玉米不同株型及种植密度对间作大豆产量和养分吸收利用的影响

陈远学，彭丹丹，胡 斐，胡月秋，白世豪，徐开未

（四川农业大学资源学院，四川 成都 611130）

间作是我国传统农业中一种被广泛应用的栽培方法，不仅具有提高土地复种指数，增强农田生态系统的稳定性[1-2]、促进植物光合作用[3]、抑制杂草生长[4]等特点，同时间作体系中作物间通过种间互补在时间和空间上提高资源的利用效率，具有实现作物增产和养分高效利用的优势[5-6]。玉米( Zea mays )||大豆( Glycine max )间作作为典型的禾本科与豆科间作复合种植模式之一，是西南丘陵地区特殊生态环境和农业种植结构下应用普遍且较为理想的高产种植搭配。

种间互补是间作优势发挥的重要因素，种植密度对间作系统组分竞争动态具有重要的影响。适宜的密度范围内，间作作物的互补优势会随着密度的增加而增强。已有研究发现，玉米||大豆间作体系内玉米相较于大豆为优势作物，随种植密度的增加间作优势增强，密度适中时玉米对大豆的影响较弱，有利于间作群体的生长和产量潜力的发挥[7-8]，这说明玉米和大豆间存在互作效应，适宜的玉米和大豆密度组合是获得群体高产的前提[9-10]。间作系统中通过不同的行株距配置可以降低玉米的竞争优势，同时提升大豆的竞争力，间作优势得以显著提高[11]，例如在广西地区的玉米||大豆间作体系中，当行株距相同时半紧凑型玉米较平展型玉米更有利于群体增产潜力的发挥[12]，较大幅宽和紧凑型玉米搭配更有利于实现套作大豆的高产[13]。因此，合理的田间配置搭配适宜的种植密度，对于降低玉米对大豆的影响效应、实现资源高效利用和提高群体产量具有现实的意义。

研究大豆的养分积累和分配规律是提高其产量和干物质积累、改善品质、提高养分利用效率的基础，而不同的生长环境下大豆同化物的积累和分配具有很大的差异[14]。间/套作体系下，由于玉米遮阴使大豆生长环境的光、温和水等微环境发生明显改变。研究发现，随玉米株型的扩展，大豆冠层的光合有效辐射和温度逐渐下降，湿度逐渐上升[15]，从而导致了紧凑型玉米下大豆地上部的总氮素积累、蛋白质含量、产量和单株有效荚数显著高于其他株型的玉米[16]。因此，与其他玉米株型相比，紧凑型玉米能改善大豆的光胁迫程度，从而能更加有效地调控大豆的干物质积累、转运和分配，提高大豆的产量[17-18]。

然而已有研究多集中于玉米株型或种植密度对大豆光合特性、干物质积累及产量的影响差异等方面，而对大豆的养分吸收利用研究较少，同时关于不同玉米株型和种植密度组合下间作大豆的养分吸收与利用、干物质积累与分配、产量与产量构成及群体产量的响应规律尚缺乏系统性的研究。以四川为代表的西南地区，属于典型的亚热带季风性气候，每年的4 月 − 8 月多为阴雨和寡照天气，而该时期正值菜豆的生长期，间作密度过大引起遮阴效应增强不利于大豆的营养生长，导致产量降低。所以，本研究以间作体系中的菜豆为对象，分析不同玉米株型和种植密度对春大豆产量形成、干物质积累、养分吸收及利用效率的影响规律，以期筛选出适宜不同株型玉米||大豆间作搭配的种植密度，进一步完善玉米||大豆间作的种植技术，为西南地区春玉米||春大豆间作体系的高产高效栽培提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试玉米(Zea mays)两个品种分别为登海605(DH605)，材料来源于山东登海种业股份有限公司，属于紧凑型品种；川单428 (CD428)，材料来源于四川农业大学玉米研究所，为稀植型品种。大豆(Glycine max)选用辽鲜一号毛豆，种子来源于辽宁省农业科学院作物所。

1.2 试验地概况

试验于2016 年4 月 − 8 月在四川农业大学现代农业研发基地(103°38′ E，30°33′ N)进行，属四川盆地亚热带湿润季风气候，海拔高度为510 m，雨量充沛，常年平均降水量为1 012.4 mm，日照偏少，年平均日照时数为1 161.5 h，无霜期较长，年平均气温15.9 ℃，试验生育季内总降水量为656.3 mm。试验地土壤类型为水稻土，土壤质地为粘质壤土，耕层土壤有机质含量26.30 g·kg−1，全氮含量1.45 g·kg−1，碱解氮含量119.0 mg·kg−1，有效磷含量32.47 mg·kg−1，速效钾含量97.30 mg·kg−1。

1.3 试验设计与田间管理

玉米设45 000、52 500、60 000 和67 500 株·hm−2，4 个种植密度水平，分别用D1、D2、D3、D4表示。主区为不同玉米株型，副区为种植密度，主区和副区均采用随机区组排列，每个处理设3 次重复，小区面积为24 m2(6 m × 4 m)，各小区间距1 m。大豆与玉米按1 ꞉ 1 进行间作。

玉米为育苗移栽，大豆为种子直播。玉米于4 月5 日进行肥团育苗，4 月13 日移栽，每窝栽壮苗2 株，玉米行距为1 m，各种植密度下玉米对应的株间距分别为D1：44.5 cm; D2：38.1 cm; D3：33.3 cm;D4：29.6 cm；玉米移栽时随即在两行玉米中间播种大豆，每窝留2 苗，株间距固定为30 cm，大豆与玉米的行距间隔为50 cm。试验施用氮肥为尿素(含氮量46%)，施用总量为240 kg·hm−2，磷肥 (P2O5，含磷量12%)和钾肥(K2O，含钾量51%)施用总量分别为90 和120 kg·hm−2。玉米移苗时施用30% (72 kg·hm−2)的氮肥和全部的磷、钾肥施作基肥，在玉米拔节期和大喇叭口期分别施用30% (72 kg·hm−2)和40%(96 kg·hm−2)的氮肥于玉米株旁作追肥处理，大豆不施肥。其他管理水平同当地的田间管理水平一致。玉米于8 月6 日收获，毛豆于7 月10 日收获鲜产。

1.4 测定指标与方法

样品的采集：在大豆的分枝期、盛花期和收获期每小区随机选取长势均匀的6 株分茎、叶、叶柄、荚壳和籽粒5 个部分于105 ℃杀青30 m in，75 ℃烘干至恒重。称取各部位的干重后，所有样品粉碎过筛用于氮磷钾含量的测定。

产量及其构成因素的测定：在大豆的鼓粒末期(鲜毛豆收获期)取每小区中间的2 行进行实收测产，并随机选取10 株考种，测单株分枝数、单株荚数和鲜百粒重。

氮磷钾含量的测定：各部位样品经H2O2-H2SO4法消煮，用凯氏定氮仪测定氮含量，钒钼黄比色法测定磷含量，火焰光度计法测定钾含量。

相关参数计算公式如下[19]： ∑

地上部总吸氮(磷/钾)量(kg·hm−2) = 地上部各器官生物量 × 各器官含氮(磷/钾)量；

氮(磷/钾)收获指数 = 籽粒吸氮(磷/钾)量/地上部总吸氮(磷/钾)量 × 100%；

氮(磷/钾)肥偏生产力(kg·kg−1) = 籽粒产量/施氮(磷/钾)量。

1.5 数据处理与统计分析

采用M icrosoft Excel 2016 对试验数据进行统计与作图表，采用SPSS 18.0 对数据进行方差分析，并对产量及产量构成、干物质积累和分配、氮(磷/钾)养分利用效率指标数据进行双因素方差分析多重比较；差异显著性检验及双因素方差分析多重比较采用LSD 法。

2 结果与分析

2.1 间作体系下大豆产量及产量构成因素

玉米不同种植密度对间作大豆的产量有显著影响(P ＜ 0.01) (表1)。大豆的产量均随玉米密度的增高而降低。其中，与DH605 玉米间作时，与D1密度相比，大豆产量在D2、D3和D4密度下分别减产了7.46%、21.17%和27.93%，D1、D2显著高于D3、D4密度(P ＜ 0.05)；与CD428 玉米间作时，大豆产量在D2、D3和D4密度分别较D1密度减产9.64%、10.02%和27.80%，D1与D4密度间差异显著(P ＜ 0.05)。从产量构成因素来看，间作体系下大豆的单株荚数和鲜百粒重与其产量的变化规律一致，大豆单株分枝数虽与其产量也有相似的变化趋势，但不同密度间差异未达到显著水平(P ＞ 0.05)。

2.2 间作体系下大豆的干物质积累和分配

间作体系下大豆的群体干物质积累量随生育时期的推进增长幅度逐渐加大，花后干物质积累量较花前平均增加了约3 倍。玉米不同株型和种植密度分别对间作体系下大豆的盛花期和收获期以及花后干物质积累量均影响显著(P ＜ 0.01)，同时玉米密度对分枝期大豆的干物质积累也有显著的影响，表现为3 个时期大豆的群体干物质积累量均随玉米密度的增加逐渐降低，其中，与DH605 玉米间作时，收获期大豆的干物质积累在D2、D3和D4密度下分别较D1密度降低了5.87%、15.39%和23.56%，D1与D3、D4间差异达显著水平(P ＜ 0.05)；与CD428 玉米间作时，大豆干物质积累量在分枝期和盛花期受玉米密度的影响并不显著，到收获期才表现出显著的差异，与D1密度相比，收获期D2、D3和D4密度下分别降低了10.91%、18.52%和31.13%。不同玉米株型下大豆的花后干物质积累量均随玉米密度的升高显著降低；但其花后干物质贡献率却表现各异，与DH605 玉米间作时，大豆的花后干物质贡献率随玉米密度的升高显著升高，而与CD428 玉米间作时，大豆的花后干物质贡献率却随玉米密度的升高而显著降低(表2)。

表 1 间作体系下大豆产量及产量构成因素的变化Table 1 Changes in soybean yield and yield components in the intercropping system

表 2 间作体系下大豆干物质积累的变化Table 2 Changes in soybean dry matter accumulation in the intercropping system

随生育时期的推进，间作体系下大豆各器官干物质分配比例发生明显变化(表3)。分枝期时两种玉米下大豆叶中的干物质分配比例较多，约为茎的2.5 倍；盛花期时，叶中的干物质向茎转移，此时叶中干物质分配比为茎的1.6 倍；盛花期后茎、叶和叶柄的干物质逐渐向荚壳和籽粒中转移，荚壳和籽粒器官的物质分配比例上升，到收获期时分配到荚壳和籽粒中的干物质比分别占总量的23%和40%左右，其中与CD428 玉米间作时，大豆籽粒中的物质分配比随玉米密度的增大显著降低(P ＜ 0.05)。

表 3 不同时期间作体系下大豆干物质分配状况Table 3 Dry matter distribution of soybean in the intercropping system during different periods

2.3 间作体系下大豆的养分吸收

间作体系下大豆地上部氮磷钾养分的吸收如图1 所示。总体来看，大豆体内养分总积累量及在各器官中的分配均随玉米密度的增大逐渐降低，与DH605 玉米间作时，与D1密度相比，D2、D3、D4密度下大豆的氮积累总量分别降低了12.61%、17.72%和34.44%，磷积累总量分别降低了13.27%、18.55%和30.75%，钾积累总量分别降低了11.81%、15.33%和27.28%；与CD428 玉米间作时，D2、D3和D4密度下大豆的氮积累总量分别较D1密度降低了16.32%、25.67%、42.19%，磷积累总量分别降低了12.54%、22.15%、35.66%，钾积累总量分别降低了14.45%、18.56%和32.43%；与DH605 玉米间作时，大豆的氮磷总积累量和与CD428 玉米间作时的大豆磷钾总积累量在各密度间差异均达到显著水平(P ＜ 0.05)，且在相同的密度下，紧凑型DH605 玉米间作大豆的氮磷钾总积累量显著高于平展型CD428 玉米间作时。

大豆不同器官养分积累对总体养分的贡献各有不同，氮磷钾在籽粒中积累量最多，叶柄中则为最少，氮积累量表现为籽粒 ＞ 叶片 ＞ 荚壳 ＞ 茎 ＞ 叶柄；钾积累量表现为籽粒 ＞ 荚壳 ＞ 叶片 ＞ 茎 ＞ 叶柄；磷在叶片和荚壳中的积累量基本相等，表现为籽粒 ＞叶片≈荚壳 ＞ 茎 ＞ 叶柄。受玉米密度的影响，大豆各器官中养分的积累情况与总体养分变化规律基本一致，即随玉米密度的增加逐渐降低，籽粒和荚壳受玉米密度的影响尤为显著，且与CD428 玉米间作时，其降低幅度明显大于与DH605 玉米间作时，在同一密度下，大豆籽粒和荚壳氮磷钾积累在不同玉米间差异也达显著水平(P ＜ 0.05)。

2.4 间作体系下大豆的养分利用效率

不同玉米株型对间作体系下大豆的氮磷钾收获指数和偏生产力无显著的影响(表4)。玉米密度对不同株型下间作大豆的氮磷钾偏生产力影响显著(P ＜ 0.01)，但对收获指数无显著影响。在与DH605玉米间作时，大豆氮磷钾收获指数随玉米密度的升高呈先升高后缓慢降低的趋势，在D3密度下达到最大值，但各密度间差异并未达到显著水平(P ＞0.05)；在与CD428 玉米间作时，大豆氮磷钾收获指数随玉米密度的升高总体呈降低趋势，氮收获指数在D2密度下较D1密度增高了0.09%，差异未达到显著水平(P ＞ 0.05)，在D3、D4密度下较D1密度分别降低了3.66%和7.75%；磷收获指数在D2、D3、D4密度下较D1密度分别降低了0.45%、4.62 %、6.71%，钾收获指数分别降低了1.01%、6.04%和10.71 %；氮磷钾收获指数均为D1、D2密度与D4密度间差异显著(P ＜ 0.01)。两种玉米间作大豆的氮磷钾偏生产力均随玉米密度的升高显著降低，在与DH605 玉米间作时，大豆氮磷钾偏生产力在不同密度间表现为D1、D2与D3、D4密度间差异显著(P ＜ 0.05)；在与CD428 玉米间作时，大豆氮磷钾偏生产力表现为D4密度下较D1密度显著降低(P ＜ 0.05)。

2.5 间作体系的总产量

两种玉米株型下，玉米–大豆的群体产量随玉米密度的升高均呈先升高后降低的趋势(图2)，且D1密度下的总产量显著低于D2、D3和D4(P ＜ 0.05)，其中在紧凑型DH605 玉米的间作体系下，总产量在D3密度下达到最大值，与D1密度相比，D2、D3、D4密度下分别增高了9.73%、11.92%和8.56%；而在平展型CD428 玉米的间作体系下，总产量在D2密度下达到最大值，在D2、D3、D4密度下分别较D1密度增高了14.63%、13.59%和11.37%。

3 讨论与结论

图 1 间作体系下大豆氮、磷及钾积累量的变化Figure 1 Changes in the nitrogen, phosphorus, and potassium accumulation of soybean in the intercropping system

表 4 间作体系下大豆氮磷钾利用效率的变化Table 4 Changes in the nitrogen, phosphorus, and potassium utilization efficiency of soybean in the intercropping system

图 2 间作体系下玉米和大豆总产量的变化Figure 2 Changes in the total yield of maize and soybean in the intercropping system

间作体系中调节玉米种植密度的本质是改变间作系统中玉米、大豆的空间配置，通过改善间作作物冠层的光照、温度和水分等微环境从而提高资源的利用和作物群体的产量。当玉米、大豆分别在适宜的密度范围内时群体产量表现为正向效应，即随密度的增大而增大。本研究中，在大豆||玉米间作群体中，占竞争优势的玉米产量随种植密度的升高而升高，而竞争力较弱的大豆产量则随玉米密度的升高逐渐降低，这可能与种间竞争对大豆产量构成因子及干物质积累的影响有关。间作系统中存在玉米－大豆种间竞争和大豆－大豆的种内竞争，随玉米密度的增加，高位玉米对大豆的荫蔽作用增强，大豆冠层的光合有效辐射强度和透光率的降低阻碍了大豆的生长发育和同化物积累，导致大豆单株分枝数、单株荚数和鲜百粒重均降低[20]，这与本研究结果一致；其次，种植密度对大豆产量的影响主要体现在对生育中后期的干物质积累与分配方面[21-22]，随玉米群体密度的增加，间作大豆获得的养分和光照减少导致花后干物质积累显著降低，尤其在与平展型CD428 玉米间作时，随玉米密度的增高生育后期大豆荚壳和籽粒干物质分配比降低，叶和叶柄分配比增加，与前人研究结果相一致[22-23]。此外，本研究中，与紧凑型DH605 玉米间作时，相同密度下，大豆的干物质积累、产量及产量构成因子均高于与平展型玉米间作；随玉米密度的增加，与紧凑型DH605 玉米间作，大豆产量和干物质的降低幅度也小于与平展型CD428 玉米间作时，这与紧凑型玉米较平展型玉米能为间作下大豆生长的微环境提供更多的光照和较高的温度有关[24]。良好的光照有利于间作下大豆更多的干物质积累[25]，较高温度则对氮素的吸收具有促进作用[26]，有利于提高土壤氮素的可利用性和大豆的固氮效应。

养分是作物产量形成的基础，间作系统的优势在于养分吸收量的增加，而非养分利用效率的增加[27-28]。本研究在施肥水平一致的情况下，随玉米种植密度增加，单位土地面积上增多的玉米数量势必会与大豆争取更多的养分，因而大豆地上部养分积累量显著降低，各器官中养分含量也随之下降，氮磷钾肥偏生产力也显著降低。结合大豆氮磷钾收获指数来看，与紧凑型玉米DH605 间作时，大豆氮磷钾收获指数随玉米密度的升高逐渐升高，而与平展型玉米CD428 间作时，大豆氮磷钾收获指数则随玉米密度的升高显著降低，说明与DH605 玉米间作时大豆籽粒中养分含量降低的速率小于植株总养分的降低速率，而与CD428 玉米间作时大豆籽粒中养分含量降低的速率大于植株总养分的降低速率；同时，在相同密度下，与DH605 玉米间作时大豆籽粒和荚壳中氮磷钾养分含量显著高于与CD428 玉米间作时，随玉米密度的增加，其养分含量的降低幅度也小于CD428，这与前文不同株型玉米对大豆干物质积累和产量的影响的原因一致，即紧凑型DH605 玉米可为大豆提供较多的光照条件和较高的温度，促进大豆同化物的积累和养分的吸收，最终体现在产量和干物质积累方面的优势。故而DH605 玉米||大豆群体产量达到最大值时的密度也高于CD428。

从群体产量来看，在玉米产量随种植密度升高而增高，大豆产量逐渐降低的情况下，群体产量随密度的升高表现为先增高后降低的变化，DH605 玉米||大豆群体产量在D3(60 000 株·hm−2)的密度下达到最大值，CD428 玉米||大豆的群体产量在D2(52 500株·hm−2)的密度下为最大，结合玉米不同株型和种植密度下间作大豆的干物质积累和分配、养分积累情况、产量及产量构成因子表现认为，紧凑型玉米DH605 与大豆间作适宜的种植密度为60 000 株·hm−2，平展型玉米CD428 与大豆间作适宜的种植密度为52 500 株·hm−2。该研究结果可为不同株型玉米||大豆间作栽培提供理论依据和参考。