谷子大豆间作模式对作物干物质积累分配及产量的影响

Effects of Millet and Soybean Intercropping Patterns on Dry Matter Accumulation and Distribution, and Yield of Crops

摘要

为探究适于陕北黄土丘陵沟壑区膜际栽培条件下谷子大豆种植的最佳间作方式，采用单因素随机区组设计，设置2行谷子2行大豆间作（I₂₂）、2行谷子4行大豆间作（I₂₄）、4行谷子2行大豆间作（I₄₂）、单作谷子（SG）和单作大豆（SD）共5个处理，分析不同间作模式下谷子和大豆干物质积累与分配特点、种间竞争力及其对产量的影响。结果表明，3种间作处理均显著提高了谷子的干物质积累量，且I₂₄处理显著高于I₄₂处理，谷子干物质分配比率孕穗期为叶大于茎，成熟期穗大于叶、茎，3种间作处理穗分配比率均显著高于单作，且I₂₄和I₂₂处理显著高于I₄₂处理；3种间作处理均显著降低了大豆的干物质积累量，大豆干物质分配比率开花期为叶大于茎，成熟期荚果大于茎、叶，3种间作处理荚果分配比率均显著高于单作，各间作处理间无显著差异。I₂₄和I₄₂间作处理土地当量比分别为1.10、1.06，土地生产力提高6%～10%，具有间作优势；I₂₂间作处理土地当量比为1.00，无间作优势。间作处理下谷子较大豆表现出了更强的种间竞争力（A_G>0）和产量营养竞争比率（CR_G>1），且I₂₄处理显著低于I₄₂和I₂₂处理。综上所述，2行谷子2行大豆间作为陕北黄土丘陵沟壑区的最佳谷子大豆间作方式。

Abstract

To explore the best intercropping method of millet and soybean under interfilm cultivation conditions in the loess hilly-gully region of northern Shaanxi, a single-factor randomized block experimental design was used to set up 5 treatments, including 2 rows of millet with 2 rows of soybean intercropping(I₂₂), 2 rows of millet with 4 rows of soybean intercropping(I₂₄), 4 rows of millet with 2 rows of soybean intercropping(I₄₂), millet in single cropping(SG), and soybean in single cropping(SD). Characteristics such as dry matter accumulation and distribution, interspecific competitiveness, and their effects on the yield of millet and soybean under different intercropping patterns were analyzed. The results showed as follows. The dry matter accumulation of millet was significantly increased by the three intercropping treatments, and it was significantly higher in the I₂₄ treatment than that in the I₄₂ treatment. At the booting stage, the dry matter allocation ratio to leaves was greater than that to stems. At the maturity stage, the dry matter allocation ratio to spikes was greater than that to leaves and stems. The dry matter allocation ratios of the three intercropping treatments were significantly higher than those of the single cropping, with I₂₄ and I₂₂ treatments being significantly higher than the I₄₂ treatment. The dry matter accumulation of soybean was significantly increased by the three intercropping treatments. At the flowering stage, the dry matter allocation ratio to leaves was greater than that to stems. At the maturity stage, the allocation ratio to pods was greater than that to the stems and leaves. Among the three intercropping treatments, the pod allocation ratios were significantly higher than those of the single cropping, with no significant differences observed among the intercropping treatments themselves. The land equivalent ratio for the I₂₄ and I₄₂ intercropping treatments was 1.10 and 1.06, respectively, increasing land productivity by 6%-10% and highlighting the benefits of intercropping. The I₂₂ intercropping treatment had a land equivalent ratio of 1.00, indicating no intercropping advantage. Under the intercropping treatments, millet demonstrated stronger interspecific competitiveness(A_G>0) and a higher yield nutrient competition ratio(CR_G>1) than soybean. The I₂₄ treatment had significantly lower interspecific competition than the I₄₂ and I₂₂ treatments. In conclusion, the 2 rows of millet with 2 rows of soybean intercropping was the most effective millet soybean intercropping method in the loess hilly-gully region of northern Shaanxi.

Graphical abstract

关键词

谷子 / 大豆 / 间作 / 干物质积累 / 产量

Key words

millet / soybean / intercropping / dry matter accumulation / yield

Author summay

曹宇媛（1995-），女，陕西榆林人，在读硕士，研究方向：作物与耕作栽培。

陕北黄土丘陵沟壑区以丘陵山地为主，耕地资源少，严重限制了农作物的稳定生产^[1]。间作可以保护耕地生态系统生物多样性^[2]，进一步提高光照、水分、温度利用效率^[3]，增加土地生产能力，增产增收效果明显^[4]。谷子是陕北地区的特色作物，种植面积常年保持在8.6万hm²左右，但在种植中谷子连作会导致病虫害严重、土壤养分失衡，使谷子产量下降。通过调整种植结构提高谷子的产量具有一定的实际意义。禾本科与豆科作物间作是土壤贫瘠地区常见的间作模式^[5]。大豆因其固氮能力被广泛用于间作、轮作。研究谷子大豆间作模式对作物干物质积累分配、种间竞争力的影响，明确增产机制，对谷子的绿色可持续发展具有重要意义。相关研究表明，禾本科和豆科间作能够通过影响作物干物质积累及向籽粒分配而影响作物产量。王晓维等^[6]在玉米与大豆间作研究中发现，间作可以提高玉米干物质积累量。高阳等^[7]对玉米大豆间作的研究表明，间作降低了大豆单株干物质、各器官干物质积累量和干物质转换率。高砚亮等^[8]在玉米与花生间作研究中发现，间作显著降低了花生干物质积累量。任媛媛等^[9]对玉米大豆间作的研究表明，由于玉米和大豆对资源的需求在时间和空间上的分离与互补，间作实现了作物对光、温、水等各种资源的高效利用，从而直接影响作物产量和土地生产力^[10]。在对玉米与大豆^[11]、玉米与花生^[12]、谷子与大豆^[13]、糜子与绿豆^[14]等间作的研究表明，间作使禾本科作物的产量增加，豆科作物的产量降低，但土地生产力在一定程度上有所提高，表现出间作优势。作物因其生长环境的改变，繁殖器官的需求增加，使得营养器官的分配率降低，繁殖体部位分配率增加，这是作物竞争的体现，因此，竞争是影响作物生产的一个非常重要的因素^[15]。前人对于禾本科作物与豆科作物间作研究主要集中在玉米大豆间作、高粱大豆间作、玉米花生间作等光合作用和产量方面，而对于谷子与大豆间作模式干物质积累分配和种间竞争方面的研究报道较少。

本研究设置了3种谷子与大豆间作模式，探究不同间作模式对作物干物质的积累与分配、种间竞争及产量和土地生产力的影响，为陕北黄土丘陵沟壑区的谷子大豆间作研究提供一定的帮助。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2021年在黄土高原西北部丘陵沟壑区的陕西省榆林市榆阳区太平沟村（38°16′40″N、109°47′58″E）进行，属干旱半干旱农牧交错区，农业生产以传统方式为主。该地区年平均气温8.3 ℃，有效积温3 260 ℃。无霜期146 d，年均降水量446.8 mm，其中60%~80%集中在7—9月。年蒸发量1 211 mm，年日照时数2 644 h。降雨量年际间变化较大，分布严重不均。

1.2 试验材料

供试谷子品种为晋谷21、大豆品种为汾豆78，均为榆林黄土丘陵沟壑区广泛种植品种。

1.3 试验设计

试验采取随机区组试验设计，在膜际栽培条件下，共设置谷子单作（SG）、大豆单作（SD）、谷子大豆间作（I₂₂、I₂₄、I₄₂）5个处理，SG为12行谷子，SD为12行大豆，I₂₂为2行谷子2行大豆、I₂₄为2行谷子4行大豆、I₄₂为4行谷子2行大豆，每个处理重复4次。小区面积为36 m²（6 m×6 m），谷子行距50 cm，株距11 cm；大豆行距50 cm，株距26 cm，南北行向种植（图1）。

试验采用均一化处理，单作与间作作物种植方式及行株距相同，谷子和大豆同时播种同时收获，于5月15日播种，10月11日收获。氮（N）、磷（P₂O₅）和钾（K₂O）的施肥量均为100 kg/hm²，于播种前一次施入，后期未进行追肥处理。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 地上干物质测定

在谷子和大豆生育期各处理均随机选取谷子和大豆各9株，将其根、茎、叶、穗（豆荚）带到实验室进行分离，置于烘箱105 ℃下杀青20 min后，再在80 ℃下烘至恒质量后测定干物质质量。

1.4.2 产量测定

在谷子、大豆成熟后，单作处理每小区随机选取10株植株，间作处理每小区随机选取谷子大豆各10株进行产量考种，随后收获整个小区作物脱粒后统计作物产量。

1.4.3 相关指标及其计算方法

土地当量比（LER）用公式计算所得^[16]，种间相对竞争能力（A_G）按公式计算所得 ^[17]，产量营养竞争比率（CR_G）用公式计算所得^[18]。

LER=LE{R}_{\mathrm{G}}+LE{R}_{\mathrm{D}}=\frac{Y_{\mathrm{I}\mathrm{G}}}{Y_{\mathrm{S}\mathrm{G}}}+\frac{Y_{\mathrm{I}\mathrm{D}}}{Y_{\mathrm{S}\mathrm{D}}}（1）

式中，LER_G、LER_D分别表示间作处理中谷子、大豆的相对土地当量比；Y_SG和Y_SD分别为单作条件下谷子、大豆的均一化产量（kg/hm²），Y_IG和Y_ID分别为间作条件下谷子、大豆的均一化产量（kg/hm²）。LER大于1说明间作具有优势，LER小于1说明间作劣势。

A_G=\frac{Y_{\mathrm{I}\mathrm{G}}}{Y_{\mathrm{S}\mathrm{G}}}-\frac{Y_{\mathrm{I}\mathrm{D}}}{Y_{\mathrm{S}\mathrm{D}}}（2）

式中，A_G表示谷子相对于大豆的竞争能力。A_G大于0说明谷子比大豆竞争能力强；A_G小于0说明谷子比大豆竞争能力弱。

CR_G=（Y_IG/Y_SG）/（Y_ID/Y_SD）（3）

式中，CR_G表示谷子相对于大豆的产量营养竞争比率。CR_G大于1说明谷子的产量营养竞争能力强于大豆；CR_G小于1说明谷子的产量营养竞争能力弱于大豆。

1.5 数据处理

使用Microsoft Excel 2010整理数据，SPSS 23.0软件对数据进行差异显著性检验（LSD，P<0.05）以及单因素方差分析（ANOVA），使用Origin 2019软件绘图。

2 结果与分析

2.1 谷子大豆间作对作物干物质积累与分配的影响

2.1.1 谷子大豆间作对谷子干物质积累与分配的影响

由表1可知，在孕穗期，间作谷子的单株干物质积累量均高于单作，大小表现为I₂₄>I₂₂>I₄₂>SG，间作处理单株干物质积累量较单作分别增加了31.21%、61.03%、21.36%，I₂₄与单作SG差异显著（P<0.05）。在成熟期，间作谷子的单株干物质积累量较单作分别增加了31.28%、42.62%、23.61%，各间作处理与单作SG均差异显著。说明谷子大豆间作可显著提高谷子孕穗期和成熟期干物质积累量。

谷子孕穗期干物质的分配规律为茎少叶多，各处理茎的分配比率为22.81%~25.99%，叶的分配比率为74.01%~77.19%，各处理的茎、叶分配比率均无显著差异，说明间作对谷子孕穗期干物质分配影响较小。谷子成熟期干物质分配的规律是茎最少、叶次之、穗最多，各处理茎的分配比率为23.91%~29.17%，叶的分配比率为27.32%~33.48%，穗的分配比率为37.35%~48.17%；各间作处理谷子茎、叶、穗分配比率与单作均存在显著差异（P<0.05），茎分配比率大小表现为SG>I₄₂>I₂₂>I₂₄，间作处理分别比单作减少了15.98%、18.03%、7.44%；叶分配比率大小表现为SG>I₄₂>I₂₄>I₂₂，间作处理分别比单作减少了18.34%、15.29%、11.89%；穗分配比率大小表现为I₂₂>I₂₄>I₄₂>SG，间作处理分别比单作增加了28.97%、27.82%、16.47%；由此可知，谷子大豆间作可减少谷子成熟期干物质向茎、叶的分配，增加向穗的分配，有利于谷子单株产量的提高。

2.1.2 谷子大豆间作对大豆干物质积累与分配的影响

从表2可以看出，在开花期，不同间作处理大豆的单株干物质积累量均低于单作，表现为SD>I₂₄>I₂₂>I₄₂，间作处理分别较单作减少了26.06%、49.89%、53.63%，单作SD与各间作处理均差异显著，且I₂₄与I₄₂差异显著（P<0.05）。在成熟期，I₂₂、I₂₄、I₄₂间作处理大豆的单株干物质积累量分别较单作减少了30.84%、24.91%、32.41%，单作SD与各间作处理均差异显著（P<0.05）。说明谷子大豆间作影响大豆的生长发育。

大豆开花期干物质分配规律为茎少叶多，各处理茎的分配比率为45.39%~47.86%，叶的分配比率为52.14%~54.61%，各处理的茎、叶分配比率均无显著差异，说明间作对大豆开花期干物质分配影响较小。大豆成熟期干物质分配的规律是荚果最多、茎次之、叶最少，各处理茎的分配比率为19.42%~26.94%，叶的分配比率为2.11%~2.77%，穗的分配比率为70.29%~78.47%。各间作处理大豆茎、荚果分配比率与单作均存在显著差异（P<0.05），叶分配比率与单作差异不显著。茎分配比率大小表现为I₄₂>I₂₂>I₂₄>SD，间作处理分别比单作增加了38.72%、32.75%、27.81%；荚果分配比率大小表现为SD>I₂₄>I₂₂>I₄₂，间作处理分别比单作减少了7.25%、8.78%、10.42%；由此可知，谷子大豆间作会减少大豆成熟期干物质向荚果的转移，影响间作大豆产量的形成。

2.2 谷子大豆间作对作物产量的影响

从表3可以看出，谷子大豆不同间作处理对谷子产量影响均显著（P<0.05）。各处理谷子产量大小表现为SG>I₄₂>I₂₂>I₂₄，单作谷子产量为2 517.95 kg/hm²，显著高于I₂₂处理和I₂₄处理。单作谷子均一化种植密度为18株/m²，I₂₂、I₂₄和I₄₂间作处理谷子均一化种植密度分别为9、6、12株/m²，谷子占地比例分别为50%、33.3%和66.7%。I₂₂、I₂₄和I₄₂谷子产量分别为单作谷子的68.79%、45.34%和84.55%。说明在相同土地面积上间作谷子产量均高于单作。

与谷子单作相似，谷子大豆不同间作处理对大豆产量也有显著影响（P<0.05）。各处理大豆产量大小表现为SD>I₂₄>I₂₂>I₄₂，大豆单作处理的产量为2 560.26 kg/hm²，显著高于各间作处理。单作大豆均一化种植密度为3.5株/m²，I₂₂、I₂₄和I₄₂间作处理下大豆均一化种植密度分别是1.75、2.33、1.17株/m²，占地比例分别为50%、66.7%和33.3%。I₂₂、I₂₄和I₄₂间作处理大豆均一化产量分别为单作大豆的30.85%、64.74%和21.42%。说明在相同的土地面积上间作大豆的产量均低于单作，表现出产量劣势。

2.3 谷子大豆间作对土地生产力的影响

从表4可以看出，不同间作处理对谷子和大豆的偏土地当量比的影响均显著（P<0.05），I₂₄与I₂₂、I₄₂谷子和大豆的偏土地当量比差异显著。3种间作模式虽然对整个间作系统的土地当量比影响不显著（P>0.05），但I₂₄和I₄₂这2种间作方式的土地当量比均大于1。说明I₂₄和I₄₂这2种间作处理可以提高土地生产力，间作优势明显，其中I₂₄处理表现最好。

2.4 作物竞争力

由图2可知，3种间作模式谷子相对于大豆的种间竞争力（A_G）均大于0，大小表现为I₂₂>I₄₂>I₂₄，I₂₂与I₂₄差异显著（P<0.05）。I₂₄与I₄₂间作处理谷子相对于大豆的产量营养竞争比率（CR_G）均大于1，I₂₂与I₂₄差异显著（P<0.05）。表明在3种间作处理中谷子的竞争能力强于大豆（A_G>0，CR_G>1）。

3 结论与讨论

干物质积累与分配是作物产量的重要影响因素^[14]。作物的干物质积累90%~95%是直接或者间接来自光合作用^[19]。间作可以使高秆作物获得更多光照^[20]，有利于光合作用，增加干物质积累量^[8]。本研究表明，间作显著提高了谷子孕穗期和成熟期的干物质积累，I₂₄处理为最大值，显著高于I₄₂和单作。在干物质分配方面，间作谷子向穗的分配率均显著高于单作，且I₂₄和I₂₂显著高于I₄₂。李智^[21]在谷子大豆间作研究中发现，间作谷子能截获更多光能，具有更好的光合能力，从而提高谷子的干物质积累量，与本研究结果一致。大豆受谷子荫蔽影响，光合作用能力减弱，向荚果分配和积累的干物质减少^[18]。本研究表明，间作显著降低了大豆干物质积累，但间作处理之间无显著差异，在干物质分配方面，间作大豆向荚果的分配率均显著低于单作，且各间作处理之间无显著差异。王雪蓉等^[22]研究发现，间作可以促进谷子产量的增加，但不利于大豆产量形成，与本研究结果一致。

间作对谷子和大豆的产量影响不同，本研究中间作谷子产量相对于单作谷子产量的比例均高于谷子的占地比例，间作大豆产量相对于单作大豆产量的比例均低于大豆的占地比例，说明间作使谷子的产量增加，大豆的产量减少。张亦涛等^[23]间作玉米和大豆，焦念元等^[24]间作花生和玉米研究发现，间作能提高高秆作物产量，降低矮秆作物产量^[25]，这与本研究结果一致。本研究3种间作处理中I₂₄处理表现最好，相同面积谷子产量较单作谷子增产约33.2%，大豆产量较单作大豆减产约2.9%，谷子增产效果最大，大豆减产效果最弱。李智等^[13]间作谷子大豆研究发现，在谷子大豆比例为2∶4时，谷子增产9%，产量最高，这与本研究结果一致。宫香伟等^[26]研究指出，糜子和绿豆各间作处理土地当量比均大于1，说明间作具有明显产量优势。赵建华等^[27]研究指出，玉米和豆科作物间作的土地生产力提高了13%~30%。本研究结果表明，I₂₄和I₄₂间作处理土地当量比LER分别为1.10和1.06，均大于1，具有间作优势；I₂₂间作模式土地当量比为1.00，无间作优势。这与任媛媛^[28]在玉米大豆间作间作研究中的土地当量比结果（1.00~1.29）接近。3种间作处理中I₂₄处理土地生产力提高10%，表现最好。

种间竞争影响着作物向茎、叶、籽粒的分配，以及对资源的利用，是作物生产非常重要的影响因素。本研究谷子大豆间作模式中，谷子表现出更强的种间竞争能力。谷子相对大豆的种间竞争力为0.39~0.76（A_G>0）、产量营养竞争比率为1.46~4.20（CR_G>1），表明谷子种间竞争能力和产量营养竞争能力均强于大豆，说明在谷子大豆间作存在种间竞争关系，且谷子为优势作物，而大豆则为劣势作物^[29]。原因可能是谷子为高秆作物，可以利用更多的光能资源^[30]，同时谷子根系比大豆根系更发达，可以利用更多的水分资源^[31]。蔡倩等^[18]研究玉米和大豆间作表明，玉米为优势作物，大豆为劣势作物，这与本研究结果相似。本研究中，I₂₄的A_G和CR_G均低于I₂₂和I₄₂，LER高于I₂₂和I₄₂，说明在有限的资源条件下，较强的竞争能力是以牺牲产量为代价的，作物的竞争能力与生产能力之间形成了一种负相关关系^[32]。

本研究表明，相比单作，3种间作处理在产量上都具有明显的优势，间作通过影响作物的产量分配和种间竞争关系来影响产量，通过增加竞争优势作物谷子的干物质积累，提高穗分配比率，而降低竞争劣势作物大豆的干物质积累，减少荚果分配比率，从而提高整体土地生产能力。3种间作处理相比，I₂₄间作处理的增产效应最高。因此，陕北黄土丘陵沟壑区在谷子大豆间作种植中，可以优先选择2行谷子4行大豆的间作模式。

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基金资助

国家自然科学基金项目(41967013)

榆林市科技局产学研合作计划项目(CXY-2021-82)

榆林市科技局产学研合作计划项目(CXY-2022-70)

陕西省农业农村厅科技创新驱动项目(2022NYT01)