趙建華，孫建好，李偉綺

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州730070)

甘肅河西走廊灌區(qū)光熱資源豐富，適宜發(fā)展間套作種植，該區(qū)域間套作種植模式多樣，其中玉米(Zea maysL.)‖豌豆(Pisum sativumL.)是當?shù)剞r(nóng)戶較為普遍采用的禾本科‖豆科間作模式?；镜纳鷳B(tài)學理論認為，間作作物種植在一起，種間相互作用(種間競爭與互補)必然同時發(fā)生，由于間作物種存在生物學特性差異，因此對資源需求會產(chǎn)生時間和空間上的生態(tài)位分離，從而促成間作物種種間相互作用對資源的高效利用［1-4］，這正是間作種植體系發(fā)揮間作優(yōu)勢的內(nèi)因。據(jù)此，若間作作物種植環(huán)境變化將直接導致間作物種對其環(huán)境資源利用的變化，從而影響間作體系作物生產(chǎn)力及間作物種間相互作用。有大量研究關注間作體系作物種間配置、空間布局、水氮資源的供應水平等對間作體系作物產(chǎn)量和種間相互作用的影響［5-7］;也有眾多學者針對玉米‖豌豆體系做了此類研究，如劉淑梅等［6］研究發(fā)現(xiàn)在玉米‖豌豆體系中，玉米種植行距變化對間作作物產(chǎn)量和種間競爭力影響顯著;滕園園等［7］發(fā)現(xiàn)在玉米‖豌豆體系中適當?shù)屎笠瓶商嵘w系經(jīng)濟產(chǎn)量和作物水分利用效率;不同的根系分隔方式［8］、不同的供氮水平［9-10］亦會影響玉米‖豌豆體系種間互作效應。

在水資源匱乏的河西走廊灌區(qū)，地膜覆蓋成為當?shù)剞r(nóng)戶普遍采用的保水保溫種植方式。研究表明，地膜覆蓋可有效提高作物產(chǎn)量，減少地面水分散失，保持土壤溫度，提高水分利用效率［11-13］。以往對于作物覆膜的研究多關注單作種植體系，對于間作體系中作物覆膜后產(chǎn)量產(chǎn)生怎樣的變化，種間互作效應又產(chǎn)生怎樣的變化關注較少，本研究以玉米間作豌豆體系為研究對象，針對間作體系作物覆膜效應對間作作物產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因子、種間互作的影響開展研究，旨在探明間作作物覆膜對玉米‖豌豆體系作物產(chǎn)量和種間互作效應的影響;以期為河西走廊灌區(qū)玉米‖豌豆合理采用覆膜方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2012年和2013年在甘肅省農(nóng)科院張掖節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗站進行(100°26＇E，38°56＇N)，海拔1 570 m，平均年日照時數(shù)3 085 h，晝夜溫差13.00～16.07℃，年平均氣溫 7℃，≥0℃積溫 3 388℃，≥10℃積溫2 896℃，無霜期153 d。0～200 cm平均土壤容重為1.376 g·cm-3，年平均蒸發(fā)量2 075 mm，年降水量不足130 mm，干旱指數(shù)達10.3，屬于典型的干旱灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。2012年降水量105.2 mm，2013年降水量125.7 mm，地下水埋深68～73 m，地下水位年變幅1.0 m左右。土壤有機質(zhì)17.9 g·kg-1，速效氮 128.8 mg·kg-1，速效磷24.7 mg·kg-1，速效鉀82.0 mg·kg-1，pH 值 8.2。

1.2 試驗設計

試驗包括8種種植模式，分別為單作豌豆不覆膜(P)、單作豌豆覆全膜(FP)、單作玉米不覆膜(M)、單作玉米覆全膜(FM)、玉米‖豌豆間作不覆膜(M/P)、覆條膜玉米‖不覆膜豌豆(FM/P)、不覆膜玉米‖覆條膜豌豆(M/FP)、玉米‖豌豆覆全膜(FM/FP)。采用完全隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積7.2 m×4.5 m=32.4 m2，重復3次。間作帶幅1.2 m，4∶2種植，即4行豌豆，2行玉米，豌豆行距0.2 m，株距0.2 m，玉米行距0.2 m，株距0.2 m;單作豌豆種植規(guī)格同間作豌豆;單作玉米等行距種植，行距0.3 m，株距0.4 m。豌豆播種時間2012年為3月25日，2013年為3月23日，收獲時間2012年為7月7日，2013年為7月5日;玉米播種時間2012年為4月19日，2013年為4月20日，收獲時間2012年為10月10日，2013年為10月8日。

施肥量為 N 300 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2，將1/3氮肥與全部磷肥作為基肥，剩余氮肥分別按玉米大喇叭口期1/3、抽雄期1/3追施于玉米種植帶。豌豆供試品種為“MZ-1”，玉米品種為“鄭單958”。播種時采用點播器點播，出苗后間苗以保證1穴1株。采用水表定量灌溉，單次灌水量1 050 m3·hm-2，全生育期灌水5次。

1.3 樣品采集

作物收獲期，間作選取小區(qū)中間種植帶，按作物種植帶整帶幅收獲測產(chǎn)，測產(chǎn)面積豌豆0.8 m×4.5 m=3.6 m2，玉米 0.4 m×4.5 m=1.8 m2，單作收獲與間作同等面積的作物籽粒進行計產(chǎn)。在作物測產(chǎn)區(qū)域以外隨機取樣株10株進行作物生物學性狀及產(chǎn)量構(gòu)成的考察，豌豆調(diào)查豆莢數(shù)、豆粒數(shù)、百粒重等;玉米調(diào)查株高、穗位、穗粒數(shù)、百粒重等。

1.4 數(shù)據(jù)計算

1.4.1 土地當量比 土地當量比(Land equivalent ratio，LER)常用于衡量間作優(yōu)勢，其意義在于單作要獲得與間作相同的產(chǎn)量所需要的耕地面積［14］。

式中，Yip和Yim分別代表間作總面積上豌豆和玉米的產(chǎn)量;Ysp和Ysm分別為單作豌豆和單作玉米的產(chǎn)量。當LER＞1，表明間作有優(yōu)勢，當LER＜1為間作劣勢。其中Yip/Ysp和Yim/Ysm分別為豌豆和玉米的偏土地當量比(Partial land equivalent ratio，PLER)，其意義在于要獲得與間作組分作物同等產(chǎn)量所需要的單作作物面積。

1.4.2 加權產(chǎn)量(Weighted mean) 采用加權平均方法，將間作體系中兩種作物單作時的產(chǎn)量以間作時所占有的面積比例為權重加權平均。

式中，Ysp和Ysm意義同式(1)。Zp和Zm表示豌豆和玉米在間作體系中所占的面積比例，在本研究中，Zp和Zm分別為0.67和0.33。

1.4.3 相對產(chǎn)量 相對產(chǎn)量(Relative Yield of Mixtures，RYM)［15］表明間作與單作相比的產(chǎn)量貢獻大小。

式中，Yip和Yim，Ysp和Ysm意義同式(1)。Zp和Zm意義同式(2)。RYM表示復合群體產(chǎn)量占各作物單作產(chǎn)量的比例，RYM＞1表示復合群體存在種間促進作用，間作具有產(chǎn)量優(yōu)勢，RYM＜1表示存在種間競爭，具有產(chǎn)量劣勢，RYM=1表示沒有種間相互作用。

1.4.4 相對競爭強度 相對競爭強度(Relative Competition Intensity，RCI)［16］表示特定作物組合的競爭能力，根據(jù)作物產(chǎn)量和生物量計算得出，計算公式如下:

當RCI=0，表示種間競爭等于種內(nèi)競爭;當RCI＞0時，表示種間競爭更高;當RCI＜0時，表示種內(nèi)競爭更高。

1.4.5 資源競爭力 資源競爭力(Aggressivity，A)［17］指間作體系中一種作物相對于另一種作物對水分、養(yǎng)分等產(chǎn)量形成相關資源的競爭力。

式中，當Apm＞0，表明豌豆競爭力強于玉米;Apm＜0，玉米競爭力強于豌豆。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013進行數(shù)據(jù)處理和繪圖，采用SAS 8.0統(tǒng)計分析軟件用LSD法對各處理間在5%水平上的差異顯著性進行檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜對玉米‖豌豆LER的影響

2 a試驗結(jié)果顯示，各間作模式土地當量比值介于1.26～1.89之間，均大于1(表1)。2 a中均是以FM/P模式的土地當量比最低，分別為1.26(2012年)和1.57(2013年);M/FP和FM/FP模式土地當量比2 a平均分別為1.72和1.66;對于豌豆偏土地當量比，M/FP和FM/FP模式均顯著高于M/P和FM/P模式;玉米偏土地當量比2 a均為FM/FP模式最低，且顯著低于M/P。

2.2 覆膜對玉米‖豌豆作物產(chǎn)量和相對產(chǎn)量的影響

覆膜對單作豌豆產(chǎn)量無顯著影響，覆膜條件下的間作豌豆產(chǎn)量顯著高于不覆膜(表2)，2 a對比來看，M/FP和FM/FP模式間作豌豆產(chǎn)量較M/P平均提高24.1%和32.5%，較FM/P模式平均提高了18.7%和26.8%;單作玉米覆膜顯著增產(chǎn)，F(xiàn)M較M產(chǎn)量2 a平均提高24.2%，但覆膜對間作玉米產(chǎn)量無顯著影響。各間作系統(tǒng)加權產(chǎn)量對比，2 a平均，F(xiàn)M/P和FM/FP加權產(chǎn)量較M/P提高35.2%和35.1%，較M/FP提高16.3%和16.2%。

2 a中，各間作模式相對產(chǎn)量RYM均大于1(圖1)，2012年，M/FP模式相對產(chǎn)量顯著高于FM/P和FM/FP模式，2013年各模式相對產(chǎn)量無顯著差異;2 a中相對產(chǎn)量最大值均出現(xiàn)在M/FP模式，分別為1.79(2012年)和2.22(2013年)。

2.3 覆膜對作物產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

覆膜對單作豌豆單株粒數(shù)和單株粒重無顯著影響(表3)，間作模式中，F(xiàn)M/FP豌豆產(chǎn)量構(gòu)成因子顯著高于其他模式。相比M/P、FM/P和M/FP模式，F(xiàn)M/FP模式單株粒數(shù)2 a平均分別高出6.8、4.6粒·株-1和5.6粒·株-1;單株粒重2 a平均分別高出 18.5、6.9 g·株-1和 9.4 g·株-1。

表1 覆膜對玉米‖豌豆土地當量比的影響Table 1 The effect of film mulching on land equivalent ratio in maize-pea intercropping system

表2 覆膜對玉米‖豌豆作物產(chǎn)量的影響/(kg·hm-2)Table 2 The effect of film mulching on yield in maize-pea intercropping system

覆膜對單作玉米穗粒數(shù)和百粒重無顯著影響，對間作玉米穗粒數(shù)和百粒重影響顯著(表4)。2012年，F(xiàn)M/P中玉米的穗粒數(shù)顯著低于其他間作模式，2013年各間作模式玉米穗粒數(shù)無顯著差異;然而，2012年FM/P和FM/FP模式的玉米百粒重顯著高于M/P和M/FP，2013年FM/FP模式玉米百粒重顯著高于其他間作模式。對比來看，F(xiàn)M/FP玉米的百粒重分別較M/P模式高3.8 g(2012年)和2.9 g(2013年)。

2.4 覆膜對玉米‖豌豆種間互作的影響

圖1 覆膜對間作模式相對產(chǎn)量的影響Fig.1 The effect of film mulching on relative yield of intercropping pattern

表3 覆膜對各處理中豌豆產(chǎn)量性狀的影響Table 3 Effects of film mulching on yield component of pea in different treatments

表4 覆膜對各處理中玉米產(chǎn)量性狀的影響Table 4 Effect of film mulching on yield component of maize in different treatments

表5 覆膜對玉米‖豌豆作物競爭的影響Table 5 The effect of film mulching on competition ability between pea and maize in maize-pea intercropping system

2 a中，各間作模式中豌豆相對競爭強度RCIp、玉米相對競爭強度RCIm和豌豆相對于玉米的競爭力Apm均小于0，且存在顯著差異(表5)。2 a中，豌豆相對競爭強度RCIp均是M/P和FM/P顯著高于M/FP和FM/FP;2012年，玉米相對競爭強度RCIm表現(xiàn)為FM/P和FM/FP顯著高于M/P和M/FP，而2013年表現(xiàn)為FM/FP顯著高于M/P;豌豆相對于玉米的競爭力Apm表現(xiàn)為2012年FM/FP模式顯著高于其他模式，2013年M/P模式顯著低于其他模式，而FM/P、M/FP和FM/FP模式間無顯著差異。

3 討論

3.1 覆膜對玉米‖豌豆作物生產(chǎn)力的影響

單作種植體系中，覆膜提高作物產(chǎn)量的效應已被大量證實，同樣地，覆膜在間作體系中也具有明顯的增產(chǎn)效應;李偉綺等［18］研究表明，玉米‖豌豆覆膜較不覆膜可有效提高作物產(chǎn)量。方旭飛等［19］研究玉米‖大豆覆蓋表明，間作玉米地膜覆蓋較單作覆膜可增產(chǎn)10.15%。在本研究中，M/FP和FM/FP相對M/P模式間作豌豆產(chǎn)量分別提高了24.1%和32.5%，覆膜對間作玉米產(chǎn)量有所提高，但差異未達顯著水平(表2)，說明玉米‖豌豆中豌豆覆膜可顯著提高其產(chǎn)量，玉米覆膜產(chǎn)量提高不顯著(表2)。間作作物覆膜，直接改變了間作作物生長的微環(huán)境［20］，進而改變作物產(chǎn)量，整個間作體系生產(chǎn)力也必然產(chǎn)生變化。本研究中，玉米覆膜的間作體系(FM/P和FM/FP)加權產(chǎn)量顯著高于玉米不覆膜間作體系(M/P和M/FP)，這表明間作玉米覆膜是提高玉米‖豌豆生產(chǎn)力的關鍵(表2)。Mao等［21］研究玉米間作豌豆不同行比種植和覆膜方式對作物產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)，覆膜對間作體系土地當量比無顯著影響。本研究中，各間作模式土地當量比均大于1.00(表1)，豌豆覆膜后偏土地當量比顯著提升，而玉米覆膜后偏土地當量比反而下降，就體系而言，F(xiàn)M/P土地當量比最小，而其體系產(chǎn)量反而顯著提高，這些均表明，玉米‖豌豆無論覆膜與否，相對單作均具有間作優(yōu)勢;于愛忠等［22］研究供水和覆膜對玉米產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)全膜覆蓋結(jié)合高供水可有效提高玉米穗粒數(shù)和粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因子。本研究發(fā)現(xiàn)間作覆全膜FM/FP中豌豆單株粒數(shù)和單株粒重均顯著高于不覆膜，其玉米百粒重也顯著高于不覆膜(表3，表4)，表明玉米‖豌豆覆全膜可顯著提升間作作物產(chǎn)量性狀，這歸因于覆膜后作物水熱環(huán)境的改善。

3.2 覆膜對玉米‖豌豆作物種間關系的影響

大量研究表明，間作物種配置、空間布局、種植環(huán)境等的變化均能引起間作物種種間競爭力的變化［23-26］。間作作物由于不同的生長特性會形成對環(huán)境資源(水分、養(yǎng)分等)利用的時空生態(tài)位差異［27］。本研究中，間作體系中作物覆膜改變了間作作物生長環(huán)境，進而改變了間作作物對周邊資源的獲取能力，形成作物間的時空生態(tài)位差異。競爭和互補是間作體系中同一種間關系的兩個方面，且種內(nèi)、種間的競爭和互補作用同時存在［28-30］。在本研究中，各間作模式豌豆相對競爭強度RCIp和玉米相對競爭強度RCIm均為負值，相對產(chǎn)量RYM均大于1.0，這充分表明玉米‖豌豆是互惠的體系，間作作物的種內(nèi)競爭占據(jù)主導地位，種間競爭相對較弱。多項研究發(fā)現(xiàn)種間競爭作用驅(qū)動間作體系中作物產(chǎn)量優(yōu)勢發(fā)揮，使間作體系生產(chǎn)力提升［31-33］。在本研究中，各間作模式的豌豆相對于玉米的資源競爭力Apm均為負值(表5)，這表明在玉米和豌豆共同生長期，豌豆處于競爭劣勢，玉米是競爭優(yōu)勢作物，F(xiàn)M/FP的Apm顯著高于其他間作模式，表明間作覆全膜能顯著提高間作豌豆的資源競爭力，而2 a中M/P的Apm均最小，M/FP和FM/P次之，這表明玉米‖豌豆體系中對豌豆或者玉米覆膜均可提升豌豆的資源競爭力，但玉米仍然在競爭中占主導地位。Zhang等［34］研究玉米與小麥和大麥間作后資源競爭力差異，發(fā)現(xiàn)玉米在被覆膜的情況下資源競爭能力增強，強于小麥和大麥。本研究中，F(xiàn)M/P和FM/FP模式玉米相對競爭強度RCIm均高于M/P和M/FP，說明玉米覆膜后資源競爭力增強。

4 結(jié)論

本研究條件下，各模式土地當量比均大于1，間作優(yōu)勢明顯;間作豌豆覆膜可有效提高產(chǎn)量，而間作玉米覆膜產(chǎn)量提升不顯著，但間作玉米覆膜的系統(tǒng)加權產(chǎn)量優(yōu)勢明顯;覆膜顯著增加間作豌豆的單株粒數(shù)和單株粒重，覆膜對間作玉米穗粒數(shù)影響不顯著，顯著提升間作玉米百粒重;各模式作物相對競爭強度小于0.00，間作作物主要以種內(nèi)競爭為主，豌豆相對于玉米的資源競爭力Apm小于0.00，玉米是競爭優(yōu)勢作物，因此，間作系統(tǒng)覆全膜或玉米覆條膜均可顯著提升間作玉米的產(chǎn)量和資源競爭力。