玉米間作豌豆種間競爭互補對少耕密植的響應*

任旭靈,滕園園,王一帆,殷 文,柴 強

(甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農業大學農學院 蘭州 730070)

間作指在同一個生長季節、同一塊土地上種植兩種或兩種以上作物[1],是一種基于生態多樣性的種植模式[2]。該模式可提高單位耕地總產量和資源利用效率,是作物高效生產和低碳農業協調發展的種植模式[3-5]。生產實踐中,禾豆間作是應用最為廣泛的間作模式[6],增效、穩產效果顯著[7]。研究表明,優化種間關系是提高間作效應的生態學基礎[8],作物搭配[9]、空間結構改變[10]、肥水管理[11-12]、密度調整[13-14]等是調控種間關系的常用手段,其中,密植是間作增產的最重要機制之一[15],而密植效應的發揮必須建立在一定的資源供給基礎之上,特定管理技術只有配置適宜的密度才能充分發揮間作優勢。另一方面,隨作物生產對資源減投和環境友好要求的增強,資源減投型間作理論和技術亟待深入。在諸多資源減投和環境友好型技術中,保護性耕作可改善農田生態微環境[16-18]、影響作物生長發育[19]。其中玉米少耕試驗研究表明,該技術具有保持土壤肥力、緩沖土壤反應、改善土壤生態環境的作用,并對玉米生長發育具有顯著影響[20-22]?？v觀現有研究,將少耕集成在間作中的研究十分薄弱[12],使得生產實踐中缺乏利用保護性耕作技術提升間作優勢的理論依據。河西綠洲灌區氣候條件適合發展間作,以玉米(Zea maysL.)間作豌豆(Pisum sativumL.)為代表的間作模式應用廣泛,但該模式采用的傳統翻耕技術投入大,且參考小麥(Triticum aestivumL.)間作玉米設置的玉米密度使得密植效應未能充分發揮。為此,本研究以玉米間作豌豆為參試對象,設置不同耕作措施和玉米密度,探討不同處理對玉米間作豌豆種間關系動態的影響,揭示種間關系與間作產量的相關關系,以期為利用保護性耕作和密植技術優化間作作物種間關系,進一步發揮間作優勢提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在甘肅省武威市涼州區黃羊鎮甘肅農業大學綠洲農業科研教學基地(37°30′N,103°5′E)進行。該地位于河西走廊東端,屬寒溫帶干旱氣候區,海拔 1 581 m;年降水量約 160 mm,蒸發量高于2 000 mm,日照時數 2 968.2 h,≥0℃和≥10℃的有效積溫分別為3 646℃和3 149℃,年太陽輻射總量504～630 kJ·cm-2。玉米間作豌豆是該地區主要的間作種植模式,傳統栽培采用翻耕、玉米帶每年地膜覆蓋栽培。

1.2 試驗設計

供試玉米品種為‘先玉335',豌豆品種為‘隴豌1號'。2015年為預試驗,2016年和2017年進行正式試驗。設玉米間作豌豆、單作玉米和單作豌豆 3種種植模式;在單作玉米和玉米間作豌豆中設兩種耕作方式,分別為少耕(即在當年玉米收獲后不耕作,保留地膜翌年直接進行播種)和傳統耕作(即當年玉米收獲后進行秋季翻耕,翌年播前覆新膜);玉米設低、中、高3個密度梯度,間作玉米、間作豌豆帶寬分別為110 cm、80 cm,詳細試驗代碼及處理見表1。試驗共13個處理,每處理重復3次。小區面積5.7 m×10 m。2016年玉米于4月25日播種,9月27日收獲;豌豆于3月21日播種,7月6日收獲。2017年玉米于4月27日播種,9月25日收獲;豌豆地3月19日播種,7月9日收獲。單作豌豆及間作豌豆帶施純N 135 kg·hm-2,純 P2O567.5 kg·hm-2,全作基肥一次性施入;單作玉米及間作玉米帶施純N 450 kg·hm-2,按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌漿期追肥=3∶6∶1分施,純P2O5225 kg·hm-2,全部作基肥。

表1 試驗代碼及處理Table 1 Codes of different treatments

1.3 測定指標及計算方法

干物質量：自玉米苗期,每隔 15 d隨機選取長勢均勻的玉米植株5株、豌豆10株,于105℃下殺青,80℃烘干至恒重后稱量計算單位面積下的地上干物質累積量。

籽粒產量：玉米、豌豆成熟后,按小區收獲測產,測定其籽粒產量與生物產量。

間作優劣勢：采用土地當量比(LER)衡量間作優劣勢：

式中：YIM和YIP分別代表間作玉米和間作豌豆籽粒產量,YSM和YSP代表單作玉米和單作豌豆籽粒產量。當LER＞1時,表示間作優勢;當LER＜1時,表示間作劣勢。

種間競爭力：作物競爭力表示豌豆相對玉米的競爭力[14]：

式中：PM和PP分別代表玉米和豌豆所占土地比例,本研究中PM=0.58,PP=0.42;YIM和YIP分別代表間作玉米和間作豌豆生物產量;YSM和YSP代表單作玉米和單作豌豆生物產量。當APM＞0時,表示豌豆競爭力強于玉米;當APM＜0時,表示豌豆競爭力弱于玉米。

玉米恢復效應：恢復效應表示早熟作物收獲后晚熟作物生長發育恢復程度,同一時期間作玉米的干物質積累速率(CGRI)與單作玉米干物質積累速率(CGRM)的比值R＞1,說明間作具有恢復效應,R＜1,說明間作無恢復效應。

式中：W2和W1分別表示豌豆收獲后,玉米在不同測定時期積累的生物量(kg·hm-2),t2和t1分別表示2個測定時期。

1.4 統計分析

采用Microsoft Excel和SPSS 17.0軟件對數據進行整理、分析。

2 結果與分析

2.1 玉米間作豌豆的群體產量表現及土地利用率

2.1.1 不同間作處理的土地當量比

不同間作處理的土地當量比(LER)如圖1所示,兩年的土地當量比均＞1,說明玉米間作豌豆具有增產效應。2016年傳統耕作低、中、高密度處理下LER較少耕耕作下低、中、高密度處理分別降低5.18%、18.00%、19.48%;2017年傳統耕作下低、中、高 3個密度較少耕耕作處理下低、中、高3個密度的土地當量比分別降低0.87%、5.52%、7.65%。不同玉米密度對兩年的 LER影響無明顯規律。由此說明,玉米間作豌豆較單作豌豆、單作玉米具有增產優勢,且在少耕條件下優勢明顯。

2.1.2 玉米間作豌豆群體產量表現

圖1 2016—2017年玉米/豌豆間作系統不同耕作措施和玉米密度處理的土地當量比Fig.1 Land equivalent ratios of maize/pea intercropping system under different tillage measures and maize densities in 2016 and 2017

表2 2016年和2017年少耕密植處理下玉米/豌豆間作系統的產量表現Table 2 Yield of maize/pea intercropping system under different tillage measures and maize densities in 2016 and 2017 kg·hm-2

間作少耕密植處理下產量如表2所示,生物產量變化與籽粒產量一致,間作群體籽粒產量較單作豌豆增產 140.7%～229.4%,較單作玉米降低5.4%～22.0%,均達顯著水平。間作系統中,不同耕作措施與同一玉米密度處理下,2016年少耕較傳統耕作在低密度、中密度、高密度處理下分別增產 5.23%、11.13%、5.73%,但2017年差異不顯著;同一耕作措施與不同密度處理下,玉米密度對傳統耕作條件下玉米/豌豆群體籽粒產量影響不顯著,2016年和2017年少耕條件下,中密度較低密度、高密度分別增產9.51%、6.29%和7.23%、11.89%,說明少耕結合中密度有助于間作增產。

同一耕作措施與玉米密度處理下,單位面積間作玉米籽粒產量較單作玉米顯著增產 7.97%～32.10%,說明間作具有提高玉米籽粒產量的作用。間作玉米中,不同耕作措施同一玉米密度處理下,2016年少耕較傳統耕作在低密度、中密度、高密度下分別增加4.70%、10.47%、3.80%,達顯著水平,2017年增產不顯著;同一耕作措施不同密度處理下,間作玉米籽粒產量在傳統耕作下不同密度間差異均不顯著,2016年和2017年少耕耕作條件下中密度較低密度、高密度平均增產8.39%、10.33%,達到顯著水平,說明少耕具有提高間作玉米籽粒產量的作用,且在中密度下優勢明顯。同一耕作措施相同玉米密度處理下,單位面積間作豌豆籽粒產量較單作豌豆顯著增產 9.50%～30.10%,說明間作提高了豌豆籽粒產量。間作豌豆中,不同耕作措施同一玉米密度處理下,2016年少耕較傳統耕作在低密度、中密度、高密度下分別增產 7.38%、13.91%、13.95%,達顯著水平,2017年增產不顯著;玉米密度對間作豌豆籽粒產量影響不顯著?？梢?間作具有增產優勢,主要是通過提高間作玉米、間作豌豆籽粒產量來獲取群體增產的優勢,少耕結合中密度使得玉米間作豌豆增產優勢明顯。

主效應分析如表3所示,年際間作物群體籽粒產量差異顯著,種植模式、耕作措施、玉米密度對群體籽粒產量影響顯著,年際與種植模式、年際與玉米密度、種植模式與耕作措施、耕作措施與玉米密度對群體籽粒產量的互作效應顯著,年際、耕作措施、玉米密度三者的互作對作物群體籽粒產量的互作效應顯著,種植模式、耕作措施、玉米密度三者的互作效應顯著,其余處理的互作效應不顯著。

表3 少耕密植處理對玉米/豌豆間作系統籽粒產量和生物產量的主效應分析Table 3 Analysis of main effect of tillage measure and maize density on grain yield and biological yield of maize/pea intercropping system

2.2 玉米間作豌豆種間關系對少耕密植的響應

2.2.1 玉米間作豌豆共生期內種間競爭力動態變化

由圖2可知,不同處理中豌豆相對于玉米處于競爭優勢地位。全生育期豌豆相對玉米的競爭力(APM),少耕較傳統耕作在低、高密度下分別低16.05%、8.53%,達顯著水平,中密度處理下差異不顯著,說明在低、高密度處理下少耕具有降低豌豆對玉米的競爭力的作用;少耕中密度較低、高密度分別顯著提高36.56%、20.17%,說明在少耕條件下適宜增大密度提高豌豆對玉米的競爭力。豌豆孕蕾期(5月19日)之前,傳統耕作處理豌豆相對玉米的競爭力增加幅度高于少耕耕作,此時期中密度處理下差異不顯著,低、高密度下傳統耕作較少耕分別高43.88%、13.42%;豌豆灌漿期(6月21日),豌豆對玉米競爭力均最大,此時期少耕中密度較低、高密度分別高20.43%、25.78%,達顯著水平,說明此時期少耕中密度處理顯著影響豌豆對玉米的競爭力;直至收獲期(7月6日),少耕處理下豌豆對玉米的競爭力下降幅度低于傳統耕作,此時期傳統耕作較少耕在中、高密度分別低 5.72%、11.70%,均達顯著水平,低密度處理下差異不顯著。由此說明,在玉米間作豌豆共生期間,少耕耕作中密度處理有利于提高豌豆對玉米的競爭力,且可將豌豆灌漿期(6月21日)作為調控豌豆相對玉米種間競爭力的關鍵時期。

圖2 2016年和2017年不同耕作措施和玉米密度下玉米/豌豆間作系統中豌豆相對于玉米競爭力的動態Fig.2 Dynamics of competitiveness of pea to maize in maize/pea intercropping system under different tillage measures and maize densities in 2016 and 2017

2.2.2 間作玉米的生長恢復效應

豌豆收獲后,間作玉米不同生育時期恢復效應見表4。年際、耕作措施、玉米密度對間作玉米的恢復效應影響顯著,年際與耕作措施對間作玉米的恢復效應影響不顯著,年際與玉米密度對玉米灌漿至收獲期(8月27日—9月19日)的恢復效應影響顯著,其余時期影響不顯著,耕作措施與玉米密度的互作效應對間作玉米的恢復效應影響顯著,三者的互作效應對間作玉米的恢復效應影響不顯著。少耕顯著提高間作玉米的恢復效應(R),少耕較傳統耕作高10.30%～47.11%;少耕處理下,中密度較低、高密度顯著提高15.35%、38.09%,說明少耕結合中密度更能進一步發揮間作玉米的恢復效應。由此說明,間作中集成少耕可顯著提高玉米的恢復效應,且少耕中密度處理具有更大的優勢。

2.3 間作產量與種間競爭力的相關性

玉米間作豌豆共生育期內,豌豆相對玉米平均競爭力與間作群體籽粒產量呈二次相關關系,具有顯著相關性(圖3)。當豌豆相對玉米競爭力在0.13～0.25范圍內時隨平均競爭力的增大間作群體產量呈持續增加趨勢,平均競爭力為0.25時群體產量最大,超過0.25時復合群體產量隨競爭力的增大反而下降,說明間作群體中保持適宜大小的競爭力有利于提高間作群體產量。因此,在玉米間作豌豆中,通過優化農藝措施調控豌豆對玉米競爭力是獲取高產的一種可行途徑。

3 討論

3.1 少耕密植處理下玉米間作豌豆群體產量表現

間作作物增產的主要原因是比單作更能充分利用養分、水分等自然資源[8,12,23]。本試驗兩年研究中玉米/豌豆間作系統的土地當量比均大于 1,單位面積下間作玉米、間作豌豆產量均顯著高于單作玉米、單作豌豆,說明間作具有增產優勢。趙財等[24]研究發現,玉米間作豌豆下少耕在低灌溉水平下增產顯著;魏歡歡等[25]研究表明,年降雨量≤500 mm地區少耕具有增產作用。本研究發現,少耕集成于玉米間作豌豆中具有增產作用,2016年少耕較傳統耕作處理在低、中、高密度下間作群體產量顯著提高,而2017年增產不顯著,這可能是由于年際間的氣候差異所致。適宜范圍內提高密度是間作增產的手段之一[13],研究發現玉米/豌豆間作集成密植效應更能發揮間作增產潛力[15]。本研究中玉米密度顯著影響少耕措施下間作群體籽粒產量,中密度較低密度、高密度分別增產8.4%、10.3%?？梢?玉米間作豌豆模式中集成少耕、玉米中密度種植可充分發揮其增產優勢。

表4 2016年和2017年玉米/豌豆間作系統中不同耕作措施和玉米密度處理下豌豆收獲后玉米的恢復效應Table 4 Recovering effect of maize after pea harvest in maize/pea intercropping system under different tillage measures and maize densities in 2016 and 2017

圖3 2016年和2017年玉米/豌豆間作系統全生育期豌豆相對于玉米的平均競爭力與籽粒產量的相關性Fig.3 Relationship between competitiveness of pea to maize during whole growth period and grain yield of maize/pea intercropping system in 2016 and 2017

3.2 玉米間作豌豆種間關系對少耕密植的響應

作物種間競爭與互補共同決定間作的優劣勢[26-27]。兩者的相對大小及其重要性隨作物的生長發育進程而改變,共生期內,資源供給一定,間作作物之間發生競爭,當短生育期作物收獲后,短生育期作物造成的競爭脅迫消失,長生育期作物會發生恢復性生長[28-29]。本研究中作物共生期內,豌豆對玉米的競爭力少耕中密度的競爭力最大,顯著高于低密度和高密度,說明間作少耕條件下,適當增加密度強化了種間競爭力。植物在一定的水分、溫光、土壤養分脅迫以及動物取食或機械損傷后,植物通常會在形態和生理上發生相應改變,在條件改善時會出現不同程度的補償效應[30]。本試驗中,豌豆收獲后,間作玉米均發生不同程度的補償,且少耕處理間作玉米的恢復程度較傳統耕作提高 10.30%～47.11%,說明少耕形成了間作玉米恢復效應提高的基礎,強化了間作玉米的恢復能力,這一結論與諸多學者在玉米間作小麥體系中得到的結果相一致[12]。少耕中密度處理下間作玉米的恢復效應最高,符合趙明等[30]提出的通過減小個體生長冗余以增加群體數量,最終實現高產的理論,這也可能是因為少耕中密度強化了豌豆對玉米的競爭力,形成了豌豆收獲后玉米恢復效應增強的基礎。因此玉米間作豌豆中配置合理的耕作措施和玉米密度,是實現間作增產優勢的基礎。

3.3 玉米間作豌豆群體籽粒產量與種間競爭的相關關系

本研究中豌豆對玉米全生育期內的平均競爭力與間作混合籽粒產量均呈二次相關關系,具有顯著相關性。在作物共生期內,作物間的競爭關系大于互補關系時,群體對資源利用效率下降,表現出間作劣勢,反之,表現出間作優勢[29]。本研究中,豌豆和玉米共生期間,豌豆灌漿期(6月21日)之前,豌豆對玉米的競爭力呈增大趨勢,之后呈下降趨勢,總體上間作豌豆對間作玉米的競爭力(APM)大于 0,間作豌豆表現出間作優勢;當平均競爭力超過0.25時,間作混合籽粒產量隨之下降。趙建華等[9]研究發現,在玉米行距20～60 cm之間,增大行距時玉米相對豌豆的競爭力也隨之增大,且在豌豆玉米間作群體的管理中,適當增大豌豆對玉米的競爭力,是獲取較高產量的可行途徑之一[10]。本研究間作系統中,豌豆對玉米的競爭力決定了豌豆收獲后間作玉米的恢復程度。因此,可將少耕中密度作為調控玉米間作豌豆系統種間關系的適宜農藝措施,并為該系統獲取高產提供有力保障。

4 結論

本研究中玉米/豌豆間作系統的土地當量比均大于 1,說明玉米間作豌豆在本試驗配置的品種、田間結構、施肥和灌溉制度下具有增產優勢。少耕能充分發揮間作增產優勢,較傳統耕作增產5.79%(2016年)、4.10%(2017年),其中 2016年增產顯著,少耕結合中密度更能發揮間作增產潛力,較低、高密度分別顯著增產 8.37%、9.09%。少耕結合中密度提高了豌豆對玉米的競爭力,較低、高密度的競爭力分別高 36.56%、20.17%。豌豆收獲后,少耕使間作玉米具有明顯的恢復生長效應,較傳統耕作高 10.30%～47.11%,且中密度更有利于發揮間作玉米的恢復效應。間作群體籽粒產量與豌豆相對于玉米全生育期內的平均競爭力呈二次曲線相關關系,當競爭力為0.25時利于間作獲得高產。因此,在玉米間作豌豆模式中集成少耕和密植技術,可通過調控種間關系進一步挖掘間作優勢,少耕結合玉米中密度是綠洲灌區玉米間作豌豆增產的理想措施。