杨文亭1,2, 李志贤1,3, 赖健宁1, 吴鹏1, 章莹1, 王建武1,*
1华南农业大学热带亚热带生态研究所, 广东广州 510642
2江西农业大学农学院, 江西南昌 330045
3湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室, 湖南湘潭 411201
*通讯作者(Corresponding author): 王建武, E-mail:wangjw@scau.edu.cn, Tel: 020-38604886
摘要

甘蔗-大豆间作逐渐得到推广应用。我们于2009—2011年连续3年在华南农业大学农场进行大田定位试验, 探讨甘蔗-大豆间作和减量施氮对甘蔗产量和主要农艺性状的影响。试验设置3种种植模式(甘蔗-大豆(1∶1)间作、甘蔗-大豆(1∶2)间作、甘蔗单作)和2种施氮水平(常规施氮, 525 kg hm-2和减量施氮, 300 kg hm-2)。结果表明, 施氮水平连续3年对甘蔗产量均无显著影响; 相比甘蔗单作, 甘蔗-大豆间作模式在2010年显著降低了甘蔗产量, 但2009、2011年和3年均值都表明间作模式对甘蔗产量无显著影响。3年结果表明施氮水平对甘蔗的主要农艺性状均无显著影响; 种植模式对甘蔗株高没有显著影响, 但显著影响了甘蔗茎粗、有效茎数和单株产量, 与甘蔗单作相比, 2009年的甘蔗-大豆间作显著降低了甘蔗有效茎数, 2011年甘蔗-大豆间作模式下的甘蔗茎粗和单株产量均显著大于甘蔗单作。相关分析表明, 甘蔗产量与甘蔗单株产量、有效茎数和株高均呈正相关, 其中甘蔗-大豆(1∶2)间作模式下甘蔗产量与单株产量呈极显著正相关(P<0.01), 减量施氮水平下的甘蔗-大豆(1∶2)间作模式的甘蔗产量与有效茎数呈显著正相关(P<0.05)。综合来看, 减量施氮和间作大豆对甘蔗产量影响不显著, 对甘蔗主要农艺性状也没有显著负面影响。从节约成本和维持甘蔗产量来考虑, 减量施氮水平下的甘蔗-大豆(1∶2)间作模式具有一定的可行性。

关键词: 甘蔗-大豆间作; 产量; 氮素; 株高; 有效茎数
Effects of Sugarcane-Soybean Intercropping and Reduced Nitrogen Application on Yield and Major Agronomic Traits of Sugarcane
YANG Wen-Ting1,2, LI Zhi-Xian1,3, LAI Jian-Ning1, WU Peng1, ZHANG Ying1, WANG Jian-Wu1,*
1Institute of Tropical and Subtropical Ecology, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
2College of Agronomy, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China
3Hunan Province Key Laboratory of Coal Resources Clean-utilization and Mine Environment Protection, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China
Abstract

Sugarcane-soybean intercropping patterns are gradually popularized and applied in China. Three years continuous (2009-2011) field experiments were conducted in South China Agricultural University, Guangzhou to investigate the effect of sugarcane-soybean intercropping systems on yield and major agronomic traits of sugarcane. The experiments with randomized block design include six treatments with two rates of N fertilizer (reduced nitrogen application, 300 kg ha-1; normal nitrogen application, 525 kg ha-1) and three cropping patterns sugarcane monocropping, sugarcane-soybean (1:1) intercropping, sugarcane/soybean (1:2) intercropping. The results showed that nitrogen rates had no effect on sugarcane yield and agronomic traits in 2009-2011. Compared with sugarcane monocropping, sugarcane-soybean intercropping patterns obviously reduced sugarcane yield only in 2010, and no significant influence in sugercane yield in 2009, 2011 as well as average of the three years. Cropping patterns had no significant influence on plant height in 2009-2011. Compared with sugarcane monoculture, sugarcane-soybean intercropping patterns obviously reduced the sugarcane millable stalks in 2009, significantly increased sugarcane stem diameter and yield per plant in 2011. Sugarcane yield had positive correlation with yield per plant, millable stalks and plant height. Sugarcane yield had highly significant positive correlation with yield per plant in sugarcane/soybean (1:2) intercropping (P<0.01). Sugarcane yield had significant correlation with millable stalks in sugarcane/soybean (1:2) intercropping under reduced nitrogen application (P<0.05). In conclusion, reduced nitrogen application and intercropping patterns had no negative influence on sugarcane agronomic traits in 2009-2011, and significant effect on sugarcane yield based on average values of the three years. Sugarcane-soybean intercropping pattern with reduced nitrogen application is feasible in practice in consideration of saving cost and sustaining sugarcane yield.

Keyword: Sugarcane-soybean intercropping; Yield; Nitrogen; Plant height; Millable stalks

甘蔗( Saccharum sinensis Roxb)是热带、亚热带地区的主要经济作物和糖料作物, 我国糖料近90%都来源于甘蔗。甘蔗的种植行距较宽(100~120 cm), 从播种到封行需4~6个月, 即使宿根也需3~4个月[ 1], 这个阶段蔗苗对生长资源如光照、水分、养分需求量不高, 对光热等自然资源是一种极大的浪费[ 2]。因此, 根据互利共生原则和作物的生物学特性, 建立合理的甘蔗间作模式, 有利于充分利用资源, 达到增产增效、用地与养地相结合的目的[ 3, 4, 5]

甘蔗与豆科作间作物是国内外普遍探讨的间作模式, 其中甘蔗间作大豆在广西和广东较为普遍[ 6, 7, 8]。目前, 国内外学者在探讨甘蔗间作模式的过程中比较重视研究间作对甘蔗产量的影响。有研究表明甘蔗与豆科作物间作降低了甘蔗产量, 对甘蔗品质没有显著影响, 但能够增加种植户的纯收入[ 9]。而冯奕玺[ 6]研究表明甘蔗-大豆间作能够使甘蔗增产。孟庆宝等[ 7]研究发现甘蔗-大豆间作对甘蔗产量无显著影响, 但能够改善甘蔗的品质, 提高甘蔗种植的经济效益。同时, 我国蔗田普遍存在超量施肥、偏施氮肥的问题[ 10, 11, 12], 氮肥利用率较低, 也容易引起土壤酸化、地力退化和环境污染[ 13]。本文以甘蔗间作大豆为种植模式为研究对象, 通过3年的大田定位试验探讨种植模式和施氮水平对甘蔗产量和主要农艺性状的影响, 旨在筛选高产高效的甘蔗种植模式, 为促进蔗区农业的可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

广州市华南农业大学农场(23°08′ N, 113°15′ E)地处亚热带, 属典型的季风海洋气候, 光热资源充足, 年日照时数1289~1780 h, 太阳辐射总量105.3 kJ cm-2, 年平均气温21.9~22.8℃, 极端最高气温38.6~39.3℃, 极端最低气温0~2.3℃, 年平均降雨量1384~2278 mm, 约85%的降水集中在4月至9月。试验地土壤为赤红壤, 耕层含有机质21.08 g kg-1、碱解氮75.38 mg kg-1、速效磷75.04 mg kg-1、速效钾61.71 mg kg-1

1.2 试验材料及田间设计

甘蔗品种粤糖00-236 ( Saccharum sinensis Roxb. cv. Yuetang 00-236)由华南农业大学农场提供, 其特点是特早熟、高糖、高产、萌发快而整齐、萌芽率高、分蘖力强、成茎率高。供试大豆品种毛豆3号( Glycine max L. cv. Maodou 3)由华南农业大学农学院年海教授课题组提供, 为早熟品种, 生育期约为100 d。

采用施氮水平、种植模式二因素设计, 两种施氮水平, 3种甘蔗种植模式, 共设6个处理(表1)。参考当地甘蔗施氮量, 设常规施氮水平为525 kg hm-2, 减量施氮为300 kg hm-2。采取随机区组设计, 3次重复, 小区长为5.5 m, 宽为4.8 m, 小区面积为26.4 m2。甘蔗行距120 cm, 每小区种植4行, 每行38段双芽苗, 大豆行距30 cm, 株距20 cm, 每行种25穴, 每穴在苗期定植2株。在甘蔗-大豆(1∶1)间作和甘蔗-大豆(1∶2)间作模式中分别种植4行和8行大豆, 甘蔗-大豆(1∶1)模式中大豆种植在蔗行正中间, 甘蔗-大豆(1∶2)模式中大豆行距为30 cm。

2009年田间试验于2月20日播种甘蔗, 2月21日播种大豆, 5月21日收获大豆, 2010年1月10日收获甘蔗。2009年2月18日施甘蔗基肥氯化钾(Canpotex, Canada) 150 kg hm-2, 过磷酸钙(广西西江化工有限公司, 中国) 1050 kg hm-2, 复合肥(Norsk Hydro, Norway)(N∶P∶K=15∶15∶15) 750 kg hm-2, 4月23日追施甘蔗攻蘖肥, 包括氯化钾300 kg hm-2, 以及常规施氮处理的尿素(河南骏马化工集团, 中国) 225 kg hm-2、减量施氮处理尿素113 kg hm-2; 7月1日施甘蔗攻茎肥, 常规施氮追施尿素672 kg hm-2, 减量施氮追施尿素295 kg hm-2。甘蔗-大豆间作种植采取的是畦沟模式, 大豆种植在畦上, 畦宽90 cm, 甘蔗种植在沟里, 沟宽30 cm (图1)。甘蔗基肥施在种植甘蔗的沟里, 然后盖层细土(5 cm), 以后追肥全部施在种植甘蔗的沟里, 再培土, 大豆整个生育期不施肥, 间作模式下的大豆收获后将叶和茎秆还田于蔗行, 并覆土, 原先种植大豆的畦成为沟, 有利于排水。其他田间管理与当地甘蔗种植保持一致。

表1 甘蔗-大豆间作模式田间试验设计 Table 1 Field experimental design of sugarcane-soybean intercropping patterns

图1 甘蔗-大豆间作种植示意图Fig. 1 Schematic diagram of sugarcane-soybean intercropping systems

2010年3月15日播种甘蔗, 3月16日播种大豆, 6月20日收获大豆, 12月26日收获甘蔗。2010年3月13日施甘蔗基肥, 5月8日追施甘蔗攻蘖肥, 7月1日施甘蔗攻茎肥。其他田间管理与2009年保持一致。

2011年2月26日播种甘蔗, 3月6日播种大豆, 6月2日收获大豆, 12月18日收获甘蔗。2011年2月26日施甘蔗基肥, 5月7日追施甘蔗攻蘖肥, 6月25日施甘蔗攻茎肥。其他田间管理与2009年保持一致。

1.3 产量和主要农艺性状

收获各小区第3行用于测产。从各小区第3行随机取10株测定株高、茎粗和茎重, 以小区全部甘蔗数统计有效茎数, 换算成每公顷数量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0软件处理和统计分析数据, 用Duncan’s多重比较方法检验差异显著性( P<0.05)。

2 结果与分析
2.1 不同种植模式和施氮水平对甘蔗产量的影响

表2可以看出, 各年和3年均值结果均表明相同施氮水平下, 种植模式对甘蔗产量无显著影响。2010年的甘蔗种植模式中, 减量施氮水平的, 间作模式(SB1和SB2)中甘蔗产量比单作分别下降16.92%和16.01%, 差异达显著水平; 常规施氮水平下, 间作模式甘蔗产量比甘蔗单作也降低了, 但无显著差异。从2009—2011年和3年平均值来看, 相同种植模式下, 施氮水平对甘蔗产量均无显著影响。双因素方差分析表明, 2010年的种植模式显著影响了甘蔗产量, 甘蔗间作一定程度上降低了甘蔗产量, 施氮水平则无显著影响。

年际间, 减量施氮水平下不同种植模式的甘蔗产量3年间无显著差异。常规施氮水平下, MS模式下, 2010和2011年的甘蔗产量均显著低于2009年, 2010年与2011年之间没有显著差异; SB1模式下, 2010年和2011年的甘蔗产量和2009年之间无显著差异, 但2010年的甘蔗产量显著低于2011年; SB2模式下, 3年的甘蔗产量之间都无显著差异, 体现了良好的甘蔗产量稳定性。

2.2 不同种植模式和施氮水平对甘蔗主要农艺性状的影响

从单因素方差分析来看(表3), 在2009年中, 不同的种植模式对甘蔗株高、茎粗和单株产量均无显著影响, 但是对甘蔗有效茎数产生了显著影响。常规施氮水平下, 两

表2 2009、2010和2011年不同种植模式和施氮水平下的甘蔗产量 Table 2 Sugarcane yield under different cropping patterns and nitrogen levels in 2009, 2010, and 2011 (t hm-2)
表3 2009年不同种植模式和施氮水平对甘蔗主要农艺性状的影响 Table 3 Effect of different cropping patterns and nitrogen levels on sugarcane major agronomic traits in 2009

种间作模式(SB1, SB2)的有效茎数均显著低于甘蔗单作, 分别降低了16.42%和19.67%; 减量施氮水平下, 两种间作模式(SB1, SB2)的有效茎数较甘蔗单作分别降低了11.42%和7.44%, 其中SB1-N1处理达到显著水平。相同种植模式下不同施氮水平间的甘蔗有效茎数均没有显著差异。双因素方差分析结果表明, 种植模式显著影响了甘蔗有效茎数, 对甘蔗株高、茎粗和单株产量均无显著影响; 施氮水平对上述4个甘蔗主要农艺性状均没有显著影响。

从单因素方差分析来看(表4), 2010年不同种植模式和施氮水平下的甘蔗株高、茎粗、有效分蘖数和单株产量均无显著差异。双因素方差分析结果表明, 种植模式和施氮水平对甘蔗株高、茎粗和单株产量均无显著影响, 说明减量施氮和间作对甘蔗生长没有产生负面影响。两种施氮水平下甘蔗-大豆间作模式的有效茎数较甘蔗单作有降低的趋势, 但无显著差异。

从单因素方差分析来看(表5), 2011年不同种植模式和施氮水平下的甘蔗株高和有效茎数没有显著差异, 但2种施氮水平下甘蔗-大豆间作模式的有效茎数较甘蔗单作有降低的趋势, 和2010年的结果较为一致。减量施氮水平下, 不同种植模式的茎粗之间没有显著差异, SB1模式下的单株甘蔗产量较甘蔗单作增加了16.34%, 差异达到显著水平。常规施氮水平下, 甘蔗间作模式(SB1, SB2)的茎粗显著高于甘蔗单作, 分别增大了7.94%和10.19%, 单株产量也显著高于甘蔗单作, 分别增加了21.83%和16.90%。双因素方差分析结果表明, 种植模式对甘蔗株高和有效茎数没有显著影响, 对甘蔗茎粗和单作产量产生了显著影响; 施氮水平对甘蔗株高、茎粗、有效茎数和甘蔗单株产量均无显著影响。

表4 2010年不同种植模式和施氮水平对甘蔗主要农艺性状的影响 Table 4 Effect of different cropping patterns and nitrogen levels on sugarcane major agronomic traits in 2010
表5 2011年不同种植模式和施氮水平对甘蔗主要农艺性状的影响 Table 5 Effect of different cropping patterns and nitrogen levels on sugarcane major agronomic traits in 2011

综合2009—2011年的数据对甘蔗产量与甘蔗各主要农艺性状之间相关性分析(表6)表明, 甘蔗产量与单株产量在SB2模式下均呈极显著正相关( P<0.01), MS模式下也显著正相关( P<0.05)。甘蔗产量与有效茎数在所有模式下呈正相关, 只有在SB2-N1模式下有显著相关性( P<0.05)。甘蔗产量与株高在所有模式下也呈正相关, 但只有在SB1-N1和SB2-N2模式有显著相关性( P<0.05)。甘蔗产量与茎粗在SB2模式下表现出了负相关性且常规施氮水平下呈显著负相关( P<0.05), 但是在SB1模式下是正相关, 在MS模式中规律不一致。说明不同种植模式和施氮水平, 影响甘蔗产量的关键因素也存在差异。

表6 2009、2010和2011年不同种植模式和施氮水平下甘蔗产量与其主要农艺性状的相关系数 Table 6 Correlation coefficient of sugarcane yield with major agronomic traits under different cropping patterns and nitrogen levels in 2009, 2010, and 2011
3 讨论

本研究2009—2011年的平均值表明, 甘蔗-大豆间作模式下甘蔗产量与甘蔗单作没有明显差异, 其中甘蔗-大豆(1∶2)间作模式的甘蔗产量在3年间的差异均不显著, 说明甘蔗-大豆(1∶2)间作模式体现了很好的产量稳定性。与甘蔗单作相比, 2009年和2011年甘蔗-大豆间作没有显著降低甘蔗产量。2010年在常规施氮水平下, 甘蔗-大豆间作模式较甘蔗单作无显著差异, 但在减量施氮水平下, 甘蔗-大豆间作模式中甘蔗产量显著降低了16.92%和16.01%。蔗茎伸长期要求高温和充足的光照、水分和养分。2010年9月比往年同期雨水天气明显增多, 过多的雨水天气对甘蔗生长产生了一定的不利影响。甘蔗产量是单位面积甘蔗有效茎数和甘蔗单株产量的乘积, 间作模式下甘蔗产量在2010年显著降低可能是由于间作模式下甘蔗有效茎数和甘蔗单株产量均有降低趋势的影响。相同的甘蔗种植模式下, 与常规施氮相比, 减量施氮水平的甘蔗产量3年均没有显著降低, 表明300 kg hm-2的施氮量不会影响甘蔗产量, 300 kg hm-2的施氮量能够满足甘蔗生长对氮素的需求, 过多的氮素并没有增加甘蔗产量。与常规施氮处理相比, 3年的减量施氮处理并没有显著降低土壤养分含量(相关结果另文发表)。谢金兰等[ 14]研究表明氮肥对甘蔗的增产效果并非随着施肥量增加而增加。尿素施用量以300~600 kg hm-2的增产效果优于600~900 kg hm-2。同时, 吴建明等[ 8]的研究发现大豆收获后进行培土管理和大豆的固氮作用, 增加了土壤养分, 改善了土壤理化性能, 促进了甘蔗生长, 从而使产量有所提高, 但无显著差异。印度学者通过2年的研究也发现甘蔗-扁豆间作均能够维持甘蔗产量[ 15]。从本试验中大豆的产量来看[ 16], 甘蔗-大豆(1∶2)间作模式中, 2009年减量施氮水平下的产量显著高于常规施氮, 2010年和2011年也表现了一致的增加趋势。减量施氮水平下的甘蔗-大豆(1∶2)间作模式体现了一定的大豆产量稳定性。因此, 甘蔗-大豆(1∶2)间作模式在减量施氮的条件下实现甘蔗的高产高效具有一定的可行性。

株高是甘蔗最重要的产量因素之一, 综合3年数据一致表明甘蔗株高没有受到施氮水平和种植模式的显著影响, 这可能是由于甘蔗进入伸长期以后株高生长才开始加快, 间作的大豆在甘蔗分蘖末期已经收获, 间作大豆对甘蔗株高生长的直接影响很小, 大豆秸秆还田一定程度上还能为甘蔗伸长期生长提供养分。广西农业科学院的韦贵剑等[ 17]研究也有类似结果, 甘蔗行间间作1~2行大豆对甘蔗株高没有明显的影响。

甘蔗茎粗也是甘蔗重要的农艺性状, 属于甘蔗的个体性状, 容易受到外界因素的影响。本试验3年的数据表明相同种植模式的甘蔗茎粗在两种施氮水平间没有显著差异, 相同施氮水平下, 甘蔗-大豆间作模式下的茎粗较甘蔗单作也没有显著降低, 2011年的常规施氮水平下甘蔗- 大豆间作模式的茎粗比甘蔗单作显著增大了, 说明甘蔗-大豆间作和减量施氮不会降低甘蔗茎粗, 还有一定的促进作用。种植模式和施氮水平对甘蔗单株产量在2009年和2010年间也没有显著影响, 2011年在常规施氮水平下, 由于甘蔗-大豆间作模式下的甘蔗茎粗显著高于单作, 导致甘蔗单株产量在间作模式下显著高于单作。总体来看, 甘蔗-大豆间作和减量施氮没有对甘蔗的单株产量产生负面影响。

有效茎数与株高、茎粗等一样是甘蔗的重要产量因素, 但有效茎数反映的是甘蔗群体性状, 而株高和茎粗为甘蔗个体性状。相对而言, 甘蔗有效茎数受环境因素影响更直接。本试验发现, 2009年的甘蔗-大豆间作模式在两种施氮水平下的有效茎数较甘蔗单作均显著降低, 2010年和2011年甘蔗-大豆间作模式的有效茎数较甘蔗单作有降低的趋势, 但均没有显著差异。甘蔗苗期, 间作模式下的大豆生长很旺盛, 与甘蔗苗对自然资源, 特别是对光照的竞争, 对甘蔗分蘖产生了一定的负面影响[ 18], 一定程度上降低了甘蔗有效茎数。吴才文等[ 19]在云南的试验结果表明甘蔗栽后立即间作大豆会显著降低甘蔗分蘖和后期甘蔗有效茎数, 但在甘蔗出苗初期(出苗率约10%)间作大豆不会导致甘蔗有效茎数的显著减少。甘蔗有效茎数在2009年与2010及2011年之间存在较大的差异, 从2009—2011年甘蔗-大豆间作模式中大豆的产量推测[ 16], 可能是由于2009年是该试验田第一次种植甘蔗和大豆, 土壤肥力水平较高, 甘蔗-大豆间作模式下的大豆生长特别好, 加剧了大豆和甘蔗苗对自然资源的竞争。

综合2009—2011年的数据对甘蔗各主要农艺性状与甘蔗产量相关分析表明, 不同种植模式甘蔗产量与主要农艺性状的相关性存在一定的差异。甘蔗-大豆(1∶2)间作模式的甘蔗产量与甘蔗单株产量在两种施氮水平下均呈极显著正相关; 与株高和有效茎数呈正相关, 减量施氮水平下存在显著正相关性; 与甘蔗茎粗呈负相关, 常规施氮水平下存在显著负相关性。甘蔗单作模式下甘蔗产量与株高和有效茎数也呈正相关, 但不显著。经研究证明, 有效茎数和株高是“粤糖00-236”获得高产的主要因素[ 20], 本试验进一步证实了“粤糖00-236”中有效茎数和株高对甘蔗产量的重要性, 间作大豆的种植模式下更突出了其重要性。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.

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