容器栽培条件下紫苏与菜豆伴生种植比例对基质大量元素含量及生长性状的影响

《Agronomy》：Change in Substrate Macronutrients and Growth Traits as Affected by Companion Cropping Ratios of Perilla with Kidney Bean in Container Cultivation

　　

中文翻译：本研究探讨了以紫苏（Perilla frutescens L.）为主栽作物、菜豆（Phaseolus vulgaris L.）为伴生作物的伴生种植对基质大量元素含量及植物生长的影响。依据种植比例设置5个处理：紫苏单作（PC）；紫苏与菜豆按2:1（P2K1）、1:1（P1K1）和1:2（P1K2）比例混作；以及菜豆单作（KC），所有处理均在温室条件下于容器中栽培。与菜豆伴生种植既未改善基质大量元素状况，也未促进容器中紫苏的生长。基质分析表明，与紫苏单作相比，混作处理中大量元素（氮、磷、钾）含量显著且迅速下降（p < 0.05）。与单作相比，与菜豆伴生种植显著降低了紫苏的叶长、叶宽、叶片数、叶绿素含量、叶绿素荧光、茎粗及生物量（p < 0.05）。土地当量比（LER）在P2K1、P1K1和P1K2处理间无显著差异，但菜豆的相对产量（RY）和竞争比率（CR）随紫苏种植比例降低而下降，表明菜豆比紫苏更具竞争性。因此，对于短期容器蔬菜园艺而言，紫苏单作比与菜豆伴生种植更为适宜。

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一、研究背景与问题

容器栽培是都市农业中常见的生产系统，其优势在于能够适应城市狭小空间，同时通过避免人为踩踏减少土壤压实，有利于水分在生长介质中的自由移动。容器栽培作物需要在短期内获得适宜的生长条件，其中生长介质尤为关键，应以最佳浓度、比例和释放速率供应养分，以同时支持植物地上部和地下部根系。水溶性合成肥料虽能有效提高园艺作物产量，但其生产消耗大量化石燃料，且因水溶性特点，养分容易随径流淋失。为解决这些问题，研究者常借助特定的生产系统和农艺措施。

伴生种植，亦称间作、混作或多作，是一种同时栽培两种或多种作物的农业生态学实践，已被人类使用数千年，至今仍广泛存在于全球种植系统中。近年来，伴生种植在禾谷类与豆科间作系统中的复兴尤为显著，主要归因于时空生态位互补带来的显著效益。然而，并非所有作物组合在间作系统中都能产生互利效应，例如玉米与苜蓿间作虽提高经济效益但降低产量，向日葵与玉米间作使籽粒产量较单作降低20%。伴生种植系统已被证明可减少对肥料的依赖和降低硝酸盐淋失风险，尤其适用于低氮系统。豆科作为组分作物具有多重功能，包括生物固氮、改善土壤质量、提供蛋白质等额外产出以及创造功能多样性。但两种或多种作物共同种植需要额外的管理和照料，以尽量减少种间竞争并高效利用自然资源。已有研究证实豆科固氮在田间条件下促进作物生产并缓解非生物和生物胁迫的潜力，但关于其在容器和温室等受控环境中的应用研究仍十分有限。

紫苏为唇形科一年生植物，主要在亚洲国家栽培，是可食用的叶菜，广泛用于沙拉、寿司、汤品以及腌菜和装饰。在韩国，紫苏是最重要的叶菜之一，常与叶用莴苣、羽衣甘蓝和小白菜一起作为“包饭菜”使用，因其风味和健康功效而在家庭菜园和阳台广泛种植。菜豆适应性强，可在贫瘠土壤中生长且具有抗旱性。种植豆科植物作为氮素的主要生物来源，也是减少合成氮肥使用及相应化石能源消耗的有效手段。然而，基于豆科的伴生种植农艺效果受地下空间限制和种间竞争的强烈制约。因此，确定组分作物的最佳比例是推广伴生种植作为可持续实践的关键后续步骤。本研究旨在评估在不补充施肥条件下，豆科伴生作物对基质大量元素和叶菜生长的影响，并探索将豆科植物整合到容器蔬菜园系统中的可能性。

二、研究内容与主要结论

研究人员于2022年4月至7月在韩国忠北大学国际校区绿色技术融合系温室进行试验，将30日苗龄的紫苏和菜豆幼苗以不同比例共同移栽至相同塑料容器中，设置紫苏单作、紫苏与菜豆2:1、1:1、1:2混作及菜豆单作共5个处理，完全随机设计，3次重复。栽培期间不补充任何化学肥料，以追踪各种植配置下生长介质大量元素含量的变化。研究结果表明，伴生种植并未改善基质大量元素状况，反而使混作处理中氮、磷、钾含量较紫苏单作显著且迅速下降。与单作相比，伴生种植显著降低了紫苏的叶长、叶宽、叶片数、叶绿素含量、叶绿素荧光、茎粗和生物量。土地当量比在各混作处理间无显著差异，但菜豆相对产量和竞争比率随紫苏比例降低而显著下降，表明菜豆比紫苏更具竞争性。研究最终得出结论：对于短期容器蔬菜园艺，紫苏单作比与菜豆伴生种植更为适宜。

三、主要关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：容器栽培试验设计，在温室条件下以完全随机设计设置5种种植比例处理，3次重复；使用便携式土壤多参数分析仪（SOIL6CH）测定基质中硝酸盐、磷和钾含量；使用叶绿素计（SPAD-502）测定相对叶绿素含量；使用色度计（CR-400）测定叶片颜色参数；使用脉冲调制荧光计（Junior-PAM）测定叶绿素荧光参数Fv/Fm；采用相对产量、土地当量比和竞争比率等指数评价伴生种植系统中紫苏和菜豆的资源利用能力和竞争关系；所有数据采用SPSS v.30.0进行单因素方差分析和邓肯多重比较检验。

四、研究结果

1. 1.
   伴生种植比例对容器栽培基质大量元素含量的影响

试验开始时（7 DAT），各处理基质氮含量为28.84–34.43 mg?kg^?1。14 DAT时出现急剧下降：紫苏单作（PC）保持相对较高的氮含量约35.86 mg?kg^?1，而菜豆单作（KC）和三种混作配置（P2K1、P1K1、P1K2）均降至15.71–22.14 mg?kg^?1。至42 DAT最终测定时，各处理间已无显著差异，均降至5.14–8.00 mg?kg^?1。基质磷含量变化与氮相似，紫苏单作在14 DAT和21 DAT分别为53.00和28.86 mg?kg^?1，而混作处理在14 DAT迅速降至22.14–31.57 mg?kg^?1，21 DAT进一步降至13.00–17.84 mg?kg^?1。钾是三种大量元素中含量最丰富的，初始范围为85.57–113.57 mg?kg^?1，其下降趋势与氮、磷一致。14 DAT时紫苏单作保持较高钾浓度约105 mg?kg^?1，而含菜豆的处理钾含量迅速下降，菜豆单作在14至21 DAT间下降最快，降至约28 mg?kg^?1。35 DAT起各处理间无显著差异。

1. 2.
   伴生种植比例对容器栽培生长性状变化的影响

紫苏株高在各处理中从7至42 DAT稳步增加，7 DAT时单作与混作处理间无显著差异，14至28 DAT期间P1K1处理记录最高值，35 DAT起各处理间无显著差异。菜豆株高在各处理间差异显著，菜豆单作在每个测定时间点均记录最低值，42 DAT时仅约32 cm，而混入紫苏的处理促进了菜豆垂直生长，紫苏比例最高的P2K1配置在28 DAT时达到约38 cm峰值。紫苏叶长呈稳定S形增长，35 DAT时单作记录最大叶长，而混作处理趋于低于单作。菜豆叶长受种植比例显著影响，单作叶长最短，而所有混作配置在14 DAT即快速增加并维持较高值。紫苏叶宽在生长早期缓慢增加，28–35 DAT期间急剧上升，收获时单作达到明显优越的约7.4 cm宽度，而所有伴生种植处理均未进一步增加。菜豆叶宽与叶长趋势相同，单作显著降低，42 DAT仅约5.7 cm，而所有混作配置逐渐增至6.6–6.8 cm。紫苏叶片数受伴生种植显著抑制，收获时单作每株约12片叶，而所有混作配置约9.5片叶。菜豆叶片数在早期快速增加，紫苏比例最高的P2K1配置在21 DAT时达到每株平均30片叶的峰值，显著高于菜豆单作，此后各处理叶片数自然下降。紫苏叶绿素含量在21 DAT时单作达到最高值33.0 SPAD，收获时仍为最高值26.2 SPAD，而P1K1最低为23.2 SPAD。菜豆叶绿素含量从7至14 DAT指数上升，21 DAT后急剧下降，42 DAT时菜豆单作达到最低值18.8 SPAD。

1. 3.
   伴生种植比例对紫苏叶片颜色、叶绿素荧光、茎粗和生物量的影响

叶片红度（a*值）在各处理间无显著差异，维持在?9.49至?10.25之间。紫苏单作保持显著最高的光系统II最大量子产量（Fv/Fm），为0.63。伴生种植将这一值降至P2K1的0.57和P1K1的0.56，菜豆比例最高的P1K2记录最低值0.55。紫苏平均茎粗在单作中为5.58 mm，而伴生种植下仅为4.50–4.81 mm，显著降低，P1K2茎最细。紫苏单作的地上部鲜重和干重分别为9.70和2.09 g，根系鲜重和干重分别为16.43和3.98 g，普遍高于伴生种植处理。混作处理中根系鲜重随菜豆比例增加而增加，P1K2达到最大值13.53 g，但根系干重无显著差异。

1. 4.
   伴生种植比例对紫苏和菜豆相对产量、土地当量比和竞争比率的影响

紫苏的相对产量在P2K1、P1K1和P1K2中分别为0.6、0.7和0.8，随菜豆种植比例增加而增加，但差异不显著。菜豆的相对产量在相同处理中分别为1.3、1.0和0.7，随紫苏比例降低而显著下降。土地当量比在各处理间无显著差异，但随紫苏种植比例增加而数值上升。紫苏的竞争比率仅在菜豆种植比例最高的P1K2中超过1，而菜豆的竞争比率受紫苏比例显著影响，在P2K1中最高达4.6，表明菜豆比紫苏更具竞争性。

五、讨论与结论

讨论部分指出，所有伴生种植处理的养分动态与菜豆单作而非紫苏单作密切相似，表明菜豆获得了对紫苏的竞争优势。虽然豆科植物能够固氮，但幼株在根瘤形成早期可能依赖土壤无机氮。菜豆单作中磷下降最快，表明菜豆比紫苏具有更强的磷吸收能力。钾含量超过氮和磷，原因是容器介质中椰糠天然富含钾，蛭石增强阳离子交换能力。菜豆在21 DAT前株高、叶长、叶宽和叶片数均快速增加，赋予菜豆对紫苏的早期竞争优势。当基质体积受限时，伴生种间生长速率的时空不同步可将潜在促进转化为不对称竞争。紫苏生长受限也可能反映较高菜豆植株遮荫导致光合活性降低。紫苏单作Fv/Fm值为0.63，而伴生处理为0.55–0.57，表明菜豆上层冠层降低光透射率，从而降低Fv/Fm。在叶菜作物中，慢性大量元素匮乏严重损害叶绿体超微结构，导致叶绿素过早降解、绿色度丧失和光系统II光化学效率功能下调。

研究结论为：总体而言，基质大量元素随菜豆种植比例增加而下降更快，尽管生长后期各处理间无显著差异。主收获作物紫苏的生长受伴生种植负面影响，且该效应随菜豆种植比例增加而加剧。这些发现表明，在空间受限的容器系统中，豆科植物的竞争优势可直接抑制伴生叶菜的生长，其作用超出了对生长介质养分的影响。因此，对于短期容器蔬菜园艺，紫苏单作比与菜豆伴生种植更为适宜。未来研究应测试更广泛的豆科植物共栽培组合，以识别真正与容器栽培园艺作物互补且比合成肥料更有效、更可持续的物种。