玉米/大豆不同配置下的玉米生长和产量形成研究

http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201504030

文章信息

程玉柱, 李龙, 周琴, 郭娜, 邢邯, 江海东.

CHENG Yuzhu, LI Long, ZHOU Qin, GUO Na, XING Han, JIANG Haidong.

Growth and yield formation of maize under different maize/soybean intercropping patterns

南京农业大学学报, 2016, 39(01): 34-39

Journal of Nanjing Agricultural University, 2016, 39(01): 34-39.

http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201504030

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收稿日期：2015-04-22

引用本文

程玉柱, 李龙, 周琴, 郭娜, 邢邯, 江海东. 玉米/大豆不同配置下的玉米生长和产量形成研究[J]. 南京农业大学学报, 2016, 39(01): 34-39. 复制到剪切板

CHENG Yuzhu, LI Long, ZHOU Qin, GUO Na, XING Han, JIANG Haidong. Growth and yield formation of maize under different maize/soybean intercropping patterns[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2016, 39(01): 34-39. DOI: 10.7685/jnau.201504030 复制到剪切板

玉米/大豆不同配置下的玉米生长和产量形成研究

程玉柱¹, 李龙¹, 周琴¹, 郭娜², 邢邯², 江海东¹

1. 南京农业大学农业部南方作物生理生态重点开放实验室, 江苏南京 210095;
2. 南京农业大学国家大豆改良中心, 江苏南京 210095

收稿日期：2015-04-22

基金项目："十一五"国家科技支撑计划重点项目(2009BADA8B02);江苏省重点科技支撑与自主创新示范工程项目(BE2008618)

作者简介：程玉柱,硕士研究生。

通信作者：江海东,副教授,主要从事大豆和油菜生理生化研究,E-mail:hdjiang @njau.edu.cn。

摘要：[目的]研究不同田间配置下的间作玉米生长与产量形成,探索长江下游地区适宜的玉米/大豆间作模式,为玉米/大豆间作种植提供理论依据。[方法]以玉米品种‘郑单958’和大豆品种‘南农99-6’为材料,设置玉米行距40 cm、玉米/大豆距离60 cm的窄行距间作处理(IM1),玉米行距50 cm、玉米/大豆距离50 cm的窄行距稍宽处理(IM2)两种不同间作方式,以玉米宽、窄行单作(M1)和玉米常规普通种植(M2)处理为对照,通过2年大田试验,研究了不同玉米/大豆田间配置方式对玉米干物质积累、叶面积指数、光合效应及产量效益的影响。[结果]玉米/大豆间作条件下(IM1、IM2)玉米单株干物质量和叶面积指数在营养生长阶段较M1处理略低,但在生殖生长阶段则显著高于M1处理,光合速率显著提高。IM2处理的各生育期干物质量、叶面积指数、光合速率比IM1处理高,产量和效益显著提高。IM1处理和IM2处理玉米产量与M2处理玉米产量相当,但大豆产量增加,总体效益显著提高,尤以IM2处理的玉米大豆间作模式最好。[结论]长江下游地区玉米大豆间作应采取玉米行距50 cm、玉米/大豆距离50 cm(IM2)的种植模式。

关键词：玉米/大豆间作光合作用产量效益

Growth and yield formation of maize under different maize/soybean intercropping patterns

CHENG Yuzhu¹, LI Long¹, ZHOU Qin¹, GUO Na², XING Han², JIANG Haidong¹

1. Key Laboratory of Southern Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
2. National Center for Soybean Improvement, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China

Abstract: [Objectives]In order to determine the optimal maize-soybean intercropping(MSI)pattern in the lower Yangtze River area,a field experiment was conducted to survey the growth and yield of maize under different intercropping models. [Methods]Using maize variety‘Zhengdan 958’and soybean variety‘Nannong 99-6’as materials,two intercropping patterns which were 40 cm row space of maize with 60 cm space between maize and soybean(IM1)and 50 cm row space of maize with 50 cm space between maize and soybean(IM2)were set and wide/narrow row monoculture maize(M1)and normal planting system of maize(M2)were set as control. Dry weight,leaf area index(LAI),net photosynthetic rate and yield benefits were surveyed by two-year field experiment. [Results]The results indicated that the dry weight and LAI of maize under two MSI patterns were lower than those under M1 pattern during vegetative stage,but higher during reproductive stage. As for two MSI patterns(IM1,IM2),the dry weight,LAI and net photosynthetic rate of maize planted under IM2 pattern were higher than under IM1 pattern,thus leading to significantly higher maize yield and economic output in IM2. The yield of maize which planted under suitable MSI pattern(IM2)was similar to that planted under normal planting system(M2). And then IM2 had the highest benefit together with extra soybean output. [Conclusions]In the lower Yangtze River basins,suitable MSI pattern with bigger narrow-row(50 cm row space of maize and 50 cm space between maize and soybean)should be adopted.

Keywords: maize/soybean intercropping photosynthesis yield benefits

间作是利用生态位分离机制使两种作物在时间生态位上分离和在空间生态位上互补扩大,从而实现对光、热、水及养分等资源最大限度利用的种植方式^{[1, 2]}。面对玉米产量亟需增加,大豆生产持续萎缩,近年来长江下游沿线区域呈现建设用地增加而耕地面积骤减^[3]的严峻形势,进行玉米/大豆间作种植具有重要战略意义。该地区的麦类作物间作种植模式^{[4, 5]}已被广泛应用,如何将长江下游地区的玉豆间作模式进行示范推广不仅可以满足当地人们对玉米和大豆的需求,而且具有良好的经济和社会环境效益。

进行玉米/大豆间作种植,合理的玉米宽窄行配置是在保证玉米产量基础上实现玉米/大豆“双增产”的必要条件。研究表明窄行40cm、宽行80cm或90cm是适宜的宽窄行玉米单作模式,适宜宽、窄行种植较等行距种植的玉米具有较好的冠层特性从而提高产量^{[6, 7, 8]}。采取何种玉米/大豆间作模式应根据地区来确定,由于不同地区生态条件的不同,作物群体发育有着一定的差异,因此需对不同地区的玉米/大豆间作的田间配置进行研究,明确各地适宜的带状种植方式。本试验旨在通过研究在行比为2∶2的玉米/大豆间作条件下两种不同行距配置对间作玉米生长和产量形成的影响,明确适合长江下游地区的玉米、大豆带状种植方式,为该种植技术的推广应用提供技术指导。

1 材料与方法 1.1 试验场地与试验材料

试验在南京农业大学江浦农场(北纬32°02′,东经118°36′)进行,土壤耕层有机质8.78 g·kg^-1,全氮0.82 g·kg^-1,速效磷8.76 mg·kg^-1,速效钾70.30 mg·kg^-1。供试玉米品种‘郑单958’,株高246 cm,紧凑型;供试大豆品种‘南农99-6’。2013年,玉米、大豆均于6月22日播种,玉米10月9日收获,大豆10月11日收获。2014年,玉米、大豆于6月19日播种,玉米10月13日收获,大豆10月15日收获。

1.2 试验方法

试验共设5个处理方式。1)玉米/大豆间作IM1:玉米行距40 cm,玉米和大豆距离60 cm,大豆行距50 cm;2)玉米/大豆间作IM2:各行间距50 cm。这2个间作处理均采取2行玉米2行大豆顺序播种,玉米株距为15 cm,大豆株距15 cm。3)对照玉米单作(M1):玉米株距15 cm、玉米窄行距50 cm、宽行150 cm的宽窄行单作;4)玉米等行距单作(M2):株距23 cm,行距66 cm;5)大豆单作(S):株距15 cm、行距50 cm。每个小区面积为30 m²,间作每小区共有6行玉米、6行大豆,宽窄行玉米单作有6行玉米,等行距玉米单作有8行玉米,单作大豆有12行大豆。玉米每穴定苗1株,大豆每穴定苗2株。处理中玉米密度均为66 000株·hm^-2,大豆为132 000株·hm^-2。单因素随机区组设计,3次重复。间作按小区作物密度施肥,采取在玉米行间施基肥复合肥(N、P、K质量比例为15∶15∶15)600 kg·hm^-2,大豆行间施基肥300 kg·hm^-2,单作玉米和单作大豆分别施基肥600 kg·hm^-2 和300 kg·hm^-2;玉米在大喇叭口期追施尿素(N≥45%)200 kg·hm^-2,大豆在花期追尿素97.5 kg·hm^-2。正常田间管理。

1.3 测定项目和方法 1.3.1 植株干物质量的测定

在玉米大喇叭口期、花期、灌浆中期、成熟期分别取3株长势一致的玉米植株,分样叶、茎、鞘、穗等装袋,于105 ℃下杀青30 min后,80 ℃烘至恒质量后称量。计算各生育时期玉米植株的干物质量。

1.3.2 玉米植株形态调查

每个小区定点长势相同的5株玉米,在大喇叭口期及以后生育时期进行测定,测量绿叶的长与宽,计数叶片数,按长×宽×0.75^[9]计算单株叶面积并计算叶面积指数。

1.3.3 光合指标的测定

用LI-6400XT便携式光合仪在玉米花期(8月26日)和灌浆期(9月25日)晴朗无云日09:00—11:00测定光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO₂浓度。

1.3.4 考种与测产

成熟期取样,玉米每小区2米双行测产,大豆取2米单行测产。室内考种,测定玉米穗长、中部穗粗、行数、每行粒数、穗粒数、百粒质量等指标。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003计算试验数据平均值,SPSS 17.0进行统计分析,并用Microsoft Excel 2003与Origin Pro 8.0制作图表。

2 结果与分析 2.1 不同间作配置对玉米植株干物质积累的影响

由图1中2年数据均可以看出:植株单株干物质量随着生育时期的进行呈逐渐增加的趋势。在大喇叭口期,由于间作处理中玉米与大豆存在竞争关系,呈现M1和M2均大于IM1和IM2的趋势,但各处理间差异不显著。在生殖生长开始后的花期、灌浆中期及成熟期,IM1、IM2及M2的单株干物质量均高于M1处理。IM2处理在各生育时期的干物量均高于IM1处理,在生育后期差异均达到显著水平。

图 1 不同处理方式下的各生育时期玉米单株干物质量 Fig. 1 The dry weight of maize plant under different treatmentsr at different growth stages 1)LBMS:大喇叭口期;FS:花期;MFS:灌浆中期;MS:成熟期。
2)IM1:40 cm×60 cm行距、株距15 cm的玉米/大豆间作;IM2:50 cm×5 0cm行距、株距15 cm的玉米/大豆间作;
M1:行距50 cm、株距15 cm的宽窄行玉米单作;M2:行距66 cm、株距23 cm的玉米单作。
3)不同小写字母表示在0.05水平差异显著。
1)LBMS:Large bell mouth stage;FS:Flowering stage;MFS:Mature filling stage;MS:Mature stage.
2)IM1:Intercropping of maize and soybean on row spacing of 40 cm×60 cm,plant spacing of 15 cm;IM2:Intercropping of
maize and soybean on row spacing of 50 cm×50 cm,plant
spacing of 15 cm;M1:Maize monoculture on row spacing of 50 cm,plant spacing of 15 cm;M2:Maize monoculture on row spacing of 66 cm,plant spacing of 23 cm.
3)The different small letters mean significant difference at 0.05 level. The same as follows.

图选项

2.2 不同田间配置对玉米叶面积指数的影响

由图2中2年数据均可以看出:玉米叶面积指数变化随生育期的进行均呈抛物线变化,在玉米花期达到最大值。IM1和IM2处理的玉米叶面积指数在各生育时期均高于M1处理,IM2处理高于IM1处理,但差异均不显著;与M2比较,IM1和IM2表现出较低的叶面积指数,这也是最终导致M2玉米单作生物产量高于其他处理的基础。

	图 2 不同处理方式下各生育时期的玉米叶面积指数 Fig. 2 Leaf area index of maize under different treatments at different growth stages
图选项

2.3 不同田间配置对玉米穗位叶光合特性的影响

由表1可以看出:在花期,与M1处理相比,IM1处理的净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)及胞间CO₂浓度(C_i)较高但差异未达到显著水平,IM2处理分别增加11.3%、25.5%和18.9%,差异均达显著水平。与M2处理相比,IM2处理P_n和G_s较低。在灌浆后期,与M1处理相比,IM1处理的P_n、蒸腾速率(T_r)分别增加31.9%和9.0%,IM2处理分别增加33.3%和19.4%,差异均达显著水平。与M2处理相比,IM1和IM2处理P_n较高,而G_s、C_i和T_r则略低,差异均达到显著水平。在花期和灌浆后期IM2的P_n、G_s和C_i均高于IM1,T_r则较低。

表 1 间作对玉米花期和灌浆后期穗位叶片光合效应的影响 Table 1 Photosynthetic effects of intercropping on maize ear leaf at flowering and late grain filling stages

生育时期 Growth stages	处理 Treatment	净光合速率/ (μmol·m^-2·s^-1) Net photosynthetic rate	气孔导度/ (mmol·mol^-1) Stomata conductance	胞间CO₂浓度/ (μmol·mol^-1) Intercellular CO₂ contents	蒸腾速率/ (μmol·m^-2·s^-1) Transpiration rate
	IM1	27.14^b	0.116^b	170.28^a	2.387^b
花期	IM2	30.16^a	0.133^a	177.83^a	2.262^b
Florescence	M1	27.09^b	0.106^b	149.59^b	2.555^a
	M2	30.33^a	0.142^a	177.43^a	2.266^b

	IM1	20.17^a	0.044^b	136.71^c	1.772^b
灌浆后期	IM2	20.38^a	0.084^ab	147.71^bc	1.941^a
Post-grouting	M1	15.29^c	0.045^b	164.16^b	1.626^c
	M2	17.96^b	0.095^a	193.23^a	1.984^a
注:不同小写字母表示同列不同处理在0.05水平差异显著,为2014年测量数据。 Note:Different small letters in the same column indicated significant difference at 0.05 level. The data of this table is the survey data of 2014. The same as follows.

表选项

2.4 不同田间配置的玉米产量和产量构成

从表2可见:2013年,两种间作方式相比,IM2处理的穗长、中部穗粗、单穗粒数、单穗粒质量、百粒质量均高于IM1处理,差异不显著。与单作相比,IM1和IM2处理的穗长、单穗粒数、单穗粒质量和百粒质量均高于M1处理,但穗长、中部穗粗、单穗粒质量和百粒质量等均低于M2处理,差异不显著,M2最终产量高于其他3种处理。2014年,IM2处理在穗长、中部穗粗、单穗粒数、单穗粒质量、百粒质量均高于IM1处理,差异均达到显著水平;与单作相比,IM1和IM2处理的穗长、单穗粒数、单穗粒质量和百粒质量均高于M1处理,差异显著,最终获得较高产量。IM2产量与M2产量相当,但均高于IM1和M1处理,差异达到显著水平。以上表明不同间作处理对玉米穗部性状的影响主要是对穗长、单穗粒数、单穗粒质量和百粒质量的影响,而对秃尖长度和中部穗粗等影响较小。

表 2 玉米农艺性状 Table 2 Agronomical traits of maize

年份 Year	处理 Treatments	穗长/cm Fringe length	秃尖长度/cm Bare tip length	中部穗粗/cm Middle ear perimrter	单穗粒数 Grains per ear	单穗粒质量/g Weight per ear	百粒质量/g 100-seed weight	产量/(kg·hm^-2) Yield
2013	IM1	15.20^a	0.52^a	4.33^a	401.03^a	120.35^a	28.62^a	6 751.80^a
	IM2	15.77^a	0.34^a	4.50^a	443.24^a	141.60^a	30.95^a	7 943.85^a
	M1	14.91^a	0.54^a	4.17^a	394.74^a	109.28^a	29.53^a	6 130.65^a
	M2	16.50^a	0.82^a	4.79^a	433.93^a	150.02^a	32.32^a	8 416.05^a

2014	IM1	14.90^b	1.92^a	4.87^b	407.42^a	121.17^b	26.12^b	7 603.95^b
	IM2	16.19^a	1.82^a	4.99^a	448.50^a	133.42^a	28.16^a	8 699.10^a
	M1	14.30^b	1.70^a	4.90^ab	402.80^a	119.46^b	25.38^b	7 549.95^b
	M2	15.42^a	1.27^a	5.00^a	449.15^a	134.95^a	26.72^b	8 696.10^a

表选项

2.5 不同田间配置下的效益分析

从表3可见:2013年,IM1、IM2间作处理的玉米经济产量与生物产量均高于M1处理,但低于M2处理;两种间作方式比较,IM2处理的玉米经济产量和生物产量均高于IM1处理,差异达到显著水平,但大豆产量则略低,差异不显著,总体均表现出间作优势;M2处理的土地当量比较IM1处理高19.5%,差异显著。间作后大豆产量低于单作处理,且差异达显著水平。产值从大到小的处理依次为IM2、IM1、M2、M1和S。2014年与2013年相比,除M2处理玉米经济产量与生物产量较IM2处理略低外,其他指标结果基本一致,玉米生物产量从大到小的处理依次为IM2、M2、IM1和M1,对应经济产量趋势表现一致。两种间作处理方式下的土地当量比均大于1,表现出间作优势。IM2处理的土地当量比较IM1处理高7.3%,差异达到显著水平。产值从大到小的处理依次为IM2、IM1、M2、M1和S。

表 3 不同处理方式下的效益分析 Table 3 Benefits analysis of different treatments

年份 Year	处理 Treatments	玉米经济产量/(kg·hm^-2) Maize grain yield	大豆经济产量/(kg·hm^-2) Soybean grain yield	玉米生物产量/(kg·hm^-2) Maize biological yield	土地当量比 Land equivalent ratio	产值/(元·hm^-2) Income
2013	IM1	6 751.8^b	1 216.5^b	11 728.1^b	1.13^b	21 678.0
	IM2	7 943.9^a	1 206.0^b	13 281.8^a	1.35^a	24 492.0
	M1	6 130.5^b		10 849.4^b		14 713.5
	M2	8 416.5^a		15 147.2^a		20 199.0
	S		2 952.0^a			13 284.0

2014	IM1	7 604.0^b	922.5^b	14 981.9^b	1.23^b	21 156.0
	IM2	8 699.1^a	828.0^b	18 284.0^a	1.32^a	23 112.0
	M1	7 550.0^b		14 690.3^b		16 609.5
	M2	8 696.1^a		15 666.9^ab		19 131.0
	S		2 563.5^a			12 304.5

表选项

3 讨论与结论

植物干物质的积累主要来源于光合作用,其有效光合面积越大、效率越高,光合产物就越充足,以实现玉米最终高产^{[10, 11]}。本试验结果表明,在各个生育时期,两种宽窄行配置间作方式(IM1、IM2)下的叶面积指数均有高于宽窄行玉米单作(M1)的趋势,但在大喇叭口期IM1、IM2处理单株干物质量却较M1处理略低,可能在此期前,玉米植株未完全建成,受到大豆植株的竞争作用影响;而在花期和灌浆后期时玉米/大豆间作的生态结构已经完善,宽窄行处理改善了田间小气候^[12],植株冠层改变了光合特性更适合玉米生长^{[3, 13]},表现为较高的P_n。此外,间作大豆不仅通过固氮作用增加玉米氮吸收量,还能促进玉米根系活力^[14],提高玉米对氮素吸收和利用效率的增加^{[15, 16]},同时也促进了根系对其他生长因子的利用能力^[17],从而促进了玉米的生长,提高了间作玉米产量。虽然宽窄行配置下玉米/大豆间作更有利于玉米生长,但是不同宽、窄行配置对玉米生长的影响也有所不同,而且各区域差异明显。Undie等^[18]研究表明,玉米/大豆间作比例为1∶1、2∶2和1∶2的处理系统总产量均比玉米、大豆单作增产显著,且2∶2处理在两年度试验中均获得最高系统总产量。在西南地区,2∶2行比是最适宜的玉米/大豆田间配置,窄行40 cm,宽行160 cm的玉米/大豆间套作模式在西南地区被广泛推广和应用^{[19, 20]},取得了显著增产效果。本试验研究表明,间作IM2处理无论在叶面积指数、光合速率、干物质量还是最终产量上均优于IM1处理。这与已有的研究结果^{[21, 22]}略有不同,可能由于土壤理化性状不同和不同种植区域的生态差异所致,也可能与植株的有效占地面积有关。本试验中‘郑单958’穗位叶片完全伸展长度为100 cm左右,按棒三叶的叶倾角(叶片与水平面的夹角)范围65~75°计算^{[23, 24, 25]},水平投影长度约为35 cm,则IM1处理玉米叶片覆地宽度约为110 cm,IM2处理约为120 cm,而两种处理的玉米株距相同,因此IM2处理植株有效占地面积大于IM1处理。而较小的实际占地面积导致株间竞争加剧,植株生长受到影响,使IM1处理玉米的产量低于IM2处理。

较宽的玉米窄行间距会缩小玉米和大豆的行距,较小的玉米和大豆行距会影响大豆生长,进而减产。本试验中IM2处理的大豆产量稍低于IM1处理,但差异不显著,间作玉米产量却显著高于IM1处理,导致较高的土地当量比和产值。这说明了在玉米/大豆间作配置下,长江下游地区宜采用适当加宽的玉米窄行距(IM2)以有利于间作系统的总体效益。

综上所述,玉米/大豆间作条件下玉米单株干物质量和单株叶面积在营养生长阶段较宽窄行单作略低,但在生殖生长阶段则显著高于宽窄行玉米单作,光合速率显著提高。窄行距较宽的间作模式的玉米各生育期干物质量、叶面积指数、光合速率比窄行距较小的间作模式高,产量和效益也显著提高。间作模式玉米产量与常规种植玉米产量相当,但增收了大豆,总体效益显著提高,尤以窄行距较宽的玉豆间作模式最好。因此,长江下游地区玉米/大豆间作应采取较宽的玉米窄行距。

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