立体种植模式下甜高粱间套大豆的光合性能与产量

潘宗瑾，刘兴华，张大勇，王海洋，杨 华，高进，施 洋，葛汉勤，王 为*

（1.江苏沿海地区农业科学研究所/盐城市甜高粱育种工程技术研究中心，江苏盐城224002；2.南京农业大学/江苏省现代作物生产协同创新中心，江苏南京210095）

植物体干物质中的90%～95%来自于光合作用，而作物光合作用与光能利用率密切相关，如何充分合理地利用太阳光能是作物生产的关键。生产上提高光能利用率的途径主要有提高作物复种指数、合理密植、增加CO2体积分数以及降低光呼吸等。作物立体种植模式融合了提高光能利用率的主要途径，通过轮、间套种，在一个种植季度内巧妙地搭配各种作物，以从时间上和空间上更好地利用光能，缩短田地空闲时间，减少漏光率，尽最大可能提升单位面积土地上的生物产量。

甜高粱是1年生C4草本植物，为粒用高粱的变种，其喜温、抗旱、耐盐碱、耐涝，生长过程糖分积累快，光合效率高，生物产量高，尤其是甜高粱茎秆高大、富含糖分、营养价值高，被誉为“高能作物”[1]。因此甜高粱被开发作为饲料、肥料及清洁能源作物等利用[2]。将甜高粱与其他矮秆作物根据各自生理生态学特性构建立体种植模式（间作套种），可充分利用土壤与光能等资源，提高土地利用率与光能利用率，可最大程度提高经济价值与效益[3]。尤其是将甜高粱与具固氮作用的大豆间套作不仅有利于补充土壤氮素消耗，在作为饲料收获时还可以使碳水化合物和蛋白质相互补充，营养搭配均衡，更利于牛羊饲喂。另有研究表明，间套作相较于单作，作物根系活力高，易于作物汲取养分，且互相促进生长[4]。据报道，在贵州地区，甜高粱套种1行拉巴豆种植，甜高粱的农艺性状表现优异，产量较高，营养价值更好[5]。本研究通过甜高粱-大豆-甜高粱-马齿苋-甜高粱-大豆-甜高粱（甜高粱为C4作物、大豆和马齿苋为C3作物）进行间套作，以探索一种融合高-中-低空间配置以及不同茬口时间配置的立体种植模式，并着重研究这种立体种植模式下甜高粱和大豆的光合性能，以了解在增加土壤与光能利用率的同时，光合性能与局部空间生态环境是否有明显变化，及这种变化对生物产量的影响，以期为立体种植模式的优化与完善提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验甜高粱品种选用雅津95（北京桑粱技术发展中心提供），该品种适应性极强、抗虫抗病、产量高[6]。大豆品种为淮豆12号（江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所提供）。马齿苋为江苏沿海地区农业科学研究所保存地方品种。

1.2 试验地概况

该模式在盐城市新洋农业试验站种植，示范总面积为2 000 m2，该地（120°25′49″E、33°31′25″N）属湿润季风气候区，日照充足，平均气温为14.2℃。土壤为沙壤土，pH为8.2，肥力中等偏上。

1.3 试验方法

1.3.1 立体种植方法。试验地于2016年5月25日播种、旋耕、人工开行，同时施入尿素25 kg/667 m2作基肥，后再以尿素10 kg/667 m2作追肥。播种均为条状穴播。甜高粱播种量1 kg/667 m2，采用20 cm×70 cm的株行距定植，种植密度为5 000～6 000株/667 m2，10月上中旬收获；大豆播种量约6 kg/667 m2，控制密度约为10 000株/667 m2；马齿苋生育期短，30～40 d收获，可播2～3次。播种深度基本一致，为2～3 cm。1畦种植4行甜高粱，4行含3个行间，外面2个行间种植大豆，中间1行种植马齿苋（图1）。以单独种植的甜高粱与大豆为对照，试验均设置3个重复。7月12日，最后一次间苗定苗；8月15日开始测量光合性能。10月中下旬收割。

1.3.2 测定方法。使用CIRAS-3光合测定仪（英国汉莎）对植株叶片进行光合测量，主要指标包括：A（净同化率）、Ci（胞间CO2浓度）、E（蒸腾速率）、gsw（气孔导度）以及WUE（水分利用效率）。测试取样选择晴朗的天气，9∶30-11∶30采用5点方法选择植株，甜高粱和大豆测倒2叶。光合测定仪要事先进行电源安装、流量调零、光源校准、参数设定、耗材准备、环境控制、自动曲线设置等准备工作。

使用光合测定仪配套的土壤呼吸室进行土壤呼吸的测量，主要步骤为安装呼吸室、校准调零及测量功能设置。方法是土壤呼吸室安装好后，稳定30 min，打开气泵抽提以减少流入腔室的CO2气体，从而使腔室内部的CO2浓度（体积分数）低于环境CO2浓度水平。当气泵关闭后，由于土壤呼吸作用，腔室内CO2会逐渐增加，在CO2浓度达到环境水平时，数据被记录下来。对土壤中的CO2流量进行计算，得出CO2的流量回归函数。通过CO2流量回归计算出最终的土壤呼吸值。本测量可以循环多次。

新鲜甜高粱与大豆的农艺性状及产量等指标分别采用直接测量法、观察记录法以及收获法进行测定。

1.4 数据采集与统计计算

主要从仪器面板取得相关指标数据，记录后用Excel 2010、SPSS 16.0进行统计分析。

2 结果和分析

2.1 不同种植模式下甜高粱和大豆的光合性能

从表1可见，立体种植模式下甜高粱与大豆的净同化率均分别低于各自对照，但差异均不显著；但2种模式下，甜高粱净同化率均显著高于大豆（P＜0.05），体现了甜高粱作为C4作物的高光效性能，相对来说，大豆因具有较高水平的光呼吸而致同化率较低，也体现了C3作物的光合特征。从胞间CO2浓度来看，立体种植模式下甜高粱、大豆与各自对照相比虽有不同的变化特点（前者低，后者高），但差异均不显著；而甜高粱的胞间CO2浓度显著低于大豆（P＜0.05），可能是C4植物叶肉中具有独特的“花环结构”，利用CO2的能力较强、效率更高的缘故。无论是哪种模式，甜高粱、大豆的蒸腾速率与各自对照相比均无显著差异，且2种作物间也无显著差异。气孔导度表现与蒸腾速率类似，相互间无显著差异，也说明了气孔导度与蒸腾速率密切相关。对水分利用效率而言，则表现出与净同化率类似的特征，不同模式间差异不显著，但不同作物间则具有显著差异，甜高粱作为C4植物水分利用效率也显著高于C3植物的大豆（P＜0.05），同时也表明了水分利用效率与光合作用的紧密联系。

表1 不同种植模式下甜高粱和大豆的光合性能

2.2 不同种植模式下土壤的呼吸性能

土壤中的CO2主要来源于作物的根呼吸、有机物腐烂及土壤微生物活动，其通量可在一定程度上反映作物根际土壤的活性状况。表2中可见，在立体种植模式下，土壤CO2释放速率要高于甜高粱单独种植的田块（无显著差异），显著高于无作物种植的空地（P＜0.05）。对土壤水分蒸发速率来说，种植作物的田块，无论是立体种植的还是单独种植的，均无显著差异，但显著低于无作物种植的空地（P＜0.05）。结果表明，田块受到作物覆盖后，其地表水分蒸发速率显著降低，立体种植作物的田块则降得似乎更多些。

表2 不同种植模式对土壤呼吸及水分蒸发的影响

2.3 不同种植模式甜高粱与大豆的生长性状与产量

从表3可见，立体种植模式中甜高粱与大豆的株高均分别低于各自的单种对照（甜高粱低8 cm，大豆低2 cm），但差异不显著，少许差异也可能与间套种作物之间的相互影响有关。立体种植模式中甜高粱和大豆的生育期也较各自单种的生育期长（甜高粱延长4 d，大豆延长6 d），但差异也不显著；立体种植模式下，大豆的生育期要比甜高粱的早9 d，单种的则早11d。对产量而言，立体种植模式下甜高粱平均茎秆产量为6 826 kg/667 m2，大豆平均产量为204 kg/667 m2，合计7 030 kg/667 m2；而单种对照甜高粱平均茎秆产量为6 850 kg/667 m2，大豆平均产量为206 kg/667 m2，即使二者相加得到7 056 kg，似乎总量略高，却与立体模式无显著差异（P＜0.05），然其占用田地面积却是立体模式的2倍，折算至单位面积得到3 528 kg/667 m2。显然，立体种植模式大大提高了土地的使用效率，减少了土地的漏光率，相应地提高了叶面积指数和作物光合面积，从而也提高了单位土地面积的作物生物质产量。

表3 不同种植模式下甜高粱和大豆生长性状与产量

3 结论和讨论

立体种植模式下甜高粱与大豆光合性能和最终产量结果表明，不同作物之间光合性能差异较大，尤其在C4（甜高粱）和C3（大豆）作物间；但在不同模式处理之间，甜高粱和大豆光合性能与生长性状差异并不显著，说明立体种植模式在显著提高复种指数的同时，并没有显著降低作物光合性能及作物生物质产量，而且还可改善田间小气候环境。

禾本科作物和豆科作物间套作，有固氮作用的豆科与禾本科作物间作不仅利于补充土壤氮素消耗，豆科固有的固氮能力可有效促进禾本科作物对氮素的吸收，而禾本科作物则可使豆科作物的固氮能力大幅提高，相互促进各自生长[7]。本文结果表明禾本科与豆科作物的间套种还可促进根长与根表面积增加，根系活力提高，土壤呼吸增强；又因地表受到充分覆盖，降低了水分蒸发速率，从而避免了水汽的快速散失，土壤中逸散的CO2也能得以重新利用，促进了田间小气候环境的改善。

立体种植模式可以有效利用土地空间和种植茬口时间，提高作物根系养分吸收和水分互补能力，发挥边行优势提高产量以及提高作物之间相互补偿抗虫抗灾能力等[8]，这是值得深入研究的复合种植模式。以甜高粱为主体，搭配大豆、马齿苋等进行间套种的立体种植模式，即1畦种植4行甜高粱，其间3个间距行，外2行种植大豆，中1行种植马齿苋，而马齿苋生育期约为40 d，在甜高粱整个生育期（约4个月）中可种植多次，从而实现多元多熟。具固氮作用的豆科与禾本科间套作利于集约化利用有限的土壤资源，且这些作物均较耐低盐，株高存在差异，有利种植空间配置，较适合于江苏沿海滩涂种植。本文所述立体种植模式相关技术已入选2017年江苏省及盐城市主推技术（苏农科〔2017〕5号、盐农科〔2017〕3号）。

作物生物质量（光合产量）取决于作物净同化率、光合面积及光合时间，净同化率也反映了作物的光能利用率[9]。光合面积可以通过合理密植、改变株型来改变；光合时间则可通过提高复种指数、延长生育期等来提高。即使对于立体种植模式下作物的光合性能而言，也不是通过一次光合测定就可以阐明的，也还需要从作物全生育期（生长周期）、作物需光特性、碳同化途径以及光呼吸消耗等来考虑完善与优化作物的时空配置，因此立体种植模式的生理生态学机制则还需要进一步研究。