施氮对小麦和玉米套作体系干物质积累和产量的影响

施氮对小麦和玉米套作体系干物质积累和产量的影响

氮肥是粮食高产的主要因素，粮食产量增加的贡献率约为40%1%。我国是最大的发展中国家,以占世界7%的耕地养活了22%的人口,但肥料氮的消费量约占全世界肥料氮使用量的1/3［2］。根据近30年的数据统计［3］,我国化肥总使用量持续增长,其中氮肥用量一直居高不下,在生产中,氮肥的盲目施用过量施用、当季利用率低和环境污染问题三者并存。因此氮肥的合理施用成为农业高产高效和可持续发展的必然要求。作为传统农业的精华,间套作在农业可持续发展上具有重要意义,在印度、东南亚、拉丁美洲、非洲等世界各地普遍存在［4］,在我国间作种植的耕地面积超过2800×104hm2［5］。四川盆地因光、热、水资源的特殊性,农业生产有“两季有余,三季不足”的特点,因此四川旱地作物的间套作更是十分广泛,约占旱地种植面积的54%。在传统的小麦(Triticumaestivum)/玉米(Zeamays)、马铃薯(Solanumtuberosum)/玉米、玉米/甘薯(Dioscoreaesculenta)等间套作模式基础上,近年来旱地新三熟“小麦/玉米/大豆(Glycinemax)”周年间套模式在四川盆地得到了快速发展,据研究,此模式集禾本科与禾本科、禾本科与豆科套作为一体,有效实现了土地的用养结合和养分互补,能有效解决当前农村争地、争肥、争劳动力的矛盾［6-8］。虽然生产中“小麦/玉米/大豆”体系的种植面积在逐年增加,前人也对小麦、玉米、大豆的栽培和施肥分别作了一些研究［9-15］,但迄今将周年间套体系的3种作物小麦、玉米、大豆一起作为研究对象的还很少,体系各作物的干物质积累和产量产值关系还缺乏针对性研究。为此,本研究利用在四川雅安建立的小麦/玉米/大豆周年体系定位试验,以不同施氮水平为因素,对“小麦/玉米/大豆”周年间套体系中各作物的干物质积累和产量变化进行了研究,以期为该体系的氮肥合理施用与双高(高产高效)生产提供科学依据。1材料和方法1.1试验区地面降雨试验于2010年11月12日-2012年10月30日分两年度(2011,2012年)在四川农业大学雅安试验农场定位进行。试验区属于亚热带季风气候,降雨多集中在7-9月份,全年降雨量可达2000mm,年均温16.2℃。试验地土壤为紫色湿润雏形土(紫色大土),0~25cm耕层混合土样pH6.27,全氮1.28g/kg、有机质29.8g/kg、碱解氮178mg/kg、速效钾71.2mg/kg,有效磷35.9mg/kg(NH4F-HCl法)［12］。1.2大豆与玉米纤维供试品种小麦为“川麦37”,由四川省农业科学院作物所选育;玉米为“川单418”,由四川农业大学玉米研究所选育;大豆为“贡选1号”,由四川省自贡市农业科学研究所选育。试验用肥料为尿素(含N46%),过磷酸钙(含P2O512%)和氯化钾(含K2O60%),均购于当地门市部。1.3大豆田区基础施肥1.3.1试验设计试验在“小麦/玉米/大豆”周年间套作体系中进行,2011和2012年两年的试验设计方案相同:小麦设5个氮(N)水平,分别为0,60,120,180,240kg/hm2(依次编号为WN1、WN2、WN3、WN4、WN5),磷、钾用量一致,为P2O590kg/hm2、K2O90kg/hm2;玉米同样设5个氮(N)水平,分别为0,97.5,195,292.5,390kg/hm2(分别编号为MN1、MN2、MN3、MN4、MN5),磷、钾用量一致,为P2O575kg/hm2,K2O105kg/hm2;大豆作为小麦的后作,试验设计为大豆不施氮、磷、钾肥,因有前作小麦5个氮水平的影响,大豆各处理的基础肥力不同,分别编号为SN1、SN2、SN3、SN4、SN5。1.3.2施肥方法小麦播种时开深5cm左右的沟,50%的氮和全部磷、钾肥撒于沟内,然后播种回土;另于分蘖期追施20%的氮,于拔节期追施30%的氮,均遇小雨天撒施。玉米打窝施底肥,窝深15cm左右,30%的氮和全部磷、钾肥作底肥施于窝内,然后覆土移栽玉米苗;再于玉米拔节期追施30%的氮,于大喇叭口期追施40%的氮,均采用兑清水冲施于株旁。大豆整个生育期间不施肥。1.3.3试验实施采用田间裂区试验,每个氮水平为一个主裂区,主裂区之间间隔2m,裂区内设置4个小区作为4次重复,重复间无田间间隔(图1)。小区面积2m×9m=18m2,小区幅宽2m,其中1m种4行小麦,另1m为套作玉米预留地,即小麦/玉米采用1m/1m的田间配置(图2)。小麦分别于2010年11月12日(2011)和2011年11月10日(2012)条播,行距25cm,播种量180kg/hm2;待小麦处于扬花期时,在预留地中种2行玉米,分别于2011年4月6日(2011)和2012年4月5日(2012)采用肥团育苗移栽,玉米窄行距60cm(宽行距140cm),窝距40cm(图2),每窝栽壮苗2株,密度5.0×104株/hm2;小麦收获后,玉米处于大喇叭口期时在小麦茬地上点播2行大豆,分别于2011年6月15日(2011)和2012年6月12日(2012)点播,窝距33cm,行距40cm(图2),每窝定苗2株,播种密度为6.06×104株/hm2。其他田间管理措施同当地高产田。小麦分别于2011年5月28日(2011)和2012年5月28日(2012)收获(此时玉米处于6片展开叶期);玉米分别于2011年8月8日(2011)和2012年8月6日(2012)收获(此时大豆处于初花期);大豆分别于2011年10月22日(2011)和2012年10月30日(2012)收获。1.4小麦、玉米、大豆的干物质量与产量分析1.4.1干物质积累量分别于小麦分蘖期(tilleringstage,TS)、拔节期(jointingstage,JS)、扬花期(floweringstage,FS)和成熟期(maturitystage,MS)随机采取20cm×100cm植株;玉米在拔节期(jointingstage,JS)、喇叭口期(flareopeningstage,FS)、吐丝期(silkingstage,SS)和成熟期(maturitystage,MS)随机采取代表性2窝共4株;大豆于盛花期(floweringstage,FS)和成熟期(maturitystage,MS)随机采3窝6株。以上植株样品均分茎、叶、穗(苞)、籽粒制样,105℃杀青30min后70℃烘干称量［16］。1.4.2产量及产量构成小麦收获1.0m×1.5m测产,用20cm×100cm的样品考种;玉米和大豆全实收测产,随机采10株考种。1.4.3数据处理分析分别阐述小麦、玉米、大豆的干物质量和产量时,干物质量和产量数据是以小麦、玉米、大豆实际占用面积(小麦4行占1m,玉米2行占2m,大豆2行占1m)计算的。而在评估小麦/玉米/大豆周年体系的产量、产值时,小麦、玉米、大豆的产量产值数据是以折算面积计算的(小麦、大豆以50%折算,玉米以100%折算),因为在整个小区中小麦、大豆作为矮秆作物分别只占了50%的面积,而玉米作为高秆作物覆盖了整个小区面积。用Excel2007和SPSS19.0对数据进行统计、方差分析(LSD法)和作图。2结果与分析2.1施氮量对小麦茎颖壳和籽粒干物质量的影响2.1.1小麦干物质积累与分配平均两年数据(如图3A、图3B所示)可以看出,套作小麦在不同时期均表现地上部各营养器官的干物质量均随着氮肥用量的不断增加而增加。在分蘖期,WN1~WN5处理地上部干物质总量为414~1181kg/hm2,施氮处理比不施氮处理依次增加68.2%,121.3%,156.7%和185.3%;其中WN4和WN5两个处理间没有显著差异。拔节期小麦茎秆和叶片干物质量分别随着氮肥用量的增加而增加,WN1处理茎秆的干物质量为985kg/hm2,叶片干物质量为1025kg/hm2;从WN2~WN5处理,茎秆干物质量依次比WN1增加52.9%,95.0%,96.7%和111.3%,叶片干物质量依次比WN1增加46.8%,113.4%,146.2%和162.2%,但WN3、WN4和WN5三个处理间差异不显著。小麦扬花期地上部总干物质量以WN5处理最大,为9683kg/hm2,其中茎秆5266kg/hm2,叶片1308kg/hm2,穗重715kg/hm2;WN5处理的茎秆干物质量依次比WN1~WN4增加20.0%,26.7%,45.4%和45.4%,叶片依次增加26.4%,78.2%,111.7%和121.7%,穗依次增加42.8%,94.9%,94.9%和112.1%,和拔节期结果一样,WN3、WN4和WN5三个处理间差异也不显著。在收获期,小麦茎秆和叶片干物质量依然随着施氮量的增加而增加,但穗(颖壳和籽粒)部分干物质量从WN1~WN5先增大后减小,以WN4处理最大;地上部总干物质量也以WN4处理最大,WN3(19373kg/hm2)、WN4(20610kg/hm2)、WN5(20548kg/hm2)三处理间差异不显著;其中WN4处理小麦茎秆干物质量(6881kg/hm2)依次比WN1~WN5增加23.0%,55.0%,68.6%和74.0%,叶片干物质量(2227kg/hm2)依次比WN1~WN5增加26.9%,77.6%,111.4%和128.0%,颖壳干物质量(2706kg/hm2)依次比WN1~WN5增加24.9%,70.4%,92.2%和83.8%,籽粒干物质量(8735kg/hm2)依次比WN1~WN5增加30.1%,73.2%,74.1%和68.1%。从各营养器官的干物质量随着氮肥用量的变化情况来看,茎秆和叶片各时期都表现为随着氮肥用量的增加而生物量不断增加,说明氮肥有利于套作小麦茎秆和叶片的生物量积累;收获期小麦穗(颖壳和籽粒)干物质量并没有随着施氮量的增加而不断增加,说明施氮量过高,影响了套作小麦穗的干物质积累。小麦在拔节期叶片干物质量和茎秆干物质量相当,拔节期以后茎秆干物质量迅速积累,约为叶片的3倍,并且相同氮水平下茎秆的干物质从拔节期到扬花期在不断积累,叶片从拔节期到扬花期干物质为正积累,扬花期以后为负积累。2.1.2玉米干物质积累与分配两年的试验结果所示(如图3C、图3D),施氮可以明显增加套作玉米地上部干物质的积累,但是玉米在收获期之前,从MN1~MN5地上部干物质量并没有随着施氮量的增加而不断增加,而是表现出先增大后降低的趋势。玉米从移栽至拔节期是和小麦的共生阶段,此时小麦处于生长旺盛期(扬花期~收获期),玉米生长受氮肥和种间竞争共同影响,地上部干物质量积累以MN3处理最高,为727kg/hm2,其中茎秆282kg/hm2,叶片446kg/hm2;MN3处理干物质积累量与MN2处理差异不显著,与MN1、MN4和MN5差异显著,是MN1的4.3倍,比MN4和MN5分别高出23.0%,33.2%。喇叭口期同样是MN3处理地上部总干物质量最大,为2370kg/hm2,其中茎秆1150kg/hm2,叶片1221kg/hm2;MN3的干物质总积累量只与MN1不施氮处理(470kg/hm2)有极显著差异,与其他施氮处理之间差异不显著。吐丝期依然是以MN3处理地上部干物质积累量最大,为4806kg/hm2,其中茎秆2365kg/hm2,叶片1356kg/hm2,穗1085kg/hm2,但是MN3与MN2、MN4和MN5处理没有显著性差异,只和MN1处理(1196kg/hm2)差异极显著。收获期从MN1~MN5地上部生物量随着施氮量的增加不断增加,以MN5处理最高,为13143kg/hm2,其中茎秆2980kg/hm2,叶片1390kg/hm2,穗(苞叶、苞芯和籽粒)8774kg/hm2;MN5的干物质积累量是MN1处理的2.9倍,差异极显著,显著大于MN2处理,增幅达42.6%,但和MN3、MN4之间差异不显著。玉米在收获期之前,茎秆和叶片干物质积累量随着时期的推进不断增大,在拔节期叶片占地上部干物质总积累量的主要部分,茎秆只占约40%左右;至喇叭口期茎秆和叶片干物质积累量持平;到吐丝期茎秆干物质积累量反超叶片积累量,约占60%左右,叶片占40%左右;收获期时,除了不施氮处理各营养器官仍在不断积累外,其他处理非籽粒部分干物质积累量都无显著变化。2.1.3大豆干物质积累与分配如图3E、图3F,两年结果平均可以看出,大豆在盛花期和收获期,地上部干物质积累量从SN1~SN5都表现为先降低后增大再降低的趋势,并且两个时期都表现为SN4>SN5>SN1>SN3>SN2。盛花期时大豆由于受玉米行间影响,地上部干物质积累量以SN4最大,为2683kg/hm2,其中茎秆1445kg/hm2,叶片1237kg/hm2;以SN2处理最低,干物质为1642kg/hm2,其中茎秆831kg/hm2,叶片810kg/hm2,并且SN2和SN4之间差异显著;而SN1和SN3、SN4以及SN5之间无显著差异。收获期地上部总干物质积累量也是SN4处理最高,达5457kg/hm2,其中茎秆1711kg/hm2,荚皮1479kg/hm2,籽粒2268kg/hm2,SN4和SN5处理间无显著差异,但是与SN1、SN2、SN3差异极显著;SN2处理干物质积累量最低,为3531kg/hm2,其中茎秆1022kg/hm2,荚皮968kg/hm2,籽粒1541kg/hm2,SN1、SN2和SN3三处理间无显著差异。2.2施氮量对玉米产量的影响2.2.1小麦产量和产量构成如表1所示,小麦穗数、穗粒数和籽粒产量(实收产量)都是随氮用量的增加有逐渐增加的趋势,2011年施氮处理小麦籽粒产量显著高于不施氮处理,施氮处理分别比不施氮处理增产26.1%,35.6%,34.8%,54.0%;2012年施氮处理分别比不施氮处理增产35.4%,101.1%,97.1%,73.8%。施氮处理穗数极显著大于不施氮处理,但是WN4、WN5之间无显著差异。穗粒数随着施氮量的增加先增加后减少,但WN3、WN4和WN5之间无显著差异,说明施氮有利于穗粒数的增加。与之相反,小麦千粒重的变化有随施氮量的增加而不断减小的趋势,说明氮肥的投入不利于千粒重的增加。平均两年籽粒产量以WN5最高(为8176kg/hm2),其与WN2、WN1差异显著,但和WN4、WN3之间没有显著的差异。由此可知,该体系下套作小麦推荐施氮量以120kg/hm2为佳。2.2.2玉米产量和产量构成如表2所示,玉米籽粒产量(实收产量)随着施氮量的增加而增加,施氮处理玉米产量极显著地高于不施氮处理,但MN4与MN5间没有显著的差异。2011年籽粒产量以MN5处理最高(为7284kg/hm2),施氮处理分别比不施氮处理增产98.3%,123.1%,108.5%和129.4%;2012年籽粒产量以MN4最高(为6762kg/hm2),施氮处理分别为不施氮处理的24.2,36.4,41.6和41.0倍,两年平均产量以MN5处理最高(为6976kg/hm2),施氮处理分别比不施氮处理增产2.09,2.91,3.01和3.18倍。玉米穗数随着氮肥用量的增加先增加后降低;玉米穗粒数、千粒重随着施氮量的增加有不断增加的趋势,并且和籽粒产量规律相似,施氮处理显著高于不施氮处理,但MN3、MN4和MN5之间无显著差异。由此可看出,该体系下套作玉米的推荐施氮量为195~292.5kg/hm2。2.2.3大豆产量和产量构成如表3所示,两年大豆籽粒产量(实收产量)的变化规律相似,都表现为从SN1~SN5先降低后又显著增大。两年平均产量以SN4最高(为1977kg/hm2),SN3最低(为1254kg/hm2),SN4与SN1、SN2、SN3间有极显著的差异,依次比SN1~SN3增产31.3%,53.0%和57.7%,SN4与SN5间差异不显著。大豆收获株数有从SN1~SN5逐渐减小的趋势,株粒数从SN1~SN5有增大的趋势,而千粒重从SN1~SN5有不断降低的趋势,但SN1、SN2、SN3间和SN4与SN5间差异都不显著。2.3施氮有利于小麦/玉米/大豆等时期地区n4/刑满释放后的产出变化体系周年产量和产值如表4所示,平均两年数据,3种作物产量和产值均随着施氮量的增加而有逐渐增加的趋势,小麦和玉米的籽粒产量都以N5处理最高,分别为4088和6976kg/hm2,大豆籽粒产量从N1~N5先减少后增大,以N4处理最高,为989kg/hm2;体系周年总产量和总产值均以N5处理最高,分别为11959和27288元/hm2,说明施氮有利于小麦/玉米/大豆周年体系增产,但N4与N5间差异并不显著。小麦/玉米/大豆周年体系中,小麦、玉米、大豆的产值占周年体系总产值的比重在不施氮处理下分别为44%,29%和27%,在施氮处理下分别为32%,55%和13%,说明实际生产条件下小麦/玉米/大豆体系中最主要的作物是玉米,其次是小麦,再次是大豆,在使该体系中3种作物均衡增产的同时更要注重玉米的增产稳产。全年总产值减去氮肥投入后的产值变化是N4>N5>N3>N2>N1,其中N3、N4和N5间无显著差异。该体系全年氮肥总投入超过382.5kg/hm2时年收益将会下降,因此体系周年适宜氮用量为255~382.5kg/hm2,以255kg/hm2最佳。3玉米生物量的现状资源的有效利用是间套作优势的生物学基础,一是充分利用地上部光热资源,不同的植物具有不同的光适应特性［17］,例如高秆和矮秆、禾本科和豆科、窄叶作物和宽叶作物、喜光作物和耐荫作物等的结合,间作套种能得到更多的积温和光照,为作物高产创造条件;二是充分利用地下部水分和养分,这是由于间套作物的根系深浅、疏密不一,根系的密集分布范围也不同,能够更好地利用不同土层的养分和水分［18］。本小麦/玉米/大豆周年间套体系中,小麦和玉米同属于禾本科作物,禾本科与禾本科间作虽然具有产量优势,但两作物在共生期也存在竞争。已有报道［19-22］指出,小麦竞争能力强于玉米。小麦/玉米间套作中,在前期,小麦较玉米处于营养竞争优势;在竞争结束后,由于玉米在地下部扩大了养分吸收空间和范围,植株对养分吸收得到了明显恢复［23］,因此生物量和产量也得到相应的恢复。本试验中,小麦在扬花期和扬花期以前,生物量都是随着施氮量的增加而增加,此时的体系中只有小麦单一作物,当扬花期后玉米套作其中,小麦的生物量变化规律改变,收获期时地上部生物量以WN4最大,WN5略微降低,说明从小麦扬花期至小麦收获期,小麦和套种玉米产生了一定的养分和空间等资源的竞争,小麦处于竞争优势地位,玉米处于竞争相对弱势地位。至小麦和玉米共生期结束,玉米拔节期时地上部生物量2011年以MN2处理最高,2012年以MN3处理最高,这是因为共生期玉米的生长既受氮肥的促进作用又受小麦的抑制作用,低氮肥处理中小麦群体长势欠佳,小麦对玉米的竞争抑制作用要小于高氮肥处理。小麦收获后玉米的生态位得到恢复和提高,尽管在玉米大喇叭口期时又在行间套进了大豆,但是玉米相对大豆处于竞争优势地位,氮肥促进玉米生长的效应在小麦玉米共生期后逐渐得到加强,至收获时两年均以MN5处理的生物量最大。大豆具有一定的自生固氮能力,并且为直根系深根作物,玉米为须根系浅根作物,二者可以充分利用不同层次的水和矿质元素,有研究表明［24］,当玉米与间作大豆根系完全相互作用时,玉米根系可以竞争到更多养分和水分,从而促进玉米生长,最终促进其生物量的增加。李少明等［25］通过实验得出,玉米对氮的竞争能力比大豆强,玉米生长始终处于优势地位,大豆生长处于不利地位,大豆对玉米吸收利用氮素具有促进作用。多数研究结果［26-27］认为,间作中存在豆科向禾本科的氮素转移。雍太文等［28］通过实验表明玉米和大豆间都有氮素转移,是双向的,并以互惠为主［29］。本试验中,大豆生长既受玉米长势好坏的影响,又受土壤氮水平不同的影响。从SN1~SN5大豆生物量表现为先降低后升高再降低。先降低是由于低氮肥处理中玉米长得小,其竞争作用较弱,对大豆遮荫抑制作用较小;随着氮肥用量的增加,玉米植株长势旺盛,玉米对行间大豆的遮荫抑制作用也随之加剧,致使大豆生长受到严重影响;两年数据显示在盛花期和收获期SN2生物量都小于SN1处理,也充分证实了MN1和SN1之间的竞争小于MN2和SN2之间的竞争。后又升高可能是由于大豆种植区前作小麦施用的氮肥供小麦吸收后仍有不同程度的残留,大豆虽为豆科植物具有自生固氮作用,但仍需要适量的土壤无机氮作为补充［30-31］,因此,得到了一定的外源氮营养后大豆生长受到了促进,其生物量有所提高。由于玉米长势MN5较MN4更好,与套作大豆竞争作用加剧,致使大豆生物量SN5较SN4降低;也有可能是由于前作小麦残留氮素SN5过多,又抑制了大豆的生长。因此,玉米与大豆在不同氮用量下的相互关系很复杂,需要以后加以深入研究。雍太文等［32］运用双佳值法得出小麦/玉米/大豆体系全年最佳施氮量为342.8kg/hm2,推荐3种作物小麦、玉米、大豆氮肥配比应为33.76∶35.71∶30.54,分别的氮肥用量为115.73,122.41和104.69kg/hm2。本研究在对大豆没施氮肥的