干旱区玉米大豆单间作生长及产量影响的研究

2022-04-01申磊王秀媛滕元旭张文龙李鲁华张伟

石河子大学学报（自然科学版） 2022年1期

申磊，王秀媛，滕元旭，张文龙，李鲁华，张伟

(石河子大学农学院农学系，新疆石河子 832000)

我国约1/3可耕作土地采用多物种模式，并贡献了中国所有农作物总产量的一半，是我国农业遗产的重要组成部分[1]。大量研究证实，合理的间作能够多层次利用地上光热资源和地下水分及养分资源[2]，提高自然资源利用率和作物复合群体的丰产稳产性[3-4]，同时间作还可以降低作物的病虫草害，具有显著的经济、环境和社会效益[5]。玉米和大豆均是我国重要的粮食作物，玉豆间作也是我国北方较为普遍的高产种植模式[6]。由于大豆的经济效益较低，我国大豆种植面积逐年下降，大豆国内市场供给主要依赖进口，2018年大豆的进口量占比为75%左右[7]，因此，在玉米种植面积不断增加的同时，发展玉米‖大豆复合种植模式，可以实现玉米、大豆产量的双赢。新疆属于干旱半干旱地区，具有良好的光热条件，合理的间作可以提高耕地的复种指数，增加粮食产量。

在玉米与豆科作物间作模式下，间作提高了玉米叶片的叶绿素含量、光合速率、干物质的移动量和转换率，促进玉米根系的生长，还扩大了两作物根系纵向和横向的空间生态位，增加了作物吸收水分和养分的有效空间，使作物根系的分布更合理[8]。合理的间作可以改善植株的微环境来调节植物与环境的相互作用最终影响植物群体的生长发育与产量[9]。

目前有关间作在不同生育期对玉米、大豆地上部和地下部动态影响的研究较少，对于影响作物产量形成主要因素研究不足，且前人对于作物地下部分的研究多采用破坏性取样，本研究试验采用根管法对作物根系进行无损采样，这样可以更全面认识作物根系动态变化的规律，以此对玉米、大豆产量形成规律进行更进一步的探讨。本文通过设计玉米‖大豆间作试验，研究地上部和地下部的动态变化规律，分析株高、根长密度(RLD)、SPAD值、田间温湿度及产量的变化，为探索干旱区玉米‖大豆群体的地上地下部分生长规律及间作对作物产量的影响提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2020年在新疆石河子大学农学试验站(45′08″N，85′36″E)进行为期2年的试验，玉米采用晋糯205品种，大豆品种为新大1号。

2018年作物生长季(4—10月)平均气温为18.65 ℃，降水量为211.7 mm，日照时数为2 077.3 h，2019年作物生长季(4—10月)平均气温为20.94 ℃，降水量为142 mm，日照时数为1 843.08 h。

土壤质地为重壤灰漠土，耕层土壤容重为1.6 g/cm3，全氮0.890 g/kg、速效磷0.023 g/kg、速效钾0.259 g/kg、碱解氮0.058 g/kg、有机质13.260 g/kg，pH7.3，前茬作物为玉米。

1.2 试验设计

试验设置3种植模式处理，分别为玉米单作、大豆单作和玉米‖大豆。玉米、大豆的株行距均为30 cm，试验地长18 m，宽10.2 m，共计180.36 m2，行间配置如图1所示。试验分别于2018年4月24日、2019年4月26日播种，采用膜下滴灌种植方式。基肥包括磷酸二铵300 kg/hm2，尿素、钾肥各75 kg/hm2，玉米吐丝期追施尿素 45 kg /hm2。试验采用滴灌方式，水表记录，灌水频率为7 d/次，每次灌水量为675 m3/hm2。大豆施肥量与玉米施肥量相同，试验地其他管理措施一致。出苗后间苗并补苗，保证每穴留1株苗，播前均匀翻耕，人工除草，试验地四周设置保护行，田间管理以常用的管理模式进行，保证作物生长发育需求为基础。数据采集时间及对应作物生育时期如表1所示。

图1 试验整体行间配置及根管位置

表1 数据测量时间及对应各作物的生育时期

1.3 测定指标与方法

1.3.1 田间温、湿度

分别于2018年6月26日和2019年6月28日正午12：00进行田间温、湿度的测定，采用手持式温湿度测量仪(浙江托普云农业科技有限公司生产的农业环境检测仪)测定各植株在不同种植模式下不同部位的温湿度，单、间作玉米均测量冠层上部、中部、下部3个位点，单、间作大豆测量冠层上部、中部2个位点，试验共5个重复。最后将各处理的5个重复数据取平均值作为小区温、湿度数据。

1.3.2 叶绿素含量

采用SPAD 502叶绿素仪测定植株叶片叶绿素含量，对玉米棒三叶和大豆最顶部展开叶进行SPAD值测量，每个处理6个重复，单作小区随机取6株进行测量，间作小区从2种作物中各取6株进行测量，最后将各处理的6个重复数据取平均值作为SPAD值数据。

1.3.3 根系形态特征

采用CI-600进行田间根系的图像采集，在播种时将透明观察管沿水平地面45°方向埋入作物行间，对前5个时期作物的根系进行测量，每个处理3个重复，扫描器分别采集0～20 cm和20～40 cm土层中的作物根系。利用WinRHIZO对根系图像进行分析，并计算RLD，根管设置如图2所示。

图2 根管设置情况

1.3.4 土地当量比

作物成熟后，对各处理进行收获，收获面积为4 m2，每个处理重复3次，然后统一进行脱粒、自然晒干，称量籽粒产量并折合公顷产量。应用土地当量比(land equivalent ratio，LER)作为衡量间作产量优势的指标[10]，计算公式为

LER=Yia/Ysa+Yib/Ysb，

(1)

式(1)中Yia表示间作玉米产量，Ysa表示单作玉米产量，Yib表示间作大豆产量，Ysb表示作物单作大豆产量。

若LER>1，表明玉米‖大豆系统有产量优势；若LER<1，表明玉米‖大豆系统没有产量优势。

1.3.5 测定指标的时期

本文测定指标的时期如下：A是玉米和大豆的苗期，B是玉米的拔节期和大豆的开花期，C是玉米的抽雄期和大豆的花荚期，D是玉米的吐丝期和大豆的鼓粒期，E是玉米的乳熟期和大豆的成熟期，F是玉米的腊熟期和大豆的收获期。

1.4 数据处理

采用Excel 2019、SPSS19.0和Origin 2019分别进行数据统计、数据方差分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式下玉米大豆株高的动态变化

株高是影响作物生长发育的重要指标。从图3可以看出：2年间玉米和大豆的株高均随着生育期的推进不断增加，在作物生长后期，作物株高趋于稳定。单、间作玉米从苗期到吐丝期株高迅速增加，单、间作玉米株高差异从拔节期到抽雄期不断增大。在2018年与单作相比，间作显著提高了玉米在吐丝期、抽雄期和腊熟期的株高，增值分别为19.79%、14.45%和7.35%。在2019年间作显著提高了玉米在吐丝期、抽雄期和乳熟期的株高，增值分别为12.72%、16.10%和8.53%。2年结果显示玉米‖大豆使玉米株高提高了7.35%～8.53%。

图3 2018和2019年不同种植模式下玉米和大豆株高的动态变化

2年间单、间大豆从出苗期到鼓粒期株高迅速增加，与单作相比，2年间作均显著提高了大豆在花荚期、鼓粒期、成熟期和收获期的株高，2018年分别提高16.76%、15.36%、14.96%和11.34%。2019年分别提高14.92%、16.74%、11.98%和11.46%。2年结果显示玉米‖大豆使大豆株高提高了11.34%～11.46%。

2.2 不同种植模式下作物不同部位温、湿度的变化

温湿度既能反映作物和大气之间的能量交换,也是影响作物叶片光合性能和产量的重要因素。图4显示：2018年间作模式下玉米群体各部位的田间温度与单作存在显著差异，间作使玉米群体下、中和上部温度分别降低了3.94%、4.12%和4.56%。2019年间作使玉米群体下部温度降低了3.82%。2年间间作模式下大豆群体各部位的田间温度与单作存在显著差异，间作使2018年大豆中、上部温度分别降低了7.16%和6.89%，使2019年中、上部温度分别降低6.91%和7.00%。

间作模式下2年间玉米群体下、中部的田间湿度与单作存在显著差异，2018年间作模式使玉米群体下、中部的田间湿度分别降低9.16%和10.28%，2019年分别降低10.26%和6.74%。与单作大豆相比，间作对大豆各部位温湿度无显著影响。间作使玉米群体的田间温湿度降低，提高了间作群体田间的透气性。

不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图4 不同种植模式各作物不同部位的温湿度

2.3 不同种植模式SPAD值的动态变化

叶绿素含量与叶片含氮量有着直接关系,叶绿素是光合作用的光敏催化剂，与光合作用密切相关[11]。由图5可知：2年间各处理玉米的SPAD值在苗期至拔节期迅速提高，并在抽雄期达到峰值(除2019年单作玉米在拔节期达到峰值外)，随后SPAD值逐渐降低。间作显著提高了2018年玉米乳熟期的SPAD值，提高了14.87%，使2019年玉米抽雄期的SPAD值显著提高了9.15%。其它生育时期单、间作玉米间SPAD值差异均不显著。

图5 2018和2019年不同种植模式下玉米和大豆SPAD值的动态变化

2年间各处理大豆的SPAD值在苗期至开花期迅速提高，并在开花期达到峰值。2018年间作使大豆在开花期和花荚期的SPAD值显著降低，分别降低9.27%和12.00%。2019年间作使大豆鼓粒期的SPAD值显著降低10.21%。其它生育时期单、间作大豆间SPAD值均无显著差异。

2.4 不同种植模式作物根系的动态变化

根系是植物吸收养分、水分的重要器官，其生长及分布影响着地上部的生长。由图6可知：玉米和大豆随着生育期的推进，RLD值在逐渐增大。在0～20 cm土层中，单、间作玉米的RLD值从苗期至抽雄迅速提高，随后增速逐渐降低，从拔节至抽雄期单、间作玉米的RLD值差异均在不断增大。在20～40 cm土层中单作玉米的RLD值从苗期至抽雄期迅速提高，随后增速逐渐降低，而间作玉米的RLD值从苗期至吐丝期迅速提高，随后增速逐渐降低，RLD值年际间存差异。与单作玉米相比，2018年间作显著提高了玉米在抽雄期和吐丝期20～40 cm土层中的RLD值，分别提高了8.4%和18.0%；2019年间作显著提高了玉米在抽雄期20～40 cm土层中的RLD值，提高值为22.6%。2年间玉米‖大豆使玉米0～40 cm土层中的RLD值增加9.59%～15.97%。

在0～20 cm 土层中，2年间单作大豆RLD值在苗期至鼓粒期迅速提高，随后增速逐渐降低，间作大豆RLD值在苗期至花荚期迅速提高，随后增速逐渐降低，2年间单、间作大豆均在鼓粒期和成熟期差异显著，与单作相比，2018年间作使大豆鼓粒期和成熟期0～20 cm土层中的RLD值分别降低16.29%和19.40%，2019年分别降低19.10%和13.35%。在20～40 cm 土层中，两年间单作大豆的RLD值从出苗至鼓粒期迅速提高，随后增速逐渐降低，而间作大豆从出苗至花荚期迅速提高，随后增速逐渐降低，年际间有差异。2019年单、间作大豆成熟期20～40 cm土层中的RLD值差异显著，间作使RLD值降低了17.34%。2年间玉米‖大豆使大豆0～40 cm土层中的RLD值降低25.13%～30.68%。

A—玉米和大豆的苗期;B—玉米的拔节期和大豆的开花期;C—玉米的抽雄期和大豆的花荚期;D—玉米的吐丝期和大豆的鼓粒期;E—玉米的乳熟期和大豆的成熟期;F—玉米的腊熟期和大豆的收获期。图6 2018和2019年不同种植模式下大豆、玉米在0～40 cm土层中RLD值动态变化

2.5 不同种植模式单株穗数/荚数、穗粒数/每荚粒数、千粒重及产量分析

由表2可知：2年间单、间作玉米的单株穗数和穗粒数差异均不显著，而间作显著提高了玉米的千粒重和产量，分别提高7.73%～8.48%和18.52%～19.8%。2年间单、间作大豆的每荚粒数差异均不显著，而间作显著降低了大豆的每株荚数、千粒重和产量，分别降低34.51～35.45、13.34%～16.45%和55.87%～57.44%。土地当量比(LER)是衡量间作产量优势的指标，通过公式(1)求得2年间作土地当量比为1.61～1.64>1，表明间作系统形成了较高的种植优势。

表2 2018和2019年不同种植模式下作物产量构成因素及作物产量

2.6 作物各生育期指标与产量的相关性

对各生育期下株高、SPAD值和RLD值(0～20 cm和20～40 cm)这3个指标与产量进行相关性分析，求得皮尔逊相关性系数(Pearson correlation coefficient)，结果(表3)显示：玉米产量与株高(除苗期株高呈负相关外)、SPAD值和RLD值(除0～20 cm拔节期呈负相关外)均呈正相关。玉米苗期至腊熟期与产量的相关性达到极显著水平的是拔节期至吐丝期的RLD值(0～20 cm)、抽雄期的RLD值(20～40 cm)，相关性达到显著水平的是抽雄期至吐丝期的株高、吐丝期至乳熟期的RLD值(0～20 cm)和苗期 RLD值(20～40 cm)。大豆产量与SPAD值和RLD值(除苗期0～40 cm土层RLD值呈负相关外)均呈正相关，与大豆株高呈负相关。苗期至收获期与大豆产量的相关性达到极显著水平的是收获期的株高和鼓粒期的RLD值(0～20 cm)，相关性达到显著水平的是花荚期至成熟期的株高、开花期至花荚期和成熟期的RLD值(0～20 cm)。

当相关系数达到0.8～1.0时，代表自变量与因变量之间为极强相关关系，0.6～0.8为强相关关系。由表3可知：从抽雄期至腊熟期，玉米的株高和RLD值(0～40 cm)与产量均为极强正相关关系(除乳熟期株高及抽雄至吐丝期的SPAD值外)。玉米吐丝期株高、乳熟期SPAD值、抽雄期RLD值(0～20 cm)和吐丝期RLD值(20～40 cm)为各生育期不同指标相关系数的最高值，分别为0.992、0.901、0.998和0.992。从花荚期到收获期大豆的株高和RLD值(0～20 cm)与大豆产量均为极强相关关系。大豆收获期株高、成熟期SPAD值和鼓粒期RLD值(0～40 cm)为各生育期不同指标相关系数的最高值，分别为-0.996、0.959、0.996和0.527。因此，影响玉米产量的主要因素有株高和RLD值(0～40 cm)，对大豆产量产生影响的主要因素为株高和RLD值(0～20 cm)。

表3 作物各生育期不同指标与产量的相关性

3 讨论

(1)玉米‖大豆间作是一种弱竞争体系，两种作物在水分、养分等资源吸收利用的时间上是分离的，存在不同生态位资源利用差异，以此来实现间作优势。本研究表明间作提高了玉米和大豆的株高，玉米属于高位作物后期受大豆影响较小，对光照、水分和养分等竞争要大于矮秆作物大豆。在大豆生育前期，由于玉米植株对大豆植株的遮荫程度不明显，单、间作模式下大豆的株高无显著差异，随着生育期的推进玉米对大豆的遮荫程度会增加，导致大豆光合产物优先供应茎秆伸长。单、间作玉米SPAD 值均从苗期至抽雄期随着时间的推移逐渐增加，到抽雄期达到最大(除2019年单作外)之后逐渐降低，在玉米生育前期可能由于氮素主要集中在叶片等营养器官中，玉米的 SPAD 值较高，且间作促进了玉米SPAD值的提高。抽雄期后玉米从营养生长向生殖生长过渡，氮素由叶片等营养器官转移到籽粒等生殖器官中，导致叶片的 SPAD 值下降[12]。且在玉豆间作系统中，间作大豆通过固氮作用增加玉米氮吸收量，提高玉米对氮素吸收和利用的效率[13]。单、间作大豆SPAD值均在开花期达到最大值，且间作在生育中后期降低了大豆的SPAD值，随着大豆受到的遮荫程度越高，其SPAD值越低[14]。

(2)玉豆间作体系中地下部分的相互作用起着主导作用，且玉米具有比大豆更强的资源竞争优势。间作可以扩大作物根系纵向和横向的空间生态位，即扩展了作物的水分和养分生态位，增加了作物吸收养分的有效空间。高阳等[15]认为玉豆间作时，二者根系主要分布在0～30 cm土层中。本研究表明拔节期后单、间作玉米的RLD值差异开始逐渐增加，间作玉米20～40 cm土层中根系的生长，使玉米根系纵向生态位扩大。陈平等[8]研究表明玉豆间作扩大了玉米根系在水平与垂直方向的生态位，根长密度和根表面积与氮素吸收呈正相关，在玉豆间作系统中，间作大豆通过固氮作用增加玉米氮吸收量，促进了玉米根系活力。本研究结果表明花荚期后单、间作大豆的RLD值差异开始逐渐增加，间作抑制了大豆0～40 cm土层中根系的生长，0～20 cm土层中的根系受到的抑制作用更加明显，使大豆根系横向生态位缩小，这与杨峰[16]等研究结果相似。尹元萍等[17]研究表明间作大豆的生长在苗期受到的抑制作用显著，这与本研究结果不一致，本研究认为在作物生育中后期由于大豆光合产物优先供应茎秆伸长，严重影响了大豆地下部分的生长，使大豆地下部生长受到抑制。

(3)作物生长对田间温、湿度变化非常敏感，不良的温、湿度环境会导致植株矮小、叶片发黄、授粉不良和病虫害爆发等现象，从而导致作物的产量和品质受到影响。温度对病害流行的影响贯穿于作物发病的各个阶段，在适宜温度范围内病害的潜育期随着温度升高而缩短，危害程度也随之加重[18]。湿度是影响作物病害传播与流行的重要环境因子，大多数病原真菌孢子萌发所需的叶表相对湿度为95%，因此病害多发生在夜间灌溉和雨后[19]。BOUDREAU M A等[20]研究发现，由于作物间作存在株高差异，加速了田间空气流动，提高了田间的透气性，使田间的湿度降低。刘晶等[21]研究发现通过玉米‖大豆，玉米植株可以起到为大豆植株防风的作用，减小大豆群体内空气的流动。本研究认为，由于玉米大豆存在株高差异，改变了作物群体的空间结构从而影响附近的田间小气候，使植株群体内部温湿度发生变化，间作显著降低了玉米群体的田间温湿度以及大豆的田间温度，使田间微环境得到改善，有助于减少病虫害的发生。

(4)从作物产量构成因素角度来看，间作提高了玉米的千粒重，从而使得间作玉米产量提高，合理的田间配置方式可以提高玉米中下层叶片的光截获量，增大光合面积，进一步提高光能利用率，促进植株干物质积累。而间作使大豆的每株荚数和千粒重下降，致使大豆产量降低。由于玉米遮荫使光合产物减少，花、荚的生长所需营养物质不足，导致大豆落花、落荚，严重影响大豆产量[22]。本研究根据作物各生育期不同指标与产量的相关分析发现，影响玉米产量的主要因素是抽雄期至腊熟期的株高和RLD值(0～40 cm)，影响大豆产量的主要因素是花荚期到收获期的株高和RLD值(0～20 cm)。综合来看，影响玉米‖大豆系统产量的因素为作物的株高及根系的发育程度。在本试验中，玉米‖大豆的LER为1.61～1.64，说明玉米‖大豆系统具有一定的种植优势。