玉米花生间作复合群体中氮磷吸收利用特征与种间效应的研究

摘要

中国是一个人多地少的农业大国。随着人口不断增加，耕地面积不断减少，农业生态环境仍在恶化等问题的加剧，如何在有限的耕地面积上获得粮食高产，来满足人民日益增长的需要，实现农业的可持续发展，已成为一个亟需解决的难题。玉米花生间作是一种豆科作物与禾本科作物间作模式，具有高产高效和生物固氮等优点。因此，研究玉米花生间作特点，挖掘其生产潜力和固氮能力对于解决这个难题具有重要理论价值和现实意义。本研究于2004-2005年在山东农业大学农学实验站，进行了玉米花生间作大田试验和池栽根系分隔试验，系统地研究了玉米花生间作产量、效益、氮吸收利用规律、磷吸收利用规律、光合特性及氮代谢特点，并分析了玉米花生间作体系土壤氮磷平衡、氮磷吸收利用对间作优势的贡献率及根部种间效应；利用15N同位素示踪技术研究了玉米花生间作对花生固氮和氮转移的影响。主要结果如下： 1.玉米花生间作优势突出，产量及产值土地当量比提高14％-18％。 1.1间作复合群体产量与效益 与单作相比，玉米花生间作虽然降低了玉米、花生的经济产量和生物产量，但间作体系具有明显的经济产量间作优势Ⅱ和生物产量间作优势Ⅱ，分别为345kg·hm-2～2896kg·hm-2和3168kg·hm-2～9968kg·hm-2。从产量和LER看，2:4模式优于2:8模式。2:4模式的LER平均为1.142，土地利用率平均提高了14.2％，粗蛋白总产量为1950kg·hm-2～2211kg·hm-2，分别比单作玉米和单作花生多317.7kg·hm-2～333.6kg·hm-2和461.7kg·hm-2～639.6kg·hm-2；总产值为21189￥·hm-2～23318￥·hm-2，比单作玉米高4405￥·hm-2～5778￥·hm-2，比单作花生低852￥·hm-2～2189￥·hm-2，IER平均为1.18，产投比分别比单作玉米和单作花生提高了8.33％～17.52％和7.31％～12.45％。由此可见，玉米花生间作是一个高产高效的复合群体。 增施氮肥或磷肥均极显著提高玉米花生间作复合群体的经济产量、生物产量和经济效益。 1.2个体生长发育特征 与单作玉米相比，间作玉米单株干物质积累具有“前慢后快”的特点。玉米花生间作提高了玉米单株干物质最大积累速率，比单作玉米高1.96gplant-1·d-1～2.09g·plant-1·d-1，提高了27.75％o～34.18％；收获期的单株干物质比单作玉米高5.65g·plant-1～29.90g·plant-1，玉米花生间作促进了玉米光合产物向籽粒分配，收获指数提高了1.05％～3.02％。 玉米花生间作降低了花生各时期单株干物质，单株最大积累速率降低0.322gplant-1d-1～0.431gplant-1·d-1，降低了44.1％～49.45％，抑制了光合产物向果仁分配，收获指数降低了25.97％～27.54％。 2.玉米花生间作实现光能的分层、立体高效利用 与单作玉米相比，间作玉米最大净光合速率提高了6.12％～21.41％，光饱和点和光补偿点均高于单作玉米，PSⅡ的日平均最大光化学效率和实际光化学效率略低于单作玉米，这说明间作玉米光合速率的提高，并不是由于PSⅡ的实际光化学效率和最大光化学效率提高，而是因为间作玉米穗位叶日平均光照强度的提高所致，比单作玉米提高了7.58％。玉米花生间作提高了玉米对强光的吸收利用能力。 玉米花生间作明显降低了花生光合速率，而PSⅡ的最大光化学效率、实际光化学效率分别比单作花生提高了3.97％～4.22％和11.51％～14.51％。玉米花生间作降低了花生的光饱和点和光补偿点，在PFD＜500μmol·m-2·s-1时，同一光照下的光合速率却是间作花生大于单作花生，这说明了玉米花生间作提高了花生对弱光的吸收利用能力。 由此可见，玉米花生间作实现了群体对光的分层、立体利用，这正是玉米花生间作体系对光能高效利用的关键之一。 3.玉米花生间作促进氮的同化，提高了玉米籽粒和花生果仁蛋白质含量。 与单作相比，玉米花生间作极显著降低了玉米、花生蛋白质产量，但是间作体系的总蛋白质产量分别比单作玉米和单作花生提高了16.16％～20.49％和30.69％～55.77％，PPER平均为1.26。间作提高了玉米籽粒和花生果仁的蛋白质含量。增施氮肥可提高间作玉米籽粒、间作花生果仁的蛋白质含量，在高氮水平上增施磷肥有利于间作玉米籽粒蛋白质含量提高。 间作提高了玉米叶片NR和GS的活性，降低了EP和CP活性。增施氮肥，玉米叶片的GS、EP和CP活性均提高，而NR活性却是灌浆前期降低，灌浆后期提高。增施磷肥有利于NR活性的提高，仅在高氮水平上增施磷肥有利于GS和CP活性的提高。 玉米灌浆前期，间作花生叶片的NR活性低于单作，后期比单作高，除在玉米开花后20d外，间作花生叶片GS活性均低于单作花生，间作降低了花生叶片EP和CP活。 4.玉米花生间作实现氮肥磷肥的高效利用 4.1单株的氮、磷吸收积累 4.1.1间作玉米单株氮、磷吸收积累 与单作玉米相比，间作玉米单株氮、磷吸收积累均具有“前慢后快”的特点。玉米花生间作提高了玉米单株氮素最大积累速率和磷素最大积累速率，尤其在N2水平上，分别提高16.31mgN·plant-1·d-1和13.08mgP2O5·plant-1·d-1，但间作推迟了其到达时间，分别大约推迟5d～6d和0.9d～1.5d。玉米花生间作促进了玉米氮素、磷素向籽粒分配，降低了叶、茎中氮素的贡献率，提高了叶、茎中磷素的贡献率，说明间作玉米籽粒的氮素主要自花后直接吸收的。 增施氮肥或磷肥均促进间作玉米单株氮素吸收积累和磷素吸收积累，促进氮素、磷素向籽粒分配。增施氮肥提高叶、茎中氮素的贡献率和叶中磷素的贡献率，增施磷肥却降低了叶、茎中氮素和磷素的贡献率。 4.1.2间作花生单株氮、磷吸收积累 玉米花生间作降低了花生单株氮素积累量和磷素积累量，推迟了花生单株氮素最大吸收积累速率和磷素最大吸收积累速率的日期，明显降低单株氮素最大吸收积累速率和磷素最大吸收积累速率，降低幅度分别为10.84gN·plant-1·d-1～11.81gN·plant-1·d-1和1.23mgP2O5·plant-1·d-1～1.76mgP2O5·plant-1·d-1。极显著降低了氮素和磷素向果仁的分配，降低了叶、茎中氮素和磷素的向籽粒转移量，却提高了叶、茎中氮素和磷素的贡献率。 增施氮肥或磷肥均促进间作花生单株氮素和磷素的积累，提高单株果仁氮素和磷素积累，促进茎、叶中氮素和磷素向果仁转移。 4.2玉米花生间作氮、磷吸收利用 玉米花生间作虽然降低了玉米、花生氮素吸收量和磷素吸收量，却具有明显的间作氮优势和间作磷优势，分别为61.5kgN·hm-2～85.9kgN·hm-2和36.9kgP2O5·hm-2～51.6kgP2O5·hm-2，间作体系的氮素总吸收量和磷素总吸收量均高于单作玉米和单作花生。间作玉米相对间作花生的氮、磷营养竞争比率均大于1，表明玉米处于氮、磷营养竞争优势，花生处于氮、磷营养竞争劣势。增施氮肥或磷肥间作氮优势和间作磷优势均明显增加。 玉米花生间作提高了玉米氮肥吸收效率、磷肥吸收效率和氮利用效率，分别提高了11.6％～30.97％、18.86％～43.04％和1.72％～4.0％，磷利用效率有所降低；玉米花生间作降低了花生氮肥、磷肥吸收效率和氮、磷利用效率。增施氮肥提高了间作玉米、间作花生磷肥吸收效率，降低氮肥吸收效率，增施磷肥则反之。 玉米花生间作体系的氮肥和磷肥吸收效率均高于单作玉米和单作花生，但其利用效率却高于单作花生和低于单作玉米，增施氮肥降低间作体系的氮肥吸收效率，提高磷肥吸收效率，增施磷肥与之相反。 玉米花生间作氮吸收量和磷吸收量对间作优势的贡献率分别为21.70％～26.32％和35.51％～45.51％，而氮、磷利用效率的贡献率却表现为负效应，氮、磷吸收量与利用效率交互作用的贡献率也非常明显，分别为13.28％～16.36％和18.49％～19.87％。这表明玉米花生间作优势主要来源于氮、磷吸收，占一半以上。5.玉米花生间作体系中土壤氮、磷平衡 玉米花生间作是一个氮肥高需求高利用的作物与氮肥低需求且能“绿色固氮”作物的有机结合体。间作体系表现为氮输入比单作玉米多，而比单作花生少，输出的多，表观损失的少，盈余比单作玉米多，比单作花生少。说明玉米花生间作实现了农业生产的环境友好化、氮肥高效化和土壤氮“库”可持续化。与单作玉米和单作花生相比，玉米花生间作磷素盈余最少，表观损失最少，但系统输出最多，实现了磷素高效利用 根据氮、磷平衡确定玉米花生间作适宜的氮肥、磷肥施用量分别为82.0kgN·hm-2～149.7kgN·hm-2和60.7kgP2O5·hm-2～89.1kgP2O5·hm-2。

目录

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第一章综述

第二章玉米花生间作产量效益优势分析

第三章玉米花生间作复合群体的光合特性

第四章玉米花生间作的氮代谢特征

第五章玉米花生间作氮磷营养吸收利用

1材料与方法

2结果与分析

2.1玉米花生间作氮磷吸收、积累和分配

2.2玉米花生间作氮、磷利用

2.3玉米花生间作体系氮、磷平衡

3小结

第六章玉米花生间作根部种间效应的研究

第七章讨论与结论

参考文献

致 谢

作者简介及攻读学位期间发表论文