大豆玉米復(fù)合種植模式中2種作物的互作關(guān)系

條件下選擇合理的牧草種植模式提供理論依據(jù)。試驗(yàn)選用我國中南部春播區(qū)推薦的作物品種大豆鐵豐 31 和玉 米強(qiáng)盛 199，在旱作區(qū)域開展不同大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式的大田栽培試驗(yàn)，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì) 4 種大豆 玉米帶狀復(fù)合種植模式，同時(shí)以大豆與玉米清種作為對照，測定不同種植模式下的生物量、鄰體效應(yīng)指數(shù)（RII）， 比較不同種植模式下大豆和玉米的互作關(guān)系。結(jié)果顯示，大豆 RII 為-0.28～0.13，玉米 RII 為-0.28～0.12。在 6 行大豆 3 行玉米（S6M3）復(fù)合種植模式下，大豆和玉米的生物量較清種對照分別增加了 28.95% 和 27.79%，且高 于其他復(fù)合種植模式下作物生物量；大豆和玉米的 RII 分別為 0.13 和 0.12，二者存在正相互作用。綜上，在與試 驗(yàn)區(qū)年降雨量相差不明顯的旱作區(qū)域，選擇 S6M3 復(fù)合種植模式有望提高青貯飼料產(chǎn)量。

關(guān) 鍵 詞 ：大豆玉米復(fù)合種植；生物量；鄰體效應(yīng)指數(shù)；旱作

中 圖 分 類 號 ：S344.3 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼 ：A 文 章 編 號 ：1002?2481（2024）02?0016?05

不同的復(fù)合種植模式會影響作物群體中的環(huán) 境因子，調(diào)節(jié)種間競爭關(guān)系，改變作物對資源的利 用效率[1] 。大豆玉米復(fù)合種植系統(tǒng)不僅能增加生物 多樣性，還能利用不同種間互惠作用提升光、水、土 壤養(yǎng)分等資源的利用率[2] ，實(shí)現(xiàn)不影響玉米產(chǎn)量的 同時(shí)增加大豆種植面積和產(chǎn)量的目標(biāo)，進(jìn)一步保障 國家糧食安全[3] 。山西土壤水資源貧乏，季節(jié)性干旱 缺水問題嚴(yán)重，制約著糧食產(chǎn)量增加。截至 2016年， 山西省大豆種植面積 20 萬 hm2 左右，玉米種植面積 133.3 萬 hm2 左 右 ，占 全 省 糧 食 作 物 播 種 面 積 的40% 以上[4] 。基于近 60 a 的年降雨中，山西旱作區(qū) 域枯水年和平水年的占比累計(jì)超過 90%[5] 。而在 作物生長過程中，需要獲取光、水分以及各種微量 元素等，在資源總量一定的情況下，作物會提升適 應(yīng)性去競爭資源[6] 。那么如何保證在大豆玉米復(fù)合 種植系統(tǒng)中，2 種作物成互惠關(guān)系成為旱作農(nóng)業(yè)亟 需解決的問題。

在旱作農(nóng)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)下，作物復(fù)合種植模式 引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[7-9] 。楊文鈺等[8] 針對 傳統(tǒng)玉米-大豆間套復(fù)合種植中遇到的高低位作物 不能協(xié)調(diào)高產(chǎn)與綠色穩(wěn)產(chǎn)和難以機(jī)械化的問題，通 過傳承與創(chuàng)新，形成了一套新的玉米-大豆帶狀復(fù)合 種植技術(shù)，在保證玉米產(chǎn)量與凈作玉米相當(dāng)?shù)耐瑫r(shí) 還能多收一季豆，顯著提高了作物產(chǎn)量和土地利用 效率，并實(shí)現(xiàn)了種植過程的全程機(jī)械化。楚啟鵬 等[10] 對種植密度與植物物種間相互作用的關(guān)系進(jìn)行 了研究，發(fā)現(xiàn)作物種植密度的增加不僅會顯著改變 植物的最大生長速率和生長周期，而且會顯著增加 凈互相作用效應(yīng)（競爭）強(qiáng)度。趙建華等[11] 研究了大 豆/玉米間作體系中不同玉米行距對產(chǎn)量和競爭力 的影響，發(fā)現(xiàn) 45 cm 為最佳玉米行距，平衡了產(chǎn)量優(yōu) 勢和種間競爭。HUANG 等[12] 對小麥—西瓜—玉米 帶狀種植模式中的種間相互作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn) 作物產(chǎn)量顯著受地上部分競爭的影響，而非根系間 的互作。SADEGHPOUR 等[13] 研究了干旱環(huán)境對 牧草產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)了谷物與豆科植物的間作不 僅可以有效增加牧草的產(chǎn)量，而且可以顯著提高農(nóng) 業(yè)系統(tǒng)中的蛋白質(zhì)產(chǎn)量。牟蘭等[14] 在香格里拉高寒 區(qū)研究了燕麥與光葉紫花苕間作模式對產(chǎn)量及品質(zhì) 的影響，發(fā)現(xiàn) 10∶5 播種量比為最佳種植模式，可顯 著提高產(chǎn)量、改善青貯品質(zhì)，降低病蟲害和雜草。張 曉艷等[15] 研究了不同熟期大豆與青貯玉米復(fù)合種植 對飼草產(chǎn)量及蛋白含量的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合種植可提 高蛋白產(chǎn)量，優(yōu)化飼料品質(zhì)。這些研究表明合理的 間作模式可以有效的提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。 然而，山西土壤水資源貧乏，大豆玉米復(fù)合種植模式 下作物很容易受到水分脅迫，對種間互作關(guān)系和生 物量的研究較少。因此，定量化探索中國北方在平 水年下，不同大豆玉米復(fù)合種植模式的種間競爭與 種間互惠關(guān)系，得出旱作條件下合理的牧草種植模 式，對山西省發(fā)展有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)具有重要意義。本 研究選擇我國中南部春播區(qū)推薦的作物品種大豆 鐵豐 31 和玉米強(qiáng)盛 199 為材料，開展 4 種不同的大 豆玉米帶狀復(fù)合種植模式，同時(shí)設(shè)置大豆與玉米清 種作為對照，定量化探究北方平水年不同大豆玉米 復(fù)合種植模式中種間競爭與種間互惠關(guān)系，為山西 省大豆玉米間作種植模式的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于 2022 年 5—10 月在晉中國家農(nóng)業(yè)高 新區(qū)（37°25′N，112°36′E）進(jìn)行。該區(qū)地處晉中盆 地東北部，屬于暖溫帶大陸性氣候，平均降水量約 450 mm，平均氣溫約 10 ℃，平均無霜期 160～190 d， 日照充足，水分蒸發(fā)量大。2022 年試驗(yàn)區(qū)降雨年型 屬于平水年型[14] 。大豆和玉米全生育周期降雨量 為 329.27 mm。土壤為褐土，土壤基礎(chǔ)肥力特征參 見表 1。

1.2 試驗(yàn)材料

供 試 玉 米 品 種 為 強(qiáng) 盛 199、大 豆 品 種 為 鐵 豐 31，均來源于山西省農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)作物研究所。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì) 4 種不同的大豆玉米復(fù)合種植模式， 同時(shí)設(shè)置大豆與玉米清種 2 種對照，共計(jì) 6 個(gè)處理 （圖 1）。采用完全隨機(jī)分組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理 3 次重 復(fù)，小區(qū)面積為 85 m2 （10 m×8.5 m）。2022 年 5 月 22日將大豆清種、玉米清種以及大豆玉米間作體系 布設(shè)于田間，每個(gè)處理中大豆玉米的種植密度根據(jù) 試驗(yàn)處理要求不同而不同（表 2）。播種前，將尿素、磷 酸二銨和硫酸鉀作為底肥一次施入，玉米施純氮 120 kg/hm2 、P2O5 100 kg/hm2 、K2O 110 kg/hm2 ，大 豆施純氮60 kg/hm2 、P2O5 62 kg/hm2 、K2O 53 kg/hm2 。 采用滴灌方式進(jìn)行補(bǔ)溉，出苗階段滴灌 1 次，滴灌 量為 24 mm。生育期內(nèi)按常規(guī)進(jìn)行田間管理。10月 15 日 人 工 收 獲 玉 米 和 大 豆 ，秸 稈 進(jìn) 行 機(jī) 械 還 田 處理。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

1.4.1 作物地上部生物量和各器官的分配比例 在 大 豆 與 玉 米 收 獲 前（2022 年 10 月 10 日），每 個(gè) 處 理隨機(jī)選取長勢均勻的大豆與玉米植株各 9 株， 分別測量其各器官的生物量干質(zhì)量，并取平均值。 其中大豆測量豆莢、葉柄、葉、莖，玉米測量穗、葉、 莖。將分割的各器官放入烘箱中，先于 105 ℃下殺 青 30 min，再于 80 ℃下烘干至恒量測定干物質(zhì)量。 1.4.2 鄰體效應(yīng)指數(shù)的計(jì)算 采用鄰體效應(yīng)指數(shù) （Relative Interaction Index，RII）[15] 定量表征復(fù)合系 統(tǒng)中大豆和玉米生長競爭與互惠關(guān)系[16] 。當(dāng) RII 為 正值時(shí)，表示植物間為正相互作用；為負(fù)值時(shí)，表示 植物間為負(fù)相互作用。

式中，BW 為植株在復(fù)合種植下的生物量（g）； B O 為植株在單種下的生物量（g）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究使用 Microsoft Excel 2021 軟件處理數(shù) 據(jù)，采用 SPSS 22.0 軟件分析數(shù)據(jù)和顯著性檢驗(yàn)， 并用 Origin Pro 2022 軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下作物生物量累積與分配的比較

不同寬幅間作種植體系影響作物各器官生物 量分配。清種下，大豆、玉米單株總生物量分別為 40.88、630.26 g。在不同的間作體系中，S4M2、S6M3 大豆總生物量相較大豆清種分別增加了 9.49%、 28.95%，S3M3、S4M3 大豆總生物量相較大豆清種 分別減少了 43.63%、3.36%。S6M3、S4M3 玉米總 生物量相較玉米清種分別增加了 27.79%、18.00%， S3M3、S4M2 玉米總生物量相較玉米清種分別減少 了 26.14%、43.29%。間作種植模式的大豆、玉米， 相較大豆清種、玉米清種，僅 S6M3 大豆、玉米總生 物量同步增長。

不同處理下大豆生物量的比較見圖 2。大豆清 種模式下豆莢、葉柄、葉、莖生物量分別為 14.57、 5.56、8.14、12.62 g。在豆莢的對比中，相較大豆清種，僅 S6M3 豆莢生物量顯著增加了 20.59%（Plt; 0.05），其余間作豆莢生物量顯著減少了 22.03%～ 39.53%（Plt;0.05）。在葉柄的對比中，相較大豆清 種，僅 S6M3 葉柄生物量顯著增加了 85.96%（Plt; 0.05），其他模式下葉柄生物量變化不明顯，差異不 顯著。在葉的對比中，相較大豆清種，間作模式下 葉生物量變化均未達(dá)到顯著水平。在莖的對比中， 相較大豆清種，S3M3莖生物量顯著減少了 42.69%， 其余模式下差異不顯著。

不同處理下玉米生物量的比較見圖3。玉米清種 模式下穗、葉、莖單株生物量分別為 331.91、58.45、 239.90 g。在穗的對比中，相較玉米清種，S3M3、 S4M2穗的生物量分別減少了9.32%、36.72%，S6M3、 S4M3 穗 的 生 物 量 分 別 增 加 了 28.79%、10.93%。 在葉的對比中，相較玉米清種，S3M3、S4M2、S6M3 葉的生物量減少了 0.29%～49.05%。S4M3 葉的生 物量增加了 168.21%。在莖的對比中，相較玉米清 種，僅 S6M3 莖的生物量增加了 33.25%，其余間作 生物量降低了 8.83%～51.20%。間作模式下，各器 官生物量相較清種差異均未達(dá)到顯著水平。

2.2 不同處理下作物生長互作效應(yīng)比較

鄰體效應(yīng)指數(shù) RII 量化間作種植模式種間競爭 強(qiáng)度的情況。從圖 4 可以看出，間作 S3M3、S4M2、 S6M3、S4M3 模式下，大豆、玉米 RII分別為（-0.28； -0.15）、（0.05；-0.28）、（0.13；0.12）、（-0.02；0.08）。 在間作 S3M3 模式下，大豆和玉米種間存在負(fù)相互 作用，不利于大豆和玉米生長；間作 S4M2 下，對大 豆生長為正相互作用，而對玉米生長為負(fù)相互作 用；間作 S4M3 與間作 S4M2 相反，對玉米生長為正 相互作用，而對大豆生長為負(fù)相互作用；間作 S6M3 （大豆行距 20 cm，玉米行距 40 cm，大豆玉米間距 60 cm）情況下，大豆、玉米存在正相互作用，此種間 作種植模式能夠同時(shí)促進(jìn)大豆、玉米的生長，加強(qiáng) 大豆、玉米的種間互惠。

3 結(jié)論與討論

大豆玉米復(fù)合種植實(shí)質(zhì)上表現(xiàn)為禾本科與豆 科之間互相競爭和互惠資源問題[17] ，比如陽光、地 下水資源等。王雅梅等[18] 研究指出，各間作處理大 豆植株地上部生物量隨著大豆播幅的增加而增大。 這 與 本 試 驗(yàn) 研 究 大 豆 地 上 部 分 生 物 量 S6M3gt; S4M2gt;S4M3gt;S3M3的結(jié)果一致。但S4M2、S6M3 大豆總生物量相較大豆清種分別增加了 9.49%、 28.95%，這與王雅梅等[18] 研究發(fā)現(xiàn)的間作下大豆地 上生物量均低于單作的結(jié)果不一致。可能的原因是 大豆從玉米獲取了一定的營養(yǎng)而產(chǎn)生變化。S6M3、 S4M3 玉米總生物量相較清種分別增加了 27.79%、 18.00%，這與黃營等[19] 研究結(jié)果一致。在 S6M3 中 大豆和玉米總生物量相較清種分別增加了 28.95% 和 27.79%，這與盧俊吉[20] 研究指出的大豆玉米帶狀 間作種植模式可以獲得高產(chǎn)飼料的結(jié)果一致。

大豆 RII 依次為：S3M3lt;S4M3lt;0lt;S4M2lt; S6M3；玉米RII依次為：S4M2lt;S3M3lt;0lt;S4M3lt; S6M3；復(fù)合種植模式下作物競爭強(qiáng)度各不相同，間 作 S6M3 下，大豆、玉米存在正相互作用，能夠同時(shí)促進(jìn)大豆、玉米的生長。在大豆玉米復(fù)合系統(tǒng)下，玉 米作為 C4作物，大豆作為 C3作物，其對水的需求存 在區(qū)別[21] 。在有機(jī)旱作條件下，鄰體效應(yīng)指數(shù) RII 受水分脅迫影響較大，因土壤水分嚴(yán)重短缺，作物 對水資源競爭相對激烈。研究區(qū)域近 60 a 的年降 雨中枯水年和平水年的占比累計(jì)超過 90%[5] 。綜上， 在與試驗(yàn)區(qū)年降雨量相差不明顯的旱作區(qū)域，選擇 S6M3 復(fù)合種植模式有望提高青貯飼料的產(chǎn)量。

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