谷子大豆間作模式對作物干物質(zhì)積累分配及產(chǎn)量的影響

曹宇媛　紀曉玲　劉琴　賀東東　王小林　張雄

摘要：為探究適于陜北黃土丘陵溝壑區(qū)膜際栽培條件下谷子大豆種植的最佳間作方式，采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置2 行谷子2 行大豆間作（I22）、2 行谷子4 行大豆間作（I24）、4 行谷子2 行大豆間作（I42）、單作谷子（SG）和單作大豆（SD）共5 個處理，分析不同間作模式下谷子和大豆干物質(zhì)積累與分配特點、種間競爭力及其對產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，3 種間作處理均顯著提高了谷子的干物質(zhì)積累量，且I24 處理顯著高于I42 處理，谷子干物質(zhì)分配比率孕穗期為葉大于莖，成熟期穗大于葉、莖，3 種間作處理穗分配比率均顯著高于單作，且I24和I22處理顯著高于I42 處理；3 種間作處理均顯著降低了大豆的干物質(zhì)積累量，大豆干物質(zhì)分配比率開花期為葉大于莖，成熟期莢果大于莖、葉，3 種間作處理莢果分配比率均顯著高于單作，各間作處理間無顯著差異。I24 和I42 間作處理土地當量比分別為1.10、1.06，土地生產(chǎn)力提高6%～10%，具有間作優(yōu)勢；I22間作處理土地當量比為1.00，無間作優(yōu)勢。間作處理下谷子較大豆表現(xiàn)出了更強的種間競爭力（AG>0）和產(chǎn)量營養(yǎng)競爭比率（CRG>1），且I24處理顯著低于I42和I22處理。綜上所述，2 行谷子2 行大豆間作為陜北黃土丘陵溝壑區(qū)的最佳谷子大豆間作方式。

關(guān)鍵詞：谷子；大豆；間作；干物質(zhì)積累；產(chǎn)量

中圖分類號：S344.2文獻標識碼：A文章編號：1002?2481（2024）01?0061?07

陜北黃土丘陵溝壑區(qū)以丘陵山地為主，耕地資源少，嚴重限制了農(nóng)作物的穩(wěn)定生產(chǎn)[1]。間作可以保護耕地生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性[2]，進一步提高光照、水分、溫度利用效率[3]，增加土地生產(chǎn)能力，增產(chǎn)增收效果明顯[4]。谷子是陜北地區(qū)的特色作物，種植面積常年保持在8.6 萬hm2 左右，但在種植中谷子連作會導(dǎo)致病蟲害嚴重、土壤養(yǎng)分失衡，使谷子產(chǎn)量下降。通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)提高谷子的產(chǎn)量具有一定的實際意義。禾本科與豆科作物間作是土壤貧瘠地區(qū)常見的間作模式[5]。大豆因其固氮能力被廣泛用于間作、輪作。研究谷子大豆間作模式對作物干物質(zhì)積累分配、種間競爭力的影響，明確增產(chǎn)機制，對谷子的綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。相關(guān)研究表明，禾本科和豆科間作能夠通過影響作物干物質(zhì)積累及向籽粒分配而影響作物產(chǎn)量。王曉維等[6]在玉米與大豆間作研究中發(fā)現(xiàn)，間作可以提高玉米干物質(zhì)積累量。高陽等[7]對玉米大豆間作的研究表明，間作降低了大豆單株干物質(zhì)、各器官干物質(zhì)積累量和干物質(zhì)轉(zhuǎn)換率。高硯亮等[8]在玉米與花生間作研究中發(fā)現(xiàn)，間作顯著降低了花生干物質(zhì)積累量。任媛媛等[9]對玉米大豆間作的研究表明，由于玉米和大豆對資源的需求在時間和空間上的分離與互補，間作實現(xiàn)了作物對光、溫、水等各種資源的高效利用，從而直接影響作物產(chǎn)量和土地生產(chǎn)力[10]。在對玉米與大豆[11]、玉米與花生[12]、谷子與大豆[13]、糜子與綠豆[14]等間作的研究表明，間作使禾本科作物的產(chǎn)量增加，豆科作物的產(chǎn)量降低，但土地生產(chǎn)力在一定程度上有所提高，表現(xiàn)出間作優(yōu)勢。作物因其生長環(huán)境的改變，繁殖器官的需求增加，使得營養(yǎng)器官的分配率降低，繁殖體部位分配率增加，這是作物競爭的體現(xiàn)，因此，競爭是影響作物生產(chǎn)的一個非常重要的因素[15]。前人對于禾本科作物與豆科作物間作研究主要集中在玉米大豆間作、高粱大豆間作、玉米花生間作等光合作用和產(chǎn)量方面，而對于谷子與大豆間作模式干物質(zhì)積累分配和種間競爭方面的研究報道較少。

本研究設(shè)置了3 種谷子與大豆間作模式，探究不同間作模式對作物干物質(zhì)的積累與分配、種間競爭及產(chǎn)量和土地生產(chǎn)力的影響，為陜北黃土丘陵溝壑區(qū)的谷子大豆間作研究提供一定的幫助。

1材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021 年在黃土高原西北部丘陵溝壑區(qū)的陜西省榆林市榆陽區(qū)太平溝村（38° 16 ′40 ″N、109°47 ′58 ″E）進行，屬干旱半干旱農(nóng)牧交錯區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以傳統(tǒng)方式為主。該地區(qū)年平均氣溫8.3 ℃，有效積溫3 260 ℃。無霜期146 d，年均降水量446.8 mm，其中60%～80% 集中在7—9 月。年蒸發(fā)量1 211 mm，年日照時數(shù)2 644 h。降雨量年際間變化較大，分布嚴重不均。

1.2 試驗材料

供試谷子品種為晉谷21、大豆品種為汾豆78，均為榆林黃土丘陵溝壑區(qū)廣泛種植品種。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采取隨機區(qū)組試驗設(shè)計，在膜際栽培條件下，共設(shè)置谷子單作（SG）、大豆單作（SD）、谷子大豆間作（I22、I24、I42）5 個處理，SG 為12 行谷子，SD 為12 行大豆，I22 為2 行谷子2 行大豆、I24 為2 行谷子4 行大豆、I42 為4 行谷子2 行大豆，每個處理重復(fù)4 次。小區(qū)面積為36 m2（6 m×6 m），谷子行距50 cm，株距11 cm；大豆行距50 cm，株距26 cm，南北行向種植（圖1）。

試驗采用均一化處理，單作與間作作物種植方式及行株距相同，谷子和大豆同時播種同時收獲，于5 月15 日播種，10 月11 日收獲。氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）的施肥量均為100 kg/hm2，于播種前一次施入，后期未進行追肥處理。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 地上干物質(zhì)測定

在谷子和大豆生育期各處理均隨機選取谷子和大豆各9 株，將其根、莖、葉、穗（豆莢）帶到實驗室進行分離，置于烘箱105 ℃下殺青20 min 后，再在80 ℃下烘至恒質(zhì)量后測定干物質(zhì)質(zhì)量。

1.4.2 產(chǎn)量測定

在谷子、大豆成熟后，單作處理每小區(qū)隨機選取10 株植株，間作處理每小區(qū)隨機選取谷子大豆各10 株進行產(chǎn)量考種，隨后收獲整個小區(qū)作物脫粒后統(tǒng)計作物產(chǎn)量。1.4.3 相關(guān)指標及其計算方法 土地當量比（LER）用公式計算所得[16]，種間相對競爭能力（AG）按公式計算所得 [17]，產(chǎn)量營養(yǎng)競爭比率（CRG）用公式計算所得[18]。

式中，LERG、LERD分別表示間作處理中谷子、大豆的相對土地當量比；YSG和YSD分別為單作條件下谷子、大豆的均一化產(chǎn)量（kg/hm2），YIG和YID分別為間作條件下谷子、大豆的均一化產(chǎn)量（kg/hm2）。LER 大于1 說明間作具有優(yōu)勢，LER 小于1 說明間作劣勢。

式中，AG 表示谷子相對于大豆的競爭能力。AG 大于0 說明谷子比大豆競爭能力強；AG 小于0 說明谷子比大豆競爭能力弱。

CRG=（YIG/YSG）/（YID/YSD） （3）

式中，CRG 表示谷子相對于大豆的產(chǎn)量營養(yǎng)競爭比率。CRG 大于1 說明谷子的產(chǎn)量營養(yǎng)競爭能力強于大豆；CRG 小于1 說明谷子的產(chǎn)量營養(yǎng)競爭能力弱于大豆。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010 整理數(shù)據(jù)，SPSS23.0 軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗（LSD，P<0.05）以及單因素方差分析（ANOVA），使用Origin2019 軟件繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1 谷子大豆間作對作物干物質(zhì)積累與分配的影響

2.1.1 谷子大豆間作對谷子干物質(zhì)積累與分配的影響

由表1 可知，在孕穗期，間作谷子的單株干物質(zhì)積累量均高于單作，大小表現(xiàn)為I24>I22>I42>SG，間作處理單株干物質(zhì)積累量較單作分別增加了31.21%、61.03%、21.36%，I24 與單作SG 差異顯著（P<0.05）。在成熟期，間作谷子的單株干物質(zhì)積累量較單作分別增加了31.28%、42.62%、23.61%，各間作處理與單作SG 均差異顯著。說明谷子大豆間作可顯著提高谷子孕穗期和成熟期干物質(zhì)積累量。

谷子孕穗期干物質(zhì)的分配規(guī)律為莖少葉多，各處理莖的分配比率為22.81%～25.99%，葉的分配比率為74.01%～77.19%，各處理的莖、葉分配比率均無顯著差異，說明間作對谷子孕穗期干物質(zhì)分配影響較小。谷子成熟期干物質(zhì)分配的規(guī)律是莖最少、葉次之、穗最多，各處理莖的分配比率為23.91%～29.17%，葉的分配比率為27.32%～33.48%，穗的分配比率為37.35%～48.17%；各間作處理谷子莖、葉、穗分配比率與單作均存在顯著差異（P<0.05），莖分配比率大小表現(xiàn)為SG>I42>I22>I24，間作處理分別比單作減少了15.98%、18.03%、7.44%；葉分配比率大小表現(xiàn)為SG>I42>I24>I22，間作處理分別比單作減少了18.34%、15.29%、11.89%；穗分配比率大小表現(xiàn)為I22>I24>I42>SG，間作處理分別比單作增加了28.97%、27.82%、16.47%；由此可知，谷子大豆間作可減少谷子成熟期干物質(zhì)向莖、葉的分配，增加向穗的分配，有利于谷子單株產(chǎn)量的提高。

2.1.2 谷子大豆間作對大豆干物質(zhì)積累與分配的影響

從表2 可以看出，在開花期，不同間作處理大豆的單株干物質(zhì)積累量均低于單作，表現(xiàn)為SD>I24>I22>I42，間作處理分別較單作減少了26.06%、49.89%、53.63%，單作SD 與各間作處理均差異顯著，且I24 與I42 差異顯著（P<0.05）。在成熟期，I22、I24、I42 間作處理大豆的單株干物質(zhì)積累量分別較單作減少了30.84%、24.91%、32.41%，單作SD 與各間作處理均差異顯著（P<0.05）。說明谷子大豆間作影響大豆的生長發(fā)育。

大豆開花期干物質(zhì)分配規(guī)律為莖少葉多，各處理莖的分配比率為45.39%～47.86%，葉的分配比率為52.14%～54.61%，各處理的莖、葉分配比率均無顯著差異，說明間作對大豆開花期干物質(zhì)分配影響較小。大豆成熟期干物質(zhì)分配的規(guī)律是莢果最多、莖次之、葉最少，各處理莖的分配比率為19.42%～26.94%，葉的分配比率為2.11%～2.77%，穗的分配比率為70.29%～78.47%。各間作處理大豆莖、莢果分配比率與單作均存在顯著差異（P<0.05），葉分配比率與單作差異不顯著。莖分配比率大小表現(xiàn)為I42>I22>I24>SD，間作處理分別比單作增加了38.72%、32.75%、27.81%；莢果分配比率大小表現(xiàn)為SD>I24>I22>I42，間作處理分別比單作減少了7.25%、8.78%、10.42%；由此可知，谷子大豆間作會減少大豆成熟期干物質(zhì)向莢果的轉(zhuǎn)移，影響間作大豆產(chǎn)量的形成。

2.2 谷子大豆間作對作物產(chǎn)量的影響

從表3 可以看出，谷子大豆不同間作處理對谷子產(chǎn)量影響均顯著（P<0.05）。各處理谷子產(chǎn)量大小表現(xiàn)為SG>I42>I22>I24 ，單作谷子產(chǎn)量為2 517.95 kg/hm2，顯著高于I22處理和I24處理。單作谷子均一化種植密度為18 株/m2，I22、I24 和I42 間作處理谷子均一化種植密度分別為9、6、12 株/m2，谷子占地比例分別為50%、33.3% 和66.7%。I22、I24和I42 谷子產(chǎn)量分別為單作谷子的68.79%、45.34%和84.55%。說明在相同土地面積上間作谷子產(chǎn)量均高于單作。

與谷子單作相似，谷子大豆不同間作處理對大豆產(chǎn)量也有顯著影響（P<0.05）。各處理大豆產(chǎn)量大小表現(xiàn)為SD>I24>I22>I42，大豆單作處理的產(chǎn)量為2 560.26 kg/hm2，顯著高于各間作處理。單作大豆均一化種植密度為3.5 株/m2，I22、I24和I42間作處理下大豆均一化種植密度分別是1.75、2.33、1.17株/m2，占地比例分別為50%、66.7% 和33.3%。I22、I24和I42間作處理大豆均一化產(chǎn)量分別為單作大豆的30.85%、64.74% 和21.42%。說明在相同的土地面積上間作大豆的產(chǎn)量均低于單作，表現(xiàn)出產(chǎn)量劣勢。

2.3 谷子大豆間作對土地生產(chǎn)力的影響

從表4 可以看出，不同間作處理對谷子和大豆的偏土地當量比的影響均顯著（P<0.05），I24 與I22、I42谷子和大豆的偏土地當量比差異顯著。3 種間作模式雖然對整個間作系統(tǒng)的土地當量比影響不顯著（P>0.05），但I24 和I42 這2 種間作方式的土地當量比均大于1。說明I24和I42這2 種間作處理可以提高土地生產(chǎn)力，間作優(yōu)勢明顯，其中I24 處理表現(xiàn)最好。

2.4 作物競爭力

由圖2 可知，3 種間作模式谷子相對于大豆的種間競爭力（AG）均大于0，大小表現(xiàn)為I22>I42>I24，I22 與I24 差異顯著（P<0.05）。I24 與I42 間作處理谷子相對于大豆的產(chǎn)量營養(yǎng)競爭比率（CRG）均大于1，I22 與I24 差異顯著（P<0.05）。表明在3 種間作處理中谷子的競爭能力強于大豆（AG>0，CRG>1）。

3結(jié)論與討論

干物質(zhì)積累與分配是作物產(chǎn)量的重要影響因素[14]。作物的干物質(zhì)積累90%～95% 是直接或者間接來自光合作用[19]。間作可以使高稈作物獲得更多光照[20]，有利于光合作用，增加干物質(zhì)積累量[8]。本研究表明，間作顯著提高了谷子孕穗期和成熟期的干物質(zhì)積累，I24 處理為最大值，顯著高于I42和單作。在干物質(zhì)分配方面，間作谷子向穗的分配率均顯著高于單作，且I24 和I22 顯著高于I42。李智[21]在谷子大豆間作研究中發(fā)現(xiàn)，間作谷子能截獲更多光能，具有更好的光合能力，從而提高谷子的干物質(zhì)積累量，與本研究結(jié)果一致。大豆受谷子蔭蔽影響，光合作用能力減弱，向莢果分配和積累的干物質(zhì)減少[18]。本研究表明，間作顯著降低了大豆干物質(zhì)積累，但間作處理之間無顯著差異，在干物質(zhì)分配方面，間作大豆向莢果的分配率均顯著低于單作，且各間作處理之間無顯著差異。王雪蓉等[22]研究發(fā)現(xiàn)，間作可以促進谷子產(chǎn)量的增加，但不利于大豆產(chǎn)量形成，與本研究結(jié)果一致。

間作對谷子和大豆的產(chǎn)量影響不同，本研究中間作谷子產(chǎn)量相對于單作谷子產(chǎn)量的比例均高于谷子的占地比例，間作大豆產(chǎn)量相對于單作大豆產(chǎn)量的比例均低于大豆的占地比例，說明間作使谷子的產(chǎn)量增加，大豆的產(chǎn)量減少。張亦濤等[23]間作玉米和大豆，焦念元等[24]間作花生和玉米研究發(fā)現(xiàn)，間作能提高高稈作物產(chǎn)量，降低矮稈作物產(chǎn)量[25]，這與本研究結(jié)果一致。本研究3 種間作處理中I24處理表現(xiàn)最好，相同面積谷子產(chǎn)量較單作谷子增產(chǎn)約33.2%，大豆產(chǎn)量較單作大豆減產(chǎn)約2.9%，谷子增產(chǎn)效果最大，大豆減產(chǎn)效果最弱。李智等[13]間作谷子大豆研究發(fā)現(xiàn)，在谷子大豆比例為2∶4 時，谷子增產(chǎn)9%，產(chǎn)量最高，這與本研究結(jié)果一致。宮香偉等[26]研究指出，糜子和綠豆各間作處理土地當量比均大于1，說明間作具有明顯產(chǎn)量優(yōu)勢。趙建華等[27]研究指出，玉米和豆科作物間作的土地生產(chǎn)力提高了13%～30%。本研究結(jié)果表明，I24 和I42 間作處理土地當量比LER 分別為1.10 和1.06，均大于1，具有間作優(yōu)勢；I22 間作模式土地當量比為1.00，無間作優(yōu)勢。這與任媛媛[28]在玉米大豆間作間作研究中的土地當量比結(jié)果（1.00～1.29）接近。3 種間作處理中I24處理土地生產(chǎn)力提高10%，表現(xiàn)最好。

種間競爭影響著作物向莖、葉、籽粒的分配，以及對資源的利用，是作物生產(chǎn)非常重要的影響因素。本研究谷子大豆間作模式中，谷子表現(xiàn)出更強的種間競爭能力。谷子相對大豆的種間競爭力為0.39～0.76（AG>0）、產(chǎn)量營養(yǎng)競爭比率為1.46～4.20（CRG>1），表明谷子種間競爭能力和產(chǎn)量營養(yǎng)競爭能力均強于大豆，說明在谷子大豆間作存在種間競爭關(guān)系，且谷子為優(yōu)勢作物，而大豆則為劣勢作物[29]。原因可能是谷子為高稈作物，可以利用更多的光能資源[30]，同時谷子根系比大豆根系更發(fā)達，可以利用更多的水分資源[31]。蔡倩等[18]研究玉米和大豆間作表明，玉米為優(yōu)勢作物，大豆為劣勢作物，這與本研究結(jié)果相似。本研究中，I24 的AG 和CRG 均低于I22 和I42，LER 高于I22 和I42，說明在有限的資源條件下，較強的競爭能力是以犧牲產(chǎn)量為代價的，作物的競爭能力與生產(chǎn)能力之間形成了一種負相關(guān)關(guān)系[32]。

本研究表明，相比單作，3 種間作處理在產(chǎn)量上都具有明顯的優(yōu)勢，間作通過影響作物的產(chǎn)量分配和種間競爭關(guān)系來影響產(chǎn)量，通過增加競爭優(yōu)勢作物谷子的干物質(zhì)積累，提高穗分配比率，而降低競爭劣勢作物大豆的干物質(zhì)積累，減少莢果分配比率，從而提高整體土地生產(chǎn)能力。3 種間作處理相比，I24 間作處理的增產(chǎn)效應(yīng)最高。因此，陜北黃土丘陵溝壑區(qū)在谷子大豆間作種植中，可以優(yōu)先選擇2 行谷子4 行大豆的間作模式。

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