西北灌区薯/豆连续套作对系统产量及土壤肥力的影响

陈光荣,王立明,杨如萍,董博,张国宏,杨桂芳

(1.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，农业部西北作物抗旱栽培与耕作重点实验室，甘肃 兰州730070；2.甘肃环科雅农业科技有限公司，甘肃 兰州730070)

西北灌区薯/豆连续套作对系统产量及土壤肥力的影响

陈光荣1,王立明1,杨如萍1,董博1,张国宏1,杨桂芳2

(1.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，农业部西北作物抗旱栽培与耕作重点实验室，甘肃 兰州730070；2.甘肃环科雅农业科技有限公司，甘肃 兰州730070)

探求马铃薯/大豆连续套作下复合群体产量优势，为实现持续高产的生产目标提供理论和技术依据。2011-2014年，在西北沿黄灌区会宁县郭城镇，选用马铃薯品种克新4号和大豆品种冀豆17作为试验材料，设置马铃薯连作(PM)、大豆连作(SM)、薯-豆轮作(P-S)、薯/豆套作连作(IC)和薯/豆套作轮作(IR)5种种植方式开展大田定位试验，研究不同种植模式连续种植4年对系统产量及产量构成的影响，分析系统生产力及土壤肥力的变化特点，进而揭示薯/豆套作系统的生产价值。结果表明, 1)薯/豆套作具有明显的产量优势，4年间，IC和IR系统产量与连作相比，分别提高了28.54%～254.07%和39.39%～283.98%，与轮作相比，分别提高了57.51%和70.81%。2011和2012年，IC与IR系统产量间差异不显著，但IC和IR与PM、SM、P-S处理间系统产量差异达到显著水平(P<0.05)，2013和2014年IR系统产量均最高，分别达到9912.79和9589.90 kg/hm2，较IC处理分别提高了15.38%和8.45%，且与其他处理间均差异达到显著水平(P<0.05)。2)不同种植模式在年际间变化显著，对于PM，2012年(连作1年)与2011年(正茬)产量差异不显著，而2013年(连作2年)和2014年(连作3年)产量较2011年分别下降了22.07%和42.11%；SM和IC变化趋势与PM表现一致，连作2年后，降幅分别为31.15%～53.60%和13.91%～24.17%；对于P-S和IR而言，年际间系统产量无显著变化。3)不同种植模式对耕层土壤肥力性质指标的影响程度是：有效磷>碱解氮>全氮>全磷>速效钾>有机质>全钾>pH。较PM、SM和P-M，IC和IR连续套作4年，耕层土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾呈下降趋势，尤其是有效磷和速效钾，下降幅度分别达到26.24%～42.87%和18.48%～30.22%。马铃薯和大豆连作2年后产量显著下降，薯/豆连续套作4年(IC或IR)，相对于连作或轮作具有明显的生产力优势，尤其是薯/豆套作轮作模式，基于养分吸收量的增加和养分利用效率的提高，连续4年系统产量相对稳定。

马铃薯；大豆；连续套作；系统产量；耕层土壤肥力

水稻(Oryzasativa)、玉米(Zeamays)和小麦(Triticumaestivum)占我国粮食作物总播种面积和全部粮食产量的73%和85%左右。我国自2004年到2015年的12年间，全国粮食生产实现了“十二连增”，基本满足了人们的粮食需求消费。然而，种植玉米、小麦等粮食作物的收益在10年间增幅很小，在农民纯收入中所占比例越来越小，成为削弱农民种粮积极性的主要因素，同时也成为制约粮食生产可持续发展的关键因素[1]。与此相反，在我国马铃薯(Solanumtuberosum)主粮化的背景下，由于比较效益高，产业链长等优势条件，马铃薯种植面积逐年增加。甘肃省中部沿黄灌区是西北地区乃至全国重要的早熟马铃薯生产基地，该区域马铃薯种植逐渐呈现规模化、机械化和集约化趋势。然而，伴随着该区域马铃薯产业的发展，出现种植结构相对单一、倒茬困难和马铃薯多年连作的局势，导致马铃薯生长发育受阻、病虫害猖獗、产量和品质下降等一系列问题。生产上需要通过轮作倒茬来缓解连作障碍，这就妨碍了马铃薯种植面积的扩大且增加了基地建设成本。近年来，西北地区马铃薯/大豆(Glycinemax)高产高效栽培模式大面积被应用，该模式年际间交替轮作有效改善土壤微生物结构，缓解了马铃薯连作障碍，为该区域马铃薯产业的可持续发展起重要作用。在农田生态系统中，间套作显著提高系统产量已被国内外大量试验研究所证实，在北欧地区大麦(Hordeum)间作豌豆(Pisumsativum)籽粒产量高达4.6 t/hm2，显著高于单作水平[2]；在东非地区玉米间作金钱草(Pileapeperomioides)系统中，间作玉米产量较单作玉米高511.1%[3]；在印度，水稻间套作花生(Arachishypogaea)系统中，间作水稻产量为2815 kg/hm2，显著高于单作水稻[4]，大豆间作木豆(Cajanuscajan)的平均产量较单作大豆提高60%以上[5]；在我国西北地区小麦间作玉米和小麦间作大豆系统中，小麦籽粒产量平均分别增加55%和29%，玉米增产25.5%，大豆增产6%[6]。前期研究表明，马铃薯套作大豆可提高土地复种指数，提高土地利用率，具有良好的产出效果，其单位面积产量、产值分别为单作的1.39和1.43 倍[7]。李萍等[8]和芶久兰[9]研究表明，马铃薯对土壤N和K吸收量大，而豆科作物对P比较敏感，马铃薯套作豆科作物可均衡吸收土壤养分，提高土地利用率。王海燕等[10]研究发现，马铃薯套作蚕豆(Viciafaba)系统氮素和磷素产投比较马铃薯单作提高12.99%和9.41%，较蚕豆单作提高29.85%和60.34%。在印度亚热带地区对马铃薯和菜豆(Phaseolusvulgaris)间作模式研究表明，土壤中的有机碳的含量明显增加25%[11]。马铃薯/大豆套作模式能显著提高系统生产力和养分利用效率，同时从土壤中携出比单作更多的养分是否导致土壤肥力降低，另外，薯/豆连续套作条件下，系统内作物生产力是否维持或者降低成为众所关注的问题。据此，本试验在甘肃沿黄灌区开展4年定位试验，通过研究薯/豆套作连作、薯/豆套作轮作、薯-豆轮作、马铃薯连作等种植模式对作物产量构成影响，分析不同种植模式下系统生产力及土壤肥力的变化特点，为薯豆套作模式在生产上的推广和应用提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1试验材料

马铃薯品种选用黑龙江省马铃薯研究所选育的克新4号，大豆品种选用河北省农林科学院粮油作物研究所育成的冀豆17(表1)。

表1 供试马铃薯、大豆品种特性Table 1 Characteristics of different plant varieties of potato and soybean

1.2试验地概况

试验于2011-2014年在甘肃省会宁县郭城镇进行，地处35°37′ N、105°13′ E，海拔1594 m，年平均气温6.7 ℃，年均降雨量263.1 mm，≥10 ℃的有效年积温3244 ℃。试验地肥力相对均匀，2011年播前0～20 cm耕层土壤基础肥力为有机质10.21 g/kg、全氮0.67 g/kg、全磷0.79 g/kg、全钾11.07 g/kg、碱解氮39.82 mg/kg、有效磷9.26 mg/kg、速效钾99.89 mg/kg、pH值为8.01。

1.3田间试验设计及种植规格

本研究为4年定位试验，设5个处理，(1)马铃薯连作(PM)，带幅160 cm，马铃薯幅宽 100 cm，起垄覆膜种植2行马铃薯；(2)大豆连作(SM)，采用大豆单作，平地种植；(3)薯/豆套作连作(IC)，采用早熟马铃薯/大豆套作、带宽160 cm，其中马铃薯幅宽100 cm，起垄覆膜种植2行马铃薯。大豆幅宽60 cm，平地种植2行，且在马铃薯带和大豆带内连续种植马铃薯和大豆的套作模式;(4)薯/豆套作轮作(IR)，采用早熟马铃薯/大豆套作、带宽160 cm，其中马铃薯幅宽100 cm，起垄覆膜种植2行马铃薯。大豆幅宽60 cm，平地种植2行，且在马铃薯带和大豆带年际间轮作种植马铃薯和大豆的套作模式；(5)薯-豆轮作(P-S)，2011、2013年种植马铃薯，种植方式同(1)，2012、2014年种植大豆，种植方式同(2)。所有小区采用南北行向种植，小区面积6.0 m×9.6 m。马铃薯套作、连作及轮作密度均为47625穴/hm2，行距均45 cm，穴距为33 cm。大豆套作、连作及轮作密度均为150000株/hm2，行距均为40 cm。套作株距为0.09 cm，连作和轮作株距0.17 cm。2011年马铃薯和大豆播期分别是3月16日和4月18日，收获期分别是7月25日和10月4日；2012年播期分别是3月20日和4月22日，收获期分别是8月4日和10月9日；2013年播期分别是3月24日和4月20日，收获期分别是8月7日和9月29日；2014年播期分别是3月36日和4月17日，收获期分别是8月2日和10月11日。各处理3次重复，随机区组设计。不施用农家肥，薯/豆套作模式，氮肥施用量为225 kg/hm2，磷肥施用量为150 kg/hm2，钾肥施用量为180 kg/hm2，马铃薯单作，氮肥施用量为180 kg/hm2，磷肥施用量为90 kg/hm2，钾肥施用量为120 kg/hm2；大豆单作，氮肥施用量为45 kg/hm2，磷肥施用量为60 kg/hm2，钾肥施用量为60 kg/hm2。肥料为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)和硫酸钾(K2O 50%)。其中，N 50%，K2O 70%，P2O5100%，作为基肥；N 50%，K2O 30%作为花期追肥。肥水及大田管理同当地生产条件。

1.4测定指标

1.4.1生育期记载及产量调查 记载马铃薯及大豆播种、出苗、始花、成熟等生育时期，统计出苗率、共生期。收获马铃薯、大豆时，各小区取中间3带共27.8 m2计产，连续取马铃薯10株、大豆20株考种，调查马铃薯株高、茎粗、单株结薯数、平均单薯重、商品薯率；调查大豆株高、有效荚数、每荚粒数、单株粒数、百粒重。

1.4.2样品采集及测定 分别在2011年播种前和2014年收获后，在各种植系统采集耕层(0～20 cm)混合土样，风干、过筛测定其pH值和有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾等含量。土壤样品测定方法：参照《土壤农化分析》[12]，有机质采用重铬酸钾外加热法，全氮采用凯氏定氮法，全磷采用酸融-钼锑抗比色法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用Olsen 法，速效钾采用火焰光度法测定。

1.4.3套作优势 参照Al-Dalain[13]和Connolly等[14]的方法。

LER=LERs (potato)+LERs (soybean) LERs=YP/YM

式中：LER为总土地当量比(land equivalent ratio，LER)；LERs (potato)、LERs (soybean)分别为马铃薯和大豆的相对土地当量比；YP 为套作作物产量；YM 为连作作物产量。LER>1，表明套作具有优势，LER<1 则为套作劣势。

1.4.4养分表观平衡估算 养分表观平衡=(投入量-支出量)/支出量×100%；养分投入量仅为肥料投入养分量，养分支出量仅为作物吸收量(含籽粒或块茎的吸收量和植株吸收量)。养分表观平衡估算方法参照文献[15]。

1.5数据处理

用Microsoft Excel和DPS统计软件进行试验数据汇总与统计分析。

2 结果与分析

2.1系统产量及土地当量比

由表2可知，不同体系产量受种植方式影响显著，2011-2014年，马铃薯连作(PM)、大豆连作(SM)、薯-豆轮作(P-S)、薯/豆套作连作(IC)和薯/豆套作轮作(IR)体系平均产量分别为7082.87、2571.25、5780.06、9104.05和9872.95 kg/hm2，4年间，IC和IR系统产量与连作相比，分别提高了28.54%～254.07%和39.39%～283.98%，IC和IR系统产量与轮作相比，分别提高了57.51%和70.81%。2011和2012年，IC系统产量与IR系统产量间差异不显著，而与PM、SM、P-S处理间差异达到显著水平，2013和2014年IR系统产量均最高，分别达到9912.79和9589.90 kg/hm2，与IC处理差异显著，两年系统产量分别提高了15.38%和8.45%，且与其他处理间差异显著。

不同种植模式在年际间变化显著，对于连作马铃薯，2014年(连作3年)和2013年(连作2年)相对于2011年(正茬)，产量分别下降了22.07%和42.11%，而2012年(连作1年)产量升高了7.8%，表明连作1年马铃薯产量无显著变化，连作2年后出现显著下降；连作大豆变化趋势与连作马铃薯表现一致，连作2年后，降幅可达到31.15%～53.60%；对于轮作而言，轮作马铃薯和轮作大豆年际间产量变幅不大；薯/豆套作连作产量变化趋势与连作马铃薯或连作大豆变化一致，连作2年后产量开始下降，降幅为13.91%～24.17%；薯/豆套作轮作年际间系统产量无显著变化。

从土地当量比角度分析，2011和2012年，与连作或轮作相比，尽管套作马铃薯和套作大豆产量均降低，降幅分别为7.80%～11.78%和25.58%～31.54%，但薯/豆套作模式IC或IR LER均大于1，表明该模式可提高土地复种指数和土地利用效率，具有良好的产出效果；受连作障碍的影响，2013和2014年，连作马铃薯和连作大豆产量低于套作马铃薯和套作大豆，IC处理LER两年分别为1.88和2.15，IR处理则高达2.24和3.02，说明随着马铃薯或大豆连作年限的增加，薯/豆套作模式，尤其是薯/豆套作轮作模式产出效果显著增加。

表2 不同种植模式系统产量与土地当量比Table 2 Crop yields of different cropping systems and equivalent rations (LER)

注：马铃薯产量按5 kg鲜重产量折合1 kg粮食产量计算，表中马铃薯产量均为折合后产量。同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note：The potato yield was calculated as one fifth fresh tuber yield, which is equivalent to grain yield. Values within a column followed by different letters are significantly different atP<0.05.

2.2不同种植模式对作物产量构成因素的影响

2.2.1不同种植模式对马铃薯产量构成因素的影响 从图1可见，2011-2013年不同处理间出苗率无显著差异，2014年连作马铃薯出苗率显著降低，较2011年(正茬)降幅为6.36%。单株结薯数、平均单薯重及商品薯率是表征马铃薯块茎产量的重要指标。不同处理间单株结薯数无显著差异。在平均单薯重上，2011和2012年各处理间差异不显著，但2012年较2011年各处理平均单薯重降低，PM、IC和 IR分别降低了23.00%、16.41%和29.04%。2013年，P-S处理平均单薯重高于PM、IC和IR处理，分别提高了53.00%、38.79%和27.98%，且与PM和IC处理差异显著，与IR处理差异不显著。2014年，PM 和IC处理平均单薯重显著下降，较2011年分别下降了49.44%和16.33%，而IR处理仅下降了4.41%，说明薯/豆套作轮作IR有效缓解了连作对平均单薯重的抑制；在商品薯率上，2011-2013年不同处理间无显著差异，2014年PM、IC和IR处理商品薯率变化与平均单薯重变化一致，PM和IC较2011年显著下降，分别下降了21.41%和14.64%，而IR处理仅下降了2.89%。结合平均单薯重及商品薯率分析，发现与马铃薯总产指标变化一致。

图1 套作马铃薯产量构成要素的比较Fig.1 Comparison of relay-cropping potato plants and its yield component 不同小写字母表示不同种植处理在P<0.05水平上差异显著，下同。Different small letters indicate significantly different at P<0.05 level, the same below.

2.2.2不同种植模式对大豆产量构成因素的影响 从图2可见，不同处理间大豆出苗率无显著差异。在有效荚数上，2011和2012年SM处理高于IC和IR处理，但低于P-S处理。2013年SM和IC处理有效荚数显著下降，较2011年(正茬)分别降低了21.49%和17.72%，而IR处理较2011年升高了20.37%，且与SM和IC处理间差异达到显著水平。2014年SM和IC处理有效荚数下降幅度更大，较2011年分别下降了47.78%和25.54%，而IR处理较2011年升高了9.46%，同样与SM和IC处理间差异达到显著水平，IR处理有效荚数低于P-S处理，但差异不显著；在每荚粒数上，2011和2012年各处理间差异不显著，2013和2014年SM处理显著低于P-S、IC和IR处理，较2011年(正茬)每荚粒数降低了8.68%，而其他处理年际间变化不大。在百粒重上，2011和2012年各处理间差异不显著，2013年IR处理显著高于SM 和IC，但SM 和IC处理间差异不显著。2014年P-S处理和IR处理百粒重最高，分别为23.01和22.89 g显著高于其他处理，SM 和IC处理百粒重较2011年(正茬)分别下降了11.10%和5.82%，结合有效荚数、荚粒数及百粒重分析，不同处理大豆产量构成因素受连作逆境的影响程度从大到小依次是：SM>IC>IR>P-S。

2.3不同种植模式下氮磷钾养分投入与作物收获带出收支平衡分析

通过计算4年(2011-2014年)不同种植模式下氮、磷、钾养分总投入和总支出分析养分表观平衡，表3中养分投入仅包括通过肥料的养分投入，养分支出为各种植系统内作物收获带走的总养分量，包括籽粒或块茎养分含量及植株养分含量。总体来看(表3)，不同种植模式下氮素和钾素养分投入和产出处于负平衡状态，而磷素养分投入和产出表现为正平衡，说明氮素和钾素的投入量不能满足作物高产需求，而磷素的投入量高于作物生长所需量。在分析中还发现，不同种植模式的氮、磷、钾支出由高到低均表现为IR>IC>PM>P-S>SM，由此可见，间套作种植在提高系统生产力的同时，相比单作从土壤中携出了更多的养分。

2.4不同种植模式对耕层土壤肥力的影响

由表4可知，马铃薯和大豆不同种植模式对耕层土壤肥力性质指标的影响程度是：有效磷>碱解氮>全氮>全磷>速效钾>有机质>全钾>pH。薯/豆套作轮作(IR)4年后，较2011年播前土壤耕层有机质含量增加了15.67%，pH值增加了0.22个单位，而土壤耕层全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾呈下降趋势，下降幅度分别为19.40%、15.19%、5.42%、38.47%、42.87%和30.22%；薯/豆套作连作(IC)4年后，土壤耕层肥力性质指标均呈下降趋势，其中有机质、全氮、全磷、全钾和pH值降幅不大，而有效磷和速效钾降幅较大，分别为26.24%和18.48%； 薯-豆轮作模式(P-S)，与2011年播前耕层肥力指标相比，有机质、pH值、全氮、全钾和碱解氮变幅不大，而全磷和有效磷含量显著增加，较2011年播前分别增加了22.78%和37.15%；大豆连作(SM)3年后，土壤耕层全氮、全磷、全钾和碱解氮较2011年播前肥力指标显著上升，分别增加了20.89%、18.99%、9.58%和36.29%，而有效磷和速效钾分别降低了19.11%和7.08%，pH值降低了0.19个单位；马铃薯连作(PM)3年后，土壤耕层全氮、全磷和有效磷较2011年播前肥力指标显著上升，分别增加了10.45%、12.66%和26.89%，土壤有机质、全钾、碱解氮和速效钾分别下降了2.64%、7.14%、16.42%和16.18%，pH值下降了0.37个单位。

表 3 不同种植模式作物养分表观平衡概算Table 3 Estimate of different cropping systems nutrient apparent balance

表4 不同种植模式耕层土壤(0～20 cm)土壤肥力性质(2014年)Table 4 Topsoil fertility of different cropping systems (0-20 cm, 2014)

3 讨论

在西北灌区，与单作农田相比，早熟马铃薯套作大豆、小麦套作大豆、亚麻(Semenlini)套作大豆、豌豆套作大豆及玉米间作大豆的种植模式土地利用效率分别提高了54%、52%、52% 66%和34%，单位面积产量分别为单作农田的1.39、1.48、1.55、1.64和1.28倍，单位面积产值分别为单作农田的1.43、1.54、1.53、1.69和1.31倍[7]。另外，对西瓜(Citrulluslanatus)套作大豆模式研究发现，西瓜产量不受影响，增收大豆2961.5 kg/hm2，产值增加13326.8元/hm2[15]。Li等[6，17]研究蚕豆/玉米间作模式时发现，玉米和蚕豆籽粒产量较单作分别增加43%和26%，Xia等[18]研究证实，蚕豆/玉米、大豆/玉米、鹰嘴豆(Cicerarietinum)/玉米和油菜(Brassicacampestris)/玉米间作具有显著产量优势，Andrade等[19]也验证向日葵(Helianthusannuus)/大豆间作模式的产量优势，以上研究结果表明，间套作系统显著提高了系统生产力。在本试验中，马铃薯连作、大豆连作，随连作年限增加，系统产量显著下降，薯/豆连续套作(IC或IR)相对于单作或轮作，具有明显生产力优势，尤其是薯豆套作轮作模式(IR)，连续4年系统生产力相对稳定。与Xia等[18]和王志刚[20]在长期定位研究蚕豆/玉米、大豆/玉米、鹰嘴豆/玉米和油菜/玉米连续间作结果基本一致。

有关间套作马铃薯产量优势研究主要集中在2种作物生物学特性上的差异，能够在时间、空间尺度上互补性利用环境资源。例如，西北地区马铃薯/大豆套作模式[21]，西南地区玉米/马铃薯间作模式[22]，华北地区棉花(Anemonevitifolia)/马铃薯间作模式等[23]；其次，间套作条件下相对冷凉的群体环境有利于马铃薯生长和块茎形成[24-26]；此外，间套作显著抑制马铃薯的晚疫病及虫害[16,27]。本研究中，与以往研究最大的区别在于薯/豆连续套作4年(2011-2014年)，仍然具有明显的产量优势。除以上涉及的增产机制以外，还可能基于N、P、K矿质营养高效吸收利用方面的原因。前人在研究马铃薯/蚕豆间作时发现，该间作系统N吸收量显著增加[8,10]。Li等[17]研究表明，不同施氮水平下蚕豆/玉米间作地上部氮吸收量比对应单作增加9%～32%，地上部磷吸收量分别比单作增加29%和28%。Mei等[28]也证实了，在不同磷水平下蚕豆/玉米间作在新开垦土壤上地上部磷吸收量比单作平均增加23.5%。国外研究也发现，豆科/木薯间作钾吸收量显著增加44%[29]。由此可见，间套作种植在提高系统生产力的同时，相比单作从土壤中携出了更多的养分。本研究中，不同种植模式养分支出分析表明，薯/豆套作系统作物吸收的总养分量显著高于单作或轮作模式，即使大豆生物固氮能够提供大豆所需约50%的氮源[20]，本试验中的氮肥用量也不能满足作物高产需求。另外，通过对比播前土壤肥力性质指标，2014年作物收获后，薯/豆套作种植土壤耕层全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾均呈下降趋势，尤其是速效养分下降幅度较大。因此，在薯/豆连续套作的情况下，应合理的补充矿质营养才能更好地保持土壤肥力。

众多研究表明，将豆科作物引入间套作或轮作系统，可以有效地改良土壤理化性质，增加土壤有机质、提高土壤肥力，从而提高作物产量和品质[30-34]。本研究与前人研究结果基本一致，较2011年播前土壤耕层有机质含量，4年后薯/豆套作轮作(IR)系统有机质含量显著提高。不同作物对土壤中矿质营养元素的需求种类及吸收的比例有其特殊的要求，同一作物长期连作，必然造成土壤中某些元素的亏缺。大豆连作研究结果表明，随连作年限的增加，土壤中速效K、碱解N、有效Zn和有效B含量降低[35]。马铃薯连作，土壤中全N、碱解N、全磷、速效P、全K和速效K均随连作年限的增加呈下降趋势[16]。本研究中，较2011年播前肥力指标，大豆连作3年后，土壤耕层全氮、全磷、全钾和碱解氮显著上升；马铃薯连作3年后，土壤耕层全氮、全磷和有效磷显著上升。这与前人研究结果有所不同，可能与连作的年限以及施肥、耕作、栽培方式等有关。但从养分平衡的角度分析，马铃薯是喜钾作物，大豆对磷素吸收量较大，马铃薯或大豆连作后，必然导致土壤中钾素或磷素的亏缺。而薯/豆套作模式，系统内作物可互补利用矿质元素，另外，大豆主要通过生物固氮满足其N素营养需求，减少对土壤N素养分的竞争。马铃薯通过吸收土壤N素而降低了系统土壤N素含量，从而进一步刺激大豆生物固氮。由此可见，薯/豆套作是一种养分高效利用种植模式。

4 结论

马铃薯或大豆连作2年后产量显著下降，薯/豆连续套作4年(IC或IR)相对于单作或轮作，具有明显生产力优势，尤其是薯豆套作轮作模式(IR)，连续4年系统产量相对稳定。薯/豆连续套作后土壤耕层全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾均呈下降趋势，尤其是速效养分下降幅度较大。另外，该种植模式下氮素和钾素养分总投入和总支出处于负平衡状态，由此可见，薯/豆套作系统产量优势还基于养分吸收量的增加和养分利用效率的提高，需合理的补充矿质营养才能更好地保持土壤肥力。

References：

[1] Xin N Q. The implementation of the strategy for the new food safety to ensure national food security. Management Agricultural Sciences Technology, 2014, 33(6): 3-5.

信乃诠. 实施粮食安全新战略, 确保国家粮食安全. 农业科技管理, 2014, 33(6): 3-5.

[2] Hauggaard-Nielsen H, Ambus P, Jensen E S. Interspecific competition, N use and interference with weeds in pea-barley intercropping. Field Crops Research, 2001, 70(2): 101-109.

[3] Khan Z R, Pickett J A, Wadhams L J. Combined control ofStrigahermonthicaand stemborers by maize-Desmodiumspp. intercrops. Crop Protection, 2006, 25(9): 989-995.

[4] Sarkar R K, Pal P K. Effect of intercropping rice (Oryzasativa) with groundnut (Arachishypogaea) and pigeonpea (Cajanuscajan) under different row orientations on rainfed uplands. Indian Journal of Agronomy, 2004, 49: 147-150.

[5] Ghosh P K, Mohanty M, Bandyopadhyay K K. Growth, competition, yield advantage and economics in soybean/pige on pea intercropping system in semi-arid tropics of India: Ⅰ. Effect of sub soiling. Field Crops Research, 2006, 96(1): 80-89.

[6] Li L, Sun J H, Zhang F S. Wheat/maize or wheat/soybean strip intercropping: Ⅰ. Yield advantage and interspecific interactions on nutrients. Field Crops Research, 2001, 71(2): 123-137.

[7] Chen G R, Zhang G H, Wang L M,etal. Quantitative evaluation and analysis on different cropping patterns of soybean in northwest irrigation districts along Yellow River. Soybean Science, 2013, (5): 614-619.

陈光荣, 张国宏, 王立明, 等. 西北沿黄灌区不同作物间套作大豆产出效果分析. 大豆科学, 2013, (5): 614-619.

[8] Li P, Zhang Y C, Tian F. Study on effect of marginal effect on quality of potato tuber in potato and faba bean intercropping system. Crop Research, 2012, 26(5): 471-473.

李萍, 张永成, 田丰. 马铃薯蚕豆间套作边行效应对马铃薯块茎品质影响研究. 作物研究, 2012, 26(5): 471-473.

[9] Gou J L. Nutritional Effect of Nitrogen on Different Intercropping Patterns of Potato[D]. Chongqing: Southwest University, 2010.

芶久兰. 马铃薯不同间作模式的氮肥营养效应研究[D]. 重庆: 西南大学, 2010.

[10] Wang H Y, Wang X L. Effect of potato and soybean intercropping system. Inner Mongolia Agricultural Science Technology, 2007, (3): 37-39.

王海燕, 王哓玲. 马铃薯间作蚕豆效益评价与栽培研究. 内蒙古农业科技, 2007, (3): 37-39.

[11] Arnon D I. Copper enzymes in isolated chloroplast: polyphenol oxidase inBetavulgaris. Plant Physical, 1949, 24: 1-15.

[12] Bao S D. Analysis of Soil Agricultural Chemistry[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1999.

鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业出版社, 1999.

[13] Al-Dalain S A. Effect of intercropping ofZeamaizewith potatoSolanumtuberosumL. on potato growth and on the productivity and land equivalent ratio of potato andZeamaize. Agriculture Journal, 2009, 4: 164-170.

[14] Connolly J, Goma H C, Rahim K. The information content of indicatorsin intercropping research. Agriculture Ecosystems & Environment, 2001, 87: 191-207.

[15] Chen G R, Yang G, Zhang G H,etal. Optimal allocation technology for compound population of relay-intercropping watermelon with soybean in Northwest irrigation districts. Soybean Science, 2016, (2): 245-250.

陈光荣, 杨国, 张国宏, 等. 西北灌区西瓜套作大豆高产高效模式群体配置技术研究. 大豆科学, 2016, (2): 245-250.

[16] Pei G P, Wang D, Zhang J L. Study on the occurring reasons and controls of continuous cropping obstacle in potato. Journal of Guangdong Agricultural Science, 2010, (6): 30-32.

裴国平, 王蒂, 张俊莲. 马铃薯连作障碍产生的原因与防治措施. 广东农业科学, 2010, (6): 30-32.

[17] Li L, Li S M, Sun J H,etal. Diversity enhances agricultural productivity via rhizosphere phosphorus facilitation on phosphorus-deficient soils. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2007, 104: 11192-11196.

[18] Xia H Y, Wang Z G, Zhao J H,etal. Contribution of interspecific interactions and phosphorus application to sustainable and productive intercropping systems. Field Crops Research, 2013, 154: 53-64.

[19] Andrade J F, Cerrudo A, Rizzalli R H. Sunflower-soybean intercrop productivity under different water conditions and sowing managements. Agronomy Journal, 2012, 104: 1049-1055.

[20] Wang Z G. Crop Productivity and Soil Fertility as Affected by Continuous Intercropping in an Orthic Anthrosol[D]. Beijing: Chinese Agricultural University, 2014.

王志刚. 灌漠土上连续间作对作物生产力和土壤肥力的影响[D]. 北京: 中国农业大学, 2014.

[21] Chen G R, Yang W Y, Zhang G H,etal. Compensation effect of different soybean varieties in potato/soybean intercropping systems. Scientia Agricultural Sinica, 2016, 49: 455-467.

陈光荣, 杨文钰, 张国宏, 等. 薯豆套作模式下不同熟期大豆品种生长补偿效应. 中国农业科学, 2016, 49: 455-467.

[22] Wu K X, An T X, Fan Z W,etal. Effects of nitrogen input on yields advantage and interaction of the maize and potato intercropping. Journal of Plant Nutrient Fertilizer, 2012, 18: 31006-31012.

吴开贤, 安瞳昕, 范志伟, 等. 玉米与马铃薯的间作优势和种间关系对氮投入的响应. 植物营养与肥料学报, 2012, 18: 31006-31012.

[23] Wang L X, Chen Y Q, Li C,etal. Effects of different drip irrigation systems on yield and water use efficiency of potato in intercropping system of cotton and potato. Acta Agronomica Sinica, 2013, 39: 1864-1870.

王丽霞, 陈源泉, 李超, 等. 不同滴灌制度对棉花/马铃薯模式中马铃薯产量和WUE的影响. 作物学报, 2013, 39: 1864-1870.

[24] Sharaiha R K, Battikhi A. A study on potato/corn intercropping-microclimate modification and yield advantages. Agricultural Science, 2002, 29(2): 97-108.

[25] Midmore D J, Berrios D, Roca J. Potato (Solanumspp.) in the hot tropics V. Intercropping with maize and the influence of shade on tuber yields. Field Crops Research, 1988, 18: 159-176.

[26] Rk Sharaiha A B. A Study on potato/corn intercropping microclimate modification and yield advantages. Agricultural Science, 2002, 16: 97-109.

[27] He X H, Zhu S S, Wang H N. Crop diversity for ecological disease control in potato and maize. Journal Resource Ecology, 2010, 1: 45-51.

[28] Mei P P, Gui L G, Wang P. Maize/faba bean intercropping with rhizobia inoculation enhances productivity and recovery of fertilizer P in a reclaimed desert soil. Field Crops Research, 2012, 30: 19-27.

[29] Qi Z P, Rao I, Ricaurte J. Root distribution and nutrient uptake in crop-forage systems onAndeanhillsides. Journal of Sustainable Agriculture, 2004, 23: 39-50.

[30] Larkin R P, Honeycutt C W. Effects of different 3-year cropping systems on soil microbial communities and Rhizoctonia diseases of potato. Phytopathology, 2006, 96: 68-79.

[31] Carter M R, Kunelius H T. Productivity parameters and soil health dynamics under long-term 2-year potato rotations in Atlantic Canada. Soil & Till Research, 2003, 72: 153-168.

[32] Mohr R M, Volkmar K, Derksen D A,etal. Effect of rotation on crop yield and quality in an irrigated potato system. Journal of Sustainable Agriculture, 2011, 88: 346-359.

[33] Hao W L, Liang Y L, Zhu Y L,etal. Production efficiency and soil nutrient characteristics in food-vegetable rotation systems. Bull Soil Water Conservation, 2011, 31(2): 46-51.

郝旺林, 梁银丽, 朱艳丽, 等. 农田粮-菜轮作体系的生产效益与土壤养分特征. 水土保持通报, 2011, 31(2): 46-51.

[34] Hu Y, Guo T W, Zhang X C. Effect of potato continuous cropping on soil nutrients in dry land. Journal of Anhui Agricultural Science, 2009, 37: 5436-5439.

胡宇, 郭天文, 张绪成. 旱地马铃薯连作对土壤养分的影响. 安徽农业科学, 2009, 37: 5436-5439.

[35] Shen B Y. Mechanism of Potato in Response to Continuous Cropping Stress in Yellow River Irrigation Farming Districts of Gansu[D]. Lanzhou: Gansu Agricultural University, 2013.

沈宝云. 甘肃沿黄灌区马铃薯不同品种对连作逆境的响应机理研究[D]. 兰州: 甘肃农业大学, 2013.

Cropyieldandsoilfertilityaffectedbycontinuouspotato/soybeanintercroppingsystemsalongtheYellowRiver

CHEN Guang-Rong1, WANG Li-Ming1, YANG Ru-Ping1, DONG Bo1, ZHANG Guo-Hong1, YANG Gui-Fang2

1.InstituteofDrylandAgriculture,GansuAcademyofAgriculturalSciences,KeyLaboratoryofNorthwestDroughtCropCultivationofChineseMinistryofAgriculture,Lanzhou730070,China; 2.GansuCentralKeyGreenAgricultureTechnologyLimited,Lanzhou730070,China

The objective of this work was to explore the mechanisms for the yield advantage of a potato/soybean continuous intercropping system. Potato, variety Kexin 4 and soybean, variety Jidou 12 were used in a long-term field experiment undertaken from 2011 to 2014 in Guochen, Huining County, Gansu Province in the Northwest irrigation district. The treatments included potato monocropping (PM), soybean monocropping (SM), potato-soybean rotational system (P-S), potato/soybean continues intercropping (IC) and potato/soybean rotational intercropping (IR). The influences of different cultivation systems on crop yields and soil fertility were analyzed. Continuous intercropping systems produced higher yields; IC and IR treatments enhanced yield by 28.5%-254.1% and 39.4%-284.0% compared with PM and SM, respectively and by 57.5% to 70.8% compared with P-S. There was no difference in yield between IC and IR in 2011 and 2012 but in 2013 and 2014 IR yield was significantly higher than those of PM, SM, IC and P-S, achieving 9913 kg/ha and 9590 kg/ha, respectively. Cultivation system influenced yield over time. For PM, yield was stable after 1 year but declined significantly by 22.1% and 42.1% after two and three years of continuous cropping, respectively. The SM and IC treatments significantly reduced yields by 31.2%-53.6% and 13.9%-24.2% after two years, respectively. The P-M and IR treatments did not influence yield over the four years of the study. Topsoil fertility was improved to some extent by different cultivation systems; Olsen P>available N>total N>total P>available K>organic carbon>total K>pH. Topsoil fertility in the IC and IR treatments decline after four years of continuous cropping compared with PM, SM and P-S; Olsen P and available K decreased by 26.2%-42.9% and 18.5%-30.2%, respectively. The results of this study showed that potato/soybean intercropping systems (IC or IR) produced better yields after four years of continuous cropping compared with monocropping and rotational cropping with the potato/soybean rotational intercropping system clearly superior.

potato; soybean; continuous intercropping; system yields; topsoil fertility

10.11686/cyxb2017162http//cyxb.lzu.edu.cn

陈光荣, 王立明, 杨如萍, 董博, 张国宏, 杨桂芳. 西北灌区薯/豆连续套作对系统产量及土壤肥力的影响. 草业学报, 2017, 26(10): 46-55.

CHEN Guang-Rong, WANG Li-Ming, YANG Ru-Ping, DONG Bo, ZHANG Guo-Hong, YANG Gui-Fang. Crop yield and soil fertility affected by continuous potato/soybean intercropping systems along the Yellow River. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(10): 46-55.

2017-03-31；改回日期：2017-05-18

国家自然基金(31660134)，现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-04-CES17)，甘肃省农业科学院青年基金(2015GAAS20)和兰州市农业科技专项(2015-3-37)资助。

陈光荣(1980-)，男，甘肃皋兰人，在读博士。E-mail：chengr516@163.com