綠洲灌區(qū)小麥間作玉米種植密度優(yōu)化效應(yīng)研究

陳國棟 萬素梅 趙宏福 陳錦鋒 柴 強(qiáng)*

(1 塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

間作套種是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，具有充分利用地力、光能、熱能等資源的優(yōu)點，是一種較為普遍的高產(chǎn)種植方式[1, 2]。近年來，隨著人口的不斷增長，水土資源日趨減少，糧食安全問題日益突出，如何進(jìn)一步發(fā)揮間作增產(chǎn)、增效作用受到研究者的關(guān)注[3]。小麥間作玉米是我國西北地區(qū)，特別是甘肅一熟灌區(qū)的一種較為普遍的高產(chǎn)種植模式，具有明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢[4]，在提高甘肅河西灌區(qū)乃至全省糧食產(chǎn)量方面發(fā)揮著重要作用[5]。

間套作種植能夠建造良好的群體冠層結(jié)構(gòu)，通過更有效地利用光能來增加作物產(chǎn)量[6]，而群體冠層結(jié)構(gòu)很大程度上受作物種植密度的影響，種植密度不僅直接影響著太陽光的截獲量，而且通過影響冠層內(nèi)水、熱、氣、肥等微環(huán)境最終影響著群體的光合效率和作物產(chǎn)量[7]。Hauggaard-Nielsen等(2006)[8]研究發(fā)現(xiàn)，凡是間作增產(chǎn)的地方，其適宜總密度比單作中任一個要來得大，這是間混作充分利用空間的結(jié)果。吳蘭[9]認(rèn)為密植效應(yīng)是間作優(yōu)勢形成的基礎(chǔ)，而兩作物協(xié)調(diào)互補(bǔ)(補(bǔ)償效應(yīng))則是間作優(yōu)勢形成的條件。安瑞春等[10]研究認(rèn)為增大作物密度使間混作總?cè)~面積和有效葉面積增加，光能利用率顯著提高。朱靜[11]研究認(rèn)為，間作玉米密度的增加，提高了玉米間作豌豆群體對氮素的利用率，顯著提高了間作體系的產(chǎn)量。然而，間作產(chǎn)量并不是隨密度的增大而呈線性增長關(guān)系，華勁松等[7]研究了種植密度對玉米間作蕓豆產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，產(chǎn)量在一定范圍內(nèi)隨密度的增大而增大，密度過大，產(chǎn)量反而下降。譚春燕等[12]在玉米間作不同種植密度大豆的條件下，研究了大豆光合生理指標(biāo)的影響，結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，大豆光合速率會隨著密度的增加而增加，但達(dá)到一定程度，反而會下降。

在作物品種、種類不同的前提下，關(guān)于密度對間作群體產(chǎn)量影響的結(jié)果沒有一個統(tǒng)一的認(rèn)知[13]，而密度影響小麥間作玉米產(chǎn)量的理論研究較為薄弱，致使生產(chǎn)實踐過程中作物密度安排缺乏理論指導(dǎo)。因此，本研究以小麥間作玉米為研究對象，在不同的密度條件下，研究作物密度與復(fù)合群體產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，明確密度影響間作作物產(chǎn)量的主要原因，以期通過改變間套作體系中作物種植密度而為提高體系產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年3～10月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)與農(nóng)墾研究院農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地進(jìn)行。試驗區(qū)屬溫帶大陸干旱氣候，具有干旱少雨、日照充足、晝夜溫差大的特點。主要風(fēng)向為西北風(fēng)，靜風(fēng)率26%，年平均溫度7. 7 ℃，無霜期150 d左右，日照時數(shù)2873. 4 h，太陽總輻射量579. 3kj/ cm2，日照百分比為67%，太陽輻射量為138. 45 kcal/cm2，屬太陽輻射量高值區(qū)，晝夜溫差平均7. 9 ℃。氣溫以7月最高，為29 ℃，1月最低，為零下14. 9 ℃。多年平均降水量160 mm，年蒸發(fā)量2 020 mm。屬于典型的兩季不足、一季有余的自然生態(tài)區(qū)。該區(qū)主要采用小麥間作玉米，玉米間作豌豆等主要種植模式，采用何種密度模式可以提高資源利用和產(chǎn)量尚無明確研究。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)單作小麥、單作玉米、小麥間作玉米3種種植模式，單作小麥、單作玉米分別設(shè)3個密度，組成6個單作處理；間作作物密度是基于固定一種間作作物密度，通過改變與之間作作物密度設(shè)計的，間作組分作物密度同單作，組成5個間作處理。試驗處理代碼及密度設(shè)置見表1。試驗共設(shè)置11個處理，重復(fù)3次，采用完全隨機(jī)設(shè)計。春小麥品種(Triticumaestivum)為“永良4號”，春玉米(Zeamayz)品種為“先玉335”，均由武威市農(nóng)技推廣中心提供。小麥于3月22日播種，7月26日收獲，玉米于4月8日播種，9月27日收獲。

表1 處理代碼及密度設(shè)置

1.3 測定指標(biāo)和方法

產(chǎn)量性狀：小麥?zhǔn)斋@后每小區(qū)取樣20株考種，測定株高、穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量性狀；玉米每小區(qū)取樣10株考種，測定株高、穗位高、穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、雙穗率、百粒重等產(chǎn)量性狀。

產(chǎn)量：小麥成熟期取長1m、寬0. 8m收獲測產(chǎn)，每小區(qū)取3點取樣，最后平均出0. 8m2米的產(chǎn)量，乘以10000即為每公頃產(chǎn)量。玉米成熟期每小區(qū)取40株收獲計產(chǎn)，計算單株產(chǎn)量，最后乘以各處理密度即為不同處理最終產(chǎn)量。

土地當(dāng)量比(Land equivalent ratio , LER)：土地當(dāng)量比(LER)是衡量間套作產(chǎn)量優(yōu)勢的指標(biāo)[17]。

LER=(Yim/Ysm)+ (Yiw/Ysw)

式中，Yim和Yiw分別代表間作玉米和間作小麥產(chǎn)量，Ysm和Ysw分別代表單作玉米和單作小麥產(chǎn)量。當(dāng)LER>1時，表現(xiàn)為間作優(yōu)勢，LER<1表現(xiàn)為間作劣勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度與作物產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

以間作組分作物種植密度為自變量，以其產(chǎn)量為因變量研究密度與作物產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系(圖1和圖2)。無論是單作還是間作體系，小麥、玉米產(chǎn)量與種植密度呈開口向下的二次拋物線關(guān)系，說明在一定的密度范圍內(nèi)，產(chǎn)量隨密度的增加而增加，當(dāng)密度增大到一定水平，產(chǎn)量開始下降。

本試驗密度下，單作小麥、單作玉米在中密度時產(chǎn)量最大，回歸分析結(jié)果表明，單作小麥、單作玉米理論上獲得最高產(chǎn)量所對應(yīng)密度分別為776萬株·hm-2和8. 35萬株·hm-2。間作小麥產(chǎn)量隨密度的增加而增加(圖1)，二次曲線僅為拋物線的左邊部分，這可以理解為在現(xiàn)有密度配置下，間作小麥產(chǎn)量最大值還未出現(xiàn)，而通過回歸分析可以得出間作小麥理論上獲得最高產(chǎn)量所對應(yīng)密度為1023萬株·hm-2。間作玉米密度與產(chǎn)量的關(guān)系(圖2)表明，間作玉米產(chǎn)量在中密度時最高，間作玉米理論上獲得最高產(chǎn)量所對應(yīng)密度為8. 56萬株·hm-2。因此，在小麥間作玉米復(fù)合群體中，增加小麥密度可作為增加間作產(chǎn)量的有效途徑。

圖1 小麥密度與間作小麥產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

圖2 玉米密度與間作玉米產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

2.2 密度對小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

對不同模式下小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明(表1)，高密度和低密度間作小麥穗長、穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重顯著高于對應(yīng)單作，穗長、穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重分別較單作提高14. 0%和15. 5%、12. 4%和8. 8%、6. 5%和4. 9%、7. 2%和13. 2%。處理W2/M3的小麥株高、穗長、穗數(shù)分別較相應(yīng)密度單作提高3. 7%、14. 7% 、10. 3%；處理W2/M2的株高、千粒重則較單作降低4. 3%、7. 3%。

不同間作處理間比較，小麥株高、穗長、穗粗及千粒重隨密度增加而增大。處理W2/M3和W3/M2的小麥株高分別較W2/M1提高5. 7%和5%，較W2/M2提高8. 4%和7. 6%，較W1/M2提高3. 1%和2. 4%；小麥穗長分別較W2/M1提高12. 2%和10. 4%，較W2/M2提高11. 7%和9. 9%，W1/M2提高10. 6%和8. 9%；小麥穗數(shù)分別較W2/M2提高8. 2%和16. 3%，較W1/M2提高14. 8%和23. 4%。小麥穗粒數(shù)隨密度增加而減小，處理W2/M3的小麥穗粒數(shù)分別較W2/M1、W2/M2、W1/M2和W3/M2低12. 9%、11. 7%、10. 5%和5. 9%，處理W3/M2的小麥穗粒數(shù)分別較W2/M1、W2/M2和W1/M2低6. 5%、5. 4%和4. 4%。密度對小麥千粒重影響不大。

為分析密度對間作作物產(chǎn)量構(gòu)成的影響，對不同間作小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素作相關(guān)性分析，結(jié)果表明產(chǎn)量與穗粒數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與株高、穗長和穗數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，其中穗數(shù)與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0. 05)，相關(guān)系數(shù)為0. 881，說明間作小麥群體中可通過改變穗數(shù)而對產(chǎn)量進(jìn)行調(diào)控。

表1 密度對小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

注：數(shù)據(jù)為3個重復(fù)的平均值。同列中不同字母表示處理間差異顯著(P<0. 05)。

2.3 密度對玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

密度對玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響因種植模式的不同而存在差異(表2)，單作玉米株高、穗位高顯著高于間作，高、中、低3個密度下，單作玉米株高較間作分別增加37. 0%、37. 4%、37. 8%，穗位高分別增加46. 9%、45. 5%、55. 6%。另外，本試驗條件下，間作具有較高的雙穗率，間作雙穗率達(dá)到45. 2%，而單作雙穗率僅為7. 7%。

不同間作處理下玉米株高、穗位高、穗粗及白粒重差異不明顯，說明影響間作玉米產(chǎn)量的主要因素為穗長、穗行數(shù)、穗粒數(shù)和雙穗率。玉米穗長隨玉米密度增加而增加，處理W2/M2和W2/M3的玉米穗長分別較W2/M1提高6. 8%和10. 6%。處理W2/M3和W1/M2的玉米穗行數(shù)分別較W2/M1提高10. 8%和11. 4%，較W2/M2提高4. 2%和4. 8%，較W3/M2提高6. 7%和7. 3%。處理W2/M3的玉米行粒數(shù)分別較W2/M1提高6. 4%，較W3/M2提高4. 8%。處理W1/M2的雙穗率最低，分別較W2/M1、W2/M2、W2/M3和W3/M2低21. 7%、29. 4%、18. 2%和26. 5%。

對不同間作玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素作相關(guān)性分析，結(jié)果表明產(chǎn)量與株高、穗粗、雙穗數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與穗位高、穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)及百粒重呈正相關(guān)關(guān)系，其中穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0. 05)，相關(guān)系數(shù)分別為0. 805、0. 936和0. 905，說明間作群體中可通過改變間作玉米群體的穗長、穗行數(shù)及行粒數(shù)而對玉米產(chǎn)量進(jìn)行調(diào)控。

表2 密度對玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

續(xù)上表

處理株高穗位高穗長穗粗穗行數(shù)行粒數(shù)雙穗率百粒重W2/M1251b83.1b20.7b17.5a15.8b32.7d0.46a37.2aW2/M2264b86.3b22.1a17.1a16.8b33.8c0.51a36.9aW2/M3240bc88.3b22.9a17.2a17.5a34.8bc0.44a37.4aW1/M2235b84.4b21.6ab17.4a17.6a34.6c0.36b37.4aW3/M2267b91.9b21.5ab17.8a16.4b33.2d0.49a37.6a

注：數(shù)據(jù)為3個重復(fù)的平均值。同列中不同字母表示處理間差異顯著(P<0. 05)。

2.4 不同密度下小麥間作玉米的土地利用效率

不同間作處理的LER均大于1(圖3)，說明在本試驗配置的作物類型和田間結(jié)構(gòu)下，間作具有提高土地利用效率的作用。比較不同密度搭配，在同一小麥密度下，LER隨著間作玉米密度的增加而顯著增加，高密度下以籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量計算的LER分別較低密度高3. 8%和3. 7%。在同一玉米密度下，高密度下以籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量計算的LER分別較低密度高5. 2%和4. 4%。不同密度組合間比較，W3/M2處理LER最大，W1/M2處理LER最小，W3/M2處理以籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量計算的LER分別可達(dá)到1. 42和1. 41，較W1/M2高7. 6%和6. 0%。

圖3 不同處理的土地當(dāng)量比(LER)

2.5 不同密度下小麥間作玉米的產(chǎn)量表現(xiàn)

間作較單作具有明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢(表3)，除W2/M1處理外，間作處理產(chǎn)量都顯著高于單作。比較二種模式中凈占地面積上的產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，間作小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量較單作分別提高了22. 3%和21. 4%，間作玉米籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量較單作分別提高54. 6%、54. 2%。

不同間作處理的籽粒產(chǎn)量存在較大差異，但生物產(chǎn)量處理間無顯著差異。處理W3/M2的籽粒產(chǎn)量較處理W1/M2和W2/M1分別高4. 2%和15. 4%，處理W2/M2、W2/M3和W1/M2產(chǎn)量較處理W2/M1高12. 1%、13. 2%和10. 8%。比較不同密度下間作組分產(chǎn)量，結(jié)果表明，固定玉米密度時，間作小麥產(chǎn)量隨著密度的增加而顯著增加，高密度小麥處理籽粒產(chǎn)量較中、低密度分別提高10. 0%和18. 5%，生物產(chǎn)量較中、低密度處理分別增加9. 9% 和19. 5%，中密度小麥處理籽粒產(chǎn)量較低密度提高 8. 7%，生物產(chǎn)量提高 10. 6%；固定小麥密度而改變間作玉米密度時，玉米密度的改變對小麥產(chǎn)量影響不大，但玉米產(chǎn)量得到了顯著增加，高、中密度玉米處理較低密度處理分別高7. 4%和9. 8%。

表3 不同處理的產(chǎn)量表現(xiàn)

注：數(shù)據(jù)為3個重復(fù)的平均值。同列中不同字母表示處理間差異顯著(P<0. 05)。

3 結(jié)論與討論

間混作將高矮、株型、葉型、葉角、分枝等習(xí)性不同的作物搭配在一起，可以在空間利用上相互補(bǔ)充、分層鑲嵌，從而為合理增加作物密度、增加葉面積或受光時間和空間，尤其為充分利用光資源提供了條件，獲得更大間混作優(yōu)勢[14]。本研究結(jié)果表明，增加間作組分作物密度，尤其增加小麥密度能夠顯著提高間作群體產(chǎn)量。然而，間作密度的增加是在在一定的范圍內(nèi)，密度過大或過小都不利于群體產(chǎn)量的形成。華勁松等[7]研究了種植密度對間作蕓豆產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，種植密度從低到高，蕓豆群體冠層內(nèi)通風(fēng)透光狀況逐漸變差，中下層葉片光照減弱，單株產(chǎn)量下降，但群體產(chǎn)量在一定密度范圍內(nèi)隨密度的增加而增加，密度過大，產(chǎn)量反而下降。本研究通過分析密度與間作作物產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，也得出同樣的結(jié)論，只是本試驗設(shè)計到的小麥密度(900萬株·hm-2)低于理論上獲得最高產(chǎn)量所對應(yīng)的密度(1 023萬株·hm-2)。

小麥產(chǎn)量可以通過提高分蘗成穗率、小花結(jié)實率和粒重三個方面來突破，關(guān)鍵是如何挖掘潛力，協(xié)調(diào)好相互關(guān)系，其共同目的就是使得穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重三者乘積達(dá)最大[15]。播種密度會造成小麥群體結(jié)構(gòu)不同而帶來溫光等生態(tài)條件的差異，最終影響籽粒產(chǎn)量。房琴等[16]認(rèn)為，穗數(shù)隨著種植密度增大而顯著遞增。而不同種植密度下，穗粒數(shù)和千粒重均與穗數(shù)呈負(fù)相關(guān)。劉俊梅等[17]試驗表明，隨種植密度增加，穗粒重和穗粒數(shù)均呈逐漸下降趨勢，且穗粒重之間的差異大于穗粒數(shù)之間的差異。本研究結(jié)果表明，小麥產(chǎn)量與穗粒數(shù)和千粒重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與株高、穗長和穗數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，其中穗數(shù)與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明在間作群體中，密度增加使得群體穗數(shù)顯著提高，是間作小麥產(chǎn)量增加的主要原因。

玉米的產(chǎn)量構(gòu)成因素包括單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重[18]，密度通過影響穗長、穗粗、禿尖、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒重、雙穗率、苞葉和花絲干重、穗軸與穗柄干重而對產(chǎn)量產(chǎn)生影響[19]。李明等[20]研究認(rèn)為玉米產(chǎn)量在1 200 kg·hm-2～1 500 kg·hm-2的水平上時，穗粒數(shù)成為左右玉米產(chǎn)量的第1位因素，公頃穗數(shù)、千粒重則成為次要影響因素。閏海霞等[21]則認(rèn)為穗長對于提高單株產(chǎn)量較為重要。本研究結(jié)果表明產(chǎn)量與株高、穗粗、雙穗數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與穗位高、穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)及百粒重呈正相關(guān)關(guān)系，其中穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明在玉米間作體系中，協(xié)調(diào)粒重與穗數(shù)、穗粒數(shù)之間的關(guān)系是關(guān)鍵，通過增加密度而增加穗數(shù)要考慮其它產(chǎn)量構(gòu)成因子的變化。

間作最適的總?cè)后w可以大于分別單種的最適群體[14]，但本研究僅在固定一種間作密度，研究了增加另一種作物密度對群體產(chǎn)量的影響，對同時增加間作組分作物密度對群體產(chǎn)量的影響沒有涉及，此類研究有待于在今后的工作中開展。

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