长江流域棉区带状间作对棉花生长、产量及棉田经济效益的影响

许豆豆，赵亮，张宁，张永莉，谢章书，李侃，杨丹，覃业玲，李佳芮，周成轩，朱方歌，刘爱玉，贺云新，周仲华*

（1.湖南农业大学农学院，长沙 410128；2.湖南省棉花科学研究所，湖南 常德 415101）

我国棉区可分西北内陆、长江流域和黄河流域三大棉区。多年来，西北内陆棉区凭借独特的地理优势以及气候条件大力发展棉花产业[1-2]。而机械化程度较低、农村劳动力逐年减少[3]等问题导致长江流域棉区棉花生产成本居高不下、种植面积逐年缩小，农民弃棉花而选择具有高收益作物的现象较普遍。因此，在长江流域棉区发展棉田多熟制种植模式对促进棉花机械化、轻简化生产，保障棉农收益，提高棉农生产积极性[4]，平衡发展我国三大棉区的棉花生产具有重大意义。

多熟制种植模式能充分利用有限的农业资源，发挥作物最大生产潜力，在维护生态效益和社会效益的同时获得更高的经济效益。多熟制种植模式可分为复种、间套作、混作等[5]。其中，间套作是指在同一块田地上，分行或分带种植2 种或2 种以上作物的种植方式。与套作相比，间作中不同作物的共生期较长[6]。通过棉田间作模式利用种间相互作用关系，可达到增加土地产出、提高资源利用率、控制病虫草害等目的[7]。在西北内陆棉区，枣棉间作模式是缓解农林争地矛盾的主要种植结构。杨涛等[8]研究发现枣棉间作模式下土地当量比为1.35，其经济效益较单作棉花高41.27%，具有明显的间作优势。Ai 等[9]的研究表明枣棉间作能够促进棉花光合作用，增加棉花叶面积指数和净光合速率等。Liang 等[10]通过设置棉花-绿豆及氮肥试验，分析结果显示间作的土地总产出和经济效益较单作可显著提高16.6%～19.8%和31.7%～51.9%。在黄河流域棉区，棉花-花生模式较为常见。Wang 等[11]发现棉花-花生间作增产的原因之一是生殖器官生物量积累的增加。在长江流域棉区，崔爱花等[12]比较红壤旱地条件下棉花- 大豆、棉花- 玉米、棉花- 甘薯3 种间作模式对棉花生长发育的影响，结果发现2016年和2017 年间作棉花铃数较单作分别显著增加32.8%～84.0%、21.8%～73.4%。此外，在长江流域棉区，棉花-荷兰豆模式[13]应用较为广泛。

选择多种作物进行组合，优化间作系统，降低农田投入获得更高的经济效益，在实现棉花产业机械化、轻简化、可持续发展中仍有很大潜力。长江流域棉区有关不同间套作模式的研究多集中在栽培技术方面，而对带状间作模式中棉花产量形成机理还不清楚。因此，设置4 种不同间作模式，以单作棉花为对照，于棉花产量形成期，比较分析不同间作模式下棉花的光合特性、干物质积累与分配、产量及产量构成因素，阐述带状间作模式下棉花产量形成机理，筛选出具有较高经济效益的间作模式，旨在优化长江流域棉区间作模式的配置，为间作模式在棉田中应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2022 年5 月－11 月在湖南省浏阳市沿溪镇湖南农业大学教学科研综合基地（28°18′N，113°49′E）进行。该地区气候为典型的亚热带季风性湿润气候，基地位于浏阳河冲积平原，气候和土壤特点与湖南环洞庭湖主产棉区类似，试验期间的平均气温为24.10 ℃，降水量为648.96 mm。试验田前茬为油菜，土壤为浏阳河冲积土壤。

试验采用单因素随机区组设计，设置4 种间作模式，分别为棉花-辣椒（CCI）、棉花- 菜豆（CBI）、棉花- 花生（CPI）、棉花- 甘薯（CSI），以单作棉花 （MC）为对照。供试棉花品种为JX0010（特早熟，生育期100 d 左右），由湖南农业大学棉花研究所提供；辣椒品种为湘研15 号，菜豆品种为九月寒，购自于湖南省农业科学院；花生品种为湘黑小果（特优珍稀食用型品种），由湖南农业大学旱地作物研究所提供；甘薯品种为普薯32 号，由湖南省棉花科学研究所提供。

播种前机械起垄，垄距为145 cm。每个小区种植6 垄，面积为43.5 m2。设3 个重复，共计15 个小区，总面积为652.5 m2。不同模式下棉花与配对作物的株距和种植密度见表1，田间种植示意图见图1。

图1 不同种植模式示意图Fig.1 Schematic diagram of different planting systems

表1 不同种植模式下棉花与配对作物株行配比及种植密度Table 1 Plant row ratios and planting densities of cotton and paired crop under different planting systems

5 月17 日开沟播种棉花、花生，5 月18 日移栽辣椒，5 月26 日播种菜豆、栽插甘薯。6 月30日一次性施肥（在垄面中央开沟，一次性填埋），用复合肥 （N、P2O5、K2O 质量分数均为17%）1 686.67 kg·hm－2左右。7 月初至9 月初及时采收成熟辣椒，8 月底收获花生，9 月初收获菜豆，9 月中旬收获红薯，9 月底10 月初收获棉花。试验中播种、除草、打顶、提蔓、收获均参照当地高产农田管理方式进行。

1.2 测定项目及方法

1.2.1棉花叶面积指数定。选择天气晴朗日，于17：30－19：30 采 用LAI-2200C 冠 层 分 析 仪（LI-Cor，美国）分别在盛蕾期（7 月9 日）、盛花期（7 月28 日）、盛铃期（8 月20 日）和吐絮期（9 月16 日）测定各小区棉花的叶面积指数 （leaf area index,LAI）。先将探头水平放置于冠层上方，按下测定按钮，2 声蜂鸣后将探头放于棉花带地面上，采用斜样线法取4 个值，测量时仪器保持水平且位于同一高度。各小区测定5 个样点，取平均值。

1.2.2净光合速率及叶绿素相对含量的测定。选择晴天，分别在盛蕾期（7 月9 日）、盛花期（7 月28 日）、盛铃期（8 月20 日）和吐絮期（9 月16 日）利用SPAD-502 PLUS 便携式叶绿素测定仪 （柯尼卡美能达，日本）测定棉花倒4 叶的叶绿素相对含量，以土壤作物分析仪器开发（soil and plant analyzer development, SPAD）仪器读值（SPAD值）表征叶绿素相对含量，测定时避开棉花叶脉，选取叶片的5 个点的平均值。每个小区分别测5片叶，取平均值。在每个时期测完叶片SPAD 值后，于8：00－11：00 采用Li-6400XT 便携式光合作用测量系统（LI-Cor，美国）分别测定盛蕾期（7月9 日）、盛花期（7 月28 日）、盛铃期（8 月20日）棉花倒4 叶和吐絮期（9 月16 日）棉株主茎顶叶的净光合速率（Pn），每个小区各测定5 片叶，取平均值。

1.2.3干物质积累与分配。分别在棉花盛蕾期（7月9 日）、盛花期（7 月28 日）、盛铃期（8 月20日）和吐絮期（9 月16 日），各小区随机选取3 株代表性棉株，采集棉株地上部样品，按茎秆、叶片、生殖器官（蕾、花、铃）分样，放入105 ℃烘箱杀青30 min，然后在80 ℃条件下烘干至质量恒定后称量。结果以单株各器官质量计。

1.2.4产量及产量构成因素调查。于10 月5 日统计每个小区中间4 垄棉花的收获株数；并标记长势均匀的连续10 株棉花，统计铃数，计算单株成铃数；在各小区选取代表性棉株的中部完全吐絮棉铃，共计50 个，测定铃重。根据收获株数、单株成铃数以及铃重计算籽棉产量。轧花后根据各小区的皮棉产量计算衣分。

1.2.5间作模式的优劣评价方法。参考焦念元等[14]的方法，通过比较棉花偏土地当量比（partial land equivalent ratio,PLER）与间作模式中棉花面积占比评价间作模式的优劣。计算公式为rpc＝Yic/Ymc，式中rpc是间作模式中棉花偏土地当量比，Yic和Ymc为分别是间作和单作棉花的籽棉产量。本试验中CCI、CBI 和CSI 模式下棉花面积占比为0.50，CPI 模式下棉花面积占比为0.43。

1.2.6数据处理。采用Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理，利用SPSS 21.0 软件进行统计，采用邓肯多重范围检验（邓肯氏新复极差法）进行差异显著性分析 （P＜0.05），绘图用Origin 9.80软件。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对棉花产量及产量构成因素的影响

由表2 可知，不同处理间棉花单株成铃数、铃重、籽棉产量差异显著，而收获密度、衣分均无显著差异。各处理下棉花单株成铃数具体表现为CBI＞CCI＞MC＞CPI＞CSI，其中CBI 的单株成铃数最高达25.50，较MC 显著增加11.21%；CCI的单株成铃数为23.30，比MC 高1.61%，差异不显著；CPI 的单株成铃数较MC 低2.18%；CSI 的单株成铃数较MC 显著降低8.98%。CCI、CBI 与MC 的铃重均无显著差异，而CPI、CSI 的铃重较MC 显著降低2.59%、5.60%。各间作模式下的籽棉 产 量 具 体 表 现 为：CBI＞CCI＞MC ＞CPI＞CSI，其中CBI 的籽棉产量最高达6 495.81 kg·hm－2，显著高于CCI 和MC，分别增加7.28%和9.81%；CCI 的籽棉产量比MC 高2.36%，但是差异不显著。

表2 不同间作模式下棉花产量及其构成因素的差异Table 2 Differences of cotton yield and its components under different intercropping systems

2.2 不同种植模式对棉花LAI 的影响

由图2 可知，在棉花不同生长发育阶段，各处理的棉花LAI 差异不一。除CBI、CSI 处理的棉花LAI 在盛铃期达到峰值后在吐絮期下降外，其余处理中棉花LAI 均随着生长发育的不断推进逐渐增加。盛蕾期，间作棉花的LAI 均低于MC处理，其中CCI、CBI、CSI 处理的棉花LAI 与MC处理差异显著。盛花期，CBI 处理与MC 处理的LAI 无显著差异，且二者均显著高于其他处理。盛铃期，各处理的LAI 表现为CBI＞CCI＞CPI＞MC＞CSI，其中CCI、CBI 处理的LAI 较MC 处理显著增加5.88%、9.80%，而CPI 处理的LAI 与MC 处理无显著差异，CSI 处理的LAI 较MC 处理显著降低10.92%。吐絮期，各间作处理棉花LAI 较MC 处理显著降低4.38%～29.26%。

图2 不同间作模式对棉花叶面积指数的影响Fig.2 Influence of different intercropping systems on leaf area index of cotton

2.3 不同种植模式对棉花叶片SPAD 值及Pn的影响

如图3 所示，不同处理下棉花叶片SPAD 值随着棉花生长发育呈先上升后下降的趋势，并在盛花期达到峰值。盛蕾期，不同处理对棉花叶片SPAD 值影响不大。盛花期，间作模式下棉花叶片SPAD 值均高于MC 处理棉花，其中CCI、CBI、CPI 处理下棉花叶片SPAD 值与MC 处理差异显著，分别提高8.51%、7.65%、6.37%。盛铃期，间作模式下棉花叶片SPAD 值均高于MC 处理棉花，但仅CPI 处理的棉花叶片SPAD 值与MC 处理的差异达到显著水平。随着棉花叶片逐渐衰老，吐絮期各处理棉花叶片SPAD 值较盛铃期均降低，具体表现为CBI＞CPI＞CCI＞MC＞CSI，其中CBI、CPI 处理的棉花叶片SPAD 值分别为51.76、51.25，显著高于MC 处理，CSI 处理的棉花叶片SPAD 值显著低于MC 处理。以上结果表明，CBI、CCI、CPI 和CSI 可以增加盛花期和盛铃期棉花叶片SPAD 值。

由图4 可知，各处理下棉花叶片Pn整体呈现先升高后降低的趋势。在盛蕾期不同处理间棉花Pn无显著差异；但随着棉花生长发育的推进，各处理间棉花Pn差异逐渐显现。盛花期，间作模式下棉花Pn均高于MC 处理棉花，其中CCI、CBI 处理下棉花Pn分别较MC 显著增加11.55%、8.31%，CPI 和CSI 处理下棉花叶片Pn比MC 分别提高4.02%和1.25%，差异不显著。各处理下棉花叶片Pn均在盛铃期达到峰值，除CSI 处理的棉花叶片Pn低于MC 处理外，其他处理的棉花叶片Pn均高于MC 处理但差异不显著。吐絮期，各处理棉花叶片Pn具体表现为CBI＞CPI＞CCI＞MC＞CSI，其中CBI、CPI 处理棉花叶片Pn分别为24.16、23.93 μmol·m－2·s－1，显著高于CSI 和MC 处理。可见，与MC 相比，CSI 处理棉花叶片Pn降低，光合作用被抑制；而CCI、CBI 和CPI 处理对棉花Pn有一定促进作用。

图4 不同间作模式下棉花叶片净光合速率变化Fig.4 Effects of different intercropping systems on cotton net photosynthetic rate

2.4 不同种植模式对棉花干物质积累与分配的影响

表3 结果表明，随着生育期的推进，不同处理的棉花地上部干物质积累总量呈上升趋势。盛蕾期，各间作处理棉花单株干物质质量与MC 处理差异均不显著。盛花期，各间作处理棉花单株干物质质量均小于MC 处理，其中CCI、CBI、CSI处理下棉花单株干物质质量与MC 处理差异显著，分别降低10.45%、11.11%、12.41%。盛铃期，CCI、CBI 处理下棉花单株干物质质量较MC 处理显著增加15.41%、9.21%，CPI、CSI 处理下棉花单株干物质质量与MC 处理均无显著差异。吐絮期，与MC 处理相比，CCI、CBI、CPI 处理下棉花单株干物质质量分别显著提高9.71%、7.58%、6.14%，而CSI 处理下则显著降低8.08%。

表3 不同间作模式对棉花干物质积累与分配的影响Table 3 Dry matter accumulation and distribution of cotton in different intercropping systems g

由表3 可知，随着生育期的推进，生殖器官干物质质量的占比逐渐增大。盛蕾期，各处理的棉花茎秆、叶片干物质质量均无显著差异，CSI 处理下棉花生殖器官干物质质量较MC 处理显著降低28.57%。盛花期，除CSI 处理下棉花茎秆干物质质量较MC 处理显著降低11.96%，CBI 处理下棉花叶片干物质质量较MC 处理显著降低11.42%外，其余处理下棉花茎秆、叶片干物质质量与MC 处理无显著差异；各间作处理下棉花生殖器官干物质质量较MC 处理显著降低19.22%～39.17%。盛铃期，CCI、CBI 处理下棉花茎秆干物质质量较MC 处理分别显著增加14.09%、11.65%，CSI 处理下棉花茎秆干物质质量较MC 处理显著减少14.25%；各间作处理下棉花叶片干物质质量高 于MC 处 理，其 中CCI、CBI、CPI 处 理 增 加22.88%、15.00%、21.27%，差异显著；CCI 处理下棉花生殖器官干物质质量显著高于其他处理，比MC 处理高10.87%，其他间作处理下棉花生殖器官干物质质量与MC 处理无显著差异。吐絮期，CSI 处理下棉花茎秆干物质质量较MC 处理显著降低10.33%，CCI、CPI 处理下棉花叶片干物质质量较MC 处理显著增加13.20%、15.98%，其余间作处理下棉花茎秆、叶片干物质质量与MC 处理有差异但不显著；与MC 处理相比，CCI、CBI、CPI 处理下棉花生殖器官干物质质量分别显著提高9.62%、10.30%、6.26%，而CSI 处理下棉花生殖器官干物质质量显著降低9.87%。

2.5 不同种植模式下棉花间作优势的比较

由表4 可以看出，CBI、CCI、CPI 处理下棉花的PLER 均大于棉花所占面积比例，说明在这3种间作模式下存在棉花间作产量优势，而在CSI处理中，棉花PLER 小于棉花所占面积比例，说明棉花与甘薯间作对棉花生长发育有一定抑制作用。5 种种植模式的经济效益为47 323.45～157 681.30 元·hm－2，间作的总经济效益均高于单作棉花；其中CSI 处理最高，较MC 处理提高2.33 倍；其次是CBI 处理，较MC 处理提高1.53倍，CCI 和CPI 较MC 处理分别提高0.62 倍和0.38 倍。

表4 不同间作模式的间作优势及经济效益Table 4 Yield advantages and economic benefits of different intercropping systems

3 讨论

3.1 不同间作模式对棉花产量的影响

在大田生产中，已有相关文献证实间作模式能提高作物产量。本研究结果表明，棉花在棉花-菜豆、棉花-辣椒模式较单作棉花增产的主要原因是单株成铃数增加，分别较单作棉花提高11.21%、1.61%，这与崔爱花等[15]研究结果相似。李清曼等[16]研究表明，棉花作为高需氮作物，与花生间作后能够充分利用花生根系所固定的氮素，进一步提高产量。但本研究基于一年单个品种进行试验，结果显示棉花-花生模式下棉花籽棉产量略小于单作棉花，可能是因为棉花中上部蕾铃发育较差，铃重较单作棉花低。因此，需要进行多年、多点、多品种的试验，降低外部环境对结果的影响。党小燕等[17]在新疆石河子地区设置6 种间作模式试验，结果表明棉花- 大豆、棉花- 辣椒模式没有明显的间作优势，且棉花-大豆模式会降低籽棉产量，这与本研究结果不同，可能与棉花、大豆、辣椒的行间距设置不同有关。行间距越小，群体密度越大，种间竞争越激烈，田间通风透光条件越差，不利于棉花现蕾结铃。在间作模式中受配对作物与棉花生育期、生长特性不同的影响，棉花结铃率和铃重等产量构成因素对棉铃生长发育条件的响应也不尽相同。在本研究中，棉花- 甘薯模式较单作棉花籽棉产量大幅降低，这与刘卫星等[18]的研究结果一致。

3.2 不同间作模式对棉花光合特性及干物质积累与分配的影响

在作物生育过程中，叶面积指数、叶倾角、透光率的大小决定了冠层结构是否合理。其中叶面积指数与作物群体光截获能力、光合作用密切相关。艾鹏睿等[19]研究发现，无论是大田试验还是盆栽试验间作模式下棉花叶面积指数均有所提高，且在花铃期差异达到最大值。本研究结果显示：在盛花期前，间作模式下棉花叶面积指数低于单作棉花；盛铃期，棉花- 菜豆、棉花- 辣椒、棉花-花生间作模式下棉花叶面积指数增加，并超过单作棉花。棉花开花后光合同化物主要用于形成籽棉产量及产量构成因素。另外，棉花-菜豆、棉花-辣椒、棉花-花生间作模式能够且明显提高棉花盛铃期叶片SPAD 值，在一定程度上促进棉花光合作用，从而保证棉花稳产增产。

Chi 等[20]研究发现，在棉花- 花生系统中，棉花生物量的增加源于间作棉花叶片净光合速率提高。这进一步证实了净光合速率在作物生长发育及光合同化物形成的过程中起到关键性作用。在本研究中，间作模式下棉花叶片净光合速率的差异在盛蕾期后逐渐显现。棉花-辣椒、棉花-菜豆、棉花-花生模式下棉花叶片净光合速率在生育后期均高于单作棉花，并且棉花地上部干物质积累总量在盛铃期和吐絮期也大于单作棉花。这说明合理的间作模式能够保证作物正常生长发育，提高净光合速率，促进同化物的合成。光合同化物在棉花营养器官和生殖器官中的积累是棉花产量形成的基础，而生殖器官生物量所占比例决定着棉花籽棉产量[11,21]。在本研究中，棉花-菜豆、棉花-辣椒模式下棉花生殖器官生物量在生育前期存在一定劣势，但在盛铃期和吐絮期显著提高，最终获得较高的籽棉产量，这与李鑫等[22]研究结果相似。

3.3 不同间作模式对棉花间作优势及棉田经济效益的影响

在棉花- 辣椒、棉花- 菜豆、棉花- 花生模式中，棉花为优势作物，这也验证了3 种间作模式对棉花生长有一定的促进作用，具体体现在叶片SPAD 值、叶片净光合速率、干物质积累量均有所增加。本研究主要目的之一是筛选具有较高经济效益，并且适合在长江流域棉区种植的间作模式。结果表明，4 种间作模式的经济效益均高于单作棉花，这与宫慧慧等[23]、Feng 等[24]研究结果一致。Xie 等[25]通过多点试验和根系分隔试验发现，棉花与花生的间作优势在于能够改变土壤微生物丰度，从而提高棉田土壤和植株氮、磷、钾含量。而本研究中并没有关注土壤和植株养分的相互作用关系。因此，在进一步研究中，重点可以放在间作模式中2 种作物对养分吸收利用效率，以及地下部种间相互作用对土壤理化性质和微生物多样性影响等方面。

4 结论

在棉花- 菜豆、棉花- 辣椒、棉花- 花生模式中，棉花处于优势地位，在生育后期叶片SPAD值、叶片净光合速率和生殖器官生物量占比较单作棉花有所提高，棉花单株成铃数增加，籽棉产量提高。其中，棉花-菜豆模式下各指标及产量均优于其他模式。而在棉花-甘薯模式中，虽然棉花生长发育受限、籽棉产量降低，但该模式的经济效益最高。因此，在今后的研究中，还需要进行多年多点的试验进行进一步验证，以确定长江流域棉区最佳的间作模式。