半夏Pinellia ternata(Thunb.) Breit以其干燥块茎入药,具有燥湿化痰、降逆止呕、消痞散结的功效[1]。半夏喜光、喜温、喜肥、喜湿,但忌阳光直射、忌高温、忌涝,在超过35 ℃且缺水时就会倒苗[2]。遮阴可为半夏提供适宜的生长环境,提高半夏珠芽数量和质量,提高半夏产量[3-4],但在实际生产中,搭建遮阴棚会耗费很多的人力物力,且不利于机械化管理。作物间作可以改变间作系统的光分布和提高光能利用率[5-6]。为此,本研究在半夏玉米间作系统中设置了不同的间作方式和玉米种植密度,探究不同间作方式和玉米种植密度对间作环境、半夏生长指标、间作、种间竞争力、半夏产量以及半夏药材质量的影响,旨在为半夏玉米间作提供科学依据。
试验于2019年在湖北省荆门市沙洋县湖北荆禾源生态农业有限公司基地进行,试验地位于北纬N30°38′19.55″,东经E112°34′15.82″,为北亚热带湿润季风型气候,年平均气温15.6~16.3 ℃,年日照时间1 997~2 100 h,年平均降水量804~1 067 mm,试验地土壤为沙壤,中等肥力。所用种源经华中农业大学植物科学技术学院舒少华鉴定为半夏(Pinellia ternate (Thunb.) Breit),球茎,直径0.6~0.8 cm,采自湖北荆门;玉米(Zea mays L.)品种为惠民302,由湖北惠民农业科技有限公司供种。
采取两因素随机区组设计,因素1为间作方式,A为玉米单行同侧种植于半夏厢边上,B为玉米单行异侧种植于半夏厢边上,因素2为玉米株距,Ⅰ:35 cm,Ⅱ:50 cm,Ⅲ:65 cm,玉米单作以及半夏单作为对照,共8个处理,24个小区。每小区共4厢,厢宽1.1 m,沟宽0.4 m,长7.5 m,厢上撒播半夏种茎,播种量为3 750 kg/hm2,玉米单作株距为35 cm,行距50 cm。
半夏于3月20日播种,7月1日收获,玉米于4月10日播种,7月20日收获。所有处理于播种前撒施复合肥(20-8-14,总养分≥42%)600 kg/hm2并翻耕作为基肥,并于5月1日撒施复合肥(17-17-17,总养分≥51%)187.5 kg作为基肥,试验田间除草及病虫害防治等管理同大田。
1)土壤温湿度。在玉米进入抽穗期后,选择晴朗天气,在14:00-16:00,用便携式土壤温湿度计对土壤温湿度进行测定,每小区选取5个测定点,测定土层深度为10 cm。
2)光照强度。在玉米进入抽穗期后,选择晴朗天气,分别在09:00-11:00和14:00-16:00,用照度计对半夏冠层光照强度经行测定,每小区选取6个测定点。
3)叶面温度。在玉米进入抽穗期后,选择晴朗高温天气,分别在09:00-11:00和14:00-16:00,用便携式红外测温仪对半夏叶面温度进行测定,每小区随机选取12株半夏植株进行测定。
1)半夏主叶叶面积。于半夏出苗后30、47、65 d测定半夏主裂叶长宽,每小区随机选取12株进行测量。采用叶面积系数法计算半夏主叶叶面积[7-8]:
S=k·a·b
(1)
式中:S表示半夏主叶叶面积,k表示叶面积系数,取值为0.666,a表示半夏主叶长,b表示半夏主叶宽。
2)出土部分叶柄长。于半夏出苗后30、47、65 d测定半夏出土部分叶柄长,每小区随机选取12株进行测量。
3)SPAD值。于半夏出苗后25、45、65 d,用便携式SPAD仪对半夏叶片SPAD值进行测定,每小区随机选取12株进行测定。
1)干物质积累。于半夏出苗后34、49、66 d,每小区取10株生长发育一致的植株,将块茎、叶分开,在105 ℃下杀青0.5 h,再在85 ℃下烘干至恒质量,分别称量。
2)产量及千粒重。半夏倒苗后,于7月1日对半夏进行采挖测产,包括块茎和珠芽,采用5点取样法对每小区进行测产,并调查块茎千粒重。
土地当量比(land equivalent ratio)是指同一农田中2种或2种以上作物间混作时的收益与各个作物单作时的收益的比率。用于衡量间作优势[9]:
LER=Yis/Yss+Yim/Ysm
(2)
式中:Yis和Yim分别表示间作总面积上玉米和半夏的籽粒产量和块茎产量,kg/hm2;Yss和Ysm分别表示单作玉米和单作半夏的籽粒产量和块茎产量,kg/hm2。当LER>1时,表示间作有优势;当LER<1时,为间作劣势。
种间相对竞争力(interspecific competitiveness,A)指间作体系种一种作物相对另一种作物对水分、养分等与产量形成有关资源的竞争力[10]:
Abp=Yib/(Ysb×Zs)-Yip/(Ysp×Zm)
(3)
式中:Abp为玉米相对半夏的资源竞争力;Yib和Ysb分别代表间作玉米和单作玉米的生物产量,Yip和Ysp分别代表间作半夏和单作半夏的生物产量;Zs和Zm分别表示玉米和半夏在间作系统中所占的面积比例。当Abp>0,表面玉米竞争力强于半夏;Abp<0,半夏竞争力强于玉米。
竞争比率(competitive ratio,CR)是评价间作系统中组分作物竞争的指标[11]:
CRbp=[Yib/Ysb×Zs]/[Yip/Ysp×Zm]
(4)
式中:若CRbp>1,表明玉米竞争力强于半夏;若CRbp<1,则表明半夏竞争力强于玉米。
将采挖的半夏块茎去皮洗净,置于烘箱中,50 ℃条件下烘干,烘干后研磨成粉末装袋保存于干燥器皿中。根据《中华人民共和国药典》规定进行半夏药材质量评价[1,12]。
间作玉米对半夏冠层光照强度的影响如图1所示,不论上午还是下午,半夏单作的光照强度都显著高于其他处理,分别为66 679 和78 714 lx,其中在上午时间段,间作方式B的光照强度显著低于间作方式A,最小值为BⅠ处理36 061 lx,遮阴度为45.7%,在下午时间段,间作方式A的光照强度显著低于作方式B,最小值为AⅠ处理23 285 lx,遮阴度为70.4%。
不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05); CK表示半夏单作。下同。Different lowercase letters on the columns indicate significant differences between treatments; CK:P. ternata monoculture.The same as follows.
图1 半夏玉米间作系统条件下的光照强度
Fig.1 Light intensity under P. ternata-
corn intercropping system
间作玉米对土壤温湿度的影响如表1所示,土壤温度最大值为半夏单作35.7 ℃,显著高于其他处理,间作方式A小于间作方式B,玉米株距越小,土壤温度越低,其中最小值为AⅠ处理31.4 ℃ 。土壤湿度为18.4%~18.9%,各处理间无显著性差异。
间作玉米对半夏叶面温度的影响如表1所示,无论上午还是下午,半夏叶面温度均为半夏单作最高,分别为38.6和39.4 ℃,其中在上午时间段间作方式A显著高于间作方式B,最低叶面温度为BⅠ处理31.9 ℃,在下午时间段间作方式B显著高于间作方式A,最低叶面温度为AⅠ处理32.6 ℃,同时叶面温度随着玉米密度的增高而降低。
表1 半夏玉米间作系统中土壤温湿度和半夏叶面温度
Table 1 Soil temperature and humidity and P. ternata leaf temperature under the P. ternata-corn intercropping system
处理 Treatment土壤温度/℃Soil temperature土壤湿度/%Soil humidity叶面温度/℃ Leaf temperature10:00 a.m.15:00 p.m.AⅠ31.4±0.8c18.7±0.5a34.6±0.5cd32.6±0.7dAⅡ33.2±0.6bc18.4±0.4a36.0±0.3bc34.1±0.6cAⅢ33.7±0.6b18.7±0.2a37.2±0.6b34.9±0.5cBⅠ33.0±0.6bc18.9±0.4a31.9±0.4f35.0±0.4cBⅡ32.9±0.5bc18.7±0.4a33.1±0.2ef35.4±0.3bcBⅢ34.2±0.4ab18.7±0.1a34.1±0.4de36.8±0.4bCK35.7±0.8a18.7±0.3a38.6±0.9a39.4±0.1a
间作玉米对半夏主叶叶面积的影响结果(图2A)显示:各个处理间半夏主叶叶面积在半夏出苗后47 d前无显著性差异,在出苗后65 d出现了显著性差异;其中AⅠ处理半夏主叶叶面积最大,为14.76 cm2 ;半夏单作半夏主叶叶面积最小,为9.91 cm2;半夏叶面积随着玉米密度的增大而增大,间作方式A半夏叶面积显著大于间作方式B。
间作玉米对半夏出土部分叶柄长的影响结果(图2B)显示,各处理间半夏地上部分叶柄长在半夏出苗后47 d前无显著性差异,在出苗后65 d出现显著性差异;其中AⅠ处理最长,为7.38 cm;半夏单作最短,为5.13 cm;半夏地上部叶柄长随着玉米密度的增大而增长,不同间作方式下的半夏地上部叶柄长无显著性差异。
间作玉米对半夏SPAD值的影响如图2C所示,半夏叶片SPAD值在半夏出苗后45 d前在各处理间无显著性差异,在出苗后65 d出现显著性差异;其中AⅠ处理SPAD值最大,为40.5;半夏单作最小,为32.0;半夏叶片SPAD值随着玉米密度的增高而增大,间作方式A显著大于间作方式B。
间作玉米对半夏生物量积累的影响结果(图3A、B)显示:半夏叶干质量与半夏块茎干质量在半夏出苗后49 d前均无显著性差异,在半夏出苗后66 d出现显著性差异;其中半夏叶干质量最大的是BⅠ处理,为0.234 g;最小的是半夏单作,为0.146 g;半夏块茎干质量最大的是AⅡ处理,为0.690 g;最小的是半夏单作,为0.457 g;半夏的叶干质量及块茎干质量随着玉米株距的减小而增大,但是玉米株距减小至50 cm后,半夏的叶干质量及块茎干质量不再显著性增大。
间作玉米对半夏产量的影响结果(图3C)显示:半夏产量最高的是AⅠ处理,为7 850 kg/hm2;最低的是半夏单作,为5 444 kg/hm2;AⅠ处理较半夏单作增产44%,其中AⅡ、AⅢ、BⅠ、BⅡ、BⅢ处理分别较半夏单作增产了34%、13%、44%、28%、6%,半夏产量随着玉米密度的增大而增高,间作方式A与间作方式B无显著性差异。
间作玉米对半夏块茎千粒重的影响结果(图3D)显示:半夏块茎千粒重最高的是BⅠ处理,为970.3 g;最低的为半夏单作,为776. 2 g;不同间作方式及玉米株距之间的半夏块茎千粒重无显著性差异。
图2 间作玉米对半夏生长的影响
Fig.2 Effect of intercropping corn on growth of P. ternata
图3 间作玉米对半夏生物量积累、产量及半夏块茎千粒重的影响
Fig.3 Effects of intercropping corn on biomass accumulation,yield of P. ternata and 1 000-kernel weight of P. ternata tuber
半夏玉米间作系统的土地当量比及种间竞争力结果(表2)显示:各处理的土地当量比均大于1,表明玉米半夏间作较单作具有优势;其中最大值是AⅠ处理,为1.76;最小值为BⅢ处理,为1.26;各处理Abp>0,CRbp>1,表明玉米竞争力强于半夏。
表2 半夏玉米间作系统下的土地当量比和种间竞争力
Table 2 Land equivalent ratio and interspecific competitiveness under the P. ternata-corn intercropping system
处理 TreatmentLERbLERpLERAbpCRbpAⅠ0.321.441.765.284.54AⅡ0.241.341.573.933.80AⅢ0.191.131.324.174.50BⅠ0.281.441.724.413.78BⅡ0.231.281.503.043.15BⅢ0.201.061.263.794.38
注 Note:LERb:间作下玉米的土地当量比 Land equivalent ratio of corn; LERp:间作下半夏的土地当量比 Land equivalent ratio of P. ternata; LER:半夏玉米间作总土地当量比 Land equivalent ratio ;Abp:玉米相对半夏的种间竞争力 The competitive ness of corn relative to P. ternata; CRbp:玉米相对半夏的竞争比率The competitive ratio of corn relative to P. ternate.
间作玉米对半夏药材质量的影响结果显示:半夏总灰分含量为4.03%~4.22%,各处理与对照间无显著性差异(图4A);半夏水溶性浸出物含量(图4B)最高的是半夏单作,为13.57%,最低的是AⅢ处理,为11.49%;间作方式B高于间作方式A,无明显规律;半夏总酸含量为0.341%~0.366%(图4C),各处理与对照间无显著性差异。
图4 半夏玉米间作系统下的半夏药材质量评价
Fig.4 Quality evaluation of Pinellia tuber under the P. ternata-corn intercropping system
本研究通过设置不同的间作方式以及不同的玉米株距进行半夏玉米间作试验,探讨了半夏玉米间作系统对半夏生长环境、半夏生长指标、半夏生物量积累、半夏产量及半夏药材品质的影响,结果表明:在半夏玉米间作系统中,半夏生长环境得到改善,具体为光照强度降低、叶面温度降低以及土壤温度降低,使得半夏能够避开夏季高温、高光强给半夏生长带来的不利因素,生长势较对照更好,增加了半夏的干物质积累,最终增加了半夏的产量,半夏的药材质量均符合药典要求,最优的半夏玉米间作系统为半夏与玉米35 cm株距等行间作。
间作系统中,下层作物的冠层光照强度以及环境温度会降低[13-14],半夏喜温怕炎热、耐阴,适宜的生长温度为10~27 ℃,超过27 ℃时生长缓慢[15]。在本试验中,随着玉米种植密度的增大,间作环境下的遮阴度也随之增高,总体来说,间作方式A的遮阴度高于间作方式B,所有处理的光照强度均显著低于对照,上午的遮阴度为8.1%~45.7%,最大值出现在玉米35 cm株距宽窄行间作处理,下午的遮阴度为27.2%~70.4%,最大值为玉米35 cm株距等行间作处理。随着遮阴度的增加,半夏的叶面温度也随之降低,呈现出半夏叶面温度随玉米种植密度的增大而降低的规律,上午间作较对照降低了1.4~6.7 ℃,其中玉米35 cm株距宽窄行间作处理下半夏叶面温度最低,下午降低了2.6~6.8 ℃,其中玉米35 cm株距等行间作条件下叶面温度最低,叶面温度的降低缓解了夏季高温对半夏生长所造成的不利影响。同时,在半夏玉米间作系统中,土壤温度也随着玉米密度的增大而降低,降幅为1.5~3.8 ℃,其中玉米35 cm株距等行间作处理降幅最大。土壤湿度未出现显著性差异,原因可能是试验地在5月下旬至6月中旬长时间无降雨所致。本试验结果表明在半夏玉米间作系统中,玉米可以为半夏提供遮阴环境,同时半夏叶面温度和土壤温度得以降低。
半夏在适当遮阴的情况下生长更好,叶面积、株高显著增加,提高半夏叶绿素含量[16- 17],遮阴还能使半夏避免“光合午休”的出现[18]。在本试验中,半夏出苗后45 d,半夏叶面积、地上部叶柄长及半夏叶片SPAD值在处理与对照间未出现显著性差异,是由于当时玉米生长处于大喇叭口时期,玉米不足以为半夏提供遮阴环境,所以半夏的生长未出现显著性差异,在半夏出苗后65 d,各处理半夏叶面积、地上部叶柄长及半夏叶片SPAD值较对照都显著性增加,各处理半夏叶面积较对照增加了2.41~9.71 cm2,地上部分叶柄长增加了0.92~2.25 cm,半夏叶片SPAD值增加了0.6~8.5,其中以玉米35 cm株距等行间作处理的半夏生长势最优,并且半夏生长势随着玉米种植密度的增大变得更好。部分处理的叶面积、出土部分叶柄长及SPAD值在半夏出苗后65 d小于出苗后45 d,是由于半夏在6月上旬出现倒苗,但是又很快出苗所导致,这与张明等[19]的研究结果一致。本研究设置的半夏玉米间作系统中,半夏生长环境发生改变,光照强度降低,半夏叶面温度降低以及土壤温度的降低,为半夏生长创造了有利的生长条件,使得半夏生长势更好。
半夏产量构成主要包括母茎的增长、母茎分生的子半夏及珠芽[20]。孟祥海等[3]研究表明,55%遮阴条件能使半夏珠芽数量及块茎鲜质量显著增加。在本试验中,半夏生物量在半夏出苗后49 d前,各处理间无显著性差异,可能是在半夏出苗后49 d前,玉米半夏间作模式下玉米植株较小,未显著改变半夏生长环境,因此,半夏生长状况在各处理与对照间未出现显著性差异;出苗后66 d,各处理半夏生物量显著高于对照,其中叶干质量高于对照0.037~0.088 g,并以玉米35 cm株距宽窄行间作处理下叶干质量最大,为0.234 g,块茎干质量高于对照0.098~0.232 g,其中以玉米50 cm株距等行间作处理下块茎干质量最大,为0.690 g。半夏的生物量积累随着玉米种植密度的增大而增大,在玉米种植密度为35 cm和50 cm条件下无显著性差异。同时,各处理半夏产量较对照高332~2 406 kg/hm 2,其中半夏产量最高为玉米35 cm株距等行间作处理,为7 850 kg/hm2,各处理千粒重较对照高75~194 g,其中以玉米50 cm株距宽窄行间作处理下千粒重最高,在半夏玉米间作系统中,半夏产量和千粒重都随着玉米种植密度的增大而增高。表明间作玉米有利于半夏生物量积累、产量及千粒重的提高。
有研究表明半夏在65%和75%遮阴处理下有利于药用成分的积累[17],但也有研究表明全光照有利于半夏药用成分积累[16]。在本试验中,半夏药材质量在各处理与对照之间并没有显著性差异;水溶性浸出物含量在半夏单作中最高,但水溶性浸出物含量在各处理间并没有显著的规律性,具体原因尚不清楚。
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