水肥調(diào)控下蘋(píng)果-玉米間作系統(tǒng)作物生長(zhǎng)及經(jīng)濟(jì)效益分析

高 飛，王若水，2，許華森，王冬梅，楊宗儒

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院， 北京 100083； 2.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)站， 山西 吉縣 042200；3.山西吉縣林業(yè)服務(wù)中心， 山西 吉縣 042200)

水肥調(diào)控下蘋(píng)果-玉米間作系統(tǒng)作物生長(zhǎng)及經(jīng)濟(jì)效益分析

高 飛1，王若水1，2，許華森1，王冬梅1，楊宗儒3

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院， 北京 100083； 2.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)站， 山西 吉縣 042200；3.山西吉縣林業(yè)服務(wù)中心， 山西 吉縣 042200)

為了探求適用于晉西黃土區(qū)果糧間作系統(tǒng)的水肥管理制度，以當(dāng)?shù)氐湫偷奶O(píng)果-玉米間作系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)置二因素三水平水肥耦合試驗(yàn)，分析不同水肥調(diào)控下玉米灌漿期穗位葉葉綠素和葉水勢(shì)相對(duì)含量及水平分布特征，從而建立灌水量、施肥量與各葉片生理指標(biāo)及產(chǎn)量的回歸關(guān)系，進(jìn)一步分析各處理投入產(chǎn)出值及經(jīng)濟(jì)收益。試驗(yàn)設(shè)置灌水量上限三水平分別為：田間持水量(Fc)的50%(W1)、65%(W2)和85%(W3)，施肥量分別為：N 289 kg·hm-2+P2O5118 kg·hm-2+K2O 118 kg·hm-2(F1，70%經(jīng)驗(yàn)施肥量)、N 412.4 kg·hm-2+P2O5168.8 kg·hm-2+K2O 168.8 kg·hm-2(F2，100%經(jīng)驗(yàn)施肥量)、N 537 kg·hm-2+P2O5219 kg·hm-2+K2O 219 kg·hm-2(F3，130%經(jīng)驗(yàn)施肥量)。結(jié)果表明：水肥調(diào)控對(duì)植物葉綠素含量影響較小，對(duì)葉水勢(shì)影響較大；隨著施肥量的增加，植物葉水勢(shì)、葉面積指數(shù)及產(chǎn)量均逐漸減??；不同水肥調(diào)控措施通過(guò)種間競(jìng)爭(zhēng)對(duì)葉片生理參數(shù)產(chǎn)生的影響不同。玉米葉綠素隨著距樹(shù)行距離的增加而逐漸遞增，不同灌溉水平對(duì)距樹(shù)不同距離處玉米葉水勢(shì)影響差異較大。多元回歸分析結(jié)果顯示：當(dāng)全生育期氮肥施用量為289 kg·hm-2、磷肥施用量為118 kg·hm-2、鉀肥施用量為118 kg·hm-2，間作系統(tǒng)可獲得較高的產(chǎn)量，理論最大值分別為10 133.50 kg·hm-2、10 205.90 kg·hm-2。在本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)采用全生育期灌水上限設(shè)定值為田間持水量的50%，總施肥量為525 kg·hm-2(F1,70%經(jīng)驗(yàn)施肥量)的水肥管理制度可使間作系統(tǒng)凈收益最高，可達(dá)10 470.38 元·hm-2。因此，低量灌水和施肥不僅可使系統(tǒng)凈收益最大，還可避免盲目施肥和灌溉造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，是最有利于晉西黃土區(qū)果糧間作系統(tǒng)的水肥管理制度。

水肥耦合；果糧間作；葉綠素；葉水勢(shì)；產(chǎn)量；凈收益

晉西黃土區(qū)是典型的氣候干旱區(qū)，土壤貧瘠，降雨稀少。惡劣的土壤和氣候環(huán)境嚴(yán)重限制該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。果糧間作系統(tǒng)因其良好的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益，被廣泛推廣應(yīng)用，成為該地區(qū)主要農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式。蘋(píng)果和玉米是當(dāng)?shù)刂饕慕?jīng)濟(jì)樹(shù)種和糧食作物，但果樹(shù)生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、效益滯后，為充分利用現(xiàn)有土地資源，穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)收入，在未坐果的幼齡果樹(shù)行間間作玉米成為該地區(qū)現(xiàn)行較廣泛的土地集約利用方式之一。目前，該地區(qū)蘋(píng)果種植面積1.87萬(wàn)hm2，農(nóng)作物播種總面積1.56萬(wàn)hm2，其中果園間作面積1.03萬(wàn)hm2，占果園總面積的55%，玉米總播種面積0.59萬(wàn)hm2，間作0.38萬(wàn)hm2，占64.1%。但晉西黃土殘塬地區(qū)土壤養(yǎng)分存儲(chǔ)量有限，且降雨多集中在6—8月，時(shí)空分布極不均衡，果糧間作必會(huì)產(chǎn)生激烈的水肥資源競(jìng)爭(zhēng)[1-5]，造成該地區(qū)間作系統(tǒng)土壤水分與養(yǎng)分進(jìn)一步虧缺。為緩解這種趨勢(shì)，必須在間作系統(tǒng)缺水缺肥的關(guān)鍵期進(jìn)行水與肥的補(bǔ)給[6]。

大量研究表明，盲目的施肥和灌溉會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，合理的水肥管理措施才可達(dá)到“水肥互促”的目的[7-9]。果糧間作系統(tǒng)種間生態(tài)位重疊較大，對(duì)水分、養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈[10-14]，極易產(chǎn)生水肥虧缺從而限制系統(tǒng)產(chǎn)出。所以在干旱貧瘠的晉西黃土區(qū)，對(duì)間作系統(tǒng)進(jìn)行水肥耦合試驗(yàn)，探究水分和肥料對(duì)植株形態(tài)、生理及產(chǎn)量等方面的影響[15]，探求適用于該地區(qū)水肥優(yōu)化組合，對(duì)該地區(qū)的環(huán)境[16]和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

葉片的生理指標(biāo)直接反映植株生理狀況，同時(shí)影響著植物光合性能的發(fā)揮，從而限制干物質(zhì)的積累和最終產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的形成[17-19]。目前，一些學(xué)者對(duì)水肥控制條件下植物葉片生理參數(shù)進(jìn)行了較多研究[20-23]，但對(duì)于農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)植物葉片生理指標(biāo)變化特征及其與水肥調(diào)控的定量關(guān)系方面的研究較少。本文以晉西黃土區(qū)典型的蘋(píng)果-玉米間作系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究不同水肥處理?xiàng)l件下作物葉片生理參數(shù)、產(chǎn)量特征和經(jīng)濟(jì)效益，及其與灌水施肥量的定量關(guān)系，為該地區(qū)果糧間作系統(tǒng)建立合理高效的水肥管理制度提供理論依據(jù)，為水肥調(diào)控條件下種間互作機(jī)制的研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站石山灣試驗(yàn)基地(36°00′～36°13′N(xiāo)，110°31′～110°56′E)，該地屬于黃土殘塬溝壑區(qū)，表層為第四紀(jì)風(fēng)積黃土，呈微堿性反應(yīng)(pH=7.9)，土壤貧瘠，有機(jī)質(zhì)含量在1%以下，其中供試果園全氮含量0.5 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量7.0 g·kg-1、速效磷含量4.7 mg·kg-1、速效鉀含量145 mg·kg-1，0～60 cm土層平均孔隙度52.54%[1]。該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年平均降水量575.9 mm，主要集中在6—8月，約占全年降水量的80.6%，年平均蒸發(fā)量為 1 723.9 mm，4—7月蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的54%。年平均無(wú)霜期170 d左右，平均氣溫10℃，平均積溫 3 357.9℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 灌水量設(shè)定 試驗(yàn)于2014年4—9月進(jìn)行。采用當(dāng)?shù)氐湫吞O(píng)果與玉米間作模式，根據(jù)該地區(qū)多年月平均降水量及蘋(píng)果和玉米的月平均耗水量[24-27]，在作物需水關(guān)鍵期(6—9月)進(jìn)行灌水處理，灌溉方式采用小畦灌溉。

灌水量根據(jù)蘋(píng)果和玉米適宜的土壤水分范圍[24-27]，設(shè)定灌溉上限水平分別為：0～60 cm土層平均重量含水量占田間持水量(Fc)的50%，65%與85%(田間持水量為23.4%)，并在玉米需水關(guān)鍵時(shí)期即拔節(jié)期、抽雄期、灌漿初期進(jìn)行灌溉。

灌水定額計(jì)算公式為：M(m3·hm-2)=10000H(θw-θ0)n。式中，M為灌水量；H為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(0.6 m)；θw為設(shè)定灌溉水平下土壤重量含水量；θ0為當(dāng)時(shí)的土壤重量含水量；n為H(0.6 m)土層內(nèi)的土壤孔隙率。

試驗(yàn)期間降雨量及灌溉量情況如圖1所示。2014年6—9月份累計(jì)降水量為307.16 mm。

1.2.2 施肥量設(shè)定 根據(jù)當(dāng)?shù)氐氖┓柿?xí)慣，肥料類(lèi)型選用NPK復(fù)合肥，按照當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)施肥量設(shè)定三個(gè)施肥水平，即：N 289 kg·hm-1+P2O5118 kg·hm-2+K2O 118 kg·hm-2(F1,70%經(jīng)驗(yàn)施肥量)、N 412.4 kg·hm-2+P2O5168.8 kg·hm-2+K2O 168.8 kg·hm-2(F2，100%經(jīng)驗(yàn)施肥量)、N 537 kg·hm-2+P2O5219 kg·hm-2+K2O 219 kg·hm-2(F3，130%經(jīng)驗(yàn)施肥量)。生育期內(nèi)試驗(yàn)肥料隨灌溉水均勻施入土壤中，施肥灌溉具體時(shí)間及用量如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)二因素三水平試驗(yàn)設(shè)置，共設(shè)9個(gè)處理，另設(shè)一組空白對(duì)照處理，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)蘋(píng)果樹(shù)為4年生，株高2.2 m，胸徑4.2 cm，冠幅1.5 m，冠高1.2 m，尚未開(kāi)始坐果，株行距為4 m×5 m，樹(shù)行為東西走向；玉米株行距為0.5 m×0.6 m，每個(gè)小區(qū)共4棵果樹(shù)，小區(qū)邊緣距離樹(shù)1 m(圖2)，小區(qū)面積為42 m2。

圖2 試驗(yàn)小區(qū)及采樣點(diǎn)布設(shè)圖

1.3 各葉片生理參數(shù)及產(chǎn)量的測(cè)量方法

玉米葉綠素測(cè)定：在兩行果樹(shù)之間，垂直于果樹(shù)行方向上布設(shè)一條樣線(xiàn)，樣線(xiàn)上布設(shè)樣點(diǎn)(圖2)。從距離樹(shù)行0.5 m處布設(shè)第一個(gè)取樣點(diǎn)，之后每隔1 m布設(shè)一個(gè)取樣點(diǎn)。在玉米灌漿期，運(yùn)用便攜式葉綠素儀測(cè)量玉米穗位葉片基部2/3處的SPAD值(葉綠素含量相對(duì)值)[28]。

玉米葉水勢(shì)測(cè)定：取樣線(xiàn)布設(shè)同葉綠素一致，取樣點(diǎn)選取距果樹(shù)行0.5 m，1.5 m，2.5 m的三株玉米。在玉米灌漿期，運(yùn)用露點(diǎn)水勢(shì)儀測(cè)量玉米穗位葉葉片水勢(shì)。

蘋(píng)果葉綠素和葉水勢(shì)測(cè)定：每棵果樹(shù)選取5枚發(fā)育正常、無(wú)病蟲(chóng)害的葉片測(cè)定葉水勢(shì)及葉綠素，小區(qū)內(nèi)4棵果樹(shù)取平均值。

產(chǎn)量測(cè)定：收獲期(10月27日)，分小區(qū)測(cè)量玉米產(chǎn)量。

1.4 生產(chǎn)成本與經(jīng)濟(jì)收入計(jì)算方法

所有蘋(píng)果-玉米間作系統(tǒng)利用的土地價(jià)值均認(rèn)為是相同的，不考慮該項(xiàng)成本。間作系統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的成本包括資金投入和勞動(dòng)力投入兩部分。資金投入項(xiàng)目包括作物種子、化肥、灌溉水、農(nóng)藥，這些生產(chǎn)材料的價(jià)格均依照當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平執(zhí)行。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的勞動(dòng)力投入主要包括土地翻耕、除草、施肥、灌水等項(xiàng)目產(chǎn)生的雇傭勞動(dòng)力的投入。其中，雇工成本按照2014年當(dāng)?shù)仄骄凸すべY計(jì)算(人工130元·人-1·d-1)。另外，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，農(nóng)民在從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之外并不能獲得其它工作機(jī)會(huì)或收入，所以，未將土地經(jīng)營(yíng)者所投入的個(gè)人或家庭成員勞動(dòng)力作為生產(chǎn)成本。資金和勞動(dòng)力的成本通過(guò)對(duì)各個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)者進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查的方式獲取[29]。由于本試驗(yàn)選取的幼齡果樹(shù)尚未坐果，而且作物秸稈采用還田的方式進(jìn)行處理，所以蘋(píng)果//玉米間作系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收入均來(lái)自玉米產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)收入根據(jù)作物產(chǎn)量和2014年當(dāng)?shù)氐氖召?gòu)價(jià)格計(jì)算(1.6 元·kg-1)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及圖表制作，運(yùn)用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析及多重比較，運(yùn)用Matlab 2012軟件進(jìn)行多元回歸分析。為便于用葉片參數(shù)表征水肥補(bǔ)給對(duì)兩物種種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的影響，引進(jìn)葉片參數(shù)相對(duì)值[30]：R=|試驗(yàn)組兩物種葉片參數(shù)差值/對(duì)照組兩物種葉片參數(shù)差值|；R>1表明水肥補(bǔ)給加劇種間競(jìng)爭(zhēng)對(duì)葉片參數(shù)的影響，R<1表明水肥補(bǔ)給緩解種間競(jìng)爭(zhēng)對(duì)葉片參數(shù)的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 水肥調(diào)控對(duì)葉片生理參數(shù)及產(chǎn)量的影響

各處理葉片生理參數(shù)及產(chǎn)量如表2所示。各試驗(yàn)組與對(duì)照組葉綠素含量均無(wú)顯著差異，說(shuō)明水肥處理對(duì)葉綠素含量的影響相對(duì)較小。蘋(píng)果及玉米的葉水勢(shì)均受施肥量因素的影響較大：水肥補(bǔ)給顯著降低蘋(píng)果的葉水勢(shì)，降幅達(dá)17.56%～214.4%，而高水高肥處理(W3F3)的葉水勢(shì)顯著低于其它組，可能是由于大量施肥導(dǎo)致植物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量增加，葉片溶質(zhì)濃度變大，導(dǎo)致葉水勢(shì)降低[31]。玉米葉水勢(shì)隨著施肥量的增加總體逐漸降低：在低施肥量(F1)條件下，玉米葉水勢(shì)隨著灌水量的增加而逐漸升高，且達(dá)到顯著水平，說(shuō)明低量施肥時(shí)提高灌水量可有效改善植物水分狀況；中施肥量(F2)條件下，不同灌溉水平葉水勢(shì)無(wú)顯著差異；高施肥量(F3)條件下，葉水勢(shì)隨著灌水量的增加緩慢降低。說(shuō)明隨著施肥量的增大，灌水量對(duì)葉水勢(shì)的增益作用逐漸減弱。葉面積指數(shù)及玉米產(chǎn)量均隨著施肥量的增大而減小，不同施肥水平對(duì)作物產(chǎn)量的影響達(dá)到顯著差異水平。大量的研究結(jié)果顯示，水肥的增產(chǎn)作用存在一個(gè)最適值，當(dāng)投入量低于最適投入量時(shí)，隨著投入量的增加，產(chǎn)量也隨之增加；達(dá)到最適投入量時(shí)，產(chǎn)量最高；投入量繼續(xù)加大，產(chǎn)量則隨之減小[32-33]。所以在本試驗(yàn)中產(chǎn)量隨著施肥量的增加反而減少，但水肥補(bǔ)給的試驗(yàn)組仍然較對(duì)照組顯著提高作物產(chǎn)量，提高幅度達(dá)954.8～1 281.3 kg·hm-2，增產(chǎn)10.74%～14.42%。由葉綠素及葉水勢(shì)R值可以看出，不同水肥調(diào)控模式使得種間競(jìng)爭(zhēng)對(duì)葉片生理參數(shù)的影響不同：對(duì)于葉綠素來(lái)說(shuō)，施肥水平為F1、F3的處理加劇了種間競(jìng)爭(zhēng)對(duì)葉綠素的影響(R>1)，對(duì)于葉水勢(shì)來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)組W1F1、W2F3、W3F3均使葉水勢(shì)R值顯著增加(R>1)，即此種情況下會(huì)加劇種間競(jìng)爭(zhēng)對(duì)葉水勢(shì)的影響。這是由于葉綠素和葉水勢(shì)受土壤水肥狀況及地上光照狀況的共同影響，而水肥狀況也會(huì)導(dǎo)致地上光競(jìng)爭(zhēng)的改變，所以水肥調(diào)控對(duì)葉片生理指標(biāo)的影響是通過(guò)地上部分和地下部分綜合作用產(chǎn)生的，因此不同水肥調(diào)控措施通過(guò)種間競(jìng)爭(zhēng)對(duì)葉片生理參數(shù)產(chǎn)生的影響不同。

表2 不同水肥處理對(duì)葉綠素、葉水勢(shì)、葉面積指數(shù)和產(chǎn)量的影響

注：同列數(shù)值后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

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

方差分析結(jié)果顯示(表3)，灌水處理對(duì)葉水勢(shì)有極顯著的影響，對(duì)其它指標(biāo)無(wú)顯著影響；施肥量對(duì)葉綠素?zé)o顯著影響，對(duì)其它指標(biāo)均有極顯著影響；水肥交互作用對(duì)植物水勢(shì)及玉米葉綠素含量有極顯著影響；F值顯示：施肥處理對(duì)葉片各生理參數(shù)和產(chǎn)量的影響程度較灌溉處理和距樹(shù)行距離大。樹(shù)距對(duì)玉米葉綠素含量及葉水勢(shì)都有著極顯著的影響，但灌水量與距樹(shù)距離、施肥量與距樹(shù)距離以及三者的交互作用均對(duì)玉米葉綠素?zé)o顯著影響，這說(shuō)明水肥補(bǔ)給可使距果樹(shù)不同距離的玉米葉綠素含量差異減小。

2.2 玉米葉片生理參數(shù)水平分布特征

2.2.1 玉米葉綠素水平分布 葉綠素是光合作用重要的光敏化劑，其含量越高，其潛在的光合能力就越強(qiáng)，其體內(nèi)積累的光合產(chǎn)物也就越多[35-37]。葉綠素含量與灌溉量和施肥量密切相關(guān)[35]。

蘋(píng)果//玉米間作系統(tǒng)葉綠素的水平分布狀況如圖3所示。玉米葉綠素含量隨著距離果樹(shù)行距離的增加逐漸增加，由于四年生果樹(shù)植株小，郁閉度低，近樹(shù)行側(cè)玉米接受光照強(qiáng)，葉綠素分解較快，而隨著距樹(shù)距離的增加光照變?nèi)?，光合消耗的葉綠素也變少。試驗(yàn)組遠(yuǎn)樹(shù)行玉米較近樹(shù)行玉米葉片葉綠素含量提高6.10%～9.44%，對(duì)照組遠(yuǎn)樹(shù)行玉米較近樹(shù)行玉米葉綠素含量提高12.4%，說(shuō)明水肥補(bǔ)給可能一定程度上弱化了葉綠素水平分布的差異性，對(duì)種間競(jìng)爭(zhēng)有一定的緩解作用。一些試驗(yàn)組變化趨勢(shì)表現(xiàn)為北側(cè)近樹(shù)行玉米葉綠素含量較低，可能是由于光照強(qiáng)度弱，抑制葉綠素的生物合成?？傊~綠素的合成與分解受到光照、溫度、水分、養(yǎng)分等因素的共同影響[38]。所以距樹(shù)行不同距離處土壤水分、養(yǎng)分以及小氣候的變化造成了葉綠素水平分布的差異。

注：*表示影響顯著(P<0.05)，**表示影響極顯著(P<0.01)。下同。

Note: * indicates significant atP<0.05; ** indicates vary significant atP<0.01. The same as below.

圖3 不同水肥處理玉米SPAD值水平分布

2.2.2 玉米葉水勢(shì)水平分布 葉水勢(shì)的高低既可反映土壤供水能力和作物缺水程度，也可反映葉片從其它器官吸水的能力[31]。各處理玉米葉水勢(shì)水平變化趨勢(shì)如圖4所示，灌水量對(duì)葉片的水平分布影響較大，50%Fc灌溉水平下，玉米葉水勢(shì)隨著距樹(shù)距離的增加而增加，65%Fc灌溉水平下，玉米葉水勢(shì)隨著距樹(shù)行距離的增加先增大后減小。85%Fc灌溉水平下，植物葉水勢(shì)水平分布各異。在土壤-植物-大氣三者組成的連續(xù)體中，植物水勢(shì)受到土壤和大氣水分的雙重影響[39]。低灌水量條件下，作物與林木種間水分競(jìng)爭(zhēng)較激烈，植物為了維持正常生長(zhǎng)，會(huì)降低自身葉水勢(shì)以適應(yīng)環(huán)境，所以灌溉水平為50%Fc的試驗(yàn)組，植物葉水勢(shì)明顯要低于灌溉水平為65%Fc和85%Fc的兩個(gè)組別，并且隨著距樹(shù)行距離的增大，葉水勢(shì)逐漸升高；而隨著灌水量的增加，種間水分競(jìng)爭(zhēng)逐漸減弱，植物葉水勢(shì)受土壤水分的影響程度降低[40]，受大氣條件的影響增大，有研究表明遠(yuǎn)樹(shù)側(cè)較低的氣孔導(dǎo)度可導(dǎo)致葉水勢(shì)升高[6]；灌水量較高的情況下，土壤水分不是作物水勢(shì)的主要限制因子，葉水勢(shì)受大氣因子及作物本身調(diào)節(jié)作用等多種因素的共同影響，導(dǎo)致85%Fc灌溉水平的組別葉水勢(shì)水平變化較為復(fù)雜[41]。

圖4 不同水肥處理玉米葉水勢(shì)水平分布

2.3 灌水量、施肥量與葉片生理參數(shù)及產(chǎn)量的定量關(guān)系

建立葉片生理參數(shù)及產(chǎn)量與灌水量和氮肥施用量、灌水量和磷肥施用量、灌水量和鉀肥施用量的非線(xiàn)性回歸關(guān)系，剔除不顯著的項(xiàng)，得到各指標(biāo)的回歸方程如表6所示。由方程可知，本試驗(yàn)中，蘋(píng)果//玉米的葉水勢(shì)和葉面積指數(shù)以及作物產(chǎn)量與灌水量和施肥量的回歸關(guān)系均達(dá)到顯著水平，這與前人[42-43]的研究結(jié)果類(lèi)似。由產(chǎn)量回歸方程可知，灌水項(xiàng)不顯著，說(shuō)明肥料是影響產(chǎn)量的決定性因素，這也驗(yàn)證了方差分析的結(jié)果。氮、磷、鉀肥項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)，說(shuō)明隨著肥料施用量的增加，產(chǎn)量反而減低，這可能是本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的氮肥、磷肥、鉀肥用量均已超過(guò)最適值，所以造成此種現(xiàn)象。 回歸分析的結(jié)果顯示：當(dāng)全生育期氮肥施用量為289 kg·hm-2、磷肥施用量為118 kg·hm-2、鉀肥施用量為118 kg·hm-2，即采用本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的低氮、低磷和低鉀的施肥量時(shí)，間作系統(tǒng)可獲得較高的產(chǎn)量。其它各指標(biāo)取得極值時(shí)的灌水施肥量如表4所示。

2.4 間作系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

從表5可以看出，各處理凈收益與總收入存在一定差異，其中低水低肥的處理(W1F1)凈收益最高，達(dá)10 470.38 元·hm-2，低肥處理的三個(gè)組(W1F1，W2F1，W3F1)及低水中肥的處理(W1F2)均較對(duì)照提高凈收益，分別增收12.1%、7.4%、1.1%、1.9%。其余試驗(yàn)組總收入雖然均高于對(duì)照處理，但是由于灌水與施肥的投入，導(dǎo)致凈收益均低于對(duì)照處理，較對(duì)照減少2.5%～19.2%；隨著灌溉量的增加，間作系統(tǒng)凈收益也逐漸減少。各處理的凈收益隨著施肥量的增加而逐漸遞減，低量施肥較中量和高量施肥增收9.4%、19.5%，低量灌水較中量和高量灌增收4.6%、10.5%。這是由于過(guò)多的灌水和施肥增加了成本(人力+資金)，且在高水高肥的處理下，產(chǎn)量增產(chǎn)效益不明顯，所以導(dǎo)致低水低肥處理(灌水上限：50%Fc，施肥量：525 kg·hm-2)凈收益最大。所以在該地區(qū)采用低量灌水和施肥的農(nóng)業(yè)管理措施即：拔節(jié)期不施肥，抽雄期施肥262.5 kg·hm-2，灌漿期施肥262.5 kg·hm-2，各生育期灌水上限均設(shè)定為田間持水量的50%，不僅可以使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益最高，同時(shí)避免了過(guò)度灌溉和施肥造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，在發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)中具有積極的推廣意義。

表4 葉片生理指標(biāo)與灌水施肥量多元非線(xiàn)性回歸分析

注：xW、xN、xP、xK分別代表灌水量、氮肥施用量、磷肥施用量、鉀肥施用量。

Note:xW、xN、xP、xKmeans application amount of nitrogen, phosphate, potassium fertilizer respectively.

表5 不同處理玉米生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益

3 結(jié)論與討論

間作系統(tǒng)水肥調(diào)控對(duì)植物葉綠素含量影響較小，對(duì)葉水勢(shì)影響較大；隨著施肥量的增加植物葉水勢(shì)、葉面積指數(shù)及產(chǎn)量均逐漸減小，這與胡云飛[44]的研究結(jié)果類(lèi)似，他通過(guò)對(duì)青花菜的研究發(fā)現(xiàn)：植物葉水勢(shì)隨著施肥量的增加先增大后減小，過(guò)多的施肥會(huì)降低植物葉水勢(shì)。袁宇霞[45]的研究結(jié)果顯示，過(guò)多的灌水和施肥均會(huì)抑制植物葉面積、干物質(zhì)量和產(chǎn)量的形成；施肥處理對(duì)葉片各生理參數(shù)和產(chǎn)量的影響程度較灌溉處理大。于亞軍[46]在查閱國(guó)內(nèi)外大量旱作農(nóng)田水肥耦合研究資料的基礎(chǔ)上,總結(jié)發(fā)現(xiàn)大田試驗(yàn)及常規(guī)對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果通常為肥料因子的增產(chǎn)作用大于水分因子，這與本試驗(yàn)的研究背景及結(jié)果一致。灌水與施肥處理可減小不同距樹(shù)行距離玉米葉綠素含量之間的差異。

玉米葉綠素隨著距樹(shù)行距離的增加而逐漸遞增；葉水勢(shì)的水平分布與灌溉水平有關(guān)：50%Fc灌溉水平下，玉米葉水勢(shì)隨著距樹(shù)距離的增加而增加，65%Fc灌溉水平下，玉米葉水勢(shì)隨著距樹(shù)行距離的增加先增大后減小，85%Fc灌溉水平下，植物葉水勢(shì)分布差異較大。

本試驗(yàn)在未坐果的幼齡果樹(shù)行間作農(nóng)作物，充分利用了現(xiàn)有的土地資源，雖然產(chǎn)量?jī)H從玉米中獲得，但較閑置土地而言仍可獲得額外的經(jīng)濟(jì)收益。許華森[29]對(duì)晉西黃土區(qū)間作系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn):第1～7年蘋(píng)果農(nóng)作物間作系統(tǒng)的年經(jīng)濟(jì)效益均大于蘋(píng)果單作系統(tǒng)。多元回歸分析結(jié)果顯示，當(dāng)全生育期氮肥施用量為289 kg·hm-2、磷肥施用量為118 kg·hm-2、鉀肥施用量為118 kg·hm-2，間作系統(tǒng)可獲得較高的產(chǎn)量，理論最大值分別為10 133.50 kg·hm-2、10 205.90 kg·hm-2。張發(fā)明[47]的研究結(jié)果顯示：玉米高產(chǎn)的最適宜的施肥量為：氮肥285 kg·hm-2,磷肥130 kg·hm-2,鉀肥90 kg·hm-2，這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果十分相近。孫文濤[32]和張玉峰[48]的試驗(yàn)也得到類(lèi)似的結(jié)果。在低施肥量的條件下，采用少量灌水(50%Fc)的水肥制度可使間作系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益最大，凈收益可達(dá)10 470.38 元·hm-2。綜上，采用當(dāng)?shù)厥┓柿?0%的施肥制度最利于間作系統(tǒng)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的提高，張珂珂[49]的研究在黃淮區(qū)小麥生產(chǎn)大量投入氮肥(純氮270 kg·hm-2以上)的基礎(chǔ)上，降低了25%～30%的施氮量，結(jié)果顯示減氮處理明顯改善了小麥群體結(jié)構(gòu)和冠層內(nèi)的光分布狀況，顯著提高產(chǎn)量和氮肥利用率。這與本試驗(yàn)研究結(jié)果類(lèi)似，說(shuō)明晉西黃土區(qū)目前或許也存在過(guò)量施肥的情況。

合理的灌溉和施肥可以提高肥料利用率，避免不必要的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，同時(shí)可以獲得較高的作物產(chǎn)出，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)化以及環(huán)境影響最小化。通過(guò)本研究可知，拔節(jié)期不施肥，抽雄期施肥262.5 kg·hm-2，灌漿期施肥262.5 kg·hm-2，灌水上限設(shè)定為田間持水量的50%時(shí)，可使晉西黃土區(qū)蘋(píng)果//玉米間作系統(tǒng)凈收益最大。所以在水資源短缺、土壤肥力匱乏的晉西黃土地區(qū)，采用全生育期灌水上限為田間持水量的50%，總施肥量525 kg·hm-2的水肥管理制度，不僅可以滿(mǎn)足提高經(jīng)濟(jì)收入的要求，同時(shí)對(duì)該地區(qū)環(huán)境保護(hù)也有著重要的意義。

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Analysisofcropgrowthandeconomicbenefitinanapple-maizeintercroppingsystemunderwaterandfertilizercoupling

GAO Fei1, WANG Ruo-shui1，2, XU Hua-sen1, WANG Dong-mei1, YANG Zong-ru3

(1.CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China；2.JixianForestEcosystemStateFieldScienceObservatory,Jixian,Shanxi042200,China；3.JixianForestryServiceCenter,Jixian,Shanxi042200,China)

In order to investigate the effects of water and fertilizer coupling on physiological index of leaves，yield and economic benefit in an apple-maize intercropping system, an experiment of water and fertilizer coupling was carried out in the Loess Plateau of Shanxi Province. The irrigation regimes were established by three threshold levels of soil moisture as follows: W1, 50% field capacity (50% Fc); W2, 65% field capacity (65% Fc); W3, 85% field capacity (85% Fc). Meanwhile, three fertilizer levels were also set up in this experiment, including F1, N(289 kg·hm-2)+P2O5(118 kg·hm-2)+K2O(118 kg·hm-2), F2, N (412.4 kg·hm-2)+P2O5(168.8 kg·hm-2)+K2O (168.8 kg·hm-2), and F3, N(537 kg·hm-2) +P2O5(219 kg·hm-2) +K2O(219 kg·hm-2). The results are summarized as follows: Irrigation and fertilization had no significant effect on chlorophyll content while significant effects were found on leaf water potential. The leaf water potential, leaf area index, maize yield all decreased with the increasing of fertilizer rate; while chlorophyll content increased with the increasing of the distance from the tree line. Different irrigation levels had considerable influences on the horizontal distributions of leaf water potential. According to the analysis of multiple regression, the maximum maize yield could obtained when 289kg·hm-2nitrogen fertilizer, 118 kg·hm-2phosphorus fertilizer, 118 kg·hm-2potassium fertilizer was applied during the whole stages. The theoretical maximum yield can be 10 133.50 kg·hm-2, 10 205.90 kg·hm-2. According to the results of economic benefit analysis, the maximum economic benefit could obtained when no fertilizer applied at jointing stage, 262.5 kg·hm-2fertilizer applied at tasseling stage and filling stage and irrigating water upper limits (about 85% field capacity). The net income can be 10 470.38 yuan·hm-2. Therefore, the treatment with relatively low amount of irrigation water and applied fertilizer can not only obtain the maximum economic benefit but also can avoid the pollution to soil and underground water and resource waste caused by unreasonable fertilization and irrigation. Accordingly, it was the most economical and environmental irrigation and fertilizer regulation method for the apple-maize intercropping system.

water and fertilizer regulating； apple-maize intercropping system; chlorophyll； leaf water potential； yield； net income

1000-7601(2017)03-0020-09doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.04

2016-05-13

：2017-03-20

：國(guó)家科技計(jì)劃課題“黃土殘塬區(qū)水資源節(jié)約型農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)研究與示范(2015BAD07B0502)；國(guó)家自然科學(xué)基金“果農(nóng)間作系統(tǒng)林下太陽(yáng)輻射時(shí)空分布及其對(duì)間作作物的影響(31470638)；國(guó)家自然科學(xué)基金“晉西黃土區(qū)果農(nóng)間作系統(tǒng)的水肥耦合試驗(yàn)研究”(31300530)

高 飛(1991—)，女，黑龍江人，研究生，主要研究方向?yàn)閺?fù)合農(nóng)林。 E-mail：15201443407@163.com。

S344.2

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