黄土塬区玉米大豆带状复合种植产量与收益分析

王 静，苏东涛，李娜娜，孙隆祥

（1.山西农业大学 农业经济管理学院，山西 太原 030006；2.山西农业大学 山西有机旱作农业研究院，山西 太原 030031；3.山西省朔州市现代农业发展服务中心，山西 朔州 036000）

近年来，随着资源、环境、粮食等全球性问题的凸显，传统种植模式再次引起农业科研学者的广泛关注。传统间作模式能够协调作物间竞争与互补关系，充分利用自然资源，减少环境毒害物的投入，有效提高群体产量和经济效益。其中，玉米、大豆间作模式因其粮油同步，增产优势和固氮养地效果备受农业农村部及相关部门关注，对可持续农业发展具有深远意义。目前，国内外学者关于这方面的研究重点主要集中在玉米和大豆间作模式优化配置与产量产值、生态环境、根系养分水分等方面。研究表明，间作玉米相比单作处理产量及品质均存在较大改善，而大豆则表现减产或不变，这是因为玉米、大豆间作空间镶嵌结构能够促使间作玉米光合能力提升，而大豆表现为下降的态势；同时玉米、大豆间作能够提升玉米对氮、磷元素的吸收和积累量，大豆的氮、磷吸收量则表现降低。究其深层原因是玉米、大豆间作带型配置模式使得种间竞争态势及效应发生变化，从而引起产量差异。因此，深入探究玉米、大豆间作模式群体产量及经济效益最高带型配置比成为农业可持续发展的重要研究内容。

山西省作为典型的黄土塬区，其光、热资源丰富，农田土壤肥力弱化，水源缺乏，同时城镇化步伐加快，致使玉米和大豆种植面积及总产量呈逐年锐减的趋势。因此，高效利用水分和用地养地相结合的玉米、大豆间作模式，为山西省农业结构转型、区域经济发展、农民增收提供了契机。目前关于玉米、大豆间作带型配置增产增效进行了广泛的研究，结果显示，不同的玉米和大豆品种，地域差异致使其研究结果不同。因此，本研究基于前人基础上，设置不同带型配置的玉米、大豆间作模式，对其籽粒产量、作物竞争指数、经济优势等指标进行系统分析，明确基于当地生产水平和生态条件相适应的间作带型比，为山西省多元化农业及旱作农业增产潜力提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2017年度山西省孝义市东盘粮村（111°21′E~111°56′E，36°56′N~37°18′N）进行，属温带季风性气候，平均海拔750 m，年平均温度10.1℃，年降雨量472.6 mm，雨季主要集中于7—9月份，以小量降水居多。全年太阳日照时数平均为2 640.7 h，辐射总量为147.2 kcal·cm，年平均无霜期195 d，年平均蒸发量为1 957.8 mm，属典型的黄土高原旱作农业区。供试土壤为粘土，肥力较差，其耕层土壤有机质含量14.6 g·kg，全氮0.42 g·kg，速效氮70.8 mg·kg，有效磷11.3 mg·kg，速效钾126.2 mg·kg，pH值7.89。

1.2 试验方法

1.2.1 试验材料 玉米品种选用‘大丰30’（山西大丰种业有限公司育制），属强抗旱、高抗旱品种，紧凑型株型；大豆品种选用‘汾豆78’（山西省农业科学院经济作物研究所育制），株型收敛，无限结荚习性品种。

1.2.2 试验设计 采用单因素随机区组设计，设置3种间作带型配置结构，分别为：IC1：2∶2玉米、大豆（2行玉米、2行大豆），带型配置指数为1.0；IC2：2∶3玉米、大豆（2行玉米、3行大豆），带型配置指数为0.66；IC3：2∶4玉米、大豆（2行玉米、4行大豆），带型配置指数为0.5。每个处理3次重复，共9个小区，小区面积为0.667 hm，垄宽65 cm，以玉米单作（SM）和大豆单作（SS）作为对照。间作、单作玉米种植密度均为6.6×10株·hm，行距为50 cm；间作、单作大豆种植密度均为18×10株·hm，行距为40 cm，南北走向种植，均于当年10月初进行收获。所有试验田管理措施与传统种植方式一样，均进行机械种植和病虫草管理，共施用氮肥（折纯量）为N：240 kg·hm、PO：150 kg·hm、KO：225 kg·hm。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 籽粒产量测定 间作、单作处理于玉米、大豆成熟后，各处理区选取6 m进行测产。

边行籽粒产量（marginal grain yield，MGY）测定能够有效评估间作模式下各作物边行优势。若MGY>0，表现为边行优势；若MGY<0，表现为边行劣势。计算公式如下：

式中，Y和Y分别为间作体系中玉米和大豆的产量；Y和Y分别为单作玉米和大豆的产量；Z、Z分别为间作体系中玉米、大豆的种植比例；MGY、MGY分别代表间作中玉米、大豆的边行籽粒产量。

1.3.2 竞争指数 土地当量比（land equivalent ratio，LER）作为多物种系统生产力优势评估指标。若LER>1，为间作优势；若LER<1，为间作劣势。计算公式如下：

式中，LER、LER分别代表间作中玉米、大豆的土地当量比。

为进一步衡量间作模式下物种1相对物种2的竞争优势，引出相对拥挤系数（relative crowding coefficient，K）作为评价指标。若K>K，表明物种1竞争力较强；若K=K，表明竞争为0；若K

式中，K、K分别代表间作中玉米、大豆的相对拥挤系数。

为评价间作模式下物种1的相对产量增长大于物种2产量增长的程度大小，使用侵占力（aggressivity，A）指标进行表征。若A=0，表明2种作物的竞争力相同；若A>0，则物种1占据优势；若A<0则物种2占据优势。计算公式如下：

式中，A、A分别代表间作中玉米、大豆的侵占力。

LER作为物种竞争能力评价指标，尚缺乏间作模式下作物种植比例因素的考虑，对此引出竞争比率（competitive ratio，CR）评价指标。计算公式如下：

式中，CR、CR分别代表间作中玉米、大豆的竞争比率。

实际产量损失（actual yield loss，AYL）以作物单株产量为研究对象，分析当前种植比例下作物相比单作时的相对产量损失或增加。若AYL>0，表明作物存在间作优势；若AYL<0，则作物不存在间作优势。计算公式如下：

式中，AYL、AYL分别代表间作中玉米、大豆的实际产量损失。

系统生产力指数（system productivity index，SPI）是从优势作物方面统一劣势作物的产量，进而评价间作的一个指标。计算公式如下：

1.3.3 经济指数 经济收入情况作为农业生产的主要评价因子，因此将货币优势指数（monetary advantage index，MAI）作为所考虑间作模式下是否存在间作优势评价指标。计算公式如下：

式中，P、P分别为玉米、大豆的经济价格（该地区玉米、大豆价格分别为1.6，5.6元·kg）。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理，SPSS 20.0统计分析软件进行数据处理，采用新复极差法（Duncan）检验试验数据的差异显著性水平（<0.05）。

2 结果与分析

2.1 籽粒产量和边行籽粒产量

不同间作模式下玉米和大豆的籽粒产量分别显著低于SM和SS（<0.05），且处理间均达到显著差异水平（表1）。SM处理分别显著高于其他间作处理下群体籽粒产量15.75%，37.37%，51.46%，SS处理产量最低。IC1处理下边行籽粒产量显著高于IC2和IC3处理，分别提高了69.75%和105.61%。各间作处理边行籽粒产量贡献率分别为17.86%，12.48%和11.36%。

表1 不同间作模式对籽粒产量和边行籽粒产量的影响

2.2 不同间作模式下竞争指数特征分析

2.2.1 土地当量比（LER）与相对拥挤系数（K） 不同间作模式下LER均高于单作处理，且处理间不存在显著性差异，IC1处理下LER最高（表2）。不同间作模式下LER存在显著性差异，随着大豆种植面积的增加呈下降的趋势；LER表现出与玉米相反的趋势。这表明带幅的变化会使带宽作物产量增加，使带窄作物产量下降。不同间作模式下K和K表现为相似的结果，IC1处理均显著高于IC2和IC3处理，且IC1处理下K显著低于IC3处理。IC1处理下K分别高于IC2和IC3处理27.65%和23.93%。相比作物单作处理（SM和SS），间作模式处理下土地当量比（LER）及相对拥挤系数（K）均表现出较强的生产优势，主要源于间作体系中各边行优势效应的叠加。

表2 不同间作模式对土壤当量比及相对拥挤系数的影响

2.2.2 侵占力（A）与竞争比率（CR） 不同间作模式下A和A、CR和CR结果相反，且存在显著性差异（<0.05）（表3）。IC1处理下A显著高于IC2和IC3处理，且IC3处理下大豆侵占力高于玉米。IC1和IC2处理下玉米表现为竞争优势种，而IC3处理下CR高于CR。两者均表明，间作玉米的竞争优势随着间作大豆种植带幅的增加而减弱，说明作物种植较高的带幅更有利于作物对土壤水分、养分及光能的利用。

表3 不同间作模式对侵占力和竞争比率的影响

2.2.3 实际产量损失（AYL）与体系生产力指数（SPI）不同间作模式下AYL均为正值，表明各间作模式均存在间作优势（表4）。AYL和AYL均为正值，表明相对单作，各间作模式下玉米和大豆产量均有所增加，且IC1处理下AYL分别显著高于IC2和IC3处理63.16%和95.28%（<0.05），而处理间AYLS不存在显著性差异。IC1处理下SPI最高，分别高于IC2和IC3处理3.31%和3.33%，表明间作模式中玉米和大豆作物经济产量呈此消彼长的趋势，且IC1处理下间作系统生产力和稳定性最高。

表4 不同间作模式对实际产量损失和系统生产力指数的影响

2.3 经济指数

不同间作模式下IA、IA和IA均为正值，表明玉米间作大豆具有明显的间作优势（表5）。IC1处理下IA分别显著高于IC2和IC3处理63.37%和95.57%（<0.05）。各处理下IA和IA结果相似，且均不存在显著性差异。IC3处理下IA最高，分别高于IC1和IC2处理41.95%和10.97%。不同间作模式下MAI均为正值，且不存在显著性差异。其中IC1处理下MAI最高，相比IC2和IC3处理分别增加了29.03%和29.87%。

表5 不同间作模式对作物经济产值和货币优势指数的影响

2.4 玉米相对大豆种间竞争力与产量的相关关系

进一步分析种间竞争力与群体籽粒产量间相关关系（图1）。研究表明，玉米相对大豆种间竞争力与群体籽粒产量呈线性关系，回归方程为=4 233.2+6 753。随着玉米相对大豆种间竞争力的提升，群体籽粒产量亦随之增加。从货币优势指数分析，亦发现了相同的变化趋势，其回归方程为=1 277.8+2 029.3。

图1 玉米相对大豆种间竞争力与籽粒产量间的相关关系

3 结论与讨论

优化作物带状复合种植体系的本质是通过改变作物空间配置结构，改变间作配对作物对生态环境中光热资源、农田养分、水资源利用及产量的形成。有研究表明，玉米、大豆间作带型比为2∶3模式下群体籽粒产量最高，亦有研究认为带型比为2∶4能够有效通过增加玉米产量从而提升群体产量，还有人认为玉米、大豆间作模式群体收益最大化的带型比为3∶4，均与本研究发现间作模式2∶2带型比处理下群体籽粒产量及边行籽粒产量值最高的结果存在较大差异，分析认为，环境及地理分布情况是限制作物带状复合种植体系带型选择的主要因子。孝义市作为典型的黄土高塬旱作农业区，降水量稀少，土壤肥力贫瘠，而玉米相比大豆更为耐旱，适当增加玉米种植带型比能够有效补偿大豆产量的损失。

本研究考虑间作模式LER值为1.13~1.17，前人基于豌豆、小麦（黑麦和黑小麦）种植模式研究发现，LER值为1.08~1.19，均略低于本研究结果。分析认为，间作模式能够有效增加作物地上部氮素积累量，减缓“氮阻遏”效应，同时玉米较小麦等其他禾本科作物能够更为有效地提高间作大豆固定空气氮的比例，显著提高间作群体籽粒产量。玉米、大豆模式2∶2带型处理K值则显著高于其他处理（<0.05），且玉米和大豆资源竞争能力表现为KM>KS，分析作物侵占力（A）及作物竞争比率（CR），表现为与K相似的结果，说明在玉米和大豆间作体系中，玉米为竞争优势作物，适当提升大豆的资源竞争能力对提升群体产量至关重要。

间作优势（IA）、系统生产力指数（SPI）及货币优势种指数（MAI）能够综合分析间作模式所带来的经济收益。本研究结果显示，带型比为2∶2的间作模式具有最大的SPI和MAI值，而带型比为2∶4处理下IA值最大，这是因为玉米、大豆两者单价及产量差异较大。虽然玉米单价较低，但玉米的收获产量高于大豆，能够弥补由于玉米廉价而造成的收益差距。另一方面，随着集约式和机械化现代农业的快速发展，玉米、大豆间作模式对农机农艺和机械化结合方面提出了更高的要求，机械化作业亦成为限制间作模式带型比选择的主要因子。因此，在实际生产中为了提高单位面积产量和经济效益，同时适应机械作业需求，可将带型比为2∶2的玉米、大豆间作模式作为推广种植模式，该结果亦被本研究中线性回归模型所证实。需要指出的是，本研究结果及优化方案仅适用于相似的生态型地区，其他生态类型地区的间作带型方案需进一步研究。