玉米大豆不同間作系統(tǒng)光合特性與產(chǎn)量邊際效應(yīng)

崔文芳 秦德志 陳 靜 劉 劍 嚴(yán)海鷗 秦 麗

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 包頭 014109)

0 引言

加強(qiáng)間作種植技術(shù)的研究和知識(shí)儲(chǔ)備符合國(guó)家“藏糧于地,藏糧于技”的糧食戰(zhàn)略[1]。間作作物間存在的競(jìng)爭(zhēng)與互補(bǔ)作用是間作優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的重要決定因素。前人研究表明,禾本科作物相對(duì)于豆科作物表現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[2],而不同的作物搭配種植及行距變化均會(huì)影響作物種間作用。WANG等[3]研究表明,玉米間作花生行比為2∶4(2行玉米4行大豆)時(shí),可以放大玉米的正邊際效應(yīng),緩解花生的負(fù)邊際效應(yīng),并且此模式下寬2 m的花生帶,有利于小型收獲機(jī)進(jìn)行機(jī)械操作,被認(rèn)為是適宜的田間配置模式。WANG等[4]研究表明,當(dāng)糯高粱與大豆行比為2∶1時(shí),光環(huán)境較優(yōu),土地當(dāng)量比和經(jīng)濟(jì)效益均為最高,但該模式下大豆帶僅寬1.2 m,不利于機(jī)械化收獲;YANG等[5]對(duì)甘蔗間作大豆系統(tǒng)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)大豆比甘蔗更有競(jìng)爭(zhēng)力,間作大豆比單作種植長(zhǎng)勢(shì)更優(yōu),各間作模式土地當(dāng)量比均大于1,表現(xiàn)出間作優(yōu)勢(shì);任家兵等[6]研究了不同施氮水平下小麥蠶豆種間作用,結(jié)果表明,間作模式可有效降低低氮水平下的種間競(jìng)爭(zhēng),間作小麥則表現(xiàn)出明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和互利效應(yīng);趙建華等[7]對(duì)玉米大豆間作系統(tǒng)進(jìn)行研究,結(jié)果表明,玉米競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于大豆,當(dāng)玉米種植行距為45 cm時(shí)有利于作物增產(chǎn)。綜上可知,不同作物間進(jìn)行合理配置,能夠發(fā)揮間作優(yōu)勢(shì),且種間優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)不同,而小行比間作系統(tǒng)邊際效應(yīng)更顯著。

關(guān)于玉米大豆不同種植模式的光合特性研究也存在不同意見(jiàn),徐延輝等[8]研究認(rèn)為,玉米大豆行比2∶4間作模式中,大豆光合生理指標(biāo)和產(chǎn)量均有所下降,但提高了玉米凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、水分利用效率。李易玲等[9]研究認(rèn)為,減量施氮下,玉米大豆套作顯著延長(zhǎng)了葉片的持綠期;花后葉片的光合速率、PSⅡ光合機(jī)構(gòu)功能、葉綠素含量都保持在較高的水平且比單作穩(wěn)定,充分發(fā)揮了玉米的生產(chǎn)潛力并增加了大豆產(chǎn)量,使套作系統(tǒng)總產(chǎn)量顯著提高。這表明通過(guò)作物群體的合理配置,能夠?qū)崿F(xiàn)玉米和大豆在時(shí)間和空間上的互補(bǔ),增加光合資源的有效利用,保證復(fù)合種植的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。前人在間套作種間作用關(guān)系方面已有諸多報(bào)道,但基于北方旱地滴灌條件下,玉米大豆間作系統(tǒng)因帶寬、行比配置不同引起的種間作用力、邊際效應(yīng)變化對(duì)作物產(chǎn)量影響研究較少。

河套灌區(qū)是內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的糧油基地,也是黃河流域水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一,其中糧食主產(chǎn)區(qū)河套平原是黃河上中游地區(qū)的主要耗水區(qū)域,農(nóng)業(yè)灌溉用水占81.36%[10],地表水資源開(kāi)發(fā)已接近極限,農(nóng)業(yè)節(jié)水措施單一化、低效化,耗水量巨大。與黃河水漫灌相比,采用滴灌水肥一體化技術(shù),至少可節(jié)省50%灌水量和30%化肥用量[11],可有效提高水肥利用效率。

隨著玉米大豆間作種植已全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化,我國(guó)開(kāi)始在黃淮海、西北、西南地區(qū)大力推廣玉米大豆帶狀復(fù)合種植,多措并施擴(kuò)面積、提產(chǎn)量,推廣水肥一體化技術(shù)。賈彪等[12]認(rèn)為,調(diào)控滴灌玉米最佳施氮量,可提高滴灌玉米光合能力,進(jìn)而提高產(chǎn)量。本文針對(duì)河套灌區(qū)長(zhǎng)期大水漫灌、耕地結(jié)構(gòu)變差的現(xiàn)狀,在滴灌條件下實(shí)施玉米大豆間作技術(shù),系統(tǒng)研究不同行比下玉米和大豆的邊際效應(yīng),結(jié)合作物葉綠素積累和光合特性表現(xiàn),篩選該區(qū)域適宜的玉米大豆間作技術(shù)模式,以改善土壤結(jié)構(gòu),保證間作技術(shù)產(chǎn)量的穩(wěn)定性,為河套灌區(qū)發(fā)展高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的玉米大豆間作技術(shù),實(shí)現(xiàn)水肥資源高效利用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)田概況

試驗(yàn)于2022年4—10月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)敕勒川農(nóng)業(yè)博覽園(包頭市土默特右旗薩拉齊鎮(zhèn)北只圖村,110°14′E,40°14′N)進(jìn)行。該地區(qū)屬大陸性半干旱季風(fēng)氣候,多年平均降水量400～500 mm,多年平均氣溫6.9℃,無(wú)霜期135 d左右。試驗(yàn)地前茬為百合花,土質(zhì)為壤土,土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比24.65 g/kg,堿解氮質(zhì)量比41.56 mg/kg,速效磷質(zhì)量比8.19 mg/kg,速效鉀質(zhì)量比74.98 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

玉米品種選用真金308,株型為半緊湊型,株高271～286 cm,具有耐密、抗倒、宜機(jī)收等特點(diǎn),由內(nèi)蒙古真金種業(yè)有限公司提供。大豆品種選用中黃30,有限生長(zhǎng)類型,平均株高70.1 cm,結(jié)莢高度15.0 cm,單株有效莢62.8個(gè),單株粒數(shù)137.7個(gè),單株粒質(zhì)量25.3 g,百粒質(zhì)量19.0 g,不裂莢,由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所選育。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置玉米與大豆行比2∶3、2∶4、4∶3、4∶4間作及玉米、大豆單作模式,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)間作及單作玉米(CKM)、單作大豆(CKS),采用隨機(jī)區(qū)組排列,6種模式,3次重復(fù),共18個(gè)小區(qū),小區(qū)面積 5 m×4.6 m。玉米大豆于5月7日同期播種,各模式的磷鉀肥施用量一致,磷肥為105 kg/hm2P2O5(磷酸二銨),鉀肥為45 kg/hm2K2O(硫酸鉀),均作為底肥施入,于播種前將肥料均勻撒于地表,再翻入耕層10 cm左右。大豆開(kāi)溝施種肥,純氮(尿素)45 kg/hm2,玉米氮肥(尿素)在拔節(jié)期、大喇叭口期按3∶7追施,隨水滴灌水肥一體化追施。玉米于5月19日出苗,大豆5月22日出苗,玉米于6月25日追拔節(jié)肥、灌第1水,7月13日大喇叭口期追肥、灌第2水(玉米大豆同時(shí)進(jìn)行滴灌),7月27日開(kāi)花期灌第3水,8月9日灌第4水(玉米大豆同時(shí)進(jìn)行滴灌),灌水總量為300 m3/hm2,9月25日收獲。

間作模式中,玉米帶和大豆帶相鄰各行依次記為邊行,位于中間的植株行記為中行。T2∶3、T2∶4、T4∶3、T4∶4模式中,玉米種植面積占比分別為45.0%、40.0%、60.0%、53.0%,大豆種植面積占比分別為55.0%、60.0%、40.0%、47.0%。玉米大豆同期播種,采用穴播方式,玉米和大豆的間距均為60 cm,各種植模式的株行距、帶寬等見(jiàn)表1。試驗(yàn)小區(qū)種植為南北行向,按照玉米大豆自西向東依次排列,保證大豆的光照條件。

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

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

于玉米大喇叭口期(V12)、吐絲期(R1)和灌漿期(R3),大豆的分枝期(V4)、盛花期(R2)、鼓粒期(R5),應(yīng)用便攜式光合熒光測(cè)量系統(tǒng)(GFS-3000型)和SPAD測(cè)定儀分別測(cè)定光合特性指標(biāo)(蒸騰速率Tr、氣孔導(dǎo)度Gs、凈光合速率Pn、胞間CO2濃度Ci)、葉綠素SPAD及葉片氮質(zhì)量比。T2∶3、T2∶4模式,玉米大喇叭口期(V12),邊行植株選擇最新展開(kāi)葉,吐絲期(R1)和成熟期(R3)選擇穗位葉測(cè)定光合特性、葉綠素SPAD和葉片氮質(zhì)量比,T4∶3、T4∶4模式對(duì)邊行和中行植株分別測(cè)定;間作模式大豆的邊行和中行選擇頂部成熟的三出復(fù)葉分別進(jìn)行測(cè)定,選擇晴天的上午對(duì)玉米與大豆同時(shí)測(cè)定。

測(cè)產(chǎn):每小區(qū)選取無(wú)缺苗斷壟且長(zhǎng)勢(shì)整齊的兩行玉米,計(jì)數(shù)有效穗數(shù),去掉兩端植株,兩行中各連續(xù)取5穗收獲,待果穗風(fēng)干后考種,逐穗測(cè)定穗粒數(shù)后全部脫粒,測(cè)定百粒質(zhì)量、含水率,并計(jì)算籽粒產(chǎn)量,折算成含水率14%的產(chǎn)量。間作T2∶3、T2∶4模式大豆按照帶寬進(jìn)行測(cè)產(chǎn),量取長(zhǎng)度1m的帶寬,將其中大豆植株帶回實(shí)驗(yàn)室,風(fēng)干后測(cè)定單位面積產(chǎn)量,并折算成含水率12%的產(chǎn)量,T4∶3、T4∶3模式邊行和中行分別整行收獲計(jì)產(chǎn)。

1.5 計(jì)算方法

土地當(dāng)量比(LER)是衡量產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)的指標(biāo),計(jì)算式為

LER=LERM+LERS

(1)

其中

LERM=YIM/YSM

(2)

LERS=YIS/YSS

(3)

式中YIM、YIS——間作內(nèi)玉米、大豆產(chǎn)量,kg/hm2

YSM、YSS——單作玉米、單作大豆產(chǎn)量,kg/hm2

LERM、LERS——玉米、大豆土地當(dāng)量比

當(dāng)LER>1為間作優(yōu)勢(shì),當(dāng)LER<1為間作劣勢(shì)。

相對(duì)擁擠系數(shù)K是衡量間作中一個(gè)作物相對(duì)另一作物競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的指標(biāo)[2],計(jì)算式為

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、大豆的相對(duì)擁擠系數(shù)

ZIM、ZIS——玉米、大豆在間作體系中的種植比例

LM——玉米行距,cm

LS——大豆行距,cm

LMS——玉豆間距,cm

L——帶寬,cm

當(dāng)KM>KS時(shí),玉米大豆間作系統(tǒng)中玉米競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng);KM

侵占力A表征一種間作作物相對(duì)產(chǎn)量增長(zhǎng)大于另一種間作作物產(chǎn)量增長(zhǎng)的程度,計(jì)算式為

AM=YIMZIM/YSM-YISZIS/YSS

(9)

AS=YISZIS/YSS-YIMZIM/YSM

(10)

式中AM——間作玉米侵占力

AS——間作大豆侵占力

若AM=AS,表明這兩種作物的競(jìng)爭(zhēng)力相同;AM>0,表示玉米占據(jù)優(yōu)勢(shì);AM<0,表示大豆占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

競(jìng)爭(zhēng)比率(CR)是評(píng)價(jià)物種之間競(jìng)爭(zhēng)的一種指標(biāo),計(jì)算式為

CRM=(LERMZIM/LERS)/ZIS

(11)

CRS=(LERSZIS/LERM)/ZIM

(12)

式中CRM、CRS——玉米、大豆的競(jìng)爭(zhēng)比率

當(dāng)CRM>1,間作體系中玉米競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于大豆;CRM<1,間作體系中玉米競(jìng)爭(zhēng)能力不及大豆。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,用DPS 10.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米大豆間作不同帶寬、行比配置模式葉綠素SPAD及氮質(zhì)量比的邊際效應(yīng)

對(duì)不同種植模式玉米各時(shí)期葉綠素SPAD分析(表2),葉片葉綠素SPAD總體表現(xiàn)為大喇叭口期達(dá)到峰值,之后逐漸下降,吐絲期進(jìn)入低谷階段,進(jìn)入灌漿期又表現(xiàn)一個(gè)小高峰,但此時(shí),間作T2∶3模式的小高峰與單作(CKM)差異不顯著(P>0.05),顯著高于其它模式(P<0.05),這可能由于間作T2∶3模式中,2行玉米、3行大豆,帶寬2.2 m,2行玉米均處于邊行,每個(gè)帶寬中田間通風(fēng)透光良好,利于葉綠素的合成和積累,且能夠有效抑制植株后期葉綠素的降解而維持較高的水平,利于延長(zhǎng)葉片光合功能期,防止早衰。

表2 不同間作模式玉米葉綠素SPAD及氮質(zhì)量比的邊際效應(yīng)Tab.2 Marginal effect of chlorophyll SPAD and nitrogen content of maize under different intercropping modes

5種種植模式中,大喇叭口期,葉綠素SPAD由大到小依次為T(mén)4∶4邊、CKM、T2∶3、T2∶4、T4∶3邊、T4∶4中、T4∶3中,其中,CKM、T2∶3、T2∶4與T4∶4邊差異不顯著(P>0.05),均顯著高于T4∶3、T4∶4中行(P<0.05),T2∶3較單作僅下降0.91%;吐絲期,CKM、T2∶4、T4∶3、T4∶4邊差異均不顯著(P>0.05),但均顯著高于T2∶3、T4∶4中(P<0.05),T2∶3顯著低于單作23.02%(P<0.05);灌漿期,葉綠素SPAD由大到小依次為T(mén)2∶3、CKM、T2∶4、T4∶4邊、T4∶3邊、T4∶4中、T4∶3中,其中,單作與間作T2∶3模式顯著高于其它模式(P<0.05),T2∶3較CKM提高5.09%,到此時(shí)期,間作T2∶3模式玉米葉片葉綠素的合成與積累對(duì)田間小環(huán)境具有明顯的響應(yīng)效應(yīng),這表明,2行玉米、3行大豆,帶寬2.2 m,田間通風(fēng)透光良好,利于葉綠素的合成和積累,且能夠有效抑制植株后期葉綠素的降解而穩(wěn)定保持較高的水平,利于延長(zhǎng)葉片光合功能期,防止早衰。

不同種植模式玉米葉片氮質(zhì)量比具有類似表現(xiàn),大喇叭口期,葉片氮質(zhì)量比由大到小依次為CKM、T2∶4、T2∶3、T4∶4邊、T4∶3邊、T4∶4中、T4∶3中,其中,CKM、T2∶3、T2∶4、T4∶4邊模式間差異不顯著(P>0.05),但均顯著高于T4∶3、T4∶4中(P<0.05),T2∶3、T2∶4較CKM僅下降5.07%、1.92%;吐絲期,CKM、T2∶4、T4∶3邊、T4∶4邊差異不顯著(P>0.05),但均顯著高于T2∶3、T4∶3中、T4∶4中(P<0.05);灌漿期,葉片氮質(zhì)量比由大到小依次為T(mén)2∶3、CKM、T4∶4邊、T4∶3邊、T2∶4、T4∶4中、T4∶3中,其中,CKM、T2∶3、T4∶4邊差異不顯著,均顯著高于T2∶4、T4∶3、T4∶4中(P<0.05),T2∶3較CKM提高5.17%。

以T4∶4模式為例,大喇叭口期、吐絲期的葉綠素SPAD及吐絲期、灌漿期的氮質(zhì)量比均表現(xiàn)為邊行高于中行,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),邊行分別高于中行18.09%、32.61%、33.44%、3.80%,灌漿期的葉綠素和大喇叭口期的氮質(zhì)量比雖然未達(dá)到顯著差異,但仍為邊行優(yōu)于中行,這說(shuō)明,間作對(duì)高稈作物玉米具有明顯的邊際效應(yīng)。

對(duì)不同種植模式大豆各時(shí)期葉綠素SPAD分析(表3),大豆葉片葉綠素SPAD均在開(kāi)花期達(dá)到峰值,于開(kāi)花期之后開(kāi)始逐漸下降,結(jié)莢期進(jìn)入低谷階段,進(jìn)入鼓粒期又表現(xiàn)一個(gè)小高峰,這可能與鼓粒期大豆根瘤的固氮作用逐漸增強(qiáng)有關(guān),T2∶3在開(kāi)花期顯著低于CKS,到結(jié)莢期、鼓粒期與CKS已無(wú)顯著差異,經(jīng)歷了結(jié)莢的低谷期,在鼓粒期均保持較高的葉綠素SPAD。5種種植模式,開(kāi)花期,葉綠素SPAD由大到小依次為CKS、T2∶4、T4∶4、T4∶3、T2∶3,其中,T2∶3顯著低于單作(P<0.05),較CKS降低27.23%,均顯著低于T4∶4、T4∶3、T2∶4間作模式(P<0.05),且該生育時(shí)期各間作模式的邊行較中行未表現(xiàn)出明顯的邊際效應(yīng);結(jié)莢期,T2∶4邊行植株葉片葉綠素SPAD最高,與T2∶4中、T4∶3、T4∶4模式差異不顯著(P>0.05),顯著高于CKS、T2∶3模式(P<0.05),T2∶3與單作差異不顯著(P>0.05),較CKS提高2.32%;鼓粒期,葉綠素SPAD由大到小依次為T(mén)2∶3、T2∶4、T4∶4、CKS、T4∶3,其中,CKS、T2∶3、T2∶4、T4∶4模式顯著高于T4∶3模式(P<0.05),這可能與T4∶3模式中4行玉米的幅寬已經(jīng)較寬,對(duì)大豆的遮光作用比較顯著,3行大豆幅寬較窄,空間所限及光照不足,限制了大豆葉片葉綠素的合成與積累,導(dǎo)致該模式在開(kāi)花期和鼓粒期兩個(gè)小高峰,葉綠素SPAD的峰值均較低。T2∶3與CKS差異不顯著,較單作提高5.11%。

表3 不同間作模式大豆葉綠素SPAD和氮質(zhì)量比的邊際效應(yīng)Tab.3 Marginal effects of chlorophyll SPAD and nitrogen content in soybean under different intercropping modes

不同種植模式大豆葉片氮質(zhì)量比具有類似表現(xiàn),開(kāi)花期之后開(kāi)始逐漸下降,結(jié)莢期進(jìn)入低谷階段,進(jìn)入鼓粒期又表現(xiàn)一個(gè)小高峰。開(kāi)花期,氮質(zhì)量比由大到小依次為CKS、T2∶4、T4∶4、T4∶3、T2∶3,其中,單作與間作T2∶4模式間差異不顯著(P>0.05),但均顯著高于T2∶3、T4∶3、T4∶4(P<0.05),T2∶3較CKS顯著降低35.16%(P<0.05);結(jié)莢期,T2∶4、T4∶3、T4∶4中差異不顯著(P>0.05),但均顯著高于CKS、T2∶3、T4∶4邊(P<0.05),T2∶3與CKS差異不顯著,較CKS提高2.34%;鼓粒期,該時(shí)期的氮質(zhì)量比與葉綠素SPAD表現(xiàn)相同,由大到小依次為T(mén)2∶3、T2∶4、T4∶4、CKS、T4∶3,其中,CKS、T2∶3、T2∶4、T4∶4模式間差異不顯著(P>0.05),均顯著高于T4∶3(P<0.05),T2∶3與CKS差異不顯著(P>0.05),較CKS提高5.77%。

4個(gè)間作模式,大豆與玉米不同,大豆在間作中均未表現(xiàn)出明顯的邊際效應(yīng),但葉片葉綠素SPAD和氮質(zhì)量比均在結(jié)莢期表現(xiàn)低谷,開(kāi)花期和鼓粒期出現(xiàn)小高峰,這可能與大豆鼓粒期根瘤固氮作用增強(qiáng)有關(guān),T4∶3模式表現(xiàn)不佳。

2.2 玉米大豆間作不同帶寬、行比配置模式光合特性的邊際效應(yīng)

對(duì)不同種植模式玉米各時(shí)期光合特性指標(biāo)進(jìn)行分析(表4),基本表現(xiàn)為各模式Pn從大喇叭口期到吐絲期逐漸升高,吐絲期達(dá)到峰值,此時(shí)T2∶3與CKM差異不顯著(P>0.05),持續(xù)到灌漿期,T2∶3的Pn緩慢下降,其它模式均急劇下降。5種種植模式中,大喇叭口期,T4∶4邊、T2∶4、T2∶3模式的Gs、Pn顯著高于CKM(P<0.05),而T2∶3也因Pn顯著低于CKM,使Ci顯著高于CKM,模式間Pn由大到小依次為T(mén)2∶4、CKM、T4∶4邊、T4∶3中、T4∶4中、T4∶3邊、T2∶3,此時(shí)單作與間作的光合特性未表現(xiàn)顯著優(yōu)勢(shì);吐絲期,CKM、T2∶3、T2∶4、T4∶4邊的Tr、Gs、Pn模式間差異不顯著(P>0.05),均顯著高于T4∶3、T4∶4 中(P<0.05),模式間Pn表現(xiàn)由大到小依次為T(mén)2∶3、CKM、T4∶4邊、T2∶4、T4∶3邊、T4∶3中、T4∶4中,其中,T2∶3的Pn最高,達(dá)到35.77 μmol/(m2·s),較CKM、T4∶4邊、T2∶4提高35.70%、51.06%、105.57%,因光合消耗使T2∶3、T4∶4邊的Ci顯著低于其它模式;灌漿期,T4∶3邊、T2∶3的Tr、Gs、Pn模式間差異不顯著,均顯著高于T4∶4(P<0.05),模式間Pn由大到小依次為T(mén)4∶3邊、T2∶3、T2∶4、T4∶4邊、T4∶3中、CKM、T4∶4中,其中,T4∶3邊的Pn最高,達(dá)到43.20 μmol/(m2·s),較T2∶3提高26.69%,兩個(gè)模式間差異不顯著(P>0.05),但顯著高于其它模式(P<0.05),此時(shí)單作玉米的Pn已明顯低于T2∶3,Ci積累量增加,說(shuō)明單作玉米從吐絲期到灌漿期的光合能力較T2∶3已明顯減弱,而此時(shí),T2∶3的Pn僅從35.77 μmol/(m2·s)下降到34.10 μmol/(m2·s)。說(shuō)明間作T2∶3模式有利于玉米后期保持較高的光合功能期。

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

同時(shí)以T4∶4模式為例,大喇叭口期、吐絲期、灌漿期的Tr、Gs、Pn均表現(xiàn)為邊行優(yōu)于中行,且達(dá)到顯著水平(P<0.05),大喇叭口期邊行分別高于中行30.30%、71.64%、17.50%,吐絲期邊行分別高于中行73.31%、82.92%、319.86%,灌漿期邊行分別高于中行85.99%、92.05%、364.48%,說(shuō)明高稈作物玉米間作T4∶4模式的蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率具有明顯的邊際效應(yīng)。

對(duì)不同種植模式大豆各時(shí)期光合特性進(jìn)行分析(表5),各模式的表現(xiàn)存在一定差異。T2∶4、T4∶3、T4∶4 3個(gè)間作模式的中行葉片光合速率Pn開(kāi)花期就達(dá)到了峰值,之后持續(xù)大幅度下降,邊行在結(jié)莢期達(dá)到峰值,而單作與T2∶3模式從開(kāi)花期到結(jié)莢期持續(xù)上升,二者均在鼓粒期達(dá)到峰值,這可能與CKS、T2∶3兩個(gè)模式的田間小氣候環(huán)境條件較適宜,同時(shí)鼓粒期大豆根瘤的固氮作用逐漸增強(qiáng)有關(guān),該規(guī)律與玉米表現(xiàn)有所差異。5種種植模式,開(kāi)花期,T2∶4中、T4∶3中、T4∶4中的Pn均達(dá)到峰值,顯著高于T2∶3(P<0.05),T2∶3顯著低于CKS。結(jié)莢期,CKS的Pn表現(xiàn)最高,具有明顯優(yōu)勢(shì),均顯著高于其它模式(P<0.05),T2∶4邊、T4∶3邊、T4∶4邊此時(shí)均達(dá)到峰值,T2∶3仍然較低。到鼓粒期,T2∶3和CKS的Pn均達(dá)到峰值,由大到小依次為T(mén)2∶3中、CKS、T2∶3邊、T4∶4邊、T2∶4中、T4∶4中、T2∶4邊、T4∶3中、T4∶3邊,T2∶3模式光合優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)較強(qiáng),T4∶3模式最弱。T2∶3中的Pn超越單作,顯著高于單作52.96%(P<0.05),Tr、Gs顯著下降31.73%、43.12%,因光合消耗Ci較CKS下降26.79%。T2∶3邊Pn較CKS下降64.11%,Tr、Gs顯著下降50.73%、62.57%,Ci較CKS高12.52%。T4∶4、T2∶4、T4∶3模式的Pn較單作和間作T2∶3顯著下降,從結(jié)莢期到鼓粒期,持續(xù)下降,而單作保持光合效率峰值,到鼓粒期,提高6.36%,間作T2∶3在鼓粒期達(dá)到峰值,并在鼓粒期保持峰值,受玉米隱蔽作用影響相對(duì)較弱。

表5 不同間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個(gè)時(shí)期中行Pn較邊行具有優(yōu)勢(shì),距離玉米植株越近,受玉米隱蔽影響越嚴(yán)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,玉米的隱蔽作用增強(qiáng),對(duì)中行影響更顯著,大豆的幅寬增大,受光的空間增加,使邊行較中行表現(xiàn)光合優(yōu)勢(shì),在結(jié)莢期和鼓粒期光合速率具有一定邊際效應(yīng)。

2.3 玉米大豆間作不同帶寬、行比配置模式對(duì)土地當(dāng)量比、相對(duì)擁擠系數(shù)的影響

由表6可得,不同間作模式,LER、K表現(xiàn)不同,說(shuō)明不同田間配置模式對(duì)LER、K均會(huì)造成影響。間作模式下,LER變化范圍為0.59～1.38,所有間作模式下的LER僅T2∶3模式大于1,達(dá)到1.38,表現(xiàn)明顯的間作優(yōu)勢(shì),行比由2∶3增加到2∶4,帶寬由2.2 m增大到2.5 m,LER由1.38下降為0.80,而其中LERS由0.67下降為0.28,說(shuō)明T2∶3模式更具有間作優(yōu)勢(shì)。相對(duì)擁擠系數(shù)K與LER變化趨勢(shì)相似,T2∶3模式下K最大,為4.92,且KM>KS,表明T2∶3模式中,玉米競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)于大豆,處于競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)生態(tài)位,其它模式的KM、KS均較小,導(dǎo)致K更小,表明這些間作模式的作物優(yōu)勢(shì)生態(tài)位不強(qiáng)。

表6 玉米大豆間作系統(tǒng)不同種植模式對(duì)玉米和大豆土地當(dāng)量比、相對(duì)擁擠系數(shù)、作物侵占力與侵占比率的影響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

帶寬由2.2 m(T2∶3)增加為3.0 m(T4∶3)模式時(shí),增加了玉米行比配置,LERM、LERS、LER、KM、KS、K值均呈下降趨勢(shì);當(dāng)帶寬由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均呈減小趨勢(shì),而LERS、KS略有增加;當(dāng)種間距離不變,帶寬由2.2 m(T2∶3)增至3.4 m(T4∶4)時(shí),LERM、LERS、LER、KM、KS、K均呈減小趨勢(shì);帶寬由2.5 m(T2∶4)增至3.0 m(T4∶3)時(shí),LERM、LER、KM均呈減小趨勢(shì),而LERS、KS增大。這表明,玉米、大豆行數(shù)增加,LER、K均明顯減弱,但大豆行數(shù)增加時(shí),LER、K下降幅度較小,且T4∶3、T4∶4邊行均表現(xiàn)邊際優(yōu)勢(shì)。因此,間作中,玉米不適宜設(shè)置較大的幅寬。

2.4 玉米大豆間作不同帶寬、行比配置模式對(duì)作物侵占力的影響

對(duì)間作不同帶寬、行比配置模式作物侵占力和競(jìng)爭(zhēng)比率進(jìn)行分析(表6),各間作模式的A、CR變化趨勢(shì)一致,T2∶3模式AS>0,這表明,間作系統(tǒng)中大豆占優(yōu)勢(shì),大豆相對(duì)產(chǎn)量增長(zhǎng)大于玉米,CRS>1,這表明,該模式中大豆競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)于玉米,大豆是競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)種,其它模式相反,玉米是競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)種。

2.5 玉米大豆間作不同帶寬、行比配置模式產(chǎn)量

表7表明,間作系統(tǒng)中,玉米在產(chǎn)量中占主導(dǎo)地位,各模式產(chǎn)量由小到大依次為T(mén)2∶3、T2∶4、T4∶4邊、T4∶3邊、T4∶4中、T4∶3中,T2∶3模式的玉米、大豆產(chǎn)量最高,分別達(dá)到9 705、2 265 kg/hm2,占系統(tǒng)產(chǎn)量的81.08%、18.92%,為單作玉米和大豆的71.10%和66.52%;其次是T2∶4模式,玉米、大豆產(chǎn)量分別為7 185、930 kg/hm2,分別占系統(tǒng)產(chǎn)量的88.54%、11.46%,為單作玉米和大豆52.64%和27.31%。T4∶3邊行、T4∶4邊行玉米產(chǎn)量均顯著高于中行(P<0.05),分別較中行高22.87%、19.94%,這表明,T4∶3邊、T4∶4邊的玉米產(chǎn)量具有邊際優(yōu)勢(shì),大豆產(chǎn)量邊行未表現(xiàn)邊際優(yōu)勢(shì),與葉綠素SPAD、含氮質(zhì)量比表現(xiàn)一致,均不具有顯著的邊際優(yōu)勢(shì)。

表7 不同帶寬、行比配置模式產(chǎn)量Tab.7 Output of different band width and row ratio configuration modes

3 討論

3.1 不同間作模式合理的群體結(jié)構(gòu)

玉米大豆間作基于作物高矮搭配合適、養(yǎng)分喜好不同和大豆的固氮作用等優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是更高效的間作系統(tǒng)[13]。合理搭配作物,同時(shí)采用適宜的調(diào)控措施,增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)作物或者同步增強(qiáng)優(yōu)劣勢(shì)作物的光合源是促進(jìn)間作高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效途徑。作物在空間上的合理搭配是間作復(fù)合群體高效截獲光能的重要基礎(chǔ)。作物通過(guò)高矮、帶寬、行比搭配等途徑,構(gòu)建立體空間結(jié)構(gòu)、優(yōu)化群體光分布。共生期中,玉米大豆間作高矮相間,形成傘狀冠層結(jié)構(gòu),有利于增加條帶兩側(cè)的入射輻射,冠層中部葉片受光充分[14],矮稈作物大豆是C3作物,能夠更好地截獲底層光能,充分利用弱光,優(yōu)化了間作群體的光能利用,提高了復(fù)合群體光能截獲率[15]。王雅梅等[16]對(duì)不同農(nóng)機(jī)作業(yè)寬幅條件下玉米大豆間作研究認(rèn)為,3種間作模式(播幅2∶1、2∶2、2∶3)以籽粒產(chǎn)量為基礎(chǔ)的LER隨著大豆播幅的增加而增加,玉米大豆播幅2∶2、2∶3種植具有間作生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。潘利文等[17]對(duì)適宜機(jī)械化的玉米大豆行比2∶4和4∶4兩種間作模式的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行研究,認(rèn)為2∶4模式優(yōu)于4∶4。這可能因?yàn)樾⌒芯嗾瓗?玉米大豆均能發(fā)揮邊際效應(yīng),且大豆能夠截獲和利用底層弱光,因此保證了系統(tǒng)產(chǎn)量。王甜等[18]研究了帶寬和密度配置對(duì)玉米大豆間作中大豆產(chǎn)量的影響,認(rèn)為帶寬2.4 m、大豆種植密度為67 500～82 500株/hm2時(shí),大豆光合特性改善,產(chǎn)量較高。這可能因?yàn)樾捪?降低了大豆種植密度,改善了大豆的受光條件,優(yōu)化了植株個(gè)體與群體生長(zhǎng)發(fā)育的協(xié)調(diào)性,緩解大豆個(gè)體與群體之間的矛盾,從而獲得產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。封亮等[19]對(duì)江西地區(qū)紅壤旱地的玉米大豆間作模式研究表明,帶寬 2.4 m、行比2∶4種植模式能較好地協(xié)調(diào)作物種間關(guān)系,土地產(chǎn)出率較高,經(jīng)濟(jì)效益較優(yōu),可作為江西地區(qū)紅壤旱地適宜的玉米大豆間作模式。VAN OORT等[20]研究表明,間作模式下帶寬不宜超過(guò)3 m,反之不利于增加作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。這可能因?yàn)樾斜?∶4模式玉米幅寬小,2行玉米對(duì)大豆的隱蔽作用相對(duì)行比4∶4模式較弱,單位面積玉米產(chǎn)量下降較少,大豆產(chǎn)量略有降低,但仍能保證系統(tǒng)產(chǎn)量,且間作系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益大于單作玉米或大豆,故間作大豆少量的減產(chǎn)并不影響間作系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

以上研究均認(rèn)為,小行比窄帶寬間作優(yōu)勢(shì)更顯著,產(chǎn)量表現(xiàn)更好,這可能因?yàn)樾斜?∶3、2∶4模式中,3行或4行大豆能發(fā)揮中行的光合優(yōu)勢(shì),2行玉米能發(fā)揮邊際效應(yīng),使間作系統(tǒng)產(chǎn)量表現(xiàn)較高。本研究得到相近的結(jié)果,T2∶3模式帶寬2.2 m,2行玉米光合速率峰值高,降得慢,3行大豆峰值出現(xiàn)晚(鼓粒期,下降速度有待于進(jìn)一步研究),且中行較邊行光合速率更高,具有一定光合優(yōu)勢(shì),這也是該模式LER大于1的主要原因,且KS>KM,AS>0,CRS>1,T2∶3具有明顯的間作優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力,大豆相對(duì)產(chǎn)量增長(zhǎng)大于玉米,是競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)種,而T4∶4模式的玉米光合速率峰值低,出現(xiàn)早(大喇叭口期-吐絲期),降得快,大豆光合速率峰值出現(xiàn)早(開(kāi)花期-結(jié)莢期),降得快。但蔡倩等[21]認(rèn)為,玉米大豆間作模式中M6S6(6行玉米6行大豆)間作產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)最強(qiáng)?？梢?jiàn),協(xié)調(diào)統(tǒng)籌不同株型作物的空間布局,創(chuàng)造合理的間作群體結(jié)構(gòu),使光能的分配和利用更加高效,提高光能利用率,是保證間作生產(chǎn)力的關(guān)鍵。

3.2 不同間作模式玉米大豆光合特性及產(chǎn)量邊際效應(yīng)

玉米大豆間作條件下,作物光照條件[22]、土壤養(yǎng)分狀況以及農(nóng)田小氣候[23]均發(fā)生改變。王竹等[24]研究發(fā)現(xiàn),大幅寬種植減弱了作物之間的競(jìng)爭(zhēng),緩解了大豆的遮陰問(wèn)題,減少了玉米對(duì)大豆的資源掠奪,有利于提高間作系統(tǒng)的生物量和產(chǎn)量,尤其是利于保證大豆產(chǎn)量較少減產(chǎn)。而HE等[25]研究認(rèn)為,小帶寬玉米帶保證了間作玉米的充足光照和通風(fēng),同時(shí)玉米的根系可以充分延伸到大豆條帶吸收養(yǎng)分,大帶寬大豆種植避免了鄰近玉米的遮光。可見(jiàn),間作群體的兩種作物田間結(jié)構(gòu)配置是影響種間協(xié)調(diào)關(guān)系和邊際效應(yīng)的重要因素,對(duì)矮稈作物的受光條件及產(chǎn)量效應(yīng)具有決定性作用。趙德強(qiáng)等[26]研究認(rèn)為,大幅寬玉米小幅寬大豆種植的3M6S(3行玉米6行大豆)模式具有最高的相對(duì)生物量和產(chǎn)量。玉米大豆間作表現(xiàn)出強(qiáng)烈的邊際效應(yīng),間作玉米的Ⅰ行、Ⅱ行和Ⅲ行,以及間作大豆的Ⅱ行和Ⅲ行均表現(xiàn)為間作優(yōu)勢(shì),間作大豆I行為間作劣勢(shì)。范元芳等[27]研究認(rèn)為,玉米大豆間作時(shí),大豆受到鄰近玉米的遮光影響;王一等[28]研究認(rèn)為,大豆花期以后遮陰降低了葉片最大光合速率,降低了單株粒質(zhì)量。以上均認(rèn)為遮陰是大豆干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量降低的主要原因,而Ⅰ行間作大豆處于間作劣勢(shì)可能因?yàn)榫嚯x玉米最近,遭受玉米中下部葉片遮陰作用更嚴(yán)重,有效受光時(shí)間非常有限,多數(shù)時(shí)間接受的是弱光或光合作用的低效光,因此對(duì)其光合速率影響很大。本研究也得到相似的結(jié)果,玉米大豆間作群體以小帶寬更能發(fā)揮間作優(yōu)勢(shì),以T2∶3模式較優(yōu),大豆帶的中行更具有間作優(yōu)勢(shì)。同時(shí),T4∶4模式大豆邊行的光合速率在結(jié)莢期和鼓粒期具有邊際優(yōu)勢(shì),產(chǎn)量、葉綠素SPAD和氮質(zhì)量比均未表現(xiàn)邊際優(yōu)勢(shì),可能在玉米后期植株對(duì)大豆的遮光嚴(yán)重,邊行玉米仍有一定受光的空間,光合速率具有邊際優(yōu)勢(shì),而遮光對(duì)耐蔭作物大豆邊行與中行葉片葉綠素的合成及葉片氮素的積累影響不顯著,因此,葉綠素含量和氮質(zhì)量比未表現(xiàn)邊際效應(yīng),遮光條件下,大豆邊行和中行植株均略有徒長(zhǎng),影響生殖生長(zhǎng),致使產(chǎn)量也未表現(xiàn)邊際效應(yīng)。

間作改善光合性能的優(yōu)勢(shì)在生育后期更加明顯,籽粒產(chǎn)量大部分來(lái)自花后的光合產(chǎn)物,本研究結(jié)果表明,T2∶3模式的玉米葉綠素SPAD在灌漿期與單作差異不顯著,光合速率在吐絲期和灌漿期與單作差異均不顯著,大豆葉綠素SPAD在結(jié)莢期、鼓粒期與單作差異不顯著,光合速率在鼓粒期與單作相近,因此認(rèn)為,間作群體花后較長(zhǎng)的光合功能穩(wěn)定期是發(fā)揮間作優(yōu)勢(shì)的重要原因,與李易玲等[9]的研究結(jié)果一致。

發(fā)展間作至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)適宜機(jī)械化與種間互作增效的空間布局和群體優(yōu)化理論。范虹等[29]研究認(rèn)為,間作有利于群體生育后期保持較高光合源,提高高位作物個(gè)體的光合速率、葉綠素含量、光能利用率,但削弱了矮位作物光合性能。本研究中,也發(fā)現(xiàn)T2∶3模式玉米葉片的葉綠素SPAD、氮質(zhì)量比和光合速率在吐絲期和灌漿期甚至超越單作,且系統(tǒng)產(chǎn)量?jī)H次于單作,T4∶4模式中邊行玉米具有明顯的邊際效應(yīng)。綜上,T2∶3模式中兩個(gè)邊行玉米在發(fā)揮邊際效應(yīng)和群體間作優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上獲得了較好的產(chǎn)量效應(yīng),同時(shí),該模式在生產(chǎn)中已實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化生產(chǎn),因此認(rèn)為T(mén)2∶3模式是河套灌區(qū)較適宜的間作技術(shù)模式。

4 結(jié)束語(yǔ)

T2∶3間作模式及單作玉米光合速率峰值于吐絲期正常來(lái)臨,但T2∶3較單作下降緩慢,其它模式玉米光合速率峰值低,出現(xiàn)早(大喇叭口期),降得快,大豆峰值出現(xiàn)晚(鼓粒期),其它模式出現(xiàn)早,降得快,尤其T2∶4、T4∶3、T4∶4模式的中行下降速度更顯著。因此,間作玉米的花后光合功能穩(wěn)定期長(zhǎng)是關(guān)鍵,是T2∶3間作模式充分發(fā)揮間作優(yōu)勢(shì)增產(chǎn)的重要原因。僅T2∶3模式LER大于1,達(dá)到1.38,且KS>KM,T2∶3具有明顯的間作優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力,AS>0,CRS>1,間作系統(tǒng)中大豆占優(yōu)勢(shì),中行具有顯著光合優(yōu)勢(shì),大豆相對(duì)產(chǎn)量增長(zhǎng)大于玉米,競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)于玉米,是競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)種,該模式的玉米、大豆產(chǎn)量分別達(dá)到9 705、2 265 kg/hm2,占系統(tǒng)產(chǎn)量的81.08%、18.92%。綜上,T2∶3模式是內(nèi)蒙古河套灌區(qū)適宜的間作技術(shù)模式。