蚕豆/玉米间作促进生物固氮的机制和应用研究
豆科/非豆科间作是分布最广的间作形式。其间作优势主要来自于豆科作物生物固氮能力。关于间作的生物固氮，目前的主要结论为：间作提高了豆科作物的固氮效率(固氮量占豆科作物植株总氮的比例，简称固氮比例)，但由于间作抑制了豆科作物生长，最终降低了豆科作物的固氮量。本小组观察到蚕豆在蚕豆/玉米间作体系中大幅度增产。本研究在此基础上，采用15N自然丰度法，通过对比豆科受抑制的间作、豆科受促进的间作和单作豆科作物的生物固氮，深入探讨了间作豆科作物促进生物固氮的机制。在观察到地上部库强是决定间作豆科作物生物固氮量的基础上，重点分析了蚕豆地上部库强变化的原因、对种间竞争的敏感性和及对干物质分配的影响。本研究对间作改变豆科作物结瘤的根际过程，及根系相互作用时豆科作物干物质优化分配进行了探讨。最后，本研究还利用间作豆科作物生物固氮的研究结果对豆科/非豆科间作体系的氮肥管理进行了研究，得到的主要结论如下：
(1)与单作相比，蚕豆在蚕豆/小麦间作体系中减产32％，尽管蚕豆固氮比例比单作高21％，但由于总氮累积量下降35％，最终间作蚕豆的固氮量比单作低25％，这与以往的结论一致；与此形成对比，本研究发现，蚕豆在蚕豆/玉米间作体系中增产76％，蚕豆的固氮比例与单作没有显著差异，但由于总氮累积量增加了62％，最终固氮量比单作增加95％。
(2)蚕豆的生物固氮量与其生物量、籽粒产量和总氮累积量的相关性都达极显著水平(P＜0.0001)，相关系数分别为0.82、0.86和0.84，而与固氮比例的相关系数为0.53，显著水平也仅为P=0.02，与吸氮量没有显著相关关系，说明间作蚕豆的固氮量受氮竞争的影响，但起决定作用的却是生物量、籽粒产量和总氮累积量，即相对于生物固氮的地上部库强。
(3)本研究中，白云和景滩试验点的蚕豆在蚕豆/玉米、蚕豆单作和蚕豆/小麦三种种植体系中株高、每株分枝数、每枝荚数、每荚粒数和粒重的平均变化幅度分别为11.9％、73.6％、35.3％、9.3％和8.1％；分枝数和每枝荚数与蚕豆生物量和籽粒产量的相关系数均在0.76以上，远高于其它形态特征，说明蚕豆地上部库强的变化主要源于分枝数和每枝荚数的变化；分枝数和每枝荚数随竞争强度的变化系数平均分别为1.19和0.48，远高于其他形态特征，说明蚕豆分枝数和每枝荚数对竞争的敏感性最大；在蚕豆受促进的间作体系中，分配到籽粒中的干物质增加了10％；间作体系中，蚕豆籽粒干物质随秸秆干物质增加的系数在蚕豆/玉米间作体系中为0.65，在蚕豆/小麦中为0.77，而在蚕豆单作中为0.37，蚕豆籽粒干物质随秸秆干物质增加的速度大于单作。这些结果对选择合适的蚕豆品种和间作优势的解释等方面具有较大的意义。
(4)根际过程是影响间作蚕豆结瘤的主要途径，包括：1)、间作通过降低根际硝态氮浓度促进蚕豆结瘤——与玉米间作时的根际硝态氮浓度仅为蚕豆单作的1/10，根瘤数比单作高19.5％、单瘤重比单作高53.8％和根瘤干物质比单作高81.6％；2)、间作可以通过影响根瘤菌侵染方式影响蚕豆结瘤——水培条件下玉米根分泌物使根瘤菌对蚕豆的细胞间侵染方式的数量从每株61下降到每株12。
(5)在发生根系相互作用时，根瘤与豆科作物的其它器官表现出干物质的优化分配规律，主要的证据有：a)、与玉米根系相互作用使蚕豆根冠比降低21％，瘤/根比升高了1.53倍，单瘤重增加1.7倍；b)、种内竞争时，根冠比增加44.7％的豌豆其根瘤生长不变；根冠比不变的大豆其单瘤重增加27％；c)、蚕豆、豌豆和大豆对单瘤重(或功能)的干物质分配都优于形成新的根瘤。另外，根瘤干物质的优化分配规律存在物种特异性。
(6)本研究中，以蚕豆的生物固氮量为参考的蚕豆/玉米间作的氮肥推荐量对间作蚕豆为60kg·hm-2，对玉米为240kg·hm-2，对蚕豆/玉米间作系统为180kg·hm-2，比传统施氮量减少氮肥用量50％，但维持了蚕豆/玉米的系统生产力，并提高了经济效益，说明本氮肥推荐量在试验当地是可行的。
间作;生物固氮;种间相互作用;根际过程;农作物
中国农业大学
博士
植物营养学
张福锁;李隆
2006
中文
S344.2
94
2007-07-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）