東北地區(qū)西部不同燕麥帶狀間作模式的產(chǎn)量及氮素吸收效應(yīng)

錢 欣，臧華棟，葛軍勇，曾昭海，任長(zhǎng)忠，郭來(lái)春，王春龍，胡躍高

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193； 2.河北省張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北張家口 075000；3.吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林白城 137000)

東北地區(qū)西部不同燕麥帶狀間作模式的產(chǎn)量及氮素吸收效應(yīng)

錢 欣1，臧華棟1，葛軍勇2，曾昭海1，任長(zhǎng)忠3，郭來(lái)春3，王春龍3，胡躍高1

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193； 2.河北省張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北張家口 075000；3.吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林白城 137000)

為給東北地區(qū)西部種植模式優(yōu)化提供可行的帶狀間作組合，于2014-2015年，在吉林省白城市開展了連續(xù)兩年的大田試驗(yàn)，研究了燕麥//玉米、燕麥//向日葵及燕麥//綠豆三種帶狀間作模式的產(chǎn)量及氮素吸收效應(yīng)。結(jié)果表明，三種間作模式均具有顯著的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)及較高的氮素吸收效率，土地當(dāng)量比(LER)及氮素吸收當(dāng)量比(NER)均大于1，燕麥//向日葵帶狀間作的LER及NER分別為1.23～1.38、1.29～1.44，兩年內(nèi)均為最高。燕麥//向日葵間作中，兩種作物的邊行產(chǎn)量均顯著高于單作及內(nèi)行，對(duì)間作燕麥、向日葵產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率分別為44.2%～45.1%、69.9%～70.8%，具有顯著的邊行優(yōu)勢(shì)。綜合分析認(rèn)為，燕麥//向日葵帶狀間作在東北地區(qū)西部具備一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

帶狀間作；土地當(dāng)量比；氮素吸收當(dāng)量比；邊行效應(yīng)

以玉米、水稻為代表的高度集約化種植模式一方面確保了東北地區(qū)在保障國(guó)家糧食安全方面的重要地位；另一方面，該模式下的高水肥投入致使東北地區(qū)尤其是東北西部生態(tài)脆弱區(qū)面臨著土地荒漠化、地下水污染以及土壤酸化等一系列的環(huán)境問題[1-3]，該區(qū)耕地已有97.01%處于生態(tài)不安全和較不安全級(jí)別[4]。因此，在東北地區(qū)西部尋求一種可持續(xù)的集約化種植模式迫在眉睫。

間套作是在同一地塊上同時(shí)種植兩種或兩種以上作物的多熟種植模式[5]，時(shí)間以及空間上的集約化使其具有明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)[6]。作物的生態(tài)位置差異使間套作系統(tǒng)具備較高的水分、氮肥、磷肥以及光照等資源利用效率[7-10]；另外，間套作在控制病蟲草害，減少農(nóng)藥用量方面也有一定的積極作用[11-12]。強(qiáng)化生態(tài)服務(wù)的功能使間套作在可持續(xù)農(nóng)業(yè)中扮演著重要角色。

間套作在我國(guó)經(jīng)歷了兩千多年的發(fā)展歷史，從低投入低產(chǎn)出逐步演變?yōu)楦咄度敫弋a(chǎn)出的集約化種植模式，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中仍具有一定地位[13]。在西北干旱半干旱地區(qū)，小麥//玉米、小麥//棗樹以及燕麥//馬鈴薯等間作模式較為普遍[14-16]。東北地區(qū)間套作模式十分少見，近年來(lái)，燕麥作為一種糧飼兼用的作物，在東北地區(qū)西部農(nóng)牧交錯(cuò)帶種植業(yè)結(jié)構(gòu)中扮演著越來(lái)越重要的角色，在春小麥面積逐年萎縮的背景下，燕麥成為該地區(qū)種植制度調(diào)整的重要作物。楊學(xué)超等[17]發(fā)現(xiàn)，吉林西部地區(qū)燕麥//綠豆以2∶1比例進(jìn)行間作，在施氮量為90 kg·hm-2時(shí)土地當(dāng)量比可以達(dá)到1.49；馮曉敏等[18]發(fā)現(xiàn)，燕麥//花生、燕麥//大豆以2∶2比例間作，不施氮時(shí)土地當(dāng)量比分別為1.41～1.63和1.31～1.52。上述結(jié)果表明，燕麥與豆科作物間套作在東北西部地區(qū)具有較高的土地利用效率。由于目前的間套作種植模式帶幅設(shè)計(jì)較窄，不利于機(jī)械化作業(yè)，面臨著難以大面積推廣應(yīng)用的問題[19]。本研究在東北地區(qū)西部的吉林省白城市開展兩年大田試驗(yàn)，選擇玉米、向日葵及綠豆三種當(dāng)?shù)刂饕档卦耘嘧魑锱c燕麥進(jìn)行帶狀間作，研究三種模式下的產(chǎn)量及氮素吸收效應(yīng)，以期篩選出適合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件以及小型機(jī)械化作業(yè)的帶狀間作模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2014年至2015年在吉林省白城市農(nóng)科院(45° 37′N,122° 48′E)進(jìn)行，該地屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均日照時(shí)數(shù)2 919.4 h，年均氣溫4.9 ℃，無(wú)霜期157 d，年均降水量407.9 mm。試驗(yàn)地土壤類型為淡黑鈣土，耕層土壤(0～20 cm)有機(jī)質(zhì)含量17.4 g·kg-1、全氮含量1.12 g·kg-1、有效磷含量12.2 mg·kg-1、速效鉀含量102.4 mg·kg-1、pH 8.2。前茬作物為馬鈴薯。生育期氣象數(shù)據(jù)由白城市氣象局提供(圖1)。

圖1 生育期降雨量及日均氣溫

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及管理

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積108 m2(10.8 m×10 m)，種植模式分別為燕麥(TO)、玉米(TM)、向日葵(TS)、綠豆(TB)單作以及燕麥//玉米(TOM)、燕麥//向日葵(TOS)、燕麥//綠豆(TOB)帶狀間作，共7個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。燕麥于5月8日播種，7月30日收獲；玉米于5月8日播種，9月18日收獲，向日葵及綠豆于6月8日播種，9月18日收獲，2014年及2015年各作物播期、收獲期均一致。燕麥單作及間作行距均為30 cm，播量150 kg·hm-2；玉米、向日葵單作及間作株距、行距均為30 cm、60 cm；綠豆單作及間作株距、行距均為10 cm、60 cm。供試燕麥、玉米、向日葵、綠豆品種分別為白燕2號(hào)、鄭單958、白葵雜6號(hào)和白綠8號(hào)。

帶狀間作模式中帶寬3.6 m，每小區(qū)三組條帶。其中，燕麥6行，玉米、向日葵及綠豆均為3行。所有處理氮、磷、鉀肥施用量一致(N、P2O5、K2O分別為150、60、50 kg·hm-2)，于播種前作為基肥一次性施入。燕麥、向日葵、綠豆每年均灌溉兩次，玉米每年灌溉四次，每次灌溉量50 mm，采取漫灌方式，灌溉時(shí)間取決于當(dāng)年降雨情況。本試驗(yàn)中，播種、除草、收獲均采用人工方式。

1.3 樣品采集及測(cè)定項(xiàng)目與方法

籽粒產(chǎn)量測(cè)定：燕麥成熟期每小區(qū)取1.8 m2(1.8 m×1 m)樣方；玉米、向日葵、綠豆成熟期于單作小區(qū)中間行取長(zhǎng)勢(shì)均勻相連植株9株(1.62 m2)，間作小區(qū)中間條帶每行取相連植株3株(共9株，1.62 m2)。

成熟期地上部干物質(zhì)積累量測(cè)定：?jiǎn)巫餮帑溣谥虚g行齊地取2行50 cm樣段，間作燕麥于中間條帶取6行25 cm樣段；單作玉米、向日葵、綠豆于中間行取相連植株3株，間作玉米、向日葵、綠豆分別于兩個(gè)邊行及中間行取相連植株2株。樣品于105 ℃殺青30 min，85 ℃烘干至恒重。

樣品粉碎后，H2SO4-H2O2消煮后用凱氏定氮法測(cè)定樣品全氮含量。

1.4 相關(guān)計(jì)算公式

土地當(dāng)量比(LER)用于衡量間作的產(chǎn)量?jī)?yōu)

勢(shì)，計(jì)算公式為：

(1)

式中，LO、LS分別為燕麥、玉米(向日葵、綠豆)偏土地當(dāng)量比；Yso、Yss為單作燕麥和單作玉米(向日葵、綠豆)的籽粒產(chǎn)量；Yio、Yis為間作總面積上燕麥和玉米(向日葵、綠豆)籽粒產(chǎn)量；當(dāng)LER>1時(shí)，表示間作系統(tǒng)具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。

氮素吸收當(dāng)量比(NER)用來(lái)衡量間作系統(tǒng)的氮素吸收效率,計(jì)算公式為：

(2)

式中，NERO、NERS分別為燕麥、玉米(向日葵、綠豆)氮素偏吸收當(dāng)量比；Nso、Nss分別為單作燕麥和單作玉米(向日葵、綠豆)的吸氮量；Nio、Nis分別為間作總面積上燕麥和玉米(向日葵、綠豆)吸氮量；當(dāng)NER>1時(shí)，說(shuō)明相對(duì)于單作，間作提高了系統(tǒng)的氮吸收效率。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，Sigmaplot 12.5繪制圖形，利用SPSS 20進(jìn)行方差分析及LSD多重比較。

2 結(jié)果與分析2.1 不同種植模式下燕麥的產(chǎn)量及地上部吸氮量

燕麥//玉米帶狀間作模式下，燕麥籽粒產(chǎn)量在2014年較單作提高10.3%，差異顯著，但在2015年降低8.5%(表1)，差異顯著；2014年生物產(chǎn)量及地上部吸氮量與單作相比，均無(wú)顯著差異；

表1 不同種植模式下燕麥籽粒和生物產(chǎn)量及地上部吸氮量Table 1 Grain yield,biomass and above ground nitrogen uptake of oat in different cropping patterns kg·hm-2

相同年份同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異在5%水平顯著；間作與單作籽粒、生物產(chǎn)量以及地上部吸氮量均在同等土地面積的基礎(chǔ)上計(jì)算得出。

Values followed by different letters in the same column in the same year are significantly different at 5% level.Grain yield,biomass and nitrogen uptake of sole crop and intercrop were calculated on the basis of the same land area.

2015年則分別較單作提高13.3%、16.7%，差異顯著。燕麥//向日葵、燕麥//綠豆帶狀間作模式中，2014年燕麥籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量及地上部吸氮量與燕麥單作之間無(wú)顯著差異；2015年這兩種模式下，燕麥籽粒產(chǎn)量均提高8.9%，生物產(chǎn)量提高12.8%、27.5%，地上部吸氮量提高31.6%、30.8%，差異均顯著。

2.2不同種植模式下玉米、向日葵及綠豆的產(chǎn)量及地上部吸氮量

間作玉米的籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量及地上部吸氮量在2014、2015年較單作玉米分別提高了15.2%～29.0%、21.4%～33.8%及29.4%～31.8%，差異顯著(表2)。間作向日葵的籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量及地上部吸氮量在2014-2015年較單作向日葵分別提高了36.3%～66.0%、34.1%～46.8%及50.3%～55.7%,差異顯著。間作綠豆與單作綠豆間的籽粒、生物產(chǎn)量及地上部吸氮量在2014年和2015年均無(wú)顯著差異。

2.3不同種植模式的土地當(dāng)量比及氮素吸收當(dāng)量比

2014及2015年所有帶狀間作模式的土地當(dāng)量比及氮素吸收當(dāng)量比均大于1(圖2)，說(shuō)明與單作相比，帶狀間作提高了土地利用效率及氮素吸收效率。間作模式之間比較，兩個(gè)生產(chǎn)季，燕麥//向日葵帶狀間作的土地當(dāng)量比為1.23～1.38，顯著高于燕麥//玉米(1.10～1.14)、燕麥//綠豆(1.05～1.08)(2014年燕麥//玉米除外)；燕麥//向日葵帶狀間作的氮素吸收當(dāng)量比為1.29～1.44，較燕麥//玉米、燕麥//綠豆分別提高了11.1%～16.8%、16.8%～25.9%，差異顯著。

表2 不同種植模式下玉米、向日葵及綠豆籽粒、生物產(chǎn)量及地上部吸氮量Table 2 Grain yield,biomass and above ground nitrogen uptake of maize,sunflower and mung bean in different cropping patterns kg·hm-2

同種作物同年份數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Different letters following the date of the same crop and year mean significant different(P<0.05) between treatments.

2.4 不同種植模式下燕麥的邊行效應(yīng)

燕麥//玉米帶狀間作模式下，2014年間作燕麥邊行籽粒產(chǎn)量為196.2 g·m-1，顯著高于單作及間作內(nèi)行，2015年三者間無(wú)顯著差異(圖3)。燕麥//向日葵帶狀間作模式下，兩年間作燕麥邊行籽粒產(chǎn)量(242.2、209.1 g·m-1)均顯著高于單作及間作內(nèi)行，邊行對(duì)間作燕麥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為44.2%～45.1%，高于邊行所占比例(33.3%)。燕麥//綠豆帶狀間作模式中，兩年中燕麥邊行籽粒產(chǎn)量(209.1、194.6 g·m-1)也顯著高于單作及間作內(nèi)行，邊行對(duì)間作燕麥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為42.2%～42.9%，高于邊行所占比例(33.3%)。

2.5 間作玉米、向日葵及綠豆的邊行效應(yīng)

間作玉米邊行籽粒產(chǎn)量(881.8、700.7 g·m-1)及間作向日葵邊行籽粒產(chǎn)量(333.8、281.7 g·m-1)均顯著高于單作及間作內(nèi)行(圖4)，邊行對(duì)間作玉米、向日葵產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率分別為(70.2%～70.9%、69.9%～70.8%)，均高于邊行所占比例(66.7%)。間作綠豆邊行籽粒產(chǎn)量(242.4、207.5 g·m-1)顯著高于單作，但與間作內(nèi)行無(wú)顯著差異。

TOM、TOS和TOB分別代表燕麥//玉米、燕麥//向日葵及燕麥//綠豆帶狀間作；相同年份圖柱上不同字母表示處理間差異在5%水平顯著。下同。

TO為燕麥單作；TOM-B、TOS-B和TOB-B分別代表燕麥//玉米、燕麥//向日葵及燕麥//綠豆帶狀間作燕麥邊行；TOM-I、TOS-I和TOB-I為各間作模式下燕麥中間行。

圖4 不同種植模式下玉米、向日葵及綠豆的行產(chǎn)量

3 討 論

間作系統(tǒng)中兩種作物共生期較長(zhǎng)時(shí)，種間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度易受外部環(huán)境的影響，從而表現(xiàn)出生產(chǎn)效應(yīng)上的不穩(wěn)定[20]。本研究中，2014年、2015年燕麥孕穗期至成熟期降雨量分別為130.0 mm、32.2 mm(圖1)，燕麥//玉米帶狀間作模式下，兩種作物共生期為80 d，由于燕麥在孕穗后抗旱性減弱，干旱脅迫可使籽粒減產(chǎn)51.8%以上[21]，玉米處于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)地位，導(dǎo)致間作燕麥產(chǎn)量在2015年較單作顯著降低(8.5%)。燕麥//向日葵、燕麥//綠豆間作系統(tǒng)中兩種作物共生期為50 d，且作為早播作物的燕麥在孕穗-灌漿期時(shí)向日葵、綠豆仍處于苗期，燕麥處于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)地位，故2015年這兩種模式下，間作燕麥籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量及地上部吸氮量均較單作顯著提高。

間作系統(tǒng)中，晚熟作物的產(chǎn)量效應(yīng)取決于共生期作物間的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度以及早熟作物收獲后晚熟作物的恢復(fù)能力[22]。本研究中，間作玉米、向日葵較強(qiáng)的恢復(fù)能力使其充分利用了燕麥?zhǔn)斋@后的有利環(huán)境，從而獲得了較單作高的籽粒、生物產(chǎn)量以及吸氮量。綠豆作為一種矮桿作物，前期在與燕麥的競(jìng)爭(zhēng)中處于絕對(duì)劣勢(shì)地位，且燕麥?zhǔn)斋@后綠豆恢復(fù)能力較弱，故間作綠豆與單作綠豆間在籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量以及吸氮量方面均無(wú)顯著差異。

土地當(dāng)量比(LER)以及氮素吸收當(dāng)量比(NER)被用以評(píng)價(jià)間作系統(tǒng)的土地利用效率及氮素吸收效率。本研究中，燕麥//向日葵帶狀間作的LER及NER最高，分別為1.23～1.38、1.29～1.44，說(shuō)明該模式具有更高的土地利用及氮素吸收效率，這與董宛麟等[23]研究結(jié)果基本一致。

邊行效應(yīng)是間作優(yōu)勢(shì)的主要來(lái)源之一[14]。在燕麥//向日葵、燕麥//綠豆帶狀間作模式中，燕麥作為早播作物具有顯著的邊行優(yōu)勢(shì)，這主要是由于間作系統(tǒng)中早播作物邊行較內(nèi)行及單作具有更優(yōu)越的生長(zhǎng)環(huán)境[24]；兩種模式下，邊行對(duì)間作燕麥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率分別為44.2%～45.1%、42.2%～42.9%，而Gou等[25]在小麥//玉米間作上的研究結(jié)果表明，早播作物小麥邊行(所占比例33%)對(duì)間作小麥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為50%，造成這種差異的原因可能為本實(shí)驗(yàn)中燕麥帶幅設(shè)計(jì)較寬，行距較大，沒有充分發(fā)揮出間作燕麥的邊行優(yōu)勢(shì)。在燕麥?zhǔn)斋@后，間作玉米、向日葵邊行擁有更優(yōu)的生長(zhǎng)環(huán)境，使得最終邊行產(chǎn)量顯著高于內(nèi)行及單作，這一過(guò)程可用Zhang等[22]提出的“競(jìng)爭(zhēng)-恢復(fù)生產(chǎn)理論”解釋。間作綠豆邊行及中間行產(chǎn)量均顯著高于單作內(nèi)行，而間作綠豆整體產(chǎn)量雖高于單作綠豆，差異卻不顯著，其原因可能是取樣量及計(jì)算方法不同所導(dǎo)致。

4 結(jié) 論

東北地區(qū)西部燕麥//玉米、燕麥//向日葵和燕麥//綠豆等三種帶狀間作模式具有顯著的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)及較高的氮素吸收效率，LER及NER均大于1，其中，燕麥//向日葵帶狀間作LER及NER分別為1.23～1.38、1.29～1.44，兩年內(nèi)均為最高。燕麥//向日葵間作中，兩種作物的邊行產(chǎn)量均顯著高于單作及內(nèi)行，對(duì)間作燕麥、向日葵產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率分別為44.2%～45.1%、69.9%～70.8%，具有顯著的邊行優(yōu)勢(shì)。綜合分析認(rèn)為，燕麥//向日葵帶狀間作在東北地區(qū)西部具備一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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YieldandNitrogenUptakeofVariousOatStripIntercroppingPatternsinWesternofNortheastChina

QIANXin1,ZANGHuadong1,GEJunyong2,ZENGZhaohai1,RENChangzhong3,GUOLaichun3,WANGChunlong3，HUYuegao1
(1.College of Agronomy and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing 100193,China; 2.Zhangjiakou Academy of Agricultural Sciences,Zhangjiakou,Hebei 075000,China; 3.Baicheng Academy of Agricultural Sciences,Baicheng,Jilin 137000,China)

In order to provide an optimal strip intercropping pattern for oat growing in western of Northeast China,two-year(2014-2015) field trails were conducted in Baicheng of Jilin province. The objective of this study was to compare the yield and nitrogen(N) utilization in the strip intercropping patterns of oat//maize,oat//sunflower,and oat//mung bean. All intercropping patterns had significant advantages in crop yield and N utilization. The land equivalent ratio(LER) and N equivalent ratio(NER) of all intercropping patterns were higher than 1. Among the three patterns,LER and NER of oat//sunflower were highest,1.23 to 1.38 and 1.29 to 1.44 in 2014 and 2015,respectively. The yield of edge row of oat and sunflower were significantly higher than those of inner row and sole cropping,with the contributing rate of 44.2% to 45.1% and 69.9% to 70.8%,respectively. Overall,oat//sunflower strip intercropping is the optimal intercropping pattern.

Strip intercropping; Land equivalent ratio; Nitrogen uptake equivalent ratio; Edge effect

時(shí)間：2017-08-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170808.0911.028.html

2017-01-23

2017-02-15

國(guó)家燕麥?zhǔn)w麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-08-B-1)

E-mail：qianxin203@163.com

胡躍高(E-mail：huyuegao@cau.edu.cn)

S512.6；S311

： A

：1009-1041(2017)08-1105-07