2024, Vol. 56
2. 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所, 农业农村部酸化土改良与利用重点实验室, 南昌 330200
为在有限的耕地上生产出更多的粮食，解决我国一直以来面临的人均耕地少、粮食缺口大的问题，学者们做了大量的努力，不断通过栽培[1-2]、育种[3]、土壤培肥改良[4]等措施提高粮食产量和改善耕地质量。间套作种植一方面可以充分利用土地资源，缓解作物争地的问题[5]，另一方面也可以利用作物的协同作用有效增加粮食总产[6-7]。玉米大豆带状复合种植技术因其在保障玉米播种面积的同时会增加大豆播种面积，助力我国大豆产业的发展，在我国西南地区被广泛采用[7-8]。
国家农业主管部门发布的《2022年西南地区大豆玉米带状复合种植技术意见》[9]中，合理的玉米大豆带状套、间作株行比例为2∶3或2∶4，玉米带宽40 cm，套作大豆带宽60 ~ 70 cm，间作大豆带宽90 ~ 120 cm，玉米带与大豆带间距70 cm；带状间作或套作要确保玉米株距12 ~ 14 cm、大豆株距9 ~ 11 cm；同时，设置的大豆和玉米播种期也存在显著不同，带状套作为：玉米于3月下旬至4月上旬播种、大豆于6月上中旬播种，带状间作为：云南、贵州等带状间作春玉米、春大豆于4月上中旬播种，四川、重庆等带状间作夏玉米、春大豆于5月中下旬播种。为充分了解该模式，发挥其最大的效益，我国专家和学者也开展了大量的研究工作。研究发现，在西南地区，2行玉米2行大豆模式对绿叶数量、叶片氮含量提升效果显著，且土地当量比也较高[10-11]。在共生期内，与相应单作相比，2行玉米2行大豆处理提高了土壤硝化作用、氨化作用强度，但土壤固氮作用无显著变化，提高了表层土中硝态氮残留量，降低了氨挥发率及N2O损失率[12]。进一步研究发现，较高的碳氮代谢活性和光合产物运输能力是增强套作大豆抗倒伏能力的物质基础和代谢基础[13]。同时，选择紧凑或半紧凑型玉米品种，适度缩小玉米窄行距可以显著改善带状套作大豆的生长环境，提高其生物量和产量[14]。窄行距试验表明，在玉米窄行距20、40、60、80、100 cm，宽行距180、170、160、150、140、120、100 cm，玉豆间距70、65、60、55、50、40 cm等处理中，各窄行距于40 cm处玉米大豆系统竞争达到平衡，可协调带状套作下玉米和大豆竞争互补以及物质分配[15]。此外，在东北地区玉米与大豆复合种植的最佳比例也大多为2行玉米2行大豆[16]，但在西北地区4行玉米2行大豆模式的产量和水分利用率则较高[17]。
但以往的研究大多集中在对地上部作物指标的测定和分析，且大豆主要为籽粒大豆。近年来，鲜食大豆因其优良的品质和独特的风味颇受欢迎，在市场上逐渐占据重要地位，为当地农民增收和农业增产做出了重要贡献，在我国南方有较大的种植面积。且有研究表明，玉米鲜食大豆间作模式有利于改善水分供需平衡，提高土地单位面积总产量[18]。但玉米鲜食大豆间作方式在各地区的丰产增效和土壤培肥效应尚缺乏系统的研究，尤其是在红壤丘陵区。因此，本研究选择在红壤丘陵区开展了玉米鲜食大豆间作种植模式试验，以为该区农业增产、农民增收以及土壤培肥提供理论基础和实践经验。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验于2022年在江西省红壤及种质资源研究所进贤基地(28°15'30″E，116°20'24″N)开展。该地处于低山丘陵区，属中亚热带温湿型气候，年均温18.1℃，年均降水量1 537 mm，无霜期289 d。试验地土壤为发育于第四纪红黏土的红壤，土壤初始理化性质：pH为4.92，有机质含量为13.1 g/kg，全氮、全磷和全钾含量分别为0.95、0.66和10.3 g/kg，碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为51.0、13.4和57.0 mg/kg。
1.2 供试作物供试作物为玉米(郑单958)和鲜食大豆(浙鲜16)。玉米和大豆施用含N 460 g/kg的尿素，含P2O5 140 g/kg的Ca(H2PO4)2·H2O和含K2O 600 g/kg的KCl作为基肥。玉米施纯N 120 kg/hm2，P2O5 105 kg/hm2，K2O 135 kg/hm2，大豆施纯N 60 kg/hm2，P2O5 63 kg/hm2，K2O 52.5 kg/hm2。
1.3 试验设计采用裂区试验，主区为不同间作模式，包括玉米单作(M：玉米行距30 cm、株距20 cm、密度1.65万/hm2)、鲜食大豆单作(S：大豆行距30 cm、株距15 cm、密度2.22万/hm2)、2行玉米2行鲜食大豆间作模式(2M2S：玉米密度0.96万/hm2、大豆密度1.47万/hm2)和4行玉米2行鲜食大豆间作模式(4M2S：玉米密度1.17万/hm2、大豆密度0.78万/hm2)。2M2S和4M2S间作模式中玉米带宽分别为85 cm和115 cm，行距分别为60 cm和30 cm，株距均为20 cm)，鲜食大豆带宽为55 cm、行距为30 cm、株距为15 cm，玉米带与鲜食大豆带间距50 cm。玉米播种时间为4月27日。每个主区设置3个裂区，包括大豆在玉米播种前15 d播种(D1，4月12日)，大豆与玉米同期播种(D2，4月27日)，大豆在玉米播种后15 d播种(D3，5月12日)。每个主区设3个重复，主区面积为80 m2，裂区面积为26 m2。
1.4 样品采集及测定 1.4.1 作物产量测定在鲜食大豆采摘期和玉米成熟期每个小区单独计产称重。其中，2M2S和4M2S处理的鲜食大豆和玉米产量进一步根据种植密度换算成标准产量。另外，本研究还测定了采摘期鲜食大豆的株高、荚果数，并使用FOSS DS2500近红外谷物分析仪测定了鲜食大豆蛋白质含量。
1.4.3 土壤肥力指标测定为重点研究鲜食大豆种植对土壤肥力指标的影响，本研究在鲜食大豆采摘期，采集大豆行间的土壤样品，深度为0 ~ 20 cm，每个小区用不锈钢土钻采集5个点混合成1个样品，带回室内风干、研磨、过筛后测定土壤有机质、速效氮磷钾含量[19]，并以玉米单作土壤为对照。
1.5 数据处理与统计分析参考Mead和Willey[20]的方法计算土地当量比(LER)，具体公式为：
| $ {\rm{LER}} = {\rm{LE}}{{\rm{R_m}}} + {\rm{LE}}{{\rm{R_s}}} = \frac{{{\rm{Yim}}}}{{{\rm{Ysm}}}} + \frac{{{\rm{Yis}}}}{{{\rm{Yss}}}} $ |
式中：LERm和LERs分别为玉米和鲜食大豆的土地当量比；Yim和Ysm分别为间作和单作模式中玉米的产量；Yis和Yss分别为间作和单作模式中鲜食大豆的产量。
经济效益为作物产值与投入的差值。田间投入主要包括种子、化肥、农药等物资投入，作物产值则按照作物产量乘以当地作物产品单价计算(2022年鲜食大豆豆荚和玉米籽粒的价格分别为5.6元/kg和2.4元/kg)。
所有数据均用Excel 2010进行整理，采用SAS 9.1进行统计分析，除玉米产量和土地当量比采用随机区组试验的Duncan方法进行2M2S、4M2S和M处理间的显著性分析之外，鲜食大豆、经济效益及土壤肥力的相关指标均采用裂区试验的LSD方法进行主处理(2M2S、4M2S和S)之间和副处理(D1、D2和D3)之间的显著性分析。
2 结果与分析 2.1 鲜食大豆株高、荚果数变化在所有处理中，2M2S模式的D1和D2、4M2S模式的D1、S模式的D1处理鲜食大豆株高均高于或显著高于其他处理，2M2S和4M2S模式中均呈现D3处理最低，但S模式中则呈现D2处理最低(表 1)。进一步比较发现，不同间作模式中2M2S、4M2S和S模式的鲜食大豆株高不存在显著差异，但不同播期中D1处理的株高则显著高于D2和D3处理(增幅分别为14.2% 和33.2%)，且D2和D3处理之间也存在显著差异。
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表 1 不同间作模式和播期下鲜食大豆的株高、荚果变化 Table 1 Changes of plant heights and pod numbers of edamame under different intercropping modes and sowing dates |
不同行比间作模式和播期显著影响鲜食大豆的荚果数(表 1)，在所有处理中，S模式的D1处理鲜食大豆荚果数较其他处理显著提高了0.97倍~ 5.25倍，其次为2M2S模式的D1处理，较其他处理显著提高了0.18倍~ 2.17倍，而4M2S模式的D2和D3处理则最低。进一步比较发现，不同间作模式中2M2S和4M2S模式的荚果数均显著低于S模式，较S模式分别低39.3% 和63.4%，而2M2S较4M2S模式显著提高65.7%。同时，不同播期中D1处理的荚果数较D2和D3处理显著提高1.00倍和1.10倍，D2和D3处理间则无显著差异。
2.2 作物产量和土地当量比变化不同行比间作模式和播期显著影响鲜食大豆的荚果鲜重(表 2)，间作总面积产量中，S模式的D1处理鲜食大豆荚果鲜重显著高于其他处理，比其他处理增加了1.38倍~ 29.82倍，其次为S模式的D2和D3处理，而4M2S模式的D2和D3处理则最低。单位面积产量中，2M2S模式的D1处理鲜食大豆荚果鲜重显著高于其他处理，比其他处理增加了0.31倍~ 5.11倍，其次为S模式的D1处理，4M2S模式的D2和D3处理最低。进一步比较发现，不同间作模式中2M2S、4M2S模式的间作总面积鲜食大豆荚果鲜重均显著低于S模式，较S模式分别降低了77.4%、89.1%，但单位面积产量鲜食大豆荚果鲜重2M2S较S模式显著提高了20.7%。同时，不同播期中D1处理的间作总面积和单位面积鲜食大豆荚果鲜重显著高于D2和D3处理，间作总面积产量分别提高了1.63倍和1.73倍，单位面积产量分别提高了2.15倍和1.90倍，而D2和D3处理间则无显著差异。
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表 2 不同间作模式和播期下作物产量和土地当量比变化 Table 2 Changes of crop yields and land equivalent ratios under different intercropping modes and sowing dates |
在所有处理中，2M2S模式的D1处理土地当量比均高于其他处理，比其他处理增加了5.4% ~ 50.9%，其次为4M2S模式的D1处理，较其他处理提高了1.8% ~ 43.1%，但前两者差异未达到显著水平，4M2S模式的D3处理最低。进一步比较发现，不同间作模式中2M2S模式的土地当量比较4M2S模式显著提高了18.6%，3个播种期中土地当量比表现为D1处理最高，较D2处理显著提高了14.0%，D2较D3处理显著提高了8.7%。
2.3 鲜食大豆蛋白质变化在所有处理中，2M2S模式的D1、D2和D3处理鲜食大豆蛋白质含量均显著高于其他处理，而S模式的D3处理最低(图 1)。进一步比较发现，不同间作模式中2M2S模式的鲜食大豆蛋白质含量显著高于4M2S和S模式，分别比4M2S和S模式提高了5.1% 和5.5%，而3个播种期D1、D2和D3处理的鲜食大豆蛋白质含量则无显著差异。
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(图中不同小写字母表示不同处理间差异在P < 0.05水平显著) 图 1 不同间作模式和播期下鲜食大豆的蛋白质变化 Fig. 1 Changes of edamame protein contents under different intercropping modes and sowing dates |
在所有处理中，2M2S模式的D1处理经济效益最高，较其他处理提高0.24倍~ 3.89倍，其次是4M2S模式的D1处理，较其他处理提高了0.38倍~ 2.94倍，S模式的D2处理最低(表 3)。进一步比较发现，不同间作模式中2M2S模式下经济效益最高，较其他模式提高了0.20倍~ 1.33倍，其次是4M2S模式，较其他模式提高了35.2% ~ 94.7%，S模式最低。同时，不同播期中D1处理的经济效益最高，较D3和D2处理分别显著提高了80.4% 和90.2%。
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表 3 不同间作模式和播期下经济效益变化 Table 3 Changes of economic benefits under different intercropping modes and sowing dates |
不同行比间作模式和播期主要显著影响土壤碱解氮和速效钾含量(表 4)，而土壤有机质和有效磷含量则无显著变化。对于土壤碱解氮，各处理中以2M2S模式的D1和D3处理、4M2S模式的D2处理、S模式的D1和D3处理较高，显著高于其余处理。在不同间作模式之间，4M2S和2M2S模式的土壤碱解氮含量显著低于S模式，分别较S模式降低了18.2% 和27.1%；而不同播期之间则以D1处理的土壤碱解氮含量显著高于D2处理(增幅为28.1%)。
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表 4 不同间作模式和播期下土壤肥力特征变化 Table 4 Changes of soil fertility characteristics under different intercropping modes and sowing dates |
土壤速效钾含量主要表现为2M2S模式的D3处理最高，其次是2M2S模式的D1处理、S模式的D2、4M2S模式的D2处理，而4M2S模式的D3处理则最低。然而，深入分析则表明，不同间作模式和播期之间均无显著差异。
3 讨论 3.1 玉米鲜食大豆间作方式对作物产量及经济效益的影响合理的荚果数是大豆高产的基础条件之一[21]。本研究中，在4月12日至5月12日之间，红壤丘陵区鲜食大豆播期越早荚果鲜重越高，分析其原因可能是早播大豆生育期较长，其株高较高，单株有效荚果数高，故而产量较高，这也与前人的研究[21-22]相符合。然而，由于红壤丘陵区较早播种可能会遭遇低温冻害，因此，关于鲜食大豆合理的播种时期仍有待进一步验证。
土地当量比是衡量间作(相比单作)增产程度的一项重要指标，不同生态类型地区，不同作物、不同带宽的间作增产效果不同。高砚亮等[23]对玉米(M)与花生(P)间作种植方式的研究发现，2M4P、4M4P的土地当量比在1.10 ~ 1.24，显著提高了10% ~ 24%。本试验中，红壤丘陵区玉米(M)和鲜食大豆(S)在2M2S和4M2S两种模式下土地当量比分别提高了66% 和40%，且2M2S模式的鲜食大豆在株高与荚果数方面也显著优于单作，说明合理间作可以通过增加土地生产率而提高作物产量。其中，2M2S模式土地当量比较高，这一结果也与西南地区相关研究结果[10-11]一致，说明该间作模式可以进一步在红壤丘陵区进行推广应用。通过增加作物产量是提高土地单位面积经济效益的一种重要方式。本研究中，玉米和鲜食大豆在2M2S与4M2S种植模式下经济效益均显著增加，2M2S模式的经济效益分别比玉米单作、大豆单作提升了0.62倍和1.33倍，4M2S模式的经济效益则分别比玉米单作、大豆单作提升了35.2% 和94.7%，说明玉米鲜食大豆间作种植可以促进经济效益的提升，且2M2S间作模式提升效果较好，原因可能是4M2S模式方式下，鲜食大豆受到邻株玉米的隐蔽程度较重，加上随着作物群体密度的增加，植株间相互制约，光温水肥等的竞争强度增大，导致大豆产量较低[24]。此外，2M2S模式下鲜食大豆的蛋白质含量最高，这可能是因为合理的种植模式有利于促进大豆光合作用，从而增加大豆蛋白质含量[25]。因此，综合经济效益及鲜食大豆品质等多个角度来考量，2M2S模式更具有优势。但由于本研究对农艺性状、产量构成等指标的研究不够完善，因此，各模式的增产增收机理仍有待进一步分析。
3.2 玉米鲜食大豆间作方式对土壤肥力变化的影响土壤养分是作物生长和产量形成的基础，是衡量土壤肥力高低的重要指标[26]。不同间作方式对土壤氮磷钾养分含量影响不同。本研究结果显示，红壤丘陵区玉米和鲜食大豆在2M2S和4M2S模式下土壤碱解氮和速效钾含量较玉米单作有明显的提升，其中，2M2S模式下土壤碱解氮和速效钾含量较玉米单作分别提升了37.6% 和22.0%，4M2S模式下土壤碱解氮和速效钾含量较玉米单作分别提升了22.6% 和5.4%。其原因一方面与各处理的氮磷钾养分投入存在差异有关，而各处理不同的作物产量也会导致对氮磷钾养分吸收量存在较大差异，且长期不同施肥试验表明氮素盈余量的增加与耕层土壤碱解氮含量呈显著正相关[27]，因此，建议后续结合各处理氮磷钾养分的表观盈余量，进一步探讨2M2S和4M2S模式下土壤碱解氮和速效钾含量增加的相关机制；另一方面，2M2S和4M2S模式下大豆根瘤的固氮作用促进了土壤碱解氮含量的增加，再加上大豆根际土壤中相关的微生物和酶活性等指标的增加也可能进一步加快土壤氮钾养分的活化过程[28]，从而导致土壤碱解氮和速效钾含量增加，但具体原因还有待进一步研究。而本研究中，各间作模式下土壤有机质和有效磷含量与单作相比无明显变化，可能与前期养分投入不足，而玉米在生长发育过程中对养分的消耗较大有关。这也与前人研究有所不同，刘宇峰等[29]研究发现，果蔗花生间作模式下土壤有机质、碱解氮、速效钾含量均有较大幅度的增加，而速效钾含量则表现为下降，这可能与不同作物对养分的吸收存在差异有关。
4 结论在红壤丘陵区，与玉米、鲜食大豆单作相比，2行玉米和2行鲜食大豆间作模式下作物产量和土地当量比均存在显著优势；在4月12日至5月12日之间，鲜食大豆播期越早，作物产量和经济效益越高。同时，2行玉米和2行鲜食大豆间作模式还有利于土壤碱解氮和速效钾含量提升，具有较好的培肥作用。
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2. Institute of Soil Fertilizer and Resource Environment, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of Acidified Soil Improvement and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, P. R. China, Nanchang 330200, China