种植密度与施氮对玉米/秣食豆间作系统饲草产量、品质和氮肥利用的影响

蒋紫薇，刘桂宇，安昊云，石薇，常生华，张程，贾倩民，侯扶江

（兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室，兰州大学草地农业教育部工程研究中心，兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020）

随着全球人口的增多，人们对粮食和饲料的需求急剧增加［1］。玉米（Zea mays）是世界上最重要的粮食作物之一，同时也是优良的饲料资源［2］。推广饲用玉米可以优化种植结构，促进种植业和养殖业的发展［3］。青贮玉米作为一种粗饲料已在全世界广泛种植，但青贮玉米蛋白质含量较低，无法满足家畜对蛋白质的需求［4］。近年来，间作作为一种多样化种植制度，正日益获得世界的广泛关注［5］。间作是我国农业生产中常用的栽培方法，也是作物增产的重要栽培措施之一。间作具有提高作物系统产量［6］、减少作物病害［7］、增加土壤有效养分［8］、提高水分利用效率等优势［9］。由于豆科作物的固氮作用，玉米与豆科作物间作具有更多方面的优势，包括提高系统生产力［10］、促进作物氮素利用［11］以及提高经济效益［12］等。已有研究表明，玉米/豆科作物间作在营养物质产出上较单作具有更高的生产潜力，而且还可以提高玉米粗蛋白含量、碳水化合物、总能降解率以及粗蛋白和可利用粗蛋白的产量［13］。此外，玉米/豆科作物间作还能降低化肥和农药的使用量，从而减少农业面源污染［14］。

种植密度是影响间作系统产量、品质及氮肥利用的重要因素之一。适宜的种植密度可以调节个体与种群之间的矛盾，优化冠层结构，提高系统的光能利用率。密度过低将造成光辐射损失，而密度过高会导致田间通风透光不良，影响作物产量［15］。大量研究表明，在一些以玉米为主的间作系统中，增加玉米种植密度可以提高玉米产量和土地当量比，从而提高间作系统的生产力［16-19］。其次，华劲松［20］研究表明，在玉米/芸豆（Phaseolus vulgaris）间作下，随着种植密度的增加，芸豆籽粒中的淀粉和脂肪含量显著降低，而蛋白质含量显著增加。樊志龙［21］研究发现，增加玉米种植密度能够促进玉米/豌豆（Pisum sativum）间作系统对土壤硝态氮、氨态氮的吸收，提高土壤有机碳与硝态氮、氨态氮的比值，从而提高了间作系统的氮肥利用效率。因此，调控种植密度对玉米/豆科作物间作系统的高产优产具有重要作用。

除了种植密度，施氮也是提高禾/豆间作系统产量的有效措施之一［22-24］。有研究表明，玉米/大豆（Glycine max）间作系统下施氮90 kg·hm-2时，大豆的蛋白质含量和蛋脂总含量显著高于不施氮和低施氮处理［25］。合理施氮能够促进禾/豆间作系统对氮素的互补利用，提高间作系统的固氮率和氮肥利用率［26］。施用氮肥虽然能有效促进间作系统中玉米和豆类对养分的吸收，但过度施氮将造成作物减产，并导致氮肥利用效率下降［27］。过度施氮还会导致土壤酸化［28］，增加土壤硝态氮淋溶［29］，造成环境污染，不利于农业可持续发展。因此迫切需要研究玉米/豆科作物间作系统适宜的施氮量。

目前，对于玉米/豆科作物间作系统的研究主要集中在种植密度或施氮等单一因素对间作系统产量、品质和氮肥利用的影响［21，24-26］，而种植密度和施氮互作对玉米/豆科作物间作系统的影响需进一步深化和扩展。秣食豆（Glycine max）为豆科大豆属一年生半蔓生饲料作物，是一种优质的高蛋白饲草，具有适应性强、产草量高、适口性好等优点［30-31］。基于此，本研究以青贮玉米和秣食豆为试验材料，在青贮玉米/秣食豆间作系统下设置3 个种植密度和4 个施氮水平，探讨种植密度和施氮量对青贮玉米/秣食豆间作系统产量、品质和氮肥利用的影响，明确提高青贮玉米/秣食豆间作系统产量、品质和氮肥利用效率的适宜种植密度和施氮量，旨在为青贮玉米高产优质栽培与资源高效利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2019 和2020 年在兰州大学临泽草地农业试验站（100°02′E，39°15′N）进行，试验地属于盐渍化草甸，海拔1390 m，属于温带大陆性干旱气候。30 年（1981-2010 年）的年平均气温为8.94 ℃，年平均降水量为113.6 mm，年潜在蒸发量为2337.6 mm，2019 年试验站全年降水为167.7 mm，属于降水较多的年份，2020 年全年降水为122.1 mm，为降水正常年份。2019 年在播种前对0~30 cm 土层土壤进行了分析，土壤pH 为8.65，容重为1.33 g·cm-3，土壤有机质含量为8.3 g·kg-1，碱解氮含量为30.2 mg·kg-1，有效磷含量为21.5 mg·kg-1，速效钾含量为126.6 mg·kg-1。

1.2 试验设计与田间管理

1.2.1试验材料 玉米种子选用东单13 号（国审玉2001003 号），来源于辽宁东亚种业有限公司。秣食豆种子选用松嫩秣食豆，来源于黑龙江省畜牧研究所。

1.2.2试验设计 本试验以玉米和秣食豆间作系统为研究对象，采用两因素裂区试验设计，主区为7.5（D1）、9.0（D2）和10.5 万株·hm-2（D3）3 个种植密度，副区为0（N1）、120（N2）、240（N3）和360 kg·hm-2（N4）4 个施氮水平，试验共12 个处理，各处理重复3 次，共36 个小区，小区面积为38.5 m2（7.0 m×5.5 m）。

1.2.3田间管理 2019 和2020 年的播种时间分别为4 月22 日和4 月29 日，使用点播器进行人工点播，在同行两株玉米中间播种2 颗秣食豆种子。各处理的玉米行距均为60 cm，D1、D2和D3处理的玉米株距分别为24.2、20.2 和17.3 cm。各处理均施用138 kg·hm-2过磷酸钙（以P2O5计）作为底肥，氮肥选用尿素，N2处理在播种前施氮120 kg·hm-2，N3处理在播种前和6 叶期各施氮肥120 kg·hm-2，N4处理在播种前、6 叶期和12 叶期均施氮肥120 kg·hm-2。各处理的灌溉量相同，每年各处理在6 叶期和吐丝期各灌水2000 m3·hm-2，各小区之间设置1.2 m 宽的隔离带，防止小区间的水分侧渗。各处理除草和病虫害防治措施一致。

1.3 测定指标及方法

1.3.1产量 在玉米收获期，各小区随机选取6 m2的青贮玉米和秣食豆分别称量鲜重，计算鲜草产量。之后，放入65 ℃烘箱烘48 h 以上至恒重，分别称量干重以计算干草产量。青贮玉米、秣食豆的粗蛋白产量为各自的干草产量和粗蛋白含量的乘积，间作系统的总产量为2 种饲草作物的产量之和。

1.3.2营养品质 将测量干重后的玉米和秣食豆整株粉碎，装入自封袋密封保存。使用近红外分析仪（FOSS-NIRSDS 2500，FOSS 公司，丹麦）测定粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维等营养成分的含量。

1.3.3氮肥利用 使用近红外分析仪（FOSS-NIRSDS 2500，FOSS 公司，丹麦）测定整株玉米和秣食豆的氮含量，并计算玉米、秣食豆及间作系统的氮吸收量、氮肥农学效率和氮肥利用效率，计算公式如下：

1.4 数据处理

采用Excel 2010 进行数据统计和绘图，使用SPSS 24.0 软件进行方差分析，不同处理之间的多重比较采用Tukey-B，显著性水平设为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 产量

2.1.1干草产量 如图1 所示，所有处理中，D2N3获得了最高的总体干草产量，2019 和2020 年分别为36.16 和30.31 t·hm-2。两年在同一密度下，N2、N3、N4处理的秣食豆干草产量高于N1。在D2、D3密度下，玉米和总体的干草产量随施氮量的增加呈先增加后降低的趋势。平均值显示，2019 年N2、N3和N4的总体干草产量较N1分别增加16.37%、37.31%和33.29%，2020 年分别增加23.29%、46.12%和41.27%。2019 年同一施氮水平下，D2、D3处理的秣食豆干草产量显著高于D1，在N2、N3水平下，D3处理的玉米和总体干草产量显著高于D1。2020 年在N2、N3、N4水平下，D2、D3处理的玉米、秣食豆及总体干草产量显著高于D1。平均值显示，D2、D3处理的总体干草产量显著高于D1，2019 年较D1分别增加17.03%和21.54%，2020 年分别增加22.12%和24.07%。

图1 不同处理下玉米、秣食豆以及总体的干草产量Fig.1 Hay yield of maize，forage soybean and total under different treatments

2.1.2粗蛋白产量 所有处理中，D2N3总体粗蛋白产量均较高（图2），2019 和2020 年分别为3.90 和2.65 t·hm-2。两年在同一密度下，N2、N3、N4处理的玉米、秣食豆和总体的粗蛋白产量显著高于N1。平均值显示，2019 年N2、N3、N4的总体粗蛋白产量较N1分别增加53.53%、100.59%、96.47%，2020 年分别增加38.76%、90.70%、93.02%。2019 年在N3水平下，D2、D3处理的玉米、秣食豆及总体粗蛋白产量显著高于D1。2020 年同一施氮水平下，D2、D3的秣食豆粗蛋白产量显著高于D1，在N2水平下，D2、D3的总体粗蛋白产量显著高于D1。平均值显示，D2处理下的总体粗蛋白产量最高，2019 年D2、D3处理较D1分别增加23.36%和16.39%，2020 年分别增加13.76%和5.29%。

图2 不同处理下玉米、秣食豆及总体的粗蛋白产量Fig.2 Crude protein yield of maize，forage soybean and total under different treatments

2.2 营养品质

2.2.1粗蛋白含量 2019 年在D1、D2密度下，N2、N3、N4处理的玉米和总体粗蛋白含量均显著高于N1，D3密度下玉米、秣食豆和总体的粗蛋白含量均随施氮量增加而增加（表1）。2020 年同一密度下，玉米、秣食豆和总体的粗蛋白含量均随施氮量增加而增加。平均值显示，总体粗蛋白含量均随施氮水平提高而增加，2019 年N2、N3、N4的总体粗蛋白含量较N1分别增加30.38%、42.76%、44.73%，2020 年分别增加14.80%、34.17%、42.36%。两年在N1、N2下，D1处理的玉米、秣食豆和总体粗蛋白含量最高。平均值显示，2019 年D3处理的总体粗蛋白含量较D1、D2分别降低6.93%和8.20%，2020 年分别降低15.93%和6.51%。

表1 不同处理下的玉米、秣食豆及总体的粗蛋白含量Table 1 Crude protein content of maize，forage soybean and total under different treatments（%）

2.2.2粗脂肪含量 2019 年在同一密度下，N2、N3、N4处理的玉米和总体粗脂肪含量高于N1。2020 年同一密度下，N3和N4处理的玉米、秣食豆和总体粗脂肪含量均高于N1和N2（表2）。平均值显示，2019 年N3处理下的总体粗脂肪含量最高，2020 年N4处理下最高。2019 年在同一施氮水平下，D1、D2处理的玉米粗脂肪含量高于D3。2020 年N3、N4水平下，D2处理获得了较高的玉米、秣食豆和总体粗脂肪含量。平均值显示，连续两年D2处理获得最高总体粗脂肪含量，2019 年较D1、D3分别增加0.39%、20.93%，2020 年分别增加3.80%、2.53%。

表2 不同处理下的玉米、秣食豆及总体的粗脂肪含量Table 2 Crude fat content of maize，forage soybean and total under different treatments（%）

2.2.3粗灰分含量 两年在D1、D2密度下，N1处理获得最高玉米及总体粗灰分含量。平均值显示，总体粗灰分含量随施氮水平的增加而降低，2019 年N2、N3、N4的总体粗灰分含量较N1分别降低4.49%、7.64%、11.76%，2020 年分别降低10.70%、18.39%、26.59%。两年在N1、N2、N3水平下，各密度处理的玉米、秣食豆和总体粗灰分含量无显著差异，而在2019 年N4水平下D3处理的玉米及总体粗灰分含量显著高于D1。平均值显示，2019 年D2和D3处理的总体粗灰分含量较D1分别增加5.55%和7.68%，2020 年分别降低3.96%和2.55%（表3）。

表3 不同处理下玉米、秣食豆及总体的粗灰分含量Table 3 Crude ash content of maize，forage soybean and total under different treatments（%）

2.2.4中性洗涤纤维含量 2019 年在同一密度下，总体中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）含量随施氮量增加而下降，2020 年在D2、D3密度下，总体NDF 含量随施氮量的增加呈先降低后增加趋势，N3处理的总体NDF 含量最低。平均值显示，2019 年N1的总体NDF 含量显著高于N2、N3和N4，而2020 年N4显著高于N1、N2和N3。两年在同一施氮水平下，D3处理的玉米、秣食豆和总体的NDF 含量高于D1和D2。平均值显示，两年D3处理下的总体NDF 含量最高，2019 年较D1、D2分别增加5.04%和5.82%，2020 年分别增加15.52%和5.24%（表4）。

表4 不同处理下玉米、秣食豆及总体的中性洗涤纤维含量Table 4 NDF content of maize，forage soybean and total under different treatments（%）

2.2.5酸性洗涤纤维含量 2019 年在同一密度下，N3处理的玉米及总体酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）含量显著低于N1，秣食豆ADF 含量随施氮量的增加而减少。2020 年在D2密度下，N3处理的玉米及总体ADF 含量显著低于N1，而在同一密度下N4处理的秣食豆ADF 含量显著高于N1和N2。平均值显示，N3处理的总体ADF 含 量最低，其中2019 年较N1、N2、N4分 别 降低21.35%、9.88%、4.43%，2020 年分 别 降 低12.73%、8.40%、3.02%。2019 年在同一施氮水平下，D3处理的玉米、秣食豆及总体ADF 含量均最高。2020 年同一施氮水平下，各密度处理的玉米及总体ADF 含量无显著差异。平均值显示，D3处理的总体ADF 含量最高，2019 年较D1、D2分别增加3.55%和4.91%，2020 年分别增加2.41%和4.44%（表5）。

表5 不同处理下玉米、秣食豆及总体的酸性洗涤纤维含量Table 5 ADF content of maize，forage soybean and total under different treatments（%）

2.3 氮肥利用状况

2.3.1氮含量 两年同一种植密度下，N3、N4处理的玉米、秣食豆及总体氮含量显著高于N1。平均值显示，两年N2、N3和N4处理的总体氮含量显著高于N1，2019 年较N1分别增加30.32%、42.77%和44.73%，2020 年分别增加12.52%、31.16%和37.07%。2019 年在N2水平下，D1、D2处理的玉米及总体氮含量显著高于D3。2020 年在N3、N4水平下，D1处理的玉米、秣食豆及总体氮含量显著高于D3。平均值显示，两年D3处理的总体氮含量显著低于D1，2019 年较D1降低6.91%，2020 年降低14.94%（表6）。

表6 不同处理下玉米、秣食豆及总体的氮含量Table 6 Nitrogen content of maize，forage soybean and total under different treatments（%）

2.3.2氮吸收量 两年在同一种植密度下，N3和N4处理的玉米及总体氮吸收量显著高于N1和N2，N2、N3和N4处理的秣食豆氮吸收量显著高于N1。平均值显示，两年N2、N3和N4处理的秣食豆氮吸收量显著高于N1，2019 年较N1分别增加53.76%、100.88%和96.38%，2020 年分别增加38.31%、90.85%和93.09%。两年在N3、N4水平下，D2处理的秣食豆及总体氮吸收量显著高于D1。平均值显示，D2处理的总体氮吸收量显著高于D1和D3，2019年较D1、D3分别增加23.48%和6.13%，2020 年分别增加13.89%和8.38%（表7）。

表7 不同处理下玉米、秣食豆及总体的氮吸收量Table 7 Nitrogen absorption of maize，forage soybean and total under different treatments（kg·hm-2）

2.3.3氮肥农学效率 两年在D1、D2密度下，N3处理的氮肥农学效率高于N2和N4。平均值显示，N3处理的氮肥农学效率最高，2019 年较N2和N4分别增加3.15%和71.10%，2020 年分别增加12.71%和62.48%。两年在N2、N3水平下，D2、D3处理的氮肥农学效率显著高于D1。平均值显示，两年D3处理的氮肥农学效率最高，2019 年较D1、D2分别增加70.21%和17.80%，2020 年分别增加28.14%和1.64%（图3）。

图3 不同处理下饲草作物的氮肥农学效率Fig.3 Agronomic efficiency of nitrogen in intercropping system under different treatments

2.3.4氮肥利用效率 所有处理中，D2N3处理氮肥利用效率最高，2019 和2020 年分别为1.41 和0.86 kg·kg-1。两年在同一密度下，N2、N3处理的氮肥利用效率高于N4。平均值显示，N2和N3处理的氮肥利用效率显著高于N4，2019 年较N4分别增加67.12%和56.16%，2020 年分别增加24.53%和47.17%。两年同一施氮水平下，D2和D3处理的氮肥利用效率显著高于D1。平均值显示，两年D2处理的氮肥利用效率显著高于D1和D3，2019 年较D1和D3分别增加37.65%和9.35%，2020 年分别增加20.34%和5.97%（图4）。

图4 不同处理下饲草作物的氮肥利用效率Fig.4 Nitrogen use efficiency of intercropping system under different treatments

3 讨论

3.1 种植密度与施氮对玉米/豆科作物间作系统饲草产量的影响

合理的种植密度可以改善作物冠层内的光照、温度、CO2浓度等条件，从而影响作物群体产量［32］。已有研究指出，在玉米/豆类作物间作系统中合理增加玉米种植密度可以显著增加玉米和豆科作物的产量，提高系统生产力［33］。陈远学等［34］研究表明，在玉米/大豆间作系统中玉米产量随玉米密度的增加而增高，但大豆产量随玉米密度的增加逐渐降低。本研究2019 年的结果与之相似，随着密度的增加，秣食豆的干草产量先增加后降低。这可能是因为随玉米密度的增加，高位玉米对低矮豆类作物的荫蔽作用增强，过度遮荫会使豆类作物冠层内通风透光状况变差，光合产物积累减少，从而导致豆类作物产量降低［35］。

氮素是影响作物产量的关键因素之一，一些研究表明施氮可以显著提高玉米/豆科作物间作系统的饲草产量和粗蛋白产量［36-37］。但是，赵笃勤等［38］研究显示，在玉米/豆类作物间作系统下，减量施氮（200 kg·hm-2）处理的总产量与常量施氮（300 kg·hm-2）无显著差异。本研究结果与以上研究相似，施氮处理较不施氮可以显著提高青贮玉米、秣食豆及总体的干草产量，但当施氮量超过240 kg·hm-2时总干草产量下降。这说明施氮在一定程度上可以起到增产效果，但过度施氮并不能显著提高产量，并且造成资源浪费。

3.2 种植密度与施氮对玉米/豆科作物间作系统饲草品质的影响

吴兰［39］研究显示，在玉米/大豆间作系统中，玉米的粗蛋白、粗脂肪等含量均随密度的增加呈降低趋势。有研究表明，在玉米/大豆间作模式下，随着大豆与玉米间距减小，大豆的蛋白质含量逐渐提高，脂肪总量逐渐降低［40］。本研究结果显示，两年D3处理的总体粗蛋白含量显著低于D1和D2，而中性和酸性洗涤纤维含量高于D1和D2，进而使D3处理的相对饲用价值降低。这可能是玉米植株增多加剧了玉米和豆科作物之间的养分竞争，从而影响了饲草作物的营养品质［41］。

适宜的施氮量也是改善饲草作物营养品质的关键。王小春［42］研究发现，在玉/豆套作模式下，随着施氮量的增加玉米淀粉含量显著下降，而玉米粗蛋白含量显著增加，在施氮量为360 kg·hm-2时达到最高。谢运河等［25］的研究显示，在玉米/大豆间作系统中，不同施氮量处理的大豆脂肪含量差异不显著，随着施氮水平的提高，大豆蛋白质含量先增加后减少，施纯氮90 kg·hm-2处理的蛋白质含量最高。本研究发现在N2、N3、N4处理下青贮玉米、秣食豆及总体的粗蛋白含量显著高于N1，而中性和酸性洗涤纤维含量随施氮量的增加呈下降趋势，当施氮量为240 kg·hm-2时间作系统获得了较高的营养品质。可见，在玉米/豆科作物间作系统中，由于研究区和豆科品种的不同，致使适宜的施氮量存在差异，今后在河西灌区需进行不同豆科品种与玉米间作的多点试验。

3.3 种植密度与施氮对玉米/豆科作物间作系统饲草氮肥利用的影响

通过改变禾/豆间作系统中玉米种植密度来消减豆科作物的“氮阻遏”作用，这是禾/豆间作实现种间促进作用和氮素利用的途径之一［43］。朱静［44］研究指出，玉米/豌豆间作系统的氮吸收量、氮肥农学效率、氮肥利用率均随玉米密度的增大而提高，在玉米密度为6.25 万株·hm-2下的氮肥利用率显著高于其他密度处理。本研究在中密度（D2）下间作系统的氮吸收量、氮肥农学效率、氮肥利用率显著高于低密度（D1），但当密度超过9 万株·hm-2时，间作系统的氮吸收量和氮肥利用效率显著下降。这是由于在间作系统中适宜的玉米种植密度有助于增加豆科作物的固氮量，促进两种作物间的氮素转移，从而提高氮素利用率［43］，但是密度过高会加剧两种作物之间的养分竞争，导致氮肥利用效率降低［34］。

除种植密度外，施氮也是影响玉米/豆科作物间作系统氮肥利用的主要因素之一。周海燕［45］研究表明，增加氮肥会显著提高玉米/豌豆间作系统土壤全氮、硝态氮以及铵态氮含量，从而提高间作系统的氮肥利用效率。然而，史中欣［46］研究表明，与不施氮相比施氮显著提高了玉米/豌豆间作系统的氮肥利用率，但习惯施氮处理较减量施氮降低了氮肥利用率。本研究结果与以上研究相似，随着施氮量的增加，青贮玉米、秣食豆及间作系统的氮含量和氮吸收量均显著增高，但当施氮量超过240 kg·hm-2时，间作系统的氮肥利用效率显著下降。这可能是由于过量施氮造成土壤硝态氮淋溶等问题，导致肥料利用效率下降，并且不利于农业可持续发展［47-48］。

4 结论

9.0 万株·hm-2玉米种植密度和240 kg·hm-2施氮量（D2N3）处理可提高玉米/秣食豆间作系统的干草产量和粗蛋白产量，改善饲草营养品质，并提高间作系统的氮肥利用效率。因此，该处理是一种河西灌区青贮玉米/秣食豆间作系统适宜的田间管理措施，具有一定推广价值。