玉米间作豌豆种间竞争互补对少耕密植的响应*

任旭灵,滕园园,王一帆,殷 文,柴 强

(甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院 兰州 730070)

间作指在同一个生长季节、同一块土地上种植两种或两种以上作物[1],是一种基于生态多样性的种植模式[2]。该模式可提高单位耕地总产量和资源利用效率,是作物高效生产和低碳农业协调发展的种植模式[3-5]。生产实践中,禾豆间作是应用最为广泛的间作模式[6],增效、稳产效果显著[7]。研究表明,优化种间关系是提高间作效应的生态学基础[8],作物搭配[9]、空间结构改变[10]、肥水管理[11-12]、密度调整[13-14]等是调控种间关系的常用手段,其中,密植是间作增产的最重要机制之一[15],而密植效应的发挥必须建立在一定的资源供给基础之上,特定管理技术只有配置适宜的密度才能充分发挥间作优势。另一方面,随作物生产对资源减投和环境友好要求的增强,资源减投型间作理论和技术亟待深入。在诸多资源减投和环境友好型技术中,保护性耕作可改善农田生态微环境[16-18]、影响作物生长发育[19]。其中玉米少耕试验研究表明,该技术具有保持土壤肥力、缓冲土壤反应、改善土壤生态环境的作用,并对玉米生长发育具有显著影响[20-22]。纵观现有研究,将少耕集成在间作中的研究十分薄弱[12],使得生产实践中缺乏利用保护性耕作技术提升间作优势的理论依据。河西绿洲灌区气候条件适合发展间作,以玉米(Zea maysL.)间作豌豆(Pisum sativumL.)为代表的间作模式应用广泛,但该模式采用的传统翻耕技术投入大,且参考小麦(Triticum aestivumL.)间作玉米设置的玉米密度使得密植效应未能充分发挥。为此,本研究以玉米间作豌豆为参试对象,设置不同耕作措施和玉米密度,探讨不同处理对玉米间作豌豆种间关系动态的影响,揭示种间关系与间作产量的相关关系,以期为利用保护性耕作和密植技术优化间作作物种间关系,进一步发挥间作优势提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在甘肃省武威市凉州区黄羊镇甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地(37°30′N,103°5′E)进行。该地位于河西走廊东端,属寒温带干旱气候区,海拔 1 581 m;年降水量约 160 mm,蒸发量高于2 000 mm,日照时数 2 968.2 h,≥0℃和≥10℃的有效积温分别为3 646℃和3 149℃,年太阳辐射总量504～630 kJ·cm-2。玉米间作豌豆是该地区主要的间作种植模式,传统栽培采用翻耕、玉米带每年地膜覆盖栽培。

1.2 试验设计

供试玉米品种为‘先玉335',豌豆品种为‘陇豌1号'。2015年为预试验,2016年和2017年进行正式试验。设玉米间作豌豆、单作玉米和单作豌豆 3种种植模式;在单作玉米和玉米间作豌豆中设两种耕作方式,分别为少耕(即在当年玉米收获后不耕作,保留地膜翌年直接进行播种)和传统耕作(即当年玉米收获后进行秋季翻耕,翌年播前覆新膜);玉米设低、中、高3个密度梯度,间作玉米、间作豌豆带宽分别为110 cm、80 cm,详细试验代码及处理见表1。试验共13个处理,每处理重复3次。小区面积5.7 m×10 m。2016年玉米于4月25日播种,9月27日收获;豌豆于3月21日播种,7月6日收获。2017年玉米于4月27日播种,9月25日收获;豌豆地3月19日播种,7月9日收获。单作豌豆及间作豌豆带施纯N 135 kg·hm-2,纯 P2O567.5 kg·hm-2,全作基肥一次性施入;单作玉米及间作玉米带施纯N 450 kg·hm-2,按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌浆期追肥=3∶6∶1分施,纯P2O5225 kg·hm-2,全部作基肥。

表1 试验代码及处理Table 1 Codes of different treatments

1.3 测定指标及计算方法

干物质量：自玉米苗期,每隔 15 d随机选取长势均匀的玉米植株5株、豌豆10株,于105℃下杀青,80℃烘干至恒重后称量计算单位面积下的地上干物质累积量。

籽粒产量：玉米、豌豆成熟后,按小区收获测产,测定其籽粒产量与生物产量。

间作优劣势：采用土地当量比(LER)衡量间作优劣势：

式中：YIM和YIP分别代表间作玉米和间作豌豆籽粒产量,YSM和YSP代表单作玉米和单作豌豆籽粒产量。当LER＞1时,表示间作优势;当LER＜1时,表示间作劣势。

种间竞争力：作物竞争力表示豌豆相对玉米的竞争力[14]：

式中：PM和PP分别代表玉米和豌豆所占土地比例,本研究中PM=0.58,PP=0.42;YIM和YIP分别代表间作玉米和间作豌豆生物产量;YSM和YSP代表单作玉米和单作豌豆生物产量。当APM＞0时,表示豌豆竞争力强于玉米;当APM＜0时,表示豌豆竞争力弱于玉米。

玉米恢复效应：恢复效应表示早熟作物收获后晚熟作物生长发育恢复程度,同一时期间作玉米的干物质积累速率(CGRI)与单作玉米干物质积累速率(CGRM)的比值R＞1,说明间作具有恢复效应,R＜1,说明间作无恢复效应。

式中：W2和W1分别表示豌豆收获后,玉米在不同测定时期积累的生物量(kg·hm-2),t2和t1分别表示2个测定时期。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel和SPSS 17.0软件对数据进行整理、分析。

2 结果与分析

2.1 玉米间作豌豆的群体产量表现及土地利用率

2.1.1 不同间作处理的土地当量比

不同间作处理的土地当量比(LER)如图1所示,两年的土地当量比均＞1,说明玉米间作豌豆具有增产效应。2016年传统耕作低、中、高密度处理下LER较少耕耕作下低、中、高密度处理分别降低5.18%、18.00%、19.48%;2017年传统耕作下低、中、高 3个密度较少耕耕作处理下低、中、高3个密度的土地当量比分别降低0.87%、5.52%、7.65%。不同玉米密度对两年的 LER影响无明显规律。由此说明,玉米间作豌豆较单作豌豆、单作玉米具有增产优势,且在少耕条件下优势明显。

2.1.2 玉米间作豌豆群体产量表现

图1 2016—2017年玉米/豌豆间作系统不同耕作措施和玉米密度处理的土地当量比Fig.1 Land equivalent ratios of maize/pea intercropping system under different tillage measures and maize densities in 2016 and 2017

表2 2016年和2017年少耕密植处理下玉米/豌豆间作系统的产量表现Table 2 Yield of maize/pea intercropping system under different tillage measures and maize densities in 2016 and 2017 kg·hm-2

间作少耕密植处理下产量如表2所示,生物产量变化与籽粒产量一致,间作群体籽粒产量较单作豌豆增产 140.7%～229.4%,较单作玉米降低5.4%～22.0%,均达显著水平。间作系统中,不同耕作措施与同一玉米密度处理下,2016年少耕较传统耕作在低密度、中密度、高密度处理下分别增产 5.23%、11.13%、5.73%,但2017年差异不显著;同一耕作措施与不同密度处理下,玉米密度对传统耕作条件下玉米/豌豆群体籽粒产量影响不显著,2016年和2017年少耕条件下,中密度较低密度、高密度分别增产9.51%、6.29%和7.23%、11.89%,说明少耕结合中密度有助于间作增产。

同一耕作措施与玉米密度处理下,单位面积间作玉米籽粒产量较单作玉米显著增产 7.97%～32.10%,说明间作具有提高玉米籽粒产量的作用。间作玉米中,不同耕作措施同一玉米密度处理下,2016年少耕较传统耕作在低密度、中密度、高密度下分别增加4.70%、10.47%、3.80%,达显著水平,2017年增产不显著;同一耕作措施不同密度处理下,间作玉米籽粒产量在传统耕作下不同密度间差异均不显著,2016年和2017年少耕耕作条件下中密度较低密度、高密度平均增产8.39%、10.33%,达到显著水平,说明少耕具有提高间作玉米籽粒产量的作用,且在中密度下优势明显。同一耕作措施相同玉米密度处理下,单位面积间作豌豆籽粒产量较单作豌豆显著增产 9.50%～30.10%,说明间作提高了豌豆籽粒产量。间作豌豆中,不同耕作措施同一玉米密度处理下,2016年少耕较传统耕作在低密度、中密度、高密度下分别增产 7.38%、13.91%、13.95%,达显著水平,2017年增产不显著;玉米密度对间作豌豆籽粒产量影响不显著。可见,间作具有增产优势,主要是通过提高间作玉米、间作豌豆籽粒产量来获取群体增产的优势,少耕结合中密度使得玉米间作豌豆增产优势明显。

主效应分析如表3所示,年际间作物群体籽粒产量差异显著,种植模式、耕作措施、玉米密度对群体籽粒产量影响显著,年际与种植模式、年际与玉米密度、种植模式与耕作措施、耕作措施与玉米密度对群体籽粒产量的互作效应显著,年际、耕作措施、玉米密度三者的互作对作物群体籽粒产量的互作效应显著,种植模式、耕作措施、玉米密度三者的互作效应显著,其余处理的互作效应不显著。

表3 少耕密植处理对玉米/豌豆间作系统籽粒产量和生物产量的主效应分析Table 3 Analysis of main effect of tillage measure and maize density on grain yield and biological yield of maize/pea intercropping system

2.2 玉米间作豌豆种间关系对少耕密植的响应

2.2.1 玉米间作豌豆共生期内种间竞争力动态变化

由图2可知,不同处理中豌豆相对于玉米处于竞争优势地位。全生育期豌豆相对玉米的竞争力(APM),少耕较传统耕作在低、高密度下分别低16.05%、8.53%,达显著水平,中密度处理下差异不显著,说明在低、高密度处理下少耕具有降低豌豆对玉米的竞争力的作用;少耕中密度较低、高密度分别显著提高36.56%、20.17%,说明在少耕条件下适宜增大密度提高豌豆对玉米的竞争力。豌豆孕蕾期(5月19日)之前,传统耕作处理豌豆相对玉米的竞争力增加幅度高于少耕耕作,此时期中密度处理下差异不显著,低、高密度下传统耕作较少耕分别高43.88%、13.42%;豌豆灌浆期(6月21日),豌豆对玉米竞争力均最大,此时期少耕中密度较低、高密度分别高20.43%、25.78%,达显著水平,说明此时期少耕中密度处理显著影响豌豆对玉米的竞争力;直至收获期(7月6日),少耕处理下豌豆对玉米的竞争力下降幅度低于传统耕作,此时期传统耕作较少耕在中、高密度分别低 5.72%、11.70%,均达显著水平,低密度处理下差异不显著。由此说明,在玉米间作豌豆共生期间,少耕耕作中密度处理有利于提高豌豆对玉米的竞争力,且可将豌豆灌浆期(6月21日)作为调控豌豆相对玉米种间竞争力的关键时期。

图2 2016年和2017年不同耕作措施和玉米密度下玉米/豌豆间作系统中豌豆相对于玉米竞争力的动态Fig.2 Dynamics of competitiveness of pea to maize in maize/pea intercropping system under different tillage measures and maize densities in 2016 and 2017

2.2.2 间作玉米的生长恢复效应

豌豆收获后,间作玉米不同生育时期恢复效应见表4。年际、耕作措施、玉米密度对间作玉米的恢复效应影响显著,年际与耕作措施对间作玉米的恢复效应影响不显著,年际与玉米密度对玉米灌浆至收获期(8月27日—9月19日)的恢复效应影响显著,其余时期影响不显著,耕作措施与玉米密度的互作效应对间作玉米的恢复效应影响显著,三者的互作效应对间作玉米的恢复效应影响不显著。少耕显著提高间作玉米的恢复效应(R),少耕较传统耕作高10.30%～47.11%;少耕处理下,中密度较低、高密度显著提高15.35%、38.09%,说明少耕结合中密度更能进一步发挥间作玉米的恢复效应。由此说明,间作中集成少耕可显著提高玉米的恢复效应,且少耕中密度处理具有更大的优势。

2.3 间作产量与种间竞争力的相关性

玉米间作豌豆共生育期内,豌豆相对玉米平均竞争力与间作群体籽粒产量呈二次相关关系,具有显著相关性(图3)。当豌豆相对玉米竞争力在0.13～0.25范围内时随平均竞争力的增大间作群体产量呈持续增加趋势,平均竞争力为0.25时群体产量最大,超过0.25时复合群体产量随竞争力的增大反而下降,说明间作群体中保持适宜大小的竞争力有利于提高间作群体产量。因此,在玉米间作豌豆中,通过优化农艺措施调控豌豆对玉米竞争力是获取高产的一种可行途径。

3 讨论

3.1 少耕密植处理下玉米间作豌豆群体产量表现

间作作物增产的主要原因是比单作更能充分利用养分、水分等自然资源[8,12,23]。本试验两年研究中玉米/豌豆间作系统的土地当量比均大于 1,单位面积下间作玉米、间作豌豆产量均显著高于单作玉米、单作豌豆,说明间作具有增产优势。赵财等[24]研究发现,玉米间作豌豆下少耕在低灌溉水平下增产显著;魏欢欢等[25]研究表明,年降雨量≤500 mm地区少耕具有增产作用。本研究发现,少耕集成于玉米间作豌豆中具有增产作用,2016年少耕较传统耕作处理在低、中、高密度下间作群体产量显著提高,而2017年增产不显著,这可能是由于年际间的气候差异所致。适宜范围内提高密度是间作增产的手段之一[13],研究发现玉米/豌豆间作集成密植效应更能发挥间作增产潜力[15]。本研究中玉米密度显著影响少耕措施下间作群体籽粒产量,中密度较低密度、高密度分别增产8.4%、10.3%。可见,玉米间作豌豆模式中集成少耕、玉米中密度种植可充分发挥其增产优势。

表4 2016年和2017年玉米/豌豆间作系统中不同耕作措施和玉米密度处理下豌豆收获后玉米的恢复效应Table 4 Recovering effect of maize after pea harvest in maize/pea intercropping system under different tillage measures and maize densities in 2016 and 2017

图3 2016年和2017年玉米/豌豆间作系统全生育期豌豆相对于玉米的平均竞争力与籽粒产量的相关性Fig.3 Relationship between competitiveness of pea to maize during whole growth period and grain yield of maize/pea intercropping system in 2016 and 2017

3.2 玉米间作豌豆种间关系对少耕密植的响应

作物种间竞争与互补共同决定间作的优劣势[26-27]。两者的相对大小及其重要性随作物的生长发育进程而改变,共生期内,资源供给一定,间作作物之间发生竞争,当短生育期作物收获后,短生育期作物造成的竞争胁迫消失,长生育期作物会发生恢复性生长[28-29]。本研究中作物共生期内,豌豆对玉米的竞争力少耕中密度的竞争力最大,显著高于低密度和高密度,说明间作少耕条件下,适当增加密度强化了种间竞争力。植物在一定的水分、温光、土壤养分胁迫以及动物取食或机械损伤后,植物通常会在形态和生理上发生相应改变,在条件改善时会出现不同程度的补偿效应[30]。本试验中,豌豆收获后,间作玉米均发生不同程度的补偿,且少耕处理间作玉米的恢复程度较传统耕作提高 10.30%～47.11%,说明少耕形成了间作玉米恢复效应提高的基础,强化了间作玉米的恢复能力,这一结论与诸多学者在玉米间作小麦体系中得到的结果相一致[12]。少耕中密度处理下间作玉米的恢复效应最高,符合赵明等[30]提出的通过减小个体生长冗余以增加群体数量,最终实现高产的理论,这也可能是因为少耕中密度强化了豌豆对玉米的竞争力,形成了豌豆收获后玉米恢复效应增强的基础。因此玉米间作豌豆中配置合理的耕作措施和玉米密度,是实现间作增产优势的基础。

3.3 玉米间作豌豆群体籽粒产量与种间竞争的相关关系

本研究中豌豆对玉米全生育期内的平均竞争力与间作混合籽粒产量均呈二次相关关系,具有显著相关性。在作物共生期内,作物间的竞争关系大于互补关系时,群体对资源利用效率下降,表现出间作劣势,反之,表现出间作优势[29]。本研究中,豌豆和玉米共生期间,豌豆灌浆期(6月21日)之前,豌豆对玉米的竞争力呈增大趋势,之后呈下降趋势,总体上间作豌豆对间作玉米的竞争力(APM)大于 0,间作豌豆表现出间作优势;当平均竞争力超过0.25时,间作混合籽粒产量随之下降。赵建华等[9]研究发现,在玉米行距20～60 cm之间,增大行距时玉米相对豌豆的竞争力也随之增大,且在豌豆玉米间作群体的管理中,适当增大豌豆对玉米的竞争力,是获取较高产量的可行途径之一[10]。本研究间作系统中,豌豆对玉米的竞争力决定了豌豆收获后间作玉米的恢复程度。因此,可将少耕中密度作为调控玉米间作豌豆系统种间关系的适宜农艺措施,并为该系统获取高产提供有力保障。

4 结论

本研究中玉米/豌豆间作系统的土地当量比均大于 1,说明玉米间作豌豆在本试验配置的品种、田间结构、施肥和灌溉制度下具有增产优势。少耕能充分发挥间作增产优势,较传统耕作增产5.79%(2016年)、4.10%(2017年),其中 2016年增产显著,少耕结合中密度更能发挥间作增产潜力,较低、高密度分别显著增产 8.37%、9.09%。少耕结合中密度提高了豌豆对玉米的竞争力,较低、高密度的竞争力分别高 36.56%、20.17%。豌豆收获后,少耕使间作玉米具有明显的恢复生长效应,较传统耕作高 10.30%～47.11%,且中密度更有利于发挥间作玉米的恢复效应。间作群体籽粒产量与豌豆相对于玉米全生育期内的平均竞争力呈二次曲线相关关系,当竞争力为0.25时利于间作获得高产。因此,在玉米间作豌豆模式中集成少耕和密植技术,可通过调控种间关系进一步挖掘间作优势,少耕结合玉米中密度是绿洲灌区玉米间作豌豆增产的理想措施。