全 文 ：中国生态农业学报 2009年 1月 第 17卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2009, 17(1): 7−12


* 国家自然科学基金项目(50679082)、国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2006AA100209)、中央级公益性科研院所基本科研业务
费专项基金(JBKY0032007018CAAS, 2007-14)和商丘农田生态系统国家野外观测研究站开放基金资助
** 通讯作者: 段爱旺(1963～), 男, 汉族, 博士, 研究员, 主要从事作物高效用水研究。E-mail: duanaiwang@yahoo.com.cn
高阳(1978～), 男, 蒙古族, 博士研究生, 研究方向为节水灌溉基础理论与技术。E-mail: gylcx0944@yahoo.com.cn
收稿日期: 2007-12-07 接受日期: 2008-03-24
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2009.00007
单作和间作对玉米和大豆群体辐射利用率
及产量的影响*
高 阳 1,2 段爱旺 1,2** 刘祖贵 1,2 申孝军 1 刘战东 1 陈金平 1
(1. 中国农业科学院农田灌溉研究所 新乡 453003;
2. 农业部作物需水与调控重点开放实验室 新乡 453003 )
摘 要 通过两个生长季(2006～2007 年)的大田试验, 研究了 1︰ 3 和 2︰ 3 两种间作模式及单作种植对玉米
和大豆群体辐射截获与利用以及产量的影响。结果表明, 单作玉米、单作大豆、1︰ 3间作和 2︰ 3间作的消光
系数分别为 0.45、0.60、0.53和 0.52。播后第 79 d前, 间作和单作玉米的干物质量间差异不显著; 此后, 1︰ 3
间作玉米的干物质量极显著高于单作玉米, 1︰ 3 和 2︰ 3 间作模式之间玉米干物质量的差异显著; 观测期内,
大豆干物质量单作和间作间差异显著。玉米/大豆 1︰ 3间作群体的辐射利用率(3.51 g·MJ−1)和 2︰ 3间作群体
的辐射利用率(3.49 g· MJ−1)约为单作大豆辐射利用率(1.24g· MJ−1)的 2.8倍, 但略低于单作玉米(3.56 g· MJ−1)。
虽然单作玉米和大豆的籽粒产量均高于间作群体内玉米和大豆的籽粒产量, 但间作群体的总产量分别比单作
玉米和大豆的产量高约 6.0%和 320%; 间作种植收入比单作玉米高 56%～60%, 比单作大豆高 70%～74%。本
研究表明, 间作种植能够通过更有效地利用光能来增加作物产量, 进而提高农民收入。
关键词 玉米 大豆 间作 消光系数 辐射利用率 产量
中图分类号: S161.1 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2009)01-0007-06
Effect of monoculture and intercropping on radiation use efficiency and yield
of maize and soybean
GAO Yang1,2, DUAN Ai-Wang1,2, LIU Zu-Gui1,2, SHEN Xiao-Jun1, LIU Zhan-Dong1, CHEN Jin-Ping1
(1. Institute for Farmland Irrigation Research, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453003, China;
2. Key Lab for Crop Water Requirement and Regulation of Ministry of Agriculture, Xinxiang 453003,China)
Abstract Field experiments were conducted to investigate the effect of two intercropping patterns (maize-soybean 1︰3 and 2︰3)
and corresponding monoculture on the capture and use of solar radiation and on yields of maize and soybean in two growing seasons
(2006 and 2007). Results show that light extinction coefficients of monocultured maize and soybean, and 1︰3 and 2︰3 intercrop-
ping are 0.45, 0.60, 0.53 and 0.52 respectively. There is no significant maize biomass difference between the intercropping and
monoculture before 79 days after sowing. After the 79-day period, maize biomass in 1︰3 intercropping becomes significantly higher
than that of maize monocultured at 0.01 probability level. There is a significant difference in maize biomass between 1︰3 and 2︰3
intercropping at 0.05 probability level. Soybean biomass of intercropping and monoculture is significantly different. RUE value of 1
︰3 (3.51 g·MJ−1) and 2︰3 intercropping (3.49 g·MJ−1) is about 2.8 times that of monocultured soybean (1.24 g·MJ−1). However,
it is slightly less than that of the monocultured maize (3.56 g·MJ−1). Grain yields for monoccultured maize and soybean are more
than those for intercropping treatments. However, total yields for intercropping treatments are 6.0% and 320% higher than the yields
for monocultured maize and soybean respectively. Incomes from the two intercropping systems are 56% ~ 60% and 70% ~ 74%
higher than those from monocultured maize and soybean. The findings suggest that intercropping may help increase crop production
through more efficient utilization of solar radiation, hence increase farmers’ income.
8 中国生态农业学报 2009 第 17卷


Key words Maize, Soybean, Intercropping, Light extinction coefficient, Radiation use efficiency, Yield
(Received Dec. 7, 2007; accepted March 24, 2008)
现代农业生产中, 为了获得较高产量已采用了
许多方法, 包括提高水分和养分、太阳辐射和 CO2
以及土地的利用效率。但是有些农业资源越来越少,
对农业生产构成了威胁[1]。然而, 太阳辐射量相对保
持稳定, 是一种可更有效地用于粮食生产的资源。
随我国人口快速增长, 人均耕地面积逐渐减少。为
保证粮食供给, 不仅需要提高单位面积单季的产量,
而且需要提高复种指数, 使有限的耕地资源得到最
充分的利用。间作是一种在时间和空间上实现种植
集约化的种植方式, 能够提高光能利用率, 同时可
充分地利用温、水、肥等资源, 从而提高单位面积
产出效率[2]。为了评价作物对光合有效辐射的利用
率, Biscoe 和 Gallagher 提出了 3 个重要指标: 辐射
截获率(F)、辐射利用率(RUE)、收获指数(HI)[3]。在
过去的几十年中, 研究人员对间作模式下辐射的截
获与利用进行了诸多研究[4−8]。
作物生育期内辐射截获率取决于冠层叶面
积[3,9−11]。对于单作和间作系统, 作物生物量都与辐
射截获量呈正相关[9,12]。Marshall和 Willey通过研究
粟/花生间作群体的光能利用, 认为间作粟和单作粟
的 RUE相近, 但间作花生的 RUE比单作高 45%[13]。
Harris 等研究了高梁/花生间作群体的 RUE, 发现间
作高梁的 RUE 比单作低 20%, 但间作花生的 RUE
比单作高 20%[14]。降低高梁的 RUE, 增加花生的
RUE导致高梁/花生间作没有产量优势[15]。Tsubo等
使用这 3个指标评价了玉米/大豆 1︰1间作系统, 结
果表明, 间作 F 高于单作, 单作玉米的 RUE 高于其
他种植模式, 种植系统间 HI 没有差异, 种植方式对
F、RUE和 HI没有影响[16]。从这些结果可知, 间作
群体在辐射截获和利用总效率上与单作玉米相等。
因此, 单作玉米和大豆种植在同一区域时, 间作的
辐射截获效率高于单作。Tsubo 和 Walker认为间作
和单作玉米的 RUE没有差异, 而间作大豆的 RUE高
于单作, 这可以解释间作的产量优势[6]。对于玉米/
花生间作群体, Awal 等指出与玉米间作降低了花生
的消光系数, 间作群体的 RUE是单作花生的 2倍多,
但略低于单作玉米[1]。
玉米 /大豆间作种植是我国北方普遍实施的一
种种植模式[17], 可充分利用光、热、水和养分资源,
实现粮油同步增产。研究玉米/大豆间作群体内的光
能截获与利用, 对于选择和确定适宜的间作种植模
式及建立科学合理的管理措施都十分重要。为此 ,
本研究系统地观测了光合有效辐射在玉米 /大豆间
作冠层内的分布规律, 对玉米/大豆不同间作种植模
式下两种作物的光合有效辐射利用率进行了分析
研究。
1 材料和方法
1.1 试验方法
试验于 2006～2007 年在位于河南省商丘市的
商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站进行。
研究站地理位置为东经 115.4°, 北纬 34.27°, 海拔
51 m。试验点多年平均降雨量为 705.1 mm, 多年平
均蒸发量为 1 751 mm。土壤类型为潮土。
供试玉米品种为“郑单 958”(“豫玉 33”), 大
豆品种为“豫豆 22”。玉米和大豆同时播种, 播种日
期为 2006 年 4 月 22 日和 2007 年 4 月 16 日; 玉米
的收获日期为 2006 年 8 月 20 日和 2007 年 8 月 18
日, 大豆的收获日期为 2006年 8月 27日和 2007年
8 月 25 日。试验设置 4 种种植模式处理, 分别为单
作玉米(M)、单作大豆(B)、玉米/大豆 1︰3 种植(I1)
和玉米/大豆 2︰3 种植(I2), 重复 4 次。试验小区面
积为 6.0 m × 10 m。单作玉米行距 50 cm, 株距 30 cm;
单作大豆行距 30 cm, 穴距 20 cm。间作中玉米行与
大豆行相距 30 cm(玉米与大豆相邻行的距离); 玉米
行距 30 cm, 株距 30 cm; 大豆行距 30 cm, 穴距 20
cm。试验在大田条件下进行, 灌水、施肥及作物管
理按当地习惯进行, 以充分保证作物生长发育需求
为基础。
1.2 指标的测定与计算
1.2.1 光合有效辐射截获率
在播后第 30～100 d, 每隔 7～10 d观测冠层的
光合有效辐射 (Photosynthetically active radiation,
PAR)截获状况。观测选择在晴天, 使用 LI-COR 公
司的 LI-190SA 和 LI-191SA 光量子传感器分别观测
冠层上方(冠层上方 20 cm 处)的入射光合有效辐射
和冠层内(地表处)的光合有效辐射, 用 LI-1000数据
采集器自动记录数据。每次观测分 3个时间段进行,
分别为 7:30～8:40、11:30～12:40和 15:30～16:40。
观测时每个处理持续记录 20 min, 取平均值。
观测 PAR 在冠层内的空间分布状况时, 在与行
水平垂直的方向上每 10 cm观测 1次, 记录 10个数
据后换到下一个位置观测。
1.2.2 生物量和叶面积
生育期内每 7 d测定 1次地上部生物量, 每个小
区取 5株作为 1个样本。玉米样本分为叶片、茎秆、
第 1期 高 阳等: 单作和间作对玉米和大豆群体辐射利用率及产量的影响 9


穗部分别测定; 大豆样本分为叶片、茎秆、豆荚分
别测定。采集的鲜样品在 105 ℃下杀青 1 h 后, 80
℃下烘 24 h后称重。
生育期内每 7 d 用量测法观测作物叶面积: 玉米
叶面积＝长×宽×0.70, 大豆叶面积＝长×宽×0.75。
均以全田的面积计算单作和间作作物的叶面积指数
(Leaf area index, LAI)。每个小区取 5株作为样本。
1.2.3 光合有效辐射截获利用率的计算
玉米/大豆间作群体内, 第 1 层玉米截获的辐射
率(FM1)为:
(1)
式中, LM1为第 1层玉米的 LAI, KM为玉米的消光系
数。利用 Keating和 Carberry[15]的方程, 第 2层玉米
和大豆截获的辐射率(FM2和 FB)为:


(2)


(3)
式中, LM2和LB为第 2层玉米和大豆的LAI, KB为大豆的
消光系数。假定叶片随机分布, 用下式计算 LM1和 LM2:
1
M B
M M
M
h hL L
h
−= (4)
2
B
M M
M
hL L
h
= (5)
式中, hM和 hB为玉米和大豆冠层高度, LM为整株玉
米的叶面积指数。
玉米和大豆的辐射利用率(RUE)用下式计算:

0 1 2( )
M
M
M M
WRUE
I F F
= + (6)

(7)

式中, WM和 WB分别为玉米和大豆的干物质, I0为辐
射量(MJ·m−2), FB为大豆的辐射截获率。
应用统计分析软件 SPSS13.0 进行 LSD 单因素
方差分析。
2 结果与分析
2.1 不同种植方式的叶面积指数与辐射截获
图 1给出了播后第 30～110 d各处理的叶面积指
数变化。播后第 80 d单作玉米的 LAI达到最大值 3.69,
单作大豆的 LAI 也达到最大值 6.02。此时, 间作处理
I1玉米的 LAI低于单作玉米, I2处理玉米的 LAI与单
作玉米的 LAI相近(相差小于 0.5)。间作 I1和 I2处理
大豆的 LAI均低于单作大豆的 LAI。I2 处理的 LAI 略
大于 I1的 LAI (相差小于 0.8)。I1和 I2处理的群体的
LAI均小于单作大豆, 但高于单作玉米。
各处理的光合有效辐射截获率(F)的对数与叶
面积指数有较好的相关性(R2>0.95)(图 2)。ln(1−F)
与 LAI的比值为消光系数(k)。单作玉米的 k值为 0.45,
单作大豆的 k为 0.60; I1的 k为 0.53, 几乎与 I2(k＝
0.52)相等; k值的范围为 0.3～1.5。Jones指出水平分
布叶片的 k值大于 1.0, 非水平分布叶片的 k值小于
1.0[18]。本研究中, 各处理的 k值都小于 1.0, 表明叶
片为非水平分布。但与其他 3 个处理相比, 单作大
豆有较大的 k值, 表明单作大豆的叶片较其他 3个处
理的叶片更水平[16]。
2.2 不同种植方式冠层内 PAR透射率
从图 3可以看出, 单作玉米冠层内, 5月 31日辐
射几乎全部到达地面 , 表现为行间 20～40 cm 的
PAR透射率接近 100%。此后, 随玉米冠层发育, PAR
透射率逐渐降低。单作大豆冠层内 PAR透射率与单作
玉米变化相似, 只是 PAR 透射率比单作玉米下降快。
间作群体只观测了半个条带内的 PAR 透射率分布(图
3)。间作冠层内, 在接近大豆种植行处, PAR透射率明
显下降。在 6月 16日之前, 间作冠层内 PAR分布的空
间变化很明显; 此后, 由于叶面积指数增加, 从玉米
行到大豆行间 PAR透射率变化已不明显。

图 1 间作 I1(a)和 I2(b)及单作玉米和大豆(c)的叶面积指数
Fig.1 Leaf area index (LAI) of maize and soybean under intercropping systems I1(a), I2(b) and monoculturing system (c)
1 11 exp( )M M MF K L= − −
( )22 2
2
1 expM MM M M B B
M M B B
K LF K L K L
K L K L
= × − − −⎡ ⎤⎣ ⎦+
( )2
2
1 expB BB M M B B
M M B B
K LF K L K L
K L K L
= × − − −⎡ ⎤⎣ ⎦+
0
B
B
B
WRUE
I F
=
10 中国生态农业学报 2009 第 17卷




图 2 不同处理叶面积指数与光合有效
辐射截获率的关系
Fig. 2 Relationship between LAI and radiation trapping rate in
different cropping systems
2.3 不同种植方式下作物的干物质积累与辐射利用率
不同种植方式下玉米和大豆地上部生物量积累情
况见表 1。播后第 79 d以前, 玉米干物质量不同种植方式
间差异不显著; 此后, 间作 I1 处理的玉米干物质量极显
著高于单作玉米, I1和 I2处理间差异显著。生育期内,
大豆干物质量不同种植方式间差异不显著。
图 4 为不同种植方式下作物群体的辐射利用
率。在整个观测时期内, 单作和间作 I1 处理玉米的
辐射利用率均大于 2.0 g·MJ−1。间作玉米和单作玉
米的辐射利用率变化趋势基本相似, 间作 I1 玉米的
平均辐射利用率为 3.44 g·MJ−1, I2为 3.39 g·MJ−1;
单作玉米的平均辐射利用率为 3.56g·MJ−1。无论是
单作还是间作, 大豆的辐射利用率均低于玉米, 这
是因为 C4植物能转化更多的能量。间作 I1 大豆的
平均辐射利用率为 1.33 g·MJ−1, I2为 1.30 g·MJ−1,
单作大豆的平均值为 1.24 g·MJ−1。I1 间作群体的
平均辐射利用率为 3.51 g·MJ−1, I2间作群体的平均
辐射利用率为 3.49 g·MJ−1, 略低于单作玉米, 但高
于间作群体玉米的辐射利用率, 更是明显地高于大
豆的辐射利用率(2.8倍)。
2.4 不同种植方式下作物籽粒产量
从表 2 可以看出, 单作玉米的籽粒产量极显著
高于间作 I1和 I2处理, 玉米产量 I1和 I2处理间差
异不显著。单作大豆的籽粒产量显著高于间作 I1处
理, 极显著高于间作 I2处理; 大豆产量 I1和 I2处理
间差异不显著。玉米单作时籽粒产量最高, 玉米/大


图 3 不同时期不同种植方式下作物冠层内 PAR透射率变化
Fig.3 PAR transmissivity through crop canopy of each treatment in different time
第 1期 高 阳等: 单作和间作对玉米和大豆群体辐射利用率及产量的影响 11



表 1 2007年单作和间作条件下玉米与大豆的地上部干物质积累
Tab. 1 Accumulation of above ground dry matter of maize and soybean in monocultures and intercropping in 2007 g·plant−1
玉米Maize 大豆 Soybean 播后天数
Days after sowing 单作
Monoculture
间作 I1
Intercropping 1
间作 I2
Intercropping 2
单作
Monoculture
间作 I1
Intercropping 1
间作 I2
Intercropping 2
19 0.17±0.03a 0.13±0.03a 0.14±0.05a 0.21±0.01a 0.22±0.04a 0.19±0.04a
27 0.54±0.08a 0.51±0.04a 0.56±0.11a 0.39±0.03a 0.37±0.03a 0.34±0.06a
35 2.18±0.66a 2.30±0.50a 2.08±0.45a 0.83±0.10a 0.85±0.17a 0.75±0.21a
43 11.09±2.39a 11.23±1.80a 11.41±2.38a 1.96±0.39a 1.84±0.27a 2.26±0.54a
49 21.60±3.14a 22.08±2.02a 21.74±1.63a 4.20±0.19a 3.44±0.34a 3.80±0.32a
55 41.34±9.19a 41.43±6.03a 41.44±5.53a 5.84±0.98a 7.55±0.50a 6.66±1.52a
63 73.77±12.07a 84.20±13.05a 75.66±14.82a 12.24±0.83a 13.77±2.63a 10.07±1.23a
69 89.23±15.06a 113.56±11.58a 94.79±16.98a 18.94±0.82a 22.42±5.44a 18.99±4.20a
79 133.23±12.36bB 177.10±12.04aA 142.23±14.94bAB 29.02±2.54a 30.12±3.56a 25.37±6.70a
90 172.06±11.53bB 240.10±19.30aA 197.45±13.39bAB 32.56±2.64a 34.56±3.84a 32.56±8.20a
104 228.45±11.05cB 310.12±12.46aA 264.56±14.35bB 39.56±7.50a 41.12±7.85a 40.53±7.50a
114 280.65±14.10cB 350.23±14.04aA 320.45±19.87bAB 44.56±10.13a 46.56±9.14a 47.56±5.16a
124 301.23±21.78cB 370.56±25.41aA 345.23±21.95bAB 43.23±7.84a 44.63±4.97a 45.36±5.94a
131 40.23±7.44a 42.35±5.55a 41.36±5.97a
不同大小写字母分别表示处理间在 P<0.01和 P<0.05水平差异显著。下同。Different capital and small letters mean significant difference
among treatments at P<0.01 and P<0.05.

表 2 不同种植方式下作物籽粒产量
Tab.2 Grain and pod yield of maize and soybean under different cropping systems kg·hm−2
玉米Maize 大豆 Soybean 间作群体
Intercropping system
单作
Monoculture
间作 I1
Intercropping 1
间作 I2
Intercropping 2
单作
Monoculture
间作 I1
Intercropping 1
间作 I2
Intercropping 2
I1 I2
产量
Yield
9 560.60aA 8 145.36bB 8 339.52bB 2 398.81aA 1 945.84bAB 1 799.65bB 10 091.20a 10 139.17a


图 4 不同种植方式下作物的辐射利用率
Fig. 4 RUE for different cropping systems
豆间作时 , 玉米的实播面积减少 , 播种密度降低 ,
玉米籽粒产量也随之下降, I1 间作玉米籽粒产量约
为单作的 85%, I2为 87% (表 2)。这说明在该种间作
模式下, 单行玉米的增产效果不足以弥补大豆占用
面积所引起的籽粒产量下降。I1 间作大豆的籽粒产
量约为单作的 81%, I2 为 75%。表明当大豆与玉米
间作时, 由于玉米的遮荫, 使大豆籽粒产量下降。但
是, 玉米/大豆间作的总籽粒产量仍高于单作, I1 和
I2 群体间作总籽粒产量比单作玉米的籽粒产量约增
加 6%, 比单作大豆的籽粒产量约增加 320%。2︰3
间作(I2)群体的总产量略高于 1︰3间作(I1), 但差异
不显著。
3 小结
间作群体内作物间的相互作用对光环境影响较
大, 而光环境的改变最终会影响间作群体的籽粒产
量, 因此, 准确观测辐射在冠层内的分布将有助于
揭示间作种植的产量优势机理。间作冠层内多种作
物叶片相互重叠对辐射的传输影响较大。本文只在
行内每隔 10 cm 观测了光合有效辐射的空间分布,
为了更细致地研究间作冠层内的辐射分布, 应以更
小的距离步长观测光分布, 同时还应观测不同高度
的光合有效辐射量, 这样能更为准确地描述间作冠
12 中国生态农业学报 2009 第 17卷


层的光环境。试验结果表明, 玉米/大豆以 1︰3 和
2︰3 间作, 群体的消光系数高于单作玉米, 但低于
单作大豆。对于间作种植, 只计算了群体的消光系
数, 这是由于大豆叶片和玉米下部冠层的叶片相混
合 , 难以准确观测和区分两种作物叶片截获的辐
射量。
本研究表明, 玉米/大豆间作群体的辐射利用率
虽略低于单作玉米, 但约为单作大豆的 2.8倍; 间作
群体总籽粒产量比单作玉米约增加 6.0%, 比单作大
豆约增加 320%。河南地区玉米和大豆的收购价格约
为 1.2 元·kg−1和 4.4 元·kg−1。按此价格计算, 单
作玉米和单作大豆每公顷的收入约为 11 472.72元和
10 554.75元; 而 1︰3和 2︰3间作每公顷的收入约
为 18 336.13元和 17 925.88元。间作种植每公顷的
收入比单作玉米高 56%～ 60%, 比单作大豆高
70%～74%。这表明, 间作种植能够通过更有效地利
用光能来增加作物产量和经济效益, 有利于保障粮
食安全和提高农民收入。
本文只研究了玉米/大豆 1︰3和 2︰3间作种植
模式下的辐射利用率 , 为了促进间作系统的发展 ,
还应根据当地的气候条件, 研究不同组合方式下的
辐射利用率, 以确定最优的间作种植模式。
参考文献
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