关于利用矮秆玉米高密度播种提升玉米-大豆带状间作系统土地生产力和产量稳定性的研究报告
一、 研究作者、机构与发表信息
本研究由来自中国安徽农业大学农学院的彭鹏张 (Pengpeng Zhang) 与 李成 (Cheng Li) 作为共同第一作者，安徽农业大学农学院的宋友宏 (Youhong Song) 教授作为通讯作者牵头完成。研究团队其他成员包括安徽农业大学农学院的张子祥 (Zixiang Zhang)、代丽 (Li Dai)、Gatera Anicet，中国农业科学院作物科学研究所作物生理生态重点实验室的 Ming Bo，以及澳大利亚昆士兰大学农业与食品创新联盟作物科学中心的 Brian Collins。这项研究成果于2026年发表在学术期刊 Field Crops Research（第345卷，文章编号110566）上。
二、 学术背景与研究目的
本研究隶属于农业生态学与作物栽培学交叉领域，具体聚焦于间作系统优化这一重要研究方向。玉米-大豆带状间作（Maize–Soybean Strip Intercropping, MSSI）作为一种高效的种植模式，能通过时空生态位互补显著提高土地当量比（Land Equivalent Ratio, LER），即单位土地面积上获得比单作更高的总产出，并提升光、水、养分等资源的利用效率。因此，该技术在中国被作为提升大豆产能的核心农业技术加以推广。
然而，传统MSSI系统面临一个关键挑战：高秆玉米植株形成的密集遮荫冠层会触发相邻大豆的避荫反应，导致大豆植株徒长、茎秆变弱、倒伏风险增加，从而严重抑制大豆的生长和产量，限制了系统整体生产力和稳定性的进一步提升。特别是在追求更高产而增加玉米播种密度时，这种遮荫胁迫和种间竞争失衡问题会进一步加剧。
为解决这一矛盾，作物育种领域的最新进展——矮秆玉米杂交种的培育成功，为优化MSSI系统提供了新的可能。类似于绿色革命中矮秆小麦和水稻带来的变革，矮秆玉米（如本研究所用的AD268）具有更紧凑的株型、更强的茎秆抗倒伏能力，使得在高密度种植下仍能保持结构稳定性。但其在间作系统中的表现，特别是与高密度播种结合后，如何影响系统内的光环境、种间竞争关系、干物质分配、抗倒伏性及最终的系统生产力，尚缺乏深入系统的研究。
因此，本研究旨在通过两年田间试验，探究一个核心科学问题：将矮秆玉米杂交种与更高的玉米播种密度相结合，能否在缓解大豆遮荫胁迫和倒伏风险的同时，不牺牲甚至提高整个间作系统的土地生产力和产量稳定性？ 具体目标包括评估这种新配置对系统光分布、作物生长动态、干物质分配、抗倒伏性状以及最终产量和资源利用效率（如LER）的影响。
三、 详细研究流程与方法
本研究采用了为期两年（2023和2024年）的田间控制试验，地点位于中国安徽省蒙城县。试验设计严谨，遵循裂-裂区设计，设置三次重复，以确保结果的可靠性。整个研究流程包含以下几个关键环节：
1. 试验设计与田间管理： 试验设置了三个主要处理因素，形成多因素组合： * 种植模式：设为主区，包括玉米单作、大豆单作和玉米-大豆带状间作（MSSI）。 * 玉米杂交种：设为亚区，选用两个株高对比鲜明的品种：传统高秆品种郑单958（ZD958，株高240-250厘米）和短秆矮秆品种矮单268（AD268，株高180-210厘米）。 * 玉米播种密度：设为亚-亚区，设置两个水平：当地常规密度6株/平方米（PD6）和高密度9株/平方米（PD9）。
在MSSI系统中，采用完全加性设计，即保证单位总面积上玉米和大豆的植株总数与其各自单作时相同。具体配置为：每个2.5米宽的间作带单元由1.0米宽的玉米带（2行）和1.5米宽的大豆带（4行）交替组成，分别占总土地面积的40%和60%。大豆播种密度固定为20株/平方米。肥料管理仅施用于玉米组分，大豆在整个生长周期不施肥，以模拟豆科作物的固氮特性并控制变量。灌溉、除草及病虫害防治均遵循当地农艺实践。
2. 田间采样与测量： 为确保采样代表性，研究采用了标准化的植株选择方法。在V3时期（玉米三叶完全展开，大豆三片三出复叶完全发育），从每个小区随机选择30株玉米和大豆，测量其第三片叶的可见长度并取平均值。基于此平均值，选择并标记10株具有平均生长状态的植株作为后续破坏性取样的形态学基准。 * 植物形态与生物量：从V4期至成熟期，每周进行破坏性取样。每次从各小区随机选取3株与基准植株生长状态一致的代表性个体。测量并计算叶面积、各器官（叶、鞘、茎、叶柄、穗/荚、雄穗）的鲜重和干重。基于单位土地面积上的植株密度计算叶面积指数和累积干物质。 * 株高与冠层光分布：在玉米吐丝期和大豆初荚期，实地测量植株和穗位高度。使用植物冠层分析仪（Sunscan）在晴天的三个时间点（9:00, 12:00, 15:00）测量不同水平和垂直位置的光合有效辐射强度，并计算相对光强，重点监测玉米穗位和大豆冠层顶部的光透射率。 * 抗倒伏性状指标： * 对于玉米，在成熟期测定穗位高系数（穗高/株高 × 100%）和第3节间单位长度干重作为抗倒伏评价指标。 * 对于大豆，测定第8节间直径以及基部五个节间平均直径与株高之比作为抗倒伏评价指标。 * 产量与系统生产力指标：成熟期，从各小区保护行内的中心区域分区收获玉米和大豆，脱粒、晒干后称重计算实际产量。基于单作对照产量，计算土地当量比、竞争比率和净效应比率，以量化间作优势和各作物的竞争能力。
3. 数据分析方法： 采用SPSS 22.0软件，对裂-裂区设计进行方差分析。对于玉米，以种植模式为主因子，玉米品种为亚因子，播种密度为亚-亚因子进行分析。对于间作大豆，则以玉米品种为主因子，玉米播种密度为亚因子，行位置（边行 vs. 内行）为亚-亚因子进行分析。采用Tukey’s HSD检验进行均值间的多重比较（显著性水平为5%）。同时进行了变量间的相关性分析。所有图表使用Origin 2024软件绘制。
四、 主要研究结果
1. 冠层结构与光环境优化： 研究证实，高密度播种（PD9）显著增加了玉米的叶面积指数和生物量积累，但也加剧了对大豆的遮荫，特别是在种植高秆品种ZD958时，大豆冠层顶部光透射率比PD6降低了22.0%。然而，引入矮秆品种AD268有效地扭转了这一局面。 * 光分布改善：在MSSI系统中，与ZD958相比，种植AD268使玉米穗位光透射率平均提高了26.4%，使大豆冠层顶部光透射率提高了37.0%，且在大豆边行的改善幅度更大（达48.2%）。这表明AD268更直立的冠层结构减少了自我遮荫和行间遮荫，优化了垂直光分布，将更多光线透射至下层大豆冠层。 * 形态响应：得益于改善的光环境，与ZD958间作的大豆相比，与AD268间作的大豆株高降低，但叶面积指数反而提高了7.3%，显示出更健康的生长态势，而非单纯的避荫徒长。
2. 干物质积累与分配效率提升： * 干物质积累：尽管AD268自身的总干物质积累量略低于ZD958，但其叶生物量和LAI无显著差异，表明其保持了相当的冠层光合能力。更重要的是，在MSSI系统中，种植AD268使大豆在成熟期的累积干物质增加了8.7%，花后干物质积累量增加了9.4%。 * 同化物分配：AD268显著优化了干物质分配模式。玉米方面，它减少了向茎秆的分配比例（-26.2%），显著增加了向穗部的分配比例（+11.4%），表现出更高的“收获指数”倾向。大豆方面，与ZD958间作相比，与AD268间作使大豆分配至豆荚的干物质比例提高了11.3%（内行提高幅度达19.3%），同时减少了向营养器官（茎、叶柄、叶）的分配。这证明减轻遮荫不仅促进了大豆生长，还驱动了同化物更多地向生殖器官（籽粒）转运，形成了更高效的“源-库”协调机制。
3. 抗倒伏性与结构稳定性增强： 高密度和遮荫通常会削弱茎秆机械强度，增加倒伏风险。本研究发现： * 玉米抗倒伏性：与ZD958相比，AD268的穗位高系数降低了27.5%，第3节间单位长度干重增加了36.5%。这表明AD268重心更低，茎秆更粗壮坚实。即使在高密度（PD9）下，AD268的茎秆强度仍优于低密度下的ZD958，成功打破了“密度-倒伏”的权衡。 * 大豆抗倒伏性：与ZD958间作相比，与AD268间作使大豆的第8节间直径增加了9.5%，节间直径与株高之比提高了26.0%。边行大豆的这些指标也显著优于与高秆玉米间作的情况。这表明减轻遮荫促进了大豆茎秆的细胞壁加厚和木质化，增强了其物理稳定性。
4. 种间竞争重平衡与系统生产力飞跃： * 产量表现：在MSSI系统中，尽管间作降低了两作物的单产，但系统总产高于单作。品种和密度组合产生了显著影响。高密度（PD9）播种使玉米籽粒产量比PD6提高了28.9%。更重要的是，用AD268替代ZD958，使间作大豆产量在内行和边行分别大幅提高了42.4%和41.2%。因此，AD268结合高密度播种（AD268+PD9）的处理获得了最高的系统总产量，达到11.36吨/公顷，比低密度下的高秆玉米（ZD958+PD6）处理高出29.5%。 * 种间竞争与资源利用效率：竞争比率分析显示，AD268使玉米的竞争比率降低了29.7%，同时使大豆的竞争比率提高了44.8%。这表明矮秆玉米减弱了对大豆的竞争压制，使种间竞争关系更为均衡。相应地，该处理的土地当量比达到1.49，表明土地利用率比单作提高了49%。净效应比率高达1.91，在所有处理中最高，充分证明了“矮秆玉米+高密度”配置在提升系统生产力方面的巨大优势。
五、 研究结论与价值
本研究的核心结论是：在玉米-大豆带状间作系统中，采用矮秆玉米杂交种（如AD268）并结合高密度播种，是一种能够协同提升土地生产力和产量稳定性的有效策略。
其科学价值在于： 1. 机制阐明：系统揭示了矮秆玉米通过优化冠层结构（提高光透射率）来缓解大豆遮荫胁迫的生理生态机制，并量化了其对作物干物质分配、抗倒伏性状及种间竞争关系的具体影响。 2. 理论验证：验证了在间作系统中，通过作物株型改良可以重新平衡种间竞争，实现更高的生态位互补性和系统整体生产力，这为设计高效间作系统提供了理论依据。 3. 方法创新：成功将“矮秆育种”这一单作高产理念应用于间作系统优化，并证明了其与“增密种植”结合的可行性，拓展了绿色革命理念的应用范畴。
其应用价值在于： 1. 提供具体技术方案：为面临遮荫导致大豆减产问题的玉米-大豆间作区提供了明确的技术选择：选用矮秆玉米品种并适当提高玉米种植密度。 2. 提升生产效益：该策略能在不显著增加投入的情况下，通过提高光能利用效率和土地利用率，显著提升单位面积的粮食总产和经济效益，同时增强系统抗倒伏能力，保障产量稳定性。 3. 支持政策推广：为中国政府推广玉米-大豆带状复合种植以保障粮食安全和油料供给的战略，提供了强有力的品种和栽培技术支持。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的发现
研究还揭示了间作系统内空间的异质性：大豆边行植株所受遮荫胁迫远大于内行，其株高更高、LAI更低、干物质积累和向荚果的分配更少，抗倒伏性也更差。这提示在未来的研究中或技术优化中（如配置调整、边行品种选择），需要特别关注边行效应。此外，研究指出当前使用的9株/平方米的密度可能尚未达到矮秆玉米在间作系统中的生物极限，未来探索更高密度（如10-12株/平方米）的潜力，有望进一步释放该系统的生产力。同时，作者也谨慎地指出，大规模推广时需考虑农业景观多样性，避免形成生态脆弱的单一化景观。