趙長(zhǎng)江，高 菲，李禎瑋，楊嘉怡，周勛波

（廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧 530004）

保障糧食安全對(duì)人口大國(guó)具有特別重要的意義，但無(wú)節(jié)制的資源投入無(wú)法維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，如何高效利用有限的土地資源減少外部投入是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。當(dāng)前，外部資源包括水資源和農(nóng)藥化肥過(guò)度投入，不僅造成了非必要的流失浪費(fèi)，也會(huì)產(chǎn)生土壤侵蝕以及有害物質(zhì)累積等環(huán)境問(wèn)題，從而導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能顯著降低[1-3]。間作系統(tǒng)作為多物種系統(tǒng)，因其高效的空間利用率，使系統(tǒng)中的作物形成獨(dú)特的群落環(huán)境，提高了光、溫、水和肥等資源的利用率，相較于傳統(tǒng)單作模式有更高的單位面積產(chǎn)量，是我國(guó)改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)業(yè)綜合效益的新方向[4]。

光合作用是植物養(yǎng)分合成及產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，在大豆生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起到能量轉(zhuǎn)化代謝作用，進(jìn)而形成大豆初級(jí)生物量生產(chǎn)和籽粒[5]。植物光合能力強(qiáng)弱與其光合氣體交換參數(shù)密切相關(guān)[6]，同時(shí)影響植物籽粒干物質(zhì)的積累[7]。玉米/大豆間作系統(tǒng)作為經(jīng)典的間作模式，不僅提高自然資源利用率，還能有效防治農(nóng)田雜草[8]，減少溫室氣體排放[9]，提升作物的氮素積累[10]。玉豆間作模式因其對(duì)資源的高效利用，在氮肥施入量減少50%下，產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益均無(wú)顯著降低，表明優(yōu)化間作模式有助于減量施氮[11]。

在玉米/大豆間作系統(tǒng)中，隨生育時(shí)期的推進(jìn)，玉米對(duì)大豆產(chǎn)生一定程度的遮陰，大豆冠層光合有效輻射近一半因玉米截留而損失，影響了大豆的光合作用強(qiáng)度[12-13]，致使大豆光合作用產(chǎn)生淀粉和可溶性糖更多的由葉片流向莖部，大豆株高過(guò)高導(dǎo)致倒伏，影響產(chǎn)量[14-15]。本試驗(yàn)為探究在大豆/玉米不同行比間作方式對(duì)大豆光合生理特性、產(chǎn)量以及土地當(dāng)量比的影響，為我國(guó)華南地區(qū)的大豆/玉米間作模式提供一定的技術(shù)理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在南寧市廣西大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)田(108°17'E，22°50'N)進(jìn)行，海拔80 m，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，光熱資源充足，雨量充沛，年均氣溫在22 ℃。生育時(shí)期的8—11 月內(nèi)，日均≥10 ℃的活動(dòng)積溫為3 118.7 ℃，總降雨量483.7 mm，平均相對(duì)濕度為80.7%，8—11月的輻射量分別為483.6、485.0、476.6和278.3 MJ/m2。土壤類型為壤土，0～20 cm 耕層的土壤pH為5.6，堿解氮含量為126.2 mg/kg，速效磷含量為40.0 mg/kg，速效鉀含量為124.5 mg/kg，容重為1.36 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量為17.5 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)共設(shè)6 個(gè)玉米/大豆間作處理，包括玉米/大豆行比4∶4(M4S4)、3∶3(M3S3)、2∶4(M2S4)、2∶3(M2S3)、2∶2(M2S2)、1∶2(M1S2)以及玉米單作(M)和大豆單作(S)，小區(qū)長(zhǎng)5.40 m，寬5.76 m，面積31.10 m2，3 次重復(fù)。玉米種植密度為52 500 株/hm2大豆種植密度為180 000 株/hm2，大豆/玉米行距均為60 cm，玉米株距為32 cm，大豆采用雙株穴播，株距為18.6 cm。肥料選擇尿素(N 46%)，為過(guò)磷酸鈣(P2O518%)和氯化鉀(K2O 60%)。間作處理中各肥料的施用量為氮肥200 kg/hm2，磷肥、鉀肥分別為100 kg/hm2，全部磷鉀肥和2/3 的氮肥作為基肥播前一次性施入，剩余氮肥在玉米大喇叭口期進(jìn)行追肥。供試玉米品種為巴馬珍珠黃玉米，大豆品種為桂春15。2022年8月8日播種，11月29日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 葉綠素相對(duì)含量(SPAD)

葉片葉綠素相對(duì)含量(SPAD)用SPAD-502葉綠素儀(CHLOROPHYLL METER)在大豆的V3、V6、R2、R5 和R7 生育時(shí)期，每個(gè)處理選取生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)一致的3株大豆，測(cè)定葉片選擇頂端復(fù)葉中間葉片。

1.3.2 葉面積指數(shù)(LAI)

測(cè)定時(shí)期同上，每個(gè)處理選取生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)一致的3株大豆，測(cè)定葉長(zhǎng)和寬，計(jì)算葉面積指數(shù)[16]。

LAI = 單株綠葉面積× 單位土地面積內(nèi)株數(shù)/單位土地面積

1.3.3 光合參數(shù)

在R2、R5和R7期，在晴朗的上午9：00—11：00測(cè)定，儀器為L(zhǎng)I-6800 型便攜式光合系統(tǒng)(LI-COR Inc.，Lincoln USA)，開機(jī)預(yù)熱自檢后，設(shè)置人工光源1 500 μmol/（m2·s)、相對(duì)濕度70%、葉室溫度30 ℃、空氣流速500 μmol/s、CO2濃度400 μmol/mol 等環(huán)境參數(shù)[17]，穩(wěn)定后在每個(gè)處理選取受光方向及長(zhǎng)勢(shì)一致的3株大豆，選擇頂端復(fù)葉中間葉片，測(cè)定光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。

1.3.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

在大豆成熟期，每小區(qū)的玉米和大豆中各隨機(jī)選2 m2收獲測(cè)產(chǎn)。每個(gè)處理隨機(jī)選取20 株大豆進(jìn)行考種，測(cè)定株高、莖粗、主莖節(jié)數(shù)、有效分枝、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、百粒重以及所在間作系統(tǒng)的群體產(chǎn)量(大豆與玉米的產(chǎn)量之和)。

1.3.5 土地當(dāng)量比、種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力

土地當(dāng)量比(land equivalent ratio，LER)是衡量間作系統(tǒng)是否有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)的重要指標(biāo)[18]，其定義為兩種或多種作物間作產(chǎn)量與相應(yīng)單作產(chǎn)量比值的總和。計(jì)算公式為：

式中：Yil和Yim分別為間作區(qū)域大豆和玉米的籽粒產(chǎn)量；Ysl和Ysm分別為單作區(qū)域大豆和玉米的籽粒產(chǎn)量。當(dāng)LER＞1 時(shí)間作為優(yōu)勢(shì)，當(dāng)LER＜1 則為劣勢(shì)。

種間競(jìng)爭(zhēng)力(aggressivity，A)指間作模式中一種作物相對(duì)于另一種作物對(duì)水分、養(yǎng)分等與產(chǎn)量形成有關(guān)資源的競(jìng)爭(zhēng)[19]。

式中：Alm為大豆相對(duì)于玉米的競(jìng)爭(zhēng)力；Zl和Zm分別為間作大豆和間作玉米在其所屬的間作系統(tǒng)中的種植面積比值。當(dāng)Alm＞0 時(shí)，系統(tǒng)中大豆的競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)于玉米；Alm＜0時(shí)則相反。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 19.0 (Inc，Chicago，IL，USA)分析數(shù)據(jù)，Origin 2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆葉片葉綠素相對(duì)含量

由圖1可以看出隨生育時(shí)期的進(jìn)行，各處理大豆的葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，間作處理下的大豆SPAD值在各個(gè)時(shí)期均高于單作處理。各處理在生育期內(nèi)的SPAD均值分別為42.6(M4S4)，39.6(M2S4)，45.3(M3S3)，40.1(M2S3)，46.6(M2S2)，41.4(M1S2)，36.7(S)，分別較單作增加了16.08%、7.90%、23.43%、9.26%、26.98%、12.81%。試驗(yàn)結(jié)果表明，間作處理會(huì)顯著提高玉豆間作系統(tǒng)中大豆的SPAD 值(P＜0.05)，受影響最小的處理為M2S4，受影響最大的處理為M2S2。

圖1 玉米大豆不同間作行比對(duì)大豆葉片SPAD值的影響Figure 1 Effects of intercropping row ratios of maize and soybean on SPAD value of soybean leaves

2.2 大豆葉面積指數(shù)

大豆葉面積指數(shù)(LAI)在生育期間呈現(xiàn)先增加后降低(圖2)，在R5時(shí)期達(dá)峰值。間作各處理的LAI在整個(gè)生育期內(nèi)呈M2S4＞M2S3＞M4S4＞M1S2＞M3S3＞M2S2，較S 的降幅分別為3.3%、16.12%、16.85%、19.41%、25.64%和28.21%。M2S4 處理顯著高于其他間作處理(P＜0.05)，除了R2 時(shí)期顯著低于S(P＞0.05)，其次為M2S3，M2S2的LAI受間作影響降低最明顯。

圖2 玉米大豆不同間作行比對(duì)大豆葉面積指數(shù)的影響Figure 2 Effects of intercropping row ratios of maize and soybean on leaf area index of soybean

2.3 大豆光合參數(shù)

由圖3看出，在大豆生殖生長(zhǎng)階段，隨生育時(shí)期的推進(jìn)，凈光合速率(Pn)和氣孔導(dǎo)度(Gs)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，蒸騰速率(Tr)先增加后降低，胞間CO2濃度(Ci)呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。間作處理下大豆的Pn，Tr和Gs較S產(chǎn)生了不同程度的下降，呈現(xiàn)出S＞M2S4＞M2S3＞M1S2＞M4S4＞M3S3＞M2S3。M2S4和M2S3較S，Pn分別降低了4.38%和3.73%（R2），2.35%和4.07%（R5），2.11%和5.35%（R7）；Tr分別降低了5.17%和11.67%（R2），4.31%和7.35%（R5），6.78%和11.10%（R7）；Gs分別降低了1.92%和5.77%（R2），4.46%和9.82%（R5），1.41%和9.86%（R7）。大豆Ci呈現(xiàn)出M2S2＞M3S3＞M2S3＞M4S4＞M1S2＞M2S4＞S 的趨勢(shì)，較S 增幅最高的為M2S2，在R2、R5 和R7 分別顯著增加17.12%、16.25%和11.58%(P＜0.05)；受間作影響最小的是M2S4，在R2、R5和R7增幅僅為2.47%、3.40%和2.21%，與S差異均不顯著(P＞0.05)。

圖3 玉米大豆不同間作行比對(duì)大豆光合參數(shù)的影響Figure 3 Effects of intercropping row ratios of maize and soybean on photosynthetic parameters of soybean

2.4 大豆農(nóng)藝性狀

間作處理對(duì)大豆農(nóng)藝性狀產(chǎn)生影響，除主莖節(jié)數(shù)影響不顯著外(P＞0.05)，其他農(nóng)藝性狀均與大豆單作產(chǎn)生不同程度的差異。各處理的株高表現(xiàn)為M2S2＞M3S3＞M4S4＞M2S4＞M2S3＞M1S2＞S，受間作影響最小的為M1S2，僅較單作增加了3.85%；各處理莖粗表現(xiàn)為S＞M2S4＞M2S3＞M1S2＞M4S4＞M3S3＞M2S2，受間作影響最小的M2S4漲幅為1.41%；各處理有效分枝表現(xiàn)為M2S4＞S＞M2S3＞M1S2＞M4S4＞M3S3＞M2S2，受間作影響最小的M2S4 較單作增加2.86%（表1）。

表1 玉米大豆不同間作行比對(duì)大豆農(nóng)藝性狀的影響Table 1 Effects of intercropping row ratios of maize and soybean on agronomic traits of soybean

2.5 大豆產(chǎn)量構(gòu)成因素和產(chǎn)量

大豆的產(chǎn)量以及百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素均受到間作影響（表2）。間作處理中大豆單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和單株粒重表現(xiàn)最好的均為M2S4，單株莢數(shù)和粒數(shù)較單作降低了3.00%和1.85%，單株粒重增加了0.53%，但均未達(dá)顯著差異(P＞0.05)。百粒重呈現(xiàn)出M2S4＞S＞M2S3＞M4S4＞M1S2＞M3S3＞M2S2 的趨勢(shì)，M2S4、M2S3 和S 相互間無(wú)顯著差異(P＜0.05)。籽粒產(chǎn)量趨勢(shì)為S＞M2S4＞M2S3＞M1S2＞M3S3＞M4S4＞M2S2，間作處理下表現(xiàn)最好的為M2S4，較單作僅下降1.01%，無(wú)顯著差異(P＞0.05)，但顯著高于其他間作處理(P＜0.05)。玉米群體產(chǎn)量表現(xiàn)為M2S3＞M2S4＞M2S2＞M3S3＞M1S2＞M4S4＞S，M2S3顯著高于其他處理（除M2S4處理）(P＜0.05)。

表2 玉米大豆不同間作行比對(duì)大豆產(chǎn)量構(gòu)成及產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of intercropping row ratios of maize and soybean on yield components and yield of soybean

2.6 土地當(dāng)量比和大豆相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力

各間作處理的LER 均大于1，說(shuō)明間作處理提高了土地資源的利用率（圖4）。M2S3 和M2S4 的LER較高，分別為1.21和1.20，與其他處理間差異顯著(P＜0.05)。各間作處理中，大豆對(duì)玉米的相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力均＜0，表明所有間作處理下大豆的競(jìng)爭(zhēng)力均弱于玉米，M4S4 值最大，為-0.42，其次是M3S3，為-0.44，顯著高于其他處理(P＜0.05)。

圖4 玉米大豆不同間作行比對(duì)土地當(dāng)量比及大豆種間競(jìng)爭(zhēng)力的影響Figure 4 Effects of intercropping row ratios of maize and soybean on land equivalent ratio and interspecies competition of soybean

3 討論與結(jié)論

前人研究表明，太陽(yáng)輻射是間作系統(tǒng)中對(duì)下位植物生長(zhǎng)發(fā)育、物質(zhì)積累以及產(chǎn)量形成產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素[20-21]。在大豆/玉米間作系統(tǒng)中，處于下位的大豆會(huì)因?yàn)樯衔坏挠衩渍诒?，?dǎo)致冠層出現(xiàn)弱光環(huán)境，進(jìn)而對(duì)大豆的光合造成影響[22]。廣西夏季長(zhǎng)冬季短，熱量豐富同時(shí)降水充足，但多陰寡照，能否更高效地利用光能顯得尤為重要[23]。葉綠素作為植物光反應(yīng)過(guò)程的重要參與者，與植物的生長(zhǎng)、干物質(zhì)積累以及產(chǎn)量的形成息息相關(guān)，是衡量植物光合指標(biāo)的重要參數(shù)[24]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，間作處理的大豆葉片葉綠素含量在各個(gè)生育時(shí)期均高于單作處理，間作處理中M2S4的增幅最小，其次為M2S3，與雷云翔等[25]研究結(jié)果相似。大豆通過(guò)主動(dòng)增加葉片葉綠素含量以減少間作帶來(lái)的弱光環(huán)境對(duì)植株光合的影響，且透光性越弱的環(huán)境增加就更明顯。本試驗(yàn)結(jié)果表明間作處理大豆的Pn、Tr和Gs均低于單作處理，Ci則相反，較單作處理出現(xiàn)了上升，受間作影響最小仍為M2S4 與M2S3，與曹曼君等[26]研究結(jié)論一致。光照強(qiáng)弱是導(dǎo)致Pn、Tr和Gs的主要因素，而Ci的增加主要因?yàn)槠渌麉?shù)的減弱，使得光合作用強(qiáng)度減弱[27-29]。有研究表明，大豆冠層的光合有效輻射與Pn、Tr、Gs呈顯著正相關(guān)，Ci則呈顯著負(fù)相關(guān)[30]。通過(guò)和前人試驗(yàn)比較，可以發(fā)現(xiàn)不同行比的間作方式均會(huì)降低系統(tǒng)中大豆光合作用強(qiáng)度，M2S4、M2S3為間作中表現(xiàn)最好的處理。

試驗(yàn)結(jié)果表明，各間作處理的籽粒產(chǎn)量由于玉米的蔭蔽的影響，均低于單作處理，但玉米與大豆間作系統(tǒng)的群體產(chǎn)量均優(yōu)于單作處理，其中M2S3和M2S4處理的增幅效果最顯著，與鄭亞杰等[31]的試驗(yàn)結(jié)果一致。各間作處理的LER均＞1，說(shuō)明試驗(yàn)所設(shè)的間作處理相較于單作均有更高的資源利用率，具有顯著間作優(yōu)勢(shì)的是M2S3 和M2S4 處理。大豆在弱光環(huán)境中株高增加，可能與植物自身存在對(duì)環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制減輕外部不利環(huán)境的影響[32]。生育后期過(guò)高的株高導(dǎo)致倒伏，進(jìn)而影響產(chǎn)量[14-15]。不同的行比會(huì)影響作物群體空間分布，導(dǎo)致光照強(qiáng)度出現(xiàn)差異，進(jìn)而改變大豆對(duì)自然資源的競(jìng)爭(zhēng)。

綜上，玉米大豆不同行比的間作方式造成的空間及光照差異對(duì)大豆的光合生理特性、產(chǎn)量及種間競(jìng)爭(zhēng)力等均會(huì)產(chǎn)生影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?、地形地貌以山地丘陵喀斯特地貌為代表的地區(qū)，M2S3 和M2S4 處理的LER 最高，群體產(chǎn)量顯著增加，大豆各項(xiàng)指標(biāo)受影響較小,且較其他處理有著一定的優(yōu)勢(shì)。因此，在廣西大豆/玉米M2S3以及M2S4是相對(duì)適宜的間作方式。