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鲜食玉米-饲用豆带状复合种植对作物群体光合特性及产量的影响

2024-07-03陈艳秋王晓东张丽耿柳婷毛庆丰李艳肖朱梦洋徐兴源张宏宇张春兰刘鹏

江苏农业科学 2024年10期
关键词:鲜食玉米蒸腾速率

陈艳秋 王晓东 张丽 耿柳婷 毛庆丰 李艳肖 朱梦洋 徐兴源 张宏宇 张春兰 刘鹏

doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2024.10.012

摘要:随着社会的发展,鲜食玉米的需求量逐年增多,鲜食玉米-饲用豆带状复合种植能够在基本保证鲜食玉米单位面积穗数的同时增收饲用大豆,收获后玉米秸秆和饲用大豆混合青贮,有效增加了土地收益,提高了鲜食玉米产业链的同时,有效解决了2种作物争地的矛盾。为探明鲜食玉米-饲用大豆带状复合种植对鲜食玉米产量的影响,确定最佳田间配置,采用带状复合种植模式,裂区设计,密度为主处理,鲜食玉米密度分别为4.50万株/hm2(D1)、5.25万株/hm2(D2)、6.00万株/hm2(D3);饲用大豆种植设1个密度,为15万株/hm2。种植模式为副处理,分别为单作鲜食玉米(P1)、单作饲用大豆(F)、玉米大豆行比2 ∶2(P2)、2:4(P3)、4 ∶4(P4)、6 ∶4(P5)。测定鲜食玉米、饲用大豆各生育时期的净光合速率、蒸腾速率、叶绿素含量以及鲜食玉米的产量。结果表明,种植密度与种植模式对玉米大喇叭口期和大豆盛花期的叶绿素含量(SPAD值)、净光合速率、蒸腾速率及鲜食玉米产量存在显著影响(P<0.05),且有着较强的互作效应。其中,苗期玉米D3处理的SPAD值较D1处理显著增加了34.01%;苗期玉米D2处理的平均净光合速率和平均蒸腾速率较D1处理分别显著提高了61.82%和29.05%。玉豆行比处理对玉米不同生育时期的光合特性影响有所差异,大喇叭口期玉米SPAD值在P4处理达到最高,SPAD值为23.84;玉米苗期的平均净光合速率在P5处理达到最高,为26.77 μmol/(m2·s);玉米大喇叭口期的平均蒸腾速率在P3处理达到峰值。各种植模式玉米产量随着种植密度的增加而不断增加或先增后降,单位面积穗数和穗粒数是影响产量的主要因素;而同一种植密度下,随着玉米、大豆行比的增加,玉米产量表现为先降低后升高的趋势(D3种植密度下的P5处理除外)。综合分析,在试验区生产条件下玉米-大豆带状复合种植的玉米密度为5.25万株/hm2,同时玉米、大豆的行比为6 ∶4时,具有较高生产潜力。

关键词:鲜食玉米;秣食豆;叶绿素值;净光合速率;蒸腾速率

中图分类号:S513.04;S565.104;S344.3  文献标志码:A

文章编号:1002-1302(2024)10-0091-07

收稿日期:2023-05-29

基金项目:科尔沁沙地生态农业国家民委重点实验室开放基金(编号:MDK2022024 )。

作者简介:陈艳秋(1997—),女,黑龙江齐齐哈尔人,硕士研究生,主要从事作物高产高效研究。E-mail:3395864679@qq.com。

通信作者:刘  鹏,教授,主要从事作物遗传育种研究。E-mail:mindaliupeng@126.com。

土地资源紧缺是当今世界农业生产面临的突出问题之一,提高现有土地利用率,促进农业的可持续发展是我国农业生产面临的重大挑战[1]。面对这一难题,发展带状复合种植技术是非常必要的。大豆-玉米带复合种植是四川农业大学杨文钰教授团队经过多年试验,在传统套作和套期种植的基础上实现的一季2种作物的创新发展[2-4]。具体来说,主要是利用玉米带和大豆带之间的相互种植,使玉米和大豆形成不同高度的种植布局,形成田间通风通道,以达到玉米更好的通风和透光效果,同时改善大豆的光空间,增加二氧化碳循环量,提高光合能力,实现玉米和大豆的和谐共生,并通过玉米带和大豆带不同年份的有序轮作和大量玉米秸秆还田,实现地力的持续稳定提高。

玉米是喜光、喜温、喜氮的高秆植物,其光合能力强、速率高,被誉为“高产作物之王”。带状复合种植是一种重要的复合种植模式,利用不同作物之间品种和生理特性的差异,通过2种以上作物之间的合理配置,可充分利用多种环境资源,实现作物在时间和空间上的互补,大幅度提高作物生产的效率和产量,以达到最高的经济效益,实现种地与养地结合的理念[5]。大豆-玉米带状复合种植技术能够高效利用光温资源,充分发挥边行优势,在不增加耕地的基础上,增加大豆的种植面积,该种植模式对实现农业可持续发展有重要意义,也是有效提升大豆产能和自给率的主要途径,对调整种植业结构、挖掘土地增产潜力、提高种植业效益和促进现代农业可持续发展方面具有重要的意义,同时对保障我国粮油安全具有重要作用[6-7]。

随着国家的发展,人们生活水平在逐渐提高,对品质生活更加注重。鲜食玉米是重要的食品和化工原材料,营养价值和经济价值较为突出,其香、甜、软、糯的口感深受人们的喜爱,而通辽地区鲜食玉米供应大多来源于外地[8]。随着我国畜牧业日趋发达,对饲料需求量越来越大,尤其蛋白饲料缺口巨大,而提供饲料蛋白的大豆主要依赖进口,迫切需要提高大豆的自给率[9]。目前,对大豆-玉米复合种植模式的研究主要集中在普通玉米与普通大豆,而对鲜食玉米与饲用大豆复合种植的研究报道较少[10]。采用鲜食玉米和饲用大豆复合种植模式,在保证鲜食玉米单位面积穗数的前提下,增收饲用大豆,饲用大豆连同鲜食玉米秸秆一同转化为青贮饲料,可以显著提高收益。本研究以鲜食玉米和饲用大豆为研究对象,分析2种作物不同复合种植方式对鲜食玉米产量的影响,为该模式的推广应用提供理论依据。

1  材料和方法

1.1  试验地概况及试验材料

试验于2022年5—10月在内蒙古民族大学农业科技园区(43°64′N,122°08′E)进行,海拔187.27 m,年平均气温3~7 ℃,≥10 ℃的活动积温1 800~3 300 ℃,平均无霜冻期110~135 d,年均降水量350~450 mm,试验地土壤为沙壤土;播前试验地耕层(0~20 cm)土壤理化性质:碱解氮含量31.5 mg/kg,速效磷含量11.94 mg/kg,速效钾含量61 mg/kg。品质指标测定在科尔沁沙地生态农业国家民委重点实验室进行。

供试鲜食玉米品种为内甜糯103,供试饲用豆品种为秣食豆。

1.2  试验设计

本试验采用带状复合种植模式,二因素裂区试验设计,种植密度为主处理,鲜食玉米设3个种植密度,分别为4.50万株/hm2(D1)、5.25万株/hm2(D2)、6.00万株/hm2(D3);饲用大豆设1个种植密度,为15万株/hm2。种植模式为副处理,分别为单作鲜食玉米(P1)、单作饲用大豆(F)、玉米大豆行比 2 ∶2(P2)、2 ∶4(P3)、4 ∶4(P4)、6 ∶4(P5)。宽窄行种植,宽行距70 cm,窄行距40 cm,行长10 m,3次重复,共51个小区,试验材料均同一时期播种。

1.3  数据统计

试验数据采用Excel 2013进行整理、图表制作,SPSS 24.0数据分析软件进行数据分析。

1.4  项目测定及方法

1.4.1  光合参数的测定

采用LI-6400便携式光合测定仪分别在大豆苗期、盛花期、结荚期选取具有代表性且成熟一致的植株倒3叶进行净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)等光合参数的测定。在玉米苗期、大喇叭口期和吐丝期选取具有代表性且成熟一致的植株棒3叶进行净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)等光合参数的测定。测定时间均在晴天的09:00—11:00进行。

1.4.2  叶绿素含量(SPAD值)的测定

每个小区在光合有效辐射测定行随机选取玉米、大豆各3株,使用便携式叶绿素仪测定非离体叶片叶绿素含量(SPAD值),选取方式及测定时间与光合参数相同。

1.4.3  玉米产量的测定

于鲜食玉米最佳采收期,在各小区未曾取样的完整带中,收获带内鲜食玉米并按照面积折算产量,并考察每个小区的有效穗数,计数各处理的空秆率(不结果穗或有果穗但不足百粒的株数占全小区植株数的百分率),并用均重法在每个小区选取3个果穗进行室内考种,考种主要调查穗行数、行粒数、穗长、凸尖长、穗粗、穗重、穗粒重、穗轴重及百粒重。

2  结果与分析

2.1  不同种植密度下种植模式对鲜食玉米SPAD值的影响

由表1可知,不同种植密度和种植模式下鲜食玉米各生育时期SPAD值不尽一致。苗期SPAD值随着密度的增加而增加,D2和D3处理的SPAD值较D1处理分别显著提高20.07%和34.01%(P<0.05);而大喇叭口期和吐丝期D3处理的SPAD值均低于D1、D2处理,但各处理间差异不显著。

鲜食玉米在不同种植模式处理下,随着米豆行比的增加,SPAD值在苗期和吐丝期均表现为先高后降低再升高的趋势,而不同种植模式对大喇叭口期SPAD值无显著影响。其中,苗期和大喇叭口期均在P4处理获得最大SPAD值,较对照P1处理分别增加了35.77%和1.75%;吐丝期在P2处理获得最大SPAD值,较P1处理增加了4.68%。种植模式对鲜食玉米苗期的叶绿素含量有极显著影响(P<0.01),且种植密度与种植模式处理对苗期的鲜食玉米SPAD值存在显著的互作效应。但种植密度与种植模式处理对鲜食玉米大喇叭口期和吐丝期SPAD值无显著影响。

2.2  鲜食玉米不同种植密度和不同种植模式对大豆SPAD值的影响

表2为鲜食玉米不同种植密度和不同种植模式对大豆SPAD值的影响,可以看出,大豆苗期随着种植密度的增加,大豆叶片SPAD值先降低后增加,其中D1和D3处理的大豆叶片SPAD值较D2处理分别显著提高了15.57%和16.12%。大豆盛花期随着玉米种植密度的增加,3个种植密度处理的SPAD值与F处理相比均有不同程度的提高,且各处理间差异显著,而结荚期各处理间叶绿素含量差异不显著。

不同种植模式处理对大豆叶片SPAD值有不同程度的影响,其中大豆苗期随着种植行比的增加,SPAD值呈先下降再升高的趋势;大豆盛花期与结荚期的不同种植模式处理的SPAD值与对照的F处理相比,均有不同程度的提高。其中,盛花期P4处理的SPAD值最高,较F处理显著增加了19.27%;结荚期P5处理的SPAD值最高,较F处理显著增加了15.72%。

从种植密度和种植模式对不同时期叶绿素含量影响来看,大豆苗期和盛花期种植密度和种植模式对SPAD值均有极显著影响,且二者对大豆苗期和盛花期的SPAD值存在显著的互作效应。由此可见,适当增加玉米种植密度和种植行比,更有利于大豆叶绿素含量的积累。

2.3  种植密度及种植模式对鲜食玉米净光合速率的影响

由表3可知,鲜食玉米和饲用大豆带状复合种植模式下,玉米苗期随着种植密度的增加,净光合速率整体呈先上升后下降趋势,且处理间差异显著,最高的D2处理的净光合速率较D1处理显著提高了61.82%。大喇叭口期和吐丝期随着玉米种植密度的增加,净光合速率表现为显著下降趋势。

种植模式对玉米各时期净光合速率有显著影响,苗期随着种植模式的变化,玉米净光合速率呈先下降后上升的趋势,P5处理的净光合速率最高,较对照P1显著升高了7.81%;吐丝期P2处理净光合速率达到峰值,较对照P1处理显著升高了6.19%。种植密度和种植模式以及二者互作效应对玉米各时期叶绿素值均有极显著影响。

2.4  鲜食玉米种植密度和栽培模式对大豆净光合速率的影响

由表4可知,鲜食玉米种植密度和种植模式显著影响大豆净光合速率。大豆苗期和盛花期随着玉米种植密度的增加,大豆净光合速率呈先上升后下降的趋势,且处理间差异显著。2个时期的净光合速率均在D2处理达到峰值,较D1处理分别显著提高了45.29%和9.15%。结荚期的大豆净光合速率随着玉米种植密度的增加而不断降低。

种植模式对大豆不同生育期净光合速率有不同程度的影响,苗期P2处理净光合速率显著低于对照,但盛花期P2处理净光合速率达到峰值,较对照显著升高了14.14%。结荚期大豆净光合速率表现为P5处理>P2处理>P3处理>P4处理>F处理,且除P2和P5处理差异不显著外,其余处理间差异均达显著水平。种植密度、种植模式以及二者交互作用对大豆各生育时期的影响达极显著水平。由此可见,适当增加玉米种植密度和适宜的种植行比,可显著提高大豆的净光合速率。

2.5  鲜食玉米种植密度和栽培模式对玉米蒸腾速率的影响

由表5可知,鲜食玉米种植密度对玉米蒸腾速率存在显著影响。苗期随着种植密度的增加,玉米蒸腾速率呈先上升后基本保持不变的趋势,且D1处理显著低于D2、D3处理;大喇叭口期变化规律与苗期一致,但此时期各处理间差异均达显著水平;吐丝期各处理间差异不显著。

种植模式对玉米不同生育时期的蒸腾速率影响不同,苗期蒸腾速率呈先下降最后上升的趋势,且处理间差异不显著。吐丝期随着玉米种植行比的增加,蒸腾速率整体呈下降的趋势,P3处理蒸腾速率最低,较P1处理显著下降了33.44%。大喇叭口期随着种植行比的增加,蒸腾速率呈先上升后下降的趋势,P3处理最高,且与P1、P5处理差异显著。种植密度对玉米大喇叭口期蒸腾作用表现为极显著差异水平,种植模式对玉米大喇叭口期和吐丝期的蒸腾速率有显著影响,二者交互作用对大喇叭口期、吐丝期的影响分别达显著、极显著水平。

2.6  鲜食玉米种植密度和栽培模式对大豆蒸腾速率的影响

由表6可知,鲜食玉米种植密度和种植模式对大豆蒸腾速率存在显著影响。苗期随着玉米种植密度的增加,大豆蒸腾速率呈显著上升趋势,结荚期规律与苗期一致。盛花期随着玉米种植密度的增加,大豆蒸腾速率呈先升高后降低的趋势,表现为D2处理>D1处理>D3处理,且D3处理显著低于D1和D2处理。

种植模式对大豆蒸腾速率存在显著影响,苗期和结荚期随着种植行比的增加,大豆蒸腾速率呈先下降后上升趋势。盛花期随着种植行比的增加,蒸腾速率整体呈下降趋势, P4和P5处理较F处理显著下降了13.81%和10.19%。种植密度和种植模式对大豆各生育时期蒸腾速率的影响达极显著水平,盛花期二者交互作用达极显著水平。

2.7  鲜食玉米产量及产量构成因素分析

由表7可知,种植密度和种植模式对玉米产量有显著影响。随着种植行比的增加,玉米产量表现为先降低后升高的趋势(D3种植密度下的P5处理除外)。D1、D2密度下,各种植模式间产量表现为P1处理>P5处理>P2处理>P4处理>P3处理,均以P3处理的产量最低,D1密度下,P5和P1处理显著高于P3处理,其余处理间差异不显著;D2密度下,P3处理的产量显著低于其他处理。D3密度下,各种植模式间产量表现为P1处理>P4处理>P2处理>P5处理>P3处理。由方差分析得出,P因素间穗数和穗粒数对产量影响达极显著水平,D因素间穗数对产量的影响达显著水平。就产量而言,适当增加玉米的种植密度是提高产量的关键。

3  讨论

3.1  不同种植密度和种植模式对玉米和大豆光合特性的影响

叶绿素作为重要的色素之一,在光合作用中是起决定性作用的生理指标,以此来反映光合强度,并且叶绿素含量的高低在光合作用能力上产生直接的影响。本研究结果表明,在不同的种植模式下,鲜食玉米随着米豆行比的不断增加,其叶绿素含量在苗期和吐丝期均呈先上升后下降再上升的趋势,这与杨吉顺等的研究结果[11]类似。随着大喇叭口期和吐丝期玉米种植密度不断增加,玉米叶片SPAD值呈现出逐渐下降或先增后降的趋势,但结荚期大豆SPAD值随着玉米种植密度增加呈上升的趋势,是由于大豆在遮阴环境下,有助于其对光能的截获,生育后期阶段导致玉米叶片衰老且SPAD值呈降低趋势,还会对玉米籽粒产量产生显著的影响,而较高的密度则会使个体间的资源竞争更为激烈[12-14]。鲜食玉米在4 ∶4和6 ∶4种植模式下,其SPAD值在苗期呈现显著上升趋势,而在大喇叭口期和吐丝期的变化不明显。饲用大豆苗期的SPAD值随着种植行比的增加呈先降低后增加趋势,而在盛花期和结荚期各种植模式处理的SPAD值与对照相比均有不同程度的提高。

光合作用是决定作物产量的重要因素,同时也是一个复杂的生物理化过程,会受许多环境因素和内部因素的影响[15]。本试验中,群体密度处理对苗期的鲜食玉米和秣食豆净光合速率影响一致,均呈先升高再降低的趋势,这是由于苗期的玉米和秣食豆的生长主要靠种子内贮藏营养物质为主,且苗期的玉米和秣食豆株高差异较小,植株间对光能的吸收利用矛盾较小。鲜食玉米在大喇叭口期与吐丝期的净光合速率均随密度的增加呈显著降低趋势,造成这一现象主要是因为鲜食玉米在大喇叭口期已经快要完成植株的营养生长阶段,植株间叶片相互遮挡,对光能的竞争加剧。低密度条件下,个体与群体之间的矛盾较弱,鲜食玉米在大喇叭口期之后可以获得更合理的群体结构,从而获得更高的净光合速率。不同种植模式对鲜食玉米与秣食豆的净光合速率有着极显著的影响,带状复合种植模式可以提高优势生态位作物的净光合速率,但高秆优势作物对矮秆劣势作物的遮阴影响会在一定程度上降低矮秆作物的净光合速率[16]。本试验中,不同种植模式下,盛花期、结荚期大豆的净光合速率整体高于单作大豆处理,与前人研究结果[2]一致。光能的转化利用效率决定了叶片的光合作用能力[17]。在玉豆2 ∶2行比条件下,鲜食玉米吐丝期和秣食豆盛花期的净光合速率达到最大值,且随着玉豆行比的变化,秣食豆的净光合速率表现为先降低再升高的趋势。随着行比的增加,玉米对秣食豆的遮阴效果增强,秣食豆的净光合速率下降,但当遮阴效果增加到一定程度时,秣食豆的净光合速率不再降低,这是因为影响净光合速率的因素不仅只有光强,还受温度、二氧化碳浓度等因素的影响[18]。植物净光合速率的高低是能量存贮转换能力强弱的表现,净光合速率与产量呈正相关关系,因此提高作物生产力主要应提高净光合速率[19]。

蒸腾速率的高低可以反映作物调节自身水分损耗的情况,蒸腾作用有助于植物水分的吸收与运输,促进植物体内矿质元素的运输[20]。蒸腾速率在鲜食玉米的大喇叭口期与秣食豆的盛花期达到最大值,这2个时期是鲜食玉米与秣食豆生长发育过程中的关键时期,是植株体内生理活动最活跃的时期,并快速进行养分积累。本试验中,种植密度对大喇叭口期鲜食玉米的蒸腾速率有显著影响,其中D2处理蒸腾速率显著高于其他处理,而秣食豆盛花期的蒸腾速率也是在D2处理最大。说明D2密度条件下鲜食玉米与秣食豆可以构建合理的空间结构,高蒸腾速率表明作物体内养分积累与运输能力较强,更有利于干物质的积累。随着种植密度的增加,植株间相互遮阴,个体间竞争加剧,空间结构压力增大,从而影响作物的蒸腾速率。不同种植模式下,大喇叭口期鲜食玉米的蒸腾速率随着玉米行比的增加呈先升高后降低趋势。随着玉米行数的增加,降低了群体结构的通风透光性,从而蒸腾作用减弱。

3.2  不同种植密度和种植模式对玉米产量的影响

玉米-大豆带状复合种植模式具有提高土地利用率、减少资源浪费等优点,该种植模式还可以改善田间通风透光条件,加速田间CO2的流通,显著增强边行优势等特点,有助于高矮秆作物和谐共生,高效集约利用空间,对实现玉米-大豆带状复合种植群体高产、优质具有重要意义[21-22]。本试验结果表明,随着种植密度的增加,玉米有效穗数和穗粒数增加,这是由于高密度种植模式更有利于玉米叶片的光能截获率,提高玉米光合速率,干物质积累量增加,从而提高产量[23]。因此,适当增加玉米种植密度是增产的关键。本试验表现出D2密度下 6 ∶4 模式和D3密度下4 ∶4模式的玉米产量较高,与单作玉米处理差异不显著。这是由于不同种植模式下,玉米带内的通风透光条件不同,合理的田间配置可增加干物质积累量。梁曦彤等研究发现,种植等行距50 cm和70 cm时能延缓玉米生育末期叶茎鞘的衰老,玉米干物质积累量增多,带状复合种植玉米生育后期有宽行光补偿效应,干物质积累量对籽粒的贡献率呈现先增加后稳定的趋势,从而提高产量[24]。曹曼君等认为,同单作相比,玉米-大豆带状复合种植显著提高了玉米的穗数、穗粒数、千粒质量等,均高于单作处理,增加了带内产量[25]。本研究结果与前人研究结果不符,其原因可能是由于试验田的水肥状况和气候条件不一致,导致试验结果不同,加之试验材料的品种不同,种植年份不一致,光、热、水、肥条件不同,也可导致试验结果不一致。石晓旭等认为,带状复合种植模式中增加的夏大豆产量可对模式中玉米产量的下降进行补充[26]。从土地当量比来看,不同田间配置处理均高于单作玉米,本研究结果与之相似。因此,本试验得出适宜的种植密度和种植模式可以有效提高土地利用效率,相较于单作模式,玉米-大豆带状复合种植模式具有更明显的产量优势。

4  结论

大豆-玉米带状复合种植试验中,种植密度与种植模式对玉米大喇叭口期和大豆盛花期的叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率及玉米产量存在显著影响,且有着较强的互作效应。其中,玉米产量主要受有效穗数的影响,同一种植密度条件下,不同玉豆种植比例对玉米有效穗数的影响较强,适宜的玉豆种植比例可以有效提高玉米的有效穗数,从而提高玉米的产量。

综合分析,在试验区生产条件下玉米-大豆带状复合种植的玉米密度为5.25万株/hm2,同时玉米、大豆的行比为6 ∶4时,具有较高的生产潜力。

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