禾本科‖豆科间作对土壤微生物影响的研究进展

间作是农业可持续发展的一种重要种植模式,对土壤微生物结构组成产生重要影响,在改善土壤质量方面发挥着重要作用。本文综述了禾本科‖豆科间作对土壤细菌、真菌和有益微生物产生的影响,从数量、多样性和菌属丰度变化等方面进行总结,提出了加强多种禾本科‖豆科间作系统对微生物的影响研究,并结合现代分子生物技术(高通量测序、稳定同位素探针和组学技术等)研究微生物种群在间作系统中的作用,为进一步探究禾本科‖豆科间作产生优势的微生物学机理提供一定的参考依据。

紫花苜蓿/豆科牧草间作的生态效益分析

为探究我国半干旱区紫花苜蓿(Medicago sativa)/豆科牧草适宜间作模式,本研究采用完全随机设计,以紫花苜蓿单作为对照,研究紫花苜蓿/3种豆科牧草(毛苕子(Vicia villosa)、箭筈豌豆(Vicia sativa)和豌豆(Pisum sativum))间作对土壤水分、杂草、捕食性节肢动物、饲草产量、水分利用效率和食物当量的影响。与紫花苜蓿单作相比,紫花苜蓿/毛苕子、紫花苜蓿/箭筈豌豆和紫花苜蓿/豌豆间作的紫花苜蓿全生育期干草产量分别提高30.2%,45.2%和61.3%;水分利用效率分别提高6.1,8.8和12.1 kg·hm^(-2)·mm^(-1),食物当量分别提高26.74%,19.96%和53.28%。紫花苜蓿/豆科牧草间作显著降低土壤贮水量(P<0.05)、杂草密度和生物量,显著提高田间捕食性节肢动物密度、饲草产量、水分利用效率和食物当量,尤其紫花苜蓿/豌豆间作。紫花苜蓿/豌豆间作更有益于维持农田生态系统多样性和保持作物产量,可作为我国半干旱区可持续农业1种可行有效间作模式。

三种豆科作物与玉米间作对玉米生产力和种间竞争的影响

合理的种间配置是间作系统中作物获取高产,种间相互作用发挥优势的关键。本研究设置蚕豆/玉米(M/F)、大豆/玉米(M/S)和豌豆/玉米(M/P) 3种豆科作物与玉米间作模式,以及相应单作种植,通过测定单间作条件下作物产量、生物量,明确3种豆科作物与玉米间作对间作玉米生产力和间作作物种间资源竞争力的影响。结果表明,3种间作模式均具有间作优势,土地当量比(LER)均大于1,两年平均土地当量比分别为1.38 (M/F)、1.19 (M/S)、1.26 (M/P);两年结果均是M/S中玉米产量最高,至收获期,与大豆间作的玉米产量可达单作玉米产量的93.6%(2017)和71.2%(2018);M/S中玉米的穗粒数显著高于M/F和M/P中;地上部生物量及采样期平均生长速率均表现为M/S>M/P>M/F;共生期内大豆相对于玉米的资源竞争力(Asm)随共生期推进逐渐降低,而蚕豆相对于玉米的竞争力(Afm)和豌豆相对于玉米的竞争力(Apm)逐渐升高;玉米单独生长时期3种间作模式玉米的补偿效应(CE)无显著差异,各间作模式两年平均CE值均小于1;因此,在本试验条件下,甘肃河西走廊灌区玉米与大豆间作是保证间作玉米稳产的有效措施。

玉米与不同豆科作物间作对氮素的竞争与恢复效应

【目的】竞争和恢复是间作群体优势的重要机理。本研究分析比较玉米与不同豆科作物间作共生期对氮的竞争,单独生长期氮吸收的恢复效应,以及氮竞争和恢复效应对间作模式氮吸收间作优势的影响。【方法】田间试验于2018—2019年在甘肃省农业科学院张掖试验站进行。共设置玉米/豌豆间作(maize/pea,M/P)、玉米/蚕豆间作(maize/faba bean,M/F)、玉米/大豆间作(maize/soybean,M/S)3个间作体系和单作豌豆(sole pea,SP)、单作蚕豆(sole faba bean,SF)、单作大豆(sole soybean,SS)、单作玉米(sole maize,SM)4个单作体系。测定豆科作物和玉米收获期作物的干物质量和氮浓度,计算间作体系作物的偏氮吸收当量比(partial nitrogen uptake equivalent ratio,pNER)和间作体系的氮吸收当量比(nitrogen uptake equivalent ratio,NER),玉米相对于豆科的氮竞争比率(competitive ratio of maize to legume,CR_(ml)),豆科作物收获后玉米的氮素吸收量和吸收速率。【结果】M/P、M/F和M/S的NER均大于1,两年平均分别为1.33、1.26和1.38。3个间作体系中,豆科作物的pNERl无显著差异,M/S中玉米的pNER_(m)显著高于M/P和M/F。间作豆科作物的氮浓度与其单作相比无显著差异,但氮吸收量显著低于单作。M/P、M/F和M/S体系中玉米植株的氮浓度无显著差异,而玉米氮吸收量分别相当于单作玉米的62.2%、51.0%和79.9%,M/S体系玉米氮吸收量较M/P和M/F分别提高了33.4%和62.6%。M/S体系CR_(ml)大于1,M/P和M/F的CR_(ml)值均小于1。各间作体系玉米恢复效应2019年高于2018年,但值均小于1。CR_(ml)与NER和pNER_(m)呈显著正相关,与pNERl呈显著负相关。【结论】两年的试验结果表明,河西走廊灌区玉米/豌豆、玉米/蚕豆和玉米/大豆间作体系的氮吸收当量比均大于1,相对单作具有氮吸收间作优势。玉米/豌豆、玉米/蚕豆和玉米/大豆体系共生期存在氮竞争,豌豆和蚕豆对氮的竞争强于玉米,大豆的氮竞争弱于玉米。豆科作物收获后,各体系玉米单独生长期无氮吸收恢复效应。

三种豆科作物与玉米间作对水分利用的影响

在甘肃河西灌区，对蚕豆、豌豆、大豆3种豆科作物与玉米间作下水分利用情况进行了研究，结果表明：在不同时间和氮水平下，3种豆科作物土壤水分含量变化不同。3种豆科作物与玉米间作相对于单作，不施氮条件下，蚕豆／玉米间作水分用量（WU）减少5．05％，水分利用效率（WUE）增加26．23％；大豆／玉米间作WU和WUE分别减少0．97％、23．12％；豌豆／玉米间作WU增加13．05％、WUE减少17．08％。在225kg／hm^2氮水平下，3种豆科作物与玉米间作相对于单作WU减少3．69％～7．26％，蚕豆／玉米和豌豆／玉米间作相对于单作WUE增加33．33％和23．45％，而大豆／玉米间作肌压减少12．92％。

河西走廊玉米与豆科作物间作田化学除草及对作物安全性的研究

玉米与豆科作物复合种植是河西走廊地区重要的粮经作物栽培模式,杂草危害是该复合种植体系中普遍存在的重要问题。本文采用田间裂区试验设计的方法研究了5种除草剂(或配方)对玉米与3种豆科作物-大豆Glycine max、赤小豆Vigna umbellata和菜豆Phaseolus vulgaris间作田杂草的防除效果和对两类作物的安全性。结果表明,除草剂对杂草的防效为81.67%~91.55%,显著高于当地常规玉米单作的化学除草处理(P<0.05),5种药剂处理对苗期玉米无明显药害,而对3种豆科作物幼苗均有不同程度的不利影响。玉米收获期900 g/L乙草胺EC、900 g/L乙草胺EC+87.5%2,4-滴异辛酯EC和900 g/L乙草胺EC+10%唑嘧磺草胺SC 3种药剂处理条件下三种间作组合的玉米+豆科作物总产量均高于空白对照,且与各自的人工除草处理相当或更优;本试验5种药剂处理条件下玉米与3种豆科作物间作组合的玉米+豆科作物总产量均与玉米单作常规化学除草处理相当或更优。研究结果可为西北河西走廊地区玉米与豆科作物间作模式下田间杂草的安全、高效化学防除提供技术参考。

减量施氮间作豆科绿肥压青对甘蔗农艺性状及产质量的影响

试验设置2个施氮水平(纯N 472.5、236.3 kg/hm^(2))和3种种植模式(甘蔗单作、甘蔗/大豆间作压青、甘蔗/绿豆间作压青),研究减量施氮间作豆科绿肥压青对甘蔗农艺性状、产量及品质的影响。结果表明:在土壤氮水平较高的条件下,减量施氮对甘蔗生长及产量没有影响,相反,氮肥减量处理甘蔗平均产量比常规施氮量处理增产13590 kg/hm^(2)。氮肥减量可提高甘蔗蔗糖分含量,氮肥减量处理平均蔗糖分含量比常规施氮量处理提高1.02百分点。甘蔗间作绿豆压青可促进甘蔗生长,甘蔗产量比甘蔗单作增产10.27%,而甘蔗间作大豆压青对甘蔗生长有一定影响,甘蔗产量比甘蔗单作甘蔗减产1.45%。甘蔗间作豆科绿肥压青有利于甘蔗蔗糖分积累,间作绿豆压青比甘蔗单作蔗糖分含量提高0.88百分点,间作大豆压青比甘蔗单作蔗糖分含量提高0.59百分点。综合甘蔗农艺性状、产量、甘蔗蔗糖分含量、经济效益等方面分析,以甘蔗/绿豆间作且氮肥减量50%处理最优。

玉/豆间作产量优势中补偿效应和选择效应的角色

竞争和补偿是间作体系产量优势发挥的主要生态学原理之一。于2017—2020年在甘肃张掖开展田间试验,试验包括3个玉米/豆科间作体系,即玉米/豌豆(maize/pea,M/P)、玉米/蚕豆(maize/faba bean,M/F)、玉米/大豆(maize/soybean,M/S),4个单作种植体系,即单作豌豆(sole pea,SP)、单作蚕豆(sole faba bean,SF)、单作大豆(sole soybean,SS)、单作玉米(sole maize,SM)。通过测定单间作条件下作物产量,分析间作作物增产率、豆科对玉米竞争力(aggressivity,A)、间作体系土地当量比(land equivalent ratio,LER)、净效应(net effect,NE)、补偿效应(complementarity effect,CE)和选择效应(selection effect,SE),以明确补偿效应和选择效应在3个间作体系产量优势发挥中的角色。结果表明:4年平均,M/P、M/F和M/S的LER分别为1.30、1.31和1.13,大豆偏土地当量比小于0.5,豌豆和蚕豆偏土地当量比大于0.5,玉米偏土地当量比均大于0.5;豌豆、蚕豆和大豆的增产率分别为53.3%、81.4%和–14.9%,与之间作的玉米增产率分别为13.0%、–5.8%和32.3%;豌豆和蚕豆相对玉米的竞争力大于0,大豆相对玉米的竞争力小于0;M/P和M/F的补偿效应显著高于M/S,而M/S的选择效应显著高于M/P和M/F;LER与补偿效应显著正相关,与选择效应显著负相关;豆科作物增产率与补偿效应显著正相关,与选择效应显著负相关;玉米增产率与选择效应显著正相关;综上,M/P和M/F的产量优势主要来源于补偿效应,M/S体系产量优势主要来源于选择效应。

燕麦和紫花苜蓿对镉、铬富集研究

为探究Cd^(2+)、Cr^(3+)复合污染对燕麦和紫花苜蓿生长发育的影响以及燕麦和紫花苜蓿对Cd^(2+)、Cr^(3+)复合污染土壤的修复作用,该文以燕麦和紫花苜蓿为试材,在实验室条件下,将燕麦、紫花苜蓿以单作(将燕麦和紫花苜蓿分别种植在相同浓度的培养液中)和间作(将燕麦和紫花苜蓿分行种植在同一浓度的培养液中)2种种植模式下的幼苗用浓度0、5、10、15、20 mg/L的1/2 CdSO_(4)-HoagLand水培液和浓度0、25、50、75、100 mg/L的1/2 CrCl_(3)-HoagLand水培液1∶1复合胁迫处理,最终检测2种模式下植物的各项指标和体内重金属的富集量。通过分析可溶性糖、丙二醛等指标的变化,说明2种种植模式下的紫花苜蓿幼苗抗逆性优于燕麦;2种种植模式下紫花苜蓿对重金属镉、铬的富集能力均强于燕麦;在复合胁迫下,燕麦在间作模式下对铬富集量高于单作模式;燕麦体内重金属铬的富集量明显高于镉,但远不及紫花苜蓿体内重金属镉、铬富集量。结果表明,对重金属镉的富集,燕麦和紫花苜蓿均间作模式优于单作模式;对重金属铬的富集,紫花苜蓿单作模优于间作,而燕麦间作模式优于单作。同等情况下,紫花苜蓿对2种重金属的富集能力优于燕麦。

豆科禾本科间作促进磷高效吸收利用的地下部生物学机制研究进展

磷是不可再生资源,磷素营养的高效利用一直是人们关注的热点。豆科禾本科间作可提高土壤磷有效性、改善作物磷营养而提高作物生产力。近年来,相关机理研究越来越深入。本文综述了国内外豆科禾本科间作对土壤磷及作物磷素吸收利用的影响,从作物根系形态、根构型、根系分泌物(质子、低分子量有机酸、磷酸酶)、菌根、根际微生物的角度,阐述了豆科禾本科间作提高土壤磷有效性、促进磷高效吸收利用的机制,对进一步深入理解豆科禾本科种间互作响应磷素的根际过程具有十分重要的意义。最后,从定量化研究及间作群体互作方面对今后的研究方向进行了展望。