小麥玉米間作和氮肥對作物耗水特性及水分利用的影響

李倩倩，王星運，李孟浩，陳小莉，任小龍，趙西寧

(1.西北農(nóng)林科技大學 農(nóng)學院，陜西楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，西北農(nóng)林科技大學，陜西楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

間作是一種在世界范圍內(nèi)廣泛種植的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)。近年來，國內(nèi)外研究者表明，間作是一種可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，在應對全球氣候變化和糧食安全等方面倍受關(guān)注[1]。合理的間作比單作種植更易獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[2-4]，提高水分利用效率[5]。在有限的自然資源條件下，間作如何最大限度地提高利用效率而備受關(guān)注。陜西關(guān)中地區(qū)光熱資源優(yōu)越，灌區(qū)耕地83.2萬hm2，占全省耕地面積22.9%(陜西省農(nóng)業(yè)的基本分布情況，2012)。該區(qū)域典型的“冬小麥-夏玉米”一年兩熟種植模式，降水時期與作物需水關(guān)鍵期嚴重錯位，這一矛盾導致該區(qū)水資源利用率低，農(nóng)業(yè)資源利用不合理。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，尤其是在雨養(yǎng)條件下，應更加重視農(nóng)業(yè)用水的有效性。

雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)是節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的重要途徑，世界上80%的可耕地和60%的糧食都是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)[6]。目前，隨著水資源短缺對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的限制[7]，如何有效配置有限的降水提高作物對水分的高效利用，實現(xiàn)增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)節(jié)水技術(shù)途徑迫切需要進一步研究。間作通過群體內(nèi)組成作物的需水關(guān)鍵期的錯位緩解用水矛盾，在一定程度上提高水資源利用效率，被廣泛應用于一熟灌區(qū)以及西南地區(qū)，而半濕潤區(qū)有關(guān)研究很少。有關(guān)研究表明，“冬小麥春玉米間作”種植模式，其土地生產(chǎn)率高而且最大限度利用降水，在半濕潤區(qū)亦具有較好的發(fā)展前景[8]。本試驗重點探討該區(qū)小麥玉米間作和單作種植在兩個氮肥水平下間作群體內(nèi)各組成作物的水分消耗特性，分析土面蒸發(fā)特征和水分利用在不同生育時期的動態(tài)變化，以揭示其耗水機理，為促進間作水分利用研究提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018-2019年在中國陜西楊凌中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院( 34°18′N，108°04′E)進行，處于半濕潤區(qū)，海拔為467 m，該區(qū)年平均氣溫為13 ℃，年均日照時數(shù)為2 196 h，無霜期220 d。近30 a平均降水量為521 mm左右，年蒸發(fā)量993.2 mm，年內(nèi)降雨分配不均，干旱指數(shù)為 1.3～1.59。土壤質(zhì)地類型為粉質(zhì)粘壤土，土壤顆粒組成為<0.01 mm粒級占51.9%，0.01～0.05 mm占42.3%，0.05～2 mm占5.8%。試驗田 0～30 cm耕層土壤化學性狀如表1所示，耕層土壤體積質(zhì)量1.35 g/cm3，田間持水量為24%，pH 8.25。氣象資料(氣溫和降水量)由現(xiàn)場農(nóng)業(yè)氣象站每0.5 h記錄1次 (Vantage Pro2,DavisInstruments,Hayward,CA,USA)，試驗期的氣溫和降水量見圖1。

表1 土壤化學性狀Table 1 Soil chemical properties

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

供試材料為當?shù)刂髟远←溒贩N‘小偃22號’(TriticumaestivumL. cv. ‘Xiaoyan 22’)，春玉米品種為‘鄭單958’ (ZeamaysL. cv.‘Zhengdan 958’)。試驗設(shè)種植模式和氮水平2個試驗因素。其中種植模式(P)設(shè)單作種植和小麥/玉米間作2種模式，氮肥(N)設(shè)施肥和不施肥2個水平。試驗處理設(shè)有不施氮單作小麥(SW0)、不施氮單作玉米(SM0)、施氮單作小麥(SW1)、施氮單作玉米(SM1)、不施氮小麥玉米間作(IW0、IM0)、施氮小麥玉米間作(IW1、IM1)，每個處理重復3次，田間隨機排列。在小麥播前對該地進行耕作并劃分為18個小區(qū)，每個小區(qū)的面積為105 m2(10.5 m×10 m)。小麥行距20 cm，播種密度360萬粒/hm2。玉米行距50 cm，株距30 cm，播種密度為66 667株/hm2。在間作小區(qū)中相鄰的小麥和玉米行距為30 cm，由3條完整的小麥/玉米套作條帶組成，帶向南北，每個條帶由8行小麥(條帶1.6 m寬)和4行玉米(條帶1.9 m寬)組成(如圖2所示)，小麥和玉米分別占套作小區(qū)面積的46%和54%。

小麥單位面積施氮量(純N)150 kg/hm2和不施肥，作為基肥一次性施入。玉米施氮量(純N)235 kg/hm2，基肥施50%，追肥50%。小麥、玉米施磷、鉀量分別為180 kg/hm2、39 kg/hm2，氮磷鉀肥料分別用尿素(N：46%)、過磷酸鈣(P2O5：16%)和礦物質(zhì)硫酸鉀(K2O：20%)。小麥于2018年10月11日人工開溝條播，2019年6月7日收獲，春玉米于2019年4月9日播種，2019年8月18日收獲，兩種作物共生期長58 d。

除草、施肥和其他的田間管理依照當?shù)亓晳T進行。

1.3 測定指標

1.3.1 土壤水分含量的測定 于小麥和玉米播種和收后用烘干法測定0～200 cm土層土壤水分含量，每10 cm為1個土層。單作每個小區(qū)取2個重復點，間作每個小區(qū)的測定值為小麥帶中間、玉米帶中間及小麥玉米邊界3點，每個點重復取2次。

1.3.2 土面蒸發(fā)量 用微型蒸滲儀(ML)測定，蒸滲儀統(tǒng)一用內(nèi)徑10.4 cm，高15 cm的PVC管制成，底部用紗網(wǎng)封堵。為保證操作方便且不破壞周圍土體結(jié)構(gòu)，用內(nèi)徑11.5 cm的鍍鋅鐵皮制成外套，固定于土體中，使其表面與附近土壤持平，操作時不破壞周圍土體結(jié)構(gòu)，亦須采取緩沖措施。為保持測量精度，每3 d更換1次原狀土，降雨后微型蒸滲儀內(nèi)易產(chǎn)生積水，需立即更換。測定時間為每日8:00—8:30，用精度為0.1 g的電子天平稱其質(zhì)量。單作處理在每個小區(qū)中心布置2個微型蒸滲儀；間作處理分別在種植帶中部、小麥玉米間行以及這兩點距離的中部各布置1個微型蒸滲儀(圖2)，3個平均值作為間作小麥和間作玉米的土面蒸發(fā)量。微型蒸滲儀中土樣每減少1 g相當于蒸發(fā)水分0.105 1 mm[9]。

1.3.3 耗水量 可根據(jù)下式計算出耗水量：ET=E+T+ECI，式中，ET為耗水量 (mm)；E是用微型蒸滲儀測得的土壤水分蒸發(fā)量(mm)；T是用包裹式莖流計測得的蒸騰量(mm)；ECI是冠層截留量的蒸發(fā)量 (mm)。其中，T和ECI根據(jù)Ma等[6]介紹的方法進行測量。

1.3.4 水分利用效率 作物產(chǎn)量Y(kg/hm2) 與農(nóng)田耗水量ET(mm) 的比值，即：

WUE=Y/ET

其中，作物產(chǎn)量是在完全成熟時人工收獲的籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 21.0進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計，5%顯著水平，并用Origin 2016進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植模式和施氮量對作物耗水量的影響

由圖3可知，種植模式和施氮顯著影響小麥耗水量(ET)，但兩者互作時影響不顯著。在同一氮肥水平下，小麥間作處理除越冬期外，從返青期至收獲期耗水量均顯著高于單作處理 (P<0.05)。其中，在相同施氮水平下，施肥處理下從返青期至收獲期間作小麥耗水量較單作處理增加5.90%～43.01%，且在整個生育期內(nèi)，間作小麥總耗水量達到402.23 mm，較之單作處理增加10.40%。不施氮情況下，從返青期至收獲期間作小麥耗水量較單作處理增加9.83%～ 42.11%，整個生育期內(nèi)間作小麥總耗水量達到 371.69 mm，較之單作處理增加12.78%。同時，在相同種植模式下，除越冬期外，施氮處理顯著增加小麥各生育期的耗水量。單作處理下，從返青期至收獲期施氮小麥耗水量較不施氮處理增加 10.57%～18.37%，整個生育期內(nèi)施氮小麥總耗水量達到364.33 mm，與不施氮處理相比增加10.56%。間作處理下，從返青期至收獲期施氮小麥耗水量較不施氮處理增加6.29%～11.28%，與不施氮處理相比增加8.22%。

圖4表明，間作玉米在除大喇叭口期外，其他生育時期階段耗水量均顯著低于單作處理?？赡艿脑蚴怯衩咨L前期與小麥間作處于生長劣勢，而在大喇叭口期由于小麥的收獲使得間作玉米迅速生長，耗水量也相應增加。在同一氮肥水平下，間作玉米較單作玉米的耗水量顯著降低 5.72%，不施氮處理下間作玉米較單作處理顯著降低6.93%。然而，在同一種植模式下，單作玉米在施氮情況下較不施氮處理的耗水量顯著增加6.70%，整個生育期施氮玉米總耗水量達到 466.53 mm。間作處理下施氮玉米較不施氮玉米耗水量顯著增加5.33%。

以兩種作物耗水量的加權(quán)平均數(shù)作為對照，比較間作種植模式與單作耗水量差異，發(fā)現(xiàn)小麥間作種植模式比單作種植耗水量增加 11.53%，而間作玉米較相應單作處理顯著降低 6.34%。而在同一種植模式下比較氮肥施用對耗水量的差異時，發(fā)現(xiàn)氮肥施用會顯著增加作物耗水量。

2.2 種植模式和施氮量對土壤水分含量的影響

由圖5-a可知，小麥播前各處理土壤水分差異較小，而在收獲期(圖5-b)時各處理土壤水分含量出現(xiàn)較大差異，通過與圖5-b對比發(fā)現(xiàn)，單作小麥各層的土壤水分減少量低于間作處理，且小麥間作帶土壤含水量低于單作，但在不同深度上表現(xiàn)不一致。0～80 cm土層水分消耗量最大，水分虧缺主要集中在0～80 cm。而在同一種植模式下，施肥比不施肥處理在收獲期土壤水分含量要低，氮肥水平對間作小麥土壤水分的影響主要集中在20 cm以下土層。

圖5-c表明，降水影響表層0～20 cm土層土壤含水量。與單作相比，間作玉米在20～60 cm土層含水量變化趨勢差異較大，可能是間作小麥條帶根系的側(cè)向伸展所造成的差異，說明水分在共生期間具有互調(diào)余缺機制。由圖5-d可見，玉米收獲期時此段的土壤水分虧缺消失。通過比較玉米播前與收后各層土壤水分差異，發(fā)現(xiàn)間作玉米土壤含水量的變化量低于單作玉米，在60～120 cm土層水分消耗量最大，水分虧缺主要集中在60～120 cm(說明根系吸收水分主要來源于 0～110 cm)。圖5-c中單作玉米0～100 cm土層SM1處理高于SM0，而圖5-d中表現(xiàn)相反，SM0各層土壤水分含量均高于SM1，施氮處理在不同程度上比不施氮處理降低了土壤含水量。

2.3 種植模式和施氮量對土面蒸發(fā)量及其占階段耗水量比例關(guān)系的影響

由表2可知，與單作小麥相比，間作小麥在施氮時全生育期土面蒸發(fā)量(E)和土面蒸發(fā)量占耗水量的比例(E/ET)較單作分別顯著增高22.96%和11.38%，在不施氮情況下分別顯著提高 21.46%和7.69%，造成這種差異的主要原因是小麥間作的預留行地表裸露時間長接收了較多的太陽輻射。在相同的種植模式下，單作小麥在施肥時比不施肥土面蒸發(fā)量減少5.32%，間作小麥在施肥的情況下比不施肥土面蒸發(fā)量減少 4.14%。其中，不施氮間作小麥土面蒸發(fā)量在全生育期土面蒸發(fā)量為130.20 mm，E/ET高達 35.03%，均顯著高于其他處理，大量的蒸發(fā)是耗水量增大的重要原因，對水分虧缺的影響不容忽視。間作小麥與單作處理在返青前土面蒸發(fā)強度差值較小，從拔節(jié)期至成熟期顯著高于單作處理，且耗水量最大階段基本上都處于灌漿期(圖3)，此階段亦是小麥間作玉米的共生期，玉米條帶和小麥條帶土面蒸發(fā)的差異顯著，土面蒸發(fā)量遠大于小麥條帶。

表2 不同處理下小麥各生育期土面蒸發(fā)量和土面蒸發(fā)量占耗水量的比例Table 2 E and E/ET at wheat growth stage under different treatments

由表3可知，間作玉米與單作種植相比較，在施氮情況下土面蒸發(fā)量和土面蒸發(fā)量占耗水量的比例分別增加14.93%和23.49%，在不施氮情況下分別增加14.18%和20.10%。在相同的種植模式下，單作玉米在施氮時比不施氮情況下全生育期土面蒸發(fā)量和土面蒸發(fā)量占耗水量的比例分別顯著減少7.59%和13.38%，間作玉米在施氮時比不施氮情況下土面蒸發(fā)量和土面蒸發(fā)量占耗水量的比例分別顯著減少6.98%和 11.67%。玉米在小麥生長后期播種，二者共生期長58 d，小麥在間作系統(tǒng)中占主導地位，因此前期間作玉米條帶被小麥條帶遮陰而接收了相對于單作玉米更少的輻射，導致土面蒸發(fā)相對減少，主要表現(xiàn)在三葉期和六葉期，間作玉米土面蒸發(fā)量顯著低于單作處理。隨著小麥收獲后地表裸露而玉米迅速增長，使得間作玉米在大喇叭口期至成熟期土面蒸發(fā)量顯著大于單作玉米。其中，不施氮間作玉米在全生育期土面蒸發(fā)量最大，達165.66 mm，土面蒸發(fā)量占耗水量的比例最高，因此，降低土壤無效蒸發(fā)是提高田間水分管理的有效 措施。

表3 不處理下玉米各生育期土面蒸發(fā)量占耗水量的比例Table 3 E and E/ET at maize growth stage under different treatments

與單作種植相比，小麥間作玉米全生育期土面蒸發(fā)量比單作小麥、單作玉米土面蒸發(fā)量的加權(quán)平均分別增加22.19%和14.54%。同一種植模式下，施氮處理的土面蒸發(fā)量和E/ET均小于不施氮處理，亦說明增施氮肥能增加土壤水分的有效性。

2.4 種植模式和施氮量對作物產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由表4可知，與單作小麥相比，間作能顯著提高小麥的產(chǎn)量和水分利用效率。在不施氮條件下，間作小麥產(chǎn)量比單作小麥顯著提高 26.97%，水分利用效率增加23.81%，而在施氮時較之單作產(chǎn)量顯著提高33.20%，水分利用效率增加 12.15%。在相同種植模式下，單作小麥在施氮條件下比不施氮時產(chǎn)量顯著提高22.98%，水分利用效率增加16.47%。同時，間作小麥在施氮條件下較之不施氮時產(chǎn)量增加29.01%，水分利用效率增加5.51%，間作產(chǎn)量和水分利用效率分別達8 199.48 kg/hm2和18.95 kg/(hm2·mm)。

表4 不同處理下小麥的產(chǎn)量與水分利用效率Table 4 Yield and water use efficiency of wheat under different treatments

由表5可知，在同一氮肥水平下，間作玉米與單作的產(chǎn)量差異不顯著，而顯著影響水分利用效率，在施氮情況下水分利用效率提高 8.37%，在不施氮情況下提高10.06%。在相同種植模式下，單作玉米在施氮條件下比不施氮時產(chǎn)量顯著提高17.59%，水分利用效率顯著增加11.33%。同時，間作玉米在施氮條件下較之不施氮時產(chǎn)量增加15.63%，水分利用效率增加8.63%。

表5 不同處理下玉米的產(chǎn)量與水分利用效率Table 5 Yield and water use efficiency of maize under different treatments

可見，間作種植模式會顯著提高小麥產(chǎn)量，玉米產(chǎn)量差異不顯著，間作種植模式均在不同程度上提高小麥和玉米的水分利用效率。以兩種作物產(chǎn)量與水分利用效率各自的加權(quán)平均數(shù)作為對照，比較間作種植模式與單作種植產(chǎn)量與水分利用效率的差異，發(fā)現(xiàn)小麥間作種植模式比單作種植產(chǎn)量增加30.41%，水分利用效率增加 17.54%，而玉米間作種植模式比單作種植產(chǎn)量增加0.36%，水分利用效率增加9.64%。

3 討 論

前人的研究發(fā)現(xiàn)，作物在間作種植條件下，水分利用效率比相應單作高，但水分的消耗量沒有顯著差異[10-12]。與該結(jié)果不同，柴強等[10]研究表明，間作耗水量較相應單作增大12.7%～ 20.1%，在其他研究中亦表現(xiàn)出水分劣勢[13-14]。Morris等[15]在對前人研究總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，間作群體全生育期耗水量較單作加權(quán)變化在-6%～7%。本研究表明，間作種植模式在不同程度上顯著提高小麥和玉米的水分利用效率；同時，小麥間作種植的耗水量較單作小麥耗水量的加權(quán)平均增加11.53%，而玉米耗水量卻減少 6.34%，間作種植對水資源的消耗量與單作相比差異較小。楊忠浩等[16]在研究春玉米氮肥-水分-產(chǎn)量關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，春玉米生育期耗水量隨氮肥施用量的增加而增加，而不同氮水平對間作體系中作物耗水量的影響等方面的報道較少。本試驗結(jié)果表明在同一種植模式下，施用氮肥增加作物全生育期的耗水量。因此，在半濕潤區(qū)發(fā)展施氮處理的間作種植模式有利于創(chuàng)造適宜作物生長發(fā)育的土壤水分 環(huán)境。

有研究表明，間作增加土面蒸發(fā)量與E/ET值[6,17-18]。劉浩等[19]在研究間作種植模式下冬小麥棵間蒸發(fā)變化規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，返青前間作和單作麥田土面蒸發(fā)強度差值較小，而返青后間作的棵間蒸發(fā)強度明顯高于單作。這與本試驗結(jié)果一致，小麥和玉米生長初期E/ET最高，田間耗水以土面蒸發(fā)為主。而小麥生長后期由于預留的空帶裸露，土面蒸發(fā)增大導致無效的水分消耗。玉米生長前期即間作共生期，由于小麥遮蔭導致土面蒸發(fā)較小，減少土壤水分被作物利用的有效性。生長后期由于間作小麥條帶地表無覆蓋，土面蒸發(fā)劇烈，此時控制農(nóng)田水分無效損耗非常關(guān)鍵。相同種植模式下不施氮處理作物發(fā)育較為緩慢，地表覆蓋較少而接收更多輻射，導致土壤蒸發(fā)增加，適當?shù)牡适┯媚茉黾铀值挠行浴?/p>

合理的間套作可以增產(chǎn)30%～50%[17,20]，本研究中，間作處理較之單作種植分別在不施氮和施氮時小麥產(chǎn)量顯著提高26.97%和33.20%，而間作種植模式下玉米產(chǎn)量沒有顯著差異。間作小麥比單作小麥分別在不施氮和施氮時產(chǎn)量顯著提高26.97%和33.20%。有研究表明，氮肥通過調(diào)控間作體系的生長參數(shù)和養(yǎng)分參數(shù)，進而影響作物的生長[21]，間作具有通過增產(chǎn)而提高水分利用效率的優(yōu)勢。因此，提高玉米產(chǎn)量和水分利用是該模式在半濕潤區(qū)推廣的關(guān)鍵。葉優(yōu)良等[22]研究發(fā)現(xiàn)，不施氮條件下，小麥玉米間作相對于單作水分消耗量減少4.82%～8.79%，而水分利用效率有減少趨勢。在300 kg/hm2氮水平下，小麥玉米間作較單作水分消耗量減少1.09%～ 6.96%，水分利用效率增加10.76%～29.56%。孫建好等[23]研究不同施氮水平對小麥/玉米間作水分效應的影響時發(fā)現(xiàn)，施氮肥降低間作小麥苗期的水分利用效率，灌漿期則超過單作小麥；施氮肥能大大提高了間作玉米的水分利用效率。張恩和等[24]研究表明，在兩種或兩種以上作物組成的間作復合系統(tǒng)中，各組成作物的需水臨界期存在一定差異，形成時間上的補償效應，而且不同作物在土壤中的根系分布和對土壤水分的利用在層次上也存在差異，催生空間上的補償效應，進而提高水分利用效率。柴強[17]亦指出，在雨養(yǎng)和灌溉條件下，間套作都能提高水分利用效率。與本試驗結(jié)果一致，間作群體中各組成作物通過對土壤水資源在時間上的互補利用，提高間作系統(tǒng)的水分利用效率。對于間作系統(tǒng)中水分是如何在兩種作物間運移的，值得進一步探究。

4 結(jié) 論

在半濕潤區(qū)發(fā)展間作種植模式，較單作增加小麥除越冬期外各生育時期期階段耗水量 5.90%～43.01%，同時，在相同種植模式下，施氮處理顯著增加了小麥同時期的階段耗水量 6.29%～18.37%。而間作玉米在除大喇叭口期外，其他生育時期階段耗水量均顯著低于單作處理。小麥玉米間作耗水量與單作小麥相比，在施氮條件下顯著增加12.78%，在不施氮條件下顯著增加10.40%；而與單作玉米相比，間作處理在施氮時耗水量減少6.93%，在不施氮條件下減少5.72%。

與單作種植相比，小麥間作玉米全生育期土面蒸發(fā)量比單作小麥、單作玉米土面蒸發(fā)量和土面蒸發(fā)量占耗水量的比例(E/ET)都顯著增高。同一種植模式下氮肥施用降低土面蒸發(fā)和土面蒸發(fā)量占耗水量的比例。

間作種植模式較之單作種植表現(xiàn)出水分利用優(yōu)勢。氮肥施用提高產(chǎn)量和水分利用效率。間作使作物的水分利用效率顯著提高9.64%～ 23.81%。間作使小麥產(chǎn)量顯著提高 26.97%～33.20%，但間作種植模式下與單作處理相比玉米產(chǎn)量差異不顯著，提高玉米產(chǎn)量是該模式在半濕潤區(qū)推廣的關(guān)鍵。