谷子大豆間作模式對作物干物質積累分配及產量的影響

曹宇媛　紀曉玲　劉琴　賀東東　王小林　張雄

摘要：為探究適于陜北黃土丘陵溝壑區膜際栽培條件下谷子大豆種植的最佳間作方式，采用單因素隨機區組設計，設置2 行谷子2 行大豆間作（I22）、2 行谷子4 行大豆間作（I24）、4 行谷子2 行大豆間作（I42）、單作谷子（SG）和單作大豆（SD）共5 個處理，分析不同間作模式下谷子和大豆干物質積累與分配特點、種間競爭力及其對產量的影響。結果表明，3 種間作處理均顯著提高了谷子的干物質積累量，且I24 處理顯著高于I42 處理，谷子干物質分配比率孕穗期為葉大于莖，成熟期穗大于葉、莖，3 種間作處理穗分配比率均顯著高于單作，且I24和I22處理顯著高于I42 處理；3 種間作處理均顯著降低了大豆的干物質積累量，大豆干物質分配比率開花期為葉大于莖，成熟期莢果大于莖、葉，3 種間作處理莢果分配比率均顯著高于單作，各間作處理間無顯著差異。I24 和I42 間作處理土地當量比分別為1.10、1.06，土地生產力提高6%～10%，具有間作優勢；I22間作處理土地當量比為1.00，無間作優勢。間作處理下谷子較大豆表現出了更強的種間競爭力（AG>0）和產量營養競爭比率（CRG>1），且I24處理顯著低于I42和I22處理。綜上所述，2 行谷子2 行大豆間作為陜北黃土丘陵溝壑區的最佳谷子大豆間作方式。

關鍵詞：谷子；大豆；間作；干物質積累；產量

中圖分類號：S344.2文獻標識碼：A文章編號：1002?2481（2024）01?0061?07

陜北黃土丘陵溝壑區以丘陵山地為主，耕地資源少，嚴重限制了農作物的穩定生產[1]。間作可以保護耕地生態系統生物多樣性[2]，進一步提高光照、水分、溫度利用效率[3]，增加土地生產能力，增產增收效果明顯[4]。谷子是陜北地區的特色作物，種植面積常年保持在8.6 萬hm2 左右，但在種植中谷子連作會導致病蟲害嚴重、土壤養分失衡，使谷子產量下降。通過調整種植結構提高谷子的產量具有一定的實際意義。禾本科與豆科作物間作是土壤貧瘠地區常見的間作模式[5]。大豆因其固氮能力被廣泛用于間作、輪作。研究谷子大豆間作模式對作物干物質積累分配、種間競爭力的影響，明確增產機制，對谷子的綠色可持續發展具有重要意義。相關研究表明，禾本科和豆科間作能夠通過影響作物干物質積累及向籽粒分配而影響作物產量。王曉維等[6]在玉米與大豆間作研究中發現，間作可以提高玉米干物質積累量。高陽等[7]對玉米大豆間作的研究表明，間作降低了大豆單株干物質、各器官干物質積累量和干物質轉換率。高硯亮等[8]在玉米與花生間作研究中發現，間作顯著降低了花生干物質積累量。任媛媛等[9]對玉米大豆間作的研究表明，由于玉米和大豆對資源的需求在時間和空間上的分離與互補，間作實現了作物對光、溫、水等各種資源的高效利用，從而直接影響作物產量和土地生產力[10]。在對玉米與大豆[11]、玉米與花生[12]、谷子與大豆[13]、糜子與綠豆[14]等間作的研究表明，間作使禾本科作物的產量增加，豆科作物的產量降低，但土地生產力在一定程度上有所提高，表現出間作優勢。作物因其生長環境的改變，繁殖器官的需求增加，使得營養器官的分配率降低，繁殖體部位分配率增加，這是作物競爭的體現，因此，競爭是影響作物生產的一個非常重要的因素[15]。前人對于禾本科作物與豆科作物間作研究主要集中在玉米大豆間作、高粱大豆間作、玉米花生間作等光合作用和產量方面，而對于谷子與大豆間作模式干物質積累分配和種間競爭方面的研究報道較少。

本研究設置了3 種谷子與大豆間作模式，探究不同間作模式對作物干物質的積累與分配、種間競爭及產量和土地生產力的影響，為陜北黃土丘陵溝壑區的谷子大豆間作研究提供一定的幫助。

1材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021 年在黃土高原西北部丘陵溝壑區的陜西省榆林市榆陽區太平溝村（38° 16 ′40 ″N、109°47 ′58 ″E）進行，屬干旱半干旱農牧交錯區，農業生產以傳統方式為主。該地區年平均氣溫8.3 ℃，有效積溫3 260 ℃。無霜期146 d，年均降水量446.8 mm，其中60%～80% 集中在7—9 月。年蒸發量1 211 mm，年日照時數2 644 h。降雨量年際間變化較大，分布嚴重不均。

1.2 試驗材料

供試谷子品種為晉谷21、大豆品種為汾豆78，均為榆林黃土丘陵溝壑區廣泛種植品種。

1.3 試驗設計

試驗采取隨機區組試驗設計，在膜際栽培條件下，共設置谷子單作（SG）、大豆單作（SD）、谷子大豆間作（I22、I24、I42）5 個處理，SG 為12 行谷子，SD 為12 行大豆，I22 為2 行谷子2 行大豆、I24 為2 行谷子4 行大豆、I42 為4 行谷子2 行大豆，每個處理重復4 次。小區面積為36 m2（6 m×6 m），谷子行距50 cm，株距11 cm；大豆行距50 cm，株距26 cm，南北行向種植（圖1）。

試驗采用均一化處理，單作與間作作物種植方式及行株距相同，谷子和大豆同時播種同時收獲，于5 月15 日播種，10 月11 日收獲。氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）的施肥量均為100 kg/hm2，于播種前一次施入，后期未進行追肥處理。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 地上干物質測定

在谷子和大豆生育期各處理均隨機選取谷子和大豆各9 株，將其根、莖、葉、穗（豆莢）帶到實驗室進行分離，置于烘箱105 ℃下殺青20 min 后，再在80 ℃下烘至恒質量后測定干物質質量。

1.4.2 產量測定

在谷子、大豆成熟后，單作處理每小區隨機選取10 株植株，間作處理每小區隨機選取谷子大豆各10 株進行產量考種，隨后收獲整個小區作物脫粒后統計作物產量。1.4.3 相關指標及其計算方法 土地當量比（LER）用公式計算所得[16]，種間相對競爭能力（AG）按公式計算所得 [17]，產量營養競爭比率（CRG）用公式計算所得[18]。

式中，LERG、LERD分別表示間作處理中谷子、大豆的相對土地當量比；YSG和YSD分別為單作條件下谷子、大豆的均一化產量（kg/hm2），YIG和YID分別為間作條件下谷子、大豆的均一化產量（kg/hm2）。LER 大于1 說明間作具有優勢，LER 小于1 說明間作劣勢。

式中，AG 表示谷子相對于大豆的競爭能力。AG 大于0 說明谷子比大豆競爭能力強；AG 小于0 說明谷子比大豆競爭能力弱。

CRG=（YIG/YSG）/（YID/YSD） （3）

式中，CRG 表示谷子相對于大豆的產量營養競爭比率。CRG 大于1 說明谷子的產量營養競爭能力強于大豆；CRG 小于1 說明谷子的產量營養競爭能力弱于大豆。

1.5 數據處理

使用Microsoft Excel 2010 整理數據，SPSS23.0 軟件對數據進行差異顯著性檢驗（LSD，P<0.05）以及單因素方差分析（ANOVA），使用Origin2019 軟件繪圖。

2結果與分析

2.1 谷子大豆間作對作物干物質積累與分配的影響

2.1.1 谷子大豆間作對谷子干物質積累與分配的影響

由表1 可知，在孕穗期，間作谷子的單株干物質積累量均高于單作，大小表現為I24>I22>I42>SG，間作處理單株干物質積累量較單作分別增加了31.21%、61.03%、21.36%，I24 與單作SG 差異顯著（P<0.05）。在成熟期，間作谷子的單株干物質積累量較單作分別增加了31.28%、42.62%、23.61%，各間作處理與單作SG 均差異顯著。說明谷子大豆間作可顯著提高谷子孕穗期和成熟期干物質積累量。

谷子孕穗期干物質的分配規律為莖少葉多，各處理莖的分配比率為22.81%～25.99%，葉的分配比率為74.01%～77.19%，各處理的莖、葉分配比率均無顯著差異，說明間作對谷子孕穗期干物質分配影響較小。谷子成熟期干物質分配的規律是莖最少、葉次之、穗最多，各處理莖的分配比率為23.91%～29.17%，葉的分配比率為27.32%～33.48%，穗的分配比率為37.35%～48.17%；各間作處理谷子莖、葉、穗分配比率與單作均存在顯著差異（P<0.05），莖分配比率大小表現為SG>I42>I22>I24，間作處理分別比單作減少了15.98%、18.03%、7.44%；葉分配比率大小表現為SG>I42>I24>I22，間作處理分別比單作減少了18.34%、15.29%、11.89%；穗分配比率大小表現為I22>I24>I42>SG，間作處理分別比單作增加了28.97%、27.82%、16.47%；由此可知，谷子大豆間作可減少谷子成熟期干物質向莖、葉的分配，增加向穗的分配，有利于谷子單株產量的提高。

2.1.2 谷子大豆間作對大豆干物質積累與分配的影響

從表2 可以看出，在開花期，不同間作處理大豆的單株干物質積累量均低于單作，表現為SD>I24>I22>I42，間作處理分別較單作減少了26.06%、49.89%、53.63%，單作SD 與各間作處理均差異顯著，且I24 與I42 差異顯著（P<0.05）。在成熟期，I22、I24、I42 間作處理大豆的單株干物質積累量分別較單作減少了30.84%、24.91%、32.41%，單作SD 與各間作處理均差異顯著（P<0.05）。說明谷子大豆間作影響大豆的生長發育。

大豆開花期干物質分配規律為莖少葉多，各處理莖的分配比率為45.39%～47.86%，葉的分配比率為52.14%～54.61%，各處理的莖、葉分配比率均無顯著差異，說明間作對大豆開花期干物質分配影響較小。大豆成熟期干物質分配的規律是莢果最多、莖次之、葉最少，各處理莖的分配比率為19.42%～26.94%，葉的分配比率為2.11%～2.77%，穗的分配比率為70.29%～78.47%。各間作處理大豆莖、莢果分配比率與單作均存在顯著差異（P<0.05），葉分配比率與單作差異不顯著。莖分配比率大小表現為I42>I22>I24>SD，間作處理分別比單作增加了38.72%、32.75%、27.81%；莢果分配比率大小表現為SD>I24>I22>I42，間作處理分別比單作減少了7.25%、8.78%、10.42%；由此可知，谷子大豆間作會減少大豆成熟期干物質向莢果的轉移，影響間作大豆產量的形成。

2.2 谷子大豆間作對作物產量的影響

從表3 可以看出，谷子大豆不同間作處理對谷子產量影響均顯著（P<0.05）。各處理谷子產量大小表現為SG>I42>I22>I24 ，單作谷子產量為2 517.95 kg/hm2，顯著高于I22處理和I24處理。單作谷子均一化種植密度為18 株/m2，I22、I24 和I42 間作處理谷子均一化種植密度分別為9、6、12 株/m2，谷子占地比例分別為50%、33.3% 和66.7%。I22、I24和I42 谷子產量分別為單作谷子的68.79%、45.34%和84.55%。說明在相同土地面積上間作谷子產量均高于單作。

與谷子單作相似，谷子大豆不同間作處理對大豆產量也有顯著影響（P<0.05）。各處理大豆產量大小表現為SD>I24>I22>I42，大豆單作處理的產量為2 560.26 kg/hm2，顯著高于各間作處理。單作大豆均一化種植密度為3.5 株/m2，I22、I24和I42間作處理下大豆均一化種植密度分別是1.75、2.33、1.17株/m2，占地比例分別為50%、66.7% 和33.3%。I22、I24和I42間作處理大豆均一化產量分別為單作大豆的30.85%、64.74% 和21.42%。說明在相同的土地面積上間作大豆的產量均低于單作，表現出產量劣勢。

2.3 谷子大豆間作對土地生產力的影響

從表4 可以看出，不同間作處理對谷子和大豆的偏土地當量比的影響均顯著（P<0.05），I24 與I22、I42谷子和大豆的偏土地當量比差異顯著。3 種間作模式雖然對整個間作系統的土地當量比影響不顯著（P>0.05），但I24 和I42 這2 種間作方式的土地當量比均大于1。說明I24和I42這2 種間作處理可以提高土地生產力，間作優勢明顯，其中I24 處理表現最好。

2.4 作物競爭力

由圖2 可知，3 種間作模式谷子相對于大豆的種間競爭力（AG）均大于0，大小表現為I22>I42>I24，I22 與I24 差異顯著（P<0.05）。I24 與I42 間作處理谷子相對于大豆的產量營養競爭比率（CRG）均大于1，I22 與I24 差異顯著（P<0.05）。表明在3 種間作處理中谷子的競爭能力強于大豆（AG>0，CRG>1）。

3結論與討論

干物質積累與分配是作物產量的重要影響因素[14]。作物的干物質積累90%～95% 是直接或者間接來自光合作用[19]。間作可以使高稈作物獲得更多光照[20]，有利于光合作用，增加干物質積累量[8]。本研究表明，間作顯著提高了谷子孕穗期和成熟期的干物質積累，I24 處理為最大值，顯著高于I42和單作。在干物質分配方面，間作谷子向穗的分配率均顯著高于單作，且I24 和I22 顯著高于I42。李智[21]在谷子大豆間作研究中發現，間作谷子能截獲更多光能，具有更好的光合能力，從而提高谷子的干物質積累量，與本研究結果一致。大豆受谷子蔭蔽影響，光合作用能力減弱，向莢果分配和積累的干物質減少[18]。本研究表明，間作顯著降低了大豆干物質積累，但間作處理之間無顯著差異，在干物質分配方面，間作大豆向莢果的分配率均顯著低于單作，且各間作處理之間無顯著差異。王雪蓉等[22]研究發現，間作可以促進谷子產量的增加，但不利于大豆產量形成，與本研究結果一致。

間作對谷子和大豆的產量影響不同，本研究中間作谷子產量相對于單作谷子產量的比例均高于谷子的占地比例，間作大豆產量相對于單作大豆產量的比例均低于大豆的占地比例，說明間作使谷子的產量增加，大豆的產量減少。張亦濤等[23]間作玉米和大豆，焦念元等[24]間作花生和玉米研究發現，間作能提高高稈作物產量，降低矮稈作物產量[25]，這與本研究結果一致。本研究3 種間作處理中I24處理表現最好，相同面積谷子產量較單作谷子增產約33.2%，大豆產量較單作大豆減產約2.9%，谷子增產效果最大，大豆減產效果最弱。李智等[13]間作谷子大豆研究發現，在谷子大豆比例為2∶4 時，谷子增產9%，產量最高，這與本研究結果一致。宮香偉等[26]研究指出，糜子和綠豆各間作處理土地當量比均大于1，說明間作具有明顯產量優勢。趙建華等[27]研究指出，玉米和豆科作物間作的土地生產力提高了13%～30%。本研究結果表明，I24 和I42 間作處理土地當量比LER 分別為1.10 和1.06，均大于1，具有間作優勢；I22 間作模式土地當量比為1.00，無間作優勢。這與任媛媛[28]在玉米大豆間作間作研究中的土地當量比結果（1.00～1.29）接近。3 種間作處理中I24處理土地生產力提高10%，表現最好。

種間競爭影響著作物向莖、葉、籽粒的分配，以及對資源的利用，是作物生產非常重要的影響因素。本研究谷子大豆間作模式中，谷子表現出更強的種間競爭能力。谷子相對大豆的種間競爭力為0.39～0.76（AG>0）、產量營養競爭比率為1.46～4.20（CRG>1），表明谷子種間競爭能力和產量營養競爭能力均強于大豆，說明在谷子大豆間作存在種間競爭關系，且谷子為優勢作物，而大豆則為劣勢作物[29]。原因可能是谷子為高稈作物，可以利用更多的光能資源[30]，同時谷子根系比大豆根系更發達，可以利用更多的水分資源[31]。蔡倩等[18]研究玉米和大豆間作表明，玉米為優勢作物，大豆為劣勢作物，這與本研究結果相似。本研究中，I24 的AG 和CRG 均低于I22 和I42，LER 高于I22 和I42，說明在有限的資源條件下，較強的競爭能力是以犧牲產量為代價的，作物的競爭能力與生產能力之間形成了一種負相關關系[32]。

本研究表明，相比單作，3 種間作處理在產量上都具有明顯的優勢，間作通過影響作物的產量分配和種間競爭關系來影響產量，通過增加競爭優勢作物谷子的干物質積累，提高穗分配比率，而降低競爭劣勢作物大豆的干物質積累，減少莢果分配比率，從而提高整體土地生產能力。3 種間作處理相比，I24 間作處理的增產效應最高。因此，陜北黃土丘陵溝壑區在谷子大豆間作種植中，可以優先選擇2 行谷子4 行大豆的間作模式。

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