玉米—大豆間套作模式研究現(xiàn)狀及其展望

羅 華，王 杰，宋 勇，歐小球，趙志堅(jiān)，唐玲玲，羅 琳*

(1 邵陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，湖南邵陽 422000； 2 湖南糧安科技股份有限公司，湖南邵陽 422000)

農(nóng)業(yè)是支撐國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。土地資源緊缺是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的突出問題之一，提高現(xiàn)有土地利用率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的重大挑戰(zhàn)。大量研究結(jié)果表明，大面積連續(xù)種植單一作物容易造成作物減產(chǎn)、土地養(yǎng)分偏耗、土壤退化加速、病蟲害加劇等一系列問題[1～7]。間套作是根據(jù)不同農(nóng)作物的生長習(xí)性、對(duì)環(huán)境條件的要求，巧妙地將兩種作物在同一地塊同時(shí)進(jìn)行栽培的種植模式。間套作是我國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植模式，在我國精細(xì)農(nóng)業(yè)中有著重要地位。間套作種植在保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高資源利用效率等方面優(yōu)勢(shì)明顯，已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。間套作栽培模式不僅能提高作物對(duì)土地、光照等自然資源的利用率，提高土地復(fù)種指數(shù)，提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[8]，還能夠降低生產(chǎn)成本，達(dá)到提高單位面積產(chǎn)值的目的，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中有著舉足輕重的地位[9～13]。玉米—大豆間套作模式是當(dāng)前我國廣大農(nóng)村旱地栽培中比較常見的一種糧油復(fù)合栽培模式。該模式充分利用了兩種作物高與矮的互補(bǔ)效應(yīng)和大豆根瘤菌固氮特性，是農(nóng)作物間套作的黃金搭檔、經(jīng)典模式，對(duì)于保障我國糧油安全具有重要作用。

1 玉米大豆間套作對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響

1.1 對(duì)光分布及光能利用的影響

玉米大豆間作種植模式中群體光分布受間套作系統(tǒng)中帶間距、玉米株型及播種密度等多種因素影響。研究表明，間套作系統(tǒng)中大豆、玉米冠層頂部的光合有效輻射均比單作有所降低，但群體光合有效輻射總和高于單作[14，15]。玉米和大豆具有不同生態(tài)位、生長特性，高矮錯(cuò)落排列，可使群體通風(fēng)能力得到提高，更有利于玉米中下層葉片對(duì)光能的截獲，增加群體受光面，提高光能利用率[16]。呂越等[17]采用分隔處理研究玉米—大豆間作系統(tǒng)的作物資源競(jìng)爭關(guān)系，進(jìn)一步表明：間作模式下玉米、大豆總光能利用率較單作有所增加，但大豆由于受玉米遮陰影響處于劣勢(shì)。大豆苗期蔭蔽會(huì)造成光合能力減弱[18]，植株纖弱徒長[19]，抗倒伏性降低[20]。間套作系統(tǒng)中玉米、大豆對(duì)光的競(jìng)爭存在此消彼長的關(guān)系，大豆品種形態(tài)的可塑性越小越有利于大豆的光截取[21]。因此，選擇株型緊湊的玉米品種和耐蔭抗倒大豆品種是玉米—大豆間套作模式中緩解作物間競(jìng)爭的關(guān)鍵。

1.2 對(duì)群體內(nèi)CO2含量和水分的調(diào)節(jié)

良好的光照條件有利于植株進(jìn)行光合作用，而植株光合作用需要CO2。因此，間套作群體內(nèi)CO2含量的高低直接關(guān)系到作物進(jìn)行光合作用的快慢，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量。周蘇玫等[22]對(duì)玉米—花生間套作群體 CO2濃度和風(fēng)速的研究得出，間作后玉米、花生群體間 CO2含量均比單作有所增加；間作后玉米、花生行間的風(fēng)速增大，玉米、花生葉部溫度降低，呼吸作用減弱，光合效率提高。Stewart[23]研究表明，干旱條件下玉米—大豆間作和單作下籽仁產(chǎn)量與水分關(guān)系呈S型曲線。當(dāng)單作大豆在供水量<250 mm時(shí)，產(chǎn)量呈線性變化，在超過 250 mm后趨于穩(wěn)定。高陽等[16]在水分充足條件下發(fā)現(xiàn)，間作條帶水分變化主要集中在0～30 cm耕作層，且水分變化呈現(xiàn)：玉米區(qū)域>大豆區(qū)域>條帶行間。玉米—大豆間套作能優(yōu)化群體間CO2通道，提高整體光合效率。間套作玉米可通過競(jìng)爭獲得更多的水分，延緩干旱，降低干旱程度，提高整體的水分利用率。

1.3 對(duì)群體內(nèi)病蟲害的控制

間套作系統(tǒng)對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)病害的發(fā)生、傳播及作物連作障礙也有較多的研究報(bào)道。李潮海等[24]研究表明，不同抗病性品種間作后構(gòu)成的復(fù)合群體對(duì)其病害的抗性顯著提高，間作YY20比單作YY20的葉斑病和葉銹病分別降低46.6%和27.9%。張賀等研究了玉米根系及其根系分泌物對(duì)大豆疫霉游動(dòng)孢子行為特征，發(fā)現(xiàn)玉米根系分泌的門布和苯并噻唑能顯著抑制大豆疫霉菌絲生長，減低大豆疫霉的發(fā)生[25]。崔瑞等[26]、張思蘇等[27]研究表明，花生連作會(huì)降低花生單株結(jié)果數(shù)、單株飽果數(shù)、百果重及莢果產(chǎn)量，而玉米花生間作可改善土壤微環(huán)境，降低土壤真菌數(shù)量，緩解花生連作障礙。間作系統(tǒng)對(duì)病害及連作障礙的控制主要是因?yàn)殚g作提高了群體的抗性，改善了土壤微環(huán)境，限制了土壤中病原微生物的傳播和繁殖[28]。

間套作種植可有效增加植被群落的多樣性與復(fù)雜性，增加天敵的豐富度，避免因作物單一造成某些害蟲的猖獗發(fā)生[29]。蔣佩蘭等[30]研究了3種不同間作方式玉米田玉米螟及蜘蛛的數(shù)量，發(fā)現(xiàn)3種不同間作模式下的玉米螟數(shù)量均比單作玉米少，而蜘蛛數(shù)量均比單作玉米多。王玉正等[31]通過研究大豆玉米間作和同穴混播對(duì)大豆病蟲害發(fā)生的影響，發(fā)現(xiàn)間作及混播不僅可增加田間系統(tǒng)的瓢蟲、草蛉、蜘蛛等天敵數(shù)量，還能增加蚜繭蜂、赤眼蜂等寄生性天敵的寄生率。周大榮等[32]研究表明，間作豆科作物可改善玉米螟赤眼蜂寄生環(huán)境，提高玉米螟赤眼蜂的寄生率。

1.4 對(duì)群體內(nèi)重金屬的固定和吸收

重金屬污染農(nóng)田治理中，重金屬富集植物與非富集植物相互間作，可以在一定程度上保護(hù)與之間套作植株，也可以通過非食用植物對(duì)重金屬的富集降低農(nóng)田中的重金屬含量[33]。薛建輝等[34]通過杉木與茶樹間作發(fā)現(xiàn)：杉木對(duì)土壤中的Mn具有較強(qiáng)的吸收能力，杉木—茶樹間作后，茶樹茶葉中Pb、Mn、Cu、Zn等重金屬含量顯著降低。對(duì)于Mn污染較嚴(yán)重的土壤，種植杉木可有效降低土壤中Mn含量，起到修復(fù)土壤的作用。鄧林[35]通過玉米與伴礦景天連續(xù)間作試驗(yàn)表明，田間長期原位修復(fù)能顯著降低農(nóng)田土壤的鋅、鎘含量，實(shí)現(xiàn)“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”的雙重目標(biāo)。間作還可以提高作物對(duì)重金屬的吸收率，例如豌豆—大麥間作系統(tǒng)中，豌豆地上部對(duì)Cu、Pb、Zn、Cd、Fe的吸收率均高于單作模式。所以，在選擇間作種植進(jìn)行土壤修復(fù)時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇適宜的植物進(jìn)行配置，最大程度的提高超富集植物對(duì)重金屬的控制和吸收，降低與之間作的作物對(duì)重金屬的吸收。

2 玉米大豆間套作對(duì)作物根系生長及養(yǎng)分吸收利用的影響

2.1 對(duì)作物根系生長發(fā)育的影響

研究表明，間套作的作物根分布比單作更廣泛，間作作物根表面積或根系活力超過單作作物，側(cè)根、根毛數(shù)量和側(cè)根長度明顯增加[36]。間套作更有利于玉米、大豆根系的生長發(fā)育，有利于形成高產(chǎn)[37]。高陽等[38]發(fā)現(xiàn)，玉米—大豆間作時(shí)二者根系大部分都分布于地面0～30 cm土層內(nèi)，土壤橫截面內(nèi)玉米和大豆根系的分布模式近似于三角形。其中，玉米根系的水平分布范圍比較廣，它不僅分布在間作條帶的行間，而且還伸展到了大豆條帶的行間，尤以16～22 cm土層中的玉米根系側(cè)向伸展最遠(yuǎn)；相對(duì)玉米而言，大豆根系的水平分布范圍要小得多。

2.2 對(duì)作物養(yǎng)分吸收利用的影響

研究表明，非豆科作物與豆科作物間套作時(shí)存在“氮轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象，可提升間套作體系整體固氮量[39]。張向前等[40]研究表明，在施肥和不施肥條件下玉米大豆間作均可提高玉米的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量。大豆具有根瘤固氮作用，而禾本科作物玉米對(duì)氮素營養(yǎng)需求大且吸收能力比大豆強(qiáng)，種間競(jìng)爭會(huì)促進(jìn)大豆根瘤固氮，提升群體固氮量。房增國等[41]通過盆栽試驗(yàn)進(jìn)一步表明，玉米與花生混作后可緩解花生的“氮阻遏”，增加花生根部根瘤數(shù)量，增強(qiáng)根瘤固氮酶活性，提高固氮量。張曉娜等[42]研究表明，玉米/大豆、玉米/花生間作模式均可增加系統(tǒng)的氮素積累，且玉米/大豆間作模式的增氮優(yōu)勢(shì)更大。

玉米大豆間套作還可促進(jìn)磷的吸收和利用。張雷昌等[43]研究表明，玉米大豆間作促進(jìn)了作物對(duì)磷的吸收，間作的玉米莖、葉中的磷含量均出現(xiàn)不同程度的增加；大豆莖、葉中的磷含量在分枝期以后也相應(yīng)有所增加。由此可見，根系互作在相互促進(jìn)和相互競(jìng)爭的條件下，有效地促進(jìn)了玉米和大豆雙方對(duì)磷的吸收、積累和利用，且間作模式相對(duì)于玉米和大豆單作在磷元素吸收方面，表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)[44]。

3 玉米大豆間套作對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

3.1 對(duì)作物產(chǎn)量的影響

合理的間套作有利于實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)：間套作可有效提高資源的利用率，增加作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性，提高單位面積總產(chǎn)量。氮、磷、鉀是植物生長發(fā)育所必需的三大營養(yǎng)元素，也是保證植株正常生長和產(chǎn)量的基礎(chǔ)。在玉米大豆間作系統(tǒng)中間作大豆吸氮量低于單作大豆，大豆生長處于弱勢(shì)地位，地上部干物質(zhì)量比單作低；間作玉米生物量增加多，大豆生物量降低少，所以整個(gè)間作系統(tǒng)生物產(chǎn)量顯著增加，表現(xiàn)出間作優(yōu)勢(shì)。張曉娜等[42]研究表明，間作提高了干物質(zhì)積累速率，提高了玉米籽粒分配率，降低了大豆籽粒分配率。趙德強(qiáng)等[45]圍繞玉米大豆間作不同行比配置進(jìn)行研究，分析作物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的邊際效應(yīng)及系統(tǒng)收益，結(jié)果表明玉米和大豆間作提高了玉米的干物質(zhì)積累速率和積累量，也提高了大豆的干物質(zhì)積累量，但降低了大豆盛花期時(shí)的干物質(zhì)積累速率，間作提高了土地當(dāng)量比。玉米大豆間作表現(xiàn)出強(qiáng)烈的邊際效應(yīng)，間作玉米的Ⅰ行、Ⅱ行和Ⅲ 行，以及間作大豆的Ⅱ行和Ⅲ行均表現(xiàn)為間作優(yōu)勢(shì)，間作大豆Ⅰ行為間作劣勢(shì)。莖葉較高的干物質(zhì)積累量是保證向籽粒輸出更多營養(yǎng)的前提，間作提高了莖葉干物質(zhì)輸出量，但莖葉輸出率和貢獻(xiàn)率受多種因素影響，其分配規(guī)律還需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

3.2 對(duì)作物品質(zhì)的影響

蛋白質(zhì)含量是衡量作物品質(zhì)的重要指標(biāo)[46]。間套作模式能增加作物粗蛋白含量，提高作物秸稈和籽粒營養(yǎng)價(jià)值[47]。玉米大豆間套作模式下，玉米、大豆籽粒的粗蛋白含量均明顯高于單作[48]。Azim等[49]和Eweida[50]等研究表明，間套作模式下作物秸稈生物量和粗蛋白含量，籽粒粗蛋白含量較單作有所增加。寧堂原[51]研究表明，配置合適的間套作品種，優(yōu)化群體內(nèi)氮素調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)夏秋玉米粗蛋白和產(chǎn)量的雙提高。Carr等[52]進(jìn)行了大麥—豌豆、燕麥—豌豆間套作研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與單作相同或較高密度種植下，豌豆的產(chǎn)量不受間套作的影響，但其籽粒粗蛋白含量卻明顯提高；當(dāng)間套作系統(tǒng)中豌豆種植比例增加時(shí)，差異會(huì)更顯著。Ayisi等[53]研究表明，豆科作物間作模式下，邊行豆類作物籽粒粗蛋白含量明顯提高，“邊際效應(yīng)”明顯；帶狀窄帶間套作下，間套作作物籽粒粗蛋白含量均高于兩作物單作平均值；間套作模式下，間作作物籽粒粗脂肪含量存在下降趨勢(shì)。

4 結(jié)語與展望

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)作物間套作研究較為深入、廣泛，對(duì)間套作光分布及光能利用率、群體間CO2含量和水分調(diào)控、病蟲害防控、重金屬的固定和吸收、作物的生長發(fā)育及養(yǎng)分吸收利用、作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響方面研究較多，但對(duì)作物地下部分及農(nóng)機(jī)農(nóng)藝配套方面研究較少。為了充分發(fā)掘間套作的優(yōu)勢(shì)和潛力，還應(yīng)該更加深入開展間套作模式下作物生理生化機(jī)制及其變化規(guī)律研究。

間套作模式下，因?yàn)樽魑镩g的種間競(jìng)爭、交互作用和邊際效應(yīng)，有利于群體的養(yǎng)分吸收和利用，提高了種群干物質(zhì)積累速率和積累量，從而增加了群體土地當(dāng)量比。玉米—大豆間作群體不僅能優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，改善田間小環(huán)境，提高作物對(duì)光、熱、水、氣的利用效率，還能增加群體內(nèi)植被多樣性與復(fù)雜性，增加天敵的豐富度，提高作物對(duì)逆境生境的抗性，能在一定程度上避免病蟲害的發(fā)生。根據(jù)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際和可持續(xù)發(fā)展要求，發(fā)展間作種植模式可作為綠色優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培的一種途徑。發(fā)展玉米大豆間套作需要注意以下問題：(1)因地制宜，結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)實(shí)際，選擇間套作配置品種(作物株型高矮、陰陽搭配、抗性等)。(2)注意間套作作物的農(nóng)藝性狀和農(nóng)機(jī)相關(guān)性能，解決好“農(nóng)機(jī)—農(nóng)藝”緊密結(jié)合的問題，處理好間套種植與農(nóng)業(yè)機(jī)械化之間不可避免的矛盾。選擇和改造與間作相適應(yīng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，才能降低投入、增加收入。(3)密切注意市場(chǎng)動(dòng)向，預(yù)測(cè)市場(chǎng)變化，發(fā)展與市場(chǎng)需求相適應(yīng)的作物間作，加強(qiáng)與間套作產(chǎn)品加工、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、銷售相配套環(huán)節(jié)的建設(shè)。