寬窄行間作模式下不同玉米品種的互補抗逆增產(chǎn)效應研究

董偉欣，韓立杰，李向嶺，張月辰

(1. 河北開放大學，石家莊 050080；2. 河北農業(yè)大學農學院/河北省作物生長調控重點實驗室，保定 071001；3. 河北科技師范學院農學與生物科技學院，昌黎 066600)

玉米作為我國的重要糧食作物之一，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，玉米的廣用途與玉米生產(chǎn)的矛盾日益突出，所以保持玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)是對于保障國家糧食安全至關重要，目前，人們主要通過選用優(yōu)良品種，高水肥，農藥等措施來提高產(chǎn)量，這不僅使品種的穩(wěn)定性下降，還給環(huán)境造成很大壓力，單一品種在生產(chǎn)上存在遺傳基礎狹窄，抵御自然災害能力差，年際間產(chǎn)量不穩(wěn)定等問題，間作再次備受關注，因此，探索相同和不同作物品種間作對于集約化高產(chǎn)栽培具有重要意義。

許多研究者對玉米與其他作物間作進行了深入研究，并發(fā)現(xiàn)間作可使群體穩(wěn)定、資源利用效率高、抗逆性增強，產(chǎn)量提高。Ogind等[1]、王雅梅等[2]和趙篤勤等[3]對玉米和大豆間作進行了研究，證明了間作可提高大豆的株高、葉綠素含量和光合效率，并發(fā)現(xiàn)在2∶2和2∶3播幅種植下具有顯著的生產(chǎn)優(yōu)勢，同時提高了不同土層的水分利用效率、氮肥農學利用效率和產(chǎn)量；也有研究發(fā)現(xiàn)，玉米和甘薯間作增加土壤有機質和全氮含量并提高了養(yǎng)分的吸收效率，進一步提高了產(chǎn)量[4]。盡管不同作物間作對生產(chǎn)有諸多益處，但不同作物間作難以實現(xiàn)機械化生產(chǎn)，需要較多人力和物力，跟不上日新月異的農業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)形勢，目前，同種作物不同基因型間混作卻備受關注。在玉米上，平西栓等[5]、劉景文等[6]和劉鵬飛等[7]發(fā)現(xiàn)，不同玉米品種間作可促進玉米生長和干物質積累、延緩后期葉片衰老、單產(chǎn)提高并進一步提高產(chǎn)量，對南方銹病也有了較強抗性，增加了優(yōu)勢度指數(shù)，提高了玉米對于養(yǎng)分的吸收；其他作物也有明顯的間作優(yōu)勢，劉紅敏等[8]發(fā)現(xiàn)，不同水稻品種間作可降低褐飛虱蟲害的發(fā)生；不同小麥品種間作可提高對條銹葉銹及白粉病的抗性[9]；不同番茄品種間作可提高對番茄黃化曲葉病毒病的抗性[10]。以上可見，通過對同一作物不同基因型品種間互作進行研究，既可以發(fā)揮不同作物品種的生產(chǎn)優(yōu)勢，又可以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

河北是我國夏玉米種植大省，也是重要的糧食儲備地，近年來玉米大斑病嚴重發(fā)生，嚴重影響玉米生長和產(chǎn)量形成。本研究基于不同基因型玉米互補抗逆原理，構建感玉米大斑病基因型‘農大372’和抗玉米大斑病基因型‘先玉335’間作群體，探索群體的互補豐產(chǎn)抗逆效應，可為當?shù)仄贩N優(yōu)化及高產(chǎn)栽培提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地供試土壤養(yǎng)分含量和氣象條件

本試驗于2019年在河北省新樂市木村鄉(xiāng)中同村進行大田試驗，試驗地為壤土，播種前0～20 cm的土壤有機質含量為18.47 g·kg-1，全氮含量為1.19 g·kg-1，堿解氮含量為85.39 mg·kg-1，有效磷含量為25.74 mg·kg-1，速效鉀含量為121.26 mg·kg-1。

試驗區(qū)玉米生長季（6、7、8、9和10月份）降雨量分別為17.5 mm、250.4 mm、131 mm、90.4 mm和28.3 mm，總降雨量為517.6 mm；平均氣溫分別為27.7 ℃、28.2 ℃、26 ℃、23.3 ℃和15.2 ℃，6—10月份日均溫為24.08 ℃；日照時數(shù)分別為219.8 h、202.1 h、196.5 h、237 h和183.9 h，日照時數(shù)總計為1 039.3 h。

1.2 試驗設計

本試驗以‘先玉335’和‘農大372’為供試材料（由新樂市種子公司提供），2個品種的性狀特征見表1。結合品種設置單作-‘先玉335’，單作-‘農大372’，間作-‘先玉335’ ∶‘農大372’3種種植方式，單作簡稱為DZ，間作簡稱為JZ，2個品種間作比例為1∶1，單作和間作均為寬窄行種植（寬行間距為80 cm，窄行間距為40 cm），所以4種處理分別簡稱為DZ-‘先玉335’，DZ-‘農大372’，JZ-‘先玉335’和JZ-‘農大372’，試驗小區(qū)畦長為15 m，寬為5 m，全部采用隨機區(qū)組設計，設置3次重復，播種前撒施緩釋肥（N-P2O5-K2O=28∶4∶8）1 050 kg·hm-2，6月21日播種，密度為67 500株·hm-2，分別在苗期、開花吐絲期和灌漿期進行灌水，10月2日收獲，其他管理同一般大田生產(chǎn)。

表1 先玉335和農大372的品種特性Table 1 Variety characteristics of Xianyu 335 and Nongda 372

1.3 測定項目及方法

1.3.1 玉米生長指標和干物質積累測定 在吐絲期、灌漿期和成熟期，每個處理選取生長一致的3株玉米，每個處理3個重復，共9株測定其株高、莖粗和綠葉面積。干物質測定在烘干箱（德瑞普-DRP-8804）105 ℃殺青0.5 h，80 ℃下烘干至恒重后進行稱量。

1.3.2 玉米穗位葉片生理參數(shù)的測定 在吐絲期、灌漿期和成熟期上午8:00—10:00，取玉米穗位葉片中間部分鮮樣，置于液氮中帶回實驗室進行生理參數(shù)測定。葉綠素含量參照崔勤等的方法[11]測定；可溶性糖含量采用白寶璋的方法測定[12]；可溶性蛋白含量參照Read等[13]的方法測定；超氧化物歧化酶（SOD）活性和過氧化物酶（POD）活性參照韓勝芳等的方法測定[14]；GA3和ABA含量參照吳頌如等方法測定[15]。

1.3.3 玉米葉面積指數(shù)（LAI）和葉片夾角（MTA）的測定 在吐絲期、灌漿期和成熟期上午9:00—11:00，采用LAI-2200C冠層分析儀（美國LI-COR公司生產(chǎn)）測定玉米穗位葉片的LAI和MTA，每個處理測定3株，3次重復，共測定9株。1.3.4 抗病性調查 在乳熟期對單作和間作小區(qū)分別連續(xù)調查20株，根據(jù)病斑面積占葉片面積的百分數(shù)來計算玉米大斑病的病情指數(shù)，病情分級參照王曉鳴[16]的方法。

1.3.5 考種及產(chǎn)量測定 在收獲前（9月28日）進行考種及產(chǎn)量測定，每個處理選取3株，3次重復，共9株，測定單穗重、穗粒數(shù)、穗粒重和百粒重，并利用XY-MW-T系列快速水分測定儀（常州市幸運電子設備有限公司生產(chǎn)）測定玉米籽粒的含水量（約為10 %）；每個處理（1點/每個處理，3次重復）選取3點測定10 m雙行穗數(shù)，再折算成畝穗數(shù)、每公頃穗數(shù)，根據(jù)下列公式計算出每公頃產(chǎn)量。

產(chǎn)量=（畝穗數(shù)×單穗穗粒重×百粒重/100）×（100 %–含水量）/（100 %–14 %）

1.3.6 玉米籽粒營養(yǎng)成分測定 每個處理取樣1 kg，設置3次重復，分別測定玉米籽粒的蛋白質、脂肪、可溶性糖和淀粉含量（FOSS谷物分析儀），求其并均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2019進行統(tǒng)計分析，使用SPSS 25.0對單作和間作處理的相關指標進行顯著性檢驗（α＝0.05）。

2 結果與分析

2.1 ‘先玉335’和‘農大372’間作對植株生長的影響

通過對2個玉米品種的株高、莖粗和綠葉面積3個指標不同處理間進行比較后得出，‘先玉335’和‘農大372’間作模式下的株高在吐絲期、灌漿期和成熟期較單作稍有降低，但差異均未達到顯著性差異；2個品種的莖粗間作較單作均升高，吐絲期和灌漿期差異不明顯，但在成熟期均顯著升高，升高幅度分別為16.86 %和19.78 %；‘先玉335’和‘農大372’間作模式下的綠葉面積在3個時期較單作均呈現(xiàn)升高趨勢，在吐絲期升高幅度未達到顯著性差異，而在灌漿期和成熟期均顯著升高，‘先玉335’間作較單作分別顯著升高14.46 %和13.54 %，‘農大372’分別顯著升高12.85 %和12.84 %，2個品種相比較，間作模式下‘農大372’較‘先玉335’的株高稍有降低，而莖粗和綠葉面積從吐絲期至成熟期不斷增大（表2）。說明間作對2個品種的株高沒有明顯的影響，而是后期通過增加莖粗和綠葉面積來擴大群體的且‘農大372’大于‘先玉335’。

表2 單間作對玉米株高、莖粗和葉面積的影響Table 2 Effects of sole-cropping and intercropping treatment on plant height, stem diameter and leaf area of maize

2.2 ‘先玉335’和‘農大372’間作對植株不同部位干物質積累的影響

由表3可見，間作影響不同部位干物質的積累，2個品種間作模式下，‘先玉335’的葉片干重在吐絲期、灌漿期和成熟期較單作降低，而‘農大372’卻呈現(xiàn)升高趨勢，但差異都未達到顯著性水平，說明間作對葉片干物質的積累影響不大；莖稈重在吐絲期間作較單作無顯著變化，在灌漿期JZ-‘農大372’較DZ-‘農大372’顯著升高15.66%，成熟期JZ-‘先玉335’較DZ-‘先玉335’顯著升高14.88%，而JZ-‘農大372’較DZ-‘農大372’顯著升高21.49%；2個品種間作模式下的穗重在3個時期均表現(xiàn)出高于單作的趨勢，吐絲期稍有升高，但差異不明顯，而在灌漿期和成熟期間作較單作均顯著升高，JZ-‘先玉335’較DZ-‘先玉335’分別顯著升高19.21 %和14.75%，JZ-‘農大372’較DZ-‘農大372’分別顯著升高8.99%和11.95 %，2個品種相比較，間作模式下，‘農大372’在中后期的干物質積累量高于‘先玉335’。說明間作可以協(xié)調群體結構來促進穗部干物質積累且‘農大372’的積累量更高，增產(chǎn)潛力更大。

表3 單間作對玉米葉片重、莖稈重和穗重的影響Table 3 Effects of sole-cropping and intercropping treatment on leaf weight, stem weight and ear weight of maize

2.3 ‘先玉335’和‘農大372’間作對可溶性糖和可溶性蛋白質含量的影響

2個品種間作較單作的可溶性糖和蛋白含量均呈現(xiàn)出升高趨勢，可溶性糖含量從吐絲期至成熟期不斷升高，在吐絲期間作較單作升高不明顯，但在灌漿期和成熟期JZ-‘先玉335’較DZ-‘先玉335’分別顯著升高41.91 %和47.58 %，JZ-‘農大372’較DZ-‘農大372’分別顯著升高47.84 %和36.55 %，見圖1（a）；而可溶性蛋白含量從吐絲期至灌漿期升高，到成熟期有稍有降低，吐絲期2個品種間作較單作分別顯著升高13.92 %和13.68 %，而灌漿期和成熟期升高幅度未達到顯著性水平圖1（b），2個品種相比較，JZ-‘農大372’較JZ-‘先玉335’在后期積累的可溶性糖和蛋白質含量較多，說明間作模式更有利于發(fā)揮不同基因型品種的優(yōu)勢，進一步提高碳水化合物的積累程度，對于產(chǎn)量提高具有積極作用。

圖1 單間作對玉米可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響Figure 1 Effects of sole-cropping and intercropping treatment on soluble sugar and soluble protein content of maize

2.4 ‘先玉335’和‘農大372’間作對SOD、POD酶活性及O2、MDA含量的影響

由圖2可見，SOD、POD酶活性從吐絲期至成熟期不斷升高，間作較單作均呈現(xiàn)升高趨勢，‘農大372’較‘先玉335’升高幅度更大，見圖2（a）（b）；MDA含量與SOD、POD酶活性在3個時期的變化趨勢稍有差異，MDA含量從吐絲期至灌漿期逐漸升高，到成熟期下降，間作較單作均呈現(xiàn)出升高趨勢，與酶活性變化表現(xiàn)一致，見圖2（c）；而活性氧（O2）含量則是從吐絲期至成熟期逐漸升高，間作較單作均呈現(xiàn)降低趨勢，見圖2（d）。說明間作使后期葉片細胞清除活性氧的能力升高，葉片細胞保持旺盛的生命力，延緩葉片衰老，可提高葉片的光合速率，加速營養(yǎng)物質的轉化速率。

圖2 單間作對玉米SOD、POD活性及O2、MDA含量的影響Figure 2 Effects of sole-cropping and intercropping treatment on SOD, POD activity and O2, MDA content of maize

2.5 ‘先玉335’和‘農大372’間作對GA3和ABA含量的影響

由表4可見，‘先玉335’和‘農大372’間作可以改變玉米穗位葉片中的激素含量和比例，間作較單作GA3含量升高，‘農大372’升高幅度更大，吐絲期2個品種間作較單作升高不明顯，灌漿期和成熟期JZ-‘農大372’較DZ-‘農大372’分別顯著升高28.86 %和22.89 %；相反，2個品種間作較單作ABA含量呈現(xiàn)降低趨勢，吐絲期和灌漿期JZ-‘先玉335’較DZ-‘先玉335’分別顯著降低12.99 %和9.45 %，‘農大372’間作較單作降低幅度未達到顯著水平，2個品種在成熟期間作較單作降低也不明顯；另外，2個品種在間作模式下的GA3/ABA同樣呈現(xiàn)升高趨勢，吐絲期JZ-‘先玉335’較DZ-‘先玉335’顯著升高20.39 %，灌漿期和成熟期2個品種間作較單作均顯著升高。說明間作使葉片中的GA3含量升高，延緩后期葉片衰老，可提高光能利用率。

表4 單間作對玉米GA3、ABA含量及GA3/ABA的影響Table 4 Effects of sole-cropping and intercropping treatment on GA3, ABA content and GA3/ABA of maize

2.6 ‘先玉335’和‘農大372’間作對LAI（葉面積指數(shù)）和MTA（葉片夾角）的影響

‘先玉335’和‘農大372’間作使LAI（葉面積指數(shù)）和MTA（葉片夾角）表現(xiàn)不同，吐絲期2個品種的葉面積指數(shù)單作均高于間作，而灌漿期和成熟期呈現(xiàn)出間作高于單作的趨勢，見圖3（a）；葉片夾角在吐絲期、灌漿期和成熟期均呈現(xiàn)間作小于單作的趨勢，見圖3（b），在吐絲期表現(xiàn)更為明顯。說明間作使2個玉米品種的MTA變小導致植株之間變得緊湊，葉面積增大，增加了光能利用效率，有利于后期籽粒干物質的積累。

圖3 單間作對玉米葉面積指數(shù)（LAI）和葉片夾角（MTA）的影響Figure 3 Effects of sole-cropping and intercropping treatment on LAI and MTA of maize

2.7 ‘先玉335’和‘農大372’間作對產(chǎn)量的影響

由表5可以看出，‘先玉335’和‘農大372’間作較單作可以提高每公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和單穗重，但差異性都未達到顯著性水平，而單穗粒重和百粒重卻明顯增加，分別顯著增加13.99 %和11.86 %，12.71 %和8.73 %，每公頃產(chǎn)量也顯著增加，JZ-‘先玉335’較DZ-‘先玉335’顯著增加9.61 %，JZ-‘農大372’較DZ-‘農大372’顯著增加13.82 %。說明‘先玉335’和‘農大372’間作具有增產(chǎn)效應，而產(chǎn)量的提高是通過增加粒重來實現(xiàn)的。

表5 單間作對玉米產(chǎn)量構成因素及產(chǎn)量的影響Table 5 Effects of sole-cropping and intercropping treatment on yield components and yield of maize

2.8 ‘先玉335’和‘農大372’間作對大斑病的抗性的影響

‘先玉335’和‘農大372’間作明顯提高了對玉米大斑病的抗性，‘先玉335’由抗提高到高抗，病級由2級降為1級，‘農大372’由感提高到中抗，病級由5級降為3級，另外，‘先玉335’和‘農大372’間作使病情指數(shù)顯著降低，JZ-‘先玉335’較DZ-‘先玉335’顯著降低56.75 %，JZ-‘農大372’較DZ-‘農大372’顯著降低54.29 %（見表6）。

表6 單間作對玉米大斑病病情指數(shù)的影響Table 6 The disease index of corn northern leaf blight of maize under sole-cropping and intercropping treatment

3 討論與結論

優(yōu)良品種選擇是實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑，近年來，玉米新品種層出不窮，加之全球災害性天氣和病蟲害的頻繁發(fā)生，不僅給糧食生產(chǎn)造成嚴重危害，而且加速了作物品種退化，單一作物品種種植的遺傳基礎狹窄，抵御自然災害的能力較差，而不同基因型玉米品種間作是豐富玉米群體遺傳多樣性，提高抗逆性，實現(xiàn)高產(chǎn)的有效途徑。在生產(chǎn)上，王小林等[17]研究指出，玉米品種‘鄭單958’與‘沈單16號’間作可以有效提高玉米的水分利用效率（WUE），根系的吸水能力增強并延長根系生命活力；此作者對‘鄭單958’與‘沈單16號’品種間作后還發(fā)現(xiàn)，間作可以提高株高和莖粗，顯著增加群體的葉面積指數(shù)（LAI）和地上部干物質積累，有效改善群體結構，增加群體物質生產(chǎn)力[18]；而祁勇[19]研究發(fā)現(xiàn)，4個不同基因型玉米品種間作可通過穗粒數(shù)增多使產(chǎn)量顯著提高4.2%～20.7 %，并對黑粉病和青枯病的抗性也顯著提高；陳國立等[20]研究也同樣發(fā)現(xiàn)，不同玉米品種間作不僅可以提高對黑粉病的抗性，而且可以通過增加穗粒數(shù)來提高產(chǎn)量，間作比單作顯著增產(chǎn)4.04%～17.14 %；而其他的研究也證明不同基因型玉米間作均可顯著降低紋枯病、葉銹病和葉斑病的發(fā)病指數(shù)[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同玉米品種間作對株高無影響，后期莖粗、葉面積指數(shù)和地上部干物質積累顯著增加，此外，間作較單作穗位葉碳水化合物增加，保護酶（SOD、POD和MDA）活性增強；另外，本研究還發(fā)現(xiàn)間作較單作GA3含量總體呈現(xiàn)升高趨勢，ABA呈現(xiàn)降低趨勢，Jonathan Jones 實驗室的研究表明[23]，赤霉素在抵抗活體寄生病原菌的過程中起正向調控作用，但是在對抗壞死型病原菌的過程中卻起負調控作用，Mauch-Mani等[24]研究認為，ABA 在抗病途徑中起到負調控的作用，而Yang等[25]的研究卻發(fā)現(xiàn)，赤霉素負調控水稻抗病抗逆性，這與前人研究結果有相同和不同之處，原因可能是病原菌不同生理小種對不同作物的差異性而造成的，其抗逆性機理還需進一步深入研究。

不同基因型玉米品種間作可以提高群體的抗病性，感病品種的病情指數(shù)顯著降低[26]。從本研究結果來看，間作產(chǎn)量提高是通過增加粒重來實現(xiàn)的，且顯著提高對玉米大斑病的抗性，這可能是兩品種間交叉授粉所產(chǎn)生花粉直感的結果，這與前人研究趨勢相一致，‘先玉335’和‘農大372’間作使病情指數(shù)顯著降低，較單作分別顯著降低56.75 %和54.29 %。不同基因型玉米間作是高產(chǎn)抗逆的有效途徑，但品種選擇和間作模式存在較大差異[27]，所以在品種選擇時要注意株高、生育期、粒色、品種與比例以及熟性之間的矛盾，只有選擇合適的玉米品種間作才能更好的改善玉米群體結構、提高資源利用率、增產(chǎn)抗逆和保護環(huán)境。從理論上來講，選擇合適的玉米品種越多，其穩(wěn)定性和豐產(chǎn)性越好，但品種選擇越多，種植模式就越復雜，加之不同品種間作的方式和比例沒有固定的栽培模式，所以在實際操作方面比較復雜，而本研究只選擇了‘先玉335’和‘農大372’兩個品種，通過互作對植株長勢、穗位葉片的生理參數(shù)變化、產(chǎn)量以及對玉米大斑病的抗性進行探索研究，發(fā)現(xiàn)兩個品種互作較單作對于抗逆性具有積極作用，但兩個品種互作具有一定的局限性，本試驗只在小范圍內進行研究，之后實驗室會在此基礎上選擇較多不同基因型玉米品種在核心區(qū)試驗，之后向周邊地區(qū)輻射，此外，在技術上也不夠成熟，所以品種和技術會進行下一步的研究和探索。