基于河套灌區(qū)間作種植優(yōu)勢(shì)概述

劉美含，史海濱，李仙岳，苗慶豐，閆建文，徐 昭

(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)

河套灌區(qū)是一個(gè)非常古老的灌區(qū)，它的發(fā)展歷經(jīng)了漫長(zhǎng)的歷史過程。河套灌區(qū)地處我國(guó)西北高原，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，是我國(guó)三大灌區(qū)之一，擁有57萬(wàn)hm2的灌溉土地面積[1-3]。該灌區(qū)主要從磴口地區(qū)直接通過管道輸送黃河水用于農(nóng)田灌溉。作物生長(zhǎng)期從4月到10月，凍融期從11月到3月[4-5]，年降雨量約150 mm，主要集中在夏季[2,6]，灌溉對(duì)作物的生長(zhǎng)尤為重要。該地區(qū)的主要作物有春小麥、玉米及向日葵[1,3,7]，種植方式有單作物種植及間作種植。對(duì)于河套灌區(qū)特殊的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，目前該地區(qū)在農(nóng)業(yè)上的可持續(xù)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)是在鹽漬化地區(qū)種植作物，并同時(shí)進(jìn)行節(jié)水灌溉[2,6,8-11]。為了節(jié)約水資源和肥料，以及考慮到此地區(qū)環(huán)境因素，在河套灌區(qū)更應(yīng)該提倡間作種植的種植方式。

1 間作種植概述

在中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，間作是一種古老而又傳統(tǒng)的種植方法[12,13]，大約有著1 000年以上的悠久歷史。如今，這種種植方法也被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，在水資源短缺及依賴灌水的地區(qū)更是受到人們的高度關(guān)注[14-18]。例如，在華北大多數(shù)地區(qū)就采用的是春小麥和玉米的間作種植方式[18,19]?，F(xiàn)在，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上存在著過量使用氮肥等肥料、超量灌水的現(xiàn)象，這不僅導(dǎo)致肥料及灌溉水的浪費(fèi)，還導(dǎo)致了許多環(huán)境問題的出現(xiàn)。例如，近年出現(xiàn)了土地荒漠化、水體富營(yíng)養(yǎng)化、土地退化及溫室效應(yīng)等等。為了緩解這些環(huán)境問題，我們應(yīng)該考慮采用間作種植模式來代替單一作物種植模式的手段。而且，考慮到農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、收入保障等，間作這種種植制度更應(yīng)該被提倡，間作種植制度不僅可以避免肥料和水分的不必要的浪費(fèi)，而且得到的最終產(chǎn)量相對(duì)于單作物種植方式更加穩(wěn)定[12,13]。

2 間作種植的優(yōu)勢(shì)

2.1 間作種植對(duì)環(huán)境的影響

Lithourgidis認(rèn)為某些作物與豆類作物進(jìn)行間作種植時(shí)可以發(fā)揮豆類作物的生物固氮作用，從而可以大大提高土壤肥力，減少肥料的施用量；間作還能有效降低害蟲的發(fā)生率。因此，可以通過間作種植來降低肥料和殺蟲劑的使用量，從而可以有效減輕農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)環(huán)境的不利影響[20]。

尤其是在許多水資源匱乏的地區(qū)，間作種植方式一直備受關(guān)注與青睞。Qin等認(rèn)為在干旱地區(qū)種植作物采用間作模式(尤其是與豌豆等豆類間作)不僅可以有效提高作物產(chǎn)量、削弱土壤呼吸作用，還能有效降低碳排放，能在一定程度上緩解農(nóng)業(yè)環(huán)境危機(jī)[21]。

2.2 間作種植的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)

許多學(xué)者研究了關(guān)于間作制度比單作物制度高產(chǎn)的相關(guān)課題。間作種植對(duì)于作物生長(zhǎng)和果實(shí)品質(zhì)是有益的。KANTON對(duì)玉米和豌豆進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明，間作種植相對(duì)于單作種植來說，產(chǎn)出的干物質(zhì)量會(huì)更大[22]。Mao認(rèn)為間作的土地利用率和水分利用率均比單作物的大，而且間作種植相對(duì)單作物種植來說還具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)[23]。Li在甘肅省對(duì)小麥和玉米間作系統(tǒng)的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)進(jìn)行了研究[24]。Zhang認(rèn)為小麥和玉米間作及小麥和大豆間作系統(tǒng)中，三者均比單作物種植時(shí)的產(chǎn)量要大，尤其是小麥表現(xiàn)出了明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)[25]。

然而，產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)并不是在間作的所有間作組合作物中都能體現(xiàn)。L. Coll等人對(duì)玉米-大豆間作和向日葵-大豆間作進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)間作模式下的向日葵和玉米比單作種植模式下的產(chǎn)量減少了20%左右[26]。Liu對(duì)小麥和玉米間作研究發(fā)現(xiàn)間作下的小麥的干物質(zhì)積累量比單作物種植時(shí)要大，然而玉米在間作種植時(shí)的干物質(zhì)累積量去沒有單作物種植時(shí)的大[27]。Li對(duì)玉米、蠶豆、大麥和小麥做了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)玉米與蠶豆間作時(shí)，玉米的產(chǎn)量比單作物種植時(shí)要高；而當(dāng)玉米與小麥或大麥間作時(shí)，玉米的產(chǎn)量比單作種植時(shí)要低[15]。

(1)與豆科植物間作種植。間作種植的方式使作物高產(chǎn)的原因有很多。Lithourgidis研究表明，當(dāng)某種作物與豆類間作種植時(shí)，豆類作物(例如大豆等)可以發(fā)揮它的生物固氮作用來增加N元素的吸收效率，并且由于間作種植方式地面覆蓋較好而提高了土壤保持的能力。此外，它比單作物種植方式具有更好的抗倒伏能力以及具有降低害蟲發(fā)生率的作用[20]。Kn?rzer等人認(rèn)為玉米或小麥在與不同種類的豆科植物間作種植時(shí)產(chǎn)量提高有不同的原因。例如，鷹嘴豆與小麥間作時(shí)會(huì)促進(jìn)小麥對(duì)磷元素的吸收；玉米與花生間作時(shí)會(huì)改善作物對(duì)鐵元素的吸收能力；玉米與蠶豆間作時(shí)會(huì)增強(qiáng)對(duì)氮元素的吸收作用[12]。

(2)對(duì)太陽(yáng)輻射及水分的利用效率。許多學(xué)者指出干物質(zhì)累積與作物產(chǎn)量取決于植物獲得太陽(yáng)能及水分等資源的能力，間作種植的太陽(yáng)輻射和光照的利用率比單作物種植的要高。間作種植能更加合理地利用光能，增加單位面積上的生物產(chǎn)量，從而提高土地利用率。Caviglia O P以年為基準(zhǔn)，研究了關(guān)于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中單作物種植及雙作物種植的資源有效利用率(資源的有效利用率是指生物量或產(chǎn)量與光合有效輻射或降雨的比值)，結(jié)果表明，以年為時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)間作種植的水分利用率和太陽(yáng)輻射利用率均比單作物種植的要大[28]；B.A.Keating等認(rèn)為間作種植方式加強(qiáng)了作物對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收能力[29]；Kn?rzer認(rèn)為間作系統(tǒng)和單作系統(tǒng)的太陽(yáng)輻射、土壤溫度和風(fēng)速均不同[19]；M.Tsubo認(rèn)為間作的太陽(yáng)輻射截獲比率(F)比單作物種植的要高，因此在給定的土地上種植玉米和豆類時(shí)，采用間作種植方式相比單作物種植方式對(duì)太陽(yáng)輻射能截獲及吸收的效率會(huì)更高[30]；KANTON認(rèn)為玉米和豌豆間作種植的水分利用率比單作物種植時(shí)要高[22]；Yang等人研究了關(guān)于小麥和玉米的間作種植，研究結(jié)果表明，間作種植的水分利用率比單作物種植下的小麥和玉米的水分利用率總和的一半還要多出1.8%～16.4%，在2006-2008年的實(shí)驗(yàn)中，間作種植與單一種植的小麥相比，間作下的水分利用率分別提高了30.5%～57.7%、55.5%～71.4%和12.0%～19.8%。對(duì)于玉米來說，水分利用率分別提高了32.7%～37.8%、9.5%～15.8%和4.0%～20.8%。因此，在水資源有限的地區(qū)，更應(yīng)該采用間作這種種植制度[16]。

(3)間作種植的邊行優(yōu)勢(shì)。間作種植的邊界行的影響也對(duì)產(chǎn)量起到了積極作用，這種種植方式可以發(fā)揮喜光作物的邊行優(yōu)勢(shì)和邊際效應(yīng)。黃義德[31]等針對(duì)茶樹與水稻進(jìn)行了研究，研究表明二者的間作系統(tǒng)的生態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)組成作物的生長(zhǎng)均有利。特別是在水稻拔節(jié)期后，由于水稻植株高于茶樹冠層，因而可得到充足的太陽(yáng)照射，具有邊行優(yōu)勢(shì)，從而使得水稻果實(shí)穗大粒多，結(jié)實(shí)率也大大提高；而水稻對(duì)于茶樹的適當(dāng)遮光，也減少了茶樹的病蟲害發(fā)生。

Zhang[25]認(rèn)為邊界行效應(yīng)是由于小麥在與玉米或大豆間作時(shí)，主要作物(小麥)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)能力最強(qiáng)，同時(shí)后期也存在著對(duì)次要作物的(玉米或大豆)“生長(zhǎng)補(bǔ)償效應(yīng)”，從而最終使間作的2種作物都獲得高產(chǎn)。尤其是邊界效應(yīng)也提高了太陽(yáng)輻射的利用率。 Munz[32]認(rèn)為當(dāng)在太陽(yáng)直接輻射比率較大的低緯度地區(qū)進(jìn)行矮菜豆(bush bean)與玉米間作種植時(shí)，增加行寬可能只減少了對(duì)邊界行的遮擋；當(dāng)在高緯度地區(qū)種植作物時(shí)，選擇一種相對(duì)高度較矮且葉面積指數(shù)較小的玉米品種與矮菜豆進(jìn)行間作種植，可以提高間作作物中較矮的作物的光照利用率。

(4)間作種植的肥料利用率。一些學(xué)者認(rèn)為間作種植方式可以提高作物對(duì)肥料的利用率，比如氮肥和磷肥等。尤其是氮肥，氮素是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的一種重要的營(yíng)養(yǎng)元素。 Li針對(duì)間作種植方式和單作物種植方式對(duì)N、P、K的利用率進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明在間作種植模式下，作物處于共同生長(zhǎng)期時(shí)，間作作物之間能互相促進(jìn)彼此對(duì)肥料的吸收[24]。Anthony R.Szumigalski等認(rèn)為在相同面積的土地上種植作物時(shí)，間作種植方式對(duì)氮素的利用率會(huì)更高[33]。Li認(rèn)為通過間作種植作物不僅提高了作物對(duì)氮素的利用效率，還相應(yīng)減少了土壤中的氮素累積，從而可以降低農(nóng)業(yè)上的氮素污染。他還指出，選擇成熟期不同的作物品種進(jìn)行間作種植可以更有效提高作物對(duì)氮元素的利用效率[34]。Ying Gao認(rèn)為，每單位面積土地上間作種植方式比單作種植方式要使用的氮素更多[18]。Zhang認(rèn)為磷肥的施用對(duì)于間作種植作物產(chǎn)量的提高有著非常重要的作用[35]。

(5)間作種植可保持土壤肥力。除此之外，間作種植方式還具有保持土壤肥力的作用，不同間作作物之間有對(duì)彼此促進(jìn)生長(zhǎng)的作用。Zhang等認(rèn)為，某些作物與豆科植物進(jìn)行間作種植時(shí)，能增強(qiáng)作物對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)元素的吸收能力，從而保持了土壤肥力。此外，由于間作種植方式比單作種植方式的土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收效率更高而減少了土壤中硝酸鹽積累量[25]。Song等認(rèn)為間作種植方式提高了N和P的利用率而增加了作物產(chǎn)量，間作種植具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)可能是由于其種植方式影響了作物根圍的微生物特性和化學(xué)特性[36]。Wang等通過對(duì)間作種植方式下的土壤的化學(xué)和生物學(xué)特性的研究來討論間作種植方式具有保持土壤肥力的作用，并且，在相對(duì)肥沃的土壤中，間作種植方式保持大部分土壤化學(xué)特性和酶活動(dòng)的穩(wěn)定性[37]。

(6)間作種植對(duì)病蟲害的抑制。近年來，Cao針對(duì)小麥和玉米或小麥和向日葵的間作種植進(jìn)行了研究。研究表明，小麥和玉米間作種植在高產(chǎn)的同時(shí)，又能很好地控制減少作物條銹病和霉菌的發(fā)生；小麥和向日葵間作種植能有效降低作物條銹病和白粉病的發(fā)病率[38]。金春淮對(duì)茶樹和桑樹的間作種植情況進(jìn)行了研究，并認(rèn)為二者間作能有效地控制雜草滋生，可減少除草次數(shù)。同時(shí)，由于間作種植的方式對(duì)病蟲害防治有一定效果[39]。馬焰認(rèn)為茶樹與咖啡的間作種植系統(tǒng)中，為咖啡提供了蔭蔽區(qū)域，減少咖啡的病蟲害發(fā)生率，同時(shí)，二者互不為對(duì)方主要病蟲害的寄主作物,因此二者間作種植能大大降低病蟲害的發(fā)生率[40]。

(7)間作種植的水分利用率。關(guān)于水分利用率的研究，存在2個(gè)不同的研究方向。有些學(xué)者是為了提高作物產(chǎn)量而研究如何提高水分利用率的[22,41,42]；還有一類研究是關(guān)于間作種植方式相對(duì)于單作物種植方式的灌溉水量較大[16]。此外，作物的耕作模式對(duì)于水分利用率的影響也很重要。適宜的耕作方式更有利于作物對(duì)降雨的吸收并儲(chǔ)存在作物根系中[17,28,42,43]。

具有不同的根系構(gòu)造的作物間作種植時(shí)，土壤水的利用效率會(huì)更高。這是因?yàn)槠渲幸环N間作組成作物會(huì)吸收另一種間作組成作物的根系下面的水分[15,44,45]。Brooker等在2015年提出，當(dāng)間作種植中的一種組成作物的需水要求降低時(shí)，就能體現(xiàn)出間作種植水分利用效率提高的優(yōu)勢(shì)[13]。

3 結(jié) 論

本文對(duì)間作種植的諸多優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了闡述，并且與單作物種植方式進(jìn)行了對(duì)比。相對(duì)于單作物種植，間作能減少肥料施用量，有效降低碳排放，從而緩解農(nóng)業(yè)環(huán)境危機(jī)。它還具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，還對(duì)作物生長(zhǎng)和果實(shí)品質(zhì)有益。針對(duì)河套灌區(qū)的鹽漬化及水資源短缺的特點(diǎn)，更應(yīng)該提倡間作種植方式。

間作種植系統(tǒng)由于其具有資源利用率高的特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)上備受廣大研究者的關(guān)注，并隨著間作理論、現(xiàn)代技術(shù)的日益進(jìn)步以及環(huán)境問題的日益突出，使間作種植模式得到了廣大專家的高度肯定及認(rèn)可。目前，人們對(duì)不同間作體系的群體光合效應(yīng)機(jī)理、產(chǎn)量效益優(yōu)勢(shì)以及水分養(yǎng)分利用率等方面進(jìn)行了大量研究，這些科學(xué)研究為間作種植的生產(chǎn)實(shí)踐提供了豐富的理論基礎(chǔ)。此外盡管間作種植系統(tǒng)的研究成果較為豐碩，但其中仍有以下許多空白和不足，有待于深入研究。

(1)間作種植系統(tǒng)的復(fù)合群體因素較為復(fù)雜，并且各因素間存在互作效應(yīng)。目前針對(duì)此研究多集中于單一因素的影響，缺乏系統(tǒng)性的整體研究。

(2)對(duì)于間作種植模式雖然優(yōu)勢(shì)甚多，但不排除有間作劣勢(shì)的存在，應(yīng)該結(jié)合大量研究成果進(jìn)行分析，包括設(shè)置不同氣候、不同區(qū)域、不同土壤條件及不同作物搭配下的差異性分析。

(3)目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)間作種植系統(tǒng)的模型構(gòu)建的研究較少，尤其是能夠應(yīng)用于實(shí)踐的模型更是少有報(bào)道。因此開發(fā)適合間作模式的數(shù)學(xué)模型也是我們下一步的研究方向。

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