吳鑫雨 劉振洋 李海葉 鄭 毅,2 湯 利 肖靖秀

（1云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，650201，云南昆明；2云南開放大學(xué)，650223，云南昆明）

多樣性種植模式利用種間生態(tài)位的差異促進(jìn)光、熱、水和養(yǎng)分等資源的高效利用，是維持農(nóng)田生物多樣性及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效措施[1-2]。因?yàn)槎箍谱魑锏纳锕痰?yīng)，所以有豆科作物參與的各種輪作和間作等種植模式更是備受關(guān)注[3]。蠶豆為固氮植物，其所固定的氮素除可供自身生長需求外，還可以轉(zhuǎn)移到與之間作的相鄰作物中[4-5]。因此，蠶豆參與的各類多樣性種植模式往往具有較好的節(jié)肥效果和增產(chǎn)潛力[6-7]。

在對(duì)大豆[8]和花生[9]的研究中發(fā)現(xiàn)，適量施氮能促進(jìn)其根瘤的固氮能力發(fā)揮，促進(jìn)植株的生長，從而有利于提高作物產(chǎn)量。相比其他豆類作物，蠶豆雖然對(duì)氮肥施用不敏感，但是施氮水平也與蠶豆的結(jié)瘤固氮密切相關(guān)，適量的氮肥供應(yīng)有利于提高蠶豆的根瘤重和根瘤數(shù)[10-11]；氮肥施用過多則會(huì)對(duì)蠶豆結(jié)瘤固氮產(chǎn)生阻遏效應(yīng)，已有李玉英等[12]和趙財(cái)?shù)萚13]從間作對(duì)豆科結(jié)瘤固氮的促進(jìn)作用和間作對(duì)“氮阻遏”的減緩效應(yīng)方面系統(tǒng)揭示了間作群體氮素高效利用的機(jī)理。此外，在豆科作物參與的間作體系中，低氮脅迫往往能更好地刺激豆科作物發(fā)揮生物固氮能力[14]，并將“節(jié)約”的氮供應(yīng)給相鄰作物吸收，最終提高間作群體的氮素利用率和產(chǎn)量[15]?？傊?，在豆科作物參與的間作體系中，前人圍繞氮素的生物固定、氮素吸收和轉(zhuǎn)移開展了大量研究工作[16-19]。但是，較少關(guān)注豆科作物參與的間作體系中氮肥施用和種間相互作用如何協(xié)同調(diào)控豆科作物的結(jié)瘤特性；間作作物共生期內(nèi)，豆科作物的氮素吸收累積動(dòng)態(tài)變化特征如何？種間互作下，豆科作物根瘤的形成、氮素的吸收累積及其與氮肥施用的關(guān)系，目前并不清楚。

小麥蠶豆間作是典型的豆科禾本科間作體系，廣泛分布在我國西南和西北地區(qū)[6]。前人的研究[20]明確了小麥蠶豆間作具有增產(chǎn)、控病和節(jié)氮的作用；最近的研究[21]還發(fā)現(xiàn)，由于小麥蠶豆生育期相近、共生期長，因此，小麥蠶豆種間相互作用同時(shí)受氮肥施用水平和生育期的調(diào)控。那么在較長的共生期內(nèi)，蠶豆的結(jié)瘤固氮效應(yīng)是否有差異？雖然有研究[22-23]表明，小麥蠶豆間作有利于蠶豆根瘤的形成，但間作是否也有利于蠶豆的氮素吸收累積，其氮素吸收動(dòng)態(tài)如何并不清楚，其對(duì)氮肥施用的響應(yīng)如何也有待明確。因此，本研究基于小麥蠶豆間作田間定位試驗(yàn)，系統(tǒng)分析單作和間作蠶豆的根瘤特征、氮素累積動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)氮肥施用的響應(yīng)，以期明確豆科禾本科間作體系中，氮肥施用與豆科作物結(jié)瘤固氮、氮素吸收累積和產(chǎn)量的關(guān)系，為間作群體氮肥的運(yùn)籌管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

供試小麥品種為云麥 52（TriticumaestivumL.），蠶豆品種為玉溪大粒豆（ViciafabaL.）。

供試肥料為尿素（N 46.0%）、普通過磷酸鈣（P2O516.0%）和硫酸鉀（K2O 50.0%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為A、B二因素設(shè)計(jì)：A為2種種植模式，分別為蠶豆單作和小麥蠶豆間作（單作蠶豆：MF；間作蠶豆：IF）；B為4個(gè)施氮水平，不施氮（N0）、蠶豆施氮量 45（N1）、90（N2）和 135kg/hm2（N3）。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，總8個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積為32.4m2（5.4m×6.0m），共計(jì)24個(gè)小區(qū)。

蠶豆的氮肥全部作基肥一次性施用。間作處理中，小麥的施氮量均為蠶豆的2倍，即施氮量分別為0、90、180和270kg/hm2。小麥的氮肥分基肥和追肥2次施用，施用比例為1︰1，其中追肥在小麥拔節(jié)期施用。所有處理中，蠶豆和小麥的磷、鉀肥施用量均為90kg/hm2，作基肥一次性施入。

單、間作蠶豆的種植密度相同，行距30cm，株距10cm。小麥蠶豆間作小區(qū)的種植參照當(dāng)?shù)赝扑]種植模式，小區(qū)分為3個(gè)種植條帶，6行小麥2行蠶豆交替，小麥行距20cm，播種量180kg/hm2。間作小區(qū)小麥和蠶豆行距30cm。

1.3 樣品采集和指標(biāo)測定

1.3.1 根瘤鮮重 在蠶豆根瘤形成的關(guān)鍵生育期（分枝期、開花期和結(jié)莢期）分別采樣，每小區(qū)隨機(jī)選取3點(diǎn)（每點(diǎn)3株），用鏟子將蠶豆整株根系完整取出，將根瘤摘下洗凈后，立即用電子天平稱鮮重。

1.3.2 蠶豆植株 在分枝期、開花期、結(jié)莢期、籽粒膨大期和成熟期5個(gè)生育期，每小區(qū)隨機(jī)選取3點(diǎn)（每點(diǎn)3株）進(jìn)行采樣，采樣后迅速將地上部各器官分離，105℃下殺青30min，75℃烘干稱重，備用。

1.3.3 蠶豆地上部含氮量 采用凱氏定氮法測定蠶豆地上部含氮量[24]。

（2）泥質(zhì)、灰質(zhì)含量較重的低電阻率油層。測井響應(yīng)特征表現(xiàn)為：自然電位負(fù)異常，異常幅度與純砂巖油層相比明顯減小。泥質(zhì)砂巖油層自然伽馬為中等值，微電極低值正差異或無差異；灰質(zhì)砂巖油層自然伽馬值小于純砂巖，微電極較高值鋸齒狀。三孔隙度曲線重合性較差，聲波時(shí)差變化范圍較大，為255～290μs／m，測井曲線間相關(guān)性相對(duì)較好，電阻率為1.1～3.0Ω·m。該類油層多分布在純上6砂組中，由于物性較差，多為產(chǎn)液量低的差油層。

1.3.4 產(chǎn)量 收獲期采收蠶豆小區(qū)的豆莢，曬干去莢殼，測定產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

Logistic增長模型能夠模擬作物從生長到收獲的全部動(dòng)態(tài)過程[25-26]，因此使用Origin 8.0軟件通過Logistic增長模型分析單、間作蠶豆整個(gè)生育期的氮吸收參數(shù)、氮累積動(dòng)態(tài)及氮吸收速率動(dòng)態(tài)。具體模型如下：

其中，yt表示蠶豆生育期中第t天的地上部氮累積量（kg/hm2）；A表示蠶豆地上部最大氮素累積量（kg/hm2）；r為蠶豆的初始氮吸收速率，代表蠶豆的氮素吸收潛力[kg/(hm2?d)]；Tmax表示蠶豆達(dá)到最大氮吸收速率所需要的時(shí)間（d）；t表示蠶豆播種后的天數(shù)（d）；rt表示蠶豆生育期中第t天的氮吸收速率[kg/(hm2?d)]。

蠶豆地上部氮素累積量（kg/hm2）=地上部干物質(zhì)量×含氮量。

用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖，采用SPSS 20.0進(jìn)行方差分析。采用二因素分析法對(duì)蠶豆根瘤鮮重、主要氮素吸收參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性水平P＜0.05。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)法，對(duì)單、間作蠶豆的地上部氮素累積量作差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平下單、間作蠶豆的根瘤鮮重

由表1可見，不同生育期蠶豆的根瘤鮮重均受到氮水平、種植模式和氮水平×種植模式交互作用的調(diào)控。

表1 不同氮水平下單、間作蠶豆根瘤鮮重統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（2017-2018）Table 1 Statistical analysis of root nodule fresh weight of mono- and inter-cropped faba bean under different N levels (2017-2018)

2年研究結(jié)果（圖1）表明，在開花期，蠶豆根瘤鮮重達(dá)到最大值。N0、N1和N2水平下，小麥蠶豆間作顯著提高了蠶豆根瘤鮮重；但是在N3水平下，單作、間作蠶豆根瘤鮮重?zé)o差異。與單作蠶豆相比，2年間在N0、N1和N2水平下，間作分別提高分枝期蠶豆根瘤鮮重 40.72%、27.15%和33.99%，開花期分別提高根瘤鮮重28.71%、26.87%和 26.64%，結(jié)莢期提高蠶豆根瘤鮮重 40.23%、30.99%和19.75%。無論單作蠶豆還是間作蠶豆，根瘤鮮重都隨氮肥用量的增加呈先增加后降低的趨勢。單、間作蠶豆根瘤鮮重都在N1水平下達(dá)到最高，在N3水平下最低。

圖1 不同施氮水平下單、間作蠶豆根瘤鮮重Fig.1 Root nodule fresh weight of mono- and inter-cropped faba beans under different N levels

2.2 不同氮水平下單、間作蠶豆氮素吸收的關(guān)鍵參數(shù)

Logistic模型較好的擬合了不同氮水平下單、間作蠶豆的氮素吸收累積動(dòng)態(tài)，校正的R2=0.9314～0.9983（P＜0.0001）。由表2可看出，2年中，蠶豆地上部最大氮素累積量（A）、最大氮素吸收速率（Rmax）和蠶豆達(dá)到最大氮素吸收速率所需的時(shí)間（Tmax）均受到氮水平、種植模式的調(diào)控；而初始氮吸收速率（r）均不受氮水平和種植模式的影響。

表2 不同氮水平下單、間作蠶豆氮素吸收關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（2017-2018）Table 2 Statistical analysis of key N uptake parameters for mono- and inter-cropped faba bean under different N levels (2017-2018)

2年結(jié)果（圖2）表明，蠶豆的A和Rmax均隨氮水平的增加呈先增加后降低的趨勢，在N2下達(dá)到最大。與單作相比，間作蠶豆A、Tmax、Rmax均顯著降低。4個(gè)氮水平下，2017年，間作蠶豆A分別比單作降低 13.24%、12.15%、8.01%和 10.86%；2018年，間作蠶豆A分別比單作降低 12.09%、9.64%、11.73%和13.93%。相比N0水平，N1、N2、N3水平下，單作蠶豆A分別增加8.52%、32.05%和14.12%，間作蠶豆A分別增加13.99%、33.09%和11.71%。與蠶豆單作相比，小麥蠶豆間作顯著降低了蠶豆的Rmax。2年間4個(gè)氮水平下，間作蠶豆的Rmax比單作平均降低了12.98%、10.75%、10.27%和10.53%，說明氮肥施用有利于減緩間作造成的蠶豆氮素吸收速率下降，但是不同氮水平間沒有差異。就蠶豆達(dá)到最大的氮吸收速率的天數(shù)（Tmax）而言，發(fā)現(xiàn)僅N0水平下間作降低了Tmax，其他施氮水平下單、間作無差異。

圖2 不同施氮水平下單、間作蠶豆氮吸收關(guān)鍵參數(shù)Fig.2 Key nitrogen absorption parameters of mono- and inter-cropped faba bean under different N levels

2.3 不同氮水平下單、間作蠶豆的氮素吸收累積動(dòng)態(tài)

由圖3可知，施氮量顯著影響單、間作小麥地上部氮素的累積吸收，隨著施氮量增加，成熟期蠶豆氮素累積量呈先增加后降低的趨勢。在蠶豆播種后 90d內(nèi)（營養(yǎng)生長階段），不同氮水平下單、間作蠶豆的氮素累積量曲線幾乎重合在一起，沒有顯著差異。105d后，蠶豆已逐漸進(jìn)入生殖生長階段，4個(gè)施氮水平下單作和間作蠶豆氮素累積量均出現(xiàn)顯著差異，表現(xiàn)為間作顯著抑制了蠶豆的氮素營養(yǎng)累積。180d（成熟期）時(shí)，4個(gè)氮水平下，2年間作蠶豆氮素累積量平均比單作降低14.02%、9.71%、11.76%和11.75%，即低氮供應(yīng)條件下（N1）間作蠶豆氮素累積量降低幅度最小。

圖3 不同氮水平下單、間作蠶豆的動(dòng)態(tài)氮素累積量Fig.3 Dynamic N accumulation of mono- and inter-cropped faba bean under different N levels

2.4 不同施氮水平下單、間作蠶豆的產(chǎn)量特征

2年產(chǎn)量結(jié)果（表 3）表明，氮水平和種植模式能夠顯著影響蠶豆產(chǎn)量。與單作相比，小麥蠶豆間作顯著降低了蠶豆產(chǎn)量。2017年，4個(gè)氮水平下，間作蠶豆產(chǎn)量分別比單作下降 17.65%、19.69%、20.26%和20.78%；2018年，降幅分別為16.50%、17.00%、24.06%和29.31%。N1水平下，單作、間作蠶豆的產(chǎn)量最高。相比N1水平，2017年N0、N2、N3水平下單、間作蠶豆產(chǎn)量分別降低18.63%、26.72%、30.41%和18.16%、32.96%、40.76%；2018年，單作和間作產(chǎn)量分別降低 18.63%、26.72%、30.41%和18.16%、32.96%、40.76%。

表3 不同氮水平下單、間作蠶豆產(chǎn)量Table 3 The yeild of mono- and inter-cropped faba bean under different N levels kg/hm2

3 討論

本研究結(jié)果表明，適量施氮（除N3水平外）和間作可以顯著提高蠶豆的根瘤鮮重，這與李玉英等[12]和高運(yùn)青等[27]的研究基本一致，說明合理施氮和小麥蠶豆間作有利于提高蠶豆的固氮速率。探究其原因，一方面是適量施氮可以改善作物根系發(fā)育狀況，促進(jìn)根瘤的生長發(fā)育[28]；另一方面可能是與蠶豆間作的小麥對(duì)土壤中氮素的競爭促進(jìn)了蠶豆結(jié)瘤及生物固氮能力更好的發(fā)揮[29]。此外，種間相互作用還會(huì)導(dǎo)致間作蠶豆根系分泌物中與根瘤數(shù)、根瘤干重呈顯著相關(guān)的類黃酮物質(zhì)（橙皮素、柚皮素等）含量增加，這也有利于提高蠶豆的固氮速率[30]。

本研究發(fā)現(xiàn)，高氮（N3）供應(yīng)條件下蠶豆仍有結(jié)瘤現(xiàn)象存在，這也進(jìn)一步證實(shí)了與其他豆科作物相比，氮肥施用對(duì)蠶豆結(jié)瘤固氮的影響相對(duì)較小[31]；同時(shí)，N3處理下，間作促進(jìn)蠶豆根瘤形成的優(yōu)勢逐漸消失。而低氮（N1）條件下，蠶豆根瘤鮮重達(dá)到最大值、且間作促進(jìn)根瘤形成的優(yōu)勢較為突出。因此，合理調(diào)控和優(yōu)化氮肥用量來最大限度發(fā)揮小麥蠶豆間作優(yōu)勢的潛力，應(yīng)該是下一步研究的重點(diǎn)。

Logistic方程很好地模擬了小麥和蠶豆氮素營養(yǎng)吸收的關(guān)鍵參數(shù)。與間作促進(jìn)蠶豆根瘤形成不同的是，本研究發(fā)現(xiàn)小麥蠶豆間作顯著降低了蠶豆的氮素吸收關(guān)鍵參數(shù)Rmax和Tmax，通過分析不同氮水平下，單、間作蠶豆的動(dòng)態(tài)氮素累積量可以看出，進(jìn)入生殖生長（播種后105d左右）后，間作蠶豆氮素累積量開始低于單作并持續(xù)到成熟期，最終導(dǎo)致間作蠶豆產(chǎn)量降低，這與任家兵等[32]的研究結(jié)果相似。探究其內(nèi)在因素，首先是豆科作物的養(yǎng)分競爭能力普遍弱于禾本科作物[33-34]，蠶豆進(jìn)入生殖生長階段后競爭力弱于與之相鄰的小麥，導(dǎo)致蠶豆在養(yǎng)分吸收及生長方面受到抑制[21]；再者，生長后期小麥對(duì)水資源的利用能力較強(qiáng)、需求較大，限制了相鄰蠶豆對(duì)水資源的吸收利用，導(dǎo)致氮素吸收利用受到限制[27]；另外，在田間試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，間作蠶豆的下部葉片凋謝和脫落程度比單作蠶豆更嚴(yán)重，尤其是高氮水平下此種情況更為突出，這與土壤有效氮含量低時(shí)豆科作物往往具有更強(qiáng)的種間競爭力表現(xiàn)一致[35]。由此可見，做好水分、養(yǎng)分等綜合管理措施的協(xié)同調(diào)控，才能最大限度地提高小麥蠶豆間作群體的生產(chǎn)力。

綜上所述，前人的研究[36-38]主要從間作提高豆科作物生物固氮、促進(jìn)豆科作物向非豆科作物轉(zhuǎn)移氮素、種內(nèi)種間競爭等方面揭示了間作促進(jìn)氮素高效吸收利用的機(jī)制。但是本研究發(fā)現(xiàn)，小麥蠶豆間作雖然有利于蠶豆的結(jié)瘤，但是不利于生長后期蠶豆自身的氮素吸收、累積和產(chǎn)量的形成，也就是說，蠶豆自身固氮和氮素吸收并不完全匹配；因此，關(guān)注小麥蠶豆間作優(yōu)勢尤其是氮素吸收利用的優(yōu)勢不應(yīng)只集中于當(dāng)年、當(dāng)季的效應(yīng)，間作促進(jìn)蠶豆結(jié)瘤固氮的后效和長效更應(yīng)該予以重視?？傊?，小麥蠶豆間作體系中，種間相互作用對(duì)地下部結(jié)瘤固氮到地上部氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和利用的影響等問題，仍需要深入探討。

4 結(jié)論

小麥蠶豆間作及施氮量顯著影響蠶豆根瘤鮮重，N0、N1和N2水平下，間作蠶豆根瘤重比單作分別提高40.9%、27.2%和34.1%；N3水平下，單作與間作蠶豆根瘤鮮重?zé)o顯著差異。在蠶豆?fàn)I養(yǎng)生長階段（播種后90d），4個(gè)氮水平下單、間作蠶豆氮素累積量無差異。同時(shí)，間作顯著降低了蠶豆地上部最大氮累積量（A）和最大氮吸收速率（Rmax），降幅為 8.01%～13.93%和 10.27%～12.98%。因此，蠶豆進(jìn)入生殖生長階段后（播種后105d），各氮水平下，間作蠶豆氮素累積量均顯著低于單作并一直持續(xù)到成熟期，最終導(dǎo)致間作降低了蠶豆產(chǎn)量 16.52%～29.31%。本試驗(yàn)條件下，蠶豆施氮量為 45kg/hm2（N1）時(shí)，單、間作蠶豆根瘤鮮重和產(chǎn)量均達(dá)到最大值。綜上所述，蠶豆氮肥的調(diào)控對(duì)挖掘小麥蠶豆間作優(yōu)勢潛力具有重要意義。