江西紅壤旱地玉米||大豆間作模式對(duì)作物產(chǎn)量及種間關(guān)系的影響*

封 亮, 黃國(guó)勤, 楊文亭, 黃天寶, 唐海鷹, 麻巧迎, 王淑彬**

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心 南昌 330045;2.江西省紅壤研究所 南昌 331700)

玉米(Zea mays)間作大豆(Glycine max)模式近年來(lái)得到廣泛推廣, 種植面積呈逐年攀升態(tài)勢(shì)[1]。玉米||大豆間作體系中不同作物占據(jù)不同生態(tài)位置使得光熱水肥資源得到互補(bǔ)利用, 提高了土地利用效率[2]; 玉米||大豆作物間作模式下土壤地下部相互作用增加了根系有益分泌物, 從而緩解病蟲草危害[3];玉米大豆高矮作物搭配種植減少了地表水分蒸發(fā),提高了水分利用效率[4]; 大豆因根瘤菌固氮作用可減少氮肥施用量、提高氮素利用效率[5]; 因同一地塊上同時(shí)種植兩種作物使得群體經(jīng)濟(jì)效益得到有效提高[6]。間作種植模式很大程度上緩解人口增長(zhǎng)與耕地減少之間的矛盾, 為農(nóng)業(yè)可持續(xù)集約化提供了機(jī)會(huì), 在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)增產(chǎn)增效方面發(fā)揮著重要意義[7]。

間作作物間存在競(jìng)爭(zhēng)與互補(bǔ)兩種作用[8], 作物種間互補(bǔ)和競(jìng)爭(zhēng)作用是間作優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的重要決定因素[9]。前人研究表明禾本科作物相對(duì)于豆科作物表現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[10-11], 而不同的作物搭配種植及行距變化均會(huì)影響作物種間作用。Wang等[12]研究表明玉米間作花生(Arachis hypogaea)行比為2∶4時(shí)可以放大玉米的正邊際效應(yīng), 緩解花生的負(fù)邊際效應(yīng),并且此模式下2 m寬的花生帶也有利于小型收割機(jī)進(jìn)行機(jī)械操作, 被認(rèn)為是適宜的田間配置模式;Wang等[13]研究表明當(dāng)糯高粱(Sorghum bicolor)與大豆行比為2∶1時(shí), 光環(huán)境較優(yōu), 土地當(dāng)量比和經(jīng)濟(jì)效益均為最高, 但該模式下大豆帶僅有1.2 m, 不利于機(jī)械化收獲; Van Oort等[14]研究表明間作模式下帶寬不宜超過(guò)3 m, 反之不利于增加作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。Yang等[15]對(duì)甘蔗(Saccharum officinarum)間作大豆系統(tǒng)進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)大豆比甘蔗更有競(jìng)爭(zhēng)力, 間作大豆比單作種植長(zhǎng)勢(shì)更優(yōu), 各間作處理土地當(dāng)量比均大于1, 表現(xiàn)出間作優(yōu)勢(shì); 任家兵等[16]研究了不同施氮水平下小麥(Triticum aestivum)||蠶豆(Vicia faba)種間作用, 表明間作模式可有效降低低氮水平下的種間競(jìng)爭(zhēng), 間作小麥則表現(xiàn)出明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和互利效應(yīng); 趙建華等[17]對(duì)玉米||大豆間作系統(tǒng)進(jìn)行研究, 結(jié)果表明玉米競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于大豆, 當(dāng)玉米種植行距為45 cm時(shí)有利于作物增產(chǎn); 王小春等[18]對(duì)玉米/大豆和玉米/甘薯兩種套作模式下的種間關(guān)系進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明該兩種模式下套作玉米均表現(xiàn)出套作優(yōu)勢(shì), 大豆和甘薯表現(xiàn)出套作劣勢(shì)。前人在間套作種間作用關(guān)系方面已有諸多報(bào)道, 但基于南方紅壤旱地玉米||大豆間作體系下因帶寬行比配置不同而引起的種間作用力變化對(duì)作物產(chǎn)量影響研究甚少。

南方紅壤地處中國(guó)南方熱帶和亞熱帶地區(qū), 覆蓋面積廣, 是中國(guó)最重要的農(nóng)業(yè)土壤之一, 豐富的降水資源和光熱資源使南方紅壤旱地具有優(yōu)越的種植條件[19], 因此發(fā)展玉米間作大豆種植產(chǎn)業(yè)具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。前人對(duì)紅壤旱地間作作物品種篩選[20]、玉米間作大豆減氮施肥[21]等進(jìn)行了相關(guān)研究, 目前關(guān)于南方紅壤旱地種植的玉米間作大豆行比配置研究較少, 同時(shí)關(guān)于紅壤旱地不同帶寬行比配置下作物種間相互作用研究也尚不明確。基于此本試驗(yàn)主要探討以下幾個(gè)問題: 1)帶寬行比配置變化對(duì)間作作物產(chǎn)量有何影響; 2)帶寬行比配置變化對(duì)間作作物種間作用力有何影響; 3)帶寬行比配置模式下玉米大豆種間競(jìng)爭(zhēng)能力與作物產(chǎn)量關(guān)系。通過(guò)研究不同帶寬行比配置模式對(duì)作物產(chǎn)量、種間競(jìng)爭(zhēng)力的影響,闡明不同田間配置模式下間作群體種間相互作用對(duì)產(chǎn)量的響應(yīng)機(jī)理, 為優(yōu)化間作系統(tǒng)種間競(jìng)爭(zhēng)力和紅壤旱地間作系統(tǒng)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2018—2019年在江西省進(jìn)賢縣紅壤研究所內(nèi)進(jìn)行(116o20′E, 28o15′N), 該點(diǎn)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候, 年均降水量1537 mm, 年蒸發(fā)量1100～1200 mm, 年均氣溫17.7～18.5 ℃。供試土壤基礎(chǔ)肥力狀況與作物共生期有效光合輻射見表1, 試驗(yàn)間降水量與平均溫度如圖1所示。

表1 供試土壤的基礎(chǔ)肥力與光合有效輻射狀況Table 1 Agro-chemical properties of the test soils

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 種植模式為玉米間作大豆, 共7個(gè)處理, 每個(gè)處理重復(fù)3次。每個(gè)小區(qū)種2帶, 各處理密度均為玉米60 000株·hm-2、大豆150 000株·hm-2, 單株定植。各處理具體配置見圖1。處理B2.0R2:2的小區(qū)面積為20 m2, 玉米、大豆株距分別為16.6 cm、6.6 cm; 處理B2.4R2:3、B2.4R2:4的小區(qū)面積均為24 m2, 玉米株距均為11.8 cm, 大豆株距分別為8.3 cm、11 cm; 處理B2.8R2:3、B2.8R2:4的小區(qū)面積均為28 m2, 玉米株距均為11.9 cm, 大豆株距分別為7.1 cm、9.5 cm; 玉米單作(SM)小區(qū)面積為17.5 m2,株距為23.8 cm; 大豆單作(SS)小區(qū)面積12.5 m2, 株距為13.3 cm; 各處理帶寬及行比配置如圖2所示。

1.3 田間管理

玉米品種為‘吉祥1號(hào)’, 該品種屬于緊湊型玉米, 株高2.5 m左右, 穗位高1 m左右, 穗長(zhǎng)18 cm左右、根系發(fā)達(dá)、耐旱、抗倒伏。大豆品種為‘旱豆1號(hào)’, 該品種株高約30 cm, 百粒重約20 g。2018年4月9日同日播種, 春大豆、春玉米分別于7月9日、7月22日收獲。2019年4月8日同日播種, 春大豆、春玉米分別于7月11日、7月30日收獲。玉米全生育期共施純氮270 kg·hm-2, 按底肥∶拔節(jié)肥∶穗肥=3∶2∶5比例施用, 玉米底肥每公頃配施過(guò)磷酸鈣600 kg (含P2O512%), 氯化鉀150 kg (含K2O 60%), 大豆基肥配施尿素75 kg·hm-2、過(guò)磷酸鈣600 kg·hm-2、氯化鉀60 kg·hm-2、追肥為初花后施尿素75 kg·hm-2, 其他管理同大田。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及計(jì)算方法

1.4.1 作物產(chǎn)量的測(cè)定

玉米收獲前統(tǒng)計(jì)各小區(qū)株數(shù)、有效穗數(shù), 收獲期取10穗進(jìn)行考種。大豆收獲前統(tǒng)計(jì)各個(gè)小區(qū)的大豆株數(shù), 取20株長(zhǎng)勢(shì)一致的大豆樣進(jìn)行考種。玉米、大豆各小區(qū)收獲時(shí)未取樣的一帶實(shí)打?qū)嵤諟y(cè)產(chǎn), 最后折合成公頃產(chǎn)量。

1.4.2 競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)計(jì)算方法

土地當(dāng)量比(LER): 衡量產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)的指標(biāo)[22]。

式中:YIM和YIS分別代表間作內(nèi)玉米和大豆的產(chǎn)量,YSM和YSS分別為單作玉米和單作大豆的產(chǎn)量。當(dāng)LER＞1為間作優(yōu)勢(shì), 當(dāng)LER＜1為間作劣勢(shì)。

相對(duì)擁擠系數(shù)(K): 衡量間作中一個(gè)作物相對(duì)另一作物競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的指標(biāo)[11]。

式中:KM、KS分別表示玉米和大豆的相對(duì)擁擠系數(shù),ZIM、ZIS分別表示玉米和大豆在間作體系中的種植比例。本文中玉米占地面積(ZIM)=(玉米行距+玉豆行距)/帶寬, 以 B2.0R2:2(帶寬 2.0 m)為例,ZIM=(40 cm+60 cm)/200 cm=0.50, B2.4R2:3、B2.4R2:4、B2.8R2:3和B2.8R2:4的間作面積占比依次為0.42、0.33、0.43、0.36, 大豆占地面積比(ZIS)依次為0.50、0.58、0.67、0.57、0.64。KM＞KS時(shí), 玉米||大豆間作系統(tǒng)中玉米競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng);KM＜KS, 大豆競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)。

侵占力(A): 表征一種間作作物相對(duì)產(chǎn)量增長(zhǎng)大于另一種間作物物產(chǎn)量增長(zhǎng)的程度[11]。

若AM=AS, 表明這兩種作物的競(jìng)爭(zhēng)力相同;AM＞0, 表明玉米占據(jù)優(yōu)勢(shì);AM＜0, 大豆占據(jù)優(yōu)勢(shì)。其中AM代表間作玉米的侵占力,AS代表間作大豆的侵占力。

競(jìng)爭(zhēng)比率(CR): 是評(píng)價(jià)物種之間競(jìng)爭(zhēng)的一種指標(biāo)。

式中:CRM、CRS分別表示玉米和大豆的競(jìng)爭(zhēng)比率。當(dāng)CRM＞1, 間作體系中玉米競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于大豆;CRM＜1, 間作體系中玉米競(jìng)爭(zhēng)能力不及大豆。

1.4.3 產(chǎn)量及效益計(jì)算方法

實(shí)際產(chǎn)量損失指數(shù)(AYL): 表示間作玉米或間作大豆產(chǎn)量相對(duì)于單作玉米或單作大豆是損失還是增加[11]。AYL＞0, 表示該處理相較于單作表現(xiàn)出增益; AYL＜0, 表明該處理相較于單作表現(xiàn)出損失。AYLM、AYLS的正負(fù)表示玉米或大豆在體系中表示增益或損失的貢獻(xiàn)[23]。YIM和YIS代表間作玉米、大豆產(chǎn)量,ZIM和ZIS代表間作玉米與大豆種植比例,PMM和PSS分別代表玉米與大豆單作種植比例(均為1),YM和YS分別代表單作玉米大豆產(chǎn)量。

間作優(yōu)勢(shì)指數(shù)(IA): 該指標(biāo)反映間作系統(tǒng)是否具有間作優(yōu)勢(shì)[21]。IA＞0代表具有間作優(yōu)勢(shì), IA=0代表既無(wú)優(yōu)勢(shì)也無(wú)劣勢(shì), IA＜0代表具有間作劣勢(shì)。

式中:￥M和￥S分別代表玉米與大豆的市場(chǎng)價(jià)格。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2019軟件統(tǒng)計(jì)處理數(shù)據(jù), 利用SPSS Statistics 20對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析, 用Origin 2018進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米||大豆間作帶寬行比配置對(duì)作物產(chǎn)量及農(nóng)學(xué)指標(biāo)的影響

由表2可知, 單作作物產(chǎn)量顯著高于間作作物產(chǎn)量。帶寬為2.4 m或2.8 m時(shí), 玉米、大豆行比由2∶3增至2∶4, 間作作物產(chǎn)量均有所增加。說(shuō)明在帶寬相同條件下, 可通過(guò)增加行比、減小種間距離來(lái)提高種植密度進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。間作處理B2.8R2:3玉米產(chǎn)量在兩年試驗(yàn)中均為最低, 較單作玉米分別減產(chǎn)31.99%和29.99%, 并且該模式下的大豆產(chǎn)量分別低于處理B2.8R2:4, 說(shuō)明間作處理B2.8R2:3相對(duì)于處理B2.8R2:4不利于作物增產(chǎn)。帶寬為2.8 m時(shí)玉米產(chǎn)量均低于帶寬2.4 m, 說(shuō)明帶寬過(guò)大不利于間作玉米產(chǎn)量增加。帶寬2.0 m模式下大豆產(chǎn)量在兩年試驗(yàn)中均低于帶寬2.4 m帶寬模式。綜合來(lái)看, 帶寬2.4 m、行比2∶4模式下作物產(chǎn)量較優(yōu), 利于作物增產(chǎn)。

表2 玉米||大豆間作系統(tǒng)不同種植模式對(duì)作物產(chǎn)量與農(nóng)學(xué)指標(biāo)的影響Table 2 Effects of planting patterns of maize||soybean intercropping system on yields and agronomic indicators of crops

年份、處理和年份與處理交互作用均對(duì)作物產(chǎn)量有極顯著影響, 處理對(duì)大豆百粒重、玉米千粒重均無(wú)顯著影響, 不同年份對(duì)大豆百粒重、玉米千粒重具有極顯著性影響。年份對(duì)玉米穗長(zhǎng)、每穗行數(shù)均無(wú)顯著影響, 處理對(duì)玉米穗長(zhǎng)、每穗行數(shù)有顯著影響, 年份與處理交互作用對(duì)玉米穗長(zhǎng)、每穗行數(shù)無(wú)顯著影響。處理間對(duì)大豆單株有效莢數(shù)、單株粒數(shù)有極顯著影響。

2.2 玉米||大豆間作帶寬、行比配置模式對(duì)競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的影響

2.2.1 土地當(dāng)量比(LER)與相對(duì)擁擠系數(shù)(K)

由表3數(shù)據(jù)可得, 不同間作處理下LER、K值表現(xiàn)不同, 說(shuō)明不同田間配置模式對(duì)LER、K值均會(huì)造成影響。在兩年試驗(yàn)中, 所有間作處理下, LER變化范圍表現(xiàn)為1.26～1.77, 所有間作模式下的LER均大于1, 無(wú)論帶寬行比如何變化, 都不影響間作產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì), 表現(xiàn)出間作優(yōu)勢(shì)。2019年試驗(yàn)中處理B2.4R2:4模式 LER最高, 為1.77, 與其他間作處理呈顯著性差異。K值與LER變化趨勢(shì)相似, 處理B2.4R2:4模式下K值最大, 所有間作處理下KM＞KS,表明玉米競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)于大豆。

在本試驗(yàn)中, 帶寬為2.4 m或2.8 m模式下, 增加行比配置, LERM、LERS、LER、KM、K值均呈增加趨勢(shì); 當(dāng)行比為2∶3或2∶4時(shí), 帶寬由2.4 m增至2.8 m, LERM、LER、KM、K值均呈減小趨勢(shì); 當(dāng)種間距離不變, 帶寬由2 m增至2.8 m時(shí), LERM、KS、K值變化趨勢(shì)一致。

2.2.2 侵占力(A)與侵占比率(CR)

由表3可知, 兩年試驗(yàn)間,AM均為正值且以處理B2.4R2:4模式配置下最高, 處理B2.0R2:2最低, 表明在所有間作模式下, 玉米均表現(xiàn)為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)種。各間作模式下CRM＞CRS, 與CR變化呈一致性。在本試驗(yàn)中, 帶寬相同時(shí), 增加行比配置,AM與CRM呈增加趨勢(shì),AS與CRS呈減小趨勢(shì); 當(dāng)行比相同時(shí), 增加帶寬配置,AM與CRM均呈減小趨勢(shì),AS與CRS呈增加趨勢(shì); 當(dāng)種間距離相等, 帶寬由2 m增至2.8 m時(shí), CRM增加,CRS減小。

表3 玉米||大豆間作系統(tǒng)不同種植模式對(duì)玉米(M)和大豆(S)土地當(dāng)量比(LER)、相對(duì)擁擠系數(shù)(K)、作物侵占力(A)與侵占比率(CR)的影響Table 3 Effects of intercropping treatments on land equivalent ratio (LER), relative crowding coefficient (K), crop invasiveness (A)and invasiveness ratio (CR) of maize (M) and soybean (S) in maize||soybean intercropping system

2.3 玉米||大豆間作帶寬、行比配置對(duì)實(shí)際產(chǎn)量損失(AYL)的影響

由表4可知, 兩年試驗(yàn)中, 所有間作處理AYL均為正值, 表明所有間作處理均存在間作優(yōu)勢(shì); 且所有處理的AYLM＞0, 說(shuō)明與單作相比, 所有間作處理玉米產(chǎn)量均有所增加; 2018年, B2.4R2:3、B2.4R2:4和B2.8R2:4的AYLS＜0, 說(shuō)明與單作相比, 3個(gè)間作處理的大豆產(chǎn)量有所減小; 2018年B2.0R2:2和B2.8R2:3處理和2019年所有間作處理AYLS＞0。兩年間作處理B2.4R2:4模式下AYLM均為最高, 且與其他間作模式呈顯著差異, 表明該間作模式相較于其他處理玉米產(chǎn)量更具有增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。帶寬為2.4 m、2.8 m模式下, 增植1行大豆, AYLM、AYL呈增加趨勢(shì), 說(shuō)明增植1行大豆有利于提高間作玉米產(chǎn)量; 行比為2∶3、2∶4時(shí), 增加帶寬配置, AYLM、AYL均呈減小趨勢(shì),不利于間作玉米增產(chǎn)。

表4 玉米||大豆間作系統(tǒng)不同種植模式對(duì)玉米(M)和大豆(S)實(shí)際產(chǎn)量損失(AYL)的影響Table 4 Effects of intercropping patterns on actual yield loss(AYL) of maize (M) and soybean (S) in maize||soybean intercropping system

2.4 玉米||大豆間作帶寬、行比配置模式對(duì)作物收獲指數(shù)(HI)的影響

由圖3可得, 不同種植模式下的作物收獲指數(shù)不同。2018年(圖3A), 處理B2.4R2:4玉米的收獲指數(shù)最高, 與單作玉米無(wú)顯著差異。間作處理B2.8R2:3的大豆收獲指數(shù)最大, 顯著高于其他處理。2019年(圖3B), 間作處理B2.4R2:4模式下的玉米收獲指數(shù)最高,與單作玉米無(wú)顯著性差異。大豆收獲指數(shù)各處理間差異不顯著。在帶寬同為2.4 m或2.8 m模式下, 增植1行大豆, 玉米收獲指數(shù)增加, 說(shuō)明增加行比配置有利于同化產(chǎn)物向籽粒運(yùn)輸。

2.5 玉米||大豆間作帶寬、行比配置模式對(duì)經(jīng)濟(jì)效益(EB)及間作優(yōu)勢(shì)指數(shù)(IA)的影響

由表5中數(shù)據(jù)可知, 2018年處理B2.0R2:2模式配置下EB最高, 為15 120.87元·hm-2, 與其他間作處理呈顯著差異。2019年, 處理B2.4R2:4模式EB最高,為17 637.59 元·hm-2, 與其他間作處理差異顯著,比處理B2.0R2:2、B2.4R2:3、B2.8R2:3和B2.8R2:4分別增長(zhǎng)5.35%、7.93%、19.21%和14.60%。兩年試驗(yàn)中, 除2019年帶寬2.0 m模式及B2.8R2:3外, 其他間作處理均表現(xiàn)為IAM＞IAS, 說(shuō)明在間作體系中玉米較大豆表現(xiàn)為間作優(yōu)勢(shì)。各處理模式下IA均大于1, 且在兩年試驗(yàn)中處理B2.4R2:4模式IA與其他處理呈顯著差異, 相比于其他間作處理更具有間作優(yōu)勢(shì), 處理B2.8R2:3模式IA表現(xiàn)為最小, 兩年間EB均為最低,說(shuō)明該模式相較于其他間作處理表現(xiàn)不佳。

表5 玉米||大豆間作系統(tǒng)不同種植模式對(duì)玉米(M)和大豆(S)經(jīng)濟(jì)效益(EB)與間作優(yōu)勢(shì)指數(shù)(IA)的影響Table 5 Effects of intercropping patterns on economic benefit (EB) and intercrop dominance index (IA) of maize (M) and soybean (S) in maize||soybean intercropping system

本試驗(yàn)中, 帶寬相同時(shí), 增加行比配置, EB、IAM、IA均不同程度地提高; 當(dāng)行比相同時(shí), 增加帶寬配置, EB、IAM、IA均降低。綜合來(lái)看, 處理B2.4R2:4模式下平均經(jīng)濟(jì)效益較優(yōu), 有利于增加收入。

3 討論

3.1 玉米||大豆間作帶寬、行比配置對(duì)作物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益的影響

間作作為高效種植制度, 在作物增產(chǎn)增效方面具有重要作用[24]。在本試驗(yàn)中單作玉米、大豆的產(chǎn)量顯著高于間作(表2), 這與前人的研究結(jié)果相似[25],原因可能是單作種植模式下作物株行距較為合理,相比于間作種植, 緩解了植株個(gè)體之間的競(jìng)爭(zhēng)能力;原因二可能是單作種植行距較寬, 作物行間CO2供應(yīng)量充足和良好的通風(fēng)環(huán)境有利于作物光合作用和提高作物產(chǎn)量[26]。各間作模式行比配置不同, 對(duì)作物產(chǎn)量影響也不同, 原因是不同種植模式因作物空間生態(tài)位置差異, 對(duì)作物田間冠層小氣候會(huì)產(chǎn)生不同影響, 導(dǎo)致產(chǎn)量差異[27]。雍太文等[28]研究表明,玉米-大豆帶狀套作種植相較于大豆單作種植有利于提高大豆經(jīng)濟(jì)系數(shù), 帶狀輪作種植有利于提高系統(tǒng)產(chǎn)量和玉米種間競(jìng)爭(zhēng)力。2018年試驗(yàn)中間作大豆收獲指數(shù)均低于單作大豆, 這與前人研究的結(jié)果不一致, 原因可能是套作大豆在套作玉米蔭蔽作用解除后, 大豆冠層在一定程度上得到恢復(fù)和補(bǔ)償, 增加套作大豆光能截獲量, 增加套作大豆的經(jīng)濟(jì)系數(shù)[29];另外帶狀輪作種植模式下大豆茬口土壤表層積累量提高, 增加了接茬玉米葉片的氮素吸收量, 有利于提高系統(tǒng)產(chǎn)量[30]; 還可能是土壤質(zhì)地(紅壤土/紫色土)、種植方式(間作/套作)等因素所致。本試驗(yàn)中間作玉米的種間競(jìng)爭(zhēng)力高于間作大豆, 這與雍太文等[28]研究結(jié)果一致。

在本試驗(yàn)中不同帶寬配置下, 增植1行大豆,作物產(chǎn)量增加, 這與羅萬(wàn)宇等[31]研究結(jié)果一致, 原因可能是種間距離減小, 地下部互作能力加強(qiáng), 大豆帶向玉米帶氮素轉(zhuǎn)移量增加, 促進(jìn)玉米對(duì)氮素的吸收, 有利于玉米灌漿期PSⅡ反應(yīng)中心維持較高比例的開放程度, 提高了PSⅡ電子傳遞能力, 有利于光合作用和提高玉米干物質(zhì)積累量[18]; 同時(shí)大豆根系可分泌有機(jī)酸或質(zhì)子活化了土壤中難溶性的磷,更易于促進(jìn)玉米對(duì)磷素的吸收, 促進(jìn)作物增產(chǎn)[32]。不同帶寬模式下, 增加行比配置, 對(duì)增產(chǎn)幅度不同,帶寬2.4 m模式下作物產(chǎn)量增幅高于帶寬2.8 m模式,說(shuō)明超過(guò)適宜帶寬再增加行比配置會(huì)削弱作物增產(chǎn)潛力[33]。原因可能是帶寬2.8 m模式下, 間作玉米株距更小, 一方面對(duì)光溫水肥資源競(jìng)爭(zhēng)加劇, 另一方面玉米葉片由于蔭蔽作用, 抑制了葉面積指數(shù)的增加和間作玉米增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。兩年試驗(yàn)中間作玉米產(chǎn)量變化趨勢(shì)一致, 間作大豆產(chǎn)量變化趨勢(shì)不一致, 原因可能為不同年份間生態(tài)因子(降水量、平均溫度、有效輻射)對(duì)大豆農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量的影響較大[34], 在后期試驗(yàn)中將再做進(jìn)一步的探討。

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明, 作物田間空間布局不同,影響作物產(chǎn)量的同時(shí)也在影響經(jīng)濟(jì)效益, 間作作物經(jīng)濟(jì)效益比單作玉米經(jīng)濟(jì)效益增加約1.17%～18.04%,比單作大豆經(jīng)濟(jì)效益高出2倍以上, 說(shuō)明間作種植相比單作種植具有較優(yōu)的產(chǎn)出效益, 這與李隆[1]的研究結(jié)果一致。在間作處理中, 帶寬相同增加行比配置, 經(jīng)濟(jì)效益增加, 與作物產(chǎn)量變化呈正相關(guān)趨勢(shì)[35], 帶寬2.4 m、行比2∶4模式有利于作物干物質(zhì)積累與葉面積指數(shù)的增加, 有利于提高作物群體產(chǎn)量[36-37], 兩年平均經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于其他間作處理,表現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。

3.2 玉米||大豆間作帶寬、行比配置對(duì)種間關(guān)系影響

前人研究表明, 世界范圍內(nèi)玉米||大豆間作LER為1.32[6], 我國(guó)玉米||大豆間作LER可達(dá)1.40以上[38]。本試驗(yàn)中, 各間作處理LER＞1, 再次說(shuō)明玉米||大豆間作有利于提高土地利率效率[39]。兩年試驗(yàn)間帶寬2.4 m、行比2∶4模式平均LER為1.59, 比其他間作處理表現(xiàn)出較好的優(yōu)勢(shì), 原因可能是此模式下,大豆比帶寬2 m模式下能截獲更多的光能; 小于帶寬2.8 m模式下的種間距離, 玉米更易于吸收土壤中的氮素[2], 間作玉米增產(chǎn)潛力明顯, 這與任媛媛等[11]研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明, 帶寬2.4 m或2.8 m模式下增植1行大豆, LER增加, 原因可能有兩種: 1)增植1行大豆減小了種間距離, 玉米大豆根系產(chǎn)生有益根系分泌物, 增加土壤中微生物多樣性, 因此玉米大豆地下部根系互作效應(yīng)大于地上部[40]; 2)大豆種植密度不變, 增植1行大豆使大豆個(gè)體間株距增大, 有利于大豆光能截獲, 緩解了個(gè)體間競(jìng)爭(zhēng), 有利于提高大豆葉面積指數(shù), 利于光合產(chǎn)物的合成[41]。行比相同, 增加帶寬使LER減小, 可能與種間距離擴(kuò)大、地下部根系互作能力減弱有關(guān)[42]; 帶寬2.8 m模式下作物株距小于帶寬2.4 m模式, 作物個(gè)體相互遮蔭、相互競(jìng)爭(zhēng)[43], 使得LER減小。當(dāng)種間距離不變, 帶寬行比同時(shí)增加, LER呈先減后增趨勢(shì), 這與作物產(chǎn)量增加有關(guān)[34]。隨帶寬、行比增加,玉米株距逐漸縮小、個(gè)體間光溫水利用競(jìng)爭(zhēng)加劇, 不利于玉米產(chǎn)量增加[44]; 前人研究表明隨著大豆株距增加, 個(gè)體間更加協(xié)調(diào), 大豆群體產(chǎn)量隨之增加[45],這與2018年試驗(yàn)結(jié)果一致, 與2019年大豆產(chǎn)量試驗(yàn)結(jié)果不一致, 原因可能是受光溫水資源等因素影響。

不同間作處理K值不同, 說(shuō)明不同田間配置模式對(duì)種間競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)弱均會(huì)造成影響。前人研究表明在玉米大豆共生后期, 玉米對(duì)資源競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)于大豆,K值增加,KM＞KS[20]。在本試驗(yàn)中, 玉米共生后期KM在所有間作處理下均大于KS, 說(shuō)明共生后期間作玉米相較于間作大豆表現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì), 因?yàn)殚g作玉米占據(jù)高生態(tài)位, 光競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)強(qiáng)于間作大豆, 且玉米具有較強(qiáng)的正邊際效應(yīng), 而大豆為低位作物,長(zhǎng)期處于光照劣勢(shì), 受負(fù)邊際效應(yīng)影響較大[46], 這與趙建華等[22]結(jié)果一致。AYL值反映不同間作方式或品種導(dǎo)致的作物產(chǎn)量損失或增加[21], 兩年試驗(yàn)中AYLM均為正值, 表明不同間作模式下玉米具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì), 這與劉鑫[47]、任媛媛等[11]研究結(jié)果一致;而劉鑫[47]研究結(jié)果表明AYLS＜0, 大豆產(chǎn)量相對(duì)減產(chǎn)。本試驗(yàn)中AYLS兩年趨勢(shì)不一致, 2019年與劉鑫研究結(jié)果不一致, 原因可能是因?yàn)?019年試驗(yàn)期間作物生育期內(nèi)降水增多, 影響作物產(chǎn)量進(jìn)而影響AYLS。兩年試驗(yàn)間AYL＞0, 表明間作具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì),間作體系中以玉米增產(chǎn)為主。

不同帶寬行比配置下, 種間距離不同而導(dǎo)致間作作物競(jìng)爭(zhēng)作用存在差異, 因此作物種間關(guān)系也不同。本試驗(yàn)中, 帶寬相同、增加行比配置K、AYL、AM、CRM呈增加趨勢(shì), 而AS、CRS呈減小趨勢(shì), 說(shuō)明種間距離減小, 玉米對(duì)大豆競(jìng)爭(zhēng)能力加劇, 不利于大豆生長(zhǎng), 原因可能是隨著生育期推進(jìn), 玉米作為高稈作物對(duì)大豆遮蔭效果增強(qiáng)。行比相同, 帶寬由2.4 m增至2.8 m,KM、AYLM、AM、CRM呈下降趨勢(shì),AS、CRS呈增加趨勢(shì), 說(shuō)明行比相同、帶寬增加, 不利于間作玉米產(chǎn)量提高, 原因可能是種間距離增大, 作物根系互作能力減弱, 禾本科作物對(duì)豆科作物氮素吸收能力減弱所致。種間距離恒定, 帶寬由2 m增至2.8 m, 行比由2∶2增至2∶4時(shí),K、AYL變化趨勢(shì)一致, 呈先增后減趨勢(shì), 因此合理的空間配置促進(jìn)群體作物生態(tài)位的分離, 作物間競(jìng)爭(zhēng)互補(bǔ)達(dá)到和諧, 促進(jìn)作物對(duì)資源的高效利用, 以實(shí)現(xiàn)最大的產(chǎn)量效應(yīng)[48], 而AM、CRM呈增加趨勢(shì),AS、CRS呈減小趨勢(shì), 說(shuō)明種內(nèi)種間距離不變, 帶寬、行比都增加的同時(shí), 間作系統(tǒng)中玉米間作優(yōu)勢(shì)強(qiáng)于大豆。

4 結(jié)論

兩年試驗(yàn)中帶寬2.4 m、行比2∶4模式下玉米||大豆間作系統(tǒng)平均LER為1.59, 玉米相對(duì)產(chǎn)量損失指數(shù)和間作優(yōu)勢(shì)較高, 作物群體產(chǎn)量較優(yōu), 為6801.88 kg·hm-2, 平均經(jīng)濟(jì)效益較高, 為15 822.95元·hm-2, 說(shuō)明間作系統(tǒng)產(chǎn)量的提高以玉米為主, 玉米相較于大豆表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)種, 該模式下間作玉米增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)明顯。

帶寬相同、增加行比配置, 土地當(dāng)量比、相對(duì)擁擠指數(shù)、相對(duì)產(chǎn)量損失指數(shù)、玉米侵占力、玉米競(jìng)爭(zhēng)比率、經(jīng)濟(jì)效益、玉米收獲指數(shù)、作物產(chǎn)量呈增加趨勢(shì); 行比相同, 帶寬由2.4 m增至2.8 m時(shí),土地當(dāng)量比、相對(duì)擁擠指數(shù)、相對(duì)產(chǎn)量損失指數(shù)、玉米侵占力、玉米競(jìng)爭(zhēng)比率、經(jīng)濟(jì)效益、玉米收獲指數(shù)呈下降趨勢(shì)、間作玉米產(chǎn)量減少。