大豆-玉米間作種植模式效應分析

吳 欣，李相濤，張冬菊,李筱雨,康宇靜,李曉瑞

(開封市農(nóng)林科學研究院，河南 開封 475004)

間作是指將生長期相同或相近的不同種類的作物，按一定的帶行比種在同一塊田地里的種植方式。我國作物間作種植模式歷史悠久，早在西漢時期就有瓜豆間作的記載。前人對間作做了大量的研究，認為在多種間作體系中都存在間作優(yōu)勢。合理的間作相對于單作可以提高光、熱、水、肥等自然資源和農(nóng)業(yè)資源的利用率，并在增加產(chǎn)量，提升品質，減輕病蟲害，雜草抑制，改善種植環(huán)境及土壤狀況等方面優(yōu)勢顯著[1～10]。玉米和大豆是我國的主要糧食和經(jīng)濟作物，我國常年種植玉米逾4 200萬hm2，大豆800萬hm2左右。黃淮地區(qū)作物一年兩熟，夏作物生育期短，充分利用夏季的光、熱資源以提高單位面積收益，間作是較好的種植模式之一。大豆-玉米間作，在空間上結構互補，增加受光面積，增強光合作用，獲得較多的邊際效應，提高群體通風透光效果，促進田間氧氣和二氧化碳的交流。大豆根瘤菌根圈固氮為玉米提供氮素，通過根際互作提高根系對土壤中營養(yǎng)元素的分解和吸收，同時可以阻斷病蟲害的發(fā)生與傳播，提升籽粒品質，達到增產(chǎn)、增效、控病的效果[11～13]。朱道坤[14]研究認為，大豆和玉米組成的生態(tài)群落一高一低錯落分布，增強了環(huán)境適應性，并在養(yǎng)分需求上具有較好的互補狀態(tài)，從而達到生產(chǎn)上減少投入增加產(chǎn)出的效果。大豆-玉米間作群體中，由于玉米植株高大，種植帶邊行優(yōu)勢明顯增加，能夠接收更多的陽光，所以干物質累積量及轉化率明顯高于單作，而大豆因種植模式不同而有所變化[15]。而李隆研究認為，大豆-玉米間作，不管是地上群體的外部表現(xiàn)和內(nèi)部冠層結構，還是土壤中的根系分布，均增加了農(nóng)田作物的多樣性，而兩種作物根系分泌物不同又提升了土壤生物多樣性[16]，從而豐富了田間生態(tài)多樣性。

蓋鈞鎰院士提出，大豆-玉米間作種植具有產(chǎn)出率高、可持續(xù)性好、抗災能力強、風險性降低等技術優(yōu)勢，在黃淮等適宜區(qū)域推廣應用，即能促進農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效，又對優(yōu)化國家產(chǎn)業(yè)結構、促進農(nóng)業(yè)供給側結構改革具有較好的推動作用。

1 地上效應分析

1.1 群體空間結構

玉米植株高大，當前生產(chǎn)上種植的玉米品種株高250～300 cm，葉片18～22片，株型多為半緊湊，向斜上方伸展。大豆為中矮稈作物，株高一般30～90 cm，葉多，平展。玉米-大豆間作種植，可以形成良好的空間互補結構，對玉米優(yōu)勢更為明顯，不僅可以增加邊際效應，并且高矮間作種植模式利于田間通風透光，提高玉米的異花授粉效果，減少病蟲害的發(fā)生，達到穗大、結實性好，籽粒飽滿的效果，增產(chǎn)效果顯著。且通風透光良好，利于田間二氧化碳和氧氣的交換，可以提高作物光合效率，減輕高溫熱害等異常天氣對作物造成的傷害。

劉晶[17]認為，兩種作物株高不同，高低相間種植，使間作群體的邊行優(yōu)勢明顯增加，邊際效應突出，從而表現(xiàn)出更好的產(chǎn)量效益。玉米、大豆一高一矮間作形成層次不同、厚薄各異的片層結構，提高了葉面積系數(shù)，充分發(fā)揮了增產(chǎn)的“密植效應”。

1.2 光熱利用效應

植物體內(nèi)的干物質主要由光合作用產(chǎn)生的能量轉化而來，玉米屬短日照C4作物，喜強光直射，與中矮稈作物大豆間作種植，可以使植株充分接收陽光，增加光合面積，提高光合效率。而大豆可以截取玉米帶間的光能，并可以利用玉米植株下方的散射光以及地表的太陽光能進行光合作用，因此，間作復合群體擴大了地面覆蓋率，截取更多的陽光，增加了光能的吸收率和利用率，使單位土地面積上的光合效率提高，從而獲得較高的單位面積產(chǎn)出比。

1.3 間作群體抗逆性表現(xiàn)

玉米為單子葉植物，大豆為雙子葉植物，銹病、大小斑病和彎孢菌葉斑病是玉米葉部的主要病害，這幾種病害的病原菌對大豆不侵染。而大豆灰斑病和細菌性斑點病等病害的病原菌對玉米不致病，兩者間作，可有效減輕或阻斷這些病原菌的傳播。同時，與大豆間作，玉米螟等蟲害顯著減輕，而玉米植株對大豆葉片的遮蓋避免了豆天蛾、大豆食心蟲及蠐螬對大豆的危害，而且玉米對大豆菟絲子具有較好的抑制作用[18]。因此，大豆-玉米間作不僅增產(chǎn)效果顯著，而且可提高籽粒品質。

陳鋒等研究認為，大豆與玉米間作與大豆單作相比，種子萌發(fā)速率增加，且萌發(fā)期間對高溫、鹽害、干旱等自然災害脅迫具有較強的抗逆性，抗ABA脅迫能力更強[19]。

大豆-玉米間作，提高兩作物葉片和莖中微量元素的累積，Ca、Mg、P、K等元素在莖葉和植株中的含量較單作明顯提高[20]。這不僅有助于提高作物產(chǎn)量，也可以增強作物的抗倒性、抗病性等。

2 地下效應分析

2.1 根系結構及互作效應

玉米為須根系，根系主要分布在淺層土壤中，根量較大且根毛多，大豆的直根系分枝少，并延伸于土壤的較深層中，兩作物間作種植不存在養(yǎng)分競爭關系，還可以提高土壤中養(yǎng)分利用率。唐勁馳等[21]研究認為，利用淺根型大豆品種與玉米進行間作，在間作生態(tài)和植物群落生態(tài)中養(yǎng)分資源高效利用方面具有重要意義。這是因為淺根型大豆根系與土壤中的玉米須根系交叉分布，共生面積大，互作效應明顯。根系互作可提高玉米和大豆根區(qū)的微生物數(shù)量和種類，增加生物多樣性，提高根區(qū)的養(yǎng)分分解率，促進更多的養(yǎng)分被作物吸收利用，進一步增強作物地上部光合作用，提高養(yǎng)分吸收利用效率。劉均霞等[22]進行田間栽培試驗研究結果，與單作相比，玉米的氮素吸收量提高了37.6%，根際脲酶活性提高了33.5%，根際細菌數(shù)量及地上部干物質量分別增加了55.8%和27.9%。大豆表現(xiàn)為兩種相反的現(xiàn)象，大豆根際脲酶活性和根際細菌數(shù)量分別比單作大豆顯著增加41.3%、43.1%，而氮素吸收量和地上部干物質量則比單作大豆降低了11.9%和11.2%。印證了張雷昌等研究結論，大豆-玉米間作中地下根系互作，使玉米經(jīng)濟產(chǎn)量和不同器官氮素累積量增加明顯，對大豆則表現(xiàn)為優(yōu)勢不強[23]。這是因為大豆根系為直根系，根量少，對玉米根區(qū)影響不大，而玉米根系對大豆表現(xiàn)為較強的競爭作用[24]。

2.2 營養(yǎng)吸收效應

根瘤菌能夠在非豆科植物(如玉米、萵苣、花生等)的根圈定殖及固氮，具有植物根圈促生(PGPR)作用[25]，根系互作中豆科作物向禾本科作物氮素轉移才是提高禾本科作物產(chǎn)量的主要因素，也是提升禾本科作物籽粒品質(如增加蛋白質含量)的一條重要途徑[26～27]，充分說明了氮素的轉移對提高非豆科作物特別是糧食作物產(chǎn)量有重要作用。大豆具有根瘤固氮功能，除本身所需氮素外，還可為玉米生長提供一定的氮素，從而減少氮肥的施入量。玉米根系對氮素大量吸收，減少了大豆根圍氮素的累積，緩解氮素對大豆結瘤固氮的抑制作用，促進大豆根瘤菌固氮，提高根瘤菌固氮能力。玉米根系分泌物可使大豆根系固氮酶的活性提高，促進大豆根瘤菌的生長，增加根瘤菌數(shù)量和固氮量，提高大豆-玉米間作根系群體的氮素水平，為玉米生長發(fā)育提供更多的氮素[16，22～23，28～30]。

大豆根瘤固氮對玉米需氮有較好的補償作用，可減少氮肥的施入量，即節(jié)約生產(chǎn)成本，又降低了因大量施氮造成的環(huán)境污染。田藝心等[31]試驗研究結果，大豆-玉米間作田，氮肥減量50%施入，產(chǎn)量和經(jīng)濟效益不受明顯影響，減氮施肥不僅充分發(fā)揮出禾本科-豆科間作模式中時空、水肥利用的高效互補，而且實現(xiàn)了氮肥的減量增效，較好地保護了生態(tài)環(huán)境，促進了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

大豆-玉米間作田植株含磷量增加，這是根系互作促進兩作物對土壤中磷吸收利用的結果。根系互作可刺激根系分泌更多的有機酸，提高了土壤的酸度，進而溶解更多的難溶性磷轉化為速效磷以供作物吸收利用[10，18，32～34]，從而減少肥料磷施入量，增強自身調(diào)節(jié)能力，也提高了產(chǎn)出和投入比。

3 結論與討論

黃淮地區(qū)夏季光熱資源充足，作物生育期短，大豆-玉米間作種植，既能充分利用光熱等自然資源，擴大光合面積，又可以通過根系互作促進對營養(yǎng)物質的吸收利用，并且在病蟲草害阻斷、抑制方面也有良好的效果，對提高單位面積作物產(chǎn)量、提升籽粒品質效果顯著。并且大豆-玉米間作種植，可以減少氮肥和磷肥的施入量，避免過量施肥導致的土壤板結等環(huán)境污染問題。因此，大豆-玉米間作種植，在提高單位面積作物產(chǎn)量、提升作物籽粒品質和保護生態(tài)環(huán)境等方面，均是較佳的間作種植首選模式。

4 合理間作模式

大豆-玉米間作，以行數(shù)比、種植間距和種植密度對種植收益影響最大，玉米植株高大，特別是大喇叭口期以后，葉片伸長于大豆植株上方，和大豆間距越近就對大豆植株的遮光越嚴重，對大豆產(chǎn)量影響越大。因此，大豆-玉米帶狀間作在保證充分發(fā)揮玉米產(chǎn)量潛力的同時，盡可能增加大豆種植帶的寬度，以減輕高位作物玉米對低位作物大豆的蔭蔽脅迫，使復合群體即能充分利用光熱資源，又能達到最佳的產(chǎn)量效果[7]。據(jù)前人大量試驗研究結果，大豆-玉米間作種植以3∶2或4∶2條帶種植收益最高[6，17，35]，效果最佳。劉晶等[17]研究證明，兩作物間作葉面積系數(shù)保持在3.0以上時，有利于空氣的流通和二氧化碳的交流，表現(xiàn)為兩作物的混合總產(chǎn)量顯著增加。