玉米-大豆間作對作物生長動(dòng)態(tài)及產(chǎn)量的影響

吳 限，魏永霞，2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150030)

玉米-大豆間作對作物生長動(dòng)態(tài)及產(chǎn)量的影響

吳 限1，魏永霞1，2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150030)

大豆、玉米為黑土區(qū)主要糧食作物，為了探索該區(qū)坡耕地水土保持與節(jié)水增產(chǎn)的主要作物種植模式，2013年和2014年在位于東北典型黑土帶上的黑龍江省紅星農(nóng)場徑流小區(qū)內(nèi)，開展了玉米、大豆、大豆-玉米間作三種農(nóng)田植被條件下的水土保持與節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)的試驗(yàn)研究。本文僅對三種種植模式的作物生長及產(chǎn)量效應(yīng)進(jìn)行探討。結(jié)果表明：間作玉米作物株高、莖粗均大于單作玉米，間作大豆株高、莖粗均低于單作大豆，干物質(zhì)積累與產(chǎn)量上亦有相同差異。

黑土區(qū)；坡耕地；大豆-玉米間作；作物生長動(dòng)態(tài)；產(chǎn)量

間作是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種多元種植模式，這一模式利用不同物種在空間分布和養(yǎng)分需求等方面的優(yōu)勢互補(bǔ)，使間作系統(tǒng)能更有效地利用各種生長因子(光、水分、各種養(yǎng)分等)來獲得產(chǎn)量優(yōu)勢。此外，間作系統(tǒng)在作物病蟲害的生物防控、雜草抑制、作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，以及減少對栽培環(huán)境的負(fù)面影響等方面都表現(xiàn)出單作系統(tǒng)所無法比擬的優(yōu)勢[1-6]。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選擇在位于東北典型黑土帶上的黑龍江省北安市紅星農(nóng)場，地處小興安嶺南麓向松嫩平原的過渡地帶，為丘陵漫崗地帶，屬中溫帶濕潤大陸性季風(fēng)氣候。多年平均降水量為553 mm，主要集中在7月—9月份,占全年降雨量的90%左右，其中暴雨降水量占7月—9月份的35%。年平均蒸發(fā)量1100～1200 mm，大于等于10℃的有效積溫2254.5℃，無霜期約110～115 d。土壤主要以黑土為主，質(zhì)地黏重，入滲困難。2013年紅星農(nóng)場總耕地面積2.73萬hm2，種植大豆0.96萬hm2，玉米1.64萬hm2。其中一半為丘陵漫崗區(qū)，土壤侵蝕模數(shù)為1375 t/(km2·a)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年、2014年在紅星農(nóng)場坡耕地上的徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，采用順坡種植，按照作物種類及其種植模式不同，設(shè)置3個(gè)農(nóng)田植被處理，分別是大豆、玉米和大豆-玉米間作，2次重復(fù)。各徑流小區(qū)縱向平均坡度均為3°，長20 m，寬5 m，其邊界均設(shè)置深入地下1 m的隔板；盡量保持各個(gè)徑流小區(qū)除植被條件以外的其他自然條件基本相同。供試作物種類為大豆黑河三號，玉米德美亞1號。間作小區(qū)中央三壟植玉米，其余四壟植大豆。

1.3 測定項(xiàng)目和方法

(1)大豆、玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

在不同處理的試驗(yàn)小區(qū)分別取9個(gè)1 m×1 m采樣點(diǎn)(如圖1)，收獲時(shí)，測定各個(gè)小區(qū)植株數(shù)目，用來計(jì)算種植密度。玉米考種產(chǎn)量測算包括每株植株的穗數(shù)、粒重(g/穗)、穗長(cm)、穗粗(mm)、穗粒數(shù)(行×列)、千粒重(g)、產(chǎn)量折合成kg/hm2。大豆亦測定每株大豆分枝數(shù)、每株莢數(shù)、每株粒數(shù)、百粒重(g)，及小區(qū)總產(chǎn)量，最后折合成kg/hm2。

圖1 小區(qū)布置圖

(2)大豆、玉米生長動(dòng)態(tài)指標(biāo)

各生育期測定項(xiàng)目：株高、莖粗、莖節(jié)數(shù)、鮮重、干重(莖、葉片)、葉面積。測定方法采用，株高：大豆測定從子葉節(jié)到主莖頂芽高度，玉米植株分蘗處到穗處根部高度。莖粗：測定根莖處的直徑。莖節(jié)數(shù)：記錄子葉節(jié)開始至主莖最后一節(jié)的總節(jié)數(shù)。干物質(zhì)重：在每個(gè)生育期隨機(jī)選取3株有代表性的大豆、玉米植株，用統(tǒng)一布袋承裝放入烤箱，在105 ℃下殺青45 min，再在80 ℃下烘干至恒重。

(3)葉面積

不同生育期選取有代表性的大豆和玉米植株，分別測定每個(gè)葉片的長、寬(量取葉片的最長、最寬部位)，用下面公式求得單株葉面積：

(1)

式中：L為葉長，cm；B為葉寬，cm；K為校正系數(shù)，用求積儀實(shí)測面積，再與量取的葉面積相比求得；N為植株葉片系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米-大豆間作對生長動(dòng)態(tài)的影響

作為作物生長情況最直觀的體現(xiàn)——葉面積、株高和干物質(zhì)積累量是研究作物生長動(dòng)態(tài)的主要研究內(nèi)容[7]。這些生理指標(biāo)不但對最終產(chǎn)量有決定性的意義，而且對土壤含水量、田間耗水量、土壤侵蝕量等指標(biāo)有著直接的影響。在水土保持研究中，生長動(dòng)態(tài)一直是研究的重要組成部分，也是重要的參考數(shù)據(jù)來源。

2.1.1 玉米-大豆間作對玉米株高的影響

株高是植物的農(nóng)藝性狀之一，是指植株根莖部到頂部之間的距離。很多研究表明，株高對于作物最終產(chǎn)量[7]有著明確的正相關(guān)關(guān)系[8-9]。但是在具體的測量上，由于具體作物株高的測量方法國內(nèi)外量取方式不同，這里選用的方法是植株分蘗處到玉米穗處根部距離，用卷尺測量。選取的測量植株為CK1單作玉米小區(qū)壟邊，即靠近間作小區(qū)方向的第一壟，CK2為玉米單作小區(qū)壟內(nèi)第二排。CP1為間作小區(qū)玉米壟邊，即靠近大豆壟的第一壟玉米，CP2為間作小區(qū)內(nèi)玉米壟第二排。

圖2 2013年玉米不同生育期株高變化

由圖2可見，在玉米全生育期中的拔節(jié)期、抽雄-吐絲期株高增加十分顯著。在拔節(jié)期選取的各個(gè)生長環(huán)境的玉米株高相比苗期都增加14倍以上，其中已經(jīng)可以明顯看出間作中的CP1、CP2環(huán)境下的玉米株高增長高于單作環(huán)境下的CK1、CK2玉米株高。同樣是邊壟的CP1與CK1玉米相比，在這一時(shí)期前者株高比后者高15.2%，而同為內(nèi)壟的CP2與CK2相比，CP2也有13.5%的株高優(yōu)勢。這是由于此時(shí)玉米成長較快，而玉米比大豆在種間競爭中有著明顯的優(yōu)勢；相比單作玉米在種間資源競爭作用下，玉米根系發(fā)育會在橫向和縱向上有明顯的增加，這使得玉米對土壤水分的吸收作用有一定的提高；同期大豆也接近開花期，根系發(fā)育較快，隨之的固氮作用也對玉米的生長有著一定的幫助。抽雄-吐絲期中CP1、CP2相比CK1、CK2生育環(huán)境的玉米株高增長3.2%和3.5%。該生育期中單作玉米與間作玉米在株高特征上比例差異減少，數(shù)量差異仍然在10 cm左右。這是由于玉米單作在種內(nèi)競爭，特別是遮光效應(yīng)的體現(xiàn)中，株高開始增長較快。在最后的灌漿-乳熟生育期中，間作環(huán)境下的玉米株高比單作玉米株高平均增加3.5%。間作小區(qū)中邊壟與內(nèi)壟的玉米在株高上也有著明顯的差異，從整個(gè)生育期過程角度來講，間作邊壟株高一直相比內(nèi)壟有一定的優(yōu)勢，這是由于內(nèi)壟植株在種群競爭中屬于種內(nèi)競爭因素更多。邊壟玉米在享受種間競爭優(yōu)勢的同時(shí)，邊壟又有較高的直接光照，所以在環(huán)境資源的獲得中取得優(yōu)勢地位。而單作環(huán)境中邊壟與內(nèi)壟環(huán)境下玉米株高并沒有明顯差異。

2014年降雨量比2013年高，在植株生長高峰期降雨量比較集中。由圖3對比圖2可見，在相同發(fā)育環(huán)境下，2014年同生育期玉米株高比2013年平均增加4.5%。特別是部分玉米在生育期早期受到出苗不齊等發(fā)育問題的影響后，平均株高仍然相比2013年有一定的提高，這說明土壤水分對于玉米株高影響是明顯的。邊壟間作玉米相比邊壟單作玉米在拔節(jié)、抽雄-吐絲和灌漿-乳熟生育期株高增加19.3%、8.26%和7.25%，總體上相比同期增加量或年際環(huán)比增加量都有很大的提高。CP1環(huán)境下玉米株高仍然高于CP2。單作環(huán)境中邊壟與內(nèi)壟環(huán)境下玉米株高并沒有明顯差異。

圖3 2014年玉米不同生育期株高變化

從上述試驗(yàn)結(jié)果可見，間作對于玉米株高發(fā)育有促進(jìn)作用，在水量充沛年份增加幅度明顯。有的研究認(rèn)為，玉米株高在高密度的植株群內(nèi)會由于遮光效應(yīng)個(gè)體間競爭增加。在本試驗(yàn)表現(xiàn)的結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，玉米在和大豆的種間競爭中雖然低矮的大豆無法對玉米形成有效的遮光效應(yīng)，但是間作玉米也會相對的增加株高，從而促進(jìn)植株的發(fā)育。

2.1.2 玉米-大豆間作對大豆株高的影響

株高對于大豆來說也是影響干物質(zhì)積累和最終產(chǎn)量的重要影響因素，其中有研究表明北安地區(qū)種植大豆，滿足株高在80 cm以上，6月—8月降雨量在100 mm以上條件時(shí)，才會達(dá)到理想的產(chǎn)量[10]。并且作物的株高對控制降雨侵蝕的影響也有一定的作用。在選取測量對象時(shí)，和玉米同樣選取了間作與單作小區(qū)中內(nèi)壟和邊壟的植株。

由圖4可見，2013年降雨量水平正常，大豆的株高在每個(gè)生育期中都有明顯的增長。不同生育環(huán)境的大豆苗期株高均在8.7 cm左右，分枝期也沒有呈現(xiàn)明顯差異變化。從開花期開始間作與單作生育環(huán)境的大豆株高出現(xiàn)明顯的差異，各生育環(huán)境株高由小到大排列依次為CP1、CP2、CK2和CK1。其中單作小區(qū)內(nèi)CK1、CK2環(huán)境大豆株高沒有明顯差異，間作小區(qū)內(nèi)CP1與CP2從分枝期到鼓粒期這四個(gè)生育期內(nèi)，一直有明顯的差異。最靠近玉米的CP1環(huán)境大豆株高降低最為顯著，與CK1環(huán)境大豆相比，在開花期、結(jié)莢期和鼓粒期株高分別降低5.8%、12.76%和10.84%。具體原因在上文玉米株高中已經(jīng)分析，這里不再贅述。

圖4 2013年大豆不同生育期株高變化

在2013年生育期中遭受了罕見極端大風(fēng)天氣，單作小區(qū)部分大豆植株倒伏，幸好在不久后恢復(fù)生長，在背地性作用下株高也得以恢復(fù)。而同樣遭受大風(fēng)侵害的間作小區(qū)大豆并未有出現(xiàn)明顯的倒伏情況，間作大豆株高相對較低。

由圖5可見，2014年全年降水充沛，溫度平穩(wěn)，有利于大豆生長。由圖可見本年度大豆株高整體發(fā)育良好，單作環(huán)境大豆株高在鼓粒期甚至達(dá)到94 cm左右，其中在開花期、結(jié)莢期和鼓粒期三個(gè)生育期大豆生長最快，間作與單作環(huán)境差異也開始體現(xiàn)。間作邊壟即CP1(靠近玉米行)與單作邊壟即CK2在這三個(gè)生育期差異分別為2.87%、4.46%和6.55%。間作環(huán)境中CP1與CP2也有一定的差異，差異趨勢與2013年大豆相同。和玉米株高差異相反。

圖5 2014年大豆不同生育期株高變化

2.1.3 玉米-大豆間作對玉米莖粗的影響

相對于株高來講，不同環(huán)境下和不同年型作物的莖粗變化的絕對數(shù)值并不大，為了更好地說明間作與單作模式對玉米莖粗的影響，將不同生育環(huán)境下玉米莖粗的實(shí)測數(shù)據(jù)匯入表1。

表1 2013年玉米不同生育期莖粗變化 mm

由表1可見，單作與間作玉米均在拔節(jié)期增長最快，在拔節(jié)期之后，各耕作模式、生育環(huán)境玉米莖粗隨時(shí)間變化不大，有少量增長。拔節(jié)期后邊壟與內(nèi)壟間作玉米莖粗均高于單作玉米，而邊壟玉米由于和大豆毗鄰，獲得較多的種間優(yōu)勢資源，所以莖粗積累比內(nèi)壟玉米稍高。在整體差異性上來講，灌漿-乳熟期間作與單作玉米莖粗差異最高達(dá)到了9.3%。說明間作模式下的玉米有著更好的抗倒伏性，對最終產(chǎn)量也有積極的影響。

2014年降雨量高于2013年，各模式下玉米株高也有一定增加。由表2可見，莖粗上本年度并沒有和上一年有明顯的變化。僅在抽雄-吐絲和灌漿-乳熟兩個(gè)生育期環(huán)比有所增加，拔節(jié)期單作玉米由于之前提到的出苗率發(fā)育問題，莖粗甚至有所下降。而在間作與單作模式的對比中，仍然體現(xiàn)出在間作模式玉米莖粗積累更快，數(shù)值更大。灌漿乳熟期間作與單作玉米莖粗差異最高達(dá)到了7.8%，而相同生育環(huán)境的CP1相比CK1玉米莖粗也提高了7.1%。

表2 2014年玉米不同生育期莖粗變化 mm

2.1.4 玉米-大豆間作對大豆莖粗的影響

從表3可見，2013年間作和單作環(huán)境下的大豆莖粗在各生育期均有所增加，在鼓粒期達(dá)到最大值。間作中的CP1環(huán)境下的大豆在開花期開始莖粗已小于單作環(huán)境下的的大豆莖粗，CP2環(huán)境大豆莖粗也在結(jié)莢期開始明顯低于單作大豆。單作方式內(nèi)部大豆群落莖粗并沒有體現(xiàn)差異趨勢性。間作方式中，CP1環(huán)境下的大豆莖粗從分枝期開始已經(jīng)低于CP2環(huán)境大豆，不過數(shù)值差異不大?？傮w來講間作與單作大豆的差異性，與玉米相反。

表3 2013年大豆不同生育期莖粗變化 mm

由表4可見，2014年間作與單作模式大豆莖粗、間作內(nèi)部的邊壟與內(nèi)壟的大豆莖粗發(fā)育仍然是間作小于單作、邊壟大于內(nèi)壟的趨勢。其中CP1環(huán)境大豆莖粗小于CK1達(dá)6.5%，CP2和CK2差異也有2.3%。單作內(nèi)部的邊壟與內(nèi)壟大豆莖粗差異不大，并未體現(xiàn)趨勢性，與之前試驗(yàn)結(jié)果相同。

表4 2014年大豆不同生育期莖粗變化 mm

2.2 玉米-大豆間作對植株葉面積指數(shù)的影響

對于需要利用葉片來進(jìn)行光合、蒸騰作用的綠色植物來講，葉面積的大小直接決定了植物的干物質(zhì)積累能力，影響最終產(chǎn)量[10]，并且影響降雨對土壤的侵蝕作用。一般來講有植被覆蓋率，葉面積指數(shù)[11](LAI)，冠層表面積系數(shù)[12](CSAC)等描述方式，這里采用比較常用的葉面積指數(shù)，有利于比對和研究。表5、表6中除大豆、玉米單作外，將間作小區(qū)中的大豆、玉米葉面積指數(shù)也按照同等方法換算。

表5 2013年不同種植模式下

由表5、表6可見，2013年與2014年葉面積指數(shù)變化具有相同的變化特點(diǎn)。這里選取2014年試驗(yàn)實(shí)測資料作為葉面積指數(shù)分析數(shù)據(jù)，可見無論是間作或單作模式中玉米和大豆的葉面積指數(shù)均在生育期前半部分高速增長，即玉米的拔節(jié)期和大豆的分枝期。在這段時(shí)間里作物葉片的快速發(fā)育是為了之后光合作用積累干物質(zhì)而做準(zhǔn)備。表中可以看出單作模式中玉米葉面積指數(shù)最大值稍高于大豆，而間作模式中玉米葉面積指數(shù)遠(yuǎn)高于間作大豆，在抽雄-吐絲期(開花-結(jié)莢)達(dá)23.4%，同時(shí)也高于單作玉米11.6%。與之前分析結(jié)果相符，玉米在間作中的競爭優(yōu)勢在葉面積指數(shù)上同樣有所體現(xiàn)，同樣大豆在間作模式中的表現(xiàn)并沒有強(qiáng)于單作。即使如此，在總體葉面積指數(shù)絕對數(shù)值上，間作模式仍是高于玉米、大豆任何一種作物單作模式。

表6 2014年不同種植模式下

2.3 玉米-大豆間作對作物干物質(zhì)及產(chǎn)量的影響

干物質(zhì)是指有機(jī)體在充分干燥后留下的有機(jī)物的重量，是衡量植物有機(jī)物積累，生長發(fā)育狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。并且是測定植物蒸騰效率[13-14]和蒸騰系數(shù)[15]等指標(biāo)的基礎(chǔ)參數(shù)。表7與表8為2013年、2014年玉米與大豆不同種植模式干物質(zhì)積累對比。

表7 2013年不同種植模式下大豆、玉米

如表7、表8所示，2013年與2014年間作與單作的玉米和大豆植株在干物質(zhì)積累上具有相同的特點(diǎn)。大豆植株在開花-結(jié)莢期之前，單株植株干物質(zhì)積累較少，發(fā)展較慢。在開花結(jié)莢期之后，干物質(zhì)積累較快。而玉米從拔節(jié)期開始干物質(zhì)就有較快的積累。這是由于玉米這一時(shí)期主要干物質(zhì)分布在莖部[16]，干物質(zhì)隨著玉米株高在這一生育期的迅速增加而增加，而大豆主要的干物質(zhì)集中在葉片，這一時(shí)期大豆的葉片從數(shù)量和面積上來講還沒有充分的發(fā)育。這一時(shí)期無論間作或單作的大豆、玉米植株干物質(zhì)均增加100%以上。不同模式間作玉米干物質(zhì)積累高于單作玉米，單作大豆干物質(zhì)積累則高于間作大豆。以2014年試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)舉例：在灌漿-乳熟(鼓粒-乳熟)期間作玉米干物質(zhì)積累高于單作玉米10.8%，單作大豆比間作大豆干物質(zhì)積累高6.1%。

表8 2014年不同種植模式下大豆、玉米

作物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接經(jīng)濟(jì)效益的體現(xiàn)，是大豆種粒和玉米種粒的干物質(zhì)重量。為便于比對，這里各種植模式都換算成kg/hm2。產(chǎn)量上的關(guān)系，可以清楚的由圖6看出。間作玉米產(chǎn)量高于單作玉米，而間作大豆產(chǎn)量稍低于單作大豆。不同年份上可見2014年整體產(chǎn)量高于2013年。

圖6 不同種植模式下玉米及大豆產(chǎn)量

3 結(jié)論與討論

在天然降雨條件下，通過對玉米、大豆、玉米-大豆間作的植被生長動(dòng)態(tài)、干物質(zhì)積累、產(chǎn)量特征的分析，得出初步結(jié)論如下。

(1)間作模式對玉米和大豆植株的生長發(fā)育動(dòng)態(tài)有著顯著的影響，在間作小區(qū)大豆株高、莖粗兩種生理指標(biāo)在大部分生育期都明顯低于單作大豆。其中邊壟大豆相比內(nèi)壟大豆有著更低的生長動(dòng)態(tài)指標(biāo)。而間作對玉米生長發(fā)育的影響和大豆相反，間作小區(qū)內(nèi)的玉米在株高、莖粗兩種生理指標(biāo)上都明顯高于單作玉米。

(2)間作模式對玉米和大豆植株的葉面積指數(shù)也有顯著的影響，和單作小區(qū)相比差異明顯，在抽雄-吐絲期間作玉米葉面積指數(shù)高于單作玉米11.6%。種間對比中，同期間作玉米比間作大豆(鄰壟)高23.4%

(3)間作玉米產(chǎn)量與干物質(zhì)積累高于單作玉米，而間作大豆產(chǎn)量與干物質(zhì)積累稍低于單作大豆。不同年份上可見2014年整體產(chǎn)量高于2013年。

(4)以上結(jié)論是根據(jù)2013年與2014年實(shí)際情況得出的，而天然降雨具有一定的隨機(jī)性和不確定性，且研究時(shí)間較短。故尚需進(jìn)一步開展不同年型的試驗(yàn)研究。

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Effects of corn soybean intercropping on crop growth dynamics and yield

WU Xian1，WEI Yongxia1,2

(1.WaterConservancyandArchitectureCollege,NortheastAgriculturalUniversity，Harbin150030，China；2.KeyLaboratoryofhighefficiencyutilizationofAgriculturalWaterResourcesMinistryofAgriculture，Harbin150030，China)

t：Soybean and corn are the main crops in black soil region. In order to obtain the crop planting pattern in sloping farmland, the water and soil conservation and increasing production tests are carried out in the runoff plot of Hongxing farm in Heilongjiang province in 2013 and 2014, which located in the northeast typical black soil region. The tests include three cropping patterns, which is corn only, soybean only and soybean-corn intercropping. This paper discusses the crop growth and yield effects of the three cropping patterns only. Conclusions: The plant height and stem diameter of intercropping corn is higher than corn only, while the soybean presents an opposite rules. The dry matter accumulation and yield has the same difference.

black soil region；sloping farmland; soybean-corn intercropping; crop growth dynamics; yield

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃(2014BAD12B01)；國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)東北黑土區(qū)水土流失綜合治理項(xiàng)目

吳 限(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠赂鼐C合治理理論與技術(shù)。E-mail：750999639@qq.com

魏永霞(1961-)，女，教授，博士，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源高效利用與保護(hù)。E-mail：wyx0915@163.com

S344.2

A

2096-0506(2015)01-0019-06