帶型對小麥間作玉米產量和種間競爭力的影響

陳國棟，萬素梅，馮福學，柴 強，趙宏福，陳錦鋒

(1.塔里木大學 植物科學學院，新疆阿拉爾 843300；2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，蘭州 730070)

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帶型對小麥間作玉米產量和種間競爭力的影響

陳國棟1，萬素梅1，馮福學2，柴 強2，趙宏福2，陳錦鋒2

(1.塔里木大學 植物科學學院，新疆阿拉爾 843300；2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，蘭州 730070)

以小麥/玉米間作為對象，設置3種不同帶型模式(小麥/玉米行比為 6∶2、6∶3和6∶4)，研究間作體系中帶型改變對種間競爭力和群體產量的影響，旨在為間作高產優化帶型提供依據。結果表明：試驗采用的3種小麥/玉米間作模式均具有明顯的產量優勢，各處理的土地當量比(LER)均大于1。間作優勢隨玉米行數的增加呈增大趨勢，6∶4(W6M4)模式的LER、時空當量比和土地利用率分別較6∶3(W6M3)模式高3.5%、5.2%和4.3%，較6∶2(W6M2)模式高3.0%、8.1%和5.2%。增加玉米行數能夠顯著提高小麥相對玉米的種間競爭力(Awm)，6∶4間作處理的Awm分別較6∶3模式和6∶2模式高7.3%和14.1%。復合群體產量與種間競爭力呈顯著的線性增長關系。因此，提高間作小麥的競爭力有利于間作群體整體產量的提高，6∶4模式獲得較高產量的主要原因之一是提高小麥的相對競爭力。

帶型；小麥間作玉米；作物產量；種間競爭力

近年來，城鎮化和工業化的迅速發展使得耕地面積逐年減少，已對糧食安全構成威脅[1]。為了保障糧食安全和維持農業的可持續發展，現代農業生產體系研究大多致力于探尋資源高效利用同時兼顧高產的方法和途徑[2]。間套作種植因其能夠充分利用各種農業資源，實現地力和水熱資源在時間和空間上的集約化利用，且較單作具有明顯的產量優勢[3-4]而備受人們關注[5]，被認為是未來可持續農業發展的重要方向之一[6]。

帶型配置被認為是組建合理復合群體結構的重要影響因子之一[7]。不同帶型的間作群體通風、透光等條件存在著差異，競爭與互補程度不同，對空間、水肥等的利用也不同，因而增產增值效應也不同[8]。由2種或2種以上作物組成的間套作復合群體中，帶型設置的原則是間作作物帶寬度至少保障具有滿足單一作物獲得維持自身生長必需的資源、進行獨立生長所需的空間，而這個寬度又不能影響作物間的相互作用[9]。如何確定最優的帶型來獲得最高的作物產量和資源利用率是當前間作生產面臨的問題[10]。大量研究認為，種間競爭作用是間作優勢的重要決定因素[11]。合理的間作結構不僅可以減少兩作物的競爭，能有效地利用土地資源，還能使群體更加充分地利用自然氣候等條件，提高光能利用率，獲得更佳的經濟效益[12]。因此，通過量化種間競爭力來確定間作最優帶型是較為有效的方式。作物間的競爭關系可以通過種間競爭力和相對擁擠指數來衡量，合理的帶型結構能夠強化種間互補作用，弱化種間競爭作用[13]。

本試驗以小麥間作玉米為研究對象，在不同的帶型配置下，量化種間競爭力與復合群體生產力間的相關關系，以期為通過間作作物競爭力的調控而提高復合群體增產效應提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2014年3-10月在甘肅農業大學校地聯合綠洲農業科研教學基地(武威站)進行，該站位于甘肅河西走廊東端，(37°96′N，102°64′E，海拔1 506 m)，屬溫帶大陸性干旱氣候，具有干旱少雨、日照充足、晝夜溫差大的特點。主要風向為西北風，靜風率26%，年平均溫度7.7 ℃，無霜期150 d左右，日照時數2 873.4 h，日照百分比為67%，太陽輻射量為579.3 kJ/cm2，屬太陽輻射量高值區，晝夜溫差平均7.9 ℃。氣溫以7月最高，為29 ℃，1月最低，為-14.9 ℃。多年平均降水量160 mm，年蒸發量2 020 mm，屬于典型的兩季不足、一季有余的自然生態區。2014年作物生育期(3-9月)降雨量明顯高于多年平均降雨量 (圖 1)。該區主要采用小麥間作玉米，玉米間作豌豆等種植模式，但采用何種帶型可以提高資源利用和產量尚無明確研究。

圖1 武威試驗站2014年降雨量和長期平均降雨量(mm)Fig.1 Average precipitation (mm) from March to September in 2014 and long-term (2001-2013) average at Wuwei Experimental Station, China

1.2 供試材料

供試春小麥品種(TriticumaestivumL.)為‘永良4號’，春玉米(ZeamaysL.)品種為‘先玉335’，均由武威市農業技術推廣中心提供。小麥于3月22日播種，7月26日收獲，玉米于4月8日播種，9月27日收獲。

1.3 試驗設計

設小麥、玉米行數比為6∶2(W6M2)、6∶3(W6M3)和6∶4(W6M4)的3個間作處理，單作小麥(W)、單作玉米(M)為2個對照處理，共組成5個處理，每處理重復3次，共15個小區，田間隨機排列。

小麥密度為675株/m2，行距為12 cm；玉米密度為4.5株/m2，行距為40 cm。間作處理中小麥帶與玉米帶間距為30 cm，小麥帶寬均為80 cm，而玉米帶寬則隨玉米行數的不同而不同，W6M2、W6M3、W6M4間作中玉米帶寬分別為80、120、160 cm(圖2)，使得各處理小麥、玉米所占間作面積比例分別為50%∶50%、40%∶60%、33%∶67%。間作每個小區設置3個自然帶，南北走向。玉米采用地膜覆蓋。

1.4 取樣及測產

在作物不同生育時期分別測定不同處理小麥、玉米地上部干物質累積量。小麥單作處理隨機取30株，玉米隨機取10株，間作處理選同一側取樣。樣品于105 ℃下殺青后于80 ℃恒溫烘干，計算不同處理地上部干物質累積量。作物成熟后按小區收獲計產，間作處理2種作物分別收獲。

1.5 產量優勢及競爭力評價指標

1.5.1 土地當量比 土地當量比(LER)是衡量間套作產量優勢的重要指標[14]，LER表示單作要獲得與間作相同的產量所需要的相對耕地面積。

LER=(Yim/Ysm)+ (Yiw/Ysw)

式中，Yim和Yiw分別代表間作玉米和間作小麥產量，Ysm和Ysw分別代表單作玉米和單作小麥產量。當LER>1時，表明存在間作產量優勢，LER<1表明存在間作產量劣勢。

1.5.2 時空當量比 時空當量比也是衡量間套作優勢的重要指標[15]，表示間作在時間和空間上資源利用的優勢。

ATER= [(Yiw/Ysw)×Pw+ (Yim/Ysm)×Pm]/t

式中，ATER為時空當量比，Pw和Pm分別為間作中小麥和玉米的占地比例，t為間作所經歷的時間，其余符號意義同上。

1.5.3 土地利用率 通過計算土地當量比和時空當量比，可以得出間作土地利用率(LUE%)[15]：

LUE%=(LER+ATER)/2×100%

1.5.4 種間相對競爭力 作物種間競爭力指間作體系中一種作物相對于另一種作物對水分、養分等與產量形成有關資源的競爭力：

Awm=Yiw/(Ysw×Pw)-Yim/(Ysm×Pm)

式中，Awm為小麥相對于玉米的產量競爭力，其余符號意義同上。Awm>0，表明小麥競爭力強于玉米；Awm<0，表明玉米競爭力強于小麥。

1.5.5 相對擁擠指數 相對擁擠指數(RCC或K)用于衡量間作優勢和間作群體中不同組分的主導地位，當K大于1時，說明存在間作優勢；當K小于1時，說明間作存在劣勢。當其一組分的K大于1時，該組分處于競爭優勢；當K小于1時，說明該組分處于競爭劣勢。

K=Kw×Km，Kw=(Pm×Yiw)/[Pw×(Yxw-Yiw)]

Km=(Pm×Yiw)/[Pm×(Ysm-Yim)]

式中，Kw、Km分別為間作小麥、間作玉米相對擁擠指數，其余符號意義同上。

圖2 不同處理下小麥和玉米的田間結構示意圖Fig.2 Lay out of wheat and maize under different treatments

1.6 數據處理

試驗數據采用Excel 2013整理匯總，Origin 9.0作圖，SPSS 17.0 進行方差分析、顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 帶型對小麥間作玉米產量的影響

以單作小麥和單作玉米產量的加權平均為對照，結果發現(表1)，間作顯著提高作物產量，W6M2、W6M3和W6M4處理籽粒產量分別較單作提高19.3%、36.9% 和 35.4%，生物產量分別較單作提高21.3%、21.7% 和29.6%，增產顯著(P<0.05)。3個間作處理間比較，W6M4、W6M3處理籽粒產量分別較W6M2高14.8%和13.5%，W6M4生物產量W6M2高6.9%，差異顯著(P<0.05)。

為明確帶型對間作組分作物產量的影響，分析各組分作物對群體產量的貢獻變化，結果表明，隨著玉米行數的增加，玉米組分的產量隨之增加，而小麥組分產量逐漸減小，W6M2、W6M3和W6M4處理的小麥籽粒產量分別為單作小麥的59.6%、46.7% 和 41.4%，生物產量分別為單作小麥的59.0%、46.7% 和 42.1%；玉米籽粒產量分別為單作玉米的59.7%、72.0% 和 78.3%，生物產量分別為單作的61.7%、69.7% 和 79.1%。

不同帶型間作顯著影響間作玉米的收獲指數(P<0.05)，對間作小麥的收獲指數影響不大。W6M3和W6M4處理玉米收獲指數較W6M2處理分別高6.8%和6.5%，間作小麥、玉米的收獲指數與相應單作收獲指數間無顯著差異。

2.2 帶型對小麥間作玉米資源利用效率的影響

不同間作處理間，W6M4間作可以獲得較高的資源利用效率，W6M3間作次之，W6M2間作資源利用效率最小(表2)。W6M4間作處理LER、ATER和LUE%分別較單作高23.8%、28.9%和12.3%，W6M3間作處理LER、ATER和LUE%分別較單作高18.6%、22.5%和7.7%，W6M2間作處理LER、ATER和LUE%分別較單作高19.3%、19.3%和6.7%。W6M4間作處理LER、ATER和LUE%分別較W6M3間作處理高3.5%、5.2%和4.3%，較W6M2間作處理高3.0%、8.1%和5.2%。

表1 不同帶型下小麥間作玉米的產量和收獲指數Table 1 Yield and harvest indexes of intercropped wheat and maize under different rows arrangement

注：數據為3次重復的平均值。同列中不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。
Note: Each value is mean of three replicates. Different letters in the same column indicate significantly different among treatments(P<0.05).The same below.

表2 不同帶型下小麥間作玉米的土地當量比(LER)、時空當量比(ATER)和土地利用效率(LUE%)Table 2 LER, ATER and LUE% of intercropped wheat and maize under different rows arrangement

2.3 帶型對小麥間作玉米經濟效益的影響

間作可顯著提高農田的經濟效益，以單作小麥和單作玉米經濟效益的加權平均為對照，分析小麥間作玉米的經濟效益，結果發現(表3)，間作顯著提高作物經濟效益，W6M2、W6M3和W6M4處理經濟效益分別較單作加權提高22.9%、22.6% 和 28.5%，增效顯著(P<0.05)。不同間作處理間比較，W6M4間作處理經濟效益最高，達到35 100元/hm2，較W6M2間作處理高13.7%。

2.4 小麥相對玉米的種間競爭力

小麥-玉米共生期內，不同處理小麥相對玉米的平均種間競爭力Awm均大于0(圖3)，表明小麥間作玉米共生期間，小麥競爭力始終強于玉米，在資源利用上處于優勢地位。平均種間競爭力Awm隨生育期的推進呈先增大后減小的趨勢(圖3)。總體上看，平均Awm最大值出現時期為小麥開花期至小麥灌漿初期(Awm平均值為0.86)，平均Awm最小值出現時期為小麥成熟期(Awm平均值為0.17)。帶型對小麥間作玉米的相對競爭力存在顯著影響(P<0.05)，W6M4間作處理的平均Awm較W6M2處理高14.1%，較W6M3處理高7.3%；W6M3間作處理的平均Awm較W6M2處理高6.6%，說明增加玉米行數能夠顯著提高間作小麥的競爭力。

小麥相對玉米競爭力Awm最大值出現的時間因帶型變化而不同，W6M2和W6M4間作處理Awm最大值出現的時期為小麥開花期，而W6M3間作處理為小麥灌漿初期。研究發現當Awm>0.5時，W6M4正處小麥成熟期，持續時間為14 d；W6M3同樣處于小麥成熟期，持續時間為21 d；而W6M2處于小麥三葉期和成熟期，持續時間為27 d。當0.50.6時，W6M4處于小麥三葉期、拔節期、孕穗期和灌漿期，持續時間為40 d；W6M3處于小麥拔節期和孕穗期，持續時間為30 d，而W6M2處于拔節期和孕穗期，且主要處于拔節期，持續時間為25 d。綜上結果表明玉米行數增加時，小麥處于強競爭力的時間持續增長。

2.5 不同帶型下小麥間作玉米的相對擁擠指數

隨著生育期的推進，小麥間作玉米復合群體的相對擁擠指數K由0.52增至1.3(圖4)，即間作從不存在間作優勢至存在較大間作優勢。隨著玉米行數的增加，間作優勢(K>0)出現的時間隨之推遲，W6M2間作K值大于0出現的時間為小麥灌漿初期(6月10日)，W6M3間作K值大于0出現的時間為小麥灌漿后期(6月29日)，W6M4間作K值大于0出現的時間為小麥成熟期(7月20日)。共生期間，W6M2間作相對擁擠指數K值在小麥灌漿后期達到最大值，而W6M3和W6M4間作相對擁擠指數K值隨生育期的推進呈增加趨勢，說明帶型的改變使得間作優勢最大值出現的時間延遲，從另外角度可以認為，增加玉米行數的間作處理中，麥收后玉米的恢復性生長是間作優勢產生的主要原因。

表3 不同帶型下小麥間作玉米的經濟效益分析Table 3 Economic benefit of intercropped wheat and maize under different rows arrangement 元/hm2

圖3 不同帶型下小麥相對玉米的種間競爭力Fig.3 Competitive of wheat to maize under different rows arrangement

圖4 不同帶型下小麥間作玉米的相對擁擠指數Fig.4 Relative crowding coefficient of wheat and maize under different rows arrangement

間作組分作物相對擁擠指數在不同生育時期均表現為Kw>1>Km，說明在小麥間作玉米共生期間，小麥始終處于競爭優勢低位，為競爭優勢作物，玉米處于競爭劣勢低位，為競爭劣勢作物。共生期間，除小麥拔節期外(5月6日)，間作小麥相對擁擠指數Kw均為W6M2>W6M3>W6M4，W6M2處理Kw最大值出現的時間為小麥灌漿后期，而W6M3和W6M4處理Kw最大值出現的時間都為小麥灌漿初期。間作小麥相對擁擠指數Km隨帶型的變化對應與Kw，除小麥拔節期外，Km均為W6M2

2.6 小麥相對玉米種間競爭力與產量和收獲指數間的相關關系

種間競爭力、相對擁擠指數與產量和收獲指數間的關系表明(表4)，種間競爭力與籽粒產量、生物產量和玉米收獲指數呈顯著正相關關系，與小麥收獲指數呈負相關關系，相對擁擠指數與種間競爭力、籽粒產量、生物產量和玉米收獲指數呈負相關關系，與小麥收獲指數呈正相關關系。

考慮到小麥相對玉米種間競爭力與產量呈顯著正相關關系，以小麥相對于玉米全生育期競爭力的平均值為自變量，以間作復合群體的產量為因變量研究競爭力和產量間的相關關系(圖5)。結果表明，復合群體產量與種間競爭力呈顯著的線性增長關系。說明在不同帶型間作下，種間競爭力的增加有利于復合群體產量的提高，在限制性資源供給生長條件下，間作小麥和間作玉米對資源需求的時空差異，為通過增大相對競爭力而提高產量提供了保障。因此，通過帶型調控小麥-玉米間作復合系統中種間相對競爭力是增加系統產量的一種可行途徑。

表4 競爭力與產量和收獲指數間的相關系數Table 4 Correlation coefficients among competitiveness, yield, and harvest index

注：*表示顯著相關(P<0.05)，**表示極顯著相關(P<0.01)。
Note: * means significantly different among treatments(P<0.05), ** means significantly different among treatments(P<0.01).

圖5 小麥相對玉米競爭力與產量的相關關系Fig.5 Linear fit of competitive and yield of wheat and maize under different treatments

3 結論與討論

優化間作體系帶型配置的本質是通過改變間作體系中作物的空間配置，從而改變間作配對作物對于資源的利用以及產量的形成。因此，合理的空間結構能夠改善群體冠層的光照、溫度、濕度和CO2等微環境，對復合群體增產增效具有重要作用[16]。高陽等[17]研究表明，玉米/大豆間作中，增加玉米行數有助于擴大光合面積，增加光合有效輻射，提高群體光合速率，減少群體呼吸消耗，從而提高籽粒產量。劉正芳等[18]研究帶型對玉米/豌豆光合利用率的影響，認為增加玉米行數能夠顯著提高群體的葉日積，增大光能利用率，提高群體產量。本研究得出與以上相符的結果，W6M4和W6M3小麥/玉米較W6M2能夠顯著提高群體產量和經濟效益。帶型配置關系著間作組分作物間的平衡增產，郜慶爐等[14]認為，隨著帶幅的加寬，帶窄作物產量下降，帶寬的作物產量增加，帶寬作物的產量增加能否補償帶窄作物產量的下降是間作成敗的關鍵。這與本研究結果一致，本研究中玉米行數的增加顯著提高間作玉米的產量，很好地彌補間作小麥產量的減少，使得間作群體的間作優勢得以擴大。

W6M4間作的資源利用效率最高，土地當量比、時空當量比和土地利用率分別較單作高23.8%、28.9%和12.3%。6∶4帶型配置下獲得較大間作優勢的主要原因是較大的帶幅降低作物對光能、水分和養分等的競爭，Rao[15]于2002年也得出相同的結論。不同帶型下，隨著小麥相對玉米競爭力增加，間作群體產量呈線性增加關系，說明在玉米行比增加的前提下，通過增加小麥相對玉米種間競爭力進一步提高群體產量是可行的[19]。小麥-玉米共生期間，間作小麥相對擁擠指數大于1，而間作玉米相對擁擠指數小于1，說明在小麥間作玉米體系中，小麥為競爭優勢作物，適度提高共生期間小麥對資源的競爭力對復合群體產量提高是有益的，因為間作玉米在小麥收獲后能夠在時間上和空間上合理地利用資源，得以迅速生長，表現出較強的恢復性生長[20]。

適宜的間作帶型因作物組合、密度、土壤以及物候的不同而不同[21]，因而通過種間競爭力探究間作最優化空間結構對間套作增產、高效具有重要意義。本研究僅從間作體系中帶型變化對間作體系產量的影響進行初步分析，而對于作物帶型變化影響作物對地上部、地下部空間資源利用的機理研究，如帶型改變對作物光能利用的影響、地下部養分資源利用的變化均未涉及，此類研究有待于在今后的工作中開展。

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(責任編輯：郭柏壽 Responsible editor:GUO Baishou)

Effects of Rows Arrangement on Yield and Interspecific Competition of Intercropped Wheat and Maize.

CHEN Guodong1,WAN Sumei1, FENG Fuxue2,CHAI Qiang2, ZHAO Hongfu2and CHEN Jinfeng2.

(1.College of Plant Science and Technology, Tarim University, Alar Xinjiang 843300,China; 2.Gansu Provincial Key Lab of Arid-land Crop Science,Lanzhou 730070,China)

In a field experiment, the response of interspecific competition and crop yield to different wheat to maize row ratio (6∶2, 6∶3 and 6∶4) in wheat/maize intercropping system was investigated. The results showed that land equivalent ratio of each treatment exceeded 1, and had a significant yield advantage. Yield advantage increased with the increase of maize row,LER,ATERandLUE% of 6∶4 (W6M4) were 3.5%, 5.2% and 4.3% , respectively higher than 6∶4 (W6M3), and 3.0% , 8.1%, and 5.2% higher than 6∶2 (W6M2) treatment. Aggressiveness of wheat to maize (Awm) could been significantly improved by increase of maize row.Awmof W6M4 were, respectively, 7.3% and 14.1% higher than W6M3 and W6M2 treatment. Positive linear relations betweenAwmand yields of intercropping system were observed in the field experiment. Therefore, improving wheat/maize competitiveness in a moderately way in intercropping systems could increase yield.

Rows arrangement; Intercropping; Yield; Competition

2016-07-25 Returned 2016-10-08

National Natural Science Foundation of China(No.31360323); National Science and Technology Support Program (No. 2012BAD14B10); President Fund Project of Tarim University (No.TDZKJC201606).

CHEN Guodong，male，associate professor.Research area：theory and technique of high-yield cultivation.E-mail：chengd_@126.com

CHAI Qiang，male，professor.Research area：teaching and research on multiple cropping,conservation agriculture and water-saving agriculture.E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

日期：2017-06-29

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20170629.1108.018.html

2016-07-25

2016-10-08

國家自然科學基金(31360323)；國家科技支撐計劃(2012BAD14B10); 塔里木大學校長基金(TDZKJC201606)。

陳國棟，男，副教授，研究方向為作物高產栽培理論與技術。E-mail:chengd_@126.com 通信作者：柴 強，男，教授，研究方向為多熟種植、保護性農業及節水農業。E-mail: chaiq@gsau.edu.cn

S344.2

A

1004-1389(2017)07-0990-08