玉米不同株型及種植密度對間作大豆產量和養分吸收利用的影響

陳遠學，彭丹丹，胡 斐，胡月秋，白世豪，徐開未

（四川農業大學資源學院，四川 成都 611130）

間作是我國傳統農業中一種被廣泛應用的栽培方法，不僅具有提高土地復種指數，增強農田生態系統的穩定性[1-2]、促進植物光合作用[3]、抑制雜草生長[4]等特點，同時間作體系中作物間通過種間互補在時間和空間上提高資源的利用效率，具有實現作物增產和養分高效利用的優勢[5-6]。玉米( Zea mays )||大豆( Glycine max )間作作為典型的禾本科與豆科間作復合種植模式之一，是西南丘陵地區特殊生態環境和農業種植結構下應用普遍且較為理想的高產種植搭配。

種間互補是間作優勢發揮的重要因素，種植密度對間作系統組分競爭動態具有重要的影響。適宜的密度范圍內，間作作物的互補優勢會隨著密度的增加而增強。已有研究發現，玉米||大豆間作體系內玉米相較于大豆為優勢作物，隨種植密度的增加間作優勢增強，密度適中時玉米對大豆的影響較弱，有利于間作群體的生長和產量潛力的發揮[7-8]，這說明玉米和大豆間存在互作效應，適宜的玉米和大豆密度組合是獲得群體高產的前提[9-10]。間作系統中通過不同的行株距配置可以降低玉米的競爭優勢，同時提升大豆的競爭力，間作優勢得以顯著提高[11]，例如在廣西地區的玉米||大豆間作體系中，當行株距相同時半緊湊型玉米較平展型玉米更有利于群體增產潛力的發揮[12]，較大幅寬和緊湊型玉米搭配更有利于實現套作大豆的高產[13]。因此，合理的田間配置搭配適宜的種植密度，對于降低玉米對大豆的影響效應、實現資源高效利用和提高群體產量具有現實的意義。

研究大豆的養分積累和分配規律是提高其產量和干物質積累、改善品質、提高養分利用效率的基礎，而不同的生長環境下大豆同化物的積累和分配具有很大的差異[14]。間/套作體系下，由于玉米遮陰使大豆生長環境的光、溫和水等微環境發生明顯改變。研究發現，隨玉米株型的擴展，大豆冠層的光合有效輻射和溫度逐漸下降，濕度逐漸上升[15]，從而導致了緊湊型玉米下大豆地上部的總氮素積累、蛋白質含量、產量和單株有效莢數顯著高于其他株型的玉米[16]。因此，與其他玉米株型相比，緊湊型玉米能改善大豆的光脅迫程度，從而能更加有效地調控大豆的干物質積累、轉運和分配，提高大豆的產量[17-18]。

然而已有研究多集中于玉米株型或種植密度對大豆光合特性、干物質積累及產量的影響差異等方面，而對大豆的養分吸收利用研究較少，同時關于不同玉米株型和種植密度組合下間作大豆的養分吸收與利用、干物質積累與分配、產量與產量構成及群體產量的響應規律尚缺乏系統性的研究。以四川為代表的西南地區，屬于典型的亞熱帶季風性氣候，每年的4 月 ? 8 月多為陰雨和寡照天氣，而該時期正值菜豆的生長期，間作密度過大引起遮陰效應增強不利于大豆的營養生長，導致產量降低。所以，本研究以間作體系中的菜豆為對象，分析不同玉米株型和種植密度對春大豆產量形成、干物質積累、養分吸收及利用效率的影響規律，以期篩選出適宜不同株型玉米||大豆間作搭配的種植密度，進一步完善玉米||大豆間作的種植技術，為西南地區春玉米||春大豆間作體系的高產高效栽培提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試玉米(Zea mays)兩個品種分別為登海605(DH605)，材料來源于山東登海種業股份有限公司，屬于緊湊型品種；川單428 (CD428)，材料來源于四川農業大學玉米研究所，為稀植型品種。大豆(Glycine max)選用遼鮮一號毛豆，種子來源于遼寧省農業科學院作物所。

1.2 試驗地概況

試驗于2016 年4 月 ? 8 月在四川農業大學現代農業研發基地(103°38′ E，30°33′ N)進行，屬四川盆地亞熱帶濕潤季風氣候，海拔高度為510 m，雨量充沛，常年平均降水量為1 012.4 mm，日照偏少，年平均日照時數為1 161.5 h，無霜期較長，年平均氣溫15.9 ℃，試驗生育季內總降水量為656.3 mm。試驗地土壤類型為水稻土，土壤質地為粘質壤土，耕層土壤有機質含量26.30 g·kg?1，全氮含量1.45 g·kg?1，堿解氮含量119.0 mg·kg?1，有效磷含量32.47 mg·kg?1，速效鉀含量97.30 mg·kg?1。

1.3 試驗設計與田間管理

玉米設45 000、52 500、60 000 和67 500 株·hm?2，4 個種植密度水平，分別用D1、D2、D3、D4表示。主區為不同玉米株型，副區為種植密度，主區和副區均采用隨機區組排列，每個處理設3 次重復，小區面積為24 m2(6 m × 4 m)，各小區間距1 m。大豆與玉米按1 ? 1 進行間作。

玉米為育苗移栽，大豆為種子直播。玉米于4 月5 日進行肥團育苗，4 月13 日移栽，每窩栽壯苗2 株，玉米行距為1 m，各種植密度下玉米對應的株間距分別為D1：44.5 cm; D2：38.1 cm; D3：33.3 cm;D4：29.6 cm；玉米移栽時隨即在兩行玉米中間播種大豆，每窩留2 苗，株間距固定為30 cm，大豆與玉米的行距間隔為50 cm。試驗施用氮肥為尿素(含氮量46%)，施用總量為240 kg·hm?2，磷肥 (P2O5，含磷量12%)和鉀肥(K2O，含鉀量51%)施用總量分別為90 和120 kg·hm?2。玉米移苗時施用30% (72 kg·hm?2)的氮肥和全部的磷、鉀肥施作基肥，在玉米拔節期和大喇叭口期分別施用30% (72 kg·hm?2)和40%(96 kg·hm?2)的氮肥于玉米株旁作追肥處理，大豆不施肥。其他管理水平同當地的田間管理水平一致。玉米于8 月6 日收獲，毛豆于7 月10 日收獲鮮產。

1.4 測定指標與方法

樣品的采集：在大豆的分枝期、盛花期和收獲期每小區隨機選取長勢均勻的6 株分莖、葉、葉柄、莢殼和籽粒5 個部分于105 ℃殺青30 m in，75 ℃烘干至恒重。稱取各部位的干重后，所有樣品粉碎過篩用于氮磷鉀含量的測定。

產量及其構成因素的測定：在大豆的鼓粒末期(鮮毛豆收獲期)取每小區中間的2 行進行實收測產，并隨機選取10 株考種，測單株分枝數、單株莢數和鮮百粒重。

氮磷鉀含量的測定：各部位樣品經H2O2-H2SO4法消煮，用凱氏定氮儀測定氮含量，釩鉬黃比色法測定磷含量，火焰光度計法測定鉀含量。

相關參數計算公式如下[19]： ∑

地上部總吸氮(磷/鉀)量(kg·hm?2) = 地上部各器官生物量 × 各器官含氮(磷/鉀)量；

氮(磷/鉀)收獲指數 = 籽粒吸氮(磷/鉀)量/地上部總吸氮(磷/鉀)量 × 100%；

氮(磷/鉀)肥偏生產力(kg·kg?1) = 籽粒產量/施氮(磷/鉀)量。

1.5 數據處理與統計分析

采用M icrosoft Excel 2016 對試驗數據進行統計與作圖表，采用SPSS 18.0 對數據進行方差分析，并對產量及產量構成、干物質積累和分配、氮(磷/鉀)養分利用效率指標數據進行雙因素方差分析多重比較；差異顯著性檢驗及雙因素方差分析多重比較采用LSD 法。

2 結果與分析

2.1 間作體系下大豆產量及產量構成因素

玉米不同種植密度對間作大豆的產量有顯著影響(P ＜ 0.01) (表1)。大豆的產量均隨玉米密度的增高而降低。其中，與DH605 玉米間作時，與D1密度相比，大豆產量在D2、D3和D4密度下分別減產了7.46%、21.17%和27.93%，D1、D2顯著高于D3、D4密度(P ＜ 0.05)；與CD428 玉米間作時，大豆產量在D2、D3和D4密度分別較D1密度減產9.64%、10.02%和27.80%，D1與D4密度間差異顯著(P ＜ 0.05)。從產量構成因素來看，間作體系下大豆的單株莢數和鮮百粒重與其產量的變化規律一致，大豆單株分枝數雖與其產量也有相似的變化趨勢，但不同密度間差異未達到顯著水平(P ＞ 0.05)。

2.2 間作體系下大豆的干物質積累和分配

間作體系下大豆的群體干物質積累量隨生育時期的推進增長幅度逐漸加大，花后干物質積累量較花前平均增加了約3 倍。玉米不同株型和種植密度分別對間作體系下大豆的盛花期和收獲期以及花后干物質積累量均影響顯著(P ＜ 0.01)，同時玉米密度對分枝期大豆的干物質積累也有顯著的影響，表現為3 個時期大豆的群體干物質積累量均隨玉米密度的增加逐漸降低，其中，與DH605 玉米間作時，收獲期大豆的干物質積累在D2、D3和D4密度下分別較D1密度降低了5.87%、15.39%和23.56%，D1與D3、D4間差異達顯著水平(P ＜ 0.05)；與CD428 玉米間作時，大豆干物質積累量在分枝期和盛花期受玉米密度的影響并不顯著，到收獲期才表現出顯著的差異，與D1密度相比，收獲期D2、D3和D4密度下分別降低了10.91%、18.52%和31.13%。不同玉米株型下大豆的花后干物質積累量均隨玉米密度的升高顯著降低；但其花后干物質貢獻率卻表現各異，與DH605 玉米間作時，大豆的花后干物質貢獻率隨玉米密度的升高顯著升高，而與CD428 玉米間作時，大豆的花后干物質貢獻率卻隨玉米密度的升高而顯著降低(表2)。

表 1 間作體系下大豆產量及產量構成因素的變化Table 1 Changes in soybean yield and yield components in the intercropping system

表 2 間作體系下大豆干物質積累的變化Table 2 Changes in soybean dry matter accumulation in the intercropping system

隨生育時期的推進，間作體系下大豆各器官干物質分配比例發生明顯變化(表3)。分枝期時兩種玉米下大豆葉中的干物質分配比例較多，約為莖的2.5 倍；盛花期時，葉中的干物質向莖轉移，此時葉中干物質分配比為莖的1.6 倍；盛花期后莖、葉和葉柄的干物質逐漸向莢殼和籽粒中轉移，莢殼和籽粒器官的物質分配比例上升，到收獲期時分配到莢殼和籽粒中的干物質比分別占總量的23%和40%左右，其中與CD428 玉米間作時，大豆籽粒中的物質分配比隨玉米密度的增大顯著降低(P ＜ 0.05)。

表 3 不同時期間作體系下大豆干物質分配狀況Table 3 Dry matter distribution of soybean in the intercropping system during different periods

2.3 間作體系下大豆的養分吸收

間作體系下大豆地上部氮磷鉀養分的吸收如圖1 所示?？傮w來看，大豆體內養分總積累量及在各器官中的分配均隨玉米密度的增大逐漸降低，與DH605 玉米間作時，與D1密度相比，D2、D3、D4密度下大豆的氮積累總量分別降低了12.61%、17.72%和34.44%，磷積累總量分別降低了13.27%、18.55%和30.75%，鉀積累總量分別降低了11.81%、15.33%和27.28%；與CD428 玉米間作時，D2、D3和D4密度下大豆的氮積累總量分別較D1密度降低了16.32%、25.67%、42.19%，磷積累總量分別降低了12.54%、22.15%、35.66%，鉀積累總量分別降低了14.45%、18.56%和32.43%；與DH605 玉米間作時，大豆的氮磷總積累量和與CD428 玉米間作時的大豆磷鉀總積累量在各密度間差異均達到顯著水平(P ＜ 0.05)，且在相同的密度下，緊湊型DH605 玉米間作大豆的氮磷鉀總積累量顯著高于平展型CD428 玉米間作時。

大豆不同器官養分積累對總體養分的貢獻各有不同，氮磷鉀在籽粒中積累量最多，葉柄中則為最少，氮積累量表現為籽粒 ＞ 葉片 ＞ 莢殼 ＞ 莖 ＞ 葉柄；鉀積累量表現為籽粒 ＞ 莢殼 ＞ 葉片 ＞ 莖 ＞ 葉柄；磷在葉片和莢殼中的積累量基本相等，表現為籽粒 ＞葉片≈莢殼 ＞ 莖 ＞ 葉柄。受玉米密度的影響，大豆各器官中養分的積累情況與總體養分變化規律基本一致，即隨玉米密度的增加逐漸降低，籽粒和莢殼受玉米密度的影響尤為顯著，且與CD428 玉米間作時，其降低幅度明顯大于與DH605 玉米間作時，在同一密度下，大豆籽粒和莢殼氮磷鉀積累在不同玉米間差異也達顯著水平(P ＜ 0.05)。

2.4 間作體系下大豆的養分利用效率

不同玉米株型對間作體系下大豆的氮磷鉀收獲指數和偏生產力無顯著的影響(表4)。玉米密度對不同株型下間作大豆的氮磷鉀偏生產力影響顯著(P ＜ 0.01)，但對收獲指數無顯著影響。在與DH605玉米間作時，大豆氮磷鉀收獲指數隨玉米密度的升高呈先升高后緩慢降低的趨勢，在D3密度下達到最大值，但各密度間差異并未達到顯著水平(P ＞0.05)；在與CD428 玉米間作時，大豆氮磷鉀收獲指數隨玉米密度的升高總體呈降低趨勢，氮收獲指數在D2密度下較D1密度增高了0.09%，差異未達到顯著水平(P ＞ 0.05)，在D3、D4密度下較D1密度分別降低了3.66%和7.75%；磷收獲指數在D2、D3、D4密度下較D1密度分別降低了0.45%、4.62 %、6.71%，鉀收獲指數分別降低了1.01%、6.04%和10.71 %；氮磷鉀收獲指數均為D1、D2密度與D4密度間差異顯著(P ＜ 0.01)。兩種玉米間作大豆的氮磷鉀偏生產力均隨玉米密度的升高顯著降低，在與DH605 玉米間作時，大豆氮磷鉀偏生產力在不同密度間表現為D1、D2與D3、D4密度間差異顯著(P ＜ 0.05)；在與CD428 玉米間作時，大豆氮磷鉀偏生產力表現為D4密度下較D1密度顯著降低(P ＜ 0.05)。

2.5 間作體系的總產量

兩種玉米株型下，玉米–大豆的群體產量隨玉米密度的升高均呈先升高后降低的趨勢(圖2)，且D1密度下的總產量顯著低于D2、D3和D4(P ＜ 0.05)，其中在緊湊型DH605 玉米的間作體系下，總產量在D3密度下達到最大值，與D1密度相比，D2、D3、D4密度下分別增高了9.73%、11.92%和8.56%；而在平展型CD428 玉米的間作體系下，總產量在D2密度下達到最大值，在D2、D3、D4密度下分別較D1密度增高了14.63%、13.59%和11.37%。

3 討論與結論

圖 1 間作體系下大豆氮、磷及鉀積累量的變化Figure 1 Changes in the nitrogen, phosphorus, and potassium accumulation of soybean in the intercropping system

表 4 間作體系下大豆氮磷鉀利用效率的變化Table 4 Changes in the nitrogen, phosphorus, and potassium utilization efficiency of soybean in the intercropping system

圖 2 間作體系下玉米和大豆總產量的變化Figure 2 Changes in the total yield of maize and soybean in the intercropping system

間作體系中調節玉米種植密度的本質是改變間作系統中玉米、大豆的空間配置，通過改善間作作物冠層的光照、溫度和水分等微環境從而提高資源的利用和作物群體的產量。當玉米、大豆分別在適宜的密度范圍內時群體產量表現為正向效應，即隨密度的增大而增大。本研究中，在大豆||玉米間作群體中，占競爭優勢的玉米產量隨種植密度的升高而升高，而競爭力較弱的大豆產量則隨玉米密度的升高逐漸降低，這可能與種間競爭對大豆產量構成因子及干物質積累的影響有關。間作系統中存在玉米－大豆種間競爭和大豆－大豆的種內競爭，隨玉米密度的增加，高位玉米對大豆的蔭蔽作用增強，大豆冠層的光合有效輻射強度和透光率的降低阻礙了大豆的生長發育和同化物積累，導致大豆單株分枝數、單株莢數和鮮百粒重均降低[20]，這與本研究結果一致；其次，種植密度對大豆產量的影響主要體現在對生育中后期的干物質積累與分配方面[21-22]，隨玉米群體密度的增加，間作大豆獲得的養分和光照減少導致花后干物質積累顯著降低，尤其在與平展型CD428 玉米間作時，隨玉米密度的增高生育后期大豆莢殼和籽粒干物質分配比降低，葉和葉柄分配比增加，與前人研究結果相一致[22-23]。此外，本研究中，與緊湊型DH605 玉米間作時，相同密度下，大豆的干物質積累、產量及產量構成因子均高于與平展型玉米間作；隨玉米密度的增加，與緊湊型DH605 玉米間作，大豆產量和干物質的降低幅度也小于與平展型CD428 玉米間作時，這與緊湊型玉米較平展型玉米能為間作下大豆生長的微環境提供更多的光照和較高的溫度有關[24]。良好的光照有利于間作下大豆更多的干物質積累[25]，較高溫度則對氮素的吸收具有促進作用[26]，有利于提高土壤氮素的可利用性和大豆的固氮效應。

養分是作物產量形成的基礎，間作系統的優勢在于養分吸收量的增加，而非養分利用效率的增加[27-28]。本研究在施肥水平一致的情況下，隨玉米種植密度增加，單位土地面積上增多的玉米數量勢必會與大豆爭取更多的養分，因而大豆地上部養分積累量顯著降低，各器官中養分含量也隨之下降，氮磷鉀肥偏生產力也顯著降低。結合大豆氮磷鉀收獲指數來看，與緊湊型玉米DH605 間作時，大豆氮磷鉀收獲指數隨玉米密度的升高逐漸升高，而與平展型玉米CD428 間作時，大豆氮磷鉀收獲指數則隨玉米密度的升高顯著降低，說明與DH605 玉米間作時大豆籽粒中養分含量降低的速率小于植株總養分的降低速率，而與CD428 玉米間作時大豆籽粒中養分含量降低的速率大于植株總養分的降低速率；同時，在相同密度下，與DH605 玉米間作時大豆籽粒和莢殼中氮磷鉀養分含量顯著高于與CD428 玉米間作時，隨玉米密度的增加，其養分含量的降低幅度也小于CD428，這與前文不同株型玉米對大豆干物質積累和產量的影響的原因一致，即緊湊型DH605 玉米可為大豆提供較多的光照條件和較高的溫度，促進大豆同化物的積累和養分的吸收，最終體現在產量和干物質積累方面的優勢。故而DH605 玉米||大豆群體產量達到最大值時的密度也高于CD428。

從群體產量來看，在玉米產量隨種植密度升高而增高，大豆產量逐漸降低的情況下，群體產量隨密度的升高表現為先增高后降低的變化，DH605 玉米||大豆群體產量在D3(60 000 株·hm?2)的密度下達到最大值，CD428 玉米||大豆的群體產量在D2(52 500株·hm?2)的密度下為最大，結合玉米不同株型和種植密度下間作大豆的干物質積累和分配、養分積累情況、產量及產量構成因子表現認為，緊湊型玉米DH605 與大豆間作適宜的種植密度為60 000 株·hm?2，平展型玉米CD428 與大豆間作適宜的種植密度為52 500 株·hm?2。該研究結果可為不同株型玉米||大豆間作栽培提供理論依據和參考。