作物能够用来进行光合作用的那部分太阳辐射，一般定义在400—700 nm波段，即光合有效辐射(PAR)。光能截获率(F)和光能利用效率(LUE)表征了作物群体对辐射资源的捕获和利用效率^[1]。当不受水分、养分、病虫害等因素限制时，作物群体生物量与光能截获量呈正相关关系^{[2, 3]}。与单作种植相比，间作群体冠层的空间分布更有利于光能的截获，高矮作物间作群体尤为明显，因此，间作种植通常可获得更高的光能截获量和利用效率^{[1, 4, 5, 6, 7]}。

近年来，我国氮肥用量不断增加，但作物产量并未随氮肥用量的增加而增加，氮肥利用率在30%—40%，大部分氮素从不同途径损失掉。在谷类-豆科间作系统中，豆科作物具有很好的固氮能力，这些氮素可通过各种转移途径被谷类作物所利用。谷类和豆科作物间作能够提高总产量、并保持产量的稳定性^{[8, 9]}；同时还可以利用豆科作物固定的生物氮，进而减少氮肥的施用量^{[10, 11, 12]}。玉米-大豆间作群体内，玉米产量的增加主要由于可利用光能的增加以及大豆固氮对玉米氮营养的贡献，而大豆产量的减少则主要由于玉米对大豆的遮光，减少了大豆可利用的光能^[13]。间作作物对光能的截获主要取决于叶面积指数和冠层结构^{[14, 15]}。水肥条件会改变作物的冠层发育动态和冠层结构，进而影响作物对光能的截获和利用。已有的间作群体的水肥管理研究多集中于间作作物间对养分的竞争、吸收与利用，而较少关注不同水肥状况对间作作物间光能竞争与利用的影响。因此，本文在玉米-大豆2 ∶ 3间作模式下，研究了不同水分状况下，减施氮肥对间作作物的光能截获、竞争及利用的影响，旨在为制定间作群体适宜的水肥管理措施提供依据。

试验于2012年4月—9月在位于河南省焦作市的广利灌区灌溉试验站(35.07 °N，112.92 °E，150 m)进行。试验点多年平均气温14.5℃，多年平均降雨量593 mm，无霜期216—240 d，日照时数2200—2400 h。土壤类型属粉砂质黏土，土质分布均匀，在该地区具有代表性。0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm和80—200 cm土层的土壤容重分别为1.40、1.46、1.44、1.42和1.47 g/cm，各层的田间持水量分别为26%、27.3%、28.5%、27.6%和28.2%(质量含水量)。土壤基本肥力参数为：耕层土壤有机质12.3 g/kg，碱解氮66.4 mg/kg，速效磷12.5 mg/kg，速效钾72.6 mg/kg。

供试玉米(Zea mays L.)品种为“先玉335”，大豆(Glycine max)品种为“临豆10号”。试验设水分和氮肥两个因子，水分设水分亏缺(I0：壤水分控制下限为田间持水量的60%)和充分供水(I1:土壤水分控制下限为田间持水量的70%)2种；氮肥设不施氮肥(N0)和施氮(N1:每亩施纯氮7.5 kg)2种，随机区组设计，共4个处理，每个处理3次重复。计划湿润层深度设定为：苗期40 cm，拔节期60 cm，抽雄-成熟期100 cm。间作种植模式为玉米-大豆2 ∶ 3种植，试验小区面积为6.0 m×10 m。间作模式的玉米行与大豆行相距30 cm，玉米行距30 cm、株距30 cm，大豆行距30 cm、株距20 cm。玉米和大豆同时播种，播种日期为2012年4月7日。种植方向为南北行向，足墒播种。施氮处理的50% N作为基肥施入，剩余的50% N在玉米拔节期追施。基肥在翻地前施用在整个小区内，追施的N肥只施用在玉米条带内。玉米于2012年8月24日收获，大豆于2012年9月4日收获。试验在大田下进行，人工除草。当土壤水分达到灌水控制下限时，进行灌水，灌水上限为田间持水量，灌水方式为喷灌。

在播后第30天开始至收获,每隔7—10d采用Li-190SA 和Li-191SA光量子传感器(Li-cor公司，美国)分别观测冠层上方20 cm 处的入射PAR和冠层底部(地表处)的PAR,用Li-1400数据采集器(Li-cor公司，美国)自动记录数据。具体取样时间分别为播后第30、41、50、63、73、84、93、104、121、132天和第147天。观测在小区的中间位置进行，每次观测分3个时间段进行，分别为9:00—9:30、12:00—12:30 和15:00—15:30。观测时每个处理持续记录5 min,每5 s记录1次数据。每个处理观测时，在玉米条带冠层上方放置1个Li-190SA传感器，在玉米条带冠层底部放置1个Li-191SA传感器；在大豆条带冠层上方放置5个Li-190SA传感器(垂直行向，间距10 cm)，在大豆条带冠层底部放置一个Li-191SA传感器。

消光系数用下式计算：

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式中，k为消光系数，LAI为叶面积指数，TPAR为透过冠层的PAR(μ mol m^-2 s^-1)，IPAR为冠层上方入射PAR(μ mol m^-2 s^-1)，F为PAR截获率。

在测定PAR截获率的同时，取样测定地上部生物量和叶面积。为减小边际效应的影响，在小区的中间位置选择样本，每个小区分别取5株玉米和5株大豆，采集的鲜样品在105 ℃下杀青30 min后，在80 ℃下烘24 h后称重记录干物质量。

采用量测法观测作物叶面积：

玉米叶面积＝长×宽×0.70

大豆叶面积＝长×宽×0.75

使用扫描仪扫描玉米和大豆的叶片，通过图像处理得到叶面积系数0.70和0.75；然后经过验证，表明所得到的叶面积系数是合理的。均以全田的面积计算间作作物的叶面积指数。

通过修正Wallace提出的光竞争比模型^[16]，间作群体内玉米大豆的光竞争比用下式计算：

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式中，R^PAR为光竞争比，F为光截获率，k为消光系数，LAI为叶面积指数。

光能利用效率(LUE)用下式计算：

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式中，LUE为光能利用效率(g/MJ)，W为地上部生物量(g/m)，I₀为入射PAR量(MJ/m²)，F为光截获率。

使用Microsoft Excel 2013软件进行数据分析、制图。用DPS12.50统计分析软件进行方差分析和显著性检验(Duncan新复极差法)。

图 1给出了2012年生育期的降雨情况。2012年生育期内降雨量为346.4 mm。7月份以前的降雨量为65.4 mm，约为生育期总降雨量的19%，而且每次的降雨强度较小；降雨强度在20 mm以上的降雨均发生在7—9月份。

图 1 2012年生育期内降雨情况 Fig. 1 Rainfall during the growing season of 2012

图选项

图 2给出了不同水氮处理下间作群体内玉米和大豆叶面积指数的变化过程。在播后第50天以前，间作作物的LAI在不同处理间没有显著差异。在播后第64天到成熟，相同氮肥处理条件下，充分供水处理间作作物的LAI显著高于水分亏缺处理。充分供水条件下(I1处理)，从播后第84天到成熟，不施氮处理(I1N0)间作玉米的LAI显著低于施氮处理(I1N1)；I1N0处理间作大豆的LAI低于I1N1处理，但只在播后第84天—第93天间达到显著水平。结果表明，水分充足条件下，间作群体内玉米的LAI受施氮量影响较为明显，而施氮量只在生长旺盛期显著影响间作大豆的LAI。水分亏缺处理(I0)间作玉米和大豆的LAI显著低于充分供水处理(I1)。水分亏缺条件下，从播后第73天到成熟，不施氮处理(I0N0)间作玉米的LAI显著低于I0N1处理； I0N0处理间作大豆的LAI低于I0N1处理，但只在播后第93天—第104天间达到显著水平。

图 2 不同水氮处理下间作玉米和大豆叶面积指数的变化过程 Fig. 2 Changes in leaf area index of maize and soybean in intercropping with different water and nitrogen treatments M: 玉米；B: 大豆; I1N1: 充分供水+施氮处理；I1N0: 充分供水+不施氮处理；I0N1: 水分亏缺+施氮处理；I0N0:水分亏缺+不施氮处理

图选项

图 3给出了不同水氮处理玉米和大豆的消光系数。ln(1/F)与LAI有较好的相关性，相关系数r>0.99。充分供水条件下，施氮处理(I1N1)和不施氮处理(I1N0)玉米的消光系数分别为0.45和0.44；水分亏缺条件下，I0N1和I0N0处理玉米的消光系数分别为0.41和0.42。充分供水条件下，I1N1和I1N0处理大豆的消光系数均为0.50；水分亏缺条件下，I0N1和I0N0处理大豆的消光系数均为0.52。

图 3 不同水氮处理玉米和大豆的消光系数 Fig. 3 Extinction coefficient of maize and soybean with different water and nitrogen treatments

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图 4给出了不同水氮处理间作玉米和大豆冠层光能截获率的动态变化。播后第50天以前，由于叶面积指数较小，不同处理间的光能截获率没有显著差异。从播后第64天到成熟，相同氮肥处理条件下，充分供水处理间作作物的光能截获率显著高于水分亏缺处理。从播后第73天到成熟，相同水分条件下，施氮处理间作大豆的光能截获率略高于不施氮处理，但未达到显著水平；而施氮处理间作玉米的光能截获率则显著高于不施氮处理。

图 4 不同水氮处理间作群体内玉米和大豆的光能截获率和竞争比 Fig. 4 Light interception ratio and light competitive ratio of maize and soybean canopies in intercropping with different water and nitrogen treatments

图选项

不同水氮处理间作玉米和大豆光能竞争比的变化过程(图 4)。由高秆作物-玉米与矮秆作物-大豆组成的间作群体内，玉米的光能竞争能力高于大豆。从播后第64天到成熟，同一氮肥处理条件下，充分供水处理间作玉米光能竞争比显著高于水分亏缺处理。从播后第73天到成熟，相同水分条件下，施氮处理间作玉米的光能竞争比显著高于不施氮处理。从播后第64天到成熟，同一氮肥处理条件下，充分供水处理间作大豆的光能竞争比显著低于水分亏缺处理；同一水分条件下，大豆的光能竞争比在两个氮肥处理间没有显著差异。

图 5给出了不同水氮处理间作玉米和大豆地上部生物量的动态变化。从出苗至播后第84天，不同处理间的生物量没有显著差异。播后第84天以后，同一氮肥处理条件下，充分供水处理(I1)的生物量高于水分亏缺处理(I0)，在大部分取样测定时可达到显著水平。到收获时，同一氮肥处理下，充分供水处理玉米和大豆的生物量分别比水分亏缺处理玉米和大豆的生物量高11%和26%，表明大豆生物量的积累对水分亏缺更为敏感。同一水分处理下，施氮处理的干物质量高于不施氮处理，但总体上未达到显著水平。到收获时，同一水分处理下，施氮处理玉米和大豆的生物量比不施氮处理约高5%。

图 5 不同水氮处理下间作玉米和大豆生物量积累过程 Fig. 5 Accumulated aboveground biomass of maize and soybean in intercropping with different water and nitrogen treatments

图选项

图 6给出了不同水氮处理间作群体内玉米和大豆的光能利用效率(LUE)。与C3作物大豆相比，C4作物玉米有着较高的光能利用效率。观测期内间作玉米的LUE总体上都高于2.0 g/MJ。充分供水条件下，施氮处理(I1N1)间作玉米的LUE为3.87 g/MJ，略高于不施氮处理(I1N0)间作玉米的LUE(3.81 g/MJ)。水分亏缺条件下，施氮处理(I0N1)间作玉米的LUE(3.86 g/MJ)与I1N1处理间作玉米的LUE基本相同，但比不施氮处理(I0N0)间作玉米的LUE(3.72 g/MJ)高3.6%。结果表明，在水分亏缺条件下，合理施用氮肥，玉米-大豆间作群体内玉米仍可获得较高的光能利用效率。

图 6 不同水氮处理下间作玉米和大豆生物量积累过程 Fig. 6 Light use efficiency (LUE) of maize and soybean in intercropping with different water and nitrogen treatments

图选项

I1N1处理间作大豆的LUE(1.62 g/MJ)比I1N0处理大豆的LUE(1.57 g/MJ)高3.2%。水分亏缺条件下，施氮处理(I0N1)间作大豆的LUE为1.55 g/MJ，与I0N0处理间作大豆的LUE(1.54 g/MJ)基本相同，但比I1N1处理间作大豆的LUE低4.3%；而I0N0处理间作大豆的LUE比I1N0处理低1.9%。结果表明，玉米-大豆间作群体内，与氮肥处理相比，水分状况对大豆光能利用效率的影响更大。

作物群体的受光能力和内部光分布特征影响其光合作用，而冠层的形态结构是影响作物群体光分布与光能利用重要因素^[17]。冠层的结构和功能受到诸如品种、气候、栽培措施等多种因素的调控，其中，水分与氮肥施用量是影响冠层结构特征的主要因素^{[18, 19, 20, 21]}。本试验结果表明，不同水氮处理对玉米-大豆间作群体的冠层发育具有显著影响。在同一水分条件下，不施氮会降低间作玉米和大豆的LAI；而在相同的氮肥处理条件下，水分亏缺则会显著降低间作作物的LAI。冠层结构的改变会影响间作作物对光能的竞争和利用。

近年来，为追求高产,氮肥施用量越来越高，这种栽培方式往往造成冠层结构较不合理，适量施氮是塑造高效冠层结构、提高冠层光合性能和后期干物质生产，从而提高产量的一个重要途径^[17]。李文学^[22]等指出，与小麦-玉米间作群体相比，玉米-蚕豆间作群体在不施氮肥或少量施用氮肥的情况下产量显著提高，其主要原因可能是在氮素缺乏条件下，蚕豆固定的氮可通过间接或直接的途径传递给玉米^[23]，而少量的施用氮肥，能够刺激豆科作物固氮，提高其固氮能力^[24]。在不施氮肥的情况下，虽然小麦-蚕豆内豆科作物固定的N很低，但间作种植仍提高了小麦的籽粒产量和含N量^[25]。Hauggaard-Nielsen等^[26]与Ghaley等^[27]同样认为，较低的土壤N水平仍能够体现出谷类-豆科作物间作群体的优势。

作者在2006到2008年进行的玉米-大豆间作试验中，采用的是与本文相同的间作种植模式，充分供水但施氮量为每亩施纯氮16 kg，其玉米的LUE为3.12 g/MJ^[7]，低于本文的I1N1处理玉米的3.87 g/MJ；其大豆的LUE为1.63 g/MJ^[7]，与本文I1N1处理大豆的LUE(1.62 g/MJ)相近。光能利用效率的差异主要是由作物的品种不同所造成的，2006—2008年试验使用的玉米品种为“郑单958”，大豆品种为“豫豆22”。然而，2006—2008年间作玉米收获时的地上部生物量分别为345.23 g/株,略低于本试验I1N1处理玉米的地上部生物量353.32 g/株，这一方面说明本试验所用玉米品种(先玉335)的光能转化效率较高，另一方面也表明本试验充分供水处理的氮肥施用量能够满足玉米-大豆间作群体内玉米的氮肥需求。本试验与2006—2008年试验间作大豆的地上部生物量基本相同(2006—2008年为41.36 g/株；本试验为41.24 g/株)，这同样表明本试验充分供水处理的氮肥施用量能够满足玉米-大豆间作群体内大豆的氮肥需求。在氮肥减半的情况下，充分供水处理间作作物仍可获得较高的LUE和生物量，这可能是由于种间的相互作用提高了氮肥的利用效率。因此，在豫北地区土壤肥力适中的情况下，适当降低玉米-大豆间作群体的氮肥施用量，仍可获得较高的产量。