《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Resource utilization and maize competitiveness across maize-based intercropping treatment in semi-arid Northwestern China
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摘要背景：间作显著提高了资源利用效率和粮食安全；然而，不同间作处理下玉米竞争力和生产力差异的内在机制尚不清楚，这限制了半干旱地区间作处理的最优选择。方法：通过为期两年的田间试验，比较了玉米/大豆（T2）、玉米/豌豆（T3）和玉米/小麦（T4）间作与单作玉米（T
摘要背景：间作显著提高了资源利用效率和粮食安全；然而，不同间作处理下玉米竞争力和生产力差异的内在机制尚不清楚，这限制了半干旱地区间作处理的最优选择。方法：通过为期两年的田间试验，比较了玉米/大豆（T2）、玉米/豌豆（T3）和玉米/小麦（T4）间作与单作玉米（T1）。关键指标包括土地当量比（LER）、生物多样性效应、竞争动态和氮素利用。Mantel检验和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）解释了因子关系。结果：所有间作处理均优于单作（LER > 1；氮肥偏生产力（NPFP）增加40.51%–53.50%）。玉米/豌豆（T3）实现了最高的净效应（>8,400 kg·ha?1）和经济回报（+21.11%），而玉米/大豆（T2）的穗粒数最高，2024年分别超过T3和T4 9.57%和13.99%。玉米/小麦（T4）因生态位重叠遭受激烈竞争，尽管稳定性较高，但产量较低。净效应与资源利用效率（r = 0.640）和综合效益（r = 0.696）显著相关。PLS-PM（拟合优度GoF = 0.621）表明，资源效率增强了玉米生长（β = 0.636）和竞争力（β = 0.700），解释了82.6%的效益变异。结论：以时间生态位分化和种间互补性驱动的玉米-豆科间作系统有效平衡了高产与资源效率。玉米/小麦间作适用于优先考虑相对稳定表现的场景，而玉米-豆科系统提供更优的综合效益。阐明这些资源驱动的调控机制为精准选择间作配置以促进可持续农业提供了坚实的科学依据。
**论文解读：基于玉米的间作系统中资源利用与玉米竞争力机制研究——以中国西北半干旱地区为例**
**研究背景与问题**
全球人口持续增长与气候变化加剧对粮食安全和资源可持续利用构成严峻挑战。传统单作系统对水、肥、药依赖度高，资源利用效率低，导致土壤退化、生物多样性丧失及病虫害压力增加，削弱了农业生态系统的稳定性与韧性。因此，亟需探索既能提升资源利用效率和系统生产力，又能维持农业生态系统健康的种植模式。
间作作为一种生态集约化种植方式，通过作物在时空分布和资源需求上的生态位分化，显著提高了光、温、养分等资源的利用效率。然而，有限的资源池和生态位重叠可能加剧种间竞争，导致弱势物种生长不良。在诸多间作系统中，玉米（C4作物，光合效率高）常作为主栽作物，其资源竞争力和产量潜力是间作系统超产的基础。但不同玉米间作处理（如玉米/大豆、玉米/豌豆、玉米/小麦）在统一田间管理下，玉米生长特性、系统生产力及种间竞争效应存在差异。目前，尚缺乏对这些差异如何共同影响系统资源利用效率（如光、热、养分）、综合效益（经济产出）与环境成本（如温室气体排放）之间协同与权衡关系的系统定量比较，也未明确驱动系统整体表现的关键因素与潜在路径的内在机制。本研究旨在通过定量分析，阐明不同玉米间作处理下玉米生长特征、资源竞争能力、种间互作效应及系统综合表现，为优化间作处理选择、提升资源利用效率、促进多样化农业系统可持续性提供科学依据。该论文发表在《Frontiers in Sustainable Food Systems》。
**关键技术与方法**
研究人员于2024-2025年在甘肃省白银市靖远县北滩镇景滩村（E104°53′17″，N37°4′33″）开展田间试验，该地属温带大陆性气候，年均温10.4°C，年均降水量仅209 mm，无霜期165天，日照时数2218.5 h。土壤为灰钙土（pH 8.35）。试验采用随机完全区组设计（RCBD），设3个重复，共4个处理：T1（玉米单作）、T2（玉米/大豆间作）、T3（玉米/豌豆间作）、T4（玉米/小麦间作），采用1:1条带间作（带宽3 m，玉米与伴生作物各占1.5 m）。主要技术方法包括：1）土地当量比（LER）计算以量化土地利用率；2）净效应（NE）、互补效应（CE）和选择效应（SE）的加性分割法评估生物多样性效应；3）相对竞争氮指数（RCN）和相对竞争比（CR）评估玉米竞争力；4）资源利用效率指标：光能利用效率（LUE）、热能利用效率（HUE）、氮肥偏生产力（NPFP）；5）温室气体排放强度（GHG）估算；6）Mantel检验和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析变量间关系及路径。
**研究结果**
**3.1 不同间作处理下的LER、Ynp和玉米产量**
年份对净收益（Ynp）影响显著，间作处理对玉米部分土地当量比（PLERm）和伴生作物部分土地当量比（PLERac）影响显著。T3（玉米/豌豆）的PLERm在2024和2025年分别显著高于T4（玉米/小麦）20.00%和21.33%；T4的PLERac在2024年显著高于T2和T3（增加63.89%）。所有间作处理的LER均大于1。2025年各处理Ynp普遍高于2024年；2024年T3的Ynp显著高于T2 21.45%。T2和T3的玉米产量在2024和2025年分别达16,233.05–16,875.87 kg·ha?1和17,851.24–16,903.78 kg·ha?1，显著高于T4（增加16.12%–28.21%）。
**3.2 不同间作处理下玉米生长表现与产量构成**
年份显著影响茎粗（SD）、株高（MPH）、穗粒数（KNPE）、千粒重（TKW）和秃尖长（BTL）；间作处理显著影响MPH、KNPE和BTL。T2的KNPE最高（2024年519.68粒/穗，2025年440.85粒/穗），2024年显著高于T3和T4（分别增加9.57%和13.99%），2025年显著高于T4（增加18.41%）。T2的MPH在2024和2025年分别为281.69 cm和238.02 cm，显著高于T3和T4。T4的BTL最高（2024年1.73 cm，2025年1.40 cm），2024年显著高于T2和T3（分别增加103.53%和74.75%）。
**3.3 不同间作处理下系统的NE、CE和SE**
间作处理显著影响NE和SE。2024年T3的NE为8485.56 kg·ha?1，显著高于T2和T4（分别增加29.88%和29.11%）；T4的CE在2024年为4237.73 kg·ha?1，显著高于T2（增加76.81%）；T3的SE在2024和2025年最高（分别为5313.21 kg·ha?1和5353.53 kg·ha?1），2024年显著高于T2和T4（分别增加28.44%和127.56%），2025年显著高于T4（增加85.66%）。
**3.4 不同间作处理下玉米干物质积累与分配**
年份显著影响玉米叶片、茎秆、苞叶和雄穗的分配比例；间作处理显著影响玉米干物质积累量（DMA）。2025年T2的DMA为356.02 g，显著高于T4（增加26.02%）；T2的茎秆分配比在2025年为26.80%，显著高于T4（增加45.26%）；T4的雄穗分配比在2024年为0.20%，显著高于T2（增加66.67%）；T4的穗轴分配比在2024年为5.42%，显著高于T3（增加9.72%）。
**3.5 不同间作处理下玉米的CR、NA和RCN**
间作处理显著影响玉米相对竞争比（CR）。2024年T2和T3的CR分别为2.40和2.57，显著高于T4（分别增加88.83%和102.36%）；2025年T2和T3的CR分别为2.73和2.62，显著高于T4（分别增加95.00%和87.14%）。年份显著影响玉米相对竞争氮指数（RCN），间作处理显著影响玉米氮积累量（NAim）和RCN。2024年T2和T3的NAim分别为300.43 kg N·ha?1和341.67 kg N·ha?1，显著高于T4（分别增加41.38%和60.79%）；T2和T3的RCN在2024年分别为0.56和0.51，显著高于T4（分别增加60.00%和45.71%）。
**3.6 不同间作处理下的资源利用与综合效益**
以T1为参照，T1的温室气体排放强度（GHG）显著高于其他处理（增加45.44%–39.41%）；其他处理的NPFP显著高于T1（增加40.51%–53.50%）；T3的净生产力（NP）显著高于T1（增加21.11%）。
**3.7 间作处理下的Mantel检验与PLS-PM分析**
Mantel检验显示，资源利用效率（LUE、HUE、NPFP）和综合效益（Yim、NP、PLERm）与玉米关键性状、种间互作效应及系统综合产出指标显著相关。净效应（NE）与资源利用效率（Mantel's r = 0.6397，p < 0.001）和综合效益（Mantel's r = 0.6961，p < 0.001）显著相关。玉米籽粒分配比（DAR）与资源利用效率（r = 0.4469，p < 0.001）和综合效益（r = 0.3886，p = 0.010）显著正相关；KNPE和TKW与综合效益显著相关（p < 0.05）。GHG与资源利用效率（r = 0.2250，p = 0.018）和综合效益（r = 0.2922，p = 0.008）显著正相关。
PLS-PM分析（拟合优度GoF = 0.621）表明，资源效率对玉米表现（路径系数 = 0.64，p < 0.01）和综合效益（路径系数 = 0.60，p < 0.05）有显著直接正向影响；玉米表现对其竞争力（路径系数 = 0.70，p < 0.05）有显著正向影响。模型对综合效益的解释力（R2 = 0.826）较高，对竞争力（R2 = 0.465）和玉米表现（R2 = 0.405）的解释力良好。
**讨论与结论**
研究讨论了种间互补性与选择效应在豆科-禾本科间作系统中的相对作用。在玉米/小麦（T4）系统中，高生态位重叠导致强烈种间竞争，优势主要由伴生作物（小麦）的选择效应维持；而在玉米/豆科系统（T2和T3）中，优势主要源于空间资源利用分化和豌豆的早熟性所形成的时间互补效应，以及豆科生物固氮提供的额外氮源。T3的净效应最高，T2的穗粒数优势最明显。种间竞争重塑了玉米形态发育和碳分配：T4中玉米将更多干物质分配给繁殖器官（雄穗、穗轴），但秃尖长增加，穗粒数降低；T2和T3中玉米保持适度竞争优势，优化了干物质积累和茎秆分配，维持较高产量。
PLS-PM定量验证了从资源利用效率到综合效益的路径：资源利用效率通过提升玉米表现和竞争力，最终决定系统产量。研究还指出，间作系统在提高资源利用效率和经济效益的同时，温室气体排放与资源利用效率正相关，存在环境成本权衡，但所有间作系统的GHG仍低于单作玉米。从可持续性角度，玉米-豆科间作（尤其是玉米/豌豆）在半干旱地区具有更高的碳效率；微观种间互作机制（形态发育和碳分配）转化为宏观系统产出（LER和产量），强调了在个体水平优化间作设计的重要性。
**结论部分翻译：**
这项为期两年的试验解释了玉米间作系统中的调控机制。所有间作处理均优于单作（LER > 1；NPFP增加40.51%–53.50%）。玉米/豌豆（T3）实现了最高经济回报（+21.11%），而玉米/大豆（T2）的穗粒数最高（2024年KNPE = 569.47，超过T3 9.57%和T4 13.99%）。以时间生态位分化和生物固氮为特征的玉米/豌豆系统（T3），以及以生物固氮和空间生态位互补为特征的玉米/大豆系统（T2），始终优于谷类-谷类组合。相反，玉米/小麦（T4）因高生态位重叠遭受强烈种间竞争，导致玉米竞争力和产量降低。机制分析表明，净效应反映了系统表现背后的整体种间互作。Mantel检验证实了净效应与资源利用效率（r = 0.640）和综合效益（r = 0.696）之间的强相关性。PLS-PM（GoF = 0.621）进一步表明，资源效率正向影响玉米生长和竞争力，从而贡献于系统整体效益。这些发现确立了“互补性超过选择效应”在间作成功中的关键作用。玉米-豆科间作适用于优先考虑产量和资源效率的区域，而玉米/小麦间作适用于需要产量稳定性的场景。所阐明的资源驱动机制支持精准间作选择以促进可持续农业。
