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      黃土高原坡耕地植物籬-作物間作系統(tǒng)水分利用特征研究

      2018-06-19 01:04:52劉家鶴牛伊寧羅珠珠蔡立群張仁陟謝軍紅甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院甘肅蘭州730070甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室甘肅蘭州730070
      草業(yè)學(xué)報(bào) 2018年6期
      關(guān)鍵詞:單作蒸發(fā)量耗水量

      劉家鶴,牛伊寧,羅珠珠,蔡立群,張仁陟,謝軍紅 (1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; .甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730070)

      旱作小麥(Triticumaestivum)是我國隴中黃土高原地區(qū)主要的禾谷類作物,小麥種植之前土壤通常會(huì)被耕作3~5 次,作物的秸稈一般也會(huì)在收獲時(shí)被全數(shù)移出農(nóng)田。同時(shí),該地區(qū)降水主要集中在7-9月,這3個(gè)月的降水量一般會(huì)達(dá)到或者超過年降水量的60%,這也造成農(nóng)田休閑期與當(dāng)?shù)氐挠昙局丿B。因此,這種小麥單作系統(tǒng)模式結(jié)合作物秸稈的外移以及過度的耕作,就會(huì)造成坡耕地土壤有機(jī)碳的耗竭和嚴(yán)重的水土流失。因此,有必要在黃土高原地區(qū)已有的農(nóng)作制中加入經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的道地中藥材和豆科牧草等改進(jìn)種植模式,可以在緩解水土流失,修復(fù)生態(tài)損傷的同時(shí),使農(nóng)民獲得實(shí)在的經(jīng)濟(jì)利益,從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)和生態(tài)雙贏的目的。

      植物籬-作物間作種植模式在我國的興起可以追溯到20世紀(jì)90年代初期,孫輝等[1]在坡地上首次開展了植物籬種植模式的研究和示范工作,并結(jié)合我國山區(qū)的實(shí)際情況做了大量的改進(jìn)和完善,使之更適合我國山區(qū)和坡耕地的種植情況。此后我國植物籬種植模式試驗(yàn)研究逐步擴(kuò)大,主要集中在三峽庫區(qū)和長江中上游干旱河谷區(qū)以及北方黃土高原水土流失嚴(yán)重地區(qū)。這些研究不但揭示了植物籬在減少土壤侵蝕量、改善土壤理化性質(zhì)以及提高生態(tài)和社會(huì)效益等多方面的綜合狀況,而且為我國坡耕地土壤退化重點(diǎn)地域的綜合治理和防治水土流失提供了新的手段和機(jī)遇[2-5]。研究表明,植物籬具有良好的涵養(yǎng)水分的功能[6],能夠有效減少土壤侵蝕[7]。目前,國內(nèi)外學(xué)者對植物籬-作物間作系統(tǒng)土壤理化性質(zhì)及其水土保持效應(yīng)研究較多[6-11],而對該種植模式下農(nóng)田土壤水分的棵間蒸發(fā)研究比較薄弱。為此,選用黃土高原地區(qū)道地藥用植物,以甘草(Radixglycyrrhizae)、菘藍(lán)(Isatistinctoria)以及豆科牧草苜蓿(Medicagosativa)為試驗(yàn)材料,在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)定西旱農(nóng)綜合試驗(yàn)站進(jìn)行長期定位試驗(yàn),探討植物籬與農(nóng)作物間作系統(tǒng)土壤水分時(shí)空變異特征、水分利用特性及其影響機(jī)制,以期豐富糧藥(草)間作的基礎(chǔ)理論,為黃土高原坡耕地適宜植物籬-間作系統(tǒng)的篩選和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 研究區(qū)概況

      圖1 試區(qū)2016年降水量和多年平均降水量Fig.1 Annual rainfall in 2016 and the long-term average at the experiment site

      試驗(yàn)設(shè)在黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村。試區(qū)屬中溫帶半干旱區(qū),平均海拔2000 m,年均太陽輻射592.9 kJ·cm-2,年日照時(shí)數(shù)2476.6 h,年均氣溫6.4 ℃,≥0 ℃年積溫2933.5 ℃,≥10 ℃年積溫2239.1 ℃;無霜期140 d,年均降水390.9 mm(圖1),年蒸發(fā)量1531 mm,干燥度2.53,為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土,土質(zhì)疏松,土層深厚,質(zhì)地均勻,貯水性能良好。

      1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      試驗(yàn)設(shè)在一塊6°~7°的緩坡地上,試驗(yàn)前茬作物為馬鈴薯(Solanumtuberosum)(2014年),2015年開始以甘草、菘藍(lán)兩種地道藥用經(jīng)濟(jì)作物和苜蓿及春小麥為供試作物,甘草、菘藍(lán)、苜蓿與春小麥等高帶狀種植。甘草品種為烏拉爾甘草,苜蓿品種為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種植品種隴東苜蓿,春小麥為定西40號(hào)。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理,3次重復(fù),小區(qū)面積為5 m×8 m,隨機(jī)區(qū)組排列,相鄰兩小區(qū)間隔1 m作為保護(hù)行,除了適時(shí)除草外,不采取任何農(nóng)業(yè)措施。其中春小麥與菘藍(lán)均于每年3月中旬播種,春小麥于同年7月下旬收獲,菘藍(lán)于10月上旬收獲,甘草和苜蓿為多年生作物(2015年試驗(yàn)設(shè)置之初種植),甘草持續(xù)生長,苜蓿2016年刈割1次。各處理施肥量一致,即純N 105 kg·hm-2和純 P2O5105 kg·hm-2,且所有肥料均在播種時(shí)一次施入,生育期沒有追肥。

      F: 裸坡休閑,不種植任何作物。

      W:小麥單作。無植物籬,小麥采用當(dāng)?shù)爻R?guī)耕作方式。

      W/L:小麥甘草(籬)間作。帶寬4 m,甘草(籬)、小麥幅寬均為2 m,每小區(qū)各兩帶。

      W/I:小麥菘藍(lán)(籬)間作。帶寬4 m,菘藍(lán)(籬)、小麥幅寬均為2 m,每小區(qū)各兩帶。

      W/A:小麥苜蓿(籬)間作。 帶寬4 m,苜蓿(籬)、小麥幅寬均為2 m,每小區(qū)各兩帶。

      1.3 主要測定方法

      1.3.1土壤水分 2016年作物生育期和休閑期分層測定土壤水分,層次分布如下:0~5 cm,5~10 cm,10~30 cm,30~50 cm,50~80 cm,80~110 cm,110~140 cm,140~ 170 cm,170~ 200 cm。其中表層0~5 cm和5~10 cm用烘干法測定,10~200 cm用中子水分測定儀測定,中子儀讀數(shù)根據(jù)校正曲線換算為體積含水量[12]。

      土壤最大有效貯水量(mm)=(DUL-CLL)×土層深度(mm)

      式中:DUL為有效水分上限(又稱為田間持水量,指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后,允許水分充分下滲,并防止其水分蒸發(fā),經(jīng)過一定時(shí)間,土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量),用池塘法[13]測定。CLL為有效水分下限(又稱為凋萎含水量,即植物發(fā)生永久萎蔫時(shí),土壤中尚存留的水分含量。它用來表明植物可利用土壤水的下限,土壤含水量低于此值,植物將枯萎死亡),用遮雨棚法[13]測定。

      土壤有效貯水量(mm)=土壤剖面貯水量- CLL

      1.3.2土壤棵間蒸發(fā)量 2016年作物生育期采用Micro-Lysimeter(MLS)取原狀土測定棵間蒸發(fā)量。選用PVC管作為MLS的材料,管壁厚4 mm,高15 cm,內(nèi)徑11 cm。每小區(qū)不同條帶中央作物棵間安裝一個(gè),MLS內(nèi)的土壤每隔2~3 d更換一次,均以塑料袋進(jìn)行封底,使其與試驗(yàn)地農(nóng)田的土壤水分一致,下雨后加測。用精確度為0.01的LP3102型電子天平每天早晨8點(diǎn)稱重,用以計(jì)算土壤棵間蒸發(fā)量;用時(shí)段內(nèi)的重量變化除以體積算得土壤棵間蒸發(fā)量。在微型蒸發(fā)器中,土壤重量每減少1 g相當(dāng)于蒸發(fā)水分0.1051 mm。

      1.3.3作物產(chǎn)量 作物成熟期各小區(qū)去邊行計(jì)產(chǎn)測算作物實(shí)際產(chǎn)量,植物籬-作物系統(tǒng)收獲面積只計(jì)算實(shí)收面積即作物帶面積。

      1.4 主要計(jì)算方法

      1.4.1水分利用效率 水分利用效率計(jì)算公式為:

      WUE=Y/ET

      式中:Y是小麥經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量;ET是小麥耗水量。

      1.4.2蒸散量

      ET(mm)=P-ΔS

      式中:P是生育期內(nèi)降水量;ΔS是播種期和收獲期0~200 cm深土壤貯水量之差。

      1.5 數(shù)據(jù)分析

      采用Excel 2003軟件處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)

      圖2A~F為2016年小麥生育期和休閑期0~200 cm土壤水分剖面分布狀況(圖中物候期為小麥物候期),可以發(fā)現(xiàn)各處理整個(gè)生育期土壤含水量均較低,接近有效水分下限CLL,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有效水分上限D(zhuǎn)UL。由圖2A可以看出,小麥播種期表層土壤比下層土壤干燥。但是植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)由于較好的土體結(jié)構(gòu)以及入滲性能,經(jīng)過秋冬休閑期積蓄了較多的水分,明顯提高了表層水分含量;在耕層0~30 cm,W/L和W/A處理的單位體積含水量比W和F處理分別提高了2.18%和15.36%、8.29%和22.13%;而W/I處理效果不明顯。

      圖2 植物籬-作物間作系統(tǒng)土壤水分空間分布Fig.2 Soil water content down soil profile for different treatments A:播種期 Sowing time;B:三葉期 3-leaf stage;C:拔節(jié)期 Jointing stage;D:開花期 Flowering stage;E:成熟期 Physiological maturity stage;F:休閑期 Fallow period;DUL:有效水分上限 Drainage upper limit;CLL:有效水分下限 Crop lower limit;F:空白休閑 Fallow;W:小麥單作 Wheat;W/L:小麥/甘草 Wheat/Liquorice;W/I:小麥/菘藍(lán) Wheat/Isatis;W/A:小麥/苜蓿 Wheat/Alfalfa.下同The same below.

      小麥三葉期土壤剖面的水分狀況如圖2B所示。作物生長期的土壤水分狀況主要是受地表蒸發(fā)、自然降水和作物蒸騰耗水3個(gè)因素綜合控制。苗期因作物耗水量少,同時(shí)這一階段該區(qū)降水也較少,故整個(gè)土壤剖面含水量主要由地表蒸發(fā)影響而變化。與播種期相比而言,由于隨著時(shí)間的推進(jìn),氣溫逐漸上升,而作物植株較小不足以遮蓋地表,故地面蒸發(fā)量與日俱增,導(dǎo)致各處理表層0~30 cm含水量均有所下降。就各處理之間相比而言,基本趨勢與播種期基本一致。與播種期和三葉期相比,小麥拔節(jié)期 0~30 cm土層含水量明顯增加(圖2C),這與2016年5月頻繁的降水有關(guān)(其中5月14日10.5 mm,5月21日10 mm,5月22日21.5 mm,5月25日22.6 mm),但100 cm以下土層水分基本無明顯變化,因?yàn)榻邓a(bǔ)給很快被作物吸收利用,深層難以得到降水的補(bǔ)充。小麥開花灌漿期土壤剖面的水分狀況如圖2D所示,與生育前期相比,由于雨季的到來,加之表層部分根系已經(jīng)死亡,此期小麥活躍根系主要集中在30~80 cm土層吸收水分,甚至可深入到110 cm。因而,降水成為影響表層土壤含水量的重要因素。與小麥開花灌漿期相比,小麥成熟期土壤表層水分含量持續(xù)降低(圖2E),特別裸坡休閑處理表層0~10 cm土層含水量甚至低于凋萎含水量,因?yàn)樵撈谧魑锔凳ド砉δ軒缀醪辉傥胀寥浪?,主要是降水和蒸發(fā)影響土壤水分狀況,而2016年小麥?zhǔn)斋@前后接近40 d之內(nèi)沒有降水,導(dǎo)致沒有作物覆蓋的裸坡表層土壤非常干燥。休閑期土壤剖面的水分狀況如圖2F所示,旱作農(nóng)田休閑期是土壤水分恢復(fù)的重要時(shí)期,由于在此階段田間無作物生長耗水,整個(gè)土層貯水量的變化幾乎全部來自土壤表層蒸發(fā)和降水之間的相互消長。與其他處理相比較,植物籬-作物間作系統(tǒng)特別是W/A處理在整個(gè)休閑過程中積蓄了較多的水分,有較好的蓄水保墑作用,為翌年的播種奠定了良好的基礎(chǔ)。

      2.2 植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)土壤貯水量及作物有效水動(dòng)態(tài)

      各處理0~200 cm土層貯水量的動(dòng)態(tài)變化如圖3所示,各處理在作物播種時(shí)貯水量均最低,接近CLL(189 mm),遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DUL(554.6 mm)。隨著生育期的推進(jìn),貯水量在5月份之后有所增加,這與作物的生育期及其當(dāng)?shù)赜昙居嘘P(guān),因?yàn)?月份開始降水明顯增加(圖2),使得土壤貯水量有所提高。至小麥整個(gè)生育期完成之后,9月份各處理貯水量分別為225.03,246.57,248.76,236.70,253.19 mm。其中以裸坡休閑處理(F)貯水量最低,略低于單作小麥處理(W),比單作小麥低了21.54 mm,而小麥/甘草處理(W/L)和小麥/苜蓿處理(W/A)則分別高于單作小麥處理(W)2.19和8.62 mm,小麥/菘藍(lán)(W/I)處理效果不明顯。說明甘草和苜蓿作為多年生牧草,在小麥?zhǔn)斋@后的雨季(休閑期)可以起到攔截降水使其入滲的作用,從而保持土壤水分;而從圖4可以看出2016年作物生育期土壤有效水含量,作為土壤貯水量和作物CLL的差值,小麥全生育期土壤有效水含量表現(xiàn)為小麥/菘藍(lán)(W/I)處理最低,小麥/苜蓿處理(W/A)最高。這表明就整個(gè)生育期降水資源化利用程度和土壤水分循環(huán)而言,小麥/苜蓿處理(W/A)體現(xiàn)了絕對優(yōu)勢,提高了小麥生育期有效水含量,為后期的產(chǎn)量表現(xiàn)和提高水分利用效率奠定了基礎(chǔ)。

      圖3 植物籬-作物間作系統(tǒng)土壤貯水量動(dòng)態(tài)Fig.3 Soil water storage down to 2 m for different treatments

      圖4 植物籬-作物間作系統(tǒng)作物有效水含量Fig.4 Plant available water content for different treatments

      2.3 植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)作物生育期耗水特性

      如圖5顯示土壤棵間蒸發(fā)月累積量來看,隨著生育期的推進(jìn),土壤棵間蒸發(fā)月累積量呈現(xiàn)增加趨勢,7-8月達(dá)到高峰,可能是由于7-8月降水量較大,溫度較高,蒸發(fā)強(qiáng)烈??偭空w表現(xiàn)為裸坡休閑(F)>小麥/甘草(W/L)>小麥/苜蓿(W/A)>小麥/菘藍(lán)(W/I)>小麥單作(W),累積量在90~200 mm之間,其中裸坡休閑處理在各月中均表現(xiàn)為最高,小麥單作處理在5月以后均表現(xiàn)為最低,且差異顯著(P<0.05)。

      如圖6土壤棵間蒸發(fā)逐日變化可以看出,土壤棵間蒸發(fā)逐日變化量除W/L處理以外,其他3種處理和裸坡休閑地均在5月4日、6月3日及6月18日左右蒸發(fā)量逐步上升。尤其在7月18日左右,各處理的蒸發(fā)量顯著提高,這可能是雨季來臨受降水量的影響,不同處理的耗水量不同,所以土壤棵間蒸發(fā)量出現(xiàn)一定的差異性。其中裸坡休閑在整個(gè)過程中的逐日蒸發(fā)量較大,這可能因?yàn)槁闫滦蓍e沒有作物覆蓋。而小麥/甘草和小麥/苜蓿處理的棵間蒸發(fā)量較其他處理少,這是由于它們均為多年生牧草,都可以攔截降水使其達(dá)到入滲的作用從而減少棵間蒸發(fā)量。8月中旬以后由于氣溫逐漸降低加之土壤干旱等因素影響,棵間蒸發(fā)量逐漸減少。

      圖5 土壤棵間蒸發(fā)月累積量 Fig.5 Soil evaporation under different rotation systems

      圖6 土壤棵間蒸發(fā)逐日變化Fig.6 Soil evaporation under different rotation systems day by day

      由圖7植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)總棵間蒸發(fā)量可以看出,不同處理的總棵間蒸發(fā)量和蒸發(fā)占總耗水量的比重有一定的差異。其中柱狀圖表示總蒸發(fā)量,整體表現(xiàn)為裸坡休閑(F)>小麥/苜蓿(W/A)>小麥/菘藍(lán)(W/I)>小麥單作(W)> 小麥/甘草(W/L)。進(jìn)一步通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),裸坡與其他處理之間總蒸發(fā)量差異達(dá)顯著水平(P<0.05),且顯著高于其他處理;裸坡處理總蒸發(fā)量為197.30 mm,總蒸發(fā)量較大,而小麥/甘草處理低于其他處理蒸發(fā)量,最小為91.15 mm。較F處理,W、W/L、W/I和W/A處理減少了土壤蒸發(fā)量,分別減少了49.44%、53.80%、48.32%和47.92%。圖中折線圖表示全生育期的總蒸發(fā)量占耗水量的比重(E/ET),總體上E/ET表現(xiàn)為F>W>W/I>W/A>W/L,其中裸坡處理棵間蒸發(fā)占耗水量的比例高達(dá)80%以上,小麥/甘草處理蒸發(fā)占耗水量的比重最低(35%),其余處理均在40%~45%之間。其中小麥/甘草主要表現(xiàn)為作物蒸騰,而裸坡由于沒有生長作物,其蒸散主要表現(xiàn)土壤棵間蒸發(fā),其總蒸發(fā)量及蒸發(fā)占耗水量的比重最高,但沒有達(dá)到100%是由于休閑期間不可避免有雜草的消耗。這說明與小麥單作相比,植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)可一定程度有效降低E/ET,增加作物蒸騰量。

      圖7 植物籬-作物間作系統(tǒng)作物全生育期總蒸發(fā)量及蒸發(fā)量占耗水量的比值Fig.7 Total soil evaporation and percentage of E/ET for different treatments during whole growth period 不同大寫字母表示不同處理總蒸發(fā)量在5%水平上差異顯著,不同小寫字母表示不同處理蒸發(fā)量占耗水量的比值在5%水平上差異顯著。Different capital letters represent significant difference at P<0.05 between different treatments for soil evaporation. Different lowercase letters represent significant difference at P<0.05 between different treatments for E/ET.

      2.4 植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)作物產(chǎn)量和水分利用效率

      由表1可以看出,不同復(fù)合系統(tǒng)產(chǎn)量、耗水量以及水分利用效率變化規(guī)律不同,其中植物籬-作物間作復(fù)合系統(tǒng)具有顯著提高作物產(chǎn)量的優(yōu)勢。與小麥單作相比,小麥/甘草、小麥/菘藍(lán)、小麥/苜蓿的產(chǎn)量分別提高了60.00%、80.89%、83.55%,間作優(yōu)勢顯著。

      與小麥單作相比,3種間作模式下(小麥/甘草、小麥/菘藍(lán)、小麥/苜蓿)小麥水分利用效率(計(jì)算公式參閱1.3.2計(jì)算方法中的公式)分別提高了49.69%、76.07%、74.85%,且統(tǒng)計(jì)分析表現(xiàn)為差異顯著。同時(shí)發(fā)現(xiàn),不同間作系統(tǒng)小麥耗水量與單作小麥耗水量并無差異,可見在間作水分和單作水分耗水量相似的情況下,間作明顯提高了降水利用效率。

      表1 植物籬-作物間作系統(tǒng)小麥產(chǎn)量及水分利用效率Table 1 Grain yield and water use efficiency for different treatments

      注:同列不同小寫字母表示不同處理在5%水平上差異顯著。

      Note: Different lowercase letters in the same column represent significant difference atP<0.05 between different treatments.

      3 討論

      3.1 植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)土壤水分動(dòng)態(tài)

      土壤不但具有時(shí)空變異性,而且它也是一種連續(xù)體,貯存在土壤中的水分受土壤蒸發(fā)、自然降水、土壤入滲等因素的制約。土壤水分在垂直方向上存在一定的變化,在不同深度層次,因年降水量的不同、入滲程度、土壤含水量的不同及不同的土地利用方式而有一定的變化規(guī)律[14]。本試驗(yàn)研究表明,不同處理在0~50 cm的土壤水分體積含水量較大,而50 cm以下的變化較穩(wěn)定,無劇烈變化。也有試驗(yàn)研究表明[15]在不同生育時(shí)期表層(0~10 cm)土壤含水量的變化較大,其中從5~30 cm 的土壤剖面含水量呈逐漸上升趨勢,40~110 cm 土層中土壤含水量幾乎保持一致,說明這一層次的土壤含水量受耕作措施的影響較小,而110~200 cm又開始呈逐漸回升的趨勢。白天路等[16]試驗(yàn)得出,土壤水分的垂直變化深度集中在1~2 m處,2~5 m的變化并不明顯。費(fèi)喜亮等[14]也研究發(fā)現(xiàn)試區(qū)土壤水分受季節(jié)變化,它的變異程度會(huì)隨自然降水量和土壤土層深度的增加而減小,土壤深度在1.2 m至1.4 m內(nèi)土壤含水量受季節(jié)等變化影響顯著,而在1.4 m至1.6 m內(nèi)受季節(jié)氣候動(dòng)態(tài)變化的影響并不顯著,超過1.6 m土壤含水量是具有時(shí)間穩(wěn)定性的。

      本試驗(yàn)由于種植年限的關(guān)系,苜蓿的高耗水特性還未完全顯現(xiàn),且體現(xiàn)了較好的持水保水作用;作物生育期和休閑期均以裸坡休閑的表層土壤含水量最低,主要是因?yàn)闆]有作物覆蓋使得土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈大,且水分以徑流的形式損失較多。總之,從不同時(shí)期土壤水分的垂直分布來看,經(jīng)過頭年秋季至翌年春季的休閑期,W/A處理能夠起到較好的抑制水土流失、積蓄降水的作用,但主要體現(xiàn)在耕層0~30 cm土壤,而一般作物根系大多分布在0~50 cm土層,因而這一層次土壤水分也會(huì)進(jìn)一步影響到作物出苗之后的生長發(fā)育。

      3.2 植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)作物產(chǎn)量表現(xiàn)及耗水特性

      不同種植模式下作物耗水特性的差異程度,受季節(jié)變化、土壤含水量及其作物的生長耗水和天氣(如降水量、大氣溫度、太陽輻射等) 等因素影響[17]。本試驗(yàn)在植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)中,不同作物的耗水量也表現(xiàn)出不同的差異性,小麥/甘草處理最高為250.98 mm,小麥單作最低為229.63 mm。有研究認(rèn)為[18],間作的種植方式是在時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)種植集約化,能夠有效和充分利用太陽輻射、水分、養(yǎng)分、耕地等自然資源,從而逐漸提高單位面積作物產(chǎn)出率。本試驗(yàn)不同處理的棵間蒸發(fā)總量表現(xiàn)為:裸坡休閑>小麥/苜蓿>小麥/菘藍(lán)>小麥單作>小麥/甘草,累積量在90~200 cm之間,因?yàn)槁闫滦蓍e處理在試驗(yàn)中沒有作物覆蓋,所以在各月的月累積量中均表現(xiàn)最高,而小麥單作處理在5月份以后均表現(xiàn)為最低。除小麥單作處理以外,其他3種處理均在5月4日、6月3日及6月18日左右蒸發(fā)較大,但是在7月18日左右,4種處理的蒸發(fā)量達(dá)到最大。胡發(fā)龍等[19]也研究發(fā)現(xiàn)單作玉米的日均棵間蒸發(fā)量比小麥/玉米和單作小麥顯著增大,而間作群體的日均棵間蒸發(fā)量也大于單作小麥,在全生育期耗水量方面,小麥/玉米間作最大,單作玉米次之,單作小麥最小。本試驗(yàn)結(jié)果與此相似。不同處理全生育期的總蒸發(fā)量占耗水量的比重(E/ET)表現(xiàn)為F>W>W/I>W/A>W/L,其中裸坡處理棵間蒸發(fā)占耗水量的比例高達(dá)80%以上,小麥/甘草處理蒸發(fā)占耗水量的比重最低(35%),其余處理均在40%~45%。這也進(jìn)一步表明,小麥/甘草處理主要表現(xiàn)為作物蒸騰,而裸坡休閑由于沒有生長作物,其蒸散主要表現(xiàn)土壤棵間蒸發(fā)??梢?,作物棵間蒸發(fā)占蒸散比例隨著作物地上部分群體及土壤含水量的變化而變化[20-21]。

      從本試驗(yàn)作物產(chǎn)量來看,產(chǎn)量最高的為小麥/苜蓿,其次是小麥/菘藍(lán)和小麥/甘草,最低的是小麥單作,可以看出間作產(chǎn)量均明顯高于單作產(chǎn)量。本試驗(yàn)研究同時(shí)發(fā)現(xiàn),不同間作系統(tǒng)耗水量與單作耗水量并無差異,而WUE體現(xiàn)為小麥/菘藍(lán)處理最高,小麥/苜蓿和甘草小麥次之,小麥單作最低,充分說明在間作水分和單作水分耗水量相似的情況下,間作明顯提高了降水利用效率,這與柴強(qiáng)等[22]、王照霞等[23]、董宛麟等[24]的研究結(jié)果基本一致。

      4 結(jié)論

      試區(qū)周年土壤剖面含水量較低,基本接近作物有效水分下限(CLL),小麥/苜蓿和小麥/甘草可提高耕層0~30 cm土壤水分含量。說明甘草和苜蓿作為多年生植物,在小麥?zhǔn)斋@后的雨季(作物休閑期)可以起到攔截降水和促進(jìn)入滲的作用。

      植物籬-作物間作系統(tǒng)的總棵間蒸發(fā)量和蒸發(fā)占總耗水量的比重有一定的差異。其中小麥/甘草處理耗水量最高(250.98 mm),裸坡休閑總蒸發(fā)量較大(197.30 mm)。裸坡處理棵間蒸發(fā)占耗水量的比例高達(dá)80%以上,主要表現(xiàn)為土壤蒸發(fā),而小麥/甘草主要表現(xiàn)為作物蒸騰。這說明植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)可一定程度有效降低E/ET,增加作物蒸騰量。

      植物籬-作物間作系統(tǒng)耗水量與單作耗水量并無差異,但作物產(chǎn)量提高了60.00%~83.55%,說明在間作系統(tǒng)和單作耗水量相似的情況下,植物籬-作物復(fù)合提高水分利用效率49.69%~76.07%。

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