间作即在同一块土地上种植两种或多种作物，其在农业生产中已经延用了数个世纪^[1]。作为一种非常重要的农业实践，间作广泛应用于世界的各个地方，特别是发展中国家。在中国，约1/3可耕作土地采用多物种模式，却贡献了中国所有农作物总产量的一半^[2]。然而对于间作相比单作能够提高作物产量的真正认识至今才三十几年时间^[3]。目前关于间作提高产量的最为常见的一种解释是间作作物在一定程度上对于生长所需资源的不同利用。与单作相比，间作作物由于在时间和空间上能更有效地利用一种或多种资源，因而能增加单位土地面积上的总产量^[4]。Zhang和Li^[5]认为“竞争-恢复产量”的综合作用决定了间作优势，但是非常有限的资源(如水分)可能改变间作组成物种间的竞争关系从而影响间作优势。因此在资源非常有限的环境下，不同品种间的间作优势不仅取决于其自身的特性同时也取决于限制性的环境因子。

间作系统中，豆科/禾本科作物间作是传统农业中应用最为成功的一个组合^[6]。一般认为禾本科植物相对豆科植物具有竞争优势，而且禾本科植物的竞争优势决定了间作系统的群体质量。然而目前关于在资源(如水分)受限条件下，不同品种(玉米和大豆)以及种植模式对于间作系统的群体质量以及间作优势的研究比较少。因此针对限制性生态位，间作组成的不同品种间的反应以及如何影响间作系统的机制尚不清晰。

作物对于光、水分和营养元素的竞争不仅发生在作物的地上部分还发生于地下部分。大多数研究集中于地上部分的光竞争^{[7, 8]}。作物根系生长对于营养元素和水分的竞争研究较少。根系系统的形态和时空分布为确定作物地下部分竞争强度的关键因子。Bray^[9]研究表明，土壤中水分和氮的活性对于作物地下部分的种间竞争至关重要。然而根系系统可变复杂的几何特性以及营养资源的复杂分布使得有关种间竞争的植物性状研究更加困难。

黄土塬区为我国以生产小麦、玉米为主的古老旱作农区，光、热资源丰富，但水源缺乏。因此，高效合理地利用水分等限制性资源为农业间作的应用提供了契机。本文主要探讨下面几个问题：(1)哪些品种的玉米大豆组合相比各自单作增加的产量最高；(2)间作系统组成物种的竞争能力与间作优势的关系；(3)不同间作系统的土壤水分利用效应。因此本文通过研究中国黄土塬区不同玉米大豆间作模式对于产量形成、经济效益的影响，以及不同间作系统种间竞争力对产量形成的影响机理，为中国黄土塬区多元化农业以及旱作玉米增产潜力提供理论依据。

试验于中国科学院水利部水土保持研究所长武生态农业试验站进行。试验站位于陕西省长武县洪家镇王东村(107°40′30″E,35°12′30″N)，海拔1 200 m，属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，光照充足，昼夜温差较大；年均降水量584.1 mm，且多集中于7—9月份；年均气温9.1 ℃，无霜期171 d，作物种植多为一年一季；田间持水量年均值在20%左右，属典型旱作农业区；地貌属高原沟壑区，塬面和沟壑两大地貌单元各占35%和65%；地带性土壤为黑垆土，土体结构均匀疏松，是黄土高原沟壑区典型性土壤。

玉米品种：郑单958(抗旱指数为0.995；隶属度为0.906)，属强抗旱品种^[10]，紧凑型株型；豫玉 22(抗旱指数为0.421；隶属度为0.296)，属不抗旱品种^[10]，平展型株型。

大豆品种：中黄 24，属抗旱型，无限结荚习性品种；中黄 13，属干旱敏感型，有限结荚习性品种^{[11, 12, 13]}。

试验于2012 年4—10月进行。采用双因素(品种、种植模式)试验，以品种为主区，品种采用玉米“郑单958”和“豫玉22”，大豆“中黄24”和“中黄13”；以种植方式为副区，玉米 ∶ 大豆=2 ∶ 2(即2行玉米2行大豆隔行间作)，玉米 ∶ 大豆=2 ∶ 4(即2行玉米4行大豆隔行间作)两种间作方式，以玉米、大豆单作为对照；共12个处理，3次重复，36个小区，小区面积为6 m×4 m，完全随机区组排列。玉米种植密度为9万株/ hm²，大豆种植密度为21 万株/ hm²。采用50 cm 等行距覆膜种植，播前施用底肥N 90 kg /hm²、P₂O₅ 150 kg /hm²，玉米分别于大喇叭口期和吐丝期各追施氮肥45 kg /hm²，农田管理与当地相同，试验作物生育期内的气候数据由图 1所示。

图1 试验作物生育期内的月降雨量和平均气温 Fig.1 Monthly rainfall and mean air temperature of the growing season of the experimentation

图选项

(1) 生物量及测产

玉米、大豆成熟后，玉米各处理随机选择代表性植株3棵，大豆各处理随机选择代表性植株6棵，于105 ℃杀青0.5 h，然后在80 ℃烘至恒重并称量。每小区选取6 m²进行测产。

(2) 水分利用效率

水分利用效率WUE：作物产量Y(kg/hm²)与农田耗水量ET(mm)的比值，即WUE= Y/ET，根据农田水量平衡原理可计算出ET值：ET=W_播前-W_收获+I+P+G，其中W_播前为播前土壤贮水量，W_收获为收获期土壤贮水量，I为生育期灌水量(mm); P为生育期降水量；G为作物利用地下水量(mm)。试验地无灌溉条件，因此I=0，研究区地下水深70 m，因此G=0^[14]。

(3) 竞争指数

估计多物种系统生产力优势的一种方法是计算土地当量比(LER)^[15]。LER为两种或多种物种间作产量与相应单作产量比值的总和。其结果说明两种或多种物种混种时所需土地与每个物种单种时所需土地的比值。如果LER＞1说明存在间作优势；相反，说明间作产量不会增加。计算公式如下：

式中，Y₁和Y₂分别为物种1和物种2的单作产量，Y_1i和 Y_2i分别为物种1和物种2的间作产量。

相对拥挤系数(K)：衡量物种1相对物种2竞争优势的指标^[16]。当K₁＞K₂时，表明物种1竞争力较强，当K₁=K₂，表明不存在竞争，当K₁＜K₂，表明物种1资源利用效率较低从而导致相对产量损失。具体计算如下：

式中，Z_1i，Z_2i分别为间作中物种1、物种2的种植比例。

侵占力(A)常用于表征间作物种1的相对产量增长大于物种2产量增长的程度大小^[17] 。具体计算如下：

式中,A₁代表间作物种1的侵占力，而A₂代表间作物种2的侵占力，如果A₁=0，表明这两种作物的竞争力相同；A₁＞0，表明物种1占据优势的；相反，物种2占据优势。

竞争比率(CR)：评价物种之间竞争的一种指标^[18]。具体计算如下：

其弥补了土地当量比未能考虑种植比例的缺陷，能够较好地测量物种竞争能力，优于侵占力和相对拥挤系数。

实际产量损失(AYL)基于单株产量。相比单作，实际产量损失指数表示在种植比例下的相对产量损失或增加^[19]。计算公式如下：

AYL的正负情况表示有无间作优势。

系统生产力指数(SPI)，从优势作物(如玉米)方面统一伴作物(如大豆)的产量从而评价间作的一个指数^[17]。计算公式如下：

式中，和代表物种1和物种2间作的平均产量，而和代表单作中物种1和物种2的平均产量。

(4) 经济指数

货币优势指数(MAI)和间作优势(IA)从经济方面描述是否存在间作优势^{[16, 18]}。计算公式如下：

式中，P₁为物种1经济价格，P₂为物种2经济价格(目前所考虑地区玉米大豆价格分别为2.2元/kg和4.4元/kg)。

数据采用Microsoft excel 2007整理，采用SigmaPlot 12.0作图，采用SPSS 17.0进行分析。

试验结果表明，所考虑玉米和大豆品种间单作产量没有显著差异。郑单958在2 ∶ 2间作方式下经济产量显著高于豫玉22(P<0.001)，地上生物量无显著差异；在2 ∶ 4间作方式下经济产量无显著差异，但地上生物量显著小于豫玉22(P<0.001)。大豆品种在两种间作方式下经济产量和地上生物量都没有显著差异。玉米单作和间作经济产量和地上生物量的平均结果显示玉米两种间作方式的经济产量和地上生物量都显著高于单作(P<0.001)。2 ∶ 4间作的玉米经济产量显著大于2 ∶ 2间作的玉米经济产量(P<0.05)。大豆单作经济产量显著高于2 ∶ 2间作经济产量(P<0.05)。而地上生物量在不同间作方式间没有显著差别(表 1)。

不同品种的间作土地当量比试验结果表明，玉米郑单958间作处理LER值高于豫玉22间作处理。中黄24间作处理LER高于中黄13间作，但与豫玉22以2 ∶ 2间作的中黄13的LER值高于相应的中黄24。间作方式影响土地当量比结果说明所有间作的LER均显著高于单作，其中A2C4和A2C2的LER最高分别是1.291和1.211，方差分析表明，除B2C2和B2C4间作LER有所增加但无显著性差异外，其它差异显著。玉米2 ∶ 2间作的LER高于2 ∶ 4间作的LER，大豆的LER结果与玉米相反，即2 ∶ 4间作的LER高于2 ∶ 2间作。

品种和间作方式对K的影响与LER的相似，其中A2C4最高，其次为A2D2，分别为3.886，3.068，K值反映的所考虑品种间的差异与LER一致。间作方式通过K值仍表现出无显著性差异(表 2)。

玉米的侵占力均为正值且在A2C2时为最高，其次为A2D2，表明在所考虑的间作中，玉米均表现为竞争优势种。品种间的侵占力比较结果说明郑单958相比豫玉22侵占力更强，中黄24的侵占力强于中黄13。同样CR值表现出相同的趋势(表 3)。

所有间作方式的AYL均为正值表明所考虑的间作系统均存在间作优势，其中A2C4、A2D4最高(0.825和0.630)。玉米AYL均为正值，表明相对单作所有间作方式玉米产量均有所增加，而大豆的AYL除B2D2和A2C4外，其余都为负值，表明间作时大豆产量有所减少。与LER，K，A和CR结果一致，郑单958间作的AYL显著高于豫玉22。SPI的结果说明，A2C4 的SPI最高，其次为A2C2和A2D2，品种间的SPI比较结果与前面的指数结果一致(表 4)。

所考虑的玉米大豆间作方式除豫玉22与中黄24以2 ∶ 2间作外，其他处理均具有经济优势(IA为正值)，其中A2C4的IA值最高，其次为A2D4。玉米大豆间作中玉米具有明显的间作优势(IA_m为正值)，而大豆的间作优势不显著。A2D4和A2C2间作的经济优势最为明显。与郑单958间作的IA高于与豫玉22间作，品种和间作方式对玉米IA有影响但没有显著性变化，其中A2C4的间作优势最为明显；对于大豆的IA而言，也表现为A2C4的间作优势最为明显。MAI(正值)表现为玉米大豆间作优势相同的趋势，其中A2C4 MAI最高，其次为A2C2，与郑单958间作的MAI明显高于与豫玉22间作的MAI(表 5)。

玉米的水分利用效率远远高于大豆。大豆品种中黄24和中黄13在水分利用效率方面没有显著差异。间作方式对于大豆水分利用效率的影响除中黄24单作小于2 ∶ 4间作外，其他处理方式均没有显著性差异，但表现为单作的水分利用效率高于间作。玉米品种对水分利用效率没有显著区别，郑单958在间作方式下水分利用效率显著高于豫玉22。玉米两种间作方式的水分利用效率都显著高于单作(P<0.05)。间作2 ∶ 4的水分利用效率显著高于间作2 ∶ 2(表 6)。

在所考虑的间作系统中，玉米经济产量均低于相应单作的经济产量，而且降低的幅度受到间作增加的大豆种植比例的影响。2 ∶ 2间作的降低程度低于2 ∶ 4间作的降低程度。间作对郑单958籽粒产量相对豫玉22影响较小。玉米地上生物量改变与经济产量的变化趋势相同。大豆经济产量和地上生物量同样低于相应单作的产量，但其降低程度受种植比例影响与玉米相反。

Osman和Nersoyan^[20]表明豆科-禾本科间作的最高产量来自于豆科所占比例最高的间作模式(66 ∶ 33)。然而其他研究说明豆科-禾本科间作的产量改变不受种植比例的影响^[21]。研究结果说明由于种间竞争豆科禾本科间作的产量低于单作的产量^[22]。Bedoussac和Justes^[23]发现豌豆-小麦间作的地上生物量相比各自单作增加20%和120%，但他们的试验处于不同的氮水平。大豆对于经济产量和地上生物量的贡献率的降低可能归因于玉米大豆的种间竞争，特别在干旱条件下对水分的竞争。

所考虑间作方式的LER和K均高于单作(1.00)，且LER为1.012—1.291，即单作需增加1.2%—29.1%土地面积才能达到与间作同等的产量，表现出明显的间作优势和土地利用效率^{[19, 24]}。所考虑的间作方式，此结果与前人研究结果一致。Lithourgidis等^[25]研究豌豆与禾本科(小麦、黑麦和黑小麦)的间作结果LER为1.08—1.19；Dhima等^[18]研究荒野豌豆与禾本科(小麦、黑小麦和燕麦)的间作LER为1.05—1.09，但相比前人研究，本文研究环境为水资源相对不足的黄土塬区，品种抗旱性可能为决定间作产量增加及其程度的关键因子。

LER值不能定量反映由不同间作方式或品种导致的作物产量增加或损失，但AYL值可弥补此不足。AYL值结果表明郑单958在所考虑间作方式中经济产量增加幅度相比豫玉22显著高43.6%(P<0.05)。玉米在郑单958与中黄24(2 ∶ 4)间作方式下实现77.7%最大增产 (AYL_m=+0.777)。大豆除B2D2、A2C4间作方式产量稍微增加之外，其他间作方式均表现为产量损失，但不同品种间产量损失没有显著区别。结果说明所考虑间作方式增产的主要因子在于玉米增产且品种抗旱性发挥了相当重要的作用。

K、A、CR为普遍采用表明间作物种竞争能力高低的研究指标。其结果表明在所考虑间作方式中两玉米品种都为优势物种。但只有K值表明所有考虑间作方式中郑单958竞争能力均显著高于豫玉22。其他指标均表明2 ∶ 2间作方式下，郑单958竞争能力显著高于豫玉22，而2 ∶ 4间作方式下，两者竞争力差别不显著。结果说明除水分竞争外，土壤氮竞争可能很大程度地影响间作作物间相互作用。

SPI为表征间作系统生产力和稳定性的一种指标，其结果表明所考虑间作系统均具有较高的稳定性。郑单958间作系统稳定性显著高于豫玉22间作系统。其他研究发现，豌豆黑小麦和豌豆小麦80 ∶ 20间作比其他间作方式具有较高的生产力和稳定性^[25]。

黄土塬区热资源丰富，水资源匮乏，属雨养性农业。抗旱性因此成为农作物在当地推广的重要指标之一，结荚习性是大豆主要株型形状之一，株型也是决定作物产量潜力的重要因素。因此，抗旱性和株型的选择有助于提高作物的适应能力和作物产量。我们的研究结果显示，郑单958的LER、K、AYL和SPI均高于豫玉22，表明紧凑型株型以及抗旱性的玉米品种相比平展型株型及非抗旱品种在黄土塬区更居竞争优势。限制性资源，特别是水资源的竞争力可能为决定黄土塬区间作作物产量的主导因素。郑单958由于更好的利用各种资源而在土地使用效率和系统生产力上表现出优于豫玉22的潜力。

除豫玉22与中黄24以2 ∶ 2间作外，其他处理间作的IA均为正值，表明间作比单作具有一定经济优势。IA和MAI表明间作系统经济收益的可行性及品种与间作方式结合的间作优势。其中郑单958与中黄24以2 ∶ 4行比间作具有最大的IA和MAI值，此结果与LER及其他竞争指数结果一致。

研究结果表明玉米的水分利用效率远远高于大豆。作物根系的空间分布对于水分竞争非常重要^[26]。有研究表明，玉米根系相比大豆水平分布范围较大，而且在水分胁迫环境下，玉米根系不仅分布于间作条带行间，而且生长到大豆条带的行间^[27]。研究发现郑单958间作的水分利用效率高于豫玉22，这与前面竞争指数的研究结果一致，同时说明对于水分的竞争能力可能决定了黄土塬区间作作物的优劣。间作水分利用效率明显高于单作的研究结果与前人一致，Lu 等发现同粮食单作相比，间作种植模式土壤水分含量明显增加，粮食作物水分利用效率明显提高^[28]。

与单作相比，玉米和大豆间作能够更好的利用资源，具有间作优势。不同玉米大豆品种及间作方式对间作地上生物量和产量的影响不同。玉米郑单958与大豆(中黄24和中黄13)间作优于豫玉22与大豆间作，在干旱半干旱的黄土塬区，抗旱性的玉米品种——郑单958有利于提高间作优势。玉米大豆间作系统中，玉米为优势物种：玉米的水分利用效率远远高于大豆，而且间作方式的水分利用效率明显高于单作。郑单958与中黄24 以2 ∶ 4间作方式在产量，经济收益方面都优于其他的间作方式，能够最大化地提高农民的经济效益，应该被广泛采用和推广。