盐碱地甜高粱间作大豆对作物生产性能和光合特性的影响

张朝辉,张邦彦,谢小伟,许 兴*,王 彬

(1.宁夏大学林业与草业学院,宁夏 银川 750021; 2.宁夏大学农学院,宁夏 银川 750021)

盐碱地在全球范围普遍存在且是重要的土地资源[1],受气候变化和人为因素的影响,全球每年因盐碱化而弃耕的土地面积达3×106～15×106hm2,且这一面积呈逐年增加趋势[2-3]。我国的盐碱地主要分布在华北、东北和西北的内陆干旱、半干旱地区,其中宁夏银北灌区盐碱化耕地面积达15.0×104hm2,占耕地总面积的1/3。盐碱土壤因其含盐量较高,会破坏土壤渗透压平衡导致植物吸水困难,同时也会干扰植物体内的离子动态平衡和造成营养缺失,对植物生长产生渗透胁迫和离子毒害等诸多不良影响[4-5],继而降低作物产量。因此,对耐盐作物的合理栽培是改良和利用盐碱地资源较为有效的措施之一,因此,对盐碱地区尽快建立合理地貌结构,加速抑盐脱盐进程以及提高作物产量均具有重要意义,也是长远而有效地利用盐渍化土壤资源的一条有效途径。

甜高粱作为C4植物,光合作用效率高,生物和经济产量大,具有较强的抗逆性和适应性,素有“作物中的骆驼”之称,是发展畜牧业较为理想、经济的饲草作物,与豆科作物共同构建了旱作生态农业体系[6-7]。研究发现甜高粱不宜连作,重茬高粱会导致饲草生长受阻,造成植株低矮,植被稀疏,导致水分利用效率和营养品质下降,大大限制甜高粱生产力水平[8]。有学者将甜高粱与其他作物根据方法各自生长特性构建种植模式(间作套种),表明该模式可充分利用土壤与光能等资源,提高经济价值[9-10];与单一种植相比,间作体系不仅减少光能损耗,提高作物生产力[11-12],还能保持生态系统物种多样性,提高资源利用率[13]。例如,甜高粱与豆科作物混播可充分利用环境资源提高饲草产量[14]和营养价值[15]。唐晨阳等[16]研究表明,燕麦(AvenasativaL.)与箭筈豌豆(ViciasativaL.)间作可获得较高的土地当量比,表明间作可以增加草地生产性能。安昊云等[17]通过开展青贮玉米与秣食豆(Glycinemax)、拉巴豆混播试验,发现混播较青贮玉米单播显著提高了饲草粗蛋白含量,降低了中性和酸性洗涤纤维含量,继而提高了相对饲喂价值。宫香伟等[18]在糜子(Panicummiliaceum)/绿豆(Vignaradiata)间作系统中,发现行配比为2∶2和4∶4处理下,可显著提高糜子光合能力。

豆禾间作在我国农业发展中具有非常重要的地位。鉴于此,本试验通过研究甜高粱/大豆间作行比中光合特性变化与生产性能关系,确定二者间作适宜行配比,其研究对提高土地生产力及高效利用盐碱地具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2022年在宁夏平罗县宝丰村(106°7′E,38°30′N)进行,海拔1 100 m,属中温带半干旱沙漠性气候,日照充足,温差大,年均降水量173.2 mm,且70%集中在6-9月,年平均气温8.5℃,年均日照时数3 120 h,年均蒸发量1 755 mm,无霜期171 d。土壤类型为中度盐碱地。种植前于5月7日进行大水漫灌,5月17日整地,施用底肥二铵300 kg·hm-2,5月18日播种,7月2日和7月26日漫灌,7月18日追肥复合肥(N∶P∶K=26∶10∶16)180 kg·hm-2,9月22日收获。

表1 播前土壤性质Table 1 Soil properties before sowing

1.2 试验设计

供试材料为‘绿巨人’甜高粱、‘齐黄34’大豆,均由北京百斯特草业有限公司提供,研究采用单因素随机区组试验,以甜高粱单作(TS),大豆单作(DS)为对照,设置甜高粱与大豆1∶1(T1D1),1∶3(T1D3),2∶2(T2D2),2∶4(T2D4)4种间作模式,3次重复,共18个小区,小区面积为42 m2(6 m×7 m),田间布局如图1所示。甜高粱和大豆均为单株穴播,其中单作与间作甜高粱和大豆行距均为50 cm,甜高粱穴距24 cm,大豆穴距10 cm。甜高粱播种量22.5 kg·hm-2,大豆90.0 kg·hm-2。

图1 甜高粱-大豆间作不同模式Fig.1 Different patterns of sweet sorghum-soybean intercropping

1.3 测定项目及方法

在大豆成熟期,甜高粱播后105 d(‘绿巨人’为光敏感型,不抽穗)测定以下指标:

株高:距各小区边行50 cm处随机选取20株长势能够代表该小区整体水平的甜高粱和大豆,用卷尺测量其绝对高度;

茎粗:小区内随机选取10株甜高粱和大豆,用游标卡尺测其茎粗;

甜高粱干草产量:间作小区随机选取1 m2范围内所有植株,三次重复,间作小区在小区内随机选取3个1 m的完整间作条带的全部植株进行人工刈割,留茬5 cm,称鲜重;取完整植株1 kg带回实验室自然阴干,称量干草产量,折算每公顷干草产量;

大豆种子产量:选取每小区长势均一并连续的9株,测定其每穴产量,并计算每公顷种子产量。

1.4 叶片光合参数

于大豆初花期和甜高粱播后105 d,利用Li-6400便携式光合系统分析仪测定并记录早晨9∶00—11∶00自然光照条件下大豆倒数第3片复叶中间小叶与高粱旗叶处测定净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr),每小区6次重复。

1.5 甜高粱营养成分的测定

将自然阴干的甜高粱粉碎后过0.45 mm筛。参照《饲料及饲料添加剂质量检测方法与品质管理》[19],测定粗灰分(Crude ash)、粗脂肪(Crude fat)、粗蛋白(Crude protein,CP)、中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber,NDF)、酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber,ADF)含量,根据公式计算相对饲喂价值[20](Relative feed value,RFV),即RFV=(88.9-0.779×ADF)×(120/NDF)/1.29。

1.6 数据分析

本研究采用Microsoft Excel 2018进行数据整理统计,利用SPSS Statistics 26.0软件进行单因素方差分析、Duncan多重比较和主成分分析(Principal component analysis,PCA),用Origin 2021作图。

2 结果与分析

2.1 不同间作行比对甜高粱和大豆株高、茎粗、产量和土地当量比的影响

由图2可知,间作处理显著影响甜高粱株高(P<0.05),与TS相比,T1D1和T2D4处理下甜高粱株高显著增加16.9%和15.2%,T1D3增加11.1%,但T2D2下降1.6%,与对照相比无显著差异。大豆也表现出与甜高粱相似的趋势,与DS相比,T1D1,T1D3和T2D4处理下甜高粱株高显著增加11.6%,23.0%和10.8%,但T2D2下降1.4%,与对照相比无显著差异。而甜高粱与大豆间作对二者茎粗影响并不显著,间作甜高粱株高均大于单作甜高粱,不同模式中T2D4茎粗最大(27.81 mm),TS最小(25.76 mm);但大豆表现相反,间作大豆茎粗小于大豆单作,其中T2D2显著小于DS。4个间作行比T1D1处理的甜高粱干草产量最大(17 080.11 kg·hm-2),其干草产量排名由高到低为T1D1>T1D3>T2D2>T2D4,T1D3的大豆种子产量最大(1 064.82 kg·hm-2),大豆种子产量排名由高到低为T1D3>T2D4>T2D2>T1D1。间作行比土地当量比均大于1,处理间无显著差异。

图2 甜高粱-大豆不同间作行比下甜高粱和大豆株高、茎粗、产量和土地当量比变化Fig.2 Changes of plant height,stem diameter,yield and land equivalent ratio of different intercropping row ratios of sweet sorghum and soybean注:图中不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著(P<0.05)。下同Note:Different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level (P<0.05) among different treatments。The same as below

2.2 不同间作行比对甜高粱和大豆光合特性的影响

由表2可知,不同间作行比对甜高粱叶片Pn,Gs和Tr均有显著影响(P<0.05),对Ci无显著影响。不同处理之间相互比较,T1D1和T1D3处理下甜高粱叶片Pn值分别比TS下降6.6%和24.0%、T2D2和T2D4处理下甜高粱叶片Pn值分别比TS增加56.2%和49.4%,其中T2D2和T2D4处理与TS间差异均达到显著水平(P<0.05)。由此可见,甜高粱行宽的增加对其叶片Pn值有积极作用,T2D2处理对提高甜高粱叶片Pn值幅度最大;T2D4处理下甜高粱叶片Gs和Tr分别较TS显著增加32.7%和60.3%,T1D1,T1D3和T2D2处理下甜高粱叶片Gs和Tr均较TS有所下降,其中T1D3下降幅度最大,降幅分别为37.1%和30.9%。

表2 甜高粱-大豆不同间作行比下甜高粱光合特性变化Table 2 Changes of photosynthetic characteristics of sweet sorghum under different intercropping row ratios of sweet sorghum-soybean

表3 甜高粱-大豆不同间作行比下大豆光合特性变化Table 3 Changes of photosynthetic characteristics of soybean under different intercropping row ratios of sweet sorghum-soybean

不同间作行比对大豆叶片Pn,Gs和Tr均有显著影响(P<0.05),对Ci无显著影响。不同处理之间相互比较,T1D1和T1D3处理下大豆叶片Pn值分别比DS增加47.3%和34.2%、T2D2和T2D4处理下大豆叶片Pn值分别比DS下降45.8%和29.5%,不同处理Pn值变化与甜高粱变化相反,其中T1D1处理与DS间差异达到显著水平(P<0.05)。T1D1、T1D3和T2D4处理下大豆叶片Gs较DS分别增加53.2%,44.8%和29.9%,大豆叶片Tr较DS分别增加53.5%,47.0%和35.4%,T2D2处理大豆叶片Gs和Tr均较DS下降。

2.3 不同间作行比对甜高粱营养品质的影响

不同间作行比对甜高粱ASH,CP,EE,NDF,ADF和RFV均有显著影响(P<0.05)(图3)。其中T1D1与T2D4处理ASH要显著低于其他处理,T1D3处理的ASH最高,相较于TS提高了3.2%;T1D3(10.08%)和T2D4(10.03%)处理甜高粱CP含量显著大于其他处理,分别较TS提高12.9%和12.5%,表明间作对提高甜高粱CP含量有积极作用。甜高粱的EE含量T1D3要显著大于其他处理,其他处理间不存在显著差异。T1D1处理NDF和ADF含量显著小于其他处理,T2D4处理NDF和ADF含量显著大于其他处理。RFV排名由高到低依次为T1D1>T2D2>TS>T1D3>T2D4。

图3 甜高粱-大豆不同间作行比下甜高粱营养品质变化Fig.3 Changes of nutritional quality of sweet sorghum under different intercropping ratios of sweet sorghum-soybean

2.4 综合评价

间作甜高粱其DM与SD,Ci,CP,NDF和ADF,RFV与CP和ADF均呈极显著负相关(P<0.01);SD与Ci均与CP和NDF呈极显著正相关(P<0.01),SD与Ci呈极显著正相关;Tr和Gs呈极显著正相关;NDF和ADF呈极显著正相关。(图4)。

图4 甜高粱相关性分析Fig.4 Correlation analysis of sweet sorghum注:干草产量(DM)与株高(PH),茎粗(SD),净光合速率(Pn),气孔导度(Gs),胞间CO2浓度(Ci),蒸腾速率(Tr),粗蛋白(CP),中性洗涤纤维(NDF),酸性洗涤纤维(ADF)和相对饲喂价值(RFV)在P<0.01水平下的显著性差异Note:Significant differences between hay yield (DM) and plant height (PH),stem diameter (SD),net photosynthetic rate (Pn),stomatal conductance (Gs),intercellular CO2 concentration (Ci),transpiration rate (Tr),crude protein (CP),neutral detergent fiber (NDF),acid detergent fiber (ADF) and relative feeding value (RFV) at P<0.01 level

对甜高粱干草产量(X1),株高(X2),茎粗(X3),CP(X4),NDF(X5),ADF(X6)和RFV(X7)进行PCA分析,特征向量、特征值和方差贡献率如表4,根据特征值大于1原则,可提取3个主成分,累积方差贡献率达到98.482%。主成分对应的载荷矩阵如表5所示,第一主成分特征值为4.320,此成分中绝对值载荷较高的是干草产量、粗蛋白、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维,权重系数分别为-0.893,0.913,0.886和0.909;第二主成分特征值为1.479,此成分中绝对值较高的是株高,权重系数为0.794;第三主成分特征值为1.095,此成分中载荷较高的是相对饲喂价值,权重系数为0.634。通过第Ⅰ主成分、第Ⅱ主成分和第Ⅲ主成分的特征向量值,得出各主成分综合得分线性方程,以各主成分对应的方差相对贡献率作为权重建立综合评价模型:

表4 各因子特征向量与主成分特征值和累计贡献率Table 4 Feature vector of each factor,principal component eigenvalue and cumulative contribution rate

Y1=-0.21X1+0.07X2+0.18X3+0.21X4+0.21X5+0.21X6-0.15X7

Y2=-0.22X1+0.54X2-0.38X3-0.06X4-0.23X5-0.22X6+0.30X7

Y3=-0.28X1-0.46X2+0.24X3-0.35X4+0.28X5+0.14X6+0.58X7

Y=(61.713Y1+21.132Y2+15.637Y3)/98.482

通过上述模型计算每个处理的综合得分并进行排名(表6)。在第Ⅰ主成分中,排名靠前的是T2D4,为1.20;在主成分Ⅱ中,排名靠前的是T1D1,为1.50;在主成分Ⅲ中,排名靠前的是是T2D2,为1.74。带入Y=(61.713Y1+21.132Y2+15.637Y3)/98.482计算,得出不同处理综合得分,T2D4得分最高(0.72),根据得分由高到低排名依次为T2D4>T1D3>T2D2>T1D1>TS。

表6 不同处理综合排名及得分Table 6 Comprehensive ranking and score of different treatments

3 讨论

3.1 不同间作行比对甜高粱和大豆生产性能的影响

株高作为作物生长发育的重要农艺性状,同时也是影响作物产量的重要指标。封亮等[21]研究表明,玉米大豆间作行比为2∶4模式下大豆株高和茎粗均表现最佳。Lesoing等[22]研究发现大宽幅种植减弱了种间竞争,缓解了大豆生长中的遮阴问题,减缓了玉米/大豆间作系统中对大豆的资源掠夺,有利于提高间作系统的生物量和产量。贾志峰等[23]研究认为,在豆禾间作系统中,随着生育期增加大带宽大豆种植避免了相邻玉米的遮光,有利于大豆生长。王甜等[24]研究表明,适宜的间作行比可显著改善大豆生长受到的不利影响,促进大豆干物质积累量增加,更有利于间作群体中大豆的生长。本研究表明,不同间作行比均使大豆和甜高粱株高增加,各间作处理同单作大豆和甜高粱差异显著,这与前人研究结果一致[8,15]。本试验中大幅宽甜高粱和大豆种植的T2D4处理具有最高的相对生物量和产量,与封亮等[21]研究的玉米/大豆最佳间作行比相同。甜高粱大豆间作导致大豆干物质量的减少,原因可能是大豆处于甜高粱/大豆间作系统中的低生态位,受高位作物甜高粱在生育后期的遮阴影响所导致,且有研究表明,大豆开花期后对光敏感增强,此时进行遮荫会显著降低大豆的光合速率,进而影响产量形成[25]。

3.2 不同间作行比对甜高粱营养价值的影响

牧草品质的高低是衡量牧草营养价值的重要指标,其养分含量也是草食动物不可或缺的营养物质。豆禾间作草地可以改善牧草品质,为家畜提供优质牧草[26]。李春喜等[27]研究发现,与高粱单播相比,混播可提高牧草粗蛋白含量,降低中性和酸性洗涤纤维含量,进而提高相对饲喂价值,改善牧草品质。蔺芳等[28]研究表明,高粱与紫花苜蓿(MedicagosativaL.)混播后显著提高了青贮饲料的粗蛋白含量和相对饲喂价值。本研究表明,T1D3(10.08%)和T2D4(10.03%)处理甜高粱粗蛋白含量显著大于其他处理,分别较TS提高12.9%和12.5%,表明间作对提高甜高粱粗蛋白含量有积极作用。此外,豆科牧草中含有丰富的N,Ca,P等元素,而禾本科牧草中碳水化合物含量较高,甜高粱与大豆间作后,大豆中部分氮从植物组织淋洗到土壤或以气态散发被甜高粱连续再吸收以及通过菌根接触直接转移,通过地上、地下组织的分解转移到甜高粱中。甜高粱对固氮产物的利用,增强了大豆固氮作用,提高了牧草养分的利用[29],促进甜高粱粗蛋白含量增加。

3.3 不同间作行比对甜高粱和大豆光合特性的影响

光照是产量形成的基础,作物通过净光合速率和蒸腾速率等光合生理特性来增加光合产物累积量从而实现高产[30]。在豆禾间作系统中,不同种植模式可显著影响光能的分布和利用[31]。有研究发现,在玉米/大豆间作系统中,大豆叶片的Pn、Gs和Tr降低,Ci增加[32]。崔文芳等[33]研究认为玉米和大豆在2∶3间作模式下对大豆叶片光合能力有促进作用。本试验表明,在T1D1和T1D3间作模式下大豆叶片Pn值分别比大豆单作增加47.3%和34.2%,而T2D2和T2D4处理下大豆叶片Pn值分别比大豆单作下降45.8%和29.5%,说明在T2D2和T2D4间作模式下受高位作物甜高粱对大豆的遮阴及大豆群体自荫性的影响,间作大豆的Pn降低。此外,间作对甜高粱和大豆的Ci均无显著影响,主要原因可能是当地区域的气温和光照对甜高粱和大豆的Ci无明显作用。

3.4 不同间作行比对土地当量比的影响

土地当量比可用于任何复合种植方式下土地利用效率客观和有效的评价,尤其是在间作系统中对其土地生产力的评价[34]。间作能够提高土地生产力,但在不同生态区、作物配置和间作模式下其土地生产力增幅也不尽相同。赵德强等[35]研究发现,玉米与大豆间作其土地当量比最高可达到1.33。郑亚杰[36]研究发现,玉米和大豆在2:3间作模式下综合产量达到最高,较大豆单作产量提高了195.3%～247.7%。在本研究中,甜高粱与大豆所有间作模式下的土地当量比均大于1,表明甜高粱与大豆间作系统在盐碱地具有增产优势,可有效提高盐碱地土地利用率,这是由于甜高粱与大豆不同间作模式引起地上与地下生态位互补,从而增加了间作系统对有限资源的高效利用,这与前人得出豆禾间作较其相应的单作具有更高的土地利用效率的研究结果一致[36]。其中,甜高粱与大豆在T1D3间作模式下土地当量比达到最大,其经济效益(13 751.05 元·hm-2)比单作甜高粱(13 142.01 元·hm-2)和单作大豆(9 333.86 元·hm-2)分别提高了4.6%和47.3%。适宜的间作方式对土地生产力具有显著促进作用。

4 结论

甜高粱间作大豆能显著增加甜高粱和大豆的株高(P<0.05),且间作行比与土地当量比的比值均大于1,提高了土地利用效率,其中T2D4处理下甜高粱Pn,Gs,Tr,Ci和大豆的Gs,Tr,Ci高,说明此间作行比下给植物创造了良好的光环境,使甜高粱草产量和大豆产量均较高较优。因此,能实现适宜的资源利用效率和生产效益,盐碱地甜高粱/大豆最佳间作行比为2行甜高粱,4行大豆。