大豆和玉米间作影响东北黑土地力的根际生态机制研究

豆科与禾本科作物间作是一种高产、稳产、高效、低耗、可持续的种植体系，在农业可持续发展及人与自然和谐共处方面非常重要。针对东北地区大面积玉米单作连作后土壤肥力下降过快、连年依靠化学肥料投入保持高产、环境风险日益加大的现状，本研究拟采用大豆与玉米间作的田间小区试验方法，重点研究大豆和玉米间作后对产量和品质的影响以及复合群体保持黑土肥力的根际生态过程，为实现高产、高效、环境友好的三重目标和保持黑土的可持续生产能力具有重要科学意义。研究拟采用大豆单作、玉米单作、大豆和玉米间作三种种植模式，田间设置0、150、300 N kg/ha三个施氮水平，主要依据间作区土壤肥力变化、豆科作物结瘤状况、根系形态分布特征及根际土壤无机氮浓度变化，地上部产量和品质变化及碳氮协调关系，阐明大豆与玉米间作复合群体中，种间相互作用促进大豆结瘤固氮及提高黑土地力的根际过程及机制，为东北地区未来农业的可持续发展提供理论依据。

东北地区春玉米生产中每年40-60%以上的播种面积重茬。长期单作连作使土壤中营养元素缺乏、有机质降低、地力退化、病虫害发病率增加、玉米减产。为了保证粮食产量，农药化肥投入增加、环境压力加大。本研究针对这一问题，采用玉米大豆带状间作种植方式，利用密植高产和生态位互补原理，构建复合高产间作群体。年内间作可保证玉米产量，额外获得大豆产量，实现节本增效，农民增收。年际轮作，可提高土壤地力，改善生态环境，实现农业可持续发展。基于这一点，本研究于2012至2014年在吉林省长春市吉林大学农业教学科研实习基地进行了玉米和大豆4比4间作轮作田间试验，采用田间原位剖面根系取样法和Win-Rhizo软件分析了间作作物根系分布和形态变化规律，同时测定间作生态系统中土壤剖面无机氮浓度随作物生长发育的动态变化规律，同时采用15N稳定同位素自然丰度法研究了在玉米/大豆种间相互作用和氮梯度影响下大豆结瘤固氮的动态变化规律。获得的主要结论如下：①间作群体籽粒产量无显著增加，但土壤有机质呈上升趋势；②与单作系统相比，间作复合系统可显著提高系统应对突发自然灾害的能力（2012年8月台风、2013年春旱、2014年夏秋干旱）；③间作对籽粒品质（蛋白质、脂肪、油分）影响不显著；④春播推迟显著降低籽粒产量；⑤间作可显著降低土壤剖面无机氮残留量，提高氮素当季回收率；⑥氮肥施用量增加，玉米边行优势有降低趋势；⑦间作和施氮均显著提高了玉米氮素积累和生产力。在低氮量条件下，间作玉米的生长和产量与单作相比无显著差异；在高氮量条件下，玉米和大豆氮素收获指数均提高，因此，间作复合系统需要适宜的养分供应才能充分发挥间作优势；⑧土壤剖面无机氮残留量随施氮量增加而显著增加，但随作物生长进程推进而逐渐降低。在玉米和大豆生育前期，间作系统和单作系统土壤剖面无机氮浓度无显著差异，在两作物生长后期，间作系统中无机氮浓度显著降低；⑨玉米/豆间作扩展了两作物根系在水平尺度上的空间生态位，并达到两作物根系垂直尺度上的互补。间作玉米根长密度和根重密度显著增加，玉米根系分布在各个土层且向深层土壤分布，并可以深入大豆根区，而大豆根系主要分布在浅土层且相对很少分布于玉米根区；⑩大豆生物固氮与结瘤呈显著正相关，根瘤重在全生育期与其固氮能力显著相关，大豆结瘤数与其地上部生长和氮素吸收在全生育期均呈正相关，间作大豆根瘤数和根瘤重与单作相比显著增加。