Nitrogen Transformation and Utilization were Promoted in Intercropping System of Areca and Vanilla

ZHUANG Huifa; Yang Jiao; ZHAO Qingyun; WANG Hui; ZHU Zihui; XING Yizhang

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2021.10.021

Chinese Journal of Tropical Crops >

2021 , Vol. 42 >Issue 10: 2904 - 2908

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2021.10.021

Plant Cultivation, Physiology & Biochemistry

Nitrogen Transformation and Utilization were Promoted in Intercropping System of Areca and Vanilla

ZHUANG Huifa ¹ ,
Yang Jiao ² ,
ZHAO Qingyun ¹ ,
WANG Hui ¹ ,
ZHU Zihui ^,¹^,^* ,
XING Yizhang ¹

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1. Spice and Beverage Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Key Laboratory of Genetic Resource Utilization of Spice and Beverage Crops, Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Hainan Key Laboratory of Genetic Improvement and Quality Regulation for Tropical Spice and Beverage Crops, Wanning, Hainan 571533, China
2. Tropical Crops College of Yunnan Agricultural University, Puer, Yunnan 665000, China

*ZHU Zihui,E-mail： 411475176@qq.com。

Received date: 2020-12-15

Request revised date: 2021-02-02

Online published: 2021-11-25

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Abstract

The areca and vanilla intercropping system was used to explore the regular pattern of nitrogen nutrients utilization. ‘Reyin No.3’ Vanilla and ‘Reyin No.1’ Areca which were cultivated in the potted simulation experiments and three planting modes including areca monocropping, vanilla monocropping and areca intercropping with vanilla were used to study the effects of pure nitrogen content of 112.5 kg/hm², 225 kg/hm², 300 kg/hm² and no nitrogen fertilizer treatments on plant biomass, nitrogen absorption and utilization, total soil nitrogen content and nitrogen use efficiency. With the increase of nitrogen fertilizer application, the fresh and dry biomass of the plants in different nitrogen treatments under different planting modes were significantly different (P<0.05). The fresh and dry biomass of the plants under the intercropping mode were highest and increasing by 61.3%, 34.9%, 43.1% and 47.2%, 62.7%, 33.8% respectively compared to the control. The total nitrogen content of plants under the intercropping mode was 0.43-2.63 mg/g higher than that of plants under the monocropping. The intercropping mode could significantly increase the nitrogen uptake of the plants, and increased by 40.44 kg/hm², 47.79 kg/hm²and 53.92 kg/hm² respectively compared to the control. The intercropping mode also could significantly increase the plant biomass, total nitrogen content, nitrogen uptake, nitrogen absorption efficiency, nitrogen use efficiency and nitrogen utilization efficiency, but had no obvious effect on soil total nitrogen content.

Key words： intercropping; biomass; nitrogen uptake; nitrogen utilization

Cite this article

ZHUANG Huifa , Yang Jiao , ZHAO Qingyun , WANG Hui , ZHU Zihui , XING Yizhang . Nitrogen Transformation and Utilization were Promoted in Intercropping System of Areca and Vanilla[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2021 , 42(10) : 2904 -2908 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.10.021

槟榔是棕榈科多年生常绿乔木和重要的药用植物,被列为四大南药之首。海南省槟榔种植面积10.25万hm²,年产果25.51万t,是热区农民收入的重要来源之一^[1,2]。随着槟榔价格的不断攀升,氮肥施用量也在不断增加,但研究表明,槟榔产量并未随着施氮量的增加而增加,而是保持在相对稳定的水平,同时,槟榔园氮肥利用率仅30%左右,且过量施用氮肥造成地下水硝酸盐污染越来越严重^[3]。香草兰是兰科多年生热带藤本攀缘植物,被誉为“天然食品香料之王”,主要用于高档食品、化妆品等配香,且具有补肾、解肝毒等保健功效,国际上香草兰产品供不应求^[4]。香草兰具有发达的浅生气生根,喜荫生环境,研究表明利用槟榔半荫蔽条件,在槟榔园下间作香草兰,不但能够大幅提高单位土地面积产出^[5],而且根系互作能够固定土壤氮素,提高氮素养分的利用率,防止氮素的淋失^[6]。

氮素是作物生长发育过程中必需的大量元素之一,是植物体内蛋白质、核酸和磷脂的重要组分之一。氮肥是农业生产最重要的投入,但大部分施入土壤的氮肥不能被作物吸收利用,且氮肥对生态系统造成的污染日益加重^[7]。有研究表明,间作能提高氮素养分利用效率^[8],但目前针对热带地区作物间作的氮养分利用研究少见报道。本试验以槟榔与香草兰间作系统为研究对象,采用盆栽模拟试验,对间作系统氮素养分利用规律进行探讨,为农业生产氮素养分高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料来自海南省万宁市香料饮料研究所试验示范基地,供试作物品种为‘热研1号’槟榔和‘热引3号’香草兰;试验用土选用高产田耕层土壤,自然风干过筛后装盆,播种前与肥料充分混匀,装入直径50 cm、高45 cm的聚乙烯塑料桶,每桶装风干土40 kg。

1.2 方法

1.2.1 试验处理试验地点设在中国热带农业科学院香料饮料研究所试验基地,供试土壤为沙壤土,养分含量为有机质16.73 g/kg,全氮0.68 g/kg,碱解氮113.16 mg/kg,速效磷14.21 mg/kg,速效钾91.33 mg/kg。试验设槟榔单作、香草兰单作和槟榔间作香草兰3种种植模式,设纯氮112.5 kg/hm²（T1）、225 kg/hm²（T2）、300 kg/hm²（T3）和不施氮肥（CK）4个氮肥处理,氮肥分2次施入,每处理15盆,3次重复,每盆留苗1株槟榔和2株香草兰,槟榔苗新抽叶子生长稳定后进行数据测定,双因素随机区组排列。

1.2.2 指标测定（1）植株生物量的测定。从试验棚中将盆栽植株完整地取出,用清水将根系泥土冲洗干净,及时将槟榔植株地上部和地下部分开（阻止地上部和根系养分元素的交换和转移,为后续测定植株地上部、地下部全氮含量做准备。香草兰植株主要根系为气生根,扎根在覆盖物中,未扎根进土壤里,香草兰地下部没有取得植株样本）,装入密封袋贴上标签,带回实验室用超纯水清洗干净,用吸水纸把植株表面的水分擦干,分别称量各部分的鲜重,装入信封袋中,放置恒温干燥箱中105 ℃杀青30 min,75 ℃烘至恒重,称量各部分干重。

（2）植株全氮含量的测定。将各个处理烘至恒重的植株样品分别用超微粉碎机磨碎,称取后放入50 mL干燥消煮管中,用浓H₂SO₄-H₂O₂消煮,采用纳氏比色法测定。

（3）土壤全氮含量的测定。取回各个处理的盆栽土壤,放置土壤室自然风干,磨细,过100目网筛,用凯氏定氮法测定。

1.3 数据处理

数据用Excel软件进行整理作图,用SPSS 20.0软件进行方差分析（LSD法检验差异显著性）。所用公式：

植株吸氮量（kg/hm²）=地上部生物量（kg/hm²）×植株地上部氮浓度（%）/100;

氮吸收效率（NAE,%）=植株吸氮量（kg/hm²）/施氮量（kg/hm²）×100;

氮利用效率（NUE,%）=生物学产量（kg/hm²）/植株施氮量（kg/hm²）×100;

氮肥利用率（ANRP,%）=[施氮区植株吸氮量（kg/hm²）-无氮区植株吸氮量（kg/hm²）]/施氮量（kg/hm²）×100;

残留率（ANSR,%）=[施氮区残留氮（kg/hm²）-无氮区残留氮（kg/hm²）]/施氮量（kg/hm²）×100。

2 结果与分析

2.1 间作模式促进植株生物量增加

由图1可见,槟榔单作、香草兰单作和间作模式下不同施氮处理的植株鲜生物量差异显著（P< 0.05）,说明间作模式提高了植株的鲜生物量;随氮肥施用量的增加,间作模式的植株鲜生物量最高,香草兰单作模式的植株鲜生物量次之,槟榔单作模式的植株鲜生物量最低,间作模式各施氮处理植株鲜生物量比对照分别增加24.5%、24.5%、15.3%,香草兰单作模式各施氮处理植株鲜生物量比对照分别增加61.3%、34.9%、43.1%,槟榔单作模式各施肥处理植株鲜生物量比对照分别增加了25.0%、31.2%、41.5%,由此可见,适量增施氮肥能够有效提高槟榔、香草兰植株的鲜生物量。

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图1 单作和间作模式下植株的鲜生物量

图中数据为各处理的平均值±标准偏差,误差线为标准误,不同小写字母表示同一施氮量不同种植模式在0.05水平差异显著。

Fig. 1 Fresh biomass of plants under monoculture and intercropping

Data were average ± standard deviation of each treatment in the chart, The error line is standard error, Different lowercase letters indicate significant differences in the same nitrogen rate among planting patterns at 0.05 level.

由图2可见,槟榔单作、香草兰单作和间作模式之间植株干生物量差异显著（P<0.05）,说明间作模式提高了植株的干生物量;随氮肥施用量的增加,间作模式的植株干生物量最高,槟榔单作模式的植株干生物量次之,香草兰单作模式的植株干生物量最低,间作模式各施氮处理植株干生物量比对照分别增加了47.2%、62.7%、33.8%,槟榔单作各施氮处理槟榔植株干生物量比对照分别增加了26.7%、29.4%、47.1%,香草兰单作各施肥处理植株干生物量比对照分别增加了56.6%、32.4%、41.0%,由此可见,适量增施氮肥能够有效提高槟榔、香草兰植株的干生物量。

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图2 单作和间作模式下植株的干生物量

图中数据为各处理的平均值±标准偏差,误差线为标准误,不同小写字母表示同一施氮量不同种植模式在0.05水平差异显著。

Fig. 2 Dry Biomass of plants under monoculture and intercropping

2.2 间作模式促进植株全氮含量增加

从表1可见,在同一施氮处理下,槟榔单作、香草兰单作与间作模式之间植株全氮含量差异未达到显著水平,槟榔、香草兰植株单作模式和间作模式之间全氮含量相当;随氮肥施用量的增加,槟榔单作CK处理与T2、T3处理植株全氮含量差异显著（P<0.05）,香草兰单作CK处理与T1、T2、T3处理植株全氮含量差异显著（P<0.05）,槟榔间作香草兰T3处理与CK、T1、T2处理全氮含量差异显著（P<0.05）,槟榔、香草兰植株全氮含量随氮肥施用量的增加呈递增趋势,由此可见,适当的增施氮肥可以有效提高植株的全氮含量。间作模式的CK、T1、T3处理植株全氮含量明显高于槟榔单作和香草兰单作植株,间作模式可以显著增加植株的全氮含量。

表1 不同种植模式植株的全氮含量

Tab. 1 Total nitrogen content of plants in different planting patterns mg•g^‒1

处理 Treatment	槟榔单作 Areca monoculture	间作 Intercropping	香草兰单作 Vanilla monoculture
CK	15.99±1.78^Ba	16.42±0.72^Ba	16.80±0.99^Ca
T1	18.22±2.62^ABa	19.23±2.71^Ba	18.95±1.47^Ba
T2	20.93±2.58^Aa	18.31±0.89^Ba	19.56±0.79^ABa
T3	22.68±2.27^Aa	23.79±2.12^Aa	21.16±0.87^Aa

	注：表中数据为各处理的平均值±标准偏差（n=3）,不同大写字母表示同一种植模式不同施氮处理在0.05水平差异显著,不同小写字母表示同一施氮处理不同种植模式在0.05水平差异显著。
	Note: The data were average ± standard deviation in each treatment, Different capital letters indicate significant differences in the same planting patterns among nitrogen rate at 0.05 level, Different lowercase letters indicate significant differences in the same nitrogen rate among planting patterns at 0.05 level.

2.3 间作香草兰增加植株的吸氮量

从表2可见,槟榔单作、香草兰单作与间作模式之间,各施氮处理植株吸氮量差异显著（P<0.05）,由此可见,间作模式显著增加了植株的吸氮量。随氮肥施用量的增加,槟榔单作各施肥处理间槟榔植株吸氮量差异未达到显著水平,香草兰单作CK处理与T1、T3处理香草兰植株吸氮量差异显著（P<0.05）,槟榔间作香草兰CK处理与T1、T2、T3处理植株吸氮量差异显著（P<0.05）,由此可见,间作模式的植株吸氮量随氮肥施用量的增加呈递增趋势,而单作模式的植株吸氮量随氮肥施用量的增加变化不明显。

表2 不同种植模式植株的吸氮量

Tab. 2 Nitrogen uptake by plants under different planting patterns kg•hm^‒2

处理 Treatment	槟榔单作 Areca monoculture	间作 Intercropping	香草兰单作 Vanilla monoculture
CK	34.31±18.38^Ab	58.21±2.45^Ba	34.92±3.06^Bb
T1	50.85±6.74^Ab	98.65±14.09^Aa	61.88±19.60^Ab
T2	58.21±17.76^Ab	106.00±23.89^Aa	53.92±2.45^ABb
T3	71.07±39.21^Aab	112.13±7.35^Aa	61.88±8.57^Ab

2.4 间作香草兰影响土壤全氮含量不显著

从表3可见,槟榔单作、香草兰单作与间作模式之间各施肥处理下土壤全氮含量差异未达到显著水平。随氮肥施用量的增加,槟榔单作模式CK处理与T1、T2、T3处理之间土壤全氮含量差异显著（P<0.05）,T1处理与T2、T3处理之间土壤全氮含量差异显著（P<0.05）;香草兰单作模式和间作模式,CK处理与T1、T2、T3处理之间土壤全氮含量差异显著（P<0.05）,T3处理与T1、T2处理之间土壤全氮差异显著（P<0.05）。单作和间作模式土壤全氮含量随氮肥施用量的增加呈递增趋势,说明增加氮肥的施入量提高了土壤的全氮含量,但单作和间作模式的全氮含量差异不显著。

表3 不同种植模式土壤全氮含量

Tab. 3 Total nitrogen content in soil under different planting patterns g•kg^‒1

处理 Treatment	槟榔单作 Areca monoculture	间作 Intercropping	香草兰单作 Vanilla monoculture
CK	1.53±0.19^Ca	1.34±0.05^Ca	1.41±0.03^Ca
T1	1.90±0.05^Ba	1.79±0.18^Ba	1.76±0.04^Ba
T2	2.29±0.09^Aa	2.00±0.26^Ba	1.99±0.19^Ba
T3	2.29±0.25^Aa	2.39±0.08^Aa	2.47±0.16^Aa

2.5 间作香草兰提高植株氮素利用率

由表4可见,槟榔间作香草兰植株地上部、地下部氮吸收效率均高于槟榔单作和香草兰单作,说明间作模式提升了槟榔和香草兰植株的氮吸收效率;槟榔单作、香草兰单作、槟榔间作香草兰,在同一种植模式下,植株地上部、地下部氮吸收效率均随氮肥施用量的增加而降低,呈下降趋势,说明增施氮肥并不能提高植株的氮吸收效率。槟榔间作香草兰,植株地上部、地下部氮利用效率均高于槟榔单作和香草兰单作,说明间作模式提升了槟榔和香草兰植株的氮利用效率;在同一种植模式下,随氮肥施用量的增加,槟榔、香草兰植株氮肥利用率表现为高施氮处理低于低施氮处理,说明增施氮肥不一定能够提高植株的氮肥利用率。

表4 不同施氮处理和种植模式下植株氮素利用情况

Tab. 4 Nitrogen utilization of plants under nitrogen fertilizer treatments and planting patterns %

处理 Treatment	种植模式 Planting pattern	测量部位 Measuring position	氮吸收效率 Nitrogen absorption efficiency	氮利用效率 Nitrogen use efficiency	氮肥利用率 Nitrogen fertilizer use efficiency	氮残留率Nitrogen residue
T1	单作	槟榔地上部	158.11±12.68^a	8.24±0.48^a	3.85±6.68^a	9.13±3.75^a
		槟榔地下部	54.40±13.50^a	3.17±0.58^a	2.48±3.30^a	9.13±3.75^a
		香草兰	251.92±80.93^a	13.31±4.11^a	10.98±7.30^a	8.79±1.07^a
	间作	植株地上部	347.32±28.44^a	18.09±3.05^a	11.55±2.78^a	11.44±5.46^a
	间作	植株地下部	56.74±30.74^a	3.22±2.01^a	3.99±4.28^a	11.44±5.46^a
T2	单作	槟榔地上部	96.00±35.25^ab	4.54±2.01^b	1.11±3.47^a	9.46±3.52^a
		槟榔地下部	25.18±5.21^b	1.28±0.42^b	3.03±4.14^a	9.46±3.52^a
		香草兰	110.04±4.96^b	5.63±0.05^b	3.06±1.35^a	7.31±2.82^a
	间作	植株地上部	190.84±32.61^b	10.19±1.81^b	5.78±3.04^b	8.24±3.04^a
	间作	植株地下部	27.75±13.32^a	1.59±0.79^a	4.54±4.41^a	8.24±3.04^a
T3	单作	槟榔地上部	83.07±44.14^b	3.93±2.26^b	0.89±2.77^a	7.55±3.16^a
		槟榔地下部	30.63±18.62^ab	1.37±0.88^b	2.42±3.31^a	7.55±3.16^a
		香草兰	101.44±14.44^b	4.79±0.63^b	2.44±1.09^a	10.58±1.59^a
	间作	植株地上部	151.20±7.46^b	6.69±0.90^b	4.62±2.43^b	10.56±0.28^a
	间作	植株地下部	27.26±4.12^a	1.05±0.08^a	3.63±3.53^a	10.56±0.28^a

	注：香草兰植株主要根系为气生根,扎根在覆盖物中,未扎根进土壤里,香草兰地下部没有取得植株样本。
	Note: The roots of Vanilla were not embedded in the soil, so no plant samples were found underground.

3 讨论

间作显著增加槟榔、香草兰植株的生物量和吸氮量。间作香草兰充分利用了槟榔园土地资源和空间环境,槟榔植株占据了地上部大部分空间,充分吸收到了阳光,并为喜荫的香草兰创造了天然的荫蔽环境,高低搭配的间作栽培模式促进了槟榔、香草兰植株的光合作用^[9],增强了作物地上部与地下部氮养分的转化和营养物质交换,促进了作物对氮元素的吸收,增加了植株的生物量,研究结果与祖超等^[10]槟榔间作胡椒、李莉^[11]马铃薯间作玉米、蚕豆的研究结果一致。间作模式的土壤全氮含量略低于单作模式,与王灿等^[12]的研究结果相同,在同一施氮处理下,间作模式为满足槟榔、香草兰两个作物对氮元素的需求,土壤全氮含量对比单作模式却未显著减少,可能是间作阻止了土壤中硝态氮的淋失^[13],提高了土壤微生物的丰富度和酶活性^[14],促进了土壤有机氮的矿化^[15],这有待下一步对槟榔间作香草兰土壤微环境进行深入研究。

作物间作模式的主要优势是增产、增效、提高土地利用率和优化生态环境等。研究发现,同一施氮处理下,间作模式的氮吸收效率、氮利用效率、氮肥利用率均高于槟榔、香草兰单作模式,这与陶静静等^[16]对不同基因型夏玉米间作对氮素吸收利用的研究结果一致。间作模式提高了氮的利用率,主要是因为槟榔、香草兰种间互作充分利用了地上部光、热、气等自然资源。槟榔为深根系作物、香草兰为浅根系作物,间作模式使植株根系在土壤中合理布局且交互作用,使植株充分吸收并利用土层间的氮素养分,促进作物对土壤氮素的吸收和利用,减少土壤氮肥的残留和损失。

同一种植模式下,随着氮肥施用量的增加,植株的全氮含量、吸氮量和土壤全氮含量成正比增加,但氮吸收效率、氮利用效率、氮肥利用率反而呈降低趋势。分析得出,适当的增施氮肥可以促进槟榔、香草兰植株对氮肥的吸收,但土壤中氮肥的过量施入造成植株无法完全吸收,降低氮肥利用率的同时土壤氮素不断累积,致使地下硝酸盐含量增高,造成地下水污染,破坏生态平衡,降低土壤肥力。

References

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