覆膜對玉米‖豌豆作物生產力及種間互作的影響

趙建華，孫建好，李偉綺

(甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，甘肅蘭州730070)

甘肅河西走廊灌區光熱資源豐富，適宜發展間套作種植，該區域間套作種植模式多樣，其中玉米(Zea maysL.)‖豌豆(Pisum sativumL.)是當地農戶較為普遍采用的禾本科‖豆科間作模式。基本的生態學理論認為，間作作物種植在一起，種間相互作用(種間競爭與互補)必然同時發生，由于間作物種存在生物學特性差異，因此對資源需求會產生時間和空間上的生態位分離，從而促成間作物種種間相互作用對資源的高效利用［1-4］，這正是間作種植體系發揮間作優勢的內因。據此，若間作作物種植環境變化將直接導致間作物種對其環境資源利用的變化，從而影響間作體系作物生產力及間作物種間相互作用。有大量研究關注間作體系作物種間配置、空間布局、水氮資源的供應水平等對間作體系作物產量和種間相互作用的影響［5-7］;也有眾多學者針對玉米‖豌豆體系做了此類研究，如劉淑梅等［6］研究發現在玉米‖豌豆體系中，玉米種植行距變化對間作作物產量和種間競爭力影響顯著;滕園園等［7］發現在玉米‖豌豆體系中適當氮肥后移可提升體系經濟產量和作物水分利用效率;不同的根系分隔方式［8］、不同的供氮水平［9-10］亦會影響玉米‖豌豆體系種間互作效應。

在水資源匱乏的河西走廊灌區，地膜覆蓋成為當地農戶普遍采用的保水保溫種植方式。研究表明，地膜覆蓋可有效提高作物產量，減少地面水分散失，保持土壤溫度，提高水分利用效率［11-13］。以往對于作物覆膜的研究多關注單作種植體系，對于間作體系中作物覆膜后產量產生怎樣的變化，種間互作效應又產生怎樣的變化關注較少，本研究以玉米間作豌豆體系為研究對象，針對間作體系作物覆膜效應對間作作物產量、產量構成因子、種間互作的影響開展研究，旨在探明間作作物覆膜對玉米‖豌豆體系作物產量和種間互作效應的影響;以期為河西走廊灌區玉米‖豌豆合理采用覆膜方式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2012年和2013年在甘肅省農科院張掖節水農業試驗站進行(100°26＇E，38°56＇N)，海拔1 570 m，平均年日照時數3 085 h，晝夜溫差13.00～16.07℃，年平均氣溫 7℃，≥0℃積溫 3 388℃，≥10℃積溫2 896℃，無霜期153 d。0～200 cm平均土壤容重為1.376 g·cm-3，年平均蒸發量2 075 mm，年降水量不足130 mm，干旱指數達10.3，屬于典型的干旱灌溉農業區。2012年降水量105.2 mm，2013年降水量125.7 mm，地下水埋深68～73 m，地下水位年變幅1.0 m左右。土壤有機質17.9 g·kg-1，速效氮 128.8 mg·kg-1，速效磷24.7 mg·kg-1，速效鉀82.0 mg·kg-1，pH 值 8.2。

1.2 試驗設計

試驗包括8種種植模式，分別為單作豌豆不覆膜(P)、單作豌豆覆全膜(FP)、單作玉米不覆膜(M)、單作玉米覆全膜(FM)、玉米‖豌豆間作不覆膜(M/P)、覆條膜玉米‖不覆膜豌豆(FM/P)、不覆膜玉米‖覆條膜豌豆(M/FP)、玉米‖豌豆覆全膜(FM/FP)。采用完全隨機區組設計，小區面積7.2 m×4.5 m=32.4 m2，重復3次。間作帶幅1.2 m，4∶2種植，即4行豌豆，2行玉米，豌豆行距0.2 m，株距0.2 m，玉米行距0.2 m，株距0.2 m;單作豌豆種植規格同間作豌豆;單作玉米等行距種植，行距0.3 m，株距0.4 m。豌豆播種時間2012年為3月25日，2013年為3月23日，收獲時間2012年為7月7日，2013年為7月5日;玉米播種時間2012年為4月19日，2013年為4月20日，收獲時間2012年為10月10日，2013年為10月8日。

施肥量為 N 300 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2，將1/3氮肥與全部磷肥作為基肥，剩余氮肥分別按玉米大喇叭口期1/3、抽雄期1/3追施于玉米種植帶。豌豆供試品種為“MZ-1”，玉米品種為“鄭單958”。播種時采用點播器點播，出苗后間苗以保證1穴1株。采用水表定量灌溉，單次灌水量1 050 m3·hm-2，全生育期灌水5次。

1.3 樣品采集

作物收獲期，間作選取小區中間種植帶，按作物種植帶整帶幅收獲測產，測產面積豌豆0.8 m×4.5 m=3.6 m2，玉米 0.4 m×4.5 m=1.8 m2，單作收獲與間作同等面積的作物籽粒進行計產。在作物測產區域以外隨機取樣株10株進行作物生物學性狀及產量構成的考察，豌豆調查豆莢數、豆粒數、百粒重等;玉米調查株高、穗位、穗粒數、百粒重等。

1.4 數據計算

1.4.1 土地當量比 土地當量比(Land equivalent ratio，LER)常用于衡量間作優勢，其意義在于單作要獲得與間作相同的產量所需要的耕地面積［14］。

式中，Yip和Yim分別代表間作總面積上豌豆和玉米的產量;Ysp和Ysm分別為單作豌豆和單作玉米的產量。當LER＞1，表明間作有優勢，當LER＜1為間作劣勢。其中Yip/Ysp和Yim/Ysm分別為豌豆和玉米的偏土地當量比(Partial land equivalent ratio，PLER)，其意義在于要獲得與間作組分作物同等產量所需要的單作作物面積。

1.4.2 加權產量(Weighted mean) 采用加權平均方法，將間作體系中兩種作物單作時的產量以間作時所占有的面積比例為權重加權平均。

式中，Ysp和Ysm意義同式(1)。Zp和Zm表示豌豆和玉米在間作體系中所占的面積比例，在本研究中，Zp和Zm分別為0.67和0.33。

1.4.3 相對產量 相對產量(Relative Yield of Mixtures，RYM)［15］表明間作與單作相比的產量貢獻大小。

式中，Yip和Yim，Ysp和Ysm意義同式(1)。Zp和Zm意義同式(2)。RYM表示復合群體產量占各作物單作產量的比例，RYM＞1表示復合群體存在種間促進作用，間作具有產量優勢，RYM＜1表示存在種間競爭，具有產量劣勢，RYM=1表示沒有種間相互作用。

1.4.4 相對競爭強度 相對競爭強度(Relative Competition Intensity，RCI)［16］表示特定作物組合的競爭能力，根據作物產量和生物量計算得出，計算公式如下:

當RCI=0，表示種間競爭等于種內競爭;當RCI＞0時，表示種間競爭更高;當RCI＜0時，表示種內競爭更高。

1.4.5 資源競爭力 資源競爭力(Aggressivity，A)［17］指間作體系中一種作物相對于另一種作物對水分、養分等產量形成相關資源的競爭力。

式中，當Apm＞0，表明豌豆競爭力強于玉米;Apm＜0，玉米競爭力強于豌豆。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2013進行數據處理和繪圖，采用SAS 8.0統計分析軟件用LSD法對各處理間在5%水平上的差異顯著性進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 覆膜對玉米‖豌豆LER的影響

2 a試驗結果顯示，各間作模式土地當量比值介于1.26～1.89之間，均大于1(表1)。2 a中均是以FM/P模式的土地當量比最低，分別為1.26(2012年)和1.57(2013年);M/FP和FM/FP模式土地當量比2 a平均分別為1.72和1.66;對于豌豆偏土地當量比，M/FP和FM/FP模式均顯著高于M/P和FM/P模式;玉米偏土地當量比2 a均為FM/FP模式最低，且顯著低于M/P。

2.2 覆膜對玉米‖豌豆作物產量和相對產量的影響

覆膜對單作豌豆產量無顯著影響，覆膜條件下的間作豌豆產量顯著高于不覆膜(表2)，2 a對比來看，M/FP和FM/FP模式間作豌豆產量較M/P平均提高24.1%和32.5%，較FM/P模式平均提高了18.7%和26.8%;單作玉米覆膜顯著增產，FM較M產量2 a平均提高24.2%，但覆膜對間作玉米產量無顯著影響。各間作系統加權產量對比，2 a平均，FM/P和FM/FP加權產量較M/P提高35.2%和35.1%，較M/FP提高16.3%和16.2%。

2 a中，各間作模式相對產量RYM均大于1(圖1)，2012年，M/FP模式相對產量顯著高于FM/P和FM/FP模式，2013年各模式相對產量無顯著差異;2 a中相對產量最大值均出現在M/FP模式，分別為1.79(2012年)和2.22(2013年)。

2.3 覆膜對作物產量構成因子的影響

覆膜對單作豌豆單株粒數和單株粒重無顯著影響(表3)，間作模式中，FM/FP豌豆產量構成因子顯著高于其他模式。相比M/P、FM/P和M/FP模式，FM/FP模式單株粒數2 a平均分別高出6.8、4.6粒·株-1和5.6粒·株-1;單株粒重2 a平均分別高出 18.5、6.9 g·株-1和 9.4 g·株-1。

表1 覆膜對玉米‖豌豆土地當量比的影響Table 1 The effect of film mulching on land equivalent ratio in maize-pea intercropping system

表2 覆膜對玉米‖豌豆作物產量的影響/(kg·hm-2)Table 2 The effect of film mulching on yield in maize-pea intercropping system

覆膜對單作玉米穗粒數和百粒重無顯著影響，對間作玉米穗粒數和百粒重影響顯著(表4)。2012年，FM/P中玉米的穗粒數顯著低于其他間作模式，2013年各間作模式玉米穗粒數無顯著差異;然而，2012年FM/P和FM/FP模式的玉米百粒重顯著高于M/P和M/FP，2013年FM/FP模式玉米百粒重顯著高于其他間作模式。對比來看，FM/FP玉米的百粒重分別較M/P模式高3.8 g(2012年)和2.9 g(2013年)。

2.4 覆膜對玉米‖豌豆種間互作的影響

圖1 覆膜對間作模式相對產量的影響Fig.1 The effect of film mulching on relative yield of intercropping pattern

表3 覆膜對各處理中豌豆產量性狀的影響Table 3 Effects of film mulching on yield component of pea in different treatments

表4 覆膜對各處理中玉米產量性狀的影響Table 4 Effect of film mulching on yield component of maize in different treatments

表5 覆膜對玉米‖豌豆作物競爭的影響Table 5 The effect of film mulching on competition ability between pea and maize in maize-pea intercropping system

2 a中，各間作模式中豌豆相對競爭強度RCIp、玉米相對競爭強度RCIm和豌豆相對于玉米的競爭力Apm均小于0，且存在顯著差異(表5)。2 a中，豌豆相對競爭強度RCIp均是M/P和FM/P顯著高于M/FP和FM/FP;2012年，玉米相對競爭強度RCIm表現為FM/P和FM/FP顯著高于M/P和M/FP，而2013年表現為FM/FP顯著高于M/P;豌豆相對于玉米的競爭力Apm表現為2012年FM/FP模式顯著高于其他模式，2013年M/P模式顯著低于其他模式，而FM/P、M/FP和FM/FP模式間無顯著差異。

3 討論

3.1 覆膜對玉米‖豌豆作物生產力的影響

單作種植體系中，覆膜提高作物產量的效應已被大量證實，同樣地，覆膜在間作體系中也具有明顯的增產效應;李偉綺等［18］研究表明，玉米‖豌豆覆膜較不覆膜可有效提高作物產量。方旭飛等［19］研究玉米‖大豆覆蓋表明，間作玉米地膜覆蓋較單作覆膜可增產10.15%。在本研究中，M/FP和FM/FP相對M/P模式間作豌豆產量分別提高了24.1%和32.5%，覆膜對間作玉米產量有所提高，但差異未達顯著水平(表2)，說明玉米‖豌豆中豌豆覆膜可顯著提高其產量，玉米覆膜產量提高不顯著(表2)。間作作物覆膜，直接改變了間作作物生長的微環境［20］，進而改變作物產量，整個間作體系生產力也必然產生變化。本研究中，玉米覆膜的間作體系(FM/P和FM/FP)加權產量顯著高于玉米不覆膜間作體系(M/P和M/FP)，這表明間作玉米覆膜是提高玉米‖豌豆生產力的關鍵(表2)。Mao等［21］研究玉米間作豌豆不同行比種植和覆膜方式對作物產量的影響發現，覆膜對間作體系土地當量比無顯著影響。本研究中，各間作模式土地當量比均大于1.00(表1)，豌豆覆膜后偏土地當量比顯著提升，而玉米覆膜后偏土地當量比反而下降，就體系而言，FM/P土地當量比最小，而其體系產量反而顯著提高，這些均表明，玉米‖豌豆無論覆膜與否，相對單作均具有間作優勢;于愛忠等［22］研究供水和覆膜對玉米產量的影響發現全膜覆蓋結合高供水可有效提高玉米穗粒數和粒重等產量構成因子。本研究發現間作覆全膜FM/FP中豌豆單株粒數和單株粒重均顯著高于不覆膜，其玉米百粒重也顯著高于不覆膜(表3，表4)，表明玉米‖豌豆覆全膜可顯著提升間作作物產量性狀，這歸因于覆膜后作物水熱環境的改善。

3.2 覆膜對玉米‖豌豆作物種間關系的影響

大量研究表明，間作物種配置、空間布局、種植環境等的變化均能引起間作物種種間競爭力的變化［23-26］。間作作物由于不同的生長特性會形成對環境資源(水分、養分等)利用的時空生態位差異［27］。本研究中，間作體系中作物覆膜改變了間作作物生長環境，進而改變了間作作物對周邊資源的獲取能力，形成作物間的時空生態位差異。競爭和互補是間作體系中同一種間關系的兩個方面，且種內、種間的競爭和互補作用同時存在［28-30］。在本研究中，各間作模式豌豆相對競爭強度RCIp和玉米相對競爭強度RCIm均為負值，相對產量RYM均大于1.0，這充分表明玉米‖豌豆是互惠的體系，間作作物的種內競爭占據主導地位，種間競爭相對較弱。多項研究發現種間競爭作用驅動間作體系中作物產量優勢發揮，使間作體系生產力提升［31-33］。在本研究中，各間作模式的豌豆相對于玉米的資源競爭力Apm均為負值(表5)，這表明在玉米和豌豆共同生長期，豌豆處于競爭劣勢，玉米是競爭優勢作物，FM/FP的Apm顯著高于其他間作模式，表明間作覆全膜能顯著提高間作豌豆的資源競爭力，而2 a中M/P的Apm均最小，M/FP和FM/P次之，這表明玉米‖豌豆體系中對豌豆或者玉米覆膜均可提升豌豆的資源競爭力，但玉米仍然在競爭中占主導地位。Zhang等［34］研究玉米與小麥和大麥間作后資源競爭力差異，發現玉米在被覆膜的情況下資源競爭能力增強，強于小麥和大麥。本研究中，FM/P和FM/FP模式玉米相對競爭強度RCIm均高于M/P和M/FP，說明玉米覆膜后資源競爭力增強。

4 結論

本研究條件下，各模式土地當量比均大于1，間作優勢明顯;間作豌豆覆膜可有效提高產量，而間作玉米覆膜產量提升不顯著，但間作玉米覆膜的系統加權產量優勢明顯;覆膜顯著增加間作豌豆的單株粒數和單株粒重，覆膜對間作玉米穗粒數影響不顯著，顯著提升間作玉米百粒重;各模式作物相對競爭強度小于0.00，間作作物主要以種內競爭為主，豌豆相對于玉米的資源競爭力Apm小于0.00，玉米是競爭優勢作物，因此，間作系統覆全膜或玉米覆條膜均可顯著提升間作玉米的產量和資源競爭力。