玉米-豆科作物间作对土壤肥力、秋粘虫和玉米茎蛀虫侵害以及玉米产量的影响

《Psyche: A Journal of Entomology》：Effects of Maize–Legume Intercropping on Soil Fertility, Fall Armyworm and Maize Stem Borers Infestation, and Maize Productivity

　　玉米与豆科间作系统可显著降低虫害（如非洲粘虫和茎 borers）并提升土壤有机碳（3.3%）、有机质（4.2%）、总氮（0.31%）和有效钾（5.8%）含量，2023年玉米-扁豆-德摩氏草间作（M+B+D）产量达8.06 t/ha，较单作提高47.3%，且虫害率仅3.9%。

　　本研究探讨了玉米与豆科作物间作对害虫侵害和土壤肥力提升的影响。研究结果表明，玉米与Desmodium间作在2022年的害虫侵害率最低（5.4%），相较于玉米单作（10.7%）具有显著优势，同时玉米产量也更高（6.4吨/公顷），而单作产量为5.7吨/公顷。在2023年，玉米与常见豆类和Desmodium的间作系统记录了最低的侵害率（3.9%），远低于玉米与Desmodium间作（9.1%）、玉米与常见豆类间作（10.9%）以及玉米单作（40.3%）。此外，玉米与常见豆类和Desmodium的间作系统不仅显著提高了玉米产量（8.06吨/公顷），还改善了土壤有机碳、有机质、总氮和可利用氮的含量。这些发现表明，玉米与常见豆类和Desmodium的间作系统是一种有效的策略，可以降低害虫压力，提升土壤肥力，并提高生产效率，同时不会加剧与玉米作物之间的种间竞争。

### 研究背景与意义

玉米是非洲撒哈拉以南地区（SSA）粮食安全的重要组成部分，为当地居民提供了约19%的日常热量摄入，并贡献了约21%的总膳食能量。然而，玉米生产面临诸多挑战，包括营养缺乏、昆虫害虫和病害等，这些问题降低了产量、农民收入并威胁着粮食安全。解决这些问题需要实施可持续的农业实践，以提高粮食安全，同时保护环境。昆虫害虫是撒哈拉以南非洲玉米生产的主要限制因素之一，其中包括非洲茎蛀虫、非洲粉红茎蛀虫、玉米穗蛀虫、斑点茎蛀虫和草地贪夜蛾（FAW）等。这些害虫对玉米产量造成了严重影响，限制了农民的收入并影响了粮食供应。因此，开发可持续的害虫管理策略至关重要，而间作系统作为一种可持续的农业实践，已被证明可以有效减少害虫侵害，提高作物产量，并改善土壤肥力。

### 间作系统的生态效应

间作系统通过增加作物多样性，有助于减少病虫害的发生。昆虫害虫通常依赖于化学和视觉信号来识别和选择其宿主植物。例如，蚜虫利用植物的颜色作为营养质量的指标，而白粉虱则被病毒感染植物的视觉信号所吸引。作物多样性改变了害虫对视觉信号的感知，如大小、结构和颜色，这些信号会因距离和害虫的具体需求（如食物来源或产卵地点）而有所不同。此外，植物释放的挥发性有机化合物（VOCs）也起到了关键的嗅觉信号作用，帮助害虫识别其宿主植物。

间作不仅有助于害虫管理，还通过增强生物控制和生态系统服务来提高农业的可持续性。例如，间作系统可以增加自然敌人的活动，从而支持生物防治。同时，间作还能减少土壤侵蚀，提高作物单位面积的生产力，并降低对合成肥料的依赖。豆科作物在这些系统中扮演着关键角色，它们通过生物固氮作用改善土壤肥力，提高氮素可用性，从而促进玉米等主作物的生长。这种做法尤其适用于那些难以获得或使用合成肥料的地区，如撒哈拉以南非洲，这有助于维持土壤健康并提高作物产量。

### 研究方法与实施

本研究在埃塞俄比亚中部的Abeshige地区进行，研究地点包括Fite Jeju和Bido Tadele两个村庄。这些地区拥有适宜的气候条件，年均降雨量在600至1600毫米之间，年均温度在13°C至30°C之间。研究覆盖了2022和2023两个种植季，分别测试了不同的间作系统对害虫侵害和产量的影响。2022年，研究仅包括玉米与Desmodium的间作系统和玉米单作对照组。2023年，研究扩展为三种间作系统：玉米与常见豆类间作（M + B）、玉米与Desmodium间作（M + D）以及玉米、常见豆类和Desmodium的三元间作系统（M + B + D），同时与玉米单作进行比较。

农民在研究中扮演了重要角色，他们不仅提供了试验场地，还积极参与了试验的实施。所有农民都接受了关于间作技术的培训，并在各自的田地中按照指定方案种植了不同处理。每块试验田的面积约为600至900平方米，其中玉米与豆科作物的种植方式为每行玉米配以相应行的豆科作物，而三元间作则采用了交替种植的方式。试验田之间设有1米宽的通道，用于种植吸引害虫的边境作物，如Brachiaria cv Mulato II。

### 土壤肥力的评估

为了评估间作对土壤肥力的影响，研究收集了种植前和收获后的土壤样本，用于分析其理化性质。这些性质包括pH值、有机碳含量（OC%）、有机质含量（OM%）、总氮含量（TN%）、可利用磷（Av. P）和可利用钾（Av. K）。土壤样本通过钻孔采样器采集，并按照标准方法进行处理和分析。结果显示，玉米与Desmodium的间作系统在2022年显著提高了土壤中的OC、OM、TN和Av. K含量，而pH值和Av. P则没有显著变化。到了2023年，间作系统进一步提升了OC、OM、TN和Av. K的含量，表明间作对土壤肥力的改善具有持续性。

### 产量与害虫侵害的关系

研究还评估了不同间作系统对玉米产量的影响。在2022年，玉米与Desmodium的间作系统产量为6.4吨/公顷，而玉米单作产量为5.7吨/公顷。到了2023年，玉米、常见豆类和Desmodium的三元间作系统产量最高，达到8.06吨/公顷，显著高于玉米单作（5.4吨/公顷）、玉米与常见豆类间作（6.78吨/公顷）和玉米与Desmodium间作（7.1吨/公顷）。这一结果表明，间作不仅有助于控制害虫，还能显著提高玉米产量。

此外，研究还通过土地等效比（LER）评估了不同间作系统对土地利用效率的影响。LER是一种衡量间作系统相对于单作系统是否更高效的方法，其值大于1表示间作系统在单位土地上实现了更高的总产量。研究结果表明，玉米与Desmodium的间作系统和玉米与常见豆类的间作系统在LER上均表现出显著优势，说明间作系统能够更有效地利用土地资源。

### 害虫侵害的动态变化

研究还分析了不同间作系统对害虫侵害率的影响。在2022年，玉米单作的害虫侵害率（10.7%）明显高于玉米与Desmodium的间作系统（5.4%）。到了2023年，玉米单作的害虫侵害率进一步上升，达到40.3%，而玉米与常见豆类和Desmodium的间作系统侵害率最低，仅为3.9%。这一趋势表明，间作系统能够有效降低害虫的侵害率，提高作物的抗虫能力。

害虫侵害率的动态变化也受到降雨模式的影响。研究发现，在雨季期间，害虫侵害率较低，而在非雨季期间，侵害率较高。这可能是由于降雨冲刷了害虫的幼虫和蛹，减少了其在玉米植株上的数量。此外，玉米与Desmodium的间作系统通过其根系释放的挥发性有机化合物（VOCs）和物理结构（如毛状体）影响了害虫的行为，使其难以找到合适的宿主植物。这些毛状体不仅阻碍了幼虫的移动，还破坏了其表皮，甚至可能将其困在植株上，延长其发育时间，并增加其被自然敌人的捕食机会，从而提高其死亡率。

### 结论与展望

本研究结果表明，玉米与常见豆类和Desmodium的间作系统在害虫控制和土壤肥力提升方面具有显著优势。这种系统不仅降低了害虫侵害率，还提高了玉米产量，同时改善了土壤肥力。间作系统通过增加作物多样性，提供了更丰富的资源，吸引了更多的自然敌人，从而实现了生态平衡和可持续的农业发展。

此外，间作系统还具有其他生态效益，如减少杂草生长、保持土壤湿度、降低土壤侵蚀等。这些优势使得间作系统在低投入、高风险的热带和亚热带环境中特别适合小农户的种植需求。未来的研究可以进一步探讨不同间作系统的具体机制，以及其在不同气候条件下的适应性。同时，研究还可以评估间作系统对农民经济收益和粮食安全的长期影响，以期为农业可持续发展提供更全面的科学依据。