不同高粱大豆间作模式对产量及水分养分利用的影响

梁晓红，曹 雄，张瑞栋，刘 静，王爱爱

(山西农业大学 经济作物研究所，山西 汾阳 032200)

山西省地处黄土高原，旱地面积占全省总耕地面积的75%以上[1]，降水稀少、分布不均是黄土高原农业发展的主要限制因素[2-3]，且近年来干旱程度加剧，病虫害严重，一定程度制约了作物的增产增收。近年来，在供给侧结构改革的倡导下，农作物种植减肥减药，以实现作物清洁高效生产。而间套作是利用不同作物间互惠作用以提高资源利用效率的一种重要的农业模式，不仅可以使作物高效利用地上部的光、热等资源，而且可通过根际间的互作提高养分、水分的高效利用，也可明显减轻病虫害[4]，其被认为是发展多样性种植模式、保持农业生产可持续发展的重要技术途径[4-5]。豆科禾本科作物间作在我国种植历史悠久，但传统的间作制度无法平衡作物产量和农业可持续发展[6]。为进一步挖掘间作优势，学者通过对品种特性[7]、配置结构[8-10]、田间布局[11]、播期[12]、密度[13]、少耕密植[14]、施肥水平[15-18]、施肥位置[19]等农艺措施进行研究，提升了间作体系作物群体产量，提高了土地生产力。间作复合群体有利于创造适宜作物生长发育的土壤水分环境，提高作物水分利用效率[20]；玉米花生间作体系中高耗水作物玉米可能通过吸收花生条带的水分降低对自身条带水分的过度消耗，从而改善间作玉米土壤水分利用环境[21]；糜子绿豆间作模式有利于提高糜子水分利用效率[22]；玉米豌豆间作体系可提高作物水分利用效率3.07%～43.38%[23]。豆科禾本科作物间作被广泛应用，不仅具有产量和水分优势，而且也具有养分获取优势。党科等[24]研究表明，糜子绿豆间作可提高糜子生育期内叶片和籽粒中的氮素含量和氮素积累量；Fu等[25]研究指出，玉米大豆间作提高了玉米籽粒的氮吸收量；豆禾本科作物间作可提高土壤磷有效性含量，促进磷的高效吸收[26-27]；肖靖秀等[28]研究发现，小麦蚕豆间作可提高小麦钾吸收量32%～69%。

国内外对高粱与豆科作物间作开展了初步研究，尹学伟等[29]、郭安等[30]研究认为，高粱大豆间作可提高糯高粱光合能力，有效控制高粱炭疽病，提高周年产量及效益。Ghosh等[31]研究表明，高粱大豆间作土壤养分竞争主要存在于氮和磷。但是对高粱大豆间作体系土地生产力和水分利用缺少系统研究，而且山西省吕梁市高粱种植区主要采取玉米与高粱轮作，单一的轮作方式导致肥料投入多、养分水分利用低、病虫害严重。

本试验结合当地种植习惯，选取当地广泛种植的高秆品种晋杂22和矮秆品种晋杂34高粱与大豆间作，研究高粱大豆不同行比配置下作物生长发育、产量、土地生产力、土壤水分及养分利用的变化，探讨其间作中表现的促进和竞争作用，以期为该地区构建简化、高效、高产的高粱大豆间作栽培体系提供理论指导。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018-2019年在山西省吕梁地区汾阳市的山西农业大学经济作物研究所高粱试验田(东经111°47′E、北纬37°15′N)进行。试验区海拔747.7 m，年均(2002-2019年)降雨量437.8 mm，年均气温11.3 ℃，属于典型温带季风气候，主要种植制度为一年一熟。2018年作物生育期降雨量为345.2 mm，生育期内平均气温为21.7 ℃。2019年作物生育期降雨量为285.5 mm，由于作物种植后降雨极少，于2019年7月8 日灌溉1次，灌溉量为120 mm，生育期内供水405.5 mm；生育期内平均气温为22.5 ℃(图1)。供试土壤为沙壤土，2018-2019年 0～20 cm耕层土壤基本理化性状如表1所示。

1.2 试验材料

供试大豆品种2018年选用晋豆40、2019年选用晋豆25，均为早熟品种。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，设置9个处理，包括高秆高粱晋杂22单作(G1，株距15.8 cm)、矮秆高粱晋杂34单作(G2，株距12.2 cm)、大豆单作(D，株距14.4 cm)、2行高粱2行大豆间作(2G1∶2D、2G2∶2D，高秆高粱株距9.3 cm，矮秆高粱株距7.0 cm，大豆株距7.0 cm)、2行高粱3行大豆间作(2G1∶3D、2G2∶3D，高秆高粱株距8.0 cm，矮秆高粱株距6.4 cm，大豆株距9.5 cm)、2行高粱4行大豆间作(2G1∶4D、2G2∶4D，高秆高粱株距7.6 cm，矮秆高粱株距5.8 cm，大豆株距11.6 cm)。每个处理3次重复，种植3个带宽，南北向种植，行长5 m(图2)。2018年高粱、大豆分别于5月3日、5月5日播种，9月27日、10月8日收获；2019年高粱、大豆分别于5月6日、5月8日播种，9月26日、9月22日收获。2 a大田试验中，种植前试验田撒施鸡粪作为基肥，后期未进行追肥。生育期间进行正常田间管理。

表1 耕层土壤(0～20 cm)基本理化性状Tab.1 The basic physical and chemical properties of topsoil(0-20 cm)

1.4 测定项目及方法

1.4.1 产量及其构成因素 于高粱和大豆成熟期，在每个小区选取20株进行考种，分别测定高粱穗长、千粒质量、穗粒质量和大豆的结荚数、百粒质量。每个小区实收测产，按含水量14%折算成公顷产量。

1.4.2 土壤含水量 分别于2018，2019年播种前和作物成熟期，在每个小区用土钻以20 cm为一层，采集0～100 cm土壤样本，按烘干法测定土壤含水量；作物定苗之后，用TDR土壤水分速测仪结合烘干法测定土壤含水量，其中，0～20 cm采用土钻取土烘干法测定，20～100 cm采用TDR土壤水分速测仪测定。单作小区随机铺设2个测管，间作小区依次在高粱株间、高粱行间、高粱大豆带间、大豆株间、大豆行间连续铺设5个测管，小区的土壤含水量为各监测点的平均土壤含水量。

1.4.3 生物量和养分 于高粱成熟期分别在单、间作处理选取高粱6株，于大豆成熟期分别在单、间作处理选取大豆12株。将植物样本于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量，测定生物量。植株和籽粒粉碎后用于测定氮磷钾养分。

1.5 数据处理

数据处理和图表绘制采用Microsoft Excel 2007进行；采用SPSS 24.0统计软件进行方差分析，采用Duncan新复极差法进行分析比较。

土地当量比(LER)是衡量间套作产量优势的指标[21]。

LER=Yig/Ysg+Yid/Ysd

①

式中，Yig和Yid分别指在间作总面积上高粱和大豆的籽粒产量(kg/hm2)；Ysg和Ysd分别指单作高粱和大豆的籽粒产量(kg/hm2)。当LER>1时，说明高粱/大豆具有间作优势；当LER=1时，说明高粱/大豆无间作优势；当LER<1时，说明高粱/大豆具有间作劣势。

土壤贮水量(W，mm)=土壤质量含水量(%)×土壤容重(g/cm3)×土层厚度(cm)×10

②

作物生育期耗水量(ET)根据试验区实际情况，地下水补给量、径流量、深层渗漏量均忽略不计。

ET=P+I+(W1-W2)

③

式中，P为生育期降水量，I为灌水量，W1为试验初期土壤贮水量，W2为试验末期土壤贮水量。单位均以mm计。

水分利用效率WUE(kg/(hm2·mm))=Y/ET

④

式中，Y为作物产量，ET为作物耗水量。

间作体系水分利用优势用水分当量比(WER)表征[21]。

WER=WERg+WERd=WUEig/WUEsg+WUEid/WUEsd

⑤

式中，WERg、WERd为间作体系中高粱、大豆的相对水分利用效率；WUEig、WUEsg、WUEid、WUEsd分别表示间作、单作高粱和间作、单作大豆的水分利用效率。当WER>1时，说明高粱大豆间作相对于单作提高了农田水分利用效率；当WER≤1时，说明高粱大豆间作体系相对于单作不具备农田水分利用优势。

植株氮磷钾养分累积量(kg/hm2)=籽粒产量×籽粒氮磷钾养分含量+秸秆产量×秸秆氮磷钾养分含量

⑥

2 结果与分析

2.1 不同高粱大豆间作模式对作物产量及构成因素、土地生产力的影响

2.1.1 不同高粱大豆间作模式对高粱、大豆产量构成因素的影响 由表2可知，2 a间作晋杂22的千粒质量、穗粒质量与单作(G1)差异不显著；与单作相比，穗长平均仅降低0.94%，千粒质量提高1.86%，穗粒质量降低18.28%。2 a间作晋杂34的穗长、千粒质量、穗粒质量比单作(G2)分别降低6.58%，3.83%，16.85%，但差异不显著。

表2 不同高粱大豆间作模式对作物产量构成因素的影响Tab.2 Effects of different sorghum-soybean intercropping patterns on yield components of sorghum and soybean

大豆的百粒质量在不同年度间差异表现明显，不同处理间差异不显著；而结荚数在不同年度不同处理间达到极显著差异。2018，2019年间作处理的大豆结荚数分别较单作降低1.04%～18.01%和11.37%～46.84%。2 a 2G1∶2D处理的间作大豆结荚数均显著低于单作，平均降低37.89%；2019年2G2∶2D处理的间作大豆结荚数比单作显著降低41.79%，2 a平均降低32.16%；与单作大豆相比，2G1∶4D、2G2∶4D处理的间作大豆结荚数分别降低22.46%，21.51%。可见，与相应的单作高粱相比，高粱大豆间作对高粱的产量构成因素千粒质量、穗粒质量影响不明显；与间作大豆相比，间作不同程度降低了大豆的结荚数，进而影响大豆的产量，且降幅随着大豆在间作中所占面积的比例增加而减小。

2.1.2 不同高粱大豆间作模式对产量及土地生产力的影响 2 a数据结果表明(表3)，间作晋杂22和间作晋杂34的生物产量与相应单作间差异不显著，但比单作分别降低19.05%，25.93%，2018年处理间差异来源于品种间。2018，2019年间作处理的大豆生物产量分别比单作降低24.99%～50.81%和15.89%～52.04%；2G1∶2D处理的间作大豆生物产量2 a均显著低于单作，平均降低51.12%，2G2∶2D处理的间作大豆生物产量比单作平均降低40.75%。

间作晋杂22的经济产量在2 a表现不一，2018年2G1∶3D、2G1∶4D处理的间作高粱经济产量显著低于单作；2019年间作处理的高粱经济产量与单作间差异不显著。2 a 2G1∶2D、2G1∶3D、2G1∶4D间作处理的高粱平均经济产量分别为G1的84.67%，76.56%，77.24%，2G2∶3D、2G2∶4D间作处理的高粱经济产量2 a均显著低于单作，2G2∶2D、2G2∶3D、2G2∶4D间作处理的高粱平均经济产量分别为G2的71.53%，65.97%，60.82%；2a 2G1∶3D、2G1∶4D、2G2∶3D、2G2∶4D间作处理的大豆经济产量与单作差异不显著，分别达到单作大豆的70.26%，82.52%，77.57%，84.51%，而2G1∶2D、2G2∶2D间作处理的大豆经济产量仅达到单作大豆的49.02%，52.31%。

不同间作模式下混合经济产量显著高于单作大豆；2 a 2G1∶2D、2G1∶3D、2G1∶4D间作处理的混合经济产量分别达到G1的100.14%，98.72%，103.27%，2G2∶2D、2G2∶3D、2G2∶4D间作处理的混合经济产量分别为G2的85.79%，87.12%，83.86%。从土地当量比来看，所有间作模式的LER均大于1，晋杂22大豆和晋杂34大豆间作体系均以2∶4处理的LER最高，2 a平均值分别为1.63和1.48，分别比2∶2、2∶3处理的LER提高15.60%，9.40%和14.73%，2.07%；2G1∶2D、2G1∶3D、2G1∶4D处理的LER分别比2G2∶2D、2G2∶3D、2G2∶4D处理提高8.91%，2.76%，10.17%。可见，2∶2间作处理的大豆生物产量和经济产量都处于间作劣势，2∶4间作处理的土地利用率高于2∶2、2∶3间作处理；高秆品种晋杂22大豆间作体系的经济产量、土地利用率比矮秆品种晋杂34大豆间作体系优势明显。

2.2 不同高粱大豆间作模式对土壤水分利用的影响

2.2.1不同高粱大豆间作生育期土壤水分变化 对各处理定苗之后的土壤0～100 cm土层平均土壤含水量比较可知(图3，4)，2 a间作处理与单作高粱、单作大豆整个生育期0～100 cm土壤含水量变化趋势一致，随着生育进程呈先上升后下降最后趋于平稳的趋势，但2 a达到峰值的时期不一样，这可能与降雨分布有关。2019年不同处理间0～100 cm土壤含水量接近。2018年，晋杂22大豆不同处理0～100 cm土壤含水量在整个生育期呈现D>2G1∶3D>2G1∶2D>2G1∶4D>G1，在定苗之后到7月25日表现明显；整个生育期高粱大豆间作土壤含水量较大豆单作降低0.93～2.93百分点，较高粱单作提高1.24～3.24百分点。而晋杂34大豆不同处理0～100 cm土壤含水量在整个生育期大致呈现D>2G2∶4D>2G2∶3D>G2>2G2∶2D；整个生育期高粱大豆间作较大豆单作降低2.26～3.92百分点，2G2∶3D、2G2∶4D间作处理较高粱单作分别提高0.13，0.81百分点。高粱大豆间作体系的0～100 cm的土壤平均含水量大致介于单作高粱和单作大豆之间；与相对应的单作高粱相比，晋杂22大豆间作体系比晋杂34大豆间作体系保持较高的土壤含水量。

2.2.2 不同高粱大豆间作模式对水分利用效率和水分当量比的影响 由表4可知，2 a间作晋杂22的WUEg低于单作，但差异不显著；与单作(G2)相比，2018年2G2∶4D间作高粱的WUEg显著低于单作；2019年2G2∶2D、2G2∶3D、2G2∶4D间作高粱的WUEg均比单作显著降低24.67%～35.81%，但不同间作处理的WUEg差异不显著。2018年间作大豆的WUEd与单作差异不显著；2019年2G1∶2D、2G2∶2D间作大豆的WUEd分别比单作显著降低60.49%，60.85%。不同间作处理相比，2 a 2G1∶4D、2G2∶4D间作大豆的平均WUEd均处于最高，分别为4.76，4.86 kg/(hm2·mm)。

表4 不同高粱大豆间作模式对水分利用效率和水分当量比的影响Tab.4 Effects of different sorghum-soybean intercropping patterns on Water use efficiency and water equivalent ratio

水分当量比(WER)可比较准确地比较间作群体水分利用效率的提高或减少[21]。2 a不同间作处理的WERg差异均不显著；2019年2G1：2D、2G2∶2D间作处理的WERd显著低于其他处理，WER分别比 2G1∶4D、2G2∶4D显著降低33.85%，32.56%。从整个间作体系的WER来看，不同间作体系的WER均大于1，晋杂22大豆间作体系的WER为1.27 ～ 1.98，晋杂34大豆间作体系的WER为1.16 ～ 1.89，说明高粱大豆间作较单作提高了农田水分利用率；不同间作处理相比，2 a 2G1∶2D、2G2∶2D间作处理降低了水分利用效率，2G1∶4D、2G2∶4D间作处理的WER最大，分别为1.85，1.70；2G1∶2D、2G1∶3D、2G1∶4D处理的WER分别比2G2∶2D、2G2∶3D、2G2∶4D 处理提高8.30%，3.60%，9.14%。可见，晋杂22大豆间作体系的WER高于晋杂34大豆间作体系。

2.3 不同高粱大豆间作模式对作物地上部养分积累的影响

2.3.1 不同高粱大豆间作模式对作物地上部氮累积量的影响 由图5可知，与单作相比，间作降低了间作高粱和间作大豆的氮累积量；2 a间作晋杂22降低幅度平均为35.43～ 45.04 kg/hm2，降低18.63%～23.68%；间作晋杂34降低幅度为48.59～50.87 kg/hm2，降低26.11%～27.34%；间作大豆降低幅度为31.94～74.38 kg/hm2，降低20.76%～48.34%；2G1∶2D、2G2∶2D处理的间作大豆的氮积累量分别仅达到单作的48.55%，54.77%；但高粱大豆间作体系的氮累积量2 a均显著高于相对应的单作高粱和单作大豆。2018年，不同间作处理间差异不显著，晋杂22大豆间作和晋杂34大豆间作均以2∶4处理的氮累积量最高，分别比相对应的单作提高35.39%，42.69%；2019年，在晋杂22大豆间作处理中，2G1∶4D处理的氮累积量分别比G1、2G1∶2D、2G1∶3D处理提高49.13%，31.88%，5.28%；在晋杂34大豆间作处理中，2G2∶3D处理的氮积累量显著高于2G2∶2D处理，与2∶4处理差异不显著，分别比G2、2G2∶2D、2G2∶4D处理提高48.05%，31.00%，2 a 9.71%；2G1∶2D、2G1∶4D处理的氮累积量分别比2G2∶2D、2G2：4D 处理提高4.56%，4.35%。

2.3.2 不同高粱大豆间作模式对作物地上部磷钾累积量的影响 与单作相比，间作同样降低了间作高粱和间作大豆的磷钾累积量，但高粱大豆间作体系的磷钾累积量显著高于单作大豆；与相对应的单作高粱(G1、G2)差异不显著(图6，7)。在晋杂22大豆间作处理中，2 a磷钾累积量均以2∶4处理最高，2G1∶4D处理的磷累积量分别比G1、2G1∶2D、2G1∶3D处理提高5.24%，5.70%，6.21%；钾累积量分别提高10.07%，13.86%，6.47%。在晋杂34大豆间作处理中，2 a磷钾累积量均以2∶3间作处理最高，2G2∶3D处理的磷累积量分别比G2、2G2∶2D、2G2∶4D处理提高13.74%，3.20%，9.69%；钾累积量分别提高11.81%，15.88%，5.54%。晋杂22大豆间作体系的磷累积量与晋杂34大豆间作体系差异不显著；而同一间作模式下，晋杂22大豆体系的钾累积量明显低于晋杂34大豆间作体系，2019年表现尤为明显，差异达到显著，这可能是由品种差异所导致。

3 讨论与结论

3.1 高粱大豆间作模式对高粱大豆产量及构成因素、土地生产力的影响

本试验2 a研究中高粱大豆间作体系的LER均大于1，但受系统资源、种内种间竞争等因素的影响，间作高粱和间作大豆的生物产量、经济产量整体较单作都有不同程度下降，这与高砚亮等[21]、郭安等[30]的研究结果一致。2G1∶2D处理的间作高粱和间作大豆的平均经济产量分别达到相对应单作的84.67%，49.02%；2G2∶2D 处理的间作高粱和间作大豆的平均经济产量分别达到相对应单作的71.53%，52.31%。而2G1∶3D和2G1∶4D间作高粱和间作大豆的平均经济产量分别达到相对应单作的76.56%，77.24%；70.26%，82.52%。2G2∶3D和2G2∶4D处理的间作高粱和间作大豆的平均经济产量分别达到相对应单作的65.97%，60.82%；77.57%，84.51%。说明高粱大豆间作系统中两者存在种间竞争，2∶2间作系统中高粱属于优势作物，这主要是由于一方面地下竞争促进了高粱的茎生长而抑制了大豆茎的生长，2∶2处理间作大豆的生物产量明显低于单作证实了这一点；另一方面间作中高秆作物高粱对矮秆作物大豆地上部有遮阴影响，高秆品种晋杂22表现尤为明显，2G1∶2D处理的间作大豆的生物产量显著降低51.12%。这与吕越等[32]、王钰云等[33]的研究结果一致，高位作物玉米、谷子对低位作物大豆、花生严重遮阴会严重影响大豆和花生的生长发育。而本研究结果表明，2G1∶3D、2G1∶4D间作处理的间作高粱产量较单作下降接近于间作大豆；2G2∶3D、2G2∶4D间作处理的间作高粱产量较单作下降高于大豆，说明2∶3、2∶4高粱大豆间作体系存在种间弱竞争效应，作物间作劣势不明显；高秆品种晋杂22大豆间作体系作物间作劣势尤为不明显。

本试验条件下，间作高粱的穗粒质量、千粒质量与单作高粱差异不显著，间作高粱的产量显著提高很大程度取决于群体增产潜势的发挥。间作大豆产量的提升主要在于大豆的结荚数和单荚粒数，本试验未对高粱有效穗数和大豆的单荚粒数进行研究，对于如何提升高粱有效穗数、高粱影响大豆开花结荚的影响因素还有待进一步研究。试验选用的大豆品种的开花期-结荚期正是高粱的拔节期-孕穗期，这一时期可能是2种作物种间竞争形成的关键时期，探讨种间竞争关键时期的调控措施尤为重要。

3.2 高粱大豆间作模式对水分养分利用的影响

本试验中，受气候干旱和灌溉的影响，2019年不同间作处理生育期内0～100 cm土壤含水量与单作高粱、单作大豆的土壤含水量接近，可见，间作体系在水分严重亏缺和充足条件下较单作并没有表现出更节水。2 a研究中，高粱大豆间作体系WER均大于1，说明高粱大豆间作提高了农田水分生产力，晋杂22大豆间作体系WER为1.27～1.98，晋杂34大豆间作体系WER为1.16～1.89，高秆高粱晋杂22大豆间作比矮秆高粱晋杂34大豆间作更具有优势。

诸多研究表明，豆科禾本科间作可改变田间小气候、根系分泌物、土壤酶活性、微生物以及细菌群落结构等，提高作物对氮磷的吸收利用，改善间作体系的土壤养分管理，从而提高作物产量[25，27，34-35]。李少明等[36]通过盆栽试验证实玉米大豆间作体系中间作玉米氮素养分吸收量比相应单作提高57.53%，间作大豆的吸氮量比单作仅降低1.21%；小麦大豆间作的作物氮磷钾养分吸收总量分别高出相应单作小麦和单作大豆加权的平均吸收量24%～39%，6%～27%，24%～64%[37]。本试验结果表明，与相应单作相比，高粱大豆间作降低了间作高粱和间作大豆氮、磷、钾的吸收量，高粱大豆间作体系只是显著提高了氮的累积量，说明在本试验条件下，高粱大豆间作体系的养分优势只体现在氮养分的累积量上，而并非养分的利用率。在高粱大豆间作体系中，土壤养分竞争主要存在于N和P，高粱一旦进入成熟期，其对大豆的竞争效应就大大降低，可通过氮磷钾复合肥和有机肥配施减少2种作物氮和磷的竞争[31]。因此，要进一步发掘高粱大豆间作体系豆科作物的固氮潜力和促进土壤中难溶性磷的活化，从而提高作物养分利用率，促进产量的显著提升。

本研究结果表明，高粱大豆间作对高粱的产量构成因素千粒质量、穗粒质量影响不明显；但抑制了大豆的结荚数，且这种抑制作用随着大豆在间作中所占面积的比例增加而削弱。高粱大豆间作显著提高农田土地生产力、水分利用效率和氮素养分的累积量；高秆晋杂22大豆间作体系的LER、WER均高于矮秆晋杂34大豆间作体系。在晋杂22大豆间作处理中，2G1∶4D间作处理的混合经济产量达到单作高粱的103.27%，且大豆减产幅度最小，具有较高的水分和土地利用效率、氮磷钾养分累积量，2G1∶4D是本试验条件下高粱大豆间作的适宜配比。