小麦与蚕豆间作体系根系形态与磷吸收的定量解析

豆科与禾本科作物间作能够改变作物根系生长,但不同施磷水平下间作-根系形态-磷吸收之间的关系尚未明确。本研究通过田间定位试验和根箱模拟试验,研究不同种植模式(小麦单作、蚕豆单作和小麦-蚕豆间作)和不同磷水平下小麦和蚕豆的产量、生物量、磷吸收及根系形态特征,分析探讨不同施磷条件下小麦-蚕豆间作对根系形态和磷吸收的影响。结果表明: 根箱试验中,与单作相比,间作小麦的根干重、根冠比分别增加21.2%、61.5%,地上部干重降低14.6%,根系磷含量和总吸磷量分别提高23.8%和12.1%;间作蚕豆的地上部干重、根干重、根冠比、总根长和根体积分别增加16.5%、47.3%、24.0%、3.5%和8.4%,间作蚕豆地上部磷含量、根系磷含量和总吸磷量分别提高14.7%、26.2%和21.5%。田间试验中,与单作相比,分蘖期间作小麦地上部磷吸收量降低8.7%,而在拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期分别提高40.6%、19.7%、7.8%和12.4%;但种间互作导致开花期、结荚期和成熟期间作蚕豆的地上部磷吸收量分别降低9.8%、9.0%和5.2%。偏最小二乘法(PLS)回归分析表明,小麦的根表面积和根体积、蚕豆的根表面积对作物磷吸收的贡献最大,在低磷胁迫条件下,间作同时提高了小麦和蚕豆的根体积和根表面积,促进了磷的吸收。总之,在缺磷或低磷条件下,种间互作扩大了小麦和蚕豆根土接触面积,促进了苗期磷的吸收,为后期间作优势的形成奠定了基础。     

不同氮水平下作物养分吸收与利用

玉米与马铃薯间作是重要的间作种植模式,具有较突出的资源利用和产量优势,但养分吸收和利用对作物产量优势的贡献及这种贡献对施氮量的响应机制尚不清楚.本研究采用玉米单作、马铃薯单作和玉米与马铃薯间作3种种植模式,分别设置N₀(0 kg·hm^-2)、N₁(125 kg·hm^-2)、N₂(250 kg·hm^-2)和N₃(375 kg·hm^-2)4个氮水平,通过2年田间小区试验,研究不同氮水平下间作产量优势的营养基础.结果表明: 随着施氮量的增加,氮、磷、钾的单作加权平均吸收量逐渐增加,间作则先增加后减少.间作在N₁水平时具最高的养分吸收优势,分别较单作加权平均值增加氮吸收14.9%、磷吸收38.6%、钾吸收27.8%;间作在N₀和N₃时具有更高的养分利用效率,较单作可提高氮利用效率3.5%～14.3%、磷利用效率3.5%～18.5%、钾利用效率10.6%～31.6%.N₀和N₁时玉米与马铃薯间作具有显著产量优势,其营养基础在N₀时主要是提高了作物养分利用效率,而N₁时则是促进养分吸收的结果.充分发挥间作促进养分吸收对玉米与马铃薯间作产量优势的贡献,需要合理控制氮肥的投入.     

低磷胁迫下磷高效基因型大麦的根系形态特征

在根袋土培盆栽条件下,以磷高效基因型DH110+、DH147和低效基因型DH49大麦为试验材料,利用根系分析系统分析不同施磷(P₂O₅)水平(极低磷25 mg·kg^-1、低磷50 mg·kg^-1和正常磷75 mg·kg^-1)下,磷高效基因型大麦的根系形态特征及其与植株磷素吸收的关系.结果表明： 低磷胁迫显著降低大麦生物量和磷吸收量,其中磷高效基因型的生物量和磷吸收量在各施磷水平下分别为低效基因型的1.24～1.70和1.18～1.83倍;大麦的总根长、总根表面积、平均根系直径、不定根长及其根表面积、侧根长及其根表面积均随施磷水平的降低而显著降低,其中磷高效基因型大麦在各施磷水平下的总根长、总根表面积、比根长、侧根长及根表面积分别为低效基因型的1.46～2.06、1.12～1.51、1.35～1.72、1.69～2.42和1.40～1.78倍,而平均根系直径为低效基因型的70.6%～90.2%;主成分分析表明,平均根系直径、比根表面积和比根长受基因型差异的影响较为明显,是区分两类磷效率基因型大麦根系形态差异的主要指标;偏最小二乘回归分析表明,各施磷水平下,总根长、总根表面积对大麦植株磷素吸收贡献均较大,随施磷水平降低,不定根长、不定根表面积对大麦植株磷素吸收的贡献明显降低,而平均根系直径、比根长、侧根长及其根表面积的贡献明显增加.磷高效基因型大麦可通过维持侧根的生长、根细度和比根长的增加来适应低磷胁迫.     

土著从枝菌根真菌(AMF)与不同形态氮对紫色土间作大豆生长及氮利用的影响

在紫色土上,探究接种土著AMF(indigenous arbuscular mycorrhizal fungi)及不同形态氮肥施用对间作大豆Glycine max生长及氮利用的影响,为提高间作大豆对土壤不同形态氮素的吸收与利用,减少土壤无机氮残留提供理论依据。采用盆栽试验,设2种种植方式(大豆单作和玉米/大豆间作),不同丛枝菌根真菌处理[不接种(NM)、接种土著AMF]和3个氮处理[不施氮(N0)、施无机氮(ION120)、施有机氮(ON120)],以期揭示土著AMF和不同形态氮施用对间作大豆生长及氮素吸收利用的影响。结果表明:与N0相比,施ION120和ON120处理显著增加了土壤无机氮的累积量。NM条件下,无论何种施氮处理的间作土壤NH_4~+-N、NO_3~--N含量均低于单作,其中当接种土著AMF时,与单作相比,间作对减少土壤无机氮的积累能力得到进一步加强。无论单作或是间作,相同菌根处理下,ION120和ON120处理的大豆地上部和根系生物量,大豆地上部和根系氮含量及大豆地上部和根系氮吸收量均不同程度地高于N0处理,其中间作-土著AMF条件下,ION120处理的根系生物量、根系氮含量及氮吸收量均显著高于ON120处理。间作-ION120条件下,土著AMF处理的大豆地上部氮含量、吸收量及根系氮含量、氮吸收量较NM处理分别提高了9.8%、69.8%和8.1%、54.8%,四者差异均达到显著水平。除根系氮吸收量外,地上部氮含量、氮吸收量及根系氮含量均在间作-土著AMF-ION120处理下显著提高,间作与土著AMF互作优势明显。间作-土著AMF条件下,ION120和ON120处理的大豆根系氮吸收效率高于N0处理,分别提高了2%和6%。总体来看,土著AMF与ION120氮肥施用对促进间作大豆生长与提高氮素利用率尤为明显,可望减少土壤氮素残留而减轻氮素流失的风险。     

Interspecific interactions affect N and P uptake rather than N:P ratios of plant species: evidence from intercropping

种间相互作用影响植物氮和磷的吸收量而不是氮磷比 量化不同农艺措施下作物氮和磷吸收量(即从农田中移除的量)的化学计量特征对理解农田生态系统中的养分收支和优化氮、磷肥施用至关重要。目前还不清楚在不同的氮肥和覆膜措施下,单作和间作体系作物氮和磷吸收量以及氮磷化学计量特征随整个生长季的变化。本研究探讨了植物种间养分竞争如何对(1) 5种种植模式(小麦、玉米和大麦单作、小麦/玉米和大麦/玉米间作),(2)两种施氮水平(0和225 kg N ha⁻¹)和(3)两种玉米覆膜处理(覆膜和不覆膜)下的作物氮、磷吸收量(以及氮磷比)时间动态的影响。研究结果表明,小麦和大麦的氮、磷竞争能力强于玉米,导致间作体系共生期的小麦和大麦氮、磷吸收量相比于单作增加,而玉米氮、磷吸收量相比于单作减少。3种作物植株氮磷比随作物生长而降低。作物氮磷比不受间作的影响,也不随施氮呈现一致的变化,覆膜降低了玉米的氮磷比。两种间作体系群落水平的氮磷比在成熟期与相应单作不同。由于(1)间作从土壤移除的氮和磷的比例不同于单作,以及(2)作物对氮和磷的吸收在施氮和覆膜下均是不耦合的,这些发现可能对间作系统的养分收支有启示意义。     

不同磷水平下小麦-蚕豆间作根系形态的变化及其与内源激素的关系

采用水培方法,研究了不同磷水平下小麦-蚕豆间作体系根系形态变化及其与内源激素的相关关系。结果表明: 与单作小麦相比,在低磷(1/2P)水平下,小麦-蚕豆间作能显著增加小麦的根长,显著减少小麦根系的平均直径,显著增加根系的表面积;在常规磷(P)水平下,间作能显著降低小麦根系的平均直径,有增加小麦根长和根表面积的趋势;与单作蚕豆相比,间作能明显促进蚕豆根系的增长,同时增加蚕豆根表面积。在1/2P水平下,间作能显著提高小麦和蚕豆根系中的生长素(IAA)、脱落酸(ABA)、水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)含量;在P水平下,间作能显著提高小麦根系中的IAA、ABA和JA含量,单、间作小麦根系中的SA含量没有显著差异,间作显著增加了蚕豆根系中ABA和SA含量,单、间作蚕豆根系中的IAA和JA含量无显著差异。单作条件下,小麦和蚕豆根系中的内源激素(IAA、ABA、SA和JA)含量与其根系形态(根长、根平均直径和根表面积)无显著相关性;间作条件下,小麦和蚕豆根系中的IAA含量与根长和根表面积之间存在明显的正相关关系。由此可见,小麦-蚕豆间作能够诱导小麦和蚕豆根系IAA的增加。这种变化可能是驱动间作系统根系形态变化的重要因子。     

供磷水平对梨砧木生长和15N-尿素吸收利用特性的影响

以一年生盆栽豆梨、川梨、木梨实生苗为试材,采用¹⁵N同位素示踪技术,研究了不同供磷水平(P₂O₅分别为0、50、100、150、200 kg·hm^-2,分别用P₀、P₁、P₂、P₃、P₄表示)对3种梨砧木生长和¹⁵N-尿素吸收、利用特性的影响.结果表明: 随着供磷水平的提高,砧木的株高、地径、干质量、根系总表面积、总根长、根尖数、根系活力、根系呼吸速率、Ndff值和氮素利用率均先升高后降低,但不同砧木升降幅度不同,且各指标出现峰值的磷水平不同.在同一磷素水平下,木梨的株高、地径、干质量均最高,川梨次之,豆梨最低,根系形态指标和根系呼吸速率呈相同规律,而Ndff值和氮素利用率表现不同.在不同磷素水平下,木梨在P₃处理各指标均达到最高水平,而川梨和豆梨分别在P₂和P₁处理各指标均达到最高水平;砧木各器官的Ndff值在不同磷水平下均以茎最高;木梨的最高氮素利用率(种植季的肥料N回收率)为9.6%、川梨为8.9%、豆梨为8.3%.以上结果表明,不同梨砧木生长和氮素吸收利用特性在不同磷水平下响应不同,生产中应根据砧木需磷特性合理施磷.     

供磷水平对梨砧木生长和15N-尿素吸收利用特性的影响

以一年生盆栽豆梨、川梨、木梨实生苗为试材,采用¹⁵N同位素示踪技术,研究了不同供磷水平(P₂O₅分别为0、50、100、150、200 kg·hm^-2,分别用P₀、P₁、P₂、P₃、P₄表示)对3种梨砧木生长和¹⁵N-尿素吸收、利用特性的影响.结果表明: 随着供磷水平的提高,砧木的株高、地径、干质量、根系总表面积、总根长、根尖数、根系活力、根系呼吸速率、Ndff值和氮素利用率均先升高后降低,但不同砧木升降幅度不同,且各指标出现峰值的磷水平不同.在同一磷素水平下,木梨的株高、地径、干质量均最高,川梨次之,豆梨最低,根系形态指标和根系呼吸速率呈相同规律,而Ndff值和氮素利用率表现不同.在不同磷素水平下,木梨在P₃处理各指标均达到最高水平,而川梨和豆梨分别在P₂和P₁处理各指标均达到最高水平;砧木各器官的Ndff值在不同磷水平下均以茎最高;木梨的最高氮素利用率(种植季的肥料N回收率)为9.6%、川梨为8.9%、豆梨为8.3%.以上结果表明,不同梨砧木生长和氮素吸收利用特性在不同磷水平下响应不同,生产中应根据砧木需磷特性合理施磷.     

种间互作和施氮对蚕豆/玉米间作生态系统地上部和地下部生长的影响

为河西走廊绿洲灌区豆科/禾本科间作体系的养分管理提供科学依据,于2007年在武威绿洲农业试验站应用田间原位根系行分隔技术研究了蚕豆/玉米种间互作和施氮对玉米抽雄期的根系空间分布、根系形态和作物地上部生长的影响。研究结果表明:种间互作和施氮均增加了玉米和蚕豆在纵向和横向两个尺度上的根重密度、根长密度、根表面积、根系体积。根长密度和根表面积与两种作物产量和氮素吸收均呈正相关,而与蚕豆的根瘤重呈负相关;抽雄期的土壤含水量与玉米产量和养分吸收呈显著的负相关。玉米根系可以占据蚕豆地下部空间,但蚕豆的根却较少到间作玉米的地下部空间,也就是间作后增加了玉米根系水平尺度的生态位。蚕豆和玉米根系主要分布分别在0-40 cm浅土层和0-60 cm 土层,且间作玉米根系在60-120 cm比单作和分隔的多。因此,种间互作和施氮扩大了两作物根系纵向和横向的空间生态位,改变了作物根系形态,即扩展了两者水分和养分吸收的生态位,增加了作物吸收养分的有效空间,从而提高了间作生态系统的生产力。     

氮和土著AMF对黄瓜间作土壤酶活性及氮利用的影响

设施土壤氮（N）肥的大量不合理施用和高残留是导致作物硝态N含量超标和农业面源污染的主要因素之一。研究土著丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi,AMF）与间作体系强化蔬菜对不同形态N的利用并结合土壤酶活性的反馈作用,可为设施土壤N素的高效利用和降低土壤N残留提供依据。本研究采用盆栽试验,设置黄瓜单作和黄瓜//大豆间作种植模式,不同AMF处理[不接种（NM）、接种土著AMF]和不同形态N处理[不施N（N0）、有机N（谷氨酰胺120mg/kg,ON120）、无机N（碳酸氢铵120mg/kg,ION120）],探讨了设施条件下施用不同形态N、接种土著AMF与间作大豆对黄瓜根围土壤酶活性及氮利用的影响。结果表明,与NM相比,接种土著AMF使设施黄瓜地上部、根系生物量及植株N吸收量均有不同程度的增加,根围土壤NH₄ ⁺-N、NO₃ ^--N含量呈现降低趋势。同一N处理-土著AMF条件下,间作大豆处理下的黄瓜根系菌根侵染率显著高于单作处理;间作大豆也使黄瓜植株地上部、根系生物量及N吸收量显著增加,同时显著降低了根围土壤铵态N含量。此外,间作-土著AMF条件下,ON120和ION120处理的黄瓜根围土壤脲酶活性较N0处理分别提高了30%和14%,蛋白酶和硝酸还原酶活性也呈现出相同趋势。可见,所有复合处理中,以间作体系接种土著AMF与施用适量有机N的组合明显促进了设施黄瓜生长和N素利用率。     

大豆柑桔间作系统中磷的分配和迁移规律研究

用微区试验和³²P同位素示踪技术,比较研究了大豆、柑桔间作和单作条件下,P在大豆和柑桔体中的分配、转移及其在土壤中的迁移规律.结果表明,间作大豆的吸P量和各部位累积P量显著地低于单作大豆;³²P肥料浅施,间作大豆吸收的³²P量显著低于单作大豆;³²P肥料深施,间作大豆吸收的³²P量显著高于单作大豆,但间作不影响P和³²P在各部位的转移和分配.间作柑桔吸收的³²P量显著低于单作柑桔.柑桔新吸收的³²P可快速向地上部分输送,并优先供应生长活跃部位.间作不影响³²P在柑桔各部位的转移和分配,但是P肥深施使柑桔吸收的³²P向地上部分和生长活跃部位的转移速率减慢.间作使土壤中P的生物移动性增强,可促进土壤深层P向土壤浅层迁移.试验结果表明,大豆柑桔间作磷肥的施用深度以保持在20cm以内为佳.     

小麦/蚕豆间作作物生长曲线的模拟及种间互作分析

物种间的相互作用与间作产量优势的形成密切相关,但很少有人注意到种间互作动态.本研究通过2年田间定位试验,运用Logistic分析模拟了不同种植模式(小麦单作、蚕豆单作和小麦/蚕豆间作)和不同磷水平下[P₀,施磷量(P₂O₅)为0 kg·hm^-2(对照);P₁,施磷量(P₂O₅)为45 kg·hm^-2;P₂,施磷量(P₂O₅)为90 kg·hm^-2]单间作小麦、蚕豆的生长模型,分析了作物种间互作的动态变化.结果表明: 小麦/蚕豆间作使小麦产量提高了10.5%~18.6%,蚕豆产量却降低了4.8%~12.3%,但间作系统仍具有产量优势,土地当量比(LER)和相对拥挤系数(K)分别为1.01~1.15 和1.12~3.20.小麦和蚕豆的产量及关键生长参数均受磷水平调控,但LER和K并不受磷水平影响.与单作相比,间作小麦的最大生长速率(R_max)和最初生长速率(r)分别提高21.8%~38.7%和20.7%~38.9%,但间作对蚕豆的关键生长参数无影响.在小麦、蚕豆的生长初期,不同磷水平下,单间作作物的生长曲线无差异;间作群体以种间竞争为主,无间作生物量优势(LER<1,K<1).当蚕豆达到最大生长速率(T_max)后,间作显著提高了小麦的生长速率,降低了小麦的种内竞争压力,表现出间作生物量和产量优势(LER>1,K>1).总之,在不同的生长发育阶段,小麦、蚕豆的相互作用不同,间作提高了中后期小麦的生长速率,为间作优势的形成奠定了基础.     

减量施氮及施肥距离对玉米/大豆套作系统增产节肥的影响

通过田间试验研究了3种施氮水平(RN₁:210 kg N·hm^-2;RN₂:270 kg N·hm^-2;CN:330 kg N·hm^-2)与4个施肥距离(与窄行玉米距离, D₁:0 cm、D₂:15 cm、D₃:30 cm、D₄:45 cm)对玉米/大豆套作系统增产节肥的影响.结果表明: 与CN相比,RN₂下玉米花后的干物质积累量、转移量及对籽粒的贡献率提高1.4%、23.0%、16.0%,玉米穗粒数与单株产量增加1.6%和4.9%;大豆花前的物质积累量、转移量及对籽粒贡献率提高2.1%、37.9%、26.9%,单株粒数与籽粒产量均增加7.3%;RN₂下玉米/大豆套作系统的作物氮素吸收量与氮肥利用率比CN提高5.0%、44.4%,玉米的土壤总氮含量提高4.1%,大豆的则降低0.8%.各施肥距离间,以D₂处理效果较好;RN₂下,D₂的玉米花后(大豆花前)干物质积累对籽粒贡献率、玉米穗粒数(大豆单株粒数)分别比D₁提高57.2%、9.4%,大豆的则比D₄提高335.2%、2.4%;D₂的玉米/大豆套作系统氮素吸收量及氮肥利用率分别比D₁提高15.1%和112.4%,比D₄提高21.4%和66.3%;玉米土壤总氮含量D₂比D₁提高6.6%,大豆土壤总氮含量D₂比D₄提高16.0%.合理的减量施氮和施肥距离有利于玉米/大豆套作系统下作物干物质向籽粒转运,提高作物的单株粒数、百粒重和产量,促进作物氮素吸收与氮肥高效利用,达到节肥增产的目的.     

施磷对鲜食甘薯产量、品质及磷利用效率的影响——以徐薯32为例

为了探索适宜的磷肥用量,提高鲜食型甘薯的经济产量和磷肥利用率,以徐薯32为例,于2018—2019年进行两年的田间试验(土壤有效磷含量为31.70 mg·kg^-1),比较了不同施磷量对鲜食甘薯产量、品质、磷积累和磷利用效率的影响。试验设置5个施磷水平(P₂O₅),分别为0(P₀)、25(P₂₅)、50(P₅₀)、75(P₇₅)和100 kg·hm^-2 (P₁₀₀)。结果表明: 1)与P₀相比,施磷显著提高了鲜薯产量和商品薯产量,以P₇₅处理最高,其次为P₅₀处理,两处理间差异不显著。2)施磷显著提高了薯块中淀粉和还原糖含量,在P₅₀处理下可溶性糖和蛋白质含量显著增加。3)在生育期90～120 d,施磷显著提高了甘薯的磷积累量和干物质积累量。4)磷表观利用率随着施磷量的增加而下降,磷农学效率则随着施磷量的增加先升后降,在P₅₀处理下显著高于其他处理。综合考虑鲜薯产量、品质、经济产量和磷肥利用率,本试验条件下P₂O₅的适宜用量为50 kg·hm^-2。     

玉米与籽粒苋不同种植模式下植物生长及Cd累积特征

为实现Cd污染农田边生产边修复的目标,采用田间原位修复的方式,将玉米与籽粒苋在Cd污染农田中以5种不同的间作模式种植: 交替宽窄行玉米宽行间作单行籽粒苋(T₁)、交替宽窄行玉米宽行间作双行籽粒苋(T₂)、等行距双行玉米间作单行籽粒苋(T₃)、等行距双行玉米间作双行籽粒苋(T₄)、玉米/籽粒苋等4行距间作(T₅),并以玉米(CK₁)和籽粒苋(CK₂)单作种植作为对照,探究不同间作结构配置对作物与超富集植物生长及Cd累积特征的影响.结果表明: 1)与CK₁相比,各间作模式单株玉米的籽粒产量呈增加趋势;T₁间作模式玉米的籽粒产量较CK₁增加10.5%,T₄和T₅间作模式玉米的籽粒产量较CK₁分别减少6.3%和5.4%,T₂和T₃间作模式基本稳产;间作籽粒苋地上部单株生物量及单位面积产量较CK₂分别显著减少69.5%～95.7%和83.9%～96.9%. 2)各间作模式玉米籽粒Cd含量较CK₁呈减少趋势,而间作籽粒苋Cd含量较CK₂呈增加趋势. 3)与CK₂相比,各间作模式籽粒苋的富集系数、转运系数、有效转运系数均呈增加趋势;间作籽粒苋地上部Cd的单株及单位面积提取量较CK₂分别显著减少40.4%～86.7%和70.4%～88.9%;各间作模式玉米与籽粒苋地上部Cd的单位面积提取总量高于单作玉米,但低于单作籽粒苋. 4)各间作模式玉米根际土有效态Cd含量及籽粒苋根际土总Cd、有效态Cd含量分别较单作玉米及单作籽粒苋呈增加趋势,但对非根际土没有显著影响.本研究中,T₁间作模式有利于玉米籽粒产量的提高,T₅间作模式有利于籽粒苋Cd提取量的最大化.