行配置如何影响玉米/花生条带间作系统的生产力？一项模拟研究

《Agricultural and Forest Meteorology》：How does row configuration affect the productivity in maize/peanut strip intercropping? A simulation study

本研究改进APSIM模型模拟玉米/花生间作系统，验证模型在生育期（玉米误差1.89天，花生3.42天）、产量（玉米nRMSE20.5%，花生27.4%）和干物质积累上的准确性。分析60年（1960-2019）覆县气候变化下不同行配置（M2P6最优）对产量稳定性（CV<10%）和土地等效比（干年1.04）的影响，发现间作系统在干旱年份通过资源竞争互补显著提升产量稳定性，较单作降低年际波动达19.3%。

　　

王若楠|孙展翔|张月|苏志成|张哲|段柳生|查天山|聂家仪|孙天冉|张金宇|张丽珍

中国农业大学资源与环境科学学院农业气象系，北京100193

摘要

条带间作系统的产量优势源于不同作物通过空间生态位分化所带来的协同效应。本研究采用改进后的农业生产系统模拟器（APSIM）来探讨气候变化条件下玉米/花生间作的最佳系统设计。该模型能够有效模拟单作及间作模式下玉米和花生的生长情况。玉米生长期的均方根误差（RMSE）为1.89天，产量和生物量的归一化RMSE分别为20.5%和19.3%；花生的生长期RMSE为3.42天，产量和生物量的归一化RMSE分别为27.4%和26.2%。模拟结果显示，间作系统的产量与土地利用比例存在显著相关性。我们分析了1960年至2019年间，在气候变暖和干燥趋势下，不同行配置下的间作作物产量、产量稳定性及土地当量比（LER）。60年间，单作玉米和花生的产量显著下降，而间作玉米和花生的产量则保持稳定，且变异系数较低，表明间作有助于稳定产量并降低气候风险。各间作处理的平均LER接近1，但在干旱年份平均值为1.04，说明在水分受限条件下间作具有产量优势。例如，窄行玉米与宽行花生间作（如M2P6配置，即2行玉米与6行花生间作）能够放大玉米的产量优势并减少花生的劣势，从而提高生产力并减少年际间产量波动。本研究强调了行配置在条带间作中的重要性，并为未来的玉米/花生间作模拟研究奠定了基础。研究结果对于间作系统的优化设计具有实用价值。

引言

间作是指在同一块土地上同时种植两种或多种作物，这种种植方式可以在整个或部分生长季节内实施，已被证明能够提高土地利用效率（Vandermeer, 1989; Willey and Rao, 1980）。其他研究也证实了间作在提高产量和资源利用方面的优势（Feng et al., 2021; Xu et al., 2020）。异质性作物系统的形成有助于优化地上部的光热捕获和地下部的水分/养分分配，从而提高资源利用效率（Li et al., 2013）。与单作相比，间作系统不仅产量更高，而且产量稳定性更强（Lv et al., 2025）。这可能归因于间作能够改善土壤结构和有机质含量，尤其是在豆科作物与谷物作物组合中（Li et al., 2021b）。

合理的配置能够最大化间作的效益。作物组合（Qian et al., 2018）、行配置（Zhang et al., 2007）、作物比例（Wang et al., 2021a）、行间距（Liu et al., 2018）及种植密度（Wang et al., 2021b）等因素都会影响作物的光照、水分和养分利用情况，进而影响作物的生长表现及物种间的相互作用，从而影响间作系统的生产力。寻找最佳间作配置需要大量的实验验证，同时还需评估其在变化环境和不确定性条件下的长期有效性。因此，作物模拟建模已成为评估作物、土壤与气候之间动态相互作用的重要工具，也可用于量化作物生长、发育和产量形成过程。此外，该技术还广泛应用于气候变化影响评估、灾害预警和农业决策等方面（Whitbread et al., 2010）。通过设置不同情景，作物模型可以深入研究复杂的作物间关系，为田间试验提供有力补充。

然而，模拟间作系统面临诸多挑战，包括复杂的作物组成、多变的结构、强烈的冠层异质性，以及作物间的竞争与互补关系。农业生产系统模拟器（APSIM）虽然能够成功模拟连续种植和轮作系统（Turpin et al., 1998），但其当前版本在模拟间作时假设作物冠层均匀分布，难以准确反映条带间作中显著的冠层异质性（Kn?rzer et al., 2011）。

近期研究指出，提高模拟精度需重点关注条带间作系统中各组分的养分分布和利用情况（Li et al., 2021a; Wang et al., 2021c; Wu et al., 2021）。为此，张等人（Zhang et al., 2022b）将条带光截获模型整合到经典APSIM中，形成了APSIM-strip版本。该模型通过改进光截获计算算法来考虑空间条带结构（Pronk et al., 2004）。APSIM-strip已用于模拟玉米/大豆条带间作（Zhang et al., 2022b）和接力条带间作（Wu et al., 2021）的生长和产量。鉴于玉米/花生间作因其资源利用互补性和经济可行性而广泛采用，这种配置在模型研究中值得特别关注，以指导农业生产实践。

本研究采用APSIM-strip模型模拟玉米/花生条带间作的作物表现，具体目标包括：（1）校准和验证APSIM-strip模型在玉米/花生条带间作中的应用；（2）量化行配置与间作系统产量之间的关系；（3）探讨间作系统在水分受限条件下的长期产量趋势，以评估其能否在气候变化背景下提高作物产量和稳定性。

数据集

APSIM模型所需的数据主要包括用于模型校准和验证的田间实验数据、作为输入天气数据的每日气象要素，以及作物、土壤和管理参数。

模型性能

模拟得到的作物生长、产量和地上干物质结果与观测数据吻合良好（图1和表3）。从播种到成熟的天数对应的均方根误差（RMSE）分别为玉米1.29天、花生1.63天。玉米产量的归一化RMSE为20.5%，地上干物质的归一化RMSE为19.3%；花生的相应数值分别为27.4%和26.2%。

产量与土地利用比例的关系

平均模拟结果显示……

主要研究结果

本研究评估了APSIM-strip模型在模拟玉米/花生条带间作方面的适用性。该模型能够准确模拟研究地点玉米单作、花生单作及玉米/花生间作系统的生长周期、地上生物量和产量（图1），并能够反映行配置与作物产量之间的关系（图2）。间作配置对作物生产力有显著影响（图3），其中窄行玉米间作……

结论

本研究利用改进的作物模型，模拟了全球气候变化背景下玉米/花生条带间作的生产力。间作系统的生产力受行配置的影响，主要体现在作物间竞争强度的变化。当两种作物的比例在20%到80%之间时，M2P6配置（即2行玉米与6行花生间作）……

CRediT作者贡献声明

王若楠：撰写初稿、数据可视化、模型验证、研究设计。孙展翔：资源协调、研究实施、概念框架构建。张月：模型验证、软件开发。苏志成：资源管理、项目统筹、概念构思。张哲：模型验证、项目管理、数据整理。段柳生：研究方法设计、概念框架构建。查天山：文本撰写与编辑、数据分析。聂家仪：软件开发、研究协助。孙天冉：数据可视化处理。