玉米‖棉花的作物生理特性及根系特征研究

劉婷婷，滕元旭，楊 濤，李 斌，萬素梅，陳國棟，張 偉

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.塔里木大學(xué)植物科技學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

間作是我國傳統(tǒng)精耕細(xì)作農(nóng)業(yè)的重要組成部分。間作一方面利用科學(xué)的種植模式提高土地資源利用率，另一方面能夠緩解不同作物間爭地的矛盾。在不擴(kuò)大土地面積的前提下，間作能顯著提高糧食產(chǎn)量。與單作相比，間作小區(qū)易形成良好的農(nóng)田小氣候，不僅增加作物對光的吸收效益，還有利于作物的生長發(fā)育和提高抗旱能力，間作復(fù)合群體可增加對陽光的截取與吸收，減少光能浪費(fèi)[1]。因此，探究間作種植模式具有重要意義。西北地區(qū)是我國糧食和經(jīng)濟(jì)作物的重要生產(chǎn)基地，如果能夠?qū)?yōu)良的能源作物與高附加值經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行間作種植，將有可能在獲得大量生物資源的同時(shí)獲得經(jīng)濟(jì)作物及其深加工產(chǎn)品等高附加值產(chǎn)物[2-3]。棉花是我國的主要經(jīng)濟(jì)作物，在整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有非常重要的地位[4]。棉花與糧食及其它作物爭地的矛盾已成為制約棉花生產(chǎn)發(fā)展的重要因素之一，而棉田間套作是解決棉花與其它作物爭地矛盾的最好辦法[5]。此外，玉米是我國第二大糧食品種[6]。玉米‖棉花產(chǎn)量優(yōu)勢明顯[7],在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮著重要作用。

為此，本研究以單、間作玉米、棉花為研究對象，測定不同種植模式下各種作物生理特性及根部形態(tài)的變化,分析不同種植模式下對作物產(chǎn)量的影響，從而選出合理的種植模式，為今后不同種植模式增產(chǎn)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于新疆石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站(44°18′50″N，86°03′33″E)進(jìn)行，海拔437 m，年均日照2 680 h，無霜期160～170 d，≥10℃積溫3 693℃，年平均氣溫為6.1℃，年降雨量180～270 mm，田間持水量24%，地下水位2 m以下，平均地面坡度6%，年輻射量為5 390 MJ·m-2，為典型的半干旱類型。土壤為砂壤土，土壤有機(jī)質(zhì)11.21 g·cm-1，全氮0.74 g·kg-1、速效磷(P2O5)51.2 mg·kg-1、速效鉀(K2O)193 mg·kg-1、堿解氮61 mg·kg-1。0～20、20～40 cm土壤容重分別為1.29、1.32 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)材料

供試作物：玉米：kws3654，生育期138～140 d，中熟型品種；棉花：新陸早72號，生育期123 d，早熟型品種，株型緊湊，適宜密植。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2018年4月23日播種。以種植模式為因變量的單因素試驗(yàn)，設(shè)置單、間作兩種種植模式為對照。棉花‖玉米：寬膜2.05 m，膜面1.9 m，膜距50 cm，一膜6行(3行玉米，3行棉花)，兩邊離膜邊5 cm，株距20 cm，行距60+60+20+20+20 cm；玉米單作：寬膜2.05 m，膜面1.9 m，膜距50 cm，一膜4行，3管，等行距60 cm，兩邊離膜邊5 cm，株距20 cm。棉花單作：窄膜1.40 m，膜面1.30 m，膜距30 cm，一膜4行，行距20+60+20 cm，兩邊離膜邊15 cm，株距10 cm?；拾姿岫@20 kg·666.7m-2,尿素、鉀肥各5 kg·666.7m-2；采用滴灌方式,水表記錄，灌水頻率為7 d·次-1，每次灌水量為45 m3·666.7m-2。棉花施肥量與玉米施肥量相同，試驗(yàn)地其他管理措施一致。試驗(yàn)地四周設(shè)置保護(hù)行。兩種作物同期播種，各自成熟后收獲。

根管設(shè)置：采用CI-600進(jìn)行田間圖像采集，透明觀察管隨播種時(shí)沿水平地面45°斜角埋置于作物行間，掃描器于土壤0～20 cm和20～40 cm處各采集一次。利用WINRHIZOTRON2015a(上海澤泉有限公司，The Unitedstates)對根系圖像進(jìn)行分析，得到根系根長參數(shù)。

圖1 玉米‖棉花株行距配置示意圖Fig.1 Line spacing of maize and cotton plants

1.4 測定內(nèi)容與方法

1.4.1 作物株高測定 每個(gè)處理中隨機(jī)選取5株具有代表性的植株，用標(biāo)記卡標(biāo)記待測植株。5月29日開始測量，從地面開始到玉米葉片自然伸展時(shí)的值為株高；玉米抽雄后用卷尺測量地面到雄穗頂端的值作為株高。計(jì)算平均值并記錄，周期為15 d一次。

1.4.2 葉綠素相對含量測定 采用SPAD-502葉綠素儀測定葉綠素相對含量。在不同處理中分別選取長勢良好的6株玉米、棉花，用SPAD-502葉綠素儀測定玉米棉花功能葉的SPAD值，每個(gè)葉片測定3次，計(jì)算平均值。

1.4.3 溫、濕度測定 每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取5株植株，利用溫、濕度計(jì)分別測量不同種植模式下玉米上、中、下部及棉花上、中部溫、濕度。

1.4.4 根系測定 利用CI-600測定根系參數(shù)。透明塑料管呈45°斜角插入土中，埋置于作物行間，采集0～20 cm和20～40 cm處根系圖像，每15天采集一次。通過WINRHIZOTRON2015a對根系圖像進(jìn)行分析，得到根系圖像數(shù)據(jù)。

1.4.5 產(chǎn)量測定 調(diào)查各小區(qū)棉花實(shí)際密度，每個(gè)處理間分別收獲記產(chǎn)。每小區(qū)取樣10株考種，測定單鈴重、鈴數(shù)等產(chǎn)量性狀，單株結(jié)鈴數(shù)為以上樣本的平均單株結(jié)鈴數(shù)。

玉米產(chǎn)量測定：測定連續(xù)5株玉米的果穗，果穗經(jīng)自然風(fēng)干后，測千粒重及穗粒數(shù)。

1.4.6 土地當(dāng)量比 應(yīng)用土地當(dāng)量比(LER)作為衡量間作產(chǎn)量優(yōu)勢的指標(biāo)，計(jì)算公式為：

LER=Yia/Ysa+Yib/Ysb

式中，Yia表示作物a的間作產(chǎn)量，Ysa表示作物a的單作產(chǎn)量，Yib表示作物b的間作產(chǎn)量，Ysb表示作物b的單作產(chǎn)量；當(dāng)LER>1時(shí)，表明間作有優(yōu)勢；當(dāng)LER<1時(shí)，表明間作為劣勢[8]。

種間相對競爭能力是表示一種作物相對于另一種作物的資源競爭能力大小。

Ams=Yim/(YmsFim)-Yis/(YmsFis)

式中，Ams為玉米相對棉花的資源競爭力，F(xiàn)im、Fis分別為間作玉米、棉花所占面積比例。當(dāng)Ams>0時(shí)，表明玉米競爭能力強(qiáng)于棉花，Ams<0 時(shí)反之。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

采用Microsoft Excel 2010、Sigmaplot 12.5和SPSS軟件分析處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下玉米棉花株高的動(dòng)態(tài)變化

株高是影響棉花生長發(fā)育的重要指標(biāo)，植株高矮對棉花的株型、倒伏、光能利用率以及棉花的產(chǎn)量都有一定影響[9]。由圖2(a)可知，單、間作玉米株高變化中整體呈上升趨勢，間作玉米株高均高于單作玉米。在5月29日至7月15日期間株高快速增長，且間作增長率為43.2%，單作增長率為41.4%，間作較高于單作模式株高增長率，表明了玉米間作模式更有利于株高的增長。7月25日之后玉米株高增長緩慢甚至停止增長；由圖3(b)看出，單、間作棉花種植模式中均呈現(xiàn)“S”型曲線，在6月30日前單、間作棉花株高差異不顯著，株高前期增長較為緩慢，中期株高快速增長，后期株高達(dá)到平穩(wěn)，且單作棉花的株高較高于間作棉花。主要是由于間作環(huán)境下，玉米生長較快，對棉花有遮蔭的影響，導(dǎo)致單作棉花更具有優(yōu)勢。

2.2 不同種植模式SPAD值的動(dòng)態(tài)變化

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，葉綠素在植物體內(nèi)負(fù)責(zé)光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，功能葉片中葉綠素含量的高低直接決定了植物光合作用的強(qiáng)弱，其含量變化與光合速率的衰減有密切關(guān)系[10]。由表1看出，單、間作玉米SPAD值呈上升趨勢，但上升趨勢并不顯著，單作玉米峰值為59.28，間作玉米峰值為59.07。間作模式下玉米有更大的增長潛力。

單、間作棉花的SPAD值在7月15日差異顯著，單作棉花的峰值為55.98，間作棉花的峰值為57.77，與單作模式相比，間作棉花的SPAD值較高于單作棉花。單作模式下棉花增長率最高為1.2%，而間作種植模式下棉花的增長率最高為3.2%。由此可看出，間作改變了作物群體光能利用率，間作相對于單作有利于增加作物功能葉葉綠素含量。

2.3 不同種植模式冠層溫、濕度的變化

作物冠層溫度的高低與外界環(huán)境、作物內(nèi)部的代謝狀況及外部形態(tài)密切相關(guān)。田間空氣相對濕度是衡量土壤及植物水分虧缺的重要指標(biāo)[11]。

圖2 單、間作玉米(a)與單、間作棉花(b)株高的變化Fig.2 Change in height of intercropped and monoculture maize (a) and cotton (b)

由表2可知，間作玉米上、中、下部溫度均高于單作玉米，且具顯著差異；間作棉花中部溫度高于單作棉花，但無顯著差異；而間作棉花上部溫度顯著高于單作玉米。由此表明，間作棉花、玉米的通風(fēng)狀況比單作棉花、玉米表現(xiàn)更好。

間作玉米中、下部濕度低于單作玉米，中部濕度高于單作玉米，但均不具顯著差異；間作棉花中、上部相對濕度均大于單作棉花，但差異不顯著。由此表明，玉米‖棉花系統(tǒng)相對濕度與單作玉米或單作棉花并無明顯差異。

2.3 不同種植模式玉米根系的動(dòng)態(tài)變化

2.3.1 單、間作玉米0～20 cm土層厚度中根長的變化 根系是植物從土壤吸收水分、養(yǎng)分供給植物生長發(fā)育所需的重要途徑。由圖3可知，玉米根長隨著時(shí)間推移呈上升趨勢，在7月15日后，單、間作玉米的根長增長速率減慢。與間作相比，單作玉米在6月30日前增長速率大于間作速率，增長率分別為55.6%、55%。8月30日后，間作玉米與單作玉米根長分別為262.8、245.2 cm，呈顯著性差異。

2.3.2 單、間作玉米20～40 cm土層厚度中根長的變化 由圖4可知，在5月29日至8月30日期間，玉米根長不斷增加，總體呈“S”型增長，根長增長速率在7月28日后逐漸減慢。5月29日至6月30根長無顯著差異，間作玉米根長在生長后期大于單作玉米。

表1 單、間作玉米SPAD值的動(dòng)態(tài)變化

表2 玉米‖棉花溫濕度的變化

圖3 單、間作玉米0～20 cm土層根長的變化Fig.3 Changes of maize root length in 0 to 20 cm soil layer under monoculture and intercropping mode

圖4 單、間作玉米20～40 cm土層根長的變化Fig.4 Change of maize root length in 20 to 40 cm soil layer under monoculture and intercropping

2.4 單、間作棉花根系動(dòng)態(tài)變化

2.4.1 單、間作棉花0～20 cm土層中根長變化 由圖5可知，在0～20 cm土層中，單、間作棉花根長整體呈上升趨勢，但是單作棉花根長在7月28日前增長速率較快，之后增長速率與間作棉花趨于一致。單作棉花的根長在7月15日之前大于間作棉花，而7月15日后間作棉花根長大于單作棉花。

2.4.2 單、間作棉花20～40 cm土層中根長變化 由圖6可知，單、間作棉花的根長長度都呈現(xiàn)先快速增長，后緩慢增長的趨勢。6月30日前，間作棉花根長的增長速率低于單作棉花。在7月15日至8月30日內(nèi)，單、間作棉花根長增長緩慢，單作棉花根長大于間作棉花。單、間作棉花根長分別為238.9、246.3 cm。

2.5 單、間作產(chǎn)量變化

2.5.1 單、間作模式對棉花產(chǎn)量的影響 由表3可知，單作棉花單株平均結(jié)鈴數(shù)6個(gè)，間作棉花5個(gè)。與間作相比，單作棉花單鈴重比間作棉花高0.2 g。單作棉花產(chǎn)量比間作高17.2%。

圖5 單、間作棉花在0～20 cm土層根長的變化Fig.5 Changes of root length in 0～20 cm soil under monoculture and intercropping cotton

圖6 單、間作棉花在20～40 cm土層根長變化Fig.6 Changes of root length in 20～40 cm soil under monoculture and intercropping cotton

2.5.2 單、間作模式對玉米產(chǎn)量的影響 由表4看出，間作模式玉米平均粒數(shù)高于單作。間作玉米粒數(shù)峰值為745粒，單作玉米粒數(shù)峰值為748粒，但間作玉米平均粒重高于單作。單作玉米平均粒重為265.68 g。間作玉米平均粒重為274.1 g。

2.6 土地當(dāng)量比與作物競爭優(yōu)勢

由表5看出，間作模式下LER為1.64，大于1，說明間作優(yōu)勢明顯；間作模式下種間相對競爭力為6.01，表明玉米的競爭能力強(qiáng)于棉花。由此表明，間作可增加單位面積的作物產(chǎn)量。

3 討 論

不同種植模式對作物的株高、SPAD值、產(chǎn)量及根系長度有顯著影響。單作棉花能夠充分利用光能，光合效率高從而產(chǎn)量較高；間作模式植株種植數(shù)量較多，能充分利用空間和發(fā)揮更大的群體優(yōu)勢，但間作棉花由于玉米的遮蔭作用使生長發(fā)育延緩，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。前人研究表明，玉米‖油菜產(chǎn)量高于相應(yīng)單作，間作更具有產(chǎn)量優(yōu)勢[12]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，間作玉米較單作玉米在株高、SPAD及產(chǎn)量方面都更具優(yōu)勢，間作更加合理地利用了光熱土資源。

表3 不同種植模式棉花產(chǎn)量變化

表4 不同種植模式玉米粒重變化

表5 玉米‖棉花對土地當(dāng)量比的影響

單作棉花總體表現(xiàn)優(yōu)于間作棉花，是因?yàn)殚g作棉花受到玉米生長的影響，光合作用下降從而導(dǎo)致間作棉花株高、SPAD、產(chǎn)量都有不同程度的下降。玉米‖棉花對兩種作物的根長都有不同程度的促進(jìn)，說明間作系統(tǒng)能充分地利用地下部土壤空間；產(chǎn)量方面，單作棉花高于間作棉花，單、間作間差異顯著；間作玉米高于單作玉米，但單、間作間差異不顯著。LER=1.64，說明間作模式，具有更高的土地利用率。

4 結(jié) 論

在本研究中，不同種植模式下兩種作物功能葉的葉綠素含量較單作顯著升高，間作棉花的光照強(qiáng)度受到了明顯抑制。間作系統(tǒng)溫度低于單作，濕度高于單作，其原因可能是間作與單作時(shí)的群體結(jié)構(gòu)不同，高位作物對矮位作物有一定的遮陰作用，導(dǎo)致農(nóng)田小氣候環(huán)境條件出現(xiàn)差異，從而影響了作物葉片的光合速率和生物量；同時(shí)也說明間作系統(tǒng)中玉米的競爭能力更強(qiáng)，種間的促進(jìn)作用以犧牲矮位作物生長為代價(jià)。與單作相比，間作模式不同土層中根長明顯增加，相對發(fā)達(dá)的群體根系組成是高產(chǎn)的有力保障[13]，因此，可通過根系的互補(bǔ)作用，利用作物自身的潛力，提高間作模式的空間有效性。