黃土高原不同玉米－大豆間作模式對玉米生長發(fā)育的影響

王志梁，任媛媛，張歲岐

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100）

近幾十年來，隨著資源、環(huán)境、糧食等全球性問題的日益加劇，間套作再次引起人們的關(guān)注［1－4］。不同類型的間套作模式中，禾豆間作由于增產(chǎn)和節(jié)約化學(xué)氮肥等特點(diǎn)而倍受關(guān)注，從而被認(rèn)為是未來可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向之一［5－7］。在我國，玉米與豆科的間作是一種優(yōu)勢的種植制度。合理的間作可充分利用資源，提高土地生產(chǎn)力，有效增加地面覆蓋度，防止水土流失，尤其在中低產(chǎn)地區(qū)，豆科作物對提高土壤肥力和穩(wěn)定作物產(chǎn)量有著重要作用［8］。有研究［9］表明，與單作種植相比，玉米／大豆間作群體內(nèi)玉米的產(chǎn)量增加，而大豆的產(chǎn)量降低或不變，從而使整個體系的產(chǎn)量增加。黃土塬區(qū)屬于半干旱地區(qū)，水資源短缺是限制作物產(chǎn)量的重要因素，因此，通過選擇合理的種植體系提高水分利用效率，是旱作生產(chǎn)中提高作物產(chǎn)量的重要手段。但是，禾豆間作已有的研究成果多集中在種植模式、養(yǎng)分利用機(jī)理和經(jīng)濟(jì)效益等方面，而關(guān)于不同間作模式對玉米生長的影響研究較少。本研究通過對黃土塬區(qū)不同的玉米和大豆品種以及不同的間作比例下各生育期內(nèi)玉米生長的動態(tài)監(jiān)測，探討玉米／大豆間作條件下玉米的生長特征，為指導(dǎo)合理種植、資源高效利用提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在中國科學(xué)院水利部水土保持研究所長武生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站位于陜西省長武縣洪家鎮(zhèn)王東村（107°40′E，35°12′N），海拔1200m，屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，晝夜溫差較大；年均降水量584mm左右，且多集中于6—8月份；年均氣溫9.1℃，無霜期171d，作物種植多為一年一季；地下水埋深50～80m，屬典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)；地貌屬高原溝壑區(qū)，塬面和溝壑兩大地貌單元各占35%和65%；地帶性土壤為黑壚土，土體結(jié)構(gòu)均勻疏松，是黃土高原溝壑區(qū)典型性土壤。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 玉米選用鄭單958（A）和豫玉22（B）兩個品種，大豆選用中黃24（C）和中黃13（D）兩個品種。試驗(yàn)于2012年4—10月進(jìn)行。間作分為2∶2和2∶4兩種間作比例（2∶2即2行玉米2行大豆間作，2∶4即2行玉米4行大豆間作），以玉米單作為對照，共10個處理，3次重復(fù)，共30個小區(qū)。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積24m2。0.5m等行距覆膜種植，玉米種植密度為9.0×104株／hm2，大豆種植密度為2.1×105株／hm2。玉米施氮肥225 kg／hm2，分別在播前、拔節(jié)期和抽雄期按4∶3∶3的比例施肥；大豆施氮肥90kg／hm2，在播前施肥；玉米和大豆施磷肥均為150kg／hm2，分別在播前施肥。

1.2.2 玉米葉片葉綠素相對含量和單株葉面積的測定 在各處理內(nèi)，分別于拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、乳熟期和蠟熟期用葉綠素儀（SPAD-502Plus）進(jìn)行葉片葉綠素測定；分別于拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期和乳熟期隨機(jī)選擇代表性植株3棵，測定全部展開葉片的葉長、最大葉寬，根據(jù)公式：葉面積＝葉長×葉寬×0.75（校正系數(shù)），得出葉面積值。

1.2.3 玉米株高和莖粗的測定 在各處理內(nèi)選擇3棵代表性植株，用卷尺自地上根莖結(jié)合處至莖稈最高處進(jìn)行株高測定；用游標(biāo)卡尺對各處理所選3棵代表性植株，在地上部分莖稈第2節(jié)進(jìn)行莖粗測定。

1.2.4 玉米干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量的測定 分別于拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、乳熟期和蠟熟期在各處理內(nèi)隨機(jī)選擇代表性植株3棵，將葉片、莖稈、穗分別采集，于105℃殺青0.5h，并在80℃烘至恒重，用電子天平稱重；在每個處理計(jì)產(chǎn)區(qū)收獲果穗，按平均鮮穗重從所收果穗中隨機(jī)選取10穗進(jìn)行考種計(jì)產(chǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將不同間作組合分別與單作進(jìn)行對比。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米葉片葉綠素相對含量隨生育期的動態(tài)變化

葉綠素相對含量在乳熟期達(dá)到最大值（圖1）。從大喇叭口期開始，玉米和大豆不同品種間作對玉米葉片葉綠素相對含量增加有促進(jìn)作用，均高于單作。其中，豫玉22與大豆兩個品種間作，在吐絲期，兩種間作比例下的葉綠素相對含量較單作顯著增加（p＜0.05），而兩種間作比例在各時期差異不顯著。鄭單958與中黃24間作，各生育時期沒有明顯的規(guī)律；鄭單958與中黃13間作，在蠟熟期，間作比例2∶4明顯高于2∶2，其他時期差異不顯著。

2.2 玉米單株葉面積隨生育期的動態(tài)變化

間作下的單株葉面積在吐絲期達(dá)到最大值（圖2），而單作下的單株葉面積在大喇叭口期達(dá)到最大值。鄭單958分別與大豆兩個品種間作，單株葉面積從大喇叭口期開始較單作增加。鄭單958與中黃24間作，與單作相比，間作比例2∶4的玉米葉面積在吐絲期顯著增加（p＜0.05），其他時期差異不顯著，但總體上高于2∶2間作；鄭單958與中黃13間作，間作比例2∶2高于2∶4。豫玉22與大豆兩個品種間作，單株葉面積在吐絲期較單作明顯增加，間作比例2∶4的單株葉面積在生育后期總體上高于2∶2間作。

圖1 玉米葉片葉綠素相對含量隨生育期的變化

圖2 玉米單株葉面積隨生育期的變化

2.3 玉米株高隨生育期的動態(tài)變化

從拔節(jié)期開始，間作與單作的玉米株高開始出現(xiàn)顯著性差異（表1）。鄭單958與中黃24間作下，在各生育時期，間作比例2∶2均高于2∶4；鄭單958與中黃13間作下，從大喇叭口期開始，2∶2間作高于2∶4間作。豫玉22與中黃24間作，在各生育時期，間作比例2∶4均高于2∶2；豫玉22與中黃13間作，從拔節(jié)期到吐絲期，間作比例2∶2高于2∶4。與單作相比，鄭單958分別與大豆兩個品種間作，在生育后期總體表現(xiàn)為間作高于單作；豫玉22分別與大豆兩個品種間作，在吐絲期表現(xiàn)為間作高于單作，在其他時期表現(xiàn)為間作低于單作。鄭單958與豫玉22相比較，在生育后期，豫玉22高于鄭單958。

2.4 玉米莖粗隨生育期的動態(tài)變化

玉米／大豆間作，玉米莖粗在大喇叭口期達(dá)到最大值（圖3）。鄭單958與中黃24間作，與單作相比，從大喇叭口期開始出現(xiàn)顯著差異（p＜0.05）；鄭單958與中黃13間作，從大喇叭口期開始高于單作，但差異不顯著。豫玉22分別與大豆兩個品種間作，間作比例2∶4總體上高于2∶2。從大喇叭口期開始，在各間作處理下，玉米莖粗均高于單作。在各生育時期，無論單作還是間作，鄭單958總體上稍高于豫玉22。

表1 玉米株高隨生育期的變化

2.5 玉米干物質(zhì)積累隨生育期的動態(tài)變化

間作下的玉米干物質(zhì)積累量從拔節(jié)期開始較單作出現(xiàn)顯著差異（表2）。鄭單958分別與大豆兩個品種間作，從大喇叭口期開始，玉米生物量積累均高于鄭單958單作處理。鄭單958與中黃24間作，間作比例2∶4高于2∶2；鄭單958與中黃13間作，從吐絲期開始，間作比例2∶4高于2∶2。豫玉22分別與大豆兩個品種間作，從吐絲期開始，玉米生物量積累均高于豫玉22單作處理。豫玉22與中黃24間作，間作比例2∶4均高于2∶2；豫玉22與中黃13間作，從吐絲期到蠟熟期，間作比例2∶4高于2∶2。在蠟熟期，鄭單958在各間作處理下，生物量積累都有大幅度提升，均高于豫玉22，其中，鄭單958與中黃24在2∶4間作下，玉米干物質(zhì)積累量高于其他處理。

表2 玉米干物質(zhì)積累隨生育期的變化

圖3 玉米莖粗隨生育期的變化

2.6 玉米產(chǎn)量的差異

間作下的玉米產(chǎn)量明顯高于單作處理（圖4）。鄭單958分別與大豆兩個品種間作，各間作處理下的玉米產(chǎn)量顯著高于單作，而各間作處理之間的差異不顯著。

豫玉22分別與大豆兩個品種間作，間作比例2∶4下的玉米產(chǎn)量顯著高于單作，2∶2間作下的產(chǎn)量均高于單作，但差異不顯著。鄭單958在單作下的產(chǎn)量稍低于豫玉22，而在間作下的玉米產(chǎn)量均高于豫玉22，在各間作處理中，2∶4間作下的玉米產(chǎn)量均高于2∶2間作，其中，鄭單958與中黃24在2∶4間作下產(chǎn)量達(dá)到最大值。

圖4 不同種植模式下玉米的產(chǎn)量差異

3 結(jié)果討論

玉米與大豆間作是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的一種典型耕作方式。合理的玉米／大豆間作，由于株型及生理生態(tài)方面的差異，使時空與水肥利用產(chǎn)生互補(bǔ)作用，獲得比單作更高的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益［10－11］。

3.1 間作下的玉米葉片葉綠素相對含量

葉綠素含量會直接影響光合作用的生產(chǎn)。劉貞琦［12］等對水稻的研究表明，葉片中葉綠素含量在一定范圍內(nèi)與光合速率成正比。隨著葉綠素含量的增加，葉綠體對光能的吸收與轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng)，光合速率增大［13］。間作的種植方式充分考慮了兩種作物的優(yōu)勢互補(bǔ)，大豆為矮稈喜陰作物，玉米為高稈喜陽作物，這樣的高低搭配立體種植能充分利用光能［10］，使玉米葉綠素含量增加，光合速率增大，光合產(chǎn)物的合成與積累增加。本研究結(jié)果表明，玉米和大豆不同品種間作對玉米葉片葉綠素相對含量增加有促進(jìn)作用，從大喇叭口期開始均高于單作，對玉米起到延緩衰老的作用，同時，長時間的葉片高葉綠素含量必然能夠獲得高效率的光合作用，為作物生育后期持續(xù)生產(chǎn)光合產(chǎn)物，并更多地向籽粒運(yùn)輸提供有效保證。

3.2 間作下的玉米單株葉面積

葉片是植物獲取光能的主要器官，葉面積是特定區(qū)域內(nèi)光合表面的測度，與潛在的光截留量相關(guān)，因此具有較大葉面積的植物具有較高的光能利用率［14］。間作增產(chǎn)的主要原因在于群體的立體結(jié)構(gòu)及波浪式冠層特征，使群體受光面積增大，透光性改善，利于群體內(nèi)外的氣體交換，最終使光合作用增強(qiáng)而產(chǎn)量提高［15］。本研究結(jié)果表明，玉米的兩個品種分別與大豆的兩個品種間作，玉米的葉面積均高于單作，其中，2∶4間作在生育后期總體上高于2∶2間作，說明2∶4間作下，玉米群體受光面積更大，與劉晶等［16］的研究結(jié)果一致。

3.3 間作下的玉米株高和莖粗

玉米的株高和莖粗對產(chǎn)量有較大的影響，株高在很大程度上決定了玉米群體冠層對光的截獲能力和光能利用率［17］；莖粗則在很大程度上決定了玉米的抗倒伏能力［18］。本試驗(yàn)結(jié)果顯示（表1），鄭單958分別與大豆兩個品種間作，株高從大喇叭口期開始表現(xiàn)為間作比例2∶2高于2∶4；豫玉22分別和大豆兩個品種間作，株高在生育后期表現(xiàn)為間作比例2∶4高于2∶2。與單作相比較，鄭單958在生育后期總體表現(xiàn)出間作高于單作，而豫玉22總體表現(xiàn)為間作低于單作，說明鄭單958間作在生育后期較單作具有更高的光能利用率。本研究中鄭單958分別與大豆兩個品種間作，兩種間作比例下的莖粗沒有明顯的規(guī)律（圖3）；而豫玉22分別與大豆兩個品種間作，莖粗表現(xiàn)為2∶4間作總體上高于2∶2間作。兩個玉米品種相比較，鄭單958莖粗稍高于豫玉22。從大喇叭口期開始，在各間作處理下，玉米莖粗均高于單作處理，間作模式能有效提高玉米植株抗倒伏能力。

3.4 間作下的玉米干物質(zhì)積累和產(chǎn)量

隨著玉米的生長發(fā)育，干物質(zhì)積累量逐漸增加，生育前期增加速度較快，生育后期依然增加，有利于玉米穗的形成和籽粒灌漿［19］。本研究中從拔節(jié)期到乳熟期，玉米兩個品種單作和間作，干物質(zhì)積累量平穩(wěn)增加；從乳熟期到蠟熟期，在間作下，豫玉22干物質(zhì)積累量增加幅度較小，而鄭單958增加幅度較大，均高于豫玉22。不同生育期因?yàn)椴煌贩N的發(fā)育特征不同，所以會表現(xiàn)出差異性［20］。玉米兩個品種分別與大豆兩個品種間作，干物質(zhì)積累量總體上都高于單作，間作比例2∶4高于2∶2，其中，鄭單958與中黃24在2∶4間作下，玉米干物質(zhì)積累量在生育后期高于其他處理，產(chǎn)量也呈現(xiàn)出同樣的趨勢（圖4）。間作可以提高干物質(zhì)積累量，不同間作品種和比例，增長幅度各異。

4 結(jié)論

鄭單958分別與大豆兩個品種間作，從大喇叭口期開始，玉米葉片葉綠素相對含量、單株葉面積、莖粗和干物質(zhì)積累量均高于單作，株高總體表現(xiàn)為間作高于單作。豫玉22分別與大豆兩個品種間作，玉米葉片葉綠素相對含量和莖粗從大喇叭口期開始高于單作，干物質(zhì)積累量從吐絲期開始高于單作，單株葉面積在吐絲期顯著高于單作，其他時期差異不顯著，而株高除了在吐絲期高于單作外，其他時期均低于單作處理。鄭單958在間作下能夠生產(chǎn)更多的光合產(chǎn)物，從而使得干物質(zhì)積累量在生育后期高于豫玉22，有利于增產(chǎn)。在所選的兩個玉米品種和兩個大豆品種的不同間作模式中，鄭單958和中黃24在2∶4間作下更有利于玉米的生長發(fā)育，是較為合理的種植模式。

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