豆科植物因其固氮能力和對(duì)土壤健康的貢獻(xiàn)，在南部非洲小農(nóng)戶農(nóng)業(yè)中至關(guān)重要。然而，氣候變化導(dǎo)致的土壤水分虧缺對(duì)農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)構(gòu)成挑戰(zhàn)。本研究旨在評(píng)估在埃斯瓦蒂尼馬爾肯斯地區(qū)，六種豆科植物（班巴拉花生、豇豆、干豆、花生、刀豆和大豆）在單作和與玉米間作條件下的氣體交換參數(shù)、葉綠素含量、水分利用效率（WUE）、碳同化（C assimilation）和地上部干物質(zhì)產(chǎn)量。研究假設(shè)為：玉米與豆科間作對(duì)這六種豆科植物的氣體交換參數(shù)、葉綠素含量、碳同化或水分利用效率沒(méi)有影響。

研究在埃斯瓦蒂尼中海拔農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的馬爾肯斯研究站進(jìn)行。試驗(yàn)涉及13個(gè)處理，包括6種豆科的單作、6種豆科與玉米的間作以及玉米單作對(duì)照。采用隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理四次重復(fù)。于豆科植物初莢期，使用便攜式紅外氣體分析儀測(cè)量葉片光合速率（A）、氣孔導(dǎo)度（g_s）和蒸騰速率（E），并計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率（WUEi，即A與g_s的比值）。使用二甲基亞砜（DMSO）提取法測(cè)定葉綠素a（Chla）、葉綠素b（Chlb）和總?cè)~綠素（TChl）濃度。收集地上部樣品測(cè)定干物質(zhì)產(chǎn)量，并通過(guò)元素分析-同位素比值質(zhì)譜法（IRMS）分析碳含量、碳氮比（C:N ratio）和碳同位素自然豐度（δ¹³C），δ¹³C作為植物生命周期內(nèi)水分利用效率的整合指標(biāo)。數(shù)據(jù)經(jīng)正態(tài)性檢驗(yàn)后進(jìn)行雙因素方差分析和相關(guān)性分析。

作物物種的主效應(yīng)對(duì)氣體交換參數(shù)和葉綠素濃度有顯著影響。豇豆和刀豆的光合速率（分別為22.40和20.41 μmol [CO₂] m^?2s^?1）和氣孔導(dǎo)度最高，而干豆和花生最低。干豆和花生具有最高的瞬時(shí)水分利用效率（WUEi），而豇豆和刀豆的WUEi最低。葉綠素a濃度普遍高于葉綠素b。總體而言，具有高光合速率、氣孔導(dǎo)度和葉綠素含量的豆科植物也表現(xiàn)出低WUEi。

種植制度的主效應(yīng)顯示，間作下的光合速率（16.43 μmol [CO₂] m^?2s^?1）和葉綠素含量（2.38 mg g^?1）顯著低于單作（分別為19.66 μmol [CO₂] m^?2s^?1和2.98 mg g^?1）。物種與種植制度的交互作用對(duì)氣體交換參數(shù)和葉綠素含量有顯著影響。對(duì)于豇豆、刀豆和大豆，單作的光合速率顯著高于間作。而班巴拉花生、干豆和花生的光合速率在兩種種植制度間無(wú)顯著差異。

物種的主效應(yīng)對(duì)地上部干物質(zhì)（SDM）、碳含量、碳氮比和δ¹³C值有顯著影響。刀豆的地上部干物質(zhì)和碳含量最高。大豆的碳百分比（%）最高，而花生的碳百分比最低。干豆的碳氮比最高（21.44），大豆最低（12.67）。豇豆和刀豆的δ¹³C值（分別為-27.87‰和-27.86‰）負(fù)值程度小于其他物種，表明其整合水分利用效率更高。

種植制度的主效應(yīng)顯示，單作下的地上部干物質(zhì)、碳含量和整合水分利用效率（δ¹³C值負(fù)值更小）顯著高于間作。物種與種植制度的交互作用分析表明，除班巴拉花生在間作下干物質(zhì)更高外，其他物種的單作干物質(zhì)均高于間作。大豆在間作下的碳百分比（%）高于單作。

瞬時(shí)水分利用效率（WUEi）與地上部干物質(zhì)、光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率呈顯著負(fù)相關(guān)。地上部干物質(zhì)與光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率以及葉綠素含量（Chla, Chlb, TChl）呈顯著正相關(guān)。

本研究表明，不同豆科物種對(duì)水分利用效率（WUE）、氣體交換參數(shù)和葉綠素含量有顯著影響。干豆、花生和大豆表現(xiàn)出較高的瞬時(shí)水分利用效率（WUEi），而班巴拉花生、豇豆和刀豆的WUEi較低。高WUEi與低地上部干物質(zhì)相關(guān)，反之亦然。低蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和光合速率的豆科植物表現(xiàn)出高WUEi，這與先前研究一致。葉綠素含量的降低通常導(dǎo)致光合速率下降，但刀豆例外，其在葉綠素較低的情況下仍維持較高的光合速率，可能源于其葉綠素分子光捕獲效率的差異。

單作下的光合速率和葉綠素含量顯著高于間作，這歸因于間作中玉米遮蔭導(dǎo)致的光合有效輻射減少。這一發(fā)現(xiàn)與一些報(bào)道間作能提高光合作用的研究結(jié)果不同。豇豆、刀豆和大豆等具有較高光合速率的物種積累了更多的地上部生物量，這對(duì)于通過(guò)殘茬還田改善土壤有機(jī)質(zhì)具有潛在價(jià)值。

所有測(cè)試豆科的碳氮比（12.67至21.44）均低于固氮豆科通常的閾值（24 g g^?1），證實(shí)了它們的固氮能力。盡管豇豆和刀豆的瞬時(shí)水分利用效率（WUEi）較低，但基于δ¹³C的整合水分利用效率指標(biāo)顯示它們的水分利用效率更高，表明δ¹³C技術(shù)是評(píng)估水分利用效率更穩(wěn)健的工具。雖然間作下的WUEi略高，但δ¹³C顯示單作下的整合水分利用效率更高，這反映了瞬時(shí)指標(biāo)與時(shí)間整合指標(biāo)之間的差異。

種植制度顯著影響了六種豆科植物的氣體交換參數(shù)、葉綠素含量、水分利用效率（WUE）、植物生長(zhǎng)和碳同化。在埃斯瓦蒂尼的研究地點(diǎn)，豇豆和刀豆表現(xiàn)出較高的光合速率、氣孔導(dǎo)度和葉片蒸騰作用。由于玉米遮蔭導(dǎo)致的光合有效輻射減少，單作下的光合速率和葉綠素含量遠(yuǎn)高于間作。在測(cè)試的六種豆科植物中，基于δ¹³C技術(shù)，豇豆和刀豆表現(xiàn)出更高的水分利用效率，這表明在水分脅迫條件下，這兩種豆科植物可供農(nóng)民用于提高作物產(chǎn)量。此外，刀豆、大豆和豇豆相對(duì)較高的生物量生產(chǎn)，可作為通過(guò)殘茬還田增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)的寶貴特性。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了作物物種和種植制度對(duì)豆科植物生長(zhǎng)和生理響應(yīng)的影響，為在資源有限環(huán)境下選擇適宜的間作豆科品種提供了重要參考。