小麥間作蠶豆體系作物生長曲線動態模擬與分析

摘要：利用小麥間作蠶豆體系作物生長動態數據和Logistic生長曲線，為小麥和蠶豆單作與間作體系下作物間相互作用提供科學依據。對不同氮水平下小麥、蠶豆單作和間作體系的生物量動態變化規律模擬分析，結果表明，間作處理因作物間的競爭生長速率比均呈競爭恢復的拋物線趨勢，2種施肥處理的單作蠶豆均早于間作蠶豆達到最大生長速率，小麥成熟后對蠶豆的競爭減小，蠶豆的生長速率增強；相同種植模式下施氮處理對蠶豆的生物量累積起關鍵作用，間作和氮缺乏的環境下，能激發蠶豆的生物固氮效應，促進蠶豆地下部生長和根瘤數量增多。綜上所述，施氮和間作改變了小麥、蠶豆生物量的積累，在小麥間作蠶豆生長前期，小麥有較強的氮肥利用優勢，進而對蠶豆的地上部和地下部生物量累積產生影響，反映了作物的生長潛力及對養分資源的利用能力。

關鍵詞：氮水平；小麥/蠶豆間作；生物量；生長曲線模擬

中圖分類號：S512.1；S643.6" " " " " 文獻標志碼：A" " " " " "文章編號：2097-2172（2025）01-0047-06

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2025.01.008

Dynamic Simulation and Analysis of Crop Growth Curves in Wheat and

Faba Bean Intercropping System

LI Weiqi SUN Jianhao LI Chunjie ZHAO Jianhua TANG Ying WU Kesheng

CHEN Liangzhi YANG Xinqiang

（1. Institute of Soil Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070，

China；2. College of Resources and Environment Sciences， China Agricultural University， Beijing 100193， China）

Abstract： By utilizing dynamic growth data of crops in the wheat/faba bean intercropping system and Logistic growth curves， this study provides scientific evidence for the interactions between wheat and faba bean in monoculture and intercropping systems. The dynamic changes in biomass under different nitrogen levels were simulated and analyzed for wheat and faba bean in monoculture and intercropping systems. Results indicated that in intercropping treatments， the competitive accumulation rate ratio between crops exhibited a parabolic trend of competitive recovery. Under both fertilization treatments， monoculture faba bean reached its maximum growth rate earlier than intercropped faba bean. After wheat maturity， the competition from wheat decreased， allowing the growth rate of faba bean to recover. Under the same planting pattern， nitrogen application played a critical role in biomass accumulation of faba bean. In intercropping and nitrogen-deficient environments， the biological nitrogen fixation effect of faba bean was stimulated， promoting below-ground growth and increasing the number of nodules. In summary， nitrogen application and intercropping altered the biomass accumulation of wheat and faba bean. During the early growth stage of faba bean in the wheat intercropping system， wheat showed a strong advantage in nitrogen utilization， which affected the above-ground and below-ground biomass accumulation of faba bean. This reflects the growth potential of the crops and their capacity to utilize nutrient resources.

Key words： Nitrogen level; Wheat/faba bean intercropping; Biomass; Growth curve simulation

間作套種一直以生態位互補、提高農田生物多樣性及資源利用率為優勢，是一種合理的可持續農業發展的重要模式，禾豆之間的相互作用中豆科的固氮作用對自然和農業植物群落的影響得到了廣泛的關注。小麥/蠶豆間作是我國西北地區廣泛種植的模式之一，研究表明，蠶豆能夠顯著增加小麥的吸氮量，而蠶豆的生物固氮作用也有顯著的增強［1 - 3 ］；小麥對小麥/蠶豆間作體系的土壤氮具有較強的競爭能力［4 - 6 ］。在植物群落中，物種的時空生態位對植物群落的種間競爭和資源利用取決于物種生長、生存和繁殖的環境因素［4 - 7 ］。一種作物相對于另一種作物對土壤資源競爭能力大小與作物生長指標密切相關，植物的相互競爭作用在生長過程中會發生動態變化。間作作物對資源的利用存在時間和空間上的差異，他們達到最大生長速率的時間不同，時空生態位的分化可能會減少競爭，增加間作物種的資源捕獲總量［8 - 9 ］。因此，最初的增長率反映了植物的生長潛力和資源的可利用性。資源獲取能力強的植物其生長速度也較快，往往屬于優勢競爭對手。通過使用動態數據和顯式增長模型［8， 10 - 12 ］，如Logistic生長曲線可以模擬植物從出苗到死亡或收獲的生長過程，量化增長和種間競爭的動態，從而幫助我們理解種間相互作用的動態，并為改進間作系統做出預測。

1" "材料和方法

1.1" "試驗區概況

試驗在甘肅省張掖市甘州區九公里甘肅省農業科學院張掖節水農業試驗站開展（38° 56′ N， 100° 26′ E）。試驗站屬典型的大陸性干旱氣候，無霜期153 d，年均氣溫7 ℃，≥0 ℃積溫3 388 ℃，≥10 ℃積溫2 896 ℃，海拔1 490 m，平均年降水量139.2 mm，蒸發量2 291 mm，年日照時數2 800～3 300 h。土壤以灌漠土為主，耕層土壤含有機質17.98 g/kg、全氮0.77 g/kg、全磷1.41 g/kg、全鉀13.97 g/kg，容重1.39 g/cm3，pH 8.5。

1.2" "供試材料

供試蠶豆品種為臨蠶5號，小麥品種為隴春25號，均由甘肅省農業科學院作物研究所提供。供試氮肥為尿素（N 46%），由紅四方肥業有限公司生產；磷肥為重過磷酸鈣（P2O5 44%），由云南云天化有限公司生產。

1.3" "試驗設計

試驗采用兩因素裂區設計，主區為種植模式，分別為單作小麥（SW），行距15.0 cm；單作蠶豆（SF），行距22.5 cm，株距20.0 cm；小麥/蠶豆間作（IW/IF），帶幅1.8 m，小麥帶0.9 m，種植6行，蠶豆帶0.9 m，種植4行。副區為施氮水平，分別為不施氮處理（N0）、施氮量225 kg/hm2（N1）。氮肥2/3基施，1/3小麥拔節期追施；重過磷酸鈣120 kg/hm2，全部基施。試驗隨機區組排列，重復3次，小區面積為39.875 m2（5.500 m×7.250 m ）。蠶豆、小麥于3月23日同期播種。以小區出苗50%計，小麥4月3日出苗，出苗后10 d為出苗期、20 d為分蘗期、50～60 d為拔節孕穗期、70 d為開花期、90 d為灌漿期，7月22日收獲；蠶豆4月9日出苗，出苗后10 d為出苗期、30 d為分枝期、60～70 d為開花期、80 d為結莢期、90 d為鼓粒期，8月13日收獲，兩種作物共生期自4月9日至7月22日共104 d。

1.4" "樣品采集及測量

共生期每5 d采集干物質1次，小麥每次取3行20 cm，蠶豆每次取樣4穴，樣品采回后分離莖和葉。蠶豆取根稱根瘤重，數根瘤數。樣品莖、葉、果實分別在105 ℃下烘30 min殺青后在85 ℃下烘干至恒重，干樣品稱重后存于小袋中。作物完全成熟后，按小區單收計產。

1.5" "數據分析

生長動態曲線模擬利用 Originpro 8.0的Logistic方程模擬整個生育期作物的生長動態曲線［13 ］。

y = K /1+exp［r×（T_max－t）］

式中，y 表示作物生長至 t 天時的地上部生物量， K表示地上部最大生物量，r表示最初生長速率， T_max表示作物達到最大生長速率所需要的時間。當時間為 T_max 時，y= K/2，此時作物達到最大生長速率（R_max ） ，且R_max =rK/ 4。對生長動態曲線函數關于時間進行求導，得出各處理作物的瞬時生長速率。對同一施氮量水平下單作小麥與單作蠶豆，間作小麥與間作蠶豆的瞬時生長速率進行求比，即為生長速率比。瞬時生長速率表示單位生長時間內地上部生物量的變化率。小麥/蠶豆生長速率比=小麥瞬時生長速率/蠶豆瞬時生長速率。

1.6" "數據處理

用Microsoft Excel和 SAS統計軟件對數據進行整理和統計分析，用Origin8.0軟件進行生長曲線擬合作圖。

2" "結果與分析

2.1" "不同氮水平小麥/蠶豆地上部生物量累積

運用Logistic方程對小麥/蠶豆間作體系地上生物量累積進行擬合，各處理方程決定系數（R2）小麥0.712～0.868、蠶豆0.899～0.947，各處理差異均不顯著（P gt; 0.05）（表1）。不同氮水平和種植模式對小麥、蠶豆的生長參數中種植模式、氮水平及各交互作用均無顯著影響，但間作施氮處理增加了蠶豆達到最大生長速率所需的時間。從圖1看出，2種施氮水平下蠶豆、小麥地上部生物量累積變化趨勢較一致。N1處理的小麥生物量累積均高于N0處理，其中N1處理中，小麥苗期到拔節期IWN1處理高于SWN1處理，從開花期之后SWN1處理逐漸高于IWN1處理；N0處理中，小麥苗期表現為IWN0處理大于SWN0處理，拔節期之后SWN0逐漸超過IWN0，小麥最終生物量表現為SWN1 gt; IWN1 gt; SWN0 gt; IWN0，說明在同等施氮量條件下單作的生物量高于間作，間作體系隨著蠶豆生長對小麥的競爭越來越強。

蠶豆單作生物量表現為N1處理高于N0處理，間作受小麥競爭影響生物量累積低于單作，其中分枝期、開花期IFN0處理的蠶豆生物量累積高于IFN1處理，開花期之后IFN1處理逐漸高于IFN0處理，至出苗后100 d IFN0處理又高于IFN1處理，說明由于間作競爭和氮肥供應較少延長了蠶豆的生育期，蠶豆最終生物量表現為IFN0 gt; IFN1 gt; SFN1 gt; SFN0，可見間作體系對蠶豆的生物量累積有先競爭后恢復的影響。

2.2" "不同氮水平小麥/蠶豆地上部生長速率

從兩種作物瞬時生長速率可以更直觀地看到作物生物量累積的狀況（圖2）。對于小麥來說，施氮加速了小麥的生物量累積，N1處理達到最大生長速率的時間較N0處理提前5 d，且" " " "IWN1、SWN1處理的最大生長速率均高于SWN0、IWN0處理。對于蠶豆來說，間作小麥的競爭強度使蠶豆生長速率積累高峰后移，SFN1和SFN0處理均早于IFN0和IFN1處理達到最大生長速率。

2.3" "小麥/蠶豆生長速率比

如圖3所示，生長前期（從播種到出苗70 d左右）小麥/蠶豆生長速率比大于1，說明生長前期以小麥生長占主導地位，小麥灌漿收獲期對蠶豆競爭降低，由于競爭恢復理論蠶豆生物量增加。不論單作還是間作，N1處理養分充足加速了小麥的生長，生長速率比均高于N0處理，2種氮水平下，SN0、SN1處理生長速率比均呈平緩下降趨勢，因作物間的競爭積累，IN0、IN1處理的生長速率比均呈現出一個競爭恢復的拋物線趨勢，前期小麥的競爭力相對較弱，苗期蠶豆的競爭力較強，隨著生長時間推移，出苗35 d左右（小麥進入旺盛的營養生長階段）有較強的競爭優勢，出苗后70 d速率比出現拐點，此后小麥/蠶豆生長速率比小于1，蠶豆的生長速率增強而小麥灌漿收獲生物量累積速率減弱。

2.4" "不同施氮處理蠶豆地下部生物量動態變化

從蠶豆地下部生物量變化（圖4、圖5）可以看出，2種施氮水平下，間作蠶豆地下部生物量均在生長后期超越了單作。IN0處理下蠶豆地下部生物量在出苗后80 d超過SN0處理，而IN1處理的地下部生物量在出苗后105 d超過SN1處理。另外，N0處理下蠶豆地下部生物量整體高于N1處理。從2種施氮水平下蠶豆整個生育期的平均根瘤數量（圖6）可知，N1處理的平均根瘤數低于N0處理。說明在間作和不施氮的環境下，能激發蠶豆的生物固氮效應，促進蠶豆地下部生長和根瘤數量增多。

3" "討論與結論

相關研究表明，間作體系中由于作物對資源的利用會發生競爭和補償效應［6 - 7， 14 ］。在各種禾豆間作模式中，小麥蠶豆間作的互作時間長，兩種作物的共生期超過總生育期的80%，是研究禾豆間作體系氮素營養競爭和互補的理想模式［9， 15 ］。本研究用Logistic方程估算了小麥和蠶豆在兩種氮水平下在田間共生期的生長模式和關鍵生長參數，呈現了單作與間作作物的生長差異，對小麥/蠶豆間作時間、空間生態位差異的種間競爭和資源利用的研究具有重要意義［13 - 16 ］。間作體系的兩種作物可以錯峰利用資源，提高養分利用效率。本試驗中，兩種氮肥處理的小麥和蠶豆存在著不同的生長速率和生長峰，小麥的競爭使蠶豆生長速率積累高峰后移。間作處理因作物間的競爭生長速率比均呈競爭恢復的拋物線趨勢，苗期蠶豆的競爭力較強，隨著生長時間推移，小麥進入旺盛的營養生長階段，而出苗70 d后小麥生物量累積速率減弱而蠶豆的生長速率增強。瞬時生長速率是衡量作物競爭能力的關鍵屬性，反映了作物的生長潛力及對養分資源的利用能力［17 ］。本試驗中小麥在生長中期瞬時生長速率比蠶豆高，表明此時小麥在與蠶豆的間作體系中占主導地位，證實了在小麥間作蠶豆體系中小麥處于競爭優勢地位， 其對養分的吸收能力高于蠶豆。這與前人研究結果一致［1， 8， 18 ］，與柏文戀等［13 ］在云南的研究不同，但同樣證實了雖然小麥、蠶豆株高相似，共生期較長，但他們對資源利用的能力不同使得生長曲線在不同時期存在差異。

由于間作競爭，小麥的主導地位有時導致蠶豆間作生長速度降低。然而，競爭和互補在生長中后期并存，不斷刺激蠶豆的生長。研究表明，小麥根系的延展性較蠶豆根系更強，因此小麥具有更強的吸收土壤氮的能力［14， 19 - 20 ］，另一方面小麥間作蠶豆體系中的產量優勢主要是種間氮營養生態位的分化，土壤中有限的氮素水平限制了作物對氮的吸收利用，間作優勢降低，但優勢仍然存在。肖焱波等［21 ］研究發現，小麥的根系競爭促進了與之間作的蠶豆共生固氮，蠶豆通過生物固氮來吸收養分，而減少了對土壤有效氮的吸收，從而將土壤中的有效氮更多地留給小麥利用［16， 19 - 23 ］。增量施肥模式雖然使間作體系吸收了較多地氮素，但過量的氮肥不利于氮素的有效利用［24 ］。本研究中間作和不施氮激發了蠶豆的生物固氮效應，促進了蠶豆地下部的生長和根瘤數的增加，這表明生態系統中資源短缺時，小麥和蠶豆間作對氮的互補利用，使得單位資源的邊際報酬達到最大化［25 - 28 ］。

本研究表明，施氮和間作改變了小麥、蠶豆生物量的積累，不論單作與間作，施氮加速了小麥的生物量累積，生長速率比均高于不施氮處理；在小麥/蠶豆間作前期，小麥有較強的氮肥利用優勢，進而對蠶豆的地上部和地下部生物量累積產生影響，間作處理因作物間的競爭生長速率比均呈現競爭恢復的拋物線趨勢，2種施肥處理的單作蠶豆均早于間作蠶豆達到最大生長速率，小麥成熟期后對于蠶豆的競爭減小，蠶豆的生長速率增強，反映了作物的生長潛力及對養分資源的利用能力。相同種植模式下施氮處理對于蠶豆的生物量累積起關鍵因素，間作和氮缺乏的環境下，更能激發蠶豆的生物固氮效應，促進蠶豆地下部生長和根瘤數量增多。這為小麥和蠶豆間作對有效資源的利用和節約氮肥提供了科學依據。

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