不同供水水平對玉米/豌豆間作系統(tǒng)作物耗水特征的影響

牛伊寧，劉冬梅，羅珠珠，柴 強,

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院， 甘肅 蘭州 730070)

自然條件下，作物群體的耗水量不僅受各種氣象要素的影響，還受土壤水分、物理特性和作物因素的制約。間作套種消耗的水分絕對量因作物類型和環(huán)境條件差異很大，但與相應單作的加權平均比較，水分消耗量變化一般在6%～7%之間[1]。因此，在水資源有限，但熱量資源允許發(fā)展多熟種植的生態(tài)區(qū)域內(nèi)，發(fā)展以間作為主體的多熟種植可作為提高有限水資源利用效率的途徑之一。研究表明[2]，間套復合群體總耗水量與單作耗水量的加權平均差異極小，但水分利用效率間作比相應作物單作的加權平均值高4%～99%，絕大多數(shù)高于18%。間作作物生長期間根系在時間和空間上的錯位分布是復合群體高產(chǎn)、高效的主要原因之一[3-5]，間套作有利于創(chuàng)造適宜作物生長發(fā)育的土壤水分環(huán)境，水分利用效率明顯高于單作，但水分消耗量并沒有改變[6-7]。根系分隔技術將間作群體根系進行分離，控制了兩種作物之間的水分和養(yǎng)分流動，通過對根系的調(diào)控來研究農(nóng)田耗水特性，有利于解析間作群體高產(chǎn)和提高水分利用效率的機理。

甘肅河西走廊地區(qū)光熱資源豐富，適宜發(fā)展間套作種植。但因為當?shù)亟涤晟伲Y源不足，限制了當?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。如何充分利用當?shù)爻渥愕墓鉄釛l件和有限的水資源，提高間作群體的水分利用效率，發(fā)展和完善間作群體的節(jié)水管理理論和技術，已成為該區(qū)多熟種植農(nóng)業(yè)發(fā)展亟待解決的難題。為此，本研究以近年來規(guī)?；瘧玫挠衩组g作豌豆為研究對象，探討了不同供水水平下根系分隔對間作群體的產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的影響，以期為構建禾豆間作高效節(jié)水技術提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗設置在甘肅省武威市甘肅農(nóng)業(yè)大學與武威市農(nóng)技中心校地聯(lián)合綠洲農(nóng)業(yè)科研教學基地(103°5′E，37°30′N)，屬冷溫帶干旱區(qū)，是典型的大陸性氣候，日照充足，干旱少雨，春季多風沙，夏季有干熱風。平均海拔1 776 m，年平均降水量156 mm左右，降水年際變化小，但季節(jié)變化較大，主要集中在7—9月份，冬春季較干旱。農(nóng)業(yè)土壤為厚層灌漠土。

1.2 試驗設計

1.2.1 供試作物 供試春豌豆(Pisumsativum)為MZ-1，春玉米(Zeamays)為武科2號。豌豆2011年3月24日播種，4月7日出苗，6月30日收獲；玉米2011年4月20日播種，5月3日出苗，9月26日收獲，兩種作物共生期78 d。單作豌豆及間作豌豆帶施225 kg·hm-2(尿素)，150 kg·hm-2做基肥；單作玉米和間作玉米帶施360 kg·hm-2，按照基肥∶大喇叭期追肥∶灌漿期追肥=3∶6∶1分施，施225 kg·hm-2P2O5做基肥。

1.2.2 試驗設計 試驗設種植模式、灌水水平和隔根三個參試因子(表1)。其中種植模式設單作豌豆、單作玉米、玉米間作豌豆三種形式；灌水水平設高(地方傳統(tǒng)供水水平)、中(生育期灌水約低于地方傳統(tǒng)供水水平10%)、低(生育期灌水水平約低于地方傳統(tǒng)供水水平20%)三個梯度；玉米間作豌豆隔根方式分塑料布分隔、尼龍網(wǎng)分隔和不分隔三種方式，共15個處理，各處理3次重復，田間隨機排列。

表1 試驗處理 Table 1 Treatments description

注：P-豌豆；C-玉米；C/P-玉米間作豌豆；I-灌溉水平(1，地方傳統(tǒng)灌水量；2，低于地方傳統(tǒng)灌水量10%；3，低于地方傳統(tǒng)灌水量20%)；N-尼龍網(wǎng)隔根；S-塑料布隔根。

Note: P-pea; C-maize; C/P-maize/pea intercropping; I-irrigation level (1: local traditional irrigation level; 2: 10% lower than traditional irrigation level; 3: 20% lower than traditional irrigation level); N-separate roots with nylon net; S-separate roots with plastic film.

小區(qū)面積24 m2(6 m×4 m)，每小區(qū)種兩個自然帶。單作豌豆(P)：平作，播種量150 kg·hm-2，每自然帶種4行，行距20 cm；單作玉米(C)：平作，播種密度8.25 萬株·hm-2，每帶種2行，行距40 cm，地膜覆蓋；玉米間作豌豆(C/P)：田間結構如圖1所示，豌豆帶寬80 cm，每帶種4行，行距15 cm，播種量75 kg·hm-2；玉米帶寬80 cm，播種密度5.25 萬株·hm-2，每帶種2行，行距40 cm、株距32 cm，地膜覆蓋；塑料膜隔根玉米間作豌豆(PC/P)：玉米豌豆共處區(qū)內(nèi)，在距離豌豆10 cm、玉米20 cm處用塑料薄膜隔根(圖1)，隔根深度1 m，其它田間結構同P/C。塑料薄膜為厚0.12 mm的農(nóng)用棚膜；尼龍網(wǎng)隔根玉米間作豌豆(NC/P)：隔根材料為300目的尼龍網(wǎng)，其余設計同PC/P。

圖1 玉米間作豌豆的田間結構及隔根示意圖

Fig.1 Distribution of intercropping crops and partition root film in maize/pea intercropping system

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分 作物播種前和收獲后，分別采用烘干法測定0～120 cm土壤含水量。

1.3.2 作物產(chǎn)量 作物收獲時，采用小區(qū)收獲法，測定其經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量。1.3.3 土地當量比 土地當量比(LER, land equivalent ratio)：LER是量化分析間套作復合群體生產(chǎn)力及土地利用狀況的指標[8]。土地當量比利用下式計算：

LER=(Yip/Ysp)+(Yim/Ysm)

(1)

式中，Yip和Ysp分別表示豌豆在間作和單作時的生物學產(chǎn)量或籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)；Yim和Ysm分別表示玉米在間作和單作時的籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)。當LER>1.0時，表示作物有間作優(yōu)勢，當LER<1.0時為間作劣勢。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率(WUE)：作物的水分利用效率通常按照下式計算：

WUE=Y/ET

(2)

ET=P+I+△W-R-DP

(3)

其中，Y為作物籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2);ET為全生育期土壤水分蒸散量(mm)；P為作物生長期的降水量(mm)；I為作物生長期灌溉量(mm)；△W表示作物生長期土壤儲存水的變化量(mm)；R為地表徑流量，DP為土壤水分凈通量(向上為負，向下為正)[9]。本研究中，由于試區(qū)地下水位較深，不存在向上的水分通量，在節(jié)水灌溉條件下，水分滲漏量和徑流量也可以忽略不計，因此，作物水分利用效率按下式計算：

WUE=Y/(P+I+△W)

(4)

WUE反映作物生長過程中水分轉(zhuǎn)化效率，也是評價缺水條件下作物生長適宜程度的指標[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用EXCEL進行整理匯總；用SPSS13統(tǒng)計軟件進行方差分析和LSD多重比較。

2 結果與分析

2.1 間作土地當量比對隔根和灌水的響應

不同灌水水平和隔根處理下間作土地當量比(LER)均大于1(圖2)，可以使土地利用效率提高13.01%～42.13%。隔根影響間作玉米與豌豆形成的補償效應，影響土地利用率的提高，在I1灌水水平下，不隔根的土地利用率分別比塑料隔根和尼龍網(wǎng)隔根處理提高了14.79%和4.23%，尼龍網(wǎng)隔根比塑料隔根提高了11.03%。在I2灌水水平下，不隔根分別比塑料隔根和尼龍網(wǎng)隔根土地利用率提高12.23%、2.16%，不隔根和尼龍網(wǎng)隔根之間沒有顯著差異，但均與塑料布隔根差異顯著；在I3灌水水平下，不隔根比塑料隔根和尼龍網(wǎng)隔根的土地利用率分別提高13.74%、1.53%，塑料隔根比尼龍網(wǎng)隔根降低12.40%。

注：不同字母表示在P<0.05水平下差異顯著。

Note: different letters indicated significance atP<0.05 level.

圖2 不同隔根及灌水量處理玉米間作豌豆的土地當量比

Fig.2 LER of different treatments under maize/pea intercropping systems

不隔根玉米間作豌豆時，I3灌水水平LER比I1和I2灌水水平分別降低7.75%和5.76%，且差異顯著；塑料布隔根時，I3灌水水平比I1和I2灌水水平分別低7.08%和7.37%。尼龍網(wǎng)隔根下，I3灌水水平比I1和I2灌水水平分別降低了4.41%，且差異顯著。但是，無論隔根與否，I1和I2灌水水平下LER均無顯著差異。

2.2 不同種植模式下作物產(chǎn)量對隔根和灌水的響應

間作具有顯著提高玉米、豌豆經(jīng)濟和生物產(chǎn)量的優(yōu)勢(表2)。間作經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量比兩種單作的產(chǎn)量平均提高21.27%和23.75%。在I1灌水水平下，不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根玉米間作豌豆的經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別比單作提高30.49%、18.76%、27.96%和28.34%、19.16%、25.26%。在I2灌水水平下，不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根玉米間作豌豆的經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量比單作分別提高29.65%、18.75%、28.05%和27.17%、21.18%、24.59%，間作優(yōu)勢顯著。在I3灌水水平下，不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根玉米間作豌豆的經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別比單作提高27.62%、16.05%、26.80%和26.92%、23.94%、25.22%，間作優(yōu)勢顯著。

表2 不同處理下的作物經(jīng)濟產(chǎn)量、生物產(chǎn)量及收獲指數(shù) Table 2 Grain yield, aboveground biomass and harvest index under different treatments

注：同列中不同字母表示在P<0.05水平差異顯著，下同。

Note: different letters in the same column indicated significance atP<0.05 levels; the same below.

不同灌水水平下玉米、豌豆、玉米間作豌豆的產(chǎn)量也有一定差異。其中單作豌豆在不同灌水水平下經(jīng)濟產(chǎn)量差異不顯著，但生物產(chǎn)量差異顯著(表2)；單作玉米則表現(xiàn)為不同灌水水平下經(jīng)濟產(chǎn)量差異顯著，但生物產(chǎn)量無顯著差異。在無隔根玉米間作豌豆下，I1灌水水平下經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量比I2和I3灌水水平分別提高1.98%、7.72%和2.91%、5.02%，I2灌水水平下經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量比I3灌水水平提高5.85%、2.17%，且差異顯著；在塑料隔根玉米間作豌豆下，I1灌水水平下經(jīng)濟產(chǎn)量比I2和I3灌水水平提高0.81%、7.01%，I2灌水水平經(jīng)濟產(chǎn)量比I3灌水水平提高6.26%，且差異顯著；在尼龍網(wǎng)隔根玉米間作豌豆下，I1灌水水平下經(jīng)濟產(chǎn)量比I2和I3灌水水平分別提高0.67%和5.43%，I2經(jīng)濟產(chǎn)量比I3提高4.79%。可見，低于地方10%的灌水水平下作物產(chǎn)量和當?shù)毓嗨綗o顯著差異，而低于20%的灌水水平下作物產(chǎn)量顯著低于當?shù)毓嗨健?/p>

2.3 不同種植模式下作物耗水對隔根和灌水的響應

表3列出了單作和間作群體所有處理在整個生育期內(nèi)的降水量、灌水量及耗水量。在I1灌水水平下，單作豌豆的耗水量比不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根的耗水量減少22.87%、22.81%、22.54%，耗水量差異顯著；單作玉米的耗水量比不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根的耗水量分別增加了19.12%、19.18%、19.46%，且差異顯著；不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根的耗水量比單作的平均耗水量低0.38%、0.46%、0.80%，三個間作之間耗水量差異不顯著。在I2灌水水平下，單作豌豆的耗水量比不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根的耗水量分別減少31.19%、32.07%、31.57%，且差異顯著；單作玉米的耗水量比不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根的耗水量增加了20.21%、19.18%、19.77%，耗水量差異顯著。在I3灌水水平下，單作豌豆的耗水量比不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根的耗水量分別減少28.85%、30.37%、32.16%，耗水量差異顯著；單作玉米的耗水量比不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根的耗水量分別增加了10.11%、8.15%、5.72%，且差異顯著；不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根的耗水量比單作的平均耗水量降低0.38%～10.75%。

表3 不同處理下的土壤貯水量和作物耗水量的變化 Table 3 Soil water storage before crop sowing (SWs), after harvesting (SWh), and crop water consumption under different treatments

隔根對間作復合群體耗水量的影響不明顯，在I1和I2灌水水平和不同隔根處理下，玉米間作豌豆復合群體的耗水量無明顯變化，表明在I1和I2灌水水平下作物耗水量無顯著差異。在I3灌水水平下，不同的隔根處理間耗水量差異不顯著，但I3灌水水平下耗水量顯著低于I1和I2灌水水平。

在不同灌溉水平下作物的耗水量差異不同。單作豌豆耗水量表現(xiàn)為I1>I2>I3，I1灌水水平作物耗水量顯著高于I2和I3灌水水平，I2和I3灌水水平下作物耗水量差異不顯著；單作玉米耗水量大小同單作豌豆，但I1和I2灌水水平耗水量均顯著高于I3灌水水平；在不隔根間作模式下，I1和I2灌水水平作物耗水量差異不顯著，但顯著高于I3；塑料布隔根間作和尼龍網(wǎng)隔根間作模式下作物耗水量均表現(xiàn)為差異顯著。由此可知，為了提高作物的水分利用率，節(jié)省農(nóng)業(yè)用水量，在當?shù)氐墓嗨缴蠝p少10%的灌水量是可行的。

2.4 不同種植模式下作物水分利用效率對隔根和灌水的響應

圖3表示單作和間作群體處理的水分利用效率。在I1灌水水平下，間作的水分利用效率顯著高于單作，間作不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根的水分利用效率分別比單作豌豆提高了27.69%、15.17%、25.00%，比單作玉米提高了32.82%、21.56%、30.32%，差異顯著；在I2灌水水平下，間作不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根的水分利用效率分別比單作豌豆提高了18.04%、4.79%、15.43%，比單作玉米提高了32.47%、21.56%、30.32%；在I3灌水水平下，間作不隔根、塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根的水分利用效率分別比單作豌豆提高了12.50%、-2.98%、7.69%，比單作玉米提高了22.91%、9.20%、18.68%。三個間作處理的水分利用效率分別比單作水分利用效率平均值提高3.07%～43.38%，在間作和單作水分消耗相似的情況下，間作水分利用效率明顯高于單作。

圖3 不同處理下玉米間作豌豆的水分利用效率

Fig.3 WUE of different treatments under maize/pea intercropping system

隔根對間作復合群體的水分利用率影響顯著。在I1灌水水平下，三個玉米豌豆間作處理，耗水量差異不顯著，但是無隔根的水分利用效率分別較塑料隔根、尼龍網(wǎng)隔根高14.36%和3.59%，尼龍網(wǎng)隔根比塑料布隔根的水分利用率提高11.7%；在I2灌水水平下，無隔根的水分利用效率分別較塑料隔根、尼龍網(wǎng)隔根高13.92%和3.09%，尼龍網(wǎng)隔根比塑料布隔根的水分利用率提高11.7%，差異顯著；在I3灌水水平下，無隔根的水分利用效率分別較塑料隔根、尼龍網(wǎng)隔根提高15.10%和5.21%，尼龍網(wǎng)隔根比塑料布隔根的水分利用率提高10.44%。

單作豌豆時，I3處理水分利用效率分別比I1和I2處理高16.07%和5.36%，I2低于當?shù)?0%灌水量的水分利用效率比I1傳統(tǒng)灌水處理的高11.33%，差異顯著；單作玉米，I3處理的水分利用效率比I1和I2處理均提高了11.49%；不隔根玉米間作豌豆，I1和I2灌水水平下水分利用效率沒有顯著差異，而I1和I3水分利用率差異顯著；在塑料布隔根玉米間作豌豆處理下，I1和I2水分利用效率相當，而I3水分利用率比I1和I2降低了2.40%，且差異顯著；在尼龍網(wǎng)隔根玉米間作豌豆下，I1和I2水分利用效率相等，而I3水分利用率比I1和I2降低了3.19%，且差異顯著。這說明當?shù)亓晳T性灌水和低于當?shù)?0%灌水對間作作物提高間作的水分利用效率是一樣的，可以用低于地方10%灌水代替當?shù)亓晳T性灌水，提高農(nóng)業(yè)用水的利用效率。

3 結論與討論

間作套種增產(chǎn)、增效和提高水分、養(yǎng)分、光熱資源利用效率的作用已經(jīng)被大量研究證實[5,9-11]，并被作為解決人口增長、耕地減少矛盾的重要對策在許多國家大面積應用。合理的間套作可以增產(chǎn)30%～50%，西北一熟灌區(qū)的小麥玉米間套作帶田較一般高產(chǎn)田可增產(chǎn)50%以上，部分增產(chǎn)幅度在100%[12]，帶田比單作具有更高的水分生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益[13-14]。本試驗中，P/C、PP/C、NP/C與單作相比，土地利用效率提高了13.01%～42.13%；不同間作處理的經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別比兩種單作的產(chǎn)量高30.45%～12.90%和19.16%～28.34%。隔根影響豌豆與玉米間作形成的補償效應，間作群體中作物根系在空間上的重疊和生理生態(tài)學特性的改變是決定地下產(chǎn)量貢獻大小的重要原因[15]。在I1灌水水平下，不隔根處理與塑料布隔根處理相比，產(chǎn)量高14.45%，主要是因為地下部分的補償作用，而16.04%的產(chǎn)量優(yōu)勢產(chǎn)生于對地上資源的補償利用。不隔根處理與尼龍網(wǎng)隔根處理的產(chǎn)量優(yōu)勢差異為3.52%，這一優(yōu)勢來自于根系對土壤空間的疊加利用。

種植模式和灌水水平均影響豌豆、玉米全生育期耗水量，而隔根對豌豆間作玉米總耗水量影響較小。有研究表明，間作干物質(zhì)生產(chǎn)力提高，但水分消耗量并沒有改變[7,16]，間套作消耗的水分與相應單作(加權平均)比較，水分消耗量差異很小[14]。本試驗中，單作比間作的耗水量高0.38%～10.75%，間作處理間耗水量差異不顯著。單作豌豆處理的耗水量是I1>I2>I3，I1傳統(tǒng)灌水處理的耗水量顯著高于I2(低于地方10%灌水)和I3(低于地方20%的灌水)處理；兩個單作處理的耗水量差異不明顯，但I1傳統(tǒng)灌水處理和I2(低于地方10%灌水)處理的耗水量顯著高于I3(低于地方20%的灌水)處理；在不同隔根方式的間作處理內(nèi)，地方習慣灌水水平和低于10%灌水水平的耗水量差異不顯著，但顯著低于20%灌水的耗水量。在不隔根方式下的間作處理內(nèi)，地方習慣灌水和低于地方10%灌水的耗水量顯著低于20%灌水的耗水量；在塑料布隔根間作和尼龍網(wǎng)隔根內(nèi)，作物耗水量的差異顯著。

復合群體各配對作物根系的垂直分布表現(xiàn)為層次遞減性[17]，根系垂直生長呈多波順次遞推特點，這種特性使根系生長中心和吸收中心交替出現(xiàn)，提高了水分和養(yǎng)分的利用效率。Morris 等[1]發(fā)現(xiàn)，間作群體耗水量與單作耗水量的加權平均相比變化在-6%～+7%，但水分利用效率可提高18%～99%。碗豆/玉米間套作中種間根系是弱競爭，即碗豆根系僅占據(jù)較小的地下部空間即可滿足其對養(yǎng)分需求，而玉米可以占據(jù)兩作物地下部空間，擴大了根系的吸收空間，表現(xiàn)出促進作用。本試驗間作處理的水分利用效率分別比單作高3.07%～43.38%。根間作用對豌豆/玉米水分利用效率的貢獻率達到3.09%～15.10%，說明在灌水量減少的情況下，作物對水分的利用更加顯著。因此復合群體內(nèi)間作作物生長期間根系分布在時間和空間上的錯位是復合群體高產(chǎn)、高效的主要原因之一。豌豆間作玉米和單作在耗水量差異不顯著的情況下，間作水分利用效率比單作顯著提高，表明間作可以更好地利用土壤水分。低于地方10%的灌水和地方習慣灌水的水分利用效率和產(chǎn)量均無顯著差異，說明在實際生產(chǎn)中可以減少農(nóng)業(yè)灌水量以降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。在復合群體高效管理技術的開發(fā)上，應通過配對作物在空間上的合理布置、品種根系時空分布特征的合理利用使配對作物根系在土壤中適度疊加，利用作物根際之間的補償效應，提高作物水分和營養(yǎng)品質(zhì)的利用效率，從而充分發(fā)揮間作群體增產(chǎn)、增效的作用。

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