生态学报  2015, Vol. 35 Issue (13): 4473-4482

文章信息

雍太文, 刘小明, 刘文钰, 周丽, 宋春, 杨峰, 蒋利, 王小春, 杨文钰
YONG Taiwen, LIU Xiaoming, LIU Wenyu, ZHOU Li, SONG Chun, YANG Feng, JIANG Li, WANG Xiaochun, YANG Wenyu
减量施氮对玉米-大豆套作系统下作物氮素吸收和利用效率的影响
Effects of reduced nitrogen application on nitrogen uptake and utilization efficiency in maize-soybean relay strip intercropping system
生态学报, 2015, 35(13): 4473-4482
Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(13): 4473-4482
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201408301726

文章历史

收稿日期:2014-08-30
修订日期:2015-03-27
减量施氮对玉米-大豆套作系统下作物氮素吸收和利用效率的影响
雍太文1, 2, 刘小明1, 2, 刘文钰1, 2, 周丽1, 2, 宋春2, 3, 杨峰1, 2, 蒋利1, 2, 王小春1, 2, 杨文钰1, 2     
1. 四川农业大学农学院, 成都 611130;
2. 农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室, 成都 611130;
3. 四川农业大学资源环境学院生态环境研究所, 成都 611130
摘要:为探索玉米-大豆套作系统中作物对N素吸收的差异特性,揭示减量施N对玉米-大豆套作系统的N高效利用机理。利用15N同位素示踪技术,结合小区套微区多年定位试验,研究了玉米单作(MM)、大豆单作(SS)、玉米-大豆套作(IMS)及不施N(NN)、减量施N(RN:180 kg N/hm2)、常量施N(CN:240 kg N/hm2)下玉米、大豆的生物量、吸N量、N肥利用率及土壤N素含量变化。结果表明,与MM(SS)相比,IMS下玉米茎叶及籽粒的生物量、吸N量降低,15N%丰度及15N吸收量增加,大豆籽粒及植株的生物量、吸N量及15N吸收量显著提高;IMS下玉米、大豆植株的N肥利用率、土壤N贡献率、土壤15N%丰度降低,15N回收率显著增加。施N与不施N相比,显著提高了单、套作下玉米、大豆植株的生物量、吸N量、15N丰度及15N吸收量;RN与CN相比,IMS下,RN的玉米、大豆植株总吸N量提高13.4%和12.4%,N肥利用率提高213.0%和117.5%,土壤总N含量提高12.2%和11.6%,土壤N贡献率降低12.0%和11.2%,玉米植株15N吸收量与15N回收率提高14.4%和52.5%,大豆的则降低57.1%和42.8%,单作与套作的变化规律一致。玉米-大豆套作系统中作物对N素吸收存在数量及形态差异,减量施N有利于玉米-大豆套作系统对N肥的高效吸收与利用,实现作物持续增产与土壤培肥。
关键词玉米-大豆套作    减量施N    N素吸收利用    15N    
Effects of reduced nitrogen application on nitrogen uptake and utilization efficiency in maize-soybean relay strip intercropping system
YONG Taiwen1, 2, LIU Xiaoming1, 2, LIU Wenyu1, 2, ZHOU Li1, 2, SONG Chun2, 3, YANG Feng1, 2, JIANG Li1, 2, WANG Xiaochun1, 2, YANG Wenyu1, 2     
1. College of Agronomy, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China;
2. Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Cultivation in Southwest, Ministry of Agriculture, Chengdu 611130, China;
3. Institute of Ecological and Environmental Sciences, College of Resources and Enviroment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
Abstract:To investigate the N uptake difference features between crops in the relay strip maize-soybean intercropping system, and reveal the efficient N utilization mechanism under reduced N application condition, the 15N isotope tracer and plot location experiment combined with micro plot test assays were employed in the present study. Two field experiments were performed to analyze the biomass, N uptake, N use efficiency and soil N content of maize and soybean with 3 planting patterns, including maize monoculture (MM), soybean monoculture (SS) and maize-soybean relay strip intercropping (IMS), under 3 N application rates, including no N application (NN), reduced N application (RN: 180 kg N/hm2) and conventional N application (CN: 240 kg N/hm2). The results showed that the biomass and N uptake of maize stem and grain with IMS decreased, and 15N% abundance and 15N uptake increased, compared to monoculture system; the biomass, N uptake and 15N uptake of soybean grain and plant with IMS increased significantly; and the N fertilizer utilization efficiency, soil N contribution rate, and soil 15N% abundance of maize and soybean with IMS reduced. However, the 15N recovery rate of maize and soybean increased. Comparing N application to no N application, the total N uptake, N fertilizer utilization efficiency and soil total N content of maize and soybean with N application increased, and the soil N contribution rate reduced, both in monoculture and relay strip intercropping systems; Furthermore, the 15N% abundance, 15N uptake and the recovery rate of maize aboveground plant increased significantly, but those indices of soybean decreased remarkably. Comparing reduced N application to conventional N application, the total N uptake of aboveground plant of maize and soybean with IMS raised 13.4% and 12.4%, and N fertilizer utilization efficiency raised 213.0% and 117.5%, and the soil total N content increased 12.2% and 11.6%, but the soil N contribution rate decreased 12.0% and 11.2%.In addition, the 15N uptake and recovery rate of maize plant with IMS increased 14.4% and 52.5%, for soybean, correspondingly reduced 57.1% and 42.8%. 15N abundance of maize soil with IMS dropped 6.3%, but that of soybean improved 9.2%.There were quantitative and morphological differences of N uptake in the maize- soybean relay strip intercropping system. It is conclude that reduced N application was not only benefit to the N fertilizer efficient absorption and utilization for relay strip intercropping crops, but also achieve sustained crop yield and soil fertility.
Key words: Maize-soybean relay strip intercropping    reduced N application    N uptake and utilization    15N    

我国是世界上单位化肥投入粮食产出最低的国家之一[1],如何合理施用氮肥,建立高产稳产、优质低耗、省工无污染的氮肥管理技术,成为了关系国计民生的大事。研究表明,适当的氮素减量不仅不会引起作物产量发生显著的变化,而且还可以降低农田氮素损失[2, 3],提高氮肥利用率[4, 5],改善土壤微生物群落结构[6],优化农田生态系统氮素循环,利于农业可持续发展。间作套种在耕地面积不增加的前提下,显著增加了播种面积、提高了资源利用率和粮食产量[7, 8],尤其是豆科+禾本科的间作优势十分明显,被广泛研究和利用[9, 10, 11, 12]。玉米-大豆带状套作作为我国南方旱地农业的一种主要种植模式,不仅增产增收效果明显[13],还有助于提高系统光能利用效率[14],降低农田氮素损失[15],改善农田生态系统服务功能[16]。在现有的间套作系统中,尤其是豆科+禾本科的间作优势很大程度是因为氮营养的促进作用[17, 18],针对种间氮素促进机制研究者们通常利用生态位理论及氮素转移理论来解释[19, 20],但有关玉米-大豆带状套作系统下作物氮素吸收的生态位差异特性鲜见报道。前期研究表明在玉米-大豆套作体系中作物对N的吸收存在竞争与补偿[21, 22],但这种N素补偿作用是否与作物对N素吸收形态差异有关尚不清楚?本文拟借助15N同位素示踪技术,研究减量施氮下玉米-大豆套作系统中作物对N素吸收的形态差异,并利用生态位原理来阐述玉米-大豆套作系统氮高效利用机理,对揭示间套复合系统种间资源竞争补偿原理提供理论参考,对完善玉米-大豆减量一体化施肥技术提供实践依据。

1 材料与方法 1.1 试验时间、地点

试验于2012年3月—2013年10月在四川省现代粮食产业(仁寿)示范基地进行。2012年基础土壤肥力:pH值6.8,有机质17.26 g/kg,全N0.90 g/kg,全P0.50 g/kg,全K14.28 g/kg,碱解氮77.35 mg/kg,速效磷22.83 mg/kg,速效钾196.63 mg/kg。

1.2 试验材料

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院大豆所提供。15NH415NO3肥料(15N的丰度为10.02%)由上海化工研究院生产。

1.3 试验方法 1.3.1 小区试验设计

采用二因素裂区设计,主因素为种植方式,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N总量,不施N(NN)、减量施N(RN:180 kg N/hm2,根据当地玉米施N量确定)、常量施N(CN:240 kg N/hm2,根据当地玉米与大豆的总施N量确定),玉米、大豆施N比例为3:1,重复3次。每处理连续种3带,带长6m、带宽2m,N肥施用普通尿素。

玉米、大豆单作采用等行距种植,玉米行距100cm、大豆行距50cm,玉米、大豆穴距17cm,穴留1株;玉米-大豆套作采用宽窄行种植,玉米宽行160cm,窄行40cm,玉米宽行内种2行大豆,大豆行距40cm,玉米与大豆间距60cm,穴距17cm,玉米穴留1株,密度5.85万株/hm2,大豆穴留2株,密度11.7万株/hm2,玉米、大豆单作与套作的密度相同。玉米N肥分两次施用,即玉米底肥和大喇叭口期追肥,大豆N肥一次性施用。玉米、大豆单作按株间穴施方式施肥,玉米-大豆套作按玉米、大豆一体化施肥方式,即玉米底肥统一施纯N 72 kg/hm2,玉米大喇叭口期追肥与大豆氮磷钾肥混合施用,在玉米、大豆之间,距玉米25cm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 52.5kg。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。

表 1 不同种植方式下的氮肥施用量 Table 1 N application rates under different planting patterns
种植模式
Planting pattern
施N处理
N application
小区/(kg N/hm2) Plot 微区/g 15NH415NO3 Micro plot
施N总量 Total N application rate底肥 Base fertilizer 追肥 Top fertilizer施N总量 Total N application rate底肥 Base fertilizer追肥 Top fertilizer
MM:玉米单作Maize monoculture;SS:大豆单作Soybean monoculture;IMS:玉米-大豆套作Maizesoybean relay strip intercropping; RN:减量施氮Reduced N application;CN:常量施氮Conventional N application
MMRN135726329.3015.6313.67
CN1807210839.0715.6323.44
SSRN454509.779.770
CN6060013.0213.020
IMSRN1807210897.6739.0758.6
CN24072168130.2239.0791.15
1.3.2 微区试验

除NN处理外,RN与CN处理均采用小区套微区方式,设置微区18个。单作(MM、SS)、套作(IMS)处理下微区面积为分别为0.76m2和1.9m2,施用氮肥为硝酸铵-15N2(15NH415NO3),施氮水平如表 1。施肥时,将硝酸铵-15N2溶于蒸馏水后等量施用于各处理的每穴植株,施用方式与小区一致。微区布置在小区中间一带,小心地将所要布置微区周边的土挖开,MM、SS处理下挖成长×宽×深为2m×0.38m×0.6m的土柱,IMS处理下挖成长×宽×深为2m×0.95m×0.6m的土柱,然后均用高度为0.7m的无底渡锌铁皮围圈起来,并保持该土柱桶与土柱紧贴,土柱桶顶端高出地面0.1m。最后把微区土柱桶内有缝隙的地方用原层次土填充,土柱桶外挖出的土也进行原状回填。微区作物种植及磷钾施肥水平同小区试验。

1.4 植株样品采集及全氮含量测定

小区试验于成熟期采集各作物的植株样。套作与单作处理的植株取样方法相同,每小区随机取长势一致样段两段,每段取对称2 行的连续2 穴,单作和套作处理的玉米均为8株,单作大豆8株、套作大豆16株。将植株按地上部秸秆、籽粒和地下根系分开,105℃下杀青30 min后继续在75℃烘至恒重,测定干物质重;样品粉碎过60目筛后存放于干燥器中,用FOSS全自动定氮仪测定玉米、大豆各个器官中全氮的含量,计算氮素吸收利用率。

1.5 微区植株15N吸收及土壤15N残留 1.5.1 玉米、大豆植株取样及15N%丰度测定

微区试验于玉米、大豆成熟期取样,玉米4株,大豆8株,连根整体挖出,抖掉与根系结合的土壤,植株按地上部秸秆、籽粒和地下根系分开,均在105℃下杀青30 min后继续在75℃烘至恒重,测定干物质重;样品粉碎后过60目筛,测定总N含量和15N%丰度。用K-05自动定氮仪测定总N含量,并将定氮后的馏出液浓缩至1 mL,用同位素比率质谱仪(Thermo-Fisher Delta V Advantage IRMS)测定15N丰度。氮原子百分超(atom%15N excess)等于标记样品的15N%与未标记样品(不施N处理)的15N%之差。

1.5.2 玉米、大豆带土壤N含量及15N残留

各作物收获后用土钻分带采集土壤样品(0—20 cm)。单作玉米和单作大豆土壤样品分别为垂直玉米行或大豆行0cm、距玉米行间25cm、距大豆行间25cm,共3个样点;玉米-大豆套作处理下玉米带土壤样品和大豆带土壤样品分别为垂直玉米行或大豆行距窄行0cm、20cm,距宽行20cm、40cm,共4个样点。将采集样品制备成混合样,按四分之一法则取20 g土,所取土样留一部分作鲜样测NO3-N和NH4-N含量,另一部分风干后测定总N含量和15N丰度。土壤总N含量和15N丰度测定方法同植株。称取5.00 g鲜土置振荡瓶中,加1 mol/L KCL溶液50 mL,于恒温气浴摇床以振速120 r/min,振荡60 min后,取滤液于塑料瓶中,4℃冷藏,在1周内用连续流动分析仪(ALLIANCE INTEGRAL Futura)测定浸提液中的NH4-N和NO3-N含量。

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2003数据整理;采用DPS7.05 软件对试验数据进行方差分析和LSD 显著性测验。

2 结果分析 2.1 施氮与种植方式对作物生物量及吸N量的影响 2.1.1 生物量

施氮与种植方式显著影响了作物的生物量(表 2)。与MM相比,IM下玉米根、茎叶及籽粒干物质重降低,但差异不显著,两年平均降低12.9%、3.3%和3.2%。施N相对不施N显著提高了玉米根、茎叶及籽粒干物质重,但RN与CN间在不同种植方式下的变化规律不一致;MM下,RN与CN间除茎叶重差异不显著外,CN的根和籽粒重均显著高于RN,两年平均高20.5%和3.2%;IM下,除CN与RN的根重差异不显著外,RN的茎叶、籽粒重均显著高于CN,两年平均高6.4%和7.9%。

表 2 不同施N水平与种植方式下的玉米、大豆生物量 Table 2 Biomass of maize and soybean under different N rates and planting patterns
N处理 N Treatments 玉米Maize/(kg/hm2) 大豆Soybean/(kg/hm2)
根Root 茎叶Stem 籽粒Grain 根Root 茎叶Stem 籽粒Grain
MM IM MM IM MM IM SS IS SS IS SS IS
MM:玉米单作Maize monoculture;IM:玉米套作Maize relay stripintercropping;SS:大豆单作Soybean monoculture;IS:大豆套作Soybean relay strip intercropping;NN:不施氮No N application;RN:减量施氮Reduced N application;CN:常量施氮;Conventional N application 同列数据后不同字母表示处理间差异显著( P<0.05);IM(S)处理平均值后的星号(*)表示IM(S)与MM(或SS)差异显著( P<0.05)
2012
NN 428.2c 440.4b 6524.1b 6374.5b 6174.8c 6095c 217.0a 152.5b 2254.6b 1551.8b 1552.1b 1567.3c
RN 552.7b 533.0ab 6760.4a 6798.3a 6914.3b 6790.5a 221.4a 193.8a 2775.6a 2297.6a 1888.4a 2364.1a
CN 707.1a 631.0a 6608.0ab 6621.1ab 7187.3a 6346.5b 246.1a 201.0a 2205.5b 2250.0a 1471.7b 2176.8b
平均Mean 562.6 534.8 6630.8 6598.0 6758.8 6410.7* 228.2 182.4 2411.9 2033.1 1637.4 2036.1*
2013
NN 1151.3b 955.2a 6349.6a 5190.8c 6291.3b 5630.8c 639.2b 433.5a 2322.1b 1904.7b 1675.1b 1594.1c
RN 1292.2ab 1040.6a 6742.2a 6877.8a 7903.7a 8534.4a 693.7ab 507.3a 2985.3a 2236.2a 1981.0a 2224.1a
CN 1462.0a 1092.1a 6425.6a 6245.5b 8101.7a 7837.6b 747.6a 447.9a 3080.3a 2001.7ab 1800.7ab 1947.0b
平均Mean 1301.8 1029.3 6505.8 6104.7 7432.a 7334.3 693.5 462.9* 2795.9 2047.5* 1818.9 1921.7

对大豆,SS的根、茎叶重虽高于IS,但IS的籽粒重比SS的高15.0%。单套作方式下,大豆根重随施N量的增加而增加,且RN与CN间差异不显著;大豆茎叶和籽粒重则为RN的显著高NN与CN,其中,SS下RN的籽粒重比NN、CN平均高20.0%和19.2%,IS下RN的籽粒重则分别高45.7%和11.9%。

2.1.2 吸N量

与MM相比,IM的玉米根、茎叶及籽粒吸N量呈降低趋势,其中籽粒吸N量平均降低5.1%(表 3);对大豆,IS下根与茎叶的吸N量相对SS虽呈降低趋势,但IS的籽粒吸N量显著高于SS,平均高15.1%。单套作下施N处理的玉米、大豆根与茎叶的吸N量显著高于不施N的,其中茎叶吸N量以RN的最高,根吸N量以CN的最高;玉米籽粒吸N量在MM下随施N量的增加而增加,以CN的最高,比RN的高5.4%,IM下以RN的最高,比NN和CN的分别高44.2%和11.5%;大豆籽粒吸N量在SS与IS下均以RN的最高,SS下比NN和CN的分别高28.2%和22.3%,IS下分别高46.6%和12.3%。进一步分析玉米、大豆植株地上部总吸N量可知,IM的低于MM,IS的高于SS;各施N水平间,单套作下均以RN的最高,尤其是IMS下表现十分明显,RN的玉米、大豆地上部植株总吸N量分别比CN的高13.4%和12.4%。

表 3 不同施N水平与种植方式下玉米、大豆吸N量 Table 3 N uptake of maize and soybean under different N rates and planting patterns
N处理 N Treatments 玉米Maize/(kg/hm2) 大豆Soybean/(kg/hm2)
根Root 茎叶Stem 籽粒Grain 根Root 茎叶Stem 籽粒Grain
MM IM MM IM MM IM SS IS SS IS SS IS
2012
NN 1.77b 1.70b 49.35b 47.17b 65.10b 62.45c 1.65a 1.31a 20.69c 12.66c 96.50b 103.54c
RN 3.08a 2.80a 55.37a 60.92a 77.92a 76.05a 1.91a 1.49a 28.38a 22.12a 130.19a 160.55a
CN 3.17a 3.52a 50.55b 51.04b 79.85a 68.12b 2.16a 1.74a 24.08b 17.99b 100.31b 144.51b
平均Mean 4.27b 4.29a 44.04c 34.77c 75.16b 71.22c 4.38b 2.44a 29.66b 18.17b 134.61b 128.86c
2013
NN 1151.3b 955.2a 6349.6a 5190.8c 6291.3b 5630.8c 639.2b 433.5a 2322.1b 1904.7b 1675.1b 1594.1c
RN 6.12a 4.90a 56.83a 60.49a 110.44a 118.70a 4.83b 3.27a 32.43a 21.90a 163.55a 178.10a
CN 6.58a 4.95a 51.73b 53.42b 119.53a 106.56b 5.87a 2.87a 32.24a 19.16ab 142.48b 156.85b
平均Mean 5.66 4.71 50.87 49.56 101.71 98.83 5.03 2.86* 31.44 19.74* 146.88 154.60
2.2 施氮与种植方式对作物15N吸收的影响 2.2.1 植株总N含量及15N%丰度

不同15NH415NO3标记量对不同种植方式下玉米、大豆植株各器官的总N含量及15N丰度有显著影响(表 4表 5)。与MM相比,IM下玉米根的总N含量及15N%丰度显著降低,且IM下玉米茎叶及籽粒的总N含量分别降低1.8%和3.3%,但15N丰度显著增加18.6%和15.8%。各施N水平间,MM下玉米根、茎叶及籽粒的总N含量均为RN>CN>NN,IM下除施N处理的茎叶总N含量显著高于不施N外,根与籽粒的总N含量施N与不施N差异不显著;施N后,玉米各器官的15N%丰度均显著高于不施N植株的15N%自然丰度,RN与CN相比,玉米根的15N%丰度显著降低,玉米茎叶与籽粒的15N%丰度显著增加。

表 4 不同施N水平与种植方式下玉米、大豆植株的总N含量 Table 4 Plant total N content of maize and soybean under different N rates and planting patterns (g/kg)
N处理 N Treatments 玉米Maize/(kg/hm2) 大豆Soybean/(kg/hm2)
根Root 茎叶Stem 籽粒Grain 根Root 茎叶Stem 籽粒Grain
MM IM MM IM MM IM SS IS SS IS SS IS
NN 5.58b 5.29a 8.56b 8.18b 11.40b 11.78a 9.25a 11.59a 12.08c 10.34b 71.01a 70.88a
RN 6.80a 5.17a 11.45a 11.02a 12.99a 11.72a 7.21b 8.49b 16.51a 13.92a 66.25b 67.55ab
CN 6.49a 5.10a 10.80a 11.07a 12.43a 12.10a 8.14ab 8.73b 14.72b 13.91a 73.91a 66.25b
平均Mean 6.29 5.18* 10.27 10.09 12.28 11.87 8.2 9.6* 14.44 12.72 70.39 68.23
表 5 不同施N水平与种植方式下玉米、大豆植株的15N%丰度 Table 5 15N% abundance of maize and soybean under different N rates and planting patterns (%)
N处理 N Treatments 玉米Maize/(kg/hm2) 大豆Soybean/(kg/hm2)
根Root 茎叶Stem 籽粒Grain 根Root 茎叶Stem 籽粒Grain
MM IM MM IM MM IM SS IS SS IS SS IS
NN 0.371c 0.374c 0.376c 0.373c 0.372c 0.371c 0.373c 0.377c 0.373b 0.370c 0.369b 0.368c
RN 2.288b 2.314b 2.252a 2.718a 2.303a 2.726a 0.538b 0.480b 0.436a 0.514b 0.424a 0.503b
CN 3.354a 2.664a 2.155b 2.583b 2.184b 2.532b 0.720a 0.798a 0.461a 0.789a 0.481a 0.795a
平均Mean 2.005 1.784* 1.594 1.891* 1.620 1.876* 0.544 0.552 0.423 0.558* 0.425 0.556*

对大豆,IS下茎叶与籽粒的总N含量相对SS降低,但IS下茎叶及籽粒的15N%丰度显著增加。各施N处理间,大豆根的总N含量随施N量的增加而降低,15N%丰度则随施N量的增加而增加;大豆茎叶总N含量在SS及IS下均以RN的最高;大豆籽粒总N含量在SS下以RN的最低,IS下则以RN的最高;大豆茎叶及籽粒的15N%丰度随施N量的增加而增加,SS及IS下均以CN的最高。

2.2.2 15N吸收量

与MM(SS)相比(表 6),IM(IS)下玉米、大豆茎叶和籽粒的15N吸收量增加,其中,IM、IS的籽粒15N吸收量比MM、SS的分别高12.3%、335.5%,植株15N总吸收量分别高5.6%和255.1%。RN与CN相比,玉米茎叶、籽粒及植株15N总吸收量显著提高,而大豆的则显著降低;其中,玉米在IM下RN的比CN的分别提高12.2%、17.3%和14.4%,导致RN下玉米植株15N吸收量占植株总N吸收量百分比显著提高,MM与IM下分别提高4.5%和7.2%,而大豆在IS下RN的比CN的分别降低54.5%、57.5%和57.1%,最终RN下大豆植株15N吸收量占植株总N吸收量百分比显著降低,SS与IS下分别降低43.8%和67.8%。由此可见,与CN相比,RN降低了套作系统中大豆对肥料N的吸收,但增加了套作系统中玉米对肥料N的吸收。

表 6 不同施N水平与种植方式下玉米、大豆植株的15N吸收量 Table 6 The 15N uptake of maize and soybean under different N rates and planting patterns (mg/株)
作物
Crops
N处理
N Treatment
根Root 茎叶Stem 籽粒Grain 总计Total
MM/SS IM/IS Mean MM/SS IM/IS Mean MM/SS IM/IS Mean MM/SS IM/IS Mean
玉米Maize RN 18.17b 11.12a 14.64b 330.19a 326.78a 328.48a 354.52a 388.79a 371.65a 702.87a 726.69a 714.78a
CN 23.86a 12.54a 18.20a 275.62b 291.32b 283.47b 286.95b 331.49b 309.22b 586.44b 635.35b 610.89b
平均 21.02 11.83* 302.90 309.05 320.74 360.14* 644.66 681.02*
大豆Soybean RN 0.18b 0.14b 0.16b 2.13a 3.41b 2.77b 2.92b 9.43b 6.18b 5.24b 12.98b 9.11b
CN 0.39a 0.57a 0.48a 2.21a 7.50a 4.85a 4.34a 22.18a 13.26a 6.95a 30.25a 18.60a
平均 0.29 0.36 2.17 5.45* 3.63 15.81* 6.09 21.62*
2.3 N肥利用率与土壤N贡献率 2.3.1 N肥利用率

MM与IM间的玉米N肥利用率差异不显著(表 7),但IS下的大豆N肥利用率比SS的降低46.7%。RN与CN相比,玉米、大豆的N肥利用率均显著提高,其中,玉米在MM与IM下分别提高40.2%和213.0%,大豆在SS与IS下分别提高455.2%和117.5%。玉米-大豆套作系统的周年N肥利用率明显高于玉米单作和套作模式下单一作物的N肥利用率,比玉米单作平均高146.5%;各施N水平间则为RN显著高于CN。进一步分析15N回收率(表 8),与MM(SS)相比,IM(IS)下的玉米、大豆植株15N回收率显著提高5.3%和241.4%。与CN相比,MM、IM下RN的玉米植株15N回收率显著提高59.8%和52.5%,但IS下RN的大豆植株15N回收率显著降低42.8%,SS下RN的与CN的差异不显著。

表 7 不同施N水平与种植方式下玉米、大豆植株的15N吸收量 Table 7 The 15N uptake of maize and soybean under different N rates and planting patterns (mg/株)
N处理
N Treatment
2012 2013
玉米Maize 大豆Soybean 玉米-大豆
IMS
玉米Maize 大豆Soybean 玉米-大豆
IMS
MM IM SS IS IMS MM IM SS IS
RN 14.0a 15.1a 88.7a 36.9a 52.1a 35.6a 37.6a 64.6a 29.5a 70.1a
CN 8.9b 3.2b 12.0b 19.3b 23.3b 28.9b 24.4b 17.4b 12.1b 34.6b
平均Mean 11.4 9.2 50.3 28.1* 37.7 32.3 31.0 41.0 20.8* 52.4
表 8 玉米-大豆套作系统中作物的15N回收率 Table 8 The 15N recovery rate of crops in maize-soybean relay strip intercropping system (%)
N处理
N Treatment
玉米Maize 大豆Soybean
MM IM Mean SS IS Mean
RN 27.429a 28.358a 27.894a 1.225a 3.037b 2.131b
CN 17.160b 18.591b 17.875b 1.219a 5.307a 3.263a
平均Mean 22.294 23.475 1.222 4.172*
2.3.2 土壤N贡献率

与MM(SS)相比,IM(IS)下玉米、大豆的土壤N贡献率降低6.2%和15.6%(表 9)。RN与CN相比,除MM下玉米土壤N贡献率差异不显著外,其它处理下均为RN的显著低于CN,其中,IM与IS下RN的玉米、大豆土壤N贡献率分别降低12.0%和11.2%。连续2年种植后,由于套作系统周年N肥利用率提高(表 7),玉米-大豆套作系统周年土壤N贡献率呈降低趋势,且套作系统的土壤N贡献率低于单作系统和套作模式下单一作物,其中,RN下IMS的比MM和SS的分别低12.0%和12.6%。

表 9 玉米-大豆套作系统下各作物的土壤氮贡献率 Table 9 The 15Soil N contribution of crops in relay strip intercropping system (%)
N处理
N Treatment
2012 2013
玉米Maize 大豆Soybean 玉米-大豆
IMS
玉米Maize 大豆Soybean 玉米-大豆
IMS
MM IM SS IS IMS MM IM SS IS
RN 86.0a 80.0b 74.0b 63.6b 70.7b 71.3a 59.1b 84.3b 74.1b 66.9b
CN 87.8a 92.0a 94.2a 71.6a 80.2a 70.0a 66.3a 94.1a 83.5a 75.3a
平均Mean 86.9 86.0 84.1 67.6* 75.4 70.7 62.7 89.2 78.8* 71.1
2.4 土壤N含量及15N%丰度 2.4.1 土壤无机N含量

玉米、大豆土壤的无机总N与NO3-N含量变化规律一致(表 10),种植方式间为IM>MM,IS<SS;各施N水平间,除IS下大豆土壤的NO3-N及无机总N含量随施N量的增加而降低外,MM、IM与SS下玉米、大豆土壤的NO3-N及无机总N含量均随施N量的增加而增加。相对MM(SS)处理,IM与IS下玉米、大豆土壤NH4-N含量呈增加趋势;施N相对不施N提高了玉米土壤NH4-N含量,但显著降低了大豆土壤NH4-N含量。

表 10 玉米-大豆套作系统中作物土壤NO3-N、NH4-N含量 Table 10 Soil NO3-N and NH4-N content of crops in the relay strip intercropping system(mg/kg)
N处理
N Treatment
玉米Maize 大豆Soybean
NO-3-N NH+4-N Inorganic total N NO-3-N NH+4-N Inorganic total N
MM IM MM IM MM IM SS IS SS IS SS IS
NN 41.19b 42.79b 24.49a 25.18a 65.68b 69.96b 58.77b 42.83a 20.05a 30.04a 78.82b 72.86a
RN 49.15a 55.77a 25.57a 25.33a 74.72a 81.11a 64.67a 42.25a 18.91a 25.68a 83.58ab 67.93a
CN 52.38a 59.71a 27.16a 26.96a 79.54a 86.67a 68.20a 39.26a 21.19a 29.35a 89.38a 68.62a
平均Mean 47.57 52.76* 25.74 25.82 73.3 79.2a 63.8a 41.45* 20.05 28.36 83.93 69.80
2.4.2 土壤总N含量及15N%丰度

与MM(SS)相比,IM下玉米土壤15N%丰度降低2.0%,土壤总N含量增加7.8%,而IS下大豆土壤15N%丰度和土壤总N含量分别降低3.0%和13.8%(表 11)。施N与不施N相比,玉米土壤总N含量和15N%丰度显著提高,而大豆的土壤总N含量降低,土壤15N%丰提高;MM与IM下玉米土壤总N含量为RN>CN,而土壤15N丰度则为RN<CN,SS与IS下大豆土壤总N含量与15N%丰度均为RN>CN,其中,IS下RN的比CN的分别高11.6%和9.2%。

表 11 玉米-大豆套作系统中作物土壤总氮含量及15N%丰度 Table 11 Soil total N content and 15N% abundance of crops in the relay strip intercropping system
N处理
N Treatment
玉米Maize 大豆Soybean
Total N/(g/kg) 15N abundance/% Total N/(g/kg) 15N abundance/%
MM IM Mean MM IM Mean SS IS Mean SS IS Mean
NN 0.803b 0.909a 0.856b 0.379c 0.382b 0.380c 1.061a 0.961a 1.011a 0.380b 0.379b 0.379c
RN 0.972a 1.036a 1.004a 0.469b 0.461a 0.465b 1.012ab 0.885b 0.949b 0.460a 0.451a 0.455a
CN 0.886ab 0.923a 0.905ab 0.515a 0.492a 0.504a 0.988b 0.793c 0.890c 0.443a 0.413b 0.428b
平均Mean 0.887 0.956 0.454 0.445 1.020 0.879* 0.427 0.414
3 讨论 3.1 玉米-大豆套作系统作物氮素吸收差异特性

根据生态位理论,如果限制因子为不同资源但满足同一需求,如豆科作物利用N2,非豆科作物利用NO3-N或NH4-N,各自占据不同的生态位,那么也会使种间竞争作用缓解[23]。高浓度的土壤无机氮可能阻碍豆科固氮,如非豆科与豆科间作,非豆科可能竞争到更多的土壤无机氮,间作豆科的生物固氮比单作增加[19, 24]。豆科与非豆科间作时,豆科与非豆科对N的需求都将得到一定程度上的满足,也就存在了种间互利大于种间竞争的可能性,形成产量和氮素吸收利用优势。本研究中,利用微区与大田试验相结合的方法,充分揭示了玉米-大豆套作体系中作物对N素吸收数量与形态的差异,与MM相比,大田试验中IM下玉米茎叶、籽粒的吸N量虽降低,但微区试验中,IM下玉米地上部植株15N%丰度及15N吸收量显著增加,其中籽粒15N吸收量增加12.3%,加之土壤N贡献率降低6.2%,体现出玉米-大豆套作体系玉米对NO3-N、NH4-N的吸收优势,植株15N吸收量占总N吸收量的23.9%;减量施N促进了套作植株对15N的吸收,IM下RN的玉米籽粒15N吸收量比CN的高17.3%,而且,RN下IM的比MM的高9.7%;前期研究发现减量施N有利于促进套作玉米籽粒灌浆,提高经济系数及籽粒百粒重[25],这就为玉米-大豆套作共生期间玉米对15N的吸收优势奠定基础。对大豆,套作植株N吸收量及15N回收率相对单作虽都提高,但植株15N总吸收量较小,仅占植株总N吸收量的0.6%—4.4%,IS下的大豆N肥利用率也比SS的低46.7%,减量施N后的降低效果更明显,说明大豆对NO3-N、NH4-N为吸收劣势,N素吸收主要以根瘤固N为主;减量施N不仅促进大豆植株对肥料N的吸收,更有利于大豆根瘤固氮,减N 18%提高了套作大豆根瘤固氮酶活性[26]

氮的利用效率受环境中N形态影响,大多数植物吸收的N主要是NO-3、NH+4离子,尤其是禾本科作物吸收的N主要为无机态氮。本研究中,虽然IM下玉米土壤NO3-N及无机N总含量相对MM提高,但RN相对CN降低;此外,套作玉米的土壤表观N损失显著降低[15]。因此,玉米-大豆套作既有利于玉米当季对肥料N的吸收利用,更有利于降低对土壤N素的过度消耗,维持土壤肥力。NO3-N、NH4-N会抑制固氮作物根瘤菌的侵染、固氮酶活性和根瘤菌分化与生长[27],以抑制共生固氮;本研究中,由于玉米对N肥的竞争吸收以及大豆固定的N及时向玉米转移[28],降低了土壤N浓度,既满足了根瘤发育必需的“启动N”[29],又避免N过量而抑制根瘤固氮[30],RN的大豆土壤NO3-N及无机N含量均最低,为根瘤固氮及N转移创造了条件。

3.2 减量施N对玉米-大豆套作系统的增产节肥效应

氮肥对提高作物产量起着重要作用,但过量施用和低效利用会造成资源浪费和环境污染,不利于农业可持续发展[31],而适当的氮素减量不会引起作物产量的显著变化[4, 5, 6]。本研究中,IM的玉米植株生物量及籽粒产量相对MM虽降低,但RN的产量及生物量相对CN的显著增加,这就弥补了套作条件下的玉米产量劣势,2013年,IM下RN的玉米产量比MM下CN的最高玉米产量高5.3%。此外,减量施N提高了大豆光合作用及物质积累,降低了玉米-大豆套作体系的种间竞争作用[13],显著提高了套作体系下大豆产量,比大豆单作高15.0%,有利于玉米-大豆套作体系下作物均衡增产。前期研究发现减N 18%有效提高了玉米花后和大豆花前干物质积累量、转移量、转移率和对籽粒的贡献率[25],与本研究的增产效应十分一致。但有关减量施N下玉米-大豆套作体系地下根系相互作用及地下根系N吸收对地上部产量形成的贡献还有待进一步研究。

禾本科与豆科作物间套作有明显的间套作优势[11, 18, 19],在“小麦/玉米/大豆”套作体系施肥效应研究中,发现采用传统株间穴施化肥后,玉米占据优势生态位,大豆处于竞争劣势[23];与单作相比,套作体系下玉米产量、氮素吸收量及氮肥利用率显著提高,而大豆对氮肥的利用率降低51.45%[21],不利于套作系统平衡吸收养分及可持续利用养分。本研究采用减量一体化施肥后,相对MM或SS,IMS不仅未显著影响玉米植株N吸收量,还使大豆籽粒吸N量显著增加,确保了玉米-大豆套作系统总吸N量及周年N肥利用率提高;RN与CN相比,玉米、大豆的籽粒及茎叶吸N量提高,使IMS下RN的玉米、大豆地上部植株总吸N量比CN的高12.4%和13.4%,体现出减量施N对玉米-大豆套作系统N素吸收的平衡效应。此外,RN相对CN还降低了土壤N素贡献率、提高了土壤总N含量;与MM和SS相比,IMS下单季作物土壤N素贡献率分别降低6.2%和15.6%,而套系统相对单作则降低12%左右,且呈逐年降低趋势,其原因则归因于RN显著提高了IMS下玉米和大豆的N肥吸收利用率,分别较CN的高213.0%和117.5%,且呈逐年增加趋势,导致RN下系统周年N肥利用率提高113.0%,土壤N素贡献率降低11.5%,维持了土壤肥力,尤其是显著提高了耗地作物玉米的土壤总N含量,IM的比MM的高7.8%,RN的比CN的高10.6%。这与战秀梅等[5]、Constantin等[2]研究减量施N的节肥效应一致,但减量施N下玉米-大豆套作体系N素种间竞争补偿机理及土壤N素转化与作物N素吸收间的关系还有待进一步研究。

4 结论

玉米-大豆套作系统中作物对N素吸收存在数量及形态差异,相对单作,套作下玉米的籽粒及植株总吸N量降低,大豆的则增加;玉米的土壤NO3-N含量、总N含量增加,大豆的则降低;玉米、大豆的N肥利用率及15N回收率提高,土壤N贡献率及土壤15N%丰度降低。玉米植株对NO3-N、NH4-N为吸收优势,大豆则为吸收劣势,以生物固N为主。减量施N有利于玉米-大豆套作体系作物持续增产及维持土壤肥力,IMS下,RN的玉米、大豆籽粒产量及植株吸N量显著高于CN,系统周年N肥利用率逐年增加,土壤N贡献率逐年降低。

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