玉米大豆不同间作系统光合特性与产量边际效应

崔文芳 秦德志 陈 静 刘 剑 严海鸥 秦 丽

(内蒙古农业大学职业技术学院, 包头 014109)

0 引言

加强间作种植技术的研究和知识储备符合国家“藏粮于地,藏粮于技”的粮食战略[1]。间作作物间存在的竞争与互补作用是间作优势产生的重要决定因素。前人研究表明,禾本科作物相对于豆科作物表现出竞争优势[2],而不同的作物搭配种植及行距变化均会影响作物种间作用。WANG等[3]研究表明,玉米间作花生行比为2∶4(2行玉米4行大豆)时,可以放大玉米的正边际效应,缓解花生的负边际效应,并且此模式下宽2 m的花生带,有利于小型收获机进行机械操作,被认为是适宜的田间配置模式。WANG等[4]研究表明,当糯高粱与大豆行比为2∶1时,光环境较优,土地当量比和经济效益均为最高,但该模式下大豆带仅宽1.2 m,不利于机械化收获;YANG等[5]对甘蔗间作大豆系统进行了研究,发现大豆比甘蔗更有竞争力,间作大豆比单作种植长势更优,各间作模式土地当量比均大于1,表现出间作优势;任家兵等[6]研究了不同施氮水平下小麦蚕豆种间作用,结果表明,间作模式可有效降低低氮水平下的种间竞争,间作小麦则表现出明显的竞争优势和互利效应;赵建华等[7]对玉米大豆间作系统进行研究,结果表明,玉米竞争能力强于大豆,当玉米种植行距为45 cm时有利于作物增产。综上可知,不同作物间进行合理配置,能够发挥间作优势,且种间优势表现不同,而小行比间作系统边际效应更显著。

关于玉米大豆不同种植模式的光合特性研究也存在不同意见,徐延辉等[8]研究认为,玉米大豆行比2∶4间作模式中,大豆光合生理指标和产量均有所下降,但提高了玉米净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、水分利用效率。李易玲等[9]研究认为,减量施氮下,玉米大豆套作显著延长了叶片的持绿期;花后叶片的光合速率、PSⅡ光合机构功能、叶绿素含量都保持在较高的水平且比单作稳定,充分发挥了玉米的生产潜力并增加了大豆产量,使套作系统总产量显著提高。这表明通过作物群体的合理配置,能够实现玉米和大豆在时间和空间上的互补,增加光合资源的有效利用,保证复合种植的稳产增产。前人在间套作种间作用关系方面已有诸多报道,但基于北方旱地滴灌条件下,玉米大豆间作系统因带宽、行比配置不同引起的种间作用力、边际效应变化对作物产量影响研究较少。

河套灌区是内蒙古自治区重要的粮油基地,也是黄河流域水土流失最严重的区域之一,其中粮食主产区河套平原是黄河上中游地区的主要耗水区域,农业灌溉用水占81.36%[10],地表水资源开发已接近极限,农业节水措施单一化、低效化,耗水量巨大。与黄河水漫灌相比,采用滴灌水肥一体化技术,至少可节省50%灌水量和30%化肥用量[11],可有效提高水肥利用效率。

随着玉米大豆间作种植已全部实现机械化,我国开始在黄淮海、西北、西南地区大力推广玉米大豆带状复合种植,多措并施扩面积、提产量,推广水肥一体化技术。贾彪等[12]认为,调控滴灌玉米最佳施氮量,可提高滴灌玉米光合能力,进而提高产量。本文针对河套灌区长期大水漫灌、耕地结构变差的现状,在滴灌条件下实施玉米大豆间作技术,系统研究不同行比下玉米和大豆的边际效应,结合作物叶绿素积累和光合特性表现,筛选该区域适宜的玉米大豆间作技术模式,以改善土壤结构,保证间作技术产量的稳定性,为河套灌区发展高产稳产的玉米大豆间作技术,实现水肥资源高效利用提供理论指导和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验田概况

试验于2022年4—10月在内蒙古农业大学敕勒川农业博览园(包头市土默特右旗萨拉齐镇北只图村,110°14′E,40°14′N)进行。该地区属大陆性半干旱季风气候,多年平均降水量400～500 mm,多年平均气温6.9℃,无霜期135 d左右。试验地前茬为百合花,土质为壤土,土壤有机质质量比24.65 g/kg,碱解氮质量比41.56 mg/kg,速效磷质量比8.19 mg/kg,速效钾质量比74.98 mg/kg。

1.2 试验材料

玉米品种选用真金308,株型为半紧凑型,株高271～286 cm,具有耐密、抗倒、宜机收等特点,由内蒙古真金种业有限公司提供。大豆品种选用中黄30,有限生长类型,平均株高70.1 cm,结荚高度15.0 cm,单株有效荚62.8个,单株粒数137.7个,单株粒质量25.3 g,百粒质量19.0 g,不裂荚,由中国农业科学院作物科学研究所选育。

1.3 试验设计

设置玉米与大豆行比2∶3、2∶4、4∶3、4∶4间作及玉米、大豆单作模式,即2行玉米3行大豆(T2∶3)、2行玉米4行大豆(T2∶4)、4行玉米3行大豆(T4∶3)、4行玉米4行大豆(T4∶4)间作及单作玉米(CKM)、单作大豆(CKS),采用随机区组排列,6种模式,3次重复,共18个小区,小区面积 5 m×4.6 m。玉米大豆于5月7日同期播种,各模式的磷钾肥施用量一致,磷肥为105 kg/hm2P2O5(磷酸二铵),钾肥为45 kg/hm2K2O(硫酸钾),均作为底肥施入,于播种前将肥料均匀撒于地表,再翻入耕层10 cm左右。大豆开沟施种肥,纯氮(尿素)45 kg/hm2,玉米氮肥(尿素)在拔节期、大喇叭口期按3∶7追施,随水滴灌水肥一体化追施。玉米于5月19日出苗,大豆5月22日出苗,玉米于6月25日追拔节肥、灌第1水,7月13日大喇叭口期追肥、灌第2水(玉米大豆同时进行滴灌),7月27日开花期灌第3水,8月9日灌第4水(玉米大豆同时进行滴灌),灌水总量为300 m3/hm2,9月25日收获。

间作模式中,玉米带和大豆带相邻各行依次记为边行,位于中间的植株行记为中行。T2∶3、T2∶4、T4∶3、T4∶4模式中,玉米种植面积占比分别为45.0%、40.0%、60.0%、53.0%,大豆种植面积占比分别为55.0%、60.0%、40.0%、47.0%。玉米大豆同期播种,采用穴播方式,玉米和大豆的间距均为60 cm,各种植模式的株行距、带宽等见表1。试验小区种植为南北行向,按照玉米大豆自西向东依次排列,保证大豆的光照条件。

表1 不同种植模式株行距Tab.1 Plant row spacing of different planting patterns

1.4 测定指标及方法

于玉米大喇叭口期(V12)、吐丝期(R1)和灌浆期(R3),大豆的分枝期(V4)、盛花期(R2)、鼓粒期(R5),应用便携式光合荧光测量系统(GFS-3000型)和SPAD测定仪分别测定光合特性指标(蒸腾速率Tr、气孔导度Gs、净光合速率Pn、胞间CO2浓度Ci)、叶绿素SPAD及叶片氮质量比。T2∶3、T2∶4模式,玉米大喇叭口期(V12),边行植株选择最新展开叶,吐丝期(R1)和成熟期(R3)选择穗位叶测定光合特性、叶绿素SPAD和叶片氮质量比,T4∶3、T4∶4模式对边行和中行植株分别测定;间作模式大豆的边行和中行选择顶部成熟的三出复叶分别进行测定,选择晴天的上午对玉米与大豆同时测定。

测产:每小区选取无缺苗断垄且长势整齐的两行玉米,计数有效穗数,去掉两端植株,两行中各连续取5穗收获,待果穗风干后考种,逐穗测定穗粒数后全部脱粒,测定百粒质量、含水率,并计算籽粒产量,折算成含水率14%的产量。间作T2∶3、T2∶4模式大豆按照带宽进行测产,量取长度1m的带宽,将其中大豆植株带回实验室,风干后测定单位面积产量,并折算成含水率12%的产量,T4∶3、T4∶3模式边行和中行分别整行收获计产。

1.5 计算方法

土地当量比(LER)是衡量产量优势的指标,计算式为

LER=LERM+LERS

(1)

其中

LERM=YIM/YSM

(2)

LERS=YIS/YSS

(3)

式中YIM、YIS——间作内玉米、大豆产量,kg/hm2

YSM、YSS——单作玉米、单作大豆产量,kg/hm2

LERM、LERS——玉米、大豆土地当量比

当LER>1为间作优势,当LER<1为间作劣势。

相对拥挤系数K是衡量间作中一个作物相对另一作物竞争优势的指标[2],计算式为

K=KMKS

(4)

其中

KM=YIMZIS/[(YSM-YIM)ZIM]

(5)

KS=YISZIM/[(YSS-YIS)ZIS]

(6)

ZIM=(LM+LMS)/L

(7)

ZIS=(LS+LMS)/L

(8)

式中KM、KS——玉米、大豆的相对拥挤系数

ZIM、ZIS——玉米、大豆在间作体系中的种植比例

LM——玉米行距,cm

LS——大豆行距,cm

LMS——玉豆间距,cm

L——带宽,cm

当KM>KS时,玉米大豆间作系统中玉米竞争力较强;KM

侵占力A表征一种间作作物相对产量增长大于另一种间作作物产量增长的程度,计算式为

AM=YIMZIM/YSM-YISZIS/YSS

(9)

AS=YISZIS/YSS-YIMZIM/YSM

(10)

式中AM——间作玉米侵占力

AS——间作大豆侵占力

若AM=AS,表明这两种作物的竞争力相同;AM>0,表示玉米占据优势;AM<0,表示大豆占据优势。

竞争比率(CR)是评价物种之间竞争的一种指标,计算式为

CRM=(LERMZIM/LERS)/ZIS

(11)

CRS=(LERSZIS/LERM)/ZIM

(12)

式中CRM、CRS——玉米、大豆的竞争比率

当CRM>1,间作体系中玉米竞争能力强于大豆;CRM<1,间作体系中玉米竞争能力不及大豆。

1.6 数据分析

采用Excel 2017进行数据整理,用DPS 10.0软件进行数据方差多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 玉米大豆间作不同带宽、行比配置模式叶绿素SPAD及氮质量比的边际效应

对不同种植模式玉米各时期叶绿素SPAD分析(表2),叶片叶绿素SPAD总体表现为大喇叭口期达到峰值,之后逐渐下降,吐丝期进入低谷阶段,进入灌浆期又表现一个小高峰,但此时,间作T2∶3模式的小高峰与单作(CKM)差异不显著(P>0.05),显著高于其它模式(P<0.05),这可能由于间作T2∶3模式中,2行玉米、3行大豆,带宽2.2 m,2行玉米均处于边行,每个带宽中田间通风透光良好,利于叶绿素的合成和积累,且能够有效抑制植株后期叶绿素的降解而维持较高的水平,利于延长叶片光合功能期,防止早衰。

表2 不同间作模式玉米叶绿素SPAD及氮质量比的边际效应Tab.2 Marginal effect of chlorophyll SPAD and nitrogen content of maize under different intercropping modes

5种种植模式中,大喇叭口期,叶绿素SPAD由大到小依次为T4∶4边、CKM、T2∶3、T2∶4、T4∶3边、T4∶4中、T4∶3中,其中,CKM、T2∶3、T2∶4与T4∶4边差异不显著(P>0.05),均显著高于T4∶3、T4∶4中行(P<0.05),T2∶3较单作仅下降0.91%;吐丝期,CKM、T2∶4、T4∶3、T4∶4边差异均不显著(P>0.05),但均显著高于T2∶3、T4∶4中(P<0.05),T2∶3显著低于单作23.02%(P<0.05);灌浆期,叶绿素SPAD由大到小依次为T2∶3、CKM、T2∶4、T4∶4边、T4∶3边、T4∶4中、T4∶3中,其中,单作与间作T2∶3模式显著高于其它模式(P<0.05),T2∶3较CKM提高5.09%,到此时期,间作T2∶3模式玉米叶片叶绿素的合成与积累对田间小环境具有明显的响应效应,这表明,2行玉米、3行大豆,带宽2.2 m,田间通风透光良好,利于叶绿素的合成和积累,且能够有效抑制植株后期叶绿素的降解而稳定保持较高的水平,利于延长叶片光合功能期,防止早衰。

不同种植模式玉米叶片氮质量比具有类似表现,大喇叭口期,叶片氮质量比由大到小依次为CKM、T2∶4、T2∶3、T4∶4边、T4∶3边、T4∶4中、T4∶3中,其中,CKM、T2∶3、T2∶4、T4∶4边模式间差异不显著(P>0.05),但均显著高于T4∶3、T4∶4中(P<0.05),T2∶3、T2∶4较CKM仅下降5.07%、1.92%;吐丝期,CKM、T2∶4、T4∶3边、T4∶4边差异不显著(P>0.05),但均显著高于T2∶3、T4∶3中、T4∶4中(P<0.05);灌浆期,叶片氮质量比由大到小依次为T2∶3、CKM、T4∶4边、T4∶3边、T2∶4、T4∶4中、T4∶3中,其中,CKM、T2∶3、T4∶4边差异不显著,均显著高于T2∶4、T4∶3、T4∶4中(P<0.05),T2∶3较CKM提高5.17%。

以T4∶4模式为例,大喇叭口期、吐丝期的叶绿素SPAD及吐丝期、灌浆期的氮质量比均表现为边行高于中行,且达到显著水平(P<0.05),边行分别高于中行18.09%、32.61%、33.44%、3.80%,灌浆期的叶绿素和大喇叭口期的氮质量比虽然未达到显著差异,但仍为边行优于中行,这说明,间作对高秆作物玉米具有明显的边际效应。

对不同种植模式大豆各时期叶绿素SPAD分析(表3),大豆叶片叶绿素SPAD均在开花期达到峰值,于开花期之后开始逐渐下降,结荚期进入低谷阶段,进入鼓粒期又表现一个小高峰,这可能与鼓粒期大豆根瘤的固氮作用逐渐增强有关,T2∶3在开花期显著低于CKS,到结荚期、鼓粒期与CKS已无显著差异,经历了结荚的低谷期,在鼓粒期均保持较高的叶绿素SPAD。5种种植模式,开花期,叶绿素SPAD由大到小依次为CKS、T2∶4、T4∶4、T4∶3、T2∶3,其中,T2∶3显著低于单作(P<0.05),较CKS降低27.23%,均显著低于T4∶4、T4∶3、T2∶4间作模式(P<0.05),且该生育时期各间作模式的边行较中行未表现出明显的边际效应;结荚期,T2∶4边行植株叶片叶绿素SPAD最高,与T2∶4中、T4∶3、T4∶4模式差异不显著(P>0.05),显著高于CKS、T2∶3模式(P<0.05),T2∶3与单作差异不显著(P>0.05),较CKS提高2.32%;鼓粒期,叶绿素SPAD由大到小依次为T2∶3、T2∶4、T4∶4、CKS、T4∶3,其中,CKS、T2∶3、T2∶4、T4∶4模式显著高于T4∶3模式(P<0.05),这可能与T4∶3模式中4行玉米的幅宽已经较宽,对大豆的遮光作用比较显著,3行大豆幅宽较窄,空间所限及光照不足,限制了大豆叶片叶绿素的合成与积累,导致该模式在开花期和鼓粒期两个小高峰,叶绿素SPAD的峰值均较低。T2∶3与CKS差异不显著,较单作提高5.11%。

表3 不同间作模式大豆叶绿素SPAD和氮质量比的边际效应Tab.3 Marginal effects of chlorophyll SPAD and nitrogen content in soybean under different intercropping modes

不同种植模式大豆叶片氮质量比具有类似表现,开花期之后开始逐渐下降,结荚期进入低谷阶段,进入鼓粒期又表现一个小高峰。开花期,氮质量比由大到小依次为CKS、T2∶4、T4∶4、T4∶3、T2∶3,其中,单作与间作T2∶4模式间差异不显著(P>0.05),但均显著高于T2∶3、T4∶3、T4∶4(P<0.05),T2∶3较CKS显著降低35.16%(P<0.05);结荚期,T2∶4、T4∶3、T4∶4中差异不显著(P>0.05),但均显著高于CKS、T2∶3、T4∶4边(P<0.05),T2∶3与CKS差异不显著,较CKS提高2.34%;鼓粒期,该时期的氮质量比与叶绿素SPAD表现相同,由大到小依次为T2∶3、T2∶4、T4∶4、CKS、T4∶3,其中,CKS、T2∶3、T2∶4、T4∶4模式间差异不显著(P>0.05),均显著高于T4∶3(P<0.05),T2∶3与CKS差异不显著(P>0.05),较CKS提高5.77%。

4个间作模式,大豆与玉米不同,大豆在间作中均未表现出明显的边际效应,但叶片叶绿素SPAD和氮质量比均在结荚期表现低谷,开花期和鼓粒期出现小高峰,这可能与大豆鼓粒期根瘤固氮作用增强有关,T4∶3模式表现不佳。

2.2 玉米大豆间作不同带宽、行比配置模式光合特性的边际效应

对不同种植模式玉米各时期光合特性指标进行分析(表4),基本表现为各模式Pn从大喇叭口期到吐丝期逐渐升高,吐丝期达到峰值,此时T2∶3与CKM差异不显著(P>0.05),持续到灌浆期,T2∶3的Pn缓慢下降,其它模式均急剧下降。5种种植模式中,大喇叭口期,T4∶4边、T2∶4、T2∶3模式的Gs、Pn显著高于CKM(P<0.05),而T2∶3也因Pn显著低于CKM,使Ci显著高于CKM,模式间Pn由大到小依次为T2∶4、CKM、T4∶4边、T4∶3中、T4∶4中、T4∶3边、T2∶3,此时单作与间作的光合特性未表现显著优势;吐丝期,CKM、T2∶3、T2∶4、T4∶4边的Tr、Gs、Pn模式间差异不显著(P>0.05),均显著高于T4∶3、T4∶4 中(P<0.05),模式间Pn表现由大到小依次为T2∶3、CKM、T4∶4边、T2∶4、T4∶3边、T4∶3中、T4∶4中,其中,T2∶3的Pn最高,达到35.77 μmol/(m2·s),较CKM、T4∶4边、T2∶4提高35.70%、51.06%、105.57%,因光合消耗使T2∶3、T4∶4边的Ci显著低于其它模式;灌浆期,T4∶3边、T2∶3的Tr、Gs、Pn模式间差异不显著,均显著高于T4∶4(P<0.05),模式间Pn由大到小依次为T4∶3边、T2∶3、T2∶4、T4∶4边、T4∶3中、CKM、T4∶4中,其中,T4∶3边的Pn最高,达到43.20 μmol/(m2·s),较T2∶3提高26.69%,两个模式间差异不显著(P>0.05),但显著高于其它模式(P<0.05),此时单作玉米的Pn已明显低于T2∶3,Ci积累量增加,说明单作玉米从吐丝期到灌浆期的光合能力较T2∶3已明显减弱,而此时,T2∶3的Pn仅从35.77 μmol/(m2·s)下降到34.10 μmol/(m2·s)。说明间作T2∶3模式有利于玉米后期保持较高的光合功能期。

表4 不同间作模式玉米的光合特性Tab.4 Photosynthetic characteristics of maize under different intercropping modes

同时以T4∶4模式为例,大喇叭口期、吐丝期、灌浆期的Tr、Gs、Pn均表现为边行优于中行,且达到显著水平(P<0.05),大喇叭口期边行分别高于中行30.30%、71.64%、17.50%,吐丝期边行分别高于中行73.31%、82.92%、319.86%,灌浆期边行分别高于中行85.99%、92.05%、364.48%,说明高秆作物玉米间作T4∶4模式的蒸腾速率、气孔导度、净光合速率具有明显的边际效应。

对不同种植模式大豆各时期光合特性进行分析(表5),各模式的表现存在一定差异。T2∶4、T4∶3、T4∶4 3个间作模式的中行叶片光合速率Pn开花期就达到了峰值,之后持续大幅度下降,边行在结荚期达到峰值,而单作与T2∶3模式从开花期到结荚期持续上升,二者均在鼓粒期达到峰值,这可能与CKS、T2∶3两个模式的田间小气候环境条件较适宜,同时鼓粒期大豆根瘤的固氮作用逐渐增强有关,该规律与玉米表现有所差异。5种种植模式,开花期,T2∶4中、T4∶3中、T4∶4中的Pn均达到峰值,显著高于T2∶3(P<0.05),T2∶3显著低于CKS。结荚期,CKS的Pn表现最高,具有明显优势,均显著高于其它模式(P<0.05),T2∶4边、T4∶3边、T4∶4边此时均达到峰值,T2∶3仍然较低。到鼓粒期,T2∶3和CKS的Pn均达到峰值,由大到小依次为T2∶3中、CKS、T2∶3边、T4∶4边、T2∶4中、T4∶4中、T2∶4边、T4∶3中、T4∶3边,T2∶3模式光合优势表现较强,T4∶3模式最弱。T2∶3中的Pn超越单作,显著高于单作52.96%(P<0.05),Tr、Gs显著下降31.73%、43.12%,因光合消耗Ci较CKS下降26.79%。T2∶3边Pn较CKS下降64.11%,Tr、Gs显著下降50.73%、62.57%,Ci较CKS高12.52%。T4∶4、T2∶4、T4∶3模式的Pn较单作和间作T2∶3显著下降,从结荚期到鼓粒期,持续下降,而单作保持光合效率峰值,到鼓粒期,提高6.36%,间作T2∶3在鼓粒期达到峰值,并在鼓粒期保持峰值,受玉米隐蔽作用影响相对较弱。

表5 不同间作模式大豆的光合特性Tab.5 Photosynthetic characteristics of soybean under different intercropping modes

T2∶3模式,3个时期中行Pn较边行具有优势,距离玉米植株越近,受玉米隐蔽影响越严重,而T4∶4模式,玉米由2行增加到4行,大豆由3行增加到4行,玉米的隐蔽作用增强,对中行影响更显著,大豆的幅宽增大,受光的空间增加,使边行较中行表现光合优势,在结荚期和鼓粒期光合速率具有一定边际效应。

2.3 玉米大豆间作不同带宽、行比配置模式对土地当量比、相对拥挤系数的影响

由表6可得,不同间作模式,LER、K表现不同,说明不同田间配置模式对LER、K均会造成影响。间作模式下,LER变化范围为0.59～1.38,所有间作模式下的LER仅T2∶3模式大于1,达到1.38,表现明显的间作优势,行比由2∶3增加到2∶4,带宽由2.2 m增大到2.5 m,LER由1.38下降为0.80,而其中LERS由0.67下降为0.28,说明T2∶3模式更具有间作优势。相对拥挤系数K与LER变化趋势相似,T2∶3模式下K最大,为4.92,且KM>KS,表明T2∶3模式中,玉米竞争力强于大豆,处于竞争的优势生态位,其它模式的KM、KS均较小,导致K更小,表明这些间作模式的作物优势生态位不强。

表6 玉米大豆间作系统不同种植模式对玉米和大豆土地当量比、相对拥挤系数、作物侵占力与侵占比率的影响Tab.6 Effects of intercropping treatments on land equivalent ratio, relative crowding coefficient, crop invasiveness and invasiveness ratio of maize and soybean in maize soybean intercropping system

带宽由2.2 m(T2∶3)增加为3.0 m(T4∶3)模式时,增加了玉米行比配置,LERM、LERS、LER、KM、KS、K值均呈下降趋势;当带宽由2.5 m(T2∶4)增至3.4 m(T4∶4),增加了玉米行比配置,LERM、LER、KM、K均呈减小趋势,而LERS、KS略有增加;当种间距离不变,带宽由2.2 m(T2∶3)增至3.4 m(T4∶4)时,LERM、LERS、LER、KM、KS、K均呈减小趋势;带宽由2.5 m(T2∶4)增至3.0 m(T4∶3)时,LERM、LER、KM均呈减小趋势,而LERS、KS增大。这表明,玉米、大豆行数增加,LER、K均明显减弱,但大豆行数增加时,LER、K下降幅度较小,且T4∶3、T4∶4边行均表现边际优势。因此,间作中,玉米不适宜设置较大的幅宽。

2.4 玉米大豆间作不同带宽、行比配置模式对作物侵占力的影响

对间作不同带宽、行比配置模式作物侵占力和竞争比率进行分析(表6),各间作模式的A、CR变化趋势一致,T2∶3模式AS>0,这表明,间作系统中大豆占优势,大豆相对产量增长大于玉米,CRS>1,这表明,该模式中大豆竞争力强于玉米,大豆是竞争优势种,其它模式相反,玉米是竞争优势种。

2.5 玉米大豆间作不同带宽、行比配置模式产量

表7表明,间作系统中,玉米在产量中占主导地位,各模式产量由小到大依次为T2∶3、T2∶4、T4∶4边、T4∶3边、T4∶4中、T4∶3中,T2∶3模式的玉米、大豆产量最高,分别达到9 705、2 265 kg/hm2,占系统产量的81.08%、18.92%,为单作玉米和大豆的71.10%和66.52%;其次是T2∶4模式,玉米、大豆产量分别为7 185、930 kg/hm2,分别占系统产量的88.54%、11.46%,为单作玉米和大豆52.64%和27.31%。T4∶3边行、T4∶4边行玉米产量均显著高于中行(P<0.05),分别较中行高22.87%、19.94%,这表明,T4∶3边、T4∶4边的玉米产量具有边际优势,大豆产量边行未表现边际优势,与叶绿素SPAD、含氮质量比表现一致,均不具有显著的边际优势。

表7 不同带宽、行比配置模式产量Tab.7 Output of different band width and row ratio configuration modes

3 讨论

3.1 不同间作模式合理的群体结构

玉米大豆间作基于作物高矮搭配合适、养分喜好不同和大豆的固氮作用等优势,被认为是更高效的间作系统[13]。合理搭配作物,同时采用适宜的调控措施,增强优势作物或者同步增强优劣势作物的光合源是促进间作高产稳产的有效途径。作物在空间上的合理搭配是间作复合群体高效截获光能的重要基础。作物通过高矮、带宽、行比搭配等途径,构建立体空间结构、优化群体光分布。共生期中,玉米大豆间作高矮相间,形成伞状冠层结构,有利于增加条带两侧的入射辐射,冠层中部叶片受光充分[14],矮秆作物大豆是C3作物,能够更好地截获底层光能,充分利用弱光,优化了间作群体的光能利用,提高了复合群体光能截获率[15]。王雅梅等[16]对不同农机作业宽幅条件下玉米大豆间作研究认为,3种间作模式(播幅2∶1、2∶2、2∶3)以籽粒产量为基础的LER随着大豆播幅的增加而增加,玉米大豆播幅2∶2、2∶3种植具有间作生产优势。潘利文等[17]对适宜机械化的玉米大豆行比2∶4和4∶4两种间作模式的产量和经济效益进行研究,认为2∶4模式优于4∶4。这可能因为小行距窄带宽,玉米大豆均能发挥边际效应,且大豆能够截获和利用底层弱光,因此保证了系统产量。王甜等[18]研究了带宽和密度配置对玉米大豆间作中大豆产量的影响,认为带宽2.4 m、大豆种植密度为67 500～82 500株/hm2时,大豆光合特性改善,产量较高。这可能因为小带宽下,降低了大豆种植密度,改善了大豆的受光条件,优化了植株个体与群体生长发育的协调性,缓解大豆个体与群体之间的矛盾,从而获得产量优势。封亮等[19]对江西地区红壤旱地的玉米大豆间作模式研究表明,带宽 2.4 m、行比2∶4种植模式能较好地协调作物种间关系,土地产出率较高,经济效益较优,可作为江西地区红壤旱地适宜的玉米大豆间作模式。VAN OORT等[20]研究表明,间作模式下带宽不宜超过3 m,反之不利于增加作物产量和经济效益。这可能因为行比2∶4模式玉米幅宽小,2行玉米对大豆的隐蔽作用相对行比4∶4模式较弱,单位面积玉米产量下降较少,大豆产量略有降低,但仍能保证系统产量,且间作系统经济效益大于单作玉米或大豆,故间作大豆少量的减产并不影响间作系统的经济效益。

以上研究均认为,小行比窄带宽间作优势更显著,产量表现更好,这可能因为行比2∶3、2∶4模式中,3行或4行大豆能发挥中行的光合优势,2行玉米能发挥边际效应,使间作系统产量表现较高。本研究得到相近的结果,T2∶3模式带宽2.2 m,2行玉米光合速率峰值高,降得慢,3行大豆峰值出现晚(鼓粒期,下降速度有待于进一步研究),且中行较边行光合速率更高,具有一定光合优势,这也是该模式LER大于1的主要原因,且KS>KM,AS>0,CRS>1,T2∶3具有明显的间作优势和竞争力,大豆相对产量增长大于玉米,是竞争优势种,而T4∶4模式的玉米光合速率峰值低,出现早(大喇叭口期-吐丝期),降得快,大豆光合速率峰值出现早(开花期-结荚期),降得快。但蔡倩等[21]认为,玉米大豆间作模式中M6S6(6行玉米6行大豆)间作产量优势最强。可见,协调统筹不同株型作物的空间布局,创造合理的间作群体结构,使光能的分配和利用更加高效,提高光能利用率,是保证间作生产力的关键。

3.2 不同间作模式玉米大豆光合特性及产量边际效应

玉米大豆间作条件下,作物光照条件[22]、土壤养分状况以及农田小气候[23]均发生改变。王竹等[24]研究发现,大幅宽种植减弱了作物之间的竞争,缓解了大豆的遮阴问题,减少了玉米对大豆的资源掠夺,有利于提高间作系统的生物量和产量,尤其是利于保证大豆产量较少减产。而HE等[25]研究认为,小带宽玉米带保证了间作玉米的充足光照和通风,同时玉米的根系可以充分延伸到大豆条带吸收养分,大带宽大豆种植避免了邻近玉米的遮光。可见,间作群体的两种作物田间结构配置是影响种间协调关系和边际效应的重要因素,对矮秆作物的受光条件及产量效应具有决定性作用。赵德强等[26]研究认为,大幅宽玉米小幅宽大豆种植的3M6S(3行玉米6行大豆)模式具有最高的相对生物量和产量。玉米大豆间作表现出强烈的边际效应,间作玉米的Ⅰ行、Ⅱ行和Ⅲ行,以及间作大豆的Ⅱ行和Ⅲ行均表现为间作优势,间作大豆I行为间作劣势。范元芳等[27]研究认为,玉米大豆间作时,大豆受到邻近玉米的遮光影响;王一等[28]研究认为,大豆花期以后遮阴降低了叶片最大光合速率,降低了单株粒质量。以上均认为遮阴是大豆干物质积累量和产量降低的主要原因,而Ⅰ行间作大豆处于间作劣势可能因为距离玉米最近,遭受玉米中下部叶片遮阴作用更严重,有效受光时间非常有限,多数时间接受的是弱光或光合作用的低效光,因此对其光合速率影响很大。本研究也得到相似的结果,玉米大豆间作群体以小带宽更能发挥间作优势,以T2∶3模式较优,大豆带的中行更具有间作优势。同时,T4∶4模式大豆边行的光合速率在结荚期和鼓粒期具有边际优势,产量、叶绿素SPAD和氮质量比均未表现边际优势,可能在玉米后期植株对大豆的遮光严重,边行玉米仍有一定受光的空间,光合速率具有边际优势,而遮光对耐荫作物大豆边行与中行叶片叶绿素的合成及叶片氮素的积累影响不显著,因此,叶绿素含量和氮质量比未表现边际效应,遮光条件下,大豆边行和中行植株均略有徒长,影响生殖生长,致使产量也未表现边际效应。

间作改善光合性能的优势在生育后期更加明显,籽粒产量大部分来自花后的光合产物,本研究结果表明,T2∶3模式的玉米叶绿素SPAD在灌浆期与单作差异不显著,光合速率在吐丝期和灌浆期与单作差异均不显著,大豆叶绿素SPAD在结荚期、鼓粒期与单作差异不显著,光合速率在鼓粒期与单作相近,因此认为,间作群体花后较长的光合功能稳定期是发挥间作优势的重要原因,与李易玲等[9]的研究结果一致。

发展间作至关重要的一个环节是统筹协调适宜机械化与种间互作增效的空间布局和群体优化理论。范虹等[29]研究认为,间作有利于群体生育后期保持较高光合源,提高高位作物个体的光合速率、叶绿素含量、光能利用率,但削弱了矮位作物光合性能。本研究中,也发现T2∶3模式玉米叶片的叶绿素SPAD、氮质量比和光合速率在吐丝期和灌浆期甚至超越单作,且系统产量仅次于单作,T4∶4模式中边行玉米具有明显的边际效应。综上,T2∶3模式中两个边行玉米在发挥边际效应和群体间作优势的基础上获得了较好的产量效应,同时,该模式在生产中已实现了机械化生产,因此认为T2∶3模式是河套灌区较适宜的间作技术模式。

4 结束语

T2∶3间作模式及单作玉米光合速率峰值于吐丝期正常来临,但T2∶3较单作下降缓慢,其它模式玉米光合速率峰值低,出现早(大喇叭口期),降得快,大豆峰值出现晚(鼓粒期),其它模式出现早,降得快,尤其T2∶4、T4∶3、T4∶4模式的中行下降速度更显著。因此,间作玉米的花后光合功能稳定期长是关键,是T2∶3间作模式充分发挥间作优势增产的重要原因。仅T2∶3模式LER大于1,达到1.38,且KS>KM,T2∶3具有明显的间作优势和竞争力,AS>0,CRS>1,间作系统中大豆占优势,中行具有显著光合优势,大豆相对产量增长大于玉米,竞争力强于玉米,是竞争优势种,该模式的玉米、大豆产量分别达到9 705、2 265 kg/hm2,占系统产量的81.08%、18.92%。综上,T2∶3模式是内蒙古河套灌区适宜的间作技术模式。