CN109169071A - 一种新疆地区玉米和大豆间作种植结果分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新疆地区玉米和大豆间作种植结果分析方法，包括以单作大豆、单作玉米、豆玉间作三种耕作模式下，对作物间行的田间温湿度，株高，根系，光合色素SPAD值，产量的变化情况。本发明的优点在于：探寻新疆滴灌地区间作模式对于作物的产量影响原理，从而将间作模式应用于新疆滴灌地区，增加新疆滴灌地区的作物产量。

Description

一种新疆地区玉米和大豆间作种植结果分析方法

技术领域

本发明涉及间作模式对根系形态特征及产量分析技术领域，特别涉及一种新疆地区滴灌玉米和大豆间作种植模式对生理性状根系形态特征及产量的影响分析方法。

背景技术

间作种植技术是我国劳动人民智慧的结晶，早在2000多年前间作的种植模式就已经被应用，间作种植具有充分利用单位面积光热资源，改善农田小气候，有效防治害虫等优势，大大的提高了土地利用效率，在农业生产中具有举足轻重的地步。而新疆地处西北内陆地区，气候干燥，普遍使用滴灌种植，种植方式与我国同纬度华北、东北平原地区有很大的不同，间作模式对于新疆的农业生产也有其特殊性。玉米与豆科作物种植是我国传统的间作种植模式^[1]，研究表明，马铃薯与玉米间作可以使作物更为有效的吸收深层的土壤水分，保持稳定的土壤温度，对于干旱地区可以提高田间大气湿度，降低大气温度，提高农田生态系统的稳定性^[2,3]。在玉米与大豆间作模式中玉米对大豆产生荫蔽作用，导致大豆的叶绿素总含量及净光合速率都远低于单作种植的大豆，在生物量和产量上会明显降低^[4]。玉米与马铃薯间作会促进根系质量密度的提高，会促进根系向更深的土层扩展，是根系的分布更加合理，形成玉米马铃薯间作产量优势^[5]。玉米与豌豆间作种植，会提高豌豆根系中根瘤的质量、瘤数，玉米与豌豆的根系的垂直分布层次与间作相比也有了很大的不同，种间根系的相互作用能力越强，越有利于豌豆根瘤的产生^[6,7]。在玉米大豆间作的过程中，在水分充足的条件下，作物优先在自己的区域吸水，根系混合区滞后吸水。玉米与豌豆间作种植中，在降低10％的灌水量(相较于当地习惯性灌水量)的条件下对产量的影响不大，说明了该间作模式降低了需水量，节约了水资源^[8,9]。玉米/紫花苜蓿间作促进了磷素的高效吸收，虽然显著的抑制了玉米的磷素吸收，但是显著的提高了系统整体的磷素吸收量，使其吸收优势更加明显但是磷素的利用效率降低^[10]。

目前还没有一种针对新疆地区滴灌玉米和大豆间作种植模式对生理性状根系形态特征及产量的影响分析方法。

参考文献:

[1]李隆.间套作强化农田生态系统服务功能的研究进展与应用展望[J].中国生态农业学报,2016,24(4)：403-415；

[2]雷金银,金建新,桂林国.马铃薯-玉米间作对土壤和大气温湿度的影响[J].河南科技学院学报(自然科学版),2018,46(2):1-4,17；

[3]马心灵,朱启林,耿川雄,鲁泽刚,龙光强,汤利.不同氮水平下作物养分吸收与利用对玉米马铃薯间作产量优势的贡[J].应用生态学报,2017,28(04):1265-1273；

[4]范元芳,刘沁林,王锐,等.玉米-大豆带状间作对大豆生长、光合荧光特性及产量的影响[J].核农学报,2017,31(5):972-978；

[5]安曈昕,杨圆满,周锋,等.间作对玉米马铃薯根系生长与分布的影响[J].云南农业大学学报(自然科学),2018,33(2):363-370；

[6]代晋,柴强,李广.隔根和种植模式对玉米豌豆群体的根分布及豌豆根瘤的影响[J].草业科学,2011,28(12):2162-2166；

[7]代晋.供水和种间互作对玉米豌豆根系特性和水分利用的影响[D].甘肃农业大学,2011；

[8]高阳,段爱旺,刘战东,等.玉米/大豆间作条件下的作物根系生长及水分吸收[J].应用生态学报,2009,20(2):307-313；

[9]尹元萍,张雅琼,申毓晗,等.玉米/大豆间作中大豆根系生长及氮磷养分吸收的特点[J].西南农业学报,2014,27(6):2305-2310；

[10]孙宝茹.玉米/紫花苜蓿间作磷素高效吸收利用的根系—土壤互作机理[D].东北师范大学,2017。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种新疆地区玉米和大豆间作种植结果分析方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种新疆地区玉米和大豆间作种植结果分析方法，包括以下步骤：

步骤1，选择试验地；

试验地为新疆地区，年平均气温7.5-8.2℃，海拔350～400m，≥0℃的活动积温为4100～4200℃，≥10℃的活动积温为3600～ 3650℃，日照时数2300～2750h，无霜期160～175d,年降雨量180～ 270mm，年蒸发量1000～1500mm；质地为重壤灰漠土,耕层土壤容重为1.5～1.6g·cm^-3。

步骤2，试验设计；

采用膜下滴灌的方式种植，试验设置3种植模式处理,分别为单作玉米、单作大豆和玉米间作大豆；田间管理以常规管理模式进行，以充分保证作物生长发育需求为基础。

步骤3，测定指标与分析，具体步骤如下：

步骤31，田间温湿度分析；

田间温湿度的获取采用手持式温湿度测量仪测定；在两试验组单作、间作共3个小区中各取5个测量点，间作取两种作物相接处，单作取作物群体小区面积正中处。两试验组中，间作及玉米单作均测量冠层上部、中部、下部三个位点。最后将各小区5个测量点数据取平均值作为小区温湿度数据。

步骤32，光照强度；

光照强度采用便携式数字光照度计对不同种植模式下玉米上、中、下部及棉花上、中部光照强度进行测定，采集方法同田间温湿度。

步骤33，光合有效辐射；

光合有效辐射利用手持式光合有效辐射测量仪测定。在两试验组单作及间作共3个小区中各取3个测量点，间作取两种作物相接处，单作取作物群体小区面积株行正中。对不同种植模式下玉米上、中、下部及棉花、大豆上、中部光合有效辐射进行测定。

步骤34，叶绿素含量；

叶绿素含量的测定采用SPAD 502叶绿素仪，通过测量SPAD反应叶绿素含量各单作小区随机取6株，间作小区从两种作物中各取6株。大豆测量最顶部展开叶；玉米取棒三叶。取各小区的平均值。

步骤35，根系形态特征；

采用CI-600植物根系生长监测系统进行田间图像采集，透明观察管随播种时沿水平地面45°埋置于作物行间，扫描器于0-20cm和 20-40cm处各采集一次。利用WinRHIZO对根系图像进行分析，可得到根系根长、表面积、投影面积、体积、平均根直径和根尖数目参数，并计算比表面积；根比表面积＝根表面积/根体积；

步骤36，土地当量比；

取三种种植模式下玉米、大豆连续的3株的产量，称其重量计算土地当量比。应用土地当量比(LER)作为衡量间作产量优势的指标，计算公式为：

LER＝Yia/Ysa+Yib/Ysb

式中，Yia表示作物a的间作产量，Ysa表示作物a的单作产量， Yib表示作物b的间作产量，Ysb表示作物b的单作产量。当LER＞1 时，表明间作有优势；当LER＜1时，表明间作有劣势。

作为优选，耕层土壤含全氮0.89g·kg^-1、速效磷0.022g·kg^-1、速效钾0.249g·kg^-1、碱解氮0.058g·kg^-1、有机质13.25g·kg^-1，pH7.3。前茬作物为玉米。

作为优选，玉米间作大豆比例为3:4种植，玉米行距为30cm，株距为30cm；大豆行距为30cm，株距为30cm。

与现有技术相比本发明的优点在于：对间作和单作种植模式下玉米和大豆的作物生长环境、叶绿素含量、根系的生长动态的变化以及大田产量的研究，从而探寻新疆滴灌地区间作模式对于作物的产量影响原理，从而将间作模式全面应用于新疆滴灌地区，增加新疆滴灌地区的作物产量。

附图说明

图1为本发明实施例玉米和大豆间作模式行间示意图；

图2为本发明实施例玉米单作模式行间示意图；

图3为本发明实施例大豆单作模式行间示意图；

图4为本发明实施例间作与单作的大豆生长曲线图；

图5为本发明实施例玉米和大豆间作生长曲线图；

图6为本发明实施例地下部分根系0-10cm处不同栽培方式的RL D值曲线图；

图7为本发明实施例地下部分根系10-20cm处不同栽培方式的R LD值曲线图；

图8为本发明实施例间作大豆与单作大豆SPAD值对比图；

图9为本发明实施例单株穗数对比柱形图；

图10为本发明实施例穗粒数对比柱形图；

图11为本发明实施例千粒重对比柱形图；

图12为本发明实施例产量对比柱形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

1.试验地概况；

试验于2018年在新疆石河子大学农学院实验站(45′08"N，85′36"E)进行,年平均气温7.5-8.2℃，海拔399m，≥0℃的活动积温为 4100℃，≥10℃的活动积温为3650℃，日照时数2318-2732h，无霜期168-171d,年降雨量180-270mm，年蒸发量1000-1500mm,属典型灌溉耕作农业区。质地为重壤灰漠土,耕层土壤容重为1.6g·cm^-3。耕层土壤含全氮0.89g·kg^-1、速效磷0.022g·kg^-1、速效钾0.249g·kg^-1、碱解氮0.058g·kg^-1、有机质13.25g·kg^-1，pH7.3。前茬作物为玉米。

2.试验设计；

试验于2018年4月23日播种。采用膜下滴灌的方式种植，试验设置3种植模式处理,分别为单作玉米、单作大豆和玉米间作大豆 3:4种植。玉米行距为30cm，株距为30cm；大豆行距为30cm，株距为30cm；随机区组排列如图1.2.3。田间管理以常规管理模式进行，以充分保证作物生长发育需求为基础。

3.测定指标与方法；

31.田间温湿度分析；

田间温湿度的获取采用手持式温湿度测量仪测定。在两试验组单作、间作共3个小区中各取5个测量点，间作取两种作物相接处，单作取作物群体小区面积正中处。两试验组中，间作及玉米单作均测量冠层上部、中部、下部三个位点。最后将各小区5个测量点数据取平均值作为小区温湿度数据。

32.光照强度；

光照强度采用便携式数字光照度计对不同种植模式下玉米上、中、下部及棉花上、中部光照强度进行测定，据采集方法同田间温湿度。

33.光合有效辐射；

光合有效辐射利用手持式光合有效辐射测量仪测定。在两试验组单作及间作共3个小区中各取3个测量点，间作取两种作物相接处，单作取作物群体小区面积株行正中。对不同种植模式下玉米上、中、下部及棉花、大豆上、中部光合有效辐射进行测定。

34.叶绿素含量；

叶绿素含量的测定采用SPAD 502叶绿素仪，通过测量SPAD反应叶绿素含量各单作小区随机取6株，间作小区从两种作物中各取6株。大豆测量最顶部展开叶；玉米取棒三叶。取各小区的平均值。

35.根系形态特征；

采用CI-600进行田间图像采集，透明观察管随播种时沿水平地面45°埋置于作物行间，扫描器于0-20cm和20-40cm处各采集一次。利用WinRHIZO对根系图像进行分析，可得到根系根长、表面积、投影面积、体积、平均根直径和根尖数目等参数，并计算比表面积。根比表面积＝根表面积/根体积

36.土地当量比

取不同种植模式下玉米、大豆连续的3株的产量，称其重量计算土地当量比。应用土地当量比(LER)作为衡量间作产量优势的指标，计算公式为：

LER＝Yia/Ysa+Yib/Ysb

式中，Yia表示作物a的间作产量，Ysa表示作物a的单作产量，Yib表示作物b的间作产量，Ysb表示作物b的单作产量。当LER＞1 时，表明间作有优势；当LER＜1时，表明间作有劣势。

结果与分析

(1)根据表1不同耕作模式下的温湿度比较；

表1.不同耕作模式下温、湿度比较

玉米-大豆间作小区平均温度30.04℃，玉米单作小区31.75℃，大豆单作小区29.24℃，呈现大豆单作＜玉米‖大豆＜玉米单作。玉米单作与大豆单作的平均气温为30.5℃，高于间作小区平均气温 0.46℃。三个小区温度差异显著(P＜0.05)。玉米-大豆间作湿度为 35.15％，玉米单作小区湿度为35.85％，大豆单作小区湿度为34.32％，大豆单作＜玉米‖大豆＜玉米单作，变化趋势与温度一致。玉米单作与大豆单作平均35.085％，与间作相差较小。

(2)间作与单作的株高比较；

由图4可知间作与单作的大豆都符合“S”型生长曲线，且在时期A时间作大豆相较于单作大豆株高增长了17.62％差异显著，在B 时期单作大豆比间作大豆相较于上时期的增长量高了17.10％差异显著，在C时期间作大豆与单作大豆的株高相对保持平稳相较于上时期的增长量，间作大豆增长量相较于单作增长了57.15％，在D时期间作大豆增长量大于单作大豆相较于单作大豆增长了18.74％.最终间作大豆的株高大于单作大豆，我认为在大豆的生长期中间作的玉米株高急剧增高，对大豆起到了遮荫作用，间作大豆得不到充足的光热资源，不断进行营养生长，株高也不断提高与玉米竞争光热资源，导致了间作大豆株高大于单作大豆。

由图5可知玉米在整个生长过程中也遵循“S”型曲线，在A时期单作玉米的株高大于间作玉米株高且差异不显著，单作玉米株高与间作玉米相比高了7.89％，在B时期单作玉米与间作玉米的株高大致相等，且间作玉米的增长量大于单作玉米，相较于单作增长了23.54％，在C、D、E时期里间作玉米的株高一直大于同时期的单作玉米，且间作玉米在C时期开始急剧增长，单作玉米在D时期开始急剧生长，最终增长速度都趋于缓慢，间作玉米株高大于单作玉米。我认为在玉米生长过程中存在了养分竞争，玉米的竞争力大于大豆，且大豆属于豆科作物在生长过程中会起到提高土壤含氮量的作用，间作玉米的生长环境优于单作玉米，这就导致了间作玉米在B时期开始株高及生长速度大于单作玉米。间作玉米获得了更多的营养，导致了间作玉米株高大于单作玉米。

(3)地下部分根系比较；

由图6可得，CI-600测得的在0-10cm处不同栽培方式的RLD值，从总体看来，单作大豆、单作玉米、豆玉间作的根系密度都呈现上升趋势，RLD值最高的的是单作玉米，最低的是单作大豆，在豆玉间作模式中间作玉米的比值由高逐渐走低最终与间作大豆的比值达到1：1，总体看来间作大豆与间作玉米的RLD值都在不断增长，但是在B 时期开始间作大豆的增长速度明显大于间作玉米。我认为玉米属于 C4植物须根系相较于大豆根系生长更为旺盛，而在豆玉间作模式中由于大豆可以进行固氮作用，使得玉米根系可以得到更多的营养，使玉米优先地上部分生长接获更多的光能，减缓了玉米根系生长，导致间作玉米RLD值小于单作玉米，而大豆的营养生长与生殖生长并进，需要更多的养分进行生殖生长，玉米的养分竞争促进了大豆根系的生长使得最终玉米与大豆根系占比持平。

由图7可得，CI-600测得的在10-20cm处不同栽培方式的RLD 值，与图6相比作物根系生长趋势有很大的不同，总的来说B-C时期豆玉间作与单作大豆的根系都在向地下更深处发展，且增长速率大于单作玉米，而在C时期以后单作玉米根系生长又急剧加快，且在豆玉间作模式中玉米的比值始终大于大豆，大豆的生长与0-10cm时相似在B时期开始急速生长，逐渐提高了自己所占的的比值。我认为玉米的根系的深度大，在C期以后玉米进行营养生长，需要更多的养分，根系不断向下生长以获得更多的养分，而间作玉米由于大豆的固氮作用根系在0-10cm的土层中吸收了氮素营养，营养充足减弱了对于深层土壤的养分汲取。

(4)SPAD值含量；

SPAD值反映了叶片的叶绿素含量，主要针对了叶片颜色深浅。由图8可知间作大豆与单作大豆相比叶绿素含量先大于后小于最后远小于单作大豆，我认为，在生长期时玉米株大于大豆，对大豆产生了遮阴作用，大豆需要产生更多的叶绿素来吸收光能，供给自己生长，大豆的生长过程中，玉米与大豆间作可以视为对大豆的胁迫，包括养分和光能方面，导致了生长期缩短，在D时期逐渐的退绿，使间作大豆的SPAD值远小于单作大豆。而从A时期以后单作玉米SPAD值一直小于间作玉米，我认为玉米生长前期地下部分与大豆竞争养分，导致供给产生叶绿素的养分较少，而在大豆根系发育成熟以后，玉米可以在大豆根系处吸收氮素营养，可以提高叶片内叶绿素含量。

(5)穗粒数、千粒重及产量分析；

由图9可知单作大豆的平均单株穗数大于间作大豆，单作大豆比间作大豆的平均单株穗数多了24.51％，单作玉米的单株穗数小于间作玉米，单作玉米与间作玉米相比平均单株穗数多了30.00％；

由图10可知单作大豆的穗粒数小于间作大豆，单作大豆比间作大豆的穗粒数多2.4％，单作玉米的穗粒数小于间作玉米，单作玉米与间作玉米相比少了14.32％；

由图11可知单作大豆的千粒重大于间作大豆，单作大豆比间作大豆千粒重重了18.83％，单作玉米千粒重小于间作玉米，单作玉米比间作玉米千粒重低了3.86％；

由图12可知单作大豆产量大于间作大豆，间作大豆比单作大豆减产了45.32％，单作玉米产量小于间作玉米，间作玉米比单作玉米增产了18.67％。最终算得土地当量比为1.87>1大豆与玉米间作有优势。

结论与讨论

(1)特殊天气所造成的生长状况

根据表2所示为中国气象局发布的2018年4月22日(播种日) 至2018年6月初(采集数据日)的温度及天气，以及同一时间段2017 年的天气状况。在表中可见，2018年5月初作物出苗阶段最低气温持续维持在15℃以下。

表2 2017、2018两年4月底到6月初石河子垦区天气状况

玉米、大豆均为高温短日照植物，玉米、大豆出苗的最低温度约在7℃左右，棉花稍高。当温度低于或高于植物所能忍受的温度范围时，生长逐渐缓慢、停止，发育受阻，植物开始受害甚至死亡。可见 2018年苗期及生长期间最低温度过低，使作物一定程度下停止发育，造成生育期延长，植株矮小、晚熟的现象。

(2)间作模式下作物生长环境明显改善

间作模式通过株高搭配提高田间通风性，降低田间温度；

玉米不同部位温度变化均从上到下呈现“大—小—大”的趋势。间作小区温度普遍低于单作小区温度。在间作模式下由于株型及生理生态方面的差异，使得时空产生互补作用，因此田间通风性提高，降低了田间温度，有利于在夏季向作物最适温度方向降低，提高作物产量。

间作模式利用作物遮荫效果的不同，提高光合有效辐射

进入作物群体的光分为两部分：一是穿过上部叶片间隙的直射光，呈“光斑”；另一种是透过叶片以后的透射光和部分散射光，呈“阴影”。两部分光照的强度和光谱成分均不同，对光合作用的效应也不同，起作用的主要靠光斑部分。本实验各测量部位光合有效辐射均为间作＞单作，且玉米不同部位光合有效辐射呈现由上到下逐渐递减的趋势。

(2)间作模式下对于不同的作物生长影响效果不同，

间作模式促进玉米的的营养生长和生殖生长，在玉米的生长时期中间作玉米可以获得更多的氮素营养，主要表现有株高增高、叶绿素含量增高，穗粒数提高，千粒重提高，产量提高了18.83％，根系向着大豆根系生长，生长期延长了3～5天。间作模式模式抑制大豆的生长，在大豆的生长时期中间作大豆的竞争力小于玉米，地上部分玉米株高大于大豆产生了遮荫作用，影响了大豆的光合作用，提高了大豆的叶绿素含量和大豆的株高，在地下部分由于减少了氮素的摄取，根系向更深处延伸。穗粒数增加，千粒重、单株穗数、产量都下降了，且大豆的生长期缩短了10～15天，间作大豆比单作大豆更早的褪绿并成熟。总体上土地当量比大于1，说明大豆玉米间作模式具有一定的优势。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种新疆地区玉米和大豆间作种植结果分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选择试验地；

试验地为新疆地区，年平均气温7.5-8.2℃，海拔350～400m，≥0℃的活动积温为4100～4200℃，≥10℃的活动积温为3600～3650℃，日照时数2300～2750h，无霜期160～175d,年降雨量180～270mm，年蒸发量1000～1500mm；质地为重壤灰漠土,耕层土壤容重为1.5～1.6g·cm^-3；

步骤2，试验设计；

采用膜下滴灌的方式种植，试验设置3种植模式处理,分别为单作玉米、单作大豆和玉米间作大豆；田间管理以常规管理模式进行，以充分保证作物生长发育需求为基础；

步骤3，测定指标与分析，具体步骤如下：

步骤31，田间温湿度分析；

田间温湿度的获取采用手持式温湿度测量仪测定；在两试验组单作、间作共3个小区中各取5个测量点，间作取两种作物相接处，单作取作物群体小区面积正中处；两试验组中，间作及玉米单作均测量冠层上部、中部、下部三个位点；最后将各小区5个测量点数据取平均值作为小区温湿度数据；

步骤32，光照强度；

光照强度采用便携式数字光照度计对不同种植模式下玉米上、中、下部及棉花上、中部光照强度进行测定，采集方法同田间温湿度；

步骤33，光合有效辐射；

光合有效辐射利用手持式光合有效辐射测量仪测定，在两试验组单作及间作共3个小区中各取3个测量点，间作取两种作物相接处，单作取作物群体小区面积株行正中；对不同种植模式下玉米上、中、下部及棉花、大豆上、中部光合有效辐射进行测定；

步骤34，叶绿素含量；

叶绿素含量的测定采用SPAD 502叶绿素仪，通过测量SPAD反应叶绿素含量各单作小区随机取6株，间作小区从两种作物中各取6株，大豆测量最顶部展开叶；玉米取棒三叶，取各小区的平均值；

步骤35，根系形态特征；

采用CI-600植物根系生长监测系统进行田间图像采集，透明观察管随播种时沿水平地面45°埋置于作物行间，扫描器于0-20cm和20-40cm处各采集一次；利用WinRHIZO对根系图像进行分析，可得到根系根长、表面积、投影面积、体积、平均根直径和根尖数目参数，并计算比表面积；根比表面积＝根表面积/根体积；

步骤36，土地当量比；

取三种种植模式下玉米、大豆连续的3株的产量，称其重量计算土地当量比；应用土地当量比(LER)作为衡量间作产量优势的指标，计算公式为：

LER＝Yia/Ysa+Yib/Ysb

式中，Yia表示作物a的间作产量，Ysa表示作物a的单作产量，Yib表示作物b的间作产量，Ysb表示作物b的单作产量，当LER＞1时，表明间作有优势；当LER＜1时，表明间作有劣势。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2中耕层土壤含全氮0.89g·kg^-1、速效磷0.022g·kg^-1、速效钾0.249g·kg^-1、碱解氮0.058g·kg^-1、有机质13.25g·kg^-1，pH7.3，前茬作物为玉米。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：玉米间作大豆比例为3:4种植，玉米行距为30cm，株距为30cm；大豆行距为30cm，株距为30cm。