春小麥與玉米、向日葵間作套種對土壤水分的影響

艾海艦，李志熙，邊利軍

間作套種是在同一塊畦田成行或成帶狀間隔種植兩種或兩種以上的作物。間作套種在時間、空間上能充分利用光能、熱能，提高作物對土壤養(yǎng)分的吸收利用［1－6］，提高土壤水分利用效率［7－17］，減輕病蟲危害及連作阻礙［18－22］，提高作物產(chǎn)量及農(nóng)田生產(chǎn) 力［23－26］，是我國及亞洲、非洲、拉丁美洲傳統(tǒng)的種植方式。河套灌區(qū)是我國三大灌區(qū)之一，具有良好的自流灌溉系統(tǒng)，光熱資源豐富，但無霜期短，因而間作套種為該區(qū)的主要種植方式。間作套種作物水分利用效率一般以某一作物生長發(fā)育期內(nèi)的土壤水分蒸散量來計算［14，16，27－28］，而不以作物生長季的土壤水分蒸散量來計算，這樣就難以反映作物整個生長期的水分利用效率。目前國家已對河套灌區(qū)實行限額用水［29］，而該區(qū)無論是單作或間作套種，仍采用大水漫灌，水資源浪費嚴(yán)重。本研究為了節(jié)約用水，以春小麥、玉米、向日葵單作為對照，對春小麥／玉米、春小麥／向日葵間作套種的土壤水分利用效率進(jìn)行測定，為河套灌區(qū)節(jié)水種植提供參考。

1 試驗設(shè)計與測定方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)磴口縣補隆淖爾鎮(zhèn)，該區(qū)年均氣溫7.6℃，降雨量142.7mm，蒸發(fā)量2 381.8mm，日照時數(shù)3 209.5h，作物生長季（春季3月16日至秋季10月6日）光合有效輻射1.68×105J／cm2，無霜期136～144d。試驗地土壤為灌於土，質(zhì)地為壤土，0—80cm土層土壤平均容重為1.48 g／cm3［30］，80—120cm 土層平均容重為1.52g／cm3，地下水位在250cm以下，耕層土壤田間持水率23.23%，凋萎系數(shù)7.48%，有機質(zhì)為10.0g／kg，總孔隙度為45.02%。灌溉水來源于黃河，pH值8.1，礦化度0.320g／L左右。

1.2 試驗設(shè)計及材料

2010—2012年，每年選擇3塊面積為0.70～0.75hm2，土壤肥力基本一致，前茬為玉米的地塊作為試驗田。每塊試驗田被劃分為5個小區(qū)，每個小區(qū)長54.0m，寬23.0m，面積0.124 2hm2，分別為春小麥單作、春小麥／向日葵間作套種、向日葵單作、春小麥／玉米間作套種、玉米單作。試驗以春小麥、向日葵、玉米單作為對照，測定春小麥／玉米、春小麥／向日葵間作套種的土壤水分蒸散量及春小麥、向日葵、玉米產(chǎn)量。試驗每年重復(fù)3次。

間作套種小區(qū)不同作物的種植帶寬均為1.8m，每小區(qū)均種植6條春小麥帶和6條玉米帶或6條向日葵帶。相鄰小區(qū)之間留寬1.2m的保護(hù)區(qū)。保護(hù)區(qū)兩側(cè)修高40cm，底寬40cm的土埂，保證灌溉時不同小區(qū)之間水分不串流。

所有小區(qū)的灌溉方式均為漫灌，不同種植帶間無土埂隔離，灌溉時漫灌所有種植帶。所有小區(qū)的玉米、向日葵均采用地膜覆蓋。地膜寬70cm。

供試春小麥為永良4號，每年3月25日播種。單作與間作套種的播種量均為450.0kg／hm2，行距為11.0cm。播種時施磷酸二銨375.0kg／hm2，氯化鉀37.5kg／hm2；拔節(jié)期隨灌水追施尿素150.0kg／hm2。無論是單作或間作套種，根據(jù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的灌溉制度，春小麥生長期均灌水4次（表1），分別在春小麥分蘗期、拔節(jié)期、揚花期和灌漿期；與玉米間作套種的種植帶在春小麥?zhǔn)斋@后于玉米抽雄吐絲期、灌漿期灌溉2次，與向日葵間作套種的在收獲后于向日葵開花期灌溉1次。每次的灌水量均為90mm（進(jìn)水口用梯形量水堰測定）。無論單作或間作套種，春小麥的除草、追肥等栽培管理措施均相同。

表1 不同種植模式的灌水日期及灌水量

供試玉米為巴單3號，每年4月25日播種。單作、間作套種均采用寬行密植，大行距為80cm，小行距為30cm，株距為25cm。每1種植帶種植4行玉米，邊行距春小麥帶20cm。播種時單作及間作套種均施磷酸二銨375.0kg／hm2，硝酸鉀150.0kg／hm2；喇叭口期和抽雄吐絲期分別追施尿素75.0和225.0kg／hm2。間作套種玉米共灌水6次，分別于玉米幼苗期、三葉期、拔節(jié)期、喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿期。單作玉米共灌水3次，分別于玉米喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿期。間作套種、單作每次的灌水量均為90mm，栽培管理措施相同。

供試向日葵為先瑞9號，每年5月30日播種。單作及間作套種均采用寬行密植，寬行行距80cm，窄行行距30cm，株距45cm。單作及間作套種播種時均施磷酸二銨375.0kg／hm2，氯化鉀37.5kg／hm2，顯蕾期追施尿素150.0kg／hm2。間作套種向日葵帶在播種前灌溉2次，分別于春小麥分蘗期和拔節(jié)期；播種后灌溉3次，分別在向日葵苗期、顯蕾期、開花期。單作向日葵在顯蕾期、開花期灌溉2次，單作、間作套種每次的灌溉量均為90mm，栽培管理措施相同。

1.3 測定內(nèi)容及方法

1.3.1 土壤水分

（1）春小麥單作與間作套種帶：采用蛇形法在每個小區(qū)或其春小麥種植帶選擇5個測試點，每年從3月16日到10月6日，即作物生長季，在每月的6日、16日和26日，用土鉆（Φ＝4.0cm）每間隔10cm土層采樣1次，烘干法測定春小麥單作、間作套種帶0—120cm土層土壤水分（%），并在春小麥播種（3月26日）及收獲期（7月12日）加測1次。每個小區(qū)春小麥單作、間作套種帶不同測定期的土壤水分（%）分別為該期5個測定點的平均值。

（2）玉米、向日葵單作及玉米、向日葵間作套種帶：每年的3月16到玉米種植時（4月26日）、向日葵種植時（5月30日），在每月的6，16和26日，在每個小區(qū)或其玉米、向日葵種植帶，用土鉆（Φ＝4.0cm）每間隔10cm土層采樣1次，采用烘干法測定露地0—120cm土層土壤水分（%）；玉米、向日葵播種時加測1次。玉米、向日葵種植后采用蛇形法，在每個小區(qū)或其玉米、向日葵種植帶，分別在地膜覆蓋區(qū)及地膜間露地各選選擇5個測試點，每月的6，16，26日，直到10月6日，用土鉆（Φ＝4.0cm）每間隔10cm土層采樣1次，烘干法測定地膜覆蓋區(qū)及地膜間露地0—120 cm土層土壤水分（%），并在玉米、向日葵收獲期（9月26日）加測1次。玉米、向日葵播種前單作及間作套種帶不同時期的土壤水分分別為該期5個測定點的平均值。玉米、向日葵播種后單作及間作套種帶不同時期的土壤水分分別為不同時期7／9地膜覆蓋區(qū)的土壤水分加上2／9地膜間露地的土壤水分（地膜覆蓋面積占地表面積7／9）；不同小區(qū)不同時期地膜覆蓋區(qū)的土壤水分、地膜間露地的土壤水分分別為該期5個測定點的平均值。

（3）間作套種小區(qū)：每年從3月16日至10月6日，采用蛇形法在兩種作物相鄰區(qū)的中部選擇5個測試點，每月的6，16和26日，用土鉆（Φ＝4.0cm）每間隔10cm土層采樣1次，烘干法測定間作套種兩種作物相鄰區(qū)0—120cm土層土壤水分（%），并在不同作物播種、收獲期加測1次。春小麥／玉米、春小麥／向日葵間作套種不同時期的土壤水分分別為相應(yīng)時期的春小麥種植帶、相鄰區(qū)、玉米種植帶或向日葵種植帶的土壤水分平均值。

每次采樣后將采樣孔用土填實并進(jìn)行標(biāo)記，以防灌溉水進(jìn)入及下次在同一點采樣。根據(jù)不同土層的土壤體積質(zhì)量、土層厚度和不同處理的土壤水分（%）換算出不同處理不同土層的土壤水分含量（mm），計算出不同處理0—120cm土層土壤水分含量。

1.3.2 降水量 試驗地旁設(shè)有農(nóng)田小氣候觀測站，監(jiān)測、記錄作物生長期間的降水量。

1.3.3 作物生長期及作物產(chǎn)量 記錄每一作物種植、收獲的日期。

（1）春小麥。成熟期在單作、間作套種帶采用蛇形法選擇5個測試區(qū)，每一測試區(qū)選取1.0m×1.0 m的地塊，測定春小麥產(chǎn)量。單作春小麥的產(chǎn)量為5個測試區(qū)的平均值，間作套種春小麥的產(chǎn)量為5個測試區(qū)平均值的50%。

（2）玉米、向日葵。成熟期在單作、間作套種帶采用蛇形法選擇5個測試區(qū)，每一測試區(qū)選取1.8m×2.0m的地塊，測定向日葵、玉米產(chǎn)量。單作作物的產(chǎn)量為5個測試區(qū)的平均值，間作套種作物的產(chǎn)量為5個測試區(qū)平均值的50%。

1.3.4 土壤水分蒸散量及水分利用效率

（1）土壤水分蒸散強度（Ei）。指作物某一生長階段的土壤水分蒸散量與該段持續(xù)日數(shù)之比［33－34］（mm／d）。試驗地平整，地下水位較深，土壤質(zhì)地均一，不產(chǎn)生滲漏、地下水補給及水分的水平運動，根據(jù)水量平衡，計算作物不同生長階段的土壤水分蒸散量及水分蒸散強度［31－32］。

式中：Et——作物某一生長階段的土壤水分蒸散量（mm）；P——相應(yīng)階段的降水量（mm）；I——相應(yīng)階段的灌水量（mm）；Δh——相應(yīng)階段的土壤水分含量變化值（mm）；△d——相應(yīng)階段的持續(xù)日數(shù)（d）。

（2）土地當(dāng)量比（LER）。指同一地塊中2種或2種以上作物間作套種時的產(chǎn)量與相應(yīng)單作作物產(chǎn)量之比的和［13，23，26］。

式中：LERw，LERm，LERs——間作套種春小麥、玉米、向日葵的偏土地當(dāng)量比；Ywi，Ymi，Ysi——春小麥、玉米、向日葵間作套種產(chǎn)量；Yws，Yms，Yss——春小麥、玉米、向日葵單作產(chǎn)量（kg／hm2）。LER＞1，說明間作套種提高了土地的生產(chǎn)力；LER＜1，則降低了土地的生產(chǎn)力。

（3）作物生長期的水分利用效率（WUE）。作物生長期為作物播種到收獲之間的持續(xù)期（本研究間作套種處理為春小麥播種到玉米或向日葵收獲之間的持續(xù)期，單作處理為該作物播種到收獲之間的持續(xù)期）。作物生長期的水分利用效率為作物生長期單位土壤水分蒸散量所得到的產(chǎn)量［13，26］〔kg／（mm－1·hm－2）〕。

（4）作物生長期的水分當(dāng)量比（WER）。間作套種中各作物生長期的水分利用效率（WUE）與其單作作物生長期的水分利用效率之比的和。

式中：Y——作物產(chǎn)量（kg／hm－2）；Eg——作物生長期的土壤水分蒸散量（mm）；WERw，WERm，WERs——間作套種春小麥、玉米、向日葵生長期的偏水分當(dāng)量比；WUEwi，WUEmi，WUEsi——間作套種春小麥、玉米、向日葵的水分利用效率〔kg／（mm－1·hm－2）〕；WUEws，WUEms，WUEss——春小麥、玉米、向日葵單作生長期的水分利用效率〔kg／（mm－1·hm－2）〕。WER＞1，間作或套種提高了土壤水分利用效率；WER＜1，則降低了土壤水分利用效率。

（5）作物生長季的水分利用效率（AWUE）。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)為溫帶大陸性氣候，為喜涼作物生長區(qū)，該區(qū)作物生長季為春季日平均氣溫穩(wěn)定通過3℃時（3月16日）到秋季日平均氣溫下降到3℃以下時（10月6日）之間的持續(xù)期。作物生長季的水分利用效率為作物生長季單位土壤水分蒸散量所得到的產(chǎn)量〔kg／（mm－1·hm－2）〕。

（6）作物生長季的水分當(dāng)量比（AWER）。間作套種各作物生長季的水分利用效率與其相應(yīng)單作作物生長季的水分利用效率之比的和。

式中：E——作物生長季的土壤水分蒸散量（mm）；AWERw，AWERm，AWERs——間作套種春小麥、玉米、向日葵生長季的偏水分當(dāng)量比；AWUEwi，AWUEmi，AWUEsi——春小麥、玉米、向日葵間作套種生長季的水分 利 用 效 率 〔kg／（mm－1·hm－2）〕；AWUEws，AWUEms，AWUEss——春小麥、玉米、向日葵單作生長季的水分利用效率〔kg／（mm－1·hm－2）〕。AWER＞1，表明間作套種提高了作物生長季的土壤水分利用效率；AWER＜1，則降低了作物生長季的土壤水分利用效率。

（7）灌溉水分利用效率（IWUE）。作物生長季單位灌水量所得到的作物產(chǎn)量〔kg／（mm－1·hm－2）〕。

（8）灌溉水分當(dāng)量比（IWER）。間作套種各作物的灌溉水分利用效率與其單作作物的灌溉水分利用效率之比的和。

式中：Ia——作物生長季的灌水量（mm）；IWERw，IWERm，IWERs——間作套種春小麥、玉米、向日葵生長季的偏灌溉水分當(dāng)量比；IWUEwi，IWUEmi，WUEsi——春小麥、玉米、向日葵間作套種灌溉水分利用效率〔kg／（mm－1·hm－2）〕；IWUEws，IWUEms，IWUEss——春小麥、玉米、向日葵單作的灌溉水分利用效率〔kg／（mm－1·hm－2）〕。IWER＞1，間作套種提高了灌溉水分利用效率；IWER＜1，表明則降低了灌溉水分利用效率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將不同處理的不同小區(qū)、不同時期3a的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，作為不同處理不同時期的試驗數(shù)據(jù)。不同處理不同時期的試驗數(shù)據(jù)采用Excel制作圖表，用SPSS 10.0軟件進(jìn)行單因素方差分析；如果差異顯著，則采用鄧肯氏新復(fù)極差檢驗法進(jìn)行多重比較，檢驗不同處理之間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分蒸散強度

從土壤凍融到土壤凍結(jié)，即作物生長季，單作作物的土壤水分蒸散強度均為單峰曲線，間作套種的為雙峰曲線（圖1）。單作作物中，春小麥的最高土壤水分蒸散強度為7.97mm／d，玉米為7.29mm／d，向日葵為6.07mm／d。間作套種的土壤水分蒸散強度第1峰值均低于春小麥單作，第2峰值均低于玉米單作或向日葵單作；間作套種的第1峰值與春小麥單作同步，第2峰值與相應(yīng)的玉米單作或向日葵單作同步。春小麥／向日葵間作套種的2個峰值均低于春小麥／玉米間作套種，且第2峰值延遲約10d。

圖1 作物生長季不同處理的土壤水分蒸散強度

2.2 作物生長期及土壤水分蒸散量

不同處理中，春小麥單作的生長期為109d，玉米單作為154d；向日葵單作為120d；春小麥／玉米、春小麥／向日葵間作套種均為185d；作物生長季為205 d。春小麥／玉米間作套種的共生期為78d，春小麥／向日葵為44d（表2）。

在作物生長季，即3月16日至10月6日，向日葵單作播種前76d為裸地，土壤水分蒸散量高達(dá)76.03mm；玉米單作播種前41d為裸地，土壤水分蒸散量為32.78mm；春小麥單作播種前10d為裸地，土壤水分蒸散量僅為2.24mm，與間作套相同。作物生長期春小麥／玉米間作套種的土壤水分蒸散量最高，為666.70mm，向日葵單作最低，為330.11mm（表2）。在作物生長季，春小麥?zhǔn)斋@后86d為裸地，土壤水分蒸散量高達(dá)72.54mm；玉米單作、向日葵單作收獲后10d為裸地，土壤水分蒸散量分別為2.76和2.67mm，與間作套種處于同一水平。作物生長季的土壤水分蒸散量為生長季作物播種前、作物生長期及作物收獲后的土壤水分蒸散量之和，其中春小麥／玉米間作套種的最高，其次為春小麥／向日葵間作套種，向日葵單作最低（表2）。

2.3 作物產(chǎn)量及土地當(dāng)量比

間作套種作物的偏土地當(dāng)量比均＞0.5，土地當(dāng)量比均大于1.20，說明間作套種均可顯著提高作物產(chǎn)量，提高土地生產(chǎn)力。春小麥／向日葵間作套種的土地當(dāng)量比略高于春小麥／玉米間作套種（表3），說明春小麥／向日葵間作套種的增產(chǎn)程度高于春小麥／玉米間作套種，這可能與春小麥／向日葵套種的共生期短，2種作物對水、肥吸收利用及通風(fēng)透光等方面的競爭期短有關(guān)。

表2 不同種植模式的作物生長期及土壤水分蒸散量

表3 不同種植模式下的作物產(chǎn)量和土地當(dāng)量比

2.4 作物生長期的水分利用效率及水分當(dāng)量比

間作套種作物生長期的偏水分當(dāng)量比均＜0.5，水分當(dāng)量比均小于1.0（表4），說明間作套種降低了作物生長期的水分利用效率，這主要是間作套種不同作物種植帶間無土埂隔擋，澆灌某一作物時同時漫灌了另一作物種植帶，而另一作物種植帶沒有播種或作物已被收獲，或不是作物水分最佳需求期，故水分利用效率大為降低。

表4 不同種植模式下作物生長期農(nóng)田土壤水分蒸散量、水分利用效率和水分當(dāng)量比

2.5 作物生長季的水分利用效率及水分當(dāng)量比

表5為不同種植模式作物生長季的土壤水分蒸散量、水分利用效率和水分當(dāng)量比。由表5可知，春小麥／玉米間作套種春小麥生長季的偏水分當(dāng)量比為0.466 5，玉米為0.518 2，間作套種的水分當(dāng)量比為0.984 7，說明春小麥／玉米間作套種提高了玉米生長季的水分利用效率，降低了春小麥及間作套種作物的水分利用效率，但差異不顯著。春小麥／向日葵間作套種中，春小麥的偏水分當(dāng)量比為0.550 3，說明春小麥／向日葵間作套種可提高春小麥生長季的水分利用效率，但向日葵生長季偏水分當(dāng)量比僅為0.448 8，降低了向日葵生長季的水分利用效率。春小麥／向日葵間作套種作物生長季的水分當(dāng)量比為0.999 1，較單作作物仍有一定程度的降低，但影響不顯著（表5）。

表5 不同種植模式作物生長季的土壤水分蒸散量、水分利用效率和水分當(dāng)量比

春小麥單作、玉米單作、向日葵單作生長季的水分利用效率均顯著低于生長期的水分利用效率（表4—5），主要是生長季的土壤水分蒸散量除生長期的土壤水分蒸散量外，還包含了作物播種前及收獲后裸地的土壤水分蒸散量。

間作套種生長季的水分利用效率略低于生長期的水分利用效率，但間作套種生長季水分當(dāng)量比顯著高于生長期的水分當(dāng)量比，主要是單作生長季的水分利用效率較生長期的顯著降低，而間作套種則略微降低造成的。

2.6 灌溉水分利用效率及灌溉水分當(dāng)量比

由表6可知，間作套種作物的偏灌溉水分當(dāng)量比均＜0.5，灌溉水分當(dāng)量比均＜1.0，說明間作套種降低了灌溉水分的利用效率。

表6 不同種植模式作物生長期的灌溉水分利用效率和灌溉水分當(dāng)量比

3 結(jié)果討論

單作作物的土壤水分蒸散強度為單峰曲線，間作套種的為雙峰曲線，這與戴佳信等、朱敏等［33－34］的試驗結(jié)果一致。雖然春小麥／玉米、春小麥／向日葵間作套種的土壤水分蒸散強度均低于其相應(yīng)單作作物，但由于間作套種作物的生長期長，灌溉次數(shù)多及總灌水量大，因而其土壤水分蒸散量大。間作套種作物在時間、空間上能充分利用光能、熱能，減輕病蟲害，利于作物對土壤水分、養(yǎng)分的吸收，使得作物產(chǎn)量及土地當(dāng)量比顯著提高。間作套種不同作物種植帶之間無土埂，每次漫灌所有種植帶，但每次灌溉僅能滿足一種作物對水分的需求，而另一種植帶沒有播種或作物已收獲，或不是作物水分最佳需求期，造成另一作物需水期與供水期錯位，造成水分無效損耗增大，故作物生長期、作物生長季及灌溉水的利用效率和水分當(dāng)量 比降 低。 前 人［13，15，26，35］的 試 驗 結(jié) 果 表 明 間 作 套 種可提高水分利用效率，主要是前人的兩種作物多為同一時期播種且同一時期收獲，2種作物的生長期與共生期相同，與單作作物的灌水量、降水量相同，而本試驗春小麥／玉米、春小麥／向日葵間作套種的作物生長期為185d，共生期分別為78和44d，灌水次數(shù)、灌水總量比單作多，且有大量的灌水在另一作物種植前或收獲后進(jìn)行；其次前人［13，15，27－28］在計算間作套種作物水分利用效率均以某一作物生長發(fā)育期內(nèi)的土壤水分蒸散量來計算，而不是以2種或多種作物的生長期、作物生長季的土壤水分蒸散量來計算，土壤水分蒸散量不包含作物播種前或收獲后裸地所蒸散的土壤水分。楊彩虹等［17］、柴強等［12］對小麥、玉米種植帶分別灌溉，不同種植帶的灌水量及灌溉次數(shù)分別與其相應(yīng)單作作物一致，且以小麥、玉米各自的生長發(fā)育期土壤水分蒸散量來計算，故小麥／玉米間作套種提高了土壤水分利用效率較高。河套灌區(qū)春小麥／玉米、春小麥／向日葵間作套種，灌溉時漫灌不同作物的種植帶，且間作套種作物的灌水次數(shù)、灌水量遠(yuǎn)多于單作作物，導(dǎo)致其土壤水分利用效率降低。

4 結(jié)論

（1）春小麥／玉米、春小麥／向日葵間作套種的土壤水分蒸散強度為雙峰曲線，春小麥、玉米、向日葵單作為單峰曲線。春小麥／玉米、春小麥／向日葵間作套種的土壤水分蒸散量高于春小麥、玉米、向日葵單作。

（2）春小麥／玉米、春小麥／向日葵間作套種提高了作物產(chǎn)量，提高了土地當(dāng)量比，但降低了作物生長期、生長季及灌溉水的水分利用效率及水分當(dāng)量比。

（3）春小麥／玉米、春小麥／向日葵間作套種降低了水分利用效率，主要是間作套種的作物需水特性不同，而灌溉時則漫灌不同作物種植帶，造成作物供水期與需水期錯位，不能充分利用土壤水分。

（4）建議河套灌區(qū)減少間作套種作物面積或間作套種時不同作物種植帶間應(yīng)建土埂隔擋，并根據(jù)不同作物對水分的需求分別灌溉。

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