干旱區(qū)玉米大豆單間作生長及產(chǎn)量影響的研究

申磊，王秀媛，滕元旭，張文龍，李魯華，張偉

(石河子大學農(nóng)學院農(nóng)學系，新疆 石河子 832000)

我國約1/3可耕作土地采用多物種模式，并貢獻了中國所有農(nóng)作物總產(chǎn)量的一半，是我國農(nóng)業(yè)遺產(chǎn)的重要組成部分[1]。大量研究證實，合理的間作能夠多層次利用地上光熱資源和地下水分及養(yǎng)分資源[2]，提高自然資源利用率和作物復合群體的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性[3-4]，同時間作還可以降低作物的病蟲草害，具有顯著的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益[5]。玉米和大豆均是我國重要的糧食作物，玉豆間作也是我國北方較為普遍的高產(chǎn)種植模式[6]。由于大豆的經(jīng)濟效益較低，我國大豆種植面積逐年下降，大豆國內(nèi)市場供給主要依賴進口，2018年大豆的進口量占比為75%左右[7]，因此，在玉米種植面積不斷增加的同時，發(fā)展玉米‖大豆復合種植模式，可以實現(xiàn)玉米、大豆產(chǎn)量的雙贏。新疆屬于干旱半干旱地區(qū)，具有良好的光熱條件，合理的間作可以提高耕地的復種指數(shù)，增加糧食產(chǎn)量。

在玉米與豆科作物間作模式下，間作提高了玉米葉片的葉綠素含量、光合速率、干物質(zhì)的移動量和轉(zhuǎn)換率，促進玉米根系的生長，還擴大了兩作物根系縱向和橫向的空間生態(tài)位，增加了作物吸收水分和養(yǎng)分的有效空間，使作物根系的分布更合理[8]。合理的間作可以改善植株的微環(huán)境來調(diào)節(jié)植物與環(huán)境的相互作用最終影響植物群體的生長發(fā)育與產(chǎn)量[9]。

目前有關間作在不同生育期對玉米、大豆地上部和地下部動態(tài)影響的研究較少，對于影響作物產(chǎn)量形成主要因素研究不足，且前人對于作物地下部分的研究多采用破壞性取樣，本研究試驗采用根管法對作物根系進行無損采樣，這樣可以更全面認識作物根系動態(tài)變化的規(guī)律，以此對玉米、大豆產(chǎn)量形成規(guī)律進行更進一步的探討。本文通過設計玉米‖大豆間作試驗，研究地上部和地下部的動態(tài)變化規(guī)律，分析株高、根長密度(RLD)、SPAD值、田間溫濕度及產(chǎn)量的變化，為探索干旱區(qū)玉米‖大豆群體的地上地下部分生長規(guī)律及間作對作物產(chǎn)量的影響提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2020年在新疆石河子大學農(nóng)學試驗站(45′08″N，85′36″E)進行為期2年的試驗，玉米采用晉糯205品種，大豆品種為新大1號。

2018年作物生長季(4—10月)平均氣溫為18.65 ℃，降水量為211.7 mm，日照時數(shù)為2 077.3 h，2019年作物生長季(4—10月)平均氣溫為20.94 ℃，降水量為142 mm，日照時數(shù)為1 843.08 h。

土壤質(zhì)地為重壤灰漠土，耕層土壤容重為1.6 g/cm3，全氮0.890 g/kg、速效磷0.023 g/kg、速效鉀0.259 g/kg、堿解氮0.058 g/kg、有機質(zhì)13.260 g/kg，pH7.3，前茬作物為玉米。

1.2 試驗設計

試驗設置3種植模式處理，分別為玉米單作、大豆單作和玉米‖大豆。玉米、大豆的株行距均為30 cm，試驗地長18 m，寬10.2 m，共計180.36 m2，行間配置如圖1所示。試驗分別于2018年4月24日、2019年4月26日播種，采用膜下滴灌種植方式?；拾姿岫@300 kg/hm2，尿素、鉀肥各75 kg/hm2，玉米吐絲期追施尿素 45 kg /hm2。試驗采用滴灌方式，水表記錄，灌水頻率為7 d/次，每次灌水量為675 m3/hm2。大豆施肥量與玉米施肥量相同，試驗地其他管理措施一致。出苗后間苗并補苗，保證每穴留1株苗，播前均勻翻耕，人工除草，試驗地四周設置保護行，田間管理以常用的管理模式進行，保證作物生長發(fā)育需求為基礎。數(shù)據(jù)采集時間及對應作物生育時期如表1所示。

圖1 試驗整體行間配置及根管位置

表1 數(shù)據(jù)測量時間及對應各作物的生育時期

1.3 測定指標與方法

1.3.1 田間溫、濕度

分別于2018年6月26日和2019年6月28日正午12：00進行田間溫、濕度的測定，采用手持式溫濕度測量儀(浙江托普云農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測儀)測定各植株在不同種植模式下不同部位的溫濕度，單、間作玉米均測量冠層上部、中部、下部3個位點，單、間作大豆測量冠層上部、中部2個位點，試驗共5個重復。最后將各處理的5個重復數(shù)據(jù)取平均值作為小區(qū)溫、濕度數(shù)據(jù)。

1.3.2 葉綠素含量

采用SPAD 502葉綠素儀測定植株葉片葉綠素含量，對玉米棒三葉和大豆最頂部展開葉進行SPAD值測量，每個處理6個重復，單作小區(qū)隨機取6株進行測量，間作小區(qū)從2種作物中各取6株進行測量，最后將各處理的6個重復數(shù)據(jù)取平均值作為SPAD值數(shù)據(jù)。

1.3.3 根系形態(tài)特征

采用CI-600進行田間根系的圖像采集，在播種時將透明觀察管沿水平地面45°方向埋入作物行間，對前5個時期作物的根系進行測量，每個處理3個重復，掃描器分別采集0～20 cm和20～40 cm土層中的作物根系。利用WinRHIZO對根系圖像進行分析，并計算RLD，根管設置如圖2所示。

圖2 根管設置情況

1.3.4 土地當量比

作物成熟后，對各處理進行收獲，收獲面積為4 m2，每個處理重復3次，然后統(tǒng)一進行脫粒、自然曬干，稱量籽粒產(chǎn)量并折合公頃產(chǎn)量。應用土地當量比(land equivalent ratio，LER)作為衡量間作產(chǎn)量優(yōu)勢的指標[10]，計算公式為

LER=Yia/Ysa+Yib/Ysb，

(1)

式(1)中Yia表示間作玉米產(chǎn)量，Ysa表示單作玉米產(chǎn)量，Yib表示間作大豆產(chǎn)量，Ysb表示作物單作大豆產(chǎn)量。

若LER>1，表明玉米‖大豆系統(tǒng)有產(chǎn)量優(yōu)勢；若LER<1，表明玉米‖大豆系統(tǒng)沒有產(chǎn)量優(yōu)勢。

1.3.5 測定指標的時期

本文測定指標的時期如下：A是玉米和大豆的苗期，B是玉米的拔節(jié)期和大豆的開花期，C是玉米的抽雄期和大豆的花莢期，D是玉米的吐絲期和大豆的鼓粒期，E是玉米的乳熟期和大豆的成熟期，F(xiàn)是玉米的臘熟期和大豆的收獲期。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019、SPSS19.0和Origin 2019分別進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)方差分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式下玉米大豆株高的動態(tài)變化

株高是影響作物生長發(fā)育的重要指標。從圖3可以看出：2年間玉米和大豆的株高均隨著生育期的推進不斷增加，在作物生長后期，作物株高趨于穩(wěn)定。單、間作玉米從苗期到吐絲期株高迅速增加，單、間作玉米株高差異從拔節(jié)期到抽雄期不斷增大。在2018年與單作相比，間作顯著提高了玉米在吐絲期、抽雄期和臘熟期的株高，增值分別為19.79%、14.45%和7.35%。在2019年間作顯著提高了玉米在吐絲期、抽雄期和乳熟期的株高，增值分別為12.72%、16.10%和8.53%。2年結果顯示玉米‖大豆使玉米株高提高了7.35%～8.53%。

圖3 2018和2019年不同種植模式下玉米和大豆株高的動態(tài)變化

2年間單、間大豆從出苗期到鼓粒期株高迅速增加，與單作相比，2年間作均顯著提高了大豆在花莢期、鼓粒期、成熟期和收獲期的株高，2018年分別提高16.76%、15.36%、14.96%和11.34%。2019年分別提高14.92%、16.74%、11.98%和11.46%。2年結果顯示玉米‖大豆使大豆株高提高了11.34%～11.46%。

2.2 不同種植模式下作物不同部位溫、濕度的變化

溫濕度既能反映作物和大氣之間的能量交換,也是影響作物葉片光合性能和產(chǎn)量的重要因素。圖4顯示：2018年間作模式下玉米群體各部位的田間溫度與單作存在顯著差異，間作使玉米群體下、中和上部溫度分別降低了3.94%、4.12%和4.56%。2019年間作使玉米群體下部溫度降低了3.82%。2年間間作模式下大豆群體各部位的田間溫度與單作存在顯著差異，間作使2018年大豆中、上部溫度分別降低了7.16%和6.89%，使2019年中、上部溫度分別降低6.91%和7.00%。

間作模式下2年間玉米群體下、中部的田間濕度與單作存在顯著差異，2018年間作模式使玉米群體下、中部的田間濕度分別降低9.16%和10.28%，2019年分別降低10.26%和6.74%。與單作大豆相比，間作對大豆各部位溫濕度無顯著影響。間作使玉米群體的田間溫濕度降低，提高了間作群體田間的透氣性。

不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖4 不同種植模式各作物不同部位的溫濕度

2.3 不同種植模式SPAD值的動態(tài)變化

葉綠素含量與葉片含氮量有著直接關系,葉綠素是光合作用的光敏催化劑，與光合作用密切相關[11]。由圖5可知：2年間各處理玉米的SPAD值在苗期至拔節(jié)期迅速提高，并在抽雄期達到峰值(除2019年單作玉米在拔節(jié)期達到峰值外)，隨后SPAD值逐漸降低。間作顯著提高了2018年玉米乳熟期的SPAD值，提高了14.87%，使2019年玉米抽雄期的SPAD值顯著提高了9.15%。其它生育時期單、間作玉米間SPAD值差異均不顯著。

圖5 2018和2019年不同種植模式下玉米和大豆SPAD值的動態(tài)變化

2年間各處理大豆的SPAD值在苗期至開花期迅速提高，并在開花期達到峰值。2018年間作使大豆在開花期和花莢期的SPAD值顯著降低，分別降低9.27%和12.00%。2019年間作使大豆鼓粒期的SPAD值顯著降低10.21%。其它生育時期單、間作大豆間SPAD值均無顯著差異。

2.4 不同種植模式作物根系的動態(tài)變化

根系是植物吸收養(yǎng)分、水分的重要器官，其生長及分布影響著地上部的生長。由圖6可知：玉米和大豆隨著生育期的推進，RLD值在逐漸增大。在0～20 cm土層中，單、間作玉米的RLD值從苗期至抽雄迅速提高，隨后增速逐漸降低，從拔節(jié)至抽雄期單、間作玉米的RLD值差異均在不斷增大。在20～40 cm土層中單作玉米的RLD值從苗期至抽雄期迅速提高，隨后增速逐漸降低，而間作玉米的RLD值從苗期至吐絲期迅速提高，隨后增速逐漸降低，RLD值年際間存差異。與單作玉米相比，2018年間作顯著提高了玉米在抽雄期和吐絲期20～40 cm土層中的RLD值，分別提高了8.4%和18.0%；2019年間作顯著提高了玉米在抽雄期20～40 cm土層中的RLD值，提高值為22.6%。2年間玉米‖大豆使玉米0～40 cm土層中的RLD值增加9.59%～15.97%。

在0～20 cm 土層中，2年間單作大豆RLD值在苗期至鼓粒期迅速提高，隨后增速逐漸降低，間作大豆RLD值在苗期至花莢期迅速提高，隨后增速逐漸降低，2年間單、間作大豆均在鼓粒期和成熟期差異顯著，與單作相比，2018年間作使大豆鼓粒期和成熟期0～20 cm土層中的RLD值分別降低16.29%和19.40%，2019年分別降低19.10%和13.35%。在20～40 cm 土層中，兩年間單作大豆的RLD值從出苗至鼓粒期迅速提高，隨后增速逐漸降低，而間作大豆從出苗至花莢期迅速提高，隨后增速逐漸降低，年際間有差異。2019年單、間作大豆成熟期20～40 cm土層中的RLD值差異顯著，間作使RLD值降低了17.34%。2年間玉米‖大豆使大豆0～40 cm土層中的RLD值降低25.13%～30.68%。

A—玉米和大豆的苗期;B—玉米的拔節(jié)期和大豆的開花期;C—玉米的抽雄期和大豆的花莢期;D—玉米的吐絲期和大豆的鼓粒期;E—玉米的乳熟期和大豆的成熟期;F—玉米的臘熟期和大豆的收獲期。圖6 2018和2019年不同種植模式下大豆、玉米在0～40 cm土層中RLD值動態(tài)變化

2.5 不同種植模式單株穗數(shù)/莢數(shù)、穗粒數(shù)/每莢粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量分析

由表2可知：2年間單、間作玉米的單株穗數(shù)和穗粒數(shù)差異均不顯著，而間作顯著提高了玉米的千粒重和產(chǎn)量，分別提高7.73%～8.48%和18.52%～19.8%。2年間單、間作大豆的每莢粒數(shù)差異均不顯著，而間作顯著降低了大豆的每株莢數(shù)、千粒重和產(chǎn)量，分別降低34.51～35.45、13.34%～16.45%和55.87%～57.44%。土地當量比(LER)是衡量間作產(chǎn)量優(yōu)勢的指標，通過公式(1)求得2年間作土地當量比為1.61～1.64>1，表明間作系統(tǒng)形成了較高的種植優(yōu)勢。

表2 2018和2019年不同種植模式下作物產(chǎn)量構成因素及作物產(chǎn)量

2.6 作物各生育期指標與產(chǎn)量的相關性

對各生育期下株高、SPAD值和RLD值(0～20 cm和20～40 cm)這3個指標與產(chǎn)量進行相關性分析，求得皮爾遜相關性系數(shù)(Pearson correlation coefficient)，結果(表3)顯示：玉米產(chǎn)量與株高(除苗期株高呈負相關外)、SPAD值和RLD值(除0～20 cm拔節(jié)期呈負相關外)均呈正相關。玉米苗期至臘熟期與產(chǎn)量的相關性達到極顯著水平的是拔節(jié)期至吐絲期的RLD值(0～20 cm)、抽雄期的RLD值(20～40 cm)，相關性達到顯著水平的是抽雄期至吐絲期的株高、吐絲期至乳熟期的RLD值(0～20 cm)和苗期 RLD值(20～40 cm)。大豆產(chǎn)量與SPAD值和RLD值(除苗期0～40 cm土層RLD值呈負相關外)均呈正相關，與大豆株高呈負相關。苗期至收獲期與大豆產(chǎn)量的相關性達到極顯著水平的是收獲期的株高和鼓粒期的RLD值(0～20 cm)，相關性達到顯著水平的是花莢期至成熟期的株高、開花期至花莢期和成熟期的RLD值(0～20 cm)。

當相關系數(shù)達到0.8～1.0時，代表自變量與因變量之間為極強相關關系，0.6～0.8為強相關關系。由表3可知：從抽雄期至臘熟期，玉米的株高和RLD值(0～40 cm)與產(chǎn)量均為極強正相關關系(除乳熟期株高及抽雄至吐絲期的SPAD值外)。玉米吐絲期株高、乳熟期SPAD值、抽雄期RLD值(0～20 cm)和吐絲期RLD值(20～40 cm)為各生育期不同指標相關系數(shù)的最高值，分別為0.992、0.901、0.998和0.992。從花莢期到收獲期大豆的株高和RLD值(0～20 cm)與大豆產(chǎn)量均為極強相關關系。大豆收獲期株高、成熟期SPAD值和鼓粒期RLD值(0～40 cm)為各生育期不同指標相關系數(shù)的最高值，分別為-0.996、0.959、0.996和0.527。因此，影響玉米產(chǎn)量的主要因素有株高和RLD值(0～40 cm)，對大豆產(chǎn)量產(chǎn)生影響的主要因素為株高和RLD值(0～20 cm)。

表3 作物各生育期不同指標與產(chǎn)量的相關性

3 討論

(1)玉米‖大豆間作是一種弱競爭體系，兩種作物在水分、養(yǎng)分等資源吸收利用的時間上是分離的，存在不同生態(tài)位資源利用差異，以此來實現(xiàn)間作優(yōu)勢。本研究表明間作提高了玉米和大豆的株高，玉米屬于高位作物后期受大豆影響較小，對光照、水分和養(yǎng)分等競爭要大于矮稈作物大豆。在大豆生育前期，由于玉米植株對大豆植株的遮蔭程度不明顯，單、間作模式下大豆的株高無顯著差異，隨著生育期的推進玉米對大豆的遮蔭程度會增加，導致大豆光合產(chǎn)物優(yōu)先供應莖稈伸長。單、間作玉米SPAD 值均從苗期至抽雄期隨著時間的推移逐漸增加，到抽雄期達到最大(除2019年單作外)之后逐漸降低，在玉米生育前期可能由于氮素主要集中在葉片等營養(yǎng)器官中，玉米的 SPAD 值較高，且間作促進了玉米SPAD值的提高。抽雄期后玉米從營養(yǎng)生長向生殖生長過渡，氮素由葉片等營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移到籽粒等生殖器官中，導致葉片的 SPAD 值下降[12]。且在玉豆間作系統(tǒng)中，間作大豆通過固氮作用增加玉米氮吸收量，提高玉米對氮素吸收和利用的效率[13]。單、間作大豆SPAD值均在開花期達到最大值，且間作在生育中后期降低了大豆的SPAD值，隨著大豆受到的遮蔭程度越高，其SPAD值越低[14]。

(2)玉豆間作體系中地下部分的相互作用起著主導作用，且玉米具有比大豆更強的資源競爭優(yōu)勢。間作可以擴大作物根系縱向和橫向的空間生態(tài)位，即擴展了作物的水分和養(yǎng)分生態(tài)位，增加了作物吸收養(yǎng)分的有效空間。高陽等[15]認為玉豆間作時，二者根系主要分布在0～30 cm土層中。本研究表明拔節(jié)期后單、間作玉米的RLD值差異開始逐漸增加，間作玉米20～40 cm土層中根系的生長，使玉米根系縱向生態(tài)位擴大。陳平等[8]研究表明玉豆間作擴大了玉米根系在水平與垂直方向的生態(tài)位，根長密度和根表面積與氮素吸收呈正相關，在玉豆間作系統(tǒng)中，間作大豆通過固氮作用增加玉米氮吸收量，促進了玉米根系活力。本研究結果表明花莢期后單、間作大豆的RLD值差異開始逐漸增加，間作抑制了大豆0～40 cm土層中根系的生長，0～20 cm土層中的根系受到的抑制作用更加明顯，使大豆根系橫向生態(tài)位縮小，這與楊峰[16]等研究結果相似。尹元萍等[17]研究表明間作大豆的生長在苗期受到的抑制作用顯著，這與本研究結果不一致，本研究認為在作物生育中后期由于大豆光合產(chǎn)物優(yōu)先供應莖稈伸長，嚴重影響了大豆地下部分的生長，使大豆地下部生長受到抑制。

(3)作物生長對田間溫、濕度變化非常敏感，不良的溫、濕度環(huán)境會導致植株矮小、葉片發(fā)黃、授粉不良和病蟲害爆發(fā)等現(xiàn)象，從而導致作物的產(chǎn)量和品質(zhì)受到影響。溫度對病害流行的影響貫穿于作物發(fā)病的各個階段，在適宜溫度范圍內(nèi)病害的潛育期隨著溫度升高而縮短，危害程度也隨之加重[18]。濕度是影響作物病害傳播與流行的重要環(huán)境因子，大多數(shù)病原真菌孢子萌發(fā)所需的葉表相對濕度為95%，因此病害多發(fā)生在夜間灌溉和雨后[19]。BOUDREAU M A等[20]研究發(fā)現(xiàn)，由于作物間作存在株高差異，加速了田間空氣流動，提高了田間的透氣性，使田間的濕度降低。劉晶等[21]研究發(fā)現(xiàn)通過玉米‖大豆，玉米植株可以起到為大豆植株防風的作用，減小大豆群體內(nèi)空氣的流動。本研究認為，由于玉米大豆存在株高差異，改變了作物群體的空間結構從而影響附近的田間小氣候，使植株群體內(nèi)部溫濕度發(fā)生變化，間作顯著降低了玉米群體的田間溫濕度以及大豆的田間溫度，使田間微環(huán)境得到改善，有助于減少病蟲害的發(fā)生。

(4)從作物產(chǎn)量構成因素角度來看，間作提高了玉米的千粒重，從而使得間作玉米產(chǎn)量提高，合理的田間配置方式可以提高玉米中下層葉片的光截獲量，增大光合面積，進一步提高光能利用率，促進植株干物質(zhì)積累。而間作使大豆的每株莢數(shù)和千粒重下降，致使大豆產(chǎn)量降低。由于玉米遮蔭使光合產(chǎn)物減少，花、莢的生長所需營養(yǎng)物質(zhì)不足，導致大豆落花、落莢，嚴重影響大豆產(chǎn)量[22]。本研究根據(jù)作物各生育期不同指標與產(chǎn)量的相關分析發(fā)現(xiàn)，影響玉米產(chǎn)量的主要因素是抽雄期至臘熟期的株高和RLD值(0～40 cm)，影響大豆產(chǎn)量的主要因素是花莢期到收獲期的株高和RLD值(0～20 cm)。綜合來看，影響玉米‖大豆系統(tǒng)產(chǎn)量的因素為作物的株高及根系的發(fā)育程度。在本試驗中，玉米‖大豆的LER為1.61～1.64，說明玉米‖大豆系統(tǒng)具有一定的種植優(yōu)勢。

4 結論

與單作相比，玉豆間作可以改善田間微氣候，促進玉米的拔高和根系生長，擴大玉米根系分布范圍，提高玉米的產(chǎn)量，但是大豆生長受到抑制，大豆的根系分布范圍縮小，使大豆減產(chǎn)。綜合來看，玉米產(chǎn)量的增值彌補了大豆產(chǎn)量的損失，因此，玉豆間作具有更好的種植優(yōu)勢。