李艷君，高英志

(東北師范大學生命科學學院，吉林 長春 130024)

松嫩平原是東北地區(qū)典型的農牧交錯帶，長期以來，由于集約化耕作所導致的土地利用效率降低、土壤肥力下降現象日益嚴重[1-2].為了提高該地區(qū)的農業(yè)可持續(xù)性，需優(yōu)化耕作制度.而間作制度可集約利用光、熱、肥、水等自然資源從而高效增產并進一步改善該地區(qū)生態(tài)環(huán)境退化等問題[3].玉米是我國鐮刀灣地區(qū)主要的糧食和飼料作物[4]，由于連年大面積種植、且以追求高產為主要目標，導致過量施肥，造成的環(huán)境污染和土壤退化是目前迫切需要解決的重要問題.紫花苜蓿是優(yōu)質的高產豆科飼草，具有很好的固氮作用[5]，因此，開展玉米與紫花苜蓿間作既可以提高玉米產量又可以減少肥料使用.

光合作用是作物積累有機物形成產量的基礎，作物合成的有機物占植株的總干質量高達95%，而玉米作為C4植物具有高光合效率的特點，改善其光合特性能夠顯著提高玉米產量[6-7].研究表明，玉米與大豆[8]、花生[9]、小麥[10]及平菇[11]間作時，通過時間、空間以及資源生態(tài)位互補[12]，可提高玉米對光的截獲和利用效率，促進其功能葉光合能力的提高、充分利用土壤養(yǎng)分，使間作玉米產量顯著高于單作[13-14].然而，目前關于玉米與紫花苜蓿間作提高產量的研究多集中于根系-土壤互作與養(yǎng)分吸收利用等方面[3，15]，對于玉米與紫花苜蓿間作如何調控玉米的光合特性進而影響產量的研究較為缺乏[16].

影響光合作用的環(huán)境因素有很多，其中土壤養(yǎng)分是影響光合作用的因素之一.土壤養(yǎng)分為植物生長提供必需的營養(yǎng)元素，氮素和磷素作為土壤養(yǎng)分的大量元素，制約著農作物的生長.其中，氮素是植物體內葉綠素、核酸、蛋白質和部分激素的重要組成部分[17]；磷素則在維持植物各種功能方面發(fā)揮更大作用，參與核酸、磷酸鹽、ATP和磷脂的合成，而他們恰恰是植物光合作用所必需的物質[18].農業(yè)上對土壤氮、磷水平的調控主要通過向土壤中施加含有不同元素的肥料實現，通過影響植物的生理代謝進而影響其光合作用[19].目前關于施肥對玉米光合作用影響的研究多集中于單一肥料或多種施肥方式如何提高單作玉米光合特性等方面[20-25].而在間作過程中，當物種間存在養(yǎng)分競爭時，施加不同肥料能否改善間作系統中玉米的光合特性還不清楚.為此，本文研究了不同施肥方式對玉米與紫花苜蓿間作過程中玉米光合特性的影響，以了解施肥方式對間作玉米光合特性的影響機制、提高施肥對間作玉米光合特性影響的認識，這對提高間作玉米產量并完善間作優(yōu)勢理論具有重要意義.

1 研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年在吉林省松原市長嶺縣松嫩草地生態(tài)系統國家野外科學觀測研究站(123°44′E，44°40′N)進行.研究區(qū)氣候為溫帶大陸性季風氣候，年降雨量443.6 mm，月平均氣溫8.6 ℃，全年無霜期150 d左右(見圖1).試驗樣地土壤為淡黑鈣土，0～20 cm土層土壤理化性質見表1.試驗玉米品種為鄭丹958(ZeamaysL.cv.Zhengdan 958)，是吉林省西部的推薦種植品種；紫花苜蓿品種選用東苜1號(MedicagosativaL.cv.Dongmu NO.1)，是東北地區(qū)的抗寒、抗旱品種.

圖1 試驗區(qū)2016年溫度和降水量

表1 試驗地土壤理化性質

1.2 試驗設計

試驗采用隨機裂區(qū)設計，主區(qū)為4個施肥處理：不施肥(CK)、施氮(+N)、施磷(+P)和施氮+施磷(+NP)；副區(qū)為2種種植模式：玉米單作(MM，均勻壟種植，行距為65 cm，種植面積3.9 m×6 m)和玉米與紫花苜蓿間作(IMA43，4行玉米與6行紫花苜蓿間隔30 cm間作為一個帶幅，共3個帶幅，其中玉米行距為65 cm，苜蓿行距為30 cm，種植面積為12.1 m×6 m).共設置4個重復.玉米于2016年5月上旬開始播種，株距26 cm，播種量59 172株/hm2；紫花苜蓿于2016年7月初播種，播種量15 kg/hm2.試驗開始之前要將樣地進行翻耕以保持土壤孔隙度和容重的均一性.翻耕后施肥，玉米的施肥水平是當地常規(guī)生產施肥量，其中，氮肥(磷酸二銨，氮含量18%)225 kg/hm2；磷肥(重過磷酸鈣，磷含量46%)120 kg/hm2.為避免鉀肥成為限制作物生長的因子，在每個施肥處理中都添加鉀肥(氯化鉀，鉀含量60%，60 kg/hm2).此外，+N處理和+NP處理中的一半氮肥(112.5 kg/hm2)連同鉀肥或磷肥在播種前均勻撒入土壤中，剩余的一半氮肥在玉米生長的大喇叭口期進行追施.

1.3 測定指標與方法

1.3.1 葉片光合指標

在玉米開花期選擇晴天于9：00—11：00，使用Li-6400xt便攜式光合測定儀(LI-COR公司，美國)測定不同處理下玉米穗位葉片的光合速率(Photosynthetic rate，Pn)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)、氣孔導度(Stomatal conductance，Gs)和胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration，Ci).測定位點為單作玉米帶和間作中間帶幅的玉米帶.每個位點隨機選擇3個樣本，每個樣本選擇有代表性的3片葉片進行測量，取平均值.測量時在靠近葉尖的1/2部分進行，避開葉脈.各指標重復測定3次.

1.3.2 生物量

在玉米收獲期(10月初)對其進行產量測定，選取5 m具有連續(xù)植株的中間行收獲的玉米量作為測定位點.玉米秸稈和籽粒分開取樣，樣品65℃烘干至恒重后稱重，按照國家標準含水量14%計算作物產量.玉米秸稈和籽粒產量之和為總生物量.

1.4 數據分析

使用R語言3.5.2和R Studio 1.1.463軟件，通過Shapiro-Wilk檢驗對所有數據進行正態(tài)分布和均方差檢驗.通過一般線性模型中的雙因素方差分析(Two-way ANOVA)，檢驗不同施肥方式(FM)和種植模式(CP)對Pn，Tr，Gs和Ci的影響.如果FM和CP間交互作用顯著時，通過單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗FM和CP對各指標的影響.所有的模型分析以及數據可視化均利用了函數包(“tidyverse”“reshape2”“ggplot2”“ggsci”和“ggpmisc”).顯著性水平為P<0.05.

2 結果

2.1 不同施肥方式和種植模式對玉米光合特性的影響

由表2可見，FM、CP及其交互作用對玉米光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)具有顯著影響(P<0.01).與單作相比，間作可顯著提高玉米的Pn(見圖2a)，在不施肥條件下，間作使玉米Pn提高24%；在+N條件下，Pn提高42%；+P條件下，Pn提高36%；+NP條件下，Pn提高52%.從施肥方式來看，間作玉米和單作玉米的Pn在+NP處理下最高，分別為31.84和21.02 μmol/(m2·s).與不施肥(CK)相比，在單作條件下，+N、+P和+NP分別使玉米的Pn顯著提高18%，7%和27%；在間作條件下，+N、+P和+NP分別使玉米的Pn顯著提高34%，17%和54%.

表2 施肥方式和種植模式對光合指標影響的雙因素方差分析結果

注：大寫字母示間作玉米在不同施肥模式間的差異，小寫字母示單作玉米在不同施肥模式間的差異.

與單作相比，間作可提高玉米的Gs(見圖2b)，在不施肥條件下，間作提高的Gs效果不顯著；在+N條件下，Gs顯著提高89%；在+P條件下，Gs顯著提高49%；在+NP條件下，Gs顯著提高112%.各施肥處理對單作玉米Gs無顯著影響，但對間作玉米的Gs有顯著影響.在+NP處理下，間作玉米Gs最高，達0.35 mol/(m2·s).與CK相比，+N、+P和+NP處理分別使間作玉米Gs顯著提高66%，41%和84%.

間作玉米的Tr顯著高于單作(P<0.01)(見圖2c)，在不施肥條件下，間作使玉米Tr顯著提高14%；在+N條件下，Tr顯著提高21%；在+P條件下，Tr顯著提高47%；在+NP條件下，Tr顯著提高21%.間作玉米和單作玉米在不同施肥處理下存在顯著差異(P<0.01)，與不施肥(CK)相比，在單作條件下，玉米Tr在+NP處理下較高，為4.53 mmol/(m2·s)，+N使Tr顯著提高3%，+P使Tr顯著降低10%，+NP使Tr顯著提高7%.在間作條件下，玉米的Tr在+P處理下最高，達5.86 mmol/(m2·s)，+N、+P和+NP處理分別使其顯著提高10%，17%和13%.

與玉米Pn，Gs和Tr不同，除+NP處理外，間作使玉米的Ci顯著降低(P<0.01)(見圖2d)，不施肥條件下，間作使Ci降低不顯著；+N條件下，Ci顯著降低16%；+P條件下，Ci顯著降低19%；而+NP條件下，Ci顯著提高7%.各施肥處理中Ci存在顯著差異，與CK相比，在單作條件下，玉米Ci在+N處理下最高為93.9 μmol/(m2·s)，+N、+P和+NP分別使Ci顯著提高32%，25%和22%.在間作條件下，玉米Ci在+NP處理下最高為92.6 μmol/(m2·s)，+N、+P和+NP分別使Ci顯著提高24%，13%和45%.

2.2 施肥方式和種植模式對玉米生物量的影響

如表3、圖3所示，在不同施肥方式下相比CK，玉米生物量的增加比例受種植模式的顯著影響(P<0.01)，而種植模式間無顯著差異(P>0.05).各施肥處理均能增加玉米的生物量，且生物量增加比例在不同施肥處理間的趨勢為+NP>+N≈+P，無論間作還是單作，玉米生物量增加比例均在+NP處理下最高，分別為35%和29%.

圖3 不同施肥方式下玉米生物量相比CK處理的增加比例

表3 施肥方式和種植模式對生物量增加比例影響的雙因素方差分析結果

2.3 玉米生物量與光合特性的相關性分析

玉米生物量與光合特性的相關分析(見圖4)表明，間作玉米生物量與光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度均呈顯著正相關關系(P<0.01)；單作玉米生物量與光合速率呈顯著正相關關系(P<0.01)，說明間作玉米光合性能的提高有利于生物量增加.

圖4 玉米光合特性與生物量的相關性分析

3 討論

3.1 不同種植方式對玉米光合特性的影響

間作能夠改善植物生長期間的光照、水分和空氣條件，對植物的光合作用有重要影響[26].本文的研究結果表明，與單作相比，玉米與紫花苜蓿間作使玉米的光合速率顯著提高了24%、蒸騰速率提高了14%、氣孔導度提高了37%，玉米葉片的胞間CO2濃度降低了10%，說明間作可以顯著提升玉米的光合能力，這與Nasar等[16]對玉米紫花苜蓿間作中玉米光合特性的研究結果一致[27].得出這種結果的原因，一是由于間作系統植株地上部分高矮交錯，在空間上可以改善光的截獲面積和空氣流通速率，充分利用光能和空氣中的CO2，提高對光能的利用率[28]；二是玉米屬于須根系植物，紫花苜蓿為直根系植物，兩者的根系在空間生態(tài)位上互補，根際的交互作用改善了玉米根際的鐵營養(yǎng)，提高了葉綠素含量，而葉綠素含量的增加又促進了作物的光合作用[29].此外，相關分析表明間作玉米的Pn，Gs和Ci與生物量間呈正相關(見圖4)，說明間作可通過提高玉米的光合性能促進玉米生物量的積累.無論施肥與否，間作模式下玉米的光合特性均高于單作，這可能是由于間作使物種間互補作用和促進作用增強，最終使玉米呈現更高的光合作用能力[30-31]；此外，也有研究[14]表明間作還可通過羧化效率和表觀量子效率的提高，促進玉米CO2的固定使其提高光合作用的能力，達到與施加肥料相近的效果.

3.2 不同施肥方式對玉米光合特性的影響

施肥能夠調節(jié)作物的養(yǎng)分供應、提高植株體內的生理代謝能力、增強植物的光合特性，進而促進植物的生長發(fā)育[19].增施氮肥和磷肥不僅可以改善植物的養(yǎng)分吸收狀況，促進根系轉運養(yǎng)分至地上器官[32]，還能提高作物地上部分的光合性能，促進干物質的積累[33].本文的研究結果與以往的研究[34]結果一致，施加氮肥可以提高玉米的光合特性(見圖2)，主要的原因是施氮有利于作物葉綠素和激素的合成，增強作物的凈光合作用能力、提高光合速率，進而促進光合產物的合成.與氮對植物光合特性的影響不同，施加磷肥可以通過影響Rubisco活性和1，5-二磷酸核酮糖再生速率參與代謝，進而影響植物的光合能力[35-36].本文的研究結果表明，施磷能夠提高間作和單作玉米的Pn，Tr，Gs和Ci(見圖2).而+P處理卻降低了單作玉米的Tr，這可能是因為根系吸收的磷素是依次滿足根、莖、葉的需求，當運輸到葉時，磷的含量有所減少[37]，使Tr相對其他施肥處理降低.無論間作與否，與CK相比，三種施肥方式均能提高玉米的Pn，Tr，Gs和Ci，其中同時施加氮磷肥處理提高最為顯著.這可能是因為施加氮、磷后，促進了葉片中葉肉細胞的光合作用，消耗了葉片細胞內部大量的CO2，而氣孔導度增大導致胞外CO2進入細胞內，胞外CO2濃度降低、胞間CO2濃度和蒸騰速率升高，凈光合速率升高[38-39].間作玉米Pn，Tr和Gs在各個施肥處理下相比不施肥處理的增加比例均大于單作，尤其是在同時施加氮磷肥處理下最高(見圖3).說明不同施肥方式提高間作玉米光合特性的效果優(yōu)于單作玉米，施肥對間作玉米凈光合速率的促進具有正效應，即間作提高了作物對肥料的利用率.

3.3 施肥方式和種植模式對玉米生物量的影響分析

本文的研究結果表明，施肥方式對生物量的增加具有顯著影響，其中+NP處理對生物量的促進作用最顯著(見圖3)，這與前人的研究結果[24]基本一致，玉米生物量的提高在一定程度內與施肥種類密切相關.左仁輝等[32]研究認為，施加氮肥同時以磷肥和鉀肥作為底肥的施肥方法，可以使單作玉米的光合特性和產量達到最大[19，21，25]；同時施加氮磷肥可緩解由單一施肥引起的土壤養(yǎng)分限制使土壤N/P比失衡，進而影響生物量的形成[40].此外，不同的間作模式也會對作物的產量產生顯著的影響，相關的研究[41]表明，玉米與小麥或蠶豆間作會顯著提升玉米的產量.與前人的研究結果一致，本文的相關分析結果表明，玉米與紫花苜蓿間作提高了玉米的光合特性、促進了生物量的累積，玉米與紫花苜蓿在時間和空間生態(tài)位上互補，避免了光、熱、水、空氣等自然資源的浪費，延長了光合有效時間，光合有效面積增大，最終增強群體收益率[4].

4 結論

不同施肥方式均能提高玉米與紫花苜蓿間作中玉米的光合特性，其中，同時施加氮磷肥效果最顯著，產生的生物量更多、收益最好.

為確保糧食安全和優(yōu)質作物產量的提高，確保松嫩平原可持續(xù)發(fā)展并提供環(huán)境友好的農業(yè)系統，可將玉米與苜蓿間作配施氮磷肥作為一種有效且可持續(xù)的生產管理措施進行推廣.