为了明确玉米和花生同垄间作提高间作优势的光合机理,采用大田随机区组试验,以玉米和花生平作间作(FIC)为对照,分别在0(P0)和180 kg P2O5·hm-2(P180)两个磷水平下,分析了玉米和花生同垄间作(RIC)与玉米和花生沟垄间作(GIC)对作物叶面积指数(LAI)、SPAD值、CO2羧化能力、光系统间协调性和间作产量优势的影响.结果表明:与FIC和GIC相比,RIC显著提高了间作玉米吐丝期SPAD值及吐丝期、乳熟期功能叶的表观量子效率(AQY)、最大电子传递速率(Jmax)、最大羧化效率(Vc,max)、CO2饱和时的净光合速率(Amax)和光系统间协调性(ΦPSⅠ/PSⅡ),降低了乳熟期功能叶K相可变荧光Fk占F-Fo振幅的比例(Wk)和J相可变荧光F占FP-Fo振幅的比例(Vj),各指标在FIC与GIC间差异不显著.与FIC相比,RIC和GIC能够提高间作花生生育后期LAI和结荚期SPAD值,显著提高了Ve,max、Amax和ΦPS Ⅰ/PSⅡ,降低荚果膨大期功能叶Wk和Vj值,各指标在RIC与GIC间差异不显著.RIC的土地当量比和间作产量优势均高于FIC和GIC;施磷能进一步促进间作玉米、花生功能叶的Vc,max、Jmax、Amax和ΦPSⅠ/PsⅡ,提高间作产量优势.表明同垄间作可通过改善间作玉米、花生功能叶的光合电子传递及光系统间协调性,增强CO2羧化固定能力,提高光合速率,进而增加作物产量和间作优势.

禾本科/豆科作物间作能够促进作物生长与产量形成,而根际微生物组被认为与间作产量优势形成关系密切.将玉米和花生进行盆栽间作并设置以下三种根系分隔方式:塑料膜分隔(即全隔玉米与全隔花生)、尼龙网分隔(即网隔玉米与网隔花生)、无分隔处理(即无隔玉米与无隔花生),采用基于16S rRNA基因的高通量测序技术及PICRUSt功能预测分析不同模式下二者根际细菌群落结构与功能类群的变化,以期从土壤微生物组角度阐明玉米/花生间作产量优势形成的内在机制.结果显示:玉米/花生间作明显改变了二者根际细菌群落结构,无隔、网隔玉米的根际细菌群落结构更为相似并区别于全隔玉米,而网隔花生根际细菌群落结构明显区别于无隔、全隔花生.而且,无隔、网隔玉米根际放线菌门的相对丰度显著高于全隔玉米,网隔花生根际放线菌门、厚壁菌门的相对丰度显著高于全隔、无隔花生,而芽单胞菌门呈现相反的变化趋势.在玉米和花生根际,无隔、网隔处理高于全隔处理的OTU也均主要注释为放线菌门.共存网络分析发现,作为玉米根际细菌网络重要节点的Streptomyces、Actinomadura、Arthrobacter、Bacillus等菌属其丰度变化表现为无隔、网隔处理高于全隔处理;类似地,花生根际Streptomyces、Actinomadura、Arthrobacter等重要节点也呈现网隔处理高于无隔、全隔处理的变化趋势.最后,PICRUSt功能预测分析发现,玉米/花生间作显著提高了膜转运、碳水化合物代谢等功能类的相对丰度而降低了复制与修复等功能类的相对丰度.综上可见,玉米/花生间作选择塑造了二者的根际细菌群落结构,增加了特定潜在有益菌群的丰度,改善了根际微生态环境与功能,进而促进间作下产量优势的形成.

该试验在玉米单作茬口、玉米-花生间作茬口(间作茬口)、花生单作茬口共3种茬口,以及0 kg P2O5·hm-2 (P0)和180 kg P2O5·hm-2(P1)2个磷水平下,研究了间作茬口与施磷对冬小麦分蘖、叶面积指数(LAI)、干物质积累、光合特性及产量的影响机制,为玉米花生间作与小麦-玉米复种轮作提供理论依据.结果 表明:(1)间作茬口较玉米茬口显著提高了冬小麦有效分蘖数、LAI、净光合速率和干物质积累量,并提高了冬小麦旗叶的SPAD值、CO2饱和点、光饱和点及最大净光合速率(Pnmax)、表观量子效率(AQY)、羧化效率(CE)、最大羧化速率(Vrmax)、最大RUBP再生的电子传递速率(Jmax)和最大磷酸丙糖利用速率(VTPU),且CE、Vcmax、VTPU的增幅均达到显著水平(P＜0.05),有效改善了冬小麦产量构成,显著提高籽粒产量(P＜0.05).(2)间作茬口较花生茬口提高了冬小麦乳熟期的Pnmax、AQY、CE,增加了穗粒数和粒重,提高了产量.(3)与不施磷相比,施磷180 kg P2O5·hm-2显著促进间作茬口冬小麦生长,显著提高冬小麦旗叶的SPAD值、Pnmax、AQY、CE、Vcmax、Jmax、VTPU和籽粒产量(P＜0.05).研究发现,间作茬口较玉米茬口能有效增强冬小麦旗叶表观量子效率和CO2羧化能力,显著提高小麦花后光合能力,促进冬小麦生长,从而增加穗粒数、粒重和籽粒产量,且间作茬口结合施磷180 kg P2O5·hm-2效果更好.

于2019年5-9月在沈阳农业大学水利学院科研试验基地进行田间试验,设置2种种植模式MS、MP(玉米/大豆间作、玉米/花生间作)和3个生物炭施用量T0、T1和T2(0、15和30 t ? hm-2)的田间小区试验,研究施入生物炭对玉米/大豆、玉米/花生间作系统土壤水热、养分吸收和产量的影响.结果表明:施入生物炭对作物生育初期0～30 cm 土壤储水量影响不显著,随着生育期的推进,由于受降雨等因素的影响,生物炭处理显著提高了0～30 cm 土壤储水量,其中在抽雄期MPT2处理的增幅最大,达15.49％;在苗期与拔节期,由于降雨少,生物炭对30～60cm 土壤储水量的影响并不显著,从抽雄期开始至生育末期表现出显著性差异,但提升效果不如0～30 cm 土层.生物炭可以显著提高苗期与拔节期土壤有效积温,在苗期MPT2处理下提升效果最为显著,增幅达20.97％,而在作物生育中后期,生物炭对土壤有效积温的影响减弱,在抽雄期和灌浆期的影响最小.生物炭施入土壤后虽然显著降低了作物生育前期土壤的矿质氮含量,但显著提高了作物生长发育中后期的矿质氮含量(25.19％～48.82％),因而增加了MS 总产量(12.79％～13.71％)和MP 总产量(15.86％～18.01％).因此,生物炭有效调控了作物生长发育关键期土壤的水肥热状况,改善了间作系统的作物生长环境,使得间作这一本来就有着产量优势的种植模式产生了更大的增产效应.

该试验以玉米、花生2:4间作模式为对象,采用开顶式气室法控制环境CO2浓度,于2018-2019年设环境CO2浓度(Ca,390 μmol·mol-1)和升高CO2浓度(Ce,700 μmol·mol-1),以及不施磷(P0)和施磷(180 kg P2O5·hm-2,P180)处理下,分析CO2浓度升高对间作玉米和间作花生功能叶光合碳同化关键酶活性、净光合速率以及籽粒产量的影响,以明确CO2浓度升高影响玉米、花生间作体系光合作用的机理,为将来CO2浓度升高环境下间作高产高效提供理论基础.结果 表明:(1)Ce处理提高了间作玉米功能叶的PEPC、PPDK、NADP-MDH、Rubisco、GAPDH和Ru5PK等光合碳同化酶活性,其中PEPC和NADP-MDH在苗后43 d以及PPDK、Rubisco、GAPDH和Ru5PK在苗后59 d增幅均达到显著水平,此时施磷对其有正向调控作用.(2) Ce处理增强了间作花生功能叶的Rubisco、GAPDH、Ru5PK和FBPase等光合碳同化酶活性,在苗后43 d和59 d增幅均达到显著水平,此时施磷进一步显著提高了Rubisco与FBPase活性.(3) Ce处理下间作玉米、间作花生的净光合速率显著提高,间作玉米、间作花生和间作体系的籽粒产量分别显著提高了4.4％～52.0％、10.3％～24.0％和5.7％～47.0％;CO2浓度升高和施磷对间作玉米、花生功能叶的净光合速率和间作体系产量具有正协同效应.研究表明,CO2浓度升高可以通过提高间作玉米功能叶片的PEPC、PPDK、Rubisco、GAPDH和Ru5PK及间作花生功能叶片的Rubisco、GAPDH、Ru5PK和FBPase等光合碳同化酶活性,增强其对CO2羧化固定能力,提高间作玉米、间作花生的光合速率,最终显著增加玉米、花生及间作体系的产量,并且增施磷肥对其具有正调控效应.