小麦/玉米和豌豆/玉米宽条带间作中与不同生长动态相关的产量优势

《Field Crops Research》：Yield advantage associated with distinct growth dynamics in wheat/maize and pea/maize wide-strip intercropping

　　- 宽条带间作通过提高玉米产量增加了系统产量。- 小麦/玉米通过竞争-恢复动力学实现了产量优势。- 豌豆/玉米通过种间促进作用和更长的玉米恢复期增加了产量。- 土壤肥力管理在短期内对作物产量没有显著影响。## 引言间作是在同一面积土地上种植两种或多种作物，可以通过种间相互作用提高系统生产力和资源利用效率。中国的传统间作制度分为隔行间作和窄条带（套种）间作。这些系统比单作具有产量优势。然而，农民的采用率有限，因为田间管理相对复杂，播种、除草、施肥和收获等操作难以用农业机械完成。此外，人口老龄化和农村劳动力短缺也限制了间作的采用，迫切需要一种适用于集约农业的新型机械化兼容间作模式。宽条带间作由每条作物条带1.5–2.5米宽组成，两条作物条带总宽3.7–4.2米。条带宽度设计为与当地可用小型机械的作业宽度相匹配，早熟作物收获后可增加复种，从而提高系统多样性和总产量。在条带间作系统中，边界行在两种作物之间经历更强的种间相互作用，而内行则主要由种内相互作用主导。种间相互作用在产量优势中起关键作用。例如，小麦/玉米条带间作的土地当量比（LER）显著大于1，边界行小麦的表现优于内行和单作。早播物种如小麦、蚕豆和豌豆在边界行获得的氮素多于单作。这些来自窄条带系统的发现强调了边界行的重要性。然而，加宽条带必然会降低边界行的比例。条带间作的生产力受边界行比例的影响很大，因为当条带变宽时，间作的好处会减少。恢复生长是一个动态过程，但它主要是利用收获末期收集的数据进行表征的，这无法阐明恢复生长何时以及如何进行。逻辑增长模型描述了生物量随时间的积累，并已被广泛用于量化作物生长动力学。在窄条带间作中，逻辑拟合表明时间生态位分化和从属物种的恢复生长是产量优势的主要驱动力。然而，尚没有研究量化宽条带间作中边界行、内行和单作植物的生长轨迹，因此宽条带间作的产量优势是否与相同的过程有关，还是与种间促进作用有关，仍不清楚。除了间作效应之外，通过有机肥料施用和秸秆还田等土壤肥力管理措施，宽条带间作下的土壤肥力也可以提高作物生产力并维持土壤肥力。秸秆还田可以通过增加土壤供水来提高小麦/玉米条带间作的谷物产量。在玉米/大豆条带间作中，用有机肥料部分替代化肥可以增加单位面积的谷物蛋白质产量。然而，尚不清楚将土壤肥力管理措施整合到宽条带间作系统中是否能进一步提高系统生产力。为了弥补这些空白，我们进行了一项为期两年的田间试验，以(1)评估宽条带间作相比单作是否提高了系统生产力，并使用逻辑模型量化作物生长动力学，以及(2)确定整合土壤肥力管理措施是否能进一步提高生产力。我们的假设是(1)宽条带间作相比单作提高了系统生产力，这种优势与时间生态位分化和恢复生长有关，边界行玉米的恢复比内行玉米更强；(2)整合土壤肥力管理措施能进一步提高宽条带间作的生产力。## 片段### 试验地点描述2023年在甘肃白银市景泰县靖滩站（北纬37°15′，东经104°13′）建立了一个田间试验，并在2024年和2025年生长季进行。试验场地的航拍照片见图S1。试验站属于温带大陆性干旱气候。2024年平均气温为10.7°C，2025年为9.2°C。累计温度为3208°C（≥0°C）和2622°C（≥10°C），无霜期……### 宽条带间作与单作的生产力宽条带间作在小麦/玉米和豌豆/玉米两个宽条带间作系统中均显著提高了系统生产力，与相应单作的加权平均值相比。与小麦和豌豆间作的玉米谷物产量增加了10.8–30.7%，生物量增加了1.3–18.7%。小麦/玉米宽条带间作系统的谷物产量显著增加了8.7–19.8%，地上生物量增加了0.5–16.3%。### 宽条带间作仍具有产量优势本研究支持了第一个假设，即宽条带间作系统在谷物产量和地上生物量方面具有生产力优势。生产力的提高主要来自玉米产量的增加，而小麦/玉米和豌豆/玉米宽条带间作中的小麦和豌豆产量受到的影响较小。在中国西北的小麦/玉米和豌豆/玉米窄条带间作中，产量优势显著，LER值为1.22–1.60。### 结论宽条带间作相比单作提高了系统生产力，主要通过增加玉米产量，整合复种进一步提高了生产力。间作玉米的生产力优势与时间生态位分化、恢复生长和种间相互作用有关，这些在不同系统中的运作方式不同。在小麦/玉米中，玉米遵循"竞争-恢复"动力学，而在豌豆/玉米中，更早的豌豆收获提供了……### CRediT作者贡献声明**杨启昌：** 撰写——初稿、可视化、调查研究、数据管理、正式分析、验证。**王承宝：** 数据管理、调查研究。**张涛：** 调查研究、数据管理。**霍林：** 调查研究。**温美娟：** 调查研究。**Peter Christie：** 撰写——审阅与编辑。**于瑞鹏：** 撰写——审阅与编辑、概念化。**李龙：** 撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。### 利益冲突声明作者声明，他们没有任何已知的可能影响本文报告工作的竞争经济利益或个人关系。### 致谢作者感谢甘肃省农业科学院土壤、肥料与节水农业研究所提供的实验支持，感谢银晓通、刘晓刚、王小怡、雷燕、华赵阳、孙苗苗、王慧、吴华敏、吴永崔和杨宝祥在田间采样方面提供的帮助。本研究由国家关键研究与发展计划资助（2022YFD1900200）。于瑞鹏还获得了2115人才发展……