农田生态系统的高产、稳产、高效、环境友好是国家粮食安全与可持续发展的关键。传统集约化农业主要通过利用高产作物单一栽培、增加化肥农药投入来提高粮食产量，虽然生产效率较高，但也带来了一系列的负面环境问题^[1]。气候变异性的增加使得作物产量稳定性持续下降^[2]，因此，如何用最小的环境成本得到更高的产量和产量稳定性得到越来越多的关注。

合理的间作在增产增效、提高产量稳定性等方面发挥了重要作用^[3]。在小麦-玉米^[4]、甜玉米-大豆^[5-6]间作体系中，根系互作能显著提高作物产量及其稳定性，持续提升土壤肥力。李欣睿^[7] 在玉米-大豆间作体系中的研究还发现，施用化肥可以提高作物产量的稳定性，并能有效提高耕层土壤综合肥力。这些研究结果表明，间作可以提高作物产量稳定性和土壤地力，但是在多年连续施肥的条件下间作对作物产量可持续性和稳定性影响的研究尚少。

小麦-蚕豆间作是西南地区的一种主要的种植模式，能够显著提高作物产量，改善土壤肥力^[8]。研究表明，小麦-蚕豆间作具有显著的产量优势，且在较低的肥力条件下仍能维持作物的产量^[9-10]。然而，在多年连续施肥的情况下，小麦-蚕豆间作系统能否维持产量可持续性和稳定性的研究较少。因此，本研究以小麦-蚕豆间作体系为对象，通过连续 5 年田间小区定位试验，研究不同施肥水平下小麦-蚕豆间作对产量稳定性的影响，为进一步深入揭示小麦-蚕豆间作系统的高产高效以及合理施用化肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验点位于云南省昆明市寻甸县云南农业大学现代农业教育实践基地（23°32′N，102°02′E） 内，地处昆明市东北部，海拔 1953 m，平均气温 14°C，年降水量 1040 mm，属亚热带季风气候。试验地设立于 2014 年，初始的供试土壤为熟化程度较高的耕作红壤，试验开始前耕层（0～20 cm） 土壤性质如表1 所示。本试验基于 2015～2019 年的田间试验数据，平均降水量和温度如图1 所示。

1.2 试验设计

1.2.1 田间试验 1

供试小麦品种为‘云麦 52’，蚕豆品种为‘玉溪大粒豆’。

试验采用双因素随机区组设计。设 A 因素为施肥量，即 4 个氮水平分别为：N0（不施氮）、N1（施氮 90 kg·hm^-2）、N2（施氮 180 kg·hm^-2）、N3（施氮 270 kg·hm^-2）。 B 因素为种植模式，设 3 个处理，分别为：小麦单作（MW）、蚕豆单作（MF）、小麦-蚕豆 6∶2 间作（W//F，小麦 6 行，蚕豆 2 行）。田间采用裂区布置，种植方式为主区，氮肥用量为副区，共 12 个处理，每个处理重复 3 次，共 36 个小区，小区面积 32.4 m² （5.4 m×6 m）。

试验田小麦单作小区行间距 0.2 m，条播，小麦播种量 180 kg·hm^-2；蚕豆单作小区行间距 0.3 m，株距 0.1 m，种植密度为 3.3×10⁵ 株·hm^-2；小麦蚕豆间作小区中，小麦蚕豆行间距为 0.2 cm。间作小麦蚕豆种植密度与单作相同。间作小区种小麦蚕豆面积比例为 2∶1。小麦和蚕豆均于每年 10 月 27 日左右播种，分别在出苗后 165 和 150 d 左右收获（即次年 4 月收获）。

供试肥料为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P₂O₅ 14%）和硫酸钾（K₂O 50%）。磷肥（90 kg·hm⁻²）和钾肥（90 kg·hm⁻²）全部作为基肥施入；在所有处理中，蚕豆施氮量为小麦的 1 /2，即 4 个水平中，蚕豆施氮量分别为 0、45、90、135 kg·hm^-2，蚕豆在播种前一次性施用，在小麦拔节期追肥 1 次，基追比为 1∶1。按照当地农田管理模式进行施肥灌溉。

1.2.2 田间试验 2

同样，试验 2 也采用双因素随机区组设计。A 因素是 3 个施磷水平，即 P0（不施磷）、P1（施磷 45 kg·hm^-2） 和 P2（施磷 90 kg·hm^-2），B 因素是 3 种种植模式，即单作小麦（MW）、单作蚕豆 （MF）和小麦-蚕豆 6∶2 间作（W//F）。采用裂区布置，种植方式为主区，磷肥用量为副区，共 9 个处理，每个处理重复 3 次，共 27 个小区。小麦施氮量 180 kg·hm^-2，蚕豆施氮量 90 kg·hm^-2。

田间试验 2 的小区规模、种植密度、间作模式、作物品种、肥料种类、施钾肥量及其他田间管理均与田间试验 1 一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 籽粒产量测定

小麦、蚕豆提前标记好产区区域，小麦、蚕豆单作产区面积为 1.8 m×5 m=9 m²，小麦间作产区面积为 1.2 m×5 m=6 m²，蚕豆间作产区面积为 0.6 m×5 m=3 m²，在成熟期采集产区内的小麦、蚕豆籽粒，晒干脱粒后称重。

1.3.2 土地当量比（LER）

计算公式如下^[9]：

$LER=LE{R}_{\mathrm{W}}+LE{W}_{\mathrm{F}}=\left(Y_{\mathrm{I}\mathrm{W}}/Y_{\mathrm{M}\mathrm{W}}\right)+\left(Y_{\mathrm{I}\mathrm{F}}/Y_{\mathrm{M}\mathrm{F}}\right)$

式中，LER_W 和 LEW_F 分别为小麦和蚕豆的偏土地当量比。Y_IW 和 Y_IF 分别代表小麦和蚕豆在间作中的产量；Y_MW 和 Y_MF 分别代表小麦和蚕豆在单作中的产量。若 LER 大于 1，即表示间作具有产量优势。若 LER 小于 1，则表示间作没有产量优势。

1.3.3 实际产量损失指数（AYL）

基于每株产量，指与单作作物相比，间作作物的相应产量损失或收益，即它考虑了间作作物的实际播种比例^[11]。

$\begin{array}{c}AYL=AY{L}_{\mathrm{W}}+AY{L}_{\mathrm{F}}\\ AY{L}_{\mathrm{W}}=\left[\frac{Y_{\mathrm{I}\mathrm{W}}/P_{\mathrm{I}\mathrm{W}}}{Y_{\mathrm{M}\mathrm{W}}/P_{\mathrm{M}\mathrm{W}}}\right]-1\\ AY{L}_{\mathrm{F}}=\left[\frac{Y_{\mathrm{I}\mathrm{F}}/P_{\mathrm{I}\mathrm{F}}}{Y_{\mathrm{M}\mathrm{F}}/P_{\mathrm{M}\mathrm{F}}}\right]-1\end{array}$

式中，P_IW 和 P_IF 表示间作中小麦和蚕豆的播种比例，P_MW 和 P_MF 表示单作中小麦和蚕豆的播种比例。 AYL 的正负表示间作相对于单作有无优势。

1.3.4 作物产量稳定性

采用 Wricke’s 生态价值（W²）^[12]、变异系数 （CV）^[13]和产量可持续指数（SYI）^[14]来评价小麦和蚕豆产量的稳定性，计算公式如下：

$W^2=\sum _{j=1}^q{\left(x_{ij}-m_i-m_j+m\right)}^2$

式中，x_ij为处理 i 在第 j 年的产量，m_i 为处理 i 所有年的平均产量，m_j 为在 j 年所有处理的平均产量，m 为所有处理所有年的平均产量。W² 越接近于 0，代表作物的产量稳定性越好。

$CV=\frac{\text{Std}\left(\text{Yield}\right)}{\text{Ave (}\text{Yield})}$

式中，Std（Yield）和 Ave（Yield）分别为不同处理在 2015～2019 年产量的标准差和平均值。CV 值越低，稳定性越高。

$SYI=\frac{\text{Ave}\left(\text{Yield}\right)-Std\left(\text{Yield}\right)}{Max\left(\text{Yield}\right)}$

式中，Max（Yield）为不同处理在所有年份的最高产量。SYI 值在 0～1 之间，SYI 值越高，代表产量稳定性越高。

1.3.5 土壤地力贡献率、肥料贡献率

土壤地力贡献率（%）=（不施肥处理产量 / 施肥处理最高产量）×100

肥料贡献率（%）=（施肥处理产量-不施肥处理产量）/ 施肥处理产量 ×100

1.4 数据分析

采用 Excel 2010、SPSS 19.0 进行数据统计分析和作图，利用 Duncan 多重比较方法检验差异显著性（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对小麦-蚕豆间作土地当量比和实际产量损失指数的影响

2.1.1 不同氮水平下小麦-蚕豆间作的土地当量比和实际产量损失指数

由图2 可知，不同氮水平下小麦的实际产量损失指数均大于零（AYL_W>0），除 2016 年 N0 水平下小麦间作蚕豆实际产量损失指数（AYL_F）大于零外，其余间作处理均小于零。除 2018 和 2019 年 N3 水平下间作的 LER 为 0.97 外，其它处理的 LER 均大于 1。随着施氮量的增加，AYL 和 LER 均随之降低，均呈现出 N3<N2<N1<N0 的趋势（2015 年除外）。这说明相比单作，间作增加了小麦的产量但降低了蚕豆的相对产量，具有显著的产量优势，且随着施氮量的增加，间作优势降低。

注：不同小写字母表示相同年份不同处理之间差异显著（P<0.05）。图3同。

2.1.2 不同磷水平下小麦-蚕豆间作的土地当量比和实际产量损失指数

由图3 可知，不同施磷水平下，所有小麦的 AYL_W>0，除 2019 年 P0 水平下间作外，其余处理间作蚕豆 AYL_F>0。除 2015 年 P0 水平下间作的 LER 为 0.94，其它处理的 LER 均大于 1。施磷对 AYL 和 LER 无显著影响，在 2018 年还降低了 AYL 和 LER（2017 年除外）。说明相比单作，间作具有显著的产量优势，增加了小麦的产量但降低了蚕豆的相对产量，减施磷肥对产量优势没有显著影响。

2.2 不同施肥处理对小麦-蚕豆间作产量稳定性的影响

2.2.1 不同氮水平下小麦-蚕豆间作作物产量及其稳定性

方差分析表明，种植模式和施氮水平对小麦、蚕豆及系统产量均有极显著影响，种植模式和施氮水平的交互作用对系统产量有极显著影响，但对小麦和蚕豆产量影响不显著（表2）。表3 结果表明，相比 MW 处理，N0～N3 水平下间作 5 年平均提高小麦产量 32.9%、26.1%、21.9%、14.7%，施氮量增加，间作小麦平均产量增加。IW 的 W² 显著低于 MW 处理，随着施氮量的增加，小麦产量的 CV 降低、SYI 增加， N3 水平下 IW 的 CV 值显著低于 MW，说明间作和施氮处理均有利于提高小麦的产量稳定性，但 N3 水平降低了间作小麦的产量稳定性。

就蚕豆而言，MF 处理平均产量显著高于间作，单、间作蚕豆产量均在 N1 水平时最高，表现为随施氮量的增加而降低。MF 的 CV 都低于间作、SYI 都高于间作（除 N1 水平外）。在 N1 水平下，蚕豆的 CV 最低、SYI 最高，间作系统的 CV 显著低于 N0，CV 随施氮量增加而增加。说明蚕豆单作的产量稳定性高于间作，施氮可以增加蚕豆和系统产量稳定性，且随着施氮量的增加其稳定性下降。

2.2.2 不同磷水平下小麦-蚕豆间作作物产量及其稳定性

由表2 可知，种植模式和施磷水平及其交互作用对小麦、蚕豆及系统产量均有极显著影响。表4 结果表明，相比 MW 处理，不同磷水平下间作平均提高小麦产量 16.7%、20.5%、21.9%，间作小麦处理的 P2 水平小麦产量显著高于其他处理。间作小麦的 W² 低于单作，施肥处理的 CV、SYI 分别显著低于和高于不施磷处理，但 P1 和 P2 水平间无显著差异，说明间作施用磷素可显著提高小麦产量的稳定性。

间作蚕豆平均产量显著低于单作，施磷对蚕豆平均产量无显著影响。P1、P2 水平下，单作蚕豆产量的 CV 值显著低于间作，P2 水平下，CV 值显著高于 P1、P0，说明蚕豆间作的产量稳定性低于单作，过量施磷会导致蚕豆产量稳定性降低。

间作系统的 W²、CV 之间无显著差异，SYI 表现为 P2>P1>P0，说明施磷可以增加小麦-蚕豆间作系统产量稳定性。

注：小麦产量指小麦单作产量；蚕豆产量指蚕豆单作产量；系统产量指小麦-蚕豆间作产量。* 表示 P<0.05；** 表示 P<0.01；*** 表示 P<0.001。

注：MW：小麦单作；IW：间作小麦；MF：单作蚕豆；IF：蚕豆间作；W//F：小麦-蚕豆 6∶2 间作。W²：Wricke’s 生态价值指数；CV：变异系数； SYI：产量可持续指数。数值为均值 ± 标准差。同列同一项目数据不同小写字母代表不同处理之间差异显著（P<0.05）。下同。

2.3 不同施肥处理对土壤地力贡献率、肥料贡献率的影响

2.3.1 不同氮水平下土壤地力贡献率和肥料贡献率分析

土壤地力贡献率反映土壤的生产能力，肥料贡献率反映肥料对作物产量的贡献率^[15]。结果表明 （图4），不同施氮水平下，间作提高小麦的土壤地力贡献率，IW 的平均土壤地力贡献率比 MW 提高了 16.30%，IW 的平均肥料贡献率比 MW 降低了 13.93%，N3 与 N2 水平下的肥料贡献率无显著差异。说明间作蚕豆可以提高土壤生产能力，并减少产量对肥料的依赖。

注：图柱上不同小写字母表示不同年份或处理之间差异显著（P<0.05）。图5 同。

2.3.2 不同磷水平下土壤地力贡献率和肥料贡献率分析

从 5 年土壤地力贡献率来看，不同磷水平下，除 2015 年外，与蚕豆间作分别提高了小麦平均土壤地力贡献率、肥料贡献率 2.15%、6.19%，施磷量增加没有显著增加肥料贡献率（图5A、5B）。综上，说明间作可以提高土壤生产能力，磷肥减施不会影响肥料贡献率。

3 讨论

3.1 不同氮、磷水平下小麦-蚕豆间作系统的产量优势

大量的研究表明，大部分禾本科-豆科间作体系具有显著的产量优势，并且在不同试验区的研究结果均已证实^[16]。本试验条件下，不同氮肥或磷肥供应水平下的平均 LER 分别为 1.12 和 1.10，说明小麦-蚕豆间作具有显著的产量优势，表现为间作小麦产量高于单作小麦（AYL_W>0），而间作蚕豆产量低于单作蚕豆（AYL_F<0），这与陈远学等^[17] 在玉米与大豆间作体系中，玉米产量增加而大豆产量下降的试验结果一致。从连续 5 年的田间试验结果来看，随着施氮量的增加，单、间作小麦的平均产量递增，这与马尚宇等^[18]研究结果一致，而单、间作蚕豆的平均产量在低氮肥供应时最高随后递减，说明蚕豆对氮肥施用不敏感；其次，适当增施磷肥提高了小麦的平均产量，这与胡雨彤等^[19] 的试验结果一致，而各施磷水平下，蚕豆产量则无显著差异，说明小麦相较于蚕豆而言对磷肥用量更为敏感。

本研究还发现，在氮肥减少 50%（N1）供应的条件下，间作小麦与蚕豆的产量与常规施氮水平下对应的单作作物相比并未降低，这可能与减氮条件下间作促进蚕豆结瘤固氮有关^[20]；其次，磷肥减少 50% 供应水平下，与常规施磷水平下的单作小麦相比，间作小麦的产量并没有降低，这可能是因为低磷条件下间作改变了小麦的根系形态而促进了其对磷的吸收^[21]，从而提高了小麦的产量。综上表明，小麦-蚕豆间作能够以更低的氮磷肥投入来稳定作物的产量。

3.2 不同氮、磷水平下小麦-蚕豆间作系统产量的稳定性

长期合理间作能够提高作物的产量，并维持作物产量的稳定性。王志国^[22]在甜玉米-大豆间作系统中发现，间作有利于提高总产量的稳定性。Li 等^[23]在玉米-蚕豆间作模式中也发现，在等量施肥和优化施肥试验中，间作产量年际间的稳定性均显著高于单作。本研究连续 5 年的田间试验结果也显示，与单作处理相比，间作增加了小麦的产量稳定性，降低了蚕豆的产量稳定性，说明小麦-蚕豆间作主要是提高小麦产量稳定性而显示间作产量稳定性，这可能是由于间作系统存在时空生态位的互补优势，更有利于保持系统生产力的长期稳定性^[24-25]，但连续间作维持作物产量稳定性的机制仍需进一步研究。

合理增施氮或磷有利于提高豆科-禾本科间作体系的产量稳定性^[26]。已有研究表明，适量的增施氮肥有利于提高玉米-大豆间作系统的产量稳定性^[7，27]；合理施用磷肥能够显著增加大豆与小麦间作体系的生产稳定性^[13，28]。本研究连续 5 年的田间试验结果也有类似发现。首先，在小麦-蚕豆间作体系中，施氮可以增加小麦、蚕豆的系统产量稳定性，但随着施氮量的递增，间作小麦产量稳定性没有显著提高，而蚕豆的产量稳定性则下降，说明过量施用氮肥并不能增强小麦-蚕豆间作系统的产量稳定性；其次，施磷增加了系统产量稳定性和小麦的产量稳定性，而降低了蚕豆的产量稳定性，说明在小麦-蚕豆间作系统中施用磷肥主要通过增加小麦的产量稳定性而显示该系统的产量稳定性优势；此外，小麦-蚕豆间作在氮肥减少 50% 或磷肥减少 50% 供应水平下仍具有持续稳定作物产量的潜力。综上表明，在小麦-蚕豆间作系统中，过量施用氮磷肥均不利于系统产量稳定性的维持，具有减少化肥投入的潜力。

3.3 不同氮、磷水平下间作蚕豆对土壤地力的影响

本试验表明，不同氮、磷水平下，连续间作可以显著提高小麦的土壤地力贡献率，说明与蚕豆间作显著提升了土壤生产能力。不同氮水平下，小麦-蚕豆间作显著降低了平均肥料贡献率，这可能是在禾本科-豆科间作系统中，禾本科对氮素的竞争刺激了豆科作物固氮而减少了对化学氮肥的利用所致^[26]；但在不同磷水平下，连续间作提高了平均肥料贡献率，这可能是因为小麦-蚕豆间作条件下，蚕豆能够活化土壤中的难溶性磷^[29]而提高了对磷肥的吸收利用。5 年的田间试验中，N3 与 N2、 P2 与 P1 水平的平均肥料贡献率无显著差异，说明过量施入氮磷肥不仅不能提高肥料贡献率，还可能成为环境污染的潜在威胁因子。

4 结论

5 年田间定位试验表明，不同氮或磷水平下，小麦-蚕豆间作具有显著的产量优势，平均 LER 分别为 1.12 和 1.10。间作提高了小麦的产量及产量稳定性，而降低了蚕豆的产量及产量稳定性。施肥提高了小麦-蚕豆间作系统的产量及其稳定性，连续减量施肥没有影响小麦-蚕豆间作系统的产量稳定性。间作提高了小麦、蚕豆的土壤地力贡献率，增加了小麦的磷肥贡献率而降低了其氮肥贡献率。小麦-蚕豆间作具有减施氮磷肥并维持作物产量及其稳定性的潜力。

参考文献