四川农业大学 学位论文开题报告 论文题目： 施磷对麦玉豆间套作体系磷利用 效率及土壤氮、磷养分变化的影响报 告 人： 周涛 学 号： S20122802 申请学位： 农学硕士 学科专业： 植物营养 所在学院： 资源环境学院 指导教师： 陈远学 报告时间： 2013.6 四川农业大学研究生处制表1论文选题的理由或意义磷是植物必需营养元素之一，磷素的投入一直被认为是维持动植物产品产量,满足全球食品需求的重要手段（沈善敏，1985)。但在大多数土壤中磷肥利用率低，研究表明我国当季磷肥利用率只有10-20%（吴萍萍 等, 2008）。然而近年来我国的的氮、磷等化学肥料的施入量大于同期国际水平(Ferrise et al, 2010; Liang et al, 2011)，磷的生物有效性已成为近年来世界上许多科学家关注的焦点(Lee et al, 2008; Taddesse et al, 2008; Vu et al, 2008)，更好的磷素管理对于生产需求和环境友好都是必要的(Borda et al, 2011)。经过科研人员的努力近几年磷肥利用率提高时有报道 (Hu et al,2012; Liu et al, 2013; Wang et al, 2012a)。作物磷肥利用率的高低不仅与作物本身营养效率有关，而且与土壤供磷水平；种植制度、模式关系密切。同时，磷元素在土壤中富集并向水体中转移从而带来一系列的环境问题，在保证作物产量的前提下，研究合适的种植模式和肥料管理方式，减少磷素在土体中的积累和向水体中转移、流失，提高磷肥的利用效率是当下亟待解决的问题。间套作是我国传统精细农业的重要组成部分，绝大多数间套作的土地当量比都大于1，对促进农业可持续发展具有重要作用。由于其对光、热、水、肥等资源的有效利用(Harris D et al, 1987; Xu et al, 2008 )，我国每年至少有2.8108公顷耕地是以间套作模式耕种(Li et al, 2007)。研究表明间作或套作种植模式可以提高氮、磷的利用效率，禾本科与禾本科植物套作适当的增加氮肥用量可以提高作物产量和氮的利用效率（Li et al, 2011a）,同样禾本科与豆科植物间作土壤氮积累量小于禾本科与禾本科作物间作(Li et al, 2011b)。玉米与大豆、玉米与蚕豆间作均表现出磷素吸收利用率大于其相应单作（Li et al, 2007; Zhou et al, 2009)。但是在酸性土壤上蚕豆与玉米间作并没有提高磷肥利用效率(Li et al, 2010)。土壤肥力变化受施肥的影响巨大，长期施用化学肥料（以氮、磷为例）会增加土壤中无机氮和磷的累积（Aim et al, 2012）土壤中大量的氮、磷积累会对环境形成不同程度的污染（Duncan et al, 2012）。四川地区光热资源三熟不足，两熟有余，该地区的间套作模式在小麦收获后种植大豆，前期为小麦玉米间作、后期为玉米大豆间作，这种模式使得种小麦的条带一年种植两季，从而更能提高其肥料利用效率。因此，本选题将延续课题组对“小麦/玉米/大豆”间套作体系的研究工作，在初步弄清该体系下小麦、玉米对磷肥的吸收利用规律的基础上，继续探讨连续多年对紫色土不同施磷处理后，“麦/玉/豆”体系作物的磷肥利用效率和该体系土壤磷向环境中流失的潜力，以及土壤的氮、磷肥力的变化特征。 为该体系氮、磷特别是磷肥施用管理提供依据。2 国内外关于该课题的研究现状及趋势2.1 作物间套作2.1.1 间套作的定义及发展简史间作是指，在一块土地上，大部分或全部时期按一定行数的比例间隔种植两种或以上作物的栽培方式(Vandermeer, 1989)，间作的两种作物共生期较长；而套作则是指在一种作物生长的后期才种上另一种作物，它们共生期比较短(史茜莎，2009)。早在公元前 1世纪的西汉，中国的氾胜之书 中就已经有了关于瓜豆间作的历史记载。而在公元6世纪的齐民要术一书中，也详细叙述了桑与绿豆或小豆间作的经验。明代以后就陆续普遍出现了麦豆间作、棉薯间作等间作模式，其他作物的间作也得到了一定的发展。而套作在中国的起源也比较早，在公元6世纪的齐民要术一书中，同样就已有大麻套种芜菁的历史记载；紧接着明代的麦、棉套种和早、晚稻套种等也得到了一定的发展；中国是世界上实行套作最普遍的国家之一。现在间套作种植模式在世界各国广泛分布，在中国西北地区，小麦/玉米，小麦/大豆，小麦/蚕豆和玉米/蚕豆等间作体系被用来增加作物产量（Li et al, 1999; Li et al, 2001a; Zhang et al, 2003）；西南区以前主要是以小麦/玉米/甘薯为主，进几年逐渐发展为小麦/玉米/大豆间套作模式占主导地位；在非洲，豆科作物与禾本科作物间作或者混作用来维持产量并改善土壤肥力（Agegnehu et al, 2006;Akinnifesi et al, 2006; Waddington et al, 2007）；在欧洲国家，小麦与豆科作物间作用来提高小麦的品质（Gooding et al, 2007）；在巴西，豆科与玉米间作用来增加收入和粮食产量（Cardoso et al, 2007）；在加拿大，春小麦、卡诺拉和豆科间作可用来控制杂草；在北美洲，冬小麦或黑小麦与红苜蓿间作可用做饲料供给并为下季作物提供氮源,等等。2.1.2 间套作提高作物产量间套作提高作物产量 研究表明，经过连续四年种植，玉米/蚕豆间作体系持续增产，与单作相比，玉米增产43 %，蚕豆增产26 %（Li et al, 2007）；小麦/玉米和小麦/大豆间作也在该地区获得了类似的产量优势（Li et al, 2001a）；小麦/玉米/大豆间套作LER1,产量高于传统小麦/玉米/甘薯间套作模式28.02%（雍太文 等, 2012a）。一些间作体系增加了一种间作作物的产量而降低与其间作的作物产量或者两种间作作物的产量均降低了，但是整个体系的产量却高于单作。埃塞俄比亚画眉草/蚕豆间作减少了埃塞俄比亚画眉草的籽粒产量，但是整个体系的土地当量比为1.13-1.32，表现出明显的间作优势（Agegnehu et al, 2006）；尽管玉米和大豆的产量都因间作而降低了，但是整个体系的土地当量比为1.30-1.45（Prasad and Brook, 2005）；相似的间作降低了玉米的产量，但是间作玉米的土地当量比高于单作玉米31 %（Cardoso et al, 2007）；与蚕豆间作降低了小麦的产量，但是间作体系的产量高于单作体系（Agegnehu et al, 2008）。然而，并不是所有的间作体系都能产生间作优势增加产量。玉米与豇豆、甜豆、花生连续间作12 年均未增加玉米的产量（Waddington et al, 2007），相似的结果也在豌豆/大麦间作体系中发现（Hauggard-Nielsen et al, 2006）。这些研究结果表明，间作作物组合、间作作物所占面积的大小以及气候条件都极大的影响着间作优势的发挥。农田耕作措施如播种时间、作物密度（Hauggard-Nielsen et al, 2006）和肥料的投入（Fan et a., 2006）都影响着间作生产力（Li et al, 2001a; Midmore, 1993; Prasad and Brook, 2005）。四川以及中国西南区光热资源三熟不足，两熟有余。因而间套作是该区域旱地作物的主导模式，而近年又以小麦/玉米/大豆间套作模式为主。2.1.3 间套作提高氮素利用效率间套作的营养优势 间套作种植模式中作物对养分的吸收利用率明显高于单作。禾本科与禾本科作物间作（小麦、玉米），在其共期小麦对玉米为负效应，小麦收获后玉米在近2个月的生育期内强势反弹，最终二者的氮肥利用率均提高(Li et al, 2001b)称其为竞争-恢复理论。在中国西北地区，小麦/玉米和小麦/大豆间作均显著的增加了作物的吸氮量，分别比单作条件多吸收了87-91 kg N /ha 和58 kg N /ha（Li et al, 2001a）。同时间作模式还可以降低土壤硝态氮的积累(Li et al, 2005)，玉米与蚕豆间作比小麦与蚕豆、小麦与玉米间作吸收量更大。禾本科与豆科作物间作优势更明显，2007-2008年度“麦/玉/豆”体系中的玉米地上总吸氮量比单作和“麦/玉/薯”体系分别高18.05%和14.96%，最终使得在地上环境相同的条件下，玉米产量比单作和“麦/玉/薯”体系高35.73%和7.01% (雍太文 等, 2012a)。豆科/禾本科间作豆科作物可以利用生物固氮并把固定的氮部分转移给禾本科作物，减少了同禾本科作物的氮素资源竞争。早在1981年(Eaglesham et al,1981)有人利用15N稀释法研究玉米/豇豆的氮转移，豇豆固定氮量的24.9%转运给了玉米，之后类似的研究很多Jordan等(1993)用15N标记证明玉米从苜蓿中获得的氮占其总吸氮量的8%。其他研究人员发现豆科体内2%17%的氮素发生了转移(华珞 等，2001；Shen Q-R et al，2004；王平 等，2010)。对于麦/玉/豆、麦/玉/薯两种间套作体系，雍太文采用根系分隔盆栽试验和15N土壤稀释标记法，研究表明两体系各自的3种作物间均存在氮素转移现象(雍太文 等, 2009a,2009b)。进一步的研究发现，麦/玉/豆的15N 转移量和转移强度高于“麦/玉/薯”，各作物之间的15N 净转移方向为玉米向小麦，大豆向玉米，玉米向甘薯（雍太文 等，2012b）。2.1.4 间套作提高磷素利用效率间套作体系中磷素利用效率 对于间套作体系中营养元素磷的研究较多、且深，主要是集中在豆科和禾本科作物间作对磷的利用效率上。研究表明，禾本科和豆科植物吸收利用的磷来自土壤不同的磷库，这样就减轻了两种作物为同种资源的竞争(Li et al, 2007)。另外(以玉米和蚕豆为例)豆科作物和间作禾本科植物的根系分布是兼容的，豆科植物的根系位于禾本科植物之上，且占据的土体积小于后者(Li et al, 2006)。同时玉米的生长需要吸收大量的磷，研究发现当玉米根吸收大量磷后蚕豆的根会分泌有机酸活化土壤中难溶态磷供二者吸收(Zhou et al, 2009; Li H-G et al, 2010 )。对以上根系形态和豆科植物分泌有机酸活化难溶态磷的研究主要有以下阐释。研究认为，当土壤有效磷含量不能满足作物生长需求时，豆科植物的根系会分泌有机酸使根维酸化，当根维pH下降2个单位时有机酸活化释放的磷可以达到平常的10倍，同时豆科植物的根也会分泌酸性磷酸酶分解土壤中的有机磷(Li et al, 2007)。在其他研究中也发现豆科植物比单子叶、双子叶植物能分泌更多的有机酸(Raghothama , 1999)，但在酸性土壤上这种作用并不明显(Li et al, 2010)。第二个最大的影响因素根系形态，根系互作是间套作体系中提高磷利用效率的又一大因素。间作小麦和单作小麦相比根更长，比表面积更大，占有更大的土体积，小麦与玉米间作玉米处于劣势（Li et al, 2006）。小麦与玉米间作，小麦的根生长在玉米根下面，间作玉米的根大概只能生长20cm、而单作玉米的根生长为40cm，小麦与玉米的根系互作使玉米的根更短更细，从而影响其地上部长势(Li et al, 2011a)。玉米与蚕豆间作时，二者的根系是