小麥/向日葵間作群體水鹽運(yùn)移機(jī)理及種間競(jìng)爭(zhēng)能力研究

張作為　史海濱　劉德平　李仙岳　閆建文　李宏宇

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0　引言

間作是通過(guò)不同作物在時(shí)間和空間上的合理搭配，實(shí)現(xiàn)種植集約化的一種種植方式。間作具有提高光能、水分、養(yǎng)分等農(nóng)業(yè)資源利用效率[1-3]，提升單位土地面積產(chǎn)出數(shù)量，確保國(guó)家糧食安全的重要作用[4-6]。河套灌區(qū)地處內(nèi)蒙古光熱資源豐富的中西部，又是小麥/向日葵間作模式的主要種植地區(qū)之一，但人們對(duì)增產(chǎn)機(jī)理認(rèn)識(shí)不清，往往都認(rèn)為是間作模式改善了作物的通風(fēng)透光條件，從而增加了作物產(chǎn)量[7-8]，產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因?yàn)槿狈?duì)間作群體內(nèi)部水鹽運(yùn)移機(jī)理及種間競(jìng)爭(zhēng)能力的了解而引起的認(rèn)識(shí)局限。

目前對(duì)間作系統(tǒng)地下部分的研究主要集中在間作群體的水分利用特征[9-11]、根系分布特征[12-13]、相對(duì)貢獻(xiàn)率[14-16]等方面，對(duì)間作系統(tǒng)內(nèi)部的種間競(jìng)爭(zhēng)能力問(wèn)題研究較少[17-18]，對(duì)間作體系內(nèi)部?jī)勺魑镩g水鹽運(yùn)移關(guān)系的量化分析更是鮮有報(bào)道[19]。大量研究表明，間作群體根系在時(shí)空上的錯(cuò)位分布是間作系統(tǒng)高產(chǎn)的基礎(chǔ)[20-22]，即間作群體的地下部?jī)?yōu)勢(shì)主要來(lái)源于群體內(nèi)兩作物間根系的交叉疊加與水分養(yǎng)分互補(bǔ)效應(yīng)，但目前仍無(wú)法對(duì)其進(jìn)行量化分析。此外，向日葵是當(dāng)?shù)刈畛Ｒ?jiàn)的抗鹽作物，但河套灌區(qū)長(zhǎng)時(shí)間大范圍的種植不利于土壤微生物環(huán)境的改善及土壤有機(jī)質(zhì)含量的提升，易造成土壤板結(jié)退化，且長(zhǎng)時(shí)間單一化種植還會(huì)造成向日葵列當(dāng)病的高發(fā)病率。因此，間作是河套灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，而量化間作群體內(nèi)部水鹽運(yùn)移關(guān)系對(duì)于探討河套灌區(qū)小麥/向日葵間作種植模式的可持續(xù)發(fā)展具有十分重大的意義。

為此，本文通過(guò)2 a田間小區(qū)試驗(yàn)，以小麥間作向日葵為研究對(duì)象，利用根系分隔理論，對(duì)河套灌區(qū)小麥/向日葵間作群體根系在土壤中的交叉疊加效應(yīng)和水分與養(yǎng)分的傳輸互補(bǔ)效應(yīng)可降低的土壤鹽分及可多利用的水量進(jìn)行量化分析，并對(duì)群體內(nèi)的種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力進(jìn)行研究，以期為鹽漬化地區(qū)小麥/向日葵間作群體的高產(chǎn)高效栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015—2016年在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)磴口縣壩楞村農(nóng)業(yè)綜合節(jié)水示范區(qū)(40°24′32″N，107°02′19″E)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)海拔高度為1 048.7 m，年均氣溫7.6℃，年均降雨量144.5 mm，蒸發(fā)量2 343.2 mm，無(wú)霜期178 d，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)地前茬為玉米，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)粘壤土(0.05～2 mm占34.532%，0.002～0.05 mm占63.267%，小于0.002 mm占2.201%)，土層厚度達(dá)100 cm以上，體積質(zhì)量為1.49 g/cm3，田間持水量為37.8%(體積含水率/環(huán)刀法)。耕層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.14%，堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.001 7%，速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.002%，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.016%。試驗(yàn)田可溶性鹽主要為氯化物-硫酸鹽。

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。小區(qū)間隨機(jī)區(qū)組排列。供試小麥為當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)品種永良4號(hào)，單作與間作小麥播種密度均為450萬(wàn)粒/hm2，行距為12.5 cm，每條帶播種6行。供試向日葵為T(mén)9938，單作與間作向日葵播種密度均為5.5萬(wàn)株/hm2，行距為40 cm，株距為45 cm，每條帶播種1膜2行。間作各小區(qū)每種作物播種2個(gè)條帶。

表1　不同處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1　Design of different treatments

間作群體分別設(shè)置塑料布隔根、尼龍網(wǎng)隔根與不隔根3種分隔方式，塑料布隔根目的是隔斷小麥、向日葵間水分與養(yǎng)分的交流及其根系間的相互交叉疊加，尼龍網(wǎng)隔根目的是阻斷小麥、向日葵間根系的相互交叉疊加，但不阻斷兩作物間水分與養(yǎng)分的相互傳輸，不隔根與單作則作為對(duì)照處理。塑料布采用0.12 mm厚農(nóng)用棚膜，尼龍網(wǎng)采用孔徑為300目、1 m寬的尼龍網(wǎng)，分隔深度為1 m，均鋪設(shè)在距玉米20 cm、距小麥10 cm處，具體布置如圖1所示。小區(qū)四周修筑30 cm高、50 cm寬的畦埂以便于灌水，畦埂內(nèi)部埋入1.3 m深的防水塑料膜以防止小區(qū)內(nèi)水分外滲。2015年小麥于3月21日播種，4月5日出苗，7月16日收獲，向日葵于5月23日播種，5月29日出苗，9月15日收獲，兩作物共生期為48 d；2016年小麥于3月19日播種，4月4日出苗，7月16日收獲，向日葵于5月20日播種，5月26日出苗，9月15日收獲，兩作物共生期為51 d。小麥?zhǔn)┘僋 225 kg/hm2，45%作基肥，55%頭水前追施，施純P2O5150 kg/hm2，全作基肥；向日葵施純N 200 kg/hm2，40%作基肥，60%開(kāi)花期一次性追施，施純P2O5150 kg/hm2，全作基肥。

圖1　小麥/向日葵間作體系中作物田間分布及根系分隔示意圖Fig.1　Location of intercropped crops and root barrier in wheat/maize intercropping system of field

1.3　測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1氣象資料

田間氣象資料來(lái)源于安置在田間的微型氣象站(HOBO型，美國(guó))，測(cè)定時(shí)間間隔為1 h，可以測(cè)定田間的降雨量、溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等氣象資料。間作群體全生育期的降雨量、灌水量及灌水時(shí)間見(jiàn)圖2。

圖2　作物全生育期內(nèi)降雨量與灌水量Fig.2　Rainfall and irrigation amount during whole period of crop growth

1.3.2土壤含水率

土壤含水率測(cè)量的取樣深度為0～100 cm，每20 cm一層，每點(diǎn)5個(gè)樣，采用土鉆取土，干燥稱(chēng)量法測(cè)定，從播種開(kāi)始直到全部收獲，取樣間隔每10 d一次，灌水及降雨前后加測(cè)。每作物條帶3個(gè)取樣點(diǎn)，取樣位置如圖1箭頭處，3次重復(fù)，合計(jì)每間作處理下的每種作物一次取樣45個(gè)。

1.3.3灌水量

各處理全生育期灌溉6次，灌水量上限為土壤田間持水量，為精確模擬實(shí)地環(huán)境，灌水量下線(xiàn)定為當(dāng)?shù)禺?dāng)次灌水時(shí)田間含水率。因此，當(dāng)次灌水量則由灌前取土測(cè)含水率與田間持水量差值計(jì)算得出，水量由帶水表的水泵精確控制，灌溉水來(lái)源于黃河水。

1.3.4土壤鹽分

于小麥與向日葵播種前及收獲后，采用土鉆取樣法分5層，每層20 cm，采集0～100 cm土層土樣，取樣位置同含水率取樣位置，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干、研磨并過(guò)20目篩后，稱(chēng)取20 g土樣，100 mL去離子水，放入燒杯用玻璃棒攪勻靜置1 h后，取上層澄清液用電導(dǎo)率儀(DDS-308A型)測(cè)定土壤浸提液電導(dǎo)率。

1.3.5相互利用水量

由于根系分隔會(huì)導(dǎo)致間作群體根系的再分布問(wèn)題，因此間作模式下不隔根處理與隔根處理下的兩作物間相互利用水量需分別計(jì)算，其計(jì)算方法如下：

(1)通過(guò)對(duì)比不隔根處理兩作物條帶灌溉前的體積含水率與相應(yīng)單作處理作物條帶體積含水率差值數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出不隔根處理單位面積間作群體整個(gè)生育期內(nèi)兩作物間每次灌溉后相互利用水量及總利用水量，則不隔根處理每次灌溉后利用小麥側(cè)水量為

Wbw=100(T3s-T2)hsμ

(1)

式中Wbw——不隔根處理利用小麥側(cè)水量，m3/hm2

T3s——不隔根處理向日葵條帶每次灌溉前的土壤體積含水率，%

T2——單作向日葵同一時(shí)間的土壤體積含水率，%

h——土層厚度，m

s——單位面積，m2/hm2

μ——間作群體中向日葵占地面積百分比，%

同理，不隔根處理每次灌溉后利用向日葵側(cè)水量為

Wbs=100(T3w-T1)hsη

(2)

式中Wbs——不隔根處理利用向日葵側(cè)水量，m3/hm2

T3w——不隔根處理小麥條帶每次灌溉前的土壤體積含水率，%

T1——單作小麥同一時(shí)間的土壤體積含水率，%

η——間作群體中小麥占地面積百分比，%

(2)通過(guò)對(duì)比尼龍網(wǎng)隔根處理兩作物條帶灌溉前的體積含水率與相應(yīng)塑料布隔根處理的相同作物條帶體積含水率差值數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出尼龍網(wǎng)隔根處理單位面積間作群體整個(gè)生育期內(nèi)兩作物間每次灌溉后相互利用水量及總利用水量，則尼龍網(wǎng)隔根處理每次灌溉后利用小麥側(cè)水量為

Wnw=100(T4s-T5s)hsμ

(3)

式中Wnw——尼龍網(wǎng)隔根處理利用小麥側(cè)水量，m3/hm2

T4s——尼龍網(wǎng)隔根處理向日葵條帶每次灌溉前的土壤體積含水率，%

T5s——塑料布隔根處理向日葵條帶同一時(shí)間的土壤體積含水率，%

同理，尼龍網(wǎng)隔根處理每次灌溉后利用向日葵側(cè)水量為

Wns=100(T4w-T5w)hsη

(4)

式中Wns——尼龍網(wǎng)隔根處理利用向日葵側(cè)水量，m3/hm2

T4w——尼龍網(wǎng)隔根處理小麥條帶每次灌溉前的土壤體積含水率，%

T5w——塑料布隔根處理小麥條帶同一時(shí)間的土壤體積含水率，%

1.3.6間作優(yōu)勢(shì)

間作體系的間作優(yōu)勢(shì)常用2個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量，一是土地當(dāng)量比(LER)，一是間作群體產(chǎn)量與相應(yīng)作物同等面積單作時(shí)的產(chǎn)量差值。土地當(dāng)量比(LER)計(jì)算公式為

LER=Iw/Yw+Is/Ys

(5)

式中Iw——間作小麥產(chǎn)量，kg/hm2

Yw——單作小麥產(chǎn)量，kg/hm2

Is——間作向日葵產(chǎn)量，kg/hm2

Ys——單作向日葵產(chǎn)量，kg/hm2

間作群體產(chǎn)量與相應(yīng)作物同等面積單作時(shí)的產(chǎn)量差值計(jì)算公式為

Y=Ym-(Ywη+Ysμ)

(6)

式中Y——間作群體產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，kg/hm2

Ym——間作群體中小麥與向日葵產(chǎn)量之和，kg/hm2

1.3.7種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力

衡量間作系統(tǒng)中一種作物相對(duì)另一種作物對(duì)水肥等自然資源競(jìng)爭(zhēng)能力的大小時(shí)常用種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)表述，本文以小麥相對(duì)向日葵對(duì)資源競(jìng)爭(zhēng)能力的大小進(jìn)行計(jì)算，為

Aws=Iw/(Ywη)-Is/(Ysμ)

(7)

式中Aws——間作群體中小麥相對(duì)于向日葵資源競(jìng)爭(zhēng)能力

當(dāng)Aws>0，表明間作群體中小麥的競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于向日葵；當(dāng)Aws<0，表明間作群體中小麥的競(jìng)爭(zhēng)能力弱于向日葵。

1.4　數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2003進(jìn)行處理，用SPSS 17.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析并進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(LSD法)，檢驗(yàn)不同處理之間的差異顯著性。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同處理兩作物條帶土壤水分運(yùn)移規(guī)律

圖3　各處理平均土壤含水率動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)Fig.3　Dynamic curves of average soil water with different treatments

由于間作系統(tǒng)中小麥與向日葵的播種與收獲時(shí)間不同、根系分布規(guī)律不同、吸水規(guī)律及需水時(shí)間等的差異，進(jìn)而造成小麥、向日葵共生期內(nèi)需水時(shí)間、空間上的錯(cuò)位，這也為土壤水分在間作群體中進(jìn)行優(yōu)化配置成為可能。為了更準(zhǔn)確更直觀地體現(xiàn)出不同處理下兩作物條帶的土壤水分運(yùn)移規(guī)律，以各處理不同作物條帶100 cm深土層的平均體積含水率為自變量，以時(shí)間為因變量作圖(圖3，T1麥表示單作小麥，T3麥表示根系不分隔下的間作小麥，T4麥表示尼龍網(wǎng)隔根下的間作小麥，T5麥表示塑料布隔根下的間作小麥；T2葵表示單作向日葵，T3葵表示根系不分隔下的間作向日葵，T4葵表示尼龍網(wǎng)隔根下的間作向日葵，T5葵表示塑料布隔根下的間作向日葵)，由圖3可見(jiàn)不同處理整個(gè)生育期各作物條帶平均土壤含水率(0～100 cm)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化特征，通過(guò)對(duì)圖中間作模式下兩不同作物條帶的平均土壤含水率(0～100 cm)變化規(guī)律可知，間作系統(tǒng)中兩作物條帶間存在明顯競(jìng)爭(zhēng)與互補(bǔ)關(guān)系，通過(guò)間作系統(tǒng)中兩作物條帶間土壤含水率(0～100 cm)的差值大小即可看出，共生前期兩作物間土壤含水率(0～100 cm)差值較大(麥-葵為負(fù)值，說(shuō)明此時(shí)向日葵條帶是作為間作群體水源的角色而存在)表現(xiàn)為明顯的互補(bǔ)關(guān)系，共生中期，特別是四水前后的6月下旬左右，當(dāng)兩作物條帶間的平均土壤含水率差值為零或是接近于零，這時(shí)兩作物間表現(xiàn)為明顯的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，之后由于間作群體中的小麥逐漸成熟而需水減少，兩作物間土壤含水率(0～100 cm)又逐漸增大(麥-葵為正值，說(shuō)明此時(shí)小麥條帶是作為間作群體水源的角色而存在)，間作群體兩作物間又回到互補(bǔ)關(guān)系當(dāng)中?？梢?jiàn)，間作群體整個(gè)生育期對(duì)于水分的需求基本呈現(xiàn)“互補(bǔ)-競(jìng)爭(zhēng)-互補(bǔ)”的過(guò)程，且在四水前后的6月下旬出現(xiàn)補(bǔ)充水源角色的轉(zhuǎn)變。

通過(guò)間作群體兩作物間相互利用水量計(jì)算公式就可以計(jì)算出各處理每水灌溉后兩作物間相互利用水量及總利用水量(表2)，由表2可知，間作群體內(nèi)部不隔根處理(T3)小麥條帶利用向日葵側(cè)的水量是向日葵條帶利用小麥側(cè)水量的1.35～2.10倍，尼龍網(wǎng)隔根處理(T4)小麥條帶利用向日葵側(cè)的水量是向日葵條帶利用小麥側(cè)水量的1.79～3.80倍，而不隔根處理(T3)小麥條帶利用向日葵側(cè)的水量是尼龍網(wǎng)隔根處理(T4)小麥條帶利用向日葵側(cè)水量的1.36～1.98倍，不隔根處理(T3)向日葵條帶利用小麥側(cè)水量是尼龍網(wǎng)隔根處理(T4)向日葵條帶利用小麥側(cè)水量的1.70～3.83倍?？梢?jiàn)，間作群體內(nèi)部小麥對(duì)水分的捕獲能力強(qiáng)于向日葵，且根系的交叉疊加效應(yīng)有利于提升間作群體的吸水能力。此外，通過(guò)對(duì)比尼龍網(wǎng)隔根處理(T4)與塑料布隔根處理(T5)可知，水分與養(yǎng)分的互補(bǔ)效應(yīng)可以多利用15.12～26.40 m3/hm2的小麥帶土壤水量(T4處理利用小麥側(cè)水量)，47.60～57.44 m3/hm2的向日葵帶土壤水量(T4處理利用向日葵側(cè)水量)。而根系在土壤空間的交叉疊加效應(yīng)可以多利用18.56～42.84 m3/hm2的小麥帶土壤水量(T3處理利用小麥側(cè)水量-水分與養(yǎng)分互補(bǔ)效應(yīng)利用小麥側(cè)水量)，20.79～46.63 m3/hm2的向日葵帶土壤水量(T3處理利用向日葵側(cè)水量-水分與養(yǎng)分互補(bǔ)效應(yīng)利用向日葵側(cè)水量)。

表2　間作群體全生育期兩作物間相互利用水量Tab.2　Mutual use of water during whole period between two crops growth in intercropping system　m3/hm2

注：表中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)平均值，負(fù)值表示該作物反被另一側(cè)作物利用或損失相應(yīng)數(shù)值的水量，下同。

2.2　生育期前后小麥/向日葵間作群體地下部土壤鹽分變化特征

間作群體生育期前后不同作物條帶土壤鹽分變化如表3所示，收獲后小麥、向日葵作物條帶均較播種前有較大幅度下降，這是由水分與養(yǎng)分傳輸及間作群體根系對(duì)肥料的高效利用共同作用的結(jié)果，通過(guò)對(duì)比收獲后不同處理間兩作物條帶的差異可知，不隔根處理(T3)小麥帶土壤EC均值較單作(T1)下降了6.01%～7.62%，且差異顯著(P<0.05)，向日葵帶較單作(T2)下降了4.70%～4.98%；尼龍網(wǎng)隔根處理(T4)小麥帶土壤EC均值較塑料布隔根處理(T5)下降了2.98%～4.69%，向日葵帶下降了1.82%～2.44%?？梢?jiàn)，小麥/向日葵間作群體仍具有一定的控鹽作用。由試驗(yàn)設(shè)計(jì)可知，塑料布隔根處理(T5)目的是隔斷小麥、向日葵間水分與養(yǎng)分的交流及其根系間的相互交叉疊加，尼龍網(wǎng)隔根處理(T4)目的是阻斷小麥、向日葵間根系的相互交叉疊加，但不阻斷兩作物間水分與養(yǎng)分的相互傳輸，因此，其差值即表示由于水分與養(yǎng)分的互補(bǔ)效應(yīng)而降低的土壤鹽分，故水分與養(yǎng)分在小麥與向日葵間的互補(bǔ)效應(yīng)可以降低2.98%～4.69%的小麥條帶土壤EC均值，1.82%～2.44%向日葵條帶土壤EC均值。而間作群體根系在土壤中的交叉疊加效應(yīng)可以降低1.32%～4.64%的小麥條帶土壤EC均值(T3處理小麥帶土壤鹽分下降值-水分與養(yǎng)分互補(bǔ)效應(yīng)降低的小麥帶土壤鹽分)，2.26%～3.16%的向日葵條帶土壤EC均值(T3處理向日葵帶土壤鹽分下降值-水分與養(yǎng)分互補(bǔ)效應(yīng)降低的向日葵帶土壤鹽分)。

表3　生育期前后不同作物條帶土壤EC均值Tab.3　Mean value of soil EC with different crop belts before and after growth period　mS/cm

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異達(dá)5%顯著水平，下同。

2.3　小麥/向日葵間作優(yōu)勢(shì)與種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力

小麥/向日葵間作群體的間作優(yōu)勢(shì)不僅受地上部因素的影響，地下部因素對(duì)其貢獻(xiàn)也頗多(表4)。由間作群體的土地當(dāng)量比(LER)可知，小麥/向日葵間作群體的土地利用效率較高。以作物單作時(shí)面積加權(quán)平均值為對(duì)照，T3處理產(chǎn)量提高了29.47%～31.29%，T5處理提高了3.36%～7.15%，說(shuō)明河套灌區(qū)間作優(yōu)勢(shì)的3.36%～7.15%來(lái)源于地上部分的貢獻(xiàn)，而地下部分的貢獻(xiàn)為22.32%～27.93%。以T5處理為對(duì)照，則T4處理產(chǎn)量提高了6.28%～14.14%，說(shuō)明水分與養(yǎng)分在小麥/向日葵間作群體間的互補(bǔ)效應(yīng)貢獻(xiàn)了6.28%～14.14%的間作優(yōu)勢(shì)。因此，間作優(yōu)勢(shì)中的13.79%～16.04%來(lái)源于間作群體根系的交叉疊加效應(yīng)(地下部間作優(yōu)勢(shì)貢獻(xiàn)率-水分養(yǎng)分互補(bǔ)效應(yīng)貢獻(xiàn)率)。

從可比面積上間作群體間凈增產(chǎn)量可知，T3處理凈增產(chǎn)量為1 121～1 182 kg/hm2，T5處理凈增產(chǎn)量為127～272 kg/hm2，說(shuō)明地上部分對(duì)間作優(yōu)勢(shì)的貢獻(xiàn)率為10.74%～24.26%，而地下部分對(duì)間作優(yōu)勢(shì)的貢獻(xiàn)率為75.74%～89.26%，T5處理較T4處理產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)下降了22.84%～46.70%,說(shuō)明間作群體間水分養(yǎng)分的互補(bǔ)效應(yīng)對(duì)間作優(yōu)勢(shì)的貢獻(xiàn)率為22.84%～46.70%。小麥/向日葵間作群體根系交叉疊加效應(yīng)對(duì)間作優(yōu)勢(shì)貢獻(xiàn)率為46.79%～52.90%。

表4　各處理間作優(yōu)勢(shì)與種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力Tab.4　Intercropping advantages and relative competitive ability between two species among different treatments

從間作群體兩作物種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力上看，間作群體內(nèi)小麥的競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于向日葵(不隔根處理小麥相對(duì)于向日葵的種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力均大于零)，而阻斷小麥與向日葵間根系的交叉疊加(T4)會(huì)降低小麥的種間競(jìng)爭(zhēng)能力(尼龍網(wǎng)隔根處理小麥相對(duì)于向日葵的種間競(jìng)爭(zhēng)能力均小于不隔根處理)，完全阻止根系的交叉疊加與水分養(yǎng)分在兩作物間的傳輸補(bǔ)給(T5)，則會(huì)提升向日葵的種間競(jìng)爭(zhēng)能力(塑料布隔根處理小麥相對(duì)于向日葵的種間競(jìng)爭(zhēng)能力均小于零)，使間作群體中的小麥由優(yōu)勢(shì)種變?yōu)榱觿?shì)種。由表4可知，阻斷小麥/向日葵間作群體的根系交叉疊加會(huì)降低17.31%～63.93%的小麥相對(duì)于向日葵的競(jìng)爭(zhēng)能力，而阻斷小麥/向日葵間作群體的水分養(yǎng)分交流則會(huì)降低36.07%～82.69%的小麥相對(duì)于向日葵的競(jìng)爭(zhēng)能力，可見(jiàn)小麥/向日葵間作群體內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)主要來(lái)源于兩作物對(duì)水分養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)。

3　討論

近年來(lái)，間作因明顯的節(jié)約資源和穩(wěn)產(chǎn)潛力，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要模式進(jìn)行了更深入的研究，且模式日益多樣化[3,9,11,14,16-17,21]。大量研究表明在多種間作體系間存在間作優(yōu)勢(shì)[14-20]，但目前關(guān)于地上部與地下部因素對(duì)間作優(yōu)勢(shì)的相對(duì)貢獻(xiàn)率研究比較少[14,16-17]，且多認(rèn)為間作群體的間作優(yōu)勢(shì)以地上部貢獻(xiàn)為主，以地下部分貢獻(xiàn)為輔[14,17]，這與本研究結(jié)果不一致，本研究認(rèn)為河套灌區(qū)的間作優(yōu)勢(shì)以地下部貢獻(xiàn)為主體，這與呂越等[16,23]的研究結(jié)論一致，其產(chǎn)生原因可能為各試驗(yàn)地區(qū)及灌溉方式不同，進(jìn)而各試驗(yàn)區(qū)氣候、降雨量、降雨強(qiáng)度及地下水埋深等迥異，導(dǎo)致小麥/向日葵間作群體地下部分兩作物間的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度明顯低于河套灌區(qū)，相應(yīng)的兩作物間水分養(yǎng)分的交流過(guò)低所致。

綜合國(guó)內(nèi)外眾多研究成果可知，間作能夠促進(jìn)植物體根系對(duì)農(nóng)田水分的充分利用，這有利于增加根層土壤的可用水量[1-3,5-6,9-10]。此外，間作模式優(yōu)化了作物系統(tǒng)的源-庫(kù)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出了更有利于植物生長(zhǎng)發(fā)育的田間小環(huán)境，為資源在時(shí)間和空間上的集約利用和高產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2-6,10,22-26]。這是因?yàn)殚g作群體內(nèi)的兩作物由于根系分布及吸水吸肥空間不同，產(chǎn)生不同組分分享有限資源的互補(bǔ)效應(yīng)[26]，間作為資源需求特性不同的兩作物提供了從時(shí)間到空間利用生態(tài)位分異的基礎(chǔ)，促進(jìn)了種間互補(bǔ)效應(yīng)對(duì)相關(guān)資源的高效利用，或是一種作物為群體內(nèi)另一種作物直接提供資源[27]，形成了種間互補(bǔ)效應(yīng)，即利用不同庫(kù)存物質(zhì)。但是，間作模式水分高效利用的形成涉及到植物體本身的生理生態(tài)特性，以及不同植物體間對(duì)水肥資源及相關(guān)資源在時(shí)間與空間上的競(jìng)爭(zhēng)互補(bǔ)，且本質(zhì)上決定了競(jìng)爭(zhēng)與互補(bǔ)的動(dòng)態(tài)博弈[28]，這對(duì)量化間作作物對(duì)土壤水肥資源的競(jìng)爭(zhēng)和互補(bǔ)效應(yīng)產(chǎn)生了難題。本研究通過(guò)采用不同分隔方式對(duì)小麥/向日葵間作群體進(jìn)行了研究，量化分析了間作群體內(nèi)兩作物間的相互利用水量，并進(jìn)一步明確了水分養(yǎng)分互補(bǔ)效應(yīng)與根系交叉疊加效應(yīng)各自多利用的水量及降低的土壤鹽分，最終揭示了間作群體在不增加農(nóng)田灌溉水量的同時(shí)大幅提高單位面積產(chǎn)量，促進(jìn)作物水分利用效率明顯提高的機(jī)理。由此說(shuō)明，有限資源的互補(bǔ)利用預(yù)示著相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)作用的減弱和產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)的形成，結(jié)合間作作物的生長(zhǎng)發(fā)育情況可知，量化種間競(jìng)爭(zhēng)能力及互補(bǔ)水量，為人為調(diào)控間作群體的水分高效利用特性創(chuàng)造了切入點(diǎn)。

縱觀間作群體的相關(guān)研究不難發(fā)現(xiàn)，基于收獲期間作產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)的成果較多[11,14-18]，但對(duì)揭示間作群體根系間互補(bǔ)動(dòng)態(tài)的研究成果鮮見(jiàn)報(bào)道[19,23]。然而，基于收獲期的各類(lèi)指標(biāo)是間作群體生命過(guò)程的最終體現(xiàn)，且相對(duì)穩(wěn)定，難以揭示群體內(nèi)兩作物間的相關(guān)關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化，因而以這些指標(biāo)做出的結(jié)論難以系統(tǒng)、精確地為間作模式制定科學(xué)合理的灌溉制度提供理論依據(jù)。此外，間作群體根系的時(shí)空分布與生理特性是響應(yīng)土壤水分變化的重要因子，廣泛用于挖掘作物本身的節(jié)水潛力。相反，間作復(fù)合群體如何通過(guò)對(duì)水分供給的調(diào)控而控制根系，并產(chǎn)生對(duì)水分的互補(bǔ)利用效應(yīng)，是間作群體將來(lái)的研究重點(diǎn)。在間作群體中，采用不同分隔方式使植物根系在空間生態(tài)位上產(chǎn)生互補(bǔ)與競(jìng)爭(zhēng)，既體現(xiàn)出根系在空間上的交叉疊加，又會(huì)引起植物體內(nèi)部生理生態(tài)學(xué)特性的變化，這是決定地上部因素與地下部因素作用大小的重要因素[25]。因此，如果人為對(duì)復(fù)合群體進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控，利用間作群體在時(shí)間與空間上的生態(tài)位分離及對(duì)資源的需求差異，可進(jìn)一步明確群體內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理。針對(duì)這些問(wèn)題，本研究通過(guò)量化間作群體內(nèi)每水灌溉后兩作物間的相互利用水量及收獲時(shí)的間作優(yōu)勢(shì)與控鹽效果，系統(tǒng)性地明確了小麥/向日葵間作模式的水鹽運(yùn)移機(jī)理及種間競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理，對(duì)于創(chuàng)建間作的高產(chǎn)高效精準(zhǔn)灌溉管理制度具有重要的實(shí)際意義。

4　結(jié)論

(1)小麥/向日葵間作群體全生育期內(nèi)小麥條帶利用向日葵側(cè)的水量為78.23～94.23 m3/hm2，向日葵條帶利用小麥側(cè)水量為44.96～57.97 m3/hm2。其中根系在土壤空間的交叉疊加效應(yīng)可以利用18.56～42.84 m3/hm2的小麥帶土壤水量，20.79～46.63 m3/hm2的向日葵帶土壤水量，水分與養(yǎng)分的互補(bǔ)效應(yīng)可以利用15.12～26.40 m3/hm2的小麥帶土壤水量，47.60～57.44 m3/hm2的向日葵帶土壤水量。

(2)小麥/向日葵間作群體具有輕度的控鹽作用，間作群體可降低6.01%～7.62%的小麥帶土壤EC均值，4.70%～4.98%的向日葵條帶土壤EC均值。其中根系在土壤中的交叉疊加效應(yīng)可以降低1.32%～4.64%的小麥條帶土壤EC均值，2.26%～3.16%的向日葵條帶土壤EC均值，而水分和養(yǎng)分在小麥與向日葵間的互補(bǔ)效應(yīng)可以降低2.98%～4.69%的小麥條帶土壤EC均值，1.82%～2.44%向日葵條帶土壤EC均值。

(3)以L(fǎng)ER為依據(jù)的間作群體總產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)為29.47%～31.29%。其中3.36%～7.15%來(lái)自于地上部分的貢獻(xiàn)，22.32%～27.93%來(lái)源于地下部分的貢獻(xiàn)，地下部分貢獻(xiàn)中13.79%～16.04%來(lái)源于間作群體根系的交叉疊加效應(yīng)，6.28%～14.14%來(lái)自于水分養(yǎng)分的互補(bǔ)效應(yīng)。以可比面積上的凈增產(chǎn)量為依據(jù)的間作優(yōu)勢(shì)中地上部分的貢獻(xiàn)率為10.74%～24.26%，而地下部分的貢獻(xiàn)率為75.74%～89.26%，地下部分貢獻(xiàn)中有46.79%～52.90%來(lái)源于根系的交叉疊加效應(yīng)， 22.84%～46.70%來(lái)自于水分養(yǎng)分的互補(bǔ)效應(yīng)。種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力上，間作群體的根系交叉疊加效應(yīng)會(huì)提升17.31%～63.93%的小麥相對(duì)于向日葵的競(jìng)爭(zhēng)能力，水分養(yǎng)分的交流則會(huì)提升36.07%～82.69%的小麥相對(duì)于向日葵的競(jìng)爭(zhēng)能力。

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