摘要为筛选出最佳的燕麦与豆科作物间作模式，基于2011—2014年大田试验和生命周期评价方法，定量分析燕麦‖绿豆、燕麦‖花生与燕麦‖大豆3种间作模式的产量、经济效益与碳足迹。研究表明，3种间作模式均具有显著的产量优势，其中燕麦‖花生和燕麦‖大豆的土地当量比分别为1.41和1.46，比燕麦‖绿豆高18.5%和22.7%。与燕麦‖绿豆和燕麦‖花生相比，燕麦‖大豆在年际间具有更高的产量稳定性。在3种间作模式中，燕麦与绿豆、花生和大豆3种作物间作的竞争力分别为0.13、0.65和-0.96。燕麦‖花生和燕麦‖大豆的单位面积碳足迹分别为1703.2和1661.2kg/hm2，比燕麦‖绿豆低18.6%和20.6%。燕麦‖绿豆、燕麦‖花生和燕麦‖大豆的单位当量产量碳足迹分别为0.59、0.35和0.31kg/kg。燕麦‖花生和燕麦‖大豆的经济效益分别为12015和13673元/hm2，分别比燕麦‖绿豆高59.5%和81.5%。综合分析认为，燕麦‖大豆的产量和经济效益较高，碳足迹较低，在吉林省西部地区具备推广应用价值。
关键词燕麦;豆科作物;间作;经济效益;碳足迹
吉林省西部地区位于我国干旱半干旱农牧交错区，尽管耕地与光热资源丰富，但土地盐碱化和沙化程度较高，生态环境脆弱[1]。该地区是我国杂粮杂豆的传统特色种植区域，也是燕麦的主产区之一，但燕麦生产中存在肥料施用过量、碳排放较高、经济效益低等一系列问题[2]。同时，由于豆科作物收获后残茬较少，冬春季节农田地表缺少覆盖，大风导致扬尘严重。因此，构建和优化新型种植制度对解决上述问题具有重要意义。
间作在我国传统农业生产中占有重要地位，大量研究表明间作可以增加农田生态系统多样性，提高作物产量和资源利用效率[3]。在豆禾间作系统中，豆科作物具有固氮作用，可在保证自身氮素需求的同时，改善与其间作的禾本科作物的氮素供应[4]，从而降低间作系统氮肥投入。研究表明在吉林省西部地区已经构建了燕麦‖箭筈豌豆、燕麦‖绿豆、燕麦‖花生和燕麦‖大豆等多种间作模式[5-9]。然而前人研究主要集中在不同管理措施下间作模式的产量及经济效益等方面，针对燕麦与不同豆科作物间作模式的比较研究较少，尤其是基于生命周期评价法(lifecycleassessment，LCA)对碳足迹的评价[5-7，9]。因此，限制了该区域以燕麦为核心的豆禾间作模式的优化与推广。
碳足迹是指某种产品在其生命周期内积累的或生产过程中直接或间接造成的CO2排放总量，以二氧化碳当量表示[10]，通常用LCA评价法对作物生产系统中的碳足迹进行评价[11]。利用LCA评价法对间作系统碳足迹的研究已有系列报道，如：与单作相比，小麦‖玉米可减少约7.0%的碳排放[12]，大豆‖甘蔗单位面积碳足迹减少3.2%～30.4%[13]，花生‖棉花单位面积碳足迹减少11.0%[14]。目前，在我国东北地区关于碳足迹的评价主要围绕水稻、玉米和大豆等单一作物种植模式[15]，对于燕麦与豆科作物间作模式的碳足迹评价尚未见报道。本研究通过大田试验结合LCA评价法，定量评估燕麦与不同豆科作物间作模式的产量、经济效益和碳足迹，旨在筛选出适宜吉林省西部地区的最佳燕麦与豆科作物间作模式，以期为该区域种植制度创新提供参考。
1材料与方法
1.1试验地概况
试验在吉林省白城市农业科学院(45°37′N，122°48′E)试验基地进行。试验区地处吉林省西部半干旱区，属于典型的温带大陆性季风气候，年均气温为4.9℃，年均降雨量为407.9mm，且季节分布不均，主要集中在7—8月，年均日照时数为2919.4h，无霜期为157d[16]。
1.2试验设计
本研究通过2011—2014年系列大田试验，分别构建燕麦‖绿豆、燕麦‖花生和燕麦‖大豆3种间作种植模式，各间作模式均设置对应的单作种植模式，详细种植模式与栽培管理，见表1。所有试验均采用随机区组设计，每个处理重复4次。供试燕麦及豆科作物品种分别为：燕麦(‘白燕2号’)、绿豆(‘白绿8号’)、花生(‘白院花1号’)和大豆(‘白农12号’和‘96136品系’)，所有作物种子均选取当地主推品种，由白城市农业科学院提供。所有试验中，燕麦均采用条播，行距30cm，播种量150～200kg/hm2。豆科作物采用穴播，行距40～60cm，株距8～10cm。各处理不施氮肥，基施磷肥(P2O5)55kg/hm2、钾肥(K2O)45kg/hm2、硫酸亚铁4.5kg/hm2、硼酸1.0kg/hm2，豆科作物种子播前均以根瘤菌(购自宁夏诺德曼公司)拌种，保证充分结瘤固氮。农事管理均参照当地常规进行。
1.3作物籽粒产量测定和稳定性计算
燕麦测产为每个小区随机选取2m2的样方风干后测定其籽粒产量。
豆科作物测产为每个小区随机选取2m双行，风干后大豆和绿豆测定籽粒产量，花生测定荚果产量。
采用年际间产量变异系数对单作与间作处理中各作物的产量稳定性进行评估[17]，变异系数越高代表作物的年际间产量稳定性越差。
1.7数据分析
用MicrosoftExcel2017对各作物产量、土地当量比和经济效益等数据进行分析。用SPSS20.0对数据进行统计学分析，用最小显著差数法(LeastSignificantDifference，LSD;α=0.05)进行相关数据的多重比较。
2结果与分析
2.1燕麦与豆科作物间作和单作的产量
如表3所示，由于间作模式中单种作物的实播面积低于其对应单作处理，因此间作模式中各作物产量均低于其单作。燕麦与绿豆、花生和大豆间作模式中，间作燕麦的平均产量分别为单作燕麦的62.4%(P<0.05)、87.1%(P<0.05)和51.3%(P<0.05);间作绿豆、花生和大豆的平均产量分别为对应单作处理的55.4%(P<0.05)、54.1%(P<0.05)和64.1%(P<0.05)。3种间作模式相比，燕麦‖花生中燕麦产量下降最少，豆科作物中大豆产量下降最少。
从不同年际间作物产量稳定性来看，与绿豆、花生和大豆间作的燕麦，其产量变异系数分别为8.79、25.41和14.72。除燕麦‖大豆间作中燕麦的产量变异系数低于单作外，其他2种间作模式均高于单作。间作绿豆和大豆的产量变异系数分别为8.41和5.15，对应的单作产量变异系数分别为9.24和10.97;间作花生的产量变异系数为11.13，对应的单作产量变异系数为4.68。综上，燕麦‖大豆显著降低作物的产量变异系数，在年际间具有较高的产量稳定性。
相关知识推荐：农业方面出刊快的期刊推荐
燕麦与豆科作物间的竞争力在年际间表现一致，3种间作模式中，燕麦与绿豆、花生和大豆的平均相对竞争力分别为0.13、0.66和-0.96，表明间作系统中燕麦的竞争力大于绿豆和花生，但小于大豆。不同间作模式中，燕麦对绿豆和花生的相对竞争力变化范围较大，而对大豆的相对竞争力变化范围较小。
2.2燕麦与豆科作物间作的土地当量比
燕麦‖绿豆、燕麦‖花生和燕麦‖大豆均具有明显的产量优势，其土地当量比(LER)为1.11～1.63(图1)。其中，燕麦‖花生和燕麦‖大豆年际间平均LER分别为1.41和1.46，比燕麦‖绿豆(1.19)高18.5%和22.7%。燕麦‖绿豆、燕麦‖花生和燕麦‖大豆3种模式中，燕麦的偏土地当量比分别为0.77、0.87和0.56，占比分别为64.7%、61.7%和38.4%，表明在燕麦‖绿豆和燕麦‖花生中，燕麦产量对间作优势的贡献大于绿豆和花生，但在燕麦‖大豆中，燕麦产量的贡献小于大豆。
2.3燕麦与豆科作物间作和单作的碳足迹
由表4可知，燕麦‖花生和燕麦‖大豆的单位面积碳足迹分别为1703.2和1661.2kg/hm2，比燕麦‖绿豆低18.6%和20.6%。燕麦‖花生和燕麦‖大豆的单位当量产量碳足迹分别为0.35和0.31kg/kg，比燕麦‖绿豆低40.7%和47.5%。因此，与其他燕麦‖豆科作物间作模式相比，燕麦‖大豆具有较低的单位面积和单位当量产量碳足迹。
2.4燕麦与豆科作物间作和单作的经济效益
如表5所示，燕麦‖绿豆、燕麦‖花生和燕麦‖大豆的平均经济效益分别为7533、12015和13673元/hm2。与燕麦单作相比，燕麦‖绿豆、燕麦‖花生和燕麦‖大豆的经济效益分别增加94.7%、329.1%和264.1%，即间作模式的经济效益均大于燕麦单作。燕麦‖花生和燕麦‖大豆的平均经济效益分别比燕麦‖绿豆高59.5%和81.5%，表明燕麦‖大豆模式具有较高的经济效益。
3讨论
间作可以有效提高资源利用率，增加作物产量[3]。本研究中，不同燕麦‖豆科作物间作均显著增加单位面积产量，与Hu等[12]和Fan等[21]的研究结果一致。主要原因是燕麦与豆科作物间作，可通过获取豆科作物根际沉积氮，促进燕麦营养吸收和生长[22]。尽管受降雨等气候因素的影响，作物产量在年际间表现不同，但从产量变异系数来看，燕麦‖大豆模式能够有效提高作物产量稳定性，有明显的增产和稳产效果。在间作系统中，一般采用LER对系统综合生产力进行衡量。间作系统的LER通常>1.00，如小麦‖大豆的LER为1.23～1.26[23]，玉米‖花生的LER为1.10～1.16[24]。本研究中，燕麦与绿豆、花生和大豆3种豆科作物间作的LER为1.19～1.46，具有较强的间作优势。此外，燕麦‖花生和燕麦‖大豆的LER均高于燕麦‖绿豆，可能是因为在燕麦‖绿豆中，绿豆始终处于竞争劣势地位，导致其产量降低，而在另外2种间作模式中，花生和大豆的生长均未受到明显抑制。
不同作物间作会产生种间竞争或互补作用，其竞争力决定了不同作物对自然资源的竞争优势[25]。在大麦‖豌豆中，大麦竞争力大于豌豆，是该系统的主导作物[26];在玉米‖大豆中，玉米竞争力大于大豆，是该系统的主导作物[27]，表明高秆作物在间作系统中具有更强的竞争优势。本研究发现燕麦竞争力大于绿豆和花生，是间作系统的主导作物。另外，在豆禾间作系统中，禾本科作物可以刺激豆科作物的共生固氮作用，增加禾本科作物对土壤氮素的吸收，也促进了禾本科作物对光热等自然资源的利用[28]。但在燕麦‖大豆中，大豆竞争力大于燕麦，为该系统的主导作物，主要是因为燕麦和大豆存在共生期差异，大豆相对于燕麦而言为晚熟作物，在燕麦收获后，大豆生长得到补偿恢复[29]，在一定程度上增加了其对空间资源的利用，从而增加了竞争力。
在农田生态系统中，单位面积碳足迹受生产区域、作物品种及种植模式等一系列因素的影响[30]，因此对农业生产过程中的碳足迹进行评价分析时，需要综合考虑多种因素。Hillier等[31]研究发现，春燕麦和冬燕麦的单位面积碳足迹分别为1136.7和1422.7kg/hm2。本研究中，燕麦‖绿豆、燕麦‖花生和燕麦‖大豆的单位面积碳足迹分别为2093.1、1703.2和1661.2kg/hm2，显著高于发达国家农田生态系统碳排放，主要归因于人工种植导致的其他农资投入量较高[32]。与单作相比，甘蔗‖大豆的单位面积碳足迹降低3.2%～30.4%[13]，小麦‖玉米的单位面积碳足迹降低7.8%～22.2%[33]，玉米‖花生的单位面积碳足迹降低2.6%～3.8%[34]。本研究中，与燕麦单作相比，3种间作的碳足迹均表现为下降趋势，表明间作可以降低农田生态系统碳排放。禾本科作物与豆科作物间作时，可以充分利用豆科作物的生物固氮作用，减少由于氮肥生产及施用过程中造成的碳排放[35]。
豆科作物和禾本科作物间作可以提高农田经济效益。已有研究发现，与单作相比，玉米与花生、绿豆和大豆间作，均具有较高的经济效益[36-37]。本研究中3种间作模式下的经济效益均高于燕麦单作，主要原因是间作可提高水肥等自然资源的时空互补利用，从而增加经济效益[38]。燕麦‖花生和燕麦‖大豆模式中豆科作物产量的大幅提升是这2种模式经济效益高于燕麦‖绿豆的主要原因。
4结论
本研究中3种间作模式均具有明显的产量优势，其中燕麦‖花生和燕麦‖大豆增产效应更强。燕麦的相对竞争力大于绿豆和花生，但小于大豆。燕麦‖花生和燕麦‖大豆的单位面积碳足迹分别为1703.2和1661.2kg/hm2，经济效益分别为12015和13673元/hm2，单位面积碳足迹比燕麦‖绿豆低18.6%和20.6%，经济效益比燕麦‖绿豆高59.5%和81.5%。燕麦‖大豆显著降低年际间产量变异系数，增加产量稳定性。综上所述，燕麦‖大豆具有较强的增产稳产效果和较低的单位面积碳足迹。——论文作者：马怀英1，2王上1，2杨亚东1，2冯晓敏1，2曾昭海1，2任长忠3臧华栋1，2*胡跃高1，2
