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  福建农业学报  2016, Vol. 31 Issue (4): 338-344  
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罗晓棉, 林文雄. 福建山区玉米与花生不同间作比例对产量的影响及其生态机制[J]. 福建农业学报, 2016, 31(4): 338-344.
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LUO Xiao-mian, LIN Wen-xiong. Effect of Varied Maize-peanut Intercropping on Crop Yield and Ecology at Mountainous Regions in Fujian[J]. Fujian Journal of Agricultural Sciences, 2016, 31(4): 338-344.
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通信作者

林文雄(1957-),男,教授,研究方向:作物生理与分子生态学(E-mail:wenxiong181@163.com)

作者简介

罗晓棉(1991-),女,研究生,研究方向:作物栽培学与耕作学

文章历史

收稿日期: 2016-01-10
修回日期: 2016-02-15
福建山区玉米与花生不同间作比例对产量的影响及其生态机制
罗晓棉1, 林文雄2,3     
1. 福建农林大学作物科学学院, 福建 福州 35002;
2. 福建农林大学福建省农业生态过程与安全监控重点实验室, 福建 福州 35002;
3. 福建农林大学作物生态与分子生理学福建省高校重点实验室, 福建 福州 35002
摘要: 八山一水一分田准确指出福建耕地稀缺状况。占总耕地面积达45%的山区低产田和有限的灌溉条件严重制约着全省作物产量, 对低产田的高效利用显得尤为关键。本试验选取玉米//花生的间作方式, 设置3:6、3:8、3:10、3:12等4种间作比例, 在福建莆田大洋乡试验基地, 借助生物的生态位关系及其原理, 开展不同间作比例对间作系统种间关系的影响研究, 探讨间作增产的机制, 以期为福建红壤山区农业作物安排提供借鉴。试验结果表明:(1)相比单作, 玉米与花生在适合比例下是可以取得不同程度的间作效益;(2)3:8间作比例因具有最良好的种间竞争关系, 表现出最大的竞争正效应和最高的资源利用率, 因而其系统生产力最大, 效益最高。
关键词: 玉米    花生    间作    种间关系    间作效益    
Effect of Varied Maize-peanut Intercropping on Crop Yield and Ecology at Mountainous Regions in Fujian
LUO Xiao-mian1 , LIN Wen-xiong2,3     
1. College of Corp Sciences, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China;
2. Fujian Provincial Key Laboratory of Agroecological Processing and Safety Monitoring, School of Life Sciences, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China;
3. Key Laboratory of Crop Ecology and Molecular Physiology, Fujian Agriculture and Forestry University, Fujian Province University, Fuzhou, Fujian 350002, China
Abstract: Fujian has 80% of its land covered by mountains, 10% are under water, and only 10% are farmlands. Moreover, 45% of the limited land for crop growth are in the hilly areas with low crop yields and scant irrigation, which invariably further hinders the farming activities. Therefore, a field experiment was conducted in rural Dayan of Putian city to explore feasible and ecological means for improvements. Four ratios on intercropping maize and peanut, i.e., 3:6, 3:8, 3:10, and 3:12, were tested. It was found that (1) all of the intercropping patterns brought about varying degrees of improvements over monoculture practices;and, (2) among the 4 designs, 3:8 (maize:peanut) ratio showed the highest productivity and most benefits, rendering a maximized facilitation and complementation between the two crops, as well as the greatest utilization of natural resources.
Key Words: maize    peanut    intercropping    interspecies relationship    intercropping advantage    

福建是一个多山的省份,素有“八山一水一分田”之称。全省耕地约1 100 hm2,人均耕地不足半亩,另一方面随近年来进城务工人员越来越多,农村劳动力大量流失,耕地撂荒问题日益突出,福建丘陵山区农业的发展举步维艰。探其问题本质在于丘陵山区耕地质量差,生产力水平低,农村务农人员因生活所需被迫弃地进城务工。因此,提高福建耕地生产力水平是促进福建农业的可持续发展的有效途径。

玉米//花生体系下,玉米与花生之间出现兼具竞争性和互补性的关系,通过合理配置田间水平结构,达到适宜的生态位重叠度,最大程度缓解作物对土地和时间等资源的竞争和最大限度发挥作物间的互惠作用,形成一个多层次、高效率的农业生态系统[1],这对于改善福建山区农田生态系统结构与功能,促进农业可持续发展有重要意义。

前人从各个方面对关于玉米//花生系统中作物最适行比进行研究。焦念元等[2]认为,2行玉米间作4行花生总体在产量、生物量、蛋白质产量、氮磷吸收量以及氮磷吸收利用效率上均高于2∶8行比。李美等[3]则认为8∶16行比的花生生长发育及作物产量品质均优于10∶10行比。肖国滨等[4]认为红壤地区玉米//花生的最高经济价值来自花生所占比例较高的间作模式(2∶12~28)。也有人提出玉米与花生间作最佳比例为4∶12或12∶12[5]。Osman等[6]得出豆科-禾本科间作的最高产量来自66∶33间作比例的结论。

可见,从土壤供给状况、作物产量和品质等单一方面确定玉米//花生间作系统中作物的最适行比的结论不统一,本试验通过对间作农业系统种间生态关系,从竞争互补函数,土地当量比、区域时间等价率、农田利用效率、系统生产力指数、实际产量损失指数、相对拥挤系数、侵占率和竞争比率,以及土壤生境生态适位宜度与作物营养生态位的研究来综合探讨福建红壤山区玉米//花生的最佳比例,以期为当地作物安排提供服务。

1 材料与方法 1.1 试验材料与试验地状况

供试杂交玉米品种为花糯66,为莆田市销售最为广泛的糯玉米品种之一;花生品种为闽花8号,直立紧凑表现丰产,稳定性好,被福建省作物品种审定委员会认定为优良花生品种。

试验于2014年在福建农林大学农业生态研究所试验基地进行,该基地位于福建省莆田市大洋乡瑞云村,经纬度119°5'N,25°43'E,海拔高度328 m。年平均气温21.2℃,年降雨量1 361.2 mm,年日照时数1 911.6 h。当地传统种植制度为1年1熟或1年2熟。供试土壤类型为棕红壤,红土母质,土壤性质均匀。试验地为撂荒多年的农田,耕层土壤厚度约15 cm,试验前肥力状况为水解性氮128.45 mg·kg-1、速效磷23.5mg·kg-1、速效钾79.2 mg·kg-1

1.2 试验设计

2014年田间试验设4个处理:3行玉米间作6行花生;3行玉米间作8行花生;3行玉米间作10行花生;3行玉米间作12行花生;玉米单作;花生单作;各处理分别表示为:①3∶6间作,②3∶8间作,③3∶10间作,④3∶12间作,⑤单作玉米,⑥单作花生。单因素随机区组设计,设置3个重复小区。试验田面积共500 m2

玉米行株距为33 cm×33 cm,花生行株距为25 cm×25 cm,花生与玉米行距为29 cm;花生密度为每667 m2 10 667穴,玉米密度为每667 m26 001穴。

玉米与花生同期播种,播种时间为2014年8月15日。花生收获时间为2014年12月8日,生长周期111 d;玉米收获时间为2014年11月9日,生长周期82 d。所用肥料为复合肥(总养分≥45%,氮、磷、钾:15-15-15)作基肥一次性施用,每667 m2施用量为20 kg。田间管理同当地传统管理。

1.3 测定项目与计算方法 1.3.1 生物量及测产

玉米花生成熟后,每个小区随机选取具代表性的6排玉米和8排花生,整株收获带回实验室,120℃杀青20 min,80℃烘干至恒重,用计算每个小区生物产量和实际产量。

1.3.2 竞争指数计算

(1)土地当量比:国际上将为获得与单位土地面积的间作同样产量所需要的单作土地面积定义为土地当量比(Land Equivalent Ratio,LER)[6, 9-14]。普遍上使用土地当量比判定间作复合农业生态系统单位地力的产出能力,衡量间作优势的大小[12]。公式定义如下:

LER=LERm+LERp

LERm=Yim/Ym

LERp=Yip/Yp

式中,YimYip分别表示间作下玉米的产量与花生的收获产量,YmYp分别表示单作下玉与花生的收获产量。当LER>1时,表示间作复合农业生态系统中,不同作物间生态位重叠程度处于适宜的范围内,物种间的促进作用大于竞争作用,表现为该系统的产出能力高于单一农业生态系统;当LER<1时,则相反;当LER=1时,表示间作复合农业生态系统与单一农业生态系统的产出能力不相上下[11]

(2)区域时间等价率:严格意义上,LER值有效地评估了间作系统的生物效率,但必须同时满足以下条件[15]:其一,间作作物的生产周期要相等;其二,间作作物的播种和收获时间必须和单作作物相同。如果没有达到这2个条件,LER值将因没有把作物生长时间考虑在内而夸大间作系统的生物效率。当间作系统占用农田的时间超过系统中任一作物的生长周期,LER值也会失真。区域时间等价率(Area-Time Equivalent Ratio,ATER)的概念类似于LER,是将产量、土地面积和作物生长周期结合考虑的函数,弥补了LER值的缺陷[11]。公式定义如下:

ATER=[(Yim/Ym)Tm+(Yip/Yp)Tp]/T

式中,T、TmTp分别表间作系统生长天数中,两作物的共生天数、玉米的生长天数、花生的生长天数。当ATER>1时,表示间作系统提高农田的时间效率;当ATER<1时,表示间作系统降低农田的时间效率。

(3)农田利用效率: 农田利用效率(Land Utilization Efficiency,LUE)结合了间作系统的ATER值和LER值描述系统对各方面资源的综合利用效率[15]。具体计算公式如下:

LUE=(LER+ATER)/2

LUED>1时,表示间作系统的综合效益高于单作;当LUED<1时,表示间作系统的综合效益低于单作。

(4)实际产量损失指数: 实际产量损失指数(Actual Yield Lose,AYL)表示间作系统的单株作物产量相比单作的单株产量相对增加或减少的程度[14, 16]。相比其他种间种内竞争相关指数来说,AYL从作物个体的角度更准确描述间作系统的产量效益,间作作物的实际产量损失或收益和对应作物的比例成正比[17]。弥补了LER值不能定量反应由不同间作比例导致的作物产量损失或者增加的不足。

公式定义如下:

AYL=AYLm+AYLp

AYLm=[(Yim/Rm)/Ym]-1

AYLp=[(Yip/Rp)/Yp]-1

AYL值或AYLmAYLp>0时,表示间作系统具产量优势或其单株玉米或花生产量增加;当AYLAYLmAYLp<0时,表示间作系统不具产量优势或其单株玉米或花生产量减少。

(5)系统生产系数:Odoal[18]于1991年提出用系统生产力指数(System Productivity Index,SPI)来评价间作系统。系统生产力指数是用间作优势作物(如玉米)的产量统一伴作物(如花生)的产量来评价间作系统的稳定性大小[11, 14]

SPI=(Ym/Yp)Yip+Yim

式中,YmYpYimYip 分别表示单作玉米、单作花生、间作玉米、间作花生的平均亩产量。

(6)相对拥挤系数:在De Wit[19]的植物竞争理论中引入了相对拥挤系数(Relative Corwding Coefficient,RCC)的概念,用于来衡量间作系统内一作物对于另一作物的相对优势[11, 14]。公式定义如下:

RCC=RCCm·RCCp

RCCm=(YimRp)/(Ysm-Yim)Rm

RCCp=(YipRm)/(Ysp-Yip)Rp

式中:RCC、RCCmRCCp分别表示系统总拥挤系数、玉米对花生的相对拥挤系数与花生对玉米的相对拥挤系数。当RCC>1时,间作系统内种间竞争表现出正效应;当RCC<1时,间作系统内种间竞争表现出负效应;当RCCm=RCCp时,表示间作系统中不存在间作优势;当RCCm>RCCp时,表示间作系统中玉米处于间作优势;当RCCm<RCCp时,表示间作系统中玉米处于间作劣势。

(7)侵占力:研究学者[10, 14]常将间作系统中一作物相对产量的增长程度高于另一作物相对产量的增长程度的大小称为该作物的侵占力(Aggressivity,A)。该指标可比较间作与单作间的效益,同时考虑到作物的种植比例。公式定义如下:

Am=(Yim/YsmRm)-(Yip/YspRp)

Ap=(Yip/YspRp)-(Yim/YsmRm)

式中:AmAp分别表示玉米与花生的侵占力,RmRp分别表示间作系统中,花生与玉米的间作比例。当Am=Ap=0时,表示间作系统中,两作物的竞争力相同;当AmAp时,表示间作系统中,玉米的竞争力强于花生,即玉米占据竞争优势;当Am<Ap时,表示间作系统中,花生的竞争力强于玉米,即花生占据竞争优势;

(8)竞争比率:竞争比率(competitive ratio,CR)是比较间作系统中作物竞争能力的一种指标[20-21]。其考虑到作物种植比例,弥补土地当量比的不足,且优于ARCC[14, 17]

公式定义如下:

CRm=(LERm/ LERp)·(Rp/Rm)

CRp=(LERp/ LERm)·(Rm/Rp)

式中CRmCRp分别表示玉米和花生的竞争比率。当CRm>CRp时,表示间作系统中玉米的竞争力强于花生;当CR值<1时,表示间作系统中花生的竞争力强于玉米。

1.3.3 数据分析

测定所得所有数据用分析软件Excel 2007进行初步分析、再用用DPS(v7.05)软件进行差异性显著分析(LSD法)。

2 结果与分析 2.1 土地当量比

不同比例间作的土地当量比试验结果如表 1所示:玉米//花生并不是在任意间作比例下相对单作都具有增加收获产量的效益。所有被试验的间作比例中,属3∶8间作比例的收获产量表现最优,相比表现最差的3∶12间作的0.99,其LER值达1.08,极显著高于其他间作比例。而收获产量表现稍差的是3∶6间作和3∶10间作,都显著高于3∶12间作。从生物总量来看,3∶6和3∶8间作的LER值显著高出3∶10间作,同时3∶12间作的LER值(1.09)再次极显著低于其他间作比例。在所有的间作比例下,生物总量的LER值均大于1且超过收获产量的LER值,表明间作增产效益也表现在作物秸秆的增产。不同间作处理下秸秆的增产效益(生物总量LER—收获总量LER)大小为:3∶6间作>3∶10间作>3∶12间作>3∶8间作。

表 1 不同种植方式下每667 m2作物产量对比 Table 1 Effect of intercropping on biomass and yield of crops (mean±SD)
2.2 不同间作比例的竞争指数评价

试验结果表明(表 2):所有间作比例下,ALY均在0以上,表明所试验的间作系统均存在间作优势。3∶8间作的AYL值最高(0.23),极明显高出其他间作比例2倍以上。AYLm 均在0以上,表明对比单作所有间作比例玉米产量均有所增加,尤以3∶8间作下的产量增幅达极显著水平,约为其他系统的两倍。AYLp除3∶8间作外均小于0,表明在该间作系统中花生容易处于劣势地位;3∶12间作的ALYp值最低,花生的产量损失程度极为显著。

本试验将玉米的平均单位产量统一花生的平均单位产量来计算系统生产力指数(SPI)。各系统的SPI如下:3∶8间作(188.29)>3∶6间作(178.77)>3∶10间作(177.25)>3∶12间作(173.94)>单玉(173.79),相比单作,依次增产8.34%、2.86%、1.99%、0.01%,该趋势与LER的结果一致(表 2)。

表 2 不同间作比例对AYL和SPI的影响 Table 2 Effect of intercropping on ALY and SPI
2.3 区域时间等价率和农田利用效率

该试验条件下,所有间作比例的ATER均未达到1以上,表明相对单作而言间作的农田时间资源不同程度流失,其时间资源利用效率降低;各间作比例间,3∶8间作的ATER极显著大于其他间作处理;同时,3∶12间作处理的ATER则显著小于3∶10和3∶6处理(表 3)。

表 3 不同间作比例对ATER和LUE的影响 Table 3 Effect of intercropping on ATER and LUE (mean±SD)

从基于ATERLER计算所得的LUE来看,3∶8间作下的LUE极显著被提高(达1.06);3∶12的LUE最低,显著低于3∶6、3∶10间作(表 3)。

2.4 相对拥挤系数

表 4所示,所考虑的间作比例中,除3∶12间作的RCC值小于1,表现间作系统内种间竞争负效应,其他间作比例均大于1,表现间作系统内种间竞争正效应。3∶8间作的RCC(1.44)最大,表现出种间竞争正效应极显著强于其他间作系统。除3∶8间作的RCCm(1.35)存在极显著差异外,其他间作比例下的RCCm(1.14~1.18)间没有显著差别。各间作比例的RCCp值表现出与其实际产量损失指数相似的差异:3∶8间作极显著大于其他间作系统;3∶12间作极显著低于3∶6和3∶10间作系统。

表 4 不同间作比例对RCC的影响 Table 4 Effect of intercropping on RCC (mean±SD)
2.5 侵占力和竞争比率

作物的ACR的比较结果如表 5所示。在所有间作比例中Am均为正值,Ap均为负值,表明玉米在该间作模式中处于竞争优势地位,花生处于竞争劣势地位。各试验下Am(-Ap)在0.11~0.19。除3∶8间作的Am(-Ap)显著强于3∶6间作外,其他间作比例间无统计学上的显著差异(表 5)。

表 5 不同间作比例对A和CR的影响 Table 5 Effect of intercropping on A and CR (mean±SD)

被试验的各间作比例的CRm均大于CRp,且其趋势和显著性差异均与A相同,结果表明玉米与花生间作系统内作物的竞争力呈彼弱我强的规则(表 5)。

3 讨论与结论

2014年9月以后莆田市气温异常偏高,降水持续偏少,夏秋连旱严重,加秋台风影响,莆田全市农业显著减产,无灌溉条件田块缺墒现象突出,减产最为严重[22]。本次试验受夏秋连旱和秋台风影响,作物整体产量尤其是高秆作物玉米的产量发生一定程度下降。

相对单作,各间作比例的LER在0.99~1.08间波动,即在一定的间作比例下,玉米//花生是具有间作优势的。LITHOURGIDIS A S[17]研究了不同比例下谷物//豌豆的LER在0.98~1.19,任媛媛[14]研究了不同比例下玉米//大豆的LER在1.01~1.29。所以,禾本科//豆科是在一定的比例下可以极大提升系统的产出能力,增加产量收益。

SPI可以表征系统的稳定性[14],各系统以优势作物玉米为基础计算所得SPI值(289.67~267.38)均大于单作玉米267.25,结果表明玉米//花生可以或多或少提高系统的稳定性。研究学者认为,因为间作具有系统稳定性好、效率高的特点,所以备受农业生产者和农学家的推崇[17, 23]

作物的ACR越大预示着该作物所形成的小生态系统内对邻近作物的竞争力越大,作物的RCC越大1预示着种间竞争对该作物本身的正效益越多,这与系统内作物生长资源的配置和产量的形成有密切关系[13, 17]。玉米在被试验的间作体系中表现出高于花生的种间竞争力(Am>0>ApCRmCRp)和种间竞争效应(RCCmRCCp)。可以认定玉米在间作系统中占据优势地位[9],具体表现在玉米的实际单株产量的增产明显(AYL值均大于0.1);而花生在间作系统中占据劣势地位,具体表现在花生的实际单株产量略有损失。张福锁等[24]关于玉米//豆科、GHOSH[25]关于谷子/花生、LITHOURGIDIS A S[17]关于谷子//豌豆的研究均得出禾本科作物相对豆科作物拥有强大的竞争力和资源掠夺力的结论。

根据ZHANG F S[26]报道的“竞争-恢复产量”理论,在合理的间作比例下,通过充分发挥优势作物种间竞争正效应来恢复劣势作物因种间竞争负效应所带来的产量损失,从达到提高整个系统资源利用率和生产力的期望。本试验的间作比例生产状况评价如下:

3∶8间作的生物总量和收获产量均领先于其他间作比例。相比其他间作比例,3∶8间作下优势作物玉米拥有最强的种间竞争力(Am=0.19、CRm=1.18),并取得最好的种间竞争正效应(RCCm=1.35>1),具体体现在实际单株产量增产21%。劣势作物花生的种间竞争力不足,却是唯一取得种间竞争正效应且实际单株增产2%的间作比例(RCCp=1.07>1),可能原因是玉米对花生的种间促进作用弥补花生竞争力弱的缺陷。由于整个3∶8间作系统的实际产量损失指数(0.23)够大,足以弥补因后期短生长期作物被收获以后闲置地块所带来时间空间等资源上的损失,使农田利用率极显著高于其他间作比例,整个系统生产力达较高的水平。

对比其他间作比例,3∶6间作下的AmCRm最小,种间竞争能力最弱,可能在该间作系统中对于处于优势地位的玉米来说来自于种内的竞争力强于来自花生的竞争。而在此时,ApCRp最大,种间竞争能力最强,可相对于玉米仍处于弱势地位,表现为该间作比例下RCCp<1,即花生在种间竞争中获得负效应。3∶6间作的生物总量并不比其他间作比例低,最后的收获产量却极显著低于拥有同等生物总量的3∶8间作,造成这个结果的可能原因是3∶6间作系统下的花生由于高杆玉米的严重遮阴作用而贪青徒长造成实际产量的损失[1];同时由于花生的行数过少,因生物固氮而额外释放到土壤的氮营养有限[27],玉米个体数较多,玉米土壤生境生态位指数降低,种内竞争比种间竞争更激烈,来自于种内竞争压力促使优势作物玉米并不能充分发挥种间竞争优势。整个系统的资源利用率和生产力属于中等水平。

3∶10间作系统的资源利用率和生产力水平与3∶6间作相似。3∶10间作系统下玉米的AmCRmRCCmAYPm均略高,花生的ApRCCp均略低于3∶6间作。即相对3∶6间作,3∶10间作下玉米所发挥间作优势略多一点,但由于系统的玉米比例(18.37%)低于3∶6间作(27.27%)。在花生生产力水平相同的情况下,3∶10间作系统的生产力水平反而稍低于3∶6,属中等水平。

3∶12间作的种间关系处于最不理想的境况,表现在该系统下的作物种间竞争效应低于甚至极显著低于其他间作系统。最后反映在玉米和花生的实际单株产量均处于低产状况。整个系统的资源利用率和生产力属于低水平。

与单作相比,玉米//花生具有间作优势。3∶8间作系统的种间竞争关系最佳,竞争效应最为明显,其整个系统生产力最佳。该结果对实际生产有参考价值和指导意义。

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