玉米‖大豆對作物生長發(fā)育與產(chǎn)量形成的影響

唐興勇，申磊，王秀媛，曲慧杰，孫雪瑩，劉政，宿可，劉婷婷，尉雯雯，張帥，王家平，程志博，張偉

（石河子大學農(nóng)學院，新疆 石河子 832003）

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，擁有陸地面積約960萬km2。我國現(xiàn)有約14.12億人口[1]，耕地面積僅為1.33億公頃左右，人均耕地面積不到世界人均耕地面積的1/3[2]。人口眾多、糧食需求量大、耕地資源匱乏，導致我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力巨大，因此需要最大化利用有限的土地資源，實現(xiàn)最大生產(chǎn)效益。而間作正是在同一塊耕地上種植兩種或兩種以上作物，由于種間關(guān)系發(fā)生變化[3]，在時空競爭、時間互補、養(yǎng)分競爭與促進等方面表現(xiàn)出促進或者競爭關(guān)系[4]。研究表明大面積的種植單一作物還易造成植物病害的流行、土壤養(yǎng)分偏耗、土地生產(chǎn)力的下降及加速土壤退化[5]。間作種植系統(tǒng)早在古代就發(fā)展了起來[6]，現(xiàn)今，間作種植技術(shù)得到普及，糧食作物與經(jīng)濟作物、飼料作物、綠肥作物的間作得到迅速發(fā)展，其中以禾本科作物與豆科作物間作最常見。

玉米和大豆都是我國重要的糧食作物，玉米‖大豆是我國常見的禾本科和豆科植物間作。陳光榮等[7]研究表明，玉米‖大豆可使土地利用率提升34.0%，單位面積產(chǎn)量是單作的1.28倍，更有利于農(nóng)民盈利。大豆根瘤有固氮作用，合理的種植模式可提升大豆固氮能力。肖焱波等[8]研究表明，豆科作物與其他類作物間作時存在“氮轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象，可提升間作大豆整體的固氮量。而禾本科作物玉米對氮的需求量和吸收能力大于大豆，種間競爭可提升根系活力，促進大豆根瘤固氮能力，從而提高間作大豆整體固氮量；張曉娜等[9]和王雪蓉等[10]研究表明，玉米‖大豆有利于玉米干物質(zhì)向果穗分配與積累，不利于大豆干物質(zhì)向莢果分配與積累；張向前等[11]研究表明，在施肥或不施肥條件下，玉米‖大豆可提高玉米的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。因此研究玉米‖大豆對提高土地利用率，提升產(chǎn)量和經(jīng)濟效益有重要影響。

前人對玉米‖大豆的研究主要集中在產(chǎn)量及經(jīng)濟效益上，而對玉米‖大豆系統(tǒng)中影響玉米和大豆植株生長發(fā)育及產(chǎn)量形成方面的研究較少。本研究通過對玉米‖大豆對農(nóng)藝性狀和生理特性的影響，探究北方干旱地區(qū)滴灌條件下玉米、大豆的農(nóng)藝性狀指標，產(chǎn)量構(gòu)成因子，生理特性影響及根系形態(tài)結(jié)構(gòu)與分布特征，明確其增產(chǎn)機理，建立適合干旱地區(qū)的種植方法，為穩(wěn)定提高土地生產(chǎn)能力和促進干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)簡況

試驗于2021年4月—9月在石河子大學北苑新區(qū)農(nóng)學院試驗站（44°19＇N，86°03＇E）進行，玉米供試品種為新玉93號，大豆供試品種為新大1號。

試驗地土壤為沙壤土，0～20cm和20～40cm的土壤容重分別為1.28g·cm-3和1.31g·cm-3，土壤全氮含量為0.72g·kg-1、有機質(zhì)含量為11.27g·kg-1，堿解氮含量為58mg·kg-1、速效鉀含量為204mg·kg-1、速效磷含量為51.7mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 種植方式

于2021年4月初開始播前整地，采用膜下滴灌種植方式，膜寬1.4m，1膜2管4行，于4月25日開始播種，玉米一穴兩粒、大豆一穴一粒，單、間作玉米統(tǒng)一株行距：株距25cm，行距40cm；單、間作大豆統(tǒng)一株行距：株距10cm，行距40cm。采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置1種間作組合和2種作物單作，分別為：玉米‖大豆和單作玉米、單作大豆，田間排列如圖1所示。

圖1 作物種植模式分布圖Figure 1 Distribution of crop planting patterns

1.2.2 樣品數(shù)據(jù)采集

從5月15日起每隔兩周進行一次田間農(nóng)藝性狀的采集并記錄數(shù)據(jù)，期間陸續(xù)進行室內(nèi)試驗，于9月中旬進行產(chǎn)量測定。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 根系數(shù)據(jù)采集

在玉米、大豆的取樣時期，在各處理中選取長勢一致的作物，使用根鉆獲取0～20cm、20～40cm的土樣，每個模式3次重復，實驗室內(nèi)將土樣清洗干凈，用鑷子將根樣挑出，并將根樣整齊擺放在帶有1cm2正方形方格的A4白紙上進行拍照，再用WINRHIZO 2020a獲取植株相應土層的根長參數(shù)。

用測得的根長，根據(jù)取根時的區(qū)域體積（根鉆內(nèi)體積），及相應土層深度進行分層計算，用每個區(qū)域的根長除以相應的體積得到各個區(qū)域玉米和大豆的根長密度（RLD），具體計算如下：

式中，Li表示對應的總根長：Vi表示對應土體體積。

1.3.2株高

單間作條件下每種作物選擇3個取樣點，每個樣點選取長勢一致連續(xù)的5株植株，用卷尺對其進行測量，計算平均值。地面到玉米頂端為玉米株高，子葉節(jié)到大豆生長點為大豆株高。

1.3.3 葉綠素含量（SPAD值）

每個處理選取連續(xù)的5株作物，利用SPAD-502葉綠素儀分別測量玉米棒三葉、大豆冠層葉片的SPAD值，每張葉片測定3次取平均值。

1.3.4 產(chǎn)量測定

采用1×1樣方法，隨機選取3個樣方，分別記錄單間作玉米、大豆的產(chǎn)量構(gòu)成因子并計算產(chǎn)量。

1.3.5 間作優(yōu)勢

土地當量比（LER）是衡量間作產(chǎn)量優(yōu)勢的的一項指標，玉米與大豆間作時，其表達式為：

LER＞1，表明間作具有產(chǎn)量優(yōu)勢；LER＜1為間作劣勢。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2019分析處理數(shù)據(jù)，采用SPSS 20.0進行方差分析，用Sigmaplot 12.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理作物株高動態(tài)變化

如圖2所示可知，間作玉米的株高顯著高于單作。玉米在5月15日—7月26日快速增長，在7月26日—8月30日緩慢增長。間作玉米的增幅在6月15日最高為76.46%，8月30日增幅最低為5.07%；單作大豆的株高顯著高于間作大豆，且大豆生長趨勢為5月15—5月29日緩慢增長，5月29日—7月26日快速增長，7月26日—8月30日緩慢增長。間作大豆降幅在6月15日最高為42.95%，5月29日降幅最低為2.08%。

圖2 單間作玉米、大豆的株高變化Figure 2 Plant height changes of maize and soybean under monoculture and intercropping

2.2 各處理作物功能葉片SPAD值分析

如表1所列可知，間作玉米SPAD值在6月15日顯著低于單作，在7月26日顯著高于單作。間作玉米SPAD值變化趨勢是呈增→減→增→減的雙峰型曲線，在5月29日和7月26日達到峰值，分別為49.20和48.50。單作玉米SPAD值變化趨勢是呈先增大后減小的單峰型曲線，并在6月15日左右達到峰值52.36。

單間作大豆均呈增→減→增→減的雙峰型曲線，且單作大豆各取樣時期SPAD值明顯高于間作。單作大豆的SPAD值在5月29日和7月26日達到峰值，分別為43.56和45.22，單作大豆SPAD值在5月15日、6月15日、8月12日分別顯著高于間作。間作大豆的SPAD值在5月29日和7月26日達到峰值，分別為40.94和44.06。

2.3 各處理作物地下部根系形態(tài)特征分析

如圖3所示可知，隨取樣時間推進，各土層植株根系RLD值呈上升趨勢；土層深度增加，根系RLD值呈下降趨勢。間作玉米0～20cm土層RLD值在7月8日和8月2日顯著高于單作，增幅分別為21.14%和95.04%；間作玉米0～20cm土層RLD值在6月15日高于單作，增幅為20.39%，差異不顯著；間作玉米20～40cm＜RLD值在6月15日和7月8日高于單作，增幅分別為57.14%和21.31%，差異不顯著；間作玉米20～40cm＜RLD值在8月2日顯著高于單作，增幅為115.91%。

6月15日、7月8日和8月2日，間作大豆0～20cm和20～40cm土層RLD值均顯著高于單作，其中0～20cm增幅分別為213.33%、129.17%、57.15%，20～40cm增幅分別為160.00%、85.00%、117.65%。

2.4 各處理作物產(chǎn)量構(gòu)成因素對產(chǎn)量影響分析

如表2所列可知，間作玉米的每穗粒數(shù)顯著高于單作，增幅為34.25%；單間作玉米的千粒重差異不顯著，間作玉米增幅為6.67%。間作大豆的每株莢數(shù)顯著低于單作大豆，降幅為34.77%；間作大豆的每莢粒數(shù)和千粒重低于單作，差異不顯著，降幅分別為1.64%和10.67%。

LER=（5587.62/7806.62）+（1465.04/2282.01）=1.36＞1

間作增產(chǎn)率=（1.3578-1）×100%=35.78%

3 討論

（1）株高是衡量作物生長速度的標志，能在一定程度上表示作物的生長狀況[12]。株高還影響著作物的光和作用能力，株高越高，植株對光能的捕獲能力越強，作物的光合速率越快[13]。本研究表明，間作玉米的株高顯著高于單作，說明間作有效提升玉米株高，并進一步提升玉米光合速率，從而提升產(chǎn)量；間作大豆的株高顯著低于單作，因此間作大豆光合速率下降，導致減產(chǎn)。這與前人研究相似[14]。

（2）葉綠素是植物進行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量大小決定作物光合作用能力的強弱[15]，根據(jù)SPAD值變化可對作物產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量進行相關(guān)性預測[16]。本研究表明，間作玉米的SPAD值顯著高于單作，間作大豆SPAD值顯著低于單作，原因是間作玉米的株高更高，對光能利用率更高；間作大豆在遮陰條件下大多數(shù)葉片捕獲光能減少，葉綠素合成受阻，葉片中葉綠素含量減少，SPAD值降低。

（3）根系是植物從土壤吸收水分、養(yǎng)分供給植物生長發(fā)育所需的重要途徑[17]。根系的生長狀況，可直接影響地上部分作物的生長發(fā)育情況。根系發(fā)達植物可從土壤中汲取更多的養(yǎng)分。玉米‖大豆種植方式下，作物根系間的相互作用起主導地位，研究表明[18]，玉米‖大豆中玉米對資源的競爭力強于大豆。本研究表明，玉米和大豆間作能顯著提升玉米和大豆各土層的RLD值，間作玉米RLD值在水平空間結(jié)構(gòu)上的生態(tài)位顯著高于單作玉米，間作大豆RLD值在水平和垂直空間結(jié)構(gòu)上的生態(tài)位顯著高于單作大豆，原因是間作中地上互作促進禾本科的營養(yǎng)吸收和群體養(yǎng)分積累，提升玉米的根系活力，促進玉米根系總根長的增加[19]，而作為競爭力弱勢的間作大豆，需要從土壤中汲取更多的養(yǎng)分，因此向水平和垂直方向生長來維持生長發(fā)育。

（4）從作物產(chǎn)量構(gòu)成因素角度來看，間作顯著提高玉米的每穗粒數(shù)，顯著降低大豆的每株莢數(shù)；提升玉米的粒重，降低大豆的粒重；從而使得玉米產(chǎn)量增加，大豆產(chǎn)量降低。玉米‖大豆這種高低錯位的空間種植方式，使得間作玉米中下層葉片對光能的吸收面積增大，進而提升間作玉米的光合速率，增加玉米的干物質(zhì)積累，進而提升穗粒數(shù)和粒重來實現(xiàn)增產(chǎn)的原理。土壤中氮素含量過高會抑制根瘤固氮，隨著土壤中氮素含量的增加，根瘤固氮酶的活性和大豆血紅蛋白含量顯著減少，大豆根瘤的固氮能力顯著下降，大豆根瘤固氮受到抑制[20]。大豆根瘤生育期所固的氮正好可為玉米生長發(fā)育提供氮素，土壤中氮素含量下降，根瘤固氮能力提升，根系活力提升，進一步提升根瘤的固氮量。本研究中，間作大豆由于受到玉米的遮陰作用，間作大豆葉片的SPAD值顯著降低，葉片中葉綠素含量水平減少，光合速率降低，光合同化產(chǎn)物干物質(zhì)積累量減少，影響間作大豆生長發(fā)育，造成間作大豆減產(chǎn)。本研究中，玉米‖大豆的LER=1.36＞1，增產(chǎn)率為35.78%，說明玉米‖大豆種植模式能有效提升間作土地的產(chǎn)量優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本試驗表明，間作顯著提升玉米的株高、SPAD值，玉米和大豆高低錯位的空間分布，增強玉米中下層葉片的光合作用，提高光合速率，有利于干物質(zhì)積累量的增加；受間作玉米的遮陰作用，間作大豆的株高、SPAD值顯著降低，葉片光能截獲量減少，光合速率降低，干物質(zhì)合成受阻，因此大豆的結(jié)莢數(shù)和粒重降低，造成產(chǎn)量降低；玉米和大豆之間的相互競爭關(guān)系，促使根系活力提升，擴大了玉米和大豆根系的空間分布范圍。