黃土塬區(qū)旱作果園的復(fù)合經(jīng)營范式

王晗生

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

與主體丘陵相比,黃土高原上包括臺(tái)塬在內(nèi)的塬地均為地勢(shì)比較平坦而又寬廣的地貌類型,主要位于中部及南部[1]4-22。因缺乏灌溉條件,塬地大多為旱塬,以經(jīng)營旱作農(nóng)業(yè)著稱，成為黃土區(qū)農(nóng)耕歷史悠久的重要糧食生產(chǎn)基地，長期以來普遍種植著以小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)等為主的禾谷類作物。然而,近20多年來,蘋果(Maluspumila)、核桃(Juglansregia)等經(jīng)濟(jì)林,尤其蘋果在塬地得到大面積培育,局部完全改變傳統(tǒng)作物生產(chǎn)方式,如陜西渭北塬區(qū)現(xiàn)已是中國蘋果主產(chǎn)區(qū)[2]。在作物種群結(jié)構(gòu)發(fā)生前所未有的顯著變化下,隨著新果園不斷建立以及老果園衰敗,塬區(qū)耕作種植制度值得進(jìn)一步研究并改進(jìn)完善。由于土壤水分狀況與旱作栽培成效密切相關(guān),以水分因子為中心的果園及土壤管理尤為引人注目。有關(guān)研究主要集中在土壤耕作、覆蓋、免耕、生草等方面,鮮有間作探討,特別是間作對(duì)果樹影響的評(píng)估[3-11]。果園間作常表現(xiàn)為群眾自發(fā)性而大量存在，是當(dāng)前不容忽視的具有區(qū)域特色的規(guī)?；r(nóng)林復(fù)合經(jīng)營形式[12-13]。盡管這種形式在提高土地利用率和避免光能資源浪費(fèi)同時(shí)可獲得多種收益,但以果樹為主的復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)必須考慮避免對(duì)果樹生長發(fā)育造成不利影響。由于作物種類及間作方式上的實(shí)際差異,適宜的間作選擇具有重要實(shí)踐意義。果園生草強(qiáng)調(diào)發(fā)揮地表植被覆蓋的生態(tài)功能,除刈割覆蓋園地以抑制水分蒸發(fā)和培肥土壤作用外,也有為養(yǎng)殖獲取飼料并實(shí)現(xiàn)畜糞還園的目的?？梢?被單列研究的果園生草其實(shí)仍是一類復(fù)合經(jīng)營形式。目前此類探討雖然較多,但對(duì)果樹生長供水影響的結(jié)論還不十分明確[3,4,6,14-19]。因此,該研究通過在中國科學(xué)院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站所在地的典型塬區(qū)開展調(diào)查及測(cè)定,分析間作的基礎(chǔ)以及有關(guān)間作的適宜性,探討其規(guī)范化經(jīng)營模式,以期有助于旱作果園合理間作制度的建立,提高復(fù)合經(jīng)營水平及促進(jìn)塬區(qū)果樹栽培健康持續(xù)運(yùn)行。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

中科院長武站周邊塬地,即陜甘分界地帶的長武塬和涇川塬，雖有溝壑發(fā)育嵌入,使得塬高溝深以及塬、梁與溝相間分布,但塬面依然顯著。長武塬較大,蘋果培育起步也較早。塬面海拔1 200～1 370 m,地下水埋深50～80 m,植物沒有直接利用可能。屬暖溫帶半濕潤易旱氣候類型,年均氣溫9.1～10.3 ℃,無霜期171～176 d;年均降水量553.5～584.1 mm,冬春少而夏秋多,降水多集中于7—9月,占全年55%～60%,旱季和雨季分明,雨熱同季。干旱發(fā)生以春旱、初夏旱為主,其次還有伏旱。研究區(qū)為黏黑壚土地帶[1]72-122,塬面是代表部位。接近褐土的黏黑壚土具有人為黃土覆蓋層,即為黃蓋黏黑壚土,田間持水量21.1%,凋萎濕度8.8%。土壤水庫效應(yīng),即深厚土體蓄存雨季降水,在大氣干旱時(shí)供給作物,從而有效緩解脅迫。以一年一熟為主,兼二年三熟,多為小麥換茬改種大秋作物時(shí)復(fù)種糜(Panicummiliaceum)、谷(Setariaitalica)、槐豆(Glycinemax)、蕎麥(Fagopyrumesculentum)等晚秋或小秋作物,復(fù)種指數(shù)可達(dá)115%。農(nóng)田木本植物培育,除刺槐(Robiniapseudoacacia)實(shí)生苗、核桃外,蘋果最為廣泛。塬面坡度小(<5°)或幾無坡度,間作擾動(dòng)土壤,一般不會(huì)導(dǎo)致水土流失,因而對(duì)作物選擇要求低于坡地果園。

1.2 研究方法

1.2.1類型調(diào)查

摸清本底種植作物,在蘋果培育相對(duì)集中部位踏查，充分了解果園復(fù)合經(jīng)營類型,追訪蘋果樹齡及間作草本植物發(fā)育年限,掌握蘋果種植株行距以及發(fā)育結(jié)實(shí)的一般進(jìn)程。將間作類型以結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和果樹外貌進(jìn)行分類歸納,以空間換時(shí)間的方法了解隨果樹生長的間作變化。2003年和2012年調(diào)查2次,2012年重點(diǎn)關(guān)注同一果園進(jìn)入成齡期的間作情況。

1.2.2選樣測(cè)定

為深入評(píng)價(jià)間作實(shí)際操作方式,在調(diào)查基礎(chǔ)上選擇有代表性(參照當(dāng)?shù)卮筇镒魑锓N類及高稈深根型與矮稈淺根型的劃分并兼顧年齡分布)的幼齡果園,在注意作物生長特點(diǎn)同時(shí),于生長季末(10月末)測(cè)量蘋果樹高和地徑,同時(shí)計(jì)數(shù)側(cè)枝數(shù)量。測(cè)定排除邊行,保證被測(cè)果樹行的2側(cè)行間均有間作實(shí)施。同一農(nóng)戶的一片果園中分塊分別在行間種植不同作物的,因具有相同前作背景而使果樹生長效果具有可比性。采用烘干法分別在旱季末(7月初)、雨季末(9月末)或生長季末測(cè)定土壤含水量。以取土鉆自地表垂直向下每20 cm采樣,測(cè)深300 cm。每次測(cè)定與對(duì)照(CK)同步進(jìn)行。對(duì)照是同一片果園中未實(shí)施間作的行間,但在農(nóng)戶種植沒有余留的情況下,以未實(shí)施間作的行內(nèi)株間為對(duì)照。同一片果園中分塊種植2類不同作物的行間互為土壤水分測(cè)定對(duì)照。

1.2.3數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù),并進(jìn)行相應(yīng)的t統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)與方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 果樹生長過程與復(fù)合經(jīng)營

2.1.1不同的果樹生長發(fā)育階段

蘋果樹定植后,第3～4年開始掛果,尤其是第4年由零星掛果明顯形成一定產(chǎn)量，第7～8年進(jìn)入結(jié)果盛期而開始豐產(chǎn)。即第1～6年為幼齡期，此后為成齡期。成齡果園樹體密度與幼齡或定植時(shí)相同,加之定期整形修剪,一般沒有因密度過高而實(shí)施間伐。果樹株距多為2.0～3.0 m,個(gè)別為1.0～1.5 m,甚至4 m;行距多為3.0～4.0 m,個(gè)別達(dá)5.5～6.0 m。不少果園有著相同株行距,即3.0 m×4.0 m。第1～3年樹冠小,行間基本上敞開;第4～6年樹冠增大,行間逐漸收縮變窄;進(jìn)入盛果期后,行間樹冠已擴(kuò)張交接。隨著果樹生長和葉幕的增大,作物間作空間,尤其光環(huán)境有顯著變化。因此,第1～3年是大部分作物的主要間作時(shí)期,而從第4年,尤其從第5～6年起,應(yīng)考慮具有耐蔭性的矮稈作物，如白三葉草(Trifoliumrepens)。成齡果園的低矮樹冠(高約60～100 cm)以及其下的弱光環(huán)境已不適于一般作物間作。

2.1.2復(fù)合經(jīng)營設(shè)計(jì)實(shí)施特征

據(jù)調(diào)查,果園第1～3年間作的作物有1年生或越年生的小麥、玉米、谷、黃豆(Glycinemax)、油菜(Brassicacampestris)、西瓜(Citrullusvulgaris)、甘薯(Ipomoeabatatas)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)等,其中小麥、玉米、大豆、西瓜等較為普遍。間作小麥、油菜、西瓜收獲后,仍可見復(fù)種槐豆(回茬豆)。除此之外,還有在行間培育刺槐實(shí)生苗的。苗木僅1～2年生,雨季全部包含在其生長期內(nèi)。越年生小麥、油菜完全生長在旱季,生長期與雨季分離。玉米、谷、大豆、甘薯、馬鈴薯等的生長期與雨季重疊較大,而西瓜、地膜馬鈴薯等重疊不多。糜、谷、蕎麥、馬鈴薯等夏種“小日月”作物的生長期幾乎與雨季完全重疊。白菜(Brassicachinensis)、蘿卜(Raphanussativus)、辣椒(Capsicumannuum)、胡蘿卜(Daucuscarota)可播種生長在雨季,蘿卜、辣椒、胡蘿卜也可播種生長在旱季,或其生長期與雨季有部分重疊〔如番茄(Lycopersicumesculentum)〕。菠菜(Spinaciaoleracea)在雨季后播種,除秋末收獲外,有時(shí)其生長也有越冬特點(diǎn)。雨季后至冬季農(nóng)田土壤水分條件良好,植物生理活動(dòng)放緩而趨于休眠,作物與果樹之間不存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。雨季供水充足,生長期與之完全重疊的作物同果樹不易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng);完全生長在旱季的作物因土壤貯存水分有限,易于同果樹發(fā)生競(jìng)爭(zhēng);生長期與雨季有重疊的作物,同果樹的競(jìng)爭(zhēng)狀況介于兩者之間。競(jìng)爭(zhēng)傾向明顯的是根系較深、耗水量較大的禾谷類作物以及油菜,不甚明顯的是根系較淺、耗水量較少的豆類、薯類、瓜類、蔬菜等作物。作物根系深度[1]342-345，[20]:大豆、甘薯、馬鈴薯、蕎麥、糜、西瓜、蔬菜等為50～150 cm,小麥、玉米、谷、高粱(Sorghumvulgare)、油菜等大于200 cm,尤其是小麥可達(dá)300 cm。2年生刺槐苗根深可達(dá)80 cm,行間育苗年限為1～2 a，否則會(huì)因根系發(fā)育和耗水量增大而同果樹發(fā)生明顯競(jìng)爭(zhēng)。蘋果根系分布較深,6年生根深可達(dá)380 cm。當(dāng)然,作物與果樹之間的競(jìng)爭(zhēng)不僅表現(xiàn)在地下,也可表現(xiàn)在地上[21-23]。由于生長速度差異,高稈作物勢(shì)必造成果樹側(cè)方遮蔭。蘋果樹高(生長季末均值):1年生120 cm,2年生156 cm,3年生236 cm;間作物株高(成熟時(shí)均值):玉米256 cm,谷143 cm,油菜160 cm,冬小麥79 cm,大豆68 cm?？梢?間作大豆、小麥不易同蘋果產(chǎn)生光照競(jìng)爭(zhēng),而間作玉米、油菜、谷則易于產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng),尤其是玉米。

為降低或消除作物同果樹間的競(jìng)爭(zhēng),需要進(jìn)行生態(tài)位分離,即盡可能全面或較大程度地避免與果樹根系交叉以及地上部分對(duì)樹冠的遮蓋。特別在定植初期或緩苗期,單株分散分布果樹競(jìng)爭(zhēng)性弱小,更應(yīng)注意群團(tuán)狀分布作物。這樣在間作種植、收獲以及耕作中,也能夠較少或完全不傷及果樹根系。從此意義上說,間作保留果樹根系主要分布區(qū),即以樹干或樹行為中心,向周邊或兩側(cè)留取非間作的樹盤或樹帶(營養(yǎng)帶或清耕帶)是適宜的。且隨著果樹生長,樹盤、樹帶范圍逐年擴(kuò)大，從果樹定植起就宜采用營養(yǎng)帶。而對(duì)于不易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)的情形,宜先采用樹盤,后轉(zhuǎn)為營養(yǎng)帶。采用樹盤意味著除行間外,還有部分株間也用來間作,但隨著間作帶的縮小,更加不適于有較高產(chǎn)出的作物。因此,無論高稈還是矮稈作物,若要獲得較高產(chǎn)量或效益,果樹定植后第1年間作最佳,第2、3年次之。尤其深根性間作物,應(yīng)安排在果樹定植初期。從第4年起林冠較大程度郁閉,宜逐漸轉(zhuǎn)向矮稈且淺根性的耐蔭作物,如豆類、薯類、黃花菜(Hemerocalliscitrina)等。第4～6年較前3 a施展作業(yè)的便利性有所降低,但并不是說此時(shí)段不適宜間作,對(duì)于馬鈴薯、甘薯等塊莖、塊根作物更應(yīng)強(qiáng)調(diào)壓縮間作帶,以免在種植或收獲時(shí)損傷較多果樹根系。

果樹幼齡期還可間作柴胡(Buplleunumfalcatum)、板藍(lán)根(Isatistinctoria)、黃芪(Astragalusmembranaceus)、黃芩(Scutellariabaicalensis)、黨參(Codonopsispilosula)、桔梗(Platycodongrandiflorus)、丹參(Salviamiltiorrhiza)、地黃(Rehmanniaglutinosa)、蘇子葉(Perillafrutescens)、山藥(Dioscoreabatatas)等藥用植物,其中后期除魔芋(Amorphophallusrivieri)、生姜(Zingiberofficinale)外,亦可間作較為耐蔭的黨參、桔梗等。果樹成齡期還可間作耐蔭性強(qiáng)的藥用植物黃連(Coptischinensis)、天麻(Gastrodiaelata)等。白三葉草為典型矮生植物,匍匐莖及莖節(jié)著地生根,草層(直立葉)高20～30 cm，根系深度可達(dá)100 cm以上,但主要密集生長在地表,具有淺根性特征,與果樹根系分離性尚好。與一般作物不同,白三葉草一次種植可生長5～8 a。作為果園生草的代表性種類,在濕潤地區(qū)或有灌溉條件園地中可全園種植,但在旱作條件下仍需存留營養(yǎng)帶。因?yàn)槌升g果樹下白三葉草生態(tài)位在地下不可能完全分離,加之成齡果園深層土壤發(fā)生干化[24],保留營養(yǎng)帶可最大限度有利于果樹生長。根據(jù)實(shí)際情況,白三葉草也可在果樹幼齡期間作,此時(shí)完全有可能與果樹在生態(tài)位上達(dá)到互不重疊的狀態(tài)。當(dāng)然,在白三葉草生長過程中需要注意切斷匍匐莖,防止其向營養(yǎng)帶擴(kuò)展蔓延。

綜合而言,低矮淺根作物無論果樹幼齡期還是成齡期均可間作,而高稈深根性作物僅在幼齡前期可間作。由于較難準(zhǔn)確估計(jì)定植初期果樹樹冠及根系發(fā)育程度,實(shí)際上不易較好地把握營養(yǎng)帶大小。為盡量減免果樹損害,高稈比矮稈作物或者深根比淺根作物營養(yǎng)帶應(yīng)當(dāng)更寬一些。若定植初期間作深根性牧草紫花苜蓿(Medicagosativa)、紅豆草(Onobrychisviciaefolia)、沙打旺(Astragalusadsurgens)等,生長年限最好控制在2～3 a,還需要年內(nèi)數(shù)次刈割,抑制其過多消耗水分。就水分調(diào)控而言,夏收作物收獲后一般不宜再復(fù)種。輪作應(yīng)盡量避免競(jìng)爭(zhēng)傾向明顯作物連作,豆類本身不宜連作或迎茬。在白三葉草生長末期,應(yīng)深翻壓青,休耕1～2 a后再重新生草或種植耐蔭藥材植物。一般按照經(jīng)濟(jì)需求進(jìn)行間作,果樹幼齡期采用豆類、綠肥等養(yǎng)地作物最合適,不提倡禾谷類、油菜、牧草等。

2.2 復(fù)合經(jīng)營對(duì)果樹生長的影響

2.2.1不同作物間作下的果樹生長狀況

1年或3年生果樹在生長季末生長指標(biāo)見表1。分塊間作2種不同作物,同一片果樹的生長有所不同。果園中間作大豆與西瓜,雖然前者個(gè)別果樹植株(9.68%)僅有主莖而沒有側(cè)枝發(fā)生,平均地徑也與后者近似,但前者單株平均分枝數(shù)比后者約多1條,平均樹高則高出約6 cm，這與大豆根系具根瘤固氮作用有關(guān)。2種作物春季播種時(shí)間相同,但大豆比西瓜晚收獲約2個(gè)月,固氮作用有利于促進(jìn)果樹幼苗生長。盡管如此,t統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明2種作物間作下的果樹生長指標(biāo)并沒有顯著差異(t

間作小麥對(duì)果樹苗生長有突出影響,可使6成以上植株未分枝,遠(yuǎn)大于同片果園中間作西瓜(8.00%),且單株平均分枝數(shù)不足1條,顯著少于間作西瓜(t>t0.05);平均樹高、地徑也均顯著低于西瓜(t>t0.05)。顯然,小麥抑制果樹生長作用發(fā)生在間作期間,這是旱季降水不能滿足小麥生長需要而致地下競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)烈的結(jié)果。與同一片1年生果園中間作玉米相比,間作小麥果樹平均地徑幾無差異,而平均樹高顯著降低(t>t0.05)。玉米需水高峰期與雨季相符[25]62-84,在一定程度上不至于對(duì)果樹產(chǎn)生較為緊張的地下水分競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。但玉米作為具較大葉型的高稈作物,間作玉米果樹單株平均分枝數(shù)(4.39)顯著低于間作小麥(6.16)(t>t0.05)。

表1幼齡果園間作下的果樹生長調(diào)查

Table1Investigationofapplegrowthundercropintercroppinginyoungorchards

果樹年齡/a株行距/m間作作物測(cè)定果樹株數(shù)未分枝株數(shù)所占比例/%單株分枝數(shù)均值t統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值平均樹高/cmt統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值平均地徑/cmt統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值臨界值t0.05 13.0×4.0大豆319.685.231.99121.551.111.090.162.00西瓜3804.00116.001.10 12.5×4.0西瓜258.002.604.05144.485.291.8610.132.02小麥2365.220.87116.701.2012.7×3.5小麥277.414.2671.370.9913.0×4.0小麥2506.162.82113.842.721.340.142.01玉米2804.39138.391.3333.0×4.0油菜20012.651.39272.700.984.320.372.02玉米21014.86283.434.2533.0×4.0谷 17010.761.11250.712.253.831.622.04玉米16012.13275.504.1532.5×3.0甘薯1909.631.22187.630.662.962.852.02玉米2608.54181.622.4933.0×4.0西瓜27013.701.38244.262.243.592.812.03玉米13010.85214.232.92

由表1可見,1年生果樹的單株平均分枝數(shù)多可達(dá)6條,而3年生果樹最少有9條,樹冠發(fā)育明顯。由于間作物的不同,樹冠發(fā)育程度仍有差異,盡管單株平均分枝數(shù)均無顯著差異(t值為1.11～1.39,t0.05>2.00)。對(duì)比同一片3年生果園中間作甘薯或西瓜,間作玉米的果樹單株平均分枝數(shù)較少,平均樹高、地徑也較低,其中平均地徑相差均達(dá)顯著水平(t>t0.05)。間作玉米與甘薯平均樹高差約6 cm,差異不顯著(tt0.05),這說明間作西瓜比甘薯更為有利。這可能是甘薯比西瓜收獲晚而在氣溫較高時(shí)節(jié)耗水量相對(duì)大的緣故。

與同一片3年生果園中間作玉米相比,間作油菜果樹平均地徑相近,單株平均分枝數(shù)和平均樹高均較低,且平均樹高、地徑相差也不顯著(tt0.05)。油菜生長期與小麥相似,對(duì)果樹生長也具有明確地下競(jìng)爭(zhēng)影響;谷生長期與玉米類似,但不同于玉米的密集種植特點(diǎn),加之留取的營養(yǎng)帶窄小(單邊距樹干30 cm),接觸式生長同樣構(gòu)成對(duì)果樹的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。油菜、谷株型較高大,但遠(yuǎn)低于3年生果樹，兩者以地下競(jìng)爭(zhēng)為主,其作用大于玉米以地上競(jìng)爭(zhēng)為主的作用。結(jié)合前述,隨果樹年齡增大或樹體發(fā)育,地上或地下競(jìng)爭(zhēng)作用在各方面均趨于一致，且地下競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重。油菜耗水量低于小麥[25]110-127,其地下競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)和緩。包括小麥在內(nèi)的深根性作物中,玉米間作不利影響較輕。

2.2.2果樹營養(yǎng)空間留存影響因素

間作小麥1年生果園(株行距2.5 m×4.0 m)中未分枝果樹比例達(dá)65.22%,而另有1年生果園(株行距2.7 m×3.5 m)中的比例僅7.41%,又有1年生果園(株行距3.0 m×4.0 m)中沒有發(fā)現(xiàn)未分枝果樹(表1)。因?yàn)榍罢吡羧?0～50 cm見方的樹盤間作,后兩者留取營養(yǎng)帶間作?？梢妼?duì)于小麥間作,營養(yǎng)帶好于樹盤。間作小麥適合的營養(yǎng)帶單邊寬度需大于50 cm。3年生果園間作油菜或2年生果園間作小麥營養(yǎng)帶單邊寬度僅留取50 cm是不夠的。谷生長期降水量能夠滿足自身需要[25]176-180,不易同果樹發(fā)生地下競(jìng)爭(zhēng),但谷地下競(jìng)爭(zhēng)程度較油菜大,表明3年生果園中間作谷單邊留取30 cm寬的營養(yǎng)帶是不夠的。1年生果園中間作玉米營養(yǎng)帶單邊寬度60 cm,3年生75～85 cm均不足以消除玉米競(jìng)爭(zhēng)影響。間作西瓜、甘薯營養(yǎng)帶留存較寬。間作淺根矮稈作物營養(yǎng)帶留存可相對(duì)窄小,如1年生果園中間作大豆僅留取20～30 cm，但與果樹非分離式生長時(shí)要留取遠(yuǎn)大于苗木定植后的單邊寬度。如3年生果園中間作大豆可留取50 cm,成齡果園中間作三葉草為100 cm。

2.3 復(fù)合經(jīng)營下土壤水分消耗性競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)

2.3.1不同間作物耗水性比較

由圖1可見,生長季末大豆或小麥間作下土壤含水量隨土層深度降低,表明水分消耗并未因雨季得到補(bǔ)充。大豆間作下260～300 cm含水量明顯低于同片果園中西瓜間作,相差3.59%～8.10%。這與建園前小麥生長有關(guān)(當(dāng)?shù)囟嘣谛←湶缟现补?。大豆生長期長,雨季末才收獲,耗水使得雨水不能充分下滲至前茬小麥所造成的低含水量土層中。同片果園中小麥、西瓜分塊間作下240～300 cm含水量也有明顯差別(最大同層差值7.13%)。西瓜在雨季早期收獲,加之耗水量低,生長季末通層均處于水分良好狀態(tài)。間作大豆240 cm以上層段含水量略高,可能是大豆提高土壤持水力的結(jié)果。西瓜間作表土層0～20 cm含水量較同片果園中小麥間作高(差值2.94%)。小麥間作220 cm以上層段含水量略高,反映出土壤水分的恢復(fù)態(tài)勢(shì)。

圖1 分塊間作果園2003年生長季末的土壤水分狀況對(duì)比Fig.1 Comparison on partitioned orchards for respectively intercropping with two kinds of crops in soil moisture at the end of 2003 growing season

與上述小麥間作出現(xiàn)深層低含水量情形不同,另有小麥間作深層含水量卻均在田間持水量以上，這可能與小麥經(jīng)營狀況有關(guān)。表層0～40 cm含水量較同片果園中玉米間作高,但在60～200 cm含水量較低,與玉米間作同層差值可達(dá)2.70%。由圖1可見,油菜間作生長季末土壤含水量與同片果園中玉米間作相近,同層差值除300 cm處為1.53%外,其余都不足1.00%，表明油菜耗水并不強(qiáng)烈。上層0～180 cm及深層280～300 cm略高于玉米間作,也說明油菜雖與小麥有類似休閑期,但可使土壤水分得以較好恢復(fù)。谷和玉米幼苗期在旱季,其余生育期基本上都在雨季,生長主要依賴降水,對(duì)土壤貯存水分消耗較少,加之收獲時(shí)仍有雨水可增加土壤貯水，所以兩者生長季末的土壤水分同層差值小于1.50%。玉米間作200～300 cm含水量低于谷間作,其中的同層差值可達(dá)2.37%。玉米間作與同片果園中西瓜間作相比,生長季末同層含水量也較接近,100及280～300 cm差值1.52%～2.19%,其他均低于1.20%,但玉米間作240～300 cm含水量較低。甘薯與玉米收獲期相似,60～300 cm土層含水量明顯高于玉米間作,260～300 cm差值達(dá)2.61%～7.41%,其他土層差值不大。玉米間作表層0～40 cm含水量略高于西瓜或甘薯間作,是因?yàn)橛衩浊o稈遮蓋以及收獲后未砍除,仍長時(shí)間保留在行間的緣故。谷莖稈密集,收獲后亦長時(shí)間未割取而留存行間,也致使表層0～20 cm含水量略高于玉米間作。生長季末表層差異并不能較好地反映作物之間的耗水性差異。

雙因素方差分析(以下簡(jiǎn)稱方差分析)表明,除同片果園中分塊間作玉米與甘薯之間的土壤含水量差異顯著(F=7.66,F0.05=4.60)外,其余作物間均不顯著(F值0.12～3.45)。生長季末行間較高含水量均對(duì)翌年幼齡果樹生長構(gòu)成有利底墑條件。

2.3.2不同作物間作下土壤含水量差異

旱季末間作小麥與未間作地相比,其消耗土壤水分所造成的含水量差異顯著(F值6.09～165.47)。間作小麥土壤含水量降低(圖2),株行距2.0 m×3.0 m的2年生果園以及株行距2.0 m×6.0 m的1年生果園尤為突出:前者通層都低,同層差值2.27%～6.47%;后者除表層0～20 cm略高外,其余土層也均較低,同層差值可達(dá)5.19%。株行距1.0 m×4.0 m的1年生果園40～220 cm土壤含水量明顯降低(最大同層差值4.11%)。由圖3可見,雖經(jīng)雨季水分補(bǔ)充,間作小麥所致土壤水分差異至生長季末還顯著存在(F值10.33～15.63)。120 cm以下含水量均低于對(duì)照,差異最大的2片果園同層差值分別為3.76%和6.14%,最小的可達(dá)2.36%。0～100 cm含水量差異與行間耕作有關(guān),更與樹行覆膜有關(guān)。可見小麥?zhǔn)斋@后不宜再復(fù)種,也不宜連作,否則消耗的土壤水分得不到良好恢復(fù),影響果樹根系擴(kuò)展。從耗水深度上看,間作小麥只能在果樹定植初期進(jìn)行,建園第1年最適合,輪作以淺根性作物,尤以西瓜為最好。

圖2 果園間作下2012年旱季末與對(duì)照相比的土壤水分效應(yīng)Fig.2 Soil moisture effect occurring at the end of 2012 drought season under crop intercropping compared with control in orchards

與間作小麥大量消耗水分不同,間作玉米旱季末沒有表現(xiàn)出通層或深層含水量降低狀況(圖2),生長季末也不存在明顯耗水層(圖3)。旱季生長影響僅在上層,深度約100 cm。在此以上株行距3.0 m×4.0 m的3年生果園同層最大差值達(dá)3.69%,株行距1.5 m×4.0 m的1年生果園達(dá)10.61%，100 cm以下同層差值均較小(0.12%～1.70%)。前者較對(duì)照差異顯著(F=5.40),后者不顯著(F=3.17)。間作玉米生長早期可對(duì)果樹產(chǎn)生地下競(jìng)爭(zhēng)。盡管從影響深度及時(shí)間上看競(jìng)爭(zhēng)弱于小麥,但也不能忽視。隨其高度增大,地上競(jìng)爭(zhēng)主要出現(xiàn)在生長后期。生長季末玉米間作土壤含水量接近對(duì)照,同層差值0.03%～1.72%,差異均不顯著(F值0.02～0.75)。對(duì)照表層0～40 cm含水量略高,與該果園樹行松土除草活動(dòng)有關(guān)。

旱季末和生長季末大豆間作與對(duì)照的土壤含水量差異均不顯著(F值2.36～3.60)。生長季末同層差值通層較小(0.34%～1.47%),其中對(duì)照表層0～60 cm略高,與樹行覆膜有關(guān);大豆間作60 cm以下略高。旱季末大豆間作較對(duì)照含水量降低,但僅在表層0～40 cm耗水明顯(圖2),同層差值3.28%～3.39%,40 cm以下為0.23%～1.19%，可見間作大豆生長早期在一定程度上對(duì)果樹產(chǎn)生不利地下競(jìng)爭(zhēng),留取適當(dāng)營養(yǎng)帶也是必要的。

圖3 果園間作下2012年生長季末與對(duì)照相比的土壤水分效應(yīng)Fig.3 Soil moisture effect occurring at the end of 2012 growing season under crop intercropping compared with control in orchards

旱季末10年生成齡果園中間作白三葉草(2年生)上部土層含水量較對(duì)照降低。耗水影響深度大于玉米及大豆間作,可達(dá)160 cm，在此以上同層差值2.01%～5.48%,而以下同層差值最大僅0.92%。白三葉草間作通層與對(duì)照差異顯著(F=14.23)。幼齡果園中間作白三葉草并留取適當(dāng)營養(yǎng)帶可避免水分競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生。

方差分析表明,生長季末白三葉草間作較對(duì)照土壤含水量差異不顯著(F=4.36)。由圖3可見,由于其草層覆蓋作用以及土壤改良效應(yīng),0～200 cm含水量高于對(duì)照,最大同層差值達(dá)4.84%。白三葉草間作深層240～300 cm含水量較低(最大同層差值1.59%),是間作促進(jìn)果樹生長、增強(qiáng)果樹耗水的結(jié)果。

由圖4可見,雨季末10年生成齡果園中間作白三葉草(2年生)使得通層含水量較對(duì)照顯著增大(F=38.71)。220 cm以上尤為明顯,最大同層差值3.40%。15年生或10年生成齡果園中間作白三葉草(5年生或9年生)雨季末與對(duì)照土壤含水量也差異顯著(F值為5.02～18.3),但5年生白三葉草間作下通層較對(duì)照低,160 cm以上更為突出,最大同層差值4.47%;9年生白三葉草間作下,除上部0～100 cm略高于對(duì)照(同層差值0.26%～1.31%)外,其下土層也均較對(duì)照低,最大同層差值達(dá)7.92%。5年生或9年生白三葉草間作下雨季末出現(xiàn)不同的土壤水分狀況,是由于白三葉草連續(xù)多年生長于地表的根系導(dǎo)致土表板結(jié),而“板結(jié)層”又使得降水下滲受阻。因此,間作白三葉草生長5～6 a后深翻耕破除板結(jié)也是必要的。

3 討論

從間作對(duì)比可見,幼齡果樹樹冠發(fā)育、樹高及地徑生長受抑制,尤其在樹高、分枝性方面甚為突出。目前研究多反映果樹對(duì)作物的影響[9-11],鮮有間作果樹效應(yīng)以及基于果樹生長過程的探討。

盡管果園低密植下的較寬行距是間作開展首要條件,但隨果樹生長發(fā)育,間作空間及環(huán)境有所變化。由果園結(jié)構(gòu)性變化可見,從幼齡后期開始對(duì)作物選擇趨向嚴(yán)格,只可選耐蔭性的淺根矮稈作物,至成齡期僅宜選擇白三葉草、黃連、天麻等個(gè)別植物。幼齡后期是前后兩個(gè)明顯不同時(shí)期的過渡。幼齡前期操作方便,是主要間作階段。深根性高稈作物局限性大,僅適合在幼齡前期間作。西瓜、甘薯間作下的果樹生長狀況優(yōu)于小麥、玉米間作,表明淺根低矮作物優(yōu)于深根性高稈作物。由于保持土壤肥力[14-15,18,26]是果樹穩(wěn)定生長基礎(chǔ),間作更應(yīng)選擇豆類、綠肥、西瓜等養(yǎng)地作物。在深根性高稈作物中,玉米影響程度較低。作為一種間作類型,夏種“小日月”作物也具有實(shí)踐價(jià)值。

圖4 果園間作下2003年白三葉草雨季末與對(duì)照相比的土壤水分效應(yīng)Fig.4 Soil moisture effect occurring at the end of 2003 rainy season under white clover intercropping in orchards compared with control

輪作不僅是果園環(huán)境變化的要求,更是不斷改善水分環(huán)境、培肥地力、避免競(jìng)爭(zhēng)等的手段。豆類、薯類、瓜類、蔬菜、藥材、綠肥等交替輪作最為適宜。間作深根性高稈作物必須考慮以這些作物換茬。與其他作物不同的是小麥年內(nèi)土壤水分消耗得不到補(bǔ)充恢復(fù),連作將進(jìn)一步惡化水分環(huán)境。油菜、西瓜、小麥等收獲后復(fù)種,次年更應(yīng)考慮輪作。間作玉米競(jìng)爭(zhēng)較弱,可適度連作。白三葉草不宜長時(shí)間留存,在其生長末期深翻壓青,不僅增加土壤有機(jī)質(zhì),也促進(jìn)降雨入滲，提高土壤貯水量。多年生豆科牧草同樣具有培肥地力作用,但耗水強(qiáng)烈,間作時(shí)間最遲不宜超過幼齡前期或幼齡后期初，間作培育1～2年生刺槐苗可滿足一般綠化小苗所需。

旱季降水較少,作物耗水降低了果樹水分供應(yīng)，這是干旱條件下間作地下競(jìng)爭(zhēng)主要方面。小麥可使整個(gè)根系作用層內(nèi)土壤含水量下降，玉米、大豆、白三葉草僅使上部土層含水量下降。生長并非完全依賴降水的玉米旱季發(fā)生地下競(jìng)爭(zhēng),而地上競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)在生長后期,即雨熱同季時(shí)期。油菜、谷在3年生果園中以地下競(jìng)爭(zhēng)為主,而在1～2年生果園中兼有地上競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)閮烧吒叨仍?年生果園中低于果樹,而在1～2年生果園中高于或相當(dāng)于果樹。谷耗水性弱于玉米,但在一定條件下的地下競(jìng)爭(zhēng)比油菜還強(qiáng)烈。深根性高稈作物之間地下競(jìng)爭(zhēng)影響要大于地上競(jìng)爭(zhēng)。但大豆生長早期土壤含水量降低僅發(fā)生在表層,地下競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)輕微。白三葉草在旱季的耗水深度大于玉米,不可忽視其明顯的地下競(jìng)爭(zhēng)影響。撒播、條播作物較點(diǎn)播、移栽作物更應(yīng)注意地下競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)生。

干旱影響下生態(tài)位重疊必然產(chǎn)生不利于果樹生長的競(jìng)爭(zhēng)。作物適應(yīng)性實(shí)際上已涉及生態(tài)位分離,除地上部分外,更應(yīng)關(guān)注地下部分根系的非疊置性或分層分布,也即異質(zhì)性自營養(yǎng)帶。營養(yǎng)帶存留是調(diào)控競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的樞紐,對(duì)深根性高稈作物以及與果樹根系疊加的淺根作物有較高要求,如定植當(dāng)年間作小麥所留取營養(yǎng)帶單邊寬度應(yīng)大于50 cm,間作玉米大于60 cm。生態(tài)位分離是控制間作的關(guān)鍵。

作物同果樹發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系與生態(tài)位分離不足有關(guān),但也是過度間作的結(jié)果。采取比樹冠冠幅大得多的寬型營養(yǎng)帶較為穩(wěn)妥。間作產(chǎn)量、營養(yǎng)帶大小對(duì)果樹生長的影響需要進(jìn)一步研究。目前包括果樹在內(nèi)的根系研究多注重垂直分布,而對(duì)水平分布少有探討,根系動(dòng)態(tài)更被忽視。全面了解復(fù)合系統(tǒng)根系分布特征是掌控營養(yǎng)帶及降低競(jìng)爭(zhēng)影響所必需，也有必要對(duì)設(shè)置根障[21]的實(shí)際效果作出評(píng)價(jià)，并應(yīng)注意行間裸露時(shí)期以及營養(yǎng)帶的抑蒸保墑、蓄水等問題。間作與耕作、覆蓋等措施結(jié)合,注重綜合配套,應(yīng)作為復(fù)合經(jīng)營的一個(gè)重要方面深入開展研究。

黃土塬區(qū)果園間作多以果為主,但也存在均衡形式[27],即果樹定植行距更寬,可達(dá)7～8 m,行間始終疏開、不郁閉,可長期間作小麥、玉米等作物。間作形式上的不同不僅取決于經(jīng)營目的,也與自然條件有關(guān)。隴東森林草原地帶塬地果樹只能稀疏種植,只能采用均衡式。核桃培育亦常選用這種形式。作物選擇生態(tài)位分離仍是關(guān)鍵。一些道路旁的果園臨路種植花椒(Zanthoxylumbungeanum)籬,事實(shí)上也是復(fù)合經(jīng)營,有必要評(píng)價(jià)其影響。還有在尚具一定蘋果生產(chǎn)能力的衰敗果園中間作核桃,如株行距4.0 m×4.0 m的26年生果園,行間核桃生長3 a,樹高3.3 m,超過蘋果(2.7 m),并開始掛果。果樹衰敗后的換茬種植具有潛在實(shí)踐意義，也需要系統(tǒng)探討。

4 結(jié)論

以果樹為主的控制性間作，也即適宜的間作就是將產(chǎn)出與果樹培育相協(xié)調(diào),考慮作物在生長型、耗水性、競(jìng)爭(zhēng)傾向、對(duì)光照要求、土壤培肥等方面的差異以及果樹生長狀況,尤其定植初期較弱的生長勢(shì)及競(jìng)爭(zhēng)力,還有生態(tài)位分離、輪作等因素,取得時(shí)間和空間上的合理性。對(duì)小麥、玉米、大豆、白三葉草等較為寬泛的種植種類,間作需要與果樹及果園狀況相適應(yīng),而不能僅取決于經(jīng)濟(jì)需求。追求間作產(chǎn)量,不顧及留存一定空間的樹盤、營養(yǎng)帶,極盡利用園地而獲取高產(chǎn)是不可取的。生態(tài)位重疊及小麥連作是復(fù)合經(jīng)營中存在的主要問題,尤其不可輕視生態(tài)位分離,白三葉草的特殊性值得注意。間作多年生植物時(shí)間不宜長,白三葉草生長末期需盡早深翻壓青。間作重視養(yǎng)地作物是果樹培育所需步驟。

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作者簡(jiǎn)介： 王晗生(1965—),男,甘肅武威人,副研究員,博士,主要從事旱區(qū)植被建設(shè)及生態(tài)學(xué)研究。E-mail: hswang@ms.iswc.ac.cn