全 文 :书小麦/玉米/大豆套作的产量、氮营养
表现及其种间竞争力的评定
雍太文,杨文钰,向达兵,陈小容,万燕
(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 温江611130)
摘要:采用多年大田试验研究了小麦-大豆(A1)、小麦-甘薯(A2)、玉米(A3)、小麦/玉米/大豆(A4,麦/玉/豆)和
小麦/玉米/甘薯(A5,麦/玉/薯)5种种植模式的生物积累和氮素吸收特性,以探讨麦/玉/豆套作体系的种间竞争
力变化规律。试验通过土地当量比(LER)、种间相对竞争力(A)、氮营养竞争比率(NCR)等指标来评定不同套作系
统内的作物竞争力。结果表明,麦/玉/豆套作表现出明显的套作优势(犔犈犚>1、犃狑犮<0、犃犮狊>0、犖犆犚狑犮<0、犖犆犚犮狊
>1),玉米始终占据套作系统的优势生态位,小麦、大豆处于竞争劣势;与A1、A2、A3及A5相比,麦/玉/豆套作提
高了各作物在开花期(或吐丝期)与成熟期的籽粒产量与吸氮量和地上部植株的总生物量与总吸氮量;各作物的生
物量与吸氮量在处理间的变化规律为套作>单作、大豆茬口>甘薯茬口,以A4处理最高。麦/玉/豆套作的全年总
经济产出比麦/玉/薯套作平均高28.02%。
关键词:小麦/玉米/大豆;套作;产量;氮素吸收;种间竞争力
中图分类号:S344.3 文献标识码:A 文章编号:10045759(2012)01005009
间套作是我国传统精耕细作农业的重要组成部分,对促进农业可持续发展具有重要作用。间套作模式利用
不同物种在空间分布和养分需求等方面的优势互补,使间套作系统能更有效的利用各种生长因子(光、水分、各种
养分等)来获得产量优势。尤其是禾本科与豆科间套作时,禾本科作物的间套作优势十分明显,产量和氮素吸收
量往往比其在单作条件下提高很多,如小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)+蚕豆(犞犻犮犻犪犳犪犫犪)[1]、小麦+大豆(犌犾狔犮犻狀犲
犿犪狓)[2]、玉米(犣犲犪犿犪狔狊)+大豆[3]、水稻(犗狉狔狕犪犾犪狋犻犳狅犾犻犪)/花生(犃狉犪犮犺犻狊犺狔狆狅犵犪犲犪)[4]、苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻
狏犪)+玉米[5]等间套作系统。此外,间套作系统在植物病虫害的生物防控、杂草抑制、作物品质改善以及减少对栽
培环境的负面影响等方面都表现出单作系统所无法比拟的优势[69]。适合的间套作品种和种植方式使间套作作
物在生长资源的需求上具有互补性,种间的互利大于竞争,作物的种间作用关系可以通过竞争力指标来评价,如
果一种作物的竞争力太强,会导致物种间对光、温、水、肥等资源不均衡的竞争,并且会阻碍地上、地下部分的生
长,从而影响整个系统的生产性能[8,10],所以间套作系统内种间竞争力的评定具有重要的意义[10,11]。
近年来,国内外众多研究者围绕间套作的增产机理,尤其是豆科与禾本科间作的种间作用关系、水分养分的
竞争与利用、地上部与地下部相互作用对间作优势的贡献及氮素营养优势产生的机制等展开了系统而深入的研
究,有力推动了间套作种植制度的发展。但以往大多数研究主要集中在一年一熟或一年二熟制上,对我国南方多
熟套作体系尚未涉及。小麦/玉米/大豆套作模式是中国南方近几年发展的一种旱地新型高效多熟套种模式,能
有效实现土地的用养结合和养分互补,相对传统的小麦/玉米/甘薯套作具有明显的增产节肥优势[12,13]。该模式
集豆科/禾本科、禾本科/禾本科2种套作体系为一体,此种套作模式下,不同作物之间的种间作用关系有别于以
往研究的豆科/禾本科间套作体系。虽然有关该模式的地上部光合作用关系、群体配置技术、氮肥运筹技术等已
有研究[1417],但该模式的种间竞争关系及种间竞争与增产节肥的关系尚不清楚。因此,本试验以“麦/玉/豆”和
“麦/玉/薯”2种三熟套作体系为研究对象,期望通过对2种套作体系的生物积累和氮素吸收利用特性的研究及
50-58
2012年2月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第21卷 第1期
Vol.21,No.1
收稿日期:20110623;改回日期:20110714
基金项目:大豆产业技术体系专项(CARS04PS19),国家公益性行业(农业)科研专项(201103001)和四川省科技攻关项目(2008NG0014)资
助。
作者简介:雍太文(1976),男,四川南部人,副教授,博士。Email:yongtaiwen@sicau.edu.cn
通讯作者。Email:wenyu.yang@263.net
种间竞争力的评定,来揭示小麦/玉米/大豆套作体系下三季作物的种间作用关系和增产机理,为更好地利用该模
式的套作优势,提高系统周年产量和科学施肥奠定理论基础。
1 材料与方法
1.1 作物品种及田间设计
供试小麦、玉米、大豆、甘薯(犇犻狅狊犮狅狉犲犪犲狊犮狌犾犲狀狋犪)品种依次为川农18(四川农业大学农学院)、川单418(四川
农业大学玉米所)、贡选一号(自贡市农业科学研究所)、川薯164(四川省农业科学院作物研究所)。
采用单因素随机区组设计,设5种种植模式:冬小麦-夏大豆轮作(A1)、冬小麦-夏甘薯轮作(A2)、春玉米
单作(A3)、冬小麦/春玉米/夏大豆套作(A4)和冬小麦/春玉米/夏甘薯套作(A5)。小区面积42m2(宽6m,长7
m),3次重复。A4、A5处理的小区内套种3带,带宽2m,其中小麦(或大豆、或甘薯)和玉米幅宽各1m,每幅小
麦播种5行,幅内行距0.2m,穴距0.1m,穴留4株;每幅玉米播种2行,幅内行距0.5m,穴距0.22m,穴留1
株;每幅大豆播种3行,幅内行距0.33m,穴距0.33m,穴留3株;每幅甘薯起双垄,垄宽0.3m,垄高0.5m,垄上
单行,穴距0.19m,穴留1株。每hm2 小麦施肥量为纯氮84kg、P2O567.5kg、K2O90kg,每hm2 玉米施肥量为
纯氮108kg、P2O5105kg、K2O112.5kg,每hm2 大豆(或甘薯)施肥量为纯氮36kg、P2O563kg、K2O52.5kg,
各作物的P、K肥与小麦的N肥全作底肥一次性施入,玉米、大豆(或甘薯)的N肥1/2作底肥,1/2作玉米大喇叭
口期或大豆初花期的追肥。A1、A2、A3各处理的小区内各作物种植密度和施肥水平分别与对应的A4、A5处理
的小区相同,即每小区单位面积的种植密度和施肥水平相同。试验于2006年11月-2008年10月在四川农业
大学教学农场进行,2年度试验中各作物的播种时间和收获时间大致相同,小麦11月4日播种、5月中旬收获,玉
米3月20日播种、8月上旬收获,大豆、甘薯5月22日播种(或栽插)、10月下旬收获,大豆、甘薯于小麦收后套种
于玉米空行中。2007-2008年度套作时换茬轮作,即小麦种在原玉米茬口上,玉米种在原大豆(或甘薯)茬口上。
各种模式的种植方式如图1~3。
图1 冬小麦-夏大豆或甘薯轮作
犉犻犵.1 犠犻狀狋犲狉狑犺犲犪狋-狊狌犿犿犲狉狊狅狔犫犲犪狀狅狉狊狑犲犲狋狆狅狋犪狋狅狊犲狇狌犲狀狋犻犪犾犮狉狅狆狆犻狀犵
同一地块冬季单种小麦,夏季轮作大豆或甘薯Growingwheatinwinter,andgrowingsoybeanorsweetpotatoinsummeronthesameland.
图2 春玉米单作
犉犻犵.2 犛狆狉犻狀犵犿犪犻狕犲狊狅犾犲犮狉狅狆狆犻狀犵
同一地块仅在春季单种玉米,其余时间休耕Growingmaizeinspring,folowedbyfalow.
1.2 取样方法
于小麦拔节期、开花期和成熟期(2006-2007年由于前茬相同,拔节期尚未与玉米共生,未对该时期进行取
样),玉米拔节期、吐丝期、成熟期,大豆分枝期、开花盛期、成熟期(甘薯采样时期与大豆相同),采集植株样品。取
样时,每小区随机取长势一致样段2段,并混匀,套作每样段按对称行数(小麦5行,玉米、甘薯2行,大豆3行)取
连续2穴,单作每样段按中间2行取连续2穴;取好样后,按地上部秸秆、籽粒分开,在105℃下杀青30min后继
续在75℃烘至恒重,测定干物质重,样品粉碎后过60目筛,用凯氏定氮法测定总N含量。
15第21卷第1期 草业学报2012年
图3 冬小麦/春玉米/夏大豆或夏甘薯套作
犉犻犵.3 犠犻狀狋犲狉狑犺犲犪狋/狊狆狉犻狀犵犿犪犻狕犲/狊狌犿犿犲狉狊狅狔犫犲犪狀狅狉狊狑犲犲狋狆狅狋犪狋狅狉犲犾犪狔狊狋狉犻狆犻狀狋犲狉犮狉狅狆狆犻狀犵
同一地块冬季带状种植小麦,预留空幅,春季于小麦后期套种玉米在空幅内,夏季在小麦收后于玉米后期套种大豆或甘薯在小麦茬口上Growing
wheatinwinteronstripswithenoughwidthforindependentcultivationofmaize,andgrowingmaizeinspringonstripsafterwheathasreacheditsre
productivestage,andgrowingsoybeanorsweetpotatoinsummerinwheatstripsaftermaizehasreacheditsreproductivestage.
1.3 套作系统的种间竞争力评定指标
1)土地当量比率犔犈犚=犔狑+犔犮+犔狊
式中,犔狑=套作小麦产量÷单作小麦产量;犔犮=套作玉米产量÷单作玉米产量;犔狊=套作大豆(甘薯)产量÷单作
大豆(甘薯)产量。当犔犈犚>1,表示套作系统有产量优势;犔犈犚<1,则无产量优势[18,19]。
2)种间相对竞争能力[20,21]犃狑犮=(犃犻狑/犃狊狑)-(犃犻犮/犃狊犮);犃犮狊=(犃犻犮/犃狊犮)-(犃犻狊/犃狊)
式中,犃狑犮、犃犮狊分别为小麦相对于玉米的竞争能力、玉米相对于大豆(或甘薯)的竞争能力;犃犻狑、犃犻犮、犃犻狊分别为小
麦、玉米、大豆(或甘薯)在套作时的籽粒(或块根)产量;犃狊狑、犃狊犮、犃狊分别为小麦、玉米、大豆(或甘薯)在单作时的
籽粒(或块根)产量。犃狑犮>0或犃犮狊>0,表明小麦竞争能力强于玉米或玉米竞争能力强于大豆(或甘薯);犃狑犮<0
或犃犮狊<0,表明小麦竞争能力弱于玉米或玉米竞争能力弱于大豆(或甘薯)。
3)氮营养竞争比率[20,21]犖犆犚狑犮=(犖犻狑/犖狊狑)÷(犖犻犮/犖狊犮);犖犆犚犮狊=(犖犻犮/犖狊犮)÷(犖犻狊/犖狊)
式中,犖犆犚狑犮、犖犆犚犮狊分别为小麦相对于玉米的营养竞争比率、玉米相对于大豆(或甘薯)的营养竞争比率;犖犻狑、
犖犻犮、犖犻狊分别为小麦、玉米、大豆(或甘薯)在套作时的吸氮量;犖狊狑、犖狊犮、犖狊分别为小麦、玉米、大豆(或甘薯)在单作
时的吸氮量。犖犆犚狑犮>1或犖犆犚犮狊>1,表明小麦比玉米或玉米比大豆(甘薯)氮营养竞争能力强;犖犆犚狑犮<1或
犖犆犚犮狊<1,表明小麦比玉米或玉米比大豆(或甘薯)氮营养竞争能力弱。
1.4 数据处理
采用Excel2003软件进行数据处理,利用DPS7.05软件进行相关数据的统计分析。
2 结果与分析
2.1 不同种植模式下单位套作土地面积生物产量比较
2.1.1 小麦生物量 不同种植模式对小麦生物量有显著影响(表1)。2006-2007年度,小麦开花期与成熟期的
生物量均为套作处理显著高于单作处理,套作与套作之间,单作与单作之间差异不显著。2007-2008年度,由于
小麦换茬轮作种植,4种种植模式在不同生育时期表现出不同的变化规律。拔节期,小麦各处理生物量差异不
大,单作高于套作,以大豆茬口种植的A1处理最高;随着生育进程的推进和套作共生程度的增加,小麦套作优势
越加明显,至成熟期,套作处理的生物量显著高于单作处理,而且大豆茬口高于甘薯茬口。从2年的实测产量来
看,其变化规律与生物量变化规律一致,2006-2007年度为套作处理高于单作处理;2007-2008年度,套作>单
作,大豆茬口>甘薯茬口,以A4处理最高,比单作的A1与A2处理高5.17%和15.20%,比套作的A5处理高
2.69%。
2.1.2 玉米生物量 各生育期下玉米生物量大致表现为套作高于单作,以“麦/玉/豆”套作体系下的玉米生物量
最高(表2),尤其是2007-2008年度,玉米种植在大豆茬口上,改善了玉米的生长环境,使其生物量增长十分迅
速,成熟期A4处理的生物量比A3和A5处理高22.44%和13.42%。从2年度的实测产量来看,套作显著高于
单作,大豆茬口高于甘薯茬口,2007-2008年度A4分别比A5和A3高7.01%和35.75%。
2.1.3 大豆甘薯生物量 不同种植模式对大豆甘薯生物量的影响规律与小麦一致,即与玉米共生期间的变化规
律为单作>套作,与玉米共生结束后为套作>单作(表3)。2个处理间的大豆生物量在分枝期的变化规律为A4
25 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.1
<A1,开花期和成熟期则为A4>A1,成熟期,A4处理比A1处理2年平均高29.57%;甘薯变化规律与大豆一
致,且各生育期下总生物量均高于大豆。从2种作物的实测产量来看,2年度均为套作>单作,大豆产量A4比
A1平均高11.46%,甘薯块根产量A5比A2平均高24.04%。
2.2 不同种植模式下单位套作土地面积氮素吸收量比较
2.2.1 小麦植株吸氮量 从2年度试验结果来看(表4),小麦的植株吸氮量为套作显著高于单作,并且在2007
-2008年度,受茬口与微区轮作效应的影响,各生育期下的小麦植株吸氮量还表现为大豆茬口>甘薯茬口,其中
A4处理的籽粒吸氮量比A1、A2和A5分别高11.95%,33.56%和8.26%。
表1 种植模式对小麦地上部生物量及产量的影响
犜犪犫犾犲1 犈犳犳犲犮狋狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犮狉狅狆狆犻狀犵犿犲狋犺狅犱狅狀狑犺犲犪狋犫犻狅犿犪狊狊犪狀犱狔犻犲犾犱 kg/hm2
处理
Treatments
2006-2007
地上部总生物量Totalabovegroundbiomass
开花期
Floweringstage
成熟期
Maturitystage
产量
Yield
2007-2008
地上部总生物量Totalabovegroundbiomass
拔节期
Jointingstage
开花期
Floweringstage
成熟期
Maturitystage
产量
Yield
A1 7940.72c 12171.92b 4191.49a 7892.66a 12453.23a 13257.38b 3688.89ab
A2 9580.12c 11024.76b 3562.86b 7460.56a 11409.73b 12604.00b 3367.89b
A4 11165.72ab 16252.69a 4396.54a 7442.58a 12654.48a 14662.31a 3879.77a
A5 13323.47a 15555.75a 4169.82a 7358.83a 11616.95b 14286.16a 3778.15ab
注:表中数据为3次重复的平均值。同列中标以不同字母的值差异达5%显著水平。下同。
Note:Dataaretheaveragesofthreereplicates.Valuesfolowedbydifferentletterswithineachcolumnaresignificantlydifferentat0.05probability
level.Thesamebelow.
表2 种植模式对玉米地上部生物量及产量的影响
犜犪犫犾犲2 犈犳犳犲犮狋狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犮狉狅狆狆犻狀犵犿犲狋犺狅犱狅狀犿犪犻狕犲犫犻狅犿犪狊狊犪狀犱狔犻犲犾犱 kg/hm2
处理
Treatments
2006-2007
地上部总生物量Totalabovegroundbiomass
拔节期
Jointingstage
吐丝期
Spinningstage
成熟期
Maturitystage
产量
Yield
2007-2008
地上部总生物量Totalabovegroundbiomass
拔节期
Jointingstage
吐丝期
Spinningstage
成熟期
Maturitystage
产量
Yield
A3 72.68b 4239.79b 8749.24b 3616.09c 837.90a 5404.50c 12480.24c 3935.73c
A4 110.40a 4568.40a 10598.56a 6241.10a 834.52a 6441.75a 15280.42a 5342.88a
A5 117.00a 3991.50b 9630.09b 5785.74b 763.76a 5997.38b 13239.05b 4992.88b
表3 种植模式对大豆和甘薯地上部生物量及产量的影响
犜犪犫犾犲3 犈犳犳犲犮狋狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犮狉狅狆狆犻狀犵犿犲狋犺狅犱狅狀狊狅狔犫犲犪狀犪狀犱狊狑犲犲狋狆狅狋犪狋狅犫犻狅犿犪狊狊犪狀犱狔犻犲犾犱 kg/hm2
处理
Treatments
2006-2007
地上部总生物量Totalabovegroundbiomass
分枝期
Branchingstage
开花期
Floweringstage
成熟期
Maturitystage
产量
Yield
2007-2008
地上部总生物量Totalabovegroundbiomass
分枝期
Branchingstage
开花期
Floweringstage
成熟期
Maturitystage
产量
Yield
A1 328.30a 3613.48b 5895.36c 2381.36b 241.73a 5970.44a 5759.53b 2168.03c
A2 248.59ab 6423.77a 11351.02ab 8071.88a 140.31b 5239.09a 9322.82a 5962.82b
A4 181.76b 5967.00a 8976.09bc 2626.76b 155.93b 6298.98a 6155.97b 2441.33c
A5 190.84b 5751.77a 12901.09a 9909.38a 131.62b 5656.77a 9628.11a 7471.80a
注:A1、A4处理的值分别指大豆单作和套作时的地上部生物量及产量,A2、A5处理的值分别指甘薯单作和套作时的地上部生物量及产量。
Note:ThevaluesofA1andA4representedtotalabovegroundbiomassandyieldofsoybeaninsoleandrelaystripintercroppingsystem,respective
ly.ThevaluesofA2andA5representedtotalabovegroundbiomassandyieldofsweetpotatoinsoleandrelaystripintercroppingsystem.
35第21卷第1期 草业学报2012年
表4 不同种植模式的小麦植株吸氮量
犜犪犫犾犲4 犖犻狋狉狅犵犲狀狌狆狋犪犽犲狅犳狑犺犲犪狋狌狀犱犲狉狏犪狉犻狅狌狊犮狉狅狆狆犻狀犵狊狔狊狋犲犿狊 kg/hm2
处理
Treatments
2006-2007
地上部总吸氮量Totalnitrogenuptake
开花期
Floweringstage
成熟期
Maturitystage
籽粒吸氮量
Grainnitrogen
uptake
2007-2008
地上部总吸氮量Totalnitrogenuptake
拔节期
Jointingstage
开花期
Floweringstage
成熟期
Maturitystage
籽粒吸氮量
Grainnitrogen
uptake
A1 172.24b 246.74b 88.77b 246.72bc 262.99a 273.29b 85.49b
A2 177.89b 228.29c 76.10b 228.29c 228.31c 246.16c 71.66c
A4 225.35a 306.32a 125.45a 306.32a 277.53a 293.27a 95.71a
A5 243.75a 296.04a 122.08a 296.04a 248.53b 265.73b 88.41ab
2.2.2 玉米植株吸氮量 玉米在各生育时期下的地上部植株总吸氮量和籽粒吸氮量均为套作显著高于单作,大
豆茬口显著高于甘薯茬口,以 A4最高(表5)。其中籽粒吸氮量,A4比 A3和 A5处理2年平均高48.8%和
14.98%;成熟期地上部总吸氮量,A4比A3和A5处理2年平均高19.1%和12.47%。说明“麦/玉/豆”体系更
有利于玉米植株对氮素的吸收和向籽粒运转。
2.2.3 大豆甘薯植株吸氮量 种植模式对大豆与甘薯的植株吸氮量有显著影响(表6),但各生育时期下的规律
不一致。在与玉米共生的大豆分枝期,大豆与甘薯的植株吸氮量均为套作显著低于单作,随着与玉米共生关系的
解除,大豆与甘薯的植株吸氮量又逐渐表现为套作高于单作,且甘薯的吸氮量显著低于大豆。
表5 不同种植模式的玉米植株吸氮量
犜犪犫犾犲5 犖犻狋狉狅犵犲狀狌狆狋犪犽犲狅犳犿犪犻狕犲狌狀犱犲狉狏犪狉犻狅狌狊犮狉狅狆狆犻狀犵狊狔狊狋犲犿狊 kg/hm2
处理
Treatments
2006-2007
地上部总吸氮量Totalnitrogenuptake
拔节期
Jointing
stage
吐丝期
Spinning
stage
成熟期
Maturity
stage
籽粒吸氮量
Grainnitrogen
uptake
2007-2008
地上部总吸氮量Totalnitrogenuptake
拔节期
Jointing
stage
吐丝期
Spinning
stage
成熟期
Maturity
stage
籽粒吸氮量
Grainnitrogen
uptake
A3 1.86b 80.79b 123.05c 54.89b 19.95a 117.38b 186.00b 73.45b
A4 2.71a 114.72a 147.76a 84.91a 20.64a 151.27a 219.58a 104.96a
A5 2.86a 101.08a 134.43b 79.76a 18.41a 125.61b 191.01b 84.97b
表6 不同种植模式的大豆、甘薯植株吸氮量
犜犪犫犾犲6 犖犻狋狉狅犵犲狀狌狆狋犪犽犲狅犳狊狅狔犫犲犪狀犪狀犱狊狑犲犲狋狆狅狋犪狋狅狌狀犱犲狉狏犪狉犻狅狌狊犮狉狅狆狆犻狀犵狊狔狊狋犲犿狊 kg/hm2
处理
Treatments
2006-2007
地上部总吸氮量Totalnitrogenuptake
分枝期
Branching
stage
开花期
Flowering
stage
成熟期
Maturity
stage
籽粒(块根)吸氮量
Grain(earthnut)
nitrogenuptake
2007-2008
地上部总吸氮量Totalnitrogenuptake
分枝期
Branching
stage
开花期
Flowering
stage
成熟期
Maturity
stage
籽粒(块根)吸氮量
Grain(earthnut)
nitrogenuptake
A1 13.24a 146.72b 210.84b 130.94a 8.54a 139.31b 156.01b 111.63b
A2 9.66b 86.88c 105.10d 54.83c 5.42bc 49.51c 94.76c 43.60d
A4 7.39c 207.61a 239.74a 138.89a 6.88b 156.27a 183.71a 130.44a
A5 7.74c 75.74c 127.83c 80.33b 4.98c 52.61c 100.99c 63.56c
注:A1、A4处理的值分别指大豆单作和套作时的植株吸氮量,A2、A5处理的值分别指甘薯单作和套作时的植株吸氮量。
Note:ThevaluesofA1andA4representednitrogenuptakeofsoybeaninsoleandrelaystripintercroppingsystem,respectively.ThevaluesofA2
andA5representednitrogenuptakeofsweetpotatoinsoleandrelaystripintercroppingsystem.
45 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.1
2.3 不同种植模式的套作优势及种间营养竞争能力的差异分析
不同种植模式的套作优势和对氮的竞争能力均不相同(表7)。从套作优势来看,2种套作体系相对单作均表
现出较好的套作优势,相对单作,“麦/玉/豆”套作体系的LER提高了78%~96%,而“麦/玉/薯”则提高了82%
~99%,比“麦/玉/豆”体系高3.12%~5.12%,这主要是甘薯产量极高于大豆产量所致,掩盖了“麦/玉/豆”体系
中小麦、玉米的增产效应。
表7 2种套作体系的土地当量比、种间相对竞争能力和氮的营养竞争比率
犜犪犫犾犲7 犔犪狀犱犲狇狌犻狏犪犾犲狀狋狉犪狋犻狅(犔犈犚),犪狀犱犪犵犵狉犲狊狊犻狏犲狀犲狊狊,犪狀犱狀狌狋狉犻狋犻狅狀犮狅犿狆犲狋犻狋犻狅狀
狉犪狋犻狅狅犳狋狑狅狉犲犾犪狔狊狋狉犻狆犻狀狋犲狉犮狉狅狆狆犻狀犵狊狔狊狋犲犿狊
年度Year
麦/玉/豆 Wheat/maize/soybean
LER Awc Acs NCRwc NCRcs
麦/玉/薯 Wheat/maize/sweetpotato
LER Awc Acs NCRwc NCRcs
2006-2007 1.96 -0.73 0.67 1.03 1.06 1.99 -0.43 0.37 1.19 0.90
2007-2008 1.78 -0.31 0.23 0.91 1.36 1.82 -0.15 0.02 1.05 0.96
LER:土地当量比Landequivalentratio,Awc:小麦相对于玉米的竞争力Theaggressivityofwheatrelativetomaizeintherelaystripintercropping,
Acs:玉米相对于大豆或甘薯的竞争力Theaggressivityofmaizerelativetosoybeanorsweetpotatointherelaystripintercropping,NCRwc:小麦相对
于玉米的氮营养竞争比率Nutritioncompetitionratioofwheatrelativetomaizeintherelaystripintercropping,NCRcs:玉米相对于大豆或甘薯的氮
营养竞争比率Nutritioncompetitionratioofmaizerelativetosoybeanorsweetpotatointherelaystripintercropping.
从种间竞争能力来看,2种套作体系的种间作用关系不一致,作物间对氮的竞争强弱也不一致。在“麦/玉/
豆”体系中,玉米在两年度试验中均表现出极强的竞争优势(犃狑犮<0、犃犮狊>0),小麦表现出相对劣势,但事实上小
麦的生物量和吸氮量相对于单作都增加了,这主要是玉米相对于大豆极强的氮素竞争优势(犃犮狊>0、犖犆犚犮狊>1)掩
盖了小麦的相对竞争优势,从小麦相对于玉米的氮营养竞争比率也可以看出,2年的犖犆犚狑犮均接近于1,其相对
优、劣势受大豆影响很大;该体系中对氮的竞争大豆相对于玉米处于劣势。在“麦/玉/薯”体系中,从种间相对竞
争能力来看,玉米似乎是处于竞争优势(犃狑犮<0、犃犮狊>0),但该值相对于“麦/玉/豆”体系都降低了,说明其优势并
不明显,进一步分析氮营养竞争比率,该体系中玉米在对氮的吸收能力上相对于小麦和甘薯均处于劣势(犖犆犚狑犮
>1、犖犆犚犮狊<1),说明“麦/玉/薯”体系中玉米的增产优势可能与地上部光合作用和边行优势有关,而对地下水
分、养分的竞争吸收上仍处于劣势;该体系中小麦和甘薯相对于玉米在氮素吸收上均处于竞争优势。
2.4 不同种植模式的综合经济产出比较
从两年度试验来看(表8),各模式间全年的总经济产出变化规律为三熟套作>二熟轮作>一熟单作,三熟套
作的总经济产出在13172.55~19324.59元/hm2,比二熟轮作高13.72%~191.11%,比一熟单作高2.04~
3.86倍。从三熟套作来看,小麦/玉米/大豆套作的全年经济产出极高于小麦/玉米/甘薯套作,2年平均高
28.02%。
3 讨论
间套种植能充分有效利用资源,比单作具有明显的产量优势,尤其是豆科与禾本科构成的间套作体系。研究
发现,小麦+大豆、小麦+蚕豆、水稻+花生、玉米+大豆、小麦/玉米、蚕豆+玉米、小麦/棉花(犌狅狊狊狔狆犻狌犿犺犻狉狊狌
狋狌犿)等间套作体系能增强系统的养分吸收和提高养分利用效率,实现产量增加,表现出明显的间套作产量优势
和养分利用优势。
LER[18,19]、种间相对竞争能力[20,21]和营养竞争比率[20,21]通常作为衡量间套作体系产量优势和氮素竞争优势
的指标。如果LER大于1,表明间套作与单作相比更好的运用了植物生长因素,体现出间套作优势。这种优势
的产生可能是由于间套作组分不同的地上、地下生长状态和形态特征,从而可以更加有效的利用植物生长所需的
自然资源,如水、养分和能量辐射等[22]。本研究表明,小麦/玉米/大豆和小麦/玉米/甘薯2种套作体系的LER
值均大于1,具有产量优势,这与刘广才等[23]、焦念元等[24]、宁堂原等[25]、张恩和等[26]在田间试验中对小麦+玉
55第21卷第1期 草业学报2012年
米、玉米+花生、玉米+玉米、小麦+蚕豆等间作体系研究结果一致,即间作相对单作提高了土地利用率,表现出
间作的产量优势。本研究中,尽管2种体系均表现出产量优势,但“麦/玉/豆”与“麦/玉/薯”的种间关系与氮素竞
争关系不同,“麦/玉/豆”体系中,小麦、玉米始终处于竞争的优势地位,大豆处于劣势地位,犖犆犚狑犮>1、犖犆犚犮狊>
1,这一结果也与Xiao等[1],Li等[2]对豆科与禾本科间作体系的研究结果具有相似特点。而“麦/玉/薯”体系中,
小麦、甘薯处于竞争的优势地位,玉米始终处于劣势地位,犖犆犚狑犮>1、犖犆犚犮狊<1,其结果也与前期盆栽根系分隔
试验的结果一致[27]。
表8 不同种植模式的经济产出比较
犜犪犫犾犲8 犜犺犲犲犮狅狀狅犿犻犮狉犲狋狌狉狀狊狌狀犱犲狉狏犪狉犻狅狌狊犮狉狅狆狆犻狀犵狊狔狊狋犲犿狊 元Yuan/hm2
处理
Treatment
2006-2007
小麦
Wheat
玉米
Corn
大豆
Soybean
甘薯
Sweetpotato
总计
Total
2007-2008
小麦
Wheat
玉米
Corn
大豆
Soybean
甘薯
Sweetpotato
总计
Total
A1 5868.09 - 5715.26 - 11583.35 5164.45 - 5203.27 - 10367.72
A2 4988.00 - - 2583.00 7571.01 4715.05 - - 1908.10 6623.15
A3 - 3977.70 - - 3977.70 - 4329.30 - - 4329.30
A4 6155.16 6865.21 6304.22 - 19324.59 5431.68 5877.17 5859.19 - 17168.04
A5 5837.75 6364.31 - 3171.00 15373.06 5289.41 5492.17 - 2390.98 13172.55
注:表中各处理经济产出按2年平均价格计算,小麦1.4元/kg、玉米1.1元/kg、大豆2.4元/kg、甘薯0.32元/kg。
Note:Theeconomicreturnsbasedontheaveragepriceoftwoyearsforwheatgrainwas1.4yuan/kg,corngrainwas1.1yuan/kg,soybeangrain
was2.4yuan/kg,andsweetpotatoearthnutwas0.32yuan/kg.
Li等[2],Wiley[19],Xiao等[1],Shen和Zhu[4]根据生态位理论有效解释了豆科与禾本科间作体系的间作优势
产生机理。根据生态位理论,只要间套作体系存在对同一竞争资源利用时间上错位和吸收利用不同的资源限制
因子,就会降低种间对资源的竞争作用,而表现出“恢复作用”或“促进作用”。本研究中,“麦/玉/豆”体系通过固
氮作物大豆的引入,改变了套作体系中各作物的生态位,使各作物氮素吸收特性发生改变,其中改变最大的是玉
米,在玉米、大豆共生过程中,玉米和大豆在氮素吸收形态上占据不同生态位,玉米以吸收硝态氮、氨态氮等离子
态氮为主,而大豆则更多通过自身根瘤固定N2,此种组合缓解了套作体系对氮素的竞争,并促进玉米对氮素的吸
收;在小麦、玉米共生过程中,又因小麦、玉米的生育期不同,对于养分需求的高峰期错开而表现出玉米对小麦的
促进作用。但是“麦/玉/薯”体系中的玉米和甘薯套作共生时,由于生态位相近,均以吸收硝态氮和氨态氮为主,
不利于玉米对氮的竞争吸收,结果也表明,2007-2008年度“麦/玉/豆”体系中的玉米地上总吸氮量比单作和
“麦/玉/薯”体系分别高18.05%和14.96%,最终使得在地上环境相同的条件下,玉米产量比单作和“麦/玉/薯”
体系高35.75%和7.01%。正因为大豆对玉米的促进作用,使得玉米在与小麦共生时因小麦竞争吸收而损失的
氮及时得到补偿,因此,“麦/玉/豆”体系在地下养分利用上表现出竞争与促进作用并存,即种间竞争与种间互利
作用并存,而且种间互利作用表现十分突出,通过牺牲大豆对氮肥的吸收来促进了小麦、玉米2种作物对氮肥的
吸收;而“麦/玉/薯”体系则更多地表现出种间竞争,促进作用以小麦为主,玉米和甘薯都表现出套作劣势,尤其是
玉米,因无法从甘薯中竞争吸收较多的氮来补偿因小麦竞争吸收的氮而表现出产量劣势。
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75第21卷第1期 草业学报2012年
犘狉狅犱狌犮狋犻狅狀犪狀犱犖狀狌狋狉犻犲狀狋狆犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲狅犳狑犺犲犪狋犿犪犻狕犲狊狅狔犫犲犪狀狉犲犾犪狔狊狋狉犻狆犻狀狋犲狉犮狉狅狆狆犻狀犵
狊狔狊狋犲犿犪狀犱犲狏犪犾狌犪狋犻狅狀狅犳犻狀狋犲狉狊狆犲犮犻犲狊犮狅犿狆犲狋犻狋犻狅狀
YONGTaiwen,YANGWenyu,XIANGDabing,CHENXiaorong,WANYan
(ColegeofAgronomy,SichuanAgriculturalUniversity;KeyLaboratoryofCropPhysiology,Ecologyand
CultivationinSouthwest,MinistryofAgriculture,Wenjiang611130,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Theaimofthispaperwastostudythevariationofinterspeciescompetitivenessintworelaystripin
tercroppingsystem:wheatmaizesoybeanandwheatmaizesweetpotato.Thecharacterofbiomassaccumula
tionandnitrogenuptakewereexaminedforfivecroppingsystemsusingyearsoffieldexperiment.Thecropping
systemsincludedthreesolecroppingsystems(wheatsoybean,wheatsweetpotatoandmaize)andtworelay
stripintercroppingsystems (wheat/maize/soybeanandwheat/maize/sweetpotato).Landequivalentratio
(LER),aggressiveness(A),andnutritioncompetitionratio(NCR)wereintroducedasindexestoevaluatethe
interspeciescompetitivenessineachtreatment.Theresultsshowedthattherewasobviousrelaystripintercrop
pingadvantage(犔犈犚>1,犃狑犮<0,犃犮狊>0,犖犆犚狑犮<0,犖犆犚犮狊>1)inthewheatmaizesoybeanrelaystripinter
croppingsystem,maizeoccupiedthedominantnicheforthewholegrowingstageintherelaystripintercropping
systems,andtheinterspeciescompetitivenessofwheatandsoybeanwerelowerthanthatofthemaize.Compa
ringwiththesolecroppingsystemsandwheatmaizesweetpotatorelaystripintercroppingsystem,thegrain
yieldandnitrogenuptake,totalbiomassandtotalnitrogenuptakeabovegroundofcropswereincreasedsignifi
cantlyatbothflowering(orspinning)andmaturitystagesinthewheatmaizesoybeanrelaystripintercropping
system.Thevaluesofbiomassandnitrogenuptakefortherelaystripintercroppingsystemweregreaterthan
thesolecroppingsystems,andthatofsoybeanstubbleweregreaterthansweetpotatostubble.Thetotaleco
nomicreturnsofcropsinthewheat/maize/soybeanrelaystripintercroppingsystemwashigher28.02%than
thoseofcropsinthewheat/maize/sweetpotatorelaystripintercroppingsystem.
犓犲狔狑狅狉犱狊:wheat/maize/soybean;replaystripintercropping;yield;nitrogenuptake;interspeciescompetitive
ness
85 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.1