紫花苜蓿间作对青贮玉米生物量及根系特性的影响：杂交种适应性差异研究

本研究通过两年田间试验，系统评估了紫花苜蓿(Medicago sativa L.)间作对10个青贮玉米(Zea mays L.)杂交种生物量、茎秆性状、籽粒特性及根系特征的影响，揭示了间作导致玉米生物量降低16%-29%的关键机制，并首次发现杂交种对间作的适应性差异与籽粒数、株高、光吸收(PAR)及早期氮营养指数(NNI)显著相关，为优化玉米-苜蓿间作体系提供了重要理论依据。

　　

研究背景与方法

在寒冷温带地区，紫花苜蓿与青贮玉米的间作系统因玉米生物量下降而应用受限。这项为期两年的威斯康星州田间试验，采用随机区组设计评估了10个玉米杂交种在单作与苜蓿间作下的表现。研究通过测量土壤体积含水量(VWC)、植株高度、叶绿素含量(SPAD)、光合有效辐射(PAR)吸收等指标，结合近红外光谱(NIRS)分析收获生物量的粗蛋白和淀粉含量，并利用2D数字根系性状平台(2D DIRT)对根系表型进行数字化表征。

环境条件与作物响应

2021-2022年生长季的气候差异显著：2022年早期干旱导致土壤VWC降低，间作玉米的株高在V10阶段比单作降低23%。两年数据显示，间作使玉米生物量平均减少22%（2021年16%，2022年28%），淀粉质量下降25%。杂交种可分为"生物量小幅下降组"（平均减产19%）和"大幅下降组"（平均减产27%），这种差异与籽粒数、株高等性状显著相关。

茎秆与光合特性

间作玉米的茎秆发育受到系统性抑制：

• 株高：2022年V10阶段降低23%，与土壤水分竞争直接相关
• 光能利用：R1阶段PAR吸收减少6.8%
• 氮素状态：间作使氮营养指数(NNI)降低7%-12%，SPAD值在R1阶段降幅最大（11%）
  值得注意的是，"小幅下降组"杂交种在V5阶段的SPAD值显著高于"大幅下降组"，提示早期氮素状态可能是抗逆性关键。

籽粒形成特征

间作导致每株玉米籽粒数减少24%，但单粒淀粉质量保持稳定（2022年提高20%）。这表明生物量下降主要源于籽粒数量而非灌浆过程的限制。杂交组间比较显示，"小幅下降组"籽粒数多8%，印证了籽粒形成期对间作胁迫的敏感性差异。

根系构型改变

DIRT平台分析揭示了间作对根系的深远影响：

• 结构变化：茎基直径减少7%，根尖数量减少9%
• 空间分布：DS10值增加8%，表明表层根系更水平扩展
• 年际差异：2022年干旱条件下，单作玉米最大根宽增加5%，而间作体系根系面积减少12%
  尽管根系性状与杂交组无关，但干旱年景中根构型的可塑性差异暗示水分竞争的关键作用。

应用前景与启示

该研究首次证实玉米杂交种对苜蓿间作的适应性存在显著差异，其中"小幅下降组"表现出三大优势：

1. 维持较高籽粒数（+8%）和株高（+9%）
2. 早期氮素吸收(SPAD)更高效
3. 对苜蓿覆盖度的竞争抑制更强（地面覆盖率低4%）
   这些发现为选育适宜间作的玉米品种提供了明确方向，同时指出优化播种时间（如延迟至VE阶段）可能缓解生物量损失。未来研究需进一步解析根系-土壤互作机制，以及水分胁迫下不同杂交种的生理响应通路。