黃土高原坡耕地植物籬-作物間作系統(tǒng)水分利用特征研究

劉家鶴,牛伊寧,羅珠珠,蔡立群,張仁陟,謝軍紅 (1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; .甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730070)

旱作小麥(Triticumaestivum)是我國隴中黃土高原地區(qū)主要的禾谷類作物，小麥種植之前土壤通常會(huì)被耕作3～5 次，作物的秸稈一般也會(huì)在收獲時(shí)被全數(shù)移出農(nóng)田。同時(shí)，該地區(qū)降水主要集中在7-9月，這3個(gè)月的降水量一般會(huì)達(dá)到或者超過年降水量的60%，這也造成農(nóng)田休閑期與當(dāng)?shù)氐挠昙局丿B。因此，這種小麥單作系統(tǒng)模式結(jié)合作物秸稈的外移以及過度的耕作，就會(huì)造成坡耕地土壤有機(jī)碳的耗竭和嚴(yán)重的水土流失。因此，有必要在黃土高原地區(qū)已有的農(nóng)作制中加入經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的道地中藥材和豆科牧草等改進(jìn)種植模式，可以在緩解水土流失，修復(fù)生態(tài)損傷的同時(shí)，使農(nóng)民獲得實(shí)在的經(jīng)濟(jì)利益，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)和生態(tài)雙贏的目的。

植物籬-作物間作種植模式在我國的興起可以追溯到20世紀(jì)90年代初期，孫輝等[1]在坡地上首次開展了植物籬種植模式的研究和示范工作，并結(jié)合我國山區(qū)的實(shí)際情況做了大量的改進(jìn)和完善，使之更適合我國山區(qū)和坡耕地的種植情況。此后我國植物籬種植模式試驗(yàn)研究逐步擴(kuò)大，主要集中在三峽庫區(qū)和長江中上游干旱河谷區(qū)以及北方黃土高原水土流失嚴(yán)重地區(qū)。這些研究不但揭示了植物籬在減少土壤侵蝕量、改善土壤理化性質(zhì)以及提高生態(tài)和社會(huì)效益等多方面的綜合狀況，而且為我國坡耕地土壤退化重點(diǎn)地域的綜合治理和防治水土流失提供了新的手段和機(jī)遇[2-5]。研究表明，植物籬具有良好的涵養(yǎng)水分的功能[6]，能夠有效減少土壤侵蝕[7]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對植物籬-作物間作系統(tǒng)土壤理化性質(zhì)及其水土保持效應(yīng)研究較多[6-11]，而對該種植模式下農(nóng)田土壤水分的棵間蒸發(fā)研究比較薄弱。為此，選用黃土高原地區(qū)道地藥用植物，以甘草(Radixglycyrrhizae)、菘藍(lán)(Isatistinctoria)以及豆科牧草苜蓿(Medicagosativa)為試驗(yàn)材料，在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)定西旱農(nóng)綜合試驗(yàn)站進(jìn)行長期定位試驗(yàn)，探討植物籬與農(nóng)作物間作系統(tǒng)土壤水分時(shí)空變異特征、水分利用特性及其影響機(jī)制，以期豐富糧藥(草)間作的基礎(chǔ)理論，為黃土高原坡耕地適宜植物籬-間作系統(tǒng)的篩選和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 試區(qū)2016年降水量和多年平均降水量Fig.1 Annual rainfall in 2016 and the long-term average at the experiment site

試驗(yàn)設(shè)在黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)麻子川村。試區(qū)屬中溫帶半干旱區(qū)，平均海拔2000 m，年均太陽輻射592.9 kJ·cm-2，年日照時(shí)數(shù)2476.6 h，年均氣溫6.4 ℃，≥0 ℃年積溫2933.5 ℃，≥10 ℃年積溫2239.1 ℃；無霜期140 d，年均降水390.9 mm(圖1)，年蒸發(fā)量1531 mm，干燥度2.53，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)疏松，土層深厚，質(zhì)地均勻，貯水性能良好。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)在一塊6°～7°的緩坡地上，試驗(yàn)前茬作物為馬鈴薯(Solanumtuberosum)(2014年)，2015年開始以甘草、菘藍(lán)兩種地道藥用經(jīng)濟(jì)作物和苜蓿及春小麥為供試作物，甘草、菘藍(lán)、苜蓿與春小麥等高帶狀種植。甘草品種為烏拉爾甘草，苜蓿品種為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種植品種隴東苜蓿，春小麥為定西40號(hào)。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積為5 m×8 m，隨機(jī)區(qū)組排列，相鄰兩小區(qū)間隔1 m作為保護(hù)行，除了適時(shí)除草外，不采取任何農(nóng)業(yè)措施。其中春小麥與菘藍(lán)均于每年3月中旬播種，春小麥于同年7月下旬收獲，菘藍(lán)于10月上旬收獲，甘草和苜蓿為多年生作物(2015年試驗(yàn)設(shè)置之初種植)，甘草持續(xù)生長，苜蓿2016年刈割1次。各處理施肥量一致，即純N 105 kg·hm-2和純 P2O5105 kg·hm-2，且所有肥料均在播種時(shí)一次施入，生育期沒有追肥。

F: 裸坡休閑，不種植任何作物。

W：小麥單作。無植物籬，小麥采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)耕作方式。

W/L：小麥甘草(籬)間作。帶寬4 m，甘草(籬)、小麥幅寬均為2 m，每小區(qū)各兩帶。

W/I：小麥菘藍(lán)(籬)間作。帶寬4 m，菘藍(lán)(籬)、小麥幅寬均為2 m，每小區(qū)各兩帶。

W/A：小麥苜蓿(籬)間作。 帶寬4 m，苜蓿(籬)、小麥幅寬均為2 m，每小區(qū)各兩帶。

1.3 主要測定方法

1.3.1土壤水分 2016年作物生育期和休閑期分層測定土壤水分，層次分布如下：0～5 cm，5～10 cm，10～30 cm，30～50 cm，50～80 cm，80～110 cm，110～140 cm，140～ 170 cm，170～ 200 cm。其中表層0～5 cm和5～10 cm用烘干法測定，10～200 cm用中子水分測定儀測定，中子儀讀數(shù)根據(jù)校正曲線換算為體積含水量[12]。

土壤最大有效貯水量(mm)=(DUL-CLL)×土層深度(mm)

式中：DUL為有效水分上限(又稱為田間持水量，指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止其水分蒸發(fā)，經(jīng)過一定時(shí)間，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量)，用池塘法[13]測定。CLL為有效水分下限(又稱為凋萎含水量，即植物發(fā)生永久萎蔫時(shí)，土壤中尚存留的水分含量。它用來表明植物可利用土壤水的下限，土壤含水量低于此值，植物將枯萎死亡)，用遮雨棚法[13]測定。

土壤有效貯水量(mm)=土壤剖面貯水量- CLL

1.3.2土壤棵間蒸發(fā)量 2016年作物生育期采用Micro-Lysimeter(MLS)取原狀土測定棵間蒸發(fā)量。選用PVC管作為MLS的材料，管壁厚4 mm，高15 cm，內(nèi)徑11 cm。每小區(qū)不同條帶中央作物棵間安裝一個(gè)，MLS內(nèi)的土壤每隔2～3 d更換一次，均以塑料袋進(jìn)行封底，使其與試驗(yàn)地農(nóng)田的土壤水分一致，下雨后加測。用精確度為0.01的LP3102型電子天平每天早晨8點(diǎn)稱重，用以計(jì)算土壤棵間蒸發(fā)量；用時(shí)段內(nèi)的重量變化除以體積算得土壤棵間蒸發(fā)量。在微型蒸發(fā)器中，土壤重量每減少1 g相當(dāng)于蒸發(fā)水分0.1051 mm。

1.3.3作物產(chǎn)量 作物成熟期各小區(qū)去邊行計(jì)產(chǎn)測算作物實(shí)際產(chǎn)量，植物籬-作物系統(tǒng)收獲面積只計(jì)算實(shí)收面積即作物帶面積。

1.4 主要計(jì)算方法

1.4.1水分利用效率 水分利用效率計(jì)算公式為：

WUE=Y/ET

式中：Y是小麥經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；ET是小麥耗水量。

1.4.2蒸散量

ET(mm)=P-ΔS

式中：P是生育期內(nèi)降水量；ΔS是播種期和收獲期0～200 cm深土壤貯水量之差。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003軟件處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)

圖2A～F為2016年小麥生育期和休閑期0～200 cm土壤水分剖面分布狀況(圖中物候期為小麥物候期)，可以發(fā)現(xiàn)各處理整個(gè)生育期土壤含水量均較低，接近有效水分下限CLL，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有效水分上限D(zhuǎn)UL。由圖2A可以看出，小麥播種期表層土壤比下層土壤干燥。但是植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)由于較好的土體結(jié)構(gòu)以及入滲性能，經(jīng)過秋冬休閑期積蓄了較多的水分，明顯提高了表層水分含量；在耕層0～30 cm，W/L和W/A處理的單位體積含水量比W和F處理分別提高了2.18%和15.36%、8.29%和22.13%；而W/I處理效果不明顯。

圖2 植物籬-作物間作系統(tǒng)土壤水分空間分布Fig.2 Soil water content down soil profile for different treatments A:播種期 Sowing time；B:三葉期 3-leaf stage；C:拔節(jié)期 Jointing stage；D:開花期 Flowering stage；E:成熟期 Physiological maturity stage；F:休閑期 Fallow period;DUL:有效水分上限 Drainage upper limit；CLL:有效水分下限 Crop lower limit；F:空白休閑 Fallow；W:小麥單作 Wheat；W/L:小麥/甘草 Wheat/Liquorice；W/I:小麥/菘藍(lán) Wheat/Isatis；W/A:小麥/苜蓿 Wheat/Alfalfa.下同The same below.

小麥三葉期土壤剖面的水分狀況如圖2B所示。作物生長期的土壤水分狀況主要是受地表蒸發(fā)、自然降水和作物蒸騰耗水3個(gè)因素綜合控制。苗期因作物耗水量少，同時(shí)這一階段該區(qū)降水也較少，故整個(gè)土壤剖面含水量主要由地表蒸發(fā)影響而變化。與播種期相比而言，由于隨著時(shí)間的推進(jìn)，氣溫逐漸上升，而作物植株較小不足以遮蓋地表，故地面蒸發(fā)量與日俱增，導(dǎo)致各處理表層0～30 cm含水量均有所下降。就各處理之間相比而言，基本趨勢與播種期基本一致。與播種期和三葉期相比，小麥拔節(jié)期 0～30 cm土層含水量明顯增加(圖2C)，這與2016年5月頻繁的降水有關(guān)(其中5月14日10.5 mm，5月21日10 mm，5月22日21.5 mm，5月25日22.6 mm)，但100 cm以下土層水分基本無明顯變化，因?yàn)榻邓a(bǔ)給很快被作物吸收利用，深層難以得到降水的補(bǔ)充。小麥開花灌漿期土壤剖面的水分狀況如圖2D所示，與生育前期相比，由于雨季的到來，加之表層部分根系已經(jīng)死亡，此期小麥活躍根系主要集中在30～80 cm土層吸收水分，甚至可深入到110 cm。因而，降水成為影響表層土壤含水量的重要因素。與小麥開花灌漿期相比，小麥成熟期土壤表層水分含量持續(xù)降低(圖2E)，特別裸坡休閑處理表層0～10 cm土層含水量甚至低于凋萎含水量，因?yàn)樵撈谧魑锔凳ド砉δ軒缀醪辉傥胀寥浪?，主要是降水和蒸發(fā)影響土壤水分狀況，而2016年小麥?zhǔn)斋@前后接近40 d之內(nèi)沒有降水，導(dǎo)致沒有作物覆蓋的裸坡表層土壤非常干燥。休閑期土壤剖面的水分狀況如圖2F所示，旱作農(nóng)田休閑期是土壤水分恢復(fù)的重要時(shí)期，由于在此階段田間無作物生長耗水，整個(gè)土層貯水量的變化幾乎全部來自土壤表層蒸發(fā)和降水之間的相互消長。與其他處理相比較，植物籬-作物間作系統(tǒng)特別是W/A處理在整個(gè)休閑過程中積蓄了較多的水分，有較好的蓄水保墑作用，為翌年的播種奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2 植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)土壤貯水量及作物有效水動(dòng)態(tài)

各處理0～200 cm土層貯水量的動(dòng)態(tài)變化如圖3所示，各處理在作物播種時(shí)貯水量均最低，接近CLL(189 mm)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DUL(554.6 mm)。隨著生育期的推進(jìn)，貯水量在5月份之后有所增加，這與作物的生育期及其當(dāng)?shù)赜昙居嘘P(guān)，因?yàn)?月份開始降水明顯增加(圖2)，使得土壤貯水量有所提高。至小麥整個(gè)生育期完成之后，9月份各處理貯水量分別為225.03，246.57，248.76，236.70，253.19 mm。其中以裸坡休閑處理(F)貯水量最低，略低于單作小麥處理(W)，比單作小麥低了21.54 mm，而小麥/甘草處理(W/L)和小麥/苜蓿處理(W/A)則分別高于單作小麥處理(W)2.19和8.62 mm，小麥/菘藍(lán)(W/I)處理效果不明顯。說明甘草和苜蓿作為多年生牧草，在小麥?zhǔn)斋@后的雨季(休閑期)可以起到攔截降水使其入滲的作用，從而保持土壤水分；而從圖4可以看出2016年作物生育期土壤有效水含量，作為土壤貯水量和作物CLL的差值，小麥全生育期土壤有效水含量表現(xiàn)為小麥/菘藍(lán)(W/I)處理最低，小麥/苜蓿處理(W/A)最高。這表明就整個(gè)生育期降水資源化利用程度和土壤水分循環(huán)而言，小麥/苜蓿處理(W/A)體現(xiàn)了絕對優(yōu)勢，提高了小麥生育期有效水含量，為后期的產(chǎn)量表現(xiàn)和提高水分利用效率奠定了基礎(chǔ)。

圖3 植物籬-作物間作系統(tǒng)土壤貯水量動(dòng)態(tài)Fig.3 Soil water storage down to 2 m for different treatments

圖4 植物籬-作物間作系統(tǒng)作物有效水含量Fig.4 Plant available water content for different treatments

2.3 植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)作物生育期耗水特性

如圖5顯示土壤棵間蒸發(fā)月累積量來看，隨著生育期的推進(jìn)，土壤棵間蒸發(fā)月累積量呈現(xiàn)增加趨勢，7-8月達(dá)到高峰，可能是由于7-8月降水量較大，溫度較高，蒸發(fā)強(qiáng)烈?？偭空w表現(xiàn)為裸坡休閑(F)>小麥/甘草(W/L)>小麥/苜蓿(W/A)>小麥/菘藍(lán)(W/I)>小麥單作(W)，累積量在90～200 mm之間，其中裸坡休閑處理在各月中均表現(xiàn)為最高，小麥單作處理在5月以后均表現(xiàn)為最低，且差異顯著(P<0.05)。

如圖6土壤棵間蒸發(fā)逐日變化可以看出，土壤棵間蒸發(fā)逐日變化量除W/L處理以外，其他3種處理和裸坡休閑地均在5月4日、6月3日及6月18日左右蒸發(fā)量逐步上升。尤其在7月18日左右，各處理的蒸發(fā)量顯著提高，這可能是雨季來臨受降水量的影響，不同處理的耗水量不同，所以土壤棵間蒸發(fā)量出現(xiàn)一定的差異性。其中裸坡休閑在整個(gè)過程中的逐日蒸發(fā)量較大，這可能因?yàn)槁闫滦蓍e沒有作物覆蓋。而小麥/甘草和小麥/苜蓿處理的棵間蒸發(fā)量較其他處理少，這是由于它們均為多年生牧草，都可以攔截降水使其達(dá)到入滲的作用從而減少棵間蒸發(fā)量。8月中旬以后由于氣溫逐漸降低加之土壤干旱等因素影響，棵間蒸發(fā)量逐漸減少。

圖5 土壤棵間蒸發(fā)月累積量 Fig.5 Soil evaporation under different rotation systems

圖6 土壤棵間蒸發(fā)逐日變化Fig.6 Soil evaporation under different rotation systems day by day

由圖7植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)總棵間蒸發(fā)量可以看出，不同處理的總棵間蒸發(fā)量和蒸發(fā)占總耗水量的比重有一定的差異。其中柱狀圖表示總蒸發(fā)量，整體表現(xiàn)為裸坡休閑(F)>小麥/苜蓿(W/A)>小麥/菘藍(lán)(W/I)>小麥單作(W)> 小麥/甘草(W/L)。進(jìn)一步通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，裸坡與其他處理之間總蒸發(fā)量差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，且顯著高于其他處理；裸坡處理總蒸發(fā)量為197.30 mm，總蒸發(fā)量較大，而小麥/甘草處理低于其他處理蒸發(fā)量，最小為91.15 mm。較F處理，W、W/L、W/I和W/A處理減少了土壤蒸發(fā)量，分別減少了49.44%、53.80%、48.32%和47.92%。圖中折線圖表示全生育期的總蒸發(fā)量占耗水量的比重(E/ET)，總體上E/ET表現(xiàn)為F>W>W/I>W/A>W/L，其中裸坡處理棵間蒸發(fā)占耗水量的比例高達(dá)80%以上，小麥/甘草處理蒸發(fā)占耗水量的比重最低(35%)，其余處理均在40%～45%之間。其中小麥/甘草主要表現(xiàn)為作物蒸騰，而裸坡由于沒有生長作物，其蒸散主要表現(xiàn)土壤棵間蒸發(fā)，其總蒸發(fā)量及蒸發(fā)占耗水量的比重最高，但沒有達(dá)到100%是由于休閑期間不可避免有雜草的消耗。這說明與小麥單作相比，植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)可一定程度有效降低E/ET，增加作物蒸騰量。

圖7 植物籬-作物間作系統(tǒng)作物全生育期總蒸發(fā)量及蒸發(fā)量占耗水量的比值Fig.7 Total soil evaporation and percentage of E/ET for different treatments during whole growth period 不同大寫字母表示不同處理總蒸發(fā)量在5%水平上差異顯著，不同小寫字母表示不同處理蒸發(fā)量占耗水量的比值在5%水平上差異顯著。Different capital letters represent significant difference at P<0.05 between different treatments for soil evaporation. Different lowercase letters represent significant difference at P<0.05 between different treatments for E/ET.

2.4 植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)作物產(chǎn)量和水分利用效率

由表1可以看出，不同復(fù)合系統(tǒng)產(chǎn)量、耗水量以及水分利用效率變化規(guī)律不同，其中植物籬-作物間作復(fù)合系統(tǒng)具有顯著提高作物產(chǎn)量的優(yōu)勢。與小麥單作相比，小麥/甘草、小麥/菘藍(lán)、小麥/苜蓿的產(chǎn)量分別提高了60.00%、80.89%、83.55%，間作優(yōu)勢顯著。

與小麥單作相比，3種間作模式下(小麥/甘草、小麥/菘藍(lán)、小麥/苜蓿)小麥水分利用效率(計(jì)算公式參閱1.3.2計(jì)算方法中的公式)分別提高了49.69%、76.07%、74.85%，且統(tǒng)計(jì)分析表現(xiàn)為差異顯著。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同間作系統(tǒng)小麥耗水量與單作小麥耗水量并無差異，可見在間作水分和單作水分耗水量相似的情況下，間作明顯提高了降水利用效率。

表1 植物籬-作物間作系統(tǒng)小麥產(chǎn)量及水分利用效率Table 1 Grain yield and water use efficiency for different treatments

注：同列不同小寫字母表示不同處理在5%水平上差異顯著。

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

3 討論

3.1 植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)土壤水分動(dòng)態(tài)

土壤不但具有時(shí)空變異性，而且它也是一種連續(xù)體，貯存在土壤中的水分受土壤蒸發(fā)、自然降水、土壤入滲等因素的制約。土壤水分在垂直方向上存在一定的變化，在不同深度層次，因年降水量的不同、入滲程度、土壤含水量的不同及不同的土地利用方式而有一定的變化規(guī)律[14]。本試驗(yàn)研究表明，不同處理在0～50 cm的土壤水分體積含水量較大，而50 cm以下的變化較穩(wěn)定，無劇烈變化。也有試驗(yàn)研究表明[15]在不同生育時(shí)期表層(0～10 cm)土壤含水量的變化較大，其中從5～30 cm 的土壤剖面含水量呈逐漸上升趨勢，40～110 cm 土層中土壤含水量幾乎保持一致，說明這一層次的土壤含水量受耕作措施的影響較小，而110～200 cm又開始呈逐漸回升的趨勢。白天路等[16]試驗(yàn)得出，土壤水分的垂直變化深度集中在1～2 m處，2～5 m的變化并不明顯。費(fèi)喜亮等[14]也研究發(fā)現(xiàn)試區(qū)土壤水分受季節(jié)變化，它的變異程度會(huì)隨自然降水量和土壤土層深度的增加而減小，土壤深度在1.2 m至1.4 m內(nèi)土壤含水量受季節(jié)等變化影響顯著，而在1.4 m至1.6 m內(nèi)受季節(jié)氣候動(dòng)態(tài)變化的影響并不顯著，超過1.6 m土壤含水量是具有時(shí)間穩(wěn)定性的。

本試驗(yàn)由于種植年限的關(guān)系，苜蓿的高耗水特性還未完全顯現(xiàn)，且體現(xiàn)了較好的持水保水作用；作物生育期和休閑期均以裸坡休閑的表層土壤含水量最低，主要是因?yàn)闆]有作物覆蓋使得土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈大，且水分以徑流的形式損失較多。總之，從不同時(shí)期土壤水分的垂直分布來看，經(jīng)過頭年秋季至翌年春季的休閑期，W/A處理能夠起到較好的抑制水土流失、積蓄降水的作用，但主要體現(xiàn)在耕層0～30 cm土壤，而一般作物根系大多分布在0～50 cm土層，因而這一層次土壤水分也會(huì)進(jìn)一步影響到作物出苗之后的生長發(fā)育。

3.2 植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)作物產(chǎn)量表現(xiàn)及耗水特性

不同種植模式下作物耗水特性的差異程度，受季節(jié)變化、土壤含水量及其作物的生長耗水和天氣(如降水量、大氣溫度、太陽輻射等) 等因素影響[17]。本試驗(yàn)在植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)中，不同作物的耗水量也表現(xiàn)出不同的差異性，小麥/甘草處理最高為250.98 mm，小麥單作最低為229.63 mm。有研究認(rèn)為[18]，間作的種植方式是在時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)種植集約化，能夠有效和充分利用太陽輻射、水分、養(yǎng)分、耕地等自然資源，從而逐漸提高單位面積作物產(chǎn)出率。本試驗(yàn)不同處理的棵間蒸發(fā)總量表現(xiàn)為：裸坡休閑>小麥/苜蓿>小麥/菘藍(lán)>小麥單作>小麥/甘草，累積量在90～200 cm之間，因?yàn)槁闫滦蓍e處理在試驗(yàn)中沒有作物覆蓋，所以在各月的月累積量中均表現(xiàn)最高，而小麥單作處理在5月份以后均表現(xiàn)為最低。除小麥單作處理以外，其他3種處理均在5月4日、6月3日及6月18日左右蒸發(fā)較大，但是在7月18日左右，4種處理的蒸發(fā)量達(dá)到最大。胡發(fā)龍等[19]也研究發(fā)現(xiàn)單作玉米的日均棵間蒸發(fā)量比小麥/玉米和單作小麥顯著增大，而間作群體的日均棵間蒸發(fā)量也大于單作小麥，在全生育期耗水量方面，小麥/玉米間作最大，單作玉米次之，單作小麥最小。本試驗(yàn)結(jié)果與此相似。不同處理全生育期的總蒸發(fā)量占耗水量的比重(E/ET)表現(xiàn)為F>W>W/I>W/A>W/L，其中裸坡處理棵間蒸發(fā)占耗水量的比例高達(dá)80%以上，小麥/甘草處理蒸發(fā)占耗水量的比重最低(35%)，其余處理均在40%～45%。這也進(jìn)一步表明，小麥/甘草處理主要表現(xiàn)為作物蒸騰，而裸坡休閑由于沒有生長作物，其蒸散主要表現(xiàn)土壤棵間蒸發(fā)?？梢?，作物棵間蒸發(fā)占蒸散比例隨著作物地上部分群體及土壤含水量的變化而變化[20-21]。

從本試驗(yàn)作物產(chǎn)量來看，產(chǎn)量最高的為小麥/苜蓿，其次是小麥/菘藍(lán)和小麥/甘草，最低的是小麥單作，可以看出間作產(chǎn)量均明顯高于單作產(chǎn)量。本試驗(yàn)研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同間作系統(tǒng)耗水量與單作耗水量并無差異，而WUE體現(xiàn)為小麥/菘藍(lán)處理最高，小麥/苜蓿和甘草小麥次之，小麥單作最低，充分說明在間作水分和單作水分耗水量相似的情況下，間作明顯提高了降水利用效率，這與柴強(qiáng)等[22]、王照霞等[23]、董宛麟等[24]的研究結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

試區(qū)周年土壤剖面含水量較低，基本接近作物有效水分下限(CLL)，小麥/苜蓿和小麥/甘草可提高耕層0～30 cm土壤水分含量。說明甘草和苜蓿作為多年生植物，在小麥?zhǔn)斋@后的雨季(作物休閑期)可以起到攔截降水和促進(jìn)入滲的作用。

植物籬-作物間作系統(tǒng)的總棵間蒸發(fā)量和蒸發(fā)占總耗水量的比重有一定的差異。其中小麥/甘草處理耗水量最高(250.98 mm)，裸坡休閑總蒸發(fā)量較大(197.30 mm)。裸坡處理棵間蒸發(fā)占耗水量的比例高達(dá)80%以上，主要表現(xiàn)為土壤蒸發(fā)，而小麥/甘草主要表現(xiàn)為作物蒸騰。這說明植物籬-作物復(fù)合系統(tǒng)可一定程度有效降低E/ET，增加作物蒸騰量。

植物籬-作物間作系統(tǒng)耗水量與單作耗水量并無差異，但作物產(chǎn)量提高了60.00%～83.55%，說明在間作系統(tǒng)和單作耗水量相似的情況下，植物籬-作物復(fù)合提高水分利用效率49.69%～76.07%。

參考文獻(xiàn)References：

[1] Sun H, Tang Y, Xie J S. Research and application of hedgerow inter cropping in China. Research of Soil and Water Conservation, 2004, 18(2): 114-117.

孫輝, 唐亞, 謝嘉穗. 植物籬種植模式及其在我國的研究和應(yīng)用. 水土保持學(xué)報(bào), 2004, 18(2): 114-117.

[2] Cai Q G, Li S L. Effect of contour hedgerows on control of soil erosion. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1998, 4(2): 54-60.

蔡強(qiáng)國, 黎四龍. 植物籬笆減少侵蝕的原因分析. 土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào), 1998, 4(2): 54-60.

[3] Shen Y C. Study on soil and water conservation benefit of agricultural technology of hedgerows in the Three Gorges Areas.Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1998, 4(2): 61-66.

申元村. 三峽庫區(qū)植物籬坡地農(nóng)業(yè)技術(shù)水土保持效益研究. 土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào), 1998, 4(2): 61-66.

[4] Xi Y G. Considered the original soil evaporation and water balance. Agricultural Research in the Arid Areas, 1990, 18(1): 70-75.

習(xí)耀國. 渭北旱原的土壤蒸發(fā)和水分平衡. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 1990, 18(1): 70-75.

[5] Zhou Y, Watt D. Current development of slope eco-engineering principle and application in Europe and America. Research of Soil and Water Conservation, 1999, 13(1): 79-85.

周躍, Watt D. 歐美坡面生態(tài)工程原理及應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀. 水土保持學(xué)報(bào), 1999, 13(1): 79-85.

[6] Sun H, Tang Y, Zhao Q G. Study on dynamics of soil moisture under contour hedgerow system in Dry Valley Area of Jin-sha River. Research of Soil and Water Conservation, 2002, 16(1): 84-87.

孫輝, 唐亞, 趙其國. 干旱河谷區(qū)坡耕地等高植物籬種植系統(tǒng)土壤水分動(dòng)態(tài)研究. 水土保持學(xué)報(bào), 2002, 16(1): 84-87.

[7] Wu Y Y, Yan L J, Fan J,etal. Effect and mechanism of hedgerows conserving soil and water in Red Soil Sloping Farmland. Journal of Ecology and Rural Environment, 2012, 28(6): 609-615.

鄔岳陽, 嚴(yán)力蛟, 樊吉, 等. 植物籬對紅壤坡耕地的水土保持效應(yīng)及其機(jī)理研究. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 2012, 28(6): 609-615.

[8] Ma Y, He B H, He J L,etal. Effects of hedgerow on the physical properties in different soil layers on sloping farmland in Purple Soil Area. Research of Soil and Water Conservation, 2010, 24(6): 60-64,70.

馬云, 何丙輝, 何建林, 等. 植物籬對紫色土區(qū)坡地不同土層土壤物理性質(zhì)的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2010, 24(6): 60-64,70.

[9] Lin C W, Tu S H, Huang J J,etal. The effect of plant hedgerows on the spatial distribution of soil erosion and soil fertility on sloping farmland in the purple-soil area of China. Acta Ecologica Sinica, 2009, 105(2): 307-312.

林超文, 涂仕華, 黃晶晶, 等. 植物籬對紫色土區(qū)坡耕地水土流失及土壤肥力的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 105(2): 307-312.

[10] Tian X, Zhou Y C, Liu X Y,etal. Effects of hedgerow of species configuration on the interception of nutrition elements in the sloping cultivated lands. Research of Soil and Water Conservation, 2001, 18(6): 89-93.

田瀟, 周運(yùn)超, 劉曉蕓, 等. 物種配置植物籬對坡耕地營養(yǎng)元素?cái)r截效應(yīng). 水土保持研究, 2001, 18(6): 89-93.

[11] Angima S D, Stott D E, O’Neill M K,etal. Use of calliandra-napier grass contour hedges to control erosion in central Kenya. Agriculture Ecosystems and Environment, 2002, 91(1/3): 15-23.

[12] Greacen E L, Hignett C T. Sources of bias in the filed calibration of a neutron meter. Australian Journal of Soil Research, 1979, 17: 405-415.

[13] Dalgliesh N, Foale M. Soil Matters. Toowoomba: Cranbrook Press, 1998: 72-74.

[14] Fei X L, Zhang X M, Jing L Y,etal. Vertical variability of soil moisture cintene in semiarid loess region——A case study of Sunjiacha basin of Lanzhou in Gansu province. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(4): 652-656.

費(fèi)喜亮, 張新民, 景凌云, 等. 半干旱黃土區(qū)土壤水分垂直分布規(guī)律的研究——以甘肅省蘭州市孫家岔流域?yàn)槔? 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(4): 652-656.

[15] Zhao J. Wheat under different conservation tillage-soil moisture soybean crop rotation and use efficiency of the system dynamics. Lanzhou: Gansu Agricultural University, 2014.

趙晶. 不同保護(hù)性耕作措施下麥—豆輪作系統(tǒng)土壤水分動(dòng)態(tài)及利用效率研究. 蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué), 2014.

[16] Bai T L, Yang Q K, Shen J. Spatial variability of soil moisture vertical distribution and related affecting factors in hilly and gully watershed region of Loess Plateau. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(12): 2508-2514.

白天路, 楊勤科, 申佳. 黃土高原丘陵溝壑小流域土壤水分垂直分布變異特征及影響因子. 生態(tài)學(xué)雜志, 2009, 28(12): 2508-2514.

[17] Zhao X J, Sun D B, Wang Q S. Effect of inter cropped models of maize and cabbage on the temporal and spatial distribution of soil moisture and water use efficiency. Chinese Journal of Agrometeorology, 2012, 33(3): 374-381.

趙雪嬌, 孫東寶, 王慶鎖. 玉米‖甘藍(lán)間作對土壤水分時(shí)空分布及水分利用效率的影響. 中國農(nóng)業(yè)氣象, 2012, 33(3): 374-381.

[18] Gao Y, Duan A W, Qiu X Q,etal. A biomass accumulation model for maize/soybean intercropping system. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(5): 965-968.

高陽, 段愛旺, 邱新強(qiáng), 等. 玉米/大豆間作條件下作物生物量積累模型. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010, 18(5): 965-968.

[19] Hu F L, Chai Q, Yin W. Effect of stubble mulching and reduced tillage on soil evaporation in wheat-maize inter-cropping. Research of Agricultural Modernization, 2013, 34(6): 754-757.

胡發(fā)龍, 柴強(qiáng), 殷文. 少耕秸稈覆蓋對小麥間作玉米棵間蒸發(fā)的影響研究. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究, 2013, 34(6): 754-757.

[20] Carl C. Use of micro-lysimeters to measure evaporation from sandy soils. Agricultural and Forest Meteorology, 1993, 96(3): 159-173.

[21] Wallace J S. Calculation evaporation: resistance to factors. Agricultural and Forest Meteorology, 1995, 73(6): 353-376.

[22] Chai Q, Yang C H, Huang G B. Characteristics of crop water consumption of different cropping patterns in an arid oasis. Journal of Desert Research, 2010, 30(5): 1153-1159.

柴強(qiáng), 楊彩紅, 黃高寶. 干旱區(qū)綠洲不同種植模式作物的耗水特征. 中國沙漠, 2010, 30(5): 1153-1159.

[23] Wang Z X, Guo X S, Ma Y F,etal. Influence of silage maize and pea intercropping on yield and water use efficiency. Journal of Gansu Agricultural University, 2005, 40(4): 492-497.

王照霞, 郭賢仕, 馬一凡,等. 青貯玉米豌豆間作對產(chǎn)量和水分利用效率的影響. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 10(4): 492-497.

[24] Dong W L, Zhang L Z, Yu Y,etal. Productivity and water use in sunflower inter-cropped with potato. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(18): 127-133.

董宛麟, 張立禎, 于洋, 等. 向日葵和馬鈴薯間作模式的生產(chǎn)力及水分利用. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(18): 127-133.