谷物与大豆的相互作用：从生理反应到相互作用指数的全面综述

《Ecological and Evolutionary Physiology》：Cereals-soybean interactions: A comprehensive outlook from physiological responses to interaction indices

大豆与不同株型的小麦、高粱、珍珠粟混作及单作条件下，通过生理响应和竞争指数分析，发现短株型小麦（YH-5427）与大豆混作效果最佳，其次为珍珠粟，而高粱具有抑制作用。研究建议选择株型差异大的品种以优化资源利用。

　　

Rukhsar Saleem|Abdul Khaliq|Muhammad Zia Ul Haq|Muhammad Aamer Maqsood

巴基斯坦费萨拉巴德农业大学农学系，邮编38040

摘要

全球人口的增长和耕作面积的减少威胁着粮食安全。在二十一世纪，如何在提高粮食产量的同时维持农业生态系统和整体环境成为一个重大挑战。与单一作物种植相比，谷物-豆类组合提供了更好的营养选择和土壤健康。大豆种植正在新的农田区域扩展，并且有机会与玉米、高粱和珍珠粟进行混合种植。本研究探讨了豆类作物（大豆）与三种谷物（玉米、高粱和珍珠粟）的不同株高杂交种在相邻种植时的生理反应和相互作用动态。每种作物选取了两个杂交种，分别在大豆单独种植和混合种植的情况下进行了盆栽实验。植物生物量在单独种植和混合种植环境中显示出显著差异。同样，氧化应激标志物和抗氧化酶活性在两种环境下也存在显著差异。通过竞争指数计算了谷物-豆类之间的竞争情况。结果表明，大豆可以与玉米、珍珠粟和高粱一起种植，其中玉米是最适合的搭配选择。高粱与大豆一起种植时表现出优势，但对大豆的生长有抑制作用。谷物作物与大豆混合种植的适宜性排序为：玉米>珍珠粟>高粱。此外，矮株玉米杂交种（YH-5427）、矮株高粱杂交种（YS-16）和长株珍珠粟杂交种（YBS-98）是与大豆混合种植的更好选择。

引言

许多国家主要依赖农业作为经济驱动力和粮食安全保障。然而，由于城市扩张、人口增长和工业化，可用于农业的土地面积正在减少。采用高强度种植系统可能是提高农业生产和土地生产力的一个良好替代方案[1]。在巴基斯坦，豆类是食物链中的重要组成部分，对大部分人口来说，它们是蔬菜蛋白的主要来源[2]。由于其作为蛋白质和食用油来源的优异品质，大豆已成为世界上最重要的作物之一。大豆种子含有40-45%的蛋白质和18-21%的油脂，主要用于食品、动物饲料、烹饪油和工业生物燃料[3]。

全球范围内，谷物既用于人类消费也用于动物饲料[4]。在农业食品系统和食品营养中，玉米扮演着多种角色。作为一种C₄植物，玉米具有出色的光合作用能力，在包括热带、亚热带和温带在内的各种气候条件下都能茁壮成长[5]。同样，在发展中国家的干旱和半干旱地区，高粱（Sorghum bicolor）是数百万人的主要食物来源[6]。此外，它还用于工业用途，例如在发达国家生产生物乙醇。第六大重要谷物作物是珍珠粟，它为全球超过9000万人提供主要营养来源[7]。珍珠粟以其耐热和抗旱能力以及在干旱地区持续获得良好产量的能力而闻名。

谷物与豆类之间的相互作用具有多种优势，如提高产量和产量稳定性。混合种植比单一作物种植能更好地利用养分和水资源。资源竞争是影响植物生长和结构的主要因素之一[8]。多作物种植的作物发育和产量形成取决于种内和种间竞争。研究表明，混合种植可以提高作物生产力、增强产量稳定性、改善土壤肥力、减少作物病害，并降低环境风险[9]。混合种植还有助于管理作物养分状况，因为氮（N）是作物生长和发育的重要养分，它可以增加叶片叶绿素含量，促进光合作用[10]。氮的需求通常通过大量施用化肥来满足，但这引发了关于效率、成本效益和碳足迹的问题。尽管氮是环境中最普遍存在的元素，但其以双原子形式（N₂）存在，植物无法直接吸收和利用。只有豆科植物能够从大气中吸收氮并将其添加到土壤中[11]。由于竞争、互补或促进性的相互作用，豆类和谷物的混合种植可以提高氮的利用效率[12]。根据Tang等人的研究[13]，90%的混合种植组合显示出磷（P）吸收的益处。这种正向相互作用可以在非生产性和高产土壤附近提高肥料磷的回收率，从而节省磷肥[14]。在本研究中，选择具有不同生长模式的谷物杂交种（矮株与长株）至关重要，因为这些性状预计会影响土壤中氮和磷的竞争平衡，从而调节混合种植系统中氮转移的潜在促进效益。

然而，这种混合系统的成功在很大程度上取决于组成物种的兼容性，这通过相对产量总值（RYT）和侵略性（A）等竞争指数来量化[15]。这些指数衡量了与单一作物种植相比，物种间资源利用的效率和竞争平衡。混合种植系统中的产量优势有利于提高整体作物生产力，因为两种作物之间可以共享资源，同时减少杂草侵扰和病虫害攻击。混合种植系统中的产量优势主要通过不同的竞争指数来优化，这些指数量化了在混合种植系统中种植两种作物相比单一作物的好处[15]。相对产量和相对产量总值在数值上等同于土地当量比[16]，其中相对产量是指混合种植中的平均植物产量与单一种植中的平均植物产量的比率，而相对产量总和是指两种不同物种的相对产量之和。两种作物之间的竞争关系通过相对拥挤系数和侵略性来评估[15]。影响这种兼容性的一个关键因素是选择合适的作物品种，因为它们的特定形态和生理性状决定了系统内的竞争动态。

全球粮食安全面临人口激增、可耕地稀缺以及气候条件不断变化（强度和不确定性）的挑战。这就需要设计出既经济可行又环保的农业系统，以确保粮食安全。谷物-豆类混合种植，特别是大豆与其他谷物的混合种植，在有限的环境条件下提供了有希望的解决方案。然而，选择适合与大豆混合种植的各种谷物品种是一个重要问题，目前关于各种谷物品种在大豆附近种植时的竞争指数信息很少。因此，为了填补这一知识空白，本研究评估了不同玉米、高粱和珍珠粟品种在大豆附近种植时的相对优势或劣势，特别关注了它们的生理应激反应和相互作用动态。

实验设置

该研究在巴基斯坦费萨拉巴德农业大学的农学研究农场的温室中进行。处理包括三种谷物的两种不同株高杂交种（矮株和长株）：玉米（‘FH-1046’和‘YS-5427’）、高粱（‘YS-16’和‘YSS-98’）以及珍珠粟（‘BY-18’和‘YBS-98’），以及一种豆类（大豆品种AARI soybean），分别进行纯种种植和50:50的混合种植。谷物杂交种和大豆的种子来自Maize and Millet

植物鲜重和干重生物量

鲜重生物量是作物产量研究中常用的测量指标，用于评估收获作物在干燥或加工前的总质量。它包括植物的水分含量，这取决于作物和生长条件。配对t检验显示，无论是单独种植还是混合种植，玉米和大豆的鲜重都有显著差异（p < 0.05）。同样，珍珠粟和高粱的鲜重在单独种植时也比混合种植时差异更大。

讨论

多年来，由于高整体生产力、良好的病虫害控制、生态服务提供以及经济效益，近距离种植是一种被农民广泛采用的种植方式[22]。此外，通过品种混合增加田间生物多样性可以改变田间微气候，使作物更好地应对杂草等生物压力[23]、[24]。本研究旨在评估各种品种

结论

本研究的结果突显了混合种植系统中应激反应的复杂性。虽然混合种植通常会导致更高的氧化应激（如MDA水平升高），但豆类（如大豆）的存在可以通过不同的方式调节抗氧化酶活性和渗透调节物质的积累，这取决于具体的作物杂交种和环境条件。例如，在玉米杂交种YS-5427中，CAT活性显著增加

作者贡献

AK、MZUH和MAM构思并设计了研究。RS进行了实验，分析了数据并撰写了初稿。AK、MZUH和MAM修订了手稿。所有作者都阅读并批准了手稿。

作者贡献声明

Rukhsar Saleem：撰写——原始草案、方法论、调查、数据分析。Abdul Khaliq：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念化。Muhammad Zia Ul Haq：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念化。Muhammad Aamer Maqsood：撰写——审阅与编辑、验证、概念化。

资金

本研究未获得任何资金支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。