楊國 陳光榮 王立明 楊如萍 董博 張國宏 李城德 楊桂芳

摘要：應用土地當量比、產量當量、產值當量等不同量化指標，對甘肅沿黃灌區(qū)馬鈴薯套作大豆產出效果進行分析，通過測定薯豆套作復合群體光合參數、土壤養(yǎng)分、微生物數量及作物品質及調查間套作系統(tǒng)中雜草生長狀況等，研究馬鈴薯間套作大豆的生理效應及微生態(tài)效益。結果表明， 馬鈴薯套作大豆的模式（薯/豆）顯著提高了日照利用率、≥10 ℃溫度利用率、綠色期降水利用率及地面覆蓋期利用率，可提高土地復種指數及土地利用率，具有良好的產出效果，單位面積產量間作當量比、產值間作當量比分別為1.53和1.49。由于馬鈴薯對氮素和鉀素吸收量大，而大豆對磷素比較敏感，馬鈴薯/大豆套作模式具有很強的養(yǎng)分吸收互補特性，可顯著提高作物對養(yǎng)分資源的高效利用，降低化肥施用量。馬鈴薯/大豆連續(xù)套作可提高土壤有機質含量、促進土壤微生物活性和酶活性，有效改善土壤微生物結構，在一定程度上緩解了馬鈴薯連作障礙；還能降低馬鈴薯淀粉含量，極顯著降低還原糖的含量，提高商品薯率、維生素C和蛋白質含量。馬鈴薯套作大豆栽培模式實現了土地、勞動力、土壤養(yǎng)分和水熱資源在時間和空間上的集約化利用，具有提高土地產出量及可持續(xù)利用性的優(yōu)勢，同時能適應機械化作業(yè)，顯著提高生產效率，適宜在西北沿黃灌區(qū)大面積示范推廣。

關鍵詞：馬鈴薯/大豆；沿黃灌區(qū)；連作障礙；品質；產出效果；生態(tài)效益

中圖分類號：S532；S565.1；S344.3 文獻標志碼：A 文章編號：1001-1463（2017）07-0043-07

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.07.011

Abstract：Field experiments are conducted in Northwest irrigation districts along Yellow river from 2013 to 2016. The concept related to yield equivalent and value of output equivalent is proposed， using various quantitative standards such as land equivalent ratio， yield equivalent， and value of output equivalent， the efficiency and the economic benefit. The physiological effect and micro ecological benefit on photosynthetic properties， soil microorganism populations， crop quality and weed control in intercropping systems are studied systematically. Early potato and soybean intercropping could significantly improve illumination effective utilization， ≥10 ℃ temperature effective utilization， rainfall effective utilization during green period and ground cover effective utilization. Intercropping significantly improved the land use efficiency， the unit area yield and the unit area value are 1.53 and 1.49 times of sole cropping. Intercropping also significantly improved soil microbial structure and crop quality， and therefore alleviated the obstacles of continuous cropping. Early potato and soybean intercropping is an effective cultivation method with great ecological and economic benefits. In addition to Labor， soil， heat and water resource intensively utilizing temporally and spatially， Early potato and soybean intercropping could increase the crop yield per unit area greatly， which could be extended at large scale.

Key words：Potato/ Soybean；Northwest irrigation areas；Continuous cropping obstacle；Quality；Yield effect；Ecological benefit

沿黃灌區(qū)是西北地區(qū)乃至全國重要的早熟馬鈴薯生產基地，該區(qū)域馬鈴薯種植逐漸呈現規(guī)?；?、機械化和集約化趨勢。然而，伴隨著馬鈴薯產業(yè)的發(fā)展，該區(qū)域出現種植結構相對單一、倒茬困難和馬鈴薯多年連作的局面，導致馬鈴薯生長發(fā)育受阻、病蟲害猖獗、產量和品質下降等一系列問題。生產上需要通過輪作倒茬來緩解連作障礙，這就妨礙了馬鈴薯種植面積的擴大且增加了基地建設成本。近年來，馬鈴薯/大豆高產高效栽培模式在西北地區(qū)大面積被應用，該模式有效緩解了馬鈴薯連作障礙，為該區(qū)域馬鈴薯產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到了重要作用。

關于馬鈴薯的間套作研究主要集中在間套作作物生物學特性上的差異，能夠在資源上時空互補利用，如早熟馬鈴薯/大豆套作高效栽培模式、玉米/馬鈴薯間作模式和棉花/馬鈴薯間作模式 等[1 - 3 ]；其次，間套作條件下相對冷涼的群體環(huán)境有利于馬鈴薯生長和塊莖形成[4 - 6 ]；此外，間套作顯著抑制馬鈴薯的晚疫病及蟲害[6 - 7 ]。在間套作改善微生態(tài)效益方面也做了一些研究[8 - 13 ]，如利用莜麥-馬鈴薯帶狀間作來滯遲薯田的土壤風蝕，黑麥草-莜麥-馬鈴薯間作以增大冬季地表覆被比率，小麥-大豆/柴胡間套作模式可有效防止北方冬春季風沙的危害，有效的保持水土，防止土壤侵蝕。對間套作栽培改善土壤微生物環(huán)境，增加微生物多樣性的研究也有報道[13 - 15 ]。如小麥/蠶豆、玉米/蠶豆和小麥/玉米間作能夠提高作物根際細菌群落多樣性，改變根際細菌群落結構組成，玉米/蠶豆和玉米/鷹嘴豆間作后其根際微生物多樣性指數顯著高于單作。對馬鈴薯間套作栽培技術和經濟效益方面研究也有報道。曹國璠 等[16 ]從7種作物6種間套作模式中，篩選出馬鈴薯套玉米間胡蘿卜的效益最高；陳光榮等[17 ]對西北沿黃灌區(qū)不同作物間套作大豆模式的研究結果表明，早熟馬鈴薯間套作大豆模式經濟效益最高。但有關馬鈴薯間套作生理、生態(tài)效益方面研究不多。多年來我們在西北沿黃灌區(qū)通過對品種搭配、帶幅、播期、密度及行穴配置等栽培因子的試驗研究，初步確定了早熟馬鈴薯套作大豆高產高效栽培模式，并通過對該模式產出效果、生理效應及生態(tài)效益進行分析，進一步完善了該栽培模式。本文應用土地當量比、產量當量、產值當量等不同量化指標對產出效果進行分析，通過測定薯豆套作復合群體光合參數、土壤微生物數量及作物品質，調查間套作系統(tǒng)中雜草生長狀況等，研究了早熟馬鈴薯間套作大豆的生理效應及微生態(tài)效益，以期為建立新型高產高效優(yōu)質薯豆套作模式提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

指示品種選用河北省農林科學院糧油作物研究所育成的大豆品種冀豆17和黑龍江省馬鈴薯研究所選育的早熟馬鈴薯品種克新4號。

1.2 試驗地概況

試驗于2013 — 2016年在地處甘肅沿黃灌區(qū)的甘肅省靖遠縣進行，當地地理位置36° 57′ N、104° 68′ E，海拔1 580 m，年平均氣溫7.9 ℃。年均降水量293.7 mm，其中7 — 9月份占全年降水量的60%左右，年蒸發(fā)量達1 600 mm，是平均降水量的5倍?！?0 ℃的有效積溫3 244 ℃，氣候四季分明，日照充足。試驗地土壤為灰鈣土和灌淤土。

1.3 田間試驗設計及種植規(guī)格

試驗采用單因素隨機區(qū)組設計，共設3個處理，分別為早熟馬鈴薯間套作大豆、大豆單作、馬鈴薯單作，3次重復，小區(qū)面積為56 m2。按壟寬100 cm、壟高30 cm的規(guī)格起壟，壟面呈弧形。早熟馬鈴薯間套作大豆處理壟面覆膜后于3月20日每隔1壟在壟面按行距45.0 cm、穴距22.0 cm種植2行馬鈴薯，種植密度為45 000穴/hm2；于4月15日在其余壟壟面按行距40.0 cm、株距12.5 cm種植2行大豆，種植密度為100 000株/hm2。大豆單作處理壟面覆膜后于4月15日在每壟壟面按行距40.0 cm、株距12.5 cm種植2行大豆，種植密度為200 000株/hm2。馬鈴薯單作處理壟面覆膜后于3月20日在每壟壟面按行距45.0 cm、穴距22.0 cm種植2行馬鈴薯，種植密度90 000穴/hm2。肥水及大田管理同當地常規(guī)生產。

1.4 間作效果的定量評價指標及計算

土地當量比（LER）是指獲取與某種種植方式單位面積同等產量，同類農田相同作物單作所需的土地總面積。

式中Yi 為單位面積內間作群體各作物產量或產值；Yi′為單位面積內間作的各作物單作時產量或產值；Ki為間作的各作物的占地系數；n 為間作各作物的種類或數量；i 為間作群體中的各作物。間作當量可分為產量間作當量和產值間作當量。若以作物產量為比較參數，則為產量間作當量；若以作物產值為比較參數，則為產值間作當量。

1.5 觀測指標

1.5.1 光合參數測定 采用美國LI-COR公司生產的LI-6400便攜式光合測定系統(tǒng)。測定馬鈴薯及大豆單葉光合速率、蒸騰速率、氣孔導度，分別于馬鈴薯及大豆苗期、花期、成熟期測定，測定時間為上午9：30～11：30時。

1.5.2 土壤微生物數量測定 細菌、真菌、放線菌計數采用稀釋涂抹平板法。細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，放線菌采用改良的高氏一號培養(yǎng)基（每300 mL培養(yǎng)基中加30 mg/g重鉻酸鉀1 mL），真菌采用PDA培養(yǎng)基（每100 mL培養(yǎng)基加1%鏈霉素溶液0.3 mL）。結果以每1 g干土所含數量表示。

1.5.3 作物品質測定 粗脂肪含量用索氏提取法，蛋白質含量用凱氏定氮法，干物質測定用烘干恒重法，維生素C采用熒光法，粗淀粉采用酸水 解-旋光法，還原糖用氰化鹽法。

1.5.4 生態(tài)氣候指標測定 日照利用率=[作物生長期間的總光照時數（h）/本地全年總光照時數（h）]×100%；≥5 ℃溫度利用率=[作物生長期間≥5 ℃積溫（℃）/本地全年≥5 ℃積溫（℃）]×100%；綠色期降水利用率=作物生長期間的總降水量（mm）/本地全年總降水量（mm）；地面覆蓋期利用率=[作物生長期總天數（d）/全年天數（d）]×100%。

1.5.5 雜草生長情況調查 馬鈴薯開花期在各小區(qū)用單位平方尺隨機固定面積調查固定面積內雜草株數。

1.6 數據處理

試驗數據均用Microsoft Excel和DPS統(tǒng)計軟件進行試驗數據匯總與統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 作物生長動態(tài)分析

由圖1可知，套作馬鈴薯與馬鈴薯單作的干物質積累進程在生長前期基本一致，6月20日以后（大豆進入始花期，見表1），馬鈴薯與套作大豆進入生殖生長共生期，此時期為40 d（見表1），兩種作物對水肥的競爭強，此時套作馬鈴薯相對于馬鈴薯單作干物質變化趨于平緩，套作與單作干物質積累差異在前期較小，后期逐漸明顯，從而導致套作馬鈴薯產量略有下降。套作大豆與大豆單作干物質積累特點明顯不同（見圖2），首先，大豆單作在出苗后60 d內干物質積累最快，而同期套作大豆生長緩慢，平均不足大豆單作的一半，出現這種現象的主要原因是兩種作物共生期馬鈴薯競爭能力強，迫使大豆處于劣勢地位，生長緩慢。其次，在大豆生長后期，特別是8月份馬鈴薯收獲后，大豆單作干物質積累相對變緩，而此時套作大豆生長加快，干物質積累進程加快，最終干物質接近大豆單作，說明馬鈴薯收獲后，套作大豆的干物質積累和產量因馬鈴薯競爭導致的損失在很大程度上得到了補償。

2.2 早熟馬鈴薯套作大豆產出效果分析

從表2可以看出，在早熟馬鈴薯套作大豆模式下，套作馬鈴薯的平均產量為38 806.67 kg/hm2，套作大豆平均產量為2 162.72 kg/hm2，較馬鈴薯單作、大豆單作平均產量42 360.78 kg/hm2、3 396.88 kg/hm2分別下降了8.39%、36.33%，薯豆套作模式產出效果較明顯。馬鈴薯套作大豆可提高土地復種指數，提高土地利用率，具有良好的產出效果，其單位面積產量間作當量比、產值間作當量比分別為1.53和1.49，即其單位面積產量、產值較單作分別提高了1.53倍和1.49倍。

2.3 馬鈴薯、 大豆光合參數分析

對不同生育期馬鈴薯及大豆葉片光合參數的測定和分析的結果（表3）表明，在苗期，套作馬鈴薯與馬鈴薯單作的葉片光合速率、氣孔導度、蒸騰速率及水分利用效率差異不顯著，而套作大豆與大豆單作差異達到顯著水平，套作大豆的葉片蒸騰速率、氣孔導度、光合速率及水分利用效率（WUE）比單作分別下降了16.7%、27.0%、37.7%和14.8%，表明套作對大豆苗期產生了不利的影響，主要是由于馬鈴薯對套作大豆的遮蔽作用造成的。在花期，套作馬鈴薯的葉片蒸騰速率、氣孔導度、光合速率及水分利用效率分別比單作降低了8.2%、20.4%、11.1%和3.4%，差異顯著；套作大豆葉片蒸騰速率、氣孔導度、光合速率分別比單作分別降低了45.4%、35.5%和28.1%，差異達顯著水平。而水分利用效率（WUE）比單作提高了31.7%差異達顯著水平。此時，馬鈴薯與大豆進入生殖生長共生期，兩種作物對水肥的競爭強，套作大豆仍然處于劣勢，如果這個時期水肥條件不足，就會影響套作馬鈴薯及套作大豆的光合生產。在成熟期，套作大豆比大豆單作僅下降了2.2%。馬鈴薯收獲后，因大豆的恢復作用，使套作大豆的光合損失在很大程度上得到了補償。

2.4 早熟馬鈴薯套作大豆對土壤微生物的影響

通過對定位第3年的馬鈴薯單作（連作）及套作馬鈴薯田土壤微生物的測定和分析（表4）表明，套作土壤中細菌、放線菌數量高于連作，差異達到顯著水平，連作土壤中真菌數量顯著高于套作處理。收獲后，與連作相比，套作土壤細菌和放線菌數量相對于播種前，增加了5.84 ×107 cfu/g、5.35×106 cfu/g，分別比連作高6.76%、63.11%。真菌的變化呈現相反的趨勢，收獲后與播種前相比，套作土壤中的真菌數量比連作降低了38.63%。

2.5 早熟馬鈴薯套作大豆對作物品質的影響

早熟馬鈴薯間套作大豆能改善大豆及馬鈴薯的部分品質指標。由表5可知，相對于單作，套作大豆粗蛋白含量提高5.05%，脂肪含量下降了3.50%，蛋脂總含量提高2.37%。套作馬鈴薯粗淀粉含量及還原糖含量為125.8、1.01 g/kg，相對于馬鈴薯單作分別下降了8.31%、53.24%。由此可見薯豆套作能降低馬鈴薯粗淀粉含量，極顯著降低馬鈴薯還原糖含量。同時套作馬鈴薯維生素C含量、粗蛋白含量相對于馬鈴薯單作，分別提高了17.06%、15.49%，差異達到顯著水平。

2.6 早熟馬鈴薯套作大豆生態(tài)效益分析

西北沿黃灌區(qū)屬于溫帶干旱、半干旱大陸性氣候類型，≥10 ℃的有效積溫3 244 ℃，年日照時數為2 447.1 h，年自然降水量為263.1 mm。由表6可以看出，薯豆套作模式的4個生態(tài)指標均最高，日照利用率比大豆單作和馬鈴薯單作分別提高23.2%和38.5%，≥10 ℃溫度利用率分別提高11.0%和54.9%，綠色期降水利用率分別提高7.9%和69.0%，地面覆蓋期降炎利用率分別提高7.8%和63.4%。

觀察發(fā)現，馬鈴薯單作及大豆單作行間地面光照充足，容易滋生各種雜草，尤其在作物灌水之后，雜草滋生迅速，嚴重危害作物的生長。因此每年都要花費大量的人工進行鋤草或噴施除草劑，既增加成本，又對生態(tài)環(huán)境造成影響。早熟馬鈴薯間套作大豆，由于雜草減少，因此年鋤草的人工相應減少，較馬鈴薯單作、大豆單作分別減少800元/hm2、1 400元/hm2的鋤草成本，較大地節(jié)約了生產成本（表7）。

3 小結與討論

在我國馬鈴薯主糧化的背景下，由于比較效益高，產業(yè)鏈長等優(yōu)勢條件，馬鈴薯種植面積逐年增加。傳統(tǒng)早熟馬鈴薯種植多為單作模式且種植密度稀疏，往往導致馬鈴薯在生育期內地上光熱資源不能充分利用。另一方面馬鈴薯生育期內，地上枝葉覆蓋面積小且時間短，易造成地面水分蒸發(fā)，不利于馬鈴薯塊莖的形成。而薯豆套作模式則顯著提高了日照利用率、≥10 ℃溫度利用率、綠色期降水利用率及地面覆蓋期利用率。盡管早熟馬鈴薯與大豆共生期長達93 d，但是生殖生長的天數僅有40 d，馬鈴薯收獲后，套作大豆有充足的時間進行補償生長，有利于其產量形成。以往的研究表明，馬鈴薯是喜鉀作物，對土壤鉀素的吸收量較大，同時對氮素吸收也較多，而豆科植物對磷素較敏感，二者復合種植可均衡吸收土壤中氮、磷、鉀，提高土地利用率[18 - 19 ]。本試驗結果表明，早熟馬鈴薯套作大豆提高土地復種指數，提高土地利用率，具有良好的產出效果，其單位面積產量間作當量比、產值間作當量比分別為1.53和1.49，即其單位面積產量、產值較單作提高了1.53倍和1.49倍。說明該模式既能促進該區(qū)主要糧食作物馬鈴薯高產，又增種一季大豆，提高了資源利用效率和土地生產率，增加了農民收入，從而實現了資源的可持續(xù)利用和農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

馬鈴薯長期連作導致產量降低，品質下 降[20 - 23 ]，同時引起的土壤理化性狀的改變，土壤中長期存留作物根系分泌物和殘茬均可導致土壤微生物的變化，影響作物正常的生長。細菌、真菌、放線菌是土壤微生物的重要組成部分，它們能夠促進植物殘體的降解、腐殖質形成，在養(yǎng)分的轉化與循環(huán)中起著十分重要的作用[23 ]。馬琨 等[22 ]研究表明：馬鈴薯連作栽培顯著提高了土壤微生物量碳/氮比，土壤細菌/真菌的比例和對照土壤相比，分別減少了64.70%、9.18%～32.11%，連作會使土壤微生物區(qū)系從細菌型轉向真菌型。本試驗研究表明，馬鈴薯套作大豆的土壤細菌和放線菌數量明顯高于連作，真菌數量顯著低于連作。說明薯豆套作模式有效改善了土壤微生物結構，在一定程度上能緩解馬鈴薯連作障礙。

馬鈴薯塊莖鮮重的24%左右是干物質，以淀粉為主，另外，還包括還原糖、維生素C和蛋白質等物質。其中淀粉含量和還原糖含量作為馬鈴薯食用和工業(yè)加工原料而備受關注[23 ]。以往的研究結果表明，馬鈴薯與豆類作物間套作能改善馬鈴薯的品質[24 - 26 ]。本研究發(fā)現，馬鈴薯大豆套作能改善馬鈴薯的部分品質，其中能降低淀粉含量，極顯著降低還原糖的含量，提高了維生素C和蛋白質含量，這一結論與已報到的結論一致。本試驗結果還表明，薯豆套作對大豆蛋白質和脂肪含量有一定程度的影響。

在西北沿黃灌區(qū)，早熟馬鈴薯套作大豆的模式顯著提高了日照利用率、≥10 ℃溫度利用率、綠色期降水利用率及地面覆蓋期利用率，有效改善土壤微生物結構，在一定程度上緩解了馬鈴薯連作障礙，還能改善馬鈴薯及大豆部分品質。該模式實現了土地、勞動力、土壤養(yǎng)分和水熱資源在時間和空間上的集約化利用，具有提高土地產出量及可持續(xù)利用性的優(yōu)勢，適宜在該區(qū)域大面積示范推廣，但還需進一步加強農機農藝配套的深入研究。

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（本文責編：鄭立龍）