潘宗瑾，劉興華，張大勇，王海洋，楊 華，高進(jìn)，施 洋，葛漢勤，王 為*

（1.江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/鹽城市甜高粱育種工程技術(shù)研究中心，江蘇鹽城224002；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)/江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210095）

植物體干物質(zhì)中的90%～95%來自于光合作用，而作物光合作用與光能利用率密切相關(guān)，如何充分合理地利用太陽光能是作物生產(chǎn)的關(guān)鍵。生產(chǎn)上提高光能利用率的途徑主要有提高作物復(fù)種指數(shù)、合理密植、增加CO2體積分?jǐn)?shù)以及降低光呼吸等。作物立體種植模式融合了提高光能利用率的主要途徑，通過輪、間套種，在一個(gè)種植季度內(nèi)巧妙地搭配各種作物，以從時(shí)間上和空間上更好地利用光能，縮短田地空閑時(shí)間，減少漏光率，盡最大可能提升單位面積土地上的生物產(chǎn)量。

甜高粱是1年生C4草本植物，為粒用高粱的變種，其喜溫、抗旱、耐鹽堿、耐澇，生長過程糖分積累快，光合效率高，生物產(chǎn)量高，尤其是甜高粱莖稈高大、富含糖分、營養(yǎng)價(jià)值高，被譽(yù)為“高能作物”[1]。因此甜高粱被開發(fā)作為飼料、肥料及清潔能源作物等利用[2]。將甜高粱與其他矮稈作物根據(jù)各自生理生態(tài)學(xué)特性構(gòu)建立體種植模式（間作套種），可充分利用土壤與光能等資源，提高土地利用率與光能利用率，可最大程度提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值與效益[3]。尤其是將甜高粱與具固氮作用的大豆間套作不僅有利于補(bǔ)充土壤氮素消耗，在作為飼料收獲時(shí)還可以使碳水化合物和蛋白質(zhì)相互補(bǔ)充，營養(yǎng)搭配均衡，更利于牛羊飼喂。另有研究表明，間套作相較于單作，作物根系活力高，易于作物汲取養(yǎng)分，且互相促進(jìn)生長[4]。據(jù)報(bào)道，在貴州地區(qū)，甜高粱套種1行拉巴豆種植，甜高粱的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)優(yōu)異，產(chǎn)量較高，營養(yǎng)價(jià)值更好[5]。本研究通過甜高粱-大豆-甜高粱-馬齒莧-甜高粱-大豆-甜高粱（甜高粱為C4作物、大豆和馬齒莧為C3作物）進(jìn)行間套作，以探索一種融合高-中-低空間配置以及不同茬口時(shí)間配置的立體種植模式，并著重研究這種立體種植模式下甜高粱和大豆的光合性能，以了解在增加土壤與光能利用率的同時(shí)，光合性能與局部空間生態(tài)環(huán)境是否有明顯變化，及這種變化對生物產(chǎn)量的影響，以期為立體種植模式的優(yōu)化與完善提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)甜高粱品種選用雅津95（北京桑粱技術(shù)發(fā)展中心提供），該品種適應(yīng)性極強(qiáng)、抗蟲抗病、產(chǎn)量高[6]。大豆品種為淮豆12號（江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供）。馬齒莧為江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所保存地方品種。

1.2 試驗(yàn)地概況

該模式在鹽城市新洋農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站種植，示范總面積為2 000 m2，該地（120°25′49″E、33°31′25″N）屬濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，日照充足，平均氣溫為14.2℃。土壤為沙壤土，pH為8.2，肥力中等偏上。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 立體種植方法。試驗(yàn)地于2016年5月25日播種、旋耕、人工開行，同時(shí)施入尿素25 kg/667 m2作基肥，后再以尿素10 kg/667 m2作追肥。播種均為條狀穴播。甜高粱播種量1 kg/667 m2，采用20 cm×70 cm的株行距定植，種植密度為5 000～6 000株/667 m2，10月上中旬收獲；大豆播種量約6 kg/667 m2，控制密度約為10 000株/667 m2；馬齒莧生育期短，30～40 d收獲，可播2～3次。播種深度基本一致，為2～3 cm。1畦種植4行甜高粱，4行含3個(gè)行間，外面2個(gè)行間種植大豆，中間1行種植馬齒莧（圖1）。以單獨(dú)種植的甜高粱與大豆為對照，試驗(yàn)均設(shè)置3個(gè)重復(fù)。7月12日，最后一次間苗定苗；8月15日開始測量光合性能。10月中下旬收割。

1.3.2 測定方法。使用CIRAS-3光合測定儀（英國漢莎）對植株葉片進(jìn)行光合測量，主要指標(biāo)包括：A（凈同化率）、Ci（胞間CO2濃度）、E（蒸騰速率）、gsw（氣孔導(dǎo)度）以及WUE（水分利用效率）。測試取樣選擇晴朗的天氣，9∶30-11∶30采用5點(diǎn)方法選擇植株，甜高粱和大豆測倒2葉。光合測定儀要事先進(jìn)行電源安裝、流量調(diào)零、光源校準(zhǔn)、參數(shù)設(shè)定、耗材準(zhǔn)備、環(huán)境控制、自動曲線設(shè)置等準(zhǔn)備工作。

使用光合測定儀配套的土壤呼吸室進(jìn)行土壤呼吸的測量，主要步驟為安裝呼吸室、校準(zhǔn)調(diào)零及測量功能設(shè)置。方法是土壤呼吸室安裝好后，穩(wěn)定30 min，打開氣泵抽提以減少流入腔室的CO2氣體，從而使腔室內(nèi)部的CO2濃度（體積分?jǐn)?shù)）低于環(huán)境CO2濃度水平。當(dāng)氣泵關(guān)閉后，由于土壤呼吸作用，腔室內(nèi)CO2會逐漸增加，在CO2濃度達(dá)到環(huán)境水平時(shí)，數(shù)據(jù)被記錄下來。對土壤中的CO2流量進(jìn)行計(jì)算，得出CO2的流量回歸函數(shù)。通過CO2流量回歸計(jì)算出最終的土壤呼吸值。本測量可以循環(huán)多次。

新鮮甜高粱與大豆的農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量等指標(biāo)分別采用直接測量法、觀察記錄法以及收獲法進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)計(jì)算

主要從儀器面板取得相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，記錄后用Excel 2010、SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同種植模式下甜高粱和大豆的光合性能

從表1可見，立體種植模式下甜高粱與大豆的凈同化率均分別低于各自對照，但差異均不顯著；但2種模式下，甜高粱凈同化率均顯著高于大豆（P＜0.05），體現(xiàn)了甜高粱作為C4作物的高光效性能，相對來說，大豆因具有較高水平的光呼吸而致同化率較低，也體現(xiàn)了C3作物的光合特征。從胞間CO2濃度來看，立體種植模式下甜高粱、大豆與各自對照相比雖有不同的變化特點(diǎn)（前者低，后者高），但差異均不顯著；而甜高粱的胞間CO2濃度顯著低于大豆（P＜0.05），可能是C4植物葉肉中具有獨(dú)特的“花環(huán)結(jié)構(gòu)”，利用CO2的能力較強(qiáng)、效率更高的緣故。無論是哪種模式，甜高粱、大豆的蒸騰速率與各自對照相比均無顯著差異，且2種作物間也無顯著差異。氣孔導(dǎo)度表現(xiàn)與蒸騰速率類似，相互間無顯著差異，也說明了氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率密切相關(guān)。對水分利用效率而言，則表現(xiàn)出與凈同化率類似的特征，不同模式間差異不顯著，但不同作物間則具有顯著差異，甜高粱作為C4植物水分利用效率也顯著高于C3植物的大豆（P＜0.05），同時(shí)也表明了水分利用效率與光合作用的緊密聯(lián)系。

表1 不同種植模式下甜高粱和大豆的光合性能

2.2 不同種植模式下土壤的呼吸性能

土壤中的CO2主要來源于作物的根呼吸、有機(jī)物腐爛及土壤微生物活動，其通量可在一定程度上反映作物根際土壤的活性狀況。表2中可見，在立體種植模式下，土壤CO2釋放速率要高于甜高粱單獨(dú)種植的田塊（無顯著差異），顯著高于無作物種植的空地（P＜0.05）。對土壤水分蒸發(fā)速率來說，種植作物的田塊，無論是立體種植的還是單獨(dú)種植的，均無顯著差異，但顯著低于無作物種植的空地（P＜0.05）。結(jié)果表明，田塊受到作物覆蓋后，其地表水分蒸發(fā)速率顯著降低，立體種植作物的田塊則降得似乎更多些。

表2 不同種植模式對土壤呼吸及水分蒸發(fā)的影響

2.3 不同種植模式甜高粱與大豆的生長性狀與產(chǎn)量

從表3可見，立體種植模式中甜高粱與大豆的株高均分別低于各自的單種對照（甜高粱低8 cm，大豆低2 cm），但差異不顯著，少許差異也可能與間套種作物之間的相互影響有關(guān)。立體種植模式中甜高粱和大豆的生育期也較各自單種的生育期長（甜高粱延長4 d，大豆延長6 d），但差異也不顯著；立體種植模式下，大豆的生育期要比甜高粱的早9 d，單種的則早11d。對產(chǎn)量而言，立體種植模式下甜高粱平均莖稈產(chǎn)量為6 826 kg/667 m2，大豆平均產(chǎn)量為204 kg/667 m2，合計(jì)7 030 kg/667 m2；而單種對照甜高粱平均莖稈產(chǎn)量為6 850 kg/667 m2，大豆平均產(chǎn)量為206 kg/667 m2，即使二者相加得到7 056 kg，似乎總量略高，卻與立體模式無顯著差異（P＜0.05），然其占用田地面積卻是立體模式的2倍，折算至單位面積得到3 528 kg/667 m2。顯然，立體種植模式大大提高了土地的使用效率，減少了土地的漏光率，相應(yīng)地提高了葉面積指數(shù)和作物光合面積，從而也提高了單位土地面積的作物生物質(zhì)產(chǎn)量。

表3 不同種植模式下甜高粱和大豆生長性狀與產(chǎn)量

3 結(jié)論和討論

立體種植模式下甜高粱與大豆光合性能和最終產(chǎn)量結(jié)果表明，不同作物之間光合性能差異較大，尤其在C4（甜高粱）和C3（大豆）作物間；但在不同模式處理之間，甜高粱和大豆光合性能與生長性狀差異并不顯著，說明立體種植模式在顯著提高復(fù)種指數(shù)的同時(shí)，并沒有顯著降低作物光合性能及作物生物質(zhì)產(chǎn)量，而且還可改善田間小氣候環(huán)境。

禾本科作物和豆科作物間套作，有固氮作用的豆科與禾本科作物間作不僅利于補(bǔ)充土壤氮素消耗，豆科固有的固氮能力可有效促進(jìn)禾本科作物對氮素的吸收，而禾本科作物則可使豆科作物的固氮能力大幅提高，相互促進(jìn)各自生長[7]。本文結(jié)果表明禾本科與豆科作物的間套種還可促進(jìn)根長與根表面積增加，根系活力提高，土壤呼吸增強(qiáng)；又因地表受到充分覆蓋，降低了水分蒸發(fā)速率，從而避免了水汽的快速散失，土壤中逸散的CO2也能得以重新利用，促進(jìn)了田間小氣候環(huán)境的改善。

立體種植模式可以有效利用土地空間和種植茬口時(shí)間，提高作物根系養(yǎng)分吸收和水分互補(bǔ)能力，發(fā)揮邊行優(yōu)勢提高產(chǎn)量以及提高作物之間相互補(bǔ)償抗蟲抗災(zāi)能力等[8]，這是值得深入研究的復(fù)合種植模式。以甜高粱為主體，搭配大豆、馬齒莧等進(jìn)行間套種的立體種植模式，即1畦種植4行甜高粱，其間3個(gè)間距行，外2行種植大豆，中1行種植馬齒莧，而馬齒莧生育期約為40 d，在甜高粱整個(gè)生育期（約4個(gè)月）中可種植多次，從而實(shí)現(xiàn)多元多熟。具固氮作用的豆科與禾本科間套作利于集約化利用有限的土壤資源，且這些作物均較耐低鹽，株高存在差異，有利種植空間配置，較適合于江蘇沿海灘涂種植。本文所述立體種植模式相關(guān)技術(shù)已入選2017年江蘇省及鹽城市主推技術(shù)（蘇農(nóng)科〔2017〕5號、鹽農(nóng)科〔2017〕3號）。

作物生物質(zhì)量（光合產(chǎn)量）取決于作物凈同化率、光合面積及光合時(shí)間，凈同化率也反映了作物的光能利用率[9]。光合面積可以通過合理密植、改變株型來改變；光合時(shí)間則可通過提高復(fù)種指數(shù)、延長生育期等來提高。即使對于立體種植模式下作物的光合性能而言，也不是通過一次光合測定就可以闡明的，也還需要從作物全生育期（生長周期）、作物需光特性、碳同化途徑以及光呼吸消耗等來考慮完善與優(yōu)化作物的時(shí)空配置，因此立體種植模式的生理生態(tài)學(xué)機(jī)制則還需要進(jìn)一步研究。