甘蔗/大豆间作对甘蔗和大豆产量与品质的影响

李秀平，李 穆，年 海，牟英辉*

（1.华南农业大学农学院/国家大豆品种改良中心广东分中心，广州 510642；2.中南林业科技大学生命科学与技术学院，长沙 410004）

甘蔗（Saccharum sinensis Roxb）是我国热带、亚热带主要糖料作物，其产糖量占全国总量90%以上。我国是世界上第3大甘蔗种植国，种植面积为160万hm2[1-2]。甘蔗有100 d左右的幼苗期，种植行距较宽（1.0～1.2 m），前期生长缓慢，叶面积系数小，光能利用率低，容易滋生杂草[3]。豆科与禾本科作物间作时，禾本科植物氮素营养状况改善是豆科植物中氮素转移的结果[4]。

豆科与禾本科间套混作，可以通过豆科作物根瘤生物固氮提供给禾本科氮源进而提高禾本科作物产量[5-7]。小麦蚕豆间作系统中，间作小麦叶片叶绿素含量显著高于单作小区叶绿素含量。叶绿素含量影响光合作用速率和光合产物形成，最终影响作物产量和品质提高[8-9]。间作大豆对甘蔗品质影响的分析表明，间作甘蔗的蔗糖分和纯度均优于单作甘蔗，甘蔗与多种豆科牧草具有良好共生性[10]。吴才文等研究表明甘蔗/大豆间作不影响后期甘蔗生长和田间糖锤度[11]。本试验通过研究甘蔗/大豆间作模式对甘蔗和大豆生物量、产量及品质影响，旨在为甘蔗/大豆间作高产栽培模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试甘蔗品种为台糖22号（Saccharum sinensis Roxb）；供试大豆品种为华春5号（Glycine max L.），系华南农业大学农学院培育的早熟、优质、高产大豆新品种。试验用塑料盆，盆钵长150 cm，宽50 cm，高50 cm。

1.2 试验方法

1.2.1 试验采用盆栽法

设3种种植模式：甘蔗/大豆间作、单作甘蔗、单作大豆。每处理重复4次。供试土壤为红壤，pH 5.0，氮含量为65.60 mg·kg-1土，磷含量为10.06 mg·kg-1土，试验前将风干土壤过筛，装入盆中，每盆装土30 kg,浇水至田间持水量的50%～60%。2011年3月18日上午开始播种，单作每盆播种甘蔗2株，大豆3粒；间作甘蔗2株，大豆3粒（见图1）。播种后用薄层土覆盖。播种15 d后每周用无氮Arnon-Hoagland溶液浇灌1次[12]。在大豆花期、成熟期分别对甘蔗/大豆间作、单作甘蔗、单作大豆取样测定。

图1 甘蔗/大豆间种栽培装置Fig.1 Culture container of the sugarcane/soybean inter cropping

1.2.2 测定指标

植株生物量：大豆盛花期及成熟期采集大豆、甘蔗地上部分及根系样品，洗净，用吸水纸吸干。先于90℃下烘15 min，再于65℃下烘干至恒重，称重。

叶绿素含量测定：采用酒精浸提分光光度法测定，在样品叶片中部取一定叶面积，称出0.2 g，剪碎，放入一定体积96%酒精中研磨充分浸泡、提取、摇匀，用分光光度计在649 nm、665 nm波长下测定吸光度A649、A665，重复测定3次。通过以下公式计算：

总叶绿素含量（μg·mL-1）=20.04A649+6.1A665

糖分测定：采用蒽酮法测定。称取剪碎混匀的新鲜叶片1 g（干样粉末100 mg），放入大试管中，加入15 mL蒸馏水，在沸水浴中煮沸20 min，取出冷却，过滤入100 mL容量瓶中，用蒸馏水冲洗残渣数次，定容至刻度。将各管摇匀后在沸水中煮10 min，取出冷却，加入蒽酮在620 nm波长下重复3次测定。通过以下公式计算：

可溶性糖含量（%）=CVT/106WV1×100%

式中，C-从标准曲线查得葡萄糖量（μg）；VT-样品提取液总体积（mL）；V1-显色时取样品液量（mL）；W-样品重（g）。

根瘤数量和重量：大豆盛花期采集根系，摘下根瘤，洗净，用吸水纸吸干，统计根瘤数量并称重。粉红色和浅粉红色根瘤记为有效根瘤。固氮酶活性测定：采用乙炔还原法测定[13]。

用FOSS近红外谷物品质分析仪（Infratec TM1241，FOSS）测定大豆蛋白质和油分含量。

1.3 数据处理及分析

采用 Excel 2003和 Student's t-test（Stat View 5.0，SAS Institute Inc.）软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 作物生物学产量

甘蔗/大豆间作中甘蔗表现出增产效应，在花期，地上部和地下部生物量干重较单作分别增加35.92%（见图2a）和34.13%（见图2b），总生物量干重增加35.44%（见图2）；在成熟期，甘蔗产量明显提高，间作甘蔗与单作相比可提高鲜重产量20.99%，干重产量增加30.57%（见表1），增产显著，说明间作体系中甘蔗表现出间作优势。间作体系中大豆地上部和地下部生物量干重较单作分别减少15.31%（见图2a）和13.76%（见图2b），总生物量干重下降16.12%（见图2）；成熟期百粒重降低9.53%（见表1），大豆表现出一定程度的间作弱势。以两种作物单作与间作的地上生物学产量之和相比，在花期，间作体系总生物量较单作增加21.5%，成熟期总产量增加10.49%，增产显著，整个间作体系表现出一定的间作优势。

图2 甘蔗/大豆间种对两种作物地上部（a）和地下部（b）干重的影响Fig.2 Effects of sugarcane/soybean intercropping on dry weight of shoots(a)and roots(b)of two crops

表1 甘蔗/大豆间作对产量的影响Table 1 Effects of sugarcane/soybean intercropping on yield of mature period

2.2 生长期叶绿素含量的变化

叶绿素含量的多少是光合能力的重要指标。叶绿素作为光合色素参与光合作用中光能的吸收、传递和转化，在植物光合作用中起着关键性作用。间作对叶绿素含量的影响较大。如图3所示，在生长期，间作体系中的甘蔗和大豆叶绿素含量分别高于相应单作甘蔗、单作大豆的39.7%和6.38%，间作可以明显提高甘蔗叶片的叶绿素含量。主要原因可能是在间套作系统中，大豆是豆科作物，能固定空气中的氮，在甘蔗、大豆养分竞争利用过程中，为甘蔗提供了氮源。

图3 甘蔗/大豆间作对叶绿素含量的影响Fig.3 Effects of sugarcane/soybean intercropping on chlorophyll content

2.3 间作对大豆根瘤固氮酶活性的影响

统计结果表明，甘蔗/大豆间作明显增加了单株大豆的根瘤数和根瘤重。如表2所示，在生长期，间作体系中大豆单株根瘤数量和根瘤量分别高于相应单作大豆的13.52%和23.35%。甘蔗/大豆间作根瘤数大于大豆单作，表明甘蔗根际能促进土壤根瘤菌侵染，进而促进大豆结瘤能力。

表2 甘蔗/大豆间作对根瘤的影响Table 2 Effects of sugarcane/soybean intercropping on root nodulation

生物固氮测定方法主要是乙炔还原法，根据固氮酶具有还原分子氮或利用其他底物的能力，使乙炔还原为乙烯，作为固氮酶活性间接测定。由图4可知，甘蔗/大豆间作显著增加大豆根瘤固氮活性，间作体系中大豆固氮活性高于相应单作大豆61.87%，表明甘蔗间作能改善大豆结瘤状况，间作作物甘蔗的生长对大豆根瘤固氮能力有显著提高作用。

图4 甘蔗/大豆间作对根瘤固氮酶活性的影响Fig.4 Effects of sugarcane/soybean intercropping on acetylene reducing activity of soybean nodulation

2.4 甘蔗/大豆间作对两种作物品质的影响

甘蔗大豆间作对品质有不同的影响。如表3所示，在开花期，间作体系对甘蔗和大豆叶片糖分含量和蛋白质含量影响较大。间作甘蔗叶片的含糖量提高48.72%，而间种大豆叶的含糖量却降低40.05%，两种作物间作总含糖量之和与单作相比增加2.39%，差异不显著。间作体系条件下叶片中蛋白质含量也有明显变化，间作甘蔗叶片蛋白质含量提高3.07%，间作大豆叶片蛋白质含量提高21.65%，两种作物间作叶片的总蛋白之和与单作相比显著增加16.56%。

表3 甘蔗/大豆间作对生长期品质的影响Table 3 Effects of sugarcane/soybean intercropping on quality of growth period

如表4所示，在成熟期，间作体系中甘蔗和大豆糖分、蛋白质、脂肪含量均高于相应单作。其中，甘蔗、大豆糖分含量分别高于相应单作甘蔗、单作大豆5.26%和27.23%。间作体系中的甘蔗蛋白含量显著高于单作40.2%，大豆蛋白和脂肪含量分别高于相应单作大豆4.27%和1.73%。因此，甘蔗大豆间作对甘蔗含糖量、大豆脂肪和蛋白质含量具有一定影响。

表4 甘蔗/大豆间作对成熟期品质的影响Table 4 Effects of sugarcane/soybean intercropping on quality of mature period

3 讨论与结论

禾本科/豆科间作体系研究表明，小麦/紫云英（蚕豆）[14-15]、大豆（蚕豆）/玉米[16-17]、旱稻/花生[18]等构成的多作系统中，间作体系对其中一种组分作物或两种组分作物的生长具有促进作用。本试验表明，间作体系中甘蔗产量均明显高于单作，而间作体系中大豆生物量和成熟期百粒重均低于单作，大豆表现出一定程度的间作弱势，但整个间作体系表现出一定的间作优势。

本研究结果表明，间作体系中甘蔗叶片叶绿素含量明显高于相应单作甘蔗，间作中甘蔗和大豆总产量得到明显提高，生长期甘蔗叶片中糖含量也明显提高，尽管间种大豆叶片含糖量显著降低，但成熟期的甘蔗和大豆籽粒中含糖量分别显著高于单作。可能是因为甘蔗、大豆光能和养分竞争利用过程中，大豆为甘蔗提供养分，促进甘蔗光合作用增强，积累的糖分更高一些，然后转移给大豆，具体机制还有待进一步试验研究。

大豆种子蛋白质含量与根瘤固氮酶活性呈显著正相关[19]，本研究也进一步证实，间作体系下促进大豆结瘤能力，间作甘蔗明显增加单株大豆根瘤数和根瘤重。间作作物甘蔗的生长对大豆根瘤固氮能力有显著提高作用。间作甘蔗植株体内蛋白质含量高于单作，可能是因为甘蔗对氮营养需求大，而大豆对氮营养需求小，在甘蔗、大豆间作体系中，甘蔗根系进入大豆根区吸收氮，降低大豆根际土壤氮水平，从而刺激大豆根瘤固氮能力。但甘蔗和大豆之间养分的转移机理还有待进一步研究。甘蔗/大豆间作，在甘蔗不减产的条件下，可以生产一季大豆，是华南地区重要的旱地种植方式。间作体系增加甘蔗叶片叶绿素含量，提高大豆根瘤固氮酶活性，增加甘蔗含糖量，提高大豆蛋白质和油分含量。

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