遼西半干旱區(qū)玉米與花生間作對土地生產(chǎn)力和水分利用效率的影響

高硯亮，孫占祥，白偉，馮良山，楊寧，蔡倩,3，馮晨，張哲,3

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遼西半干旱區(qū)玉米與花生間作對土地生產(chǎn)力和水分利用效率的影響

高硯亮1,2,3，孫占祥1，白偉1，馮良山1，楊寧1，蔡倩1,3，馮晨1，張哲1,3

（1遼寧省農(nóng)業(yè)科學院/遼寧省旱作節(jié)水工程技術(shù)中心，沈陽110161；2內(nèi)蒙古烏拉特前旗第一中學，內(nèi)蒙古烏拉特前旗 014400；3沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院，沈陽 110866）

【】通過對不同行比玉米與花生間作模式中作物產(chǎn)量、土地生產(chǎn)能力及水分利用效率的比較分析，探討間作模式提高土地生產(chǎn)能力和水分利用效率的機理，提出適合于遼西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的玉米與花生間作模式?！尽吭囼炗?015—2016年在農(nóng)業(yè)部阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與保育科學觀測試驗站進行，設置2行玉米4行花生間作（2M:4P）、4行玉米4行花生間作（4M:4P）和玉米單作（S-M）、花生單作（S-P）4種種植模式，通過研究間作復合系統(tǒng)產(chǎn)量、土地當量比、土壤水分分布和水分當量比等指標來分析玉米花生間作對土地生產(chǎn)力和水分利用效率的影響。【】受玉米行比設置和資源競爭影響，玉米與花生間作中玉米和花生的產(chǎn)量較相對應單作產(chǎn)量有不同程度降低；在系統(tǒng)整體收益衡量下，2M:4P和4M:4P間作模式的土地當量比（）為1.10—1.24、1.12—1.16，表明間作具有優(yōu)化利用土地的功能，同時，間作系統(tǒng)中花生的偏土地當量比（LER）達到0.41—0.57，顯示出豆科作物花生弱化了與禾本科作物玉米搭配間作的劣勢；間作復合系統(tǒng)土壤含水量呈單作花生＞間作花生＞間作玉米＞單作玉米的分布特征，表明間作玉米可能會吸收花生條帶的土壤水分，降低高耗水作物玉米對自身條帶土壤水分的過度消耗來改善間作玉米土壤水分利用環(huán)境；2M:4P間作模式的水分當量比（）為1.12—1.23，4M:4P間作模式的WER為1.16—1.17，兩間作模式的WER均大于1，顯著提高了農(nóng)田水分利用效率?！尽坑衩着c花生間作能夠改善遼西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)作物土壤水分利用環(huán)境，提高農(nóng)田土地和水分生產(chǎn)力。2M:4P間作模式在降雨較少年份（2015年）具有一定的土地生產(chǎn)力和水分利用效率優(yōu)勢，而4M:4P間作模式在遼西降雨較多年份（2016年）具有一定的土地生產(chǎn)力和水分利用效率優(yōu)勢，并且4M:4P間作模式在2015—2016年不同降雨變化干擾下的年際差異較小，具有穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的抗氣候變化干擾能力。綜合分析認為，4M:4P間作模式更適合于遼西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。

玉米與花生間作；產(chǎn)量；土壤水分；土地當量比；水分當量比

0 引言

【研究意義】水是影響作物生長發(fā)育不可或缺的自然資源，是促進作物對資源循環(huán)和吸收利用的重要載體[1-2]。遼西風沙半干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境承載能力較為脆弱，水分一直是該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制因子，作物生育期內(nèi)降水變率大且水資源時空分配不均、作物水分利用低下及土壤風蝕沙化等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境問題嚴重制約了該地區(qū)的農(nóng)戶增產(chǎn)增收[3-4]。而間作種植具有較高的單位面積糧食產(chǎn)出和較強的資源利用效率，通過提高系統(tǒng)農(nóng)田土地生產(chǎn)力來實現(xiàn)間作種植優(yōu)勢，同時，帶狀間作還是農(nóng)牧交錯帶的一種冬、春季節(jié)防風固沙的重要生態(tài)措施，一直是旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)較為常見的傳統(tǒng)種植模式[5]。因此，開展以間作種植為基礎(chǔ)來提高農(nóng)田土地生產(chǎn)力和作物水分利用效率的研究對區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】間作是通過在同一田地上合理相間種植多種作物來實現(xiàn)復合群體高效利用水分、養(yǎng)分、光照和土地等時空資源，降低因氣候和市場變化帶來的收益風險，提高農(nóng)田生產(chǎn)力的人工復合系統(tǒng)種植模式[6]。眾多研究表明，禾本科作物與豆科作物間作通過種間競爭與互補協(xié)調(diào)作用改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，如玉米和蠶豆[7]、小麥和蠶豆[8]、玉米和大豆[9]、玉米和花生[10]等作物間作，促進了作物產(chǎn)量提升，表現(xiàn)出較強的土地生產(chǎn)力優(yōu)勢。而對干旱和半干旱農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)小麥和玉米[11-12]、向日葵和馬鈴薯[13]、玉米和大豆[14-15]、豌豆和玉米[16]等間作生產(chǎn)實踐研究發(fā)現(xiàn)，間作可提高土壤水分含量、降低表層土壤水分蒸發(fā)和改善高耗水作物對土壤水分的過度消耗，提升了間作系統(tǒng)水分利用效率。因此，在合理搭配作物種類、種植密度及科學田間管理下，作物間作通過強化生態(tài)服務功能與功能機制可提升農(nóng)田生產(chǎn)力和水分利用效率?！颈狙芯壳腥朦c】國內(nèi)外學者對間作系統(tǒng)的研究已經(jīng)達到一定的廣度和深度，其中對玉米和花生作物搭配間作也進行了大量研究，但多集中于光合作用[17]、養(yǎng)分利用[18]、根際微生物[19-20]及產(chǎn)量[21-22]等方面，對遼西地區(qū)玉米和花生間作群體影響研究報道較少，特別是在間作土地生產(chǎn)力和水分生產(chǎn)力等方面缺乏深入研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】開展遼西風沙半干旱區(qū)玉米和花生不同行比配置下的土地生產(chǎn)力、土壤水分分布及作物水分利用效率研究，探明不同間作配比模式對產(chǎn)量和水分時空損耗的關(guān)系來挖掘其間作優(yōu)勢，以期為構(gòu)建區(qū)域高產(chǎn)高效及生態(tài)環(huán)境保護的間作種植模式提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

遼寧省西北部地區(qū)屬北溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季較為分明，年平均氣溫能夠達到7—8℃，5至9月份日照時數(shù)為1 200—1 300 h；雨熱同期，多年平均降雨量為350—500 mm，并且降雨月份相對集中，且降雨變率較大，干旱災害發(fā)生頻繁；同時，該區(qū)域冬、春季起風天氣十分頻繁。境內(nèi)多山地丘陵，耕地多為坡耕地，土地養(yǎng)分較為貧瘠。

1.2 試驗地概況

本研究于2015—2016年在農(nóng)業(yè)部阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學觀測實驗站（遼寧省阜新市阜新蒙古族自治縣，42°8′34″N，121°45′11″E）進行。試驗地田間地形相對較為平坦，土壤基本理化性狀為pH 6.95，全氮0.78 g·kg-1，全磷0.58 g·kg-1，全鉀18.87 g·kg-1，堿解氮48.24 mg·kg-1，速效磷18.46 mg·kg-1，速效鉀74.47 mg·kg-1，容重1.45 g·cm-3。2015年作物生育期內(nèi)降雨量為203.2 mm，屬于干旱年份，生育期內(nèi)平均氣溫為22.2℃；2016年作物生育期內(nèi)降雨量為468.7 mm（7月21日，單日降雨對生育期降雨量的構(gòu)成起顯著影響），屬豐水年份，生育期內(nèi)平均氣溫為23.6℃（圖1）。

1.3 試驗設計

本試驗采用完全隨機區(qū)組設計，共4種種植模式，包括2行玉米和4行花生間作（2M:4P），該模式帶寬為3 m；4行玉米和4行花生間作（4M:4P），帶寬為4 m；單作玉米（S-M）和單作花生（S-P）。每處理4次重復，玉米的株距均為4.5株/m，花生株距均為15株/m，花生采用一穴雙粒種植，單、間作玉米和花生的行間距均為0.5 m（圖2）。各小區(qū)行長為8 m，小區(qū)寬為12 m，面積為96 m2。采用南北向均一化條帶種植，2M:4P間作玉米的行長密度（row length density，RLD：為單作或間作系統(tǒng)中單位寬度上所種植的作物行數(shù)）為0.67 m/m2（或行/m），4M:4P間作玉米的行長密度為1 m/m2，S-M的行長密度為2 m/m2；2M:4P間作花生的行長密度為1.33 m/m2（或行/m），4M:4P間作花生的行長密度為1 m/m2，S-P的行長密度為2 m/m2。

圖1 試驗地2015—2016年作物生育期內(nèi)日平均降雨量和溫度

（a）黑色圓點處為2M:4P間作系統(tǒng)由花生中心壟溝到玉米中心條帶（P1-P6）土壤水分取樣位置；（b）黑色圓點處為4M:4P間作系統(tǒng)由花生中心壟溝到玉米中心條帶（P1-P7）土壤水分取樣位置。下同

1.4 供試品種及試驗管理

供試品種：玉米為耐密品種“鄭單958”，花生為“白沙1016”，均為適合干旱地區(qū)間作種植品種。

4種種植模式的肥料分配和施用相同，播前一次性施入磷酸二銨（N-P-K 18-15-0）150 kg·hm-2和三元復合肥（N-P-K 15-15-15）150 kg·hm-2作為底肥，后期未進行追肥處理。玉米和花生于同期播種和收獲，2015年于5月14日播種，9月29日收獲，2016年于5月12日播種，9月27日收獲。

1.5 項目測定與方法

土壤水分測定：于2015年和2016年玉米抽雄期（花生結(jié)莢期），用土鉆以每10 cm為一層采集土壤樣本，玉米和花生條帶取樣深度為100 cm。在間作系統(tǒng)中以花生中心壟溝為P1取樣位置，依次至玉米中間條帶壟溝為P6（2M:4P）、P7（4M:4P）取樣位置點（圖2），按烘干法測定土壤含水量。

生物產(chǎn)量測定：于作物成熟期，單、間作（間作分邊行）玉米隨機選取5 m行長玉米植株，單、間作（間作分邊行）花生隨機選取0.5 m行長花生植株，單、間作均3次重復。之后將植株樣本置于105℃烘箱中殺青，75℃下烘干稱干重。

產(chǎn)量測定：取樣條帶和方法同生物產(chǎn)量取樣。收獲后掛置于風干棚內(nèi)晾曬至玉米籽粒含水率為14%時，花生籽粒為15.5%時進行稱重（用水分測定儀測定籽粒含水率），按常規(guī)方法測定產(chǎn)量構(gòu)成因素。

1.6 計算方法

單、間作中玉米和花生的種植密度都采用均一化種植密度，計算公式如下[23]：

HD=×RLD

式中，HD表示單、間作作物的均一化種植密度，株/m2；P為作物的株距密度，株/m，在本試驗中各花生種植模式的株距密度為15株/m，玉米種植模式的株距密度為4.5株/m；RLD為作物在單作和間作中的行長密度；行長密度為單作或間作系統(tǒng)中單位寬度上所種植的作物行數(shù)，行/m或m/m2，2M:4P間作玉米的為0.67 m/m2（或行/m）、4M:4P間作玉米的為1 m/m2、S-M的為2 m/m2，2M:4P間作花生的為1.33 m/m2（或行/m）、4M:4P間作花生的為1 m/m2、S-P的為2 m/m2。

作物產(chǎn)量都采用均一化產(chǎn)量Y表示，計算公式如下：

式中，Y為復合系統(tǒng)中作物的均一化產(chǎn)量，g·m-2；PY表示作物的單株產(chǎn)量，g/株。

間作在單位面積內(nèi)較單作的土地利用優(yōu)勢由土地當量比（land equivalent ratio，LER）計算所得[24]：

式中，LER、LER分別表示間作中玉米和花生的相對土地當量比；Y,I、Y,S，Y,I、Y,S分別表示間作、單作玉米均一化后的產(chǎn)量和間作、單作花生均一化后的產(chǎn)量，g·m-2。當某種間作模式的＜1時，則認為該間作在相對區(qū)域土地利用需求體系內(nèi)降低了土地生產(chǎn)力，具有間作劣勢；當=1時，該體系無間作優(yōu)勢；當＞1時，則認為該體系具有間作優(yōu)勢，有一定的應用價值。

作物耗水量（evapotranspiration of field，ET）是指作物從播種至收獲整個生育期農(nóng)田水分消耗的總和。試驗過程中未對作物進行人為灌溉，同時，試驗地較為平坦、地下水位較深，故忽略不計地表徑流和地下水補充，簡化后的作物耗水公式如下：

式中，為作物耗水量，mm；為全生育期降雨量，mm；S為播前土壤儲水量，mm；S為收獲后土壤儲水量，mm。

作物水分利用效率（water use efficiency，WUE）是指作物單位耗水量所生產(chǎn)出的產(chǎn)量，通常用作物產(chǎn)量和耗水量的比值來計算：

式中，為作物產(chǎn)量，g·m-2：為作物耗水量（或?qū)嶋H蒸散量），mm。

間作系統(tǒng)水分利用優(yōu)勢由水分當量比（water equivalent ratio，WER）表達，其定義與上式中類似[25]：

式中，WER、WER為間作系統(tǒng)中玉米、花生的相對水分利用效率；WUE,I、WUE,S，WUE,I、WUE,S分別表示間作、單作玉米水分利用效率和間作、單作花生水分利用效率。在間作復合系統(tǒng)中的同樣采用衡量值1來評估與單作在單位面積內(nèi)的耗水量，當＜1時，說明間作相對于單作降低了水分利用效率；當＞1時，說明間作提高了系統(tǒng)農(nóng)田水分利用效率。

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用Excel進行數(shù)據(jù)整理，用Surfer 10.0進行水分分布制圖，用SPSS 17.0進行試驗數(shù)據(jù)方差分析（LSD為0.05水平下）。

2 結(jié)果

2.1 作物生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量

2.1.1 生物產(chǎn)量 對2015年和2016年間作作物生物產(chǎn)量分析表明（表1），間作種植對作物生物產(chǎn)量影響顯著（＜0.05）。在不同種植模式玉米均一化生物產(chǎn)量比較中，2M:4P和4M:4P間作玉米的生物產(chǎn)量較單作降低，達到顯著性差異（＜0.05），2M:4P間作玉米的生物產(chǎn)量為單作玉米（S-M）的38.71%—42.14%；4M:4P間作玉米的生物產(chǎn)量為單作產(chǎn)量的48.52%—51.39%；4M:4P間作玉米的生物產(chǎn)量高于2M:4P間作模式，較2M:4P間作生物產(chǎn)量提高15.14%—32.78%。單、間作種植模式的玉米生物產(chǎn)量2016年（豐水年）顯著高于2015年（干旱年）的生物產(chǎn)量（＜0.05），較2015年的生物產(chǎn)量平均提高18.52%，主要與兩年生育期內(nèi)不同降雨量密切相關(guān)。

玉米和花生間作對花生生物產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響（＜0.05）。2M:4P間作花生的生物產(chǎn)量為單作花生（S-P）的52.80%—58.62%；4M:4P間作花生生物產(chǎn)量為單作生物產(chǎn)量的45.42%—47.09%；4M:4P間作模式花生的生物產(chǎn)量較2M:4P間作模式降低10.82%—22.52%。單、間作種植模式2016年花生的生物產(chǎn)量較2015年提高31.51%。

2.1.2 經(jīng)濟產(chǎn)量 玉米和花生間作種植模式對作物的經(jīng)濟產(chǎn)量（籽粒產(chǎn)量）也產(chǎn)生較大影響，2種間作模式的玉米經(jīng)濟產(chǎn)量與單作玉米均達到顯著性差異（＜0.05）。2M:4P間作均一化種植密度為3株/m2，4M:4P間作均一化種植密度為4.5株/m2，這兩種種植模式下玉米經(jīng)濟產(chǎn)量分別為單作玉米（均一化種植密度為9株/m2）經(jīng)濟產(chǎn)量的59.24%—67.05%和67.05%—72.31%；4M:4P間作模式的玉米經(jīng)濟產(chǎn)量要高于2M:4P間作模式，但并未達到顯著性差異（＜0.05）；3種單、間作種植模式下，2016年的玉米經(jīng)濟產(chǎn)量較2015年平均提高36.88%，玉米經(jīng)濟產(chǎn)量年際變化差異顯著（＜0.05）。

間作花生的經(jīng)濟產(chǎn)量與單作花生也有顯著性差異（＜0.05），2M:4P間作模式中花生經(jīng)濟產(chǎn)量為單作花生的56.57%—47.39%；4M:4P間作模式中花生經(jīng)濟產(chǎn)量為單作花生的43.21%—41.42%；2M:4P間作模式花生經(jīng)濟產(chǎn)量顯著高于4M:4P間作模式（＜0.05），較4M:4P間作模式提高14.44%—30.94%。2016年的花生經(jīng)濟產(chǎn)量較2015年提高85.77%，年際差異變化較為明顯（＜0.05）。

2.2 不同種植模式的土地生產(chǎn)力

通過對玉米和花生間作土地當量比的方差分析結(jié)果表明（表2），在激烈種間資源競爭下受作物行比設置的影響，2M:4P間作玉米的偏土地當量比（LER）為0.63—0.67，4M:4P間作玉米的LER為0.71—0.72；4M:4P間作模式的LER較2M:4P的LER高7.46%—12.69%。2M:4P間作花生的偏土地當量比（LER）為0.47—0.57，4M:4P間作花生的LER為0.41—0.43；4M:4P間作模式的LER顯著低于2M:4P間作模式（＜0.05），較2M:4P的LER降低12.77%—24.56%。就整個間作系統(tǒng)而言，2M:4P間作系統(tǒng)的為1.10—1.24，4M:4P間作系統(tǒng)的為1.12—1.16，兩間作系統(tǒng)的均大于1，說明玉米和花生系統(tǒng)具有一定的產(chǎn)量優(yōu)勢。2種間作系統(tǒng)土地生產(chǎn)力有明顯的年際差異變化，在2015年，2M:4P間作模式的較4M:4P間作模式高6.89%；在2016年，2M:4P間作模式的較4M:4P間作模式降低1.82%。

表1 玉米和花生不同種植模式下的生物和經(jīng)濟產(chǎn)量

表中每豎列不同字母表示處理在0.05水平達到顯著；SE為各處理間的平均標準誤差。下同

Values followed by different small letters within a column are significantly different at 0.05 level; SE represent the mean standard error handling. The same as below

表2 玉米和花生不同種植模式土地當量比

LER、LER和分別為間作玉米、花生和間作系統(tǒng)的土地當量比

indicates land equivalent ratio,LER,LERindicate intercropped maize and peanut, respectively

2.3 不同種植模式對土壤水分動態(tài)分布特征的影響

從玉米（抽雄期）的土壤水分分布圖可以看出（圖3），在0—100 cm土壤垂直分布層次內(nèi)，各單、間作玉米種植模式在不同時期的土壤含水量都表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而增加的動態(tài)變化。比較2015年和2016年玉米條帶土壤水分后發(fā)現(xiàn)，上、下層土壤水分差異顯著（＜0.05），2M:4P間作、4M:4P間作和單作（S-M）下層（60—100 cm）土壤含水量較上層（0—50 cm）高34.10%—38.36%、22.71%—35.59%和38.47%—57.36%。而比較間作與單作玉米土壤水分含量發(fā)現(xiàn)，間作模式中玉米的土壤含水量均高于單作。在上層（0—50 cm）土壤水分比較中，2M:4P和4M:4P間作玉米分別較單作玉米條帶土壤水分高5.11%—53.90%、2.24%—84.18%；在下層（60—100 cm）比較中，2M:4P和4M:4P間作玉米分別較單作高1.79%—35.31%、0.12%—43.62%，單、間作上層土壤水分差異大于下層，說明上層是水分消耗較為激烈的區(qū)域，也是間作種植模式對土壤水分影響較為顯著的層次。對2M:4P和4M:4P兩個間作玉米土壤含水量上、下層的比較中發(fā)現(xiàn)，受2015年和2016年作物生育時期不同降雨量的影響，上層的差異要大于下層，2M:4P間作模式的土壤水分在2015年比4M:4P間作高1.67%—2.81%，而在2016年可能受降雨和玉米行比設置遮陰的影響，2M:4P間作較4M:4P間作模式低5.79%—16.44%。

a為2M:4P間作模式（a-1表示2015年；a-2表示2016年）；b為花生單作（b-1表示2015年；b-2表示2016年）；c為玉米單作（c-1表示2015年；c-2表示2016年）；d為4M:4P間作模式（d-1表示2015年；d-2表示2016年）

通過花生（結(jié)莢期）土壤水分分布圖可以看出（圖3），間作種植模式對花生土壤含水量的時空分布產(chǎn)生較大影響。在垂直方向上，單、間作種植模式的土壤含水量都隨土層深度的增加而增加，0—50 cm層次為土壤含水量變化差異比較大的層次；在60—100 cm土壤層次中，土壤含水量差異逐漸變小。對單、間作土壤水分的分層比較中，在上層（0—50 cm）土壤中，2M:4P和4M:4P間作模式土壤水分含量較單作花生（S-P）分別降低9.54%—14.87%、19.01%—26.43%，說明間作玉米能夠從花生條帶土壤中吸取水分；而在土壤水分下層（60—100 cm）比較中，2M:4P和4M:4P間作模式要較單作分別提高0.43%—3.59%、0.09%—4.74%；2015—2016年作物生育時期不同降雨量同樣對間作系統(tǒng)中花生條帶產(chǎn)生一定的影響，結(jié)莢期2M:4P間作條帶花生上層、下層土壤水分含量分別較4M:4P間作模式高3.05%和8.94%。

2.4 玉米和花生間作對水分利用效率和水分當量比的影響

通過玉米和花生間作系統(tǒng)的水分利用效率方差分析表明（表3），單、間作玉米在均一化種植密度下的水分利用效率之間差異顯著（＜0.05）。2M:4P間作玉米和4M:4P間作玉米的水分利用效率均顯著低于單作玉米（＜0.05），分別較單作玉米降低35.18%—37.75%、27.71%—28.01%；4M:4P間作玉米的WUE較2M:4P間作高11.06%—16.13%；

方差分析表明，2M:4P和4M:4P間作花生的水分利用效率與單作花生達到顯著差異（＜0.05）。2M:4P間作和4M:4P間作花生的WUE顯著低于單作花生（＜0.05），分別降低42.86%—49.25%、55.56%—56.72%；2M:4P間作花生的WUE顯著高于4M:4P間作花生（＜0.05），提高17.24%—28.57%。

水分當量比（）可較為直觀的表達間作種植模式較單作種植模式農(nóng)田水分利用能力增減的程度。如表3所示，2年間作比較中，4M:4P間作玉米的水分當量比（WER）要顯著高于2M:4P間作（＜0.05），提高10.77%—12.50%；而4M:4P間作花生的WER要顯著低于2M:4P間作（＜0.05），降低13.73%—22.41%。從整個間作系統(tǒng)的來看，2M:4P間作系統(tǒng)和4M:4P間作系統(tǒng)的均大于1并且接近1.2；受2015和2016年作物生育期內(nèi)不同降雨量的影響，2015年2M:4P間作系統(tǒng)的較4M:4P高5.13%，2016年2M:4P間作系統(tǒng)較4M:4P低3.45%。

表3 玉米和花生不同種植模式水分利用效率和水分當量比

WUE和WUE為間作系統(tǒng)中玉米和花生的水分利用效率；WER、WER和分別為間作中玉米、花生和間作系統(tǒng)的水分當量比

WUEandWUEindicate water use efficiency of maize and peanut in different intercropping systems.WER,WERandindicate partial water equivalent ratio of intercropped maize and peanut and water equivalent ratio of intercropping systems, respectively

3 討論

3.1 作物產(chǎn)量和土地生產(chǎn)力

研究結(jié)果表明，遼西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)間作種植對玉米和花生的生物產(chǎn)量影響顯著（＜0.05）。在均一化種植密度下間作與單作的生物產(chǎn)量比較中，間作模式中各作物的生物產(chǎn)量受行比設置、系統(tǒng)資源和種間競爭效應的影響，較單作都有不同程度下降，其中2M:4P間作模式中玉米和花生的生物產(chǎn)量為單作生物產(chǎn)量的38.71%—42.14%和46.54%—48.12%；4M:4P間作模式中玉米和花生的生物產(chǎn)量達到單作產(chǎn)量的48.52%—51.39%和29.67%—38.03%。同時，受作物生育時期年際降雨量的影響，2016年（豐水年份）作物的生物產(chǎn)量顯著高于2015年干旱年份的生物產(chǎn)量，說明在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)水分對作物生長發(fā)育起著重要作用。

玉米和花生間作同樣對玉米和花生經(jīng)濟產(chǎn)量形成產(chǎn)生較大的影響。2M:4P和4M:4P間作中玉米的經(jīng)濟產(chǎn)量與單作玉米的經(jīng)濟產(chǎn)量間達到顯著差異（＜0.05），間作模式中玉米的經(jīng)濟產(chǎn)量為單作玉米產(chǎn)量的59.24%—72.31%；2M:4P和4M:4P間作花生經(jīng)濟產(chǎn)量達到單作花生經(jīng)濟產(chǎn)量的41.42%—56.57%，間作花生經(jīng)濟產(chǎn)量較單作下降明顯。在兩個間作系統(tǒng)中玉米的經(jīng)濟產(chǎn)量較單作下降要少于花生，說明玉米和花生間作存在禾本科與豆科作物的種間競爭，并且玉米在此間作系統(tǒng)中屬資源競爭優(yōu)勢作物。張瑩[26]、劉洋等[27]對玉米和大豆間作，焦念元[28]、高硯亮等[29]對花生和玉米間作，張緒成等[30]對豆科作物和馬鈴薯間作研究表明，間作中高桿作物對矮桿作物有遮陰影響，導致矮桿作物的光合產(chǎn)量降低；同時，間作系統(tǒng)中的優(yōu)勢作物對土壤水分和養(yǎng)分的爭奪，也降低了矮桿作物產(chǎn)量。李隆等[31]研究認為C4作物和C3作物間作在時空資源利用上存在競爭和互補效應，使得C4作物與C3作物間作為弱競爭復合體系。2015—2016年，間作玉米經(jīng)濟產(chǎn)量接近單作經(jīng)濟產(chǎn)量的60%—70%，間作花生的經(jīng)濟產(chǎn)量接近單作經(jīng)濟產(chǎn)量的50%左右，說明花生在玉米和花生間作體系中的間作劣勢不是特別明顯，也表現(xiàn)為競爭和互補并存的弱競爭效應[32]。

2種間作系統(tǒng)作物的相對產(chǎn)量（與單作相比較的產(chǎn)量）不同于實際產(chǎn)量，對相對產(chǎn)量的比較，只能局限地評價2種間作模式間的優(yōu)劣勢，并不能全面衡量土地生產(chǎn)力的優(yōu)劣。因此需要用評價間作系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標土地當量比（）來衡量[33]。在2015—2016年，2M:4P和4M:4P間作系統(tǒng)的分別為1.10—1.24和1.12—1.16，2種間作模式的均大于1，并且接近于1.2，說明在遼西地區(qū)進行玉米和花生種植能夠提高農(nóng)田土地利用效率。在2種間作模式的比較中，2015年（枯水年份）2M:4P間作系統(tǒng)的土地利用效率要高于4M:4P間作系統(tǒng)，而2016年（水分相對豐富的年份）4M:4P間作系統(tǒng)的土地利用效率要高于2M:4P間作系統(tǒng)。

3.2 土壤水分空間分布和水分利用效率

間作系統(tǒng)土壤水分分布的變化主要受降雨量、土壤類型及作物種類的影響，尤其降雨量對土壤含水量時空分布的規(guī)律性產(chǎn)生較大影響[34]。受降雨量年內(nèi)、年際差異的影響，2016年（豐水年份）玉米抽雄期（花生結(jié)莢期）的土壤含水量顯著高于2015年干旱年份。在玉米和花生間作系統(tǒng)中，土壤含水量呈單作花生＞間作花生＞間作玉米＞單作玉米的分布特征，表明間作能夠改善高耗水作物玉米對自身條帶土壤水分的過度消耗。同時，間作玉米可能存在吸收花生條帶的土壤水分，來改善了間作玉米土壤水分利用環(huán)境[35]。對2M:4P和4M:4P復合系統(tǒng)土壤水分垂直變化比較中發(fā)現(xiàn)，間作系統(tǒng)中玉米能夠?qū)ㄉ鷹l帶產(chǎn)生遮陰效果，可能減少了花生條帶表層土壤水分的蒸散損失。因此，合理進行玉米和花生搭配間作可減少花生土壤水分的蒸散損失，同時能夠改善高耗水作物玉米對土壤水分的過度消耗[36-37]。

2M:4P間作和4M:4P間作系統(tǒng)中玉米和花生的均低于單作，但間作玉米（或花生）除產(chǎn)出相對應單作的作物外，還多生產(chǎn)出一部分花生（或玉米），表明玉米和花生間作能夠提高水分利用效率。對間作系統(tǒng)中各作物與單作作物之間進行比較，只能局限地評價間作中各作物的水分利用效率的優(yōu)劣，不能夠全面地評價間作的水分利用效率。因此，需要采用來評價在間作種植模式下農(nóng)田水分利用能力增減的程度[38-39]。Mao等[40]認為C4作物與C3作物間作存在土壤水分利用互補形態(tài)，改善了間作系統(tǒng)的土壤水分供應狀況，提高了間作系統(tǒng)的水分利用效率。2M:4P間作系統(tǒng)和4M:4P間作系統(tǒng)的分別為1.12—1.23、1.16—1.17，均大于1并且接近1.2，說明玉米和花生系統(tǒng)能夠顯著提高遼西旱作農(nóng)田的水分利用效率。對2種間作模式在2015—2016年水分生產(chǎn)力的比較中發(fā)現(xiàn)，2015年（干旱年份）2M:4P間作模式水分生產(chǎn)力優(yōu)勢要高于4M:4P間作，而在2016年（豐水年份），可能受降雨、行比設置玉米遮陰、土壤水分蒸發(fā)等影響，4M:4P間作模式優(yōu)于2M:4P間作。

4 結(jié)論

在遼西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)進行玉米和花生間作，可明顯改善高耗水作物玉米對土壤水分的過度消耗，同時，玉米和花生間作能夠顯著提高農(nóng)田土地生產(chǎn)能力和水分利用效率。2015年干旱年份，2行玉米4行花生（2M:4P）間作模式的土地當量比和水分當量比均高于4行玉米4行花生（4M:4P）間作，顯示出2M:4P間作模式在遼西降雨較少的年份具有一定的土地生產(chǎn)力和水分利用效率優(yōu)勢；而在2016年豐水年份，4M:4P間作模式的土地當量比和水分當量比均高于2M:4P間作，顯示出4M:4P間作模式在遼西降雨較多的年份具有一定的土地生產(chǎn)力和水分利用效率優(yōu)勢，并且4M:4P間作模式在2015—2016年不同氣候變化干擾下的和的年際差異較小，具有穩(wěn)定增加農(nóng)田生產(chǎn)力的抗干擾能力。綜合間作土地生產(chǎn)力和水分利用效率年際差異優(yōu)勢、氣候擾動及便于機械化作業(yè)等因素，認為4M:4P間作模式更適合于在遼西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)間作種植。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Productivity and Water Use Efficiency of Maize-Peanut Intercropping Systems in the Semi-Arid Region of Western Liaoning Province

GAO YanLiang1,2,3, SUN ZhanXiang1, BAI Wei1, FENG LiangShan1, YANG Ning1, CAI Qian1,3, FENG Chen1, ZHANG Zhe1,3

(1Liaoning Academy of Agricultural Sciences/Liaoning Province Dry Saving Water Engineering Center, Shenyang 110161;2No.1 High School in Wulate County, Wulate County 014400, Inner Mongolia;3College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866)

【】In the experiments, the mechanism of maize-peanut intercropping in increase of land productivity and water use efficiency was studied through comparing yield, land equivalent ratio and water use efficiency, and the optimal maize-peanut intercropping systems in semi-arid region of western Liaoning province were proposed.【】Field experiments were conducted in 2015 and 2016 in Fuxin Scientific Observation Research Stations of Agricultural Environment and Cultivated Land Conservation. Four treatments were designed, 2 rows maize and 4 rows peanut (2M:4P), 4 rows maize and 4 rows peanut (4M:4P), sole maize (S-M) and sole peanut (S-P). Yield, land equivalent ratio, water distribution and water use equivalent ratio were calculated to analyze the positive effects on productivity and water use efficiency. 【】Yield of maize and peanut in intercropping system decreased compared with the sole system because of resource competition. But the land equivalent ratio () in 2M:4P and 4M:4P were, respectively, 1.10-1.24 and 1.12-1.23, indicating the advantage of intercropping. The partial land equivalent ratio () of peanut in intercropping was 0.41-0.57, suggesting that peanut can decrease the disadvantage of intercropping with cereal crops. Soil water content in peanut strip was higher than that of maize strip but lower than the sole peanut. This finding showed that intercropped maize absorbed water from peanut strip. Water use equivalent ratio () was 1.12-1.23 in 2M:4P intercropping system and 1.16-1.17 in 4M:4P intercropping system. Water use efficiency in intercropping system was increased.【】The results indicated that maize-peanut intercropping can increase land and use efficiency in the semi-arid region of western Liaoning province. 2M:4P intercropping system performed better in 2015 with less rain. But in 2016 with more rain, 4M:4P intercropping system had higher land and water use efficiency. And the yield of 4M:4P intercropping system remained stable between two years. So in the semi-arid region of western Liaoning province, 4M:4P intercropping system can decrease climate risk. The results of this study contribute to optimize the field configuration.

maize-peanut intercropping; yield; soil moisture;;

10.3864/j.issn.0578-1752.2017.19.007

2017-02-15；接受日期：2017-06-26

國家自然科學基金（31461143025）、國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0300204）、遼寧省科學事業(yè)公益研究基金（2015002001）

高硯亮，E-mail：gaoyanliang56@163.com。通信作者孫占祥，E-mail：sunzhanxiang@sohu.com