施用氮肥是保障作物稳产、增产的关键因素，但过量施用氮肥也是产生环境风险的因子之一^[1-2]。合理施用氮肥具有保障粮食安全和降低环境负面效应的双重意义。因此，减少氮肥施用，协同提高作物产量和氮肥利用效率一直是近年来的研究热点和农业绿色发展的关键^[3-5]。

间作种植模式是一种广泛的种植模式，合理间套作具有提高资源利用率^[6]、增加作物产量^[7]、减轻病害^[8]、增加农田生物多样性和稳定性等优势，是实现农业绿色发展、提高系统生产力的有效途径^[9]。Meta 分析结果表明，合理间作可显著增加作物产量且平均土地当量比为 1.22～1.30^[10]。在豆科与非豆科间作中，种间氮营养生态分化及豆科作物固定的氮可以向非豆科作物转移，促进相邻非豆科作物受益^[11]，玉米大豆间作可以大大提高土地和氮肥利用效率^[12]。

小麦蚕豆间作是云南普遍的种植模式之一，可显著增加小麦产量^[13]、提高氮肥利用效率^[6]，减轻病害^[14]和减少气体排放^[15-16]等，但有关间作体系的最适施氮量和氮肥推荐阈值，特别是兼顾作物产量和氮肥利用效率的最适施氮量目前鲜见报道。为此，本研究通过 2 年的田间定位试验，基于不同施氮水平下的小麦蚕豆间作体系，研究分析兼顾产量及氮肥利用效率的最适施氮量和氮肥推荐阈值，以期为利用合理间作协同产量和氮肥利用效率的提高及间作体系氮肥减施增效养分的管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验点位于云南省昆明市寻甸县云南农业大学现代农业试验基地（23°32′N，102°02′E），年平均气温 14.7℃，年日照时数 2617.4 h。土壤类型为红壤，供试土壤的基本理化性状为碱解氮 80.02 mg/kg，有效磷 16.97 mg/kg，速效钾 146.00 mg/kg，有机质 35.05 mg/kg，pH 7.18。

1.2 试验设计

本试验供试小麦品种为“云麦 52”，蚕豆品种为“玉溪大粒豆”。于 2015、2016 年 10 月中下旬播种，2016、2017 年 4 月下旬收获。

试验采用双因素随机区组设计，A 因素为种植模式，设单作小麦（MW）和小麦蚕豆间作（IW） 种植模式，B 因素为施氮水平，设置 4 个施氮水平，分别为 N0（0 kg/hm²）、N1（90 kg/hm²）、N2 （180 kg/hm² ）、N3（270 kg/hm²），共 8 个处理，每个处理重复 3 次，小区面积为 32.4 m²。

小麦条播，行距 0.2 m；蚕豆点播，行距 0.3 m、株距 0.1 m。小麦单作小区共 27 行（中间 9 行为产区），蚕豆单作共 18 行（中间 6 行为产区），小麦蚕豆间作模式为 6 行小麦间 2 行蚕豆，整个小区 3 个小麦种植带，3 个蚕豆种植带（中间 6 行小麦和 2 行蚕豆为产区）。

供试肥料为尿素（N 46.0%）、普通过磷酸钙 （P₂O₅ 16.0%）、硫酸钾（K₂O 50.0%）。试验处理磷、钾肥施用量均为 90 kg/hm²，作为基肥一次性施入，小麦氮肥分 2 次施入，基肥 50%，拔节期 50%。蚕豆施氮量为小麦施氮量的 50%，且作为基肥一次性施入。

1.3 样品采集及测定方法

1.3.1 样品采集

在小麦成熟期，每小区随机选取 3 点，每点采集面积为 0.2 m × 0.2 m 的植株样品，植株样品在 105℃杀青 30 min，75℃烘干称重。植株样品粉碎过筛，待测植株全氮。土壤样品按小麦采样面积将根系从土壤中整体挖出，用抖土法抖掉与根系松散结合的土壤，再将紧密贴合在根系上的土壤刷下来作为根际样品，用于土壤因子的测定。

1.3.2 测定方法

籽粒产量测定：在成熟期依据划定的产区进行测产，等面积计算产量，全生育期内产区不进行采样操作。

植株全氮采用硫酸-过氧化氢消煮，凯氏定氮法；硝态氮、铵态氮采用氯化钙浸提流动分析仪测定；有机碳采用重铬酸钾－外加热法；土壤全氮采用硫酸消煮，凯氏定氮法^[17]；微生物量碳参照吴浩浩等^[18]的三氯甲烷熏蒸-硫酸钾浸提法测定。

1.4 数据分析

产量变异系数（CV）反映产量稳定性，值越低则表明产量的稳定性越高^[19]，公式如下：

$CV=SD/\stackrel{-}{Y}$

式中，$\stackrel{-}{Y}$表示每个处理的平均产量，SD 表示每个处理产量的标准差。

产量可持续性指数（SYI）范围在 0～1 之间，数值越大则产量越稳定^[19]，公式如下：

$SYI=(Y-SD)/Y_{max}$

式中，$Y$表示每个处理的平均产量，SD 代表每个处理产量的标准差，Y_max 表示产量最大值。

以土地当量比（LER） 反映间作优势，若 LER>1，即表示间作的土地利用效率高于单作。

$\mathrm{L}\mathrm{E}\mathrm{R}=(Yiw/Ymw)+(Yib/Ymb{)}^{\left[13\right]}$

式中，Yiw 和 Yib 分别代表间作总面积上小麦和蚕豆的产量；Ymw和 Ymb 分别代表单作小麦和蚕豆的产量，kg/hm² 。

氮肥表观利用率（RE，%）=（施氮区作物氮养分累积量-不施氮区作物氮养分累积量）/ 氮肥施用量 ×100^[19]；

氮肥农学利用率（AE，kg/kg）=（施氮区产量-不施氮区产量）/ 施氮量^[19]；

氮肥偏生产力（PFP，kg/kg）= 施氮区产量 / 施氮量^[19]。

数据通过 Excel2019 整理后，经 SPSS 24.0 在 0.05 水平下进行方差分析（Duncan 检验法），并用 Origin 18.0 制图。结构方程使用 Amos 17.0 进行拟合，调整自由度、卡方差等相关系数全部最适且不可否决模型。

2 结果与分析

2.1 小麦蚕豆间作产量优势

两年试验点单、间作处理小麦产量均随着施氮量的增加呈上升的趋势，N0～N2 水平小麦单、间作处理产量差异显著，随着施氮量的增加到 N3 水平，产量呈现平稳趋势，且小麦间作在 N1 水平时产量达到小麦单作 N2 的水平，间作优势效果明显，土地当量比随施氮量的增加而递减（表1）。在 N0、N1、N2、 N3 施氮水平下，小麦间作处理较单作产量分别增加 23.00%、20.44%、18.04%、16.79%（2016 年）和 28.50%、28.63%、23.32%、18.25%（2017 年），两年平均增幅分别为 19.57% 和 24.68%。且小麦单、间作处理土地当量比均表现出 N0>N1>N2>N3 的趋势，间作产量优势降低，平均 LER 为 1.13，且在 N0、N1 水平下小麦间作增产效果更为显著。

两年数据结果表明，产量变异系数随施氮水平的提高呈下降趋势，在 N2～N3 水平达到平稳或稍有上升的趋势，但间作较单作而言，产量变异系数均小于或等于单作。产量稳定性指数随施氮量的增加呈上升的趋势，且间作处理产量稳定性系数均大于单作处理（除 N3 水平外），平均增加 3.68%。

注：不同小写字母代表不同施氮水平单间作的差异达到 0.05 显著水平。

2.2 小麦蚕豆间作氮肥利用效率

农学利用率、偏生产力和表观利用率可从不同角度阐述作物对肥料的利用情况，是表征农田肥料利用效率的常用指标。两年结果表明（图1），农学利用率、表观利用率、偏生产力均表现出随着施氮量的增加而降低，在同一施氮量下间作氮肥利用效率均高于单作。在 N1、N2 和 N3 施氮水平下，间作小麦较单作小麦处理的表观利用率分别显著增加 26.48%、16.74% 和 12.09%，平均增加 18.44%； 农学利用率小麦间作分别增加 13.47%、9.43% 和 6.00%，平均增加 9.64%；小麦间作的偏生产力分别增加了 24.54%、20.68% 和 18.20%，平均增加 21.14%。总体表现出 N1>N2>N3，且在 N1～N2 水平效果最为显著。

2.3 小麦蚕豆间作最适施氮量与氮肥推荐阈值分析

2.3.1 小麦蚕豆间作氮肥推荐阈值

通过两年小麦产量数据拟合回归分析显示（图2），小麦单作、间作处理施氮量与产量呈一元二次方程的关系，分别为 y=-0.0369x ² +18.629x+3166.4 （R²=0.9716，P<0.01，n=24）和 y =-0.0435x ² +21.237x+ 3960.7（R²=0.9635，P<0.01，n=24）。随着施氮量的增加，小麦单、间作产量先增加后趋于平稳，单作处理施氮量达到 252 kg/hm² 时产量最大，为 5517.61 kg/hm² ，间作处理施氮量达到 244 kg/hm² 时产量达到最大，最大产量为 6552.71 kg/hm²，继续施氮，产量不再增加，小麦间作施氮量较单作减少 3.28%，最大产量增加 18.76%。根据施氮量与产量的拟合方程关系，当小麦间作达到单作最大产量时所需施氮量为 89.85 kg/hm²，相比单作降低 64.35%。以小麦相对产量的 85%～90% 作为氮肥施用量推荐范围，小麦单作氮肥推荐阈值为 101～128 kg/hm² ，小麦间作氮肥推荐阈值为 90～117 kg/hm²，小麦间作较单作施氮量减少 9.40%～12.22%，增产 18.20%。

2.3.2 兼顾产量和氮肥利用效率的最适施氮量

国际上常用农学利用率作为表征农田氮肥利用效率之一，结合表1 和图1 可知，小麦蚕豆间作增产效果显著，氮肥利用效率高。根据施氮量与产量、氮肥利用效率拟合方程求得最适施氮量，同时兼顾产量和氮肥利用效率两因素，减少环境问题。通过拟合方程可知（图3），随着施氮量的增加，单、间作氮肥农学利用率呈一元二次方程的形式递减 y=-0.0001x ² +0.0114x+14.161（R²=0.7122， P<0.01，n=18）和 y=-0.0001x ² +0.0059x+16.667（R²= 0.777，P<0.01，n=18）。兼顾产量和氮肥利用效率的最适氮肥施用量即二者拟合方程的交点（图3），在单作处理中，当 x=133 kg/hm² 时是能够兼顾单作产量和氮肥利用效率的最适施肥量，此时产量为 4991.33 kg/hm²，而在间作处理中，x=106 kg/hm² 时即可兼顾二者，产量为 5723.06 kg/hm²。小麦间作施肥量较小麦单作降低了 20.30%，产量增加了 14.66%。

2.4 小麦蚕豆间作提高氮肥利用效率的关键土壤因子分析

2.4.1 间作土壤因子与氮肥利用效率的相关性分析

将小麦间作氮肥利用效率与土壤因子进行相关性分析，研究间作提高小麦氮肥利用效率的关键土壤因子。结果表明（表2），C/N、微生物量碳、硝态氮、铵态氮均显著影响小麦对氮肥的利用效率 （P<0.05），但有机碳对小麦氮肥利用效率无显著影响（P>0.05）。C/N 与有机碳、微生物量碳和铵态壤因子。结果表明（表2），C/N、微生物量碳、硝态氮、铵态氮均显著影响小麦对氮肥的利用效率 （P<0.05），但有机碳对小麦氮肥利用效率无显著影响（P>0.05）。C/N 与有机碳、微生物量碳和铵态氮存在显著相关关系，有机碳与微生物量碳、硝态氮有显著相关性，硝态氮与铵态氮间存在显著相关性，说明土壤因子通过复杂的相互作用关系来提高氮肥利用效率。

注：不同大、小写字母分别代表不同施氮水平下间作、单作的差异显著（P<0.05）。^* 代表同一施氮水平下单、间作差异显著（0.01<P<0.05）， ^** 代表同一施氮水平下单、间作差异极显著（P<0.01）。

2.4.2 间作影响氮肥利用效率的关键土壤因子分析

SEM 模型拟合土壤因子铵态氮（NH₄ ⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）、C/N、微生物量碳和有机碳影响氮肥利用交互图是非常吻合的（χ² =9.527， P=0.619，GFI=0.954，RMSEA=0.000）。从图4 中可以看出，间作通过影响土壤铵态氮、硝态氮、 C/N 和微生物量碳显著提高小麦对氮肥的利用效率（P<0.01），硝态氮含量作用最大。C/N 还可通过显著促进土壤微生物量碳含量途径影响氮肥利用效率。结合表2相关性分析与结构方程发现有机碳对氮肥利用没有直接显著的影响 （P>0.05）。

注：^** 表示 P<0.01，^* 表示 P<0.05。

注：MBC 为微生物量碳，SOC 为土壤有机碳；χ² =9.527，P=0.619， GFI=0.954，RMSEA=0.000，^*** 表示 P<0.001，^** 表示 P<0.01，^* 表示 P<0.05。

3 讨论

间作生态位分离是产生间作优势的主要生态机制^[20]，已有不少研究表明，间作可通过共生作物的合理搭配提高资源利用及粮食产出^{[7，11，13]}。这主要是由于间作在时间和空间的生态位互补，实现对光、水、热和养分等资源的利用^[20-21]，增加单位面积的粮食产出。本研究结果显示，小麦产量随着施氮量的增加显著增加，两年平均增幅达 22.12%，且间作小麦在 N1 水平即达到单作小麦在 N2 水平的产量，说明小麦蚕豆间作促进营养物质向生殖器官的转运，增加生殖器官的干物质量，促进养分吸收，实现间作产量优势，这与任家兵等^[13]的研究结果表现出很好的一致性。产量变异系数反映了作物在不同调控措施下产量的变异大小，是衡量作物产量稳定性的重要参数之一，值越小表明产量的稳定性越高，而产量可持续性指数表现出与变异系数相反的趋势，值越大产量越稳定。4 个氮水平下的土地当量比均大于 1，两年的趋势均表现出 N0>N1>N2>N3，且间作变异系数均小于或等于单作，可持续性指数间作大于单作，间作产量优势明显。随着施氮量的增加，土地当量比降低，说明间作优势随着施氮量的增加而降低。因此，协调产量与氮素施用量，分析最适施氮量对于保障间作优势和产量优势有着重要意义。

氮肥表观利用率、农学利用率及偏生产力可从不同角度反映作物对氮素的利用情况。人们普遍认为，禾本科作物和豆类作物间作以后，由于豆科作物的根瘤固氮作用可向相邻的禾本科作物转移一定的氮素，从而促进禾本科作物对氮素的吸收利用^[22]，提高氮肥利用效率^[23]。间作作物比单作作物吸收更多的氮，吸收总氮量显著高于单作作物^[24]。豆科禾本科间作在低投入系统中具有明显的优势，可提高单位土地生产力，减少氮肥施用过量对环境的污染^[8]。肖靖秀等^[25]研究结果表明不同施氮水平下间作可以提高大麦地上部氮素吸收量。本文两年结果表明，小麦间作较单作表现出明显的氮肥利用优势，表观利用率、农学利用率和偏生产力较单作分别增加 18.44%、9.64% 和 21.14%，这与前人研究结果表现出很好的一致性^[8，25]，且相关性分析及结构方程模型结果表明，间作通过影响土壤因子，特别是通过对土壤硝态氮的调控，在一定程度上促进小麦对氮肥的利用，说明小麦蚕豆间作可有效促进作物对氮素的吸收及向籽粒的运输效率，影响土壤因子，提高土壤肥力，促进氮肥吸收。

已有研究表明提高施氮量会增加作物产量，但产量并非持续增加保持线性关系，而是呈抛物线的关系^[26-27]。间作可通过形成不同时空生态位互补的复合群体提高作物单位面积的粮食产出。本研究结果表明，施氮量与产量呈一元二次方程关系，即随着施氮量的增加，小麦产量先增加后达到平稳，单作小麦的最大产量为 5517.61 kg/hm²，此时施氮量为 252 kg/hm²，小麦间作最大产量施肥量为 244 kg/hm²，最大产量为 6552.71 kg/hm²，小麦间作较单作处理施氮量减少 3.17% 的同时增加产量 18.76%，当间作达到单作最大产量时所需施氮量为 89.85 kg/hm²，相比单作降低 64.35%。施氮量增加的同时降低氮肥利用效率，过量的氮肥无法被植物吸收，残留在土壤中造成土壤污染。因此通过将产量、氮肥利用效率与氮肥施用量进行回归分析，求得单作小麦兼顾产量与氮肥利用效率的最适施氮量为 133 kg/hm²，间作小麦兼顾产量与氮肥利用效率的最适施氮量为 106 kg/hm²。与单作相比，间作可降低施氮量的 20.30%，同时保证植株对氮肥的利用效率，这与 Yin 等^[1]基于 3824 个点主要作物最佳施氮量可显著减少氮肥施用量 21%～28% 的研究结果相一致，间作优势效果显著。

4 结论

小麦蚕豆间作显著提高小麦产量和氮肥利用效率，与单作相比，间作小麦最高产量增加了 18.76%，综合产量和氮肥利用效率，间作小麦推荐施氮量为 106 kg/hm² ，较单作施氮量降低 20.30%，增产 14.66%。充分体现了小麦蚕豆间作体系兼顾产量和氮肥利用效率施氮量的间作优势。

参考文献