陳元凱,馮鈴洋,Muhammad Ali Raza,范元芳,諶俊旭,雍太文,楊文鈺,楊 峰

(四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室/四川省作物帶狀復合種植工程技術研究中心 成都 611130)

間套作通過不同的作物配置,構(gòu)建多作物、多層次、多功能的復合群體,使水、肥等有限資源得到充分利用,從而提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)產(chǎn)出[1-2]。楊文鈺等[3]結(jié)合南方自然條件和社會需求,在總結(jié)傳統(tǒng)玉米(Zea maysL.)/甘薯(Dioscorea esculentaL.)模式及玉米/大豆(Glycine maxL.)模式的基礎上,提出了玉米-大豆帶狀復合種植模式。該模式依據(jù)作物栽培原理,利用復合群體內(nèi)作物自身特性,優(yōu)劣互補,提高復種指數(shù)和土地利用率,同時增加大豆的種植面積[4],解決大豆迎茬、重茬等問題,保證大豆的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)[5-7]。在不影響玉米產(chǎn)量的同時,增加大豆產(chǎn)量,實現(xiàn)玉米大豆和諧發(fā)展,對保障區(qū)域及國家糧食安全具有重要意義[3,8]。

在玉米-大豆帶狀復合種植系統(tǒng)中,協(xié)調(diào)玉米、大豆生長,發(fā)揮間套作優(yōu)勢是實現(xiàn)兩種作物協(xié)同高產(chǎn)的關鍵。目前,國內(nèi)外對玉米/大豆間套作的研究主要圍繞播期選擇、品種選配、密肥水平以及田間配置等方面開展。在玉米/大豆套作模式下,隨著玉米的早播,晚熟大豆凈光合速率較高,其灌漿速率逐漸增加,有利于干物質(zhì)的形成[9]。而對大豆播期而言,晚熟大豆品種與馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)套作具有更強的優(yōu)勢,讓大豆葉面積指數(shù)和凈光合速率均保持在較高水平,從而使套作大豆產(chǎn)量較高[10]。除播期外,大豆株行距配置對大豆產(chǎn)量同樣有較大影響,夏大豆株行距分別為12 cm×27 cm時,大豆的產(chǎn)量構(gòu)成因素較為合理[11]。但針對不同玉米株型配置對大豆生長和產(chǎn)量的研究較少。田間配置改變大豆群體結(jié)構(gòu),在適宜密度條件下對株行距進行調(diào)節(jié),使其生長環(huán)境發(fā)生變化,株距減小導致個體間競爭加劇,營養(yǎng)物質(zhì)分配失調(diào)[12]。當玉米大豆間距設置為25～60 cm時,大豆單株產(chǎn)量隨間距的增加而增大[13],主要是由于大豆行距離玉米行越近,冠層透光率越低,苗期受玉米蔭蔽作用越嚴重,影響大豆后期形態(tài)和產(chǎn)量建成[14]。對于不同株型玉米,王竹等[15]認為,在緊湊型玉米和大豆幅寬1.17 m下,大豆的植株健壯,產(chǎn)量較高。同樣,玉米/大豆套作中帶寬2 m條件下能夠均衡系統(tǒng)中作物間的養(yǎng)分競爭,使系統(tǒng)養(yǎng)分積累能力增強,提高系統(tǒng)的綜合生產(chǎn)能力,從而提高作物的生物量和產(chǎn)量,達到最大的土地當量比[16]。然而,圍繞不同玉米株型和窄行距配置下對大豆光環(huán)境、形態(tài)、光合熒光參數(shù)等影響的報道較少。因此,本研究選取緊湊型和半緊湊型兩個玉米品種,在不同行距配置下探討套作大豆冠層光環(huán)境變化規(guī)律,及對大豆形態(tài)、熒光參數(shù)和產(chǎn)量的影響,以期為進一步完善大豆的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培技術提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

試驗于2015年3～11月在四川省仁壽縣四川現(xiàn)代糧食生產(chǎn)示范基地(30°07′N,104°18′E,海拔 482 m)進行。該區(qū)屬亞熱帶季風濕潤氣候,年均氣溫17.4℃,年均降雨1 009.4 mm,年均日照時數(shù)1 196.6 h,無霜期310 d。試驗田土壤為紫色黏土,基礎化學性質(zhì)為：pH 6.8,有機質(zhì) 1.98 g·kg-1,全氮 1.3 g·kg-1,速效氮 115 mg·kg-1,速效磷 15.2 mg·kg-1,速效鉀 118 mg·kg-1。玉米選用半緊湊型的‘川單 418'和緊湊型的‘榮玉 1210'(均來源于四川農(nóng)業(yè)大學玉米研究所);大豆為晚熟品種‘南豆12'(四川南充市農(nóng)業(yè)科學研究院供種),株型直立抗倒,耐蔭性較好[17]。

1.2 試驗設計

采用完全隨機區(qū)組試驗設計(圖1)。A為玉米品種：A1,‘川單 418';A2,‘榮玉 1210';B為玉米窄行距,3 個水平：20 cm(B1)、40 cm(B2)和60 cm(B3)。3 個玉米窄行距下對應的玉米寬行距分別是180 cm、160 cm和140 cm。套作玉米采用寬窄行種植模式,固定帶寬200 cm,于3月下旬播種,4月上旬移栽,8月初收獲;套作大豆于6月初免耕直播于玉米寬行內(nèi),11月初收獲。玉米密度6萬株·hm-2,株距16.7 cm,大豆密度10萬株·hm-2,行距設置為40 cm,株距10 cm。玉米和大豆各小區(qū)種植兩帶,每帶種植 2行,單株定植,小區(qū)面積28 m2。各處理重復3次。以單作玉米、單作大豆為對照,行距均為70 cm,玉米株距23.8 cm,大豆株距 14.3 cm。玉米底肥每公頃配施過磷酸鈣600 kg(含P2O512%)和氯化鉀150 kg(含 K2O 60%);玉米全生育期共施純氮240 kg·hm-2,按底肥∶穗肥1∶1比例施用。大豆基肥配施尿素75 kg·hm-2、過磷酸鈣 600 kg·hm-2、氯化鉀 60 kg·hm-2,初花后追施尿素75 kg·hm-2。對照與套作中的玉米和大豆播種時間、密度及小區(qū)施肥水平一致,其他按照常規(guī)大田管理進行。

圖1 不同玉米行距處理下玉米/大豆帶狀套作種植結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch maps of maize and soybean relay strip intercropping systems under different treatments of maize row spacing

1.3 測定項目與方法

試驗參照Fehr等[18]的生育時期劃分法,在大豆營養(yǎng)生長期的三葉期(third trifoliolate)、五葉期(fifth trifoliolate)和生殖生長期的盛莢期(full pod)取樣。每個小區(qū)取長勢均勻的植株3株測定形態(tài)、生物量、葉綠素、葉綠素熒光參數(shù)等指標,重復測定 3次,以其平均值作為該小區(qū)參數(shù)。

1.3.1 大豆冠層光環(huán)境測定(PAR)

于大豆三葉期,使用 LI-1400光量子儀(美國LI-COR公司)在10：30—14：00(晴朗無云)測定光合有效輻射的分布。測定時,在各處理中,移動與 LI-1400連接的LI-191 SA探桿,逐個記錄在大豆冠層頂部5 cm高度每個位點的PAR值。數(shù)據(jù)采集的空間范圍：從玉米寬行中按照玉米和大豆間距中點、大豆上方、大豆行間中點、單作大豆上方、行間中點及玉米上方、行間中點進行測定。重復觀測 5次,并以各位點的平均值作為大豆冠層的光合有效輻射(I)。根據(jù)入射光和透射光的均值通過李艷大等[19]方法計算透光率。

式中：I為大豆冠層頂部的輻射強度,I0為玉米冠層頂部的輻射強度。

1.3.2 光質(zhì)的測定

使用便攜式地物光譜儀(荷蘭 Avants公司生產(chǎn)的AvaField-1,光譜范圍 200～1 100 nm)測定大豆冠層的光譜輻照度,方法與光合有效輻射測定相同。探頭視場角 25°,以玉米寬窄行平均值作為該觀測點的光譜輻照度。選取紅邊區(qū)域655～665 nm和遠紅光區(qū)域725～735 nm光譜輻照度值,按照Hertel等[20]方法計算紅光/遠紅光比值(R/FR)。

1.3.3 光合色素及葉綠素熒光參數(shù)的測定

在大豆五葉期和盛莢期,于每個小區(qū)中取連續(xù)的3株大豆倒三葉,按照光譜測定順序放入液氮中,并及時置于-80℃冰柜中待測。根據(jù)Sims等[21]方法測定光合色素含量。然后利用英國Technologica公司生產(chǎn)的葉綠素熒光成像系統(tǒng)(CFI)測定熒光相關參數(shù)。測定時,讓葉片充分暗適應30 min后獲得Fv/Fm,隨后設定光強為800 μmoL·m-2·s-1下讓葉片充分光適應 30 min 后獲得光處理數(shù)據(jù)。每個葉片均重復測定 3次,取均值作為該處理終值。

1.3.4 形態(tài)指標及生物量的測定

在大豆五葉期和盛莢期,每個小區(qū)中選擇 3株具有代表性且長勢一致的大豆植株,對其莖粗、節(jié)間數(shù)、第2節(jié)間長、主莖長等指標進行測定。待形態(tài)指標測定后,108℃下殺青30 min后80℃烘干至恒重測定其生物量。

1.3.5 玉米及大豆產(chǎn)量的測定

待籽粒成熟后,在各小區(qū)未曾取樣的完整帶中,玉米收獲前考察每小區(qū)的有效穗,小區(qū)實打?qū)嵤照鬯銓嶋H產(chǎn)量,根據(jù)均重法每小區(qū)另選取20苞果穗考察穗部性狀。大豆收獲前調(diào)查連續(xù)10株的實際長度和單行株數(shù),根據(jù)小區(qū)行數(shù)和長度計算出有效株數(shù),并將 10株大豆室內(nèi)風干,考察單株有效莢數(shù)、粒數(shù)與百粒重,計算理論產(chǎn)量。并將該完整帶剩余大豆植株全部收獲,計算實際產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

采用Microsoft Excel 2016對原始數(shù)據(jù)進行整理,利用SPSS 13.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA),并用Origin 2017制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米株型和行距下玉米大豆共生期內(nèi)大豆葉片冠層光環(huán)境

由圖2可知,不同玉米窄行距直接影響大豆葉片冠層的透光率及R/FR比值。隨著玉米窄行距的增加,大豆冠層光強逐漸降低。與單作大豆(SS)相比,兩玉米品種大豆葉片冠層透光率在玉米窄行 20 cm、40 cm和60 cm處理下分別平均降低40.7%、55.9%和65.4%(P＜0.05)(圖2a);大豆冠層R/FR比值變化規(guī)律與透光率一致,R/FR比值分別平均降低41.0%、47.7%、53.3%(圖2b)。不同的玉米窄行距處理下,大豆葉片冠層透光率、R/FR比值處理間差異顯著(P＜0.05)。不同的玉米株型處理下,套作大豆冠層透光率差異不顯著(P＞0.05)。

圖2 不同玉米行距和玉米品種對玉米大豆共生期內(nèi)大豆冠層透光率(a)和R/FR值(b)的影響Fig.2 Effect of different maize row spacing and maize varieties on PAR transmittance(a)and ratio between the spectral irradiance of R light and FR light(b)of the canopy of soybean at maize/soybean symbiosis period

2.2 不同玉米株型和行距下大豆形態(tài)特征的變化規(guī)律

如表1所示,在大豆五葉期,不同處理間大豆的形態(tài)差異顯著。隨著玉米窄行距的增加,大豆的莖粗和節(jié)數(shù)逐漸降低,而第2節(jié)間長和主莖長卻呈相反的變化規(guī)律。與單作大豆相比,兩個玉米品種處理下大豆莖粗在玉米窄行距20 cm、40 cm和60 cm處理分別平均降低54.0%、60.7%、67.7%,節(jié)數(shù)分別平均減少30.0%、40.0%、46.7%;第2節(jié)間長分別平均升高 43.2%、30.7%、18.2%,主莖長分別平均升高20.2%、29.4%、37.2%。盛莢期大豆形態(tài)指標變化規(guī)律與五葉期一致,但套作處理與單作的差異程度較五葉期變小。套作處理下大豆分枝數(shù)顯著低于單作,套作各處理間大豆分枝數(shù)無顯著差異。在相同的玉米窄行距下,玉米株型對套作大豆形態(tài)特征影響不顯著。

表1 不同玉米行距和玉米品種對大豆不同生育期形態(tài)指標的影響Table 1 Effect of different maize row spacing and maize varieties on the morphological index of intercropped soybean at different growth stages

2.3 不同玉米株型和行距下大豆生物量的變化規(guī)律

由表2可知,大豆的莖干重和葉干重均隨著玉米窄行距的增大而減小,不同的玉米株型處理對大豆的生物量影響不顯著。五葉期套作大豆各器官生物量均顯著低于單作,兩玉米品種下大豆莖干重在玉米窄行距20 cm、40 cm和60 cm處理下較單作分別平均降低69.3%、78.0%、89.1%,全葉干重分別平均降低70.0%、78.5%、88.1%,不同玉米窄行距下大豆的生物量差異達顯著水平。在盛莢期,套作大豆莖干重顯著低于單作,兩玉米品種下大豆莖干重在玉米窄行距20 cm、40 cm和60 cm處理下較單作分別平均降低48.5%、56.5%、65.9%。莖干重在各玉米窄行距處理間差異顯著,全葉干重差異未達顯著水平。

2.4 不同玉米株型和行距下大豆葉片光合色素的變化規(guī)律

大豆葉片光合色素含量如表3所示。隨著玉米窄行距的增大,大豆葉片的光合色素呈逐漸降低的趨勢。與單作大豆相比,五葉期大豆葉片光合色素含量各套作處理均顯著降低,兩玉米品種下大豆葉片葉綠素a在玉米窄行距20 cm、40 cm和60 cm處理下分別平均降低29.3%、44.6%、56.0%,葉綠素b分別平均降低39.4%、50.3%、60.8%,總?cè)~綠素分別平均降低31.5%、45.6%、57.1%,類胡蘿卜素分別平均降低15.4%、26.8%、36.3%,不同的玉米窄行距對大豆葉片光合色素含量影響顯著。在盛莢期,單作大豆葉片的光合色素較套作大豆高,但套作各處理間大豆葉片的光合色素差異不顯著。不同的玉米株型對套作大豆葉片光合色素影響不顯著。

表2 不同玉米行距和玉米品種對大豆不同生育期生物量的影響Table 2 Effect of different maize row spacing and maize varieties on the biomass of intercropped soybean at different growth stages

表3 不同玉米行距和玉米品種對大豆不同生育期葉片光合色素的影響Table 3 Effect of different maize row spacing and maize varieties on the photosynthetic pigment of intercropped soybean leaves at different growth stages

2.5 不同玉米株型和行距下大豆葉片熒光參數(shù)的變化規(guī)律

如表4所示,隨著玉米窄行距的增大,非光化學淬滅系數(shù)NPQ逐漸增大,而大豆葉片的Fv/Fm、Fq′/Fm′和Fq′/Fv′均呈先增大后減小的趨勢,初始熒光Fo變化趨勢與之相反。不同玉米窄行距處理下,套作大豆葉片熒光參數(shù)在五葉期各處理間存在顯著差異,而在盛莢期各處理間差異均不顯著。在五葉期,與玉米窄行距40 cm相比,在玉米窄行距20 cm處理下,非光化學淬滅系數(shù)、PSⅡ最大光化學效率、Fq′/Fv′和Fq′/Fm′兩玉米品種分別平均降低3.3%、4.9%、14.7%、13.0%,而初始熒光兩玉米品種平均升高 31.7%;在玉米窄行距60 cm 處理下,PSⅡ最大光化學效率、Fq′/Fv′和Fq′/Fm′兩玉米品種分別平均升高 7.8%、9.4%、15.4%,而非光化學淬滅系數(shù)和初始熒光兩玉米品種分別平均降低14.6%、39.2%。

表4 不同玉米行距和玉米品種對大豆不同生育期葉片熒光參數(shù)的影響Table 4 Effect of different maize row spacing and maize varieties on the fluorescence parameters of intercropped soybean leaves at different growth stages

2.6 不同玉米株型和行距下的系統(tǒng)產(chǎn)量

由表5可知,隨著玉米窄行距的增大玉米產(chǎn)量逐漸升高,對系統(tǒng)產(chǎn)量的貢獻率逐漸增大,而大豆產(chǎn)量及對系統(tǒng)產(chǎn)量的貢獻率呈相反的變化趨勢。在玉米窄行距20 cm、40 cm和60 cm處理下,與單作玉米相比,玉米產(chǎn)量兩玉米品種分別平均降低38.2%、8.5%、0.8%,對系統(tǒng)產(chǎn)量的貢獻率分別平均降低25.5%、16.8%、12.9%;與單作大豆相比,兩玉米品種下大豆產(chǎn)量分別平均降低24.4%、34.9%、49.0%,對系統(tǒng)產(chǎn)量的貢獻率分別平均降低74.5%、83.2%、87.2%。土地當量比隨玉米窄行距的增大呈先增大后減小的趨勢,并以玉米窄行距 40 cm處理下達最大值,比20 cm和60 cm處理兩玉米品種分別平均降低11.5%和4.5%。

表5 不同玉米行距和玉米品種對系統(tǒng)產(chǎn)量的影響Table 5 Effect of different maize row spacing and maize varieties on the system grain yield

3 討論

光是作物進行光合作用的能量來源,是維持作物能量平衡的主要環(huán)境因子[22],其中光強和光質(zhì)對作物光合產(chǎn)物的合成、分配以及產(chǎn)量構(gòu)成有重要影響[23-24]。玉米/大豆帶狀復合種植下,玉米葉片對光的吸收、反射,使不同田間配置下大豆冠層光環(huán)境存在顯著差異[25]。隨著玉米窄行距的增加,大豆冠層的 PAR和R/FR逐漸降低,由于玉米吸收利用紅光,而遠紅光被傳遞到大豆冠層,使套作大豆冠層的 R/FR與單作相比顯著降低。高仁才等[26]研究結(jié)果表明：玉米窄行距20 cm下大豆冠層透光率和R/FR最高,分別為60.0%、0.94%。在實際生產(chǎn)中,植株冠層結(jié)構(gòu)經(jīng)常通過調(diào)整株型和葉片方位來實現(xiàn),從而提高光截獲和群體生產(chǎn)能力。本研究發(fā)現(xiàn)半緊湊和緊湊的玉米對大豆光環(huán)境無顯著影響,這與楊峰等[27]的研究結(jié)果不同：大豆與緊湊型玉米、半緊湊型玉米套作,緊湊型玉米處理下大豆冠層透光率顯著高于半緊湊型。這可能是緊湊型‘榮玉 1210'的株高較半緊湊型‘川單 418'高,形成較大的陰影面積,使兩品種的光環(huán)境在同一玉米窄行距下無顯著差異。大豆莖粗與節(jié)數(shù)隨玉米窄行距的增大逐漸減少,而主莖長呈相反的變化。吳其林等[28]研究結(jié)果表明：苗期遮蔭顯著影響了大豆莖稈的形態(tài)發(fā)育和物質(zhì)積累,蔭蔽程度大,大豆莖稈發(fā)育不好,最終造成倒伏。這可能是增大玉米窄行距阻礙大豆吸收光能,大豆合成較多的生長素和赤霉素促使節(jié)間生長、節(jié)數(shù)減少[29];同時遮蔭后較低的 R/FR比值促使細胞伸長出現(xiàn)嚴重的避蔭反應。

植物通過光合作用合成有機物,是植物形態(tài)建成和生物量累積的基礎。光合能力的大小與葉片中光合色素的含量密切相關,葉綠素含量及比例隨光合能力的影響而變化[30]。本研究中大豆各光合色素均隨玉米窄行距增加而降低,這可能是由于減小玉米寬行距會加劇玉米對大豆的蔭蔽,導致大豆的光合能力減弱,進而使大豆光合色素降低。王銳等[31]研究結(jié)果表明：始花期套作大豆葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素以及類胡蘿卜素含量玉米窄行距40 cm下比80 cm各指標分別高 29.7%、34.4%、30.7%、17.9%,且隨著玉米窄行行距的增大而減小。植物葉片的熒光參數(shù)是研究植物光合生理的重要參數(shù),能較好反映逆境對光合作用的影響[32-33]。植物的潛在最大光合能力可由PSⅡ最大量子產(chǎn)量反映,植物受到脅迫時,PSⅡ最大量子產(chǎn)量下降[34]。本研究中五葉期玉米窄行距較小時,大豆受弱光脅迫較低,增大玉米窄行距使非光化學淬滅系數(shù)顯著增大,PSⅡ最大量子產(chǎn)量、Fq′/Fm′及Fq′/Fv′均呈先增加后降低的趨勢,表明大豆受弱光脅迫增大,宋艷霞等[35]研究結(jié)果表明：增加大豆冠層遮蔭會導致NPQ增加。其中PSⅡ最大量子產(chǎn)量呈現(xiàn)這種變化趨勢,可能是一定程度的蔭蔽能夠提高大豆的光能轉(zhuǎn)換效率,當超過某一程度后會降低光能轉(zhuǎn)換效率。玉米收獲后,大豆迅速恢復生長,套作大豆各處理間葉片熒光參數(shù)差異不顯著。由此可知,適當增加玉米窄行距會使套作大豆葉片產(chǎn)生以自我保護為目的的生理適應性反應。

在玉米/大豆帶狀套作模式中,下位作物大豆處于群體光能截獲的劣勢,上位作物玉米的遮蔭是制約大豆增產(chǎn)的主因,而玉米冠層結(jié)構(gòu)的差異在很大程度上影響大豆的光能截獲量,從而導致其干物質(zhì)積累、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的差異[36-37]。本研究中套作大豆各器官生物量均隨玉米窄行距的增加而顯著減小,表明由于減小玉米寬行距使大豆與玉米對光的競爭增大,大豆有機物合成隨光截獲的減少而降低。楊峰等[38]研究也表明增加玉米窄行距會減小大豆地上部生物量。盛莢期大豆無玉米遮蔭使葉片光合同化能力增強,生物量迅速積累,但由于前期受遮蔭,與單作相比套作大豆各部分生物量仍相差較大。所以本研究表明,適當減小玉米窄行距,能夠較好地協(xié)調(diào)玉米和大豆對光熱資源的利用,縮小兩種作物產(chǎn)量對系統(tǒng)產(chǎn)量的貢獻率差值,使系統(tǒng)產(chǎn)量構(gòu)成最為和諧,綜合生產(chǎn)能力最強。

4 結(jié)論

隨玉米窄行距的增大,玉米/大豆帶狀種植模式下作物對光資源的競爭加劇,大豆冠層的光合有效輻射和透光率隨之降低,導致大豆莖粗減小、節(jié)間數(shù)和主莖長增大、葉片光合色素的含量降低,影響了大豆的光合作用和物質(zhì)分配進而影響到生物量和產(chǎn)量。不同玉米株型下,大豆形態(tài)生理指標無顯著差異。玉米窄行距在40 cm時,能較好地協(xié)調(diào)玉米大豆生長,使綜合產(chǎn)量最高,達到最大的土地當量比。因此,玉米窄行距適度縮小,選擇緊湊或半緊湊玉米品種,可以改善帶狀套作大豆生長環(huán)境,更有利于協(xié)調(diào)帶狀套作系統(tǒng)中玉米和大豆發(fā)揮高產(chǎn)潛力。