玉米—大豆间套作模式研究现状及其展望

罗 华，王 杰，宋 勇，欧小球，赵志坚，唐玲玲，罗 琳*

(1 邵阳市农业科学研究院，湖南邵阳 422000； 2 湖南粮安科技股份有限公司，湖南邵阳 422000)

农业是支撑国民经济建设与发展的基础性产业。土地资源紧缺是当今世界农业生产面临的突出问题之一，提高现有土地利用率，促进农业的可持续发展是我国农业生产面临的重大挑战。大量研究结果表明，大面积连续种植单一作物容易造成作物减产、土地养分偏耗、土壤退化加速、病虫害加剧等一系列问题[1～7]。间套作是根据不同农作物的生长习性、对环境条件的要求，巧妙地将两种作物在同一地块同时进行栽培的种植模式。间套作是我国传统的农业种植模式，在我国精细农业中有着重要地位。间套作种植在保持农田生态系统生物多样性、生态系统稳定性、提高资源利用效率等方面优势明显，已成为农业可持续发展的重要途径之一。间套作栽培模式不仅能提高作物对土地、光照等自然资源的利用率，提高土地复种指数，提升农田生态系统服务功能[8]，还能够降低生产成本，达到提高单位面积产值的目的，在现代农业发展中有着举足轻重的地位[9～13]。玉米—大豆间套作模式是当前我国广大农村旱地栽培中比较常见的一种粮油复合栽培模式。该模式充分利用了两种作物高与矮的互补效应和大豆根瘤菌固氮特性，是农作物间套作的黄金搭档、经典模式，对于保障我国粮油安全具有重要作用。

1 玉米大豆间套作对农田生态系统的影响

1.1 对光分布及光能利用的影响

玉米大豆间作种植模式中群体光分布受间套作系统中带间距、玉米株型及播种密度等多种因素影响。研究表明，间套作系统中大豆、玉米冠层顶部的光合有效辐射均比单作有所降低，但群体光合有效辐射总和高于单作[14，15]。玉米和大豆具有不同生态位、生长特性，高矮错落排列，可使群体通风能力得到提高，更有利于玉米中下层叶片对光能的截获，增加群体受光面，提高光能利用率[16]。吕越等[17]采用分隔处理研究玉米—大豆间作系统的作物资源竞争关系，进一步表明：间作模式下玉米、大豆总光能利用率较单作有所增加，但大豆由于受玉米遮阴影响处于劣势。大豆苗期荫蔽会造成光合能力减弱[18]，植株纤弱徒长[19]，抗倒伏性降低[20]。间套作系统中玉米、大豆对光的竞争存在此消彼长的关系，大豆品种形态的可塑性越小越有利于大豆的光截取[21]。因此，选择株型紧凑的玉米品种和耐荫抗倒大豆品种是玉米—大豆间套作模式中缓解作物间竞争的关键。

1.2 对群体内CO2含量和水分的调节

良好的光照条件有利于植株进行光合作用，而植株光合作用需要CO2。因此，间套作群体内CO2含量的高低直接关系到作物进行光合作用的快慢，进而影响作物的产量。周苏玫等[22]对玉米—花生间套作群体 CO2浓度和风速的研究得出，间作后玉米、花生群体间 CO2含量均比单作有所增加；间作后玉米、花生行间的风速增大，玉米、花生叶部温度降低，呼吸作用减弱，光合效率提高。Stewart[23]研究表明，干旱条件下玉米—大豆间作和单作下籽仁产量与水分关系呈S型曲线。当单作大豆在供水量<250 mm时，产量呈线性变化，在超过 250 mm后趋于稳定。高阳等[16]在水分充足条件下发现，间作条带水分变化主要集中在0～30 cm耕作层，且水分变化呈现：玉米区域>大豆区域>条带行间。玉米—大豆间套作能优化群体间CO2通道，提高整体光合效率。间套作玉米可通过竞争获得更多的水分，延缓干旱，降低干旱程度，提高整体的水分利用率。

1.3 对群体内病虫害的控制

间套作系统对农田生态系统病害的发生、传播及作物连作障碍也有较多的研究报道。李潮海等[24]研究表明，不同抗病性品种间作后构成的复合群体对其病害的抗性显著提高，间作YY20比单作YY20的叶斑病和叶锈病分别降低46.6%和27.9%。张贺等研究了玉米根系及其根系分泌物对大豆疫霉游动孢子行为特征，发现玉米根系分泌的门布和苯并噻唑能显著抑制大豆疫霉菌丝生长，减低大豆疫霉的发生[25]。崔瑞等[26]、张思苏等[27]研究表明，花生连作会降低花生单株结果数、单株饱果数、百果重及荚果产量，而玉米花生间作可改善土壤微环境，降低土壤真菌数量，缓解花生连作障碍。间作系统对病害及连作障碍的控制主要是因为间作提高了群体的抗性，改善了土壤微环境，限制了土壤中病原微生物的传播和繁殖[28]。

间套作种植可有效增加植被群落的多样性与复杂性，增加天敌的丰富度，避免因作物单一造成某些害虫的猖獗发生[29]。蒋佩兰等[30]研究了3种不同间作方式玉米田玉米螟及蜘蛛的数量，发现3种不同间作模式下的玉米螟数量均比单作玉米少，而蜘蛛数量均比单作玉米多。王玉正等[31]通过研究大豆玉米间作和同穴混播对大豆病虫害发生的影响，发现间作及混播不仅可增加田间系统的瓢虫、草蛉、蜘蛛等天敌数量，还能增加蚜茧蜂、赤眼蜂等寄生性天敌的寄生率。周大荣等[32]研究表明，间作豆科作物可改善玉米螟赤眼蜂寄生环境，提高玉米螟赤眼蜂的寄生率。

1.4 对群体内重金属的固定和吸收

重金属污染农田治理中，重金属富集植物与非富集植物相互间作，可以在一定程度上保护与之间套作植株，也可以通过非食用植物对重金属的富集降低农田中的重金属含量[33]。薛建辉等[34]通过杉木与茶树间作发现：杉木对土壤中的Mn具有较强的吸收能力，杉木—茶树间作后，茶树茶叶中Pb、Mn、Cu、Zn等重金属含量显著降低。对于Mn污染较严重的土壤，种植杉木可有效降低土壤中Mn含量，起到修复土壤的作用。邓林[35]通过玉米与伴矿景天连续间作试验表明，田间长期原位修复能显著降低农田土壤的锌、镉含量，实现“边生产边修复”的双重目标。间作还可以提高作物对重金属的吸收率，例如豌豆—大麦间作系统中，豌豆地上部对Cu、Pb、Zn、Cd、Fe的吸收率均高于单作模式。所以，在选择间作种植进行土壤修复时应当选择适宜的植物进行配置，最大程度的提高超富集植物对重金属的控制和吸收，降低与之间作的作物对重金属的吸收。

2 玉米大豆间套作对作物根系生长及养分吸收利用的影响

2.1 对作物根系生长发育的影响

研究表明，间套作的作物根分布比单作更广泛，间作作物根表面积或根系活力超过单作作物，侧根、根毛数量和侧根长度明显增加[36]。间套作更有利于玉米、大豆根系的生长发育，有利于形成高产[37]。高阳等[38]发现，玉米—大豆间作时二者根系大部分都分布于地面0～30 cm土层内，土壤横截面内玉米和大豆根系的分布模式近似于三角形。其中，玉米根系的水平分布范围比较广，它不仅分布在间作条带的行间，而且还伸展到了大豆条带的行间，尤以16～22 cm土层中的玉米根系侧向伸展最远；相对玉米而言，大豆根系的水平分布范围要小得多。

2.2 对作物养分吸收利用的影响

研究表明，非豆科作物与豆科作物间套作时存在“氮转移”现象，可提升间套作体系整体固氮量[39]。张向前等[40]研究表明，在施肥和不施肥条件下玉米大豆间作均可提高玉米的经济产量和生物产量。大豆具有根瘤固氮作用，而禾本科作物玉米对氮素营养需求大且吸收能力比大豆强，种间竞争会促进大豆根瘤固氮，提升群体固氮量。房增国等[41]通过盆栽试验进一步表明，玉米与花生混作后可缓解花生的“氮阻遏”，增加花生根部根瘤数量，增强根瘤固氮酶活性，提高固氮量。张晓娜等[42]研究表明，玉米/大豆、玉米/花生间作模式均可增加系统的氮素积累，且玉米/大豆间作模式的增氮优势更大。

玉米大豆间套作还可促进磷的吸收和利用。张雷昌等[43]研究表明，玉米大豆间作促进了作物对磷的吸收，间作的玉米茎、叶中的磷含量均出现不同程度的增加；大豆茎、叶中的磷含量在分枝期以后也相应有所增加。由此可见，根系互作在相互促进和相互竞争的条件下，有效地促进了玉米和大豆双方对磷的吸收、积累和利用，且间作模式相对于玉米和大豆单作在磷元素吸收方面，表现出明显的优势[44]。

3 玉米大豆间套作对作物产量和品质的影响

3.1 对作物产量的影响

合理的间套作有利于实现增产：间套作可有效提高资源的利用率，增加作物产量的稳定性，提高单位面积总产量。氮、磷、钾是植物生长发育所必需的三大营养元素，也是保证植株正常生长和产量的基础。在玉米大豆间作系统中间作大豆吸氮量低于单作大豆，大豆生长处于弱势地位，地上部干物质量比单作低；间作玉米生物量增加多，大豆生物量降低少，所以整个间作系统生物产量显著增加，表现出间作优势。张晓娜等[42]研究表明，间作提高了干物质积累速率，提高了玉米籽粒分配率，降低了大豆籽粒分配率。赵德强等[45]围绕玉米大豆间作不同行比配置进行研究，分析作物干物质积累和产量的边际效应及系统收益，结果表明玉米和大豆间作提高了玉米的干物质积累速率和积累量，也提高了大豆的干物质积累量，但降低了大豆盛花期时的干物质积累速率，间作提高了土地当量比。玉米大豆间作表现出强烈的边际效应，间作玉米的Ⅰ行、Ⅱ行和Ⅲ 行，以及间作大豆的Ⅱ行和Ⅲ行均表现为间作优势，间作大豆Ⅰ行为间作劣势。茎叶较高的干物质积累量是保证向籽粒输出更多营养的前提，间作提高了茎叶干物质输出量，但茎叶输出率和贡献率受多种因素影响，其分配规律还需进一步研究验证。

3.2 对作物品质的影响

蛋白质含量是衡量作物品质的重要指标[46]。间套作模式能增加作物粗蛋白含量，提高作物秸秆和籽粒营养价值[47]。玉米大豆间套作模式下，玉米、大豆籽粒的粗蛋白含量均明显高于单作[48]。Azim等[49]和Eweida[50]等研究表明，间套作模式下作物秸秆生物量和粗蛋白含量，籽粒粗蛋白含量较单作有所增加。宁堂原[51]研究表明，配置合适的间套作品种，优化群体内氮素调控，可实现夏秋玉米粗蛋白和产量的双提高。Carr等[52]进行了大麦—豌豆、燕麦—豌豆间套作研究，结果发现：与单作相同或较高密度种植下，豌豆的产量不受间套作的影响，但其籽粒粗蛋白含量却明显提高；当间套作系统中豌豆种植比例增加时，差异会更显著。Ayisi等[53]研究表明，豆科作物间作模式下，边行豆类作物籽粒粗蛋白含量明显提高，“边际效应”明显；带状窄带间套作下，间套作作物籽粒粗蛋白含量均高于两作物单作平均值；间套作模式下，间作作物籽粒粗脂肪含量存在下降趋势。

4 结语与展望

国内外学者对作物间套作研究较为深入、广泛，对间套作光分布及光能利用率、群体间CO2含量和水分调控、病虫害防控、重金属的固定和吸收、作物的生长发育及养分吸收利用、作物产量及品质的影响方面研究较多，但对作物地下部分及农机农艺配套方面研究较少。为了充分发掘间套作的优势和潜力，还应该更加深入开展间套作模式下作物生理生化机制及其变化规律研究。

间套作模式下，因为作物间的种间竞争、交互作用和边际效应，有利于群体的养分吸收和利用，提高了种群干物质积累速率和积累量，从而增加了群体土地当量比。玉米—大豆间作群体不仅能优化农田生态系统，改善田间小环境，提高作物对光、热、水、气的利用效率，还能增加群体内植被多样性与复杂性，增加天敌的丰富度，提高作物对逆境生境的抗性，能在一定程度上避免病虫害的发生。根据我国农业生产的实际和可持续发展要求，发展间作种植模式可作为绿色优质高产栽培的一种途径。发展玉米大豆间套作需要注意以下问题：(1)因地制宜，结合当地的生产实际，选择间套作配置品种(作物株型高矮、阴阳搭配、抗性等)。(2)注意间套作作物的农艺性状和农机相关性能，解决好“农机—农艺”紧密结合的问题，处理好间套种植与农业机械化之间不可避免的矛盾。选择和改造与间作相适应的农业机械，才能降低投入、增加收入。(3)密切注意市场动向，预测市场变化，发展与市场需求相适应的作物间作，加强与间套作产品加工、储藏、运输、销售相配套环节的建设。