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，巴國民

(1. 中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，黑龍江哈爾濱150081;2. 沈陽軍區(qū)龍鎮(zhèn)農(nóng)副業(yè)基地，黑龍江五大連池164135)

作物間作是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中精耕細作、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。與單作相比，間作種植模式具有明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢，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。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，增加了根際細菌、真菌、放線菌數(shù)量和微生物總量［12－13］。肖焱波等應用根系分隔技術(shù)對間作作物進行細致分析發(fā)現(xiàn)，種間間作存在養(yǎng)分互惠和養(yǎng)分競爭，間作玉米吸氮量、根際脲酶活性、根際細菌數(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、根際細菌數(shù)量分別比單作大豆顯著增加。然而，過去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 的地塊為研究對象，選用主要經(jīng)濟作物毛蔥、馬鈴薯、大麻(Cannabis Satia L. ，俗稱線麻，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連作大豆的主要生物學效應，以期達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 試驗區(qū)概況

研究于2010 年在黑龍江省海倫市前進鄉(xiāng)光榮村進行，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，無霜期130 d 左右。該區(qū)為典型黑土，主栽作物為大豆。試驗地塊為連續(xù)10 a 大豆連作地塊。

1.2 試驗設計

選用毛蔥、馬鈴薯、大麻、煙草4 種作物與大豆間作。小區(qū)長8 m，寬5.36 m，壟距0.67 m，即每個小區(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。每個處理3 次重復，隨機區(qū)組排列。

1.3 作物種植方式及品種

毛蔥選用前進鄉(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，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?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，5 月10 日播種，密度為28 萬株·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 測定項目

大豆苗期進行根腐病病情指數(shù)和每株根系根瘤數(shù)的測定。大豆根腐病調(diào)查分級如下:0 級，無病斑;1 級，零星病斑;2 級，成片零星病斑;3 級，病斑面積占根面積的1/4;4 級，病斑占根表面積的1/3;5級，病斑面積占根表面積的1/2;6 級，病斑面積超過根表面積的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)病級數(shù)/調(diào)查總株數(shù)* 發(fā)病最高級數(shù)。每個小區(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，每小區(qū)取4 m2測大豆的產(chǎn)量。每小區(qū)取10 株考種，測得株高、莢數(shù)、莢粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量。

應用DPSS 軟件(Turkey)對所有數(shù)據(jù)進行分析。

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%，防效降低但無顯著差異，見表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%，但兩個處理間沒有顯著差異，見表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)積累速率在不同時期的變化非常明顯，見圖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)，但隨著生育進程推進到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)積累量顯著低于對照。

表1 不同作物與連作大豆間作對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)，見圖2。不同作物間作對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3 粒和4 粒莢沒有影響。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1 粒莢和2 粒莢的數(shù)目沒有影響。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%，見表2。

圖2 不同作物與大豆間作對連作大豆產(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，對作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要的實踐意義［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)出生長優(yōu)勢，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，邊行效應明顯，收獲早，與大豆共處時間短有關。已有研究表明:開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的共處期，中后期葉片茂盛，對灌漿期的大豆具有明顯的遮光作用，大豆頂部和兩側(cè)光強降低，大豆光合速率下降，大豆處于間作劣勢，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)量的增加主要來自低矮大豆造成的光以及CO2通道以及大豆固氮對玉米氮營養(yǎng)的貢獻，而大豆產(chǎn)量減少則是玉米對大豆的遮光作用。

利用生物多樣性開展間作可有效防治作物病害。主要是因為不同物種的病蟲害分類不同，不同物種形成屏障阻隔病蟲害傳播，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等微環(huán)境促進了病原菌的發(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的作用。因為大豆生殖生長期源強度改變對產(chǎn)量的影響遠大于營養(yǎng)生長期源強度的變化，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與競爭，互補與競爭對生殖器官效應大于營養(yǎng)器官［23］。實際上，間作作物優(yōu)勢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%，根際效應的貢獻率為23.2%，地上部因素為30.4%［27］。

大豆連作加劇了大豆－土壤這兩個系統(tǒng)之間的矛盾，土壤營養(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、化學性狀(自身化感作用)及生物活性的改變，病蟲害嚴重，植株生長發(fā)育不良，最終導致大豆產(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?shù)氐纳a(chǎn)實際，采用大豆與這兩種經(jīng)濟作物間作以減少大豆連作帶來的產(chǎn)量損失。此外，為深入分析這兩種作物的增產(chǎn)作用，今后應把連作大豆土壤根系進行隔離，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:研究項目得到黑龍江省科技廳十二五農(nóng)業(yè)引導項目的支持。

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