玉米/紫花苜蓿间作体系根系构型与氮素吸收利用的研究

【摘要】：氮素是作物生长发育过程中所需的最重要元素之一,然而传统耕作方式中氮肥施加过多且作物氮素利用效率低下,这既制约了我国农业的发展又造成了严重的环境污染,因此,如何提高氮素吸收利用能力进而实现作物增产是当前农业面临的重要挑战,而间作正以其能够优化资源利用、收获最适经济产量的优势越来越受到人们的重视。在东北农牧交错带,紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是优良豆科牧草并具有较强的固氮能力,玉米(Zea mays L.)是保障粮食安全的重要作物,将二者间作具有广阔的发展前景。根系是作物吸收养分的重要器官,其构形特征对于作物吸收利用氮素以及间作优势的产生具有重要的作用,然而目前对于玉米/紫花苜蓿间作体系中作物根系构型和氮素吸收利用的研究还很匮乏,为此我们开展了田间试验,旨在进一步完善间作优势产生的地下生态学机理,为玉米/紫花苜蓿复合群体的生产实践提供科学的理论依据。本研究于2015和2016年在东北师范大学松嫩草地生态研究站进行,以玉米和紫花苜蓿为研究对象,试验采用裂区设计:2(施氮水平)×5(种植模式)×4(重复),主区两个施氮水平分别为不施氮(N0)和施氮(N1),副区5种种植模式分别为:玉米单作(MM);紫花苜蓿单作(MA);4行玉米与6行紫花苜蓿间作,间距20 cm(IMA42);4行玉米与6行紫花苜蓿间作,间距30 cm(IMA43);2行玉米与6行紫花苜蓿间作,间距30 cm(IMA23)。本试验采用WinRHIZO根系分析系统对不同施氮水平下不同种植模式中玉米和紫花苜蓿的总根长、根表面积、根体积、根长密度等指标进行了研究,同时也对两间作作物的吸氮量、氮素利用效率、产量和土地当量比(LER)等进行了分析。得到如下结果:(1)除了2016年不施氮条件下的IMA23模式,其它间作模式的土地当量比均大于1,说明玉米/紫花苜蓿间作系统相比于单作土地利用率得到提高,具有间作优势。施氮能够显著增加玉米和紫花苜蓿产量,无论是否施氮,三种间作模式的紫花苜蓿产量均显著高于单作模式。IMA43模式紫花苜蓿和玉米的产量相比单作分别增加了32.5%和4.9%,且土地当量比为三种间作模式中最大,是最优间作模式。(2)施氮水平、种植模式及二者交互作用对玉米的根表面积和根体积均具有显著影响,在不施氮条件下,MM模式玉米的根表面积和根体积为所有模式中最大,而在施氮条件下IMA43模式最大。IMA23模式的总根长、根表面积和根体积均显著低于MM模式,主要归因于IMA23模式仅有两行玉米,受相邻的紫花苜蓿水分竞争影响严重。间作能显著增加紫花苜蓿的主根直径、根颈直径和侧根数量,从而增强根系吸收氮素的能力。此外,本研究还发现在氮胁迫条件下,玉米会采取减少冠根轮数和冠根数量、增加根角度(即根系变得更陡)的策略来降低养分消耗并扩展垂直方向的生态位,而紫花苜蓿会降低侧根发生的位置,以向深层土壤中探索更多的氮源。(3)玉米约60%-74%的根系分布在0-20 cm土层中,紫花苜蓿约51%-63%的根系分布在0-20 cm土层中。在不施氮条件下,玉米和紫花苜蓿的根系在深层土壤中的比重增加,以获取深层土壤中的水分和养分。间作可以增加紫花苜蓿在垂直方向上的根长密度,从而增加紫花苜蓿吸收养分的有效空间。三种间作模式下的玉米和紫花苜蓿的根系在水平方向上均已延伸至对方第一行内,二者的根系相互接触会发生氮素转移、竞争和补偿等作用,为间作优势的产生奠定了根系形态基础。(4)施氮水平、种植模式及二者交互作用对玉米籽粒吸氮量的作用均显著。施氮显著提高了玉米籽粒吸氮量,在不施氮条件下,MM玉米籽粒吸氮量为所有模式中最大,而在施氮条件下IMA43模式最大。施氮水平和种植模式对紫花苜蓿吸氮量具有显著影响,而二者交互作用不显著。施氮显著提高了紫花苜蓿吸氮量,不论是否施氮,三种间作模式的苜蓿吸氮量均显著高于单作模式,说明间作可以增加紫花苜蓿吸收氮素的能力。此外,IMA43模式玉米和紫花苜蓿的吸氮量在三种间作模式中均最大,具有明显优势。施氮能够显著降低玉米籽粒的氮素利用效率。(5)玉米总根长、根表面积、根体积与产量、吸氮量均有显著的正相关关系,紫花苜蓿主根直径、根颈直径、侧根数量、根表面积、根体积与吸氮量均有显著的正相关关系,主根直径、根表面积、根体积与紫花苜蓿产量有显著的正相关关系,且三种间作模式中紫花苜蓿的根系形态指标、吸氮量和产量均要大于单作MA模式,这说明玉米/紫花苜蓿间作能够增加紫花苜蓿的根表面积、根体积、侧根数量并使主根和根颈加粗,从而增加紫花苜蓿的吸氮量和产量。综上所述,玉米/紫花苜蓿间作体系是否具有优势受种植模式影响,IMA23模式由于仅有的两行玉米受水分胁迫影响严重,在玉米产量、根系形态等方面没有优势;而IMA43模式在作物产量产值、氮素吸收以及根系构型方面均优于其他模式,可以在大面积上进一步研究并应用。