張金丹 范 虹 杜進(jìn)勇 殷 文 樊志龍 胡發(fā)龍 柴 強(qiáng)

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實驗室, 甘肅蘭州 730070

人口增長、水土資源減少, 使得糧食安全問題日益突出, 高產(chǎn)種植模式研究仍廣受關(guān)注[1-2]。間作是提高單位面積土地生產(chǎn)力較為普遍的高產(chǎn)種植模式, 在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用[3-4]。研究者發(fā)現(xiàn)[5], 間作增產(chǎn)的主要原因是對需求特性不同的作物提供了生態(tài)位分離的基礎(chǔ), 促成了作物間競爭與互補(bǔ), 提高了資源利用, 即作物種間關(guān)系是影響間作產(chǎn)量的重要原因。優(yōu)化種間關(guān)系是提高間作增產(chǎn)優(yōu)勢的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)[6], 也是多熟種植體系重要研究內(nèi)容。

間作作物因在共生期共同利用空間和各種資源而發(fā)生競爭, 而間作系統(tǒng)早熟作物收獲后, 后熟作物單獨(dú)生長會得到時空恢復(fù)效應(yīng)[7]。在適宜范圍內(nèi)競爭力與群體產(chǎn)量呈正比[8-9], 且提高恢復(fù)效應(yīng)是后熟作物增產(chǎn)的重要基礎(chǔ)[10]。研究表明, 肥水管理[11]、作物搭配[12]、種植方式[13]、密度調(diào)控[14-15]等是調(diào)控種間關(guān)系的重要措施, 其中密度是調(diào)控群體最簡單有效的栽培措施[16]。間作系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)種間競爭力往往隨某一作物的密度增加而提高[15,17], 且晚熟作物密度增加更有利于發(fā)揮其恢復(fù)效應(yīng)[14]?？梢娒苤彩窃黾痈偁巸?yōu)勢、促進(jìn)恢復(fù)效應(yīng)的重要突破點(diǎn)。此外, 間作系統(tǒng)較單作具有一定的高密度承載力[17-18]。在間作高產(chǎn)栽培中, 增密是間作群體產(chǎn)量增加的重要機(jī)制之一[19], 間作“納密”水平的提升有利于間作產(chǎn)量和資源利用效率的提高[18]。間作系統(tǒng)中[15,19], 固定一種作物密度, 另一作物產(chǎn)量與其密度在一定范圍內(nèi)呈正比, 而兩作物密度同步增加對產(chǎn)量影響未做詳細(xì)研究。兩作物密度同時變化時相互影響是否更劇烈, 種間競爭互補(bǔ)變化是否更復(fù)雜？還需進(jìn)一步研究。而間作種間關(guān)系及產(chǎn)量研究的結(jié)論通常建立在固定一種作物密度, 增加另一種作物密度的模式下, 兩作物密度協(xié)同對群體種間關(guān)系的調(diào)控進(jìn)而影響產(chǎn)量的研究相對薄弱, 致使生產(chǎn)實踐過程中缺乏通過系統(tǒng)優(yōu)化種植密度提高間作產(chǎn)量的理論依據(jù)。本研究以小麥/玉米為研究對象, 在兩種作物密度同步變化情況下, 探討種間關(guān)系的響應(yīng)特征, 揭示種間關(guān)系與間作產(chǎn)量的相關(guān)性, 旨在為豐富間作調(diào)控理論和技術(shù)提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗于2018—2019年在甘肅省武威市黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)“武威綠洲試驗站”進(jìn)行, 該站位于甘肅河西走廊東端, 屬溫帶干旱區(qū), 年均日照時數(shù)超過2900 h, 年均氣溫約7.3℃, ≥0℃和≥10℃年積溫分別為3513℃和2985℃, 光資源豐富, 熱量一季有余、二季不足, 適宜發(fā)展間作, 麥玉間作是該區(qū)典型的間作模式。試區(qū)土壤為典型的沙壤土, 土壤全氮0.68 g kg?1、速效磷29.2 g kg?1、速效鉀152.6 g kg?1、有機(jī)質(zhì)14.31 g kg?1, 容重1.57 g cm?3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)單作玉米、單作小麥、小麥間作玉米3種種植模式。單作和間作玉米分別設(shè)傳統(tǒng)(M1)、中(M2)、高(M3) 3個密度水平, 單作分別為7.80、10.35和12.90萬株 hm?2, 對應(yīng)間作分別為4.5、6.0和7.5萬株 hm?2; 單作和間作小麥分別設(shè)傳統(tǒng)(W1)、高(W2)兩個密度水平, 單作分別為675萬粒 hm?2和810萬粒 hm?2, 對應(yīng)間作分別為284萬粒 hm?2和341萬粒 hm?2。共11個處理, 每處理重復(fù)3次(表1)。

表1 試驗處理及代碼Table 1 Experimental treatments used in this study

間作玉米與小麥帶寬分別為110 cm和80 cm,行比為3∶6。各間作處理小區(qū)面積5.7 m × 8.5 m, 單作: 5.0 m × 8.5 m (圖1)。小麥分別于2018年3月18日、2019年3月17日播種, 2018年7月20日、2019年7月21日收獲; 玉米分別于2018年4月21日、2019年4月20日播種, 2018年9月28日、2019年9月25日收獲。玉米品種為“先玉335”, 小麥品種為“永良4號”。

玉米種植全膜覆蓋、膜下滴灌。玉米施純氮360 kg hm?2, 以基肥∶大喇叭口期追肥∶灌漿期追肥=3∶5∶2分施; 純磷180 kg hm?2, 全作基肥一次性施入。小麥?zhǔn)┘兊?80 kg hm?2, 純磷90 kg hm?2, 全作基肥一次施入。不同種植模式的其他管理措施同地方習(xí)慣水平。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 地上干物重 玉米出苗后, 每20 d取小麥30株、玉米前期10株, 大喇叭口期后5株測定地上干物重。

1.3.2 產(chǎn)量 小麥、玉米成熟后, 每個測產(chǎn)小區(qū)小麥取5 m2, 玉米取長5 m、一副膜寬度的面積進(jìn)行籽粒產(chǎn)量的測定, 按14%含水量折合成公頃產(chǎn)量。

1.3.3 土地當(dāng)量比(LER) LER=Yiw/Ysw+Yim/Ysm。式中,Ysw、Yiw、Ysm、Yim分別表示單作小麥、間作小麥、單作玉米和間作玉米籽粒產(chǎn)量。LER > 1表示間作優(yōu)勢, LER < 1表示間作劣勢[20]。

1.3.4 小麥對玉米的競爭力(Awm)

Awm=Yiw/(YswZiw)–Yim/(YsmZim)。式中,Ysw、Yiw、Ysm、Yim分別表示單作小麥、間作小麥、單作玉米和間作玉米生物產(chǎn)量,Ziw、Zim分別表示小麥與玉米在間作中的占地比。如Awm>0, 表示小麥競爭力強(qiáng)于玉米;Awm< 0, 表示小麥競爭力弱于玉米[21]。

1.3.5 玉米恢復(fù)效應(yīng)(Rm) 表示小麥?zhǔn)蘸? 間作玉米生長的恢復(fù)程度,Rm=CGRim/CGRsm。式中,CGRim、CGRsm分別表示間作、單作玉米生長率。若R> 1, 說明間作玉米有恢復(fù)效應(yīng),R< 1, 說明無恢復(fù)效應(yīng)。CGR = (W2–W1)/(T2–T1)。式中,W1、W2分別為玉米在不同時期累積的生物量,T1、T2分別為兩個不同的測定時間[22]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

用Microsoft Excel 2016整理匯總試驗數(shù)據(jù),SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行顯著性檢驗(Duncan’s multiple range testsP<0.05)、主效應(yīng)檢驗與互作效應(yīng)分析、相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥玉間作種間關(guān)系對密植的響應(yīng)

2.1.1 麥玉間作共生期內(nèi)小麥相對于玉米的種間競爭 小麥、玉米密度及二者互作對共生期內(nèi)間作小麥相對于玉米競爭力影響顯著(表2)。在共生期間,小麥相對于玉米競爭力呈單峰型變化趨勢(圖2)。小麥拔節(jié)期, 小麥高密度處理下Awm較傳統(tǒng)密度提高了12.1%~17.4%。小麥開花期之前, 玉米高密度處理下Awm的增加幅度高于中、低密度, 此時期,Awm達(dá)到最大值, 玉米高、中密度較傳統(tǒng)密度分別提高了33.4%~36.2%、14.0%~21.8%; 小麥高密度較傳統(tǒng)密度處理Awm提高了10.5%~11.1%。此后Awm急劇下降, 小麥灌漿期以后, 玉米高密度處理下Awm下降幅度高于中、傳統(tǒng)密度。說明, 共生前期, 玉米、小麥密度增加強(qiáng)化了Awm, 共生后期, 密度增加更有利于發(fā)揮玉米生長優(yōu)勢, 且小麥開花期可作為通過調(diào)控小麥、玉米密度提高小麥相對于玉米競爭力的關(guān)鍵時期。

表2 不同密度處理對小麥/玉米間作系統(tǒng)競爭力的主效應(yīng)分析Table 2 Analysis of main effects of different densities on competition of wheat/maize intercropping systems

玉米高、中密度全生育期平均Awm較傳統(tǒng)密度處理分別提高了25.3%~32.0%、15.8%~17.3%; 小麥高密度平均Awm較傳統(tǒng)密度處理提高了10.9%~20.1%, 說明兩種作物密度增加均增大了間作小麥的相對競爭力。IW2M3處理全生育期平均Awm較IW2M2、IW2M1、IW1M3、IW1M2、IW1M1分別提高了10.8%~17.3%、37.4%~42.8%、19.4%~30.1%、25.7%~39.2%、35.5%~56.5%, 說明在試驗設(shè)定的密度范圍內(nèi)兩種作物密度越高, 間作小麥相對于玉米的競爭力越強(qiáng)。

2.1.2 間作玉米的生長恢復(fù)效應(yīng) 間作玉米生長率較單作提高顯著(圖3), 玉米抽雄期—吐絲期, 間作玉米生長率較單作在玉米中、高密度下分別提高了14.9%~23.7%、11.9%~14.6%。玉米吐絲期—灌漿期, 在玉米傳統(tǒng)、中、高密度下間作玉米生長率較單作分別提高了15.3%~61.4%、17.9%~49.4%、17.5%~49.6%。玉米灌漿期—蠟熟期, 在玉米傳統(tǒng)、中、高密度下間作玉米生長率較單作分別提高了14.4%~62.2%、43.3%~70.6%、55.6%~102.5%, 說明在玉米生長后期, 間作玉米較單作有明顯的恢復(fù)效應(yīng)。

小麥?zhǔn)蘸? 玉米、小麥密度及二者互作對間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)影響顯著(表3)。玉米吐絲期—灌漿期, 小麥高密度較傳統(tǒng)密度間作玉米Rm提高了11.2%~11.7%。玉米灌漿期—蠟熟期, 玉米高密度較傳統(tǒng)密度間作玉米Rm提高了18.1%~35.0%, 2018年IW2M3較IW1M3提高了30.0%, 2019年差異不顯著。玉米蠟熟期—完熟期, 玉米高、中密度較傳統(tǒng)密度間作玉米Rm分別提高了66.4%~122.8%、24.5%~72.8%, IW2M2較IW1M2提高了31.1%~68.2%。說明小麥、玉米密度增加提高了間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)。

表3 不同玉米和小麥密度處理下小麥?zhǔn)斋@后間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)Table 3 Effects of maize intercropping on recovery of post-harvest wheat under different maize and wheat densities

玉米高、中密度較傳統(tǒng)密度麥后間作玉米平均Rm提高了27.4%~48.6%、10.3%~30.5%, 小麥高密度較傳統(tǒng)密度提高了14.6%~17.1%。IW2M3處理玉米的平均Rm較IW1M1、IW1M2、IW2M1、IW2M2提高了43.7%~65.5%、31.9%~39.7%、30.0%~54.0%、11.0%~13.9%。說明在本試驗密度范圍內(nèi), 兩作物密度越高, 麥后間作玉米恢復(fù)效應(yīng)越強(qiáng), 且玉米、小麥高密度處理具有更大的優(yōu)勢。

2.2 麥玉間作土地利用率及產(chǎn)量表現(xiàn)

2.2.1 不同間作處理的土地當(dāng)量比 如圖4所示,間作不同處理土地當(dāng)量比均大于1, 說明麥玉間作相對于單作具有明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢。玉米高、中密度處理的LER較傳統(tǒng)密度提高了6.5%~6.9%、4.2%~4.5%。IW2M3處理具有最大的LER, 較IW1M1提高了8.3%~10.8%。說明, 小麥、玉米密度增加其增產(chǎn)優(yōu)勢明顯。

2.2.2 麥玉間作籽粒產(chǎn)量表現(xiàn) 麥玉間作可提高作物籽粒產(chǎn)量(圖5), 相同占地面積麥玉間作籽粒產(chǎn)量較單作玉米、單作小麥分別增加了6.8%~12.3%、80.4%~101.7%。間作中, 小麥高密度較傳統(tǒng)密度處理增產(chǎn)3.6%~5.1%, 玉米高、中密度較傳統(tǒng)密度處理增產(chǎn)14.1%~19.3%、7.3%~12.5%。IW2M3處理籽粒產(chǎn)量較IW2M2、IW2M1、IW1M3、IW1M2、IW1M1分別提高了5.9%~6.5%、15.8%~19.3%、3.9%~5.7%、9.7%~12.9%、19.0%~24.0%, 說明兩種作物密度越高間作混合籽粒產(chǎn)量越高。

同一小麥、玉米密度處理下, 相同占地面積間作玉米籽粒產(chǎn)量較單作玉米增加了40.6%~42.2%,相對于玉米傳統(tǒng)密度, 玉米高、中密度處理間作玉米籽粒產(chǎn)量分別提高了14.7%~22.2%、7.0%~11.8%。相同占地面積間作小麥籽粒產(chǎn)量較單作小麥提高了14.2%~15.3%, 小麥高密度較傳統(tǒng)密度間作小麥增產(chǎn)12.0%~19.4%。說明麥玉間作有利于提高間作玉米、間作小麥籽粒產(chǎn)量, 且間作玉米、間作小麥密度越高其增產(chǎn)效應(yīng)越明顯。

2.3 間作產(chǎn)量與種間競爭力和恢復(fù)效應(yīng)的相關(guān)關(guān)系

在本試驗不同作物密度組合下, 小麥相對于玉米的競爭力及間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)與間作混合籽粒產(chǎn)量均呈顯著的線性增長關(guān)系(圖6)。說明, 在本試驗不同密度組合的條件下, 種間競爭、玉米恢復(fù)力的增加有利于間作混合籽粒產(chǎn)量的提高。

3 討論

3.1 麥玉間作種間關(guān)系對密植的響應(yīng)

間作的潛在優(yōu)勢取決于資源的互補(bǔ)利用程度,以及作物之間種間關(guān)系的協(xié)調(diào)程度[17]。間作系統(tǒng),不同作物共同利用空間及資源而相互競爭, 同時由于作物生長微環(huán)境的改善, 使得復(fù)合群體的資源利用產(chǎn)生互利互補(bǔ), 且隨著作物的生育時期的推進(jìn)二者相對大小及重要性也在改變, 間作作物在資源有限的共生期內(nèi)發(fā)生競爭關(guān)系, 早熟作物收獲后對晚熟作物的競爭脅迫消失, 晚熟作物生長得到恢復(fù)[9,23],競爭恢復(fù)作用是間作優(yōu)勢的機(jī)制之一[10]。

本研究中, 在麥玉間作群體中, 小麥對玉米的競爭力均大于0, 說明間作小麥對資源的競爭處于優(yōu)勢地位, 間作玉米處于劣勢地位。當(dāng)小麥?zhǔn)斋@后,間作玉米生長率較單作顯著提高, 且間作玉米的恢復(fù)效應(yīng)(Rm)大于1, 說明間作系統(tǒng)種間競爭結(jié)束, 玉米擴(kuò)大了對地上、地下資源的吸收空間和范圍, 進(jìn)而得到了明顯的恢復(fù)生長, 將顯著影響后期作物的增產(chǎn)效果[24-25]。因此, 在麥玉間作群體管理中, 競爭關(guān)鍵時期加強(qiáng)小麥對資源的競爭, 小麥?zhǔn)斋@后種間競爭脅迫消失時, 最大限度發(fā)揮玉米恢復(fù)效應(yīng), 將有效提高間作群體對資源的利用率。研究表明, 麥玉間作群體中, 處于絕對優(yōu)勢地位的小麥對來自其他種對其資源威脅的應(yīng)對措施是提升自身競爭力,當(dāng)作物密度增大時, 小麥也通過提高競爭力來保障高密度小麥群體對資源的獲取[26]。本研究表明,IW2M3處理小麥對玉米競爭力和麥后玉米恢復(fù)效應(yīng)均最大, 較IW1M1處理提高了35.5%~56.5%和43.7%~65.5%。說明麥玉間作系統(tǒng)中兩作物同步增密可提高間作小麥競爭力及間作玉米恢復(fù)效應(yīng), 這可能是作物高密度強(qiáng)化了小麥對玉米的競爭力, 形成了小麥?zhǔn)斋@后玉米恢復(fù)效應(yīng)增強(qiáng)的基礎(chǔ)[14], 小麥開花期可作為調(diào)控間作配對作物競爭力的關(guān)鍵生育時期, 這與前人結(jié)果[9,23]一致。

3.2 不同密度處理麥玉間作群體產(chǎn)量表現(xiàn)

間作作物生長期, 地上地下部分在時空上的錯位是間作群體增產(chǎn)的主要原因之一, 比單作更能充分利用養(yǎng)分、水分等自然資源[27], 復(fù)合群體在早熟作物收獲后, 產(chǎn)生養(yǎng)分和空間上的后補(bǔ)償效應(yīng)是群體增產(chǎn)的重要基礎(chǔ)[10,17]。本試驗麥玉間作系統(tǒng)相同占地面積下同一密度水平間作玉米、間作小麥產(chǎn)量均高于單作玉米、單作小麥, 間作系統(tǒng)土地當(dāng)量比均大于1, 說明間作具有增產(chǎn)優(yōu)勢。增加種植密度,提高光溫資源利用率, 發(fā)揮群體增產(chǎn)潛力, 是獲得高產(chǎn)的重要途徑[16,28]。本研究發(fā)現(xiàn), 麥玉間作中兩作物同步增密有助于間作系統(tǒng)發(fā)揮增產(chǎn)優(yōu)勢, IW2M3處理的群體籽粒產(chǎn)量較IW1M1提高了19.0%~24.0%,同時, 玉米、小麥高密度下間作的土地當(dāng)量比大于傳統(tǒng)密度, 無論是間作還是單作, 隨著密度增加群體籽粒產(chǎn)量也隨之提高。說明間作具有較高的容納高密度的潛力, 這與趙洋等[18]的研究結(jié)果一致, 也進(jìn)一步證實了Hauggaard-Nielsen等[17]所提出的間作對資源的利用比單作更有效, 即在麥玉間作模式中增密種植可充分發(fā)揮其增產(chǎn)優(yōu)勢。

3.3 種間競爭、麥后玉米恢復(fù)效應(yīng)與復(fù)合群體籽粒產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

本研究不同小麥玉米密度水平中, 小麥相對于玉米全生育期平均競爭力、麥后玉米恢復(fù)效應(yīng)與間作群體籽粒產(chǎn)量均呈正相關(guān)關(guān)系, 說明, 間作系統(tǒng)作物共生期, 小麥相對于玉米競爭力與麥后玉米恢復(fù)效應(yīng)增大, 間作籽粒產(chǎn)量呈持續(xù)增大趨勢。表明麥玉間作系統(tǒng)中, 適度提高共生期優(yōu)勢作物對資源的競爭力有益于間作復(fù)合群體產(chǎn)量提高[8], 因為在限制性資源供給生長條件下, 對資源需求具有一定相似性且播種時間差異不大的小麥、玉米在間作群體中的競爭力差異不大, 間作小麥和間作玉米在對資源需求有時空差異, 麥后玉米在空間和水肥資源方面獲得補(bǔ)償機(jī)會相對較大, 為通過增大小麥相對競爭力而提高復(fù)合群體生產(chǎn)力提供了保障[9], 本研究中, 密植是提高間作產(chǎn)量、適量增加小麥競爭優(yōu)勢及麥后玉米恢復(fù)力的重點(diǎn)突破點(diǎn), 因此, 通過增加間作系統(tǒng)玉米和小麥種植密度來調(diào)控種間關(guān)系是間作獲得高產(chǎn)的有效途徑。

4 結(jié)論

麥玉間作系統(tǒng)中, 同步增加兩作物密度可強(qiáng)化共生期小麥對玉米的競爭力, 小麥開花期是調(diào)控種間競爭力的關(guān)鍵時期; 小麥?zhǔn)斋@后, 間作玉米恢復(fù)效應(yīng)隨小麥、玉米密度增加而提高。小麥間作玉米具有增產(chǎn)優(yōu)勢(LER>1), 小麥高密度/玉米高密度更能發(fā)揮間作增產(chǎn)潛力, 較小麥傳統(tǒng)密度/玉米傳統(tǒng)密度增產(chǎn)19.0%~24.0%。小麥相對于玉米全生育期的平均競爭力、麥后間作玉米恢復(fù)效應(yīng)與間作群體籽粒產(chǎn)量均呈正相關(guān)。麥玉間作模式中結(jié)合兩作物密植技術(shù), 可調(diào)節(jié)種間關(guān)系進(jìn)一步挖掘間作優(yōu)勢,其中小麥高密度/玉米高密度處理可作為干旱綠洲灌區(qū)優(yōu)化小麥玉米種間關(guān)系增加間作產(chǎn)量的理想措施。