施肥位置与杂草管理对间作玉米、马铃薯生长和产量的影响

张晓云，吴伯志，吴开贤，张磊磊，李永贤，李 建，王 超

（云南农业大学农学与生物技术学院，昆明 650201）

精准施肥是提高肥料利用率的有效措施和主要发展趋势之一。在植株个体水平，精准施肥可以体现在三个方面：一是养分供给时间与作物养分需求契合，即肥料运筹；二是养分配比和肥料用量与作物需求一致，即平衡施肥；三是空间上的施用位置能够有效降低肥料损失，便于作物吸收。该精准施肥方式中的第三点受重视相对较少。目前，许多研究表明肥料深施或根区施肥能够显著地提高作物产量[1-3]，在土壤耕层的水平方向上，改变施肥位置对小麦[4]、大豆[5]、玉米[6]、水稻[[7]等作物的生长和产量具有显著的影响。

除草是农业生产中的主要管理措施之一。杂草和肥料在调节作物生长中存在相互影响。从杂草管理对作物利用肥料来看，杂草直接消耗养分，或恶化作物群体生态环境 (如降低冠层光照、增加冠层湿度、为作物病虫害提供生境) 后对作物利用肥料形成障碍[8-9]。从施肥对杂草生长来看，大量研究证实施肥能够影响杂草群落的组成及动态[10-13]。然而，就施肥位置对杂草的影响研究报道不多，且主要来自国外[14-16]。同时，这些研究多基于单作群体探讨施肥位置与杂草在影响作物生长过程中的关系，而缺乏对间作条件下的研究。与单作相比，间作条件下作物需要同时适应种内和种间邻株个体的竞争和养分的不均匀分布，此时作物对施肥位置的响应与单作存在差异[17-18]。因此有必要研究基于多样性种植群体的施肥位置和杂草在影响作物生长和产量中的关系。

玉米-马铃薯间作是重要的作物多样性种植模式，被大量研究和生产实践证实能够显著提高土地生产力，在山区生产中有较大面积的推广与应用[17-19]。本研究以该间作模式为对象，分别在除草和不除草的情况下设置3种施肥位置 (均匀施肥、种间行施肥、种内行施肥)，通过对作物产量和生长的研究，明确施肥位置与杂草在影响作物生产力中的关系，以期为该种植模式生产中的化肥施用和杂草防控提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年在云南省昆明市寻甸县仁德镇云南农业大学试验教学基地 (25°31′07″N，103°16′41″E)进行，该地区海拔1860 m，年均气温14.7℃、年均降水量960.0 mm，降水主要集中在5—9月，属亚热带高原季风气候。该试验地土壤为水改旱红壤，前茬作物为蚕豆。试验前取0—25 cm耕层土样，土壤基本肥力状况为有机质含量22.97 g/kg (重铬酸钾容量法—外加热法)、全氮1.09 g/kg (凯氏定氮法)、碱解氮90.1 mg/kg (碱解扩散法)、全磷0.82 g/kg (钼锑抗比色法)、速效磷10.7 mg/kg (0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法)、全钾19.07 g/kg和速效钾143.7 mg/kg (火焰光度计法)，pH值为7.92 。试验地的主要杂草为马唐 (Digitaria sanguinalisL.)、花叶滇苦菜(Sonchus asperL.)、牛筋草 (Eleusine indicaL.)、鬼针草 (Bidens pilosaL.) 和狗尾草 (Setaria viridisL.) 等，其中杂草优势种为鬼针草。

1.2 试验设计

试验选择玉米‘云瑞88’和马铃薯‘会-2’为研究材料。间作采用生产中应用较为广泛的2∶2行比模式，设施肥位置和杂草防除两因素。

施肥位置含3个水平：代表传统方式的均匀施肥、种间行施肥和种内行施肥 (图1)。

杂草管理含两个水平，分别为除草和对照。试验共有6个处理，每个处理重复3次，按完全随机方式布置于18个小区内，小区面积为20 m2(5.0 m ×4.0 m)。

图1 施肥位置及根系取样区示意图Fig. 1 Schematic diagram of fertilizer placements and root sampling area

试验播种前，马铃薯种薯先进行室内遴选，选择薯形规整、薯皮光滑、色泽鲜明、芽眼多，大小适中的健康种薯，选中后于2017年3月25日进行播种。类似地，玉米选用粒大饱满、完好的种子，于2017年4月18日进行播种。播种时，玉米和马铃薯的种内行和种间行行距均为50 cm，株距均为30 cm，播种均采用开沟播种 (东西行向)，马铃薯播深10～12 cm，玉米播深4～5 cm。试验期间，在作物苗期进行适量的浇水和必要的病虫害防治。

为构建持久有效的养分斑块，试验选择控释性复合肥 (沃夫特包膜控释肥N-P2O5-K2O为26-11-11)，在播种前平行于行向 (距两侧种植行10 cm) 将复合肥一次性撒施并均匀混入土壤中 (宽度30 cm，深度15 cm)。均匀施肥、种间行施肥和种内行施肥的施肥量均为600 kg/hm2。除草处理在马铃薯和玉米苗期进行1次人工拔除，然后在两种作物的开花期再进行1次割除；不除草处理在作物生长至开花期时，为避免对作物造成的竞争淘汰，当杂草株高超过玉米穗位高时，将顶端15 cm高度的杂草冠梢割除，其余大部分保留，割除部分烘干至恒重后计入杂草生物量中。

1.3 采样与观测

作物生长至开花盛期时，将1/3小区用于进行作物株高、生物量和根系生物量的观测。从每小区1/3的区域内随机选取15株，利用塔尺和钢卷尺分别测量玉米和马铃薯的株高 (玉米株高为地面到雄穗顶端的高度，马铃薯株高为地面到马铃薯茎叶最高处的垂直高度)，然后齐地面取走地上部分，带回实验室在105℃下杀青20 min后，于80℃下烘至恒重后用于测定地上部生物量。取根系时，由于玉米和马铃薯根系难以从形态上区分，本研究取根时不区分作物类型，只评估单位土体内总根量。操作时如图1，垂直于作物行向，以一个玉米马铃薯种间行 +1/2玉米种内行 + 1/2马铃薯种内行，连续3株为单元，面积0.9 m2(1 m × 0.9 m)，土层深度25 cm，每小区3个取样单元，用铁锹挖掘出根土混合体 (并同时取出马铃薯块茎，与地上部一同烘干)，在田间条件下进行初步的根土分离，识别保留的杂草茎基部，并挑出其杂草根系 (对于断裂在土体中的少量根系，从形态、颜色和分枝方式上仔细核对，将其与作物根系区分开来)，然后用自来水管冲洗，获得作物根系样品，然后将所有根样在70℃下烘至恒重测定干重。待作物成熟时，对剩余的2/3小区进行测产，其中马铃薯为鲜重，玉米在小区鲜产量的基础上，各处理随机选取8株烘干，计算鲜干比和出籽率，最后用14%含水量进行校正，获得产量数据。测产时，同时割除不除草处理种间行和种内行[面积2 m2(4 m × 0.5 m)]全部杂草的地上部，带回实验室烘干至恒重 (方法同生物量)，用于测定杂草地上部生物量。

1.4 数据处理与统计

数据经整理后，以施肥位置和杂草管理为因子，以产量、株高、生物量和根系生物量为因变量，采用IBM SPSS Statistics 23.0对所有指标进行方差分析。分析前对所有统计指标进行方差齐性检验，若方差不齐则进行自然对数转换。分析时，以P〈 0.05为差异有显著性意义，并用Duncan法进行均值的多重比较。

2 结果与分析

2.1 施肥位置与杂草管理对作物产量的影响

从马铃薯来看，施肥位置对其产量无显著影响(表1、表2)。但除草显著提高了种间行和种内行施肥的产量，且较不除草处理分别增产29.8%和34.9%。

从玉米来看，施肥位置和杂草管理对产量均有显著影响，且存在显著的交互效应，表现为在除草情况下，种内行施肥的玉米产量显著高于均匀施肥和种间行施肥处理。而在不除草情况下，则为种间行施肥的玉米产量显著高于种内行施肥和均匀施肥，其中种间行施肥较均匀施肥的产量高63.74%；不同施肥方式下进行的除草效果存在显著差别，其中均匀施肥和种内行施肥下除草能显著提高玉米产量，但种间行施肥下进行除草未能显著提高玉米产量。

表1 不同施肥位置和杂草管理下间作玉米和马铃薯的产量 (kg/hm2)Table 1 Yields of maize and potato affected by fertilizer placement and weed management

表2 施肥位置和杂草管理影响间作玉米和马铃薯产量和生物量的方差分析表Table 2 Variance analysis of the effects of fertilizer placement and weed management on yield and biomass of maize and potato

2.2 施肥位置与杂草管理对玉米和马铃薯生物量的影响

与产量相似，施肥位置对马铃薯的生物量无显著影响，但除草有显著促进作用，其显著影响出现在均匀施肥和种内行施肥时，种间行施肥时除草无显著作用。

对于玉米，施肥位置和杂草对生物量均有显著影响，也存在显著的交互效应 (图2、表2)，且两个试验因素对玉米生物量的影响规律与对其产量的影响相同。

2.3 施肥位置与杂草管理对植株株高的影响

对于马铃薯，施肥位置和杂草对株高均有显著影响 (图3、表2)。在除草情况下，均匀施肥的马铃薯株高显著高于种间行施肥。但在不除草情况下，均匀施肥则显著低于种间行施肥。无论除草与否，种间行施肥的马铃薯株高与种内行施肥之间的差异不显著。在均匀施肥情况下，除草显著增加了株高，种间行和种内行施肥时，除草均无显著影响。

对于玉米，施肥位置和杂草对株高均有显著影响，且存在显著的交互效应，表现为除草显著提高了均匀施肥和种间行施肥的株高。无论除草与否，种间行施肥的株高均显著高于均匀施肥和种内行施肥。其中，在不除草情况下，两两间的差异均达显著水平 (种间行施肥 〉 种内行施肥 〉 均匀施肥)；在除草情况下，均匀施肥和种内行施肥的玉米株高差异不显著，但显著低于种间行施肥。

2.4 施肥位置与杂草管理对根系生物量的影响

施肥位置和杂草管理对作物根系生物量均有显著影响 (图4、表2)。不论是否除草，与均匀施肥相比，种内行施肥显著提高两种作物的总根系生物量，但种间行施肥无显著影响；在均匀施肥和种内行施肥的情况下，除草显著提高作物的总根系生物量，但在种间行施肥时无显著影响。

图2 不同施肥位置与杂草管理下玉米及马铃薯的生物量Fig. 2 Biomasses of maize and potato of various fertilizer placements and weed managements

图3 不同施肥位置和杂草管理下间作玉米及马铃薯株高Fig. 3 Heights of maize and potato plants affected by various fertilizer placement and weed control

2.5 施肥和生长位置对杂草生物量的影响

施肥位置 (F= 7.147，P= 0.001) 和杂草生长位置 (F= 28.052，P〈 0.001) 均对杂草生物量有显著影响 (图5)。与均匀施肥相比，种间行施肥显著抑制了种间行和玉米种内行的杂草生物量，而种内行施肥则显著抑制了种间行和马铃薯种内行的杂草生物量；无论施肥位置如何，杂草生物量在玉米种内行最高，种间行次之，马铃薯种内行最低。但仅有种内行施肥时，玉米种内行的杂草生物量显著高于种间行，而在种间行施肥时，三个行间的杂草生物量无显著差异。

2.6 施肥位置对作物和杂草总生物量的影响

在不除草情况下，种间行施肥和种内行施肥的作物及杂草总生物量分别较均匀施肥提高6.48%和2.48%，但从统计上来看，施肥位置对玉米、马铃薯和杂草的总生物量却无显著影响 (F= 0.724，P=0.523) (图6)，这可能与各处理相等的施肥量和土地生产力有关。尽管施肥位置对马铃薯生物量及产量均无显著影响 (表1、表2)，但有意义的是，施肥位置对玉米生物量 (图2、表2) 和产量 (表1、表2) 以及杂草生物量 (图5) 均有显著影响，即通过种间行施肥降低了杂草对玉米的影响，从而获得更高的玉米产量，提高了肥效。

图4 不同施肥位置与杂草管理下玉米及马铃薯根系生物量Fig. 4 Root biomass of maize and potato affected by various fertilizer placement and weed control

图5 不同施肥位置下作物行间杂草生物量Fig. 5 Weeds biomass in crop rows affected by various fertilizer placement

3 讨论

本研究以玉米马铃薯间作模式为研究对象，通过一年的田间试验，初步明确了施肥位置与除草在影响作物生长过程中具有一定的交互效应。从施肥位置对杂草抑制作用的影响来看，相对种内行施肥和均匀施肥，种间行施肥下玉米的产量和生物量对杂草的响应不敏感，具有较好的稳定性，即杂草对玉米的抑制作用可以通过不同施肥位置来降低；从杂草对施肥位置效应的调节来看，在保留杂草的情况下，种间行施肥相对有利于马铃薯的生长和产量提高，而在除草情况下种内行施肥有利于玉米产量的提高。研究初步表明，施肥位置与除草两种重要的农业生产管理措施在影响作物多样性种植模式的生产中存在联系，这对于促进肥料施用效果，以及完善杂草防控措施有一定的参考价值。

图6 不同施肥位置下作物和杂草总生物量Fig. 6 Total crop and weeds biomass affected by various fertilization placement

由于群体中的植物需要综合地响应相邻植株和土壤养分[17]，因此，需要从作物种间关系和异质作物群体结构来了解两种田间管理措施间的特定联系及形成原因。从杂草影响施肥位置效应来看，理论上杂草通过养分耗竭势必降低作物产量和生长。

然而，本试验中保留杂草条件下马铃薯的产量并未受到显著影响，去除杂草后，不同施肥位置处理间马铃薯的产量也无显著差异。这可能得益于该作物具有较快的生长速度和较高的地表覆盖度。由于杂草是一种机会主义者，在没有空间机会，特别是光照的情况下[20]，杂草的生长能够得到有效的抑制。事实上，有研究已证实调整作物播种时期[21]、田间布局和密度设计[13,22]，减少杂草入侵的光照机会是控制杂草的有效措施。因此，本研究一定程度地表明，杂草对施肥位置效应的影响在覆盖度低和苗期生长速度慢的作物，例如禾本科类谷物上的重要性相对更高，而对于速生类、阔叶类、覆盖性较好的作物如绿叶蔬菜、甘薯等影响相对较小 (需要配合播种前的耕作)。

与马铃薯不同的是，玉米在保留杂草的情况下，种间行施肥处理的产量高于种内行和均匀施肥，而除草后，种内行与种间行施肥的产量差异不再显著，即除草管理能够一定程度地消除施肥位置对玉米的影响，但具体的有关机制，如杂草根系分泌物可能改变土壤理化性状和土壤微生物活性，进而影响作物根系对养分的吸收利用等有待研究。

从施肥位置影响杂草效应来看，土壤资源及其分布均可以影响植物群落的结构与功能，此重要过程主要是通过调节物种间关系来实现[23-24]。本研究中，施肥位置显著地影响了小区内总的杂草生物量，以及不同作物行间的杂草生物量，其过程可以分为三类。一是改变杂草与杂草间的种间关系。例如，相对于均匀施肥，肥料位于种间行时，由于该区域的杂草对光照和养分资源的需求同时得到满足，相对于种内行具有生长优势。当然并不必然形成强烈的竞争，导致优势杂草的抑制作用增加，因为两种作物行间位置的杂草空间位置相对独立，这也有助于增加杂草物种多样性，改善农田生态功能[25-26]。二是影响杂草与作物之间的种间关系。当肥料位于种间行时，马铃薯根系和杂草根系因趋肥性而集中生长在种间行，形成较强烈的竞争，但由于马铃薯前期生长速度快，可以对杂草形成一定的抑制，削弱杂草对玉米的影响。这在种内行施肥时体现得尤其明显，但该施肥位置增加了杂草对玉米的竞争作用。值得指出的是，不论是否除草，种间行施肥下玉米的产量没有发生显著改变，即可以通过种间行施肥来降低杂草对玉米生长的影响。三是基于杂草来调节作物间的相互关系。当种间行施肥时，前期快速生长的马铃薯在种间行的驱肥性根系生长和郁蔽的枝叶覆盖显著地抑制了杂草生长，缓解了杂草抑制竞争力较弱的玉米，反之肥料施用在种内行时，间作玉米和马铃薯基于杂草的种间互利作用削弱。

此外，对于本研究中种间行施肥下除草与不除草处理的作物生产力相对较稳定，而均匀施肥和种内行施肥下则波动较大。除了与施肥位置改变了种间关系有关，可能还需要考虑作物种内竞争的影响。研究表明许多植物具有亲缘识别能力，表现为根系生长趋避亲缘关系更近的邻株个体，当养分斑块介于两株亲缘关系较近的个体间时，根系的趋肥性生长受到抑制。因此，推测在种内行施肥时，作物对养分的竞争力低于杂草，导致杂草在种内行内借助养分斑块滋长。当然，这一推测需要进一步结合不同作物和播差期来考虑。本研究中，种间行施肥有利于马铃薯的生长和产量提高，种内行施肥则有利于玉米，这可能是由于马铃薯提前播种，在生长前期对玉米的竞争强度较大。

根据本研究的初步结果，鉴于不同施肥下马铃薯的产量不受施肥位置影响，建议实际生产中以种间行施肥为宜，以降低杂草的影响，同时提高肥料的利用。当然，由于本试验中采用的是控释肥，如果是常规速效肥，建议可以针对不同作物，进一步实施精准施肥。对于马铃薯进行种间行施肥，对于玉米可适当分配一定量的肥料在种内行，尤其是在播差期较大 (例如超过1个月) 的情况下，避免前期马铃薯对玉米形成严重的光竞争抑制，影响玉米后期的恢复性生长。也可以考虑作物生长前期在种间行施基肥 (促进马铃薯，抑制杂草)，追肥时在玉米种内行施肥 (促进玉米)。此外，在玉米与马铃薯间作体系中，玉米多为主作物，本研究结果显示在种间行施肥时，杂草对玉米产量的影响不显著，同时，鉴于马铃薯对杂草相对较不敏感，因此可以减少该间作体系中的除草频次或除草剂用量，其中在马铃薯种内行的杂草甚至可以不除，这有利于减少劳动力投入，实现轻简化种植，减少除草剂的使用量，促进农田生态环境质量的改善。

4 结论

在玉米-马铃薯间作体系中，施肥位置与杂草控制在影响作物生长过程中具有交互效应。相对于种内行施肥和均匀施肥，种间行施肥下玉米的产量和生物量对杂草的响应不敏感，具有较好的稳定性；在保留杂草的情况下，种间行施肥有利于玉米产量的提高，而在除草情况下种内行施肥有利于玉米产量的提高。因此，可通过种间行施肥来降低杂草对玉米的影响，提高肥料的施用效果。