中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (10): 1882-1899.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.10.004
周也莹1(), 谢子文1, 钟培阁1, 李双伟2(), 马韫韬1
收稿日期:
2023-11-22
接受日期:
2024-03-03
出版日期:
2024-05-16
发布日期:
2024-05-23
通信作者:
联系方式:
周也莹,E-mail:au733113@uni.au.dk。
基金资助:
ZHOU YeYing1(), XIE ZiWen1, ZHONG PeiGe1, LI ShuangWei2(), MA YunTao1
Received:
2023-11-22
Accepted:
2024-03-03
Published:
2024-05-16
Online:
2024-05-23
摘要:
【目的】构建不同种植模式和行向的玉米大豆间作功能-结构模型,为解析玉米大豆间作系统的产量优势、生长发育规律及种植模式和行向对光截获、光分配和辐射利用效率的影响提供有力支持。【方法】基于不同种植模式的玉米大豆间作田间试验,解析种植行向如南北行向、东西行向、传统行向(梨树当地长期使用的种植行向,即南偏西40o)对作物生物量、产量和形态结构的影响,构建玉米大豆间作功能-结构模型,模拟不同种植模式和行向下作物群体生长发育和结构变化,量化种植行向对间作系统光截获量和辐射利用效率的影响,并探索玉米大豆间作高光截获量的最佳种植行向。【结果】玉米大豆间作系统的籽粒土地当量比(land equivalent ratio,LER)南北行向最高(1.20±0.07),东西行向最低(1.16±0.09)。构建的模型较好地模拟了不同种植方式和种植行向下玉米和大豆的生长发育,与田间实测值相比,玉米株高、单株叶面积和冠层光截获系数的均方根误差(RMSE)分别为0.09—0.14 m、0.04—0.08 m2·plant-1和0.07—0.12,大豆株高、单株叶面积和冠层光截获系数的RMSE分别为0.07—0.09 m、0.02—0.04 m2·plant-1和0.09—0.10。传统行向间作系统的累积光截获量最高,为(758.48±1.00)MJ·m-2,南北行向和东西行向的辐射利用效率比传统行向分别降低了7.18%、10.57%。【结论】间作种植可以提高玉米生物量和产量,降低大豆生物量和产量。玉米大豆间作种植模式中,种植行向对作物生长有显著影响,矮秆大豆通过改变叶片大小、节间长度和叶柄倾角规避高秆玉米的遮荫影响,以增加受光量和辐射利用效率,最终提高产量。种植行向对群体累积光截获影响较大,间作系统的辐射利用效率与累积光截获量均表现为传统行向>南北行向>东西行向。本研究有助于田间布局优化,为解释不同种植行向玉米大豆间作的光截获和光分配提供了数据支持。
周也莹, 谢子文, 钟培阁, 李双伟, 马韫韬. 基于功能-结构模型的玉米大豆间作不同行向辐射分布研究[J]. 中国农业科学, 2024, 57(10): 1882-1899.
ZHOU YeYing, XIE ZiWen, ZHONG PeiGe, LI ShuangWei, MA YunTao. Quantification of Row Orientation Effects on Radiation Distribution in Maize-Soybean Intercropping Based on Functional-Structural Plant Model[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(10): 1882-1899.
图1
小区种植及完整条带示意图(单位:米) (1)传统行向:单作玉米,CSM Control: Maize, CSM;(2)传统行向:单作大豆,CSS Control: Soybean, CSS;(3)传统行向:间作,C2:2MS Control: 2:2MS, C2:2MS;(4)南北行向:单作玉米,NSSM NS: Maize, NSSM;(5)南北行向:单作大豆,NSSS NS: Soybean, NSSS;(6)南北行向:间作,NS2:2MS NS: 2:2MS, NS2:2MS;(7)东西行向:单作玉米,EWSM EW: Maize, EWSM;(8)东西行向:单作大豆,EWSS EW: Soybean, EWSS;(9)东西行向:间作,EW2:2MS EW: 2:2MS, EW2:2MS"
表2
器官形态参数化的参数及含义"
性状 Characteristic | 参数 Parameter | 含义 Meaning |
---|---|---|
出叶间隔Leaf-out interval | slope (℃d) | 连续叶尖出现的热时间Thermal time of emergence of successive leaf tips |
玉米、大豆叶长[ Maize and soybean leaf length | Lm (cm) | 器官最终长度的最大值Maximum final length of the organ |
b | 尺度参数Scale parameter | |
rm | 器官最终长度达到最大值时的节位Node position when the organ's final length reaches its maximum | |
大豆叶柄长[ Soybean petiole length | Li,m (cm) | 器官最终长度的最大值Maximum final length of the organ |
bp | 尺度参数Scale parameter | |
ri,m | 器官最终长度达到最大值时的节位Node position when the organ's final length reaches its maximum | |
玉米、大豆叶宽[ Maize and soybean leaf width | a1 | 线性模型的斜率Slope of the linear model |
w0 | 线性模型的截距Intercept of the linear model | |
玉米、大豆节间长度[ Maize and soybean internode length | Im / II,m (cm) | 节间最终长度最大值Maximum final length of the internode |
r1 / bI | 斜率系数Slope coefficient | |
K1 / rI,m | 曲线位于转折点时的节位Node position when the curve is at the inflection point | |
玉米、大豆节间直径[ Maize and soybean internode diameter | Dm (mm) | 植株基部节间直径的最大值Maximum diameter of the plant base internode |
k2 | 斜率系数Slope coefficient | |
r2 | 曲线位于转折点时的节位Node position when the curve is at the inflection point | |
玉米、大豆倾角[ Maize and soybean declination angle | a2 (o) | a2+c为r=0时的叶倾角Leaf tilt angle when r = 0, expressed as a2 + c |
b2 | 水平范围Horizontal range | |
c | 当r逐渐变大时的渐近线Asymptote as r increases |
表3
生育期内不同种植方式和种植行向的玉米器官长度/宽度的拟合值"
参数 Parameter | 传统行向 Control orientation | 南北行向 NS orientation | 东西行向 EW orientation | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
单作 Sole | 间作Intercropping | 单作Sole | 间作Intercropping | 单作Sole | 间作Intercropping | |||||||
平均值 Mean | 标准误差 SE | 平均值 Mean | 标准误差 SE | 平均值 Mean | 标准误差 SE | 平均值 Mean | 标准误差 SE | 平均值 Mean | 标准误差 SE | 平均值 Mean | 标准误差 SE | |
slope (℃d) | 50.10 | 1.10 | 50.10 | 1.10 | 50.10 | 1.1 | 50.10 | 1.10 | 50.10 | 1.10 | 50.10 | 1.10 |
Lm (cm) | 94.74 | 0.92 | 94.74 | 0.92 | 94.74 | 0.92 | 94.74 | 0.92 | 94.74 | 0.92 | 94.74 | 0.92 |
b | 5.83 | 0.09 | 5.83 | 0.09 | 5.83 | 0.09 | 5.83 | 0.09 | 5.83 | 0.09 | 5.83 | 0.09 |
rm | 11.13 | 0.14 | 10.73 | 0.20 | 12.67 | 0.16 | 12.67 | 0.16 | 12.67 | 0.16 | 12.67 | 0.16 |
a1 | 0.12 | 0.00 | 0.12 | 0.00 | 0.12 | 0.00 | 0.12 | 0.00 | 0.12 | 0.00 | 0.12 | 0.00 |
w0 | 0.64 | 0.06 | 0.64 | 0.06 | 0.64 | 0.06 | 0.64 | 0.06 | 0.64 | 0.06 | 0.64 | 0.06 |
Im (cm) | 16.20 | 0.71 | 14.89 | 0.56 | 15.17 | 0.38 | 16.04 | 0.67 | 14.87 | 0.55 | 16.31 | 0.96 |
r1 | 5.09 | 0.26 | 4.35 | 0.45 | 5.97 | 0.14 | 5.98 | 0.25 | 5.41 | 0.20 | 5.43 | 0.32 |
K1 | 0.67 | 0.30 | 0.71 | 0.30 | 0.81 | 0.12 | 0.54 | 0.18 | 0.90 | 0.28 | 0.44 | 0.21 |
Dm (mm) | 24.73 | 0.54 | 27.01 | 0.55 | 24.62 | 0.72 | 27.10 | 0.55 | 21.73 | 0.49 | 25.30 | 0.52 |
r2 | 13.64 | 0.27 | 13.64 | 0.27 | 13.64 | 0.27 | 13.64 | 0.27 | 13.64 | 0.27 | 13.64 | 0.27 |
K2 | 0.25 | 0.01 | 0.21 | 0.01 | 0.24 | 0.01 | 0.25 | 0.01 | 0.24 | 0.01 | 0.26 | 0.01 |
a2 (o) | 37.85 | 4.98 | 37.85 | 4.98 | 37.85 | 4.98 | 37.85 | 4.98 | 37.85 | 4.98 | 37.85 | 4.98 |
b2 | -0.35 | 0.05 | -0.35 | 0.05 | -0.35 | 0.05 | -0.35 | 0.05 | -0.35 | 0.05 | -0.35 | 0.05 |
c | 18.50 | 1.17 | 19.50 | 1.19 | 25.31 | 0.96 | 20.84 | 1.18 | 21.21 | 1.18 | 19.71 | 1.13 |
表4
生育期内不同种植方式和种植行向的大豆器官长度/宽度的拟合值"
参数 Parameter | 传统行向 Control orientation | 南北行向 NS orientation | 东西行向 EW orientation | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
单作 Sole | 间作Intercropping | 单作Sole | 间作Intercropping | 单作 Sole | 间作Intercropping | |||||||
平均值 Mean | 标准误差 SE | 平均值 Mean | 标准误差 SE | 平均值 Mean | 标准误差 SE | 平均值 Mean | 标准误差 SE | 平均值 Mean | 标准误差 SE | 平均值 Mean | 标准误差 SE | |
slope (℃d) | 52.40 | 1.40 | 52.40 | 1.40 | 52.40 | 1.40 | 52.40 | 1.40 | 52.40 | 1.40 | 52.40 | 1.40 |
Lm (cm) | 13.64 | 0.10 | 13.64 | 0.10 | 13.64 | 0.10 | 13.64 | 0.10 | 13.64 | 0.10 | 13.64 | 0.10 |
b | 9.43 | 0.32 | 9.12 | 0.42 | 10.15 | 0.42 | 11.04 | 0.43 | 10.15 | 0.42 | 11.04 | 0.43 |
rm | 14.73 | 0.21 | 12.94 | 0.29 | 15.41 | 0.29 | 14.30 | 0.28 | 15.41 | 0.29 | 14.30 | 0.28 |
a1 | 0.73 | 0.04 | 0.68 | 0.02 | 0.73 | 0.04 | 0.68 | 0.02 | 0.73 | 0.04 | 0.68 | 0.02 |
w0 | 0.57 | 0.47 | 0.95 | 0.16 | 0.57 | 0.47 | 0.95 | 0.16 | 0.57 | 0.47 | 0.95 | 0.16 |
Li,m (cm) | 35.08 | 0.43 | 35.08 | 0.43 | 35.08 | 0.43 | 35.08 | 0.43 | 35.08 | 0.43 | 35.08 | 0.43 |
bp | 7.66 | 0.23 | 7.66 | 0.23 | 7.66 | 0.23 | 7.66 | 0.23 | 7.66 | 0.23 | 7.66 | 0.23 |
ri,m | 14.80 | 0.27 | 14.04 | 0.36 | 15.47 | 0.34 | 15.47 | 0.34 | 14.95 | 0.33 | 14.95 | 0.33 |
II,m (cm) | 6.58 | 0.39 | 10.69 | 0.81 | 6.77 | 0.47 | 10.15 | 0.62 | 6.77 | 0.47 | 10.15 | 0.62 |
bI | 9.17 | 1.00 | 6.05 | 1.10 | 8.62 | 1.14 | 5.85 | 1.04 | 8.62 | 1.14 | 5.85 | 1.04 |
rI,m | 15.04 | 0.75 | 13.77 | 0.83 | 16.99 | 0.93 | 15.26 | 0.80 | 16.99 | 0.93 | 15.26 | 0.80 |
Dm (mm) | 11.30 | 2.80 | 9.19 | 2.81 | 15.50 | 2.77 | 9.81 | 2.82 | 10.54 | 2.80 | 12.47 | 3.05 |
r2 | 18.48 | 4.92 | 15.86 | 4.94 | 15.91 | 4.90 | 17.70 | 4.95 | 20.76 | 4.93 | 15.00 | 5.22 |
K2 | 0.20 | 0.03 | 0.20 | 0.04 | 0.08 | 0.02 | 0.18 | 0.04 | 0.17 | 0.03 | 0.12 | 0.03 |
a2 (o) | 134.62 | 18.87 | 134.62 | 18.87 | 134.62 | 18.87 | 134.62 | 18.87 | 134.62 | 18.87 | 134.62 | 18.87 |
b2 | -0.86 | 0.08 | -0.86 | 0.08 | -0.86 | 0.08 | -0.86 | 0.08 | -0.86 | 0.08 | -0.86 | 0.08 |
c | 29.98 | 0.43 | 27.91 | 0.93 | 29.98 | 0.43 | 29.98 | 0.43 | 29.98 | 0.43 | 29.98 | 0.43 |
表5
不同种植系统和种植行向下玉米和大豆的生物量和籽粒产量(t·hm-2 )及相应的LER"
行向 Orientation | 系统 System | 生物量 Biomass (t·hm-2) a | 生物量 LER Biomass LER | 籽粒产量 Grain yield (t·hm-2) b | 籽粒产量 LER Grain yield LER | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
玉米 Maize | 大豆 Soybean | LERm | LERs | LER | 玉米 Maize | 大豆 Soybean | LERm | LERs | LER | ||
传统 Control | 单作Sole | 20.4±1.3 | 14.4±1.5 | 11.9±0.9 | 4.2±0.5 | ||||||
间作Intercrop | 15.1±0.9 | 4.5±0.2 | 0.74±0.05 | 0.32±0.05 | 1.06±0.03 | 9.5±0.2 | 1.6±0.1 | 0.81±0.09 | 0.38±0.02 | 1.19±0.07 | |
南北 NS | 单作Sole | 21.8±2.1 | 13.8±2.1 | 11.3±1.1 | 4.5±0.3 | ||||||
间作Intercrop | 15.1±1.2 | 3.2±0.6 | 0.72±0.13 | 0.25±0.07 | 0.97±0.14 | 9.9±0.2 | 1.4±0.1 | 0.89±0.13 | 0.31±0.01 | 1.20±0.07 | |
东西 EW | 单作Sole | 20.3±3.3 | 11.4±0.9 | 10.6±1.0 | 4.2±1.1 | ||||||
间作Intercrop | 11.9±0.7 | 3.2±0.7 | 0.62±0.10 | 0.28±0.05 | 0.89±0.13 | 7.6±0.4 | 1.4±0.2 | 0.78±0.08 | 0.35±0.07 | 1.16±0.19 | |
行向Orientation LSD (0.05) | 5.8 | 6.9 | 2.9 | 2.2 | |||||||
系统System LSD (0.05) | 3.0 | 2.1 | 0.35 | 0.19 | 0.32 | 1.8 | 0.6 | 0.31 | 0.14 | 0.38 | |
行向 Orientation ANOVA | NS | NS | NS | NS | |||||||
系统 System ANOVA | *** | *** | NS | NS | NS | ** | *** | NS | NS | NS | |
行向×系统Orientation×System | NS | NS | NS | NS |
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