鹽堿地甜高粱間作大豆對作物生產性能和光合特性的影響

張朝輝,張邦彥,謝小偉,許 興*,王 彬

(1.寧夏大學林業與草業學院,寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學農學院,寧夏 銀川 750021)

鹽堿地在全球范圍普遍存在且是重要的土地資源[1],受氣候變化和人為因素的影響,全球每年因鹽堿化而棄耕的土地面積達3×106～15×106hm2,且這一面積呈逐年增加趨勢[2-3]。我國的鹽堿地主要分布在華北、東北和西北的內陸干旱、半干旱地區,其中寧夏銀北灌區鹽堿化耕地面積達15.0×104hm2,占耕地總面積的1/3。鹽堿土壤因其含鹽量較高,會破壞土壤滲透壓平衡導致植物吸水困難,同時也會干擾植物體內的離子動態平衡和造成營養缺失,對植物生長產生滲透脅迫和離子毒害等諸多不良影響[4-5],繼而降低作物產量。因此,對耐鹽作物的合理栽培是改良和利用鹽堿地資源較為有效的措施之一,因此,對鹽堿地區盡快建立合理地貌結構,加速抑鹽脫鹽進程以及提高作物產量均具有重要意義,也是長遠而有效地利用鹽漬化土壤資源的一條有效途徑。

甜高粱作為C4植物,光合作用效率高,生物和經濟產量大,具有較強的抗逆性和適應性,素有“作物中的駱駝”之稱,是發展畜牧業較為理想、經濟的飼草作物,與豆科作物共同構建了旱作生態農業體系[6-7]。研究發現甜高粱不宜連作,重茬高粱會導致飼草生長受阻,造成植株低矮,植被稀疏,導致水分利用效率和營養品質下降,大大限制甜高粱生產力水平[8]。有學者將甜高粱與其他作物根據方法各自生長特性構建種植模式(間作套種),表明該模式可充分利用土壤與光能等資源,提高經濟價值[9-10];與單一種植相比,間作體系不僅減少光能損耗,提高作物生產力[11-12],還能保持生態系統物種多樣性,提高資源利用率[13]。例如,甜高粱與豆科作物混播可充分利用環境資源提高飼草產量[14]和營養價值[15]。唐晨陽等[16]研究表明,燕麥(AvenasativaL.)與箭筈豌豆(ViciasativaL.)間作可獲得較高的土地當量比,表明間作可以增加草地生產性能。安昊云等[17]通過開展青貯玉米與秣食豆(Glycinemax)、拉巴豆混播試驗,發現混播較青貯玉米單播顯著提高了飼草粗蛋白含量,降低了中性和酸性洗滌纖維含量,繼而提高了相對飼喂價值。宮香偉等[18]在糜子(Panicummiliaceum)/綠豆(Vignaradiata)間作系統中,發現行配比為2∶2和4∶4處理下,可顯著提高糜子光合能力。

豆禾間作在我國農業發展中具有非常重要的地位。鑒于此,本試驗通過研究甜高粱/大豆間作行比中光合特性變化與生產性能關系,確定二者間作適宜行配比,其研究對提高土地生產力及高效利用鹽堿地具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2022年在寧夏平羅縣寶豐村(106°7′E,38°30′N)進行,海拔1 100 m,屬中溫帶半干旱沙漠性氣候,日照充足,溫差大,年均降水量173.2 mm,且70%集中在6-9月,年平均氣溫8.5℃,年均日照時數3 120 h,年均蒸發量1 755 mm,無霜期171 d。土壤類型為中度鹽堿地。種植前于5月7日進行大水漫灌,5月17日整地,施用底肥二銨300 kg·hm-2,5月18日播種,7月2日和7月26日漫灌,7月18日追肥復合肥(N∶P∶K=26∶10∶16)180 kg·hm-2,9月22日收獲。

表1 播前土壤性質Table 1 Soil properties before sowing

1.2 試驗設計

供試材料為‘綠巨人’甜高粱、‘齊黃34’大豆,均由北京百斯特草業有限公司提供,研究采用單因素隨機區組試驗,以甜高粱單作(TS),大豆單作(DS)為對照,設置甜高粱與大豆1∶1(T1D1),1∶3(T1D3),2∶2(T2D2),2∶4(T2D4)4種間作模式,3次重復,共18個小區,小區面積為42 m2(6 m×7 m),田間布局如圖1所示。甜高粱和大豆均為單株穴播,其中單作與間作甜高粱和大豆行距均為50 cm,甜高粱穴距24 cm,大豆穴距10 cm。甜高粱播種量22.5 kg·hm-2,大豆90.0 kg·hm-2。

圖1 甜高粱-大豆間作不同模式Fig.1 Different patterns of sweet sorghum-soybean intercropping

1.3 測定項目及方法

在大豆成熟期,甜高粱播后105 d(‘綠巨人’為光敏感型,不抽穗)測定以下指標:

株高:距各小區邊行50 cm處隨機選取20株長勢能夠代表該小區整體水平的甜高粱和大豆,用卷尺測量其絕對高度;

莖粗:小區內隨機選取10株甜高粱和大豆,用游標卡尺測其莖粗;

甜高粱干草產量:間作小區隨機選取1 m2范圍內所有植株,三次重復,間作小區在小區內隨機選取3個1 m的完整間作條帶的全部植株進行人工刈割,留茬5 cm,稱鮮重;取完整植株1 kg帶回實驗室自然陰干,稱量干草產量,折算每公頃干草產量;

大豆種子產量:選取每小區長勢均一并連續的9株,測定其每穴產量,并計算每公頃種子產量。

1.4 葉片光合參數

于大豆初花期和甜高粱播后105 d,利用Li-6400便攜式光合系統分析儀測定并記錄早晨9∶00—11∶00自然光照條件下大豆倒數第3片復葉中間小葉與高粱旗葉處測定凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr),每小區6次重復。

1.5 甜高粱營養成分的測定

將自然陰干的甜高粱粉碎后過0.45 mm篩。參照《飼料及飼料添加劑質量檢測方法與品質管理》[19],測定粗灰分(Crude ash)、粗脂肪(Crude fat)、粗蛋白(Crude protein,CP)、中性洗滌纖維(Neutral detergent fiber,NDF)、酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber,ADF)含量,根據公式計算相對飼喂價值[20](Relative feed value,RFV),即RFV=(88.9-0.779×ADF)×(120/NDF)/1.29。

1.6 數據分析

本研究采用Microsoft Excel 2018進行數據整理統計,利用SPSS Statistics 26.0軟件進行單因素方差分析、Duncan多重比較和主成分分析(Principal component analysis,PCA),用Origin 2021作圖。

2 結果與分析

2.1 不同間作行比對甜高粱和大豆株高、莖粗、產量和土地當量比的影響

由圖2可知,間作處理顯著影響甜高粱株高(P<0.05),與TS相比,T1D1和T2D4處理下甜高粱株高顯著增加16.9%和15.2%,T1D3增加11.1%,但T2D2下降1.6%,與對照相比無顯著差異。大豆也表現出與甜高粱相似的趨勢,與DS相比,T1D1,T1D3和T2D4處理下甜高粱株高顯著增加11.6%,23.0%和10.8%,但T2D2下降1.4%,與對照相比無顯著差異。而甜高粱與大豆間作對二者莖粗影響并不顯著,間作甜高粱株高均大于單作甜高粱,不同模式中T2D4莖粗最大(27.81 mm),TS最小(25.76 mm);但大豆表現相反,間作大豆莖粗小于大豆單作,其中T2D2顯著小于DS。4個間作行比T1D1處理的甜高粱干草產量最大(17 080.11 kg·hm-2),其干草產量排名由高到低為T1D1>T1D3>T2D2>T2D4,T1D3的大豆種子產量最大(1 064.82 kg·hm-2),大豆種子產量排名由高到低為T1D3>T2D4>T2D2>T1D1。間作行比土地當量比均大于1,處理間無顯著差異。

圖2 甜高粱-大豆不同間作行比下甜高粱和大豆株高、莖粗、產量和土地當量比變化Fig.2 Changes of plant height,stem diameter,yield and land equivalent ratio of different intercropping row ratios of sweet sorghum and soybean注:圖中不同小寫字母表示不同處理在0.05水平差異顯著(P<0.05)。下同Note:Different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level (P<0.05) among different treatments。The same as below

2.2 不同間作行比對甜高粱和大豆光合特性的影響

由表2可知,不同間作行比對甜高粱葉片Pn,Gs和Tr均有顯著影響(P<0.05),對Ci無顯著影響。不同處理之間相互比較,T1D1和T1D3處理下甜高粱葉片Pn值分別比TS下降6.6%和24.0%、T2D2和T2D4處理下甜高粱葉片Pn值分別比TS增加56.2%和49.4%,其中T2D2和T2D4處理與TS間差異均達到顯著水平(P<0.05)。由此可見,甜高粱行寬的增加對其葉片Pn值有積極作用,T2D2處理對提高甜高粱葉片Pn值幅度最大;T2D4處理下甜高粱葉片Gs和Tr分別較TS顯著增加32.7%和60.3%,T1D1,T1D3和T2D2處理下甜高粱葉片Gs和Tr均較TS有所下降,其中T1D3下降幅度最大,降幅分別為37.1%和30.9%。

表2 甜高粱-大豆不同間作行比下甜高粱光合特性變化Table 2 Changes of photosynthetic characteristics of sweet sorghum under different intercropping row ratios of sweet sorghum-soybean

表3 甜高粱-大豆不同間作行比下大豆光合特性變化Table 3 Changes of photosynthetic characteristics of soybean under different intercropping row ratios of sweet sorghum-soybean

不同間作行比對大豆葉片Pn,Gs和Tr均有顯著影響(P<0.05),對Ci無顯著影響。不同處理之間相互比較,T1D1和T1D3處理下大豆葉片Pn值分別比DS增加47.3%和34.2%、T2D2和T2D4處理下大豆葉片Pn值分別比DS下降45.8%和29.5%,不同處理Pn值變化與甜高粱變化相反,其中T1D1處理與DS間差異達到顯著水平(P<0.05)。T1D1、T1D3和T2D4處理下大豆葉片Gs較DS分別增加53.2%,44.8%和29.9%,大豆葉片Tr較DS分別增加53.5%,47.0%和35.4%,T2D2處理大豆葉片Gs和Tr均較DS下降。

2.3 不同間作行比對甜高粱營養品質的影響

不同間作行比對甜高粱ASH,CP,EE,NDF,ADF和RFV均有顯著影響(P<0.05)(圖3)。其中T1D1與T2D4處理ASH要顯著低于其他處理,T1D3處理的ASH最高,相較于TS提高了3.2%;T1D3(10.08%)和T2D4(10.03%)處理甜高粱CP含量顯著大于其他處理,分別較TS提高12.9%和12.5%,表明間作對提高甜高粱CP含量有積極作用。甜高粱的EE含量T1D3要顯著大于其他處理,其他處理間不存在顯著差異。T1D1處理NDF和ADF含量顯著小于其他處理,T2D4處理NDF和ADF含量顯著大于其他處理。RFV排名由高到低依次為T1D1>T2D2>TS>T1D3>T2D4。

圖3 甜高粱-大豆不同間作行比下甜高粱營養品質變化Fig.3 Changes of nutritional quality of sweet sorghum under different intercropping ratios of sweet sorghum-soybean

2.4 綜合評價

間作甜高粱其DM與SD,Ci,CP,NDF和ADF,RFV與CP和ADF均呈極顯著負相關(P<0.01);SD與Ci均與CP和NDF呈極顯著正相關(P<0.01),SD與Ci呈極顯著正相關;Tr和Gs呈極顯著正相關;NDF和ADF呈極顯著正相關。(圖4)。

圖4 甜高粱相關性分析Fig.4 Correlation analysis of sweet sorghum注:干草產量(DM)與株高(PH),莖粗(SD),凈光合速率(Pn),氣孔導度(Gs),胞間CO2濃度(Ci),蒸騰速率(Tr),粗蛋白(CP),中性洗滌纖維(NDF),酸性洗滌纖維(ADF)和相對飼喂價值(RFV)在P<0.01水平下的顯著性差異Note:Significant differences between hay yield (DM) and plant height (PH),stem diameter (SD),net photosynthetic rate (Pn),stomatal conductance (Gs),intercellular CO2 concentration (Ci),transpiration rate (Tr),crude protein (CP),neutral detergent fiber (NDF),acid detergent fiber (ADF) and relative feeding value (RFV) at P<0.01 level

對甜高粱干草產量(X1),株高(X2),莖粗(X3),CP(X4),NDF(X5),ADF(X6)和RFV(X7)進行PCA分析,特征向量、特征值和方差貢獻率如表4,根據特征值大于1原則,可提取3個主成分,累積方差貢獻率達到98.482%。主成分對應的載荷矩陣如表5所示,第一主成分特征值為4.320,此成分中絕對值載荷較高的是干草產量、粗蛋白、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維,權重系數分別為-0.893,0.913,0.886和0.909;第二主成分特征值為1.479,此成分中絕對值較高的是株高,權重系數為0.794;第三主成分特征值為1.095,此成分中載荷較高的是相對飼喂價值,權重系數為0.634。通過第Ⅰ主成分、第Ⅱ主成分和第Ⅲ主成分的特征向量值,得出各主成分綜合得分線性方程,以各主成分對應的方差相對貢獻率作為權重建立綜合評價模型:

表4 各因子特征向量與主成分特征值和累計貢獻率Table 4 Feature vector of each factor,principal component eigenvalue and cumulative contribution rate

Y1=-0.21X1+0.07X2+0.18X3+0.21X4+0.21X5+0.21X6-0.15X7

Y2=-0.22X1+0.54X2-0.38X3-0.06X4-0.23X5-0.22X6+0.30X7

Y3=-0.28X1-0.46X2+0.24X3-0.35X4+0.28X5+0.14X6+0.58X7

Y=(61.713Y1+21.132Y2+15.637Y3)/98.482

通過上述模型計算每個處理的綜合得分并進行排名(表6)。在第Ⅰ主成分中,排名靠前的是T2D4,為1.20;在主成分Ⅱ中,排名靠前的是T1D1,為1.50;在主成分Ⅲ中,排名靠前的是是T2D2,為1.74。帶入Y=(61.713Y1+21.132Y2+15.637Y3)/98.482計算,得出不同處理綜合得分,T2D4得分最高(0.72),根據得分由高到低排名依次為T2D4>T1D3>T2D2>T1D1>TS。

表6 不同處理綜合排名及得分Table 6 Comprehensive ranking and score of different treatments

3 討論

3.1 不同間作行比對甜高粱和大豆生產性能的影響

株高作為作物生長發育的重要農藝性狀,同時也是影響作物產量的重要指標。封亮等[21]研究表明,玉米大豆間作行比為2∶4模式下大豆株高和莖粗均表現最佳。Lesoing等[22]研究發現大寬幅種植減弱了種間競爭,緩解了大豆生長中的遮陰問題,減緩了玉米/大豆間作系統中對大豆的資源掠奪,有利于提高間作系統的生物量和產量。賈志峰等[23]研究認為,在豆禾間作系統中,隨著生育期增加大帶寬大豆種植避免了相鄰玉米的遮光,有利于大豆生長。王甜等[24]研究表明,適宜的間作行比可顯著改善大豆生長受到的不利影響,促進大豆干物質積累量增加,更有利于間作群體中大豆的生長。本研究表明,不同間作行比均使大豆和甜高粱株高增加,各間作處理同單作大豆和甜高粱差異顯著,這與前人研究結果一致[8,15]。本試驗中大幅寬甜高粱和大豆種植的T2D4處理具有最高的相對生物量和產量,與封亮等[21]研究的玉米/大豆最佳間作行比相同。甜高粱大豆間作導致大豆干物質量的減少,原因可能是大豆處于甜高粱/大豆間作系統中的低生態位,受高位作物甜高粱在生育后期的遮陰影響所導致,且有研究表明,大豆開花期后對光敏感增強,此時進行遮蔭會顯著降低大豆的光合速率,進而影響產量形成[25]。

3.2 不同間作行比對甜高粱營養價值的影響

牧草品質的高低是衡量牧草營養價值的重要指標,其養分含量也是草食動物不可或缺的營養物質。豆禾間作草地可以改善牧草品質,為家畜提供優質牧草[26]。李春喜等[27]研究發現,與高粱單播相比,混播可提高牧草粗蛋白含量,降低中性和酸性洗滌纖維含量,進而提高相對飼喂價值,改善牧草品質。藺芳等[28]研究表明,高粱與紫花苜蓿(MedicagosativaL.)混播后顯著提高了青貯飼料的粗蛋白含量和相對飼喂價值。本研究表明,T1D3(10.08%)和T2D4(10.03%)處理甜高粱粗蛋白含量顯著大于其他處理,分別較TS提高12.9%和12.5%,表明間作對提高甜高粱粗蛋白含量有積極作用。此外,豆科牧草中含有豐富的N,Ca,P等元素,而禾本科牧草中碳水化合物含量較高,甜高粱與大豆間作后,大豆中部分氮從植物組織淋洗到土壤或以氣態散發被甜高粱連續再吸收以及通過菌根接觸直接轉移,通過地上、地下組織的分解轉移到甜高粱中。甜高粱對固氮產物的利用,增強了大豆固氮作用,提高了牧草養分的利用[29],促進甜高粱粗蛋白含量增加。

3.3 不同間作行比對甜高粱和大豆光合特性的影響

光照是產量形成的基礎,作物通過凈光合速率和蒸騰速率等光合生理特性來增加光合產物累積量從而實現高產[30]。在豆禾間作系統中,不同種植模式可顯著影響光能的分布和利用[31]。有研究發現,在玉米/大豆間作系統中,大豆葉片的Pn、Gs和Tr降低,Ci增加[32]。崔文芳等[33]研究認為玉米和大豆在2∶3間作模式下對大豆葉片光合能力有促進作用。本試驗表明,在T1D1和T1D3間作模式下大豆葉片Pn值分別比大豆單作增加47.3%和34.2%,而T2D2和T2D4處理下大豆葉片Pn值分別比大豆單作下降45.8%和29.5%,說明在T2D2和T2D4間作模式下受高位作物甜高粱對大豆的遮陰及大豆群體自蔭性的影響,間作大豆的Pn降低。此外,間作對甜高粱和大豆的Ci均無顯著影響,主要原因可能是當地區域的氣溫和光照對甜高粱和大豆的Ci無明顯作用。

3.4 不同間作行比對土地當量比的影響

土地當量比可用于任何復合種植方式下土地利用效率客觀和有效的評價,尤其是在間作系統中對其土地生產力的評價[34]。間作能夠提高土地生產力,但在不同生態區、作物配置和間作模式下其土地生產力增幅也不盡相同。趙德強等[35]研究發現,玉米與大豆間作其土地當量比最高可達到1.33。鄭亞杰[36]研究發現,玉米和大豆在2:3間作模式下綜合產量達到最高,較大豆單作產量提高了195.3%～247.7%。在本研究中,甜高粱與大豆所有間作模式下的土地當量比均大于1,表明甜高粱與大豆間作系統在鹽堿地具有增產優勢,可有效提高鹽堿地土地利用率,這是由于甜高粱與大豆不同間作模式引起地上與地下生態位互補,從而增加了間作系統對有限資源的高效利用,這與前人得出豆禾間作較其相應的單作具有更高的土地利用效率的研究結果一致[36]。其中,甜高粱與大豆在T1D3間作模式下土地當量比達到最大,其經濟效益(13 751.05 元·hm-2)比單作甜高粱(13 142.01 元·hm-2)和單作大豆(9 333.86 元·hm-2)分別提高了4.6%和47.3%。適宜的間作方式對土地生產力具有顯著促進作用。

4 結論

甜高粱間作大豆能顯著增加甜高粱和大豆的株高(P<0.05),且間作行比與土地當量比的比值均大于1,提高了土地利用效率,其中T2D4處理下甜高粱Pn,Gs,Tr,Ci和大豆的Gs,Tr,Ci高,說明此間作行比下給植物創造了良好的光環境,使甜高粱草產量和大豆產量均較高較優。因此,能實現適宜的資源利用效率和生產效益,鹽堿地甜高粱/大豆最佳間作行比為2行甜高粱,4行大豆。