玉米大豆間作模式下干物質積累和產量的邊際效應及其系統效益

趙德強，李彤，侯玉婷，元晉川，廖允成

（西北農林科技大學農學院，陜西楊凌 712100）

0 引言

【研究意義】土地資源緊缺是當今農業生產面臨的突出問題，要保證我國糧食安全就必須進一步提高現有土地的生產效率，間作種植模式作為古代中國農業的精華，仍然可以為現今農業生產提高土地生產力做出貢獻[1]。大面積連續種植單一作物容易造成土地養分偏耗、加速土壤退化、更容易受到病蟲害的威脅[2]，而間作種植能保持農田生態系統物種多樣性、維持生態系統穩定性、提高資源利用效率[3]，此外多樣化的糧食產出也可以幫助資金和勞力有限的農民應對復雜多變的農產品市場[4]。加強間作種植技術的研究和知識儲備也符合國家“藏糧于地，藏糧于技”的糧食戰略[5]。【前人研究進展】玉米大豆間作基于作物高矮搭配合適、養分喜好不同和大豆的固氮作用等優勢，被認為是更高效的間作系統[6]。普遍研究認為，玉米大豆間作系統可提高作物的光合效率[7]和養分吸收[8]，有利于提高作物生物量和產量，表現出較強的土地生產力優勢[9]。也有研究發現，間作大豆受玉米遮陰影響光合速率降低，產量下降[10]。張曉娜等[11]研究表明，間作提高了干物質積累速率，提高了玉米籽粒分配率，降低了大豆籽粒分配率；而崔亮等[12]研究認為間作提高了大豆籽粒分配率。因此，玉米大豆間作系統中，作物的干物質積累與分配規律有待進一步研究。【本研究切入點】較多學者已對間作系統中作物光合效率、氮磷養分利用、產量構成和土壤微生物等方面做了較多研究，對間作作物的生長規律提出了合理的解釋。但由于研究區域和管理措施不同，難以在同一水平下進行相互比較總結規律，此外，對間作邊際效應研究多集中于 2種作物總體，沒有細化到間作系統中每一行作物，關于邊際效應對作物營養器官物質輸出的研究也鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以不同行比的玉米大豆間作為研究對象，系統研究不同行比下玉米和大豆行際間的邊際效應，結合作物干物質積累和營養器官物質輸出，探明不同作物配比對間作效應的影響，明確間作效應的范圍和強度，總結邊際效應和干物質分配之間的規律，以期為構建高產優質高效的間作模式提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在中國陜西省楊陵區西北農林科技大學曹新莊試驗農場（N34°18′21″，E34°5′34″）進行，該區屬于黃土高原南部，氣候類型為溫帶大陸季風氣候，年均氣溫13.2℃，年均降水量633 mm，其中50%—60%降雨量集中在8—10月。土壤類型為塿土，pH為7.8，土壤有機質含量 14 g·kg-1，全氮含量 1.04 g·kg-1，速效磷含量 18 mg·kg-1，速效鉀含量 129 mg·kg-1。2017年生育期內降水 235.0 mm，2018年生育期內降水837.3 mm。

1.2 試驗設計

如圖1所示，試驗設置了6行玉米6行大豆間作（6M6S）、6行玉米3行大豆間作（6M3S）、3行玉米 6行大豆間作（3M6S）、3行玉米 3行大豆間作（3M3S）、單作玉米（CKM）和單作大豆（CKS）6個處理， 3次重復，共18個小區，小區面積為132 m2（22m×6m）。間作處理中，玉米帶和大豆帶相鄰各行依次記為 I、II和 III行。6M6S、6M3S、3M6S、3M3S處理中玉米種植面積的百分比分別為50.0%、66.7%、33.3%、50.0%，大豆種植面積的百分比分別為50.0%、33.3%、66.7%、50.0%。

供試品種為陜單 609（玉米）和陜豆 125（大豆），于2017年6月18日和2018年6月15日進行播種，采用穴播的方式，玉米和大豆的行距均為60 cm，株距均為15 cm，玉米帶和大豆帶之間的距離為60 cm。供試肥料為尿素、磷酸二銨、硫酸鉀，于整地前撒施，施肥量為 180 kg N·hm-2，58 kg P2O5·hm-2，30 kg K2O·hm-2。試驗小區種植是按照玉米大豆自西向東依次安排，保證大豆的光照條件。

1.3 取樣方法與項目測定

2017年于玉米的 4葉期（V4）、吐絲期（R1）和成熟期（R7）取樣，分別對應大豆的分枝前期（V4）、盛花期（R2）、成熟期（R7）。2018年于玉米的 3葉期（V3）、拔節期（V6）、大喇叭口期（V12）、吐絲期（R1）、灌漿期（R3）和成熟期（R7）取樣，分別對應大豆的苗期（V3）、分枝前期（V4）、分枝后期（V5）、盛花期（R2）、鼓粒期（R5）和成熟期（R7）。取樣時每個小區選擇生長發育一致、葉片完整的健康植株，取4株齊地面砍倒，按器官分樣，經烘箱105℃殺青60 min，85℃烘干至恒重，稱重用于測定植株干物質積累量。

在成熟期取樣，單作處理選取相鄰的2行，去除行兩頭的各3株植株，其余植株齊地面完整收回實驗室用于測定生物量；籽粒不烘干，掛置于風干棚內晾曬至含水率為 14%時稱重，計算產量。間作處理的 I行、II行和III行分開取樣，于各小區內共收取2行，其他操作方式與單作相同。

1.4 計算方法

1.4.1 生物量和產量測定 單位面積間作生物量TBMS=BIM×μM+BIS×μS[13]。式中，TBMS為間作生物量，BIM為間作玉米生物量，BIS為間作大豆生物量，μM為間作玉米種植面積的百分比，μS為間作大豆種植面積的百分比，將公式中生物量改為產量計算間作產量（TYMS）。

1.4.2 作物干物質積累速率計算 干物質積累速率=2次取樣地上部干物質積累量的差值/2次采樣時間間隔。

1.4.3 土地當量比計算 土地當量比（LER）作為衡量土地利用效率大小的重要指標之一，當其＞1時，表明提高了土地利用效率，間作系統有間作優勢；當其＜1則表明間作體系降低了土地利用效率，表現為間作劣勢。生物量土地當量比 LERBMS= LERBM+LERBS=BIM/BSM+BIS/BSS[14]。式中，LERBMS為生物量土地當量比，LERBM為玉米偏生物量土地當量比，LERBS為大豆偏生物量土地當量比，BSM為單作玉米生物量，BSS為單作大豆生物量。將公式中生物量改為產量計算間作產量土地當量比（LERYMS）。

圖1 間作種植示意圖Fig. 1 Schematic diagram of intercropping planting

1.4.4 種間相對競爭力計算 種間相對競爭力（A）用于衡量間作系統中一種作物相對于另一種作物對光溫水肥等自然資源競爭能力的大小，本文只計算了玉米相對于大豆的資源競爭能力大小（AMS），當其＞0表明玉米對資源的競爭能力大于大豆，當其＜0表明玉米對資源的競爭能力小于大豆。生物量種間相對競爭力ABMS=BIM/(BSM×μM)-BIS/(BSS×μS)[15]。式中，ABMS為玉米相對于大豆的生物量種間相對競爭力。將公式中生物量改為產量計算間作產量種間相對競爭力（AYMS）。

圖2 不同種植模式下單株干物質積累速率和積累量Fig. 2 The per plant dry matter accumulation rate and amount under different planting patterns

1.4.5 營養器官物質輸出量、輸出率和貢獻率計算輸出量=該器官最大干重-該器官成熟時干重[16]，輸出率=（該器官最大干重-該器官成熟時干重）/該器官最大干重×100%[16]，貢獻率=（該器官最大干重-該器官成熟時干重）/籽粒干重×100%[16]。

1.5 數據分析

采用Excel 2017進行數據整理，用SPSS 19進行數據方差分析，用Origin 8繪圖。

2 結果

2.1 不同種植模式下作物干物質積累動態以及生物量和產量

如圖2所示，隨著生育期推進，玉米和大豆的干物質積累量逐漸增加，不同田間配置處理直接影響玉米和大豆干物質的積累。由圖 2-A、C可知，各處理玉米干物質積累量在拔節期前差異不顯著，從大喇叭口期之后變化趨勢為 3M6S＞6M6S＞3M3S＞6M3S＞CKM，成熟期3M6S處理在2017和2018年比CKM分別高52.63%和51.85%。玉米干物質積累速率為單峰曲線，在吐絲期達到最大，2年分別達到 3.54 g·d-1和 6.89 g·d-1，其中 2018年試驗中3M6S處理達到9.33 g·d-1，比CKM高 77.04%。由圖2-B、D可知，盛花期后6M6S和3M6S處理的大豆干物質積累量高于CKS，其中成熟期時比CKS高了 10.43%和 13.48%；3M3S處理的大豆干物質積累量最低，其中成熟期時比CKS低了15.48%。大豆干物質積累速率呈現雙峰曲線，在分枝后期和鼓粒期較高，2018年試驗中分別達到 1.11 g·d-1和1.19 g·d-1。2018年盛花期時，各間作處理大豆的干物質積累速率低于分枝后期和鼓粒期，平均只有0.53 g·d-1，比 CKS 低了 58.49%。

圖3 不同種植模式下作物生物量和產量Fig. 3 The biomass and yield under different planting patterns

圖3結果表明，間作系統中，玉米在生物量和產量中占主導地位，且在產量中的占比高于生物量。各處理生物量和產量的高低與玉米的種植占比相同，均為 CKM＞6M3S＞6M6S＞3M3S＞3M6S＞CKS。6M6S和3M3S處理中玉米和大豆種植比例均為1∶1，但前者生物量和產量高于后者，主要貢獻來自大豆。間作處理中，6M3S處理的玉米生物量和產量最高，分別達到 15 299.35 kg·hm-2和 7 553.38 kg·hm-2，為 CKM的88.63%和88.95%；3M6S處理的大豆生物量和產量最高，分別達到 5 519.02 kg·hm-2和 1 926.13 kg·hm-2，為CKS的75.65%和75.57%。

2.2 不同行比玉米大豆間作的單株干物質積累量及邊際效應

如圖4所示，2年試驗中，間作處理各行玉米單株干物質積累量顯著高于CKM，除6M3S處理外，均呈現距離大豆帶越遠單株干物質積累量越低的趨勢；6M6S和3M6S處理的III行大豆單株干物質積累量高于CKS，除3M6S處理外，I行大豆單株干物質積累量低于CKS。間作作物的單株干物質積累量表現出邊際效應（圖5），玉米在大喇叭口期之后變化趨勢為I行＞II行＞III行＞單作，且除2018年灌漿期外，各行玉米的單株干物質積累量總是顯著高于單作；大豆在分枝后期之后變化趨勢為III行＞II行＞單作＞I行，且II行、III行與單作之間差異顯著。成熟期時，間作玉米 I行、II行和 III行的單株干物質積累量分別為CKM 的 149.48%、137.15%和 130.34%，間作大豆 I行、II行和III行分別為CKS的89.18%、106.02%和117.11%。

圖4 不同種植模式下成熟期I、II、III行單株干物質積累量Fig. 4 The per plant dry matter accumulation of I, II, and III row at maturity under different planting patterns

2.3 不同行比玉米大豆間作的單株產量及邊際效應

各處理的各行單株產量規律（圖6）與各行單株干物質積累量（圖4）規律基本一致，其中3M6S處理 II行玉米的單株產量顯著高于其他間作處理的 II行玉米，II行大豆的單株產量也高于其他間作處理的II行大豆。從圖7可知，間作各行玉米表現出距離大豆帶越遠，單株產量降低的趨勢，I行、II行和 III行的單株產量分別為 CKM的 151.43%、138.51%和130.84%；各行大豆則相反，表現出距離玉米帶越遠，單株產量升高的趨勢，I行、II行和III行的單株產量分別為CKS的90.22%、104.16%和109.03%。

2.4 不同行比玉米大豆間作對土地當量比和種間相對競爭力的影響

表1中2年所有間作處理的LERYMS和LERBMS均大于1，2017和2018年最高的3M6S處理分別為1.33和1.27，最低的3M3S處理分別為1.13和1.09。所有間作處理的AMS均大于0，2017年試驗中AYMS和ABMS最高的3M6S處理分別為0.66和0.61，最低的3M6S處理分別為0.39和0.38；2018年試驗中AYMS最高的6M3S處理為0.51，最低的6M3S處理為0.28，ABMS最高的 3M3S處理為0.44，最低的6M3S處理為0.20。

2.5 不同種植模式下作物莖葉干物質積累及輸出規律

如表2所示，玉米葉干物質量到吐絲期或灌漿期時達到最大，成熟期時有所下降。間作提高了玉米葉的輸出量，各行輸出量隨著距離大豆帶越遠呈增加的趨勢。2017年玉米葉的干物質輸出率和貢獻率均高于CKM，且均隨著距離大豆帶越遠呈降低的趨勢，而 2018年卻相反。2017年間作處理的 I行輸出率最高，達到23.3%，2018年CKM的輸出率最高，達到26.8%。2017年間作處理的I行貢獻率最高，為14.2%，2018年CKM的貢獻率最高，為19.1%。

表1 不同行比玉米大豆間作下土地當量比和種間相對競爭力變化Table 1 The dynamic of LER and AMS under maize/soybean intercropping with different row ratios

表3中玉米莖的輸出量、輸出率和貢獻率均高于玉米葉，2年平均分別高了 12.0 g/plant、21.3%和11.3%。間作處理玉米莖的輸出量高于CKM，且隨著距離大豆帶越遠呈降低的趨勢；輸出率也隨著距離大豆帶越遠呈降低的趨勢，且 III行玉米的輸出率低于CKM；只有2018年II行玉米的貢獻率高于CKM。

如表 4所示，大豆莖葉的輸出量和輸出率均低于玉米，分別只有7.4 g/plant和19.8%，但是貢獻率均高于玉米，平均達到27.8%。間作II行和III行的大豆輸出量均高于CKS，其中II行的輸出量最高，2017和 2018年分別為 9.02 g/plant和8.85 g/plant。2017年試驗中只有間作 II行的大豆輸出率和貢獻率高于 CKS，2018年間作各行大豆的輸出率和貢獻率均高于CKS，且隨著距離玉米帶的遠近呈降低的趨勢。

3 討論

3.1 間作種植下作物干物質積累特點及與產量的關系

張曉娜等[11]研究結果表明玉米大豆間作中玉米處于競爭優勢地位，干物質積累速率和積累量高于單作，間作大豆卻同時表現出高于或低于單作兩種情況。本研究結果與之相同，此外本研究中AMS＞0，表明玉米處于競爭優勢地位，大豆處于競爭劣勢地位。PRASAD等[17]研究表明間作玉米有更充足的光照，提高了干物質積累速率，而間作大豆受到遮陰影響，干物質積累速率下降，本試驗中玉米吐絲期（大豆盛花期）時，間作玉米的干物質積累速率比單作平均高了30.97%，間作大豆比單作平均低了19.04%，其他生育時期間作玉米和大豆的平均干物質積累速率均高于單作。由于玉米的收獲指數要高于大豆[18]，本研究中所有間作處理中玉米在產量中的占比均大于在生物量中的占比。王竹等[19]和LESOING等[20]研究發現大幅寬種植減弱了作物之間的競爭，緩解了大豆的遮陰問題，減少了玉米對大豆的資源掠奪，有利于提高間作系統的生物量和產量，尤其是大豆的。本研究中大幅寬種植的6M6S處理中玉米產量占比達到91.1%，為CKM產量的 88.7%，遠遠高于小幅寬種植的 3M3S處理。GAO等[21]、HAUGGAARD-NIELSEN 等[22]和 HE 等[23]研究認為小帶寬玉米帶保證了間作玉米的充足光照和通風，同時玉米的根系可以充分延伸到大豆條帶吸收養分，大帶寬大豆種植避免了鄰近玉米的遮光。本試驗中大幅寬玉米小幅寬大豆種植的3M6S處理具有最高的相對生物量和產量。

3.2 玉米大豆間作的邊際效應分析

REN等[24]研究表明玉米大豆間作提高了作物干物質積累速率和積累量，生物量和產量高于單作種植，表現出間作優勢。本試驗采用每一行取樣的方法，細致分析了玉米大豆的間作效益，發現與大豆間作能顯著提高玉米I行的干物質積累速率和積累量，對II行和III行也有一定的促進作用，除3M6S處理外，間作大豆的I行均表現出生長受到抑制，II行、III行大豆均表現出生長促進作用。范元芳等[25]研究認為玉米大豆間作時，大豆受到鄰近玉米的遮光影響；王一等[26]研究認為大豆花期以后遮陰降低了葉片最大光合速率，降低了單株粒重；本研究中遮陰是I行大豆干物質積累量和產量降低的主要原因。高陽等[27]對玉米大豆間作系統根系分布規律的研究發現，玉米根系可以向大豆帶延伸200—300 cm，HAUGGAARD-NIELSEN等[28]和KESSEL等[29]對玉米大豆間作氮阻遏和氮轉移效應的研究發現，玉米對大豆的養分掠奪可以提高大豆自身固氮作用，是玉米大豆間作優勢或劣勢的重要原因，這也表明本研究中玉米和大豆的間作效應可以到達內部第 III行 180 cm處。本試驗中3M6S處理的I行大豆生長沒有受玉米抑制，可能是由于該處理中玉米占比較少，玉米對大豆帶的養分掠奪沒有造成大豆養分缺乏，反而有助于大豆氮阻遏效應的解除，使得2種作物均獲得了最高的單株生物量和產量。

表2 不同種植模式下玉米葉干物質量積累及輸出規律Table 2 The dynamic in drymatter accumulation andremobilization of maize leaves between different planting patterns

表3 不同種植模式下玉米莖干物質量積累及輸出規律Table 3 The dynamic in drymatter accumulation and remobilization of maize stems between different planting patterns

續表3 Continued table 3

表4 不同種植模式下大豆莖葉干物質積累及輸出規律Table 4 The dynamic in dry matter accumulation and remobilization of soybean stems andleaves between different planting pattern

圖6 不同種植模式下I、II、III行成熟期單株產量Fig. 6 The per plant yield at maturity under different planting patterns

圖7 不同種植模式下成熟期邊際單株產量Fig. 7 The marginal per plant yield under different planting patterns

3.3 玉米大豆間作模式下莖葉干物質積累和轉運規律

作物葉片和莖稈的光合產物輸出是籽粒營養物質的重要來源，隋鵬祥等[30]和徐田軍等[31]研究表明玉米莖葉轉運的營養物質占籽粒重量的29.6%；唐江華等[32]研究表明大豆莖葉轉運的營養物質占籽粒重量的 36.8%。本研究與齊文增等[33]和閆艷紅等[34]研究結果一致的是玉米和大豆的莖葉干物質積累量均在吐絲期和鼓粒期達到最大，之后隨著營養物質轉運至籽粒而下降。莖稈和葉片是作物主要的光合器官，其光合產物向籽粒運輸形成產量，因此較高的莖葉干物質積累量是保證較高輸出量的前提，本研究中玉米和大豆的莖葉輸出量總是隨著干物質積累量的增加而增加。玉米大豆間作條件下，作物光照條件[35]、土壤養分狀況[36]以及農田小氣候[37]均發生改變，對作物干物質積累和轉運產生影響，而且受籽粒發育狀況[38]和輸出路徑暢通程度[39-40]等諸多因素影響，莖葉的輸出率和貢獻率表現出多變規律，本研究結果也是如此。此外間作處理中，間作大豆I行的輸出量、輸出率和貢獻率較低可能是由于受玉米遮光影響，大豆將更多的光合產物用于莖稈的伸長[41]。

4 結論

本研究圍繞玉米大豆間作不同行比配置，分析作物干物質積累和產量的邊際效應及系統收益，結果表明玉米和大豆間作提高了玉米的干物質積累速率和積累量，也提高了大豆的干物質積累量，但降低了大豆盛花期時的干物質積累速率。間作提高了土地當量比，其中玉米的貢獻大于大豆，本研究條件下3M6S處理生產效率最高。玉米大豆間作表現出強烈的邊際效應，間作玉米的 I行、II行和 III行，以及間作大豆的 II行和III行均表現為間作優勢，間作大豆I行為間作劣勢。莖葉較高的干物質積累量是保證向籽粒輸出更多營養的前提，間作提高了莖葉干物質輸出量，但莖葉輸出率和貢獻率受多種因素影響，其分配規律還需進一步研究驗證。