《Legume Science》：The Efficiency of Maize and Common Bean Intercropping Using Economic, Competitive, and Biological Indices for a Sustainable Production
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本文系统评估了玉米-菜豆间作体系在不同配比和根瘤菌接种条件下的综合效益。研究通过36项指标证实，25%玉米+75%菜豆（M25B75）配比结合根瘤菌接种可实现最优土地当量比（LER>1）和货币优势指数（MAI），揭示了豆科-禾本科作物通过生态位互补（C4-C3）和微生物互作（Rhizobium phaseoli）协同提升系统生产力的机制。该研究为减少氮肥依赖、推动可持续农业提供了重要理论与实践依据。
1 引言
过去一个世纪以来，农业发展对地球生态系统产生了负面影响，这主要源于技术进步和化学投入物的使用。在发展中国家，人口快速增长超过粮食生产，加剧了粮食不安全并导致环境退化。在此背景下，追求可持续农业不仅可取而且至关重要。可持续发展战略旨在建立符合环境、经济和社会优先事项的生产系统，同时强调资源保护。
在各种可持续农业系统中，间作系统具有重要意义。间作是指在同一块土地上一年内混合种植两种或两种以上作物，其中一种作物与另一种作物在大部分生育期共同生长，是增加作物多样性的最佳方式之一。间作的一些相对优势包括更大的产量稳定性、更高的效率、土地和劳动力的优化利用、杂草控制方面的更好竞争力、由于豆科成分固氮增加而改善土壤肥力，以及更有效地利用光、水、土壤养分等环境因素。
氮（N）是单作和间作系统中作物生长和生产最关键的营养元素。供应氮的一种方法是使用化学肥料，但过量施用会导致环境危害和生产成本增加，这与可持续农业相悖。因此，营养管理下提高土壤氮含量以生产健康且具有成本效益的作物的另一种方法是利用能够生物固氮的细菌，如共生根瘤菌和非共生细菌。在豆科植物如菜豆、蚕豆、大豆和豌豆中，宿主植物根部的共生根瘤菌可以固定大气中的氮并将其供应给植物。在玉米-菜豆间作中，这两种植物根系交织，从而改善根际环境以增强固氮、养分吸收和共享利用。豆类根瘤提供的氮在长期内有益于玉米，因为玉米需要大量这种元素用于其生长。对玉米根瘤菌种群的研究表明，菜豆根瘤菌Ch24-10菌株常见于玉米中。此外，通常在大豆上形成固氮根瘤的埃特里根瘤菌菌株是玉米的天然内生菌。研究表明，包括菜豆根瘤菌、美洲中华根瘤菌、巴西固氮螺菌、解淀粉芽孢杆菌和扭脱甲基杆菌在内的多物种接种对玉米有积极影响。与未接种的植物相比，接种根瘤菌菌株的玉米在株高、根长和地上部干重方面表现出显著增加。
为了评估间作系统与单作相比的性能，已经开发了各种间作指数。科学文献中记录了超过20种间作指数。例如，土地当量比（LER）、土地当量系数（LEC）、面积时间当量比（ATER）、土地利用率（LUE）、系统生产力指数（SPI）和产量差异百分比（PYD）等指数已被引入用于评估间作的生物学方面。在经济上，间作系统使用收入当量比（IER）、货币优势指数（MAI）、相对价值总量（RVT）、间作替代价值（RVI）、相对净收益指数（RNRI）和主作物当量产量进行评估。此外，相对拥挤系数（K）、侵略性（A）、竞争比（CR）、间作优势（IA）和实际产量损失（AYL）是文献综述中重要的竞争指数。有学者认为，不同的指数评估间作试验的不同方面，常用的指数通常无法捕捉系统的全部性能。
玉米-菜豆间作提供了一种有前景的方法，可以在减少对氮肥依赖的同时提高生产力，从而促进可持续农业。通过利用生物固氮和合适的指数评估间作系统，可以优化土地利用、提高土壤肥力并确保作物长期稳定性。然而，探索间作指数之间关系的研究有限。因此，本研究考察了不同玉米-菜豆间作配比以及根瘤菌接种如何影响相对于单作系统的生产力、资源效率和经济性能。然后通过主成分分析和相关性分析的双标图检查了这些指数之间的关系。我们假设25%玉米+75%菜豆（M25B75）间作配比将通过最佳的C4-C3生态位互补实现优异的生物效率（LER > 1）和经济回报，菜豆根瘤菌接种将通过改善菜豆固氮和向玉米的转移进一步增强系统生产力，而竞争指数将揭示M25B75中种间促进作用大于竞争，这是由于根系结构差异和时间资源分配。本研究揭示了根瘤菌接种如何协同增强玉米-菜豆间作中的促进作用，超越了传统以竞争为重点的方法。
2 材料与方法
2.1 试验设计
本研究在伊朗吉兰省Talesh进行，地点位于东经48°38′32"，北纬37°50′20"，海拔1460米。图1显示了植物生长期间的温度和降水。在试验前，从0-30厘米深度采集土壤样品分析其物理化学性质，结果见表1。
田间试验采用基于完全随机区组设计的裂区布置，三个重复，持续两个作物年度（2022年和2023年）。主区用于菜豆根瘤菌接种，设两个水平（接种和不接种）；副区用于玉米-菜豆间作配比，设五个水平：100%玉米、100%菜豆、75%玉米+25%菜豆（M75B25）、50%玉米+50%菜豆（M50B50）和25%玉米+75%菜豆（M25B75）。使用单交301玉米品种和吉兰红豆地方品种。图S1展示了间作设计。
为准备种植床，早春进行深耕，随后在试验前进行耙地和土地平整。每个区组包含10个小区，间距2米。种植行距50厘米，玉米株距40厘米，菜豆株距20厘米。这导致玉米种植密度为50,000株/公顷，菜豆为100,000株/公顷。4月份，将50公斤/公顷尿素（46%氮）和70公斤/公顷磷（以重过磷酸钙形式）用圆盘耙混入土壤。剩余一半尿素肥料（50公斤/公顷）在玉米7-8叶期作为追肥施用。在两个试验年度，玉米和菜豆种子于5月21日同时播种。菜豆在8月中旬收获，玉米在9月初收获。种子用含有107个细菌细胞/克的菜豆根瘤菌菌剂接种。种子先用阿拉伯树胶包衣，然后每公斤种子添加10克菌剂。半小时后，接种种子在阴凉处干燥后播种。在不同生长阶段从中间行记录性状以最小化边际效应。
为测量菜豆性状，从每个小区随机选择10株植物，记录株高和荚果数。还测量了每荚种子数、种子长度和宽度。这些性状的平均值用于分析。完全成熟时，每个小区收获1平方米植株，用于计算籽粒产量和生物产量（公斤/公顷）。从收获的成熟种子中，用精度0.01克的天平称重10个100粒种子样品，计算平均百粒重。收获指数通过种子产量除以生物产量确定。对于玉米，在成熟期从每个小区随机选择10株植物，测量株高、每株穗数、穗长、每穗行数和每穗粒数等性状并取平均值。成熟时，从每个小区收获1平方米玉米植株，测量籽粒产量和百粒重。此外，样品在48°C烘箱中干燥72小时后，测量其生物产量和收获指数。
2.2 间作系统性能评估
研究采用各种指数评估玉米-菜豆间作系统的生物、竞争和经济效率，以及组分作物之间的竞争强度。表2显示了计算这些指数的公式。关于指数的补充说明见附件文件。
间作系统的生物效率使用诸如LER、第一和第二种类的产量份额或相对产量（RYm和RYb）、LEC、ATER、SPI、PYD、净效应（NE）和LUE等指数进行评估。经济效率通过菜豆当量产量（BEY）和玉米当量产量（MEY）、IER、MAI、玉米相对价值总量（RVTm）和菜豆相对价值总量（RVTb）以及间作优势（IA）进行评估。用于评估两个物种之间竞争的指数包括相对拥挤系数（RCC）、侵略性（A）、竞争比（CR）、实际产量损失（AYL）、AYLm、AYLb和竞争指数（CI）。
所有指数的计算均使用R软件中的intercropping.pe包进行。除了使用上述指数评估间作系统中两个组分物种的有效性外，还利用相关性分析的热图以及主成分分析第一和第二主成分的双标图，研究了接种和不接种条件下玉米和菜豆性状与间作效率指数之间的关系。这些分析使用R软件中的intercropping.pe和GGEBiplotGUI包进行。
3 结果与讨论
3.1 玉米-菜豆间作系统的生物效率
通过降低间作系统中玉米的比例，两年中菜豆的部分LER显著增加。该指数的最高值分别为0.86和0.84，在2022年和2023年从M25B75间作系统中获得。相反，增加玉米比例提高了该作物的部分LER，在这两年中分别达到0.79和0.80。总LER随着菜豆份额的增加而增加。其最高值在两年中均为1.13，从M25B75中获得。LEC、ATER、LUE、SPI和PYD等指数受菜豆-玉米间作的显著影响，并随生长季节变化（表3）。
记录的LEC指数最高值为0.28，出现在M50B50。ATER在2022年和2023年的最高值分别为0.999和1.005。LUE、SPI和PYD指数在间作系统中菜豆比例较高时更大。与2022年相比，2023年许多指数升高，尽管有些指数在2022年更高，表明间作系统在两年中的反应不同。25/75玉米/菜豆配比的LUE值在两个作物年度分别为161.49和161.76，是所有种植配比中的最高值。2022年，玉米和菜豆的SPI最高值分别为626.708和251.473克/平方米。2023年，这些值分别上升至632.897和258.091克/平方米，表明2023年相比2022年有所改善（表3）。两年中，菜豆的相对产量（RYb）在M50B50中分别为0.52和0.53，高于该植物物种在间作系统中的份额。由于当农民寻求混合组分中某一物种更高产量时使用组分的相对产量，预计M50B50间作配比将产生超过预期的产量。这从菜豆的观察产量和预期产量（EYb）的比较中显而易见。菜豆在M50B50中的预期产量在第一年和第二年分别为111.42和114.42克/平方米，但从间作系统中获得的实际产量分别为122.00和126.83克/平方米。
3.2 间作系统的经济效率
所有间作处理的IER值均大于1，表明间作相对于单作具有经济效益。两年中，在M75B25和M50B50中，玉米的部分IER高于菜豆。然而，在M25B75中，菜豆的部分IER超过了玉米。与另外两个间作系统相比，M50B50的总IER在两年中都是最高的。此外，菜豆的部分IER随着它们在间作系统中份额的增加而增加。玉米并未呈现这种趋势，其在M50B50中表现出最高的IER。两年中，M75B25产生了最高的MEY和BEY指数。因此，玉米的当量产量指数随着其在间作系统中份额的增加而增加，而菜豆的当量产量随着其份额的增加而减少。M25B25记录的MAI（第一年和第二年分别为46.10和47.77）高于两年中其他两个系统。玉米的RVT随着其在间作系统中份额的减少而下降，而菜豆的RVT随着其份额的增加而下降。菜豆的最高RVT在M75B25中观察到。两年中最大的间作优势（IA）在M25B75中观察到，使其比其他两个间作系统更具优势。然而，由于没有系统显示负盈利能力，无法确定间作的无利可图性（表4）。正的IA值表明这些模式相对于单作具有经济优势，这可能是由于间作组分改善了光、水、养分等可用资源的利用。
3.3 间作系统中的竞争指数
两年中，仅在M75B25间作系统中，玉米的相对拥挤系数（Km）高于菜豆（Kb）。在其他两个间作系统中，RCC对菜豆大于玉米（表5）。然而，两年中观察到的总RCC最高值在M25B75中。2022年，侵略性指数对玉米（Am）为负，对菜豆（Ab）为正，出现在M25B75和M50B50间作系统中。2023年，对玉米为正出现在M75B25和M25B75，对菜豆为正出现在M50B50。竞争比（CR）的结果与K指数相似（表5）。2022年，菜豆的竞争力（CRb）随着其在间作系统中份额的增加而提高。然而，在第二年，CR指数对菜豆在M50B50中更高，而对玉米在其他两个间作配比中更高。这表明菜豆在第一年比玉米更具竞争力，但在第二年，它们仅在M50B50中更具竞争力，而玉米在其他两个间作系统中更具竞争力。
3.4 双标图与相关性分析
3.4.1 玉米性状
玉米性状的第一和第二主成分分别占总方差的46.93%和20.21%（图2）。相关性分析的热图（图S2）和主成分分析的双标图（图2A）揭示了玉米籽粒产量与生物产量之间呈正相关且关系强。它们还表明每穗行数（NRE）、穗长（EL）、每株穗数（NEP）和百粒重（HGW）之间存在高度相关性（图2A）。
根据双标图的多边形视图，玉米收获指数、株高、NRE、EL、NEP和HGW的最高值来自细菌接种条件下的M25B75间作系统。在细菌接种的另外两个间作配比下，每株叶片数超过其他性状。籽粒产量和生物产量在单作中大于其他种植系统（图2A）。
平均测试轴（ATA）视图中的小圆圈代表“平均性状”的位置，由双标图中包含的所有性状的坐标确定。带有单箭头的线穿过双标图原点，称为平均测试轴（ATA），指向所有性状上处理组合的较高平均值。双标图的这个视图根据其性状指示处理组合的优劣排名。ATA用于根据处理组合的整体优越性或有用性对其进行排序。同样穿过双标图原点的线与ATA垂直。这条双箭头线有效地将优于平均水平的处理组合（位于其右侧，与ATA箭头同侧）与差于平均水平的处理组合（位于左侧）分开。双箭头线还有助于确定处理组合是否具有全面或平衡的性状谱，或者表现出明显的优势和/或劣势。靠近ATA定位的处理组合（即向双箭头线的投影短）往往具有平衡的性状谱，而那些在任一方向上远离ATA定位的处理组合往往表现出明显的优势和/或劣势。双标图的这个视图表明，基于所有包含性状的最佳排名处理组合如下：接种和M25B75 > 接种和M50B50 > 接种和M75B25 > 不接种和M25B75 > 接种和玉米单作 > 不接种和M75B25 > 不接种和M50B50 > 不接种和玉米单作。
总体而言，基于均值与稳定性或平均测试器（ATA）视图的处理组合排名表明，两种物种的M25B75组合，其次是细菌接种条件下的M75B25和M50B50，以及不接种条件下的M25B75，导致玉米研究性状的最高表达。由于带箭头的小圆圈代表一个理想性状，它估计了所有研究性状但不是实际性状，这些处理的应用导致了研究性状的最高表达。这些发现表明，由理想性状（带箭头的圆圈）象征的性状总体谱在细菌接种条件下显著优于不接种条件。在种植配比中，M25B75是在接种和不接种条件下增强玉米性状的最有效系统。这表明间作系统中豆科成分比例较高以及细菌接种对玉米研究性状的积极影响。
3.4.2 菜豆性状
菜豆性状相关性分析的热图揭示了株高、每株荚果数、每荚种子数、荚长、种子长度和宽度以及百粒重之间呈正相关。此外，种子产量与株高、每株荚果数、每荚种子数和荚长呈正相关（图S3）。主成分分析的双标图证实了这些发现。第一和第二主成分分别占性状总方差的50.67%和24.22%（图3A）。双标图的多边形视图表明，株高、每株荚果数、每荚种子数、荚长以及种子长度和宽度的最高值在细菌接种的M25B75间作系统中实现。最高的千粒重与细菌接种的M75B25和M50B50间作系统相关。最高的种子产量和生物产量记录在细菌接种的菜豆单作中。最高的收获指数与不接种细菌的M75B25相关（图3A）。
双标图的ATC视图表明，菜豆的最佳结果与M25B75相关，其次是菜豆单作、M75B25和M50B50种植系统，所有这些都在细菌接种下。相反，不接种条件下的间作系统产生的性状值最低（图3B）。从这个双标图视角看，基于所有性状的顶级处理组合包括：接种和M25B75 > 接种和菜豆单作 ≈ 接种和M50B50 > 接种和M75B25 > 不接种和M25B75 ≈ 不接种和M50B50 > 不接种和M75B25 ≈ 不接种和菜豆单作。
3.4.3 间作效率指数
来自相关性分析的热图（图S4）和间作效率指数双标图的相关性视图（图4A）表明，玉米产量与LERm、EYm、ATER、CRm、Km、CI、RVTm、RVTb和EYb呈正相关。相反，菜豆产量与LERb、LER、EYb、SPIm、SPIb、CRb、Kb、RCC、Ab、AYLm、AYLB、AYL、NE、AI和MAI呈正相关。间作研究中的关键指标LER指数与EYb、SPIm、SPIb、ATER、Km、Kb、RCC、AYLm、AYLb、AYL、NE、AI、EYm和MAI呈正相关。关键竞争指标RCC指数也与LERb、LER、EYb、SPIm、SPIb、ATER、Km、Kb、AYLm、AYLb、AYL、NE、AI、EYm和MAI呈正相关。类似地，常用财务指标MAI与LERb、LER、EYb、SPIm、SPIb、ATER、Km、Kb、AYLm、AYLb、AYL、NE、AI和EYm呈正相关。主成分分析显示，第一和第二主成分分别占间作效率指数总方差的55.94%和31.46%。双标图的相关性视图说明了以下组之间的强正相关：Ab和CRb；LERb、EYb、Mb（平均菜豆产量）和AYLb；Kb、AYL、RCC、SPIm、SPIb、LER、AI和MAI；AYL和NE；EYm、Mm（平均玉米产量）、LERm和EYm；以及RVTb、RVTm、CRm和Am。CI指数与任何指数都不相关。此外，ATER和Km指数仅与某些指数呈现部分正相关。这些相关性结果表明，在预期产生相似结果的正相关指数中，可以仅使用少数几个来评估间作效率，以避免重复（图4A）。这里看到的正相关大多在数学上是不可避免的，这是使用主成分分析（PCA）来确定哪些因素在决定作物产量方面最重要而非相关性分析的一个很好的理由。
平均测试器视图提供了一个基于所有指数总体结果的理想指数，其排名如下：接种和M25B75 > 不接种和M75B25 ≈ 接种和M75B25 > 接种和M50B50 > 不接种和M25B75 > 不接种和M50B50。这一发现表明，细菌接种条件下的M25B75是最佳处理组合，强调了细菌接种和间作中较高菜豆比例的优势。相反，在不接种条件下，M75B25被证明是最有效的，表明在这些情况下玉米份额较高会导致更高的效率（图4B）。
4 讨论
在两种植物物种（玉米和菜豆）中，单作的籽粒产量均高于间作，这可归因于相互作用竞争最小化以及每个物种在单作中密度较高。然而，当考虑间作系统的总产量并基于盈利指数时，将菜豆融入玉米种植系统及反之，导致总体产量高于单作。从各种玉米和菜豆间作系统获得的增加的经济产量表明了间作的盈利性，这可归因于两种组分之间资源利用的时空差异产生的生态位互补。生态位互补主要源于组分植物对比鲜明的根系结构，影响它们获取养分和水分的方式。通过将其通常直而深的根延伸到玉米根下方，豆科植物可以开发不同土壤区域的养分，从而为玉米通过其浅根吸收保存表层养分。菜豆的深根也可以起到水力提升的作用，向上层土壤和玉米根供应水分。间作收入的增加，如RVTm、RVTb、MEY和BEY等经济指数所证明的（表4），可归因于两种植物物种之间的物候学差异。季节早期，菜豆由于其更快的生长而利用更多资源，而在季节后期，菜豆成熟和收获期间，玉米利用剩余的土壤水分、菜豆残留物矿化的养分以及土壤中固定的氮，导致间作系统中的最佳产量。这种优势在接种菜豆根瘤菌的处理中尤为显著（图2-图4）。在玉米和蚕豆间作中也报道了类似的发现。所有间作系统中菜豆RVT值超过统一，表明玉米和菜豆间作的经济可行性。
间作系统中大于1的LER值意味着整合这两种植物物种增强了组分作物的生长和产量，表明种间促进作用大于种间竞争。因此，间作在土地利用方面更有效。M75B25和M50B25中较低的LER值表明较高的玉米密度抑制了间作菜豆。M25B75间作系统较高的LER可归因于玉米的最佳生长空间，增加了光能利用。大多数间作系统中玉米较高的部分LER值表明，与菜豆相比，玉米更深的根系使其能够获取更大的土壤体积以吸收养分和水分，使土壤利用比单作系统更有效。第二年M75B25中ATER值大于1证明了间作在特定生长季节利用作物面积的效率。如果间作中混合物种的土地占用时间不同，ATER比LER提供更好的评估。该指数避免了与LER相比高估资源生产率。在本研究中，所有ATER值均低于LER值。与ATER相比LER的增加表明间作组分高估了资源生产率。基于上述指数的混合种植优越性可归因于增加的光拦截和水分、养分的优化利用，导致比单作更高的作物产量。
RCC的值表明间作中种间竞争低于单作中的种内竞争。我们的结果显示，在两个试验年度，玉米仅在M75B25种植系统中表现出比菜豆更高的K值，表明其相对于菜豆的优势。然而，随着间作中菜豆比例的增加，菜豆的K值超过了玉米，证明了在其他两个间作配比中菜豆相对于玉米的优势。RCC系数是Km和Kb的乘积，在所有间作配
