甘蔗/大豆間作對甘蔗和大豆產量與品質的影響

李秀平，李 穆，年 海，牟英輝*

（1.華南農業(yè)大學農學院/國家大豆品種改良中心廣東分中心，廣州 510642；2.中南林業(yè)科技大學生命科學與技術學院，長沙 410004）

甘蔗（Saccharum sinensis Roxb）是我國熱帶、亞熱帶主要糖料作物，其產糖量占全國總量90%以上。我國是世界上第3大甘蔗種植國，種植面積為160萬hm2[1-2]。甘蔗有100 d左右的幼苗期，種植行距較寬（1.0～1.2 m），前期生長緩慢，葉面積系數(shù)小，光能利用率低，容易滋生雜草[3]。豆科與禾本科作物間作時，禾本科植物氮素營養(yǎng)狀況改善是豆科植物中氮素轉移的結果[4]。

豆科與禾本科間套混作，可以通過豆科作物根瘤生物固氮提供給禾本科氮源進而提高禾本科作物產量[5-7]。小麥蠶豆間作系統(tǒng)中，間作小麥葉片葉綠素含量顯著高于單作小區(qū)葉綠素含量。葉綠素含量影響光合作用速率和光合產物形成，最終影響作物產量和品質提高[8-9]。間作大豆對甘蔗品質影響的分析表明，間作甘蔗的蔗糖分和純度均優(yōu)于單作甘蔗，甘蔗與多種豆科牧草具有良好共生性[10]。吳才文等研究表明甘蔗/大豆間作不影響后期甘蔗生長和田間糖錘度[11]。本試驗通過研究甘蔗/大豆間作模式對甘蔗和大豆生物量、產量及品質影響，旨在為甘蔗/大豆間作高產栽培模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試甘蔗品種為臺糖22號（Saccharum sinensis Roxb）；供試大豆品種為華春5號（Glycine max L.），系華南農業(yè)大學農學院培育的早熟、優(yōu)質、高產大豆新品種。試驗用塑料盆，盆缽長150 cm，寬50 cm，高50 cm。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗采用盆栽法

設3種種植模式：甘蔗/大豆間作、單作甘蔗、單作大豆。每處理重復4次。供試土壤為紅壤，pH 5.0，氮含量為65.60 mg·kg-1土，磷含量為10.06 mg·kg-1土，試驗前將風干土壤過篩，裝入盆中，每盆裝土30 kg,澆水至田間持水量的50%～60%。2011年3月18日上午開始播種，單作每盆播種甘蔗2株，大豆3粒；間作甘蔗2株，大豆3粒（見圖1）。播種后用薄層土覆蓋。播種15 d后每周用無氮Arnon-Hoagland溶液澆灌1次[12]。在大豆花期、成熟期分別對甘蔗/大豆間作、單作甘蔗、單作大豆取樣測定。

圖1 甘蔗/大豆間種栽培裝置Fig.1 Culture container of the sugarcane/soybean inter cropping

1.2.2 測定指標

植株生物量：大豆盛花期及成熟期采集大豆、甘蔗地上部分及根系樣品，洗凈，用吸水紙吸干。先于90℃下烘15 min，再于65℃下烘干至恒重，稱重。

葉綠素含量測定：采用酒精浸提分光光度法測定，在樣品葉片中部取一定葉面積，稱出0.2 g，剪碎，放入一定體積96%酒精中研磨充分浸泡、提取、搖勻，用分光光度計在649 nm、665 nm波長下測定吸光度A649、A665，重復測定3次。通過以下公式計算：

總葉綠素含量（μg·mL-1）=20.04A649+6.1A665

糖分測定：采用蒽酮法測定。稱取剪碎混勻的新鮮葉片1 g（干樣粉末100 mg），放入大試管中，加入15 mL蒸餾水，在沸水浴中煮沸20 min，取出冷卻，過濾入100 mL容量瓶中，用蒸餾水沖洗殘渣數(shù)次，定容至刻度。將各管搖勻后在沸水中煮10 min，取出冷卻，加入蒽酮在620 nm波長下重復3次測定。通過以下公式計算：

可溶性糖含量（%）=CVT/106WV1×100%

式中，C-從標準曲線查得葡萄糖量（μg）；VT-樣品提取液總體積（mL）；V1-顯色時取樣品液量（mL）；W-樣品重（g）。

根瘤數(shù)量和重量：大豆盛花期采集根系，摘下根瘤，洗凈，用吸水紙吸干，統(tǒng)計根瘤數(shù)量并稱重。粉紅色和淺粉紅色根瘤記為有效根瘤。固氮酶活性測定：采用乙炔還原法測定[13]。

用FOSS近紅外谷物品質分析儀（Infratec TM1241，F(xiàn)OSS）測定大豆蛋白質和油分含量。

1.3 數(shù)據處理及分析

采用 Excel 2003和 Student's t-test（Stat View 5.0，SAS Institute Inc.）軟件進行數(shù)據處理和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 作物生物學產量

甘蔗/大豆間作中甘蔗表現(xiàn)出增產效應，在花期，地上部和地下部生物量干重較單作分別增加35.92%（見圖2a）和34.13%（見圖2b），總生物量干重增加35.44%（見圖2）；在成熟期，甘蔗產量明顯提高，間作甘蔗與單作相比可提高鮮重產量20.99%，干重產量增加30.57%（見表1），增產顯著，說明間作體系中甘蔗表現(xiàn)出間作優(yōu)勢。間作體系中大豆地上部和地下部生物量干重較單作分別減少15.31%（見圖2a）和13.76%（見圖2b），總生物量干重下降16.12%（見圖2）；成熟期百粒重降低9.53%（見表1），大豆表現(xiàn)出一定程度的間作弱勢。以兩種作物單作與間作的地上生物學產量之和相比，在花期，間作體系總生物量較單作增加21.5%，成熟期總產量增加10.49%，增產顯著，整個間作體系表現(xiàn)出一定的間作優(yōu)勢。

圖2 甘蔗/大豆間種對兩種作物地上部（a）和地下部（b）干重的影響Fig.2 Effects of sugarcane/soybean intercropping on dry weight of shoots(a)and roots(b)of two crops

表1 甘蔗/大豆間作對產量的影響Table 1 Effects of sugarcane/soybean intercropping on yield of mature period

2.2 生長期葉綠素含量的變化

葉綠素含量的多少是光合能力的重要指標。葉綠素作為光合色素參與光合作用中光能的吸收、傳遞和轉化，在植物光合作用中起著關鍵性作用。間作對葉綠素含量的影響較大。如圖3所示，在生長期，間作體系中的甘蔗和大豆葉綠素含量分別高于相應單作甘蔗、單作大豆的39.7%和6.38%，間作可以明顯提高甘蔗葉片的葉綠素含量。主要原因可能是在間套作系統(tǒng)中，大豆是豆科作物，能固定空氣中的氮，在甘蔗、大豆養(yǎng)分競爭利用過程中，為甘蔗提供了氮源。

圖3 甘蔗/大豆間作對葉綠素含量的影響Fig.3 Effects of sugarcane/soybean intercropping on chlorophyll content

2.3 間作對大豆根瘤固氮酶活性的影響

統(tǒng)計結果表明，甘蔗/大豆間作明顯增加了單株大豆的根瘤數(shù)和根瘤重。如表2所示，在生長期，間作體系中大豆單株根瘤數(shù)量和根瘤量分別高于相應單作大豆的13.52%和23.35%。甘蔗/大豆間作根瘤數(shù)大于大豆單作，表明甘蔗根際能促進土壤根瘤菌侵染，進而促進大豆結瘤能力。

表2 甘蔗/大豆間作對根瘤的影響Table 2 Effects of sugarcane/soybean intercropping on root nodulation

生物固氮測定方法主要是乙炔還原法，根據固氮酶具有還原分子氮或利用其他底物的能力，使乙炔還原為乙烯，作為固氮酶活性間接測定。由圖4可知，甘蔗/大豆間作顯著增加大豆根瘤固氮活性，間作體系中大豆固氮活性高于相應單作大豆61.87%，表明甘蔗間作能改善大豆結瘤狀況，間作作物甘蔗的生長對大豆根瘤固氮能力有顯著提高作用。

圖4 甘蔗/大豆間作對根瘤固氮酶活性的影響Fig.4 Effects of sugarcane/soybean intercropping on acetylene reducing activity of soybean nodulation

2.4 甘蔗/大豆間作對兩種作物品質的影響

甘蔗大豆間作對品質有不同的影響。如表3所示，在開花期，間作體系對甘蔗和大豆葉片糖分含量和蛋白質含量影響較大。間作甘蔗葉片的含糖量提高48.72%，而間種大豆葉的含糖量卻降低40.05%，兩種作物間作總含糖量之和與單作相比增加2.39%，差異不顯著。間作體系條件下葉片中蛋白質含量也有明顯變化，間作甘蔗葉片蛋白質含量提高3.07%，間作大豆葉片蛋白質含量提高21.65%，兩種作物間作葉片的總蛋白之和與單作相比顯著增加16.56%。

表3 甘蔗/大豆間作對生長期品質的影響Table 3 Effects of sugarcane/soybean intercropping on quality of growth period

如表4所示，在成熟期，間作體系中甘蔗和大豆糖分、蛋白質、脂肪含量均高于相應單作。其中，甘蔗、大豆糖分含量分別高于相應單作甘蔗、單作大豆5.26%和27.23%。間作體系中的甘蔗蛋白含量顯著高于單作40.2%，大豆蛋白和脂肪含量分別高于相應單作大豆4.27%和1.73%。因此，甘蔗大豆間作對甘蔗含糖量、大豆脂肪和蛋白質含量具有一定影響。

表4 甘蔗/大豆間作對成熟期品質的影響Table 4 Effects of sugarcane/soybean intercropping on quality of mature period

3 討論與結論

禾本科/豆科間作體系研究表明，小麥/紫云英（蠶豆）[14-15]、大豆（蠶豆）/玉米[16-17]、旱稻/花生[18]等構成的多作系統(tǒng)中，間作體系對其中一種組分作物或兩種組分作物的生長具有促進作用。本試驗表明，間作體系中甘蔗產量均明顯高于單作，而間作體系中大豆生物量和成熟期百粒重均低于單作，大豆表現(xiàn)出一定程度的間作弱勢，但整個間作體系表現(xiàn)出一定的間作優(yōu)勢。

本研究結果表明，間作體系中甘蔗葉片葉綠素含量明顯高于相應單作甘蔗，間作中甘蔗和大豆總產量得到明顯提高，生長期甘蔗葉片中糖含量也明顯提高，盡管間種大豆葉片含糖量顯著降低，但成熟期的甘蔗和大豆籽粒中含糖量分別顯著高于單作?？赡苁且驗楦收?、大豆光能和養(yǎng)分競爭利用過程中，大豆為甘蔗提供養(yǎng)分，促進甘蔗光合作用增強，積累的糖分更高一些，然后轉移給大豆，具體機制還有待進一步試驗研究。

大豆種子蛋白質含量與根瘤固氮酶活性呈顯著正相關[19]，本研究也進一步證實，間作體系下促進大豆結瘤能力，間作甘蔗明顯增加單株大豆根瘤數(shù)和根瘤重。間作作物甘蔗的生長對大豆根瘤固氮能力有顯著提高作用。間作甘蔗植株體內蛋白質含量高于單作，可能是因為甘蔗對氮營養(yǎng)需求大，而大豆對氮營養(yǎng)需求小，在甘蔗、大豆間作體系中，甘蔗根系進入大豆根區(qū)吸收氮，降低大豆根際土壤氮水平，從而刺激大豆根瘤固氮能力。但甘蔗和大豆之間養(yǎng)分的轉移機理還有待進一步研究。甘蔗/大豆間作，在甘蔗不減產的條件下，可以生產一季大豆，是華南地區(qū)重要的旱地種植方式。間作體系增加甘蔗葉片葉綠素含量，提高大豆根瘤固氮酶活性，增加甘蔗含糖量，提高大豆蛋白質和油分含量。

[1] Zhang Z G.Rank of sugarcane harvest area,unit yield and total yield in global main countries at 2007[J].Agricultural Outlook，2009(3):45-45．

[2] 潘月紅.2006年世界甘蔗主產國（地區(qū)）甘蔗收獲面積、單產和總產排序[J].農業(yè)展望,2008,44(4):1-4.

[3] Wang X L,Yang D T.Absorption and distribution of nitrogen phosphorus and potassium in different growth stages of sugarcane[J].Journal of Soil Science,1994,25(5):224-226.

[4] Gooding M J,Kasyanova E,Ruske R,et al.Intercropping with pulses to concentrate nitrogen and sulphur in wheat[J].Journal of Agricultural Science,2007,145(5):469-479.

[5] Yu C B,Sun J H,Li L.Effect of interspecific interaction on crop growth and nutrition accumulation[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2009,15(1):1-8.

[6] Francis C A.Mutiple cropping system[M].New York:Macmillan Publishing Company,1986:376-383.

[7] Ghosh P K.Growth,yield,competition and economics of groundnut/cereal fodder intercropping systems in the semiarid tropics of India[J].Field Crops Research,2004,88(2/3):227-237.

[8] 李隆.間作作物種間促進與競爭作用的研究[D].北京:中國農業(yè)大學,1999.

[9] Jayabal V,Sankaran N,Chockalingam S.Effect of intercrops and nitrogen levels on the quality of sugarcane[J].Indian Sugar,1990,40(2):113-115.

[10] 鐘聲.甘蔗套種豆科牧草研究[J].云南畜牧獸醫(yī),2003(3):7-8.

[11] 吳才文,劉家勇,王建光,等.甘蔗苗期間種大豆增產增收效應分析[J].中國糖料,2004(1):14-17.

[12] Arnon D I,Hoagland D R.Crop production in artificial solutions and soils with special reference to factors influencing yield and absorption of inorganic nutrients[J].Soil Sci,1940,50:463-471.

[13] Sasakawa H,Trung B C,Yoshida S.Stem nodulation on Aeschynomene indica plants by isolated rhizobia[J].Soil Sci Plant Nutr,1986,32:145-149.

[14] 鐘增濤,沈其榮,孫曉紅,等．根瘤菌在小麥與紫云英混作中的作用[J]．應用生態(tài)學報,2003,14(2):187-190.

[15] 肖焱波,李隆,張福鎖．接種不同根瘤菌對間作蠶豆和小麥生長的促進作用研究[J]．農業(yè)現(xiàn)代化研究,2003,24(4):275-277.

[16] 武帆.菌根真菌和根瘤菌對大豆玉米種間氮素轉移作用的研究[D].哈爾濱:東北農業(yè)大學,2009.

[17] 房增國,趙秀芬,孫建好,等．接種根瘤菌對蠶豆/玉米間作系統(tǒng)產量及結瘤作用的影響[J]．土壤學報,2009,46(5):887-893.

[18] 鐘增濤,沈其榮,冉煒,等．旱作水稻與花生混作體系中接種根瘤菌對植株生長的促進作用[J]．中國農業(yè)科學,2002,35(3):303-308.

[19] 朱長甫,苗以農,楊文杰,等.大豆種子蛋白質含量與固氮酶活性和硝酸還原酶活性的關系[J].中國油料,1992(2):45-47.