任家兵, 張夢瑤, 肖靖秀, 鄭 毅,2, 湯 利**

小麥||蠶豆間作提高間作產(chǎn)量的優(yōu)勢及其氮肥響應(yīng)*

任家兵1, 張夢瑤1, 肖靖秀1, 鄭 毅1,2, 湯 利1**

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 昆明 650201; 2. 云南開放大學(xué) 昆明 650201)

為探明小麥||蠶豆間作體系種間互補和競爭與產(chǎn)量優(yōu)勢的關(guān)系及其氮肥響應(yīng), 為豆科禾本科間作最佳氮素管理提供指導(dǎo), 本研究通過為期2年(2015—2017年)的田間定位試驗, 在不施氮(N0)、低氮(N1, 90 kg·hm?2)、常規(guī)施氮(N2, 180 kg·hm?2)和高氮(N3, 270 kg·hm?2)4個施氮水平下, 研究小麥||蠶豆間作的產(chǎn)量優(yōu)勢及其相關(guān)種間關(guān)系。結(jié)果表明, 與單作相比, 兩年的間作小麥產(chǎn)量平均顯著增加23.50%, 單、間作蠶豆的產(chǎn)量均維持在4 000 kg?hm?2左右, 土地當(dāng)量比均表現(xiàn)為N0>N1>N2>N3>1的趨勢, 系統(tǒng)生產(chǎn)力平均達(dá)5 023 kg·hm?2。與單作相比, 間作小麥和蠶豆的花后干物質(zhì)累積比例、干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率和貢獻率均不同程度增加, 增幅隨著施氮量增加而降低。不同施氮水平下, 小麥的種間相對關(guān)系指數(shù)均表現(xiàn)出明顯的互利效應(yīng), 相對種間競爭強度在低氮水平為種內(nèi)競爭, 常規(guī)氮和高氮水平為種間競爭; 蠶豆的種間相對關(guān)系指數(shù)則表現(xiàn)出競爭效應(yīng), 相對種間競爭強度表現(xiàn)為種內(nèi)競爭。較蠶豆而言, 小麥的相對種間競爭力表現(xiàn)出不同程度的競爭優(yōu)勢, 在種間競爭力為0.629 2時可獲得最大的間作體系混合干物質(zhì)量16 093 kg·hm?2。綜上, 小麥||蠶豆間作降低了低氮水平下的種間競爭強度, 擴大了小麥的互利效應(yīng)和競爭優(yōu)勢, 增加了間作作物的花后干物質(zhì)累積比例以及干物質(zhì)貢獻率, 表現(xiàn)出明顯的間作產(chǎn)量優(yōu)勢。

小麥||蠶豆間作; 種內(nèi)競爭; 種間競爭; 種間互補; 間作產(chǎn)量優(yōu)勢; 施氮水平

間作對資源的高效利用及其產(chǎn)量優(yōu)勢已被大量研究所證實[1-2], 其中作物的種間互補和競爭作用是間作優(yōu)勢產(chǎn)生的重要決定因素[3-4]。兩種作物共生期內(nèi), 間作從時間和空間上利用生態(tài)位的差異為不同作物提供養(yǎng)分和資源[5], 促成了種間互補對資源的高效利用[6], 并在早熟作物收獲后, 通過時間和空間上的補償效應(yīng), 使晚熟作物在間作共生期內(nèi)由于種間競爭造成的早期生長抑制得以恢復(fù), 總體表現(xiàn)出增產(chǎn)優(yōu)勢[7-8]。

目前, 禾本科(Poaceae)與豆科(Leguminosae)間作, 因豆科作物的生物固氮, 以及生物多樣性、資源利用率等方面的優(yōu)勢而被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一[9-10]。而氮素是作物產(chǎn)量提高的限制性因素, 其供應(yīng)水平不僅影響豆科作物共生固氮[11], 而且高氮供應(yīng)會促進禾本科作物旺盛的營養(yǎng)生長, 增強其對光熱等資源的競爭, 影響種間關(guān)系[12]。因此, 如何科學(xué)施氮、合理調(diào)控種間關(guān)系是實現(xiàn)禾本科與豆科間作群體氮素高效利用以及產(chǎn)量優(yōu)勢的關(guān)鍵。

小麥(L.)蠶豆(L.)間作作為西南地區(qū), 特別是云南作物生產(chǎn)中最普遍的種植模式, 不僅可以提高小麥產(chǎn)量, 有效控制小麥白粉病、銹病, 蠶豆赤斑病、枯萎病等病害的發(fā)生[13-16], 而且在提高養(yǎng)分的有效性[17-18], 促進作物養(yǎng)分吸收[15-16], 改善土壤微生物區(qū)系[19-20], 實現(xiàn)環(huán)境友好[21]等方面有著重要作用。目前針對不同間作體系、間作作物以及間作模式[22-28]等方面的種間關(guān)系的研究, 已有不少報道, 如字淑慧等[23]結(jié)果表明, 玉米(L.)||馬鈴薯(L.)間作在種間行距40 cm和種內(nèi)行距55 cm時可獲得最佳種間關(guān)系和系統(tǒng)生產(chǎn)力; 王利立等[25]通過探討根系互作與密植對大麥(L.)||豌豆(L.)間作種間競爭及產(chǎn)量的影響, 表明適度增加大麥種植密度能夠提高其競爭優(yōu)勢, 有利于間作群體產(chǎn)量的提高; 張妍等[26]在大麥||豌豆間作研究中發(fā)現(xiàn), 不施氮、中氮、高氮處理的大麥平均競爭力分別為0.13、0.04和0.02, 施氮水平對間作體系競爭關(guān)系和生產(chǎn)力有著重要影響。另有研究結(jié)果表明[22,28], 小麥||蠶豆間作能夠顯著提高間作小麥在中后期的生長速率, 降低其種內(nèi)競爭壓力, 但有關(guān)小麥||蠶豆間作系統(tǒng)產(chǎn)量優(yōu)勢與種間互作之間的關(guān)系及其氮肥響應(yīng)尚少有系統(tǒng)報道。因此, 本文通過連續(xù)兩年的田間小區(qū)定位試驗, 以云南普遍種植的小麥||蠶豆間作體系為主要研究對象, 從種間互補和種間競爭的角度, 研究不同氮肥施用水平下, 小麥||蠶豆間作對作物產(chǎn)量、花后干物質(zhì)累計比例、干物質(zhì)貢獻率的影響, 并探討種間互補和競爭作用在其中的貢獻, 以期為利用合理間作來增強物種的互補性, 提高間作系統(tǒng)生產(chǎn)力, 實現(xiàn)糧食增產(chǎn)、養(yǎng)分資源高效利用和環(huán)境友好的協(xié)調(diào)發(fā)展提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗位于云南省昆明市尋甸縣云南農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗基地(23°32′N, 102°02′E), 該地年平均氣溫14.7 ℃,年均降水量1 040 mm, 年均日照時數(shù)2 617 h。供試土壤基本理化性狀為pH 7.18, 有機質(zhì)35.05 g?kg?1, 堿解氮80.02 mg?kg?1, 速效磷16.97 mg?kg?1, 速效鉀146.0 mg?kg?1。

1.2 試驗設(shè)計

于2015—2017年開展兩年田間定位試驗, 供試小麥品種為‘云麥52’, 蠶豆品種為‘玉溪大粒豆’。試驗采用雙因素隨機區(qū)組設(shè)計。A因素為施氮量, 設(shè)置4個氮水平: N0(不施氮)、N1[低氮, 90 kg(N)?hm?2]、N2[常規(guī)施氮, 180 kg(N)?hm?2]、N3[高氮, 270 kg(N)?hm?2]。B因素為種植模式, 設(shè)小麥||蠶豆間作(I)、小麥單作(MW)和蠶豆單作(MF)3種種植模式, 12個處理, 每處理重復(fù)3次, 共36個小區(qū), 小區(qū)面積32.4 m2(5.4 m′6 m), 隨機區(qū)組排列。

小麥和蠶豆于2015年和2016年的10月25日開始播種, 2016年和2017年的4月29日收獲。單作小麥行間距0.2 m, 條播(小麥用種量150 kg?hm?2);單作蠶豆行距0.3 m, 株距0.1 m。小麥||蠶豆間作模式為6行小麥間2行蠶豆, 條播; 每個小區(qū)內(nèi)有3個小麥種植帶, 3個蠶豆種植帶; 小麥、蠶豆播種密度同單作小區(qū), 其中小麥蠶豆行間距為0.2 m。

供試肥料為尿素、普通過磷酸鈣、硫酸鉀。按照當(dāng)?shù)赝扑]施肥量施用, 磷肥(P2O5: 90 kg?hm?2)和鉀肥(K2O: 90 kg?hm?2)全部作為基肥施入; 氮肥在小麥拔節(jié)期追肥1次, 基追比為1∶1。不施有機肥。蠶豆氮肥僅施基肥。按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)技術(shù)措施進行肥水管理。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集

分別在小麥和蠶豆開花期及成熟期采集地上部植株樣品, 間作小區(qū)在相鄰的小麥和蠶豆種植條帶上進行樣品采集, 小麥采樣長度為10 cm, 蠶豆為1株; 單作采集方法同間作, 每個小區(qū)隨機采3點為一個混合樣品。樣品在105 ℃殺青, 65 ℃烘干至恒重后稱重, 計算干物質(zhì)量。在成熟期依據(jù)劃定的產(chǎn)區(qū)進行測產(chǎn), 全生育期內(nèi)產(chǎn)區(qū)不進行采樣操作, 收獲麥穗、豆莢后, 進行脫粒, 測定等面積的單、間作的小麥和蠶豆籽粒產(chǎn)量。

1.3.2 間作優(yōu)勢分析

土地當(dāng)量比(land equivalent ratio, LER)指同一農(nóng)田中兩種或兩種以上作物間作的收益與各個作物單作時收益的比率, 用來衡量間作相對于單作的增產(chǎn)程度, 計算公式如下[22]:

LER=(iw/mw)+(ib/mb) (1)

式中:iw和ib分別代表間作總面積上小麥和蠶豆的產(chǎn)量, 需乘以該作物在間作中所占的面積比例, 單位為kg?hm?2;mw和mb分別代表單作小麥和蠶豆的產(chǎn)量, kg?hm?2。若LER大于1, 即表示間作的土地利用效率高于單作。

系統(tǒng)生產(chǎn)力(system productivity, SP)是以經(jīng)濟產(chǎn)量為基礎(chǔ), 用兩種間作作物產(chǎn)量的加權(quán)平均值評價間作模式的間作優(yōu)勢, 單位kg?hm?2, 計算公式如下[23]:

SP=(iw×iw)+(ib×ib) (2)

式中:iw和ib分別表示間作小麥、蠶豆的產(chǎn)量;iw和ib分別為小麥和蠶豆在間作系統(tǒng)中所占的面積比例; 本試驗中,iw為2/3,ib為1/3; SP值越大, 即間作系統(tǒng)的相對生產(chǎn)力越高, 反之則低。

花后干物質(zhì)累積比例(DMAT%), 以作物開花期為分隔期, 分析干物質(zhì)在營養(yǎng)生長期和生殖生長期的累積比例, 衡量作物在生殖生長期干物質(zhì)累積情況, 計算公式如下[29]:

af=(m?f)/m(3)

式中:af為花后干物質(zhì)累積比例, 單位kg?hm?2;f為開花期整個地上部干物質(zhì)量, 單位kg?hm?2;m為成熟期整個地上部干物質(zhì)量, 單位kg?hm?2。

干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率(DMME%)和貢獻率(DMCR%)以作物開花期和成熟期的干物質(zhì)累積量為基礎(chǔ), 評價作物營養(yǎng)器官中的營養(yǎng)物質(zhì)向生殖器官轉(zhuǎn)運情況, 計算公式如下[23]:

r=(fv?mv)/fv(4)

r=(fv?mv)/mr(5)

式中:r為干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率;fv為開花期營養(yǎng)器官(莖、葉)的干物質(zhì)量, 單位kg?hm?2;mv為成熟期營養(yǎng)器官的干物質(zhì)量, 單位kg?hm?2;mr為成熟期生殖器官(麥穗、豆莢)的干物質(zhì)量, 單位kg?hm?2。DMME%和DMCR%數(shù)值越大, 說明間作處理越有利于作物營養(yǎng)器官的營養(yǎng)物質(zhì)向生殖器官轉(zhuǎn)運, 促進果實的干物質(zhì)積累。

種間相對關(guān)系指數(shù)(relative interaction index, RII)是以生物量為基礎(chǔ), 來衡量間作條件下兩種作物的競爭能力, 計算公式如下[23]:

RII=(i?m)/(i+m) (6)

式中:i表示間作小麥或者間作蠶豆的生物量;m表示單作小麥或者單作蠶豆的生物量。RII>0, 說明間作處理的互利效應(yīng)大于競爭效應(yīng), 值越大, 互利效應(yīng)越大, 反之越小; 當(dāng)RII<0, 則間作處理的競爭效應(yīng)大于互利效應(yīng), 絕對值越大, 種間競爭能力越強; RII=0, 則表示間作處理對作物生長無影響。

相對種間競爭力(relative interspecific competitiveness, RC), 是基于單間作處理的作物生物量, 用于確定間作作物對資源的競爭能力, 計算公式為[23]:

RC=(iw×iw/mw)?(ib×ib/mb) (7)

式中:iw和ib分別為間作小麥和蠶豆的生物量,mw和mb分別為單作小麥和蠶豆的生物量。若RC>0, 表明間作小麥的競爭力高于間作蠶豆, 值越大, 競爭力越強, 反之亦然。

相對競爭強度(relative competition intensity, RCI), 是根據(jù)單、間作處理的作物生物量, 表示單作和間作體系中不同作物的種間、種內(nèi)競爭能力, 計算公式如下[23]:

RCIw=(mw×iw?iw)/(mw×iw) (8)

RCIb=(mb×ib?ib)/(mb×ib) (9)

式中: RCIw和RCIb分別為小麥和蠶豆的相對競爭強度。若RCI=0, 表示種間競爭等于種內(nèi)競爭; RCI>0,表示種間競爭高; RCI<0, 則表示種內(nèi)競爭高。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)通過Microsoft Excel 2007整理后, 經(jīng)SPSS 20.0軟件, 通過Duncan檢驗法, 在0.05水平, 對不同處理的產(chǎn)量、花后干物質(zhì)累積比例、干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率、干物質(zhì)貢獻率, 以及不同施氮水平下的系統(tǒng)生產(chǎn)力、土地當(dāng)量比、種間相對關(guān)系指數(shù)、相對種間競爭和相對種間競爭強度進行ANOVA方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥||蠶豆間作的產(chǎn)量優(yōu)勢及其氮肥響應(yīng)

2.1.1 不同施氮水平下單作和間作作物的產(chǎn)量

圖1結(jié)果表明, 在不同施氮水平下, 小麥||蠶豆間作顯著提高了兩年的間作小麥產(chǎn)量。在N0、N1、N2、N3施氮水平下, 與單作處理相比, 間作小麥籽粒產(chǎn)量分別顯著增加24.55%、20.71%、19.92%、16.77%(2016年)和35.89%、28.63%、23.32%、18.25%(2017年), 兩年平均增幅23.50%; 與單作蠶豆相比, 間作蠶豆產(chǎn)量除2016年N0水平增加了0.76% (>0.05), 其他施氮水平的間作蠶豆產(chǎn)量均不同程度降低, 其中2016年的N2和N3水平分別顯著性降低7.94%和18.86%, 2017年的N2水平顯著降低了12.23%。

圖1 2016年和2017年不同施氮水平下單作和間作小麥和蠶豆的產(chǎn)量

不同小寫字母表示不同施氮水平下單、間作之間在<0.05水平差異顯著。N0、N1、N2和N3的施氮量分別為0 kg?hm?2、90 kg?hm?2、180 kg?hm?2和270 kg?hm?2; MW為單作小麥, IW為間作小麥, MF為單作蠶豆, IF為間作蠶豆。Different lowercase letters mean significant differences among different treatments of nitrogen levels and cropping patterns at<0.05 level. The nitrogen rates of N0, N1, N2 and N3 nitrogen levels are 0 kg?hm?2, 90 kg?hm?2, 180 kg?hm?2and 270 kg?hm?2, respectively; MW, IW, MF and IF mean monocropped wheat, intercropped wheat, monocropped faba bean and intercropped faba bean, respectively.

隨著施氮量的增加, 單作和間作小麥產(chǎn)量從N0到N2水平表現(xiàn)出顯著性的增加, 但進一步增加施氮量至N3水平, 則呈現(xiàn)出平緩穩(wěn)定的趨勢。與單作相比, 間作小麥的產(chǎn)量在N1水平時即達(dá)到或超過了單作小麥在常規(guī)施氮N2水平的產(chǎn)量, 體現(xiàn)出了明顯的間作優(yōu)勢; 單、間作蠶豆的產(chǎn)量則維持在4 000 kg?hm?2左右, 隨著施氮量的增加表現(xiàn)出不同程度的增加或降低。

2.1.2 不同施氮水平下單作和間作作物的系統(tǒng)生產(chǎn)力和LER

本研究表明, N0、N1、N2和N3施氮水平下, 間作體系的兩年平均系統(tǒng)生產(chǎn)力隨著施氮量增加, N0到N1以及N1到N2之間均表現(xiàn)出顯著性增加, 增幅分別為24.01%和13.00%, 但進一步增加施氮量至N3水平, 間作體系的系統(tǒng)生產(chǎn)力呈現(xiàn)出平緩穩(wěn)定的趨勢(表1)。

表1 不同施氮水平下小麥||蠶豆間作系統(tǒng)土地當(dāng)量比和系統(tǒng)生產(chǎn)力

同行不同小寫字母表示不同施氮水平之間在<0.05水平差異顯著。N0、N1、N2和N3的施氮量分別為0 kg?hm?2、90 kg?hm?2、180 kg?hm?2和270 kg?hm?2。Different lowercase letters in the same row mean significant differences among different nitrogen levels at<0.05 level. The nitrogen rates of N0, N1, N2 and N3 nitrogen levels are 0 kg?hm?2, 90 kg?hm?2, 180 kg?hm?2and 270 kg?hm?2, respectively.

在不同施氮水平下, 兩年的小麥||蠶豆間作均具有顯著的產(chǎn)量優(yōu)勢, 土地當(dāng)量比LER均大于1。隨著施氮量的增加, 兩年的LER隨之降低, 均呈現(xiàn)出N0>N1>N2>N3的趨勢(表1)。

2.2 小麥||蠶豆間作干物質(zhì)花后累積比例

從表2可知, 小麥||蠶豆間作有效地增加了間作小麥和間作蠶豆的花后干物質(zhì)累積比例。隨著施氮量的增加, 單、間作小麥的花后干物質(zhì)累積比例均呈逐漸降低趨勢, 高氮(N3)水平下降幅趨于平緩; 從N0到N3水平, 單作小麥兩年的平均降幅達(dá)32.90%, 間作處理的平均降幅則為22.57%。而單、間作蠶豆則表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢, 從N0到N3水平, 單作蠶豆兩年的平均增幅為66.83%, 間作蠶豆增幅為39.74%。不同施氮水平下, 單、間作處理的小麥和蠶豆的差異均未達(dá)顯著水平。在N0、N1、N2、N3施氮水平下, 與單作小麥相比, 間作小麥的花后干物質(zhì)累積比例, 即從開花期到收獲期的干物質(zhì)累積量占成熟期干物質(zhì)累積量的比例, 分別增加30.24%、44.63%、90.89%、55.00%(2016年)和10.55%、10.09%、36.04%、24.03%(2017年), 平均增幅為37.68%; 與單作蠶豆相比, 間作蠶豆的花后干物質(zhì)累積比例則分別增加10.63%、10.82%、49.16%、6.65%(2016年)和57.97%、6.82%、23.13%、?7.88%(2017年), 平均增幅為19.66%, 均未達(dá)到差異顯著。

表2 不同施氮水平下單作和間作小麥和蠶豆的花后干物質(zhì)累積比例

同行不同小寫字母表示不同施氮水平之間單、間作小麥或蠶豆在<0.05水平差異顯著。N0、N1、N2和N3的施氮量分別為0 kg?hm?2、90 kg?hm?2、180 kg?hm?2和270 kg?hm?2。Different lowercase letters in the same row mean significant differences among different nitrogen levels of wheat or faba bean in different cropping patterns at<0.05 level. The nitrogen rates of N0, N1, N2 and N3 nitrogen levels are 0 kg?hm?2, 90 kg?hm?2, 180 kg?hm?2and 270 kg?hm?2, respectively.

2.3 小麥||蠶豆間作的干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率和貢獻率變化

由表3可知, 小麥||蠶豆間作不同程度地增加了作物干物質(zhì)的轉(zhuǎn)移率和貢獻率, 促進了營養(yǎng)器官中的營養(yǎng)物質(zhì)向生殖器官的轉(zhuǎn)運。

隨著施氮量的增加, 單、間作小麥和蠶豆的干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率和貢獻率均呈逐漸降低趨勢, 從N0到N3水平, 單作小麥和蠶豆的兩年轉(zhuǎn)移率平均降幅分別為28.93%和39.23%, 貢獻率平均降幅為5.71%和29.92%, 間作小麥和蠶豆的兩年轉(zhuǎn)移率平均降幅則為36.48%和11.52%, 貢獻率平均降幅為1.20%和12.39%, 不同施氮水平下, 單、間作小麥和蠶豆的轉(zhuǎn)移率和貢獻率差異均未達(dá)顯著水平。N0、N1、N2和N3施氮水平下, 與單作小麥相比, 間作小麥的干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率分別增加13.76%、4.76%、0.95%、0.59% (2016年)和19.92%、11.90%、7.67%、4.03% (2017年), 平均增幅為7.95%; 干物質(zhì)貢獻率分別增加5.92%、11.10%、17.56%、14.23% (2016年)和8.53%、0.51%、16.72%、10.18% (2017年), 平均增幅為10.59%, 均未達(dá)顯著性差異。與單作蠶豆相比, 間作蠶豆的干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率分別增加17.37%、20.47%、16.44%、40.88% (2016年)和10.43%、38.43%、64.99%、122.43% (2017年), 平均增幅為41.43%; 干物質(zhì)貢獻率則分別增加0.61%、1.87%、8.93%、13.33% (2016年)和19.97%、12.00%、17.93%、66.44% (2017年), 平均增幅為17.64%; 其中2017年N3水平間作蠶豆的干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率達(dá)到了顯著性增加, 這主要是由于N3水平間作蠶豆的成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)量為2 570 kg?hm?2, 較單作處理降低64.38%, 導(dǎo)致計算結(jié)果增加, 表現(xiàn)出顯著性差異。

表3 不同施氮水平下單作和間作小麥、蠶豆的干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率和干物質(zhì)貢獻率

同行不同小寫字母表示不同施氮水平之間單、間作小麥或蠶豆在<0.05水平差異顯著。N0、N1、N2和N3的施氮量分別為0 kg?hm?2、90 kg?hm?2、180 kg?hm?2和270 kg?hm?2。Different lowercase letters in the same row mean significant differences among different nitrogen levels of wheat or faba bean in different cropping patterns at<0.05 level. The nitrogen rates of N0, N1, N2 and N3 nitrogen levels are 0 kg?hm?2, 90 kg?hm?2, 180 kg?hm?2and 270 kg?hm?2, respectively.

2.4 小麥||蠶豆間作的種間關(guān)系

2.4.1 不同施氮水平下的種間相對關(guān)系指數(shù)

不同施氮水平下, 小麥均表現(xiàn)出明顯的互利效應(yīng), 而蠶豆則普遍表現(xiàn)出競爭效應(yīng)(表4)。N0、N1、N2和N3施氮水平下, 小麥的兩年種間相對關(guān)系指數(shù)分別為0.13、0.11、0.10和0.08, 平均為0.11, 隨著施氮量的增加逐漸減弱, N0到N1和N2到N3水平降幅顯著, 分別降低了16.20%和17.33% (<0.05); 而蠶豆的種間相對關(guān)系指數(shù)在不同施氮水平下則分別為?0.01、?0.03、?0.08和?0.08, 平均為?0.05, 且隨著施氮量的增加而逐漸增強。

表4 不同施氮水平下小麥||蠶豆間作系統(tǒng)的作物種間相對關(guān)系指數(shù)

同行不同小寫字母表示不同施氮水平間在<0.05水平差異顯著。N0、N1、N2和N3的施氮量分別為0 kg?hm?2、90 kg?hm?2、180 kg?hm?2和270 kg?hm?2。Different lowercase letters in the same row mean significant differences among different nitrogen levels at<0.05 level. The nitrogen rates of N0, N1, N2 and N3 nitrogen levelss are 0 kg?hm?2, 90 kg?hm?2, 180 kg?hm?2and 270 kg?hm?2, respectively.

2.4.2 不同施氮水平下的相對種間競爭

由表5可知, 兩年小麥||蠶豆間作體系中, 小麥相對于蠶豆而言, 均表現(xiàn)出了不同程度的競爭優(yōu)勢。N0、N1、N2和N3施氮水平下, 間作體系的兩年種間競爭平均值分別為0.51、0.54、0.56和0.58, 平均為0.55, 即間作體系中小麥相對蠶豆而言均表現(xiàn)出一定的競爭優(yōu)勢; 而隨著施氮量的增加, 小麥的競爭優(yōu)勢表現(xiàn)出增加的趨勢。

2.4.3 不同施氮水平下的相對種間競爭強度

由表6可知, 在兩年的小麥||蠶豆間作體系中, 不同施氮水平下, 蠶豆均表現(xiàn)出了種內(nèi)競爭大于種間競爭的趨勢, 而小麥則在低氮水平表現(xiàn)為種內(nèi)競爭, 常規(guī)氮和高氮水平下為種間競爭。

N0、N1、N2和N3施氮水平下, 間作小麥兩年的相對種間競爭強度分別平均為?0.18、?0.08、0.21和0.32, 平均值為0.07, 表明間作小麥在低氮水平下(N0、N1), 種內(nèi)競爭大于種間競爭, 且隨著施氮量的增加, 種內(nèi)競爭強度逐漸減弱, 從N2水平開始即表現(xiàn)為種間競爭, 且隨著施氮量的增加其競爭強度逐漸增加。就間作蠶豆而言, 兩年均表現(xiàn)出了種內(nèi)競爭大于種間競爭的趨勢, 兩年的平均相對種間競爭強度分別為?0.75、?0.75、?0.66和?0.65, 平均值為?0.70, 且隨著施氮量的增加, 其種內(nèi)競爭強度逐漸減弱。

表5 不同施氮水平下小麥||蠶豆間作系統(tǒng)的作物相對種間競爭

同行不同小寫字母表示不同施氮水平間在<0.05水平差異顯著。N0、N1、N2和N3的施氮量分別為0 kg?hm?2、90 kg?hm?2、180 kg?hm?2和270 kg?hm?2。Different lowercase letters in the same row mean significant differences among different nitrogen levels in the same year at<0.05 level. The nitrogen rates of N0, N1, N2 and N3 nitrogen levels are 0 kg?hm?2, 90 kg?hm?2, 180 kg?hm?2and 270 kg?hm?2, respectively.

表6 不同施氮水平下小麥||蠶豆間作系統(tǒng)作物的相對種間競爭強度

同行不同小寫字母表示不同施氮水平間在<0.05水平差異顯著。N0、N1、N2和N3的施氮量分別為0 kg?hm?2、90 kg?hm?2、180 kg?hm?2和270 kg?hm?2。Different lowercase letters in the same row mean significant differences among different nitrogen levels in the same year at<0.05 level. The nitrogen rates of N0, N1, N2 and N3 nitrogen levels are 0 kg?hm?2, 90 kg?hm?2, 180 kg?hm?2and 270 kg?hm?2, respectively.

2.5 種間競爭力與間作體系地上部干物質(zhì)量的關(guān)系

以小麥相對于蠶豆的相對種間競爭力為自變量,以間作復(fù)合群體的地上部干物質(zhì)量(包括莖、葉、果實)為因變量, 探討競爭力和地上部干物質(zhì)量之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明, 間作體系復(fù)合群體的地上部干物質(zhì)量與種間相對競爭力間呈顯著的二次曲線關(guān)系(=?140 6322+176 963?39 553,2=0.952,<0.05) (圖2)。隨著小麥相對于蠶豆競爭力的增大, 間作復(fù)合群體的干物質(zhì)量呈增大趨勢, 但增大到一定限度后, 間作復(fù)合群體的干物質(zhì)量則隨著相對競爭力的增大呈現(xiàn)出趨于平緩甚至下降的趨勢。基于二次曲線的模擬, 當(dāng)小麥相對于蠶豆的種間競爭力為0.629 2時, 可獲得最大間作體系干物質(zhì)量為16 093 kg·hm?2。

圖2 小麥相對蠶豆的種間競爭力和小麥||蠶豆間作體系地上部干物質(zhì)量的關(guān)系

3 討論

3.1 不同施氮水平小麥||蠶豆間作的產(chǎn)量優(yōu)勢

與單作相比, 間作種植模式通過共生作物在時間和空間上的合理搭配, 能夠有效地提高資源利用率和單位面積糧食產(chǎn)出。有研究表明, 在一定條件下, 間作作物根系的相互影響及養(yǎng)分、水分在土壤中的移動比地上部相互影響更為重要, 其中生態(tài)位分離是間作優(yōu)勢產(chǎn)生的主要生態(tài)機制[30-31]。間作中由于兩種作物所占據(jù)的地上部和地下部生態(tài)位發(fā)生了分離, 在時間生態(tài)位上前后分離和在空間生態(tài)位上互補擴大, 實現(xiàn)對光、熱、水及養(yǎng)分等資源最大限度的利用, 從而產(chǎn)生間作優(yōu)勢[31-32]。本研究結(jié)果顯示, 間作小麥在不同施氮水平下均顯著提高了產(chǎn)量, 平均增幅18.93%, 且土地當(dāng)量比LER均大于1, 間作體系的系統(tǒng)生產(chǎn)力平均為5 023 kg·hm?2, 與肖靖秀等[16]的研究結(jié)果一致, 特別在低氮水平下(N1), 間作小麥的產(chǎn)量達(dá)到甚至超過了常規(guī)施氮水平下(N2)的單作小麥產(chǎn)量水平, 說明間作能夠以更低的氮肥投入來穩(wěn)定作物的產(chǎn)量水平。這可能是由于在禾本科||豆科體系中, 須根系的禾本科和直根系的豆科作物一方面能夠更大限度地利用地下空間, 改善作物根系形態(tài)、促進養(yǎng)分的活化[18]和作物對養(yǎng)分的吸收利用[14-16];另一方面地上部高稈矮稈作物的合理搭配, 可以增加作物葉面積指數(shù), 提高作物的光合特性, 增強葉片對光能的捕獲[33], 促進產(chǎn)量形成, 即通過形成不同時空生態(tài)位互補的復(fù)合群體, 達(dá)成間作的產(chǎn)量優(yōu)勢。

3.2 不同施氮水平下小麥||蠶豆間作的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運分析

本研究結(jié)果顯示, 隨著施氮量的增加, 單、間作小麥和蠶豆的干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率和貢獻率均呈現(xiàn)出不同程度的降低趨勢, 這主要是由于施氮量的增加雖然有效地促進了作物的營養(yǎng)生長和生殖生長, 但較多的養(yǎng)分被用于莖葉等營養(yǎng)器官的生長, 作物的干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率和貢獻率隨著單位施氮量的增加而逐漸降低。在不同施氮水平下, 間作小麥和間作蠶豆的花后干物質(zhì)累積比例較單作處理分別平均增加37.68%和19.66%, 說明間作處理通過促進作物在花后干物質(zhì)累積量的增加, 為間作產(chǎn)量優(yōu)勢的建成起了重要的貢獻; 而且與單作處理相比, 間作小麥和蠶豆的干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率分別增加了7.95%和41.43%, 干物質(zhì)貢獻率分別增加了10.59%和17.64%, 進一步表明了小麥||蠶豆間作在增加作物花后干物質(zhì)累積量的同時, 也促進了營養(yǎng)物質(zhì)向生殖器官中的轉(zhuǎn)運, 增加了生殖器官的干物質(zhì)累積量, 為說明間作在促進養(yǎng)分吸收, 提高產(chǎn)量方面起了很好的支持作用; 但其增幅則表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢, 與土地當(dāng)量比表現(xiàn)出了很好的一致性, 即間作優(yōu)勢隨著施氮量的增加而逐漸減弱。因此, 進行最佳氮肥管理對于保證間作優(yōu)勢和間作系統(tǒng)生產(chǎn)力有著重要意義。

3.3 不同施氮水平下小麥蠶豆間作的種間作用

間作作物在共同利用空間和各種資源時, 競爭和互補關(guān)系同時存在, 兩者相對重要性則隨著作物的生長發(fā)育而改變, 當(dāng)種間互補大于種間競爭時, 間作體系對資源的利用增加, 表現(xiàn)為間作優(yōu)勢, 有利于提高復(fù)合群體的生產(chǎn)力[34]。本研究中, 在不同的施氮水平下, 小麥均表現(xiàn)出了明顯的種間互補作用, 而蠶豆則普遍表現(xiàn)出了種間競爭, 而且與蠶豆相比, 間作小麥的相對種間競爭力平均為0.55, 表現(xiàn)出了明顯的種間競爭優(yōu)勢; 雖然隨著施氮量的增加, 其種間相對關(guān)系指數(shù)和相對種間競爭力的增幅逐漸降低, 但間作體系仍以小麥的互補作用和競爭優(yōu)勢為主, 充分說明處于優(yōu)勢地位的間作小麥在獲得更多養(yǎng)分等資源的同時, 也維持了小麥的種間互補作用, 保證了間作體系的穩(wěn)定性以及產(chǎn)量優(yōu)勢。

有結(jié)果表明, 豆科||禾本科間作能夠促進豆科作物結(jié)瘤、固氮, 特別是在低氮土壤中, 豆科作物的固氮作用更為明顯[24,35], 且非豆科作物促進了豆科作物固氮和氮素向非豆科作物轉(zhuǎn)移[24,35-36], 增加了間作作物對養(yǎng)分的吸收利用以及產(chǎn)量的建成。本研究結(jié)果顯示, 間作蠶豆在不同施氮水平下的相對種內(nèi)競爭強度平均為?0.70, 表現(xiàn)為明顯的種內(nèi)競爭; 間作小麥在低氮水平(N0、N1)同樣主要表現(xiàn)出種內(nèi)競爭, 反映出了間作體系在低氮水平下, 蠶豆通過促進生物固氮向小麥根系轉(zhuǎn)移, 在降低種間競爭的同時, 穩(wěn)定了間作的產(chǎn)量優(yōu)勢。隨著施氮量增加, 間作小麥在N2和N3水平表現(xiàn)出明顯的種間競爭, 說明高氮供應(yīng)一方面降低了蠶豆的生物固氮作用, 減少了土壤氮素養(yǎng)分的來源, 另一方面在促進作物旺盛營養(yǎng)生長的同時, 也加大了間作作物之間對養(yǎng)分的競爭吸收, 導(dǎo)致間作優(yōu)勢逐漸降低, 單位氮肥投入帶來的間作總體生產(chǎn)力下降。就處于競爭優(yōu)勢地位的間作小麥而言, 從小麥相對蠶豆的種間競爭力和間作總體生產(chǎn)力的相對關(guān)系來看, 隨著小麥競爭能力的加強, 即優(yōu)勢程度增加, 間作體系的總體生產(chǎn)力隨之增加; 但單位增幅量則逐漸降低, 在相對競爭力為0.629 2, 即接近N3水平時, 間作體系的整體生產(chǎn)力達(dá)最大值, 地上部干物質(zhì)量為16 093 kg·hm?2, 結(jié)合本研究相關(guān)探討指標(biāo), 小麥蠶豆間作體系在施氮量為N2水平, 即180 kg·hm?2時, 不僅降低了種間競爭強度、維持了種間互補作用, 而且穩(wěn)定了間作小麥的競爭優(yōu)勢地位, 實現(xiàn)了間作的產(chǎn)量優(yōu)勢。而后續(xù)工作可以結(jié)合前人的研究結(jié)果, 探討小麥||蠶豆間作體系不同生育期中氮素在小麥和蠶豆根系間的轉(zhuǎn)運, 以及地上部不同器官的分配貢獻情況, 分析土壤相關(guān)環(huán)境因子在其中的作用, 并定量化其貢獻程度, 為進一步明確小麥||蠶豆間作體系的種間互補作用在間作產(chǎn)量優(yōu)勢中的貢獻, 揭示其作用機理提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

小麥||蠶豆間作有效降低了低氮水平(N0、N1)的種間競爭, 其中間作小麥表現(xiàn)出了明顯的種間競爭優(yōu)勢和互利效應(yīng), 較單作而言, 間作小麥干物質(zhì)花后累積比例、轉(zhuǎn)移率以及貢獻率平均增幅為7.95%~37.68%, 產(chǎn)量增加23.50%(<0.05); 在施氮量為N2水平(180 kg·hm?2)下, 小麥||蠶豆體現(xiàn)出明顯的間作優(yōu)勢。

本研究從種間競爭和種間互補的角度闡明了小麥||蠶豆間作通過降低種間競爭強度, 維持種間互補作用, 穩(wěn)定間作小麥競爭優(yōu)勢地位, 進而實現(xiàn)間作體系的產(chǎn)量優(yōu)勢, 但仍需結(jié)合地下部根系互作以及地上部不同器官養(yǎng)分轉(zhuǎn)移分配等方面內(nèi)容進一步探討, 定量化分析相關(guān)因子在種間關(guān)系中的貢獻程度, 為揭示小麥||蠶豆間作種間互補作用, 為間作產(chǎn)量優(yōu)勢的相關(guān)作用機制提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

[1] MU Y P, CHAI Q, YU A Z, et al. Performance of wheat/maize intercropping is a function of belowground interspecies interactions[J]. Crop Science, 2013, 53(5): 2186–2194

[2] AGEGNEHU G, GHIZAW A, SINEBO W. Yield potential and land-use efficiency of wheat and faba bean mixed intercropping[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2008, 28(2): 257–263

[3] DAPAAH H K, ASAFU-AGYEI J N, ENNIN S A, et al. Yield stability of cassava, maize, soya bean and cowpea intercrops[J]. The Journal of Agriculture Science, 2003, 140(1): 73–82

[4] NDAKIDEMI P A. Manipulating legume/cereal mixtures to optimize the above and below ground interactions in the traditional African cropping systems[J]. African Journal of Biotechnology, 2006, 5(25): 2526–2533

[5] FIRBANK L G, WATKINSON A R. On the effects of competition: From monocultures to mixtures[M]//GRACE J B, TILMAN D. Perspectives on Plant Competition. San Diego: Academic Press, 1990: 165–192

[6] YANG F, LIAO D P, FAN Y F, et al. Effect of narrow-row planting patterns on crop competitive and economic advantage in maize-soybean relay strip intercropping system[J]. Plant Production Science, 2017, 20(1): 1–11

[7] LI L, SUN J H, ZHANG F S, et al. Wheat/maize or wheat/soybean strip intercropping: Ⅱ. Recovery or compensation of maize and soybean after wheat harvesting[J]. Field Crops Research, 2001, 71(3): 173–181

[8] TSAY J S, FUKAI S, WILSON G L. Effects of relative sowing time of soybean on growth and yield of cassava in cassava/soybean intercropping[J]. Field Crops Research, 1988, 19(3): 227–239

[9] 肖焱波, 李隆, 張福鎖. 豆科//禾本科間作系統(tǒng)中氮營養(yǎng)研究進展[J]. 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報, 2003, 5(6): 44–49 XIAO Y B, LI L, ZHANG F S. An outlook of the complementary nitrogen nutrition in the legume//graminaceae system[J]. Review of China Agricultural Science and Technology, 2003, 5(6): 44–49

[10] 李玉英, 余常兵, 孫建好, 等. 蠶豆/玉米間作系統(tǒng)經(jīng)濟生態(tài)施氮量及對氮素環(huán)境承受力[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2008, 24(3): 223–227 LI Y Y, YU C B, SUN J H, et al. Nitrogen environmental endurance and economically-ecologically appropriate amount of nitrogen fertilizer in faba bean/maize intercropping system[J]. Transactions of the CSAE, 2008, 24(3): 223–227

[11] HAUGGAARD-NIELSEN H, GOODING M, AMBUS P, et al. Pea-barley intercropping for efficient symbiotic N2-fixation, soil N acquisition and use of other nutrients in European organic cropping systems[J]. Field Crops Research, 2009, 113(1): 64–71

[12] VAN KESSEL C, HARTLEY H. Agricultural management of grain legumes: Has it led to an increase in nitrogen fixation?[J]. Field Crops Research, 2000, 65(2/3): 165–181

[13] 耿川雄, 任家兵, 馬心靈, 等. 基于LCA的不同間作體系產(chǎn)量優(yōu)勢及溫室效應(yīng)研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2020, 28(2): 159–167 GENG C X, REN J B, MA X L, et al. Yield improvement and greenhouse effect of different intercropping systems based on life cycle assessment[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(2): 159–167

[14] 羅婭婷, 湯利, 鄭毅, 等. 不同施氮水平下小麥蠶豆間作對作物產(chǎn)量和蠶豆根際鐮刀菌的影響[J]. 土壤通報, 2012, 43(4): 826–831 LUO Y T, TANG L, ZHENG Y, et al. Effects of wheat-fababean intercropping on the yield and rhizosphere pathogen in different N application rates[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2012, 43(4): 826–831

[15] 李勇杰, 陳遠(yuǎn)學(xué), 湯利, 等. 地下部分隔對間作小麥養(yǎng)分吸收和白粉病發(fā)生的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2007, 13(5): 929–934 LI Y J, CHEN Y X, TANG L, et al. Effects of root separation on nutrient uptake of wheat and occurrence of powdery mildew under wheat-faba bean intercropping[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(5): 929–934

[16] 肖靖秀, 湯利, 鄭毅. 氮肥用量對油菜//蠶豆間作系統(tǒng)作物產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2011, 17(6): 1468–1473 XIAO J X, TANG L, ZHENG Y. Effects of N fertilization on yield and nutrient absorption in rape and faba bean intercropping system[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(6): 1468–1473

[17] 張德閃, 王宇蘊, 湯利, 等. 小麥蠶豆間作對紅壤有效磷的影響及其與根際pH值的關(guān)系[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2013, 19(1): 127–133 ZHANG D S, WANG Y Y, TANG L, et al. Effects of wheat and faba bean intercropping on available phosphorus of red soils and its relationship with rhizosphere soil pH[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(1): 127–133

[18] 王宇蘊, 任家兵, 鄭毅, 等. 間作小麥根際和土體磷養(yǎng)分的動態(tài)變化[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2011, 26(6): 851–855 WANG Y Y, REN J B, ZHENG Y, et al. Dynamics of available phosphorus in rhizosphere and bulk soil of wheat under intercropping[J]. Journal of Yunnan Agricultural University, 2011, 26(6): 851–855

[19] 董艷, 董坤, 楊智仙, 等. 間作減輕蠶豆枯萎病的微生物和生理機制[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2016, 27(6): 1984–1992 DONG Y, DONG K, YANG Z X, et al. Microbial and physiological mechanisms for alleviating fusarium wilt of faba bean in intercropping system[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(6): 1984–1992

[20] 楊智仙, 湯利, 鄭毅, 等. 不同品種小麥與蠶豆間作對蠶豆枯萎病發(fā)生、根系分泌物和根際微生物群落功能多樣性的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2014, 20(3): 570–579 YANG Z X, TANG L, ZHENG Y, et al. Effects of different wheat cultivars intercropped with faba bean on faba bean Fusarium wilt, root exudates and rhizosphere microbial community functional diversity[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2014, 20(3): 570–579

[21] 任家兵, 湯利, 耿川雄, 等. 基于LCA分析的間作小麥土壤酸化氣體排放[J]. 土壤學(xué)報, 2019, 56(5): 1259–1268 REN J B, TANG L, GENG C X, et al. Emission of acidified gas from intercropped wheat field based on LCA analysis[J]. Acta Pedologica Sinica, 2019, 56(5): 1259–1268

[22] XIAO J X, YIN X H, REN J B, et al. Complementation drives higher growth rate and yield of wheat and saves nitrogen fertilizer in wheat and faba bean intercropping[J]. Field Crops Research, 2018, 221: 119–129

[23] 字淑慧, 吳開賢, 安曈昕, 等. 行距對間作玉米/馬鈴薯產(chǎn)量優(yōu)勢和種間關(guān)系的影響[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2019, 34(2): 200–209 ZI S H, WU K X, AN T X, et al. Effects of row spacing on the yields advantage and interspecific interaction of the intercropped maize and potato[J]. Journal of Yunnan Agricultural University: Natural Science, 2019, 34(2): 200–209

[24] 李娟, 王文麗, 趙旭, 等. 根際分隔對玉米/豌豆間作種間競爭及豌豆結(jié)瘤固氮的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2016, 34(6): 177–183 LI J, WANG W L, ZHAO X, et al. Effect of roots partitions on interspecific competition and nitrogen fixation in the pea-maize intercropping[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2016, 34(6): 177–183

[25] 王利立, 朱永永, 殷文, 等. 大麥/豌豆間作系統(tǒng)種間競爭力及產(chǎn)量對地下作用和密度互作的響應(yīng)[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2016, 24(3): 265–273 WANG L L, ZHU Y Y, YIN W, et al. Competitiveness and yield response to belowground interaction and density in barley-pea intercropping system[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(3): 265–273

[26] 張妍, 王利立, 柴強, 等. 施氮水平對大麥間作豌豆種間競爭的調(diào)控效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究, 2014, 35(3): 381–384 ZHANG Y, WANG L L, CHAI Q, et al. Effects of nitrogen fertilization on inter-competitiveness in a barley-pea intercropping system[J]. Research of Agricultural Modernization, 2014, 35(3): 381–384

[27] 林偉偉, 羅曉棉, 林文雄. 玉米與花生間作的根際互惠方式及其機制[J]. 福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2019, 48(4): 409–417 LIN W W, LUO X M, LIN W X. Rhizospheric mutual facilitation mode and its mechanism under maize/peanut intercropping system[J]. Journal of Fujian Agriculture and Forestry University: Natural Science Edition, 2019, 48(4): 409–417

[28] 柏文戀, 張夢瑤, 任家兵, 等. 小麥/蠶豆間作作物生長曲線的模擬及種間互作分析[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2018, 29(12): 4037–4046 BAI W L, ZHANG M Y, REN J B, et al. Simulation of crop growth curve and analysis of interspecific interaction in wheat and faba bean intercropping system[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2018, 29(12): 4037–4046

[29] 馬迎輝, 王玲敏, 黃玉芳, 等. 氮肥運籌對冬小麥干物質(zhì)累積、產(chǎn)量及氮素吸收利用的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報, 2013, 28(1): 187–192 MA Y H, WANG L M, HUANG Y F, et al. Effect of nitrogen application on dry matter accumulation, yield and nitrogen utilization efficiency of winter wheat[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2013, 28(1): 187–192

[30] 劉廣才, 李隆, 黃高寶, 等. 大麥/玉米間作優(yōu)勢及地上部和地下部因素的相對貢獻研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2005, 38(9): 1787–1795 LIU G C, LI L, HUANG G B, et al. Intercropping advantage and contribution of above-ground and below-ground interactions in the barley-maize intercropping[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2005, 38(9): 1787–1795

[31] ZHANG F S, LI L. Using competitive and facilitative interactions in intercropping systems enhances crop productivity and nutrient-use efficiency[J]. Plant and Soil, 2003, 248(1): 305–312

[32] 劉廣才, 楊祁峰, 李隆, 等. 小麥/玉米間作優(yōu)勢及地上部與地下部因素的相對貢獻[J]. 植物生態(tài)學(xué)報, 2008, 32(2): 477–484 LIU G C, YANG Q F, LI L, et al. Intercropping advantage and contribution of above- and below-ground interactions in wheat-maize intercropping[J]. Journal of Plant Ecology, 2008, 32(2): 477–484

[33] 馬怡茹, 魏飛, 馬子豪, 等. 連作棉田間作洋蔥、孜然對棉花光合特性及根系生長的影響[J]. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報, 2019, 36(6): 792–797 MA Y R, WEI F, MA Z H, et al. Effects of continuous cropping cotton intercropping onion and cumin on photosynthetic characteristics and root growth of cotton[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2019, 36(6): 792–797

[34] 殷文, 趙財, 于愛忠, 等. 秸稈還田后少耕對小麥/玉米間作系統(tǒng)中種間競爭和互補的影響[J]. 作物學(xué)報, 2015, 41(4): 633–641 YIN W, ZHAO C, YU A Z, et al. Effect of straw returning and reduced tillage on interspecific competition and complementation in wheat/maize intercropping system[J]. Acta Agronomica Sinica, 2015, 41(4): 633–641

[35] 褚貴新, 沈其榮, 王樹起. 不同供氮水平對水稻/花生間作系統(tǒng)中氮素行為的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2004, 41(5): 789–794 CHU G X, SHEN Q R, WANG S Q. Effects of N levels on biological N fixation and N transfer in intercropping system of groundnut with rice cultivated in aerobic soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2004, 41(5): 789–794

[36] 楊文亭, 王曉維, 王建武. 豆科-禾本科間作系統(tǒng)中作物和土壤氮素相關(guān)研究進展[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(9): 2408–2484YANG W T, WANG X W, WANG J W. Crop and soil nitrogen in legume-gramineae intercropping system: Research progress[J]. Chinese Journal of Ecology, 2013, 32(9): 2408–2484

Wheat and faba bean intercropping to improve yield and response to nitrogen*

REN Jiabing1, ZHANG Mengyao1, XIAO Jingxiu1, ZHENG Yi1,2, TANG Li1**

(1. College of Resources and Environmental Sciences, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2.Yunnan Open University, Kunming 650201, China)

The wheat and faba bean intercropping system improves crop yield. However, there are few systematic reports on the relationship between the yield advantage and the interspecific interaction and its response to nitrogen fertilizer. Nitrogen applications were tested to improve nitrogen management in intercropped legumes and grasses, gather information on efficient nutrient use, and determine the interspecific influence on wheat and faba bean yields. The field positioning test was conducted from 2015 to 2017 to study yield advantages and interspecies relationship of wheat||faba bean intercropping system under various nitrogen application levels: no nitrogen (N0), low nitrogen (N1, 90 kg·hm?2), conventional nitrogen (N2, 180 kg·hm?2), and high nitrogen (N3, 270 kg·hm?2). Compared with monocropped wheat, the intercropped wheat yield was significantly higher in all treatments [2016: 24.55% (N0), 20.71% (N1), 19.92% (N2), 16.77% (N3); 2017: 35.89% (N0), 28.63% (N1), 23.32% (N2), 18.25% (N3)]. The mono and intercropped faba bean yields were both around 4 000 kg?hm?2. The land equivalent ratio of the intercropping system under different nitrogen levels was N0 > N1 > N2 > N3 > 1, and the average intercropping productivity reached 5 023 kg·hm?2in two years. The intercropped wheat dry matter accumulation ratio after flowering, transfer rate, and contribution rate increased by 37.68%, 7.95%, and 10.59%, respectively, and the intercropped faba beans increased by 19.66%, 41.43%, and 17.64%, respectively, compared with the monocultured crops. The increase rate decreased as nitrogen increased, and the intercropped wheat dry matter accumulation ratio after flowering was significantly different at N2 and N3 levels in 2016. The average wheat relative interaction indexes were 0.13 (N0), 0.11 (N1), 0.10 (N2), and 0.08 (N3), showing mutually beneficial effects, but the faba bean indices were ?0.008 (N0), ?0.03 (N1), ?0.08 (N2), and ?0.08 (N3), indicating a competitive effect. The average wheat relative competition intensity values were ?0.19 (N0), ?0.08 (N1), 0.21 (N2), and 0.32 (N3), indicating intraspecific competition at low nitrogen levels (N0, N1) and interspecific competition at conventional (N2) and high (N3) nitrogen levels. All faba bean values indicated intraspecific competition: ?0.75 (N0), ?0.75 (N1), ?0.66 (N2), and ?0.65 (N3). The relative interspecific competitiveness values of wheat versus faba beans were 0.51 (N0), 0.54 (N1), 0.56 (N2), and 0.58 (N3), suggesting different degrees of competitive advantage. Competitiveness was significantly correlated (a quadratic curve) with the above-ground dry matter of the intercropping system. The maximum mixed dry matter mass of the intercropping system (16 093 kg·hm?2) was reached when the wheat versus faba bean interspecific competitiveness value was 0.629 2. Wheat and faba bean intercropping reduced the interspecific competition intensity in a low nitrogen environment (N0, N1). It also expanded the mutually beneficial effects and competitive advantages of wheat and increased the dry matter accumulation ratio after flowering and the dry matter contribution rate of intercropping crops. The maximum competitive advantage of intercropped wheat was at the conventional nitrogen level (N2, 180 kg·hm?2).

Wheat and faba bean intercropping; Intraspecific competition; Interspecific competition; Interspecific complementation; Advantage of intercropping yield; Nitrogen application level

S512.1; S643.6

10.13930/j.cnki.cjea.200332

任家兵, 張夢瑤, 肖靖秀, 鄭毅, 湯利. 小麥||蠶豆間作提高間作產(chǎn)量的優(yōu)勢及其氮肥響應(yīng)[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2020, 28(12): 1890-1900

REN J B, ZHANG M Y, XIAO J X, ZHENG Y, TANG L. Wheat and faba bean intercropping to improve yield and response to nitrogen[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(12): 1890-1900

* 國家自然科學(xué)基金項目(31760615)、國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD02002007)和云南省科技人才與平臺計劃(2019IC026)資助

湯利, 主要從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境等方面研究。E-mail: tangli7650@163.com

任家兵, 主要從事養(yǎng)分資源高效利用研究。E-mail: 415685073@qq.com

2020-04-21

2020-08-06

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31760615), the National Key Research and Development Project of China (2017YFD02002007), and the Science and Technology Talents and Platform of Yunnan Province (2019IC026).

, E-mail: tangli7650@163.com

Apr. 21, 2020;

Aug. 6, 2020