玉米間作豌豆種間競爭互補(bǔ)對少耕密植的響應(yīng)*

任旭靈,滕園園,王一帆,殷 文,柴 強(qiáng)

(甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 蘭州 730070)

間作指在同一個(gè)生長季節(jié)、同一塊土地上種植兩種或兩種以上作物[1],是一種基于生態(tài)多樣性的種植模式[2]。該模式可提高單位耕地總產(chǎn)量和資源利用效率,是作物高效生產(chǎn)和低碳農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的種植模式[3-5]。生產(chǎn)實(shí)踐中,禾豆間作是應(yīng)用最為廣泛的間作模式[6],增效、穩(wěn)產(chǎn)效果顯著[7]。研究表明,優(yōu)化種間關(guān)系是提高間作效應(yīng)的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)[8],作物搭配[9]、空間結(jié)構(gòu)改變[10]、肥水管理[11-12]、密度調(diào)整[13-14]等是調(diào)控種間關(guān)系的常用手段,其中,密植是間作增產(chǎn)的最重要機(jī)制之一[15],而密植效應(yīng)的發(fā)揮必須建立在一定的資源供給基礎(chǔ)之上,特定管理技術(shù)只有配置適宜的密度才能充分發(fā)揮間作優(yōu)勢。另一方面,隨作物生產(chǎn)對資源減投和環(huán)境友好要求的增強(qiáng),資源減投型間作理論和技術(shù)亟待深入。在諸多資源減投和環(huán)境友好型技術(shù)中,保護(hù)性耕作可改善農(nóng)田生態(tài)微環(huán)境[16-18]、影響作物生長發(fā)育[19]。其中玉米少耕試驗(yàn)研究表明,該技術(shù)具有保持土壤肥力、緩沖土壤反應(yīng)、改善土壤生態(tài)環(huán)境的作用,并對玉米生長發(fā)育具有顯著影響[20-22]。縱觀現(xiàn)有研究,將少耕集成在間作中的研究十分薄弱[12],使得生產(chǎn)實(shí)踐中缺乏利用保護(hù)性耕作技術(shù)提升間作優(yōu)勢的理論依據(jù)。河西綠洲灌區(qū)氣候條件適合發(fā)展間作,以玉米(Zea maysL.)間作豌豆(Pisum sativumL.)為代表的間作模式應(yīng)用廣泛,但該模式采用的傳統(tǒng)翻耕技術(shù)投入大,且參考小麥(Triticum aestivumL.)間作玉米設(shè)置的玉米密度使得密植效應(yīng)未能充分發(fā)揮。為此,本研究以玉米間作豌豆為參試對象,設(shè)置不同耕作措施和玉米密度,探討不同處理對玉米間作豌豆種間關(guān)系動態(tài)的影響,揭示種間關(guān)系與間作產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系,以期為利用保護(hù)性耕作和密植技術(shù)優(yōu)化間作作物種間關(guān)系,進(jìn)一步發(fā)揮間作優(yōu)勢提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地(37°30′N,103°5′E)進(jìn)行。該地位于河西走廊東端,屬寒溫帶干旱氣候區(qū),海拔 1 581 m;年降水量約 160 mm,蒸發(fā)量高于2 000 mm,日照時(shí)數(shù) 2 968.2 h,≥0℃和≥10℃的有效積溫分別為3 646℃和3 149℃,年太陽輻射總量504～630 kJ·cm-2。玉米間作豌豆是該地區(qū)主要的間作種植模式,傳統(tǒng)栽培采用翻耕、玉米帶每年地膜覆蓋栽培。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為‘先玉335',豌豆品種為‘隴豌1號'。2015年為預(yù)試驗(yàn),2016年和2017年進(jìn)行正式試驗(yàn)。設(shè)玉米間作豌豆、單作玉米和單作豌豆 3種種植模式;在單作玉米和玉米間作豌豆中設(shè)兩種耕作方式,分別為少耕(即在當(dāng)年玉米收獲后不耕作,保留地膜翌年直接進(jìn)行播種)和傳統(tǒng)耕作(即當(dāng)年玉米收獲后進(jìn)行秋季翻耕,翌年播前覆新膜);玉米設(shè)低、中、高3個(gè)密度梯度,間作玉米、間作豌豆帶寬分別為110 cm、80 cm,詳細(xì)試驗(yàn)代碼及處理見表1。試驗(yàn)共13個(gè)處理,每處理重復(fù)3次。小區(qū)面積5.7 m×10 m。2016年玉米于4月25日播種,9月27日收獲;豌豆于3月21日播種,7月6日收獲。2017年玉米于4月27日播種,9月25日收獲;豌豆地3月19日播種,7月9日收獲。單作豌豆及間作豌豆帶施純N 135 kg·hm-2,純 P2O567.5 kg·hm-2,全作基肥一次性施入;單作玉米及間作玉米帶施純N 450 kg·hm-2,按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌漿期追肥=3∶6∶1分施,純P2O5225 kg·hm-2,全部作基肥。

表1 試驗(yàn)代碼及處理Table 1 Codes of different treatments

1.3 測定指標(biāo)及計(jì)算方法

干物質(zhì)量：自玉米苗期,每隔 15 d隨機(jī)選取長勢均勻的玉米植株5株、豌豆10株,于105℃下殺青,80℃烘干至恒重后稱量計(jì)算單位面積下的地上干物質(zhì)累積量。

籽粒產(chǎn)量：玉米、豌豆成熟后,按小區(qū)收獲測產(chǎn),測定其籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量。

間作優(yōu)劣勢：采用土地當(dāng)量比(LER)衡量間作優(yōu)劣勢：

式中：YIM和YIP分別代表間作玉米和間作豌豆籽粒產(chǎn)量,YSM和YSP代表單作玉米和單作豌豆籽粒產(chǎn)量。當(dāng)LER＞1時(shí),表示間作優(yōu)勢;當(dāng)LER＜1時(shí),表示間作劣勢。

種間競爭力：作物競爭力表示豌豆相對玉米的競爭力[14]：

式中：PM和PP分別代表玉米和豌豆所占土地比例,本研究中PM=0.58,PP=0.42;YIM和YIP分別代表間作玉米和間作豌豆生物產(chǎn)量;YSM和YSP代表單作玉米和單作豌豆生物產(chǎn)量。當(dāng)APM＞0時(shí),表示豌豆競爭力強(qiáng)于玉米;當(dāng)APM＜0時(shí),表示豌豆競爭力弱于玉米。

玉米恢復(fù)效應(yīng)：恢復(fù)效應(yīng)表示早熟作物收獲后晚熟作物生長發(fā)育恢復(fù)程度,同一時(shí)期間作玉米的干物質(zhì)積累速率(CGRI)與單作玉米干物質(zhì)積累速率(CGRM)的比值R＞1,說明間作具有恢復(fù)效應(yīng),R＜1,說明間作無恢復(fù)效應(yīng)。

式中：W2和W1分別表示豌豆收獲后,玉米在不同測定時(shí)期積累的生物量(kg·hm-2),t2和t1分別表示2個(gè)測定時(shí)期。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel和SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米間作豌豆的群體產(chǎn)量表現(xiàn)及土地利用率

2.1.1 不同間作處理的土地當(dāng)量比

不同間作處理的土地當(dāng)量比(LER)如圖1所示,兩年的土地當(dāng)量比均＞1,說明玉米間作豌豆具有增產(chǎn)效應(yīng)。2016年傳統(tǒng)耕作低、中、高密度處理下LER較少耕耕作下低、中、高密度處理分別降低5.18%、18.00%、19.48%;2017年傳統(tǒng)耕作下低、中、高 3個(gè)密度較少耕耕作處理下低、中、高3個(gè)密度的土地當(dāng)量比分別降低0.87%、5.52%、7.65%。不同玉米密度對兩年的 LER影響無明顯規(guī)律。由此說明,玉米間作豌豆較單作豌豆、單作玉米具有增產(chǎn)優(yōu)勢,且在少耕條件下優(yōu)勢明顯。

2.1.2 玉米間作豌豆群體產(chǎn)量表現(xiàn)

圖1 2016—2017年玉米/豌豆間作系統(tǒng)不同耕作措施和玉米密度處理的土地當(dāng)量比Fig.1 Land equivalent ratios of maize/pea intercropping system under different tillage measures and maize densities in 2016 and 2017

表2 2016年和2017年少耕密植處理下玉米/豌豆間作系統(tǒng)的產(chǎn)量表現(xiàn)Table 2 Yield of maize/pea intercropping system under different tillage measures and maize densities in 2016 and 2017 kg·hm-2

間作少耕密植處理下產(chǎn)量如表2所示,生物產(chǎn)量變化與籽粒產(chǎn)量一致,間作群體籽粒產(chǎn)量較單作豌豆增產(chǎn) 140.7%～229.4%,較單作玉米降低5.4%～22.0%,均達(dá)顯著水平。間作系統(tǒng)中,不同耕作措施與同一玉米密度處理下,2016年少耕較傳統(tǒng)耕作在低密度、中密度、高密度處理下分別增產(chǎn) 5.23%、11.13%、5.73%,但2017年差異不顯著;同一耕作措施與不同密度處理下,玉米密度對傳統(tǒng)耕作條件下玉米/豌豆群體籽粒產(chǎn)量影響不顯著,2016年和2017年少耕條件下,中密度較低密度、高密度分別增產(chǎn)9.51%、6.29%和7.23%、11.89%,說明少耕結(jié)合中密度有助于間作增產(chǎn)。

同一耕作措施與玉米密度處理下,單位面積間作玉米籽粒產(chǎn)量較單作玉米顯著增產(chǎn) 7.97%～32.10%,說明間作具有提高玉米籽粒產(chǎn)量的作用。間作玉米中,不同耕作措施同一玉米密度處理下,2016年少耕較傳統(tǒng)耕作在低密度、中密度、高密度下分別增加4.70%、10.47%、3.80%,達(dá)顯著水平,2017年增產(chǎn)不顯著;同一耕作措施不同密度處理下,間作玉米籽粒產(chǎn)量在傳統(tǒng)耕作下不同密度間差異均不顯著,2016年和2017年少耕耕作條件下中密度較低密度、高密度平均增產(chǎn)8.39%、10.33%,達(dá)到顯著水平,說明少耕具有提高間作玉米籽粒產(chǎn)量的作用,且在中密度下優(yōu)勢明顯。同一耕作措施相同玉米密度處理下,單位面積間作豌豆籽粒產(chǎn)量較單作豌豆顯著增產(chǎn) 9.50%～30.10%,說明間作提高了豌豆籽粒產(chǎn)量。間作豌豆中,不同耕作措施同一玉米密度處理下,2016年少耕較傳統(tǒng)耕作在低密度、中密度、高密度下分別增產(chǎn) 7.38%、13.91%、13.95%,達(dá)顯著水平,2017年增產(chǎn)不顯著;玉米密度對間作豌豆籽粒產(chǎn)量影響不顯著?？梢?間作具有增產(chǎn)優(yōu)勢,主要是通過提高間作玉米、間作豌豆籽粒產(chǎn)量來獲取群體增產(chǎn)的優(yōu)勢,少耕結(jié)合中密度使得玉米間作豌豆增產(chǎn)優(yōu)勢明顯。

主效應(yīng)分析如表3所示,年際間作物群體籽粒產(chǎn)量差異顯著,種植模式、耕作措施、玉米密度對群體籽粒產(chǎn)量影響顯著,年際與種植模式、年際與玉米密度、種植模式與耕作措施、耕作措施與玉米密度對群體籽粒產(chǎn)量的互作效應(yīng)顯著,年際、耕作措施、玉米密度三者的互作對作物群體籽粒產(chǎn)量的互作效應(yīng)顯著,種植模式、耕作措施、玉米密度三者的互作效應(yīng)顯著,其余處理的互作效應(yīng)不顯著。

表3 少耕密植處理對玉米/豌豆間作系統(tǒng)籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量的主效應(yīng)分析Table 3 Analysis of main effect of tillage measure and maize density on grain yield and biological yield of maize/pea intercropping system

2.2 玉米間作豌豆種間關(guān)系對少耕密植的響應(yīng)

2.2.1 玉米間作豌豆共生期內(nèi)種間競爭力動態(tài)變化

由圖2可知,不同處理中豌豆相對于玉米處于競爭優(yōu)勢地位。全生育期豌豆相對玉米的競爭力(APM),少耕較傳統(tǒng)耕作在低、高密度下分別低16.05%、8.53%,達(dá)顯著水平,中密度處理下差異不顯著,說明在低、高密度處理下少耕具有降低豌豆對玉米的競爭力的作用;少耕中密度較低、高密度分別顯著提高36.56%、20.17%,說明在少耕條件下適宜增大密度提高豌豆對玉米的競爭力。豌豆孕蕾期(5月19日)之前,傳統(tǒng)耕作處理豌豆相對玉米的競爭力增加幅度高于少耕耕作,此時(shí)期中密度處理下差異不顯著,低、高密度下傳統(tǒng)耕作較少耕分別高43.88%、13.42%;豌豆灌漿期(6月21日),豌豆對玉米競爭力均最大,此時(shí)期少耕中密度較低、高密度分別高20.43%、25.78%,達(dá)顯著水平,說明此時(shí)期少耕中密度處理顯著影響豌豆對玉米的競爭力;直至收獲期(7月6日),少耕處理下豌豆對玉米的競爭力下降幅度低于傳統(tǒng)耕作,此時(shí)期傳統(tǒng)耕作較少耕在中、高密度分別低 5.72%、11.70%,均達(dá)顯著水平,低密度處理下差異不顯著。由此說明,在玉米間作豌豆共生期間,少耕耕作中密度處理有利于提高豌豆對玉米的競爭力,且可將豌豆灌漿期(6月21日)作為調(diào)控豌豆相對玉米種間競爭力的關(guān)鍵時(shí)期。

圖2 2016年和2017年不同耕作措施和玉米密度下玉米/豌豆間作系統(tǒng)中豌豆相對于玉米競爭力的動態(tài)Fig.2 Dynamics of competitiveness of pea to maize in maize/pea intercropping system under different tillage measures and maize densities in 2016 and 2017

2.2.2 間作玉米的生長恢復(fù)效應(yīng)

豌豆收獲后,間作玉米不同生育時(shí)期恢復(fù)效應(yīng)見表4。年際、耕作措施、玉米密度對間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)影響顯著,年際與耕作措施對間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)影響不顯著,年際與玉米密度對玉米灌漿至收獲期(8月27日—9月19日)的恢復(fù)效應(yīng)影響顯著,其余時(shí)期影響不顯著,耕作措施與玉米密度的互作效應(yīng)對間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)影響顯著,三者的互作效應(yīng)對間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)影響不顯著。少耕顯著提高間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)(R),少耕較傳統(tǒng)耕作高10.30%～47.11%;少耕處理下,中密度較低、高密度顯著提高15.35%、38.09%,說明少耕結(jié)合中密度更能進(jìn)一步發(fā)揮間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)。由此說明,間作中集成少耕可顯著提高玉米的恢復(fù)效應(yīng),且少耕中密度處理具有更大的優(yōu)勢。

2.3 間作產(chǎn)量與種間競爭力的相關(guān)性

玉米間作豌豆共生育期內(nèi),豌豆相對玉米平均競爭力與間作群體籽粒產(chǎn)量呈二次相關(guān)關(guān)系,具有顯著相關(guān)性(圖3)。當(dāng)豌豆相對玉米競爭力在0.13～0.25范圍內(nèi)時(shí)隨平均競爭力的增大間作群體產(chǎn)量呈持續(xù)增加趨勢,平均競爭力為0.25時(shí)群體產(chǎn)量最大,超過0.25時(shí)復(fù)合群體產(chǎn)量隨競爭力的增大反而下降,說明間作群體中保持適宜大小的競爭力有利于提高間作群體產(chǎn)量。因此,在玉米間作豌豆中,通過優(yōu)化農(nóng)藝措施調(diào)控豌豆對玉米競爭力是獲取高產(chǎn)的一種可行途徑。

3 討論

3.1 少耕密植處理下玉米間作豌豆群體產(chǎn)量表現(xiàn)

間作作物增產(chǎn)的主要原因是比單作更能充分利用養(yǎng)分、水分等自然資源[8,12,23]。本試驗(yàn)兩年研究中玉米/豌豆間作系統(tǒng)的土地當(dāng)量比均大于 1,單位面積下間作玉米、間作豌豆產(chǎn)量均顯著高于單作玉米、單作豌豆,說明間作具有增產(chǎn)優(yōu)勢。趙財(cái)?shù)萚24]研究發(fā)現(xiàn),玉米間作豌豆下少耕在低灌溉水平下增產(chǎn)顯著;魏歡歡等[25]研究表明,年降雨量≤500 mm地區(qū)少耕具有增產(chǎn)作用。本研究發(fā)現(xiàn),少耕集成于玉米間作豌豆中具有增產(chǎn)作用,2016年少耕較傳統(tǒng)耕作處理在低、中、高密度下間作群體產(chǎn)量顯著提高,而2017年增產(chǎn)不顯著,這可能是由于年際間的氣候差異所致。適宜范圍內(nèi)提高密度是間作增產(chǎn)的手段之一[13],研究發(fā)現(xiàn)玉米/豌豆間作集成密植效應(yīng)更能發(fā)揮間作增產(chǎn)潛力[15]。本研究中玉米密度顯著影響少耕措施下間作群體籽粒產(chǎn)量,中密度較低密度、高密度分別增產(chǎn)8.4%、10.3%。可見,玉米間作豌豆模式中集成少耕、玉米中密度種植可充分發(fā)揮其增產(chǎn)優(yōu)勢。

表4 2016年和2017年玉米/豌豆間作系統(tǒng)中不同耕作措施和玉米密度處理下豌豆收獲后玉米的恢復(fù)效應(yīng)Table 4 Recovering effect of maize after pea harvest in maize/pea intercropping system under different tillage measures and maize densities in 2016 and 2017

圖3 2016年和2017年玉米/豌豆間作系統(tǒng)全生育期豌豆相對于玉米的平均競爭力與籽粒產(chǎn)量的相關(guān)性Fig.3 Relationship between competitiveness of pea to maize during whole growth period and grain yield of maize/pea intercropping system in 2016 and 2017

3.2 玉米間作豌豆種間關(guān)系對少耕密植的響應(yīng)

作物種間競爭與互補(bǔ)共同決定間作的優(yōu)劣勢[26-27]。兩者的相對大小及其重要性隨作物的生長發(fā)育進(jìn)程而改變,共生期內(nèi),資源供給一定,間作作物之間發(fā)生競爭,當(dāng)短生育期作物收獲后,短生育期作物造成的競爭脅迫消失,長生育期作物會發(fā)生恢復(fù)性生長[28-29]。本研究中作物共生期內(nèi),豌豆對玉米的競爭力少耕中密度的競爭力最大,顯著高于低密度和高密度,說明間作少耕條件下,適當(dāng)增加密度強(qiáng)化了種間競爭力。植物在一定的水分、溫光、土壤養(yǎng)分脅迫以及動物取食或機(jī)械損傷后,植物通常會在形態(tài)和生理上發(fā)生相應(yīng)改變,在條件改善時(shí)會出現(xiàn)不同程度的補(bǔ)償效應(yīng)[30]。本試驗(yàn)中,豌豆收獲后,間作玉米均發(fā)生不同程度的補(bǔ)償,且少耕處理間作玉米的恢復(fù)程度較傳統(tǒng)耕作提高 10.30%～47.11%,說明少耕形成了間作玉米恢復(fù)效應(yīng)提高的基礎(chǔ),強(qiáng)化了間作玉米的恢復(fù)能力,這一結(jié)論與諸多學(xué)者在玉米間作小麥體系中得到的結(jié)果相一致[12]。少耕中密度處理下間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)最高,符合趙明等[30]提出的通過減小個(gè)體生長冗余以增加群體數(shù)量,最終實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的理論,這也可能是因?yàn)樯俑忻芏葟?qiáng)化了豌豆對玉米的競爭力,形成了豌豆收獲后玉米恢復(fù)效應(yīng)增強(qiáng)的基礎(chǔ)。因此玉米間作豌豆中配置合理的耕作措施和玉米密度,是實(shí)現(xiàn)間作增產(chǎn)優(yōu)勢的基礎(chǔ)。

3.3 玉米間作豌豆群體籽粒產(chǎn)量與種間競爭的相關(guān)關(guān)系

本研究中豌豆對玉米全生育期內(nèi)的平均競爭力與間作混合籽粒產(chǎn)量均呈二次相關(guān)關(guān)系,具有顯著相關(guān)性。在作物共生期內(nèi),作物間的競爭關(guān)系大于互補(bǔ)關(guān)系時(shí),群體對資源利用效率下降,表現(xiàn)出間作劣勢,反之,表現(xiàn)出間作優(yōu)勢[29]。本研究中,豌豆和玉米共生期間,豌豆灌漿期(6月21日)之前,豌豆對玉米的競爭力呈增大趨勢,之后呈下降趨勢,總體上間作豌豆對間作玉米的競爭力(APM)大于 0,間作豌豆表現(xiàn)出間作優(yōu)勢;當(dāng)平均競爭力超過0.25時(shí),間作混合籽粒產(chǎn)量隨之下降。趙建華等[9]研究發(fā)現(xiàn),在玉米行距20～60 cm之間,增大行距時(shí)玉米相對豌豆的競爭力也隨之增大,且在豌豆玉米間作群體的管理中,適當(dāng)增大豌豆對玉米的競爭力,是獲取較高產(chǎn)量的可行途徑之一[10]。本研究間作系統(tǒng)中,豌豆對玉米的競爭力決定了豌豆收獲后間作玉米的恢復(fù)程度。因此,可將少耕中密度作為調(diào)控玉米間作豌豆系統(tǒng)種間關(guān)系的適宜農(nóng)藝措施,并為該系統(tǒng)獲取高產(chǎn)提供有力保障。

4 結(jié)論

本研究中玉米/豌豆間作系統(tǒng)的土地當(dāng)量比均大于 1,說明玉米間作豌豆在本試驗(yàn)配置的品種、田間結(jié)構(gòu)、施肥和灌溉制度下具有增產(chǎn)優(yōu)勢。少耕能充分發(fā)揮間作增產(chǎn)優(yōu)勢,較傳統(tǒng)耕作增產(chǎn)5.79%(2016年)、4.10%(2017年),其中 2016年增產(chǎn)顯著,少耕結(jié)合中密度更能發(fā)揮間作增產(chǎn)潛力,較低、高密度分別顯著增產(chǎn) 8.37%、9.09%。少耕結(jié)合中密度提高了豌豆對玉米的競爭力,較低、高密度的競爭力分別高 36.56%、20.17%。豌豆收獲后,少耕使間作玉米具有明顯的恢復(fù)生長效應(yīng),較傳統(tǒng)耕作高 10.30%～47.11%,且中密度更有利于發(fā)揮間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)。間作群體籽粒產(chǎn)量與豌豆相對于玉米全生育期內(nèi)的平均競爭力呈二次曲線相關(guān)關(guān)系,當(dāng)競爭力為0.25時(shí)利于間作獲得高產(chǎn)。因此,在玉米間作豌豆模式中集成少耕和密植技術(shù),可通過調(diào)控種間關(guān)系進(jìn)一步挖掘間作優(yōu)勢,少耕結(jié)合玉米中密度是綠洲灌區(qū)玉米間作豌豆增產(chǎn)的理想措施。