覆膜对玉米‖豌豆作物生产力及种间互作的影响

赵建华，孙建好，李伟绮

(甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃兰州730070)

甘肃河西走廊灌区光热资源丰富，适宜发展间套作种植，该区域间套作种植模式多样，其中玉米(Zea maysL.)‖豌豆(Pisum sativumL.)是当地农户较为普遍采用的禾本科‖豆科间作模式。基本的生态学理论认为，间作作物种植在一起，种间相互作用(种间竞争与互补)必然同时发生，由于间作物种存在生物学特性差异，因此对资源需求会产生时间和空间上的生态位分离，从而促成间作物种种间相互作用对资源的高效利用［1-4］，这正是间作种植体系发挥间作优势的内因。据此，若间作作物种植环境变化将直接导致间作物种对其环境资源利用的变化，从而影响间作体系作物生产力及间作物种间相互作用。有大量研究关注间作体系作物种间配置、空间布局、水氮资源的供应水平等对间作体系作物产量和种间相互作用的影响［5-7］;也有众多学者针对玉米‖豌豆体系做了此类研究，如刘淑梅等［6］研究发现在玉米‖豌豆体系中，玉米种植行距变化对间作作物产量和种间竞争力影响显著;滕园园等［7］发现在玉米‖豌豆体系中适当氮肥后移可提升体系经济产量和作物水分利用效率;不同的根系分隔方式［8］、不同的供氮水平［9-10］亦会影响玉米‖豌豆体系种间互作效应。

在水资源匮乏的河西走廊灌区，地膜覆盖成为当地农户普遍采用的保水保温种植方式。研究表明，地膜覆盖可有效提高作物产量，减少地面水分散失，保持土壤温度，提高水分利用效率［11-13］。以往对于作物覆膜的研究多关注单作种植体系，对于间作体系中作物覆膜后产量产生怎样的变化，种间互作效应又产生怎样的变化关注较少，本研究以玉米间作豌豆体系为研究对象，针对间作体系作物覆膜效应对间作作物产量、产量构成因子、种间互作的影响开展研究，旨在探明间作作物覆膜对玉米‖豌豆体系作物产量和种间互作效应的影响;以期为河西走廊灌区玉米‖豌豆合理采用覆膜方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2012年和2013年在甘肃省农科院张掖节水农业试验站进行(100°26＇E，38°56＇N)，海拔1 570 m，平均年日照时数3 085 h，昼夜温差13.00～16.07℃，年平均气温 7℃，≥0℃积温 3 388℃，≥10℃积温2 896℃，无霜期153 d。0～200 cm平均土壤容重为1.376 g·cm-3，年平均蒸发量2 075 mm，年降水量不足130 mm，干旱指数达10.3，属于典型的干旱灌溉农业区。2012年降水量105.2 mm，2013年降水量125.7 mm，地下水埋深68～73 m，地下水位年变幅1.0 m左右。土壤有机质17.9 g·kg-1，速效氮 128.8 mg·kg-1，速效磷24.7 mg·kg-1，速效钾82.0 mg·kg-1，pH 值 8.2。

1.2 试验设计

试验包括8种种植模式，分别为单作豌豆不覆膜(P)、单作豌豆覆全膜(FP)、单作玉米不覆膜(M)、单作玉米覆全膜(FM)、玉米‖豌豆间作不覆膜(M/P)、覆条膜玉米‖不覆膜豌豆(FM/P)、不覆膜玉米‖覆条膜豌豆(M/FP)、玉米‖豌豆覆全膜(FM/FP)。采用完全随机区组设计，小区面积7.2 m×4.5 m=32.4 m2，重复3次。间作带幅1.2 m，4∶2种植，即4行豌豆，2行玉米，豌豆行距0.2 m，株距0.2 m，玉米行距0.2 m，株距0.2 m;单作豌豆种植规格同间作豌豆;单作玉米等行距种植，行距0.3 m，株距0.4 m。豌豆播种时间2012年为3月25日，2013年为3月23日，收获时间2012年为7月7日，2013年为7月5日;玉米播种时间2012年为4月19日，2013年为4月20日，收获时间2012年为10月10日，2013年为10月8日。

施肥量为 N 300 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2，将1/3氮肥与全部磷肥作为基肥，剩余氮肥分别按玉米大喇叭口期1/3、抽雄期1/3追施于玉米种植带。豌豆供试品种为“MZ-1”，玉米品种为“郑单958”。播种时采用点播器点播，出苗后间苗以保证1穴1株。采用水表定量灌溉，单次灌水量1 050 m3·hm-2，全生育期灌水5次。

1.3 样品采集

作物收获期，间作选取小区中间种植带，按作物种植带整带幅收获测产，测产面积豌豆0.8 m×4.5 m=3.6 m2，玉米 0.4 m×4.5 m=1.8 m2，单作收获与间作同等面积的作物籽粒进行计产。在作物测产区域以外随机取样株10株进行作物生物学性状及产量构成的考察，豌豆调查豆荚数、豆粒数、百粒重等;玉米调查株高、穗位、穗粒数、百粒重等。

1.4 数据计算

1.4.1 土地当量比 土地当量比(Land equivalent ratio，LER)常用于衡量间作优势，其意义在于单作要获得与间作相同的产量所需要的耕地面积［14］。

式中，Yip和Yim分别代表间作总面积上豌豆和玉米的产量;Ysp和Ysm分别为单作豌豆和单作玉米的产量。当LER＞1，表明间作有优势，当LER＜1为间作劣势。其中Yip/Ysp和Yim/Ysm分别为豌豆和玉米的偏土地当量比(Partial land equivalent ratio，PLER)，其意义在于要获得与间作组分作物同等产量所需要的单作作物面积。

1.4.2 加权产量(Weighted mean) 采用加权平均方法，将间作体系中两种作物单作时的产量以间作时所占有的面积比例为权重加权平均。

式中，Ysp和Ysm意义同式(1)。Zp和Zm表示豌豆和玉米在间作体系中所占的面积比例，在本研究中，Zp和Zm分别为0.67和0.33。

1.4.3 相对产量 相对产量(Relative Yield of Mixtures，RYM)［15］表明间作与单作相比的产量贡献大小。

式中，Yip和Yim，Ysp和Ysm意义同式(1)。Zp和Zm意义同式(2)。RYM表示复合群体产量占各作物单作产量的比例，RYM＞1表示复合群体存在种间促进作用，间作具有产量优势，RYM＜1表示存在种间竞争，具有产量劣势，RYM=1表示没有种间相互作用。

1.4.4 相对竞争强度 相对竞争强度(Relative Competition Intensity，RCI)［16］表示特定作物组合的竞争能力，根据作物产量和生物量计算得出，计算公式如下:

当RCI=0，表示种间竞争等于种内竞争;当RCI＞0时，表示种间竞争更高;当RCI＜0时，表示种内竞争更高。

1.4.5 资源竞争力 资源竞争力(Aggressivity，A)［17］指间作体系中一种作物相对于另一种作物对水分、养分等产量形成相关资源的竞争力。

式中，当Apm＞0，表明豌豆竞争力强于玉米;Apm＜0，玉米竞争力强于豌豆。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2013进行数据处理和绘图，采用SAS 8.0统计分析软件用LSD法对各处理间在5%水平上的差异显著性进行检验。

2 结果与分析

2.1 覆膜对玉米‖豌豆LER的影响

2 a试验结果显示，各间作模式土地当量比值介于1.26～1.89之间，均大于1(表1)。2 a中均是以FM/P模式的土地当量比最低，分别为1.26(2012年)和1.57(2013年);M/FP和FM/FP模式土地当量比2 a平均分别为1.72和1.66;对于豌豆偏土地当量比，M/FP和FM/FP模式均显著高于M/P和FM/P模式;玉米偏土地当量比2 a均为FM/FP模式最低，且显著低于M/P。

2.2 覆膜对玉米‖豌豆作物产量和相对产量的影响

覆膜对单作豌豆产量无显著影响，覆膜条件下的间作豌豆产量显著高于不覆膜(表2)，2 a对比来看，M/FP和FM/FP模式间作豌豆产量较M/P平均提高24.1%和32.5%，较FM/P模式平均提高了18.7%和26.8%;单作玉米覆膜显著增产，FM较M产量2 a平均提高24.2%，但覆膜对间作玉米产量无显著影响。各间作系统加权产量对比，2 a平均，FM/P和FM/FP加权产量较M/P提高35.2%和35.1%，较M/FP提高16.3%和16.2%。

2 a中，各间作模式相对产量RYM均大于1(图1)，2012年，M/FP模式相对产量显著高于FM/P和FM/FP模式，2013年各模式相对产量无显著差异;2 a中相对产量最大值均出现在M/FP模式，分别为1.79(2012年)和2.22(2013年)。

2.3 覆膜对作物产量构成因子的影响

覆膜对单作豌豆单株粒数和单株粒重无显著影响(表3)，间作模式中，FM/FP豌豆产量构成因子显著高于其他模式。相比M/P、FM/P和M/FP模式，FM/FP模式单株粒数2 a平均分别高出6.8、4.6粒·株-1和5.6粒·株-1;单株粒重2 a平均分别高出 18.5、6.9 g·株-1和 9.4 g·株-1。

表1 覆膜对玉米‖豌豆土地当量比的影响Table 1 The effect of film mulching on land equivalent ratio in maize-pea intercropping system

表2 覆膜对玉米‖豌豆作物产量的影响/(kg·hm-2)Table 2 The effect of film mulching on yield in maize-pea intercropping system

覆膜对单作玉米穗粒数和百粒重无显著影响，对间作玉米穗粒数和百粒重影响显著(表4)。2012年，FM/P中玉米的穗粒数显著低于其他间作模式，2013年各间作模式玉米穗粒数无显著差异;然而，2012年FM/P和FM/FP模式的玉米百粒重显著高于M/P和M/FP，2013年FM/FP模式玉米百粒重显著高于其他间作模式。对比来看，FM/FP玉米的百粒重分别较M/P模式高3.8 g(2012年)和2.9 g(2013年)。

2.4 覆膜对玉米‖豌豆种间互作的影响

图1 覆膜对间作模式相对产量的影响Fig.1 The effect of film mulching on relative yield of intercropping pattern

表3 覆膜对各处理中豌豆产量性状的影响Table 3 Effects of film mulching on yield component of pea in different treatments

表4 覆膜对各处理中玉米产量性状的影响Table 4 Effect of film mulching on yield component of maize in different treatments

表5 覆膜对玉米‖豌豆作物竞争的影响Table 5 The effect of film mulching on competition ability between pea and maize in maize-pea intercropping system

2 a中，各间作模式中豌豆相对竞争强度RCIp、玉米相对竞争强度RCIm和豌豆相对于玉米的竞争力Apm均小于0，且存在显著差异(表5)。2 a中，豌豆相对竞争强度RCIp均是M/P和FM/P显著高于M/FP和FM/FP;2012年，玉米相对竞争强度RCIm表现为FM/P和FM/FP显著高于M/P和M/FP，而2013年表现为FM/FP显著高于M/P;豌豆相对于玉米的竞争力Apm表现为2012年FM/FP模式显著高于其他模式，2013年M/P模式显著低于其他模式，而FM/P、M/FP和FM/FP模式间无显著差异。

3 讨论

3.1 覆膜对玉米‖豌豆作物生产力的影响

单作种植体系中，覆膜提高作物产量的效应已被大量证实，同样地，覆膜在间作体系中也具有明显的增产效应;李伟绮等［18］研究表明，玉米‖豌豆覆膜较不覆膜可有效提高作物产量。方旭飞等［19］研究玉米‖大豆覆盖表明，间作玉米地膜覆盖较单作覆膜可增产10.15%。在本研究中，M/FP和FM/FP相对M/P模式间作豌豆产量分别提高了24.1%和32.5%，覆膜对间作玉米产量有所提高，但差异未达显著水平(表2)，说明玉米‖豌豆中豌豆覆膜可显著提高其产量，玉米覆膜产量提高不显著(表2)。间作作物覆膜，直接改变了间作作物生长的微环境［20］，进而改变作物产量，整个间作体系生产力也必然产生变化。本研究中，玉米覆膜的间作体系(FM/P和FM/FP)加权产量显著高于玉米不覆膜间作体系(M/P和M/FP)，这表明间作玉米覆膜是提高玉米‖豌豆生产力的关键(表2)。Mao等［21］研究玉米间作豌豆不同行比种植和覆膜方式对作物产量的影响发现，覆膜对间作体系土地当量比无显著影响。本研究中，各间作模式土地当量比均大于1.00(表1)，豌豆覆膜后偏土地当量比显著提升，而玉米覆膜后偏土地当量比反而下降，就体系而言，FM/P土地当量比最小，而其体系产量反而显著提高，这些均表明，玉米‖豌豆无论覆膜与否，相对单作均具有间作优势;于爱忠等［22］研究供水和覆膜对玉米产量的影响发现全膜覆盖结合高供水可有效提高玉米穗粒数和粒重等产量构成因子。本研究发现间作覆全膜FM/FP中豌豆单株粒数和单株粒重均显著高于不覆膜，其玉米百粒重也显著高于不覆膜(表3，表4)，表明玉米‖豌豆覆全膜可显著提升间作作物产量性状，这归因于覆膜后作物水热环境的改善。

3.2 覆膜对玉米‖豌豆作物种间关系的影响

大量研究表明，间作物种配置、空间布局、种植环境等的变化均能引起间作物种种间竞争力的变化［23-26］。间作作物由于不同的生长特性会形成对环境资源(水分、养分等)利用的时空生态位差异［27］。本研究中，间作体系中作物覆膜改变了间作作物生长环境，进而改变了间作作物对周边资源的获取能力，形成作物间的时空生态位差异。竞争和互补是间作体系中同一种间关系的两个方面，且种内、种间的竞争和互补作用同时存在［28-30］。在本研究中，各间作模式豌豆相对竞争强度RCIp和玉米相对竞争强度RCIm均为负值，相对产量RYM均大于1.0，这充分表明玉米‖豌豆是互惠的体系，间作作物的种内竞争占据主导地位，种间竞争相对较弱。多项研究发现种间竞争作用驱动间作体系中作物产量优势发挥，使间作体系生产力提升［31-33］。在本研究中，各间作模式的豌豆相对于玉米的资源竞争力Apm均为负值(表5)，这表明在玉米和豌豆共同生长期，豌豆处于竞争劣势，玉米是竞争优势作物，FM/FP的Apm显著高于其他间作模式，表明间作覆全膜能显著提高间作豌豆的资源竞争力，而2 a中M/P的Apm均最小，M/FP和FM/P次之，这表明玉米‖豌豆体系中对豌豆或者玉米覆膜均可提升豌豆的资源竞争力，但玉米仍然在竞争中占主导地位。Zhang等［34］研究玉米与小麦和大麦间作后资源竞争力差异，发现玉米在被覆膜的情况下资源竞争能力增强，强于小麦和大麦。本研究中，FM/P和FM/FP模式玉米相对竞争强度RCIm均高于M/P和M/FP，说明玉米覆膜后资源竞争力增强。

4 结论

本研究条件下，各模式土地当量比均大于1，间作优势明显;间作豌豆覆膜可有效提高产量，而间作玉米覆膜产量提升不显著，但间作玉米覆膜的系统加权产量优势明显;覆膜显著增加间作豌豆的单株粒数和单株粒重，覆膜对间作玉米穗粒数影响不显著，显著提升间作玉米百粒重;各模式作物相对竞争强度小于0.00，间作作物主要以种内竞争为主，豌豆相对于玉米的资源竞争力Apm小于0.00，玉米是竞争优势作物，因此，间作系统覆全膜或玉米覆条膜均可显著提升间作玉米的产量和资源竞争力。