引用本文
赵建华, 孙建好, 陈亮之. 三种豆科作物与玉米间作对玉米生产力和种间竞争的影响. 草业学报, 2020,29(1): 86-94
ZHAO Jian-hua, SUN Jian-hao, CHEN Liang-zhi. Productivity and interspecific competition of maize intercropped with faba bean, soybean or pea. Acta Prataculturae Sinica,2020,29(1): 86-94  
Doi:10.11686/cyxb2019119
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三种豆科作物与玉米间作对玉米生产力和种间竞争的影响
赵建华, 孙建好*, 陈亮之
甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所,甘肃 兰州 730070
*通信作者. E-mail: sunjianhao@126.com

作者简介:赵建华(1980-),男,内蒙古额济纳旗人,副研究员,博士。E-mail: zhaojianhuatt@163.com

收稿日期: 2019-02-10
基金项目:国家重点研发计划(2017YFD0201808-02)资助
摘要

合理的种间配置是间作系统中作物获取高产,种间相互作用发挥优势的关键。本研究设置蚕豆/玉米(M/F)、大豆/玉米(M/S)和豌豆/玉米(M/P) 3种豆科作物与玉米间作模式,以及相应单作种植,通过测定单间作条件下作物产量、生物量,明确3种豆科作物与玉米间作对间作玉米生产力和间作作物种间资源竞争力的影响。结果表明,3种间作模式均具有间作优势,土地当量比(LER)均大于1,两年平均土地当量比分别为1.38 (M/F)、1.19 (M/S)、1.26 (M/P);两年结果均是M/S中玉米产量最高,至收获期,与大豆间作的玉米产量可达单作玉米产量的93.6% (2017)和71.2% (2018);M/S中玉米的穗粒数显著高于M/F和M/P中;地上部生物量及采样期平均生长速率均表现为M/S>M/P>M/F;共生期内大豆相对于玉米的资源竞争力(Asm)随共生期推进逐渐降低,而蚕豆相对于玉米的竞争力(Afm)和豌豆相对于玉米的竞争力(Apm)逐渐升高;玉米单独生长时期3种间作模式玉米的补偿效应(CE)无显著差异,各间作模式两年平均CE值均小于1;因此,在本试验条件下,甘肃河西走廊灌区玉米与大豆间作是保证间作玉米稳产的有效措施。

关键词: 玉米/豆科作物间作; 产量; 种间竞争; 生态位; 生长
Productivity and interspecific competition of maize intercropped with faba bean, soybean or pea
ZHAO Jian-hua, SUN Jian-hao*, CHEN Liang-zhi
Institute of Soil Fertilizer and Water-saving Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China
*Corresponding author. E-mail: sunjianhao@126.com
Abstract

A key factor for obtaining high yield and advantages of interspecific interaction when intercropping is the selection of compatible intercrop species. A field experiment was conducted with three intercropping species combinations: maize/faba bean (M/F), maize/soybean (M/S) and maize/pea (M/P), and the corresponding sole crops. Yield and biomass data for the three intercrop combinations and the four sole species were collected to define the effect of the three legume crops on the productivity and competition dynamics of the legumes when intercropped with maize. The results showed an obvious intercropping advantage for all three legumes intercropped with maize. Land equivalent ratio (LER) values averaged over two seasons were 1.38, 1.19, and 1.26 for M/F, M/S and M/P, respectively. The greatest harvest yield of intercropped maize was obtained from M/S intercropping. At harvest, the yield of maize intercropped with soybean (M/S) was 93.6% (2017) and 71.2% (2018) of sole maize (SM), respectively; Additionally, M/S produced more grains per ear than M/F or M/P. The aboveground biomass and average growth rate during the sampling stage of intercropped maize ranked: M/S>M/P>M/F. The aggressivity of soybean relative to maize (Asm) decreased, and the aggressivity of faba bean relative to maize (Afm) and of peas relative to maize (Apm) increased during co-growth period. There was no significant difference in compensation effect (CE) between the three intercropping patterns during early growth of maize, and the average CE value over the two years was below 1. Therefore, based on the present study, maize intercropped with soybean is an efficient intercrop combination in the Hexi Corridor of Gansu Province.

Keyword: maize/legumes intercropping; yield; interspecific competition; niche; growth

间作套种是我国传统农业的精髓, 其具有增加农田生物多样性, 提升土地生产力, 高效利用环境资源, 防止病虫害等多种生态功能[1, 2, 3]。甘肃河西走廊灌区是间作套种较为集中的区域, 特别是玉米与豆科作物的间作套种较为普遍, 像是豌豆(Pisum sativum)/玉米(Zea mays)[4], 蚕豆(Vicia faba)/玉米[5], 大豆(Glycine max)/玉米[6]等都是该区域较为常见的间作套种模式。

豆科作物与禾本科作物间作, 由于豆科作物自身固氮作用可促进禾本科作物的资源高效利用和生产力提升, 这已被广泛研究[7, 8, 9]; 李玉英等[10]研究发现在蚕豆/玉米间作系统中, 间作与单作相比, 玉米产量增幅达16%; Chen等[11]研究发现不同施氮水平下大豆/玉米套作相比单作的生产力和土地高效利用更具优势, 土地当量比(land equivalent ratio, LER)变化区间为1.85~2.20。吴科生等[12]研究施氮条件下豌豆/玉米间作系统无机氮的分布发现, 玉米收获后与单作玉米(sole maize, SM)相比, 间作玉米0~60 cm土层无机氮累积量降低9.4%。以上研究均表明豆科作物与玉米间作具有提升玉米产量及土壤养分高效利用的优势, 加之两种作物种植在一起由于资源需求特性不同而产生时空生态位的分离, 从而促成了种间相互作用对相关资源的高效利用, 这正是间作优势发挥的内在驱动[13], 因此, 不同作物与玉米间作, 对玉米的生长及产量必然造成不同的影响[14]。同样地, 不同的豆科作物与玉米间作也会对玉米产生不同的影响; 叶优良等[15]对比豌豆、大豆、蚕豆和玉米间作条件下的水分利用发现蚕豆/玉米间作相对于单作水分用量较少; Li等[16]对小麦(Triticum aestivum)、蚕豆、大麦(Hordeum vulgare)与玉米间作对玉米产量的影响的研究发现, 玉米与蚕豆间作增产, 而与小麦和大麦间作减产; 这正是不同作物与玉米间作造成的生态位时空分异, 从而引起作物种间互作效应(竞争与互补)程度不同所造成的系统生产力差异, 作物生长和种间竞争力差异[17, 18, 19]。不同的豆科作物与玉米间作, 由于豆科作物生物性状和生长期长短差异, 与玉米存在时空分异, 这必然对间作玉米生产力、豆科作物与玉米之间的资源竞争力产生影响, 以往的研究多关注单一豆科作物与玉米间作系统生产力和资源利用, 以及不同豆科作物与玉米间作收获后产量及资源利用情况, 而对于不同豆科作物与玉米间作后, 由共生期差异引起的玉米生产力、生长以及间作作物的种间资源竞争力的变化少有关注; 因此, 本研究选取蚕豆、大豆和豌豆与玉米间作, 探明不同豆科作物与玉米间作对玉米产量形成、生长和种间资源竞争力的影响, 研究结果可为河西走廊灌区豆科作物与玉米间作模式合理种间配置提供理论借鉴。

1 材料与方法
1.1 试验区概况

试验于2017和2018年在甘肃省农业科学院张掖节水农业试验站进行(N 38° 56', E 100° 26'), 地处甘肃省河西走廊中部的张掖市, 海拔1570 m, 年平均日照时数3085 h, 昼夜温差13.00~16.07 ℃, 年平均气温7 ℃, ≥ 0 ℃年积温3388 ℃, ≥ 10 ℃年积温2896 ℃, 无霜期153 d。0~200 cm平均土壤容重为1.376 g· cm-3, 年平均蒸发量2075 mm, 年降水量不足130 mm, 干旱指数达10.3, 属于典型干旱灌溉农业区, 具有西北绿洲灌溉农业区的典型特征; 地下水埋深68~73 m, 地下水位年变幅1.0 m左右; 土壤质地为沙质壤土, 有机质17.9 g· kg-1, 速效氮128.8 mg· kg-1, 速效磷24.7 mg· kg-1, 速效钾82.0 mg· kg-1, pH值8.2。

1.2 试验设计

试验包括3种间作模式, 分别为豌豆/玉米(pea/maize, M/P)、蚕豆/玉米(faba bean/maize, M/F)和大豆/玉米(soybean/maize, M/S), 同时设置相应的单作种植。随机区组排列, 重复3次; 小区面积6.5 m× 5.5 m=35.75 m2, 每小区设置3个间作组合带, 间作带幅2.1 m。豌豆/玉米7:2种植, 即7行豌豆, 2行玉米, 豌豆行距20 cm, 株距20 cm; 蚕豆/玉米和大豆/玉米均5:2种植, 即5行蚕豆(大豆), 2行玉米, 蚕豆(大豆)行距30 cm, 株距20 cm; 豆科作物单间作种植规格一致; 间作玉米行距30 cm, 株距12.5 cm, 单作玉米宽窄行种植, 窄行行距30 cm, 宽行行距75 cm, 株距25 cm。玉米单间作种植密度一致, 75000株· hm-2(图1)。

图1 作物种植示意图Fig.1 Diagram of crops planting in different crop patterns in plots

2017年:豌豆和蚕豆播种时间为2017年4月5日, 大豆和玉米为2017年4月25日, 收获时间分别为豌豆2017年7月7日、蚕豆2017年8月5日、大豆2017年8月26日、玉米2017年9月28日。玉米出苗时间为2017年5月10日, 豌豆、蚕豆、大豆和玉米的共生期分别为59、85和109 d; 2018年:豌豆和蚕豆播种时间为2018年3月26日, 大豆和玉米为2018年4月19日, 收获时间分别为豌豆2018年7月6日、蚕豆2018年8月4日、大豆2018年8月28日、玉米2018年10月4日, 玉米出苗时间为2018年5月6日, 豌豆、蚕豆、大豆和玉米的共生期分别为62、90和114 d。

施肥量为N 300 kg· hm-2, 其中50%基施, 50%在玉米大喇叭口期追施; P2O5 90 kg· hm-2, 一次性基施。

豌豆、蚕豆、大豆供试品种分别为‘ MZ-1’ 、‘ 临蚕5号’ 和‘ 中黄30’ , 玉米供试品种为‘ 先玉335’ 。播种时采用点播器点播, 出苗后间苗以保证1穴1株。

1.3 样品采集及方法

在作物收获期, 间作以小区中间整带幅收获进行实收测产, 单作按小区中间部位与间作同等收获面积进行计产。同时在作物收获计产带以外随机取样株10株进行产量构成的测量, 通过人工计数及称重测量豆科作物豆荚数、豆粒数、百粒重等; 玉米穗粒数、百粒重等。作物出苗后共生期内每隔10 d, 玉米单独生长期间每隔20 d进行地上部生物量测定。2017年采样时间分别为5月19日、6月3日、6月15日、6月25日、7月5日、7月17日、7月26日、8月6日、8月26日、9月16日和9月28日; 2018年采样时间分别为5月13日、5月23日、6月3日、6月13日、6月23日、7月3日、7月14日、8月3日、8月23日、9月20日和10月4日。采样时, 豆科作物采集样株4株, 玉米采集样株3株, 将鲜样先在105 ℃下杀青1 h, 然后在80 ℃下烘干至恒重后称重。

1.4 数据处理与统计分析

1.4.1 数据计算 土地当量比(land equivalent ratio, LER)常用于衡量间作优势, 其意义在于单作要获得与间作相同的产量所需要的耕地面积[20, 21]。

LER=(Yil/Ysl)+(Yim/Ysm)

式中:Yil和Yim分别代表间作总面积上豆科作物和玉米的产量; Ysl和Ysm分别为单作豆科作物和单作玉米的产量。当LER> 1, 表明间作有优势, 当LER< 1, 为间作劣势。

种间相对竞争力(aggressivity, A)[22, 23]指间作模式中一种作物相对于另一种作物对水分、养分等与产量形成有关资源的竞争力。

Alm=Yil/(Ysl× Zl)-Yim/(Ysm× Zm)

式中:Alm为豆科作物相对于玉米的资源竞争力; Zl和Zm分别为间作豆科作物和间作玉米与其对应单作密度的比值。在本研究中, Zl分别为蚕豆(大豆)0.67, 豌豆0.71; Zm为1, Yil和Ysl分别代表豆科作物间作和单作生物产量, Yim和Ysm分别代表玉米间作和单作生物产量。当Alm> 0, 表明豆科作物竞争力强于玉米; Alm< 0, 玉米强于豆科作物。

补偿效应(compensation effect, CE)指早熟作物收获后, 晚熟作物干物质积累的恢复程度, 是基于作物生长率(crop growth rate, CGR, kg· hm-2· d-1)的恢复效应[24]。

CGR=(W2-W1)/(t2-t1)

CE=CGRI/CGRS

式中:W1、W2 为不同测定时间玉米的干物质累积量, t1、t2 分别为两个不同的测定时间, CGRI和 CGRS分别为间作和单作玉米基于干物质累积量的生长速率。CE> 1表明间作玉米可提高干物质累积速率的补偿效应, 否则相反。

1.4.2 统计分析 采用Microsoft Excel 2013进行数据处理和绘图, 采用SAS 8.0统计分析软件进行显著性分析。

2 结果与分析
2.1 不同豆科作物与玉米间作对生产力及作物产量的影响

2017年M/F中玉米产量显著低于M/S和M/P, M/S模式中玉米产量最高, 分别较M/F和M/P高49.7%和12.7%。 2018年M/S中玉米产量显著高于M/F和M/P, 分别高61.4% 和47.6%; 而M/P和M/F中玉米产量之间无显著差异(表1); 收获期, M/F、M/S和M/P中玉米产量分别占单作玉米产量的62.5%、93.6% 和83.0%(2017年), 44.1%、71.2%和48.3%(2018年)。

表1 不同种植模式作物籽粒产量 Table 1 Grain yield of crops in different planting pattern

两年试验结果表明, M/S模式的混合产量均高于其他两种模式。3种间作模式的土地当量比均大于1, 2017年3种间作模式的土地当量比无显著差异(P=0.4434), 而2018年M/F模式土地当量比显著高于M/S和M/P。两年平均土地当量比分别为1.38(M/F)、1.19(M/S)和1.26(M/P)。

2.2 不同豆科作物与玉米间作对玉米生物学性状的影响

3种豆科作物对间作玉米的穗粒数、百粒重和单株粒重均有显著影响, 而对收获指数无显著影响(表2)。间作玉米穗粒数均显著小于单作玉米, 2017年, 间作玉米穗粒数间无显著差异, 2018年M/S中玉米穗粒数分别比M/F和M/P高出116.2和74.7 粒; 2017年单间作玉米百粒重均无显著差异, 而2018年M/S中玉米的百粒重显著高于M/F和M/P, 但与单作玉米无显著差异。单株粒重变化趋势与穗粒数变化趋势相同。对比来看, M/S中玉米在穗粒数、百粒重和单株粒重方面均高于M/F和M/P。

表2 不同豆科作物对玉米产量构成的影响 Table 2 The yield components of maize as affected different legumes
2.3 不同豆科作物与玉米间作对玉米生长的影响

与3种豆科作物间作的玉米地上部生物量均小于单作玉米(图 2), 采样前期, 各间作模式中玉米生物量无显著差异, 6 月中下旬后, 各种植模式中玉米生物量出现差异, 3种间作模式中, M/S中玉米生物量显著高于M/F和M/P; 至收获期, 玉米生物量均表现为SM> M/S> M/P> M/F, M/F、M/S和M/P中玉米的生物量分别达到SM生物量的77.0%、92.5%、80.1%(2017年)和50.0%、79.8%、56.6%(2018年)。

图2 不同间作模式间作玉米生长动态Fig.2 Dynamic of growth of intercropped maize in different intercropping patterns

进一步核算了采样期生物量平均累积速率, M/F, M/S和M/P中玉米的平均生物量累积速率分别为186.4、224.1、194.1 kg· hm-2· d-1(2017年)和109.9, 175.6, 124.6 kg· hm-2· d-1(2018年)(图2)。两年生长速率的大小排序均为M/S> M/P> M/F。

2.4 不同豆科作物与玉米间作对种间竞争及玉米恢复效应的影响

两年试验结果显示, 豆科作物相对于玉米的资源竞争力(Alm)呈现波动变化, 但大豆相对于玉米的资源竞争力(Asm)随共生期推进逐渐降低, 豌豆相对于玉米的竞争力(Apm)和蚕豆相对于玉米的竞争力(Afm)均呈上升的态势(图3)。2017年, Asm由0.55下降到0.03, Apm从-0.22上升到0.52, Afm从0.20上升到0.32; 2018年, Asm由0.09下降到-0.20, Apm从-0.31上升到0.33, Afm从0.28上升到0.42。

图3 不同间作模式豆科作物相对于玉米的竞争力动态Fig.3 Dynamic of aggressivity of legume crops relative to maize in different intercropping patterns
Apm: Aggressivity of pea relative to maize; Asm: Aggressivity of soybean relative to maize; Afm: Aggressivity of faba bean relative to maize.

Apm表现为共生前期小于0, 随后上升, 至共生后期大于0; Afm整个共生期内测定值均大于0; Asm表现为共生前期较高, 共生后期测定值下降至0甚至小于0。

不同间作模式下玉米补偿效应无显著差异(图4)。玉米的CE值除2017年M/S中大于1以外, 其余均小于1。不同间作模式下两年平均CE值均小于1, 分别为0.77(M/F)、0.92(M/S)和0.70(M/P)。

图4 不同间作模式玉米的补偿效应
不同小写字母表示各间作模式在0.05水平差异显著。Fig.4 Compensation effect of maize in different intercropping patterns
Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among intercropping patterns.

3 讨论
3.1 不同豆科作物与玉米间作对玉米产量及生长的影响

种间配置引起的时空生态位分离是间作系统作物生产力变化的主要原因; 就玉米参与的间作套种而言, 不同的作物与玉米间作不仅会影响玉米产量[25], 而且即便同一间作模式作物种植规格[26, 27], 种植时间[6]等发生变化也会影响玉米产量; 本试验表明, 蚕豆、大豆、豌豆与玉米间作后, 虽然各间作模式的土地当量比大于 1, 相比单作系统, 都表现出明显的间作产量优势; 但是, 并不是间作优势越明显, 其中组分作物的产量就越高; M/F两年的平均土地当量比要高于M/P和M/S, 然而, 其间作玉米的产量下降最严重, 相反地, M/S模式虽不具有较高的土地当量比值, 但是其玉米产量在3种间作模式中最高, 且产量构成因子(穗粒数、百粒重和单株粒重)也显著高于M/F和M/P; 不同作物与玉米配置的影响还表现在玉米的生长上[28, 29], 本研究中, M/S中玉米地上部生物量始终高于M/F和M/P, 且M/S中玉米采样期的平均生长速率要高于M/F和M/P, 也正是相对较高的生长速率促成了高生物, 获得高产。综上, 可能的原因在于3种豆科作物在生长时期上与玉米形成时间错位, 从而影响玉米对于资源的获取, 最终形成产量差异。

3.2 不同豆科作物与玉米间作对种间相互关系的影响

间作系统中早熟作物收获后, 后熟作物在单独生长时期可以得到一个时空的补偿恢复效应, 这是间作的一个基本原理[30, 31]。本研究中, 3种豆科作物为早熟作物, 玉米为晚熟作物, 经分析, 3种间作模式玉米单独生长时期的恢复补偿效应无显著差异, 说明间作玉米产量主要取决于共生期豆科作物和玉米间作的种间竞争。以往研究也表明, 种间竞争作用是间作系统产量优势发挥的主要驱动[32, 33, 34]。本研究中3种豆科作物与玉米共生期不同, 玉米与豌豆约60 d, 与蚕豆85 d, 与大豆110 d, 共生期差异, 必定引起豆科作物相对于玉米在资源竞争上的差异。本研究中, 大豆相对于玉米的资源竞争力Asm共生期内呈现下降的趋势, 说明随共生期的推进, 玉米的资源竞争力逐渐增强, 可能的原因是, 大豆和玉米同期播种, 地上部生长趋于同步, 生长前期大豆和玉米对资源的竞争较为平衡, 随高杆的玉米生长优势显现, 获取资源的能力逐渐增强, 而相对矮杆的大豆空间劣势突现, 资源竞争力也相对玉米弱化; 而在M/F和M/P系统中, Afm和Apm值均随共生期推进而提高, 说明共生期内蚕豆和豌豆对资源的竞争力占据优势, 可能的原因是蚕豆和豌豆均早播于玉米, 共生期内, 蚕豆和豌豆地上部生长优势明显强于玉米, 对环境资源的竞争也就强于玉米, 致使玉米生长受到抑制, 虽然蚕豆和豌豆收获后玉米生长会得以恢复, 但是玉米恢复效应无显著差异, 因此, 与蚕豆和豌豆间作的玉米受前期激烈竞争影响并不能获得高产, 而与大豆间作的玉米因为影响较小产量相对稳定。

4 结论

本研究条件下, 3种间作模式土地当量比均大于1, 产量优势明显, M/S虽相对M/F和M/P间作优势不明显, 但相对于单作玉米, M/S模式中玉米总能获得高产, 穗粒数和百粒重均高于M/F和M/P模式, 且收获时籽粒产量和生物量均最接近单作玉米; 共生期内, 大豆相对于玉米的资源竞争力比蚕豆和豌豆相对于玉米的资源竞争力弱。因此, 3种间作模式中, 在考虑玉米生产力的情况下, 大豆/玉米间作是间作玉米产量稳定的间作系统。

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