玉米大豆带状复合种植模式对粮豆经济性状的影响

胡海波,丁素荣,刘迎春,魏云山,王晓磊,康泽然,崔智慧,李 峰,侯建华,刘会宇,周学超*

(1.内蒙古自治区赤峰市农牧科学研究所,内蒙古赤峰 024031;2.内蒙古农业大学农学院,内蒙古呼和浩特 010010;3.赤峰市喀喇沁旗西桥镇政府,内蒙古赤峰 024418)

大豆原产于我国,富含丰富的蛋白有脂肪,年产大豆在1 600万t左右,而年消费量在1.1亿t左右。近几年,我国大豆总产量有所提高,仍不能满足日益增长的大豆需求量,大豆进口依存度过高。提高大豆总产量可以通过增加单产和扩大种植面积来实现,套作是传统农业的精华,利用物种互补性,通过增加单位土地的作物产量来实现可持续的集约化[1]。在我国耕地资源有限的情况下,玉米大豆带状复合种植模式通过“选配良种,扩间增光,缩株保密”核心技术,可实现在保证玉米基本不减产的情况下,增加大豆总产量[2]。中央一号文件连续多年指出,要稳定粮食生产,加大对大豆高产品种和玉米、大豆间作新农艺推广的支持力度[3]。现阶段,受耕地资源限制,可以通过间套作种植模式来提高复种指数,从而扩大大豆种植面积,增加大豆产量。大量研究表明,玉米-大豆间套作种植通过改善土壤养分结构及田间小气候,提高光能利用率和光合速率,增加干物质积累,从而获得产量优势[4-7]。

大豆为喜光作物,在大豆干物质中,光合产物积累占 91.31%。然而,在玉米-大豆间作种植模式中,大豆处于光能截获的劣势,高位作物玉米对低位作物大豆的遮阴使大豆植株净光合速率下降,从而导致单株荚数、粒数和百粒质量降低,最终导致大豆产量下降[8]。不同种植模式下,光照条件不同会导致大豆生长发育不同,玉米的荫蔽胁迫使大豆茎秆细弱、发生倒伏而影响产量[9]。合理的田间配置能够减少强势作物对弱势作物的影响,使作物产量的潜能得到充分发挥。通过改变作物间套作的带宽和密度,可以对群体结构进行调整,进而影响作物群体的光能利用率和干物质生产。前人研究表明,间作大豆幅宽的增加有利于大豆光能截获、提高光合速率、保证干物质积累,使大豆有效荚数和粒数增加,从而提高大豆产量[10-12]。与单作相比,玉米+大豆套作能促进氮肥利用率,降低氮素依赖率,从2012年的75.4% 缓慢下降至69.4%[13]。王敏等[14]研究发现,在德国北方玉米和大豆间作产量潜力大,间作玉米产量总体很高,叶片发育良好,可以促进光合作用和干物质积累。

在不同地区采取宽窄条带田间种植方法,充分利用边行优势,合理地分带以协调大豆-玉米之间对光照和肥水的需求,是实现带状种植、提高大豆总产量的关键。前人对玉米大豆复合种植的带宽和密度研究多以小区形式开展,而采用与种植户相同的大面积模式筛选报道较少。为了改善大豆生长环境,同时响应当前大力推行机械化耕作的趋势,以探求玉米-大豆带状复合种植模式下玉米-大豆田间最佳配置,笔者设置玉米和大豆不同带宽和行比,研究不同田间配置对玉米-大豆生长及产量特征,分析其经济效益,以期找到合理的带宽和密度配置,为玉米-大豆带状复合种植模式下玉米-大豆最优配置的确定及推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况试验在赤峰市喀喇沁旗西桥镇七家村-赤峰市农牧科学研究所试验基地进行(41°51′20.56″N,119°5′47″E)。北纬试验区域的土壤为砂壤土,前茬一致为高粱。

1.2 试验材料供试大豆材料品种为赤豆5号和东农63;玉米品种为宇玉704。

1.3 试验设计于2021年4月25日播种,播种时一次性侧深施。肥料种类为缓控释复合肥(27-10-12)和二铵(18-46-0);玉米施肥量为复合肥600 kg/hm2+二铵150 kg/hm2,大豆施肥量为复合肥202.5 kg/hm2+二铵52.5 kg/hm2。玉米/大豆复合种植设置5个处理,处理1为4+4模式;处理2为2+4模式;处理3为22(加密)+4模式;处理4为22(加密)+2模式(匀垄50 cm);处理5为22(加密)+2模式(40-60 cm大小垄);对照为大豆(CK2)、玉米(CK1)清种。

玉米行距50 cm,株距30 cm,种植密度65 340株/hm2;大豆行距50.0 cm,株距8.5 cm,赤豆5号密度为204 180株/hm2。种植面积玉米0.33 hm2,大豆1.2 hm2,具体见图1、表1。其中,模式为按照玉米行数+大豆行数的方式记录。带宽指某一带玉米或大豆的第1行至相邻下1带玉米或大豆的第1行之间的总宽度。行距指相邻两行玉米或大豆之间的距离。间距指相邻玉米和大豆之间的距离。幅宽指玉米或大豆占地总宽度,即玉米或大豆各行距之和+间距的宽度。占地比例指玉米、大豆幅宽占间作带宽的百分比。密度指玉米、大豆在间作田中的密度。玉米、大豆单种仅填写行距、株距、密度。

图1 玉米大豆带状复合种植模式图Fig.1 Zonal composite planting pattern of corn and soybean

表1 玉米/大豆复合种植模式比较

1.4 调查测定项目

1.4.1玉米调查测定项目。生长过程中记载生育时期、品种特性。成熟时每小区取 10 株进行考种。测定株高、穗位、有效穗数、双穗率,室内测定穗长、秃顶长度、千粒重等项目,并实收产量。

1.4.2大豆调查测定项目。生长过程中记载品种生育时期、品种特性。成熟时每小区取20株进行考种,测定株高、有效株数,室内测定底荚高度、主茎节数、分枝数、有效荚数、无效荚数、单株粒数、百粒重等,并实收产量。

1.5 数据分析采用SPSS 18.0 软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对大豆和玉米产量及其构成因素的影响

2.1.1对玉米产量及其构成因素的影响。由表2可知,不同模式的玉米产量有明显差异,其中在不同复合模式处理中,处理4产量最高,但比CK1低20.48%,其余处理比CK1产量低28.78%～56.51%。不同处理产量由高到低依次为CK1>处理4>处理5>处理1>处理3>处理2。

表2 玉米/大豆复合种植条件下玉米产量及其构成因素比较

不同的模式对玉米产量构成因素的影响变异较大。处理1、2的穗长与其他处理间差异极显著,穗粗仅与CK1间差异不显著,秃尖长与处理3(东农63)间差异极显著。处理1、2的百粒重、行粒数间差异不显著。处理1与处理3(赤豆5号)间穗行数差异显著,与其他处理间差异不显著。单作的产量高于复合模式且差异极显著,处理4和5间产量差异不显著,处理1和2间产量差异达显著水平。

2.1.2对大豆产量及其构成因素的影响。由表3可知,不同处理间大豆产量有差异。各复合模拟处理中,处理2产量最高,但比CK2低39.12%,其他复合模式处理比CK2产量低52.82%～72.27%。不同处理大豆产量由高到低排序为CK2>处理2>处理3(东农63)>处理3(赤豆5号)、处理1>处理5>处理4。

表3 玉米/大豆复合种植条件下大豆产量及其构成因素比较

从大豆产量构成因素来看,处理2与4间单株荚数和荚粒数差异达极显著,与处理3(东农63)间有显著差异。除处理4外,其他模式处理的百粒重与CK2间差异达极显著,22+2(匀垄)和22+2(40-60 cm)模式间差异不显著。从产量来看,单作产量与复合种植模式间差异极显著,处理2与其他复合种植模式间产量差异显著或极显著。其中,处理4大豆产量最低,与其他处理间差异显著或极显著。

2.1.3对玉米/大豆复合种植产量的影响。复合种植下,不同种植模式间产量差异明显。除22+2(匀垄)模式外,CK1处理产量显著高于其他模式,居于首位,其次是22+2(匀垄)模式。22+2(匀垄)模式总产量比CK1处理低709.20 kg/hm2,降低了5.15%。

2.2 玉米/大豆复合种植经济效益比较

2.2.1成本投入。生产成本包括整地(播前耕地灭茬翻耕、耙平拖耢平整等)、种子、肥料、农药、滴灌、机械费用、田间管理用工等成本投入。物质投入以单作玉米CK1较高,最低为单作大豆CK2,两者相差1 545元/hm2;机械和人工费用以22+4模式、22+2模式最高,单作玉米最低,相差2 490元/hm2。由于试验采用人工除草,单作大豆机械和人工费用比玉米高出675元/hm2,但单作大豆生产成本总和却低于玉米及复合种植模式。

2.2.2粮食价格情况。按秋季当地粮食价格玉米2.4元/kg,大豆5.8元/kg计算。

2.2.3玉米/大豆复合种植经济效益。不同处理与CK1的收入比较显示,仅有22+2(匀垄)模式收入比CK1增加763.80元/hm2,增幅4.52%。其他模式均低于CK1。22+4模式、2+4模式、4+4模式分别比CK1少收入1 007.55、1 280.55、2 060.55元/hm2,减少收入5.77%～11.78%。CK2收入最低,比CK1少收入12 555.00元/hm2。而22+2(匀垄)模式复合收入显著高于22+2(40-60 cm)模式。同样22+4模式(赤豆5号)收入显著高于22+4模式(东农63)。不同模式收入由高到低排序为22+2(匀垄)模式>CK1>22+4模式>2+4模式>4+4模式>22+2(40-60 cm)模式>CK2。

2.3 本地区适宜的玉米/大豆复合种植模式筛选

2.3.1玉米产量目标。玉米产量由高到低排序为CK1> 22+2(匀垄)模式>22+2(40-60 cm)模式,产量变化幅度为0、-14.86%、-29.79%,CK1产量为13 775.4 kg/hm2。

2.3.2大豆产量目标。大豆产量由高到低排序为CK2>22+4模式>2+4模式>4+4模式,产量减少变化幅度0～14.67%,CK2产量为3 506.55 kg/hm2。

2.3.3玉米大豆复合产量目标。玉米大豆复合产量由高到低排序为CK1> 22+2(匀垄)模式>22+2(40-60 cm)模式>22+4模式>4+4模式,产量变化幅度分别为0、-5.15%、-21.05%、-23.85%、-26.91%。

2.3.4复合收入目标。收入由高到低排序为22+2(匀垄)模式>CK1>22+4模式>2+4模式>4+4模式,收入变化幅度分别为4.52%、0、-5.77%、-7.05%、-11.78%,CK1收入为17 296.05元/hm2。

综合粮食总产和效益、大豆产量来看,首选模式为22+4模式,该模式玉米产量比CK1降低43.24%,大豆产量比CK2减少14.67%,而复合产量比CK1降低23.85%,但其收入比CK1仅低5.77%。22+2(匀垄)模式的效益高于CK1,复合产量比CK1仅低5.15%,玉米产量比CK1降低14.86%,但大豆产量比CK2减少幅度达61.86%。此外,22+4模式、22+2(匀垄)模式及2+4模式与CK1在经济收入方面差异不明显。

3 结论与讨论

大豆为光敏感型作物,在大豆的总干物质中,光合产物积累量占到91.32%,光照对其整个生育期生长发育影响巨大[15]。而在玉米/大豆间作模式中,大豆处于群体光能截获的劣势,高层作物的遮阴是制约大豆增产的主要原因,因此该试验设置了6个不同的粮豆种植模式,分析其在不同的荫蔽条件下,大豆的农艺性状变化及产量指标变化,以及玉米和大豆的总经济系数,结合劳动力成本上升和农村劳动力缺乏的实际,配合机械化作业的需求,兼顾玉米、大豆总产和效益,大豆产量较高首选模式为22+4模式。

研究表明,玉米和大豆复合种植提高了玉米光合速率,但降低了大豆的光能利用率[16]。这与该试验中不同处理间大豆的产量相关性状均有所下降趋势一致。该试验与前人[17-19]的研究一致,表明相对于清种大豆和玉米,带状复合种植大豆、玉米产量相关性状均有所下降,这可能是由于带状复合种植玉米行间的空间小、种植密度比清种小,大豆无法获得生长所需要的光热资源,以致带状复合种植大豆较清种光合作用降低,单株荚数、单株粒数、单株粒重和百粒重均减少,产量也有所降低,结合经济效益,最优模式为22+2(匀垄)。该试验中,6种不同处理下的单产均低于清种,这与前人[20-21]的研究结果相反,可能是由于选择的玉米品种光合效率不够高、不耐密有关。

合理的种植行距能显著改善玉米和大豆植株行间通风透光的生长环境,促进玉米和大豆植株的生长发育,获得更高的生物产量。种植模式对不同品种作物营养器官积累的干物质向籽粒转运的影响存在差异[22],套种玉米生育后期有宽行光补偿效应,随着行距的增加,玉米干物质积累量对籽粒的贡献率呈现先增加后稳定的趋势[23]。

粮豆复合体系内作物合理的搭配和组合是其增产的重要保证,共生期体系内2种作物必然发生相互作用,且间套作作物的相对竞争能力受环境影响较大,特定环境条件下的最佳作物组合及品种搭配并不一定适应于所有的种植区域[24-25]。该试验筛选出的22+4模式是增加大豆总产、适应机械化的最优模式,但其总效益低于玉米清种,只考虑经济效益情况下,最优组合为22+2(匀垄),但其玉米、大豆的产量下降幅度较大。该试验研究了内蒙古东南部地区玉米大豆带状复合种植对玉米和大豆光合生理指标以及产量及其构成因素的影响,对于临近的通辽市中国三大黄金玉米带推广粮豆带状复合种植也具有重要的指导意义。为了在推广该模式时有稳定的表现,今后还应筛选更适宜的带状复合种植下玉米和大豆品种,并进行多年多点试验,为该项种植技术的推广提供更科学的依据。