間作毛蔥和馬鈴薯增加連作大豆的產(chǎn)量

周克琴，張秋英，劉曉冰，張興義，巴國(guó)民

(1. 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150081;2. 沈陽(yáng)軍區(qū)龍鎮(zhèn)農(nóng)副業(yè)基地，黑龍江五大連池164135)

作物間作是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中精耕細(xì)作、集約種植的一種方式，可以充分利用地上和地下的自然資源［1］，具有良好的間作優(yōu)勢(shì)。與單作相比，間作種植模式具有明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，如玉米/大豆間作［2］，小麥/玉米間作［3］，馬鈴薯/大豆［4］，玉米/辣椒［5］等，明顯增加了系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。這是由于間作有效提高光合效率［5－6］、氮肥和水分的利用效率［3，7－8］，減緩肥料磷在土壤中緩釋和固定［9］、改善微量元素錳的吸收［10］及降低蔬菜體內(nèi)硝酸鹽含量［11］。作物間作影響農(nóng)田生物多樣性，改變根際微生物群落組成，增加了根際細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量和微生物總量［12－13］。肖焱波等應(yīng)用根系分隔技術(shù)對(duì)間作作物進(jìn)行細(xì)致分析發(fā)現(xiàn)，種間間作存在養(yǎng)分互惠和養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)，間作玉米吸氮量、根際脲酶活性、根際細(xì)菌數(shù)量、地上部干物質(zhì)量分別比單作玉米顯著增加［14］。間作玉米，大豆根際脲酶活性、根際細(xì)菌數(shù)量分別比單作大豆顯著增加。然而，過(guò)去20 a，東北地區(qū)間作種植面積逐步減少，而玉米大豆連作面積增加。黑龍江省大豆重迎茬面積已占大豆播種面積的40%～50%［15］。連作大豆植株生育不良、根際微生物群落和穩(wěn)定性破壞、易遭受病蟲(chóng)害侵襲，產(chǎn)量和品質(zhì)下降，是黑龍江省大豆總產(chǎn)量低的主要原因［16－19］。以大豆連作10 a 的地塊為研究對(duì)象，選用主要經(jīng)濟(jì)作物毛蔥、馬鈴薯、大麻(Cannabis Satia L. ，俗稱(chēng)線麻，纖維用，下同)和煙草，分別與連作大豆間作，探討不同作物間作對(duì)連作大豆的主要生物學(xué)效應(yīng)，以期達(dá)到克服大豆連作障礙，增加產(chǎn)量的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究于2010 年在黑龍江省海倫市前進(jìn)鄉(xiāng)光榮村進(jìn)行，中心地理位置為北緯47°26″，東經(jīng)126°38″，海拔高度240 m。年降水量500 mm～600 mm，70%集中在5 月～9 月，無(wú)霜期130 d 左右。該區(qū)為典型黑土，主栽作物為大豆。試驗(yàn)地塊為連續(xù)10 a 大豆連作地塊。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用毛蔥、馬鈴薯、大麻、煙草4 種作物與大豆間作。小區(qū)長(zhǎng)8 m，寬5.36 m，壟距0.67 m，即每個(gè)小區(qū)8 壟，面積42.9 m2。間作比例為2 壟間作作物間作2 壟大豆，即2∶ 2 間作。每個(gè)處理3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。

1.3 作物種植方式及品種

毛蔥選用前進(jìn)鄉(xiāng)主栽品種兔耳紅。2010 年4 月5 日人工栽種毛蔥，壟上雙行，株距10 cm，施鉀肥37.5 kg·hm－2，二銨225 kg·hm－2，尿素225 kg·hm－2。6 月下旬人工采收。馬鈴薯選用海倫一號(hào)，4 月5日人工栽種馬鈴薯塊莖，壟上雙行，株距20 cm，施二銨225 kg·hm－2、鉀肥450 kg·hm－2、尿素300 kg·hm－2。7 月下旬人工收獲。大麻為當(dāng)?shù)剞r(nóng)家品種，撒播，施尿素134 kg·hm－2，二銨56 kg·hm－2，保苗200 萬(wàn)株·hm－2。煙草為黑龍江省煙草公司提供，5 月10 日定植，株距為40 cm，施肥量尿素22 kg·hm－2，二銨167 kg·hm－2，人工采收。大豆品種為東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所提供的東生1 號(hào)，5 月10 日播種，密度為28 萬(wàn)株·hm－2，施二銨150 kg·hm－2左右，鉀肥52.5 kg·hm－2左右，尿素30 kg·hm－2左右。人工收割。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

大豆苗期進(jìn)行根腐病病情指數(shù)和每株根系根瘤數(shù)的測(cè)定。大豆根腐病調(diào)查分級(jí)如下:0 級(jí)，無(wú)病斑;1 級(jí)，零星病斑;2 級(jí)，成片零星病斑;3 級(jí)，病斑面積占根面積的1/4;4 級(jí)，病斑占根表面積的1/3;5級(jí)，病斑面積占根表面積的1/2;6 級(jí)，病斑面積超過(guò)根表面積的1/2。發(fā)病率=發(fā)病株數(shù)/調(diào)查總數(shù)。病情指數(shù)=∑發(fā)病株數(shù)* 發(fā)病級(jí)數(shù)/調(diào)查總株數(shù)* 發(fā)病最高級(jí)數(shù)。每個(gè)小區(qū)調(diào)查7 株，并分別于苗期(V5，7 月8 日)、結(jié)莢始期(R3，7 月24 日)、子粒形成始期(R5，8 月21 日)采樣，測(cè)定地上部分干質(zhì)量，(105℃烘箱中殺青30 min，后降溫至70℃～80℃烘至恒質(zhì)量)。收獲成熟時(shí)，每小區(qū)取4 m2測(cè)大豆的產(chǎn)量。每小區(qū)取10 株考種，測(cè)得株高、莢數(shù)、莢粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量。

應(yīng)用DPSS 軟件(Turkey)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 苗期大豆根腐病病情指數(shù)和根瘤數(shù)變化

苗期是大豆根腐病的發(fā)生高峰期，盡管4 種間作模式的連作大豆都100%發(fā)病，但與單作大豆相比，間作毛蔥、馬鈴薯和煙草，大豆根腐病病情指數(shù)分別降低18.3%，28.5%和34.2%，差異顯著(p ＜0.05)，防效提高，而間作大麻，大豆根腐病病情指數(shù)提高了10.3%，防效降低但無(wú)顯著差異，見(jiàn)表1。與單作大豆相比，間作煙草顯著增加苗期大豆根瘤數(shù)目60.4% (p ＜0.05)，而間作毛蔥大豆根瘤的數(shù)目顯著降低41.2% (p ＜0.05);馬鈴薯和大麻大豆根瘤的數(shù)目也降低，分別為21.6%，25.2%，但兩個(gè)處理間沒(méi)有顯著差異，見(jiàn)表1。

2.2 不同生育期地上部大豆生物量的差異

間作大豆與單作大豆干物質(zhì)積累進(jìn)程明顯不同，4 種間作體系中大豆植株地上部干物質(zhì)積累速率在不同時(shí)期的變化非常明顯，見(jiàn)圖1。盡管間作毛蔥與單作大豆地上部干物質(zhì)積累在V5 苗期沒(méi)有差異，煙草、馬鈴薯、大麻干物質(zhì)積累顯著高于毛蔥與單作處理(p ＜0.05)，但隨著生育進(jìn)程推進(jìn)到R3 結(jié)莢始期，毛蔥、馬鈴薯和煙草間作體系中的大豆地上部干物質(zhì)積累量顯著高于對(duì)照，間作毛蔥、馬鈴薯的差異在R5期更加明顯(p ＜0.05)。而R5 期大麻和煙草間作大豆的干物質(zhì)積累量顯著低于對(duì)照。

表1 不同作物與連作大豆間作對(duì)大豆苗期抗病性和根瘤的影響Tab.1 Effects of intercroppingon disease resistance and nodule number at seedling stage of continuous soybean

圖1 不同間作體系對(duì)大豆地上部干質(zhì)量的影響Fig.1 Effect of intercropping on the above ground weight of continuous soybean

2.3 間作對(duì)大豆產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

與單作大豆相比，間作顯著影響連作大豆的產(chǎn)量。毛蔥和馬鈴薯間作大豆，分別增加連作大豆產(chǎn)量12%和9% (p ＜0.05)，而大麻和煙草間作大豆，分別減少連作大豆產(chǎn)量18%和7.6% (p ＜0.05)，見(jiàn)圖2。不同作物間作對(duì)連作大豆株高影響很大，馬鈴薯間作連作大豆植株最高，為84 cm，比單作高出10.8%，而煙草間作大豆株高最低，為70 cm，比單作降低7.5%。與大豆單作相比，毛蔥和馬鈴薯間作分別增加連作大豆有效莢數(shù)42.5%和20.5%，增加單株粒數(shù)39.4%和13.6%，單株粒質(zhì)量增加25.2%和9.4%，百粒質(zhì)量增加5.4%和17.8%。毛蔥間作大豆，1 粒莢、2 粒莢、3 粒莢和4 粒莢數(shù)目都顯著增加，分別為43.7%，64.2%，17.2%和61.1% (p ＜0.05);馬鈴薯間作大豆，1 粒莢和2 粒莢的數(shù)目分別增加42.2%和34.8% (p ＜0.05)，而對(duì)3 粒和4 粒莢沒(méi)有影響。然而，大麻和煙草間作大豆，與大豆單作相比，有效莢數(shù)分別減少25.0%和5.5%，單株粒數(shù)減少36.1%和30.9%，單株粒質(zhì)量減少23.9%和36.1%，但對(duì)1 粒莢和2 粒莢的數(shù)目沒(méi)有影響。大麻間作大豆3 粒莢和4 粒莢數(shù)目分別減少53.6%和94.4%，百粒質(zhì)量沒(méi)有顯著變化;煙草間作大豆3 粒莢和4 粒莢數(shù)目分別減少55.4%和50%，百粒質(zhì)量減少11.3%，見(jiàn)表2。

圖2 不同作物與大豆間作對(duì)連作大豆產(chǎn)量的影響Fig.2 Effect of intercropping on the yield of continuous soybean

表2 不同作物與大豆間作對(duì)連作大豆產(chǎn)量構(gòu)成的影響Tab.2 Effects of intercropping on the yield components of continuous soybean

3 討 論

合理的間作方式能提高光能利用率和有效性，對(duì)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要的實(shí)踐意義［5－6］。研究發(fā)現(xiàn)，與單作大豆相比較，毛蔥/大豆和馬鈴薯/大豆間作體系中，連作大豆后期表現(xiàn)出生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，干物質(zhì)積累增多，最終產(chǎn)量明顯增加。而間作大麻和煙草干物質(zhì)積累減少，產(chǎn)量下降。

毛蔥和馬鈴薯與連作大豆間作增加產(chǎn)量，可能與這兩種作物植株矮小，行間光分布狀況明顯改善，邊行效應(yīng)明顯，收獲早，與大豆共處時(shí)間短有關(guān)。已有研究表明:開(kāi)花后增加行間光輻射25%，增加大豆不同品種產(chǎn)量9.1%～63.3%［20］。大麻/大豆和煙草/大豆間作體系中，大麻和煙草與大豆有較長(zhǎng)的共處期，中后期葉片茂盛，對(duì)灌漿期的大豆具有明顯的遮光作用，大豆頂部和兩側(cè)光強(qiáng)降低，大豆光合速率下降，大豆處于間作劣勢(shì)，大豆的總產(chǎn)量下降。Lesoing 等利用玉米/大豆高矮間作群體內(nèi)玉米的產(chǎn)量增加，而大豆的產(chǎn)量降低或者不變［21］。玉米產(chǎn)量的增加主要來(lái)自低矮大豆造成的光以及CO2通道以及大豆固氮對(duì)玉米氮營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)，而大豆產(chǎn)量減少則是玉米對(duì)大豆的遮光作用。

利用生物多樣性開(kāi)展間作可有效防治作物病害。主要是因?yàn)椴煌锓N的病蟲(chóng)害分類(lèi)不同，不同物種形成屏障阻隔病蟲(chóng)害傳播，種植密度減小減緩病害傳播蔓延，作物根際的分泌物改變微生態(tài)環(huán)境［22］。研究發(fā)現(xiàn)，毛蔥/大豆、馬鈴薯/大豆有效降低了前期大豆根腐病的病情指數(shù)，提高了防效。大麻/大豆體系中大豆的根腐病發(fā)病程度提高，可能是大麻根際分泌物以及微生物活動(dòng)等微環(huán)境促進(jìn)了病原菌的發(fā)展。

研究發(fā)現(xiàn):毛蔥或馬鈴薯與大豆間作增加連作大豆的產(chǎn)量，是有效莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒質(zhì)量3 者共同增加的結(jié)果，這顯然是間作的后期效應(yīng)的作用。因?yàn)榇蠖股成L(zhǎng)期源強(qiáng)度改變對(duì)產(chǎn)量的影響遠(yuǎn)大于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期源強(qiáng)度的變化，決定每莢粒數(shù)及籽粒大小是在R5～R7 期，R1～R5 期合成的同化產(chǎn)物主要影響莢數(shù)的形成［19］。謝永利和陳穎也曾指出，間作方式中存在著明顯的互補(bǔ)與競(jìng)爭(zhēng)，互補(bǔ)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)生殖器官效應(yīng)大于營(yíng)養(yǎng)器官［23］。實(shí)際上，間作作物優(yōu)勢(shì)是間作作物地上和地下共同作用的結(jié)果［2，24－26］。李隆等利用根系分隔的方法研究種間地上部和地下部的交互作用，結(jié)果表明，在小麥/大豆間作中，隔離的邊行小麥籽粒產(chǎn)量比里行小麥高30.4%，不隔離的邊行籽粒產(chǎn)量比里行的高53.6%，根際效應(yīng)的貢獻(xiàn)率為23.2%，地上部因素為30.4%［27］。

大豆連作加劇了大豆－土壤這兩個(gè)系統(tǒng)之間的矛盾，土壤營(yíng)養(yǎng)元素單一消耗，刺激根系分泌物的產(chǎn)生，從而引起土壤物理、化學(xué)性狀(自身化感作用)及生物活性的改變，病蟲(chóng)害嚴(yán)重，植株生長(zhǎng)發(fā)育不良，最終導(dǎo)致大豆產(chǎn)量和品質(zhì)下降［16－19］。研究是以10 a 連作大豆地塊為前茬的間作栽培，毛蔥/大豆和馬鈴薯/大豆系統(tǒng)中的大豆既增加了產(chǎn)量又有效提高了根腐病的防效，建議連作多年的地塊，根據(jù)當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)實(shí)際，采用大豆與這兩種經(jīng)濟(jì)作物間作以減少大豆連作帶來(lái)的產(chǎn)量損失。此外，為深入分析這兩種作物的增產(chǎn)作用，今后應(yīng)把連作大豆土壤根系進(jìn)行隔離，研究不同間作系統(tǒng)中作物根系形態(tài)特征、根系活力、根際土壤有效養(yǎng)分含量以及土壤微生物多樣性。毛蔥或馬鈴薯與大豆間作減少大豆根瘤的數(shù)目的現(xiàn)象也值得深入探討。

致謝:研究項(xiàng)目得到黑龍江省科技廳十二五農(nóng)業(yè)引導(dǎo)項(xiàng)目的支持。

［1］Malézieux E，Crozat Y，Dupraz C，et al. Mixing plant species in cropping systems:concepts，tools and models. A review. ［J］. Agronomy for Sustainable Development，2009，29 (1):43－62.

［2］劉均霞，陸引罡，遠(yuǎn)紅偉，等. 玉米/大豆間作條件下養(yǎng)分的高效利用機(jī)理［J］. 山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào)，2007，26 (2):105－109.

［3］孫建好，李 隆，張福鎖，等. 不同施氮水平對(duì)小麥/玉米間作產(chǎn)量和水分效應(yīng)的影響［J］. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007，23 (7):345－348.

［4］胡應(yīng)鋒，王余明，王西瑤. 馬鈴薯大豆間作模式效益分析［J］. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，25 (4):111－114.

［5］宮秀杰，騰云飛，錢(qián)春榮，等. 玉米/辣椒間作復(fù)合群體生理效應(yīng)研究Ⅰ. 不同間作方式對(duì)玉米/辣椒光合速率和產(chǎn)量的影響［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26 (21):111－114.

［6］李 植，秦向陽(yáng)，王曉光，等. 大豆/玉米間作對(duì)大豆葉片光合特性和葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)的影響［J］. 大豆科學(xué)，2010，29(5):808－811.

［7］焱 波，李 隆，張福鎖. 小麥/蠶豆間作體系中的種間相互作用及氮轉(zhuǎn)移研究［J］. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38 (5):965－973.

［8］苗 銳，張福鎖，李 隆. 玉米/蠶豆、小麥/蠶豆和大麥/蠶豆間作體系地上部、地下部生物量及作物含氮量分析［J］. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2008，24 (7):148－152.

［9］張恩和，張福鎖，黃 鵬. 小麥大豆間套種植對(duì)磷素在土壤中的轉(zhuǎn)化及有效性的影響［J］. 土壤通報(bào)，2000，31 (3):130－131.

［10］趙秀芬，房增國(guó)，呂世華，等. 根系不同分隔方式下油菜和鷹嘴豆對(duì)小麥錳營(yíng)養(yǎng)的影響［J］. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2009，24 (6):l33－137.

［11］吳 瓊，趙同科，安志裝，等. 茄子/大蔥間作及氮肥調(diào)控對(duì)植株硝酸鹽含量及養(yǎng)分吸收的影響［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29 (11):2071－2075.

［12］宋亞娜，Petra M，張福鎖，等. 小麥/蠶豆，玉米/蠶豆和小麥/玉米間作對(duì)根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響［J］. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26(7):2268－2274.

［13］董 艷，湯 利，鄭 毅，等. 小麥－蠶豆間作條件下氮肥施用量對(duì)根際微生物區(qū)系的影響［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，19 (7):1559－1566.

［14］肖焱波，李隆，張福鎖. 兩種間作體系中養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)與營(yíng)養(yǎng)促進(jìn)作用研究［J］. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2004，12 (4):86－89.

［15］王宗瑋，張?chǎng)紊Z 飛. 大豆連作障礙機(jī)理的研究簡(jiǎn)述［J］. 吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，34 (3):12－13，27.

［16］劉曉冰，于廣武，許艷麗. 大豆連作效應(yīng)分析［J］. 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究，1990 (3):40－44.

［17］許艷麗，王光華，韓曉增. 連作大豆生物障礙研究［J］. 中國(guó)油料，1997，19 (3):46－49.

［18］韓曉增. 重迎茬大豆植株氮磷鉀含量與積累特征的研究［J］. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，1997，18 (6):371－374.

［19］劉忠堂，于龍生. 重迎茬對(duì)大豆產(chǎn)量與品質(zhì)影響的研究［J］. 大豆科學(xué)，2000，19 (3):229－237.

［20］Liu X B，Herbert S J，Hashemi A M，et al. Responses of Soya bean Yield and Yield Component Distribution across the Main Axis under Source-Sink Manipulation ［J］. Journal of Agronomy and Crop Science，2006，192 (2):140－146.

［21］Lesoing G W，F(xiàn)rancis C A. Strip intercropping effects on yield and yield components of corn，grain sorghum and soybean ［J］. Agronomy Journal，1999，91 (5):807－813.

［22］Trenbath B R. Intercropping for the management of pests and diseases ［J］. Field Crops Research，1993，34 (3－4):381－405.

［23］謝永利，陳 穎. 不同間作方式對(duì)玉米產(chǎn)量的影響［J］. 山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào)，2004，23 (5):381－385.

［24］高 陽(yáng)，段愛(ài)旺，劉戰(zhàn)東，等. 玉米/大豆間作條件下的作物根系生長(zhǎng)及水分吸收［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20 (2):307－313.

［25］Uikman P J K，Jansen A G，Van Veen J A.15N－Nitrogen mineralization from bacteria by protozoan grazing at different soil moisture regimes［J］. Soil Biology and Biochemistry，1991，23 (2):193－200.

［26］Lafolie F，Bruckler L，Ozier-Lafontaine H，et al. Modeling soil—root water transport and competition for single and mixed crops ［J］. Plant and Soil，1999，210 (1):127－143.

［27］李 隆，楊思存，孫建好，等. 小麥/大豆間作中作物種間的競(jìng)爭(zhēng)作用和促進(jìn)作用［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1999，10 (2):197－200.