間套作模式在棉田上的研究進展

許豆豆，賀云新，李 飛，劉愛玉，周仲華

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省棉花科學(xué)研究所，湖南 常德 415101）

隨著我國農(nóng)業(yè)種植制度改革、優(yōu)良品種選育和生產(chǎn)技術(shù)的提高以及氣候變化等特點，近年來我國棉花生產(chǎn)逐漸向西北內(nèi)陸棉區(qū)集中[1]，且該棉區(qū)棉花在產(chǎn)量水平方面占絕對優(yōu)勢[2]。而在長江流域和黃河流域棉區(qū)，農(nóng)村勞動力流動較大、機械化程度低、植棉比較效益低等[3-4]現(xiàn)實問題依舊存在。長此以往，西北內(nèi)陸棉區(qū)所獲得的收益不能彌補長江流域和黃河流域棉區(qū)種植面積大幅度下降所帶來的經(jīng)濟效益的降低[5]。為充分調(diào)動棉農(nóng)的生產(chǎn)積極性，保障三大棉區(qū)均衡發(fā)展，必須改進植棉技術(shù)[6]，促進農(nóng)機技術(shù)與之融合[7]，協(xié)同促進棉田經(jīng)濟效益提高。

在棉花生產(chǎn)實踐中，除優(yōu)化栽培管理方式[8-11]，“棉花+”的間套作種植模式也是改進植棉技術(shù)的重要舉措[12]。西北內(nèi)陸棉區(qū)為緩解果農(nóng)爭地矛盾，在棉田中間作棗樹[13]、核桃[14]和杏樹[15]等；此外，還通過在棉田中種植綠豆[16]、孜然[17]等來提高作物的生產(chǎn)潛力和緩解連作危害。黃河流域棉區(qū)以山東為例，積極探索棉花與花生不同株行配置的間作模式，已經(jīng)篩選出能夠在增加棉花產(chǎn)量的同時保證花生產(chǎn)量的最佳行比[18-20]。而長江流域棉區(qū)推廣最多的是高收益的棉花與蔬菜間作模式[21]。所以，在棉田中發(fā)展合適的間套作種植模式對降低農(nóng)田投入、獲得更高的經(jīng)濟效益以及維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)性具有重大意義。為此，概括了棉田中主要的間套作模式，并總結(jié)了各種間套作模式的增產(chǎn)優(yōu)勢，闡述了間套作模式對棉花生長發(fā)育、光合特性、養(yǎng)分吸收利用、根系形態(tài)特征、產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤理化性質(zhì)的影響。同時，指出了目前間套作種植模式在棉田中存在的問題并進行了展望，以期為在棉田中科學(xué)合理安排間套作種植模式提供參考。

1 棉田中應(yīng)用的主要間套作模式

在棉花生產(chǎn)實踐中，為改善單作引起的棉田生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一，間套作種植模式的不同作物品種配置日益增加。不同間套作種植模式具有改變棉田小氣候，促進作物生長發(fā)育[22]，增加地面覆蓋面積[16]，集約化利用光照、溫度和養(yǎng)分等資源[20]，有效抑制病蟲草害發(fā)生和傳播[23]，改善土壤理化性質(zhì)，實現(xiàn)用養(yǎng)結(jié)合[24]，有效應(yīng)對市場價格等非人為因素所帶來的變化等優(yōu)點，不僅維持了棉花產(chǎn)業(yè)長久發(fā)展的穩(wěn)定性，還擴大了林果業(yè)、蔬菜等種植面積。棉田中應(yīng)用的間套作模式主要有以下3 種類型：棉油糧型、棉果型、棉菜型等（表1）。除此之外，還有蒜+棉+甜瓜[25]、辣椒+洋蔥+棉花[26]等復(fù)合種植模式。

表1 棉田中不同間套作種植模式的主要類型Tab.1 Main types of different intercropping cropping patterns in cotton fields

2 間套作模式下棉花的研究現(xiàn)狀

2.1 間套作模式對棉花生長發(fā)育的影響

間套作模式中棉花與作物搭配是否合理直接影響到棉花早熟性、農(nóng)藝性狀以及營養(yǎng)生長與生殖生長的關(guān)系等。喻樹迅等[56]認為，棉花早熟有利于集中吐絮，晚播早收，創(chuàng)造良好的茬口條件。在關(guān)于棉花與花生不同株行配比的研究中，李海濤等[57]發(fā)現(xiàn)，矮稈作物花生為棉花中下部提供了良好的通風透光條件，促使棉花提前開花吐絮，全生育期縮短了5～7 d。而劉衛(wèi)星等[58]、夏嬋娟等[59]提到玉米、向日葵、棗樹等高稈作物對棉花遮陰作用明顯，延遲了棉花生殖生長階段，使得棉花果枝數(shù)減少，產(chǎn)量降低。

棉花農(nóng)藝性狀的變化能夠直接反映其生長發(fā)育情況。棉花與高稈作物間作，種間競爭激烈，生長發(fā)育受到限制，具體表現(xiàn)為果節(jié)數(shù)和葉片數(shù)有所減少[60]；與矮稈作物間作后，在促進主莖生長方面存在一定優(yōu)勢[61]，果枝數(shù)和果枝長度也有所增加。然而，也有學(xué)者持相反觀點，黃齊等[62]認為，棉花與玉米間作有利于增加棉花株高；LIANG 等[16]在棉田裸露地帶間作種植綠豆，結(jié)果顯示，間作棉花株高與單作沒有顯著差異，同時莖粗也沒有受到影響。

上述研究證實合理間套作模式能夠促進棉花早熟和改善株高等農(nóng)藝性狀，還有些研究者發(fā)現(xiàn)，一些模式通過提高棉花生育后期干物質(zhì)積累增長速度來增加產(chǎn)量[63]。黨小燕等[64]研究表明，棉花與洋蔥、蘿卜間作后，棉花在間作系統(tǒng)內(nèi)處于優(yōu)勢地位，具體表現(xiàn)在開花結(jié)鈴期以后，與洋蔥、蘿卜間作的棉花干物質(zhì)質(zhì)量顯著高于單作。李鑫等[49]對棉花與小麥、大蒜和花生間作3種模式進行研究也發(fā)現(xiàn)，在花鈴期后，間套作系統(tǒng)中棉花干物質(zhì)質(zhì)量和生殖器官干物質(zhì)質(zhì)量均高于單作棉花。

在選擇棉田間作作物時要充分考慮棉花無限生長、營養(yǎng)生長和生殖生長并進時間較長等特點，既要保證棉花能夠充分發(fā)揮早熟性優(yōu)勢，又要避免棉田小氣候改變所帶來的負面影響，從而為構(gòu)建高產(chǎn)棉花群體打下堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 間套作模式對棉花光合特性的影響

葉片通過光合作用形成的同化物大部分用于干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的形成。迄今為止，許多學(xué)者就不同間作模式對棉花光合生理特性的影響進行了大量研究，與單作棉花相比，間套作系統(tǒng)內(nèi)棉花受不同間作作物株型、種間促進等影響，葉片的光能利用率顯著提高[62，65]，葉面積指數(shù)[66]和葉綠素含量[67]有增加的趨勢，這為棉花產(chǎn)量提高和品質(zhì)改善奠定了基礎(chǔ)。CHI 等[19]研究棉花、花生傳統(tǒng)間作和交替間作發(fā)現(xiàn)，間作棉花在整個生育期中葉片光合作用強于單作，且棉花、花生交替間作比傳統(tǒng)間作更能促進邊界行棉花的光合作用，在棉花產(chǎn)量和經(jīng)濟回報方面也有一定優(yōu)勢。棗棉間作時，需要充分考慮棉花與棗樹間距，楊濤等[42]通過設(shè)置棉花與棗樹間作試驗發(fā)現(xiàn)，隨著棗樹的生長發(fā)育，其對棉花的遮陰作用逐漸顯露，使得棉花光合特性的差異也在花鈴期達到最大，具體表現(xiàn)為抑制葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導(dǎo)度（Gs），這也進一步導(dǎo)致了棉花產(chǎn)量顯著低于單作，但在土地利用和經(jīng)濟產(chǎn)值方面具有顯著優(yōu)勢。而王沛娟等[68]和艾鵬睿等[69]在進一步探索棉花與棗樹的合適配置時發(fā)現(xiàn)，棗棉間作模式能促進棉花葉片Pn的提高。此外，在棉花與洋蔥、孜然間作的試驗中，有研究者發(fā)現(xiàn)，間作棉花葉片Pn除苗期外均高于單作棉花，并在開花期差異最顯著[17]。光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化效率是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵[70]。不同作物品種、種類合理搭配構(gòu)成一個間套作系統(tǒng)，有利于改善群體冠層的光環(huán)境條件，提高作物的光合特性，從而達到增加土地產(chǎn)出率和實現(xiàn)高效益的目的。

2.3 間套作模式對棉花養(yǎng)分吸收利用的影響

SINGH等[71]通過研究優(yōu)化施肥技術(shù)對棉花‖花生系統(tǒng)養(yǎng)分資源利用方面的影響，證實了間作優(yōu)勢是養(yǎng)分的高效利用。同時，還發(fā)現(xiàn)間作棉花對氮吸收利用率相較于磷和鉀更高，使得磷和鉀成為間作的限制因素。而CHI等[19]在棉花‖花生傳統(tǒng)模式基礎(chǔ)上，增加了一個棉花‖花生在不同年份間交替種植處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，交替間作棉花對氮、磷或鉀的吸收高于傳統(tǒng)間作，緩解了連續(xù)種植的限制，提高了土地產(chǎn)出率。黨小燕等[64]在研究不同間作模式對棉花養(yǎng)分吸收及利用的影響時發(fā)現(xiàn)，在整個生育期內(nèi)，與洋蔥、蘿卜、花生間作的棉花氮、磷、鉀吸收積累量逐漸高于單作棉花，其土地當量比均大于1，具有明顯間作優(yōu)勢。綜合上述研究表明，在不額外施用肥料的情況下，合理的間套作種植模式通過種間相互作用增強對肥料的吸收率、有效利用率，減少養(yǎng)分資源浪費，從而提高棉田的生產(chǎn)回報率。

2.4 間套作模式對棉花根系形態(tài)特征的影響

在間套作系統(tǒng)內(nèi)，根系是棉花和間作作物發(fā)生種間競爭的核心部位。許多學(xué)者為揭示棉田間作系統(tǒng)中種間關(guān)系的本質(zhì)，對不同間套作模式下棉花根系形態(tài)進行了研究。王婷等[72]、孫雪等[73]在棗棉間作模式下，通過分層取樣，對棉花根系質(zhì)量密度和空間分布進行研究，結(jié)果表明，棉花的根系質(zhì)量密度主要集中在0～40 cm 土層，根系越深棉花高產(chǎn)潛力越大。而在棉花與核桃間作模式中，ZAMORA等[66]試驗數(shù)據(jù)顯示，無論是用塑料膜作為根系屏障處理還是沒有根系屏障處理，間作模式下棉花的特定根長、根冠比、細根總長度均顯著低于單作；同時還發(fā)現(xiàn)，在無根系屏障條件下，核桃與棉花存在強烈的競爭關(guān)系，抑制了棉花根系生長發(fā)育，顯著降低棉花的根系生物量和根長密度。除了棉果型間作模式，馬怡茹等[17]、吳國麗等[52]研究發(fā)現(xiàn)，與單作相比，棉菜型間作模式能夠減少化感物質(zhì)積累，優(yōu)化棉花根部條件，增加根長、根質(zhì)量和比表面積等，提高根系活力和抗氧化酶活性，降低丙二醛（MDA）含量，促進地上部生長發(fā)育，從而達到緩解連作危害的目的。間套作系統(tǒng)中發(fā)達的群體根系結(jié)構(gòu)不僅充分利用地下部空間，保障了棉花與間作作物對水分和養(yǎng)分的吸收，而且可以通過根系相互作用，改善地下部生長條件，從而促進棉花地上部的生長發(fā)育，增加產(chǎn)量。

2.5 間套作模式對棉花產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的影響

產(chǎn)量及纖維品質(zhì)是獲得植棉收益的重要指標。間套作作物與棉花生育期不同，結(jié)鈴率和單鈴質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成因素對所形成的棉鈴生長發(fā)育條件的響應(yīng)不同；同時受間套作作物根系分泌物以及種間關(guān)系的影響，棉花對利于纖維發(fā)育的養(yǎng)分吸收和利用也存在一定影響。相關(guān)研究表明，不同間作模式對棉花產(chǎn)量的影響報道結(jié)果不一。其中，對棉花產(chǎn)量構(gòu)成因素影響最大的是單株鈴數(shù)[74]和單鈴質(zhì)量[75]。LIANG 等[16]、CHI 等[19]、崔愛花等[32]共同發(fā)現(xiàn)，棉花間作比單作增產(chǎn)的主要原因是鈴數(shù)增加。與之相反，楊濤等[42]、郭仁松等[76]對棗棉間作的研究表明，間作棉花收獲株數(shù)、單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量及衣分明顯低于單作棉花，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。也有研究者發(fā)現(xiàn)，棉花‖花生模式中花生產(chǎn)量降低，對棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響較小[24]。隨著對棉田不同間套作模式的深入研究發(fā)現(xiàn)，在復(fù)合系統(tǒng)下，不同株行配比也會影響棉花產(chǎn)量。慈敦偉等[77]研究表明，棉花產(chǎn)量與棉花、花生行數(shù)配比呈線性關(guān)系，在棉花行數(shù)保持不變時，花生株行配比越大棉花產(chǎn)量越高；在花生行數(shù)保持不變時，棉花株行配比越大棉花產(chǎn)量越低。而李小紅等[78]研究棉花‖大豆2∶2、2∶4、2∶6等不同行數(shù)配置發(fā)現(xiàn)，棉花‖大豆2∶6模式下棉花產(chǎn)量顯著低于單作。

此外，還有研究認為，相關(guān)的間套作模式對棉花纖維品質(zhì)有一定的促進作用。雖然環(huán)境條件和栽培措施不是決定棉花纖維品質(zhì)的首要因素，但在一定條件下會對其產(chǎn)生強烈的影響。崔愛花等[63]研究表明，棉田間作處理較單作降低馬克隆值、提高斷裂比強度。金路路等[34]設(shè)計棉花‖馬鈴薯不同配比試驗，結(jié)果顯示，間作棉花的纖維上半部平均長度在30 mm 以上，整齊度指數(shù)、斷裂比強度高于單作棉花，并篩選出該模式下最佳行比為2∶2。黨小燕等[79]發(fā)現(xiàn)，棉花與洋蔥間作能顯著提高棉花開花結(jié)鈴期對鉀的吸收量，從而增加纖維上半部平均長度；與線辣椒、鷹嘴豆、花生間作的棉花馬克隆值較單作棉花增加，但仍屬于同一等級。而李浩等[80]研究發(fā)現(xiàn)，棉花與棗樹間距無論是1.0 m還是1.5 m，對間作棉花的品質(zhì)均沒有明顯影響。

3 間套作模式下棉田土壤生態(tài)環(huán)境的研究現(xiàn)狀

土壤微生物和土壤酶作為最為活躍和敏感的土壤因子，能夠及時反映土壤養(yǎng)分狀況，同時也決定著土地的可持續(xù)利用[81]。不同間套作模式改變了棉田生態(tài)環(huán)境和資源利用體系，進一步影響土壤微生物、土壤酶以及土壤養(yǎng)分供應(yīng)特征[82]。有學(xué)者通過對棉田間作模式下土壤養(yǎng)分變化的研究認為，棉田間作模式有利于緩解土壤全氮和堿解氮含量的下降[24，83]，同時提高土壤有機質(zhì)、有效磷和速效鉀的含量[20]，從而促進棉花生長發(fā)育，達到同步提高經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的目的。此外，合理的間作模式還能提高土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性[84]，降低土壤中酚酸類化感物質(zhì)[17]，提高土壤肥力，緩解連作危害，為棉花生長提供良好的養(yǎng)分條件。如棉花‖大豆模式在增加土壤放線菌數(shù)量方面有明顯優(yōu)勢；棉花‖甘薯模式顯著增加了土壤固氮菌數(shù)量[32]；蒜棉套作處理對0～20 cm 土層土壤脲酶活性和蔗糖酶活性有促進作用[50]；在麥套棉處理中，小麥和棉花對養(yǎng)分的競爭較為激烈，不利于土壤真菌和放線菌的增殖[85]；棉田間作棗樹后，棉花距離棗樹越近對營養(yǎng)的競爭越激烈，土壤中真菌的活性越強，并且數(shù)量越多，而離棗樹越近細菌數(shù)量越少[80]。然而，謝利等[55]研究表明，與棉花單作相比，棉花‖孜然處理下土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶活性及微生物數(shù)量顯著降低，不能有效地改善棉田的土壤環(huán)境。

此外，有研究發(fā)現(xiàn)，棉田間套作也能夠改變土壤物理性狀，主要體現(xiàn)在土壤溫度方面[86]。AI 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，棗棉間作系統(tǒng)的土壤溫度穩(wěn)定性高于單作棉花。蔣楠[87]研究麥后直播棉發(fā)現(xiàn)，與單作棉相比，麥棉兩熟制由于棉株生長發(fā)育比較遲，冠層較小，透光率高，導(dǎo)致土壤日平均溫度和日最高溫度升高，而土壤容重變化不明顯。也有研究者通過棉花與堿蓬、苜蓿間作來改善土壤鹽漬化和提高棉花產(chǎn)量，結(jié)果顯示，與單作系統(tǒng)相比，間作系統(tǒng)可以降低土壤電導(dǎo)率[16]，在一定程度上還能提高0～100 cm土層土壤的平均含水率[54]。

由此看來，田間土壤生態(tài)環(huán)境受種植模式的影響較大，間套作作物與棉花存在強烈的根系效應(yīng)。合理的間套作模式不僅可以充分利用土地資源，而且能夠利用根系分泌物、作物殘茬等有效改善土壤理化性質(zhì)，最終實現(xiàn)高產(chǎn)增收，同時達到土地用養(yǎng)結(jié)合的目的。

4 目前間套作模式在棉田中應(yīng)用存在的問題

4.1 養(yǎng)分吸收利用機制不明確

棉花與豆科作物間作后，能夠改善土壤理化性質(zhì)，提高棉花產(chǎn)量。但在間作系統(tǒng)內(nèi)，具體對于豆科作物的固氮量、棉花對氮素的吸收和利用效率情況以及種間氮素轉(zhuǎn)移等方面的研究還未有報道。棉花間作甘薯時，為促進甘薯塊莖形成和膨大需要在其生長發(fā)育后期增施鉀肥，而棉花也需要鉀元素來防止早衰，二者間作存在種間競爭，對鉀肥的吸收和利用效率是否能實現(xiàn)最優(yōu)化并且產(chǎn)生最大經(jīng)濟效益還有待研究。

4.2 地下部相互作用機制不清晰

在干旱地區(qū)，采用分層取樣的方法，通過分析棗棉根系空間分布特征來研究棗棉復(fù)合系統(tǒng)的種間競爭關(guān)系，并以地上部植株的株高、葉面積和莖粗等指標進行驗證[72]。但是，在其他間作模式中，棉花與不同作物間作后根系相互作用的機制還不清晰，種間關(guān)系對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生的影響也有待研究。

4.3 實現(xiàn)輕簡化栽培較為困難

盡管間作作物帶作為生物屏障，抑制了病蟲害傳播，但對邊行作物的生長發(fā)育產(chǎn)生嚴重影響，進一步降低產(chǎn)量，最終使得復(fù)合系統(tǒng)間作優(yōu)勢不顯著，經(jīng)濟效益也有所降低。然而，無論是對病蟲害進行化學(xué)防治還是控制棉花旺長，相對于單作棉花選用無人機大面積噴灑藥劑，間作系統(tǒng)需要充分考慮對間作作物的影響，生產(chǎn)上通常采用人工背負噴霧器噴施藥劑的方法，從而避免對間作作物產(chǎn)生負面效應(yīng)。因此，將不同作物引進棉田后，為保障棉花與間作作物能合理利用資源，維持相對平衡，必須選擇適合棉花帶與間作作物帶的栽培管理方式，這大大增加了時間成本和勞動力。

5 展望

在耕地面積逐年減少、人口數(shù)量不斷增加的大背景下，社會經(jīng)濟因素對棉花產(chǎn)業(yè)起到了決定性作用。在進行種植決策時農(nóng)民往往會選擇投入成本低、產(chǎn)值高的作物，而種植棉花，對于農(nóng)民來說費工費時。因此，通過農(nóng)機農(nóng)藝融合，根據(jù)當?shù)厣a(chǎn)條件，選擇合適的植棉栽培技術(shù)對提高農(nóng)民植棉積極性具有一定優(yōu)勢。其中，采用棉田間套作模式是發(fā)展節(jié)本、穩(wěn)產(chǎn)、增效棉花栽培技術(shù)體系的重要途徑。從目前我國棉田間套作系統(tǒng)研究發(fā)展狀況來看，西北內(nèi)陸棉區(qū)和黃河流域棉區(qū)以棉花‖棗、棉花‖花生等模式為主的系統(tǒng)研究很多；長江流域棉區(qū)雖然有間套作模式栽培技術(shù)的相關(guān)報道，但在具體間作優(yōu)勢的增產(chǎn)機制方面研究較少，缺少相關(guān)的理論基礎(chǔ)。因此，現(xiàn)階段需要從種間關(guān)系的角度明確棉花與間作作物對養(yǎng)分的吸收和利用效率以及養(yǎng)分轉(zhuǎn)移規(guī)律。同時，采用王立波等[88]的根系分隔方法，探究間套作系統(tǒng)內(nèi)地下部根系對土壤生態(tài)環(huán)境和地上部生長發(fā)育的影響等問題。綜上，在棉田中間套種植不同作物種類、品種和株行配比的研究仍然需要不斷進行優(yōu)化，旨在協(xié)調(diào)棉田經(jīng)濟效益與生態(tài)效益之間的關(guān)系，促進棉花生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展。