內蒙古陰山北麓旱農區(qū)馬鈴薯間作模式的生產力與水分利用①

侯建偉，段 玉，張 君，趙沛義，景宇鵬

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內蒙古陰山北麓旱農區(qū)馬鈴薯間作模式的生產力與水分利用①

侯建偉1，段 玉2,3,4,5*，張 君2,3,4,5，趙沛義2,3,4，景宇鵬2,3,4,5

(1銅仁學院烏江學院，貴州銅仁 554300；2內蒙古農牧業(yè)科學院資源環(huán)境與檢測技術研究所，呼和浩特 010031；3內蒙古旱作農業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010031；4農業(yè)部內蒙古耕地保育科學觀測實驗站，呼和浩特 011705；5農業(yè)部武川農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，呼和浩特 011705)

馬鈴薯是內蒙古陰山北麓的主要農作物之一，優(yōu)化馬鈴薯種植模式，可以提高馬鈴薯產量，遏制土壤肥力退化，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。本研究于2009—2014年進行了6 a的大田小區(qū)定位試驗，研究了馬鈴薯與苕子或莜麥間作對土地生產力及水分利用效果的影響。結果表明：馬鈴薯/苕子和馬鈴薯/莜麥2種間作模式具有較強且程度相當的間作產量優(yōu)勢，土地當量比分別為1.59 ~ 2.24和1.56 ~ 2.22。間作并不會顯著增加或降低作物的耗水量，馬鈴薯、苕子和莜麥于不同種植年的耗水量有差異，最大降幅分別可達25.1%、23.7% 和25.5%。間作可顯著提高間作系統的水分利用效率，具有顯著的水分利用優(yōu)勢(水分當量比分別為1.59 ~ 2.01和1.55 ~ 2.24)，且主要體現在苕子和莜麥作物上。此外，間作體系的水分利用效果還與當年的降雨量關系密切。綜合分析認為，馬鈴薯間作有利于整個間作系統農田生產力和水分利用效率的提高，且對苕子和莜麥的提升效果更佳。

旱農區(qū)；馬鈴薯間作；農田生產力；水分利用效率

馬鈴薯是內蒙古陰山北麓的主要農作物，但由于長期缺乏有機肥，馬鈴薯連作地力退化嚴重、產量嚴重下降和連年干旱等一系列問題，嚴重制約了馬鈴薯產業(yè)的發(fā)展[1]。合理的種植模式能夠充分利用空間，改進土壤結構，改善農田生態(tài)系統的生產力和水分利用效率[2]；充分利用邊行優(yōu)勢，用地與養(yǎng)地相結合；充分緩解作物爭地矛盾和調節(jié)茬口，實現農作物增產增收[3-5]。有研究表明，不同品種馬鈴薯與玉米間套作較單作產量均提高17% 以上[6]。馬鈴薯套玉米間胡蘿卜模式的投入產出效果最佳，其產投比和每畝純收入最高，分別為2.937和1 278.79元[7]。陳長青等[8]發(fā)現柰李+(花生-綠肥-花生) 對提高土壤肥力的效果最佳。因此，優(yōu)化種植模式和合理銜接茬口在作物增產、增收及促進農業(yè)生產的可持續(xù)發(fā)展等方面顯得尤為重要。

水分是作物生長發(fā)育不可缺少的資源，也是養(yǎng)分傳輸的載體。在雨養(yǎng)農業(yè)中，有限的降水常常是產量的制約因素[9]。馬鈴薯地的水分生態(tài)環(huán)境問題突出，逐漸成為制約旱農區(qū)馬鈴薯可持續(xù)發(fā)展的主要限制因素。近些年來，旱作節(jié)水型生態(tài)農業(yè)一直是武川地區(qū)大力推行的技術模式。Mandal等[10]研究表明，當淺根系的小麥與深根系的印度芥末或鷹嘴豆間作時，耗水量和產量都增加。葉優(yōu)良等[11]研究表明小麥與玉米間作相對于單作水分消耗量(WU)減少4.82% ~ 8.79%。在300 kg/hm2氨水平下，6個小麥品種與玉米間作較單作耗水量WU減少1.09% ~ 6.96%，WUE增加10.76% ~ 29.56%。

目前有關內蒙古陰山北麓地區(qū)馬鈴薯產量形成因素與栽培技術方面已有大量報道[1,4,12-13]，但因作物品種、年平均降雨量、田間管理和土地質量差異等致使其研究結論不一。因此，尚缺少統一農作制下長期定位試驗研究旱農區(qū)馬鈴薯不同間作模式對土地生產力及水分利用效率的影響。本研究在內蒙古農牧業(yè)科學院武川旱作農業(yè)實驗站進行，通過6 a的定位試驗開展馬鈴薯與苕子及莜麥的間作試驗，以土地當量比(LER)和水分利用當量比(WER)作為評價指標，量化不同間作模式下的農田耗水量(ET)和水分利用效率(WUR)。通過不同間作模式間土地生產力和水分利用狀況的差異，分析間作優(yōu)勢的可能機理，并提出適宜當地旱農區(qū)的合理種植模式，為提高武川縣旱農區(qū)土地生產力及水分高效利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

長期定位試驗于2009—2014年在內蒙古呼和浩特武川縣內蒙古農牧業(yè)科學院旱作農業(yè)實驗站(41°08′22.8″N，111°17′43.6″E)進行。內蒙古武川縣屬于北方農牧交錯帶的中間地帶，地處陰山山脈向蒙古高原的過渡區(qū)，以種植業(yè)和畜牧業(yè)為主，地域上農牧交錯，經濟上農牧兼營。地貌屬典型的山地丘陵區(qū)，山地面積占全縣土地面積的48%，耕地面積為11.8 萬hm2，水澆地僅占現有耕地的9% 左右，絕大部分耕地都是旱作農業(yè)。氣候屬半干旱大陸性氣候，年降雨量200 ~ 400 mm，主要集中在6—8三個月。無霜期100 d左右，大于10 ℃有效積溫2 000 ℃，年平均風速3 m/s。土壤為栗鈣土，砂壤土，土壤肥力中下等，具體為：有機質7.70 g/kg、堿解氮26.81 mg/kg、有效磷14.63 mg/kg、速效鉀60.80 mg/kg和pH 8.35。試驗地降雨量見圖1。

圖1 2009—2014年試驗地降雨量(內蒙古呼和浩特市武川縣)

1.2 試驗作物

馬鈴薯：品種為“克新1號”；毛葉苕子：品種為“蒙苕1號”；莜麥：品種為“青莜1號”。

1.3 試驗設計

試驗包括6個處理，每個處理3次重復。分別為：①馬鈴薯連作Ⅰ；②馬鈴薯/苕子間作；③苕子連作；④馬鈴薯連作Ⅱ；⑤馬鈴薯/莜麥間作；⑥莜麥連作。隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積6 m × 8 m = 48 m2。(注：為排除農田地力差異的影響，在兩個間作系統中分別設置馬鈴薯連作處理，以Ⅰ和Ⅱ區(qū)分)

種植要求：①單種馬鈴薯：起壟種植，壟與壟1 m，壟上種植2行，行距25 cm，株距50 cm；②單種莜麥：行距25 cm，種植24行；③單種苕子：單種行距25 cm，每小區(qū)24行；④馬鈴薯/苕子(1 m :1 m間作)：馬鈴薯種植(同單種馬鈴薯)，苕子1 m種植4行；⑤馬鈴薯/莜麥(1 m :1 m間作)：馬鈴薯種植(同單種馬鈴薯)，莜麥1 m種植4行；試驗期間各處理都不施肥，其他管理同一般生產田。

1.4 測試項目與方法

產量測定：收獲時，每個小區(qū)內取中間4行進行畝產量和單株產量測定。馬鈴薯塊莖選取代表性小樣3株，于烘箱內烘至恒重稱其干質量。馬鈴薯的經濟產量以塊莖鮮質量表示，為避免誤差馬鈴薯的最終經濟產量以塊莖干質量×80% 含水量計算得到。苕子和莜麥的經濟產量為籽粒產量(含水量為12% 左右)。間作和單作中作物產量用均一化產量Y表示：

式中：Y為馬鈴薯(或莜麥或苕子)的均一化產量(g/m2)；PY為馬鈴薯(或莜麥或苕子)的單株平均產量(g/株)。

式中：HD為馬鈴薯(或莜麥或苕子)間作或單作的均一化種植密度(株/m2)；P為馬鈴薯(或莜麥或苕子)的株距密度(株/m)；RLD為馬鈴薯(或莜麥或苕子)的行長密度(行/m)。

土地當量比(land equivalent ratio, LER)：同一農田中兩種或兩種以上作物間混作時的收益與各個作物相應單作的收益之比的總和。是衡量間混作比單作增產程度的一項重要科學指標[11]。其公式為：

式中：LER1和LER2分別表示馬鈴薯、苕子(或莜麥)在間作系統中的相對產量，也稱偏土地當量；Y1和Y2分別表示馬鈴薯間作和單作時的產量；Y1和Y2分別表示苕子(或莜麥)間作和單作時的產量。LER表示作物產量間作與單作的比值，當某種間作模式的LER<1時，認為間作體系降低了土地生產力，具有劣勢；當LER=1時，則認為該間作體系不具有間作優(yōu)勢；當LER>1時，具有間作優(yōu)勢，有一定的應用價值；當LER>1.2時，通常認為該間作體系具有較強的間作優(yōu)勢，LER越大產量優(yōu)勢越明顯。

土壤水分測定采用烘干法。作物播種前和收獲后0 ~ 100 cm土層多點(每小區(qū)5點)“S型”用土鉆分層取土(0 ~ 5 cm，5 ~ 10 cm，其余均為10 cm一層，共11層)。

式中：為作物產量(g/m2)；ET為耗水量(mm)。其中耗水量(ET)為：

式中：為降水量；S為播前土壤根層(0~100 cm)儲水量(mm)；S為收獲后土壤根層儲水量(mm)。儲水量(mm)=土層厚度(cm)×土壤體積質量(1.45 g/cm3)×重量含水量(%)

水分當量比(WER)：

式中：WER1和WER2分別表示馬鈴薯、苕子(或莜麥)在間作系統中的相對水分利用率，即偏水分當量比；WUE1和WUE2分別表示馬鈴薯間作和單作時的水分利用效率；WUE1和WUE2分別表示苕子(或莜麥)間作和單作時的水分利用效率。WER表示作物間作與單作水分利用率的比值，當某種間作模式的WER<1時，認為間作體系降低了水分利用率，具有劣勢；當WER = 1時，則認為該間作體系不具有間作優(yōu)勢；當WER>1時，具有間作優(yōu)勢，在水分高效利用方面有一定的應用價值。

1.5 數據處理

利用 SAS 9.0 進行方差分析(ANOVA)，Excel 2007繪制表格。

2 結果與分析

2.1 不同間作模式下的作物產量

由2009—2014年的產量數據(表1)可知，3種種植模式對馬鈴薯的產量(經濟產量)影響差異很大。2009—2014年，無論是馬鈴薯/苕子間作還是馬鈴薯/莜麥間作馬鈴薯的產量均顯著低于單作馬鈴薯，特別是馬鈴薯/莜麥間作馬鈴薯的產量更低。通過表2還可看出，不同種植模式對苕子和莜麥的產量也產生了顯著的影響，2種間作模式均顯著提高了苕子和莜麥的籽實產量。

表1 馬鈴薯和苕子、莜麥不同種植模式下的經濟產量和土地當量比

注： 經濟產量指馬鈴薯塊以及苕子和莜麥的籽實。LERP1和LERV分別代表馬鈴薯與苕子間作系統中馬鈴薯、苕子的相對產量；LERP2和LERO分別代表馬鈴薯與莜麥間作系統中馬鈴薯、莜麥的相對產量；LER1和LER2分別代表馬鈴薯、苕子在間作系統的土地當量比和馬鈴薯、莜麥間作系統的土地當量比。

2009—2014年3種作物兩種間作模式6 a的產量數據(除2010年馬鈴薯/莜麥間作外)均表明，間作馬鈴薯的產量均最低，馬鈴薯/苕子間作、馬鈴薯/莜麥間作馬鈴薯的產量分別相當于單作馬鈴薯的62% ~ 92% 和61% ~ 101%，即兩種間作模式中馬鈴薯的偏土地當量(除2010年馬鈴薯/莜麥間作外)均小于1，表明馬鈴薯在這兩種間作模式中處于劣勢，而馬鈴薯/苕子間作、馬鈴薯/莜麥間作對苕子和莜麥的產量影響較大，除個別年限外，苕子和莜麥的偏土地當量均大于1，說明間作對苕子和莜麥具有明顯的的產量優(yōu)勢。

就整個間作系統而言，莜麥作物間作產量優(yōu)勢最大，但對馬鈴薯的產量影響也相對大些。此外，由表2中6 a的數據還可看出，馬鈴薯/苕子間作、馬鈴薯/莜麥間作模式系統的LER(LER1和LER2分別為1.59 ~ 2.24和1.56 ~ 2.22)均大于1.2。說明這2種間作體系均具有較強的間作產量優(yōu)勢且2種間作體系的產量優(yōu)勢相當。

2.2 不同間作模式下的水分利用效果

2.2.1 間作模式對農田耗水量的影響 2009—2014年的耗水量數據顯示(表2)，耗水量基本表現為：馬鈴薯>莜麥>苕子，且差異達顯著水平(<0.05)。馬鈴薯/苕子間作及馬鈴薯/莜麥間作沒有顯著改變馬鈴薯的耗水量，馬鈴薯、苕子和莜麥3種作物間作與單作間的農田耗水量也沒有顯著差異。馬鈴薯、苕子和莜麥的耗水量變化范圍分別為255.2 ~ 340.5 mm、206.8 ~ 271.0 mm和205.2 ~ 275.4 mm。說明馬鈴薯/苕子間作及馬鈴薯/莜麥間作并不會顯著增加或降低作物的耗水量。

表2 馬鈴薯/苕子和馬鈴薯/莜麥間作的農田耗水量

注： 表中大寫字母不同表示同一年份同種作物間作與單作間的差異達到<0.05顯著水平；小寫字母不同表示同一年份間作或單作體系下不同作物間的差異達到<0.05顯著水平；SE表示各個處理間的平均標準誤差，下同。

由表2還可看出，2009—2014年馬鈴薯、苕子和莜麥3種作物間作和單作6 a的耗水量數據有所差別，尤其是2011年和2012年耗水量降幅相對較大，最大降幅分別為25.1%、23.7% 和25.5%，這可能與這兩年的降雨較少有關。

2.2.2 間作模式對水分利用效率的影響 2009—2014年的水分利用效率的數據顯示(表3)，馬鈴薯間作的水分利用率均低于單作，苕子和莜麥的間作與單作間則沒有一定的規(guī)律性變化。從6 a的水分利用效率均值來看，間作顯著降低了馬鈴薯的水分利用效率而顯著提高了莜麥的水分利用效率(<0.05)，分別降低和升高了24.3% ~ 26.2%、13.3%。

多重均值檢驗結果表明，馬鈴薯間作與單作的水分利用效率除2009、2010和2011年未達顯著差異水平外，其他各種植年均達顯著差異水平(<0.05)。苕子和莜麥分別在2011年和2010年、2011年達顯著差異水平，其他各種植年均未達顯著差異水平。說明馬鈴薯/苕子和馬鈴薯/莜麥2種間作模式會顯著影響馬鈴薯的水分利用率，而對苕子和莜麥只在個別年限有顯著影響。同一年中，馬鈴薯/苕子、馬鈴薯/莜麥2種種植體系間，馬鈴薯只在2009年和2011年達到了顯著差異水平；而苕子和莜麥在2009—2014年均達顯著差異水平，且莜麥的水分利用效率高于苕子。馬鈴薯/苕子、馬鈴薯/莜麥2種間作體系中，2009—2014年的數據表明，苕子或莜麥對馬鈴薯水分利用效率的影響沒有一定的規(guī)律性，不同年限間具有波動性。

表3 馬鈴薯/苕子和馬鈴薯/莜麥間作作物水分利用效率和水分當量比

注： WERP1和WERV分別代表馬鈴薯與苕子間作系統中馬鈴薯、苕子的相對水分利用效率；WERP2和WERO分別代表馬鈴薯與莜麥間作系統中馬鈴薯、莜麥的相對水分利用效率；WER1和WER2分別代表馬鈴薯、苕子在間作系統的水分當量比和馬鈴薯、莜麥間作系統的水分當量比。

通過對系統的水分當量比進行分析，可判定不同間作模式下間作系統是否具有提高水分利用效率的能力。由表3可知，2009—2014年馬鈴薯/苕子、馬鈴薯/莜麥2種間作體系的WER分別為1.59 ~ 2.01和1.55 ~ 2.24，說明間作模式具有很大的水分利用優(yōu)勢，但受年際間氣候變化的影響較大，在降雨較少的2011年和2012年，由于馬鈴薯對苕子及莜麥的水分競爭加大，導致體系中的優(yōu)勢作物苕子和莜麥的WER大幅度降低，分別最大降低了41.4%和29.6%。此外，2009—2014年2種間作體系的WER大小相當且均大于1，說明間作模式可以顯著提高系統的水分利用效率，具有顯著的水分利用優(yōu)勢。

3 討論

3.1 不同間作模式下的作物產量及土地生產力

馬鈴薯/苕子和馬鈴薯/莜麥2種間作模式中馬鈴薯產量均低于單作馬鈴薯，即馬鈴薯的偏土地當量比為0.77左右，苕子和莜麥的偏土地當量比為1.12左右，2種體系的LER均大于1.91，說明間作體系降低了馬鈴薯產量而增加了整個間作體系產量且苕子或莜麥在間作體系中具有絕對優(yōu)勢。與董宛麟等[14]的馬鈴薯/向日葵間作的研究有一定相似性，此外，大豆/玉米間作[15]、核桃樹/小麥間作[15]均顯示通過高遮蔽、負邊行效應等降低了矮稈作物的產量。本研究中間作馬鈴薯產量降低，一方面可能是因為帶寬配置較窄，1 m的帶寬只能種植2壟馬鈴薯，雖然莜麥或苕子株高不及向日葵等其他高桿作物，但仍有一定的負邊行效應；另一方面該試驗區(qū)多暴雨、干旱多風且風力強勁，每年7月中旬左右苕子出現大面積的倒伏現象，對間作馬鈴薯遮掩嚴重。因此，在馬鈴薯間作模式中，種植株高相當的抗倒伏作物并適當增加帶寬可能更適宜該地區(qū)的馬鈴薯種植，增加土地生產力。馬子林[16]在馬鈴薯間作蠶豆的邊行效應及增產機理研究中發(fā)現，蠶豆邊行越靠近馬鈴薯，地溫度越高，土壤水肥條件越好，蠶豆單株產量也越高。蠶豆與馬鈴薯不同間作模式中，6 行蠶豆+2 壟馬鈴薯不具間作優(yōu)勢，而以8 行蠶豆+3 壟馬鈴薯間作模式的總產量和純收入最高。

間作體系中單純比較作物產量，不能全面評價土地生產力的優(yōu)劣，只能說明各作物產量是否具有間作優(yōu)勢。因此，通常以土地當量比LER來整體評價間作系統。本研究中2種間作模式(馬鈴薯/苕子、馬鈴薯/莜麥)的LER均為1.9左右(大于1.2)，均具有較強且優(yōu)勢相當的的間作產量優(yōu)勢?？赡苁且驗檐孀雍洼溤谏L條件、水、肥、氣、熱等因素具有一定的相似性。兩種間作系統中，馬鈴薯產量占單作產量的80% 以下，而苕子和莜麥均高于單作產量。因此，在間作模式中適當增加苕子或莜麥的間作比例，可能會進一步提高間作體系的土地生產力。

3.2 不同間作模式下的水分利用狀況

2009—2014年馬鈴薯/苕子和馬鈴薯/莜麥間作均沒有顯著改變作物的耗水量。間作馬鈴薯的水分利用效率低于單作，間作苕子和間作莜麥的水分利用效率高于單作。與一些研究結果類似[11,14]。這可能與間作馬鈴薯的產量較低而苕子和莜麥的產量較高有關。單純比較間作作物的水分利用效率不能在農田水平上全面評價間作系統水分利用效率的優(yōu)劣。因此，本研究通過對水分當量比(WER)的分析來評價2種間作模式是否具有提高水分利用效率的能力。馬鈴薯/苕子和馬鈴薯/莜麥2種間作模式的WER均大于1(分別為1.59 ~ 2.01和1.55 ~ 2.24)，其平均值分別為1.81和1.83，未達顯著差異水平。說明2種間作體系均提高了整個系統的水分利用效率且優(yōu)勢相當。這可能主要與苕子和莜麥的根系入土深度及需水量相當，對整個間作體系的水分競爭相近有關。有研究建議，建立間作體系要充分考慮作物的根系深度差異和養(yǎng)分吸收的生態(tài)位差異。一些研究發(fā)現[10,15]，當淺根系的小麥與深根系的鷹嘴豆間作、小麥與玉米間作時，由于更有效地利用了深根區(qū)的土壤水分及兩種作物對養(yǎng)分的吸收在時間上是分離的，間作體系充分應用了當地的光、熱和土地資源，作物的耗水量和產量都顯著增加。在本研究中，已考慮了間作作物的根系深度和養(yǎng)分需求量差異，至于是否具有養(yǎng)分吸收的生態(tài)位差異和不同間作帶寬對農田生產力和水分利用的影響還需進一步研究。

4 結論

1) 馬鈴薯與苕子或莜麥間作均能夠顯著提高整個間作體系的總產量且2種間作模式的間作產量優(yōu)勢相當。但是間作不利于馬鈴薯單產的提高，而有利于苕子和莜麥產量的提高，莜麥作物表現地最為突出。

2) 馬鈴薯與苕子或莜麥間作并不會顯著改變作物的耗水量。間作能夠顯著提高整個間作體系的水分利用效率，間作馬鈴薯不具有水分利用優(yōu)勢，但是極大地提高了莜麥的水分利用效率。

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Productivities and Water Use Efficiencies of Different Intercropping Systems of Potato in Arid Agricultural Area in North Foot of Yin Mountain

HOU Jianwei1, DUAN Yu2,3,4,5*, ZHANG Jun2,3,4,5, ZHAO Peiyi2,3,4, JING Yupeng2,3,4,5

(1 Wujiang College, Tongren University, Tongren, Guizhou 554300, China; 2 Institute of Resources and Environment and Detection Technology, Inner Mongolia Academy of Agriculture & Animal Husbandy Sciences, Hohhot 010031, China; 3 Inner Mongolia Key Laboratory of Dryland Farming, Hohhot 010031, China; 4 Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Inner Mongolia), Hohhot 011705, China; 5Wuchuan Scientific Observing and Experimental Station of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, Hohhot 011705, China)

Potato is one of the main crops in the north foot of Yin Mountains in the Inner Mongolia. Optimizing the planting systems of potato can increase the yield of potato, prevent the degradation of soil fertility, and promote the sustainable development of agriculture. A long–term field plot experiment was conducted from 2009 to 2014 to study the effects of intercropping potato with vetch or with naked oat on the land productivities and water use efficiencies.The results showed that: the yield-increasing effects were strong and similar between the intercropping potato with vetch or with naked oat, Land equivalent ratios(LER) were 1.59–2.24 and 1.56–2.22, respectively. Water consumption increased or reduced insignificantly between different intercropping system, but there were significant differences in water consumption between different experimental years, the maximal reduction in water consumption were 25.1%, 23.7% and 25.5%, respectively. Intercropping system had obvious advantage in water use, they significantly improved the water use efficiency, (water equivalent ratios were 1.59–2.01 and 1.55–2.24, respectively), particularly for vetch and naked oat. In addition, the water use effect of intercropping system was closely related to the rainfall. In general, potato intercropping mode is beneficial to improve field productivity and water use efficiency, particularly for vetch and naked oat.

Arid agricultural area; Potato intercropping; Field productivity; Water use efficiency

公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201503120)資助。

(duanyu63@aliyun.com)

侯建偉(1986—)，男，內蒙古通遼人，博士，助理研究員，主要研究方向為土壤肥力與植物營養(yǎng)。E-mail: hjw19860627@126.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.01.011

S152.4

A