玉米大豆带状间作对资源利用效率及土壤养分含量的影响

崔爱花 胡启星 王淑彬 刘帅 孙巨龙 白志刚 黄国勤

摘要：为了探究南方红壤旱地玉米大豆带状间作适宜的带宽与行比种植配置，以处理S玉米单作（行距70cm，等行种植）和处理T大豆单作（行距50cm，等行种植）为对照，设置5个不同的玉米大豆间作处理，分别是处理M：2.0m带宽，2∶2行比；处理N：2.4m带宽，2∶3行比；处理Q：2.8m带宽，2∶3行比；处理P：2.4m带宽，2∶4行比；处理R：2.8m带宽，2∶4行比，每个处理种2带，3次重复，研究玉米大豆带状间作在光、热、水、养分的资源利用效率和土壤养分含量的变化情况。结果表明，玉米大豆带状间作的季节利用率及被利用辐射量、有效积温和降水量比玉米、大豆单作的均值分别高30.6%、37.2%、41.0%和60.6%；玉米大豆间作组合光、水和热量利用效率均高于大豆单作，增幅分别为100.0%～137.5%、159.5%～207.9%和157.8%～204.7%，差异达到显著水平（P<0.05），氮素利用效率分别比玉米、大豆单作高6.2～10.4倍和84.0～133.3倍，磷素和钾素的利用效率分别较大豆单作高44.5%～102.6%和102.4%～285.3%。玉米大豆带状间作的pH值增量最高值比玉米单作高128.6%，碱解氮增量较大豆单作高110.2%～440.5%，有机质和有效磷的增量均超过2个单作处理。玉米大豆带状间作较玉米、大豆单作可促进全氮和全钾含量增加，全氮含量增幅分别为183.3%和750.0%，全钾含量增量分别为4.35、2.05g/kg，而全磷增加量仅高于大豆单作，增幅为200.0%。R处理系统生产力指数和经济效益最高，分别为11156.2、6315.27元/hm2。综合分析认为，玉米大豆带状间作较单作在增加土壤养分含量、提高光热水及养分资源利用效率以及经济效益方面均有优势，其中玉米大豆间作（带宽2.8m，行比2∶4）的间作优势较为明显，是比较适于在红壤旱地推广的较好模式。

关键词：玉米大豆间作；带宽；行比；资源利用效率；土壤养分含量

中图分类号：S344.2文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）10-0236-07

间作作为农田系统重要的类型之一，其在经济及生态效益上都表现出了一定的优势［1］。豆科与禾本科间作历史悠久［2］，主要是由于豆科作物的固氮作用，促进了禾本科作物对氮的吸收［1-3］，进而提高氮素利用效率［4］。玉米大豆带状间作模式种间优势主要体现在生物学特性、时空搭配以及资源利用等方面［5］。玉米大豆间作种植当前亟需解决的问题是如何通过调整作物布局，最大限度地利用光、温、水、肥等资源，从而提高间作作物群体产值和效益［6-7］。罗万宇等认为，增加带宽、行比，鲜食玉米产量、穗粒数以及百粒质量会呈现降低的趋势［8］。汤复跃等的研究结果表明，玉米不同株型和行比配置可使玉米大豆间作模式的群体总产量显著高于单作，但间作模式内玉米、大豆产量均低于相应单作［9］。田咏梅等认为，合理的行距配置可以改善通风、透光条件进而提高作物的光能利用率［10］。宁硕瀛等发现，合理的株行距配置不仅可以促进作物干物质的累积和养分的吸收，同时还可以提高经济效益［11-13］。针对我国南方地区特别是丘陵红壤地区玉米大豆间作栽培研究已有诸多文献报道［14-18］，但内容主要集中在间作作物的农艺性状、干物质积累、产量和种间关系上，而对不同带宽、行比配置下玉米大豆带状间作模式的资源利用效率及土壤养分含量变化方面的研究较少。本研究通过调整带宽、行比，探究红壤旱地玉米大豆带状间作系统的光、热、水等资源分布特点、利用效率以及土壤养分含量的变化特点，以期为促进红壤旱地农业的绿色、高效和可持续发展提供理论参考与技术支撑。

1材料与方法

1.1试验地概况

在江西省红壤研究所科研基地（116°20′E，28°15′N）开展试验，试验地为典型的低丘红壤区，属中亚热带季风气候，年均气温17.7～18.5℃，最热月（7月）的平均气温为28.0～29.8℃，最冷月（1月）的平均气温为4.6℃，年均降水量和年蒸发量分别为1537mm和1100～1200mm，试验开始前土壤pH值为5.00，有机质含量为20.70g/kg，碱解氮含量为80.79mg/kg，有效磷含量为14.90mg/kg，速效钾含量为114.00mg/kg，全氮含量为0.93g/kg，全磷含量為0.42g/kg，全钾含量为27.60g/kg。

1.2试验设计

试验采用随机区组设计，共设7个处理，每个处理种植2带（带长均为5.0m），3次重复，共21个小区，窄行玉米、大豆行距均为40cm，玉米种植密度为60000株/hm2，大豆种植密度为150000株/hm2，单株定植。具体试验设计详见表1。

1.3田间管理

玉米和大豆所用品种分别为吉祥1号和旱豆1号，播种时间均为2017年4月1日，玉米收获期为7月29日，大豆收获期为7月12日。玉米和大豆施肥情况详见表2，玉米全生育期共施纯氮180kg/hm2，按基肥、穗肥各50%施入，其他田间管理措施与当地一致。

表2各作物施肥情况

作物钙镁磷肥氯化钾尿素

配施量（kg/hm2）配施方法配施量（kg/hm2）配施方法配施量（kg/hm2）配施方法

玉米600全作基肥150全作基肥390基肥50%，穗肥50%

大豆600全作基肥60全作基肥150基肥50%，追肥50%

1.4测定项目与方法

1.4.1收集作物生长期内逐日的气象数据

本试验气象数据均来自江西省气象台。

1.4.2记载玉米大豆生育时期和生育期

分别记录玉米和大豆的生育时期与生育期，统计不同作物季光热水资源量和周年光热水资源量，分析不同处理与光热水资源的匹配机制。

1.4.3土壤养分含量测定

在玉米、大豆播种前和收获期，采集0～20cm耕层作物株间、行间多点土壤样品，充分混匀。测定项目如下：pH值采用pH计测定法；有机质含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定［19］；分别采用半自动凯氏定氮蒸馏法［19］、酸溶-钼锑抗比色法［19］和NaOH熔融-火焰光度法［19］测定全氮、全磷以及全钾含量；碱解氮含量采用碱解蒸馏法测定；有效磷和速效钾含量分别采用氟化铵-盐酸浸提钼锑抗比色法和NH4AC浸提火焰光度法测定。

1.4.4产量

玉米和大豆的产量均以实际收获产量来计算。

1.4.5光、热、水等指标的计算方法

（1）土地当量比、系统生产力指数

1.5数据处理

数据处理采用MicrosoftExcel2010，数据分析采用SPSS17.0系统软件，样本平均数差异比较采用最小显著差数法（LSD）。

2结果与分析

2.1玉米大豆间作的产量及经济效益

由表3可知，间作处理的玉米产量均显著低于单作（P<0.05），降幅为22.1%～39.2%，间作处理中处理M玉米产量最高，比其余处理高10.5%～28.1%，差异显著（P<0.05）；处理T（单作）大豆产量显著高于各间作处理大豆产量（P<0.05），增幅为30.5%～118.4%；根据玉米和大豆的价格比例，将大豆产量折成玉米产量，然后再加上间作中玉米产量可得出间作总产量，除处理Q外，其余各间作处理的折产均高于玉米单作和大豆单作，增幅分别为7.7%～15.3%和262.5%～287.8%。

各间作处理的土地当量比均达到了1.0以上，其中处理P和R的LER较高，高于1.4。间作系统生产力指数排名为处理R＞处理P＞处理N＞处理Q＞处理M。各处理经济效益排名为处理R>处理S（玉米单作）>处理P>处理N>处理Q>处理M>处理T（大豆单作），处理R的经济效益比玉米单作高15.2%，比大豆单作高226.1%，其余间作处理均未超过玉米单作，但均超过大豆单作，增幅为110.8%～162.0%。综合看来，处理R即玉米大豆间作（带宽2.8m，行比2∶4）优势最明显。

2.2玉米大豆间作的周年光热水资源匹配和利用效率

2.2.1玉米大豆间作的光热水资源匹配

由表4可以看出，间作种植的资源匹配量明显高于单作种植，和玉米单作相比，间作可以有效提高季节利用率28.2%、被利用辐射量32.4%、被利用有效积温36.7%、被利用降水量60.6%，与大豆单作相比，间作可以有效提高季节利用率32.9%、被利用辐射量41.9%、被利用有效积温45.2%、被利用降水量60.6%；无论间作或单作玉米的资源利用率除降水量外均高于大豆，玉米在季节利用率、被利用辐射量、被利用有效积温等方面，分别比大豆高4.7%、9.5%、8.5%，玉米大豆带状间作的季节利用率、被利用辐射量、被利用有效积温和被利用降水量比玉米、大豆单作均值分别高30.6%、37.2%、41.0%和60.6%。从以上分析可知，玉米大豆间作种植均可以提高季节、光、热和水资源利用率。

2.2.2玉米大豆间作的光能、热量和水利用效率

由表5可知，无论间作或单作玉米的光能、水分和热量利用效率均高于大豆。间作处理中玉米、大豆的光能、水分和熱量利用效率均低于相应单作，差异均显著（P<0.05）。玉米大豆间作组合光能利用效率、水分和热量利用效率均低于处理S（玉米单作），降幅分别为8.1%～22.6%、8.5%～22.9%和8.5%～22.5%，差异均显著（P<0.05），但均高于处理T（大豆单作），增幅分别为100.0%～137.5%、159.5%～207.9%和157.8%～204.7%，差异显著（P<0.05）；处理M、N、P、R差异不显著，但均显著高于Q处理。

2.2.3玉米大豆间作的养分利用效率

由表6可知，间作各处理中玉米的氮素利用效率除处理Q显著低于玉米单作外（P<0.05），其余处理均与单作差异不显著；间作处理P中大豆的氮素利用率最高，比单作处理T作高42.6%，差异显著，处理R与大豆单作差异不显著，M、N、Q处理均显著低于大豆单作（P<0.05），降幅为23.2%～37.5%。玉米大豆间作组合的氮素利用效率均高于玉米单作和大豆单作，分别比玉米、大豆单作高6.2～10.4倍和84.0～133.3倍，差异达到显著水平（P<0.05），处理N、Q和R之间差异不显著，三者均显著高于处理M和P，处理P显著低于处理M。

间作各处理中玉米的磷素利用效率除处理Q和R显著低于玉米单作外（P<0.05），其余处理均与其差异不显著；间作处理P、N、Q中大豆的磷素利用率高于处理T（大豆单作），增幅分别为242.6%、80.1%和52.6%，差异显著（P<0.05）。玉米大豆间作组合磷素利用效率以处理M、N、P均与玉米单作差异不显著，处理Q和R小于玉米单作；处理M、N、P比处理T高44.5%～102.6%，差异显著（P<0.05），处理Q和R均与处理T之间差异不显著。

间作各处理中玉米的钾素利用效率以处理N、P分别与单作差异不显著，其余处理均显著低于单作；间作处理中大豆的钾素利用率以处理P最高，处理N次之，分别比处理T（单作）高202.6%和100.5%，差异显著（P<0.05），其余间作处理与大豆单作之间差异不显著。玉米大豆间作组合的钾素利用效率以处理P最高，与处理S差异不显著；各间作组合均显著高于处理T，增幅为102.4%～285.3%。

由以上分析可知，玉米大豆间作较单作可提高玉米的氮素利用效率，可提高大豆的氮素、磷素和钾素利用效率；玉米大豆间作组合较玉米单作在增加氮素利用效率方面，较大豆单作在增加氮素、磷素和钾素利用效率方面具有明显优势。

2.2.4玉米大豆间作的土壤养分含量变化特点

2.2.4.1pH值和有机质

由表7可知，种植前，除了N处理的土壤pH值显著低于处理T即大豆单作外，其余处理均与玉米单作和大豆单作差异不显著。收获后，除了R处理的土壤pH值与玉米单作差异不显著以外，其余间作处理均低于玉米单作，降幅为2.7%～6.0%，差异显著（P<0.05）；除了处理R和M的土壤pH值与大豆单作无显著差异外，处理N、P、Q均低于大豆单作，降幅为2.8%～4.5%，差异显著（P<0.05）。从pH值增加量来看，仅S和N处理增量为正值，且处理N比S高128.6%，处理N在改善土壤酸度方面优于玉米和大豆单作。

由表7还可知，种植前间作处理M和N的土壤有机质含量分别比玉米单作高12.9%和11.0%，差异显著（P<0.05），其余处理与玉米单作处理差异不显著。收获后，间作处理与玉米、大豆单作处理的土壤有机质含量差异均不显著。从种植前和收获后的增加量来看，除处理M无增加外，其余处理均有不同程度的增加，增加量表现为处理Q>处理R>处理P>处理S>处理T>处理N。间作P、Q、R处理较单作可促进土壤有机质含量的增加。

2.2.4.2速效养分含量

从表8可知，种植前各处理土壤中的碱解氮含量差异不显著，收获后，间作各处理与大豆单作差异均不显著，除了R处理与玉米单作无显著差异外，其余处理均高于玉米单作，增幅为14.3%～19.1%，差异显著（P<0.05）；种植前与收获后相比，除了玉米单作（处理S）土壤碱解氮减少了10.67mg/kg外，其余各处理均有不同程度的增加，处理N、P、R增加量高于大豆单作（处理T），分别高440.5%、110.2%和180.2%。

各处理种植前的土壤速效钾含量差异不显著，收获后，除了处理M显著低于2个单作外，其余各处理与单作无显著差异。收获后较种植前，间作与单作处理的土壤速效钾含量均减少，处理M、P、Q、R减少量均高于玉米和大豆单作。说明间作处理较单作需要消耗较多的速效钾，以供作物的生长发育。

种植前处理N和Q的有效磷含量显著低于其他各处理，收获后，各处理之间差异均不显著。除了N和2个单作处理的土壤有效磷含量减少外，其余各处理均有不同程度的增加，增加量表现为处理Q>处理M>处理P>处理R，各间作处理对土壤中有效磷的增加量优于玉米单作。

2.2.4.3全量养分含量

由表9可知，种植前土壤全氮含量以处理M最高，显著高于其他各处理；收获后，间作各处理均与玉米单作差异不显著，而处理N和处理Q显著高于大豆单作，处理M、P、R与大豆单作差异不显著，从全氮增加量来看，处理N和处理Q的间作优势更为明显，两者平均值分别较S、T处理高183.3%和750.0%。种植前土壤全磷含量仅处理P显著低于2个单作处理，其余间作处理均与单作差异不显著，收获后各处理之间差异均不显著，从土壤全磷增加量来看，处理P和处理Q较单作具有明显优势，两者平均值较大豆单作处理高200.0%。种植前全钾含量除了处理R，其余间作处理均与玉米、大豆单作之间无显著差异，收获后各处理之间差异均不显著，处理R和N的全钾增加量均值分别较S和T高4.35、2.05g/kg。

综合以上分析认为，間作处理较单作在增加土壤pH值及有机质含量、碱解氮、有效磷、全氮、全磷、全钾等养分含量方面具有一定优势。

3讨论

大量研究表明，间作模式比单作模式的产量优势明显［21-26］。张晓娜等认为，玉米间作大豆模式较玉米、大豆单作分别减产10.4%和8.4%，但间作群体产量优势较为明显，且LER>1［27］。高阳等在研究中指出，玉米间作大豆模式的群体总产量较高，比大豆、玉米单作产量分别高320.0%和6.0%［28］。本研究也有类似结论，玉米、大豆单作产量均高于玉米大豆带状间作处理中玉米、大豆的产量，但玉米大豆带状间作模式的总产量均高于单作，较玉米单作高7.7%～15.3%，较大豆单作高262.5%～287.8%，且土地当量比在1.2～1.5之间，间作优势明显。经济效益的好坏是评价一个模式优劣的重要指标之一，株行距改变，影响了作物种子、用工量、产量等，造成经济效益有所不同，经计算可知，处理R的经济效益最高，其余间作处理均低于玉米单作但高于大豆单作模式。由于玉米、大豆籽粒产量减产，光、热和水资源利用效率均低于相应单作，但间作系统的利用效率均高于大豆单作，但低于玉米单作。

间作体系中，玉米和大豆间存在促进和竞争的关系，间作是否具有优势是由这2种作用共同决定的，当促进作用＞竞争作用时为间作优势，反之为间作劣势。研究表明，玉米大豆间作体系可促进玉米对氮的积累和吸收［29］，主要是因为大豆的固氮作用增加了土壤含氮量［30-31］。李少明等的研究表明，玉米大豆间作较玉米单作可提高氮素吸收量57.53%，而大豆则比单作低1.21%［31］。刘均霞等研究认为，玉米大豆间作可增加玉米的吸磷量，降低大豆的吸磷量［32-33］。本研究认为，各间作处理对土壤中碱解氮、有效磷的增加量优于玉米单作，而对速效钾的吸收量高于玉米单作，主要是因为间作玉米大豆减产，造成生物量低，影响了氮磷钾的积累。

4结论

玉米大豆带状间作较单作在增加土壤pH值、有机质、碱解氮、有效磷及全量养分含量方面具有优势，可提高季节利用率和光热水及养分资源利用率。玉米大豆间作较单作可提高单位面积土地生产力、土地当量比和经济效益，综合分析认为，玉米大豆带状间作（带宽2.8m，行比2∶4）优势较明显，是比较适于在红壤旱地推广的较好模式。

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