木薯‖玉米间作模式对木薯产量、薯构型及土壤性质的影响

2022-11-07刘丽娟魏云霞

中国农业大学学报 2022年11期

刘丽娟黄洁魏云霞* 王娟

(1.中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所/农业农村部木薯种质资源保护与利用重点实验室，海口 571101； 2.海南大学热带作物学院，海口 570228)

木薯是世界三大薯类作物之一，由于单一栽培的木薯通常面临着产量停滞、资源利用效率低等问题，我国木薯严重依赖进口，而玉米是我国第一大粮饲作物。间套作是我国传统农业的精髓，可通过作物间地上部互作和地下部互作，形成其产量优势，木薯‖玉米间作历史悠久，在南美洲、非洲及东南亚均有较大面积。已有报道表明，木薯‖玉米间作有利于增加木薯产量、提高收获指数、显著提高单位土地面积的生产力。因此，推广应用木薯‖玉米间作对贯彻我国“十四五规划”中“以粮食安全为底线”的战略具有重要意义。

作物生长中的时间生态位互补是间作产量优势的驱动力之一，玉米‖小麦间作的根系在空间生态位上的互补扩大、时间生态位上的前后分离，是间套作优势形成的主要机制，时空互补机制在木薯‖花生间作的竞争恢复现象中也有体现。木薯‖玉米间作，木薯最初生长缓慢，生长时间较长，两种作物的养分需求峰值出现时间也不同，根系达到不同深度，因此可以利用不同土壤深度的养分。薯构型是指木薯的块根在土壤环境中的空间分布特征，基于木薯‖玉米间作共生期的根系分布规律，进一步研究其薯构型，有利于揭示其根系生态位的时空互作机制。同时，由于作物根际营养调控和根区施肥有利于提高肥料利用率，明确薯构型可为调整农艺措施提供参考。

根据单作木薯块根主要集中在种茎基部，木薯‖花生间作呈现种茎基部结薯多，顶部和两侧结薯少的特征，黄洁等研究首推在种茎基部施肥，刘丽娟等根据木薯和玉米共生期的根系分布规律，推荐在其根系密集生长带(块)内施肥。苏必孟等初步勾勒出单作木薯的薯构型，魏云霞等进而研究单作种茎排布对薯构型的影响，目前，在确定木薯收获机的收获幅宽及其深度农艺参数基础上，间作系统薯构型方面的研究尚未见报道。本研究拟通过大田试验，来比较不同木薯间作玉米模式的农艺、产量、薯肉品质和土壤理化性质等指标，旨在优化木薯‖玉米间作的栽培行距，以期为木薯‖玉米间作的优质高效生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2019—2020年，在海南省儋州市宝岛新村中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所(品资所)试验基地(19.5° N，109.5° E)开展试验，该基地地处热带季风气候区，多年的平均气温23.5 ℃、降雨量1 815 mm/年，砖红壤，植前土壤pH 6.1、有机质16.7 g/kg、碱解氮51.6 mg/kg、速效磷96.2 mg/kg、速效钾42.9 mg/kg。选用品资所选育的‘华南9号’(‘SC9’)食用木薯和福建省南平市晓富种子公司的特早熟鲜食玉米品种‘糯玉808’。肥料为挪威雅苒国际有限公司的硫酸钾型复合肥(N、P、K总养分≥450 g/kg)和内蒙古自治区锡林郭勒盟的发酵纯羊粪(N、P、K总养分≥50 g/kg)。

1.2 试验设计

设等行距木薯单作(MS)、宽窄行木薯单作(MS)、等行距木薯间作1行玉米(MI)、宽窄行木薯间作1行玉米(MI)、宽窄行木薯间作2行玉米(MI)共5个处理，3次重复，随机区组排列，小区面积30 m。统一起垄，垄底宽140 cm、垄面宽120 cm、垄沟底宽60 cm、垄高30 cm，垄向为东西走向，先在垄中央开宽20 cm、深10 cm的浅沟，按0.45 t/hm复合肥和4.50 t/hm干羊粪，折算为小区施肥量，全作基肥撒施，然后盖土，覆膜。

木薯株距均为100 cm，在垄面两侧呈品字形交叉，与垄向垂直，种茎基端朝里，与垄面呈45 °斜插种茎。MI、MI每穴间苗后保留2株玉米；MI每穴间苗后保留1株玉米；玉米穴距均为30 cm，见图1。2019年5月21日种植木薯和玉米，2019年7月27日收获玉米，玉米秸秆覆盖还田，玉米全生育期68 d，2020年3月18日收获木薯，木薯全生育期303 d。植后不追肥，统一常规田间管理。

MS1,等行距木薯单作；MS2,宽窄行木薯单作；MI1，等行距木薯间作1行玉米；MI2，宽窄行木薯间作1行玉米；MI3，宽窄行木薯间作2行玉米。下同。长度单位：cm。 MS1， equidistant row sole cassava； MS2, wide-narrow row sole cassava; MI1, equidistant row cassava intercropping 1 row maize; MI2, wide-narrow row cassava intercropping 1 row maize; MI3, wide-narrow row cassava intercropping 2 rows maize. The same as below. Length unit: cm.图1 不同种植模式的示意图Fig.1 Schematic diagram of different planting modes

1.3 测定项目及方法

土壤理化性质

试验前和收获木薯后，用五点采样法，采集0～20 cm耕层土样，测定土壤溶液pH，重铬酸钾容量法测定有机质、碱解扩散法测定碱解氮、NHF-HCl法测定速效磷、火焰光度法测定速效钾。

地上部农艺性状

收获玉米时，各小区除去保护行，选取10株玉米，常规方法调查玉米株高、茎粗、冠半幅、生物量和产量。冠半幅是指作物冠丛最大幅度处至冠丛中心的水平距离。

收获玉米、木薯时，各小区除去保护行，选取10株木薯，常规方法调查木薯株高、茎粗、冠半幅和生物量。冠半幅分为东、西、垄内、垄外4 个方向。

薯块产量和薯构型

除保护行外，收获小区中间的12株木薯，测量薯长、薯径，每小区分别各取4株(2对)木薯测垄向半幅宽、垂直垄向半幅宽和薯块层深。按苏必孟等方法改进薯构型调查方法，见图2。

薯长：从薯柄至薯尖(薯直径1 cm处)的长度，cm。若薯柄明显，则从薯柄与薯肉交界处为始；若薯柄不明显，则从种茎与薯肉交界处为始。

薯径：用游标卡尺测量薯块最粗部位的直径，mm。

垄向半幅宽：种茎两侧的薯尖到种茎中心线的垂直水平宽度，cm。

垂直垄向半幅宽：薯尖到种茎基部横截面的垂直水平宽度，cm；分种茎基端(垄内)半幅宽、种茎顶端(垄外)半幅宽。

薯深：地面至入土最深薯尖的垂直距离，cm。

垄向和垂直垄向半幅宽不同范围内的薯数、薯重：将垄向和垂直垄向的半幅宽均划分为0.0～20.0、20.1～30.0、30.1～40.0、40.1～50.0和≥50.1 cm共5个范围，计算不同范围内的单株薯数，然后逐层立体切分，测量不同范围内的单株薯重。

不同土层深度的薯数、薯重：划分0.0～15.0、15.1～20.0、20.1～25.0和≥25.1 cm共4个土层深度，计算不同土层深度内的单株薯数，然后逐层立体切分，测量不同土层深度内的单株薯重。

单株木薯在不同调查范围内的鲜薯重总和为单株鲜薯重，小区内共调查12株木薯，其总鲜重换算为单位面积鲜薯产量。用水比重法测定薯干率和鲜薯淀粉含量，并换算薯干、淀粉产量。

图2 薯构型的薯块图(a)、主视图(b)及俯视图(c)Fig.2 Storage root (a), front view (b) and vertical view (c) of cassava storage root structure

品质

测完薯块鲜重及薯数以后，把剥皮后的薯肉切丝，采用四分法混匀，抽样300 g，用烘干法计算薯肉干物质百分率，干样用来测定营养品质。粉碎的干样经浓HSO-HO消煮后，用凯氏定氮法测定氮含量、钼锑抗比色法测定磷含量、火焰光度法测定钾含量；用乙醇提取可溶性糖，HClO提取淀粉，再用蒽酮法测定可溶性糖、淀粉含量；用直接灰化法测定灰分；用酸碱消煮法测定粗纤维含量；蒸食法评价鲜薯食味。

1.4 数据处理

采用Excel 2017软件处理数据及生成表格，采用SAS 8.1软件Duncan新复极差法分析差异显著性，使用CAD 2014、Sigmaplot 12.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 对玉米株高、茎粗及冠半幅的影响

由图3可知，收获玉米时，MI的玉米株高、茎粗、冠半幅均大于MI、MI，株高增加9.5%～11.5%、茎粗增加14.4%～18.1%，冠半幅增加15.2%～15.7%。

2.2 对木薯株高、茎粗及冠半幅的影响

由图4可知，收获玉米时，木薯株高表现为间作>单作；等行距的茎粗表现为间作>单作，宽窄行的茎粗表现为单作>间作；4个方向的木薯冠半幅总体表现为：东>西、垄内>垄外、间作>单作。收获木薯时，等行距木薯株高表现为间作>单作；茎粗表现为间作>单作，MI、MI均与MS差异显著。总体看，木薯地上部长势表现为间作优于单作、等行距优于宽窄行，MI较优。

同一指标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。下同。 Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05), different uppercase letters indicate extremely significant difference (P<0.01) in the same index. The same below.图3 不同种植模式玉米的株高(a)、茎粗(b)和冠半幅(c)Fig.3 Height (a), stem diameter (b) and half crown width (c) of maize under different planting modes

2.3 对玉米产量性状的影响

由表1可知，宽窄行间作的玉米总穗数、鲜穗产量、收获指数均高于等行距间作模式。与MI、MI相比，MI的总穗数增加45.1%～59.7%、鲜穗产量增加70.9%～76.4%，茎叶鲜重提高38.6%～44.6%。

2.4 对木薯产量性状的影响

由表2可知，单作中，宽窄行的鲜薯干物质百分率、鲜薯粗淀粉含量以及鲜薯、薯干、淀粉产量均高于等行距处理；间作中，宽窄行的薯径、鲜薯干物质百分率、鲜薯粗淀粉含量和茎叶鲜重均大于等行距处理。与单作相比，间作可增加鲜薯产量31.4%～56.2%、薯干产量34.7%～58.4%、淀粉产量37.5%～60.1%，提高收获指数35.1%～40.5%，其中，MI达极显著，且薯块明显变长、变粗。

2.5 对木薯薯构型的影响

对垄向半幅宽、垂直垄向半幅宽、薯深的影响

由图5可知，垄向半幅宽30.2～36.2 cm，MI比其他4个处理宽10.0%～19.9%；垂直垄向半幅宽20.6～26.4 cm，MI比其他4个处理宽6.5%～28.2%；薯深22.5～24.7 cm。总体看，垄向半幅宽和薯深基本表现为间作>单作、宽窄行>等行距，MI分布最宽、最深。

对垄向半幅宽不同范围内薯数、薯重占比的影响

由图6可知，总体看，MI的薯数和薯重分布最广；各处理的95.1%～98.5%薯数、98.1%～99.8%薯重聚集在垄向0～40 cm，除MI外，0～40 cm的薯数占比、薯重占比均表现为间作>单作，间作为宽窄行>等行距，单作为等行距>宽窄行。

对垂直垄向半幅宽不同范围内薯数、薯重占比的影响

由图7可知，0～20 cm土层内，垄内有70.1%～91.9% 薯数、91.8%～98.2%薯重，而垄外有71.5%～82.3%薯数、79.9%～92.0%薯重。0～30 cm土层内，不论垄内或垄外，薯数≥86.9%、薯重≥97.2%。MI分布最宽。

68 d代表玉米生育期，303 d代表木薯生育期。下同。 68 d represents maize growth period, 303 d represents cassava growth period. The same below.图4 不同种植模式木薯的株高(a)、茎粗(b)和冠半幅(c)Fig.4 Height (a), stem diameter (b) and half-crown width (c) of cassava within different planting modes

表1 不同种植模式玉米的产量性状
Table 1 Yield traits of maize under different planting modes

种植模式Plantingmode穗 Ear总数/(103/hm2)Number长/cmLength粗/mmWidth干物质百分率/%DMC茎叶干物质百分率/%DMCSL鲜穗产量/(t/hm2)Fresh earyield茎叶鲜重/(t/hm2)FWSL收获指数HIMI114.33 Ab14.51 Aa43.78 Aa35.41 Aa22.28 Aa2.20 Ab18.82 Bb0.10 AaMI215.78 Ab14.35 Aa43.52 Aa33.73 Aa18.92 Aa2.27 Ab18.04 Bb0.11 AaMI322.89 Aa14.96 Aa44.38 Aa36.16 Aa21.17 Aa3.88 Aa26.09 Aa0.13 Aa

注：同列不同小写字母表示差异显著(<0.05)，不同大写字母表示差异极显著(<0.01)。DMC表示干物质百分率，DMCSL表示茎叶干物质百分率，FWSL表示茎叶鲜重。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference (<0.05), different uppercase letters indicate extremely significant difference (<0.01) in the same column. DMC indicates dry matter content, DMCSL indicates dry matter content of stem and leaf, FWSL indicates fresh weight of stem and leaf. The same below.

表2 不同种植模式木薯产量性状
Table 2 Yield traits of cassava under different planting modes

种植模式Plantingmode块根 Fresh storage root (FSR)产量/(t/hm2) Yield长/cmLength粗/mmWidth干物质百分率/%DMC粗淀粉含量/(g/100 g)CS鲜薯FSR薯干DSR淀粉Starch茎叶鲜重/(t/hm2)FWSL收获指数HIMS121.41 Aab46.87 Aab40.56 Aa29.71 Aa26.81 Bb10.81 Bb7.87 Bb45.26 Aa0.37 BbMS221.12 Aab46.19 Ab41.41 Aa30.84 Aa26.93 Bb11.13 Bb8.28 Bb45.15 Aa0.37 BbMI120.46 Aab50.26 Aab41.39 Aa30.82 Aa35.24 ABab14.56 ABab10.82 ABab35.69 Aa0.50 AaMI220.10 Ab50.51 Aa41.51 Aa30.97 Aa34.55 ABab14.36 ABab10.72 ABab39.21 Aa0.47 ABaMI324.44 Aa50.97 Aa42.00 Aa31.62 Aa42.06 Aa17.63 Aa13.26 Aa38.95 Aa0.52 Aa

注：CS表示粗淀粉，DSR表示薯干。

Note: CS indicates crude starch, DSR indicates dry storage root.

图5 不同种植模式下垄向半幅宽(a)、垂直垄向半幅宽(b)和薯深(c)Fig.5 Half width along the ridge direction (a)， also across the ridge direction (b)， even depth (c) of cassava storage root under different planting modes

对不同土层深度薯数、薯重占比的影响

由图8可知，93.7%～99.2%薯数、97.6%～99.9%薯重分布在0～25 cm土层，此范围内的薯数占比和薯重占比均呈单作>间作、等行距>宽窄行，以MI薯块分布最深。

2.6 对薯肉品质的影响

由表3可知，各处理的薯肉品质指标的差异均不显著，食味均为优(未列出)；其中，MS的淀粉、粗纤维、磷含量最高，而MI的可溶性糖、灰分、氮、钾含量最高。

(a)垄外方向薯数；(b)垄外方向薯重；(c)垄内方向薯数；(d)垄内方向薯重(a) Number of storage root in outside direction of ridge； (b) Weight of storage root in outside direction of ridge； (c) Number of storage root in inside direction of ridge； (d) Weight of storage root in inside direction of ridge图7 不同种植模式下垂直垄向半幅宽不同范围内薯数和薯重的占比Fig.7 Ratio of number and weight in half width across the ridge direction within the different scope under different planting modes

图8 不同种植模式下不同土层薯数(a)和薯重(b)的占比Fig.8 Ratio of number (a) and weight (b) of storage root in the different soil layer under different planting modes

表3 不同种植模式下薯块的营养物质含量
Table 3 Nutrient content of cassava storage root under different planting modes g/100 g

种植模式Planting mode淀粉Starch可溶性糖Soluble sugar粗纤维Coarse fiber灰分Ash氮N磷P钾KMS172.62 Aa1.55 Aab3.73 Aa2.13 Aa0.29 Aa0.13 Aa0.96 AaMS270.73 Aa1.55 Aab3.57 Aa2.03 Aa0.29 Aa0.12 Aa0.97 AaMI172.30 Aa1.40 Aab3.68 Aa2.23 Aa0.31 Aa0.12 Aa0.97 AaMI271.10 Aa1.26 Ab3.43 Aa2.13 Aa0.33 Aa0.12 Aa0.91 AaMI371.08 Aa1.79 Aa3.55 Aa2.23 Aa0.35 Aa0.11 Aa0.97 Aa

2.7 对土壤理化性质的影响

由表4可知，各处理间的养分含量差异不显著，大多数指标表现间作优于单作、宽窄行优于等行距，其中，MI的土壤溶液pH、有机质、速效磷和速效钾含量比其他4个处理分别提高0.3%～1.9%、8.0%～24.6%、9.3%～41.1%、4.4%～38.2%。

表4 不同种植模式的土壤理化性质
Table 4 Soil physicochemical properties of different planting modes

种植模式Planting modepH有机质/(g/kg)Organic matter碱解氮/(mg/kg)Available N速效磷/(mg/kg)Available P速效钾/(mg/kg)Available KMS16.42 Aa12.81 Aa73.44 Aa144.20 Aa42.27 AaMS26.40 Aa14.77 Aa76.18 Aa159.22 Aa33.72 AaMI16.41 Aa14.09 Aa80.27 Aa152.17 Aa44.65 AaMI26.50 Aa14.78 Aa77.23 Aa186.06 Aa39.92 AaMI36.52 Aa15.96 Aa77.93 Aa203.41 Aa46.60 Aa

3 讨论

3.1 间作产量优势

木薯‖玉米可大幅增加木薯产量。本试验宽窄行间作(MI、MI)的玉米产量优势均大于等行距(MI)，以MI最优，这与原小燕等、鲁珊等的结果一致，可能是因为间作的玉米，每穴留1株，与留2株相比，一是可减弱穴内玉米竞争，二是可为玉米和木薯获得更优的全方位生长条件。间作的木薯产量优势大于单作，宽窄行的鲜薯干物质百分率、鲜薯粗淀粉含量优于等行距，以MI最优，这与闫庆祥等研究结果类似，宽窄行处理较等行距提高鲜薯、薯干和淀粉产量的原因可能是土壤中玉米根系占有一定的土壤孔隙，且宽窄行木薯比等行距降低土壤容重，增加土壤孔隙度，从而有利于改良木薯生长中后期的土壤理化性质，促进木薯块根膨大生长。此外，木薯和玉米的地上部农艺性状与其产量、品质也有重要关系，本试验的间作木薯地上部性状优于单作，MI玉米地上部性状最优，这类似于木薯间作花生促进木薯长高、宽窄行显著提高玉米苗期地上部生物量。

3.2 生态位分化对产量优势的影响

生态位分化是指竞争物种在时间或空间上不同程度地利用资源，减少物种间竞争，保持物种共存和资源利用互补性的过程，其中，作物生长中的时间分化是间作产量优势的驱动力之一。在本试验的生长前期，间作的木薯茎粗与单作无显著差异，但生长后期，间作的木薯茎粗大于单作，其中等行距间作的MI与等行距单作MS差异显著，原因是木薯与特早熟玉米共生期仅有68 d，地上部竞争较弱，收获玉米后的木薯可获得较快恢复生长并反超，这与花生间作木薯的株高、茎粗和鲜薯产量存在“竞争-恢复”现象相同。

对于作物地下部，已有研究表明，因间作共生期的玉米受抑于小麦竞争，使间作玉米的株高、地上部干重、根重密度、根长密度和根表面积密度均低于单作，但在收获小麦后，间作玉米根系得以迅速恢复生长和拓展，使其根重、根长、根表面积和地上部干重均高于单作。刘丽娟等研究表明，木薯总根系的水平生长优势表现出单作>间作、宽窄行>等行距；细根和粗根在深度上的优势均表现出等行距的间作>单作、宽窄行的单作>间作，以等行距木薯间作1行玉米最优。而在本试验收获木薯时，薯构型的垄向半幅宽和薯深基本表现为间作>单作、宽窄行>等行距，MI的薯块分布为最深，说明收获玉米后，间作尤其是宽窄行间作2行玉米的木薯根系(薯构型)比共生期获得更强的水平和纵深生长优势，从共生期到收获期，间作的木薯表现出“竞争弱-恢复快-强化反超”现象，玉米-小麦间作根系的全生育期生长表现一致，从而有利于促进间作的木薯产量优势。

3.3 土壤理化性质对产量优势的影响

土壤养分是产量的重要限制因子。梁海波等研究表明，N、PO、KO对产量的贡献率分别为23.1%、22.2%、34.4%。木薯间作花生，可提高土壤的碱解氮、速效钾含量以及花生根区的碱解氮、速效磷含量和木薯根区的碱解氮含量；木薯根际氰化物可促进花生根系中乙烯前体积累，进而调控花生根际微生物的核心物种丰度，有利于加速根际有机氮、磷的矿化，为花生地下部提供可利用氮、磷养分，从而有利于花生籽粒生产等。本试验中，木薯间作比相应单作更有利于改善土壤理化性质，且宽窄行优于等行距，以MI为优，这可能是因为MI的秸秆还田量极显著地大于其他处理，还田量增加38.63%～44.62%。此外，本试验的间作改善土壤理化性质与玉米秸秆还田加速土壤微生物生长和繁殖、玉米秸秆腐解后释放养分、覆盖地膜降低土壤速效磷向下淋溶的程度、秸秆地膜双覆盖可以增加表层土壤温度和含水率、玉米根系分泌物富含氨基酸等营养物质从而增加根际土壤的活性碳、氮等的关系，值得进一步研究。

作物根际营养调控和根区施肥有利于提高肥料利用率，根据刘丽娟等对木薯间作玉米共生期根系的研究，推荐在“木薯种茎基端线两侧各宽20 cm、种茎中线两侧各宽30 cm、深10 cm”的根系密集生长区块内施肥。本试验的薯块垂直垄向半幅宽(种茎基端线两侧)20.6～26.4 cm，垄向半幅宽(种茎中线两侧)30.2～36.2 cm，薯深22.5～24.7 cm，比前期试验相应共生期根系分布略宽且深，郑玉等研究也表明木薯的浅施肥比深施更有利于增产，这进一步证明在木薯共生期的根系密集生长区块内浅施肥是可行的，早期浅施肥的养分会逐步被淋溶扩散到施肥区外及略深土层的块根扩展层，正好可满足木薯生长中后期块根密集区生长的需要，从而有利于木薯全生育期根系对肥料养分的高效吸收利用。