間套作在沒有擴大土地面積的前提下提高了糧食產量，為解決世界人口的溫飽問題做出了重要貢獻。研究表明，間套作種植能夠有效提高資源利用率和糧食產量，增強農業系統的抗風險能力，增加水土保持能力，提高土壤肥力，同時能夠抑制病蟲草害的發生，是一種基于生物多樣性的生態農業范式。在當前全球環境變化加劇大背景下，間套作種植模式的研究越來越受到關注。在我國西南丘陵地區，玉米-大豆帶狀套作種植近年發展迅速，四川省自 2003 年開始推廣以來，種植面積已達 115.1萬公頃，農民增加收益 60.65 億元，顯著提高了區域糧食生產能力。

株高不同的作物搭配構成的間套復合群體中，高位作物對低位作物造成的遮蔭將會影響到低位作物的生長發育，進而影響到間套復合系統的生產力。國內外在高位作物對低位作物形態發育和生理特征影響方面已有相關報道，不同蔭蔽程度、不同作物間均存在較大差異。在玉米-大豆套作模式中，大豆播種于玉米行間，幼苗出土后便生長在玉米蔭蔽環境中直至玉米收獲，共生期約 60 天左右，玉米蔭蔽環境將會導致套作大豆光合有效輻射截獲減少，葉片結構發生變化，莖稈變細變長，這將可能伴隨著一系列生理生態特性的適應，卻尚未見相關報道。本文以耐陰性不同的大豆品種為研究對象，從光合生理生態的適應性角度探討大豆幼苗對玉米遮蔭環境的響應，旨在為大豆耐蔭品種選育提供理論依據，同時為玉米-大豆套作技術完善和應用推廣提供技術支持。

1、 材料與方法

1.1 研究地點概況

試驗于 2012 年在四川農業大學教學科研農場進行，研究區位于四川省雅安市雨城區\\(29°59′N，103°00′E\\)。該區域屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫 16.2 ℃，月最低氣溫 6.1 ℃，月最高氣溫 25.4 ℃，無霜期 280—310 d；降水資源豐富，年降雨量 1250—1750 mm；光資源相對不足，屬于全國太陽輻射較低的區域，年均日照時數僅 1005 h，太陽總輻射 3750 MJ/m2/y左右。試驗地土壤類型為紫色粘土類型，pH值約 7.5，有機質含量 29.8 g/kg，全氮 1.3 g/kg-1，全磷 0.5 g/kg，全鉀 26.2 g/kg，速效氮 176.9 mg/kg，速效磷 38.1 mg/kg，速效鉀 129.6 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用雙因素隨機區組設計，每小區面積 6 m×6 m＝36 m2，3 次重復，共 12 個處理小區。主因素為種植方式：大豆單作\\(M\\)和大豆-玉米套作\\(RI\\)；副因素為品種：南豆 12\\(ND12\\)和南冬抗 022-2\\(NDK\\)。在玉米-大豆套作種植模式中，帶寬 2 m，玉米品種選用川單 418\\(株型半緊湊、株高 269 cm\\)，由四川農業大學玉米研究所提供；大豆選擇 2 個耐蔭性存在差異的品種：南豆 12 和南冬抗 022-2，由四川省南充市農科院提供。玉米于 4 月初播種，采用南-北行向寬窄行種植方式，窄行行距為 40 cm，穴距 19 cm，每穴 1 苗，全田玉米密度為 5.25×104株/hm2；大豆于 6 月初在玉米吐絲期播種 2 行于玉米寬行內，行距為 40 cm，穴距 19 cm，每穴 2 苗，全田密度為 1.05×105株/hm2，大豆、玉米行間距離為 60 cm。大豆單作種植模式中，大豆播種期與套作模式相同，行距 50 cm，穴距 19 cm，每穴 1 苗，密度 1.05×105株/hm2，保證單株的生長空間與套作模式相同。試驗以每公頃純氮 36 kg、P2O563 kg、K2O 52.5 kg 做為大豆底肥施入，其他農藝措施管理同常規大田生產。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 大豆生長微氣候環境指標測定 選擇晴朗天氣\\(分別于大豆出苗后第 30 天、36 天和 43 天\\)從 6:00—18:00，每間隔 2 h，在大豆幼苗冠層上方\\(冠層上方10 cm處\\)利用光量子傳感器 LI-190 \\(LI-COR, Lincoln, USA\\) 進行入射光合有效輻射\\(PAR\\)日動態變化的測定\\(每小區選擇 6 個點\\)，同時利用 HOBO H8 溫、濕度數據采集器\\(Onset Computer Corp,Bourne, USA\\)進行溫度\\(TEMP\\)和相對濕度\\(RH\\)日變化的測定。

1.3.2 光合速率和葉綠素熒光參數測定 大豆出苗后第 30、36 和 43 天，從 9:00—11:00，每處理小區選擇 6 株大豆幼苗的功能葉\\(倒二葉\\)，利用 LI-6400 便攜式氣體交換測定系統 \\(Li-COR, Lincoln, USA\\)進行瞬時氣體交換參數的測定。測定時光照采用人工光源，光強控制在 1000 μmol m-2s-1，葉室內溫度為 24—28 ℃，相對濕度 65%—75%。在測定氣體交換參數的同時，利用 Mini-PAM 便攜式脈沖調制式葉綠素熒光儀\\(Mini-PAM, Heinz Walz, Effeltrich,Germany\\) 測定最大熒光 Fm和初始熒光 Fo，測定時將葉片充分的暗適應 30min，每一處理小區選擇有代表性的 6 株，測定其功能葉片\\(倒二葉\\)?？勺儫晒?Fv 和 PSⅡ最大光化學量子產量 Fv/Fm計算獲得：Fv= Fm–Fo；Fv/Fm= \\(Fm–F0\\)/ Fm。

1.3.3 葉片采集和葉綠素含量測定 大豆出苗后第 30、36 和 43 天，每處理小區選擇 12 株，取其功能葉\\(倒二葉\\)迅速放入液氮中，帶回實驗室儲存于–40 ℃的冰箱待測。進行測定時，取冷凍鮮樣 0.2 g 于 20 mL 95%的乙醇溶液中研磨進行萃取，萃取液用于葉綠素含量的分析，Chla、Chlb 和 Car 分析參考，Chls 和 Chla/b 則通過計算獲得。

1.3.4 葉面積指數、干物質積累和葉片 C、N 含量測定于大豆出苗后第 30、36 和 43 天，每處理小區選擇 12 株取樣，用蒸餾水清洗后，區分成根、莖和葉，用葉面積掃描儀掃描葉片，并采用圖像分析軟件 Scion Image 計算葉面積，葉面積指數根據種植密度和葉面積計算獲得。根、莖和葉于 105 ℃殺青，80 ℃烘干至恒重，然后用電子天平\\(BP221S, Germany\\)稱重，生物量和根冠比通過計算獲得。稱重后的部分葉片用小型高速粉碎機粉碎，過孔徑 0.246 mm 篩，用于全碳、全氮含量的測定。全碳含量采用 K2Cr2O7氧化還原滴定法，全氮含量采用凱氏定氮法，碳氮比\\(C/N\\)為全碳含量與全氮含量的比值。

1.4 統計分析

數據的統計分析應用 SPSS 軟件\\(version 15, SPSS, Chicago, IL, USA\\)進行。本研究中實驗數據用單因素方差分析\\(one-way ANOVA\\)檢驗處理間差異的顯著性，不同的字母表示差異顯著\\(P < 0.05\\)，相同字母表示差異不顯著\\(P > 0.05\\)。不同參數之間的相關性采用 Pearson 相關矩陣進行分析。

2、 結果和分析

2.1 玉米-大豆套作對大豆幼苗生長微環境的影響

隨全天時間變化，套作\\(RI\\)和單作\\(M\\)種植條件下光合有效輻射\\(PAR\\)和溫度\\(TEMP\\)均呈先增加后降低的趨勢，而濕度\\(RH\\)則表現為與 TEMP 變化相反的趨勢\\(圖 1\\)。6:00—18:00 時間內，RI 條件下 PAR 均顯著低于 M \\(P < 0.01\\)，平均下降程度達 52.5%；但 TEMP 和 RH 差異不顯著\\(P > 0.05\\) \\(圖 1\\)。這表明 RI 條件下的玉米遮蔭將改變大豆幼苗的生長環境，顯著降低了大豆幼苗生長發育所必須的可利用光資源。

2.2 玉米遮蔭對大豆幼苗葉片葉綠素含量的影響

玉米遮蔭能夠顯著提高大豆葉片 Chla、Chlb 和 Chls 的含量\\(圖 2\\)。與 M 相比，RI 條件下，Chla、Chlb和 Chls 均顯著升高\\(P < 0.05\\)，2 個大豆品種 ND12 和 NDK 的 Chla 分別升高了 22.1%和 18.1%，Chlb 則分別升高了 58.4%和 49.4%，Chls 分別升高了 29.3%和 24.4%。這表明，玉米遮蔭誘導了大豆幼苗葉片合成更多的 Chlb 來吸收更多的散射光，提高光的吸收率。而 Chla/b 和 Car 則表現為 RI 低于 M，且差異顯著\\(P< 0.05\\)。2 個大豆品種在 3 次測定時均表現一致，但品種間無顯著差異\\(圖 2\\)。

2.3 玉米遮蔭對大豆幼苗葉片 C、N 的影響

玉米遮蔭顯著提高了大豆幼苗葉片全氮\\(TON\\)含量\\(P < 0.05\\)\\(圖 3A\\)，這表明，玉米遮蔭條件下，大豆幼苗將通過增加葉片氮含量來補償因光照不足引起的光合速率下降。RI 條件下，葉片全碳\\(TOC\\)含量和碳氮比\\(C/N\\)均顯著低于 M\\(P < 0.05\\)\\(圖 3B,C\\)，南冬抗 022-2\\(NDK\\)品種葉片 TOC 的下降程度更大\\(11.1%\\)，顯著高于南豆 12\\(ND12\\)\\(3.8%\\)\\(P < 0.05\\)。

2.4 玉米遮蔭對大豆幼苗氣體交換和葉綠素熒光參數的影響

套作環境下，大豆幼苗葉片凈光合速率\\(Pn\\)、氣孔導度\\(Gs\\)和蒸騰速率\\(Tr\\)受玉米遮蔭的影響，均顯著低于單作\\(P < 0.05\\)\\(圖 4A,B,D\\)，平均下降程度分別為 37.9%、54.2%和 42.4%，品種間無顯著差異\\(P > 0.05\\)，且3次測定時表現一致，玉米遮蔭所導致的Pn的下降程度與Gs和TOC的下降程度呈極顯著的正相關關系，相關系數分別為 0.654 和 0.764\\(表 1\\)。而胞間二氧化碳濃度\\(Ci\\) \\(圖 4 C\\)和 PSII 光化學效率\\(Fv/Fm\\) \\(圖 4E\\)在凈作和套作條件下，2 品種在 3 次測定時均未表現出顯著差異\\(P > 0.05\\)。

2.5 玉米遮蔭對大豆幼苗葉面積指數的影響

由圖 5 可以看出，M 件下，2 大豆品種幼苗的葉面積指數\\(LAI\\)無顯著差異，玉米遮蔭顯著降低大豆幼苗的 LAI，降低程度平均高達 57.1%。套作環境中 NDK 幼苗的 LAI，3 次測定值分別為 0.11、0.28 和 0.47，顯著低于 ND12\\(0.17、0.37 和 0.58\\)和單作條件下的 LAI\\(0.29、0.91 和 1.19\\)，表明 ND12 的耐蔭性優于 NDK。

2.6 玉米遮蔭對大豆幼苗干物質積累與分配的影響

由圖 6 A 可以看出，RI 環境中，玉米遮蔭顯著降低了大豆幼苗的莖稈干重\\(SDM\\)\\(P < 0.05\\)，且 NDK的降低程度\\(69%\\)顯著高于 ND12\\(59%\\)。不同種植模式下，不同大豆品種的葉片干重\\(LDM\\)、根系干重\\(RDM\\)和總生物量\\(BIOMASS\\)存在顯著的差異，具體表現為：M-NDK > M-ND12 > RI-ND12 > RI-NDK，玉米遮蔭導致的 LDM、RDM 和 BIOMASS 的下降程度，NDK\\(78.5%、81.9%\\和 75.3%\\)顯著高于 ND12\\(66.2%、71.3%和 64.1%\\)\\(P < 0.05\\)\\(圖 6 B,C,D\\)，表明 ND12 的耐蔭性優于 NDK。玉米遮蔭所導致的 BIOMASS 下降程度與 LAI、SDM、LDM、RDM 的下降程度和 Chls 含量的變化程度存在極顯著的正相關關系\\(表 1\\)，而與 Pn不存在顯著的相關關系。玉米遮蔭還顯著降低了大豆幼苗的根冠比\\(Root/Shoot\\)\\(P < 0.05\\)，但品種間差異不顯著\\(圖 6 E\\)。

3、 討論

間套作作為一種基于生物多樣性的可持續農業發展模式，具有多種重要的生態服務功能。然而高位作物\\(玉米\\)的遮蔭將會改變低位作物\\(大豆\\)的微生長環境，進而影響到系統的生產力，因此理解低位作物對系統微環境變化的適應機理，實現共生作物和諧發展和雙高產是間套作模式推廣和發展的關鍵。本研究發現，在玉米-大豆套作模式中，玉米遮蔭降低了抵達大豆冠層的光合有效輻射\\(PAR\\)，下降程度高達52.5%\\(圖 1 A\\)，這將引起大豆幼苗 Pn下調，同時 Gs和 Tr下降\\(圖 4\\)，與前人的研究結果一致。光合作用是物質代謝和能量轉化的最初源泉，受植物自身生理特性和環境的共同影響。光環境對植物的直接作用就是光合作用，而關于蔭蔽引起光合速率下降的原因國內外研究者存在一定的爭議，有研究認為是氣孔限制引起。也有研究認為是非氣孔限制引起，主要是包括葉片葉綠素和可溶性蛋白含量降低導致捕獲光合電子的能力下降，PSII 損傷導致電子傳輸能力降低或葉綠體的結構、數目和功能下降所引起。還有研究認為是氣孔限制和非氣孔限制共同作用的結果引起。本研究發現套作條件下，Pn的下降程度與 Gs的下降存在顯著的相關關系\\(表 1\\)，這表明玉米遮蔭引發的大豆幼苗葉片氣孔導度降低可能是引起光合速率下降的一個原因。另外，與單作相比，套作條件下大豆幼苗葉片 Ci和 Fv/Fm 無顯著的差異\\(圖4\\)，這意味著玉米遮蔭并未造成 PSII 受到損傷，Pn的下降可能由 CO2同化過程中的能量不足引起，而與光反應過程無關。因此，RI 環境中的玉米遮蔭導致的 Pn降低可能是由氣孔限制和 CO2同化過程中的能量不足共同引起，對于其具體的影響過程還有待于更深入的研究。

外界環境發生變化時，植物將會改變自身形態、結構和生理生化特性來適應環境，以便維持最佳的生長發育水平。弱光環境中，植物葉片將會調整自身結構和生理特征來吸收利用更多的光來維持生長發育，如葉片變薄、葉面積變大、光合色素含量增加、葉片 N 含量升高等。本研究中套作蔭蔽環境會引起大豆幼苗葉片 Chla、Chlb、Chls\\(圖 2\\)和 TON 含量\\(圖 3\\)升高來吸收更多的散射光提高光能的捕獲能力。然而，葉片 TOC 含量、LAI 和 LDM 的降低則使套作環境下大豆幼苗 Chlb 和 TON 含量升高所引起的光能捕獲能力增強并不能補償玉米遮蔭所導致的光截獲面積降低而引起的光截獲量下降。玉米遮蔭引起的葉片 TOC 含量的下降程度與 Pn的下降程度存在極顯著的相關關系\\(表 1\\) ，說明 TOC 含量的下降可能主要是由玉米遮蔭導致的大豆幼苗 Pn降低所引起。而 LAI 和 LDM 的下降可能主要是由弱光環境下大豆幼苗葉片形成的數量較低所引起。有研究表明，葉面積指數和葉片干物質重的變化是評價弱光環境中植物光敏感性的重要指標，本研究也發現，套作環境中光敏感型大豆品種 NDK 的 LAI 和 LDM 顯著的低于耐蔭大豆品種 ND12，因此，大豆葉片 LAI 和 LDM 可作為判斷套作環境下大豆光敏感性差異的表觀特征。

干物質積累是植物同化和固定 CO2能力的最直接表現，而弱光引起的植物干物質積累量變化的差異是直接反應物種間光敏感性的重要指標。套作蔭蔽環境中，光敏感型大豆品種 NDK 的 SDM、RDM 和BIOMASS 下降程度顯著高于耐蔭性品種 ND12 \\(圖 6\\)，表明 NDK 的生長發育和 CO2固定能力受蔭蔽脅迫程度更大，ND12 更適合應用于玉米-大豆套作模式。有研究表明，作物 95%以上的干物質來源于光合同化物，光合速率和光吸收面積是決定干物質形成的兩個最重要方面。本研究發現，套作環境中大豆干物質積累下降可能主要是由 LAI 下降導致的 LDM、SDM 和 RDM 降低所引起\\(表 1\\)， NDK 在套作環境下較低的葉面積指數可能是導致其生物量下降程度較大的主要原因。此外，玉米遮蔭導致的大豆幼苗根冠比\\(Root/Shoot\\)下降\\(圖 6 E\\)則可能意味著套作環境中碳同化物更多的被分配到地上部來最大程度地獲取光照資源。

4、 結論

玉米-大豆套作模式中高位作物\\(玉米\\)遮蔭會引起低位作物\\(大豆\\)幼苗光合作用顯著下降，具體表現為：葉片 Pn、Gs、Tr、LAI、TOC、SDM、LDM、RDM 和 BIOMASS 顯著下降；而與光吸收相關的葉片光合色素 Chla、Chlb、Chls 以及 TON 含量卻顯著上升。光合速率 Pn的下調主要是由氣孔限制和 CO2同化過程中的能量不足共同引起，而干物質積累的降低則主要是由 LAI 降低所引起。LAI、SDM、LDM、RDM 和BIOMASS 可作為生產和育種方面評價大豆品種耐蔭性差異的良好指標。耐蔭性品種 ND12 更適合應用于西南地區玉米-大豆套作模式中，深入研究其遺傳和生理生化特性對選育更適合于玉米-大豆套作模式的大豆品種具有重要的意義。

致謝：感謝匿名審稿專家提出的寶貴修改意見；感謝許宏博士對文章撰寫的幫助。