引用本文
陈光荣, 王立明, 杨如萍, 董博, 杨桂芳, 张国宏, 杨文钰. 平衡施肥对马铃薯-大豆套作系统中作物产量的影响. 作物学报, 2017, 43(4): 596-607
CHEN Guang-Rong, WANG Li-Ming, YANG Ru-Ping, DONG Bo, YANG Gui-Fang, ZHANG Guo-Hong, YANG Wen-Yu. Effect of Balanced Fertilizer Application on Crop Yield in Potato-Soybean Relay-Cropping System. ACTA AGRONOMICA SINICA, 2017, 43(4): 596-607  
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平衡施肥对马铃薯-大豆套作系统中作物产量的影响
陈光荣1,2, 王立明1, 杨如萍1, 董博1, 杨桂芳3, 张国宏1,*, 杨文钰2,*
1甘肃省农科院旱地农业研究所 / 农业部西北作物抗旱栽培与耕作重点实验室, 甘肃兰州730070
2四川农业大学农学院 / 农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室, 四川成都611130
3甘肃环科雅农业科技有限公司, 甘肃兰州730070
* 通讯作者(Corresponding authors): 张国宏, E-mail: zhangguohong223@163.com, Tel: 0931-7614895; 杨文钰, E-mail: mssiyangwy@sicau.edu.cn

第一作者联系方式: E-mail: chengr516@163.com

收稿日期:2016-06-13 接受日期:2016-11-03 网络出版日期:2016-12-14
基金:本研究由国家自然科学基金项目(31660134), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-04-CES17), 甘肃省农业科学院中青年基金项目(2015GAAS20)和兰州市农业科技专项(2015-3-37)资助
摘要

根据西北一熟制灌区土壤养分条件以及马铃薯-大豆系统中作物养分吸收互补的特点, 选用马铃薯品种费乌瑞它和大豆品种冀豆12作为试验材料, 设置3重复随机区组试验, 小区处理最优施肥(OPT: N、P、K分别为180、135、135 kg hm-2)、最优减N (OPT-N)、最优减P (OPT-P)、最优减K (OPT-K)、最优减1/3N (OPT-1/3N)、最优增1/3N (OPT +1/3N)、最优减1/3P (OPT-1/3P)、最优增1/3P (OPT +1/3P)、最优减1/3K (OPT-1/3K)和不施肥(CK) 10个处理。通过2012—2013连续2年大田试验, 系统分析N、P、K对套作马铃薯及套作大豆产量及产量构成因素的影响。结果表明, OPT-N处理与OPT处理套作马铃薯产量差异最大(11 653.86 kg hm-2); OPT-P处理与OPT处理套作大豆产量差异最大(751.55 kg hm-2), 差异均达到显著水平( P<0.05), 说明影响套作马铃薯、套作大豆产量的最大的因素分别是N和P。随N水平递增, 套作马铃薯产量呈现递增的趋势, OPT+1/3N处理产量最高为50 231.85 kg hm-2; 套作大豆产量则呈现先增后减的趋势, OPT处理产量最高为3373.55 kg hm-2, 方差分析表明, OPT和OPT+1/3N各处理套作马铃薯产量差异不显著, OPT-1/3N、OPT、OPT+1/3N各处理套作大豆产量差异不显著。随P素水平增加, 套作马铃薯和套作大豆产量均呈现增加趋势, OPT+1/3P处理下套作马铃薯、套作大豆产量均最高, 分别为52 430.03 kg hm-2和3637.13 kg hm-2, 同样在OPT+1/3P处理下, 套作马铃薯平均单薯最重, 套作大豆有效荚数、每荚粒数及单株粒数均最高, 2年平均分别为185.13、74.24、1.87和139.15 g。综合考虑薯豆套作产量效应及养分利用效率, OPT施肥方案中, N适宜, P偏低, K偏高。

关键词: 马铃薯; 大豆; 套作; 平衡施肥; 产量
Effect of Balanced Fertilizer Application on Crop Yield in Potato-Soybean Relay-Cropping System
CHEN Guang-Rong1,2, WANG Li-Ming1, YANG Ru-Ping1, DONG Bo1, YANG Gui-Fang3, ZHANG Guo-Hong1,*, YANG Wen-Yu2,*
1Institute of Dryland Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Northwest Drought Crop Cultivation, Ministry of Agriculture, Lanzhou 730070, China
2College of Agronomy, Sichuan Agricultural University / Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in Southwest China, Ministry of Agriculture, Chengdu 611130, China
3Gansu Central Keya Green Agriculture Technology Ltd., Lanzhou 730070, China
Fund:The study was supported by the National Natural Science Foundation of China, the China Agriculture Research System (CARS-04-CES17), the Science Foundation of Gansu Academy of Agricultural Sciences (2015GAAS20), and the Lanzhou Special Fund for Agro-scientific Research (2015-3-37).
Abstract

The treatments of optimum fertilization (OPT: N 180, P 135, K 135 kg ha-1), OPT-N, OPT-P, OPT-K, OPT-1/3N, OPT +1/3N, OPT-1/3P, OPT +1/3P, OPT-1/3K, and CK were designed according to soil condition and uptake characteristics of nitrogen, phosphorus and potassium of potato/soybean relay-cropping system in Northwest irrigation districts. A field experiment was conducted in two consecutive seasons (from 2012 to 2013) to verify the yield response to balanced fertilization. The relay-cropping potato yield of OPT was significantly higher than those of OPT-N, OPT-P, and OPT-K, with obvious difference of 11 653.86 kg ha-1 between OPT and OPT-N, the relay-cropping soybean yield of OPT was significantly higher than those of OPT-N, OPT-P, and OPT-K, with obvious difference of 751.55 kg ha-1 between OPT and OPT-P. Therefore, nitrogen and phosphorus were the first limiting factors in relay-cropping potato and soybean production. Under certain phosphorus and potassium fertilizer, the relay-cropping potato yield increased with increasing N application, reaching the highest of 50 231.85 kg ha-1 under 240 kg ha-1 treatment (OPT+1/3N), but there was no significant difference between OPT and OPT+1/3N. And the relay-cropping soybean yield increased firstly and decreased then with increasing nitrogen fertilizer application, with the highest yield of 3373.55 kg ha-1 under 180 kg ha-1 treatment (OPT), there was no significant difference between OPT, OPT-1/3N, and OPT+1/3N. Under certain nitrogen and potassium fertilizer, the yield of relay-cropping potato and soybean increased with the increase of phosphorus fertilizer application, and reaching the highest yield of 52 430.03 kg ha-1 and 3637.13 kg ha-1 under 180 kg ha-1 treatment (OPT+1/3P), respectively. For relay-cropping potato, average fresh-weight of individual tuber reached the highest under 180 kg ha-1 treatment (OPT+1/3P), which was 185.13 g. For relay-cropping soybean, the average of pods per plant, seeds per plant and seeds per pod reached the highest under OPT+1/3P, which were 74.24, 1.87, and 139.15 respectively. Therefore, nitrogen (N 180 kg ha-1) fertilizer was adequate, phosphorus (P 135 kg ha-1) fertilizer a little lacking, and potassium (K 135 kg ha-1) fertilizer on the high side in OPT treatment.

Keyword: Potato; Soybean; Relay-cropping; Balanced fertilizer application; Yield

间套作能够有效提高作物产量, 增强水土保持能力, 提高土壤肥力, 以及抑制病虫草害的发生, 已成为现代农业中高产和养分高效利用的种植模式。然而, 在高效利用有限耕地资源, 不断提高耕地产出率, 保护粮食稳定发展的同时, 如何合理施用化肥是当今栽培专家关注的问题。平衡施肥是提高作物产量的重要措施, 其特点是根据土壤的供肥特性、作物养分需要和环境承载力、田间管理技术水平等合理地利用农业资源[1, 2, 3, 4]。关于单作马铃薯平衡施肥的研究较多, 西北甘肃地区N、P、K用量和比例为180-180-225 kg hm-2 [5], 东北大兴安岭地区为120-120-112 kg hm-2 [6], 西南贵州地区为45-45-75 kg hm-2 [7], 东南福建地区为150-60-225 kg hm-2 [8]。尽管不同生态区马铃薯N、P、K施用量和施肥配比存在差异, 但众多研究一致表明, N对马铃薯产量和品质至关重要[9, 10, 11, 12]; 马铃薯对K吸收量较大[13, 14, 15], K可以增强植株的抗逆性[16, 17, 18]; 马铃薯对P需求量低于N和K [19, 20, 21, 22], 但P可以显著提高马铃薯的商品薯率和干物质积累[23, 24, 25]。豆科作物与马铃薯间套作, 由于作物结构与配置差异, 系统对养分的吸收利用特性发生了显著变化。苟久兰[26]、郭忠富等[27]和李萍等[28]研究表明, 马铃薯对土壤N和K吸收量大, 而豆科作物对P比较敏感, 马铃薯套作豆科作物可均衡吸收土壤养分, 提高土地利用率。Arnon[29]在印度亚热带地区对马铃薯和菜豆间作模式研究发现, 土壤中的有机碳含量明显增加25%。王海燕等[30]研究马铃薯套作蚕豆养分利用效率时发现, 套作系统氮素和磷素产投比较马铃薯单作提高12.99%和9.41%, 较蚕豆单作提高29.85%和60.34%。以上研究表明, 豆科作物与马铃薯有很强的养分吸收互补性, 二者间套作可以提高作物对养分资源的高效利用并显著提高作物产量。

近年来, 西北地区马铃薯-大豆高产高效栽培模式大面积被应用, 该模式在提高粮食产量和维持氮素平衡中起重要作用。然而, 该区域生产条件下尚缺乏有关薯豆套作模式平衡施肥的系统研究, 在生产实践中缺少施肥参数, 难以确定合理的施肥量。为此, 本研究依据当地土壤室内分析及前期养分试验结果, 在了解土壤养分状况的基础上, 补充适量微量元素, 针对马铃薯-大豆套作系统中作物养分吸收互补的特点设置最优施肥方案, 拟通过连续2年的大田试验验证, 系统分析了N、P、K对套作马铃薯、套作大豆产量及产量构成因素的影响, 以期为该区薯豆套作模式下作物高产高效生产提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 试验材料

选用马铃薯(Solanum tubersum L.)品种费乌瑞它和河北省农林科学院粮油作物研究所育成的大豆 [Glycine max (L.) Merrill]品种冀豆12 (表1)。

表1 供试马铃薯、大豆品种特性 Table 1 Characteristics of different varieties of potato and soybean
1.2 试验地概况

甘肃省会宁县郭城镇地处35° 37′ N、105° 13′ E, 海拔1630 m, 年平均气温6.7℃, 年均降雨量263.1 mm, ≥ 10℃的有效积温3244℃。试验地肥力相对均匀, 播前根层土壤基础肥力2012年和2013年分别为有机质11.26 g kg-1、9.87 g kg-1, 全氮1.94 g kg-1、1.62 g kg-1, 全磷2.01 g kg-1、1.61 g kg-1, 全钾15.79 g kg-1、12.31 g kg-1, 碱解氮94.80 g kg-1、65.25 mg kg-1, 有效磷17.48 mg kg-1、15.29 mg kg-1, 速效钾189.16 mg kg-1、158.41 mg kg-1, pH值为7.76、7.81。

1.3 试验设计

设10个处理(表2), 即依据测土配方的最优施肥(OPT); 最优施肥中不施N (OPT-N); 最优施肥中不施P2O5 (OPT-P); 最优施肥中不施K2O (OPT-K); 最优施肥中减少1/3N (OPT-1/3N); 最优施肥中增加1/3N (OPT+1/3N); 最优施肥中减少1/3 P2O5 (OPT-1/3P); 最优施肥中增加1/3 P2O5 (OPT+1/3P); 最优施肥中减少1/3K2O (OPT-1/3K); 不施肥(CK)。随机区组设计, 重复3次, 小区面积(3.6 m × 7.5 m), 带幅是150 cm, 其中, 100 cm起垄覆膜种2行马铃薯, 垄高30 cm, 垄面呈弧形。马铃薯种植密度47 625穴 hm-2, 行距45 cm, 穴距28 cm, 2012年和2013年马铃薯的播期分别为3月22日和3月20日, 收获期分别为8月2日和7月27日。另50 cm种2行大豆, 密度为120 000株 hm-2, 行距40 cm, 2012年和2013年大豆的播期分别是4月17日和4月15日, 收获期分别是9月27日和9月25日。施肥方案见表2, 肥料为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)和硫酸钾(K2O 50%)。其中, N 50%、K2O 70%、P2O5100%, 微肥100%作为基肥; N 50%, K2O 30%作为花期追肥。肥水及大田管理同当地生产措施。马铃薯套作大豆田间种植示意见图1。

表2 试验处理及养分施用量 Table 2 Fertilizer nutrition application amount of every treatment (kg hm-2)

图1 马铃薯套作大豆田间布置示意图Fig. 1 Experimental plots arrangement of potato-soybean relay-cropping

1.4 生育期记载及产量调查

记载马铃薯及大豆播种、出苗、始花、成熟等生育时期, 统计出苗率、共生期。收获马铃薯、大豆时, 取各小区中间3条带共16.2 m2计产, 连续取马铃薯10株、大豆20株考种, 调查马铃薯株高、茎粗、单株结薯数、平均单薯重、商品薯率; 调查大豆株高、有效荚数、每荚粒数、单株粒数、百粒重。

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05分析试验数据。

2 结果与分析
2.1 缺素对薯豆套作系统作物产量的影响

由图2可知, OPT-N、OPT-P、OPT-K处理套作马铃薯产量均低于OPT处理, OPT-N处理与OPT处理产量差距最大, 2年平均差值为11 653.86 kg hm-2; 其次是OPT-P和OPT-K, 2年平均差值分别为7090.71 kg hm-2和5142.06 kg hm-2。2年结果的方差分析表明, OPT-P和OPT-K处理差异不显著(P> 0.05), 其他处理间差异显著(P< 0.05), 说明影响套作马铃薯产量最大的因素是N, 其次是P和K。

图2 缺素处理下作物产量
柱上不同小写字母表示达0.05显著水平。T1、T2、T3、T4和T0分别为OPT、OPT-N、OPT-P、OPT-K和CK处理。Fig. 2 Yield of relay-cropping crops under deficient-factor treatment
Bars represented by different small letters are significantly different at P< 0.05. Treatments T1, T2, T3, T4, and T0 represent with treatments of OPT, OPT-N, OPT-P, OPT-K, and CK.

2012年和2013年, OPT-N、OPT-P、OPT-K处理套作大豆产量均低于OPT处理, OPT-N和OPT-P处理与OPT处理产量差距较大, 而OPT-K与OPT处理产量差距较小, 2年平均差值分别为728.00、751.55和258.35 kg hm-2。方差分析结果表明(2年平均), OPT处理与OPT-K处理差异不显著(P> 0.05), OPT-N处理与OPT-P处理差异不显著(P> 0.05), 但前2个处理与后2个处理间差异显著(P< 0.05), 说明P和N是套作大豆产量的主要限制因子。

2.2 不同N素水平对作物产量的影响

由图3可知, 2012年和2013年随N水平(0~240 kg hm-2)递增, 套作马铃薯产量呈递增趋势, OPT和OPT+1/3N处理产量最高, 2年平均值分别为48 823.56 kg hm-2和50 231.85 kg hm-2, 较对照(CK)分别增产52.92%和57.34%, 较OPT-N分别增产31.35%和35.14%。方差分析结果表明(2年平均), OPT和OPT+1/ 3N处理间差异不显著(P> 0.05), 但与其他3个处理间差异显著(P< 0.05), 说明N在180 kg hm-2水平时, 套作马铃薯产量较高, 继续增加, 增产效果不显著。

图3 N对薯豆套作系统作物产量的影响
柱上不同小写字母表示达0.05显著水平。T0、T2、T5、T1和T6分别为CK、OPT-N、OPT-1/3N、OPT和OPT+1/3N处理。Fig. 3 Effect of N application on relay-cropping crops yield
Bars represented by different small letters are significantly different at P< 0.05. Treatment T0, T2, T5, T1and T6 represent with treatments of CK, OPT-N, OPT-1/3N, OPT, and OPT+1/3N.

随N水平递增, 套作大豆产量呈先增后减的趋势, N在180 kg hm-2水平时, 套作大豆产量最高, 2年平均值为3373.55 kg hm-2, 较CK和OPT-N分别增产48.71%和27.52%, 继续增加N, 套作大豆产量开始下降。2012年和2013年试验结果一致。对2年的试验结果方差分析表明, OPT-1/3N、OPT、OPT+1/3N处理间差异不显著(P> 0.05), 但与CK和OPT-N两处理间差异显著(P< 0.05)。

2.3 不同P2O5水平对作物产量的影响

由图4可知, 随着P素水平(0~180 kg hm-2)增加, 套作马铃薯产量呈现递增趋势, OPT+1/3P处理产量最高, 2012年和2013年试验结果呈现一致的规律性, 2年平均值为52 430.03 kg hm-2, 较CK和OPT-P分别增产64.22%和25.63%。方差分析结果表明(2年平均), OPT和OPT+1/3P处理间差异不显著(P> 0.05), 但与CK和OPT-P两处理间差异显著(P< 0.05)。

图4 P对薯豆套作系统作物产量的影响
柱上不同小写字母表示达0.05显著水平。T0、T3、T7、T1和T8分别为CK、OPT-P、OPT-1/3P、OPT和OPT+1/3 P处理。Fig. 4 Effect of P application on relay-cropping potato yield
Bars represented by different small letters are significantly different at P< 0.05. Treatment T0, T3, T7, T1, and T8 represent with Treatments of CK, OPT-P, OPT-1/3P, OPT, and OPT+1/3P.

套作大豆产量随P水平的变化趋势与套作马铃薯呈现一致规律, OPT+1/3P处理产量最高, 2年平均值为3637.13 kg hm-2, 较CK和OPT-P分别增产48.71%和28.66%。方差分析结果表明(2年平均), OPT和OPT+1/3P处理间, OPT-P和OPT-1/3P处理间差异均不显著(P> 0.05), 但前2个处理与后2个处理及CK间差异显著(P< 0.05)。

2.4 不同K素水平对作物产量的影响

由图5可知, 2012年OPT、OPT-1/3K和OPT-K处理间套作马铃薯产量差距不大, OPT和OPT-1/3K较OPT-K产量分别提高6.34%和4.75%, 较CK产量分别提高46.82%和44.63%; 2013年OPT和OPT-1/3K较OPT-K产量分别提高16.75%和18.52%, 较CK产量分别提高58.42%和60.83%。2年结果方差分析表明, OPT和OPT-1/3K处理间差异不显著(P> 0.05), 但与OPT-K、CK处理间差异显著(P< 0.05)。

图5 K对薯豆套作系统作物产量的影响
柱上不同小写字母表示达0.05显著水平。T0、T4、T1和T9分别为CK、OPT-K、OPT-1/3K和OPT处理。Fig. 5 Effect of K application on intercropping soybean yield
Bars represented by different small letters are significantly different at P< 0.05. Treatment T0, T4, T1, and T9 represent with treatments of CK, OPT-K, OPT-1/3K, and OPT.

2012年和2013年套作大豆产量受K影响不大, OPT和OPT-1/3K较OPT-K产量分别提高8.29%和9.88%, 较CK产量分别提高48.71%和50.88%。2年结果方差分析表明, OPT、OPT-1/3K、OPT-K处理间差异不显著(P> 0.05), 但与CK处理间差异显著(P< 0.05)。

2.5 施肥对作物产量构成因素的影响

2.5.1 施肥对套作马铃薯田间农艺性状及产量构成因素的影响 从表3可见, 不同处理间出苗率无显著差异。在株高上, OPT-N、OPT-P、OPT-K处理均高于CK, 但低于OPT处理, 并且OPT-N处理与OPT处理相差最大, 说明N是影响套作马铃薯株高的主要养分因子; N处理株高随施用量的增加呈增加趋势; P处理株高随施用量的增加呈先增后降的变化, 两年均为OPT处理最高; K处理下, OPT-K、OPT-1/3K、OPT处理间差异不显著(P> 0.05), 但与CK处理间差异显著(P< 0.05)。在植株茎围上, 2012年和2013年, OPT-P处理接近于CK, 并与OPT处理间差异显著, 不施P对套作马铃薯茎围影响较大; N处理植株茎围随施用量的增加呈先增后减的变化; P处理的变化趋势与N处理相同; K2O处理植株茎围随施用量增加而增加。单株结薯数、平均单薯重及商品薯率是表征马铃薯块茎产量的重要指标。不同处理间单株结薯数无显著差异。2012年, OPT、OPT+1/3N、OPT+1/3P处理下平均单薯重相对较高, 分别为158.54、159.76和167.14 g, 较CK处理119.81 g分别增加了32.33%、33.34%和39.50%; 2013年, OPT、OPT-K、OPT+1/3N和OPT+1/3P处理下平均单薯重相对较高, 分别为175.76、163.24、186.01和203.12 g, 较CK处理116.82 g分别增加了50.45%、39.74%、59.23%和73.87%, 且与CK处理间差异显著(P< 0.05); 2年统计分析表明, 影响马铃薯平均单薯重的最大因素是P, 其次是N和K。在商品薯率上, 2年结果方差分析表明, 各施肥处理间差异不显著(P> 0.05), 但与CK处理间差异显著(P< 0.05)。

表3 套作马铃薯田间农艺性状及产量构成要素的比较 Table 3 Comparison of agronomic traits of relay-cropping potato plants and its yield component

2.5.2 施肥对套作大豆产量构成因素的影响 从表4可见, 不同处理间出苗率无显著差异。在株高上, OPT-N、OPT-P、OPT-K处理均高于CK, 但低于OPT处理, 并且OPT-N处理与OPT处理相差最大, 说明N是影响套作大豆株高的主要养分因子; N处理、P处理及K处理株高均随施肥量呈增加趋势(2年平均)。在有效荚数上, 2012年和2013年, OPT、OPT-N、OPT-P、OPT-K处理间差异不显著(P> 0.05), 但与CK处理间差异显著(P< 0.05); N处理下, 有效荚数随施用量的增加呈先增后减的变化, 两年均为OPT处理最高, 为68.72; P处理和K处理下, 有效荚数随施肥量增加而增加。每荚粒数随P、K量增加而增加, OPT和OPT+1/3P处理下相对较高, 均为1.87, 较CK处理1.65增加了13.33%。单株粒数和有效荚数及荚粒数变化趋势一致, OPT和OPT+1/3P处理下相对较高, 分别是128.56和139.15, 较CK处理81.38分别增加了57.97%和70.99%, 且与CK处理间差异显著(P< 0.05); 2年统计分析表明, 影响大豆单株粒数的最大因素是P, 其次是N和K。在百粒重上, 2年结果方差分析表明, OPT与OPT-N、OPT-P、OPT-K、CK处理间差异显著; N、P和K各施肥处理间差异不显著(P> 0.05), 但与CK处理间差异显著(P< 0.05)。

表4 套作大豆田间农艺性状及产量构成要素的比较 Table 4 Comparison of agronomic traits of relay-cropping soybean plants and its yield component
3 讨论
3.1 间套作系统产量优势和养分吸收优势分析

在农田生态系统中, 间套作提高作物产量已被国内外大量试验研究所证实。北欧地区大麦间作豌豆模式[31], 东非地区玉米间作金钱草系统[32], 印度水稻间套作花生系统[33, 34], 国内玉米间作蚕豆、小麦间作玉米和小麦间作大豆等模式[35, 36, 37]。有关间套作马铃薯产量优势研究主要集中在2种作物生物学特性上的差异, 能够在时间、空间尺度上互补性利用环境资源。例如, 西北地区早熟马铃薯套作大豆[38], 西南地区马铃薯间作玉米[39], 华北地区马铃薯间作棉花等[40]; 其次, 间套作条件下相对冷凉的群体环境有利于马铃薯生长和块茎形成, 例如, 间套作相对冷凉的群体微环境有利于马铃薯块茎和品质的形成[41, 42]; 此外, 间套作显著抑制马铃薯的晚疫病及虫害, 例如, He等[43]和Li等[36]研究发现, 间套作显著抑制玉米青枯病和马铃薯晚疫病。

我们前期的研究发现, 薯豆套作模式下, 马铃薯在2种作物共生期处于水肥竞争优势, 大豆处于竞争弱势, 而套作大豆的产量与其生殖生长共生期的长短有关[38]。本研究中, 从马铃薯与大豆的生殖生长共生期分析(表5), 仅有35 d左右, 套作马铃薯收获后, 大豆具有充足时间吸收营养和恢复生长, 有利于套作大豆结荚与籽粒的形成。依据矿质营养生态位理论[44, 45, 46], 从N营养角度分析, 马铃薯与大豆套作后增加了各自的N素养分生态位宽度。大豆主要通过生物固氮满足其N素营养需求, 减少对土壤N素养分的竞争。马铃薯通过吸收土壤N素, 降低了该复合系统内土壤N素含量, 从而进一步刺激大豆生物固氮。另外, 大豆通过根系分泌物和根系脱落物及细小根系腐解矿化也能为马铃薯提供一定的N素营养, 加宽了马铃薯的养分生态位。从磷、钾营养角度分析, 马铃薯套作大豆复合系统中2种作物的养分限制因子不同, 马铃薯是喜钾作物, 而大豆对磷素敏感, 马铃薯和大豆各自占据不同的矿质营养生态位。因此, 对于薯豆套作系统来说, 其优势还体现在氮、磷、钾矿质营养的互补利用方面。

表5 马铃薯-大豆套作群体中大豆的生育期结构 Table 5 Components of growth period of soybean in potato-soybean relay-cropping systems
3.2 平衡施肥对作物产量的影响

平衡施肥技术考虑到农田系统中养分循环的输出、输入因素, 依据土壤供肥特性、作物养分需求和环境承载力、田间管理技术水平等, 优化肥料用量、配比和施用方法, 实现作物高产、养分收支平衡, 是一项重要的施肥技术改革[47]。李书田等[1]和段玉等[48]连续10年在西北地区内蒙古、甘肃、宁夏和青海开展马铃薯平衡施肥研究表明, 影响马铃薯生产的主要限制因子是N, 其次是K, 然后是P, 并归纳总结出N、P施用范围分别为45~307 kg hm-2、30~332 kg hm-2。刘小明等[49]研究表明, N和P是影响大豆生长发育的两大重要元素。本研究中, 马铃薯与大豆套作后, 尽管系统对养分的吸收特性发生了变化, 但限制套作马铃薯和大豆产量最大的因素不变, 分别是N和P, 这与前人研究结果基本一致。

前人研究表明, 在马铃薯/蚕豆间作中, 马铃薯对土壤和肥料N素具有更强的竞争能力, 一方面使马铃薯获得充分的N素营养, 具有显著的增产作用; 另一方面, 土壤N素浓度的降低促进了蚕豆的结瘤固氮作用, 从而使系统吸N量明显增加[28, 30]。本研究中, 随N水平递增, 套作马铃薯产量呈现递增的趋势, 表现出N素营养吸收的优势, 说明套作大豆后, 马铃薯对N素吸收量明显增加; 套作大豆则呈现先增后减的趋势, 说明过量N素可能导致大豆出现“ 氮阻遏” 现象。2年试验结果的方差分析表明, OPT和OPT+1/3N各处理套作马铃薯产量差异不显著, OPT-1/3N、OPT、OPT+1/3N各处理套作大豆产量差异不显著, 综合考虑系统间套作产量效应和养分利用效率, 本试验条件下OPT处理中N的施用量(180 kg hm-2)适宜。

李隆等[35, 36, 37]对西北灌区小麦间作大豆和玉米间作大豆种间营养竞争的研究表明, 间作产量优势在营养方面主要是吸收量的增加和利用效率的提高, 尤其是促进P的高效利用。唐明明等[50]研究西北地区不同间套作模式养分吸收利用效率也得到了相同的结论。本研究发现, 随P水平增加, 套作马铃薯和套作大豆产量均呈现增加趋势, 且在OPT+1/3P处理下, 套作马铃薯平均单薯最重, 2012年和2013年分别为167.14 g和203.12 g, 同样在OPT+1/3P处理下, 套作大豆有效荚数、每荚粒数及单株粒数均最高, 2年平均分别为74.24、1.87和139.15。说明马铃薯套作大豆系统促进了作物对P的吸收, 实现了P的高效利用。因此, 本试验OPT处理中P的施用量(135 kg hm-2)偏低, 应适量增加。

马铃薯是喜钾作物, 对钾肥的吸收量较大。本研究同样发现K是限制套作马铃薯产量的因素之一, 这与前人研究结果一致[15, 16]。但本试验条件下套作马铃薯和大豆均表现出不缺K, OPT处理与OPT-K处理产量差异不显著, 并且在不同的K水平下套作马铃薯和大豆田间农艺形状及产量构成要素之间差异均不显著。出现这种现象的原因可能是试验地不缺K, 2012年和2013年试验地速效钾含量分别是189.16 mg kg-1和158.41 mg kg-1, 施少量钾肥即可满足作物对K的需求。因此, 在本试验条件下OPT处理中K的施用量(135 kg hm-2)偏高, 应适量降低。

4 结论

西北地区马铃薯-大豆套作模式中, 影响马铃薯产量的主要限制因子是N, 其次是P, 然后是K; 影响大豆产量的主要限制因子是P和N。OPT与OPT+1/3N、OPT与OPT-1/3K处理间系统作物产量差异不显著, OPT+1/3P处理下系统作物产量最高, 马铃薯和大豆产量分别为52 430.03 kg hm-2和3637.13 kg hm-2, 该处理有利于马铃薯平均单薯重的提高、大豆有效荚数及每荚粒数的增加。综合考虑薯/豆套作产量效应及养分利用效率, 本试验OPT (N 180 kg hm-2, P 135 kg hm-2, K 135 kg hm-2)方案中, N适宜, P偏低, K偏高。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.

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