施氮和间作对蚕豆根瘤形成及氮素吸收累积的影响

吴鑫雨 刘振洋 李海叶 郑 毅,2 汤 利 肖靖秀

（1云南农业大学资源与环境学院，650201，云南昆明；2云南开放大学，650223，云南昆明）

多样性种植模式利用种间生态位的差异促进光、热、水和养分等资源的高效利用，是维持农田生物多样性及农业可持续发展的有效措施[1-2]。因为豆科作物的生物固氮效应，所以有豆科作物参与的各种轮作和间作等种植模式更是备受关注[3]。蚕豆为固氮植物，其所固定的氮素除可供自身生长需求外，还可以转移到与之间作的相邻作物中[4-5]。因此，蚕豆参与的各类多样性种植模式往往具有较好的节肥效果和增产潜力[6-7]。

在对大豆[8]和花生[9]的研究中发现，适量施氮能促进其根瘤的固氮能力发挥，促进植株的生长，从而有利于提高作物产量。相比其他豆类作物，蚕豆虽然对氮肥施用不敏感，但是施氮水平也与蚕豆的结瘤固氮密切相关，适量的氮肥供应有利于提高蚕豆的根瘤重和根瘤数[10-11]；氮肥施用过多则会对蚕豆结瘤固氮产生阻遏效应，已有李玉英等[12]和赵财等[13]从间作对豆科结瘤固氮的促进作用和间作对“氮阻遏”的减缓效应方面系统揭示了间作群体氮素高效利用的机理。此外，在豆科作物参与的间作体系中，低氮胁迫往往能更好地刺激豆科作物发挥生物固氮能力[14]，并将“节约”的氮供应给相邻作物吸收，最终提高间作群体的氮素利用率和产量[15]。总之，在豆科作物参与的间作体系中，前人围绕氮素的生物固定、氮素吸收和转移开展了大量研究工作[16-19]。但是，较少关注豆科作物参与的间作体系中氮肥施用和种间相互作用如何协同调控豆科作物的结瘤特性；间作作物共生期内，豆科作物的氮素吸收累积动态变化特征如何？种间互作下，豆科作物根瘤的形成、氮素的吸收累积及其与氮肥施用的关系，目前并不清楚。

小麦蚕豆间作是典型的豆科禾本科间作体系，广泛分布在我国西南和西北地区[6]。前人的研究[20]明确了小麦蚕豆间作具有增产、控病和节氮的作用；最近的研究[21]还发现，由于小麦蚕豆生育期相近、共生期长，因此，小麦蚕豆种间相互作用同时受氮肥施用水平和生育期的调控。那么在较长的共生期内，蚕豆的结瘤固氮效应是否有差异？虽然有研究[22-23]表明，小麦蚕豆间作有利于蚕豆根瘤的形成，但间作是否也有利于蚕豆的氮素吸收累积，其氮素吸收动态如何并不清楚，其对氮肥施用的响应如何也有待明确。因此，本研究基于小麦蚕豆间作田间定位试验，系统分析单作和间作蚕豆的根瘤特征、氮素累积动态变化及其对氮肥施用的响应，以期明确豆科禾本科间作体系中，氮肥施用与豆科作物结瘤固氮、氮素吸收累积和产量的关系，为间作群体氮肥的运筹管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

供试小麦品种为云麦 52（TriticumaestivumL.），蚕豆品种为玉溪大粒豆（ViciafabaL.）。

供试肥料为尿素（N 46.0%）、普通过磷酸钙（P2O516.0%）和硫酸钾（K2O 50.0%）。

1.2 试验设计

试验为A、B二因素设计：A为2种种植模式，分别为蚕豆单作和小麦蚕豆间作（单作蚕豆：MF；间作蚕豆：IF）；B为4个施氮水平，不施氮（N0）、蚕豆施氮量 45（N1）、90（N2）和 135kg/hm2（N3）。试验采用随机区组排列，总8个处理，每个处理重复3次，小区面积为32.4m2（5.4m×6.0m），共计24个小区。

蚕豆的氮肥全部作基肥一次性施用。间作处理中，小麦的施氮量均为蚕豆的2倍，即施氮量分别为0、90、180和270kg/hm2。小麦的氮肥分基肥和追肥2次施用，施用比例为1︰1，其中追肥在小麦拔节期施用。所有处理中，蚕豆和小麦的磷、钾肥施用量均为90kg/hm2，作基肥一次性施入。

单、间作蚕豆的种植密度相同，行距30cm，株距10cm。小麦蚕豆间作小区的种植参照当地推荐种植模式，小区分为3个种植条带，6行小麦2行蚕豆交替，小麦行距20cm，播种量180kg/hm2。间作小区小麦和蚕豆行距30cm。

1.3 样品采集和指标测定

1.3.1 根瘤鲜重 在蚕豆根瘤形成的关键生育期（分枝期、开花期和结荚期）分别采样，每小区随机选取3点（每点3株），用铲子将蚕豆整株根系完整取出，将根瘤摘下洗净后，立即用电子天平称鲜重。

1.3.2 蚕豆植株 在分枝期、开花期、结荚期、籽粒膨大期和成熟期5个生育期，每小区随机选取3点（每点3株）进行采样，采样后迅速将地上部各器官分离，105℃下杀青30min，75℃烘干称重，备用。

1.3.3 蚕豆地上部含氮量 采用凯氏定氮法测定蚕豆地上部含氮量[24]。

（2）泥质、灰质含量较重的低电阻率油层。测井响应特征表现为：自然电位负异常，异常幅度与纯砂岩油层相比明显减小。泥质砂岩油层自然伽马为中等值，微电极低值正差异或无差异；灰质砂岩油层自然伽马值小于纯砂岩，微电极较高值锯齿状。三孔隙度曲线重合性较差，声波时差变化范围较大，为255～290μs／m，测井曲线间相关性相对较好，电阻率为1.1～3.0Ω·m。该类油层多分布在纯上6砂组中，由于物性较差，多为产液量低的差油层。

1.3.4 产量 收获期采收蚕豆小区的豆荚，晒干去荚壳，测定产量。

1.4 数据处理

Logistic增长模型能够模拟作物从生长到收获的全部动态过程[25-26]，因此使用Origin 8.0软件通过Logistic增长模型分析单、间作蚕豆整个生育期的氮吸收参数、氮累积动态及氮吸收速率动态。具体模型如下：

其中，yt表示蚕豆生育期中第t天的地上部氮累积量（kg/hm2）；A表示蚕豆地上部最大氮素累积量（kg/hm2）；r为蚕豆的初始氮吸收速率，代表蚕豆的氮素吸收潜力[kg/(hm2∙d)]；Tmax表示蚕豆达到最大氮吸收速率所需要的时间（d）；t表示蚕豆播种后的天数（d）；rt表示蚕豆生育期中第t天的氮吸收速率[kg/(hm2∙d)]。

蚕豆地上部氮素累积量（kg/hm2）=地上部干物质量×含氮量。

用Excel 2010进行数据分析和作图，采用SPSS 20.0进行方差分析。采用二因素分析法对蚕豆根瘤鲜重、主要氮素吸收参数进行统计分析，差异显著性水平P＜0.05。采用独立样本t检验法，对单、间作蚕豆的地上部氮素累积量作差异性分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平下单、间作蚕豆的根瘤鲜重

由表1可见，不同生育期蚕豆的根瘤鲜重均受到氮水平、种植模式和氮水平×种植模式交互作用的调控。

表1 不同氮水平下单、间作蚕豆根瘤鲜重统计分析结果（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年研究结果（图1）表明，在开花期，蚕豆根瘤鲜重达到最大值。N0、N1和N2水平下，小麦蚕豆间作显著提高了蚕豆根瘤鲜重；但是在N3水平下，单作、间作蚕豆根瘤鲜重无差异。与单作蚕豆相比，2年间在N0、N1和N2水平下，间作分别提高分枝期蚕豆根瘤鲜重 40.72%、27.15%和33.99%，开花期分别提高根瘤鲜重28.71%、26.87%和 26.64%，结荚期提高蚕豆根瘤鲜重 40.23%、30.99%和19.75%。无论单作蚕豆还是间作蚕豆，根瘤鲜重都随氮肥用量的增加呈先增加后降低的趋势。单、间作蚕豆根瘤鲜重都在N1水平下达到最高，在N3水平下最低。

图1 不同施氮水平下单、间作蚕豆根瘤鲜重Fig.1 Root nodule fresh weight of mono- and inter-cropped faba beans under different N levels

2.2 不同氮水平下单、间作蚕豆氮素吸收的关键参数

Logistic模型较好的拟合了不同氮水平下单、间作蚕豆的氮素吸收累积动态，校正的R2=0.9314～0.9983（P＜0.0001）。由表2可看出，2年中，蚕豆地上部最大氮素累积量（A）、最大氮素吸收速率（Rmax）和蚕豆达到最大氮素吸收速率所需的时间（Tmax）均受到氮水平、种植模式的调控；而初始氮吸收速率（r）均不受氮水平和种植模式的影响。

表2 不同氮水平下单、间作蚕豆氮素吸收关键参数统计分析结果（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年结果（图2）表明，蚕豆的A和Rmax均随氮水平的增加呈先增加后降低的趋势，在N2下达到最大。与单作相比，间作蚕豆A、Tmax、Rmax均显著降低。4个氮水平下，2017年，间作蚕豆A分别比单作降低 13.24%、12.15%、8.01%和 10.86%；2018年，间作蚕豆A分别比单作降低 12.09%、9.64%、11.73%和13.93%。相比N0水平，N1、N2、N3水平下，单作蚕豆A分别增加8.52%、32.05%和14.12%，间作蚕豆A分别增加13.99%、33.09%和11.71%。与蚕豆单作相比，小麦蚕豆间作显著降低了蚕豆的Rmax。2年间4个氮水平下，间作蚕豆的Rmax比单作平均降低了12.98%、10.75%、10.27%和10.53%，说明氮肥施用有利于减缓间作造成的蚕豆氮素吸收速率下降，但是不同氮水平间没有差异。就蚕豆达到最大的氮吸收速率的天数（Tmax）而言，发现仅N0水平下间作降低了Tmax，其他施氮水平下单、间作无差异。

图2 不同施氮水平下单、间作蚕豆氮吸收关键参数Fig.2 Key nitrogen absorption parameters of mono- and inter-cropped faba bean under different N levels

2.3 不同氮水平下单、间作蚕豆的氮素吸收累积动态

由图3可知，施氮量显著影响单、间作小麦地上部氮素的累积吸收，随着施氮量增加，成熟期蚕豆氮素累积量呈先增加后降低的趋势。在蚕豆播种后 90d内（营养生长阶段），不同氮水平下单、间作蚕豆的氮素累积量曲线几乎重合在一起，没有显著差异。105d后，蚕豆已逐渐进入生殖生长阶段，4个施氮水平下单作和间作蚕豆氮素累积量均出现显著差异，表现为间作显著抑制了蚕豆的氮素营养累积。180d（成熟期）时，4个氮水平下，2年间作蚕豆氮素累积量平均比单作降低14.02%、9.71%、11.76%和11.75%，即低氮供应条件下（N1）间作蚕豆氮素累积量降低幅度最小。

图3 不同氮水平下单、间作蚕豆的动态氮素累积量Fig.3 Dynamic N accumulation of mono- and inter-cropped faba bean under different N levels

2.4 不同施氮水平下单、间作蚕豆的产量特征

2年产量结果（表 3）表明，氮水平和种植模式能够显著影响蚕豆产量。与单作相比，小麦蚕豆间作显著降低了蚕豆产量。2017年，4个氮水平下，间作蚕豆产量分别比单作下降 17.65%、19.69%、20.26%和20.78%；2018年，降幅分别为16.50%、17.00%、24.06%和29.31%。N1水平下，单作、间作蚕豆的产量最高。相比N1水平，2017年N0、N2、N3水平下单、间作蚕豆产量分别降低18.63%、26.72%、30.41%和18.16%、32.96%、40.76%；2018年，单作和间作产量分别降低 18.63%、26.72%、30.41%和18.16%、32.96%、40.76%。

表3 不同氮水平下单、间作蚕豆产量Table 3 The yeild of mono- and inter-cropped faba bean under different N levels kg/hm2

3 讨论

本研究结果表明，适量施氮（除N3水平外）和间作可以显著提高蚕豆的根瘤鲜重，这与李玉英等[12]和高运青等[27]的研究基本一致，说明合理施氮和小麦蚕豆间作有利于提高蚕豆的固氮速率。探究其原因，一方面是适量施氮可以改善作物根系发育状况，促进根瘤的生长发育[28]；另一方面可能是与蚕豆间作的小麦对土壤中氮素的竞争促进了蚕豆结瘤及生物固氮能力更好的发挥[29]。此外，种间相互作用还会导致间作蚕豆根系分泌物中与根瘤数、根瘤干重呈显著相关的类黄酮物质（橙皮素、柚皮素等）含量增加，这也有利于提高蚕豆的固氮速率[30]。

本研究发现，高氮（N3）供应条件下蚕豆仍有结瘤现象存在，这也进一步证实了与其他豆科作物相比，氮肥施用对蚕豆结瘤固氮的影响相对较小[31]；同时，N3处理下，间作促进蚕豆根瘤形成的优势逐渐消失。而低氮（N1）条件下，蚕豆根瘤鲜重达到最大值、且间作促进根瘤形成的优势较为突出。因此，合理调控和优化氮肥用量来最大限度发挥小麦蚕豆间作优势的潜力，应该是下一步研究的重点。

Logistic方程很好地模拟了小麦和蚕豆氮素营养吸收的关键参数。与间作促进蚕豆根瘤形成不同的是，本研究发现小麦蚕豆间作显著降低了蚕豆的氮素吸收关键参数Rmax和Tmax，通过分析不同氮水平下，单、间作蚕豆的动态氮素累积量可以看出，进入生殖生长（播种后105d左右）后，间作蚕豆氮素累积量开始低于单作并持续到成熟期，最终导致间作蚕豆产量降低，这与任家兵等[32]的研究结果相似。探究其内在因素，首先是豆科作物的养分竞争能力普遍弱于禾本科作物[33-34]，蚕豆进入生殖生长阶段后竞争力弱于与之相邻的小麦，导致蚕豆在养分吸收及生长方面受到抑制[21]；再者，生长后期小麦对水资源的利用能力较强、需求较大，限制了相邻蚕豆对水资源的吸收利用，导致氮素吸收利用受到限制[27]；另外，在田间试验中发现，间作蚕豆的下部叶片凋谢和脱落程度比单作蚕豆更严重，尤其是高氮水平下此种情况更为突出，这与土壤有效氮含量低时豆科作物往往具有更强的种间竞争力表现一致[35]。由此可见，做好水分、养分等综合管理措施的协同调控，才能最大限度地提高小麦蚕豆间作群体的生产力。

综上所述，前人的研究[36-38]主要从间作提高豆科作物生物固氮、促进豆科作物向非豆科作物转移氮素、种内种间竞争等方面揭示了间作促进氮素高效吸收利用的机制。但是本研究发现，小麦蚕豆间作虽然有利于蚕豆的结瘤，但是不利于生长后期蚕豆自身的氮素吸收、累积和产量的形成，也就是说，蚕豆自身固氮和氮素吸收并不完全匹配；因此，关注小麦蚕豆间作优势尤其是氮素吸收利用的优势不应只集中于当年、当季的效应，间作促进蚕豆结瘤固氮的后效和长效更应该予以重视。总之，小麦蚕豆间作体系中，种间相互作用对地下部结瘤固氮到地上部氮素吸收、转运和利用的影响等问题，仍需要深入探讨。

4 结论

小麦蚕豆间作及施氮量显著影响蚕豆根瘤鲜重，N0、N1和N2水平下，间作蚕豆根瘤重比单作分别提高40.9%、27.2%和34.1%；N3水平下，单作与间作蚕豆根瘤鲜重无显著差异。在蚕豆营养生长阶段（播种后90d），4个氮水平下单、间作蚕豆氮素累积量无差异。同时，间作显著降低了蚕豆地上部最大氮累积量（A）和最大氮吸收速率（Rmax），降幅为 8.01%～13.93%和 10.27%～12.98%。因此，蚕豆进入生殖生长阶段后（播种后105d），各氮水平下，间作蚕豆氮素累积量均显著低于单作并一直持续到成熟期，最终导致间作降低了蚕豆产量 16.52%～29.31%。本试验条件下，蚕豆施氮量为 45kg/hm2（N1）时，单、间作蚕豆根瘤鲜重和产量均达到最大值。综上所述，蚕豆氮肥的调控对挖掘小麦蚕豆间作优势潜力具有重要意义。