間作和施磷對2種牧草生物量及氮磷吸收的影響

張 德，龍會英，曾麗萍，劉屹湘

(1.云南省農業(yè)科學院熱區(qū)生態(tài)農業(yè)研究所，云南 元謀 651399；2.元謀干熱河谷植物園，云南 元謀 651399；3.紅河學院 理學院，云南 蒙自 651199；4.云南農業(yè)大學 植物保護學院，云南 昆明 6502012)

磷是作物生長必需的營養(yǎng)元素，在植物的生理生化調節(jié)過程中起著重要作用[1]，能夠加強碳水化合物的運輸，促進氮的吸收與生物固氮[2]。充足的磷營養(yǎng)有利于植物抵抗外界不利環(huán)境，增強抗倒伏能力；而缺磷環(huán)境下植物生長受到嚴重影響，果實產量與品質顯著降低[3]。然而，由于化肥的過度施用，同時大量化肥施入也會影響肥料利用率，并抑制微量元素的吸收[3]，造成植物微量元素缺素[1]、土體氮淋溶加劇，導致水體富營養(yǎng)化及面源污染[4-5]等農田生態(tài)環(huán)境問題。目前，國內土壤退化問題十分嚴重[6]。因此，有必要根據作物的植物學特征和生物學特性，尋找磷高效利用種植模式和適宜施磷量，來實現磷素的合理使用，以提高作物對土壤難溶性磷素的利用[7]。研究表明，玉米‖蠶豆間作具有顯著的互惠作用[8]，蠶豆能改善玉米磷營養(yǎng)，這一促進作用體現在作物根系占據土壤空間的互補性及蠶豆的種間根際效應上，蠶豆的根際效應能夠幫助玉米從土壤中獲得更多的磷[9]。蠶豆根系釋放有機酸，也能促進難溶性磷的活化，從而有利于兩種作物的磷營養(yǎng)[8]。因此，禾本科‖豆科間作是增加作物種植體系磷利用效率、增加磷回收率、減少環(huán)境負擔、磷肥合理使用的有效方式[10]。

扭黃茅是云南省元謀干熱河谷的優(yōu)勢多年生禾本科草本植物，作為云南本地的一種重要牧草，具備低熱耐旱耐貧瘠等優(yōu)點；但同時也表現出蛋白質含量低的缺點。柱花草為多年生優(yōu)良豆科牧草，半直立草本植物，根系有根瘤，具有產量高、營養(yǎng)豐富、栽培容易的特征，集飼用、土壤改良、水土保持等多種功能，對修復退化土壤肥力起重要作用[6]。同時，柱花草根系深而發(fā)達，須根大多集中在0～25 cm，主根可深入土層50 cm以上，與扭黃茅根系的生長區(qū)域相互重疊；如果將柱花草引入扭黃茅分布區(qū)域，并且粗蛋白質含量達到16%～20%，能改善扭黃茅蛋白質含量低的缺點，兩種牧草根系長時間互作，有可能提高養(yǎng)分吸收利用效率。但在柱花草與扭黃茅間作中是否需要施磷？有利提高牧草產量和氮磷吸收的施磷量是多少？需做深入的研究。目前，元謀地區(qū)關于豆科‖禾本科牧草間作中合理施用磷肥以及磷元素吸收的研究鮮有報道。本研究在前期研究工作基礎上，針對不同磷環(huán)境下柱花草和扭黃茅間作的磷養(yǎng)分吸收進行研究，旨在了解牧草種間互作對生長和養(yǎng)分吸收的影響，為不同牧草優(yōu)化配置中磷肥施用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于云南省元謀縣黃瓜園鎮(zhèn)小雷宰流域，北緯25°50′42″，東經101°49′19″，海拔1 073 m，屬典型金沙江干熱河谷氣候，年均氣溫22℃，日照時數2 670.4 h，最熱月(6月)28.5℃，最冷月(12月)15.9℃，≥10℃年均積溫8 552.7℃；降雨量645 mm，集中于5—10月，占全年94.6%，干燥度4。分別于2015年和2016年進行試驗。樣地土壤為燥紅土，2015年種植牧草前耕層土壤全N含量0.054 %，全P含量0.22 %，有效磷(Olsen P)含量7.86 mg·kg-1，pH值6.79。2016年種植牧草前耕層土壤全N含量0.032%，全P含量0.26 %，速效P含量15.60 mg·kg-1，pH值7.01。

1.2 試驗材料與方法

1.2.1 供試牧草 試驗分別選用柱花草和扭黃茅。柱花草為多年生豆科牧草，半直立草本植物，根系深50 cm以上，具有產量高、干物質粗蛋白質含量高適口性好、容易栽培等特性，既可作為建植人工草地和改良天然草地的主要牧草品種，又可作為保持水土的優(yōu)良植物。禾本科牧草扭黃茅為本區(qū)域優(yōu)勢種，多年生草本，高30～100 cm，喜熱、耐旱、耐瘠，分布區(qū)覆蓋度高、侵占性強，易形成單優(yōu)勢種群落，產量高，為良等牧草[6]。

1.2.2 試驗方法 田間試驗采用雙因素隨機區(qū)組設計。供試磷肥為含P2O516%的過磷酸鈣。設2個施磷水平：不施P(P0)和施P 75 kg·hm-2(P75)，此磷施用量參照夏海勇等[7]和余常兵等[11]在單作和豆科‖禾本科間作系統(tǒng)中施磷水平；設單作柱花草、單作扭黃茅和柱花草‖扭黃茅間作3個種植模式，共計6個處理，每個處理3次重復，18個小區(qū)。單作小區(qū)凈種10行柱花草或扭黃茅，間作小區(qū)中柱花草與扭黃茅按照1∶1比例間作，2種牧草各種植5行。2種作物株、行距都為50 cm，小區(qū)面積2 m×5 m=10 m2。2種牧草實行育苗移栽方式，2015年育苗時間為4月24日，移栽時間6月8日；2016年育苗時間為5月10日，移栽時間7月1日。每塘穴栽2株幼苗，成活后留1株，2015年11月和2016年12月收獲。試驗地不施底肥，磷肥在整地時全部施入，小區(qū)不施農藥和除草劑，按龍會英等[6]的方法進行管理。

1.2.3 樣品測定指標與評價方法 在柱花草現莢期和扭黃茅果實始熟期采收植物，在整個小區(qū)選取中間有代表性的2行，取植物全株后清洗，用草紙擦干水氣測鮮樣重，樣品經過70～80℃ 烘干后稱植株干重(含地上部和地下部)，折算成單位面積牧草生物量(折算公式為：10 000×4×單株生物量，生物量單位為kg·hm-2)[12]，分析樣品為植株混合樣(植株根、莖、葉、花和現莢期的種子)，測定植株氮、磷含量，2015年的樣品由中國科學院南京土壤研究所土壤與環(huán)境分析測試中心協(xié)助測試，2016年的樣品由云南悅分環(huán)境檢測有限公司協(xié)助測試。根據所測值計算不同種植模式及磷水平下的產量、當量比、種間相對競爭能力、牧草氮磷吸收量。計算公式如下：

植株對氮磷的吸收量(kg·hm-2)=植株氮磷含量(%)×植株生物量[13]，換算為單位面積的量。

間作系統(tǒng)當量比(Land Equivalent Ratio，LER) =(間作系統(tǒng)柱花草地上部生物量/單作系統(tǒng)柱花草地上部生物量)+(間作系統(tǒng)扭黃茅地上部生物量/單作系統(tǒng)扭黃茅地上部生物量)[14-15]。LER表征間作產量優(yōu)勢狀況，LER>1，表明間作相比單作具有產量優(yōu)勢；LER<1，表明間作相比單作為產量劣勢。

間作系統(tǒng)生產力(System Productivity，SP，kg·hm-2)為單位面積兩種間作作物產量平均值，計算公式：SP=兩種作物在間作系統(tǒng)中所占的面積比例×單位面積兩種間作牧草地上部生物量(kg·hm-2)[16]。

種間相對競爭能力(Aggressivity，A)是恒量一種作物相對另一種作物對資源競爭能力大小的指標，兩種作物共處期間，通過各作物地上部分生物量計算獲得種間相對競爭能力，計算公式：A=(間作系統(tǒng)柱花草地上部生物量/單作系統(tǒng)柱花草地上部生物量)-(間作系統(tǒng)扭黃茅地上部生物量/單作系統(tǒng)扭黃茅地上部生物量)[17]，當A>0，表明柱花草競爭能力強于扭黃茅，反之則弱。

1.3 試驗數據處理與統(tǒng)計分析

試驗數據采用SPSS 數據處理軟件進行計算和方差分析。

2 結果與分析

2.1 間作與施磷對牧草生長的影響

方差分析表明，相同磷水平下，相對柱花草單作，間作顯著降低了2015年柱花草生物量，但顯著提高2015年(P0水平)扭黃茅地上部生物量和2016年(P75水平)柱花草地下部生物量，其他無顯著差異(P<0.05)。分析表1和表2年平均值，柱花草具有生長前期生長緩慢的生物學性特征[6]，對照柱花草單作，與扭黃茅間作抑制柱花草生長，從而降低柱花草地上部生物量，分別減少31.58%(P0)和30.59%(P75)，地下部生物量減少幅度分別為9.88%(P0)和21.26%(P75)；相對扭黃茅，與柱花草間作中吸收更多的土壤養(yǎng)分，促進自身的生長，增加扭黃茅生物量，地上部生物量分別提高13.12%(P0)和29.04%(P75)，地下部生物量提高為15.58%(P75)。相同種植模式下，與未施磷對比，施磷均降低柱花草地上部生物量，地上部生物量減少6.88%(單作)和5.52%(間作)，地下部生物量減少8.05%(間作)。施磷促進了扭黃茅生長，增加地上部和地下部生物量，單作地上部和地下部生物量提高14.05%，間作系統(tǒng)扭黃茅地上部和地下部生物量分別提高30.10%和25.22%。

表1柱花草‖扭黃茅與施磷對牧草地上部生物量的影響

Table1EffectofintercroppingS.guianensisandH.contortusandPonabove-groundbiomass

年份Year種植模式ModelP0/(kg·hm-2)柱花草 S. guianensis扭黃茅 H. contortusP75/(kg·hm-2)柱花草 S. guianensis扭黃茅 H. contortus2015間作 Intercropping4306.67±898.67b22380.55±7799.75a6085.65±2833.63b34171.24±6121.61a單作 Sole cropping13342.88±3817.63a20622.08±6187.52b13340.11±1106.83a26084.83±5731.40a2016間作 Intercropping15294.89±1141.94a13880.67±778.05a12432.00±2751.68a13003.33±1188.00a單作 Sole cropping15307.11±1509.93a11432.67±1553.44a13339.11±656.33a10472.00±1940.16a平均值The average間作 Intercropping9800.78±7769.8518130.61±6010.329258.83±4487.5523587.29±14967.97單作 Sole cropping14325±1388.9216027.38±6497.8913339.61±0.7118278.42±11039.94

注: P0：不施磷，P75：施磷75 kg·hm-2。同年同物種同列不同小寫字母表示種植模式間差異顯著(P<0.05)。下同。

Notes: P0: Without P; P75: Applying P 75 kg·hm-2. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among planting pattern within a species in a year atP<0.05. The same below.

方差分析表明，相同種植模式下，間作對牧草根冠比無顯著影響(P<0.05)，見表3。分析表3平均值，與單作比較，間作增加柱花草根冠比增幅分別為28.57%(P0)和14.29%(P75)；間作提高扭黃茅根冠比6.67%(P0)，P75水平下根冠比減少15.38%。相同種植模式下，施磷減少間作系統(tǒng)柱花草根冠比11.11%，單作與間作系統(tǒng)扭黃茅的根冠比分別降低13.33%和31.25%。

2.2 間作與施磷對土地當量比和間作系統(tǒng)生產力及牧草種間競爭能力的影響

方差分析表明，施磷對間作系統(tǒng)的土地當量比、間作系統(tǒng)生產力及牧草種間競爭能力無顯著影響(P<0.05)。受種植日期的影響，2 a試驗中，2015年兩個施肥水平的間作體系當量比LER均小于1，而2016年兩個施肥水平的間作體系當量比LER均大于1，平均值接近1，說明柱花草‖扭黃茅間作系統(tǒng)具有間作優(yōu)勢。分析表4平均值，與P0水平對比，P75水平間作體系當量比高于P0水平平均值，P75水平間作系統(tǒng)生產力高于P0水平17.60%，說明施磷均提高間作系統(tǒng)生產力，使施肥水平生產力高于未施肥水平，表明施磷(P75水平)對柱花草‖扭黃茅間作體系具有一定產量優(yōu)勢。種間相對競爭能力是恒量一種作物相對另一種作物對資源競爭能力大小的指標[11]。表4表明，相對柱花草，與柱花草間作的扭黃茅前期生長量遠高于柱花草，從而抑制柱花草生長，在兩種磷水平間作體系種間相對競爭能力均小于0，表明柱花草在本文的種植密度下為弱競爭優(yōu)勢作物。

2.3 間作與施磷對作物氮磷吸收的影響

表5和表6表明，相同磷水平下，與單作對比，間作顯著降低柱花草2015年和平均氮磷吸收量(P<0.05)。2 a平均值可見，兩種磷水平下，與單作相比，間作降低了柱花草氮磷吸收量，氮吸收量分別減少了34.47%(P0)和34.02%(P75)，磷吸收量減少了32.32%(P0)和38.02%(P75)；與單作對比，間作增加了扭黃茅氮和磷的吸收量，其中氮吸收量提高了11.56%(P0)和39.48%(P75)，磷的吸收量增加了20.53%(P0)。間作模式下，施磷提高間作系統(tǒng)扭黃茅氮吸收量21.51%。與未施磷比較，施磷增加單作柱花草和單作扭黃茅磷吸收量，分別提高了5.71%和5.84%，降低了間作系統(tǒng)柱花草和扭黃茅對磷的吸收，分別減少了3.18%和17.85%。

表2 柱花草‖扭黃茅與施磷對牧草地下部生物量的影響

表3 柱花草‖扭黃茅與施磷牧草的根冠比

表4 柱花草‖扭黃茅與施磷對土地生產力和種間競爭能力的影響

注: 同列不同小寫字母表示種植模式磷處理間差異顯著(P<0.05)

Notes: Different lowercase letters in the same column mean significant difference atP<0.05 level among P treatments under same planting pattern.

表5 間作與施磷對牧草氮素吸收的影響

表6 間作與施磷對牧草磷素吸收的影響

3 討論與結論

3.1 間作與施磷對牧草生長的影響

本試驗中，一方面，2015年移栽時間是6月8日，這個時期是扭黃茅生長旺盛期[6]；另一方面，扭黃茅對氮素較為敏感，2015年土壤全氮含量高于2016年，扭黃茅對氮素吸收強生長快，而柱花草具有幼苗期生長緩慢的特性，導致柱花草在本文種植密度下間作系統(tǒng)為弱競爭作物，柱花草在間作系統(tǒng)的地上部生物量遠低于單作。相同磷水平下，相對柱花草單作，間作顯著降低了2015年柱花草生物量，但顯著提高2016年(P75水平)柱花草地下部生物量；相對扭黃茅，間作顯著提高2015年(P0水平)扭黃茅地上部生物量，間作對牧草根冠比沒有顯著影響。相同種植模式下，由于柱花草前期生長慢，因此無論是單作或間作，施磷均降低柱花草地上部生物量(P<0.05)；而施磷促進了單作和間作中扭黃茅生長，增加地上部和地下部生物量。

3.2 間作與施磷對牧草間作體系生產力的影響

磷在土壤中的擴散系數很小，因此植物磷主要是通過根系從土壤中吸收獲得，保持根區(qū)土壤適當的磷水平能夠使植物根系最大限度地活化和利用根際土壤磷[17]。間套作是一種在我國各地廣泛運用的種植技術模式，可以增加作物產量，改變土壤氮和磷的有效性[18-19]，尤其是豆科與禾本科構成的間套作體系，可提高作物的籽粒產量和植株地上部生物量[20]。本試驗中，由于柱花草在間作系統(tǒng)地上部生物量遠低于單作，當量比LER小于1；而2016年移栽時間是7月1日，這個時期扭黃茅進入分枝期[6]，加上2016年土壤全氮含量低于2015年，扭黃茅生長緩慢，間作中柱花草的生長未受影響，與單作系統(tǒng)柱花草地上部生物量比較相差較小，當量比LER大于1；與未施磷對比，施磷提高間作系統(tǒng)的當量比和生產力。在本試驗的株行距限制條件下，由于扭黃茅生長勢強抑制柱花草生長，柱花草在與扭黃茅間作的種間競爭中表現為弱競爭優(yōu)勢作物，所以柱花草在間作體系中相對于扭黃茅的種間競爭能力A值均小于0，因此，下一步應開展該兩種植物發(fā)生競爭的最小距離研究。

3.3 間作與施磷對作物氮磷吸收的影響

一般情況下，植物間作存在地下部和地上部的相互作用，地上部主要是相互之間對光照的競爭，地下部主要是對土壤養(yǎng)分和水分的競爭，如地下部根系間的相互作用在間作產量優(yōu)勢中起重要作用[21]。在間套作體系中，一種作物能改善另一種作物對土壤磷素的吸收。本試驗表明，P0水平下，由于柱花草通過生物固氮和活化土壤難溶性磷，為扭黃茅提供了更多的氮和磷[20]，相對單作，2015年間作提高了扭黃茅對土壤氮磷的吸收，而顯著降低了柱花草氮磷吸收量(P<0.05)；P75水平結論同P0水平。同一種植模式，相對柱花草單作，施磷后提高了柱花草固氮能力，2015年氮吸收量為增加趨勢，2016年氮吸收量為降低趨勢；在與扭黃茅間作后，施磷增加2015年氮磷吸收量，2016年為減少趨勢。相對扭黃茅單作，施磷結果與柱花草單作一致；在與柱花草間作后，施磷增加2016年氮吸收量，說明間作可以提高土壤氮磷素的利用，對修復退化土壤肥效有一定作用。