引用本文
杨峰, 娄莹, 廖敦平, 高仁才, 雍太文, 王小春, 刘卫国, 杨文钰. 玉米-大豆带状套作行距配置对作物生物量、根系形态及产量的影响.2015, 41(4): 642-650
YANG Feng, LOU Ying, LIAO Dun-Ping, GAO Ren-Cai, YONG Tai-Wen, WANG Xiao-Chun, LIU Wei-Guo, YANG Wen-Yu. Effects of Row Spacing on Crop Biomass, Root Morphology and Yield in Maize-Soybean Relay Strip Intercropping System. Acta Agronomica Sinica,2015, 41(4): 642-650  
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玉米-大豆带状套作行距配置对作物生物量、根系形态及产量的影响
杨峰, 娄莹, 廖敦平, 高仁才, 雍太文, 王小春, 刘卫国, 杨文钰*
四川农业大学农学院 / 农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室, 四川成都 611130
* 通讯作者(Corresponding author): 杨文钰, E-mail: mssiyangwy@sicau.edu.cn
收稿日期:2015-02-06
基金:本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB100402)和国家公益性行业(农业)科研专项(201203096, 201103001)资助
摘要

空间配置是影响间作套种作物生长和产量构成的关键因素之一。本研究固定玉米-大豆套作带宽200 cm, 玉米采用宽窄行种植, 设置4个玉米窄行行距为20 cm (A1)、40 cm (A2)、60 cm (A3)和80 cm (A4)套作处理, 2个玉米和大豆净作对照处理, 研究行距配置对套作系统中玉米和大豆生物量、根系及产量的影响。结果表明, 套作大豆冠层光合有效辐射和红光/远红光比值均低于净作, 且随着玉米窄行的增加而降低。套作系统中大豆地上地下生物量、总根长、根表面积和根体积从第三节龄期(V3)到盛花期(R2)逐渐增加, 但随着玉米窄行的增加而降低。套作玉米地上地下生物量从抽雄期到成熟期逐渐增加, 根体积却逐渐降低, 但这些参数随玉米窄行的变宽而增加。玉米和大豆在带状套作系统中产量均低于净作, 且随玉米窄行的变宽, 玉米产量逐渐增加, 2012和2013两年最大值平均为6181 kg hm-2, 而大豆产量逐渐降低, 两年最大值平均为1434 kg hm-2, 产量变化与有效株数和粒数变化密切相关。此外, 玉米-大豆带状套作群体土地当量比(LER)大于1.3, 最大值出现在A2处理, 分别为1.59 (2012年)和1.61 (2013年), 且最大经济收益也出现在A2处理(2年每公顷平均收益为1.93万元)。因此, 合理的行距配置对玉米-大豆带状套作系统中作物的生长、产量构成和群体效益具有重要的作用。

关键词: 玉米; 大豆; 套作; 空间配置; 土地当量比
Effects of Row Spacing on Crop Biomass, Root Morphology and Yield in Maize-Soybean Relay Strip Intercropping System
YANG Feng, LOU Ying, LIAO Dun-Ping, GAO Ren-Cai, YONG Tai-Wen, WANG Xiao-Chun, LIU Wei-Guo, YANG Wen-Yu*
College of Agronomy, Sichuan Agricultural University / Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in Southwest, Ministry of Agriculture, Chengdu 611130, China
Abstract

Spatial patterns of cropping directly affect crop growth and yields in intercropping systems. A two year field experiment was conducted in 2012-2013 to analyze the effects of different row spacing patterns in maize and soybean relay strip intercropping system at 2:2 maize-to-soybean on crop biomass, root morphology and yield. The treatments were six row spacing patterns including four maize planting patterns with the control of sole cropping of maize and soybean. The maize planting patterns were compound of wide row and narrow row lying: “180+20” cm, “160+40” cm, “140+60” cm, and “120+80” cm. Soybean was planted in the wide rows before the reproductive stage of maize. The row spacing of the sole cropping of maize and soybean was 70 cm. The biomass, total root length, root surface area and root volume of intercropped soybean increased from V3 to R2, and decreased with increasing the maize narrow-row spacing. The above- and below-ground biomass of intercropped maize increased from tasseling to maturity stages, whereas opposite results were found in root volume. In addition, the intercropped maize biomass and root volume increased with increasing maize narrow-row spacing. The yields of maize and soybean in intercropping condition were lower than those in monoculture. Yield of intercropped maize increased with increasing the maize narrow-row spacing, with an average of two year maximum values of 6181 kg ha-1. Contrary trends were observed in intercropped soybean, with an average maximum yield of 1434 kg ha-1. Crop grain yield was related to effective plants and grain numbers per plant in maize-soybean relay strip intercropping system. Total intercropping yields were higher than sole cropping yields of maize and soybean, and the land equivalent ratio (LER) of the intercropping system was above 1.3. The maximum LER appeared in “60+40” cm treatment, which was 1.59 and 1.61 in 2012 and 2013, respectively. Similar results were found in economic benefit, the average of maximum value in both years was 19.3 thousand Yuan per hectare. Therefore, optimum row spacing pattern plays an important role in improving crop growth and increasing yield in maize-soybean relay strip intercropping system.

Keyword: Maize; Soybean; Relay intercropping; Spatial pattern; Land equivalent ratio

间套复种作为中国传统农业的精华, 不仅能够提高耕地复种指数, 增加粮食产量, 提高农民收入, 而且有效缓解农业高产高投入、养分利用率低、环境污染等问题, 结合隔年倒茬, 达到轮作效果, 在现代农业发展中起着重要的作用[1, 2, 3, 4, 5, 6]。玉米-大豆带状套作作为间套复种的重要模式之一, 在不影响玉米产量的同时增加大豆种植面积和产量, 对保障区域及国家粮食安全具有重要意义[7, 8]。先前的研究表明在相同的密度条件下间套作玉米行距变小导致产量低于单一种植[9], 而宽窄行种植产量高于宽行种植产量, 与边行优势和种内竞争密切相关[10]。陈延玲等发现随玉米单位面积种植密度增加植株间竞争增大, 根系生长更细、更小, 显著减少0~20 cm土层中根系生物量积累和根长[11]。而套作大豆作为矮秆作物, 对光环境非常敏感, 在玉米遮阴条件下大豆叶片光合能力以及整个植株的生长均受到较大限制, 为了截获更多的光照, 导致株高增加, 生物量和根冠比降低, 最终产量下降[8]。前人研究主要集中于玉米或者大豆地上部分, 而没有分析套作条件下玉米和大豆地下部分生长状况, 以及行距配置是如何影响作物的生长和产量。因此, 本研究旨在分析玉米和大豆地上和地下生物量动态变化及根系形态规律对不同行距配置的响应, 明确玉米-大豆带状套作系统产量效益最佳配置, 为玉米和大豆协调高产的田间配置提供理论指导。

1 材料与方法
1.1 试验地点与材料

2012年和2013年在四川农业大学雅安教学农场进行试验。试验地土壤含全磷0.31 g kg-1、全钾6.35 g kg-1、全氮0.71 g kg-1、速效磷24.28 mg kg-1、速效钾119.77 mg kg-1、有机质3.20%、碱解氮62.29 mg kg-1, pH 7.40。供试品种为玉米川单418和大豆南豆12。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组设计, 以宽窄行种植玉米, 带宽200 cm, 设置4个行距配置水平(图1-a), 即A1 (180 cm+20 cm; 宽行180 cm, 窄行20 cm)、A2 (160 cm+40 cm)、A3 (140 cm+60 cm)、A4 (120 cm+80 cm)。大豆种植于宽行, 行距均为0.4 m, 每带种2行玉米和2行大豆, 每个小区种植3带, 带长6 m。净作玉米和大豆为对照(图1-b), 行距70 cm, 小区面积36 m2。试验共6个处理, 每个处理重复3次, 共18个小区, 各处理玉米种植密度均为每公顷6万株, 穴植单株; 各处理大豆种植密度均为每公顷10万株, 穴植单株。

图1 玉米-大豆带状套作及净作种植格局
实线和虚线分别代表玉米行和大豆行; 黑色实心圆和灰色实心圆分别代表单株玉米和大豆; (a)和(b)分别代表套作和净作配置。Fig. 1 Planting pattern arrangements of maize-soybean relay strip intercropping and monoculture
Solid and dashed lines represent maize rows and soybean rows, respectively. Each solid circle represents one maize plant, and each solid grey circle represents one soybean plant. Panels (a) and (b) show the planting pattern arrangements of maize-soybean relay strip intercropping and monoculture, respectively.

玉米于2012年4月1日育苗, 4月9日移栽, 8月1日收获, 而大豆6月15日播种于玉米宽行。2013年玉米于3月30日育苗, 玉米4月9日移栽, 7月28日收获, 而大豆6月16播种于玉米宽行。玉米底肥为尿素37.5 kg hm-2、过磷酸钙600 kg hm-2 (12% P2O5)、氯化钾150 kg hm-2 (60% K2O), 而后分别于苗期、拔节期与大喇叭口期追施苗肥(尿素75 kg hm-2)、拔节肥(尿素150 kg hm-2)与攻苞肥(碳酸氢铵750 kg hm-2)。大豆免耕直播, 底肥配施尿素75 kg hm-2、过磷酸钙600 kg hm-2、氯化钾60 kg hm-2, 初花后追施尿素75 kg hm-2。除草、喷药等管理同大田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 大豆冠层光环境 在玉米和大豆共生阶段, 于大豆V3期在晴天的10:30至14:00进行光合有效辐射(PAR)和光谱辐照强度的测定。测定PAR利用LI-1400光量子仪(美国LI-COR公司), 在A1~A4处理各个小区中间区域, 移动与LI-1400连接的LI-191SA探杆, 逐个记录在大豆冠层顶部5 cm高度从玉米宽行中按照玉豆间、大豆上方、大豆行间、大豆上方及玉豆间的PAR值, 以各位点的平均值作为大豆冠层的光合有效辐射。在各处理测定光强过程中同时记录玉米冠层光合有效辐射。按照李艳大等[12]方法计算透光率。

测完PAR后, 用便携式地物光谱仪(荷兰Avants公司生产的AvaField-1, 光谱范围200~1100 nm)测定大豆冠层的光谱辐照度, 方法同测定光合有效辐射, 探头垂直向上, 以玉米宽窄行平均值作为该观测点的光谱辐照度。选取红边区域655~665 nm和远红光区域725~735 nm光谱辐照度值, 按照Hertel等[13]方法计算红光/远红光比值(R/FR)。

1.3.2 玉米和大豆地上生物量 各取大豆和玉米样3次, 大豆取样时间分别在第三节龄期(V3)、第五节龄期(V5)与盛花期(R2)。玉米取样在种植大豆前1 d的抽雄期, 以及与大豆套作共生期的乳熟期和成熟期。连续取每个小区长势一致大豆5株, 玉米3株以备分析。将玉米、大豆植株地上部装入牛皮纸袋, 105℃杀青1 h, 70℃烘干至恒重, 分别称取玉米、大豆地上部分干物质重。

1.3.3 玉米和大豆根系形态与生物量 参考邹聪明等[14]和金剑等[15]的方法, 采用传统挖掘法, 根据玉米和大豆根系分布特点, 挖取以玉米植株为中心的长20 cm × 宽20 cm × 深20 cm的根土混合体, 以大豆植株为中心的长20 cm × 宽20 cm × 深20 cm的根土混合体。将根土混合体置60目筛中, 以清水冲洗, 将泥土冲洗干净并剔除杂质, 收集所有洗出的大豆根系使用爱普生Expression 10000XL扫描仪扫描根系, 并用WinRHIZO根系分析系统分析扫描图片, 计算出根长、根体积、根表面积; 采用排水法测定玉米根体积[16]。最终将玉米和大豆根系装于牛皮纸袋在105℃杀青1 h, 70℃烘干至恒重, 称取根生物量。

1.3.4 玉米和大豆产量 收获玉米、大豆时, 考查每个小区玉米果穗总数、大豆植株总数, 连续选取每个小区中间区域10株玉米和20株大豆植株考种并计算理论产量。

1.3.5 土地当量比(LER) 参考Zhang等方法[17], 土地当量比LER=YIM/YMM+YIS/YMS, 式中, YIM和YIS分别为套作玉米和大豆产量(kg hm-2); YMM和YMS分别为单作玉米和大豆产量(kg hm-2)。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2003整理和汇总试验数据, 使用SPSS 19.0分析数据, 并用Origin 8.0制图。

2 结果与分析
2.1 大豆冠层光环境

由图2可知, 玉米不同行距配置下套作大豆冠层透光率和红光/远红光比值均低于净作大豆。套作大豆冠层透光率随着玉米窄行的增加(由A1处理到A4处理)而降低, 最大值和最小值两年的平均值分别为57.77%和23.99%。对于光质, 净作大豆冠层红光/远红光比值在1.2~1.3间, 而套作大豆冠层红光/

远红光比值也随着玉米窄行的增加(由A1处理到A4处理)逐渐降低, 最大值在2012年和2013年分别为0.95和0.81, 最小值分别为0.68和0.53。

图2 不同行距配置处理下大豆冠层透光率和红光与远红光比值变化
A1~A4为玉米大豆行距配置处理, 分别为A1 (180 cm + 20 cm; 宽行180 cm, 窄行20 cm)、A2 (160 cm + 40 cm)、A3 (140 cm + 60 cm)和A4 (120 cm + 80 cm)。MS为单作大豆处理。Fig. 2 Changes of the PAR transmittance and red/far-red ratio in soybean canopy under different row spacing patterns Maize-soybean intercropping planting patterns: (A1) “ 180 + 20” wide-narrow row planting, i.e. wide row of 180 cm and narrow row of 20 cm; (A2) “ 160 + 40” wide-narrow row planting; (A3) “ 140 + 60” wide-narrow row planting; (A4) “ 120 + 80” wide-narrow row planting. MS stands for monoculture soybean.

2.2 行距配置对大豆生物量的影响

由图3可知, 玉米-大豆带状复合种植行距配置对大豆地上地下生物量影响较大。大豆在V3、V5与R2期中, 随着生育时期的递进, 地上地下生物量增加, 但套作各处理(A1、A2、A3和A4)地上和地下生物量均显著低于单作(MS)(P< 0.05), 其中A1处理地上生物量在V3、V5与R2期2年平均值分别下降13.4%、11.8%和43.2%, 而地下生物量分别降低30.9%、24.5%和42.8%。在套作条件下, 大豆地上、地下生物量在各生育时期两年变化趋势一致, 随玉米窄行的增加(玉米和大豆间距减小)而降低, A1处理下最高, A4处理下最低。与A1处理相比, A4处理下套作大豆地上生物量在V3、V5与R2期2年平均值分别降低27.4%、28.3%和45.7%, 而地下生物量分布降低43.2%、38.9%和48.1%, 达到显著水平(P< 0.05)。

图3 不同行距配置下大豆地上和地下生物量变化
同一生育时期中, 不同小写字母表示处理间差异在0.05水平显著。V3、V5和R2分别代表大豆的第一节龄期、第二节龄期及盛花期。缩写同图2。Fig. 3 Aboveground and belowground biomass of soybean at different row spacing patterns in 2012 and 2013 Bars represented by a different small letters within each group in the same growth stage are significantly different at the 0.05 probability level. V3, V5, and R2 stand for the third trifoliolate, the fifth trifoliolate and full bloom, respectively. Abbreviations are the same as those given in Figure 2.

2.3 行距配置对大豆根系生长的影响

由图4可知, 套作大豆总根长、根表面积及根体积显著低于净作大豆(P< 0.05)。与净作相比, A1处理下大豆R2期总根长, 根表面积及根体积2012年分别降低52.6%、70.5%和50.6%, 2013年分别降低43.5%、44.2%和43.3%。在套作条件下, 大豆在V3、V5和R2期的总根长, 根表面积及根体积均从A1到A4逐渐降低(即随着玉米和大豆间距的减小而降低)。与A1处理相比, A4处理总根长在V3、V5和R2期2年平均分别降低38.4%、45.7%和39.3%; 根表面积分别降低38.3%、48.6%和29.3%; 根体积分别降低46.6%、45.1%和44.7%。由此可知, 套作大豆总根长和根表面积在3个生育时期变化均较大, 特别是在V5期, 可能与玉米遮阴和玉米收获后光恢复有关。

图4 不同生育期大豆根系性状
同一生育时期中, 不同小写字母表示处理间差异在0.05水平显著。缩写同图2与图3。Fig. 4 Soybean root traits in different developmental stages Bars represented by a different small letter within each group in the same growth stage are significantly different at the 0.05 probability level. Abbreviations are the same as those given in Fig. 2 and Fig. 3.

2.4 行距配置对玉米生物量和根体积的影响

由图5可知, 无论玉米净作种植还是套作从抽雄期到成熟期, 地上部生物量逐渐上升, 而地下生物量和根体积呈下降趋势, 2012年和2013年变化规律基本一致。在套作条件下, 玉米生物量和根体积在各生育时期均表现A1处理最低, A4处理最高, 且A1显著低于A4处理(P< 0.05), 而A4处理与玉米净作处理差异不显著(P> 0.05)。A4处理下玉米单株地上生物量、地下生物量和根体积在R6期两年平均值分别为148.1 g、10.6 g和68.1 cm3, 比A1处理高出35.9%、51.6%和58.7%, 这些结果说明套作条件下行距配置直接影响玉米地上和地下部分的生长。

图5 2012年与2013年不同时期玉米地上部生物量和根体积
同一生育时期中, 不同小写字母表示处理间差异在0.05水平显著。MM为单作玉米, 其他缩写同图2。Fig. 5 Aboveground biomass (g plant-1) and root volume (cm3 plant-1) of maize at different stages in 2012 and 2013 Bars represented by a different small letters within each group in the same growth stage are significantly different at the 0.05 probability level. MM stands for monoculture maize, other abbreviations are the same as those given in Figure 2.

2.5 行距配置对玉米和大豆产量的影响

由表1可知, 玉米-大豆带状套作系统中行距配置直接影响作物的产量, 且作物净作种植下产量高于带状套作种植。在带状套作条件下, 随着玉米窄行行距变宽(由A1到A4处理)玉米产量逐渐增加, 最大值在2012年和2013年分别为6013 kg hm-2和6049 kg hm-2, 与净作相比降低2.13%和4.15%。而套作大豆产量变化趋势相反, A1处理最高, A4处理最低, A1和A4处理与净作相比两年平均降低25.42%和59.76%。不同处理下玉米和大豆产量变化趋势不同, 主要与有效株数和粒数有关(表2), 但系统土地当量比(LER)在1.3以上, 其中A2处理下表现最好, LER在2012年和2013年分别达到1.59和1.61, 经济效益两年分别为1.96万元和1.90万元。

表1 净套作下玉米和大豆产量 Table 1 Yields of maize and soybean in monoculture and relay intercropping conditions
表2 净套作下玉米和大豆产量构成因素 Table 2 Yield components of maize and soybean in monoculture and relay intercropping conditions
3 讨论

作物带状间套作具有充分利用光能、产量优势明显等特点, 但空间配置的变化直接改变了作物群体光能的截获、地上地下物质的积累分配以及产量潜力的发挥[8]。协调套作系统中玉米和大豆行距配置, 改善通风透光条件, 促进不同生态位作物和谐生长, 对实现玉米-大豆带状套作群体最大产量效益具有重要的意义。

光环境直接影响大豆光合产物合成、分配及产量构成[9, 10]。在本研究中, 从A1处理到A4处理套作大豆冠层透光率和红光/远红光比值逐渐降低(图2)。随着大豆生育时期的推进, 各处理套作大豆地上地下生物量和根系参数值逐渐增加, 但低于净作大豆。同时, 套作中随着玉米和大豆间距的降低, 大豆生物量和根系参数值下降(图3和图4), 与大豆冠层透光率和红光/远红光比值逐渐降低有关[8]。在弱光环境下, 植物为了获取更多的光能资源, 大量的光合产物优先供应茎秆伸长, 影响地下部分的生长, 加之有效株数和粒数的降低, 产量下降[18], 进一步说明了本研究中大豆产量随着玉米和大豆间距下降而降低的原因(表1)。

在玉米-大豆带状套作系统中, 玉米属于高位作物, 后期受大豆影响较小, 而玉米行距配置是关键。玉米行株距的减小, 增加了玉米植株间的相互竞争, 影响地上地下部分的生长[19]。在本研究中, 套

作玉米采用宽窄行种植, 随着窄行行距减小, 植株间竞争增加, 地上地下生物量下降, 导致产量减少(图5)。同样, Liu等[20]在净作条件下研究发现玉米采用宽窄行种植与净作种植等密度条件下比较, 地上生物量降低与玉米株距减小使竞争加剧有关。Echarte等[9]研究也表明在相同的密度条件下间套作玉米行距变小导致地上生物量、产量低于单一种植, 与本研究结果一致(表1)。此外, 玉米有效株数和穗粒数降低也是导致玉米产量下降的重要因素(表2)。玉米与大豆套作共生阶段, 玉米已进入生殖生长阶段, 根系生物量和体积在不同处理下与地上生物量变化规律一致, 且随着生育期的推进, 根系生物量和体积逐渐降低, 与管建慧等报道的玉米根系在生殖生长后期生物量下降结果相类似, 可能与玉米后期根系衰老、降解有关[21]。

在玉米-大豆带状套作系统中, 随着玉米窄行行距的增加(玉米和大豆间距的降低), 玉米产量逐渐增加, 而大豆产量逐渐降低(表1), 直接影响群体产量优势[22]。土地当量比(LER)作为评价间套作效益的重要指标之一, 被广泛地应用[23]。在本研究中, 行距配置直接影响玉米-大豆带状套作群体产量和效益, 从A1处理到A4处理, LER和经济收益呈现低-高-低的趋势, 最大值在A2处理(表1)。尽管套作条件下玉米和大豆产量均低于净作, 但总体效益却高于净作, 这一结果与Aggarwal和Sidhu报道结果相吻合[24]。

在本研究中, 由于土壤条件的原因, 玉米和大豆根系只选择了20 cm × 20 cm × 20 cm的立方体进行分析, 且只探讨了玉米根体积的变化规律, 而地下根系对作物的生长发育和产量构成具有重要意义, 故今后需进一步系统探讨玉米-大豆带状套作系统中作物根系特性动态规律及其与地上部生长和产量之间的关系。

4 结论

在玉米-大豆带状套作系统中, 行距配置直接影响玉米大豆地上地下生物量、根系形态以及产量构成因素, 导致套作下单个作物产量低于净作种植, 但玉米-大豆带状套作系统总体产量高于单一种植的玉米或大豆, 群体土地当量比高于1.3, 最佳行距配置为玉米窄行为40 cm的处理, 在2012年和2013年土地当量比为1.59和1.61, 经济收益为每公顷1.96万元和1.90万元, 效益显著。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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