玉米大豆帶狀間作對資源利用效率及土壤養(yǎng)分含量的影響

崔愛花 胡啟星 王淑彬 劉帥 孫巨龍 白志剛 黃國勤

摘要：為了探究南方紅壤旱地玉米大豆帶狀間作適宜的帶寬與行比種植配置，以處理S玉米單作（行距70cm，等行種植）和處理T大豆單作（行距50cm，等行種植）為對照，設置5個不同的玉米大豆間作處理，分別是處理M：2.0m帶寬，2∶2行比；處理N：2.4m帶寬，2∶3行比；處理Q：2.8m帶寬，2∶3行比；處理P：2.4m帶寬，2∶4行比；處理R：2.8m帶寬，2∶4行比，每個處理種2帶，3次重復，研究玉米大豆帶狀間作在光、熱、水、養(yǎng)分的資源利用效率和土壤養(yǎng)分含量的變化情況。結果表明，玉米大豆帶狀間作的季節(jié)利用率及被利用輻射量、有效積溫和降水量比玉米、大豆單作的均值分別高30.6%、37.2%、41.0%和60.6%；玉米大豆間作組合光、水和熱量利用效率均高于大豆單作，增幅分別為100.0%～137.5%、159.5%～207.9%和157.8%～204.7%，差異達到顯著水平（P<0.05），氮素利用效率分別比玉米、大豆單作高6.2～10.4倍和84.0～133.3倍，磷素和鉀素的利用效率分別較大豆單作高44.5%～102.6%和102.4%～285.3%。玉米大豆帶狀間作的pH值增量最高值比玉米單作高128.6%，堿解氮增量較大豆單作高110.2%～440.5%，有機質和有效磷的增量均超過2個單作處理。玉米大豆帶狀間作較玉米、大豆單作可促進全氮和全鉀含量增加，全氮含量增幅分別為183.3%和750.0%，全鉀含量增量分別為4.35、2.05g/kg，而全磷增加量僅高于大豆單作，增幅為200.0%。R處理系統(tǒng)生產力指數(shù)和經濟效益最高，分別為11156.2、6315.27元/hm2。綜合分析認為，玉米大豆帶狀間作較單作在增加土壤養(yǎng)分含量、提高光熱水及養(yǎng)分資源利用效率以及經濟效益方面均有優(yōu)勢，其中玉米大豆間作（帶寬2.8m，行比2∶4）的間作優(yōu)勢較為明顯，是比較適于在紅壤旱地推廣的較好模式。

關鍵詞：玉米大豆間作；帶寬；行比；資源利用效率；土壤養(yǎng)分含量

中圖分類號：S344.2文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）10-0236-07

間作作為農田系統(tǒng)重要的類型之一，其在經濟及生態(tài)效益上都表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢［1］。豆科與禾本科間作歷史悠久［2］，主要是由于豆科作物的固氮作用，促進了禾本科作物對氮的吸收［1-3］，進而提高氮素利用效率［4］。玉米大豆帶狀間作模式種間優(yōu)勢主要體現(xiàn)在生物學特性、時空搭配以及資源利用等方面［5］。玉米大豆間作種植當前亟需解決的問題是如何通過調整作物布局，最大限度地利用光、溫、水、肥等資源，從而提高間作作物群體產值和效益［6-7］。羅萬宇等認為，增加帶寬、行比，鮮食玉米產量、穗粒數(shù)以及百粒質量會呈現(xiàn)降低的趨勢［8］。湯復躍等的研究結果表明，玉米不同株型和行比配置可使玉米大豆間作模式的群體總產量顯著高于單作，但間作模式內玉米、大豆產量均低于相應單作［9］。田詠梅等認為，合理的行距配置可以改善通風、透光條件進而提高作物的光能利用率［10］。寧碩瀛等發(fā)現(xiàn)，合理的株行距配置不僅可以促進作物干物質的累積和養(yǎng)分的吸收，同時還可以提高經濟效益［11-13］。針對我國南方地區(qū)特別是丘陵紅壤地區(qū)玉米大豆間作栽培研究已有諸多文獻報道［14-18］，但內容主要集中在間作作物的農藝性狀、干物質積累、產量和種間關系上，而對不同帶寬、行比配置下玉米大豆帶狀間作模式的資源利用效率及土壤養(yǎng)分含量變化方面的研究較少。本研究通過調整帶寬、行比，探究紅壤旱地玉米大豆帶狀間作系統(tǒng)的光、熱、水等資源分布特點、利用效率以及土壤養(yǎng)分含量的變化特點，以期為促進紅壤旱地農業(yè)的綠色、高效和可持續(xù)發(fā)展提供理論參考與技術支撐。

1材料與方法

1.1試驗地概況

在江西省紅壤研究所科研基地（116°20′E，28°15′N）開展試驗，試驗地為典型的低丘紅壤區(qū)，屬中亞熱帶季風氣候，年均氣溫17.7～18.5℃，最熱月（7月）的平均氣溫為28.0～29.8℃，最冷月（1月）的平均氣溫為4.6℃，年均降水量和年蒸發(fā)量分別為1537mm和1100～1200mm，試驗開始前土壤pH值為5.00，有機質含量為20.70g/kg，堿解氮含量為80.79mg/kg，有效磷含量為14.90mg/kg，速效鉀含量為114.00mg/kg，全氮含量為0.93g/kg，全磷含量為0.42g/kg，全鉀含量為27.60g/kg。

1.2試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計，共設7個處理，每個處理種植2帶（帶長均為5.0m），3次重復，共21個小區(qū)，窄行玉米、大豆行距均為40cm，玉米種植密度為60000株/hm2，大豆種植密度為150000株/hm2，單株定植。具體試驗設計詳見表1。

1.3田間管理

玉米和大豆所用品種分別為吉祥1號和旱豆1號，播種時間均為2017年4月1日，玉米收獲期為7月29日，大豆收獲期為7月12日。玉米和大豆施肥情況詳見表2，玉米全生育期共施純氮180kg/hm2，按基肥、穗肥各50%施入，其他田間管理措施與當?shù)匾恢隆?/p>

表2各作物施肥情況

作物鈣鎂磷肥氯化鉀尿素

配施量（kg/hm2）配施方法配施量（kg/hm2）配施方法配施量（kg/hm2）配施方法

玉米600全作基肥150全作基肥390基肥50%，穗肥50%

大豆600全作基肥60全作基肥150基肥50%，追肥50%

1.4測定項目與方法

1.4.1收集作物生長期內逐日的氣象數(shù)據(jù)

本試驗氣象數(shù)據(jù)均來自江西省氣象臺。

1.4.2記載玉米大豆生育時期和生育期

分別記錄玉米和大豆的生育時期與生育期，統(tǒng)計不同作物季光熱水資源量和周年光熱水資源量，分析不同處理與光熱水資源的匹配機制。

1.4.3土壤養(yǎng)分含量測定

在玉米、大豆播種前和收獲期，采集0～20cm耕層作物株間、行間多點土壤樣品，充分混勻。測定項目如下：pH值采用pH計測定法；有機質含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定［19］；分別采用半自動凱氏定氮蒸餾法［19］、酸溶-鉬銻抗比色法［19］和NaOH熔融-火焰光度法［19］測定全氮、全磷以及全鉀含量；堿解氮含量采用堿解蒸餾法測定；有效磷和速效鉀含量分別采用氟化銨-鹽酸浸提鉬銻抗比色法和NH4AC浸提火焰光度法測定。

1.4.4產量

玉米和大豆的產量均以實際收獲產量來計算。

1.4.5光、熱、水等指標的計算方法

（1）土地當量比、系統(tǒng)生產力指數(shù)

1.5數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用MicrosoftExcel2010，數(shù)據(jù)分析采用SPSS17.0系統(tǒng)軟件，樣本平均數(shù)差異比較采用最小顯著差數(shù)法（LSD）。

2結果與分析

2.1玉米大豆間作的產量及經濟效益

由表3可知，間作處理的玉米產量均顯著低于單作（P<0.05），降幅為22.1%～39.2%，間作處理中處理M玉米產量最高，比其余處理高10.5%～28.1%，差異顯著（P<0.05）；處理T（單作）大豆產量顯著高于各間作處理大豆產量（P<0.05），增幅為30.5%～118.4%；根據(jù)玉米和大豆的價格比例，將大豆產量折成玉米產量，然后再加上間作中玉米產量可得出間作總產量，除處理Q外，其余各間作處理的折產均高于玉米單作和大豆單作，增幅分別為7.7%～15.3%和262.5%～287.8%。

各間作處理的土地當量比均達到了1.0以上，其中處理P和R的LER較高，高于1.4。間作系統(tǒng)生產力指數(shù)排名為處理R＞處理P＞處理N＞處理Q＞處理M。各處理經濟效益排名為處理R>處理S（玉米單作）>處理P>處理N>處理Q>處理M>處理T（大豆單作），處理R的經濟效益比玉米單作高15.2%，比大豆單作高226.1%，其余間作處理均未超過玉米單作，但均超過大豆單作，增幅為110.8%～162.0%。綜合看來，處理R即玉米大豆間作（帶寬2.8m，行比2∶4）優(yōu)勢最明顯。

2.2玉米大豆間作的周年光熱水資源匹配和利用效率

2.2.1玉米大豆間作的光熱水資源匹配

由表4可以看出，間作種植的資源匹配量明顯高于單作種植，和玉米單作相比，間作可以有效提高季節(jié)利用率28.2%、被利用輻射量32.4%、被利用有效積溫36.7%、被利用降水量60.6%，與大豆單作相比，間作可以有效提高季節(jié)利用率32.9%、被利用輻射量41.9%、被利用有效積溫45.2%、被利用降水量60.6%；無論間作或單作玉米的資源利用率除降水量外均高于大豆，玉米在季節(jié)利用率、被利用輻射量、被利用有效積溫等方面，分別比大豆高4.7%、9.5%、8.5%，玉米大豆帶狀間作的季節(jié)利用率、被利用輻射量、被利用有效積溫和被利用降水量比玉米、大豆單作均值分別高30.6%、37.2%、41.0%和60.6%。從以上分析可知，玉米大豆間作種植均可以提高季節(jié)、光、熱和水資源利用率。

2.2.2玉米大豆間作的光能、熱量和水利用效率

由表5可知，無論間作或單作玉米的光能、水分和熱量利用效率均高于大豆。間作處理中玉米、大豆的光能、水分和熱量利用效率均低于相應單作，差異均顯著（P<0.05）。玉米大豆間作組合光能利用效率、水分和熱量利用效率均低于處理S（玉米單作），降幅分別為8.1%～22.6%、8.5%～22.9%和8.5%～22.5%，差異均顯著（P<0.05），但均高于處理T（大豆單作），增幅分別為100.0%～137.5%、159.5%～207.9%和157.8%～204.7%，差異顯著（P<0.05）；處理M、N、P、R差異不顯著，但均顯著高于Q處理。

2.2.3玉米大豆間作的養(yǎng)分利用效率

由表6可知，間作各處理中玉米的氮素利用效率除處理Q顯著低于玉米單作外（P<0.05），其余處理均與單作差異不顯著；間作處理P中大豆的氮素利用率最高，比單作處理T作高42.6%，差異顯著，處理R與大豆單作差異不顯著，M、N、Q處理均顯著低于大豆單作（P<0.05），降幅為23.2%～37.5%。玉米大豆間作組合的氮素利用效率均高于玉米單作和大豆單作，分別比玉米、大豆單作高6.2～10.4倍和84.0～133.3倍，差異達到顯著水平（P<0.05），處理N、Q和R之間差異不顯著，三者均顯著高于處理M和P，處理P顯著低于處理M。

間作各處理中玉米的磷素利用效率除處理Q和R顯著低于玉米單作外（P<0.05），其余處理均與其差異不顯著；間作處理P、N、Q中大豆的磷素利用率高于處理T（大豆單作），增幅分別為242.6%、80.1%和52.6%，差異顯著（P<0.05）。玉米大豆間作組合磷素利用效率以處理M、N、P均與玉米單作差異不顯著，處理Q和R小于玉米單作；處理M、N、P比處理T高44.5%～102.6%，差異顯著（P<0.05），處理Q和R均與處理T之間差異不顯著。

間作各處理中玉米的鉀素利用效率以處理N、P分別與單作差異不顯著，其余處理均顯著低于單作；間作處理中大豆的鉀素利用率以處理P最高，處理N次之，分別比處理T（單作）高202.6%和100.5%，差異顯著（P<0.05），其余間作處理與大豆單作之間差異不顯著。玉米大豆間作組合的鉀素利用效率以處理P最高，與處理S差異不顯著；各間作組合均顯著高于處理T，增幅為102.4%～285.3%。

由以上分析可知，玉米大豆間作較單作可提高玉米的氮素利用效率，可提高大豆的氮素、磷素和鉀素利用效率；玉米大豆間作組合較玉米單作在增加氮素利用效率方面，較大豆單作在增加氮素、磷素和鉀素利用效率方面具有明顯優(yōu)勢。

2.2.4玉米大豆間作的土壤養(yǎng)分含量變化特點

2.2.4.1pH值和有機質

由表7可知，種植前，除了N處理的土壤pH值顯著低于處理T即大豆單作外，其余處理均與玉米單作和大豆單作差異不顯著。收獲后，除了R處理的土壤pH值與玉米單作差異不顯著以外，其余間作處理均低于玉米單作，降幅為2.7%～6.0%，差異顯著（P<0.05）；除了處理R和M的土壤pH值與大豆單作無顯著差異外，處理N、P、Q均低于大豆單作，降幅為2.8%～4.5%，差異顯著（P<0.05）。從pH值增加量來看，僅S和N處理增量為正值，且處理N比S高128.6%，處理N在改善土壤酸度方面優(yōu)于玉米和大豆單作。

由表7還可知，種植前間作處理M和N的土壤有機質含量分別比玉米單作高12.9%和11.0%，差異顯著（P<0.05），其余處理與玉米單作處理差異不顯著。收獲后，間作處理與玉米、大豆單作處理的土壤有機質含量差異均不顯著。從種植前和收獲后的增加量來看，除處理M無增加外，其余處理均有不同程度的增加，增加量表現(xiàn)為處理Q>處理R>處理P>處理S>處理T>處理N。間作P、Q、R處理較單作可促進土壤有機質含量的增加。

2.2.4.2速效養(yǎng)分含量

從表8可知，種植前各處理土壤中的堿解氮含量差異不顯著，收獲后，間作各處理與大豆單作差異均不顯著，除了R處理與玉米單作無顯著差異外，其余處理均高于玉米單作，增幅為14.3%～19.1%，差異顯著（P<0.05）；種植前與收獲后相比，除了玉米單作（處理S）土壤堿解氮減少了10.67mg/kg外，其余各處理均有不同程度的增加，處理N、P、R增加量高于大豆單作（處理T），分別高440.5%、110.2%和180.2%。

各處理種植前的土壤速效鉀含量差異不顯著，收獲后，除了處理M顯著低于2個單作外，其余各處理與單作無顯著差異。收獲后較種植前，間作與單作處理的土壤速效鉀含量均減少，處理M、P、Q、R減少量均高于玉米和大豆單作。說明間作處理較單作需要消耗較多的速效鉀，以供作物的生長發(fā)育。

種植前處理N和Q的有效磷含量顯著低于其他各處理，收獲后，各處理之間差異均不顯著。除了N和2個單作處理的土壤有效磷含量減少外，其余各處理均有不同程度的增加，增加量表現(xiàn)為處理Q>處理M>處理P>處理R，各間作處理對土壤中有效磷的增加量優(yōu)于玉米單作。

2.2.4.3全量養(yǎng)分含量

由表9可知，種植前土壤全氮含量以處理M最高，顯著高于其他各處理；收獲后，間作各處理均與玉米單作差異不顯著，而處理N和處理Q顯著高于大豆單作，處理M、P、R與大豆單作差異不顯著，從全氮增加量來看，處理N和處理Q的間作優(yōu)勢更為明顯，兩者平均值分別較S、T處理高183.3%和750.0%。種植前土壤全磷含量僅處理P顯著低于2個單作處理，其余間作處理均與單作差異不顯著，收獲后各處理之間差異均不顯著，從土壤全磷增加量來看，處理P和處理Q較單作具有明顯優(yōu)勢，兩者平均值較大豆單作處理高200.0%。種植前全鉀含量除了處理R，其余間作處理均與玉米、大豆單作之間無顯著差異，收獲后各處理之間差異均不顯著，處理R和N的全鉀增加量均值分別較S和T高4.35、2.05g/kg。

綜合以上分析認為，間作處理較單作在增加土壤pH值及有機質含量、堿解氮、有效磷、全氮、全磷、全鉀等養(yǎng)分含量方面具有一定優(yōu)勢。

3討論

大量研究表明，間作模式比單作模式的產量優(yōu)勢明顯［21-26］。張曉娜等認為，玉米間作大豆模式較玉米、大豆單作分別減產10.4%和8.4%，但間作群體產量優(yōu)勢較為明顯，且LER>1［27］。高陽等在研究中指出，玉米間作大豆模式的群體總產量較高，比大豆、玉米單作產量分別高320.0%和6.0%［28］。本研究也有類似結論，玉米、大豆單作產量均高于玉米大豆帶狀間作處理中玉米、大豆的產量，但玉米大豆帶狀間作模式的總產量均高于單作，較玉米單作高7.7%～15.3%，較大豆單作高262.5%～287.8%，且土地當量比在1.2～1.5之間，間作優(yōu)勢明顯。經濟效益的好壞是評價一個模式優(yōu)劣的重要指標之一，株行距改變，影響了作物種子、用工量、產量等，造成經濟效益有所不同，經計算可知，處理R的經濟效益最高，其余間作處理均低于玉米單作但高于大豆單作模式。由于玉米、大豆籽粒產量減產，光、熱和水資源利用效率均低于相應單作，但間作系統(tǒng)的利用效率均高于大豆單作，但低于玉米單作。

間作體系中，玉米和大豆間存在促進和競爭的關系，間作是否具有優(yōu)勢是由這2種作用共同決定的，當促進作用＞競爭作用時為間作優(yōu)勢，反之為間作劣勢。研究表明，玉米大豆間作體系可促進玉米對氮的積累和吸收［29］，主要是因為大豆的固氮作用增加了土壤含氮量［30-31］。李少明等的研究表明，玉米大豆間作較玉米單作可提高氮素吸收量57.53%，而大豆則比單作低1.21%［31］。劉均霞等研究認為，玉米大豆間作可增加玉米的吸磷量，降低大豆的吸磷量［32-33］。本研究認為，各間作處理對土壤中堿解氮、有效磷的增加量優(yōu)于玉米單作，而對速效鉀的吸收量高于玉米單作，主要是因為間作玉米大豆減產，造成生物量低，影響了氮磷鉀的積累。

4結論

玉米大豆帶狀間作較單作在增加土壤pH值、有機質、堿解氮、有效磷及全量養(yǎng)分含量方面具有優(yōu)勢，可提高季節(jié)利用率和光熱水及養(yǎng)分資源利用率。玉米大豆間作較單作可提高單位面積土地生產力、土地當量比和經濟效益，綜合分析認為，玉米大豆帶狀間作（帶寬2.8m，行比2∶4）優(yōu)勢較明顯，是比較適于在紅壤旱地推廣的較好模式。

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