陜北地區(qū)谷子大豆間作種植模式研究與效益分析

張明君, 杜 娟, 張 強(qiáng), 何小霞, 梁福琴, 鄒亞亞, 王 波, 鄧長(zhǎng)芳, 李得孝

(1.延安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，陜西 延安 716000；2. 延安市寶塔區(qū)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣服務(wù)中心，陜西 延安 716000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

作物間作種植是勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期的農(nóng)事生產(chǎn)中總結(jié)出來(lái)的智慧結(jié)晶。合理的種間間作能夠提高光能和水肥利用效率[1～3]、土地資源利用率[4]，而且兼具增產(chǎn)增效的農(nóng)業(yè)效能[5]，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程起到重要地推動(dòng)作用。陜北地區(qū)多以丘陵山地為主，可耕作土地資源少，因此，充分發(fā)揮作物的間作優(yōu)勢(shì)，選擇不同作物進(jìn)行種間搭配種植，同時(shí)構(gòu)建合理高產(chǎn)高效的作物群體田間配置方式，對(duì)提升陜北地區(qū)可耕地利用率和推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

禾本科與豆科間作是土地貧瘠地區(qū)較為普遍的種植模式，豆科作物具有良好的共生固氮作用[6]，能夠?yàn)楹瘫究谱魑锷L(zhǎng)提供更多的氮素營(yíng)養(yǎng)[7]，促進(jìn)作物群體協(xié)同生長(zhǎng)發(fā)育。前人研究表明：魯西北地區(qū)，以玉豆行比4:4間作復(fù)合群體配置優(yōu)勢(shì)明顯，玉米大豆間作群體產(chǎn)值顯著高于玉米和大豆單作，增值范圍為13.93%～22.95%[8]。宮香偉[9]研究發(fā)現(xiàn)，2行糜子、4行綠豆間作模式下的產(chǎn)量比單作增加36.8%，并具有最高的土地生產(chǎn)力和水分利用效率優(yōu)勢(shì)，適合于西北旱作區(qū)推廣應(yīng)用。薛仁風(fēng)[10]研究表明：谷子與綠豆4:2的間作模式，總體效果顯著高于2:1間作和谷子單作，經(jīng)濟(jì)效益和利潤(rùn)也最高。綜上可見(jiàn)，選擇適宜的作物進(jìn)行間作種植，并且搭配合理的田間配置，更能促進(jìn)作物群體的高產(chǎn)高效，增加農(nóng)業(yè)土地產(chǎn)出和經(jīng)濟(jì)效益。谷子是陜北地區(qū)的特色作物，常年種植面積保持在8.6萬(wàn)hm2左右[11]。大豆作為陜北傳統(tǒng)種植的作物之一，種植面積占全省總面積的69.1%[12]。隨著近年來(lái)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和國(guó)家“大豆振興計(jì)劃”的實(shí)施，陜北地區(qū)谷子和大豆的種植面積正在逐步擴(kuò)大，而在實(shí)際生產(chǎn)種植過(guò)程中，農(nóng)民多選擇將谷子和大豆進(jìn)行單作種植，谷子和大豆間作的生產(chǎn)實(shí)踐相對(duì)較少，而且前人關(guān)于谷子和大豆間作種植的研究匱乏。因此，本文主要是基于帶狀間作條件下研究谷子和大豆不同行比配置對(duì)作物農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的影響，同時(shí)比較分析不同種植模式的經(jīng)濟(jì)效益，旨在為完善陜北地區(qū)谷子和大豆的高產(chǎn)高效種植模式提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年5月-10月在延安市甘泉縣石門鎮(zhèn)南溝門村進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于北緯N39°19′，東經(jīng)E109°18′，屬于半濕潤(rùn)內(nèi)陸性季風(fēng)氣候，平均海拔1 020 m，日照時(shí)數(shù)2 478.7 h，年均降水量約526.3 mm，年平均氣溫8.6 ℃，無(wú)霜期130 d。耕地類型為旱川地，地勢(shì)平坦，土壤類型為黃綿土，土質(zhì)疏松。試驗(yàn)地前茬作物為玉米，2019年大豆生育期內(nèi)降雨量與溫度見(jiàn)圖1。

圖1 生育期內(nèi)平均氣溫及降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。根據(jù)谷子和大豆的種植行數(shù)，設(shè)9個(gè)間作處理，谷子單作(MM)、大豆單作(SS)為對(duì)照處理，每處理均設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)行長(zhǎng)6.0 m，處理具體情況見(jiàn)表1。間作模式下，谷子行距20 cm，株距8 cm，大豆行距35 cm，株距12 cm，谷豆間距30 cm，每小區(qū)2個(gè)種植帶；單作模式下，谷子行距33 cm，株距10 cm，大豆行距40 cm，株距12 cm。試驗(yàn)用谷子品種為“長(zhǎng)生07”，大豆品種為“中黃30”。4月13日，試驗(yàn)地結(jié)合旋耕畝施尿素10 kg，磷酸二銨20 kg，硫酸鉀5 kg作為底肥，7月14日分別在單作和間作谷子行間追施尿素10 kg·667 m-2。5月2日谷子、大豆同期播種，人工開(kāi)溝等距點(diǎn)播，6月10日人工中耕鋤草，試驗(yàn)期間根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行病蟲(chóng)害的防治，10月12日谷子、大豆同時(shí)人工收獲。

表1 試驗(yàn)處理

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量 成熟期時(shí)，每個(gè)小區(qū)分

別選擇10株長(zhǎng)勢(shì)一致的谷子和大豆，帶回室內(nèi)進(jìn)行考種，谷子調(diào)查株高、莖粗、穗長(zhǎng)、穗粗、單穗重、千粒重，大豆調(diào)查株高、單株有效莢數(shù)、單株粒數(shù)、每莢粒數(shù)、單株粒重、百粒重。小區(qū)剩余谷子和大豆全部收獲脫粒，然后進(jìn)行稱重計(jì)產(chǎn)。

1.3.2 土地當(dāng)量比率(LER) 作為衡量土地利用效率的指標(biāo)。LER(谷子/大豆)=YP/YM；LER= LER(谷子)+ LER(大豆)；式中，LER(谷子)、LER(大豆)分別為谷子和大豆的相對(duì)土地當(dāng)量比，YP為單位面積間作作物產(chǎn)量，YM為單位面積單作作物產(chǎn)量。LER>1，表明間作具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)；LER<1，表明間作無(wú)產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft WPS 2016軟件處理數(shù)據(jù)和制圖，SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性采用Ducan法，顯著水平設(shè)置為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間作處理下的土地當(dāng)量比(LER)

如圖2所示，不同行比下谷子大豆間作的土地當(dāng)量比(LER)均大于1，這說(shuō)明谷豆間作種植較兩種作物單作優(yōu)勢(shì)明顯。谷子和大豆單作種植時(shí)，要想獲得與兩種作物間作時(shí)的同等產(chǎn)量，在同類田塊上兩作物單作所需種植面積之和為間作的1.23～1.43倍，谷豆間作種植較單作土地利用效率提高了23.0%～43.0%。整體而言，谷子間作4行區(qū)處理的LER高于谷子間作3行區(qū)和間作2行區(qū)處理，這說(shuō)明在谷豆間作條件下，谷子4行種植具有更顯著間作優(yōu)勢(shì)，其中T8處理的LER最高，顯著高于谷子間作2行區(qū)處理，以及T5、T6處理，而谷子間作4行區(qū)各處理間LER差異不顯著。

圖2 不同間作處理下的土地當(dāng)量比

2.2 不同處理對(duì)谷子和大豆產(chǎn)量的影響

不同的種植模式及行比配置對(duì)谷子產(chǎn)量有顯著的影響(圖3)。谷子單作模式下，產(chǎn)量為3 285.39 kg·hm-2，顯著高于除T7外的其他間作處理。谷豆間作模式下，隨著谷子種植行數(shù)的增加，谷子的產(chǎn)量逐漸升高，間作2行、3行、4行各處理平均產(chǎn)量分別為1 992.70 kg·hm-2、2 434.57 kg·hm-2、2 762.07 kg·hm-2。不同的間作處理中，在谷子種植行數(shù)相同的情況下，隨著大豆行數(shù)的增加，谷子的產(chǎn)量呈逐漸下降的趨勢(shì)，間作處理中以T7的產(chǎn)量最高為3 172.06 kg·hm-2，T7處理較之其他處理產(chǎn)量提高了7.53%～92.89%。T8處理產(chǎn)量為2 798.11 kg·hm-2，較T7處理顯著下降了13.36%，但仍顯著高于其他處理。

圖3 不同種植模式下的谷子產(chǎn)量

與谷子相似，不同的種植模式及行比配置對(duì)大豆的產(chǎn)量也有顯著影響(圖4)。單作大豆的產(chǎn)量為2 375.01 kg·hm-2，顯著高于其他間作處理。在間作模式下，當(dāng)大豆種植行數(shù)相同時(shí)，大豆產(chǎn)量隨著谷子種植行數(shù)的增加逐漸下降，而大豆間作行數(shù)增加時(shí)，大豆產(chǎn)量呈上升的趨勢(shì)，平均產(chǎn)量由1 193.50 kg·hm-2上升到1 610.22 kg·hm-2。不同的間作處理中，T3處理產(chǎn)量最高為1 771.78 kg·hm-2，顯著高于其他處理，較T7和T8處理分別增加了79.75%和28.92%。

圖4 不同種植模式下的大豆產(chǎn)量

間作種植模式下的混合產(chǎn)量高于任一單作的產(chǎn)量才能表現(xiàn)出增產(chǎn)效應(yīng)。從圖5可以看出，不同的間作處理的混合產(chǎn)量均高于單作大豆產(chǎn)量，但與單作谷子相比有增有減，T1、T2、T4、T8處理混合產(chǎn)量均高于單作谷子產(chǎn)量。在不同的間作處理中，T8處理產(chǎn)量最高為4 172.4 kg·hm-2，顯著高于其他處理，產(chǎn)量增幅為3.21%～12.96%。圖6表明，谷子和大豆分配的種植空間比例不同，間作系統(tǒng)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率也不同。T8處理系統(tǒng)產(chǎn)量最高，谷子和大豆的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率分別為56.76%和43.24%，所以在谷子大豆間作模式中，谷子產(chǎn)量對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)量起主導(dǎo)作用，首先要增大谷子單位種植面積，使其產(chǎn)量處在較高水平，進(jìn)而適當(dāng)改變大豆的種植空間，才能保證間作增產(chǎn)。

圖5 不同間作處理的混合產(chǎn)量

圖6 間作系統(tǒng)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率

2.3 不同處理對(duì)谷子和大豆產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

谷子和大豆在單作、間作模式下種植，群體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)一步影響植株個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育。表3為不同處理下谷子的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成因子，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：隨著谷子間作行數(shù)的增加，谷子株高、莖粗、穗粗呈逐漸下降趨勢(shì)；穗長(zhǎng)和單穗重呈逐漸上升趨勢(shì)；各處理間谷子的千粒重變化不大，差異不顯著。與谷子單作相比，谷子間作4行處理的株高、莖粗、穗粗分別降低2.6%～3.4%、3.5%～7.6%、4.4%～9.9%，但穗長(zhǎng)增加了3.3%～9.3%，單穗重顯著增加了5.4%～6.5%。谷子間作4行處理與間作2行處理相比，穗長(zhǎng)和單穗重平均增加12.2%和3.6%，其他性狀指標(biāo)有所降低。這說(shuō)明，谷子間作種植能充分發(fā)揮其邊際優(yōu)勢(shì)，不同間作行所改變的谷子產(chǎn)量構(gòu)成因子不同。

表3 不同處理下大豆農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成因素

表4是不同處理下大豆的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成因子。大豆和谷子間作種植后，與單作大豆相比，整體上株高增加1.2～7.2 cm，百粒重增加0.6～3.4 g，每莢粒數(shù)減少0.1～0.6個(gè)，其他指標(biāo)單、間作處理間差異明顯。在間作處理中，T8處理株高最高，顯著高于單作處理；單株有效莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重隨谷子間作行數(shù)的增加呈先減后增的趨勢(shì)，各處理中均是T8處理表現(xiàn)最優(yōu)，分別較單作增加7.7個(gè)、5.7粒、3.1g，處理間差異顯著。大豆作為間作系統(tǒng)中的劣勢(shì)作物，受谷子營(yíng)造的生長(zhǎng)環(huán)境影響較大，就本研究中對(duì)大豆生長(zhǎng)優(yōu)劣性而言，谷子間作2行處理>谷子間作4行處理>谷子間作3行處理。

表2 不同處理下谷子農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成因素

2.4 不同種植模式的經(jīng)濟(jì)效益比較

生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益是選擇最優(yōu)種植模式的重要考量依據(jù)。由表4可知，在筆者試驗(yàn)中，各間作處理的生產(chǎn)成本處于1 841.7～3 016.5元·hm-2之間，低于谷子和大豆單作的生產(chǎn)方式；而在總產(chǎn)值方面，單作大豆的產(chǎn)值最低，與谷子單作相比，除T2、T3、T6處理外，其他間作處理的產(chǎn)值均高于谷子單作，這說(shuō)明合理的谷豆間作種植能夠減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入，增加產(chǎn)出。綜合比較各間作處理，T7處理較谷子和大豆單作經(jīng)濟(jì)效益增加5 430.9元·hm-2和16 673.2元·hm-2，是本試驗(yàn)最佳谷豆間作種植模式。

表4 不同種植模式的成本與效益比較 (元·hm-2)

3 討論

作物間套作種植是一種集約利用生產(chǎn)空間，高效種植的模式，能夠提高復(fù)種指數(shù)和資源利用效率，促進(jìn)單位面積產(chǎn)量提高和經(jīng)濟(jì)效益的增加[13]。在筆者研究中，帶狀間作與單作相比雖然在一定程度上降低了谷子和大豆的產(chǎn)量，但提高了土地當(dāng)量比(LER)和作物群體產(chǎn)量，增加了單位面積農(nóng)田產(chǎn)出和經(jīng)濟(jì)效益。與前人的研究結(jié)果有所不同，谷子間作種植增產(chǎn)效果顯著，而與其間作的作物有一定減產(chǎn)[14]，這可能與本研究選擇帶狀間作種植進(jìn)而改變了谷子株行距配置，使得未能充分發(fā)揮谷子的邊行優(yōu)勢(shì)。此外，在不同行比配置的間作處理中，谷子4行區(qū)種植處理的作物群體產(chǎn)量高于2、3行區(qū)處理，其中谷豆行比為4:3處理的群體產(chǎn)量和土地當(dāng)量比均最高，但與行比4:2相比處理間差異不顯著，谷豆行比4:2處理的產(chǎn)值最高，經(jīng)濟(jì)效益最大。這與前人在谷子和綠豆不同行比間作中的研究結(jié)果較為一致[10]。因此，研究認(rèn)為，在陜北地區(qū)谷子和大豆更適宜以4行谷子間作2行大豆的方式種植。

作物的農(nóng)藝性狀受到品種、水肥條件、種植方式、田間管理措施等一系列因素的影響，是作物產(chǎn)量形成以及能否實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。相關(guān)研究表明，禾本科與豆科作物間作時(shí)，間作系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)作物的株高、莖粗、穗長(zhǎng)、干物質(zhì)積累有所增加[15]，劣勢(shì)作物的株高、有效莢數(shù)、單株粒數(shù)等相關(guān)產(chǎn)量因子指標(biāo)有所下降[16]。在本研究中，谷子的農(nóng)藝性狀指標(biāo)與帶狀間作行數(shù)關(guān)系密切，間作行數(shù)增加，會(huì)引起谷子株高、莖粗、穗粗下降，但穗長(zhǎng)和單穗重有所增加，這可能與谷子品種以及種植方式改變后植株內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分配有關(guān)。與單作相比，間作大豆的株高和百粒重增加，每莢粒數(shù)減少，其他指標(biāo)數(shù)值升降不一，這主要是因?yàn)樵诠榷归g作系統(tǒng)中，大豆的生長(zhǎng)發(fā)育受到谷子提供的蔭蔽環(huán)境影響，自身出現(xiàn)避蔭反應(yīng)，表現(xiàn)為主莖明顯伸長(zhǎng)，植株生物量下降[17]。綜合比較各間作處理，4行谷子與2行或3行大豆帶狀間作對(duì)作物自身生長(zhǎng)發(fā)育影響程度最小，能夠?yàn)楣茸雍痛蠖股L(zhǎng)創(chuàng)造有利的田間環(huán)境。

4 結(jié)論

本研究認(rèn)為，谷子和大豆帶狀間作種植降低了作物單位面積產(chǎn)量，提高了農(nóng)田綜合產(chǎn)出和經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了土地資源的高效利用。其中，4行谷子與2行大豆以1.55 m的帶幅間作種植，是本試驗(yàn)條件下的最優(yōu)處理。但是否有更好的間作條件下田間配置方式和品種組合搭配，還有待進(jìn)一步研究探索。