绿洲灌区小麦间作玉米种植密度优化效应研究

陈国栋 万素梅 赵宏福 陈锦锋 柴 强*

(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， 甘肃 兰州 730070)

间作套种是我国传统农业的重要组成部分，具有充分利用地力、光能、热能等资源的优点，是一种较为普遍的高产种植方式[1, 2]。近年来，随着人口的不断增长，水土资源日趋减少，粮食安全问题日益突出，如何进一步发挥间作增产、增效作用受到研究者的关注[3]。小麦间作玉米是我国西北地区，特别是甘肃一熟灌区的一种较为普遍的高产种植模式，具有明显的产量优势[4]，在提高甘肃河西灌区乃至全省粮食产量方面发挥着重要作用[5]。

间套作种植能够建造良好的群体冠层结构，通过更有效地利用光能来增加作物产量[6]，而群体冠层结构很大程度上受作物种植密度的影响，种植密度不仅直接影响着太阳光的截获量，而且通过影响冠层内水、热、气、肥等微环境最终影响着群体的光合效率和作物产量[7]。Hauggaard-Nielsen等(2006)[8]研究发现，凡是间作增产的地方，其适宜总密度比单作中任一个要来得大，这是间混作充分利用空间的结果。吴兰[9]认为密植效应是间作优势形成的基础，而两作物协调互补(补偿效应)则是间作优势形成的条件。安瑞春等[10]研究认为增大作物密度使间混作总叶面积和有效叶面积增加，光能利用率显著提高。朱静[11]研究认为，间作玉米密度的增加，提高了玉米间作豌豆群体对氮素的利用率，显著提高了间作体系的产量。然而，间作产量并不是随密度的增大而呈线性增长关系，华劲松等[7]研究了种植密度对玉米间作芸豆产量的影响，结果表明，产量在一定范围内随密度的增大而增大，密度过大，产量反而下降。谭春燕等[12]在玉米间作不同种植密度大豆的条件下，研究了大豆光合生理指标的影响，结果表明，在一定范围内，大豆光合速率会随着密度的增加而增加，但达到一定程度，反而会下降。

在作物品种、种类不同的前提下，关于密度对间作群体产量影响的结果没有一个统一的认知[13]，而密度影响小麦间作玉米产量的理论研究较为薄弱，致使生产实践过程中作物密度安排缺乏理论指导。因此，本研究以小麦间作玉米为研究对象，在不同的密度条件下，研究作物密度与复合群体产量的相关关系，明确密度影响间作作物产量的主要原因，以期通过改变间套作体系中作物种植密度而为提高体系产量提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2015年3～10月在甘肃农业大学与农垦研究院农业科研教学基地进行。试验区属温带大陆干旱气候，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2873. 4 h，太阳总辐射量579. 3kj/ cm2，日照百分比为67%，太阳辐射量为138. 45 kcal/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，为零下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。该区主要采用小麦间作玉米，玉米间作豌豆等主要种植模式，采用何种密度模式可以提高资源利用和产量尚无明确研究。

1.2 试验设计

试验设单作小麦、单作玉米、小麦间作玉米3种种植模式，单作小麦、单作玉米分别设3个密度，组成6个单作处理；间作作物密度是基于固定一种间作作物密度，通过改变与之间作作物密度设计的，间作组分作物密度同单作，组成5个间作处理。试验处理代码及密度设置见表1。试验共设置11个处理，重复3次，采用完全随机设计。春小麦品种(Triticumaestivum)为“永良4号”，春玉米(Zeamayz)品种为“先玉335”，均由武威市农技推广中心提供。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。

表1 处理代码及密度设置

1.3 测定指标和方法

产量性状：小麦收获后每小区取样20株考种，测定株高、穗长、小穗数、穗粒数、千粒重等产量性状；玉米每小区取样10株考种，测定株高、穗位高、穗长、穗粗、穗行数、行粒数、双穗率、百粒重等产量性状。

产量：小麦成熟期取长1m、宽0. 8m收获测产，每小区取3点取样，最后平均出0. 8m2米的产量，乘以10000即为每公顷产量。玉米成熟期每小区取40株收获计产，计算单株产量，最后乘以各处理密度即为不同处理最终产量。

土地当量比(Land equivalent ratio , LER)：土地当量比(LER)是衡量间套作产量优势的指标[17]。

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，表现为间作优势，LER<1表现为间作劣势。

2 结果与分析

2.1 密度与作物产量的相关关系

以间作组分作物种植密度为自变量，以其产量为因变量研究密度与作物产量的相关关系(图1和图2)。无论是单作还是间作体系，小麦、玉米产量与种植密度呈开口向下的二次抛物线关系，说明在一定的密度范围内，产量随密度的增加而增加，当密度增大到一定水平，产量开始下降。

本试验密度下，单作小麦、单作玉米在中密度时产量最大，回归分析结果表明，单作小麦、单作玉米理论上获得最高产量所对应密度分别为776万株·hm-2和8. 35万株·hm-2。间作小麦产量随密度的增加而增加(图1)，二次曲线仅为抛物线的左边部分，这可以理解为在现有密度配置下，间作小麦产量最大值还未出现，而通过回归分析可以得出间作小麦理论上获得最高产量所对应密度为1023万株·hm-2。间作玉米密度与产量的关系(图2)表明，间作玉米产量在中密度时最高，间作玉米理论上获得最高产量所对应密度为8. 56万株·hm-2。因此，在小麦间作玉米复合群体中，增加小麦密度可作为增加间作产量的有效途径。

图1 小麦密度与间作小麦产量的相关关系

图2 玉米密度与间作玉米产量的相关关系

2.2 密度对小麦产量构成因素的影响

对不同模式下小麦产量构成因素进行分析，结果表明(表1)，高密度和低密度间作小麦穗长、穗数、穗粒数及千粒重显著高于对应单作，穗长、穗数、穗粒数及千粒重分别较单作提高14. 0%和15. 5%、12. 4%和8. 8%、6. 5%和4. 9%、7. 2%和13. 2%。处理W2/M3的小麦株高、穗长、穗数分别较相应密度单作提高3. 7%、14. 7% 、10. 3%；处理W2/M2的株高、千粒重则较单作降低4. 3%、7. 3%。

不同间作处理间比较，小麦株高、穗长、穗粗及千粒重随密度增加而增大。处理W2/M3和W3/M2的小麦株高分别较W2/M1提高5. 7%和5%，较W2/M2提高8. 4%和7. 6%，较W1/M2提高3. 1%和2. 4%；小麦穗长分别较W2/M1提高12. 2%和10. 4%，较W2/M2提高11. 7%和9. 9%，W1/M2提高10. 6%和8. 9%；小麦穗数分别较W2/M2提高8. 2%和16. 3%，较W1/M2提高14. 8%和23. 4%。小麦穗粒数随密度增加而减小，处理W2/M3的小麦穗粒数分别较W2/M1、W2/M2、W1/M2和W3/M2低12. 9%、11. 7%、10. 5%和5. 9%，处理W3/M2的小麦穗粒数分别较W2/M1、W2/M2和W1/M2低6. 5%、5. 4%和4. 4%。密度对小麦千粒重影响不大。

为分析密度对间作作物产量构成的影响，对不同间作小麦产量和产量构成因素作相关性分析，结果表明产量与穗粒数呈负相关关系，与株高、穗长和穗数呈正相关关系，其中穗数与产量呈显著正相关关系(P<0. 05)，相关系数为0. 881，说明间作小麦群体中可通过改变穗数而对产量进行调控。

表1 密度对小麦产量构成因素的影响

注：数据为3个重复的平均值。同列中不同字母表示处理间差异显著(P<0. 05)。

2.3 密度对玉米产量构成因素的影响

密度对玉米产量构成因素的影响因种植模式的不同而存在差异(表2)，单作玉米株高、穗位高显著高于间作，高、中、低3个密度下，单作玉米株高较间作分别增加37. 0%、37. 4%、37. 8%，穗位高分别增加46. 9%、45. 5%、55. 6%。另外，本试验条件下，间作具有较高的双穗率，间作双穗率达到45. 2%，而单作双穗率仅为7. 7%。

不同间作处理下玉米株高、穗位高、穗粗及白粒重差异不明显，说明影响间作玉米产量的主要因素为穗长、穗行数、穗粒数和双穗率。玉米穗长随玉米密度增加而增加，处理W2/M2和W2/M3的玉米穗长分别较W2/M1提高6. 8%和10. 6%。处理W2/M3和W1/M2的玉米穗行数分别较W2/M1提高10. 8%和11. 4%，较W2/M2提高4. 2%和4. 8%，较W3/M2提高6. 7%和7. 3%。处理W2/M3的玉米行粒数分别较W2/M1提高6. 4%，较W3/M2提高4. 8%。处理W1/M2的双穗率最低，分别较W2/M1、W2/M2、W2/M3和W3/M2低21. 7%、29. 4%、18. 2%和26. 5%。

对不同间作玉米产量和产量构成因素作相关性分析，结果表明产量与株高、穗粗、双穗数呈负相关关系，与穗位高、穗长、穗行数、行粒数及百粒重呈正相关关系，其中穗长、穗行数、行粒数与产量呈显著正相关关系(P<0. 05)，相关系数分别为0. 805、0. 936和0. 905，说明间作群体中可通过改变间作玉米群体的穗长、穗行数及行粒数而对玉米产量进行调控。

表2 密度对玉米产量构成因素的影响

续上表

处理株高穗位高穗长穗粗穗行数行粒数双穗率百粒重W2/M1251b83.1b20.7b17.5a15.8b32.7d0.46a37.2aW2/M2264b86.3b22.1a17.1a16.8b33.8c0.51a36.9aW2/M3240bc88.3b22.9a17.2a17.5a34.8bc0.44a37.4aW1/M2235b84.4b21.6ab17.4a17.6a34.6c0.36b37.4aW3/M2267b91.9b21.5ab17.8a16.4b33.2d0.49a37.6a

注：数据为3个重复的平均值。同列中不同字母表示处理间差异显著(P<0. 05)。

2.4 不同密度下小麦间作玉米的土地利用效率

不同间作处理的LER均大于1(图3)，说明在本试验配置的作物类型和田间结构下，间作具有提高土地利用效率的作用。比较不同密度搭配，在同一小麦密度下，LER随着间作玉米密度的增加而显著增加，高密度下以籽粒产量和生物产量计算的LER分别较低密度高3. 8%和3. 7%。在同一玉米密度下，高密度下以籽粒产量和生物产量计算的LER分别较低密度高5. 2%和4. 4%。不同密度组合间比较，W3/M2处理LER最大，W1/M2处理LER最小，W3/M2处理以籽粒产量和生物产量计算的LER分别可达到1. 42和1. 41，较W1/M2高7. 6%和6. 0%。

图3 不同处理的土地当量比(LER)

2.5 不同密度下小麦间作玉米的产量表现

间作较单作具有明显的产量优势(表3)，除W2/M1处理外，间作处理产量都显著高于单作。比较二种模式中净占地面积上的产量发现，间作小麦籽粒产量和生物产量较单作分别提高了22. 3%和21. 4%，间作玉米籽粒产量和生物产量较单作分别提高54. 6%、54. 2%。

不同间作处理的籽粒产量存在较大差异，但生物产量处理间无显著差异。处理W3/M2的籽粒产量较处理W1/M2和W2/M1分别高4. 2%和15. 4%，处理W2/M2、W2/M3和W1/M2产量较处理W2/M1高12. 1%、13. 2%和10. 8%。比较不同密度下间作组分产量，结果表明，固定玉米密度时，间作小麦产量随着密度的增加而显著增加，高密度小麦处理籽粒产量较中、低密度分别提高10. 0%和18. 5%，生物产量较中、低密度处理分别增加9. 9% 和19. 5%，中密度小麦处理籽粒产量较低密度提高 8. 7%，生物产量提高 10. 6%；固定小麦密度而改变间作玉米密度时，玉米密度的改变对小麦产量影响不大，但玉米产量得到了显著增加，高、中密度玉米处理较低密度处理分别高7. 4%和9. 8%。

表3 不同处理的产量表现

注：数据为3个重复的平均值。同列中不同字母表示处理间差异显著(P<0. 05)。

3 结论与讨论

间混作将高矮、株型、叶型、叶角、分枝等习性不同的作物搭配在一起，可以在空间利用上相互补充、分层镶嵌，从而为合理增加作物密度、增加叶面积或受光时间和空间，尤其为充分利用光资源提供了条件，获得更大间混作优势[14]。本研究结果表明，增加间作组分作物密度，尤其增加小麦密度能够显著提高间作群体产量。然而，间作密度的增加是在在一定的范围内，密度过大或过小都不利于群体产量的形成。华劲松等[7]研究了种植密度对间作芸豆产量的影响，结果表明，种植密度从低到高，芸豆群体冠层内通风透光状况逐渐变差，中下层叶片光照减弱，单株产量下降，但群体产量在一定密度范围内随密度的增加而增加，密度过大，产量反而下降。本研究通过分析密度与间作作物产量的相关关系，也得出同样的结论，只是本试验设计到的小麦密度(900万株·hm-2)低于理论上获得最高产量所对应的密度(1 023万株·hm-2)。

小麦产量可以通过提高分蘖成穗率、小花结实率和粒重三个方面来突破，关键是如何挖掘潜力，协调好相互关系，其共同目的就是使得穗数、穗粒数和粒重三者乘积达最大[15]。播种密度会造成小麦群体结构不同而带来温光等生态条件的差异，最终影响籽粒产量。房琴等[16]认为，穗数随着种植密度增大而显著递增。而不同种植密度下，穗粒数和千粒重均与穗数呈负相关。刘俊梅等[17]试验表明，随种植密度增加，穗粒重和穗粒数均呈逐渐下降趋势，且穗粒重之间的差异大于穗粒数之间的差异。本研究结果表明，小麦产量与穗粒数和千粒重呈负相关关系，与株高、穗长和穗数呈正相关关系，其中穗数与产量呈显著正相关关系，说明在间作群体中，密度增加使得群体穗数显著提高，是间作小麦产量增加的主要原因。

玉米的产量构成因素包括单位面积穗数、穗粒数和粒重[18]，密度通过影响穗长、穗粗、秃尖、穗行数、行粒数、穗粒重、双穗率、苞叶和花丝干重、穗轴与穗柄干重而对产量产生影响[19]。李明等[20]研究认为玉米产量在1 200 kg·hm-2～1 500 kg·hm-2的水平上时，穗粒数成为左右玉米产量的第1位因素，公顷穗数、千粒重则成为次要影响因素。闰海霞等[21]则认为穗长对于提高单株产量较为重要。本研究结果表明产量与株高、穗粗、双穗数呈负相关关系，与穗位高、穗长、穗行数、行粒数及百粒重呈正相关关系，其中穗长、穗行数、行粒数与产量呈显著正相关关系，表明在玉米间作体系中，协调粒重与穗数、穗粒数之间的关系是关键，通过增加密度而增加穗数要考虑其它产量构成因子的变化。

间作最适的总群体可以大于分别单种的最适群体[14]，但本研究仅在固定一种间作密度，研究了增加另一种作物密度对群体产量的影响，对同时增加间作组分作物密度对群体产量的影响没有涉及，此类研究有待于在今后的工作中开展。

[1] 杜海英.高产高效的立体种植模式[J].现代农业,2010(8):6-7.

[2] 谢凯,翁伯琦.玉米与旱地作物间作套种研究进展[J].中国农学通报,2014,30(6):26-32.

[3] 穆素芬,张馨月.玉米间作马铃薯及氮肥利用对作物生物量的影响[J].云南农业,2012(4):32-32.

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

[5] 胡恒觉,黄高宝.新型多熟种植研究[M].甘肃科学技术出版社,1999:8-12.

[6] 高阳,段爱旺,刘祖贵,等.单作和间作对玉米和大豆群体辐射利用率及产量的影响[[J].中国生态农业学报,2009,17(1):7-12.

[7] 华劲松.种植密度对间作芸豆群体冠层结构及产量的影响[J].作物杂志,2012(05):131-135.

[8] Hauggaard-Nielsen H, Andersen M K, J rnsg rd B, et al. Density and relative frequency effects on competitive interactions and resource use in pea-barley intercrops [J]. Field Crops Research, 2006, 95(2): 256-267.

[9] 吴兰.密度,带型与播差期对玉米间作大豆产量及品质的影响研究[D];贵州大学,2007.

[10] 安瑞春,任泽民.稻田玉米,大豆间作高产规律的研究[J].农业现代化研究,1984(1):41-45.

[11] 朱静.玉米密度对间作豌豆“氮阻遏”的调控效应及机制[D];甘肃农业大学,2012.

[12] 谭春燕,刘作易,朱星陶,等.不同密度间作大豆的光合生理响应[J].贵州农业科学,2012,40(8):49-52.

[13] 徐婷,雍太文,刘文钰,等.播期和密度对玉米-大豆套作模式下大豆植株,干物质积累及产量的影响[J].中国油料作物学报,2014,36(5):593.

[14] 张训忠,李伯航.玉米大豆间混作互补与竞争效应研究进展[J].河北农业大学学报,1987,10(2):80-88.

[15] 郭春强,罗鹏,曹燕燕,等.播期对冬小麦产量及其构成因素的效应[J].江苏农业科学,2015,43(2):86-88.

[16] 房琴,王红光,马伯威,等.密度和施氮量对超高产冬小麦群体质量和产量形成的影响[J].麦类作物学报,2015,35(3):364-371.

[17] 刘俊梅,曲超,杨学云,等.播种密度对秸秆覆盖旱地冬小麦产量和土壤水分的影响[J].西北农业学报,2014,23(9):36-43.

[18] 赵如浪,杨滨齐,王永宏,等.宁夏高产玉米群体产量构成及生长特性研究[J].玉米科学,2014,22(3):60-66.

[19] 任伟,赵鑫,黄收兵,等.不同密度下增施有机肥对夏玉米物质生产及产量构成的影响[J].中国生态农业学报,2014,22(10):1146-1155.

[20] 李明,杨克军,刘钢,等.寒地高产玉米产量构成因素分析[J].东北农业大学学报,2006,36(5):553-555.

[21] 闫海霞,柳家友,吴伟华.夏玉米主要穗部性状与单株产量之间的相关和通径分析[J].山东农业科学,2008,(1):7-9.