川西北丘陵坡耕地苜蓿玉米間作田土壤水分與作物產(chǎn)量規(guī)律研究

王學(xué)春，王紅妮，李 巍，畢 勝

(1. 西南科技大學(xué)a.生命科學(xué)與工程學(xué)院，b.成人與網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院，中國 綿陽 621010；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中心實驗室，中國 福州 350003)

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川西北丘陵坡耕地苜蓿玉米間作田土壤水分與作物產(chǎn)量規(guī)律研究

王學(xué)春1a*，王紅妮1b，李 巍2，畢 勝1a

(1. 西南科技大學(xué)a.生命科學(xué)與工程學(xué)院，b.成人與網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院，中國 綿陽 621010；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中心實驗室，中國 福州 350003)

通過比較玉米單作、苜蓿單作和苜蓿玉米間作3種種植模式的田間土壤水分含量和地表徑流量,產(chǎn)量與產(chǎn)值等，明確了苜蓿玉米間作在四川丘陵坡耕地的土壤水分變遷規(guī)律.結(jié)果表明：(1)在降水較多的7月，苜蓿玉米間作田的土壤含水量在0～20 cm,40～60 cm和80～100 cm土層分別為19.5%～21.6%,18.2%～20.3%和16.3%～18.5%；在降水較少的12月，其土壤含水量分別為19.5%～21.7%,18.2%～20.1%和17.1%～18.5%. (2)丘陵坡耕地苜蓿玉米間作田的土壤有效含水量在6～9月較高，在11月～翌年3月較低；在6～9月大于玉米單作田，小于苜蓿單作田；在11月～翌年3月則低于玉米單作田，高于苜蓿單作田.(3)2012～2014年，苜蓿玉米間作田的地表平均徑流量為15 471 m3/km2；比苜蓿單作田增加56.1%，比玉米單作田減少29.1%.(4)苜蓿玉米間作田的苜蓿干草產(chǎn)量為18 073～22 164 kg/hm2，玉米籽粒產(chǎn)量為3 864～4 176 kg/hm2，玉米秸稈產(chǎn)量為4 830～5 890 kg/hm2，其產(chǎn)值為49 900～50 100元/hm2，略低于苜蓿單作田，顯著高于玉米單作田.從土壤水分變遷和地表徑流等角度綜合考慮，在四川丘陵坡耕地推行苜蓿玉米間作具有較強的可行性，但在推行過程中需注意選取耐高溫、耐高濕的苜蓿品種，并注意苜蓿生長期間的病害防治.

土壤水分;地表徑流;產(chǎn)量;苜蓿玉米間作

四川西北丘陵區(qū)以坡耕地為主，由于水土流失嚴重(土壤侵蝕模數(shù)為3 798～9 831 t/(km2·a))，保水保肥能力差，是我國土壤侵蝕比較嚴重的地區(qū)之一[1-3].同時受氣候條件限制，該地區(qū)玉米種植以寬窄行為主，間作在寬行的傳統(tǒng)作物以紅薯為主，即麥/玉-苕(小麥玉米輪作，在玉米地套種紅薯)種植模式[4-5].因紅薯種植與收獲過程對勞動力需求大，受農(nóng)村勞動力減少等因素影響，農(nóng)民開始放棄在玉米寬行間作紅薯，大量玉米寬行被裸露，坡耕地水土流失問題進一步加重[6].

作為一種新型草糧種植模式，苜蓿玉米間作在我國旱區(qū)得到了廣泛研究.黃土高原地區(qū)的研究結(jié)果表明，與玉米單作田相比，苜蓿玉米間作田的地表徑流量顯著降低，土壤水分利用效率顯著提高[7-9].苜蓿玉米間作條件下，不同作物根系分布密度和入土深度不同，增加了作物根系吸收土壤水分的面積，提高了作物對不同土層土壤水分的利用效率[10-11].東北農(nóng)牧交錯帶的研究結(jié)果表明，苜蓿玉米間作有利于提高土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量[12].與苜蓿單作相比，苜蓿玉米間作提高了粗脂肪、碳水化合物的總能量及可利用營養(yǎng)成分產(chǎn)量[13-14]，可為四川畜牧業(yè)發(fā)展提供更多飼草，緩解當?shù)厝诵鬆幖Z矛盾.然而在季節(jié)性干旱頻發(fā)的四川丘陵坡耕地，苜蓿玉米間作模式的土壤水分運移規(guī)律尚不明確，苜蓿玉米間作是否適應(yīng)四川丘陵坡耕地的環(huán)境條件，亟待深入研究.

目前，四川已開始重視對草糧種植模式的研究.龐良玉等[15]和付登偉等[16]研究了不同草糧輪作模式的產(chǎn)量效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)，認為與傳統(tǒng)麥-玉/苕種植模式相比，在夏季和冬季適當引入牧草將大幅度提高四川丘陵區(qū)飼草供應(yīng)量.劉明秀等對12個苜蓿品種在四川的適應(yīng)性進行了評價，認為“海盜”是比較適合四川栽培的苜蓿品種[17].然而針對四川丘陵坡耕地的苜蓿玉米間作研究鮮見報道，本研究采用田間試驗的方法，以苜蓿單作和玉米單作為對照，研究苜蓿玉米間作對土壤水分運移規(guī)律的影響，明確其產(chǎn)量效應(yīng)，為進一步在四川丘陵坡耕地推廣苜蓿玉米間作模式提供必要理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 實驗區(qū)域概況

綿陽位于四川盆地西北部，涪江中上游，境內(nèi)山地占61.0%，丘陵占20.4%，平壩占18.6%；年平均氣溫14.7～17.3 ℃，極端最高氣溫36.1～39.5 ℃，極端最低氣溫-4.5～-7.3 ℃，無霜期252～300 d；年均降水量826～1 417 mm，其中6～9月降水集中、暴雨頻發(fā)，屬亞熱帶山地季風氣候.本試驗于2012～2014年在綿陽青義丘陵區(qū)坡耕地(坡度為10°)展開，試驗田土壤為四川丘陵區(qū)典型紅壤，土壤容重1.1 g/cm3、常年含水量11%～25%、萎蔫系數(shù)6.2%～8.5%、有機質(zhì)含量23 g/kg、全氮、全磷和全鉀含量分別為1.42，0.75和1.25 g/kg.

1.2 試驗設(shè)計

本試驗設(shè)計苜蓿單作(AL)、玉米單作(ME)和苜蓿玉米間作(AM)3種種植模式，每種模式設(shè)3次重復(fù)，共計9個小區(qū)，小區(qū)面積20 m2(4 m×5 m)，隨機區(qū)組設(shè)計.苜蓿品種為“海盜”，于2012年9月條播(播種量為20 kg/hm2)，播前整地耙平，并施廄肥和磷肥做基肥，其中，廄肥18 000 kg/hm2,P2O545.9 kg/hm2.苗期人工清除雜草，苜蓿株高60 cm左右刈割，留茬高度5 cm，每年4～10月收獲5～7茬，每次刈割后施N 25 kg/hm2.玉米品種為同玉11，于5月上旬單株種植，8月底9月初收獲.玉米生長期間施N 15 kg/hm2，P2O550 kg/hm2和K 90 kg/hm2，肥料運籌方式為：N以4∶4∶2的比例分別作基肥、分蘗肥和穗肥施入，P2O5在播種前作基肥施入，K以1∶1的比例分別作基肥和穗肥施入，其他管理與當?shù)卮筇锵嗤?苜蓿單作的行距為0.25 m；玉米單作的行距為0.25 m，株距為0.45 m；苜蓿玉米間作的玉米行距為0.5 m，玉米行間種植苜蓿，玉米株距為0.45 m.

1.3 取樣與統(tǒng)計

效標關(guān)聯(lián)效度是指護士工作滿意度與外在效標間關(guān)系的程度，這里的效標是指假定的客觀標準，作為評判評估手段的有效性的指標。一般認為，系數(shù)為0.4～0.8較好，本研究中通過條目“對護士工作滿意度整體印象得分”進行效標關(guān)聯(lián)度的檢測，其相關(guān)性為0.767，P=0.000，提示效標關(guān)聯(lián)效度較為理想[17]。

1.3.1 田間取樣 記錄逐日降雨量和氣溫等信息.采用中子儀測定0～1 m土層土壤含水量(0～20 cm土層，每10 cm取樣一次；20～100 cm土層，每20 cm取樣一次)；每月月初(1～5日)、月中(13～17日)和月末(26～31日)各記錄一次，每小區(qū)采用五點取樣法測量5處，取平均值進行比較和分析.地表產(chǎn)生徑流時，將徑流經(jīng)引水槽引入徑流收集桶，每1 min換徑流收集桶一次，直至降雨結(jié)束；將收集的徑流泥沙樣靜置72 h，待泥沙沉淀后濾出泥沙，用量筒測量水的體積.玉米收獲后進行室內(nèi)考種測產(chǎn)，苜蓿刈割后采用烘干法測產(chǎn).

1.3.2 計算方法 土壤有效含水量(ASW)的計算方法如式(1) 和(2) 所示.

(1)

ASWi=(SWi-WPi)×Pi×Hi× 10,

(2)

式中：ASW為0～1.0 m土層土壤有效含水量(mm)，ASWi為第i土層土壤有效含水量(mm)，n為所測定的最大土層數(shù)，SWi為第i土層土壤濕度(%)，WPi為第i土層土壤萎蔫系數(shù)(%)，Pi為第i土層土壤容重(g/cm3), Hi為第i土層厚度(cm).

土壤蓄水率(Er)和土壤耗水率(Eh)分別依據(jù)式(3)和(4)進行計算.

(3)

(4)

式中：Er為不同種植模式的土壤蓄水率(%)，Ra為降水量(mm)，Ru為地表徑流量(mm)；Eh為不同種植模式的土壤耗水率(%)，Ws1為月初土壤蓄水量(mm)，Ws2為月末土壤蓄水量(mm).

總產(chǎn)值(M)采用公式(5)進行計算.

(5)

式中：M為不同種植模式的產(chǎn)值(元/hm2)，Ymg為玉米籽產(chǎn)量(kg/hm2)，Pmg為玉米平均價格(元/kg)；Yms為玉米秸稈產(chǎn)量(kg/hm2)，Pms為玉米秸稈平均價格(元/kg)；Yai為第i茬苜蓿干草產(chǎn)量(kg/hm2)，Pi為苜蓿干草平均價格(元/kg).

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面含水量變化規(guī)律

在降水較多的7月，3種種植模式中，玉米單作田土壤含水量在0～20 cm土層最高，在40～60 cm土層最低；苜蓿單作田和苜蓿玉米間作田土壤剖面含水量均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而降低.其中，玉米單作田0～20 cm土層土壤含水量為18.2%～19.3%，40～60 cm和80～100 cm土層分別為17.7%～18.6%和18%～19%；苜蓿單作田0～20 cm土層土壤含水量為20.1%～22.5%，40～60 cm和80～100 cm土層分別為18.6%～21.3%和17.3%～18.7%；苜蓿玉米間作田0～20 cm土層土壤含水量為19.5～21.6%，40～60 cm和80～100 cm土層分別為18.2%～20.3%和16.3%～18.5%.

在降水較少的12月，3種種植模式的土壤剖面含水量均隨土層深度的增加而增加.其中，玉米單作田0～20 cm土層土壤含水量為18.6%～20.5%，40～60 cm和80～100 cm土層分別為17.7%～18.6%和18%～18.2%；苜蓿單作田0～20 cm土層土壤含水量為20.1%～22.5%，40～60 cm和80～100 cm土層分別為18.5%～21.4%和17.2%～18.1%；苜蓿玉米間作田0～20 cm土層土壤含水量為19.5%～21.7%，40～60 cm和80～100 cm土層分別為18.2%～20.1%和17.1%～18.5%.

與7月相比，在12月，0～40 cm土層土壤含水量在玉米單作田從17.5%～19.6%降低到13.2%～18%，降低程度為1.6%～4.3%；在苜蓿單作田從19.4%～22.5%降低到10.2%～12.5%，降低程度為9.2%～10%；在苜蓿玉米間作田從18.5%～21.7%降低到9.6%～13.6%，降低程度為8.1%～8.9%.60～100 cm土層土壤含水量在玉米單作田從18%～18.4%降低到18%～18.3%，降低程度為0%～0.1%；在苜蓿單作田從17.3%～19.6%降低到12.6%～15.7%，降低程度為3.9%～4.7%；在苜蓿玉米間作田從17.1%～19%降低到13%～16.5%，降低程度為2.5%～4.1%.表明：(1)苜蓿單作和苜蓿玉米間作對深層土壤水分的利用能力較強，尤其是60 cm以下土層；(2)苜蓿單作和苜蓿玉米間作的表層土壤水分波動幅度比玉米單作大.

2.2 土壤有效含水量變化規(guī)律

月平均土壤有效含水量在6～9月表現(xiàn)為苜蓿單作(264 mm)>苜蓿玉米間作(247 mm)>玉米單作(226 mm)；在11月到翌年3月表現(xiàn)為苜蓿單作(136 mm)<苜蓿玉米間作(137 mm)<玉米單作(153 mm)(圖1).1～12月土壤有效含水量和降水量間的相關(guān)系數(shù)在玉米單作田為0.86，在苜蓿單作田為0.82，在苜蓿玉米間作田為0.80.表明：(1)3種種植模式中的土壤有效含水量在6～9月較高，在11月～翌年3月較低；(2)種植模式和降水分布對四川丘陵坡耕地土壤有效含水量的變化影響顯著.

圖1 2012～2014年四川丘陵坡耕地3種種植模式0～1m土層土壤有效含水量比較Fig.1 Available soil water in 0～1 m soil for three planting models in slope field at the hilly regions of Sichuan Province from 2012 to 2014

2.3 3種種植模式的地表徑流量

3種種植模式的地表徑流量均隨降水量的增加而顯著增加(表1).苜蓿單作、玉米單作、苜蓿玉米間作的地表徑流量平均值，在日降水量小于30 mm時，分別為1 573，10 253和3 935 m3/km2，在日降水量大于70 mm時，分別為21 687，38 699和30 089 m3/km2，較前者分別增加1 278%，277%和664%.苜蓿玉米間作的地表徑流量顯著低于玉米單作，顯著高于苜蓿單作(表1).2012～2014年，苜蓿單作、玉米單作和苜蓿玉米間作的平均地表徑流量分別為9 907，21 829和15 471 m3/km2，與苜蓿單作相比，苜蓿玉米間作增加了56.1%，與玉米單作相比，苜蓿玉米間作減少了29.1%. 表明，在四川丘陵坡耕地種植苜蓿比種植玉米更有利于減少地表徑流量.

表1 四川丘陵坡耕地3種種植模式在不同降水事件中的地表徑流量(m3/km2)

2.4 3種種植模式的土壤蓄水率與耗水率

3種種植模式的土壤蓄水率變化趨勢一致，均在6～8月最小，11月到翌年3月最大(圖2A).其中，11月至翌年3月，苜蓿單作、玉米單作和苜蓿玉米間作的土壤平均蓄水率分別為94%，93%和93%，不同種植模式間差異不顯著(P>0.05)；6～9月，3種種植模式的土壤平均蓄水率分別為73%，66%和70%，不同種植模式間差異顯著(P<0.05).表明3種種植模式中，干旱季節(jié)(11月至翌年3月)土壤蓄水率較高，多雨季節(jié)(6～9月)土壤蓄水率較低.

3種種植模式的土壤耗水率均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(圖2B).其中6～9月的土壤耗水率最大，苜蓿單作、玉米單作和苜蓿玉米間作的平均土壤耗水率分別為67%，66%和66%；11月至翌年3月的土壤耗水率最小，3種種植模式的平均土壤耗水率分別為48%，26%和39%.其中玉米生長較旺盛的6～8月，3種種植模式的土壤耗水率差異不顯著(P>0.05)，其他時期，苜蓿玉米間作的土壤耗水率顯著低于苜蓿單作，并顯著高于玉米單作.總體而言，苜蓿單作的土壤耗水率最大，其平均值為56%；玉米單作的土壤耗水率最小，其平均值為43%.

圖2 四川丘陵坡耕地不同種植模式1～12月土壤蓄水率(A)與耗水率(B)Fig.2 Rate of rainfall storing (A) and rate of used water (B)of different planting models from January to December in slope field at the hilly regions in Sichuan Province

2.5 3種種植模式的產(chǎn)量與產(chǎn)值

在四川丘陵坡耕地，苜蓿單作的干草產(chǎn)量為23 564～26 152 kg/hm2；玉米單作年均籽粒產(chǎn)量為6 842～7 216 kg/hm2，秸稈產(chǎn)量為8 529～8 961 kg/hm2；苜蓿玉米間作的苜蓿干草產(chǎn)量為18 073～22 164 kg/hm2，玉米籽粒產(chǎn)量為3 864～4 176 kg/hm2，玉米秸稈產(chǎn)量為4 830～5 890 kg/hm2.苜蓿玉米間作的苜蓿干草產(chǎn)量比苜蓿單作顯著降低，玉米籽粒和秸稈產(chǎn)量也較玉米單作顯著降低(表2).

2012～2014年，國產(chǎn)苜蓿干草價格平均2.0 元/kg,玉米價格平均2.2 元/kg,玉米秸稈賣給奶牛養(yǎng)殖場的價格平均0.2 元/kg.按照此價格，依據(jù)式5計算出苜蓿單作、玉米單作和苜蓿玉米間作3種種植模式的產(chǎn)值分別為50 238，17 267和50 036 元/hm2(表2).表明，苜蓿玉米間作的產(chǎn)值略低于苜蓿單作，但顯著高于玉米單作.

表2 四川丘陵坡耕地3種種植模式的產(chǎn)量與產(chǎn)值

3 討論

本研究表明，苜蓿玉米間作的玉米產(chǎn)量比玉米單作低，其苜蓿產(chǎn)量也比苜蓿單作產(chǎn)量低；但苜蓿玉米間作的產(chǎn)值高于玉米單作，低于苜蓿單作.從土壤水分變遷、地表徑流和產(chǎn)值等角度綜合考慮，在四川丘陵坡耕地推行苜蓿玉米間作種植模式具有較強的可行性.2012～2014年的田間試驗也反映出在四川丘陵坡耕地進行苜蓿玉米間作種植模式的一些問題.(1)本研究雖選擇了較為耐高溫的苜蓿品種—海盜進行實驗，但在溫度較高的7～9月，苜蓿生長仍然較為緩慢.(2)受高溫高濕氣候以及玉米遮蔭的影響，苜蓿玉米間作田間通風能力降低，苜蓿病害增加.本研究中，并未出現(xiàn)前人研究中所發(fā)現(xiàn)的苜蓿爛根問題，這或許與坡耕地排水條件較好以及本研究中苜蓿的種植年限較短有關(guān).今后，一方面需加強苜蓿的引種和選育，培育耐病品種，另一方面需要加強苜蓿玉米間作種植技術(shù)研究，緩解高溫高濕對苜蓿生長的不利影響.

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(編輯 HWJ)

Research on Soil Water and Crop Yield of Alfalfa-Maize Intercropping System at Slope Land in the Hilly Regions of Sichuan Province

WANGXue-chun1a*,WANGHong-ni1b,LIWei2,BISheng1a

(1.a.School of Life Science and Technology, b.College of Adult and Online Education,Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;2.Central Laboratory, Fujian Academy of Agricultural Science, Fuzhou 35003, China)

The law of soil water changing in alfalfa-maize intercropping system(AM) cropping system was clarified by the comparison of soil water content, surface runoff amount, yield and economic benefit among mono maize cropping system (ME), mono alfalfa cropping system (AL) and alfalfa-maize intercropping system(AM).Results showed that the precipitation of July was larger than other months, soil water content of AM was 19.5%～21.6%,18.2%～20.3%and 16.3%～18.5%, respectively, at 0～20 cm, 40～60 cm and 80～100 cm soil layers; while the rainfall of September was less than other months, soil water content in the same soil layers was 19.5%～21.7%, 18.2%～20.1% and 17.1%～18.5% respectively. Available soil water of AM was higher between June and September, while it was less from November to next March. The available soil water of AM was higher than that of ME and was less than that of AL during June to September; while it was less than ME and higher than AL among November and next March. Mean runoff amount of AM was 15 471 m3/km2, which is increased by 56.1% than that of AL and is decreased by 29.1% than that of ME, from 2012 to 2014. Alfalfa yield of AM was 18 073～22 164 kg/hm2，with the maize yield of 3 864～4 176 kg/hm2and the maize straw of 4 830～5 890 kg/hm2from 2012 to 2014. The total economic income of AM was 49 900～50 100 Yuan/hm2, which was significantly less than AL and higher than ME. Taking soil water changing, runoff amount and economic into account, we concluded that there was a stronger feasibility to practice the alfalfa-maize intercropping system at the slope land in the hilly regions of Sichuan Province. However the alfalfa used in alfalfa-maize cropping system should have a higher capacity to tolerate high temperature and ruminated environment. The farmer should also pay more attention to prevent and control alfalfa disease during the growth of alfalfa in summer.

soil water; surface runoff; yield; alfalfa-maize intercropping system

2015-12-30

糧食豐產(chǎn)增效科技創(chuàng)新重點項目(2016YFD0300210);四川省教育廳資助項目(13ZB0299)

S541.9

A

1000-2537(2016)06-0009-06

*通訊作者,E-mail：xuechunwang@swust.edu.cn