立體種植模式下甜高粱間套大豆的光合性能與產量

潘宗瑾，劉興華，張大勇，王海洋，楊 華，高進，施 洋，葛漢勤，王 為*

（1.江蘇沿海地區(qū)農業(yè)科學研究所/鹽城市甜高粱育種工程技術研究中心，江蘇鹽城224002；2.南京農業(yè)大學/江蘇省現(xiàn)代作物生產協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210095）

植物體干物質中的90%～95%來自于光合作用，而作物光合作用與光能利用率密切相關，如何充分合理地利用太陽光能是作物生產的關鍵。生產上提高光能利用率的途徑主要有提高作物復種指數(shù)、合理密植、增加CO2體積分數(shù)以及降低光呼吸等。作物立體種植模式融合了提高光能利用率的主要途徑，通過輪、間套種，在一個種植季度內巧妙地搭配各種作物，以從時間上和空間上更好地利用光能，縮短田地空閑時間，減少漏光率，盡最大可能提升單位面積土地上的生物產量。

甜高粱是1年生C4草本植物，為粒用高粱的變種，其喜溫、抗旱、耐鹽堿、耐澇，生長過程糖分積累快，光合效率高，生物產量高，尤其是甜高粱莖稈高大、富含糖分、營養(yǎng)價值高，被譽為“高能作物”[1]。因此甜高粱被開發(fā)作為飼料、肥料及清潔能源作物等利用[2]。將甜高粱與其他矮稈作物根據(jù)各自生理生態(tài)學特性構建立體種植模式（間作套種），可充分利用土壤與光能等資源，提高土地利用率與光能利用率，可最大程度提高經濟價值與效益[3]。尤其是將甜高粱與具固氮作用的大豆間套作不僅有利于補充土壤氮素消耗，在作為飼料收獲時還可以使碳水化合物和蛋白質相互補充，營養(yǎng)搭配均衡，更利于牛羊飼喂。另有研究表明，間套作相較于單作，作物根系活力高，易于作物汲取養(yǎng)分，且互相促進生長[4]。據(jù)報道，在貴州地區(qū)，甜高粱套種1行拉巴豆種植，甜高粱的農藝性狀表現(xiàn)優(yōu)異，產量較高，營養(yǎng)價值更好[5]。本研究通過甜高粱-大豆-甜高粱-馬齒莧-甜高粱-大豆-甜高粱（甜高粱為C4作物、大豆和馬齒莧為C3作物）進行間套作，以探索一種融合高-中-低空間配置以及不同茬口時間配置的立體種植模式，并著重研究這種立體種植模式下甜高粱和大豆的光合性能，以了解在增加土壤與光能利用率的同時，光合性能與局部空間生態(tài)環(huán)境是否有明顯變化，及這種變化對生物產量的影響，以期為立體種植模式的優(yōu)化與完善提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗甜高粱品種選用雅津95（北京桑粱技術發(fā)展中心提供），該品種適應性極強、抗蟲抗病、產量高[6]。大豆品種為淮豆12號（江蘇徐淮地區(qū)淮陰農業(yè)科學研究所提供）。馬齒莧為江蘇沿海地區(qū)農業(yè)科學研究所保存地方品種。

1.2 試驗地概況

該模式在鹽城市新洋農業(yè)試驗站種植，示范總面積為2 000 m2，該地（120°25′49″E、33°31′25″N）屬濕潤季風氣候區(qū)，日照充足，平均氣溫為14.2℃。土壤為沙壤土，pH為8.2，肥力中等偏上。

1.3 試驗方法

1.3.1 立體種植方法。試驗地于2016年5月25日播種、旋耕、人工開行，同時施入尿素25 kg/667 m2作基肥，后再以尿素10 kg/667 m2作追肥。播種均為條狀穴播。甜高粱播種量1 kg/667 m2，采用20 cm×70 cm的株行距定植，種植密度為5 000～6 000株/667 m2，10月上中旬收獲；大豆播種量約6 kg/667 m2，控制密度約為10 000株/667 m2；馬齒莧生育期短，30～40 d收獲，可播2～3次。播種深度基本一致，為2～3 cm。1畦種植4行甜高粱，4行含3個行間，外面2個行間種植大豆，中間1行種植馬齒莧（圖1）。以單獨種植的甜高粱與大豆為對照，試驗均設置3個重復。7月12日，最后一次間苗定苗；8月15日開始測量光合性能。10月中下旬收割。

1.3.2 測定方法。使用CIRAS-3光合測定儀（英國漢莎）對植株葉片進行光合測量，主要指標包括：A（凈同化率）、Ci（胞間CO2濃度）、E（蒸騰速率）、gsw（氣孔導度）以及WUE（水分利用效率）。測試取樣選擇晴朗的天氣，9∶30-11∶30采用5點方法選擇植株，甜高粱和大豆測倒2葉。光合測定儀要事先進行電源安裝、流量調零、光源校準、參數(shù)設定、耗材準備、環(huán)境控制、自動曲線設置等準備工作。

使用光合測定儀配套的土壤呼吸室進行土壤呼吸的測量，主要步驟為安裝呼吸室、校準調零及測量功能設置。方法是土壤呼吸室安裝好后，穩(wěn)定30 min，打開氣泵抽提以減少流入腔室的CO2氣體，從而使腔室內部的CO2濃度（體積分數(shù)）低于環(huán)境CO2濃度水平。當氣泵關閉后，由于土壤呼吸作用，腔室內CO2會逐漸增加，在CO2濃度達到環(huán)境水平時，數(shù)據(jù)被記錄下來。對土壤中的CO2流量進行計算，得出CO2的流量回歸函數(shù)。通過CO2流量回歸計算出最終的土壤呼吸值。本測量可以循環(huán)多次。

新鮮甜高粱與大豆的農藝性狀及產量等指標分別采用直接測量法、觀察記錄法以及收獲法進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計計算

主要從儀器面板取得相關指標數(shù)據(jù)，記錄后用Excel 2010、SPSS 16.0進行統(tǒng)計分析。

2 結果和分析

2.1 不同種植模式下甜高粱和大豆的光合性能

從表1可見，立體種植模式下甜高粱與大豆的凈同化率均分別低于各自對照，但差異均不顯著；但2種模式下，甜高粱凈同化率均顯著高于大豆（P＜0.05），體現(xiàn)了甜高粱作為C4作物的高光效性能，相對來說，大豆因具有較高水平的光呼吸而致同化率較低，也體現(xiàn)了C3作物的光合特征。從胞間CO2濃度來看，立體種植模式下甜高粱、大豆與各自對照相比雖有不同的變化特點（前者低，后者高），但差異均不顯著；而甜高粱的胞間CO2濃度顯著低于大豆（P＜0.05），可能是C4植物葉肉中具有獨特的“花環(huán)結構”，利用CO2的能力較強、效率更高的緣故。無論是哪種模式，甜高粱、大豆的蒸騰速率與各自對照相比均無顯著差異，且2種作物間也無顯著差異。氣孔導度表現(xiàn)與蒸騰速率類似，相互間無顯著差異，也說明了氣孔導度與蒸騰速率密切相關。對水分利用效率而言，則表現(xiàn)出與凈同化率類似的特征，不同模式間差異不顯著，但不同作物間則具有顯著差異，甜高粱作為C4植物水分利用效率也顯著高于C3植物的大豆（P＜0.05），同時也表明了水分利用效率與光合作用的緊密聯(lián)系。

表1 不同種植模式下甜高粱和大豆的光合性能

2.2 不同種植模式下土壤的呼吸性能

土壤中的CO2主要來源于作物的根呼吸、有機物腐爛及土壤微生物活動，其通量可在一定程度上反映作物根際土壤的活性狀況。表2中可見，在立體種植模式下，土壤CO2釋放速率要高于甜高粱單獨種植的田塊（無顯著差異），顯著高于無作物種植的空地（P＜0.05）。對土壤水分蒸發(fā)速率來說，種植作物的田塊，無論是立體種植的還是單獨種植的，均無顯著差異，但顯著低于無作物種植的空地（P＜0.05）。結果表明，田塊受到作物覆蓋后，其地表水分蒸發(fā)速率顯著降低，立體種植作物的田塊則降得似乎更多些。

表2 不同種植模式對土壤呼吸及水分蒸發(fā)的影響

2.3 不同種植模式甜高粱與大豆的生長性狀與產量

從表3可見，立體種植模式中甜高粱與大豆的株高均分別低于各自的單種對照（甜高粱低8 cm，大豆低2 cm），但差異不顯著，少許差異也可能與間套種作物之間的相互影響有關。立體種植模式中甜高粱和大豆的生育期也較各自單種的生育期長（甜高粱延長4 d，大豆延長6 d），但差異也不顯著；立體種植模式下，大豆的生育期要比甜高粱的早9 d，單種的則早11d。對產量而言，立體種植模式下甜高粱平均莖稈產量為6 826 kg/667 m2，大豆平均產量為204 kg/667 m2，合計7 030 kg/667 m2；而單種對照甜高粱平均莖稈產量為6 850 kg/667 m2，大豆平均產量為206 kg/667 m2，即使二者相加得到7 056 kg，似乎總量略高，卻與立體模式無顯著差異（P＜0.05），然其占用田地面積卻是立體模式的2倍，折算至單位面積得到3 528 kg/667 m2。顯然，立體種植模式大大提高了土地的使用效率，減少了土地的漏光率，相應地提高了葉面積指數(shù)和作物光合面積，從而也提高了單位土地面積的作物生物質產量。

表3 不同種植模式下甜高粱和大豆生長性狀與產量

3 結論和討論

立體種植模式下甜高粱與大豆光合性能和最終產量結果表明，不同作物之間光合性能差異較大，尤其在C4（甜高粱）和C3（大豆）作物間；但在不同模式處理之間，甜高粱和大豆光合性能與生長性狀差異并不顯著，說明立體種植模式在顯著提高復種指數(shù)的同時，并沒有顯著降低作物光合性能及作物生物質產量，而且還可改善田間小氣候環(huán)境。

禾本科作物和豆科作物間套作，有固氮作用的豆科與禾本科作物間作不僅利于補充土壤氮素消耗，豆科固有的固氮能力可有效促進禾本科作物對氮素的吸收，而禾本科作物則可使豆科作物的固氮能力大幅提高，相互促進各自生長[7]。本文結果表明禾本科與豆科作物的間套種還可促進根長與根表面積增加，根系活力提高，土壤呼吸增強；又因地表受到充分覆蓋，降低了水分蒸發(fā)速率，從而避免了水汽的快速散失，土壤中逸散的CO2也能得以重新利用，促進了田間小氣候環(huán)境的改善。

立體種植模式可以有效利用土地空間和種植茬口時間，提高作物根系養(yǎng)分吸收和水分互補能力，發(fā)揮邊行優(yōu)勢提高產量以及提高作物之間相互補償抗蟲抗災能力等[8]，這是值得深入研究的復合種植模式。以甜高粱為主體，搭配大豆、馬齒莧等進行間套種的立體種植模式，即1畦種植4行甜高粱，其間3個間距行，外2行種植大豆，中1行種植馬齒莧，而馬齒莧生育期約為40 d，在甜高粱整個生育期（約4個月）中可種植多次，從而實現(xiàn)多元多熟。具固氮作用的豆科與禾本科間套作利于集約化利用有限的土壤資源，且這些作物均較耐低鹽，株高存在差異，有利種植空間配置，較適合于江蘇沿海灘涂種植。本文所述立體種植模式相關技術已入選2017年江蘇省及鹽城市主推技術（蘇農科〔2017〕5號、鹽農科〔2017〕3號）。

作物生物質量（光合產量）取決于作物凈同化率、光合面積及光合時間，凈同化率也反映了作物的光能利用率[9]。光合面積可以通過合理密植、改變株型來改變；光合時間則可通過提高復種指數(shù)、延長生育期等來提高。即使對于立體種植模式下作物的光合性能而言，也不是通過一次光合測定就可以闡明的，也還需要從作物全生育期（生長周期）、作物需光特性、碳同化途徑以及光呼吸消耗等來考慮完善與優(yōu)化作物的時空配置，因此立體種植模式的生理生態(tài)學機制則還需要進一步研究。