刘小明¹, 雍太文^1,*, 苏本营¹, 刘文钰¹, 周丽¹, 宋春^1,2, 杨峰¹, 王小春¹, 杨文钰^1
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, 四川成都 611130

²四川农业大学资源环境学院生态环境研究所, 四川成都 611130

^* 通讯作者(Corresponding authors): 雍太文, E-mail:yongtaiwen@sicau.edu.cn; 杨文钰, E-mail:wenyu.yang@263.net 收稿日期:2014-06-16 基金:本研究由国家自然科学基金项目(31271669, 31201169), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-04-PS19)和国家公益性行业(农业)科研专项经费项目(201203096)资助;

摘要通过田间试验, 研究了种植模式(玉米单作、大豆单作、玉米-大豆套作)和施氮水平(0、180、240 kg N hm^-2)对作物产量和大豆光合特性、干物质积累的影响。结果表明, 大豆叶片P_n、G_s、C_i、T_r和植株干物质积累量随生育时期的推移呈先增加后降低的趋势。与单作相比, 套作处理大豆的P_n、G_s、T_r在V5期(玉米大豆共生期)显著降低, 但在R2、R4、R6期(玉米收获后)无显著差异, 地下部、地上部及总干物质积累量在各生育时期呈降低趋势, R4~R6期的作物生长率和经济系数则显著提高。玉米-大豆套作体系下, 施氮显著提高了大豆花后叶片P_n、G_s、T_r和植株地下部、地上部及总干物质积累量, 增加了大豆单株荚数和产量, 与习惯施氮(240 kg N hm^-2)相比, 减量施氮处理(180 N kg hm^-2)大豆的P_n在R4、R6期提高了3.57%、11.82%, 总干物质积累量在R6、R8期提高了5.06%、10.21%, 单株荚数、产量提高了8.30%、10.15%。减量施氮处理下, 玉米-大豆套作系统的总产量最高, 总经济系数为0.49, LER达2.17。玉米-大豆套作减量一体化施肥有利于提高大豆光合特性和干物质积累, 提高大豆产量和玉米-大豆套作系统总产。

关键词:减量施氮; 光合特性; 干物质积累; 产量; 大豆; 玉米-大豆套作
Effect of Reduced N Application on Crop Yield in Maize-Soybean Intercropp-ing System
LIU Xiao-Ming¹, YONG Tai-Wen^1,*, SU Ben-Ying¹, LIU Wen-Yu¹, ZHOU Li¹, SONG Chun^1,2, YANG Feng¹, WANG Xiao-Chun¹, YANG Wen-Yu^1
1Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Cultivation in Southwest, Ministry of Agriculture / College of Agronomy, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China

²Institute of Ecological and Environmental Sciences, College of Resources and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China

Fund:
AbstractMaize-soybean strip relay intercropping pattern is widely adopted in Southeast China. Whereas the traditional fertilized measures used by farmers are not good for high yield of soybean. In order to get high yield for both maize and soybean in this system, a field experiment was conducted to investigate the effect of reduced N application on photosynthetic characteristics and dry matter accumulation of soybean, and the system crop yield. The experiment included three planting patterns (maize monocropping, soybean monocropping and maize-soybean relay strip intercropping) and three rates of N fertilizer application (0, 180, 240 kg ha^-1). The results demonstrated that, the net photosynthetic rate (P_n), transpiration rate (G_s), stomatal conductance (C_i), photosynthetic capacity (T_r), dry matter accumulation of soybean increased initially and then decreased in the later stage. Compared with soybean monocropping, theP_n,G_s, andT_r of intercropped soybean decreased significantly in the intergrowth stage (V5), but had no significant differences at R2, R4, and R6 stages. Although the below-ground, above-ground and total dry matter accumulation of soybean significantly decreased during the whole growth period, the crop growth rate from R4 to R6 stages and economic coefficient significantly increased. In the maize-soybean relay strip intercropping system, N application significantly enhanced theP_n,G_s,T_r, dry matter accumulation, pod number per plant, and grain yield of soybean. Compared with the conventional N application (240 N kg ha^-1),P_n of soybean under the reduced amount of N application (180 kg N ha^-1) increased by 3.57% and 11.82% at R4 and R6 stages, respectively. Furthermore, the total dry matter accumulation increased by 5.06% and 10.21% at R6 and R8 stages, and pod number per plant and grain yield increased by 8.30% and 10.15%, respectively. Finally, the maize-soybean relay strip intercropping system possessed the highest yield under the N application rate of 180 kg N ha^-1, with the economic coefficient and land equivalent ratio (LER) of 0.49 and 2.17, respectively. Taken together, the reduced N application in maize-soybean relay strip intercropping system can increase the yield of soybean and whole the system through improving soybean photosynthetic characteristics and enhancing dry matter accumulation.

Keyword:Reduced N application; Photosynthetic characteristics; Dry matter accumulation; Yield; Soybean; Maize-soybean intercropping
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氮肥在农业生产中占有重要地位, 施入土壤中的氮肥50%以上通过氮素损失途径进入大气和水体中, 造成严重的生态环境问题, 如温室效应增加、水体富营养化等^{[ 1, 2]}。我国是世界上最大的氮肥生产国和消费国, 且氮肥利用水平远低于发达国家, 由氮肥损失引发的生态环境问题已成为众多专家和****共同关注的焦点^{[ 3]}。减量施氮正是在这种背景下发展起来的一种高效施氮方式。众多研究表明, 适当减少氮肥施用量不会对作物产量产生显著影响, 而且显著提高氮肥利用效率, 并从氮肥损失、土壤氮素转化、土壤微生物等方面进行了深层次的机制探讨。邹晓锦等^{[ 4]}研究发现, 与习惯施肥相比, 氮肥减量10%和20%处理的玉米产量并没有降低, 而氮肥利用效率则显著增加; 战秀梅等^{[ 5]}研究氮肥减量后移对春玉米的影响表明, 与习惯施肥相比, 氮肥利用率提高了20.7%, 氮的吸收利用效率和收获指数也显著提高; Constantin等^{[ 6]}研究填闲作物、免耕和减氮处理的影响发现, 减量施氮降低了氮肥的淋溶、土壤有机氮以及土壤反硝化作用和氨挥发所带来的氮肥损失; Ruan等^{[ 7]}研究减量施氮对蔬菜土壤线虫群体和作物产量影响表明, 与习惯施氮相比, 减量施氮并没有降低番茄的产量, 且提高了土壤线虫群落结构, 降低了根瘤病的丰度。前人关于减量施氮的研究大多集中在单一作物或在当地条件下^{[ 4, 5, 6, 7]}, 对西南地区近几年发展起来的玉米-大豆带状复合种植模式尚未见报道。
玉米-大豆带状复合种植模式自推广以来, 迅速发展, 推广面积逐年扩大, 对当地农民增收和农业增产作出重要贡献, 已成为四川省和农业部的主推模式^{[ 8, 9]}。该模式中的大豆替代了传统玉米-甘薯套作模式中的甘薯, 改变了作物间的作用关系和作物的生态地位, 促进了玉米生长, 提高了玉米产量, 但传统的根区穴施施肥方式下, 大豆的产量和氮肥利用效率均显著下降^{[ 10, 11]}, 不利于该模式作物间和谐生长和进一步推广应用。因此, 本试验在单作和套作模式下, 研究不同施氮量对大豆生育关键时期的光合特性、干物质积累以及作物产量的影响, 旨在探明改变作物施肥方式后, 套作大豆在受前期遮阴的影响下, 玉米收获后大豆的光合特性、干物质积累的恢复状况, 以及它们对大豆产量的影响, 为玉米-大豆带状复合种植模式施肥技术的优化和双高产的形成奠定理论基础。
1 材料与方法1.1 试验点及供试品种试验于2012年3月至2013年10月在四川省现代粮食产业(仁寿)示范基地进行。2012年基础土壤pH 6.8, 含有机质17.26 g kg^-1、全氮0.90 g kg^-1、全磷0.50 g kg^-1、全钾14.28 g kg^-1、碱解氮77.35 mg kg^-1、速效磷22.83 mg kg^-1和速效钾196.63 mg kg^-1。供试玉米品种为登海605, 由山东登海种业股份有限公司提供; 大豆品种为南豆12, 由四川省南充市农业科学研究所提供。
1.2 试验设计采用二因素裂区设计, 主因素为种植模式(图1), 分别为玉米单作(MM), 大豆单作(SS), 玉米-大豆套作(IMS); 副因素为玉米大豆施氮总量, 分别为NN不施氮(对照), RN减量施氮(180 N kg hm^-2, 根据当地玉米施氮量确定), CN习惯施氮(240 N kg hm^-2, 根据当地玉米与大豆的总施氮量确定), 且玉米与大豆施氮比为3∶1, 共9个处理, 重复3次。每个处理连续种3带, 带长6 m、带宽2 m, 小区面积36 m²。玉米单作和大豆单作采用等行距种植, 玉米行距100 cm、大豆行距50 cm, 玉米穴距17 cm, 大豆穴距34 cm, 玉米穴留1株, 大豆穴留2株; 玉米-大豆套作采用宽窄行种植, 玉米宽行160 cm, 窄行40 cm, 玉米宽行内种2行大豆, 大豆行距40 cm, 玉米与大豆间距60 cm, 穴距17 cm, 玉米穴留1株, 密度每公顷5.85万株, 大豆穴留2株, 密度每公顷11.7万株。保证在单、套作方式下, 各作物单位土地面积的种植密度和施肥水平一致。玉米氮肥分2次施用, 即玉米底肥和大喇叭口期追肥, 大豆氮肥一次性施用。玉米单作和大豆单作按传统株间穴施方式施肥。玉米-大豆套作体系按玉米、大豆一体化施肥方式, 玉米底肥统一按株间穴施72 kg N hm^-2实施; 玉米大喇叭口期追肥则与大豆磷钾肥混合一起同时施用, 在玉米、大豆之间, 距玉米25 cm处开沟施肥, 各作物氮肥施用方式及施用量见表1; 单、套作玉米及单作大豆的磷钾肥随底肥施用, 每公顷玉米施用量为P₂O₅ 105 kg、K₂O 112.5 kg, 每公顷大豆施用量为P₂O₅ 63 kg、K₂O 52.5 kg。2012年, 玉米4月1日播种, 7月29日收获; 大豆6月10日播种, 10月31日收获; 2013年, 玉米4月3日播种, 8月1日收获; 大豆6月11日播种, 10月29日收获。
图1
Fig. 1

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	图1 不同种植模式示意图Fig. 1 Maize-soybean planting patterns

表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 不同种植模式的氮肥施用量 Table 1 N application rates under different planting patterns (kg hm-2) 种植模式 Planting pattern 施氮处理 N treatment 施氮总量 Total N application amount 底肥 Base fertilizer 追肥 Top fertilizer 玉米单作 Maize 减氮 Reduced N 135 72 63 习惯施氮 Conventional N 180 72 108 大豆单作 Soybean 减氮 Reduced N 45 45 0 习惯施氮 Conventional N 60 60 0 玉米大豆 Maize-soybean 减氮 Reduced N 180 72 108 习惯施氮 Conventional N 240 72 168

表1 不同种植模式的氮肥施用量 Table 1 N application rates under different planting patterns (kg hm-2)

1.3 测定项目1.3.1 光合参数 于大豆五节期(V5)、盛花期(R2)、结荚期(R4)和鼓粒期(R6), 从每个小区选择长势一致的植株4株, 采用便携式光合系统测定仪LI-6400 (LI-COR, Lincoln, USA), 在晴天上午9:00至11:00, 测定大豆叶片净光合速率 P_n, 同时得到气孔导度 G_s、蒸腾速率 T_r、胞间二氧化碳浓度 C_i等光合参数。测定时叶室内设置为蓝光, 光强度1000 μmol m^-2 s^-1, 温度24~28℃, 相对湿度65%~75%, CO₂浓度0.350‰。选取大豆顶部倒数第3片完全展开三出复叶的中间叶片, 重复测定3次。
1.3.2 干物质积累量 于大豆五节期(V5)、盛花期(R2)、结荚期(R4)、始粒期(R5)、鼓粒期(R6)及成熟期(R8), 采用传统挖掘法在每个小区选择长势一致的植株6株(3穴), 将植株样按地上部和地下部分开, 均在105℃下杀青30 min后以75℃烘至恒重, 测定干物质重。
1.3.3 产量调查 收获玉米、大豆时, 从各小区取2行共12 m²计产, 连续取10株考种, 调查大豆产量构成。
1.4 相关计算(1) 作物生长率 = ( W₂- W₁)/( T₂- T₁)
该参数反映群体的绝对生长速率, 也可以用于表达农作物的平均生长速率。 W₂- W₁表示一定期间内每平方米土地面积上植株干物质重的净增长速率; T₂- T₁为2次测定期间的间隔时间。
(2) 土地当量比率^{[ 12]} LER = L_c+ L_s
L_c = 套作玉米籽粒产量/单作玉米籽粒产量; L_s = 套作大豆籽粒产量/单作大豆籽粒产量。 LER>1表示套作系统有产量优势; LER<1则无产量优势。
(3) 种间相对竞争能力^{[ 12]} A_cs= ( Y_ic/ Y_sc)-( Y_is/ Y_ss)
A_cs为玉米相对于大豆的竞争能力; Y_ic、 Y_is为玉米、大豆在套作时的籽粒产量; Y_sc、 Y_ss为玉米、大豆在单作时的籽粒产量。 A_cs>0, 表明玉米竞争能力强于大豆; A_cs<0, 表明玉米竞争能力弱于大豆。
(4) 竞争比率^{[ 12]} CR_cs= ( Y_ic/ Y_sc)/( Y_is/ Y_ss)
CR_cs为玉米相对于大豆的竞争比率; Y_ic、 Y_is为玉米、大豆在套作时的籽粒产量; Y_sc、 Y_ss为玉米、大豆在单作时的籽粒产量。 CR_cs>1, 表明玉米比大豆竞争能力强; CR_cs<1, 表明玉米比大豆竞争能力弱。
(5) 经济系数 = 籽粒产量/地上部植株干物质重
(6) 玉米-大豆套作系统(IMS)的总籽粒产量 = 套作玉米籽粒产量+套作大豆籽粒产量
1.5 数据处理采用Microsoft Excel 2003整理数据; 采用SigmaPlot10.0软件作图; 采用DPS7.05软件分析数据, 测验LSD显著性。

2 结果与分析2.1 大豆叶片光合特性由图2可知, 随生育时期的推移, 大豆的 P_n、 G_s、 C_i及 T_r均呈先增加后降低的趋势, 其中, P_n在R4期达最高。V5期(玉米和大豆共生期), 与SS相比, IS的 P_n、 G_s、 T_r显著降低, 其中, NN、RN和CN下的 P_n分别降低74.24%、75.70%和77.27%; R2、R4、R6期, IS的 P_n、 G_s、 C_i与SS差异不显著。单作、套作模式下大豆的 P_n、 G_s、 C_i和 T_r在各施氮水平间的变化规律不一致。单作模式下, V5期, CN的 P_n显著高于NN和RN, 但 G_s、 C_i和 T_r在施氮处理间无显著变化; R2、R4期, 施氮处理间的 P_n、 G_s、 T_r随施氮量的增加呈增加的趋势, 以CN最高; R6期, 施氮处理间的 P_n、 G_s、 T_r随施氮量的增加呈先增加后降低的趋势, 以RN最高。套作模式下, V5期, 施氮处理间的 P_n、 G_s、 T_r差异不显著; R2、R4、R6期, 施氮处理的 P_n、 G_s、 T_r高于不施氮处理, 其中, 2013年, R4、R6期, 施氮处理间的 P_n、 G_s、 T_r以RN最高, P_n分别比NN高27.18%、41.85%, 比CN高3.57%、11.82%; G_s分别比NN高21.21%、137.5%, 比CN高5.26%、46.15%; T_r分别比NN高27.24%、150.30%, 比CN高5.53%、57.14%。
图2
Fig. 2

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图2 种植模式和施氮水平对大豆叶片光合特性的影响SS: 大豆单作; IS: 大豆套作; NN: 不施氮; RN: 减氮量; CN: 习惯用氮。图柱上的小写字母表示处理间差异在0.05水平显著。Fig. 2 Effect of different N application rates and planting patterns on leaf photosynthesis characteristic of soybeanSS: soybean monocropping; IS: soybean intercropping; NN: zero N application; RN: reduced N application; CN: conventional N application.Bars superscripted by different small letters are significantly different among different treatments at 0.05 probability level.

2.2 大豆植株干物质积累量大豆的地下部、地上部及总干物质积累量随生育时期的推移呈先增加后降低的趋势, 在R6期达到最高(图3)。V5~R6期, 与SS相比, IS的地下部、地上部及总干物质积累量呈降低趋势, 其中, R6期(2013年), NN、RN与CN下的总干物质积累量分别降低39.02%、12.70%、20.66%。各生育时期, 单作、套作模式下大豆的地下部、地上部及总干物质积累量在各施氮处理间的变化规律不一致。单作模式下, V5~R5期(2012年)和V5~R6期(2013年), 地下部、地上部及总干物质积累量在施氮处理间以CN最高, 其中, 2013年, 总干物质积累量分别比NN高25.83%、17.19%、15.15%、4.46%, 比RN高6.37%、13.66%、12.20%、4.74%; R8期, 减量施氮处理的干物质积累量呈增加趋势, 2年平均值RN比NN高11.33%, 比CN高9.91%。套作模式下, V5期, 地下部、地上部及总干物质积累量在施氮处理间差异不显著; R2~R8期, 地下部、地上部及总干物质积累量在施氮处理间以RN最高, 其中, 2013年, 地上部干物质积累量分别比NN高52.13%、60.13%、45.73%、28.13%, 比CN高31.95%、3.58%、4.48%、10.84%; 总干物质积累量分别比NN高47.97%、53.19%、42.77%、26.83%, 比CN高26.67%、5.80%、5.06%、10.21%。
图3
Fig. 3

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	图3 种植模式和施氮水平对大豆干物质积累的影响SS: 大豆单作; IS: 大豆套作; NN: 不施氮; RN: 减氮量; CN: 习惯用氮。Fig. 3 Effect of different N application rates and planting patterns on dry matter accumulation of soybeanSS: soybean monocropping; IS: soybean intercropping; NN: zero N application; RN: reduced N application; CN: conventional N application.

2.3 大豆作物生长率由表2可知, V5~R2期, SS>IS; R2~R5期(2012年)和R4~R6期(2013年), SS表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 种植模式和施氮水平对大豆作物生长率的影响 Table 2 Effect of different N application rates and planting patterns on crop growth rate of soybean (g m-2 d-1) 施氮水平 N application amount 2012 2013 V5-R2 R2-R5 V5-R2 R2-R4 R4-R6 SS IS SS IS SS IS SS IS SS IS 不施氮 Zero N 7.93 b 4.02 a 9.19 a 9.73 b 8.67 b 3.64 b 8.48 a 5.61 b 8.23 a 8.98 a 减氮量 Reduced N 11.12 a 4.80 a 7.18 b 11.97 a 8.74 ab 5.60 a 8.64 a 8.92 a 7.14 a 10.96 a 习惯用氮 Conventional N 11.91 a 4.43 a 7.12 b 10.96 ab 10.04 a 4.33 ab 9.44 a 10.05 a 4.64 a 10.62 a 平均 Mean 10.32 a 4.42 b 7.83 b 10.89 a 9.15 a 4.52 b 8.86 a 8.19 a 6.67 b 10.19 a SS: 大豆单作; IS: 大豆套作。同列中标以不同字母的值在0.05水平上差异显著。 SS: soybean monocropping; IS: soybean intercropping. Values followed by different letters within a column are significantly different at 0.05 probability level.

表2 种植模式和施氮水平对大豆作物生长率的影响 Table 2 Effect of different N application rates and planting patterns on crop growth rate of soybean (g m-2 d-1)

2.4 大豆产量构成因素与SS相比, IS的单株荚数、单荚粒数和百粒重呈增加趋势, 2年平均值分别提高4.20%、8.86%和5.81% (表3)。单作、套作模式下大豆的单株荚数、单荚粒数及百粒重在各施氮处理间的变化规律不一致。单作模式下, 单株荚数表现为NN和RN间差异不显著, RN显著高于CN, 2年平均值RN比CN高18.43%; 单荚粒数以RN最高, 2年平均值RN比NN和CN高5.81%和5.13%; 百粒重在减量施氮处理下呈降低的趋势, 2年平均值RN比CN低1.61%。套作模式下, 单株荚数以RN最高, 2年平均值RN比NN和CN高42.90%和8.30%; 单荚粒数表现为施氮处理低于不施氮处理, 2年平均值RN比NN低2.01%; 百粒重在减量施氮处理下呈增加的趋势, 2年平均值RN比CN高3.10%。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 种植模式和施氮水平对大豆产量构成因素的影响 Table 3 Effect of different N application rates and planting patterns on yield components of soybean 施氮水平 N application amount 单株荚数Pod No. per plant 单荚粒数Seed No. per pod 百粒重 100-seed weight (g) SS IS SS IS SS IS 2012 不施氮 Zero N 77.41 ab 59.28 b 1.59 a 1.85 a 20.14 a 21.75 a 减氮量 Reduced N 85.44 a 89.83 a 1.61 a 1.83 a 18.98 b 21.70 a 习惯用氮 Conventional N 72.33 b 84.41 a 1.54 a 1.77 a 18.99 b 21.01 a 平均Mean 78.40 a 77.84 a 1.58 b 1.82 a 19.37 b 21.49 a 2013 不施氮 Zero N 57.25 a 50.63 b 1.51 b 1.64 a 19.47 a 19.77 a 减氮量 Reduced N 55.91 a 67.25 a 1.66 a 1.59 a 19.50 a 20.17 a 习惯用氮 Conventional N 47.03 b 60.63 a 1.58 ab 1.63 a 20.12 a 19.60 a 平均Mean 53.40 b 59.50 a 1.58 a 1.62 a 19.70 a 19.85 a SS: 大豆单作; IS: 大豆套作; 同列中标以不同字母的值在0.05水平上差异显著。 SS: soybean monocropping; IS: soybean intercropping. Values followed by different letters within a column are significantly different at 0.05 probability level.

表3 种植模式和施氮水平对大豆产量构成因素的影响 Table 3 Effect of different N application rates and planting patterns on yield components of soybean

2.5 玉米、大豆产量及经济系数2.5.1 产量 由表4可知, 与MM (SS)相比, IM和IS的产量在不施氮处理下呈降低趋势, 2年平均值分别降低13.60%、9.84%, 而施氮处理下, IM的产量无显著变化, 但IS的产量则显著提高, RN和CN下2年平均值分别提高16.26%和34.66%。施氮水平对玉米、大豆产量影响显著, 单作、套作模式下均以RN最高, 其中套作模式下, 玉米、大豆的产量2年平均值RN比NN高33.90%、42.61%, 比CN高8.04%、10.15%。进一步分析玉米-大豆套作系统的总产量, 各施氮处理间仍以RN最高, 2年平均值比NN和CN高35.78%和8.51%。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 种植模式和施氮水平对玉米、大豆产量及经济系数的影响 Table 4 Effect of different N application rates and planting patterns on yield and economic coefficient of maize and soybean 施N水平 N application amount 作物产量 Crop yield (kg hm-2) 经济系数 Economic coefficient 玉米 Maize 大豆 Soybean 玉米-大豆 Maize-soybean 玉米 Maize 大豆 Soybean 玉米-大豆 Maize-soybean MM IM SS IS MM IM SS IS 2012 不施氮 Zero N 6378.5 b 6095.0 b 1552.1 b 1567.3 c 7662.2 c 0.47 b 0.46 b 0.39 a 0.48 ab 0.47 b 减氮量 Reduced N 7115.5 a 6790.5 a 1788.7 a 2364.1 a 9154.6 a 0.49 a 0.48 a 0.37 a 0.49 a 0.48 a 习惯用氮 Conventional N 7038.0 a 6346.5 b 1341.9 c 2176.8 b 8523.3 b 0.49 a 0.47 b 0.35 b 0.47 b 0.47 b 平均Mean 6844.0 a 6410.7 a 1560.9 b 2036.1 a 0.48 a 0.47 a 0.37 b 0.48 a 2013 不施氮 Zero N 6867.7 b 5350.2 b 1954.3 ab 1594.1 b 6944.3 b 0.48 a 0.49 b 0.37 a 0.42 a 0.48 a 减氮量 Reduced N 8330.7 a 8534.4 a 2089.1 a 2144.2 a 10678.6 a 0.50 a 0.52 a 0.37 ab 0.45 a 0.51 a 习惯用氮 Conventional N 7682.7 ab 7837.6 a 1697.7 b 1916.1 ab 9753.7 a 0.49 a 0.52 ab 0.30 b 0.44 a 0.50 a 平均Mean 7627.0 a 7240.7 a 1913.7 a 1884.8 a 0.49 a 0.51 a 0.35 b 0.44 a MM: maize monocropping; IM: maize intercropping; SS: soybean monocropping; IS: soybean intercropping. Values followed by different letters with a column are significantly different at 0.05 probability level. MM: 玉米单作; IM: 玉米套作; SS: 大豆单作; IS: 大豆套作; 同列中标以不同字母的值在0.05水平上差异显著。

表4 种植模式和施氮水平对玉米、大豆产量及经济系数的影响 Table 4 Effect of different N application rates and planting patterns on yield and economic coefficient of maize and soybean

2.5.2 经济系数 与MM(SS)相比, IM的经济系数无显著变化, 而IS的经济系数显著增加, 2年平均值提高27.78%, 说明套作更有利于大豆干物质向籽粒运转(表4); 与NN相比, 施氮可以提高玉米单作、
套作和大豆套作的经济系数, 以RN最高, 而大豆单作在施氮后经济系数降低, CN的降低达显著水平。玉米-大豆套作系统的总经济系数显著高于大豆单作, 但与MM、IM的差异不显著, 施氮处理间仍以RN最高, 2年平均值为0.49。
2.6 土地当量比率(LER)、种间竞争力(A_cs)及竞争比率(CR_cs) 由表5可知, 玉米-大豆套作体系表现出明显的种间产量优势(LER>1), 玉米的种间竞争能力弱于大豆(A_cs<0, CR_cs<1)。土地当量比率(LER)随施氮量的增加而增加, CN下, 由于SS的产量显著低于IS, 致使LER显著升高; RN下, 玉米-大豆套作系统的总产量最高(表4), 2年平均值LER达2.17。与CN相比, NN和RN的种间竞争力(A_cs)和竞争比率(CR_cs)明显提高, 说明减量施氮处理降低了大豆对玉米的竞争作用。RN下, 2012年, 玉米大豆间存在一定竞争(A_cs<0, CR_cs<1), 但随着大豆培肥及固氮能力改善, 连续种植后, 2013年竞争力下降, 玉米和大豆的种间竞争力(A_cs)接近0, 竞争比率(CR_cs)接近1, 说明玉米-大豆套作减量一体化施肥条件下, 玉米和大豆间的竞争作用减弱, 使作物间和谐共生, 有利于玉米大豆协调增产。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 玉米-大豆套作体系的土地当量比(LER)、种间竞争力(Acs)及竞争比率(CRcs) Table 5 Land equivalent ratio, competition, and competition ratio of maize-soybean relay strip intercropping systems 施氮量 N application amount 2012 2013 LER Acs CRcs LER Acs CRcs 不施氮 Zero N 1.965 b -0.054 a 0.946 a 1.595 b -0.037 a 0.955 a 减氮量 Reduced N 2.276 a -0.367 b 0.722 b 2.051 ab -0.002 a 0.998 a 习惯用氮 Conventional N 2.524 a -0.720 c 0.556 c 2.149 a -0.109 a 0.904 a Values followed by different letters within a column are significantly different at 0.05 probability level. 同列中标以不同字母的值在0.05水平上差异显著。

表5 玉米-大豆套作体系的土地当量比(LER)、种间竞争力(Acs)及竞争比率(CRcs) Table 5 Land equivalent ratio, competition, and competition ratio of maize-soybean relay strip intercropping systems

3 讨论3.1 减量施氮对玉米-大豆套作体系中大豆光合产物积累的影响光合作用是作物干物质积累的主要来源。在间套作种植模式下, 高位作物对低位作物的影响主要集中在光资源的利用上, 低位作物光合有效辐射降低^{[ 13]}、净光合速率( P_n)、气孔导度( G_s)、蒸腾速率( T_r)下降^{[ 14, 15, 16]}、导致干物质积累量显著降低^{[ 17]}。本研究中, 在玉米-大豆套作种植系统中, 大豆播种于玉米行间, 前期生长受到玉米遮阴的影响, 玉米和大豆共生生长(大豆V5期)时, 大豆的 P_n、 G_s、 T_r显著低于单作, V5~R2期作物生长率显著下降, 导致干物质积累量也显著降低, 与王竹等^{[ 15]}、宋艳霞等^{[ 18]}研究结果一致。
玉米-大豆套作体系中, 玉米收获后, 大豆进行一段时间的恢复生长, 光合特性已有明显提高, R2、R4、R6期, 大豆的 P_n、 G_s、 T_r在单作与套作模式间无显著差异, 但整个生育期套作大豆的干物质积累量呈下降趋势, 主要是由于其前期生长受玉米阴蔽的影响, 抑制了大豆旺长。前人研究表明, 施氮对大豆光合作用和干物质积累有显著影响。谷秋荣等^{[ 19]}研究发现, 3种施肥处理各时期大豆叶片 P_n、 G_s、 C_i、叶绿素含量及成熟期产量均较对照有不同幅度的提高; 谢甫绨等^{[ 20]}研究表明, 不同施肥处理下各品种单株干物质积累均呈“S”型曲线, 随着施肥量的增加, 单株干物质积累量也增大。本研究中, 大豆植株干物质积累量也呈“S”型曲线变化, 干物质积累量峰值出现在鼓粒期(R6期); 施氮相对于不施氮提高了大豆叶片 P_n、 G_s、 T_r及植株干物质积累量, 与前人研究一致^{[ 19, 20]}。但单作模式下, V5、R2、R4期, 与不施氮和减量施氮处理相比, 习惯施氮处理始终保持较高的 P_n、 G_s、 T_r和干物质积累量, 说明传统施肥方式下大豆在R4期以前旺长加剧, 落花落荚加重, 致使R4~R6期的作物生长率显著降低, 最终经济系数和产量下降。而套作模式下, R4、R6期, 减量施氮处理大豆的叶片 P_n、 G_s、 T_r和干物质积累量高于不施氮和习惯施氮处理, 且套作大豆在R4~R6期仍保持较高的作物生长率, 显著高于单作大豆。说明玉米-大豆套作减量一体化施肥有利于大豆光合特性和干物质积累的恢复, 促进了大豆花后的生长, 且提高了经济系数, 最终促进了大豆产量的提高。另一方面, 雍太文等^{[ 21]}在前期研究中发现, 玉米-大豆套作条件下, 与习惯施氮相比, 减量施氮提高了大豆R2、R5期单株根瘤数量、根瘤干重和根瘤固氮潜力, 表明降低施氮量、远离根区施肥、以及整合施肥时期之后, 玉米-大豆套作减量一体化施肥不仅能够满足玉米对氮肥的需求, 而且促进了大豆的生物固氮, 使植株根系对氮素的吸收能力增加, 为地上部植株生长提供充足的营养, 以促进叶片更好地生产和积累光合物质, 为大豆花荚的形成奠定了物质基础, 从而促进了产量的提高, 但有关减量一体化施肥促进玉米-大豆套作体系下大豆生物固氮的作用机理还有待进一步研究。
3.2 减量施氮对玉米-大豆套作体系产量的影响合理的间作套种有利于增加作物产量, 尤其是禾本科作物与豆科作物的间套种植, 具有明显的间套优势。王秋杰等^{[ 22]}研究表明, 小麦套作花生相对于两作物持续种植有明显的产量优势, 4年平均增产分别为27.7%和14.3%; Haugaard-Nielsen等^{[ 23]}研究表明, 豌豆-大麦间作系统中产量提高25%~38%; Willey等^{[ 24]}和Oljaca等^{[ 25]}研究发现, 玉米和豆类间作分别增产38%和54%; Li等^{[ 26]}研究表明, 小麦和大豆间作可增产28%~30%; Subedi等^{[ 27]}研究发现, 小麦和豌豆间作可增产17%~42%。
雍太文等^{[ 28]}在前期研究中发现, 小麦-玉米-大豆套作体系下玉米始终占据优势生态位, 大豆处于竞争劣势, 与单作相比, 套作体系下玉米产量显著提高, 大豆则呈降低趋势^{[ 11]}, 不利于套作系统玉米、大豆双高产。本研究中, 玉米-大豆套作系统具有明显的产量优势(LER>1), 施氮处理下, 玉米的产量在单作与套作模式间无显著变化, 套作大豆的产量显著高于单作, 且以减量施氮处理的最高, 说明玉米-大豆套作减量一体化施肥有利于提高大豆产量, 促进玉米、大豆双高产。Yang等^{[ 12]}研究表明, 甘蔗-大豆间作系统中, 甘蔗的种间竞争力和营养竞争比率弱于大豆, 甘蔗产量与单作无显著变化, 间套优势主要取决于大豆作物。本研究也表明, 玉米的种间竞争力和竞争比率弱于大豆(A_cs<0, CR_cs<1), 另外, 与习惯施氮相比, 减量施氮处理下玉米对大豆的种间竞争力和竞争比率明显提高, 2013年, 种间竞争力(A_cs)接近0, 竞争比率(CR_cs)接近1, 说明玉米-大豆减量一体化施肥促进了套作体系中玉米大豆和谐共生, 从而提高套作系统的产量。从产量构成因素来看, 与单作相比, 不施氮时, 套作大豆的单株荚数显著降低, 而施氮时, 套作大豆的单株荚数则显著提高, 且套作模式下, 大豆的单株荚数在施氮处理间以减量施氮处理最高, 说明玉米-大豆套作减量一体化施肥提高了大豆的单株荚数, 从而提高了大豆产量。张正翼等^{[ 29]}通过研究24份品种在套作下的产量和产量构成发现, 单株荚数对大豆产量影响最大, 其次为百粒重和单荚粒数, 与本试验结果一致。另外, 万燕等^{[ 30]}在不同施氮水平下研究套作大豆的氮代谢规律发现增施氮肥促进大豆株高增加、节间伸长, 花荚脱落数增加, 产量降低, 在本研究中也得到体现, 习惯施氮处理大豆的单株荚数低于减量施氮处理, 但有关玉米-大豆套作减量一体化施肥如何促进大豆花荚形成的生理机制还有待进一步研究。

4 结论花期后, 套作大豆的 P_n、 G_s、 T_r与单作差异不显著, 干物质积累量显著降低, R4~R6期的作物生长率和经济系数显著提高; 减量施氮提高了大豆的 P_n、 G_s、 T_r、干物质积累量和单株荚数。玉米-大豆套作减量一体化施肥促进了大豆花后光合特性的恢复和干物质的积累, 提高了大豆的经济系数及产量, 最终提高了系统总产。
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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