黃土塬區(qū)玉米大豆不同間作方式對(duì)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)收益的影響及其機(jī)制

任媛媛, 王志梁, 王小林, 張歲岐1,,*

1 中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 西北農(nóng)林科技大學(xué), 楊凌 712100

黃土塬區(qū)玉米大豆不同間作方式對(duì)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)收益的影響及其機(jī)制

任媛媛1,2, 王志梁3, 王小林1,2, 張歲岐1,3,*

1 中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 西北農(nóng)林科技大學(xué), 楊凌 712100

利用不同玉米品種(鄭單958和豫玉22)和大豆品種(中黃24和中黃13)在單作和兩種(2∶2和2∶4)間作方式下，研究品種、間作方式對(duì)間作系統(tǒng)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響，探討其潛在的作用過(guò)程和機(jī)制，以期為旱區(qū)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效服務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)兩種間作方式的土地當(dāng)量比(LER)，相對(duì)擁擠系數(shù)(K)都高于單作，表明玉米、大豆在兩種間作方式下較單作具有顯著的間作優(yōu)勢(shì)，玉米間作相比單作增產(chǎn)顯著。K、實(shí)際產(chǎn)量損失(AYL)、侵占力(A)和競(jìng)爭(zhēng)比率(CR)的變化規(guī)律均表明在間作栽培條件下，玉米相對(duì)于大豆為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)物種；鄭單958相對(duì)于豫玉22，中黃24相對(duì)于中黃13均占有一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。鄭單958與中黃24以2∶4比例間作的間作優(yōu)勢(shì)(IA)及貨幣優(yōu)勢(shì)指數(shù)(MAI)值最高。(2)相比單作，間作種植模式下玉米的水分利用效率明顯增加，而且玉米∶大豆以2∶4間作的水分利用效率顯著高于2∶2。鄭單958與中黃24 在2∶4間作方式下的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益都最高，適合在當(dāng)?shù)貞?yīng)用和推廣。

干物質(zhì)積累; 土地當(dāng)量比; 間作優(yōu)勢(shì); 玉米大豆間作

間作即在同一塊土地上種植兩種或多種作物，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)延用了數(shù)個(gè)世紀(jì)[1]。作為一種非常重要的農(nóng)業(yè)實(shí)踐，間作廣泛應(yīng)用于世界的各個(gè)地方，特別是發(fā)展中國(guó)家。在中國(guó)，約1/3可耕作土地采用多物種模式，卻貢獻(xiàn)了中國(guó)所有農(nóng)作物總產(chǎn)量的一半[2]。然而對(duì)于間作相比單作能夠提高作物產(chǎn)量的真正認(rèn)識(shí)至今才三十幾年時(shí)間[3]。目前關(guān)于間作提高產(chǎn)量的最為常見(jiàn)的一種解釋是間作作物在一定程度上對(duì)于生長(zhǎng)所需資源的不同利用。與單作相比，間作作物由于在時(shí)間和空間上能更有效地利用一種或多種資源，因而能增加單位土地面積上的總產(chǎn)量[4]。Zhang和Li[5]認(rèn)為“競(jìng)爭(zhēng)-恢復(fù)產(chǎn)量”的綜合作用決定了間作優(yōu)勢(shì)，但是非常有限的資源(如水分)可能改變間作組成物種間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系從而影響間作優(yōu)勢(shì)。因此在資源非常有限的環(huán)境下，不同品種間的間作優(yōu)勢(shì)不僅取決于其自身的特性同時(shí)也取決于限制性的環(huán)境因子。

間作系統(tǒng)中，豆科/禾本科作物間作是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用最為成功的一個(gè)組合[6]。一般認(rèn)為禾本科植物相對(duì)豆科植物具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且禾本科植物的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)決定了間作系統(tǒng)的群體質(zhì)量。然而目前關(guān)于在資源(如水分)受限條件下，不同品種(玉米和大豆)以及種植模式對(duì)于間作系統(tǒng)的群體質(zhì)量以及間作優(yōu)勢(shì)的研究比較少。因此針對(duì)限制性生態(tài)位，間作組成的不同品種間的反應(yīng)以及如何影響間作系統(tǒng)的機(jī)制尚不清晰。

作物對(duì)于光、水分和營(yíng)養(yǎng)元素的競(jìng)爭(zhēng)不僅發(fā)生在作物的地上部分還發(fā)生于地下部分。大多數(shù)研究集中于地上部分的光競(jìng)爭(zhēng)[7-8]。作物根系生長(zhǎng)對(duì)于營(yíng)養(yǎng)元素和水分的競(jìng)爭(zhēng)研究較少。根系系統(tǒng)的形態(tài)和時(shí)空分布為確定作物地下部分競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度的關(guān)鍵因子。Bray[9]研究表明，土壤中水分和氮的活性對(duì)于作物地下部分的種間競(jìng)爭(zhēng)至關(guān)重要。然而根系系統(tǒng)可變復(fù)雜的幾何特性以及營(yíng)養(yǎng)資源的復(fù)雜分布使得有關(guān)種間競(jìng)爭(zhēng)的植物性狀研究更加困難。

黃土塬區(qū)為我國(guó)以生產(chǎn)小麥、玉米為主的古老旱作農(nóng)區(qū)，光、熱資源豐富，但水源缺乏。因此，高效合理地利用水分等限制性資源為農(nóng)業(yè)間作的應(yīng)用提供了契機(jī)。本文主要探討下面幾個(gè)問(wèn)題：(1)哪些品種的玉米大豆組合相比各自單作增加的產(chǎn)量最高；(2)間作系統(tǒng)組成物種的競(jìng)爭(zhēng)能力與間作優(yōu)勢(shì)的關(guān)系；(3)不同間作系統(tǒng)的土壤水分利用效應(yīng)。因此本文通過(guò)研究中國(guó)黃土塬區(qū)不同玉米大豆間作模式對(duì)于產(chǎn)量形成、經(jīng)濟(jì)效益的影響，以及不同間作系統(tǒng)種間競(jìng)爭(zhēng)力對(duì)產(chǎn)量形成的影響機(jī)理，為中國(guó)黃土塬區(qū)多元化農(nóng)業(yè)以及旱作玉米增產(chǎn)潛力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所長(zhǎng)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(zhǎng)武縣洪家鎮(zhèn)王東村(107°40′30″E, 35°12′30″N)，海拔1 200 m，屬暖溫帶半濕潤(rùn)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584.1 mm，且多集中于7—9月份；年均氣溫9.1 ℃，無(wú)霜期171 d，作物種植多為一年一季；田間持水量年均值在20%左右，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)方法1.2.1 試驗(yàn)材料

玉米品種：鄭單958(抗旱指數(shù)為0.995；隸屬度為0.906)，屬?gòu)?qiáng)抗旱品種[10]，緊湊型株型；豫玉 22(抗旱指數(shù)為0.421；隸屬度為0.296)，屬不抗旱品種[10]，平展型株型。

大豆品種：中黃 24，屬抗旱型，無(wú)限結(jié)莢習(xí)性品種；中黃 13，屬干旱敏感型，有限結(jié)莢習(xí)性品種[11- 13]。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 試驗(yàn)作物生育期內(nèi)的月降雨量和平均氣溫

試驗(yàn)于2012 年4—10月進(jìn)行。采用雙因素(品種、種植模式)試驗(yàn)，以品種為主區(qū)，品種采用玉米“鄭單958”和“豫玉22”，大豆“中黃24”和“中黃13”；以種植方式為副區(qū)，玉米∶大豆=2∶2(即2行玉米2行大豆隔行間作)，玉米∶大豆=2∶4(即2行玉米4行大豆隔行間作)兩種間作方式，以玉米、大豆單作為對(duì)照；共12個(gè)處理，3次重復(fù)，36個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為6 m×4 m，完全隨機(jī)區(qū)組排列。玉米種植密度為9萬(wàn)株/ hm2，大豆種植密度為21 萬(wàn)株/ hm2。采用50 cm 等行距覆膜種植，播前施用底肥N 90 kg /hm2、P2O5150 kg /hm2，玉米分別于大喇叭口期和吐絲期各追施氮肥45 kg /hm2，農(nóng)田管理與當(dāng)?shù)叵嗤?，試?yàn)作物生育期內(nèi)的氣候數(shù)據(jù)由圖1所示。

1.2.3 測(cè)定指標(biāo)及計(jì)算方法

(1) 生物量及測(cè)產(chǎn)

玉米、大豆成熟后，玉米各處理隨機(jī)選擇代表性植株3棵，大豆各處理隨機(jī)選擇代表性植株6棵，于105 ℃殺青0.5 h，然后在80 ℃烘至恒重并稱量。每小區(qū)選取6 m2進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

(2) 水分利用效率

水分利用效率WUE：作物產(chǎn)量Y(kg/hm2)與農(nóng)田耗水量ET(mm)的比值，即WUE=Y/ET，根據(jù)農(nóng)田水量平衡原理可計(jì)算出ET值：ET=W播前-W收獲+I+P+G，其中W播前為播前土壤貯水量，W收獲為收獲期土壤貯水量，I為生育期灌水量(mm);P為生育期降水量；G為作物利用地下水量(mm)。試驗(yàn)地?zé)o灌溉條件，因此I=0，研究區(qū)地下水深70 m，因此G=0[14]。

(3) 競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)

估計(jì)多物種系統(tǒng)生產(chǎn)力優(yōu)勢(shì)的一種方法是計(jì)算土地當(dāng)量比(LER)[15]。LER為兩種或多種物種間作產(chǎn)量與相應(yīng)單作產(chǎn)量比值的總和。其結(jié)果說(shuō)明兩種或多種物種混種時(shí)所需土地與每個(gè)物種單種時(shí)所需土地的比值。如果LER>1說(shuō)明存在間作優(yōu)勢(shì)；相反，說(shuō)明間作產(chǎn)量不會(huì)增加。計(jì)算公式如下：

式中，Y1和Y2分別為物種1和物種2的單作產(chǎn)量，Y1i和Y2i分別為物種1和物種2的間作產(chǎn)量。

相對(duì)擁擠系數(shù)(K)：衡量物種1相對(duì)物種2競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的指標(biāo)[16]。當(dāng)K1>K2時(shí)，表明物種1競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)，當(dāng)K1=K2，表明不存在競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)K1

式中，Z1i，Z2i分別為間作中物種1、物種2的種植比例。

侵占力(A)常用于表征間作物種1的相對(duì)產(chǎn)量增長(zhǎng)大于物種2產(chǎn)量增長(zhǎng)的程度大小[17]。具體計(jì)算如下：

式中,A1代表間作物種1的侵占力，而A2代表間作物種2的侵占力，如果A1=0，表明這兩種作物的競(jìng)爭(zhēng)力相同；A1>0，表明物種1占據(jù)優(yōu)勢(shì)的；相反，物種2占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

競(jìng)爭(zhēng)比率(CR)：評(píng)價(jià)物種之間競(jìng)爭(zhēng)的一種指標(biāo)[18]。具體計(jì)算如下：

其彌補(bǔ)了土地當(dāng)量比未能考慮種植比例的缺陷，能夠較好地測(cè)量物種競(jìng)爭(zhēng)能力，優(yōu)于侵占力和相對(duì)擁擠系數(shù)。

實(shí)際產(chǎn)量損失(AYL)基于單株產(chǎn)量。相比單作，實(shí)際產(chǎn)量損失指數(shù)表示在種植比例下的相對(duì)產(chǎn)量損失或增加[19]。計(jì)算公式如下：

AYL的正負(fù)情況表示有無(wú)間作優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)生產(chǎn)力指數(shù)(SPI)，從優(yōu)勢(shì)作物(如玉米)方面統(tǒng)一伴作物(如大豆)的產(chǎn)量從而評(píng)價(jià)間作的一個(gè)指數(shù)[17]。計(jì)算公式如下：

(4) 經(jīng)濟(jì)指數(shù)

貨幣優(yōu)勢(shì)指數(shù)(MAI)和間作優(yōu)勢(shì)(IA)從經(jīng)濟(jì)方面描述是否存在間作優(yōu)勢(shì)[16,18]。計(jì)算公式如下：

IA=IA1+IA2, IA1=AYL1P1, IA2=AYL2P2

式中，P1為物種1經(jīng)濟(jì)價(jià)格，P2為物種2經(jīng)濟(jì)價(jià)格(目前所考慮地區(qū)玉米大豆價(jià)格分別為2.2元/kg和4.4元/kg)。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft excel 2007整理，采用SigmaPlot 12.0作圖，采用SPSS 17.0進(jìn)行分析。

2 結(jié)果

2.1 經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和地上部生物量

試驗(yàn)結(jié)果表明，所考慮玉米和大豆品種間單作產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異。鄭單958在2∶2間作方式下經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量顯著高于豫玉22(P<0.001)，地上生物量無(wú)顯著差異；在2∶4間作方式下經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量無(wú)顯著差異，但地上生物量顯著小于豫玉22(P<0.001)。大豆品種在兩種間作方式下經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和地上生物量都沒(méi)有顯著差異。玉米單作和間作經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和地上生物量的平均結(jié)果顯示玉米兩種間作方式的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和地上生物量都顯著高于單作(P<0.001)。2∶4間作的玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量顯著大于2∶2間作的玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(P<0.05)。大豆單作經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量顯著高于2∶2間作經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(P<0.05)。而地上生物量在不同間作方式間沒(méi)有顯著差別(表1)。

表1 不同品種及間作方式對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和地上生物量的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 1 Effect of variety and intercropping pattern on yield and aboveground biomass (mean±SD)

A、B、C、D分別表示鄭單958、豫玉22、中黃24及中黃13；A2C2、A2D2、B2C2、B2D2分別表示鄭單958與中黃24、中黃13，豫玉22與中黃24、中黃13以2∶2方式種植；A2C4、A2D4、B2C4、B2D4分別表示鄭單958與中黃24、中黃13，豫玉22與中黃24、中黃13以2∶4方式種植;同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 不同間作方式下的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)特征2.2.1 土地當(dāng)量比(LER)與相對(duì)擁擠系數(shù)(K)

不同品種的間作土地當(dāng)量比試驗(yàn)結(jié)果表明，玉米鄭單958間作處理LER值高于豫玉22間作處理。中黃24間作處理LER高于中黃13間作，但與豫玉22以2∶2間作的中黃13的LER值高于相應(yīng)的中黃24。間作方式影響土地當(dāng)量比結(jié)果說(shuō)明所有間作的LER均顯著高于單作，其中A2C4和A2C2的LER最高分別是1.291和1.211，方差分析表明，除B2C2和B2C4間作LER有所增加但無(wú)顯著性差異外，其它差異顯著。玉米2∶2間作的LER高于2∶4間作的LER，大豆的LER結(jié)果與玉米相反，即2∶4間作的LER高于2∶2間作。

品種和間作方式對(duì)K的影響與LER的相似，其中A2C4最高，其次為A2D2，分別為3.886， 3.068，K值反映的所考慮品種間的差異與LER一致。間作方式通過(guò)K值仍表現(xiàn)出無(wú)顯著性差異(表2)。

2.2.2 侵占力(A)與競(jìng)爭(zhēng)比率(CR)

玉米的侵占力均為正值且在A2C2時(shí)為最高，其次為A2D2，表明在所考慮的間作中，玉米均表現(xiàn)為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)種。品種間的侵占力比較結(jié)果說(shuō)明鄭單958相比豫玉22侵占力更強(qiáng)，中黃24的侵占力強(qiáng)于中黃13。同樣CR值表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)(表3)。

表2 品種和間作方式對(duì)LER和K的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 2 Effect of variety and intercropping pattern on LER and K (mean±SD)

表3 品種和間作方式對(duì)A和CR的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 3 Effect of variety and intercropping pattern on A and CR (mean±SD)

2.2.3 實(shí)際產(chǎn)量損失(AYL)與體系生產(chǎn)力指數(shù)(SPI)

所有間作方式的AYL均為正值表明所考慮的間作系統(tǒng)均存在間作優(yōu)勢(shì)，其中A2C4、A2D4最高(0.825和0.630)。玉米AYL均為正值，表明相對(duì)單作所有間作方式玉米產(chǎn)量均有所增加，而大豆的AYL除B2D2和A2C4外，其余都為負(fù)值，表明間作時(shí)大豆產(chǎn)量有所減少。與LER，K，A和CR結(jié)果一致，鄭單958間作的AYL顯著高于豫玉22。SPI的結(jié)果說(shuō)明，A2C4 的SPI最高，其次為A2C2和A2D2，品種間的SPI比較結(jié)果與前面的指數(shù)結(jié)果一致(表4)。

2.3 經(jīng)濟(jì)指數(shù)

所考慮的玉米大豆間作方式除豫玉22與中黃24以2∶2間作外，其他處理均具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)(IA為正值)，其中A2C4的IA值最高，其次為A2D4。玉米大豆間作中玉米具有明顯的間作優(yōu)勢(shì)(IAm為正值)，而大豆的間作優(yōu)勢(shì)不顯著。A2D4和A2C2間作的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)最為明顯。與鄭單958間作的IA高于與豫玉22間作，品種和間作方式對(duì)玉米IA有影響但沒(méi)有顯著性變化，其中A2C4的間作優(yōu)勢(shì)最為明顯；對(duì)于大豆的IA而言，也表現(xiàn)為A2C4的間作優(yōu)勢(shì)最為明顯。MAI(正值)表現(xiàn)為玉米大豆間作優(yōu)勢(shì)相同的趨勢(shì)，其中A2C4 MAI最高，其次為A2C2，與鄭單958間作的MAI明顯高于與豫玉22間作的MAI(表5)。

表4 品種和間作方式對(duì)AYL和SPI的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 4 Effect of variety and intercropping pattern on AYL and SPI(mean±SD)

表5 品種和間作方式對(duì)IA和MAI的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 5 Effect of variety and intercropping pattern on IA and MAI (mean±SD)

2.4 不同間作模式的水分利用效率

玉米的水分利用效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大豆。大豆品種中黃24和中黃13在水分利用效率方面沒(méi)有顯著差異。間作方式對(duì)于大豆水分利用效率的影響除中黃24單作小于2∶4間作外，其他處理方式均沒(méi)有顯著性差異，但表現(xiàn)為單作的水分利用效率高于間作。玉米品種對(duì)水分利用效率沒(méi)有顯著區(qū)別，鄭單958在間作方式下水分利用效率顯著高于豫玉22。玉米兩種間作方式的水分利用效率都顯著高于單作(P<0.05)。間作2∶4的水分利用效率顯著高于間作2∶2(表6)。

3 討論

3.1 玉米和大豆間作系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和地上生物量的品種互作效應(yīng)

在所考慮的間作系統(tǒng)中，玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均低于相應(yīng)單作的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，而且降低的幅度受到間作增加的大豆種植比例的影響。2∶2間作的降低程度低于2∶4間作的降低程度。間作對(duì)鄭單958籽粒產(chǎn)量相對(duì)豫玉22影響較小。玉米地上生物量改變與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的變化趨勢(shì)相同。大豆經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和地上生物量同樣低于相應(yīng)單作的產(chǎn)量，但其降低程度受種植比例影響與玉米相反。

Osman和Nersoyan[20]表明豆科-禾本科間作的最高產(chǎn)量來(lái)自于豆科所占比例最高的間作模式(66∶33)。然而其他研究說(shuō)明豆科-禾本科間作的產(chǎn)量改變不受種植比例的影響[21]。研究結(jié)果說(shuō)明由于種間競(jìng)爭(zhēng)豆科禾本科間作的產(chǎn)量低于單作的產(chǎn)量[22]。Bedoussac和Justes[23]發(fā)現(xiàn)豌豆-小麥間作的地上生物量相比各自單作增加20%和120%，但他們的試驗(yàn)處于不同的氮水平。大豆對(duì)于經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和地上生物量的貢獻(xiàn)率的降低可能歸因于玉米大豆的種間競(jìng)爭(zhēng)，特別在干旱條件下對(duì)水分的競(jìng)爭(zhēng)。

表6 不同處理的水分利用效率(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 6 Water use efficiency under different treatment(mean±SD)

3.2 競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)

所考慮間作方式的LER和K均高于單作(1.00)，且LER為1.012—1.291，即單作需增加1.2%—29.1%土地面積才能達(dá)到與間作同等的產(chǎn)量，表現(xiàn)出明顯的間作優(yōu)勢(shì)和土地利用效率[19,24]。所考慮的間作方式，此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致。Lithourgidis等[25]研究豌豆與禾本科(小麥、黑麥和黑小麥)的間作結(jié)果LER為1.08—1.19；Dhima等[18]研究荒野豌豆與禾本科(小麥、黑小麥和燕麥)的間作LER為1.05—1.09，但相比前人研究，本文研究環(huán)境為水資源相對(duì)不足的黃土塬區(qū)，品種抗旱性可能為決定間作產(chǎn)量增加及其程度的關(guān)鍵因子。

LER值不能定量反映由不同間作方式或品種導(dǎo)致的作物產(chǎn)量增加或損失，但AYL值可彌補(bǔ)此不足。AYL值結(jié)果表明鄭單958在所考慮間作方式中經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量增加幅度相比豫玉22顯著高43.6%(P<0.05)。玉米在鄭單958與中黃24(2∶4)間作方式下實(shí)現(xiàn)77.7%最大增產(chǎn) (AYLm=+0.777)。大豆除B2D2、A2C4間作方式產(chǎn)量稍微增加之外，其他間作方式均表現(xiàn)為產(chǎn)量損失，但不同品種間產(chǎn)量損失沒(méi)有顯著區(qū)別。結(jié)果說(shuō)明所考慮間作方式增產(chǎn)的主要因子在于玉米增產(chǎn)且品種抗旱性發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用。

K、A、CR為普遍采用表明間作物種競(jìng)爭(zhēng)能力高低的研究指標(biāo)。其結(jié)果表明在所考慮間作方式中兩玉米品種都為優(yōu)勢(shì)物種。但只有K值表明所有考慮間作方式中鄭單958競(jìng)爭(zhēng)能力均顯著高于豫玉22。其他指標(biāo)均表明2∶2間作方式下，鄭單958競(jìng)爭(zhēng)能力顯著高于豫玉22，而2∶4間作方式下，兩者競(jìng)爭(zhēng)力差別不顯著。結(jié)果說(shuō)明除水分競(jìng)爭(zhēng)外，土壤氮競(jìng)爭(zhēng)可能很大程度地影響間作作物間相互作用。

SPI為表征間作系統(tǒng)生產(chǎn)力和穩(wěn)定性的一種指標(biāo)，其結(jié)果表明所考慮間作系統(tǒng)均具有較高的穩(wěn)定性。鄭單958間作系統(tǒng)穩(wěn)定性顯著高于豫玉22間作系統(tǒng)。其他研究發(fā)現(xiàn)，豌豆黑小麥和豌豆小麥80∶20間作比其他間作方式具有較高的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性[25]。

黃土塬區(qū)熱資源豐富，水資源匱乏，屬雨養(yǎng)性農(nóng)業(yè)?？购敌砸虼顺蔀檗r(nóng)作物在當(dāng)?shù)赝茝V的重要指標(biāo)之一，結(jié)莢習(xí)性是大豆主要株型形狀之一，株型也是決定作物產(chǎn)量潛力的重要因素。因此，抗旱性和株型的選擇有助于提高作物的適應(yīng)能力和作物產(chǎn)量。我們的研究結(jié)果顯示，鄭單958的LER、K、AYL和SPI均高于豫玉22，表明緊湊型株型以及抗旱性的玉米品種相比平展型株型及非抗旱品種在黃土塬區(qū)更居競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。限制性資源，特別是水資源的競(jìng)爭(zhēng)力可能為決定黃土塬區(qū)間作作物產(chǎn)量的主導(dǎo)因素。鄭單958由于更好的利用各種資源而在土地使用效率和系統(tǒng)生產(chǎn)力上表現(xiàn)出優(yōu)于豫玉22的潛力。

3.3 貨幣指數(shù)

除豫玉22與中黃24以2∶2間作外，其他處理間作的IA均為正值，表明間作比單作具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。IA和MAI表明間作系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益的可行性及品種與間作方式結(jié)合的間作優(yōu)勢(shì)。其中鄭單958與中黃24以2∶4行比間作具有最大的IA和MAI值，此結(jié)果與LER及其他競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)結(jié)果一致。

3.4 水分利用效率

研究結(jié)果表明玉米的水分利用效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大豆。作物根系的空間分布對(duì)于水分競(jìng)爭(zhēng)非常重要[26]。有研究表明，玉米根系相比大豆水平分布范圍較大，而且在水分脅迫環(huán)境下，玉米根系不僅分布于間作條帶行間，而且生長(zhǎng)到大豆條帶的行間[27]。研究發(fā)現(xiàn)鄭單958間作的水分利用效率高于豫玉22，這與前面競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的研究結(jié)果一致，同時(shí)說(shuō)明對(duì)于水分的競(jìng)爭(zhēng)能力可能決定了黃土塬區(qū)間作作物的優(yōu)劣。間作水分利用效率明顯高于單作的研究結(jié)果與前人一致，Lu 等發(fā)現(xiàn)同糧食單作相比，間作種植模式土壤水分含量明顯增加，糧食作物水分利用效率明顯提高[28]。

4 結(jié)論

與單作相比，玉米和大豆間作能夠更好的利用資源，具有間作優(yōu)勢(shì)。不同玉米大豆品種及間作方式對(duì)間作地上生物量和產(chǎn)量的影響不同。玉米鄭單958與大豆(中黃24和中黃13)間作優(yōu)于豫玉22與大豆間作，在干旱半干旱的黃土塬區(qū)，抗旱性的玉米品種——鄭單958有利于提高間作優(yōu)勢(shì)。玉米大豆間作系統(tǒng)中，玉米為優(yōu)勢(shì)物種：玉米的水分利用效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大豆，而且間作方式的水分利用效率明顯高于單作。鄭單958與中黃24 以2∶4間作方式在產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)收益方面都優(yōu)于其他的間作方式，能夠最大化地提高農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)該被廣泛采用和推廣。

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The effect and mechanism of intercropping pattern on yield and economic benefit on the Loess Plateau

REN Yuanyuan1,2, WANG Zhiliang3, WANG Xiaolin1,2, ZHANG Suiqi1,3,*

1StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

One of the tasks of agricultural ecologist is to increase agricultural yield. How to improve agricultural practice is the biggest challenge in drought and barren environments on the Loess Plateau. Many studies have attempted to increase yield through the integration of plant population density, water and fertilizer use efficiency in this region. Intercropping, which is the simultaneous growing of two (or more) crop species in the same field, is a good solution to resolve this problem. Especially under low input conditions, the high yield attributes to resource complementarity in the intercropped system in which the component crops use the resources efficiently by dynamically balancing the different absorbing time, space-occupying or phenology. Maize (ZeamaysL.) and soybean (GlycinemaxL.) are important crops in China selected as the inter-planted crops. A field experiment was conducted to investigate the yield and economic benefit in the intercrops of maize (Zhengdan 958 and Yuyu 22) with soybean (Zhonghuang 24 and Zhonghuang 13) in two planting patterns (2∶2 and 2∶4) respectively on the Loess Plateau, and the sole crops set as controls. Based on the interrelation between varied components and planting patterns as well as their relation to crop yield, competition indices, economic indices and water use efficiency under intercropped, we look forward to understanding potential regulation and mechanisms of maize/soybean intercropped system and serving for the agricultural production. The aboveground biomass, grain yield and water use efficiency were surveyed in each planting pattern. Several indices of competition and economic were calculated and used to evaluate the intercropped systems and analyze the competitive relationships between intercropped components. The results showed that the land equivalent ratio (LER) and relative crowding coefficient (K) were greater in maize-soybean intercropping than that in sole crop, indicating an advantage of intercropping. Yield of maize in maize-soybean intercropping was higher than that in single crop. The actual yield loss (AYL), aggressivity (A) and competitive ratio (CR) indicated that maize was the dominant species in maize/soybean intercropped system. Zhengdan 958 and Zhonghuang 24 showed more competitiveness on the water than the other two varieties in intercropping cultivation. The highest values of monetary advantage index (MAI) and intercropping advantage (IA) were recorded by the intercropping pattern of Zhengdan 958 and Zhonghuang 24 (with 2∶4). The highest water use efficiency of maize was in intercropping pattern of 2∶4, followed by intercropping pattern of 2∶2, and sole crop was the lowest. As mentioned above, maize and soybean intercropped system had an obvious advantage in enhancing yield. The increases in biomass, yield and water use efficiency were caused by different varieties interaction and plant patterns significantly. Zhengdan 958 intercropped with soybean (Zhonghuang 24 and Zhonghuang 13) had advantage, indicating that Zhenggdan 958 is able to improve intercropping advantage. Zhengdan 958 and Zhonghuang 24 intercropped in patterns of 2∶4 obtained the highest yield and water use efficiency among all treatments. Therefore, we suggest that Zhengdan 958 and Zhonghuang 24 intercropped in patterns of 2∶4 had the highest economic benefit than the other patterns and thus may be adopted and popularized by farmers.

dry matter accumulation; land equivalent ratio; intercropping advantage; maize-soybean intercropping

國(guó)家高技術(shù)研究(863)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA100504); 高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助(B12007)

2013- 09- 18;

2014- 07- 02

10.5846/stxb201309182308

*通訊作者Corresponding author.E-mail: sqzhang@ms.iswc.ac.cn

任媛媛, 王志梁, 王小林, 張歲岐.黃土塬區(qū)玉米大豆不同間作方式對(duì)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)收益的影響及其機(jī)制.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(12):4168- 4177.

Ren Y Y, Wang Z L, Wang X L, Zhang S Q.The effect and mechanism of intercropping pattern on yield and economic benefit on the Loess Plateau.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):4168- 4177.