玉米‖大豆對作物生長發育與產量形成的影響

唐興勇，申磊，王秀媛，曲慧杰，孫雪瑩，劉政，宿可，劉婷婷，尉雯雯，張帥，王家平，程志博，張偉

（石河子大學農學院，新疆 石河子 832003）

中國是一個農業大國，擁有陸地面積約960萬km2。我國現有約14.12億人口[1]，耕地面積僅為1.33億公頃左右，人均耕地面積不到世界人均耕地面積的1/3[2]。人口眾多、糧食需求量大、耕地資源匱乏，導致我國農業生產壓力巨大，因此需要最大化利用有限的土地資源，實現最大生產效益。而間作正是在同一塊耕地上種植兩種或兩種以上作物，由于種間關系發生變化[3]，在時空競爭、時間互補、養分競爭與促進等方面表現出促進或者競爭關系[4]。研究表明大面積的種植單一作物還易造成植物病害的流行、土壤養分偏耗、土地生產力的下降及加速土壤退化[5]。間作種植系統早在古代就發展了起來[6]，現今，間作種植技術得到普及，糧食作物與經濟作物、飼料作物、綠肥作物的間作得到迅速發展，其中以禾本科作物與豆科作物間作最常見。

玉米和大豆都是我國重要的糧食作物，玉米‖大豆是我國常見的禾本科和豆科植物間作。陳光榮等[7]研究表明，玉米‖大豆可使土地利用率提升34.0%，單位面積產量是單作的1.28倍，更有利于農民盈利。大豆根瘤有固氮作用，合理的種植模式可提升大豆固氮能力。肖焱波等[8]研究表明，豆科作物與其他類作物間作時存在“氮轉移”現象，可提升間作大豆整體的固氮量。而禾本科作物玉米對氮的需求量和吸收能力大于大豆，種間競爭可提升根系活力，促進大豆根瘤固氮能力，從而提高間作大豆整體固氮量；張曉娜等[9]和王雪蓉等[10]研究表明，玉米‖大豆有利于玉米干物質向果穗分配與積累，不利于大豆干物質向莢果分配與積累；張向前等[11]研究表明，在施肥或不施肥條件下，玉米‖大豆可提高玉米的生物產量和經濟效益。因此研究玉米‖大豆對提高土地利用率，提升產量和經濟效益有重要影響。

前人對玉米‖大豆的研究主要集中在產量及經濟效益上，而對玉米‖大豆系統中影響玉米和大豆植株生長發育及產量形成方面的研究較少。本研究通過對玉米‖大豆對農藝性狀和生理特性的影響，探究北方干旱地區滴灌條件下玉米、大豆的農藝性狀指標，產量構成因子，生理特性影響及根系形態結構與分布特征，明確其增產機理，建立適合干旱地區的種植方法，為穩定提高土地生產能力和促進干旱地區農業可持續發展提供重要依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區簡況

試驗于2021年4月—9月在石河子大學北苑新區農學院試驗站（44°19＇N，86°03＇E）進行，玉米供試品種為新玉93號，大豆供試品種為新大1號。

試驗地土壤為沙壤土，0～20cm和20～40cm的土壤容重分別為1.28g·cm-3和1.31g·cm-3，土壤全氮含量為0.72g·kg-1、有機質含量為11.27g·kg-1，堿解氮含量為58mg·kg-1、速效鉀含量為204mg·kg-1、速效磷含量為51.7mg·kg-1。

1.2 試驗設計

1.2.1 種植方式

于2021年4月初開始播前整地，采用膜下滴灌種植方式，膜寬1.4m，1膜2管4行，于4月25日開始播種，玉米一穴兩粒、大豆一穴一粒，單、間作玉米統一株行距：株距25cm，行距40cm；單、間作大豆統一株行距：株距10cm，行距40cm。采用單因素隨機區組設計，設置1種間作組合和2種作物單作，分別為：玉米‖大豆和單作玉米、單作大豆，田間排列如圖1所示。

圖1 作物種植模式分布圖Figure 1 Distribution of crop planting patterns

1.2.2 樣品數據采集

從5月15日起每隔兩周進行一次田間農藝性狀的采集并記錄數據，期間陸續進行室內試驗，于9月中旬進行產量測定。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 根系數據采集

在玉米、大豆的取樣時期，在各處理中選取長勢一致的作物，使用根鉆獲取0～20cm、20～40cm的土樣，每個模式3次重復，實驗室內將土樣清洗干凈，用鑷子將根樣挑出，并將根樣整齊擺放在帶有1cm2正方形方格的A4白紙上進行拍照，再用WINRHIZO 2020a獲取植株相應土層的根長參數。

用測得的根長，根據取根時的區域體積（根鉆內體積），及相應土層深度進行分層計算，用每個區域的根長除以相應的體積得到各個區域玉米和大豆的根長密度（RLD），具體計算如下：

式中，Li表示對應的總根長：Vi表示對應土體體積。

1.3.2株高

單間作條件下每種作物選擇3個取樣點，每個樣點選取長勢一致連續的5株植株，用卷尺對其進行測量，計算平均值。地面到玉米頂端為玉米株高，子葉節到大豆生長點為大豆株高。

1.3.3 葉綠素含量（SPAD值）

每個處理選取連續的5株作物，利用SPAD-502葉綠素儀分別測量玉米棒三葉、大豆冠層葉片的SPAD值，每張葉片測定3次取平均值。

1.3.4 產量測定

采用1×1樣方法，隨機選取3個樣方，分別記錄單間作玉米、大豆的產量構成因子并計算產量。

1.3.5 間作優勢

土地當量比（LER）是衡量間作產量優勢的的一項指標，玉米與大豆間作時，其表達式為：

LER＞1，表明間作具有產量優勢；LER＜1為間作劣勢。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2019分析處理數據，采用SPSS 20.0進行方差分析，用Sigmaplot 12.5繪圖。

2 結果與分析

2.1 各處理作物株高動態變化

如圖2所示可知，間作玉米的株高顯著高于單作。玉米在5月15日—7月26日快速增長，在7月26日—8月30日緩慢增長。間作玉米的增幅在6月15日最高為76.46%，8月30日增幅最低為5.07%；單作大豆的株高顯著高于間作大豆，且大豆生長趨勢為5月15—5月29日緩慢增長，5月29日—7月26日快速增長，7月26日—8月30日緩慢增長。間作大豆降幅在6月15日最高為42.95%，5月29日降幅最低為2.08%。

圖2 單間作玉米、大豆的株高變化Figure 2 Plant height changes of maize and soybean under monoculture and intercropping

2.2 各處理作物功能葉片SPAD值分析

如表1所列可知，間作玉米SPAD值在6月15日顯著低于單作，在7月26日顯著高于單作。間作玉米SPAD值變化趨勢是呈增→減→增→減的雙峰型曲線，在5月29日和7月26日達到峰值，分別為49.20和48.50。單作玉米SPAD值變化趨勢是呈先增大后減小的單峰型曲線，并在6月15日左右達到峰值52.36。

單間作大豆均呈增→減→增→減的雙峰型曲線，且單作大豆各取樣時期SPAD值明顯高于間作。單作大豆的SPAD值在5月29日和7月26日達到峰值，分別為43.56和45.22，單作大豆SPAD值在5月15日、6月15日、8月12日分別顯著高于間作。間作大豆的SPAD值在5月29日和7月26日達到峰值，分別為40.94和44.06。

2.3 各處理作物地下部根系形態特征分析

如圖3所示可知，隨取樣時間推進，各土層植株根系RLD值呈上升趨勢；土層深度增加，根系RLD值呈下降趨勢。間作玉米0～20cm土層RLD值在7月8日和8月2日顯著高于單作，增幅分別為21.14%和95.04%；間作玉米0～20cm土層RLD值在6月15日高于單作，增幅為20.39%，差異不顯著；間作玉米20～40cm＜RLD值在6月15日和7月8日高于單作，增幅分別為57.14%和21.31%，差異不顯著；間作玉米20～40cm＜RLD值在8月2日顯著高于單作，增幅為115.91%。

6月15日、7月8日和8月2日，間作大豆0～20cm和20～40cm土層RLD值均顯著高于單作，其中0～20cm增幅分別為213.33%、129.17%、57.15%，20～40cm增幅分別為160.00%、85.00%、117.65%。

2.4 各處理作物產量構成因素對產量影響分析

如表2所列可知，間作玉米的每穗粒數顯著高于單作，增幅為34.25%；單間作玉米的千粒重差異不顯著，間作玉米增幅為6.67%。間作大豆的每株莢數顯著低于單作大豆，降幅為34.77%；間作大豆的每莢粒數和千粒重低于單作，差異不顯著，降幅分別為1.64%和10.67%。

LER=（5587.62/7806.62）+（1465.04/2282.01）=1.36＞1

間作增產率=（1.3578-1）×100%=35.78%

3 討論

（1）株高是衡量作物生長速度的標志，能在一定程度上表示作物的生長狀況[12]。株高還影響著作物的光和作用能力，株高越高，植株對光能的捕獲能力越強，作物的光合速率越快[13]。本研究表明，間作玉米的株高顯著高于單作，說明間作有效提升玉米株高，并進一步提升玉米光合速率，從而提升產量；間作大豆的株高顯著低于單作，因此間作大豆光合速率下降，導致減產。這與前人研究相似[14]。

（2）葉綠素是植物進行光合作用的物質基礎，其含量大小決定作物光合作用能力的強弱[15]，根據SPAD值變化可對作物產量、蛋白質含量進行相關性預測[16]。本研究表明，間作玉米的SPAD值顯著高于單作，間作大豆SPAD值顯著低于單作，原因是間作玉米的株高更高，對光能利用率更高；間作大豆在遮陰條件下大多數葉片捕獲光能減少，葉綠素合成受阻，葉片中葉綠素含量減少，SPAD值降低。

（3）根系是植物從土壤吸收水分、養分供給植物生長發育所需的重要途徑[17]。根系的生長狀況，可直接影響地上部分作物的生長發育情況。根系發達植物可從土壤中汲取更多的養分。玉米‖大豆種植方式下，作物根系間的相互作用起主導地位，研究表明[18]，玉米‖大豆中玉米對資源的競爭力強于大豆。本研究表明，玉米和大豆間作能顯著提升玉米和大豆各土層的RLD值，間作玉米RLD值在水平空間結構上的生態位顯著高于單作玉米，間作大豆RLD值在水平和垂直空間結構上的生態位顯著高于單作大豆，原因是間作中地上互作促進禾本科的營養吸收和群體養分積累，提升玉米的根系活力，促進玉米根系總根長的增加[19]，而作為競爭力弱勢的間作大豆，需要從土壤中汲取更多的養分，因此向水平和垂直方向生長來維持生長發育。

（4）從作物產量構成因素角度來看，間作顯著提高玉米的每穗粒數，顯著降低大豆的每株莢數；提升玉米的粒重，降低大豆的粒重；從而使得玉米產量增加，大豆產量降低。玉米‖大豆這種高低錯位的空間種植方式，使得間作玉米中下層葉片對光能的吸收面積增大，進而提升間作玉米的光合速率，增加玉米的干物質積累，進而提升穗粒數和粒重來實現增產的原理。土壤中氮素含量過高會抑制根瘤固氮，隨著土壤中氮素含量的增加，根瘤固氮酶的活性和大豆血紅蛋白含量顯著減少，大豆根瘤的固氮能力顯著下降，大豆根瘤固氮受到抑制[20]。大豆根瘤生育期所固的氮正好可為玉米生長發育提供氮素，土壤中氮素含量下降，根瘤固氮能力提升，根系活力提升，進一步提升根瘤的固氮量。本研究中，間作大豆由于受到玉米的遮陰作用，間作大豆葉片的SPAD值顯著降低，葉片中葉綠素含量水平減少，光合速率降低，光合同化產物干物質積累量減少，影響間作大豆生長發育，造成間作大豆減產。本研究中，玉米‖大豆的LER=1.36＞1，增產率為35.78%，說明玉米‖大豆種植模式能有效提升間作土地的產量優勢。

4 結論

本試驗表明，間作顯著提升玉米的株高、SPAD值，玉米和大豆高低錯位的空間分布，增強玉米中下層葉片的光合作用，提高光合速率，有利于干物質積累量的增加；受間作玉米的遮陰作用，間作大豆的株高、SPAD值顯著降低，葉片光能截獲量減少，光合速率降低，干物質合成受阻，因此大豆的結莢數和粒重降低，造成產量降低；玉米和大豆之間的相互競爭關系，促使根系活力提升，擴大了玉米和大豆根系的空間分布范圍。