大豆-玉米间作种植模式效应分析

吴 欣，李相涛，张冬菊,李筱雨,康宇静,李晓瑞

(开封市农林科学研究院，河南 开封 475004)

间作是指将生长期相同或相近的不同种类的作物，按一定的带行比种在同一块田地里的种植方式。我国作物间作种植模式历史悠久，早在西汉时期就有瓜豆间作的记载。前人对间作做了大量的研究，认为在多种间作体系中都存在间作优势。合理的间作相对于单作可以提高光、热、水、肥等自然资源和农业资源的利用率，并在增加产量，提升品质，减轻病虫害，杂草抑制，改善种植环境及土壤状况等方面优势显著[1～10]。玉米和大豆是我国的主要粮食和经济作物，我国常年种植玉米逾4 200万hm2，大豆800万hm2左右。黄淮地区作物一年两熟，夏作物生育期短，充分利用夏季的光、热资源以提高单位面积收益，间作是较好的种植模式之一。大豆-玉米间作，在空间上结构互补，增加受光面积，增强光合作用，获得较多的边际效应，提高群体通风透光效果，促进田间氧气和二氧化碳的交流。大豆根瘤菌根圈固氮为玉米提供氮素，通过根际互作提高根系对土壤中营养元素的分解和吸收，同时可以阻断病虫害的发生与传播，提升籽粒品质，达到增产、增效、控病的效果[11～13]。朱道坤[14]研究认为，大豆和玉米组成的生态群落一高一低错落分布，增强了环境适应性，并在养分需求上具有较好的互补状态，从而达到生产上减少投入增加产出的效果。大豆-玉米间作群体中，由于玉米植株高大，种植带边行优势明显增加，能够接收更多的阳光，所以干物质累积量及转化率明显高于单作，而大豆因种植模式不同而有所变化[15]。而李隆研究认为，大豆-玉米间作，不管是地上群体的外部表现和内部冠层结构，还是土壤中的根系分布，均增加了农田作物的多样性，而两种作物根系分泌物不同又提升了土壤生物多样性[16]，从而丰富了田间生态多样性。

盖钧镒院士提出，大豆-玉米间作种植具有产出率高、可持续性好、抗灾能力强、风险性降低等技术优势，在黄淮等适宜区域推广应用，即能促进农民增收、农业增效，又对优化国家产业结构、促进农业供给侧结构改革具有较好的推动作用。

1 地上效应分析

1.1 群体空间结构

玉米植株高大，当前生产上种植的玉米品种株高250～300 cm，叶片18～22片，株型多为半紧凑，向斜上方伸展。大豆为中矮秆作物，株高一般30～90 cm，叶多，平展。玉米-大豆间作种植，可以形成良好的空间互补结构，对玉米优势更为明显，不仅可以增加边际效应，并且高矮间作种植模式利于田间通风透光，提高玉米的异花授粉效果，减少病虫害的发生，达到穗大、结实性好，籽粒饱满的效果，增产效果显著。且通风透光良好，利于田间二氧化碳和氧气的交换，可以提高作物光合效率，减轻高温热害等异常天气对作物造成的伤害。

刘晶[17]认为，两种作物株高不同，高低相间种植，使间作群体的边行优势明显增加，边际效应突出，从而表现出更好的产量效益。玉米、大豆一高一矮间作形成层次不同、厚薄各异的片层结构，提高了叶面积系数，充分发挥了增产的“密植效应”。

1.2 光热利用效应

植物体内的干物质主要由光合作用产生的能量转化而来，玉米属短日照C4作物，喜强光直射，与中矮秆作物大豆间作种植，可以使植株充分接收阳光，增加光合面积，提高光合效率。而大豆可以截取玉米带间的光能，并可以利用玉米植株下方的散射光以及地表的太阳光能进行光合作用，因此，间作复合群体扩大了地面覆盖率，截取更多的阳光，增加了光能的吸收率和利用率，使单位土地面积上的光合效率提高，从而获得较高的单位面积产出比。

1.3 间作群体抗逆性表现

玉米为单子叶植物，大豆为双子叶植物，锈病、大小斑病和弯孢菌叶斑病是玉米叶部的主要病害，这几种病害的病原菌对大豆不侵染。而大豆灰斑病和细菌性斑点病等病害的病原菌对玉米不致病，两者间作，可有效减轻或阻断这些病原菌的传播。同时，与大豆间作，玉米螟等虫害显著减轻，而玉米植株对大豆叶片的遮盖避免了豆天蛾、大豆食心虫及蛴螬对大豆的危害，而且玉米对大豆菟丝子具有较好的抑制作用[18]。因此，大豆-玉米间作不仅增产效果显著，而且可提高籽粒品质。

陈锋等研究认为，大豆与玉米间作与大豆单作相比，种子萌发速率增加，且萌发期间对高温、盐害、干旱等自然灾害胁迫具有较强的抗逆性，抗ABA胁迫能力更强[19]。

大豆-玉米间作，提高两作物叶片和茎中微量元素的累积，Ca、Mg、P、K等元素在茎叶和植株中的含量较单作明显提高[20]。这不仅有助于提高作物产量，也可以增强作物的抗倒性、抗病性等。

2 地下效应分析

2.1 根系结构及互作效应

玉米为须根系，根系主要分布在浅层土壤中，根量较大且根毛多，大豆的直根系分枝少，并延伸于土壤的较深层中，两作物间作种植不存在养分竞争关系，还可以提高土壤中养分利用率。唐劲驰等[21]研究认为，利用浅根型大豆品种与玉米进行间作，在间作生态和植物群落生态中养分资源高效利用方面具有重要意义。这是因为浅根型大豆根系与土壤中的玉米须根系交叉分布，共生面积大，互作效应明显。根系互作可提高玉米和大豆根区的微生物数量和种类，增加生物多样性，提高根区的养分分解率，促进更多的养分被作物吸收利用，进一步增强作物地上部光合作用，提高养分吸收利用效率。刘均霞等[22]进行田间栽培试验研究结果，与单作相比，玉米的氮素吸收量提高了37.6%，根际脲酶活性提高了33.5%，根际细菌数量及地上部干物质量分别增加了55.8%和27.9%。大豆表现为两种相反的现象，大豆根际脲酶活性和根际细菌数量分别比单作大豆显著增加41.3%、43.1%，而氮素吸收量和地上部干物质量则比单作大豆降低了11.9%和11.2%。印证了张雷昌等研究结论，大豆-玉米间作中地下根系互作，使玉米经济产量和不同器官氮素累积量增加明显，对大豆则表现为优势不强[23]。这是因为大豆根系为直根系，根量少，对玉米根区影响不大，而玉米根系对大豆表现为较强的竞争作用[24]。

2.2 营养吸收效应

根瘤菌能够在非豆科植物(如玉米、莴苣、花生等)的根圈定殖及固氮，具有植物根圈促生(PGPR)作用[25]，根系互作中豆科作物向禾本科作物氮素转移才是提高禾本科作物产量的主要因素，也是提升禾本科作物籽粒品质(如增加蛋白质含量)的一条重要途径[26～27]，充分说明了氮素的转移对提高非豆科作物特别是粮食作物产量有重要作用。大豆具有根瘤固氮功能，除本身所需氮素外，还可为玉米生长提供一定的氮素，从而减少氮肥的施入量。玉米根系对氮素大量吸收，减少了大豆根围氮素的累积，缓解氮素对大豆结瘤固氮的抑制作用，促进大豆根瘤菌固氮，提高根瘤菌固氮能力。玉米根系分泌物可使大豆根系固氮酶的活性提高，促进大豆根瘤菌的生长，增加根瘤菌数量和固氮量，提高大豆-玉米间作根系群体的氮素水平，为玉米生长发育提供更多的氮素[16，22～23，28～30]。

大豆根瘤固氮对玉米需氮有较好的补偿作用，可减少氮肥的施入量，即节约生产成本，又降低了因大量施氮造成的环境污染。田艺心等[31]试验研究结果，大豆-玉米间作田，氮肥减量50%施入，产量和经济效益不受明显影响，减氮施肥不仅充分发挥出禾本科-豆科间作模式中时空、水肥利用的高效互补，而且实现了氮肥的减量增效，较好地保护了生态环境，促进了农业可持续发展。

大豆-玉米间作田植株含磷量增加，这是根系互作促进两作物对土壤中磷吸收利用的结果。根系互作可刺激根系分泌更多的有机酸，提高了土壤的酸度，进而溶解更多的难溶性磷转化为速效磷以供作物吸收利用[10，18，32～34]，从而减少肥料磷施入量，增强自身调节能力，也提高了产出和投入比。

3 结论与讨论

黄淮地区夏季光热资源充足，作物生育期短，大豆-玉米间作种植，既能充分利用光热等自然资源，扩大光合面积，又可以通过根系互作促进对营养物质的吸收利用，并且在病虫草害阻断、抑制方面也有良好的效果，对提高单位面积作物产量、提升籽粒品质效果显著。并且大豆-玉米间作种植，可以减少氮肥和磷肥的施入量，避免过量施肥导致的土壤板结等环境污染问题。因此，大豆-玉米间作种植，在提高单位面积作物产量、提升作物籽粒品质和保护生态环境等方面，均是较佳的间作种植首选模式。

4 合理间作模式

大豆-玉米间作，以行数比、种植间距和种植密度对种植收益影响最大，玉米植株高大，特别是大喇叭口期以后，叶片伸长于大豆植株上方，和大豆间距越近就对大豆植株的遮光越严重，对大豆产量影响越大。因此，大豆-玉米带状间作在保证充分发挥玉米产量潜力的同时，尽可能增加大豆种植带的宽度，以减轻高位作物玉米对低位作物大豆的荫蔽胁迫，使复合群体即能充分利用光热资源，又能达到最佳的产量效果[7]。据前人大量试验研究结果，大豆-玉米间作种植以3∶2或4∶2条带种植收益最高[6，17，35]，效果最佳。刘晶等[17]研究证明，两作物间作叶面积系数保持在3.0以上时，有利于空气的流通和二氧化碳的交流，表现为两作物的混合总产量显著增加。