黃土塬區(qū)玉米大豆帶狀復(fù)合種植產(chǎn)量與收益分析

王 靜，蘇東濤，李娜娜，孫隆祥

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，山西 太原 030031；3.山西省朔州市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，山西 朔州 036000）

近年來(lái)，隨著資源、環(huán)境、糧食等全球性問(wèn)題的凸顯，傳統(tǒng)種植模式再次引起農(nóng)業(yè)科研學(xué)者的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)間作模式能夠協(xié)調(diào)作物間競(jìng)爭(zhēng)與互補(bǔ)關(guān)系，充分利用自然資源，減少環(huán)境毒害物的投入，有效提高群體產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。其中，玉米、大豆間作模式因其糧油同步，增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)和固氮養(yǎng)地效果備受農(nóng)業(yè)農(nóng)村部及相關(guān)部門(mén)關(guān)注，對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于這方面的研究重點(diǎn)主要集中在玉米和大豆間作模式優(yōu)化配置與產(chǎn)量產(chǎn)值、生態(tài)環(huán)境、根系養(yǎng)分水分等方面。研究表明，間作玉米相比單作處理產(chǎn)量及品質(zhì)均存在較大改善，而大豆則表現(xiàn)減產(chǎn)或不變，這是因?yàn)橛衩?、大豆間作空間鑲嵌結(jié)構(gòu)能夠促使間作玉米光合能力提升，而大豆表現(xiàn)為下降的態(tài)勢(shì)；同時(shí)玉米、大豆間作能夠提升玉米對(duì)氮、磷元素的吸收和積累量，大豆的氮、磷吸收量則表現(xiàn)降低。究其深層原因是玉米、大豆間作帶型配置模式使得種間競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)及效應(yīng)發(fā)生變化，從而引起產(chǎn)量差異。因此，深入探究玉米、大豆間作模式群體產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益最高帶型配置比成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要研究?jī)?nèi)容。

山西省作為典型的黃土塬區(qū)，其光、熱資源豐富，農(nóng)田土壤肥力弱化，水源缺乏，同時(shí)城鎮(zhèn)化步伐加快，致使玉米和大豆種植面積及總產(chǎn)量呈逐年銳減的趨勢(shì)。因此，高效利用水分和用地養(yǎng)地相結(jié)合的玉米、大豆間作模式，為山西省農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)民增收提供了契機(jī)。目前關(guān)于玉米、大豆間作帶型配置增產(chǎn)增效進(jìn)行了廣泛的研究，結(jié)果顯示，不同的玉米和大豆品種，地域差異致使其研究結(jié)果不同。因此，本研究基于前人基礎(chǔ)上，設(shè)置不同帶型配置的玉米、大豆間作模式，對(duì)其籽粒產(chǎn)量、作物競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)等指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析，明確基于當(dāng)?shù)厣a(chǎn)水平和生態(tài)條件相適應(yīng)的間作帶型比，為山西省多元化農(nóng)業(yè)及旱作農(nóng)業(yè)增產(chǎn)潛力提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年度山西省孝義市東盤(pán)糧村（111°21′E~111°56′E，36°56′N~37°18′N）進(jìn)行，屬溫帶季風(fēng)性氣候，平均海拔750 m，年平均溫度10.1℃，年降雨量472.6 mm，雨季主要集中于7—9月份，以小量降水居多。全年太陽(yáng)日照時(shí)數(shù)平均為2 640.7 h，輻射總量為147.2 kcal·cm，年平均無(wú)霜期195 d，年平均蒸發(fā)量為1 957.8 mm，屬典型的黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。供試土壤為粘土，肥力較差，其耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量14.6 g·kg，全氮0.42 g·kg，速效氮70.8 mg·kg，有效磷11.3 mg·kg，速效鉀126.2 mg·kg，pH值7.89。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)材料 玉米品種選用‘大豐30’（山西大豐種業(yè)有限公司育制），屬?gòu)?qiáng)抗旱、高抗旱品種，緊湊型株型；大豆品種選用‘汾豆78’（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所育制），株型收斂，無(wú)限結(jié)莢習(xí)性品種。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置3種間作帶型配置結(jié)構(gòu)，分別為：IC1：2∶2玉米、大豆（2行玉米、2行大豆），帶型配置指數(shù)為1.0；IC2：2∶3玉米、大豆（2行玉米、3行大豆），帶型配置指數(shù)為0.66；IC3：2∶4玉米、大豆（2行玉米、4行大豆），帶型配置指數(shù)為0.5。每個(gè)處理3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為0.667 hm，壟寬65 cm，以玉米單作（SM）和大豆單作（SS）作為對(duì)照。間作、單作玉米種植密度均為6.6×10株·hm，行距為50 cm；間作、單作大豆種植密度均為18×10株·hm，行距為40 cm，南北走向種植，均于當(dāng)年10月初進(jìn)行收獲。所有試驗(yàn)田管理措施與傳統(tǒng)種植方式一樣，均進(jìn)行機(jī)械種植和病蟲(chóng)草管理，共施用氮肥（折純量）為N：240 kg·hm、PO：150 kg·hm、KO：225 kg·hm。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.3.1 籽粒產(chǎn)量測(cè)定 間作、單作處理于玉米、大豆成熟后，各處理區(qū)選取6 m進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

邊行籽粒產(chǎn)量（marginal grain yield，MGY）測(cè)定能夠有效評(píng)估間作模式下各作物邊行優(yōu)勢(shì)。若MGY>0，表現(xiàn)為邊行優(yōu)勢(shì)；若MGY<0，表現(xiàn)為邊行劣勢(shì)。計(jì)算公式如下：

式中，Y和Y分別為間作體系中玉米和大豆的產(chǎn)量；Y和Y分別為單作玉米和大豆的產(chǎn)量；Z、Z分別為間作體系中玉米、大豆的種植比例；MGY、MGY分別代表間作中玉米、大豆的邊行籽粒產(chǎn)量。

1.3.2 競(jìng)爭(zhēng)指數(shù) 土地當(dāng)量比（land equivalent ratio，LER）作為多物種系統(tǒng)生產(chǎn)力優(yōu)勢(shì)評(píng)估指標(biāo)。若LER>1，為間作優(yōu)勢(shì)；若LER<1，為間作劣勢(shì)。計(jì)算公式如下：

式中，LER、LER分別代表間作中玉米、大豆的土地當(dāng)量比。

為進(jìn)一步衡量間作模式下物種1相對(duì)物種2的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，引出相對(duì)擁擠系數(shù)（relative crowding coefficient，K）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。若K>K，表明物種1競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)；若K=K，表明競(jìng)爭(zhēng)為0；若K

式中，K、K分別代表間作中玉米、大豆的相對(duì)擁擠系數(shù)。

為評(píng)價(jià)間作模式下物種1的相對(duì)產(chǎn)量增長(zhǎng)大于物種2產(chǎn)量增長(zhǎng)的程度大小，使用侵占力（aggressivity，A）指標(biāo)進(jìn)行表征。若A=0，表明2種作物的競(jìng)爭(zhēng)力相同；若A>0，則物種1占據(jù)優(yōu)勢(shì)；若A<0則物種2占據(jù)優(yōu)勢(shì)。計(jì)算公式如下：

式中，A、A分別代表間作中玉米、大豆的侵占力。

LER作為物種競(jìng)爭(zhēng)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)，尚缺乏間作模式下作物種植比例因素的考慮，對(duì)此引出競(jìng)爭(zhēng)比率（competitive ratio，CR）評(píng)價(jià)指標(biāo)。計(jì)算公式如下：

式中，CR、CR分別代表間作中玉米、大豆的競(jìng)爭(zhēng)比率。

實(shí)際產(chǎn)量損失（actual yield loss，AYL）以作物單株產(chǎn)量為研究對(duì)象，分析當(dāng)前種植比例下作物相比單作時(shí)的相對(duì)產(chǎn)量損失或增加。若AYL>0，表明作物存在間作優(yōu)勢(shì)；若AYL<0，則作物不存在間作優(yōu)勢(shì)。計(jì)算公式如下：

式中，AYL、AYL分別代表間作中玉米、大豆的實(shí)際產(chǎn)量損失。

系統(tǒng)生產(chǎn)力指數(shù)（system productivity index，SPI）是從優(yōu)勢(shì)作物方面統(tǒng)一劣勢(shì)作物的產(chǎn)量，進(jìn)而評(píng)價(jià)間作的一個(gè)指標(biāo)。計(jì)算公式如下：

1.3.3 經(jīng)濟(jì)指數(shù) 經(jīng)濟(jì)收入情況作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要評(píng)價(jià)因子，因此將貨幣優(yōu)勢(shì)指數(shù)（monetary advantage index，MAI）作為所考慮間作模式下是否存在間作優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。計(jì)算公式如下：

式中，P、P分別為玉米、大豆的經(jīng)濟(jì)價(jià)格（該地區(qū)玉米、大豆價(jià)格分別為1.6，5.6元·kg）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用新復(fù)極差法（Duncan）檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異顯著性水平（<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 籽粒產(chǎn)量和邊行籽粒產(chǎn)量

不同間作模式下玉米和大豆的籽粒產(chǎn)量分別顯著低于SM和SS（<0.05），且處理間均達(dá)到顯著差異水平（表1）。SM處理分別顯著高于其他間作處理下群體籽粒產(chǎn)量15.75%，37.37%，51.46%，SS處理產(chǎn)量最低。IC1處理下邊行籽粒產(chǎn)量顯著高于IC2和IC3處理，分別提高了69.75%和105.61%。各間作處理邊行籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率分別為17.86%，12.48%和11.36%。

表1 不同間作模式對(duì)籽粒產(chǎn)量和邊行籽粒產(chǎn)量的影響

2.2 不同間作模式下競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)特征分析

2.2.1 土地當(dāng)量比（LER）與相對(duì)擁擠系數(shù)（K） 不同間作模式下LER均高于單作處理，且處理間不存在顯著性差異，IC1處理下LER最高（表2）。不同間作模式下LER存在顯著性差異，隨著大豆種植面積的增加呈下降的趨勢(shì)；LER表現(xiàn)出與玉米相反的趨勢(shì)。這表明帶幅的變化會(huì)使帶寬作物產(chǎn)量增加，使帶窄作物產(chǎn)量下降。不同間作模式下K和K表現(xiàn)為相似的結(jié)果，IC1處理均顯著高于IC2和IC3處理，且IC1處理下K顯著低于IC3處理。IC1處理下K分別高于IC2和IC3處理27.65%和23.93%。相比作物單作處理（SM和SS），間作模式處理下土地當(dāng)量比（LER）及相對(duì)擁擠系數(shù)（K）均表現(xiàn)出較強(qiáng)的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，主要源于間作體系中各邊行優(yōu)勢(shì)效應(yīng)的疊加。

表2 不同間作模式對(duì)土壤當(dāng)量比及相對(duì)擁擠系數(shù)的影響

2.2.2 侵占力（A）與競(jìng)爭(zhēng)比率（CR） 不同間作模式下A和A、CR和CR結(jié)果相反，且存在顯著性差異（<0.05）（表3）。IC1處理下A顯著高于IC2和IC3處理，且IC3處理下大豆侵占力高于玉米。IC1和IC2處理下玉米表現(xiàn)為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)種，而IC3處理下CR高于CR。兩者均表明，間作玉米的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)隨著間作大豆種植帶幅的增加而減弱，說(shuō)明作物種植較高的帶幅更有利于作物對(duì)土壤水分、養(yǎng)分及光能的利用。

表3 不同間作模式對(duì)侵占力和競(jìng)爭(zhēng)比率的影響

2.2.3 實(shí)際產(chǎn)量損失（AYL）與體系生產(chǎn)力指數(shù)（SPI）不同間作模式下AYL均為正值，表明各間作模式均存在間作優(yōu)勢(shì)（表4）。AYL和AYL均為正值，表明相對(duì)單作，各間作模式下玉米和大豆產(chǎn)量均有所增加，且IC1處理下AYL分別顯著高于IC2和IC3處理63.16%和95.28%（<0.05），而處理間AYLS不存在顯著性差異。IC1處理下SPI最高，分別高于IC2和IC3處理3.31%和3.33%，表明間作模式中玉米和大豆作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量呈此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)，且IC1處理下間作系統(tǒng)生產(chǎn)力和穩(wěn)定性最高。

表4 不同間作模式對(duì)實(shí)際產(chǎn)量損失和系統(tǒng)生產(chǎn)力指數(shù)的影響

2.3 經(jīng)濟(jì)指數(shù)

不同間作模式下IA、IA和IA均為正值，表明玉米間作大豆具有明顯的間作優(yōu)勢(shì)（表5）。IC1處理下IA分別顯著高于IC2和IC3處理63.37%和95.57%（<0.05）。各處理下IA和IA結(jié)果相似，且均不存在顯著性差異。IC3處理下IA最高，分別高于IC1和IC2處理41.95%和10.97%。不同間作模式下MAI均為正值，且不存在顯著性差異。其中IC1處理下MAI最高，相比IC2和IC3處理分別增加了29.03%和29.87%。

表5 不同間作模式對(duì)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值和貨幣優(yōu)勢(shì)指數(shù)的影響

2.4 玉米相對(duì)大豆種間競(jìng)爭(zhēng)力與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

進(jìn)一步分析種間競(jìng)爭(zhēng)力與群體籽粒產(chǎn)量間相關(guān)關(guān)系（圖1）。研究表明，玉米相對(duì)大豆種間競(jìng)爭(zhēng)力與群體籽粒產(chǎn)量呈線性關(guān)系，回歸方程為=4 233.2+6 753。隨著玉米相對(duì)大豆種間競(jìng)爭(zhēng)力的提升，群體籽粒產(chǎn)量亦隨之增加。從貨幣優(yōu)勢(shì)指數(shù)分析，亦發(fā)現(xiàn)了相同的變化趨勢(shì)，其回歸方程為=1 277.8+2 029.3。

圖1 玉米相對(duì)大豆種間競(jìng)爭(zhēng)力與籽粒產(chǎn)量間的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論與討論

優(yōu)化作物帶狀復(fù)合種植體系的本質(zhì)是通過(guò)改變作物空間配置結(jié)構(gòu)，改變間作配對(duì)作物對(duì)生態(tài)環(huán)境中光熱資源、農(nóng)田養(yǎng)分、水資源利用及產(chǎn)量的形成。有研究表明，玉米、大豆間作帶型比為2∶3模式下群體籽粒產(chǎn)量最高，亦有研究認(rèn)為帶型比為2∶4能夠有效通過(guò)增加玉米產(chǎn)量從而提升群體產(chǎn)量，還有人認(rèn)為玉米、大豆間作模式群體收益最大化的帶型比為3∶4，均與本研究發(fā)現(xiàn)間作模式2∶2帶型比處理下群體籽粒產(chǎn)量及邊行籽粒產(chǎn)量值最高的結(jié)果存在較大差異，分析認(rèn)為，環(huán)境及地理分布情況是限制作物帶狀復(fù)合種植體系帶型選擇的主要因子。孝義市作為典型的黃土高塬旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，降水量稀少，土壤肥力貧瘠，而玉米相比大豆更為耐旱，適當(dāng)增加玉米種植帶型比能夠有效補(bǔ)償大豆產(chǎn)量的損失。

本研究考慮間作模式LER值為1.13~1.17，前人基于豌豆、小麥（黑麥和黑小麥）種植模式研究發(fā)現(xiàn)，LER值為1.08~1.19，均略低于本研究結(jié)果。分析認(rèn)為，間作模式能夠有效增加作物地上部氮素積累量，減緩“氮阻遏”效應(yīng)，同時(shí)玉米較小麥等其他禾本科作物能夠更為有效地提高間作大豆固定空氣氮的比例，顯著提高間作群體籽粒產(chǎn)量。玉米、大豆模式2∶2帶型處理K值則顯著高于其他處理（<0.05），且玉米和大豆資源競(jìng)爭(zhēng)能力表現(xiàn)為KM>KS，分析作物侵占力（A）及作物競(jìng)爭(zhēng)比率（CR），表現(xiàn)為與K相似的結(jié)果，說(shuō)明在玉米和大豆間作體系中，玉米為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)作物，適當(dāng)提升大豆的資源競(jìng)爭(zhēng)能力對(duì)提升群體產(chǎn)量至關(guān)重要。

間作優(yōu)勢(shì)（IA）、系統(tǒng)生產(chǎn)力指數(shù)（SPI）及貨幣優(yōu)勢(shì)種指數(shù)（MAI）能夠綜合分析間作模式所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益。本研究結(jié)果顯示，帶型比為2∶2的間作模式具有最大的SPI和MAI值，而帶型比為2∶4處理下IA值最大，這是因?yàn)橛衩住⒋蠖箖烧邌蝺r(jià)及產(chǎn)量差異較大。雖然玉米單價(jià)較低，但玉米的收獲產(chǎn)量高于大豆，能夠彌補(bǔ)由于玉米廉價(jià)而造成的收益差距。另一方面，隨著集約式和機(jī)械化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，玉米、大豆間作模式對(duì)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝和機(jī)械化結(jié)合方面提出了更高的要求，機(jī)械化作業(yè)亦成為限制間作模式帶型比選擇的主要因子。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中為了提高單位面積產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)適應(yīng)機(jī)械作業(yè)需求，可將帶型比為2∶2的玉米、大豆間作模式作為推廣種植模式，該結(jié)果亦被本研究中線性回歸模型所證實(shí)。需要指出的是，本研究結(jié)果及優(yōu)化方案僅適用于相似的生態(tài)型地區(qū)，其他生態(tài)類型地區(qū)的間作帶型方案需進(jìn)一步研究。