西北灌区早熟马铃薯套作大豆的竞争补偿效应研究

摘要

间套作在西北地区广泛应用，具有产量和养分利用的优势。种间相互作用是协调间套作群体资源利用的内因，如何通过调节种间竞争与补偿关系，充分利用间套作时空生态位的分离来进一步提高资源的利用效率是间套作可持续发展的关键问题。据此，本文以典型的马铃薯-大豆套作模式为研究对象，在甘肃沿黄灌区设置了2个大田试验。在连续套作（时间尺度）和不同品种搭配（空间尺度）条件下，探讨马铃薯-大豆套作群体生育期结构变化、作物生长及养分利用规律，阐明间套作作物干物质积累、养分积累及光合生理的特性与种间竞争补偿的相关关系，以期通过优化种间关系进一步提高间套作资源利用率提供科学依据。主要结论如下:
　　(1)薯-豆连续套作和不同大豆套作条件下，套作马铃薯生育期结构无显著变化，而套作大豆生育期结构变化显著。相对于单作，套作大豆开花期延迟5-7d，但全生育期无显著变化，表明系统内作物种间竞争与补偿作用导致套作大豆营养生长期延长而生殖生长期相对缩短。大豆品种因熟期不同，营养生长期、开花期及收获期均差异显著;从马铃薯与大豆的共生期分析，品种间无差异;但从马铃薯与大豆的生殖生长共生期分析，各品种间差异显著，晚熟品种齐黄34最短，为12d，其次是中熟品种冀豆17，为35.5d，早熟品种中黄30最长，为41.5d。
　　(2)连续种植3年后，连作及套作连作条件下作物干物质积累呈降低的趋势，而套作轮作系统干物质积累年际间变化不显著。套作轮作条件下马铃薯和大豆干物质积累较套作连作分别高出15.02％和41.57％，且差异均达到显著水平。不同熟期大豆套作马铃薯条件下，套作马铃薯干物质积累较单作无显著变化，而套作大豆LAI、干物质积累及光合生理指标变化显著。出苗60d内套作大豆干物质积累量是同期单作的43.74％，不同熟期品种间差异不显著;出苗后80d-100d，晚熟品种干物质积累量相对于中熟和早熟提高的幅度分别为35.54％-59.22％和65.56％-70.81％;出苗100d后（马铃薯已收获），套作大豆干物质积累进程加快，恢复生长效应显著，收获时早、中、晚熟套作大豆较单作分别降低了32.34％、16.61％和8.23％，各品种间差异达到显著水平。LAI和光合生理指标的变化特点与干物质积累基本一致。
　　(3)连续种植3年后，连作马铃薯和大豆养分积累量显著下降，而套作轮作模式下马铃薯和大豆氮、磷、钾养分积累量呈增加的趋势。套作轮作条件下马铃薯和大豆氮素积累较2011年分别增加了12.89％和55.78％;磷素积累分别增加了1.78％和148.63％;钾素积累分别增加了16.77％和115.07％。不同熟期大豆套作马铃薯条件下，在两作共生期，早、中晚熟大豆N积累量平均值较同期单作分别降低41.44％、38.91％和31.43％，P积累量平均值较同期单作分别降低25.36％、22.02％和21.17％，K积累量平均值较同期单作分别降低35.6％、27.28％和23.23％，且晚熟品种与中熟、早熟品种间差异达到显著水平。共同生长结束后，套作大豆养分吸收量较单作显著增加，收获时早、中、晚熟套作大豆N素积累量平均值较单作分别降低了11.12％、12.16％和5.89％;P素积累量平均值较单作分别降低了4.83％、5.48％和4.87％，K素积累量平均值较单作分别降低了10.44％、7.85％和5.36％，养分补偿效应显著。另外，从养分收支平衡分析，薯-豆套作系统作物吸收的总养分量显著高于单作。与播前（2011年）土壤肥力性质指标相比，2014年作物收获后，薯-豆套作种植土壤耕层碱解N、有效P和速效K均呈下降趋势。说明薯-豆套作系统产量优势还基于养分吸收量的增加，需合理调节系统种间竞争与互补关系，充分利用时空生态位的分离来提高养分利用效率。此外，还需合理补充矿质营养才能更好的保持土壤肥力。
　　(4)种间竞争与补偿作用对系统产量及产量构成影响显著。2011-2014年，薯-豆套作连作(IC)和薯-豆套作轮作(IR)系统产量与连作相比，分别提高了28.54％-254.07％和39.39％-283.98％，IC和IR系统产量与轮作相比，分别提高了57.51％和70.81％。2011年和2012年，IC和IR在年际间变化显著，连续套作2年后IC产量开始下降，降幅为13.91％-24.17％;IR年际间系统产量无显著变化。不同熟期大豆品种与马铃薯套作，系统内马铃薯产量较单作略有下降，降幅为5.24％-7.86％;系统内大豆产量较单作显著下降，大豆早、中、晚熟品种籽粒产量分别降低了41.49％、17.18％和9.89％，中、晚熟品种降幅低于早熟品种。
　　从产量构成因素分析，连续种植3年后，连作和套作连作系统马铃薯平均单薯重显著下降，而套作轮作系统年际间差异不显著;连作和套作连作系统大豆有效荚数显著下降，而套作轮作大豆有效荚数较2011年升高了9.46％。马铃薯-大豆模式下套作马铃薯单株结薯数、平均单薯重和商品薯率较单作水平无显著变化，而不同大豆品种有效荚数、单株粒数及每荚粒数均低于单作模式，早熟品种的有效荚数、单株粒数及每荚粒数差异性达到显著水平，套作模式较单作模式分别下降了24.15％、22.14％、18.92％，而中晚熟品种下降不显著，尤其是晚熟品种，套作模式较单作模式仅仅下降了6.34％、8.3％、1.71％。各大豆品种在单作及套作模式下百粒重无显著差异，但各个品种间差异显著。
　　(5)不管是早、中、晚熟大豆与马铃薯套作，还是薯-豆连续套作（IC和IR）条件下，系统土地当量比LER均＞1，表明薯-豆模式可有效提高土地复种指数和土地利用率，具有良好的产出效果。在该群体中，马铃薯是核心作物，共生期处于竞争优势(APS＞0、CRPS＞0)，而大豆处于竞争弱势(APS＜0、CRPS＜0)。薯·豆连续套作3年后，马铃薯相对于大豆的种间竞争力(APS)和营养竞争比率(CRPS)呈降低的趋势，主要源于薯-豆套作年际间分带轮作后，有利于马铃薯和大豆的养分互补利用，减弱了种间竞争作用，增加了促进作用。另外，选择晚熟大豆品种与马铃薯组合可弱化种间竞争力和营养竞争比率，还有利于马铃薯收获后恢复补偿能力的发挥。共生期间晚熟品种平均竞争力(APS)较中、早熟品种分别降低了27.17％和30.61％;晚熟品种平均N、P、K营养竞争比率(CRPS)较中、早熟降低的幅度分别为9.34％-12.87％、0.45％-3.54％和4.44％-13.94％。共生期结束（马铃薯收获）后，晚熟大豆品种平均生长速率较中、早熟品种分别提高了128.13％和196.28％;晚熟大豆品种平均N、P、K素积累速率较中、早熟品种提高的幅度分别为19.23％-44.19％、2.03％-17.44％和7.62％-9.38％。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1．研究背景与目的

1．2． 国内外研究综述

1．2．1间套作的产量及养分利用优势

1．2．2间套作对土壤肥力的影响

1．2．3间套作种间相互作用研究进展

1．3．存在的问题

1．4．拟解决的关键问题

1．5．研究目标及内容

1．5．1研究目标

1．5．2研究内容

1．6．研究方法及思路

第二章材料与方法

2．1．试验地气候和土壤条件

2．2．试验设计与田间管理

2．2．1试验1：连续套作条件下系统产量及养分利用特征与种间相互作用的关系

2．2．2试验2：不同熟期大豆品种套作马铃薯的竞争补偿作用

2．3． 测定项目与方法

2．3．1土壤样品采集方法与测定

2．3．2株高

2．3．3叶面积指数

2．3．4干物质

2．3．5籽粒和秸秆养分测定

2．3．6光合参数测定

2．3．7间套作优势

2．3．8种间竞争相关指标

2．3．9养分表观平衡估算

2．4．数据处理与统计分析

第三章结果与分析

3．1．生育期结构分析

3．2．作物生长对种间竞争与补偿的响应

3．2．1株高变化特征

3．2．2叶面积指数变化特征

3．2．3干物质积累的动态变化

3．2．4光合生理对种间竞争与补偿作用的响应

3．3养分积累动态及竞争补偿作用分析

3．3．1作作物养分积累对竞争补偿的响应

3．3．2套作系统养分竞争比率分析

3．3．3套作系统养分补偿效应分析

3．4套作系统土壤养分利用特征

3．4．1套作模式下养分收支平衡分析

3．4．2套作对耕层土壤养分利用的影响

3．5系统产量及产量构成对种间竞争与补偿作用的响应

3．5．1系统产量与土地当量比的变化特征

3．5．2套作作物产量构成因素的变化特征

3．5．3种间竞争补偿与系统产量及产量构成的相关关系

第四章讨论与结论

4．1．1作物生育期结构对种间竞争与补偿作用的影晌

4．1．2作物干物质及养分积累对种间竞争与补偿的响应

4．1．3种间竞争补偿与系统产量和土壤肥力的相关关系

4．2主要结论

4．3主要创新点

参考文献

致谢

作者简历