亏缺灌溉下菜豆（Phaseolus vulgaris L.）与Cucumis myriocarpus和Cleome gynandra间作：对土壤理化性质、水分利用效率和作物生长的影响

《Frontiers in Agronomy》：Intercropping dry bean (Phaseolus vulgaris L.) with Cucumis myriocarpus and Cleome gynandra under deficit irrigation: impacts on soil physicochemical properties, water-use efficiency and crop growth

　　

引言：水资源短缺是限制半干旱地区农业生产力的主要制约因素。因此，开发在维持土壤理化质量的同时提高水分利用效率的可持续生产系统至关重要。本研究评估了种植系统和亏缺灌溉对菜豆（Phaseolus vulgaris L.）与Cucumis myriocarpus和Cleome gynandra间作系统中瞬时水分利用效率（iWUE）、土壤理化性质、养分动态、作物生长和产量的综合影响。方法：研究人员在两个生长季（2023/24和2024/25）进行田间试验，采用三种种植系统和三种灌溉制度，分别供给作物需水量的100%（充分灌溉，FI）、75%（中度亏缺灌溉，DI）和50%（严重DI）。测量指标包括iWUE、土壤理化性质、交换性阳离子、作物生长、生物量产量和产量。结果：灌溉水平对iWUE的影响大于种植系统。严重亏缺灌溉（50% DI）显著降低了作物生长、生物量积累和产量，而充分灌溉（100% FI）通常表现最佳。中度亏缺灌溉（75% DI）在减少水分输入的同时维持了满意的生产力，展现了其作为节水策略的潜力。种植系统和灌溉制度均显著影响土壤理化性质和交换性阳离子（Ca、Mg和K）。与单作相比，间作通过降低容重、提高土壤pH和养分循环改善了土壤条件。然而，菜豆主导的系统比C. gynandra主导的系统维持了更高的交换性阳离子浓度和阳离子交换容量。土壤养分有效性随水分亏缺加剧而逐渐下降。充分灌溉下的单作菜豆记录到最高的生长和产量。尽管间作相比单作降低了菜豆产量，但在水分受限条件下，菜豆 + C. myriocarpus间作始终优于菜豆 + C. gynandra间作。讨论：研究结果表明，在半干旱条件下，灌溉管理在决定水分利用效率和作物生产力方面比种植系统更具决定性作用。中度亏缺灌溉（75% DI）与兼容的间作系统（特别是菜豆 + C. myriocarpus）相结合，提供了一种在维持作物生产力和改善土壤理化质量的同时节约灌溉水的实用策略。这些结果支持采用综合水分和种植管理实践，以增强水分受限环境下作物生产的韧性和可持续性。

**论文解读：亏缺灌溉下菜豆与非洲叶菜间作对土壤理化性质、水分利用效率及作物生长的影响**

**研究背景与问题**

在全球半干旱地区，水资源短缺是制约农业生产的首要限制因素。同时，不合理的土地利用导致土壤退化，包括加速侵蚀、养分耗竭和土壤理化性质的恶化。传统单作和充分灌溉模式尽管能实现高产，但水资源消耗大且土壤可持续性差。因此，亟需开发既能提高水分利用效率（WUE）又能维持土壤健康的可持续生产系统。间作（特别是豆科与禾本科或非豆科作物组合）已被证明能改善土壤理化性质、增强养分循环和水分利用效率。然而，菜豆（Phaseolus vulgaris L.）与非洲本土叶菜（如Cucumis myriocarpus和Cleome gynandra）的间作系统在亏缺灌溉条件下的综合效应尚不清楚。这些非洲叶菜具有耐旱性和营养价值，而菜豆具有固氮能力，两者的结合有望构建气候智慧型生产系统，但缺乏实证研究。因此，本研究旨在评估不同亏缺灌溉水平下，菜豆与两种非洲叶菜间作对土壤理化性质、瞬时水分利用效率（iWUE）、作物生长和产量的影响，为半干旱地区节水农业提供理论依据。该论文发表在《Frontiers in Agronomy》。

**关键技术方法**

研究人员在南非林波波大学实验农场（23°50’36.86’’S, 29°40’54.99’’E）开展了两个生长季（2023/24和2024/25）的田间试验。采用裂区设计，主区为三种灌溉水平：充分灌溉（100% ETc，FI）、75%亏缺灌溉（75% DI）和50%亏缺灌溉（50% DI）；副区为五种种植系统：单作菜豆、单作C. myriocarpus、单作C. gynandra、菜豆+C. myriocarpus间作、菜豆+C. gynandra间作。作物需水量依据参考蒸散量（ET0，采用Penman-Monteith法）和作物系数（Kc）计算。主要测量方法包括：通过重量法和体积法监测土壤水分，利用光合测定系统测定净光合速率和蒸腾速率以计算iWUE，采用水比重计法、烘箱干燥法、pH计、电导率仪、Bray-1法、醋酸铵法等测定土壤物理化学性质及交换性阳离子浓度。数据采用线性混合效应模型和方差分析（ANOVA）处理，并用Tukey HSD检验进行多重比较。

**研究结果**

**3.1 土壤含水量与瞬时水分利用效率（iWUE）**

研究人员通过四个物候阶段（开花期、早期结荚期、中期结荚期、成熟期）的土壤体积含水量监测发现，土壤含水量始终呈现FI > 75% DI > 50% DI的顺序，且差异在开花后变得更加显著。在iWUE方面，种植系统与灌溉的交互作用大多数时期不显著，但单作菜豆在开花期和结荚期的iWUE显著高于间作和单作叶菜处理。75% DI在开花期（2023/24）产生了最高的iWUE（0.0546 μmol CO₂ mmol^-1 H₂O），表明中度亏缺可提升水分利用效率；而严重亏缺（50% DI）则显著降低iWUE，尤其在结荚期。此外，在成熟期，灌溉处理间的iWUE差异不再显著，表明生理活性随衰老而趋同。

**3.2 土壤理化性质**

种植系统和灌溉水平显著影响大部分土壤化学性质，但磷（P）浓度在各处理间无显著差异。单作菜豆和菜豆+C. myriocarpus间作保持了较高的P浓度。钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、钠（Na）受种植系统影响显著：菜豆+C. gynandra间作记录到最高的K浓度，而单作C. gynandra最低；单作菜豆则维持了最高的Ca和较高的Mg浓度。灌溉水平方面，充分灌溉（FI）通常产生最高的K、Mg、Na浓度，而50% DI下最低。土壤容重（BD）和电导率（EC）的交互效应显著：菜豆+C. myriocarpus间作结合亏缺灌溉（75%或50% DI）产生了最高的EC值，但所有EC值均低于4 dS/m（非盐渍化阈值）。BD在充分灌溉下最低，尤其是在间作系统中，表明充足水分和间作促进了土壤团聚和结构改善。土壤pH（H₂O）和pH（KCl）在2023/24季受交互效应显著影响，最高值出现在菜豆+C. gynandra×50% DI和菜豆+C. myriocarpus×50% DI组合，表明严重亏缺下间作促进了碱性阳离子积累。

**3.3 土壤化学性质（交换性阳离子与CEC）**

种植系统显著影响K、Ca、Mg、Na浓度，但P无显著差异。菜豆+C. gynandra间作保持最高K，单作菜豆保持最高Ca和Mg。灌溉水平方面，FI下K、Ca、Mg、Na浓度最高，随亏缺加剧而下降。交互效应显著：单作菜豆×FI在所有处理中产生了最高的P、K、Ca、Mg、Na浓度及总交换性阳离子交换容量（TEC–CEC），而单作C. gynandra×50% DI最低。CEC在2023/24季以单作菜豆×FI最高（2.33 cmol/kg），2024/25季也呈现类似趋势，且随亏缺加剧而下降，其中菜豆+C. myriocarpus×50% DI的CEC显著低于充分灌溉处理。主成分分析（PCA）表明，Ca、Mg、K和pH是驱动不同灌溉处理分离的主要变量，而种植系统间则主要区分了养分相关变量（Ca, Mg, K）与盐度相关变量（Na, EC）。

**3.4 干豆荚果产量**

种植系统对荚果数、荚长、籽粒数、荚重的影响有限，但荚长（2024/25）和每荚籽粒数（2023/24）受显著影响：单作菜豆最长（12.24 cm）和最多粒数（7.0），菜豆+C. gynandra间作最低。灌溉水平显著影响大部分产量组分：FI下荚果数、荚长、籽粒数最高，50% DI下最低。交互效应在荚长（2024/25）、籽粒数（2023/24）和荚重（2023/24）上显著：单作菜豆×FI表现最佳，菜豆+C. gynandra×50% DI最差，表明严重亏缺下间作加剧了竞争，尤其与C. gynandra组合。

**3.5 非洲叶菜生长与产量**

对于C. myriocarpus，单作下根重、茎重、生物量均显著高于间作，且灌溉水平影响显著：FI下最高，50% DI最低。交互效应显著：单作×FI产生最高值，间作×50% DI最低。对于C. gynandra，类似趋势：单作下生物量更高，但茎长和株高不受种植系统影响；灌溉水平显著影响生长参数，但株高稳定。交互效应在根重、茎重、生物量、茎长上显著，且间作结合亏缺灌溉加剧了抑制效应。此外，C. gynandra的光合参数（如气孔导度、蒸腾速率、叶绿素含量）也受种植系统和灌溉交互影响，表明水分胁迫和种间竞争共同限制了其生理功能。

**讨论与结论**

讨论部分强调，灌溉管理在决定iWUE和作物生产力方面比种植系统更具决定性作用，尤其在结荚期等关键生殖阶段。中度亏缺（75% DI）可通过部分气孔关闭提高iWUE，但严重亏缺会因气孔导度和光合酶活性下降而降低iWUE。间作系统对土壤理化的改善作用（如降低容重、提高pH、增加阳离子浓度）归因于根系多样性、根际沉积和微生物活性的增强。然而，在严重亏缺下，种间竞争（尤其是与C. gynandra）超过了互惠效应，导致产量显著下降。菜豆+C. myriocarpus间作因更强的生态位互补性表现出更好的耐旱性和产量稳定性。研究结论如下：本研究表明，种植系统和灌溉水平均显著影响作物生长、生物量、产量、水分利用效率和土壤理化性质。两者之间的交互作用在调控作物生产力和土壤养分动态中起重要作用，凸显了在水分受限生产系统中整合适当水分管理和种植策略的重要性。虽然中度亏缺灌溉（75% DI）相对于充分灌溉造成了一定减产，但它维持了可接受的作物生长、产量、水分利用效率和土壤理化条件，展现了其作为节水灌溉策略的潜力。种植系统显著影响作物表现和土壤理化性质。单作菜豆一贯产生最大的生长和产量；然而，间作系统的表现因伴生作物而异。在所评估的间作组合中，菜豆+Cucumis myriocarpus间作比菜豆+Cleome gynandra间作表现出更强的兼容性和对水分亏缺的耐受性，在减少灌溉条件下保持了接近单作菜豆的生产力水平。研究进一步表明，菜豆主导的系统通常比C. gynandra主导的系统维持了更高的交换性阳离子浓度和阳离子交换容量。基于这些发现，75% DI代表一种可行的节水策略，因为它能维持相对稳定的土壤水分条件，从而维持养分流动性，减少过度盐分积累，同时节约灌溉用水。菜豆+Cucumis myriocarpus间作由于更强的功能互补性和较低的种间竞争，比菜豆+Cleome gynandra系统更适应水分受限条件。