带型对小麦间作玉米产量和种间竞争力的影响

陈国栋，万素梅，冯福学，柴 强，赵宏福，陈锦锋

(1.塔里木大学 植物科学学院，新疆阿拉尔 843300；2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070)



带型对小麦间作玉米产量和种间竞争力的影响

陈国栋1，万素梅1，冯福学2，柴 强2，赵宏福2，陈锦锋2

(1.塔里木大学 植物科学学院，新疆阿拉尔 843300；2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070)

以小麦/玉米间作为对象，设置3种不同带型模式(小麦/玉米行比为 6∶2、6∶3和6∶4)，研究间作体系中带型改变对种间竞争力和群体产量的影响，旨在为间作高产优化带型提供依据。结果表明：试验采用的3种小麦/玉米间作模式均具有明显的产量优势，各处理的土地当量比(LER)均大于1。间作优势随玉米行数的增加呈增大趋势，6∶4(W6M4)模式的LER、时空当量比和土地利用率分别较6∶3(W6M3)模式高3.5%、5.2%和4.3%，较6∶2(W6M2)模式高3.0%、8.1%和5.2%。增加玉米行数能够显著提高小麦相对玉米的种间竞争力(Awm)，6∶4间作处理的Awm分别较6∶3模式和6∶2模式高7.3%和14.1%。复合群体产量与种间竞争力呈显著的线性增长关系。因此，提高间作小麦的竞争力有利于间作群体整体产量的提高，6∶4模式获得较高产量的主要原因之一是提高小麦的相对竞争力。

带型；小麦间作玉米；作物产量；种间竞争力

近年来，城镇化和工业化的迅速发展使得耕地面积逐年减少，已对粮食安全构成威胁[1]。为了保障粮食安全和维持农业的可持续发展，现代农业生产体系研究大多致力于探寻资源高效利用同时兼顾高产的方法和途径[2]。间套作种植因其能够充分利用各种农业资源，实现地力和水热资源在时间和空间上的集约化利用，且较单作具有明显的产量优势[3-4]而备受人们关注[5]，被认为是未来可持续农业发展的重要方向之一[6]。

带型配置被认为是组建合理复合群体结构的重要影响因子之一[7]。不同带型的间作群体通风、透光等条件存在着差异，竞争与互补程度不同，对空间、水肥等的利用也不同，因而增产增值效应也不同[8]。由2种或2种以上作物组成的间套作复合群体中，带型设置的原则是间作作物带宽度至少保障具有满足单一作物获得维持自身生长必需的资源、进行独立生长所需的空间，而这个宽度又不能影响作物间的相互作用[9]。如何确定最优的带型来获得最高的作物产量和资源利用率是当前间作生产面临的问题[10]。大量研究认为，种间竞争作用是间作优势的重要决定因素[11]。合理的间作结构不仅可以减少两作物的竞争，能有效地利用土地资源，还能使群体更加充分地利用自然气候等条件，提高光能利用率，获得更佳的经济效益[12]。因此，通过量化种间竞争力来确定间作最优带型是较为有效的方式。作物间的竞争关系可以通过种间竞争力和相对拥挤指数来衡量，合理的带型结构能够强化种间互补作用，弱化种间竞争作用[13]。

本试验以小麦间作玉米为研究对象，在不同的带型配置下，量化种间竞争力与复合群体生产力间的相关关系，以期为通过间作作物竞争力的调控而提高复合群体增产效应提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2014年3-10月在甘肃农业大学校地联合绿洲农业科研教学基地(武威站)进行，该站位于甘肃河西走廊东端，(37°96′N，102°64′E，海拔1 506 m)，属温带大陆性干旱气候，具有干旱少雨、日照充足、昼夜温差大的特点。主要风向为西北风，静风率26%，年平均温度7.7 ℃，无霜期150 d左右，日照时数2 873.4 h，日照百分比为67%，太阳辐射量为579.3 kJ/cm2，属太阳辐射量高值区，昼夜温差平均7.9 ℃。气温以7月最高，为29 ℃，1月最低，为-14.9 ℃。多年平均降水量160 mm，年蒸发量2 020 mm，属于典型的两季不足、一季有余的自然生态区。2014年作物生育期(3-9月)降雨量明显高于多年平均降雨量 (图 1)。该区主要采用小麦间作玉米，玉米间作豌豆等种植模式，但采用何种带型可以提高资源利用和产量尚无明确研究。

图1 武威试验站2014年降雨量和长期平均降雨量(mm)Fig.1 Average precipitation (mm) from March to September in 2014 and long-term (2001-2013) average at Wuwei Experimental Station, China

1.2 供试材料

供试春小麦品种(TriticumaestivumL.)为‘永良4号’，春玉米(ZeamaysL.)品种为‘先玉335’，均由武威市农业技术推广中心提供。小麦于3月22日播种，7月26日收获，玉米于4月8日播种，9月27日收获。

1.3 试验设计

设小麦、玉米行数比为6∶2(W6M2)、6∶3(W6M3)和6∶4(W6M4)的3个间作处理，单作小麦(W)、单作玉米(M)为2个对照处理，共组成5个处理，每处理重复3次，共15个小区，田间随机排列。

小麦密度为675株/m2，行距为12 cm；玉米密度为4.5株/m2，行距为40 cm。间作处理中小麦带与玉米带间距为30 cm，小麦带宽均为80 cm，而玉米带宽则随玉米行数的不同而不同，W6M2、W6M3、W6M4间作中玉米带宽分别为80、120、160 cm(图2)，使得各处理小麦、玉米所占间作面积比例分别为50%∶50%、40%∶60%、33%∶67%。间作每个小区设置3个自然带，南北走向。玉米采用地膜覆盖。

1.4 取样及测产

在作物不同生育时期分别测定不同处理小麦、玉米地上部干物质累积量。小麦单作处理随机取30株，玉米随机取10株，间作处理选同一侧取样。样品于105 ℃下杀青后于80 ℃恒温烘干，计算不同处理地上部干物质累积量。作物成熟后按小区收获计产，间作处理2种作物分别收获。

1.5 产量优势及竞争力评价指标

1.5.1 土地当量比 土地当量比(LER)是衡量间套作产量优势的重要指标[14]，LER表示单作要获得与间作相同的产量所需要的相对耕地面积。

LER=(Yim/Ysm)+ (Yiw/Ysw)

式中，Yim和Yiw分别代表间作玉米和间作小麦产量，Ysm和Ysw分别代表单作玉米和单作小麦产量。当LER>1时，表明存在间作产量优势，LER<1表明存在间作产量劣势。

1.5.2 时空当量比 时空当量比也是衡量间套作优势的重要指标[15]，表示间作在时间和空间上资源利用的优势。

ATER= [(Yiw/Ysw)×Pw+ (Yim/Ysm)×Pm]/t

式中，ATER为时空当量比，Pw和Pm分别为间作中小麦和玉米的占地比例，t为间作所经历的时间，其余符号意义同上。

1.5.3 土地利用率 通过计算土地当量比和时空当量比，可以得出间作土地利用率(LUE%)[15]：

LUE%=(LER+ATER)/2×100%

1.5.4 种间相对竞争力 作物种间竞争力指间作体系中一种作物相对于另一种作物对水分、养分等与产量形成有关资源的竞争力：

Awm=Yiw/(Ysw×Pw)-Yim/(Ysm×Pm)

式中，Awm为小麦相对于玉米的产量竞争力，其余符号意义同上。Awm>0，表明小麦竞争力强于玉米；Awm<0，表明玉米竞争力强于小麦。

1.5.5 相对拥挤指数 相对拥挤指数(RCC或K)用于衡量间作优势和间作群体中不同组分的主导地位，当K大于1时，说明存在间作优势；当K小于1时，说明间作存在劣势。当其一组分的K大于1时，该组分处于竞争优势；当K小于1时，说明该组分处于竞争劣势。

K=Kw×Km，Kw=(Pm×Yiw)/[Pw×(Yxw-Yiw)]

Km=(Pm×Yiw)/[Pm×(Ysm-Yim)]

式中，Kw、Km分别为间作小麦、间作玉米相对拥挤指数，其余符号意义同上。

图2 不同处理下小麦和玉米的田间结构示意图Fig.2 Lay out of wheat and maize under different treatments

1.6 数据处理

试验数据采用Excel 2013整理汇总，Origin 9.0作图，SPSS 17.0 进行方差分析、显著性检验。

2 结果与分析

2.1 带型对小麦间作玉米产量的影响

以单作小麦和单作玉米产量的加权平均为对照，结果发现(表1)，间作显著提高作物产量，W6M2、W6M3和W6M4处理籽粒产量分别较单作提高19.3%、36.9% 和 35.4%，生物产量分别较单作提高21.3%、21.7% 和29.6%，增产显著(P<0.05)。3个间作处理间比较，W6M4、W6M3处理籽粒产量分别较W6M2高14.8%和13.5%，W6M4生物产量W6M2高6.9%，差异显著(P<0.05)。

为明确带型对间作组分作物产量的影响，分析各组分作物对群体产量的贡献变化，结果表明，随着玉米行数的增加，玉米组分的产量随之增加，而小麦组分产量逐渐减小，W6M2、W6M3和W6M4处理的小麦籽粒产量分别为单作小麦的59.6%、46.7% 和 41.4%，生物产量分别为单作小麦的59.0%、46.7% 和 42.1%；玉米籽粒产量分别为单作玉米的59.7%、72.0% 和 78.3%，生物产量分别为单作的61.7%、69.7% 和 79.1%。

不同带型间作显著影响间作玉米的收获指数(P<0.05)，对间作小麦的收获指数影响不大。W6M3和W6M4处理玉米收获指数较W6M2处理分别高6.8%和6.5%，间作小麦、玉米的收获指数与相应单作收获指数间无显著差异。

2.2 带型对小麦间作玉米资源利用效率的影响

不同间作处理间，W6M4间作可以获得较高的资源利用效率，W6M3间作次之，W6M2间作资源利用效率最小(表2)。W6M4间作处理LER、ATER和LUE%分别较单作高23.8%、28.9%和12.3%，W6M3间作处理LER、ATER和LUE%分别较单作高18.6%、22.5%和7.7%，W6M2间作处理LER、ATER和LUE%分别较单作高19.3%、19.3%和6.7%。W6M4间作处理LER、ATER和LUE%分别较W6M3间作处理高3.5%、5.2%和4.3%，较W6M2间作处理高3.0%、8.1%和5.2%。

表1 不同带型下小麦间作玉米的产量和收获指数Table 1 Yield and harvest indexes of intercropped wheat and maize under different rows arrangement

注：数据为3次重复的平均值。同列中不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。
Note: Each value is mean of three replicates. Different letters in the same column indicate significantly different among treatments(P<0.05).The same below.

表2 不同带型下小麦间作玉米的土地当量比(LER)、时空当量比(ATER)和土地利用效率(LUE%)Table 2 LER, ATER and LUE% of intercropped wheat and maize under different rows arrangement

2.3 带型对小麦间作玉米经济效益的影响

间作可显著提高农田的经济效益，以单作小麦和单作玉米经济效益的加权平均为对照，分析小麦间作玉米的经济效益，结果发现(表3)，间作显著提高作物经济效益，W6M2、W6M3和W6M4处理经济效益分别较单作加权提高22.9%、22.6% 和 28.5%，增效显著(P<0.05)。不同间作处理间比较，W6M4间作处理经济效益最高，达到35 100元/hm2，较W6M2间作处理高13.7%。

2.4 小麦相对玉米的种间竞争力

小麦-玉米共生期内，不同处理小麦相对玉米的平均种间竞争力Awm均大于0(图3)，表明小麦间作玉米共生期间，小麦竞争力始终强于玉米，在资源利用上处于优势地位。平均种间竞争力Awm随生育期的推进呈先增大后减小的趋势(图3)。总体上看，平均Awm最大值出现时期为小麦开花期至小麦灌浆初期(Awm平均值为0.86)，平均Awm最小值出现时期为小麦成熟期(Awm平均值为0.17)。带型对小麦间作玉米的相对竞争力存在显著影响(P<0.05)，W6M4间作处理的平均Awm较W6M2处理高14.1%，较W6M3处理高7.3%；W6M3间作处理的平均Awm较W6M2处理高6.6%，说明增加玉米行数能够显著提高间作小麦的竞争力。

小麦相对玉米竞争力Awm最大值出现的时间因带型变化而不同，W6M2和W6M4间作处理Awm最大值出现的时期为小麦开花期，而W6M3间作处理为小麦灌浆初期。研究发现当Awm>0.5时，W6M4正处小麦成熟期，持续时间为14 d；W6M3同样处于小麦成熟期，持续时间为21 d；而W6M2处于小麦三叶期和成熟期，持续时间为27 d。当0.50.6时，W6M4处于小麦三叶期、拔节期、孕穗期和灌浆期，持续时间为40 d；W6M3处于小麦拔节期和孕穗期，持续时间为30 d，而W6M2处于拔节期和孕穗期，且主要处于拔节期，持续时间为25 d。综上结果表明玉米行数增加时，小麦处于强竞争力的时间持续增长。

2.5 不同带型下小麦间作玉米的相对拥挤指数

随着生育期的推进，小麦间作玉米复合群体的相对拥挤指数K由0.52增至1.3(图4)，即间作从不存在间作优势至存在较大间作优势。随着玉米行数的增加，间作优势(K>0)出现的时间随之推迟，W6M2间作K值大于0出现的时间为小麦灌浆初期(6月10日)，W6M3间作K值大于0出现的时间为小麦灌浆后期(6月29日)，W6M4间作K值大于0出现的时间为小麦成熟期(7月20日)。共生期间，W6M2间作相对拥挤指数K值在小麦灌浆后期达到最大值，而W6M3和W6M4间作相对拥挤指数K值随生育期的推进呈增加趋势，说明带型的改变使得间作优势最大值出现的时间延迟，从另外角度可以认为，增加玉米行数的间作处理中，麦收后玉米的恢复性生长是间作优势产生的主要原因。

表3 不同带型下小麦间作玉米的经济效益分析Table 3 Economic benefit of intercropped wheat and maize under different rows arrangement 元/hm2

图3 不同带型下小麦相对玉米的种间竞争力Fig.3 Competitive of wheat to maize under different rows arrangement

图4 不同带型下小麦间作玉米的相对拥挤指数Fig.4 Relative crowding coefficient of wheat and maize under different rows arrangement

间作组分作物相对拥挤指数在不同生育时期均表现为Kw>1>Km，说明在小麦间作玉米共生期间，小麦始终处于竞争优势低位，为竞争优势作物，玉米处于竞争劣势低位，为竞争劣势作物。共生期间，除小麦拔节期外(5月6日)，间作小麦相对拥挤指数Kw均为W6M2>W6M3>W6M4，W6M2处理Kw最大值出现的时间为小麦灌浆后期，而W6M3和W6M4处理Kw最大值出现的时间都为小麦灌浆初期。间作小麦相对拥挤指数Km随带型的变化对应与Kw，除小麦拔节期外，Km均为W6M2

2.6 小麦相对玉米种间竞争力与产量和收获指数间的相关关系

种间竞争力、相对拥挤指数与产量和收获指数间的关系表明(表4)，种间竞争力与籽粒产量、生物产量和玉米收获指数呈显著正相关关系，与小麦收获指数呈负相关关系，相对拥挤指数与种间竞争力、籽粒产量、生物产量和玉米收获指数呈负相关关系，与小麦收获指数呈正相关关系。

考虑到小麦相对玉米种间竞争力与产量呈显著正相关关系，以小麦相对于玉米全生育期竞争力的平均值为自变量，以间作复合群体的产量为因变量研究竞争力和产量间的相关关系(图5)。结果表明，复合群体产量与种间竞争力呈显著的线性增长关系。说明在不同带型间作下，种间竞争力的增加有利于复合群体产量的提高，在限制性资源供给生长条件下，间作小麦和间作玉米对资源需求的时空差异，为通过增大相对竞争力而提高产量提供了保障。因此，通过带型调控小麦-玉米间作复合系统中种间相对竞争力是增加系统产量的一种可行途径。

表4 竞争力与产量和收获指数间的相关系数Table 4 Correlation coefficients among competitiveness, yield, and harvest index

注：*表示显著相关(P<0.05)，**表示极显著相关(P<0.01)。
Note: * means significantly different among treatments(P<0.05), ** means significantly different among treatments(P<0.01).

图5 小麦相对玉米竞争力与产量的相关关系Fig.5 Linear fit of competitive and yield of wheat and maize under different treatments

3 结论与讨论

优化间作体系带型配置的本质是通过改变间作体系中作物的空间配置，从而改变间作配对作物对于资源的利用以及产量的形成。因此，合理的空间结构能够改善群体冠层的光照、温度、湿度和CO2等微环境，对复合群体增产增效具有重要作用[16]。高阳等[17]研究表明，玉米/大豆间作中，增加玉米行数有助于扩大光合面积，增加光合有效辐射，提高群体光合速率，减少群体呼吸消耗，从而提高籽粒产量。刘正芳等[18]研究带型对玉米/豌豆光合利用率的影响，认为增加玉米行数能够显著提高群体的叶日积，增大光能利用率，提高群体产量。本研究得出与以上相符的结果，W6M4和W6M3小麦/玉米较W6M2能够显著提高群体产量和经济效益。带型配置关系着间作组分作物间的平衡增产，郜庆炉等[14]认为，随着带幅的加宽，带窄作物产量下降，带宽的作物产量增加，带宽作物的产量增加能否补偿带窄作物产量的下降是间作成败的关键。这与本研究结果一致，本研究中玉米行数的增加显著提高间作玉米的产量，很好地弥补间作小麦产量的减少，使得间作群体的间作优势得以扩大。

W6M4间作的资源利用效率最高，土地当量比、时空当量比和土地利用率分别较单作高23.8%、28.9%和12.3%。6∶4带型配置下获得较大间作优势的主要原因是较大的带幅降低作物对光能、水分和养分等的竞争，Rao[15]于2002年也得出相同的结论。不同带型下，随着小麦相对玉米竞争力增加，间作群体产量呈线性增加关系，说明在玉米行比增加的前提下，通过增加小麦相对玉米种间竞争力进一步提高群体产量是可行的[19]。小麦-玉米共生期间，间作小麦相对拥挤指数大于1，而间作玉米相对拥挤指数小于1，说明在小麦间作玉米体系中，小麦为竞争优势作物，适度提高共生期间小麦对资源的竞争力对复合群体产量提高是有益的，因为间作玉米在小麦收获后能够在时间上和空间上合理地利用资源，得以迅速生长，表现出较强的恢复性生长[20]。

适宜的间作带型因作物组合、密度、土壤以及物候的不同而不同[21]，因而通过种间竞争力探究间作最优化空间结构对间套作增产、高效具有重要意义。本研究仅从间作体系中带型变化对间作体系产量的影响进行初步分析，而对于作物带型变化影响作物对地上部、地下部空间资源利用的机理研究，如带型改变对作物光能利用的影响、地下部养分资源利用的变化均未涉及，此类研究有待于在今后的工作中开展。

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(责任编辑：郭柏寿 Responsible editor:GUO Baishou)

Effects of Rows Arrangement on Yield and Interspecific Competition of Intercropped Wheat and Maize.

CHEN Guodong1,WAN Sumei1, FENG Fuxue2,CHAI Qiang2, ZHAO Hongfu2and CHEN Jinfeng2.

(1.College of Plant Science and Technology, Tarim University, Alar Xinjiang 843300,China; 2.Gansu Provincial Key Lab of Arid-land Crop Science,Lanzhou 730070,China)

In a field experiment, the response of interspecific competition and crop yield to different wheat to maize row ratio (6∶2, 6∶3 and 6∶4) in wheat/maize intercropping system was investigated. The results showed that land equivalent ratio of each treatment exceeded 1, and had a significant yield advantage. Yield advantage increased with the increase of maize row,LER,ATERandLUE% of 6∶4 (W6M4) were 3.5%, 5.2% and 4.3% , respectively higher than 6∶4 (W6M3), and 3.0% , 8.1%, and 5.2% higher than 6∶2 (W6M2) treatment. Aggressiveness of wheat to maize (Awm) could been significantly improved by increase of maize row.Awmof W6M4 were, respectively, 7.3% and 14.1% higher than W6M3 and W6M2 treatment. Positive linear relations betweenAwmand yields of intercropping system were observed in the field experiment. Therefore, improving wheat/maize competitiveness in a moderately way in intercropping systems could increase yield.

Rows arrangement; Intercropping; Yield; Competition

2016-07-25 Returned 2016-10-08

National Natural Science Foundation of China(No.31360323); National Science and Technology Support Program (No. 2012BAD14B10); President Fund Project of Tarim University (No.TDZKJC201606).

CHEN Guodong，male，associate professor.Research area：theory and technique of high-yield cultivation.E-mail：chengd_@126.com

CHAI Qiang，male，professor.Research area：teaching and research on multiple cropping,conservation agriculture and water-saving agriculture.E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

日期：2017-06-29

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20170629.1108.018.html

2016-07-25

2016-10-08

国家自然科学基金(31360323)；国家科技支撑计划(2012BAD14B10); 塔里木大学校长基金(TDZKJC201606)。

陈国栋，男，副教授，研究方向为作物高产栽培理论与技术。E-mail:chengd_@126.com 通信作者：柴 强，男，教授，研究方向为多熟种植、保护性农业及节水农业。E-mail: chaiq@gsau.edu.cn

S344.2

A

1004-1389(2017)07-0990-08