低氮投入下豌豆间作体系对作物生产力、籽粒品质及土壤活性碳氮的影响评估

本研究系统评估了低氮条件下豌豆-燕麦(po)与豌豆-油菜(pc)间作对作物生产力、籽粒品质及土壤水溶性有机碳(WEOC)和溶解氮(WEDN)的影响。结果表明间作类型显著影响能量当量产量，氮肥施用量对间作系统影响有限，而间作对籽粒蛋白含量呈现差异化调控。研究为优化豆科间作体系提供了重要的农学与土壤学依据。

　　

Abstract

豌豆间作系统通过功能多样化提供氮素益处并提高土地生产率，但其对籽粒品质和土壤健康的影响尚不明确。本研究在加拿大萨斯喀彻温省的Swift Current和Melfort进行了为期两年（2021-2022）的间作试验，评估了九种处理方式：三种氮水平（0、1/4和1/2推荐全氮量）的豌豆-燕麦(PO)和豌豆-油菜(PC)间作，以及豌豆、燕麦和油菜单作。结果表明PO间作始终比PC间作产生更高的能量当量产量。间作在Melfort表现优于单作，但在Swift Current则不然。与单作相比，间作使油菜蛋白含量降低6–9%，燕麦蛋白含量降低6–8%。PO间作使WEOC水平较单作提高5%–9%。PC间作的WEDN比PO间作高10%，归因于PC中更高的豌豆植株密度。间作中氮肥施用量对产量或土壤活性碳氮没有影响。

Introduction

豌豆在加拿大草原主导的谷物-油籽轮作系统中具有重要作用，其显著益处是通过残茬提供氮素从而减少后续作物的氮肥需求。除了单作，豌豆还广泛用于间作系统，与直立作物（如燕麦或油菜）间作可减少豌豆倒伏同时为伴生作物提供氮素。间作通过增强功能生物多样性提高整体生产力，meta分析表明间作比单作产生更高的单位土地产量。豆科-谷物和豆科-油籽间作由于豆科的固氮作用表现出更显著的增产效应。氮肥投入影响豆科间作表现，施用氮肥可能降低生物固氮并改变氮素有效性。间作不仅影响产量，还影响籽粒品质，但对非豆科作物品质的影响及最佳施肥量仍需深入研究。豆科作物残茬比非豆科积累更多氮素，影响养分循环和土壤健康，但豌豆间作对土壤易利用碳氮库的影响尚不明确。

Materials and methods

Site description

研究在Swift Current（半干旱区，Swinton Orthic Brown Chernozem壤土）和Melfort（半湿润区，Orthic Black Chernozem粘壤土）进行，每年在不同田块实施。播种前0-15 cm土壤基础化学性质见表1，生长季降水量与长期平均值对比见表2。

Experimental design

测试PO和PC两种间作类型，每种间作设三个氮水平（0、1/4和1/2推荐氮量），同时包含豌豆、燕麦和油菜单作。豌豆单作不施氮肥，燕麦和油菜单作施用全推荐氮量。采用随机区组设计，四个重复。

Crop management

试验在前茬小麦地上实施，5月上中旬采用免耕播种机播种（行距25 cm）。品种为CDC Arborg燕麦、Clearfield PV 200油菜和CDC Inca豌豆。单作播种量分别为豌豆125、油菜200、燕麦300粒/m2。间作中豌豆按2/3、伴生作物按1/2推荐播种量播种。播种深度根据土壤水分条件调整。豌豆接种根瘤菌剂，单作燕麦和油菜按目标籽粒氮移除量施用全量氮肥（Swift Current：燕麦55、油菜85 kg N/ha；Melfort：燕麦60、油菜115 kg N/ha）。所有处理施用20 kg P₂O₅/ha。

Plant and soil sampling and analysis

成熟期使用小区联合收割机收获，籽粒分离后清洁并60°C烘干至恒重。用元素分析仪测定豌豆氮含量（蛋白含量=氮含量×6.25），近红外光谱法测定燕麦和油菜蛋白含量。测定燕麦去壳率和饱满度。次年春季播种前取0-15 cm土壤样品，采用CaCl₂浸提-燃烧法测定WEOC和WEDN。

Data processing and statistical analysis

基于籽粒产量和能量含量（豌豆14.5、油菜20.7、燕麦16.1 MJ/kg）计算能量当量产量，基于产量和蛋白含量计算蛋白当量产量。计算土地当量比(LER)。使用SAS的PROC MIXED模型进行统计分析。

Results

Productivity

Energy-based yield

能量当量产量受地点及地点与间作类型互作影响。Melfort产量比Swift Current高83%。PO间作能量当量产量比PC间作高47%（Melfort）和43%（Swift Current）。PO间作中燕麦单作产量最高，间作次之，豌豆单作最低。

Protein-based yield

蛋白当量产量受地点及地点与间作类型互作影响。Melfort产量比Swift Current高63%。PO间作蛋白当量产量比PC间作高22%（Melfort），Swift Current无差异。PC间作与豌豆单作蛋白产量相似，但显著高于油菜单作26%。

Land equivalent ratio

LER受地点及地点与间作类型互作影响。Melfort的PC和PO间作LER均大于1（PC1.15>PO1.05），Swift Current均小于1（PC0.85与PO0.88无差异）。

Grain quality

Canola protein and oil content

油菜蛋白含量受地点和作物管理影响。Melfort蛋白含量（22.2%）比Swift Current（25.4%）低13%。间作使油菜蛋白含量较单作降低6%–9%，氮肥施用量无影响。油菜含油量仅受地点影响（Melfort 49.4% > Swift Current 44.0%）。

Oat groat percentage, plumpness percentage, protein, and beta-glucan content

地点对燕麦品质指标无显著影响。间作使燕麦去壳率降低2%，增施氮肥提高去壳率1%–2%。间作使燕麦饱满度提高10%–13%，氮肥无增效作用。间作使燕麦蛋白含量降低6%–8%，氮肥不能提高间作中燕麦蛋白含量。

Pea protein content

PO间作豌豆蛋白含量（26.0%）显著高于PC间作（24.9%）和豌豆单作（24.6%）。氮肥对间作豌豆蛋白含量无影响。

WEOC and dissolved nitrogen

WEOC受地点影响（Melfort 143.9 μg/g > Swift Current 58.1 μg/g），间作类型和氮肥无影响。PO间作使WEOC较单作提高5%–8%，PC间作则表现不一。WEDN受地点和间作类型影响（PC 11.0 μg/g > PO 10.0 μg/g），PC间作WEDN比PO高10%。氮肥对WEOC和WEDN均无影响。

Discussion

Effects of intercropping on grain yields

间作对能量和蛋白当量产量的影响因间作类型而异。燕麦单作能量产量最高，豌豆单作最低，PO间作弥补了豌豆单作的低产缺陷。PC间作提高了油菜的低蛋白产量。PO间作能量产量显著高于PC间作，源于燕麦更高产量和更强竞争力。氮肥对间作产量无影响，表明无需为增产目的施氮。间作土地生产率在半湿润区高于单作，半干旱区则低于单作，干旱条件限制间作优势。

Effects of intercropping on grain quality of canola, pea, and oat

间作降低油菜蛋白含量13%，因干旱条件限制土壤氮有效性和豌豆固氮作用。即使添加氮肥也不能改善油菜蛋白含量，因氮肥抑制根瘤形成。Melfort较高的土壤本底氮和氮肥投入导致油菜蛋白含量更高。PO间作提高豌豆蛋白含量，因燕麦竞争创造胁迫环境促使蛋白积累。PO间作提高燕麦饱满度，因互补根系提高水分利用效率。间作降低燕麦蛋白含量6%–8%，因氮肥投入不足，豌豆固氮提供的氮素不足以维持高蛋白水平。间作对燕麦去壳率有负面影响，氮肥可缓解此效应。

Effects of intercropping on water-extractable organic carbon and dissolved nitrogen

PC间作WEDN高于PO间作，归因于PC中更高豌豆比例导致更多氮沉积和矿化。但间作相对非豆科单作无显著WEDN优势，表明豆科间作的土壤氮益处需要更长期才能显现。PO间作提高WEOC，因平衡了豌豆高质量和燕麦高数量的秸秆输入。PC间作对WEOC的影响则因地点而异。半湿润区更高的土壤有机质和降水条件导致WEOC和WEDN水平显著高于半干旱区。氮肥对土壤活性碳氮无影响，因施氮量较低且干旱条件限制肥料有效性。