uptake of maize at different growth stages in Shehong (2011)
施肥量
Nitrogen rate
各生育时期氮累积量 N accumulation at different stages (kg hm-2)
四叶期
4th leaf age
拔节期
Jointing stage
大喇叭口期
Spike formation stage
抽雄期
Anthesis stage
灌浆期
Filling stage
蜡熟期
Dough stage
成熟期
Harvest stage
玉/豆 Maize/soybean
N01.27 b6.83 c47.53 c80.54 c85.73 c105.60 c138.58 e
N901.52 a11.43 a68.30 a104.26 ab120.62 b140.47 b163.37 d
N1801.57 a12.21 a67.39 a114.02 a141.33 a163.58 a204.31 b
N2701.54 a11.21 a63.50 ab111.21 a149.39 a166.26 a217.95 a
N3601.17 b9.44 b58.90 b102.29 b138.26 a146.28 b194.02 c
平均Average1.41 a10.22 a61.12 a102.46 a127.07 a144.44 a183.65 a
玉/薯 Maize/sweet potato
N01.20 b5.21 b37.03 c67.14 c71.11 c94.87 d109.96 d
N901.50 a9.99 a55.93 ab93.68 b108.45 b115.58 c132.11 c
N1801.45 a10.92 a59.24 a103.45 ab135.57 a138.83 b178.52 a
N2701.49 a11.16 a55.70 ab104.16 a132.30 a156.99 a182.55 a
N3601.12 b9.69 a50.10 bc97.66 ab126.37 a143.68 ab164.49 b
平均Average1.35 a9.40 b51.60 b93.22 b114.76 b129.99 b153.52 b
施氮量均值 Average of nitrogen rate
N01.23 b6.02 c42.28 c73.84 d78.42 c100.24 d124.27 e
N901.51 a10.71 ab62.11 a98.97 c114.54 b128.03 c147.74 d
N1801.51 a11.56 a63.32 a108.73 a138.45 a151.21 ab191.41 b
N2701.51 a11.19 a59.60 a107.68 ab140.84 a161.63 a200.25 a
N3601.15 b9.56 b54.50 b99.97 bc132.31 a144.98 b179.26 c
F F-value
A0.93610.493**97.456**16.531**87.342**42.653**89.846**
B6.696**20.787**27.737**27.743**69.775**41.640**75.369**
A×B0.6662.768*0.3411.4080.4641.7901.457
同列数据后不同小写字母表示同主因素0.05差异显著水平,***分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。A: 不同种植模式; B: 施肥量; A×B: 互作。
Labels of different letters in every list show 0.05 significant differences in different vice factors treatments.* and** denote significantly different at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. A: intercropping systems; B: nitrogen rate; A×B: interacion.

表4 种植模式和施氮量对玉米各生育时期氮素积累的影响(四川射洪, 2011年) Table 4 Effect of intercropping systems and nitrogen rate on N uptake of maize at different growth stages in Shehong (2011)

2.3 2种模式下施氮量对玉米氮素利用的影响氮收获指数、氮肥偏生产力、农艺效率和回收效率各处理间差异达显著和极显著水平(表5)。玉米氮素的收获指数以玉/豆模式显著高于玉/薯模式, 雅安试验点和射洪试验点玉/豆模式玉米氮收获指数分别较玉/薯模式高1.58%和0.85%, 随施氮量增加, 玉米氮收获指数均显著下降, 射洪试验点随施氮量增加, 收获指数下降率在2种模式间差异不大, 而在雅安试验点, 玉/豆和玉/薯模式中玉米收获指数随施氮量增加的下降率分别为7.38%和12.00%, 表明在雅安试验点玉/薯模式下玉米受氮肥影响大于玉/豆, 这可能与基础肥力有关。
氮肥偏生产力在2种模式间差异达显著水平, 雅安试验点和射洪试验点玉/豆模式中玉米偏生产力较玉/薯模式分别高4.79 kg kg-1和5.59 kg kg-1, 施氮量提高, 氮肥偏生产力显著下降, 施氮量均值变幅在69.06~18.44 kg kg-1之间; 雅安试验点2种模式下玉米氮肥农艺效率差异不显著, 玉/豆模式略高于玉/薯模式, 但施氮量对玉米氮肥农艺效率影响极显著, 有随施氮量提高呈先增后降的变化趋势, 在玉/豆模式下, N180处理显著高于其他各处理, 分别较N90、N270和N360增加35.93%、60.26%和76.62%, 玉/薯模式下在N180~N270处理下玉米氮肥农艺 效率较高, 射洪试验点2种模式下玉米的氮肥农艺效率差异达显著水平, 玉/豆模式较玉/薯模式提高 1.30 kg kg-1, 施氮量对其的影响差异达极显著水平, 随施氮量增加先增后降, 2种模式下均在N180处理达最高值, 玉/豆模式分别较N90、N270和N360增加7.97%、35.23%和63.11%, 玉/薯模式分别增加45.03%、26.85%和64.50%; 氮肥利用率在雅安试验点2种模式间差异达显著水平, 在射洪试验点差异不显著, 施氮量对氮肥利用率的影响差异均达极显著水平, 随施氮量增加先增后减, 2种模式均在N180处理较高。
表5
Table 5
表5(Table 5)
表5 种植模式和施氮量对玉米氮素利用效率及收获指数的影响(2011年) Table 5 Effect of intercropping systems and nitrogen rate on N utilization efficiency and N harvest index in maize (2011)
施肥量
Nitrogen rate
雅安 Ya’an射洪 Shehong
氮收获指数
N harvest index
(%)
氮肥偏生产力NPFP
(kg kg-1)
氮肥农艺效率
NAE
(kg kg-1)
氮肥利用率
NRE
(%)
氮收获指数
N harvest index (%)
氮肥偏生产力
NPFP
(kg kg-1)
氮肥农艺效率
NAE
(kg kg-1)
氮肥利用率
NRE
(%)
玉/豆 Maize/soybean
N058.18 a61.10 a
N9057.07 a72.83 a7.46 b32.22 b58.76 ab75.86 a12.72 ab27.55 b
N18054.54 b44.23 b11.55 a46.68 a58.48 ab45.39 b13.82 a36.52 a
N27053.96 b26.38 c4.59 c29.10 b57.69 b30.00 c8.95 b29.40 b
N36053.89 b18.77 d2.70 d19.52 c57.82 b20.88 d5.09 c15.40 c
平均Average55.53 a40.55 a6.57 a31.88 a58.77 a43.03 a10.15 a27.22 a
玉/薯 Maize/sweet potato
N058.15 a60.33 a
N9054.85 b62.99 a6.13 b22.52 bc58.61 ab62.27 a7.38 c24.61 b
N18054.17 b36.82 b7.83 a35.45 a57.27 ab40.87 b13.43 a38.09 a
N27051.39 c25.15 c7.31 a30.24 ab56.52 b28.12 c9.82 ab26.89 ab
N36051.17 c18.11 d3.89 c19.48 c56.87 b18.49 d4.77 d15.15 c
平均Average53.95 b35.77 b6.29 a26.92 b57.92 a37.44 b8.85 b26.18 a
施氮量均值 Average of nitrogen rate
N058.17 a60.72 a
N9055.96 b67.91 a6.79 b27.37 b58.69 ab69.06 a10.05 b26.08 b
N18054.36 b40.53 b9.69 a41.07 a57.87 b43.13 b13.62 a37.30 a
N27052.68 c25.77 c5.95 b29.67 b57.11 b29.06 c9.39 bc28.14 b
N36052.53 c18.44 d3.30 c19.50 c57.35 b19.69 d4.93 c15.28 c
F F-value
A3.663*65.538**33.806**6.558*4.35691.247**1.2641.338
B4.171*39.389**36.627**12.989**3.035*34.232**35.897**26.224**
A×B3.623*7.259**4.144*3.685*1.0662.199**5.971**1.352
NPFP: 氮肥偏生产力; NAE: 氮肥农艺效率; NRE: 氮肥利用率; 同列数据后不同小写字母表示同主因素5%差异显著水平。***分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。A: 不同种植模式; B: 施肥量; A×B: 互作。
NPFP: nitrogen partial factor productivity; NAE: nitrogen agronomic efficiency; NRE: nitrogen recovery efficiency. Labels of different letters in every list show 5% significant difference in different vice factors treatments.* and** denote significantly different at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. A: intercropping systems; B: nitrogen rate; A×B: interacion.

表5 种植模式和施氮量对玉米氮素利用效率及收获指数的影响(2011年) Table 5 Effect of intercropping systems and nitrogen rate on N utilization efficiency and N harvest index in maize (2011)

2.4 2种模式下施氮量对玉米氮素转运的影响2种模式下玉米叶片和茎鞘的氮素转运率, 在雅安试验点差异达显著水平(表6表7), 表现为玉/薯模式高于玉/豆模式, 叶片和茎鞘的氮素转运率玉/薯模式分别较玉/豆模式高9.12%和9.72%, 射洪试验点两模式间的差异不显著, 但有相近的变化趋势。
表6
Table 6
表6(Table 6)
表6 种植模式和施氮量对玉米叶片和茎鞘氮素运移及籽粒贡献的影响(四川雅安, 2011年) Table 6 Effects of intercropping systems and nitrogen rate on nitrogen transport from maize leaves, stem-sheathes to grains, and contribution to the grains in Ya’an (2011)
施肥量
Nitrogen rate
叶片Leaf茎鞘Steam-sheath花后氮素同化量
AANAA
(kg hm-2)
氮素转运对籽粒的贡献率
NCP (%)
氮转运量
NT (kg hm-2)
氮转运率
NTE (%)
氮转运量
NT (kg hm-2)
氮转运率
NTE (%)
玉/豆 Maize/soybean
N019.96 c43.30 a17.28 c46.10 ab42.56 d49.53 c
N9024.80 b43.07 a21.19 b42.50 b47.06 c53.32 b
N18030.41 ab38.30 b28.47 a48.80 a60.60 a52.55 b
N27032.09 a38.75 b29.56 a47.27 a55.50 b55.48 a
N36030.94 ab38.90 b23.28 b41.43 b51.79 bc47.29 c
平均Average27.64 a40.46 b23.96 b45.23 b51.50 a51.63 b
玉/薯 Maize/sweet potato
N023.76 b52.89 a21.89 c51.27 a33.12 c55.25 b
N9024.12 b47.19 b28.88 b54.03 a37.69 bc54.55 b
N18030.09 a40.58 c35.31 a52.12 a39.97 b61.75 a
N27030.41 a39.52 c34.30 a51.59 a49.94 a56.77 b
N36030.17 a40.57 c24.50 c39.12 b47.62 ab51.88 c
平均Average27.71 a44.15 a28.98 a49.63 a41.67 b56.04 a
施氮量均值 Average of nitrogen rate
N021.86 c48.09 a19.58 c48.68 ab37.84 d52.39 ab
N9024.46 b45.13 ab25.04 b48.27 ab42.38 c53.93 ab
N18030.25 a39.43 b31.89 a50.46 a50.28 ab57.15 a
N27031.25 a39.14 b31.93 a49.43 a52.72 a56.13 a
N36030.56 a39.73 b23.89 b40.28 b49.70 ab49.59 b
F F-value
A0.6894.219*3.178*4.013*27.475**6.557*
B5.627**9.555**17.581**4.657**40.354**3.406*
A×B1.0730.3461.2941.09912.651**2.328
NT: 氮转运量, NTE: 氮转运率, AANAA: 花后氮素同化量, NCP: 氮素转运对籽粒的贡献率; 同列数据后不同小写字母表示同主因素5%差异显著水平,***分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。A: 不同种植模式; B: 施肥量; A×B: 互作。
NT: N translocation; NTE: N transportation efficiency; AANAA: nitrogen assimilation amount after anthesis; NCP: the contribution of nitrogen transport of grain. Labels of different letters in every list show 5% significant difference in different vice factors treatments.* and** denote significantly different at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. A: intercropping systems; B: nitrogen rate; A×B: interacion.

表6 种植模式和施氮量对玉米叶片和茎鞘氮素运移及籽粒贡献的影响(四川雅安, 2011年) Table 6 Effects of intercropping systems and nitrogen rate on nitrogen transport from maize leaves, stem-sheathes to grains, and contribution to the grains in Ya’an (2011)

施氮量对氮素转运的影响有随施氮量提高先增加后降低的趋势。
雅安试验点玉/豆和玉/薯模式下施氮处理成熟期籽粒氮素分别有47.29%~55.48%和51.88%~61.75%来自开花前贮存在营养器官中的氮素, 有44.52%~ 52.71%和38.25%~48.12%来自花后同化, 表明玉/豆模式氮素积累主要依靠花后同化, 射洪试验点也有相似的结果; 2种模式下, N0、N360处理氮素转运量和花后籽粒氮素同化量, 以及氮素运转对籽粒的贡献均显著低于N180和N270处理, 说明氮素亏缺和氮素过量都不利于籽粒氮素积累, 2种模式下均以施氮180~270 kg hm-2有利于提高植株氮素转运机能。
2.5 2种模式下施氮量对玉米氮素分配的影响由图1图2可见, 玉米成熟期各器官氮素积累量均表现为玉/豆模式高于玉/薯模式, 玉/豆模式下茎叶及其他各器官的分配率低于玉/薯模式, 而在籽粒中分配高于玉/薯, 雅安和射洪试验点籽粒中分配率玉/豆模式分别较玉/薯模式提高3.24%和1.61%, 使玉/薯模式下玉米氮素的收获指数低于玉/豆模式。
随施氮量的增加氮素在叶片、茎鞘中分配的比例显著提高, 包括苞叶、雄穗和穗轴的其他各器官含氮量均有先增后显著下降的趋势, 但总量有限, 在籽
表7
Table 7
表7(Table 7)
表7 种植模式和施氮量对玉米叶片和茎鞘氮素运移及籽粒贡献的影响(四川射洪, 2011年) Table 7 Effects of intercropping systems and nitrogen rate on nitrogen transport from maize leaves, stem-sheathes to grains, and contribution to the grains in Shehong (2011)
施肥量
Nitrogen rate
叶片 Leaf茎鞘 Steam-sheath花后氮素同化量AANAA
(kg hm-2)
氮素转运对籽粒的贡献率NCP (%)
氮转运量
NT (kg hm-2)
氮转运率
NTE (%)
氮转运量
NT (kg hm-2)
氮转运率
NTE (%)
玉/豆Maize/soybean
N017.27 c47.23 a20.60 c56.70 a46.79 c44.78 c
N9020.54 b49.08 a26.20 b56.74 a49.27 c48.72 bc
N18025.93 a45.07 a34.22 a58.79 a59.39 ab55.21 a
N27024.86 a43.45 a36.53 a58.33 a64.29 a52.75 ab
N36022.59 ab43.07 a34.04 a59.46 a55.57 b50.48 ab
平均Average22.24 a45.58 a30.32 a58.00 a55.06 a50.39 a
玉/薯Maize/sweet potato
N017.60 b55.90 a19.01 c60.90 ab29.61 c55.44 a
N9017.92 b48.49 ab26.63 ab63.98 a32.88 c57.31 a
N18023.69 a43.97 bc30.77 a58.82 ab47.80 b53.21 a
N27020.49 ab40.75 c27.53 ab56.95 b55.25 a46.95 b
N36018.15 b41.24 c24.05 b56.22 b51.36 ab45.20 b
平均Average19.57 b46.07 a25.60 b59.37 a43.38 b51.62 a
施氮量均值 Average of nitrogen rate
N017.44 c51.58 a19.80 c58.80 a38.20 c50.11 ab
N9019.23 c48.78 ab26.41 b60.36 a41.07 c53.02 a
N18024.81 a44.52 bc32.50 a58.81 a53.59 b54.21 a
N27022.68 ab42.10 c32.03 a57.64 a59.77 a49.85 ab
N36020.37 bc42.16 c29.05 ab57.84 a53.47 b47.84 b
F F-value
A8.968*1.04918.723*5.70166.499*1.231
B8.387**5.091**14.832**1.61129.073**2.296
A×B2.9542.549*2.905*1.5552.492*5.028**
NT: 氮转运量, NTE: 氮转运率, AANAA: 花后氮素同化量, NCP: 氮素转运对籽粒的贡献率; 同列数据后不同小写字母表示同主因素5%差异显著水平。***分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。A:不同种植模式; B:施肥量; A×B:互作。
NT: N translocation; NTE: N transportation efficiency; AANAA: nitrogen assimilation amount after anthesis; NCP: the contribution of nitrogen transport of grain. Labels of different letters in every list show 5% significant difference in different vice factors treatments.*,** denote significantly different at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. A: intercropping systems; B: nitrogen rate; A×B: interacion.

表7 种植模式和施氮量对玉米叶片和茎鞘氮素运移及籽粒贡献的影响(四川射洪, 2011年) Table 7 Effects of intercropping systems and nitrogen rate on nitrogen transport from maize leaves, stem-sheathes to grains, and contribution to the grains in Shehong (2011)

粒中分配的比例随施氮量的提高而降低, 这也是高氮处理下氮收获指数降低的原因。雅安试验点施氮量为180~360 kg hm-2处理时叶片和茎鞘分配率最高, 差异不显著, 在籽粒中的分配率玉/豆模式下90~180 kg hm-2处理显著高于其他各处理, 玉/薯模式90~180 kg hm-2处理范围内显著高于其他各处理;射洪试验点施氮量为180~270 kg hm-2处理时叶片和茎鞘分配率最高, 在籽粒中的分配率当施氮量为90 kg hm-2处理时显著高于其他各处理。

3 讨论3.1 2种套作模式下玉米氮素积累与分配差异大量研究表明, 玉米与豆科作物间套作表现出
较强的套作优势, 而玉米与禾本科作物套作表现套作劣势[ 1, 19], 本研究结果也表明, 与大豆套作的玉米氮素吸收积累增加, 2个试验点变化趋势一致, 玉/豆模式下玉米收获期植株中的氮素积累2个试验点平均增加7.11%, 氮收获指数增加2.00%左右, 氮素吸收效率增加7.83%, 成熟期籽粒中氮素的分配比例增加1.76%, 而叶、茎鞘中氮素的分配比例分别减少5.85%和2.75%。分带轮作后, 由于不同前茬对土壤养分影响不同, 再加上套作优势, 大豆前茬的玉米在生长前期就表现出明显的生长优势, 到收获期玉米植株氮素积累2个试验点平均增加11.85%, 较轮作前增加4个百分点, 氮收获指数增加1.71%左右, 氮素吸收效率增加11.84%, 比轮作前也净增4
图1
Fig. 2
Figure OptionViewDownloadNew Window
图1 玉米成熟期植株各器官氮素分配(四川雅安, 2011年) Fig. 1 Proportion of nitrogen accumulation in leaves, stems, and grains at maturity stage in Ya’an (2011)同组数据上不同小写字母表示同主因素5%差异显著水平。Bars superscripted by different letters are significantly different at P<0.05.
玉米成熟期植株各器官氮素分配(四川射洪, 2011年)Fig. 2 Proportion of nitrogen accumulation in leaves, stems, and grains at maturity stage in Shehong (2011)

同组数据上不同小写字母表示同主因素5%差异显著水平。Bars superscripted by different letters are significantly different at P<0.05.
个百分点。说明玉/豆模式能够显著提高玉米的氮素积累, 若轮作效应叠加, 优势更突出, 玉米的生育后期仍能够提供充足的养分, 保证其正常生长, 为高产奠定基础。
3.2 2种套作模式下玉米氮肥调控效应差异及其影响机制氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生产力是表示氮肥利用率的常用定量指标, 可从不同的侧面描述作物对氮素或氮肥的利用效率。前人关于不同种植模式对作物氮效率影响的研究均指出, 玉米与豆科作物间套作, 有利于氮效率提高[ 20, 21]。本研究表明, 玉米与大豆套作, 各生育阶段的氮素积累量均显著高于与甘薯套作, 籽粒中的分配比例也提高, 导致玉/豆模式下玉米的氮素收获指数、偏生产力、氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率均显著高于玉米与甘薯套作, 且2种模式下氮肥调控效应差异较大, 在玉米氮素积累关键时期玉/豆模式在低氮处理下玉米植株氮素的积累量显著高于玉/薯模式相同施氮处理, 而在高氮处理下2种模式间差异不大或者表现相反, 氮肥偏生产力、氮素农艺效率和氮肥利用率也有相似的结果, 这可能是由于低施氮处理下, 大豆固氮能力增加, 转移较多氮素给玉米, 使玉米土壤中氮含量增加, 反硝化作用减弱, 这与雍太文等人研究结果一致[ 9, 10], 对于大豆向玉米转移强度与施氮量之间的数量关系还有待进一步研究。
Osaki等[ 22]指出, 过量施氮导致叶片早衰及光合能力下降, 最终可能影响正在发育籽粒的碳、氮代谢, 不利于氮肥利用率的提高。本研究表明, 施氮显著提高玉米氮素利用效率, 超过一定范围增加施氮量反而有所下降, 2种模式下玉米均在N360处理下氮利用率各项指标显著降低。氮素偏生产力、氮素收获指数随施氮量增加而降低, 而氮肥农艺效率和氮肥利用率随施氮量的增加呈先增后降的变化趋势, 但2种模式的最适施氮处理表现略有不同, 2个试验点玉/豆模式下玉米均在180 kg hm-2施氮量下较其他处理显著提高了氮肥农艺效率和氮肥利用率, 玉/薯模式也在180 kg hm-2施氮量下2个指标值较高, 但与270 kg hm-2施氮量处理差异不显著, 表明玉米与大豆套作在适宜施氮范围内较低氮处理能显著提高氮肥利用率, 而玉米与甘薯套作需要较高的施氮水平。
开花至成熟期是玉米氮素吸收运转分配的重要时期。有研究表明[ 23, 24], 籽粒中的氮一部分来自抽雄前茎和叶中积累的氮素, 另一部分则来源于根系直接供应。何萍等[ 25]指出, 过量供氮使营养体氮素代谢过旺, 导致运往籽粒的氮素减少。因此适宜的施氮量应充分考虑调节植株开花后氮素的吸收和转运。本研究表明, 玉米与大豆套作, 花前氮素转移率低于玉/薯套作, 但差异不大, 而花后氮素同化量玉/豆模式显著高于玉/薯; 适宜施氮可以提高玉米植株花后的氮素转运效率, 即施氮180~ 270 kg hm-2的氮素转运率高于其他处理。同时适宜的施氮量使玉米花后氮素同化量也显著提高, 这说明该施氮范围可有效调节开花前氮素转运以及开花后籽粒的氮素同化, 有利于玉米植株全生育期内的氮素吸收分配。

4 结论与玉米和甘薯套作相比, 玉米与大豆套作玉米氮素积累量、氮收获指数、氮素吸收效率和成熟期籽粒中氮素的分配比例均增加, 特别在玉米的生育后期仍能提供充足的养分, 保证其正常生长, 奠定高产基础。玉/豆模式下玉米在较低氮处理时就能显著提高氮素吸收效率。但2种模式均以施纯氮180~270 kg hm-2处理有利于氮素转运和花后氮素同化量积累。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.

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