基于种间关系和生产性能评价的青稞豌豆混作模式研究

郭童鑫姚有华吴昆仑姚晓华白羿雄安立昆

(1.青海大学农林科学院,西宁 810016;2.青海省农林科学院,西宁 810016;3.青海省青稞遗传育种重点实验室/国家麦类改良中心青海青稞分中心,西宁 810016)

青稞(Hordeum vulgareL.var.nudumHook.f.),属禾本科大麦属栽培大麦变种[1],因其籽粒内外稃与颖果分离,籽粒裸露,故称裸大麦,在青藏高原地区称为青稞[2]。青稞是藏区农业生产首选,粮用是青稞消费的主要方式,占消费构成的60%以上,饲用成为仅次于粮用的又一主要消费形式,占消费比重的35%以上,青稞作为藏区人、畜口粮的重要双重来源,其生产对于保证藏区粮食安全、维护藏区社会稳定具有重大意义[3-4]。

近年来,青稞生产面临诸多问题,首先,生产布局呈快速单一化发展趋势,耕作制度以连作为主[5],青藏高原区域内青稞常年连作面积达整个区域内青稞种植面积的1/3左右,造成青稞大量减产[6],连作障碍是影响青稞稳产丰产的第一威胁;其次,种植结构单一,抵御自然灾害能力差,青藏高原以青稞为主体的单一化作物布局以及常年降水不足,使青稞对病虫害、冰雹、干旱、霜冻、寒冷等极端自然灾害的抵御能力降低,单产稳定性差[7],从生物生态系统的自然规律看,单一的种植结构使青稞存在极大的安全生产隐患;第三,青稞是青藏高原农牧交错区畜牧业重要的补饲饲料,但由于单一的耕作制度,导致其籽粒产量低而不稳的同时秸秆产量较低,唯一可利用的饲草供不应求[8]。青稞作为饲草营养价值低、适口性差,优质高蛋白饲草保障不足是青藏高原青稞种植区畜牧业面临的现实问题[9]。

前人为优化区域内作物耕作制度和优质人工草地建设,做了大量研究,认为混作是消减连作障碍应用最最有效的生产措施[10],可提高土壤微生物群落结构,提高土壤微生物活性和酶活性,增加有益细菌数,改善有害微生物累积所致的微生态失衡,减少自毒物质积累,促进土壤微生物区系环境的优化[11],进而改变土壤物质结构,防止土壤养分失衡[12],最终达到修复连作障碍的目的;认为混作是优化农田生态系统,实现高产、优质和肥料高效利用的重要途径,混作能实现物种间互利共生的协调关系,显著增加土壤肥力、改善土壤理化性质[13],进而全面发掘作物自身对高产品种和养分资源有效利用的生物学潜能,减少对外部肥料投入的依赖,提升作物自身养分效率,从而达到绿色增产增效的目的;认为混作是提升系统中作物抗逆性,促进产量稳定形成的优良技术体系,因种间、基因型的差异互补,使抗自然灾害和逆境的能力较单作明显提高[14],混作模式使作物抗病虫害和抗倒伏能力增强,群体的通风、透光状况优良,光合利用率提高,从而能形成较稳定的生产系统[15],进而达到稳产、高产的目的;认为混作是提升粮草产量,改善饲用品质,构建优质人工草场的有效手段[16],前人研究燕麦与箭筈豌豆混作既能收获较高产量,还能提高籽粒和秸秆的营养品质,燕麦与毛苕子混作比禾本科单作的牧草营养品质有一定程度的改善[17],其混收后的秸秆产量高,且由于豆科作物含有较高的蛋白质,可作为优质饲料供畜牧业利用[18];认为混作是促进耕地用养结合的有效技术措施,禾豆混作由于豆科的固氮作用[19],加之禾本科作物根系浅且密,可协助豆科作物在土壤中固定更多的氮素,进而增加土壤肥力,提高耕地质量,从而减少化肥用量,既能节约成本又能提高产量,实现农业可持续发展[20]。

本试验主要针对青藏高原青稞种植区青稞生产布局单一,常年连作,对自然灾害的抵抗能力差、不能做到稳产丰产,饲草供应不足、优质饲草产品缺乏等问题,拟通过青稞豌豆混作下两物种的竞争与共存关系以及粮草生产性能的探索,确定种间关系相互促进且有利于粮草产量同步提高的青稞豌豆混作模式,为优化青稞种植区耕作制度、提高作物粮草产量提供理论依据和技术支持。

1.1 试验材料

青稞品种:‘昆仑15号’‘柴青1号’‘昆仑14号’。豌豆品种:‘草原23号’‘草原24号’。

1.2 试验地概况

2018至2020年,连续3 个生长季在青海省西宁市二十里铺镇农林科学院种质资源创新试验基地进行定位试验。该地属青海省东部湟水河流域灌区,36°62"N,101°77"E,海拔2 309 m。土壤类型为栗钙土,体积质量1.50 g/cm3,田间持水率15.20%,耕层速效磷含量37.48 mg/kg,全氮含量1.78 g/kg,有机质含量22.49 g/kg。为避免春旱导致作物出苗差的不利因素,试验地于秋收后耕层土壤封冻前做充分灌溉处理(11 月上旬),冬季封冻(11月中下旬至来年3月上旬),来年春季顶凌播种(3月下旬至4月上旬),整个生育期不作灌水处理。2018-2020 年试验期内(4月至8月)降雨量分别为295.6 mm、321.6 mm、376.2 mm,平均气温分别为14.7 ℃、14.3 ℃、15.1 ℃。

1.3 试验设计

1.3.1 青稞豌豆最佳混作组合筛选 试验于2018年4月至8月进行,设置‘昆仑14号’ב草原23号’、‘昆仑14号’ב草原24号’、‘昆仑15号’ב草原23号’、‘昆仑15号’ב草原24号’、‘柴青1号’ב草原23号’和‘柴青1号’ב草原24号’6个混作处理。其中播量比例设为1∶1,即青稞与豌豆播量均设为150.0 kg/hm2。采用完全随机区组设计,小区面积90 m2(6 m×15 m),行距15 cm,每个处理设3次重复,共18个小区,各小区间设置1.0 m 间距。肥料在播前按生产常规作为基肥一次性施入,青稞豌豆种子混匀后采用人工开沟均匀同行溜播。

1.3.2 种间竞争与共存关系 试验于2019年4月至8月进行,试验设计同“1.3.1”。

1.3.3 ‘昆仑15号’ב草原23号’混作组合最优比例筛选 试验于2020年4月至8月进行,利用“1.3.1”和“1.3.2”部分研究结果,选择种间关系相互促进和生产性能较优的混作组合,设置A青稞单作(300 kg/hm2)、B 豌豆单作(150 kg/hm2)、5组混作下的不同播量水平,即C(青稞45.0 kg/hm2、豌豆555.0 kg/hm2)、D(青稞52.5 kg/hm2、豌豆547.5 kg/hm2)、E(青稞60.0 kg/hm2、豌豆540.0 kg/hm2)、F(青稞67.5 kg/hm2、豌豆532.5 kg/hm2)和G(青稞75.0 kg/hm2、豌豆525.0 kg/hm2)。采用完全随机区组设计,小区面积90 m2(6 m×15 m),行距15 cm,每个处理设3次重复,共15个小区,各小区间设置1.0 m 间距。一次性施入基肥,播前施尿素75.0 kg/hm2,磷酸二铵150.0 kg/hm2。青稞豌豆种子混匀后采用人工开沟均匀同行溜播。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 地上生物量 每小区随机选取1 m×1 m样方,齐地面刈割并及时称鲜质量,取500 g带回实验室在65 ℃下烘48 h并称量,设3次重复,取平均值。

1.4.2 青稞分蘖数、豌豆分枝数 在青稞的抽穗期、豌豆的孕荚期,在每个小区内随机选取20株青稞和豌豆进行分蘖/分枝数的测定。

1.4.3 物候期 青稞豌豆混作各处理按1∶1比例,分别记录青稞的出苗期、拔节期、抽穗期、开花期和成熟期;豌豆的出苗期、分枝期、孕蕾期、开花期和成熟期。

1.4.4 株高 在成熟期随机选取各20株青稞、豌豆,测量其自然高度。

1.4.5 产量 分别称取每个处理下青稞、豌豆籽粒与秸秆产量及青稞、豌豆混作中籽粒与秸秆的混合产量,并计算平均值。

1.4.6 秸秆品质 晾干样品经粉碎后采用凯氏定氮法测定秸秆中的粗蛋白含量;采用索氏抽提法测定粗脂肪含量;酸性洗涤纤维含量按GB/T20805-2006测定;中性洗涤按GB/T 20806—2006测定;纤维原子吸收分光光度法测定钙含量;紫外分光光度法测定磷含量[9]。

1.5 数据处理与分析

1.5.1 物种间竞争与共存的计算方法 相对生物量(RY)按下列公式计算[21]:

青稞相对生物量(RYA):RYA= YAB/(PAYA)

豌豆相对生物量(RYB):RYB=YBA/(PBYB)

相对密度(RD)按下列公式计算[22]:

青稞相对密度(RDA):RDA=DAB/(PADA)

豌豆相对密度(RDB):RDB=DBA/(PBDB)

YAB、DAB表示为青稞豌豆混作下青稞的产量和分蘖数,YA、DA表示为青稞单作下的产量和分蘖数;YBA和DBA表示为青稞豌豆混作下豌豆的产量和分枝数,YB和DB为豌豆单作下的产量和分枝数;PA表示为混作中青稞的比例,PB表示为混作中豌豆的比例。当RYA＞1时,表示青稞物种内部的竞争大于与豌豆混作物种之间的竞争;当RYA＜1时表示青稞种内竞争小于豌豆的种间竞争;当RYA=1时,表明青稞物种内部的竞争和豌豆的种间竞争相似[23]。当RDA=1时,表示青稞物种内部的竞争与豌豆物种之间竞争对青稞种群数量影响相似;当RDA＞1时,表明混作时青稞种群数量扩大;RDA＜1时,表明混作时限制了青稞种群数量的扩大(图1)。

图1 青稞×豌豆种内种间竞争与共存图Fig.1 Intraspecific competition and coexistence of Hulless barley and pea mixed cropping

相对产量总值(RYT)按下列公式计算[24-25]:

其中PA、PB分别是青稞和豌豆在混作地中的比例,RYA、RYB分别是单作下青稞和豌豆的产量。当RYT＞1.0 时,表明植/作物间占有的生态位不重叠,分别利用不同的资源,表现出共生关系;当RYT=1.0时,表明植/作物种间需要相同的资源;当RYT＜1.0时,表明植/作种间生态位有重叠,两物种间相互竞争。

竞争率(CR)按下列公式计算[26]:

当CRA＞1,表示在混作中青稞竞争力大于豌豆;当CRA=1,表示在混作中青稞和豌豆竞争力相等;当CRA＜1,表示在混作中青稞竞争力小于豌豆。

1.5.2 数据处理 采用SPSS 22.0统计分析软件对青稞豌豆的分蘖/分枝数、籽粒秸秆产量等实验数据进行方差分析,Excel 2019软件进行作图。

2.1 不同混作组合生产性能

2.1.1 物候期 从表1 可以看出,与‘草原23号’混作的3个青稞品种中‘昆仑14 号’在4 月20日出苗最早,相对于‘昆仑15号’、‘柴青1号’混作提前1～2 d;‘柴青1号’在5月14日最早进入拔节期,相对于‘昆仑14号’‘昆仑15号’提前3～4 d,‘昆仑14号’在6月16日最早进入抽穗期,其次是‘柴青1号’‘昆仑15号’,进入开花期的顺序为‘昆仑14号’‘柴青1号’‘昆仑15号’。与‘草原24号’混作的3个青稞品种中出苗最早的是‘昆仑14 号’,依次是‘昆仑15 号’‘柴青1号’;进入抽穗期最早的为‘柴青1号’,依次为‘昆仑15号’‘昆仑14号’‘昆仑14 号’的开花期最早,比‘柴青1号’‘昆仑15号’早1～2 d。‘柴青1号’与‘昆仑15号’都在8月20日成熟,比‘昆仑14号’提前了1 d。

表1 青稞豌豆混作不同品种间组合物候期调查结果Table 1 Results of phenological period survey of different combinations of barley and pea varieties in mixed cropping

‘草原24 号’生育期的各个时期均比‘草原23号’早,其中出苗期比‘草原23号’早6 d,分枝期早4 d,孕蕾期早1 d,开花期早4 d,成熟期早5 d。在6个混作组合中,‘昆仑14号’ב草原23号’、‘昆仑15号’ב草原24号’和‘柴青1号’ב草原24号’青稞豌豆成熟的时期不一致,全生育期天数相差大;其余3个混作组合成熟时期基本一致,全生育期相差小。因此,选出较优的混作组合为:‘柴青1号’ב草原23号’‘昆仑15号’ב草原23号’和‘昆仑14号’ב草原24号’3个混作组合为较优。

2.1.2 植株高度 由表2可以看出,成熟期植株的高度随着品种和混作组合的不同而有着较为明显的差异。不同混作组合中‘昆仑15号’ב草原23 号’混作组合的植株长势最好。与‘草原23号’混作的青稞品种中‘昆仑14号’高度最高,其次是‘昆仑15号’‘柴青1号’,其中同豌豆高度差异最大的品种为‘昆仑14号’。‘柴青1号’和‘昆仑15号’与‘草原23号’混作组合高度差异小,其中‘昆仑15号’和‘草原23号’其组合最为理想,平均高度差异仅为2 cm。

与‘草原24号’混作的青稞品种中‘昆仑14号’植株高度最高,其次是‘昆仑15号’,‘柴青1号’,其中‘昆仑14号’和‘草原24号’株高差距最小,但也达到了10 cm,‘柴青1号’‘昆仑15号’和‘草原24号’差距均达到10 cm 以上,据以往研究发现,同一作物存在一定的生长特性,因此同一品种内青稞豌豆的株高也存在差异,在‘昆仑14号’与‘草原23’‘草原24’两个混作组合中,‘昆仑14号’株高高于‘草原23’和‘草原24号’,在‘草原24号’与‘昆仑15号’和‘柴青1号’,‘草原23号’与‘柴青1号’3个混作组合中,‘草原23号’‘草原24号’株高高于‘柴青1号’‘草原24号’株高高于‘昆仑15号’,‘昆仑15号’ב草原23号’混作组合两株高无明显差异。

2.1.3 籽粒与秸秆产量 由表2可知,不同品种混作组合中,各个组合的籽粒产量和秸秆产量均不同,与‘草原23号’组合的3种青稞品种,‘昆仑15号’籽粒产量最高达到3 303.0 kg/hm2,其次是‘柴青1号’籽粒产量,‘昆仑14号’籽粒产量最低为2 857.5 kg/hm2;‘昆仑14号’秸秆产量为2 553.0 kg/hm2,其次是‘昆仑15号’,秸秆产量最低的是‘柴青1 号’。‘昆仑15 号’ב草原23号’组合的混合籽粒产量和混合秸秆产量均为最高,‘柴青1号’ב草原23号’的混合籽粒产量比‘昆仑14号’ב草原23号’的混合籽粒产量高,但‘昆仑14号’ב草原23号’的混合秸秆产量比‘柴青1号’ב草原23号’高。同豌豆品种‘草原24号’组合播种的青稞品种中,籽粒及秸秆产量明显高于其他两个组合的是‘昆仑14号’,剩下的两个品种籽粒产量相当,‘昆仑15号’的秸秆产量高于‘柴青1号’,其中‘柴青1号’ב草原24号’的混合籽粒产量最高达到4 585.5 kg/hm2,‘昆仑14号’ב草原24号’的混合秸秆产量最高达到4 402.5 kg/hm2。6 个混作组合中,‘昆仑15号’ב草原23号’的混合籽粒产量和混合秸秆产量比其他组合比较显著增加。从表中数据可以看出,‘昆仑15号’ב草原23号’混合籽粒与秸秆产量最高,较其他5个混作组合为最优组合。

表2 不同混作组合下株高、籽粒与秸秆产量比较Table 2 Comparison of plant height,seed and straw economic traits of different mixed cropping combinations of barley and peas

2.1.4 分蘖/分枝数 由表3可以看出,3个青稞品种单作下的分蘖数均低于混作下青稞的分蘖数。‘草原23号’分别和青稞3个品种混作时分枝数均比单作时增加,其中与‘昆仑15号’混作时‘草原23号’的分枝数较单作显著增加;‘草原24号’分别和青稞3个品种混作时分枝数均比单作时减少,但无显著性差异。其中‘昆仑15 号’ב草原23号’混作时,其作物的分蘖/分枝能力比其他混作组合强,分蘖数/分枝数均显著高于其他组合。

表3 青稞豌豆不同品种单作及混作的分蘖/分枝平均数Table 3 Number of tillers/branches per plant of different varieties of barley and peas in monoculture and mixed crops

2.1.5 生物量分配 由表4中数据表明,青稞3个品种混作下的生物量较单作显著增加(P＜0.05)。‘草原23号’单作生物量为0.70 g,‘草原23号’与‘昆仑14号’混作时,‘草原23号’的生物量为0.54 g。‘草原23号’与‘柴青1号’混作时,‘草原23号’的生物量为0.58 g,较单作显著降低(P＜0.05),豌豆品种在混作中生物量呈下降趋势,但‘草原23号’ב昆仑15号’混作时,生物量较单作无显著变化(P＞0.05)。‘草原24号’单作生物量为0.81 g,‘草原24号’在与混作‘昆仑14号’时,‘草原24号’的生物量为0.47 g;在与‘昆仑15号’混作时,‘草原24号’的生物量为0.51 g;在与‘柴青1号’混作时,‘草原24号’的生物量为0.56 g,较单作均显著降低(P＜0.05)。另外,相较于单作模式六种混作组合的生物量均有所增加,其中‘草原23 号’ב昆仑15号’组合的生物量表现为最佳。6种混作组合下含有‘草原23号’品种的生物量均要高于含有‘草原24号’的生物量,且与‘草原23号’组合的3个品种按生物量大小依次排序为‘昆仑15号’‘昆仑14号’‘柴青1号’;与‘草原24号’组合的3个品种中生物量最高的为‘昆仑14号’,其次是‘昆仑15号’,最低的为‘柴青1号’。

表4 不同品种单作与品种间混作下的干物质质量Table 4 Dry matter mass of different varieties of barley peas under single sowing and mixed crop treatment

2.2 青稞豌豆不同品种混作组合种间竞争与共存关系

在混作中青稞的竞争力较强,但对豌豆的生长无明显抑制作用。如图2,处理a、b、c、d、e、f下青稞豌豆混作中所有品种的相对生物量均在RYA=RYB斜线之下到RYB=1的区域内,这说明在混作中青稞物种内部的竞争大于与豌豆物种之间的竞争(RYA＞1.0,RYB＞1.0),由图2-b可知,‘昆仑15号’与‘草原23号’混作组合中相对生物量均大于2(RYA＞2.0,RYB＞2.0),这一数值说明‘草原23号’ב昆仑15号’混作组合下的两物种存在相互促进的作用。由表5可知,6个混作组合相对密度均大于1,说明混作的方式对青稞的分蘖数和豌豆的分枝数均有促进作用。

图2 不同混作组合下的竞争结果Fig.2 Pattern of competition results of barley and pea under different mixed combinations

由表5可知,6种混作组合中青稞的竞争率均大于1(CRA＞1),豌豆的竞争率均小于1(CRB＜1)。通过相对总产量(RYT)分析6种混作方式中,RYT 大于1,表明混作中青稞品种与豌豆品种之间无明显的竞争作用。

表5 不同品种混作组合的相对密度(RD)、相对生物量(RY)和相对产量总值(RYT)及竞争率(CR)Table 5 Relative density(RD),relative biomass(RY)and relative gross yield(RYT)and competition rate(CR)of mixed cropping combinations of different varieties of barley peas

2.3 不同混作比例下的生产性能

2.3.1 籽粒秸秆产量、株数与分蘖/分枝数 由表6可知,不同混播比例处理下青稞的株数基本一致;不同混播比例处理下的豌豆,随着增加豌豆的混播比例,株数也随之增加。不同混作比例下‘昆仑15号’与‘草原23号’的籽粒与秸秆产量显著高于单作下的籽粒与秸秆产量。混作模式下青稞豌豆的分蘖/分枝数也显著高于单作处理。5种混作比例以E处理籽粒和秸秆产量最高,其混合籽粒产量达5 994.0 kg/hm2,混合秸秆产量达8 905.5 kg/hm2,其次为D、F、G 处理下,C 处理下籽粒与秸秆产量最低。E,G 处理籽粒秸秆产量无显著差异,但E处理下青稞豌豆的分蘖/分枝数显著高于G处理,E处理下青稞分蘖数达到6个。

表6 不同混作比例下籽粒与秸秆产量、分蘖/分枝数比较(±s)Table 6 Comparison of seed and straw yield traits under different mixing ratios

表6 不同混作比例下籽粒与秸秆产量、分蘖/分枝数比较(±s)Table 6 Comparison of seed and straw yield traits under different mixing ratios

处理Treatment品种名称Species name株数/(万株/hm2)Number of plants籽粒产量/(kg/hm2)Grain yield秸秆产量/(kg/hm2)Straw yield混合籽粒产量/(kg/hm2)Mixed seed grain yield混合秸秆产量/(kg/hm2)Mixed seed straw yield分蘖/分枝数Number of tillers/branches A昆仑15号 Kunlun 15 375.00±5.00 5 251.5 f 8 442.0 c//3.0 e B草原23号 Caoyuan 23 55.38±6.00 3 034.5 g 4 707.0 d//2.0 e C昆仑15号 Kunlun 15 56.25±3.75 1 836.0 2 977.5 5 448.0 d 8 838.0 b 3.9 d草原23号 Caoyuan 23 97.38±5.13 3 612.0 5 860.5 2.5 d D昆仑15号 Kunlun 15 56.25±3.75 2 034.0 3 007.5 5 659.5 c 8 886.0 a 4.8 b草原23号 Caoyuan 23 82.49±4.34 3 625.5 5 878.5 2.6 d E昆仑15号 Kunlun 15 56.25±3.75 2 233.5 3 049.5 5 994.0 a 8 905.5 a 6.0 a草原23号 Caoyuan 23 71.25±3.75 3 760.5 5 856.0 3.1 a F昆仑15号 Kunlun 15 56.25±3.75 2 208.0 3 154.5 5 809.5 b 8 857.5 b 4.8 b草原23号 Caoyuan 23 62.45±3.29 3 601.5 5 703.0 3.0 b G昆仑15号 Kunlun 15 56.25±3.75 2 197.5 3 205.5 5 931.0 a 8 877.0 a 4.6 c草原23号 Caoyuan 23 55.42±2.92 3 733.5 5 671.5 3.0 c

2.3.2 秸秆饲用品质 由表7可知,不同混播比例之间的粗蛋白含量均无显著性差异,但粗蛋白含量均显著高于单作青稞,显著低于单作豌豆;随着增加豌豆在混作中的比例,粗蛋白含量也随之增加。其中单作青稞粗蛋白含量为5.98%,混作中秸秆粗蛋白含量上升2.86%～3.07%。在不同混作比例下粗脂肪含量与粗蛋白含量呈相同规律。中性洗涤纤维含量单作青稞均显著高于其他处理,不同混作比例之间C 处理下NDF 含量显著高于D、E、F、G 处理,单作豌豆NDF含量显著低于其他处理。酸性洗涤纤维含量与中性洗涤纤维含量呈相同规律。不同混作比例处理之间,随着豌豆在混作中比例的增加,Ca∶P比例也随之增加;单作青稞Ca∶P 在不同处理之间最低为1.75,单作豌豆Ca∶P在不同处理之间最高为5.05,不同混播比例下Ca∶P为2.54～2.88。

表7 不同混播比例下秸秆营养比较表Table 1 Comparative table of straw nutrition at different mixing rates

3.1 种间竞争与共存关系

不同植/作物获得和利用资源的能力不同,同一植/作物不同品种也由于茎叶的大小和根系分布的差异,使得不同植/作物间和同种植/作物的不同品种间获得和利用资源的能力有很大差别[27-28]。本研究发现,6 种混作组合的相对总产量(RYT)均大于1,青稞与豌豆之间不存在竞争关系,说明青稞豌豆混作占有不同的生态位,分别利用不同生态资源,有利于青稞豌豆在群落中的共存。谢开云等[21]研究无芒雀麦和紫花苜蓿混作中竞争与共存关系,发现混作条件下对无芒雀麦的分蘖数和紫花苜蓿的分枝数均显著高于单作处理(RDA＞1,RDB＞1)。徐高峰等[29]研究不同物种和种植比例对小子虉草分枝数影响时发现混种种群小子虉草的分枝数均小于其单种种群。‘昆仑15 号’与‘草原23 号’混作时相对密度(RDA＞2,RDB＞2),其分蘖/分枝数相比其他混作组合多,‘昆仑15号’分蘖数与单作相比显著增多(P＜0.05),‘草原23号’分枝数与单作相比无显著差异(P＞0.05),但其余组合中豌豆的分枝数较单作比均显著降低(P＜0.05),前人与本研究结果一致。禾豆混作下禾本科作物分蘖数较单作均增加,豆科作物分枝数普遍降低,这可能与豆科作物供氮有关,豆科固定的氮素除了一部分供自身生长需要,还可为混作中禾本科作物提供氮素营养[20]。

RYT 只能表明植/作物种间的相互关系和对环境资源的利用情况,不能准确地说明植物之间竞争力的大小,所以引入竞争率(CR)这一概念表示混作中植/作物竞争力的强弱。6 种不同混作组合中青稞竞争率(CRA)均大于1,(CRB)均小于1,说明青稞豌豆混作中,青稞是混作组合的优势物种,禾本科的竞争力要比豆科强。禾豆混作的初始比例直接影响两物种间的竞争力。随着禾豆比例的降低,禾本科植/作物竞争力降低,豆科植/作物竞争力提高。周青平[30]在研究燕麦和箭筈豌豆混作种间竞争率时发现燕麦的竞争率在各个时期均大于箭筈豌豆。郑伟等[31]在研究不同混作种类和混作比例下豆禾混作草地种间动态竞争时发现豆禾比4∶6处理下与豆禾比5∶5处理下CR 值在两个生育期出现了小于1 的情况,但禾草竞争力大部分生育期大于豆科。陈积山等[32]在紫花苜蓿和无芒雀麦混作时发现,当无芒雀麦比例为65% 和80% 时,竞争力(CR)大于紫花苜蓿,当紫花苜蓿的比例为65% 和80% 时,竞争力(CR)大于无芒雀麦。‘昆仑15号’与‘草原23号’在5种不同的混作比例下发现,随着禾豆混作中豌豆的比例增加,籽粒与秸秆产量呈先增加后降低的趋势,这与种间竞争力有关,对比前人研究结果,得出在青稞与豌豆混作时混作比例的大小是影响种间竞争主要因素之一,豌豆比例过大,豌豆的竞争力大于青稞作物,影响青稞的生长发育,豌豆混作比例过小,青稞的竞争力大于豌豆,豌豆的生长发育受到了抑制。

3.2 生产性能

植/作物的物候期的变化被多种环境因素影响,而这些环境因素都是相互关联的,我们可以通过控制一种或多种因素,来观察这种因素对植/作物物候期的影响[33]。前人主要针对环境因素对作物生育期的影响开展了研究,如郑孟静对全生育期增温对冬小麦物侯期的影响,通过改变温度的大小来观察对整个生育期变化的影响[34],胡明新等[35]在春玉米拔节期控水观察其生育期时长的变化,通过控制春玉米根系对水分的吸收来观察拔节期时间变化的影响。前人对不同品种间混作组合的物候期调查很少,本研究为找到适宜生育期的青稞豌豆混作品种,达到同种同收地目的,通过对不同青稞豌豆混作组合中两物种物候期的调查发现,‘昆仑15号’ב草原23号’、‘柴青1号’ב草原23号’和‘昆仑14号’ב草原24号’3个混作组合中两物种生育期基本一致。

本研究‘昆仑15号’,株高85 cm 左右,便于发挥支架作用,且株型紧凑,抗倒伏;‘草原23号’,株高80 cm 左右,环藤能力强。两物种植株高度相差不大,能充分利用光能,能有效地减少植株相互遮荫对光资源不能充分利用的影响。秦燕等[36]在研究燕麦和箭筈豌豆混作时发现混作对燕麦和箭筈豌豆植株高度、分蘖/分枝数有显著的影响,混作中箭筈豌豆使燕麦的分蘖数增加,同时箭筈豌豆的分枝数呈降低趋势;王斌等[17]在研究燕麦与毛苕子4种混作方式时发现,4种不同混作方式下的两物种分蘖/分枝数都显著增加。秦燕等[36]研究发现燕麦可通过增加植株高度获取光资源来提高竞争优势,箭筈豌豆因植株比燕麦矮小,在光资源竞争中受到抑制,所以导致箭筈豌豆分枝数减少。本研究中发现‘昆仑15号’ב草原23号’分蘖数分枝数较单作均增加,与王斌研究燕麦与毛苕子混作的结果一致,说明‘昆仑15号’ב草原23号’植株高度差异不大,光资源竞争小,种间关系相互促进。青稞‘昆仑15 号’ב草原24号’的混作组合青稞分蘖数显著增加,但混作中豌豆的分枝数呈降低趋势,这与秦燕研究燕麦与箭筈豌豆混作时,箭筈豌豆分枝数减少的结果一致,‘昆仑15号’ב草原24号’植株高度差异显著,植株间遮荫,不能充分利用光资源,光合作用减少,有机养分合成减少,导致豌豆生殖生长受抑制,分枝数减少。

禾豆混作中的豆科作物可通过自身根瘤菌固定空气中的氮素,一部分供自身生长需要,另一部分为混作中禾本科作物提供氮素营养[20]。6种不同混作组合中‘昆仑15号’与‘草原23号’组合籽粒与秸秆产量最高,与其他5种混作组合籽粒与秸秆产量有显著性差异(P＜0.05),说明‘昆仑15号’与‘草原23号’组合搭配时种间竞争小,两个品种间彼此互补,相互促进。前人研究发现禾豆牧草混作时产草量显著提高,主要得益于禾豆作物间的互补效应,禾草需氮/豆草供氮,禾豆混作体系中存在对氮素的互补利用,具有协同作用[21]。杜欣[37]在研究不同混间条播模式对混作草地产草量的影响时发现燕麦与苜蓿混作比燕麦单作增产,这与本研究结果一致。

适宜的青稞豌豆品种混作,筛选最佳的混作比例,能使作物产量明显提高。徐强等[38]在研究黑麦与箭筈豌豆时发现,同一组合下混作草地的鲜(干)草产量均先升高后降低。青稞‘昆仑15号’与豌豆‘草原23 号’进行混作,在混作比例1∶9下籽粒产量最好,与其他4种混作比例有显著性差异(P＜0.05),秸秆产量与其他混作组合相比无显著性差异。随着混作中豌豆的比例从1∶7增加到1∶9时,产量不断增加,当豌豆比例再增加时,产量开始降低,这与徐强等[38]研究结果一致,随着增加豌豆在混作中的比例,可以减少青稞的种间竞争力,使青稞与豌豆相互促进,达到增产增值的效果,当种间竞争达到平衡时,再增加豌豆在混作中的比例会使种植密度过高,其地上部光合竞争和地下部根系养分的竞争不断增加导致作物减产。

3.3 饲用品质

前人研究表明,在间作模式下随着增加豆科牧草的播种比例,禾本科牧草的粗蛋白含量也随之增加[39-40]。本研究表明青稞豌豆混作模式会增加青稞豌豆秸秆中的粗蛋白、粗脂肪含量;随着增加豌豆在混作中的比例,作物秸秆中粗蛋白、粗脂肪含量也随之增加,不同混作比例处理之间的粗蛋白、粗脂肪无显著性差异,但均显著高于单作处理下的青稞。豌豆中富含大量蛋白质及钙、磷等矿物质,青稞中蛋白质及钙、磷等物质含量较低,青稞豌豆混作后,豌豆固定的部分氮素通过土壤转移给了青稞,提高秸秆的养分利用,从而促进了青稞蛋白质含量的增加。中性、酸性洗涤纤维直接影响动物的采食率、消化率、适口性,是对饲料养分品质评估的一个重要指标[41]。李春喜等[42]在研究高寒牧区高粱与箭阔豌豆混播中发现,在一定的混播比例下与单播相比NDF、ADF 含量分别降低4.24%、2.21%,混播可提高饲草品质。马垭杰等[43]在研究青贮玉米和秣食豆混作时发现,在1∶2混作比例下NDF、ADF 含量分别降低9.75%、5%。本研究发现不同混作比例下NDF、ADF无显著性差异,但均显著性低于比单作青稞,表明青稞豌豆混作模式会降低作物秸秆中NDF、ADF 含量,有效改善秸秆的饲用品质,与前人研究结果一致。

钙磷比也是饲草品质中一个重要指标,其中饲草中Ca∶P在1∶1～3∶1最适宜动物的生长发育与代谢活动,若单一元素过量会导致对钙磷的吸收与利用降低,影响动物生长发育[44]。目前关于混作模式对作物钙磷比饲用品质的研究很少,本研究表明青稞豌豆混作可增加作物秸秆中的钙磷比,不同混作比例下钙磷比均比单作青稞要高,且不同混作比例之间的钙磷比无显著性差异。

青稞豌豆混作秸秆的饲用品质均高于单作青稞秸秆饲用品质,表明青稞豌豆混作可增加单位面积上的产量,全面提高饲料中的营养品质。青稞豌豆混作可显著提高秸秆中粗蛋白、粗脂肪含量,有利于Ca∶P 的平衡,有助于提高反刍动物对秸秆的消化率;还可以使混作中秸秆的NDF、ADF含量显著降低,可增加反刍动物的采食量,维持反刍动物胃正常消化功能,极大地改善了秸秆的品质和营养,并提高动物的采食率、消化率、适口性,实现饲用节本增效的目的。

3.4 混作模式的应用价值及问题

麦豆混作技术是基于传统种植模式之上的创新型种植技术,具有一定科学性和合理性的栽培模式,禾本科和豆科等不同粮食作物混作,既可以起到改土培肥的作用,又有明显的生物互作效应,抑制田间病虫草害的发生,该种植模式的推广对抵御自然灾害降低自然风险具有现实意义[45]。且两种作物的合理搭配,可提高作物的综合产量,能够实现单位面积上增产增值效益,增加农民收入,提升种植业的经济效益与社会效益,实现农业可持续发展[46]。马怀英等[47]在研究燕麦与豆科作物(绿豆、花生、大豆)间作时发现,与燕麦单作相比3 个间作组合的经济效益均增加。田艺心等[48]在研究磷肥减施对大豆/玉米间作的影响时发现,各个间作处理下的经济效益均比单作下大豆、玉米产生的经济效益高。随着农业现代化发展,对禾本科/豆科间作模式智能化和机械化的发展也越来越重视。Iqbal等[49]研究发现,玉米-大豆的条状距离在60～70 cm 时更有助于促进玉米、大豆有效利用资源,并适应机械化播种和收割。前人研究表明,合理的禾本科/豆科间作种植模式可增加作物产量,提高种植业经济效益,对于禾本科×豆科混作模式研究报道还少,本研究在对青稞与豌豆混作时发现,‘昆仑15号’ב草原23号’混作均比单作青稞、单作豌豆籽粒与秸秆产量高;青稞豌豆混作模式的技术成果已在青海省成熟应用,经调查,通过2019年青稞、豌豆混种混收种植模式示范地,麦豆混作后比青稞单作籽粒和秸秆平均667 m2增收1 107元,比豌豆单作籽粒和秸秆平均667 m2增收1 110元,混作后的经济效益也比单作增加。其中青稞豌豆混作采用机械化混合分层播种施肥技术,豌豆置于肥料箱、青稞置于种子箱一次性机械条播;收割使用约翰迪尔收割机,调整筛片,混合种子通过筛孔大小为0.6～0.8 cm 精选一次性分离;秸秆使用秸秆打捆机将青稞豌豆一起打成方块捆,便于运输储藏。

青稞豌豆混作模式在区域内虽广受好评,但由于缺乏对该模式养分吸收、转化和利用等相关基础理论的研究,未能明确合理的肥料运筹方式,肥料投入存在一定的盲目性,阻碍了该模式的进一步应用和推广,所以需通过系统研究青稞豌豆混作模式中作物吸收、利用营养物质的关键过程和规律,明确作物养分高效吸收利用的策略与机制,进而建立养分高效利用的理论与技术调控途径,是实现此模式持续应用和推广的有效途径。

选择3个青稞品种、2个豌豆品种,通过设置1∶1播量下6个混作处理,通过生产性能(物候期、籽粒和秸秆产量)评价和种间竞争与共存关系研究,得出‘昆仑15号’ב草原23号’物候期相近,生育期均在140 d左右,植株高度差异仅为2 cm 左右;籽粒与秸秆产量均显著水平高于其他混作处理,混合籽粒产量达到360.8 kg/hm2,混合秸秆产量达到307.0 kg/hm2;通过种间竞争与共存关系研究得出,6 种混作组合相对总产量(RYT)显著均大于1,表明青稞3个品种与豌豆两个品种之间无明显的竞争作用,其中‘昆仑15号’ב草原23 号’的相对生物量(RYA＞2,RYB＞2),相对密度(RDA＞2,RDB＞2),表明‘昆仑15号’ב草原23号’组合种内竞争相比其他5种混作组合最小,对混作组合中青稞的分蘖数和豌豆的分枝数均具有促进作用,种间关系相互促进,有利于粮草产量的同步提高;后通过研究不同混作比例对籽粒和秸秆生产性能的影响研究,确定‘昆仑15号’ב草原23号’为最优组合,其混作比例为1∶9时,即青稞56.25万株/hm2、豌豆71.25 万株/hm2,有利于粮草产量的同步提高,能最大程度发挥禾豆混作粮草双高的优越生产性能。

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