苜蓿—冬小麥帶式間套對(duì)土壤水分的影響

穆陽(yáng)陽(yáng)，岳喜天，張曉紅

（1.山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西臨汾 041004；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南鄭州 450002）

間套作是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精髓，其已經(jīng)存在兩千多年，從過(guò)去的低投入低產(chǎn)出演變?yōu)楝F(xiàn)代的高投入高產(chǎn)出，必然蘊(yùn)含重要的科學(xué)原理，在我國(guó)糧食生產(chǎn)中具有重要的地位[1-3]。孫浩峰，王延平等的研究結(jié)果表明，同玉米單播相比較，苜蓿—玉米間作田地表徑流量顯著降低，土壤水分利用效率顯著提高［4-5］。苜蓿—玉米間作條件下,不同作物根系分布密度和入土深度不同，增加了作物根系吸收土壤水分的面積，提高了作物對(duì)不同土層土壤水分的利用效率［6-7］。豌豆—玉米間作將兩種作物的最大需水期分異，并讓水分的獲得量和利用效率都達(dá)到了最大化，提高水分利用[8]。馬鈴薯、玉米、大莢豌間套作能最大發(fā)揮土地的效益，保證糧食產(chǎn)量[9]。豆科與非豆科間套作，有利于保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[10]。間套作體系由于不同物種作物的根系特征差異,就會(huì)產(chǎn)生水分的補(bǔ)償利用[11-12]。我國(guó)行間套作的種類(lèi)多，分布廣，總的特點(diǎn)是東部間套作種類(lèi)多于西部，南方高于北方[13-14]。但是在小麥主產(chǎn)區(qū)研究苜?！←湹谋容^少，豫東地區(qū)位于黃淮海平原的腹地，是我國(guó)重要的小麥主產(chǎn)區(qū)，因此合理地利用季節(jié)水分和互調(diào)余缺機(jī)制十分重要。苜蓿作為一種多年生深根作物，根系每年向下延伸，形成“安全網(wǎng)”對(duì)土壤水分進(jìn)行截獲，與不同行數(shù)的小麥帶式間套以后，了解土壤水分變化趨勢(shì)，將水分利用效率達(dá)到最大化，獲得理想的間套優(yōu)勢(shì)。為此，本研究以小麥種植為主的豫東地區(qū)進(jìn)行大田試驗(yàn)，探索我國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)苜?！←湈介g套對(duì)土壤水分的影響，建立合理間套體系使水分利用效率達(dá)到最大化，實(shí)現(xiàn)保護(hù)性耕作。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（北緯 34°35′13′′，東經(jīng) 115°34′30′′，海拔 55.6 m）。該地區(qū)屬于暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，多年平均降雨量708 mm，降雨集中在7～9月份，多年平均氣溫13.9℃，無(wú)霜期230 d。試驗(yàn)期間，年際降雨變化大，主要集中在6～9月，此期間月溫度變化不大，3～5月為苜蓿種植和生長(zhǎng)的前期，降雨比較少，月溫度極值變化比較大。降水的分布和月溫度的極值變化對(duì)作物生育期間土壤水分的變化均有一定的影響。開(kāi)展本試驗(yàn)前，試驗(yàn)地連續(xù)多年實(shí)行冬小麥—夏玉米周年兩熟種植，土壤類(lèi)型為潮土，成土母質(zhì)為黃河沖積物0～40 cm土層。2017年4月9日開(kāi)始實(shí)施苜?！←滈g套作時(shí)，苜蓿播種前0～40 cm土層，土壤容重1.42 g·cm-3，田間持水率為 17.41%～20.30%（質(zhì)量含水率)，40～100 cm土層的土壤容重及田間持水量分別為 1.34 g·cm-3和 22.24%～27.76%。2016—2017年冬小麥拔節(jié)期（2017年2月19日）追施復(fù)合肥料（N-P2O5-K2O=30：10：0）600 kg·hm-2，2017—2018年冬小麥拔節(jié)期（2018年 3月7日）追施復(fù)合肥料（NP2O5-K2O=27：7：6）600 kg·hm-2。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)土壤基礎(chǔ)肥力情況，如表1所示。

表1 試點(diǎn)土壤養(yǎng)分基本狀況

1.2 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地為冬小麥建植地，于2016年秋季機(jī)播，播量為 225 kg·hm-2，品種為新原 958；苜蓿于2017年4月9日在去除部分小麥后人工播種，供試苜蓿品種為美國(guó)進(jìn)口MATTWI包衣種子，播種量125 kg·hm-2。帶式間套設(shè)兩個(gè)處理，每個(gè)處理三個(gè)重復(fù)，苜蓿：小麥行數(shù)比為1 m：1 m與1 m：2 m，套作每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)20m，寬5m，小區(qū)處理面積為100m2,苜?！俎Ｐ芯?0 cm，小麥—小麥行距20 cm。試驗(yàn)設(shè)單播小麥（CK-X）和單播苜蓿（CK-M）作為小麥和苜蓿帶式間套的對(duì)比。

1.3 土壤水分測(cè)定

2017年4月苜蓿播種前采集試驗(yàn)區(qū)0～100 cm土層土壤樣品，每10 cm一層，用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量作為基樣對(duì)照，之后于2017年6月麥?zhǔn)蘸螅?0月份種麥之前，以及2018年4月小麥拔節(jié)前，2018年6月麥?zhǔn)蘸?，在各處理小區(qū)內(nèi)的苜蓿行和小麥行上分別進(jìn)行0～100 cm深度內(nèi)的分層用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量。

土壤儲(chǔ)水量為：

其中，Dw表示土壤儲(chǔ)水量（mm），θv為體積含水量（%），h為土層厚度（cm）,θm為質(zhì)量含水量（%）,ρ為土壤容重。

土壤階段耗水量為：

其中，△W為土壤階段耗水量（mm），Dw1為生育階段初0～100 cm土壤儲(chǔ)水量（mm），Dw2為生育階段末0～100 cm土壤儲(chǔ)水量（mm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0和Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理方式的土壤水分剖面特征

2017年6月氣溫升高，地表蒸發(fā)旺盛，加之小麥成熟，苜蓿生長(zhǎng)旺盛，耗水量大，小麥和苜蓿兩種帶式間套的土壤水分含量在0～70 cm以上明顯高于單播小麥和單播苜蓿（圖1）。5m-M1、5m-M2兩個(gè)處理中土壤質(zhì)量含水量均在30 cm處最低（5m-M120.87%，5m-M219.27%）；5m-X1、5m-X2兩個(gè)處理中土壤質(zhì)量含水量分別在20 cm與30 cm處最低（5m-X122.90%，5m-X222.13%）。受降水影響，各處理0～20 cm較4月基樣相比較均有不同幅度的提高，80 cm以下只有單播小麥比基樣大幅度降低，其他與基樣基本持平。CK-X的土壤含水量波動(dòng)降低，在 0～100 cm小于 5m-X1、5m-X2。CK-M 在 0～80 cm 小于 5m-M1、5m-M2，80 cm 以下與5m-M1、5m-M2基本持平。

圖1 2017年6月7日不同處理土壤質(zhì)量含水量

2017年7～10月耗水量主要來(lái)自苜蓿，此時(shí)5m-M1、5m-X1的土壤含水量大致相同，在 20～80 cm深度內(nèi)均明顯高于單播小麥，低于單播苜蓿，5m-M2、5m-X2的土壤含水量與單播苜?；境制剑哂谛←渾尾ィ▓D2）。5m-M1、5m-M2兩個(gè)處理中土壤質(zhì)量含水量均在30 cm和20 cm處最低（5m-M122.39%，5m-M221.96%）；5m-X1、5m-X2兩個(gè)處理中土壤質(zhì)量含水量分別在30 cm與 10 cm 處最低（5m-X123.05% ，5m-X220.89%）。10月處于豫東地區(qū)雨季，降水增多，較4月基樣比較，均大幅度增加，在20～40 cm處與單播小麥基本持平。

圖2 2017年10月26日不同處理土壤質(zhì)量含水量

2018年3月，小麥、苜蓿結(jié)束越冬期，開(kāi)始返青期。5m-M1、5m-X1的土壤含水量與單播小麥和單播苜?；境制?，5m-M2、5m-X2在 40～90 cm處高于單播小麥，與單播苜蓿持平（圖3）。3月豫東地區(qū)氣溫開(kāi)始回升，蒸發(fā)變大，此時(shí)降水較少，苜—冬小麥返青，需水量增加，小麥和苜蓿兩種帶式間套都是10 cm處土壤含水量最低（5m-M116.51%，5m-M217.47%，5m-X116.50%，5m-X216.01%）。在50 cm以上略低于兩個(gè)小麥和苜蓿帶式間套，50 cm以下基本持平。

圖3 2018年3月17日不同處理土壤質(zhì)量含水量

2018年6月小麥麥?zhǔn)蘸?，苜蓿第一次刈割。小麥，苜蓿根系主要分布?0～80 cm處，單播苜蓿在70 cm以上呈上升趨勢(shì)，70 cm以下急劇下降，單播小麥呈下降趨勢(shì)，60～80 cm處急劇下降，5m-M1、5m-X1的土壤含水量波動(dòng)上升，30～80 cm處，單播苜蓿大于5m-M1、5m-M2，80 cm以下小于5m-M1、5m-M2，70 cm 以上單播小麥大于 5m-X1、5m-X2，70 cm以下5m-X2土壤含水量急劇上升，遠(yuǎn)大于單播小麥（圖4）。此時(shí)豫東平原最高氣溫達(dá)到38.9℃，蒸發(fā)旺盛，加之降雨少，耗水量大，小麥和苜蓿兩種帶式間套都是10 cm處土壤含水量最低（5m-M112.01%，5m-M213.51%，5m-X18.44%，5m-X210.81%）。在40 cm以上與基樣基本持平，40 cm以下較基樣相比均有不同程度的降低。

圖4 2018年6月8日不同處理土壤質(zhì)量含水量

2.2 不同處理方式中苜蓿行與小麥行土壤水分狀況

在田間配置方式上，同時(shí)設(shè)置了帶式間套處理，不同帶式間套處理中0～100 cm土層土壤儲(chǔ)水量與單播苜蓿、單播小麥的土壤儲(chǔ)水量在不同時(shí)期的對(duì)比如圖5所示。2017年6月7日，兩種帶式間套0～100 cm土壤儲(chǔ)水量大于單播苜蓿與單播小麥，相差最大層出現(xiàn)在20～40 cm，此時(shí)CK-X的土壤儲(chǔ)水量顯著低于5m-X1(P＜0.05)，5m-X1又顯著低于 5m-X2(P＜ 0.05)。5m-M1、5m-M2分別比 CK-M 高 18.85 mm、14.77 mm，土壤儲(chǔ)水量為5m-M1＞5m-M2＞CK-M，與單播苜蓿相比5m-M1、5m-M2處理增加 6.34%、5.01%；5m-X1、5m-X2分別比 CK-X 增加 62.13 mm、77.52 mm，土壤儲(chǔ)水量為5m-X2＞5m-X1＞CK-X，與單播小麥 相 比 5m-X1、5m-X2處 理 增 加 24.41%、30.46%。

2017年7～10月為苜蓿單獨(dú)生長(zhǎng)期，帶式間套兩種苜蓿行生長(zhǎng)優(yōu)于單播苜蓿，耗水量大，苜蓿根系發(fā)達(dá)，逐漸形成“營(yíng)養(yǎng)泵”，將水分、養(yǎng)分充分利用，單播苜蓿土壤儲(chǔ)水量大于兩種苜蓿行，兩個(gè)小麥行土壤儲(chǔ)水量大于單播小麥，苜蓿行與單播苜蓿土壤儲(chǔ)水量相差最大的土層在60～80 cm，小麥行40～60 cm，處理間差異并不顯著(P＞0.05)。5m-M1、5m-M2分別比 CK-M 低 20.09 mm、15.32 mm，土壤儲(chǔ)水量為 CK-M＞5m-M2＞5m-M1，與單播苜蓿相比 5m-M1、5m-M2處理減少 5.45%、4.15%；5m-X1、5m-X2分 別 比 CK-X 增 加 2.23 mm、10.07 mm，土壤儲(chǔ)水量為 5m-X2＞5m-X1＞CK-X，與單播小麥相比 5m-X1、5m-X2處理增加0.65%、2.92%。

2018年3月17日，經(jīng)過(guò)越冬期，兩種苜蓿行的土壤儲(chǔ)水量超過(guò)單播苜蓿，單播小麥大于5m-X1，略低于5m-X，苜蓿行與單播苜蓿土壤儲(chǔ)水量相差最大的土層在0～20 cm，小麥行20～40 cm，處理間差異并不顯著(P＞0.05)。5m-M1、5m-M2分別比 CK-M 高 4.35 mm、10.07 mm，土壤儲(chǔ)水量為5m-M2＞5m-M1＞CK-M，與單播苜蓿相比 5m-M1、5m-M2處理增加 1.41%、3.27%；5m-X1比 CK-X減少 11.49 mm，5m-X2比 CK-X 增加 5.25 mm，土壤儲(chǔ)水量為 5m-X2＞CK-X＞5m-X1，與單播小麥相比 5m-X1減少 3.66%，5m-X2處理增加1.67%。

2018年6月8日，單播苜蓿的土壤儲(chǔ)水量大于兩種苜蓿行，單播小麥大于5m-X1，低于5m-X2，兩個(gè)苜蓿和小麥行與單播差距最大的土層在80～100 cm處，此時(shí)CK-X與5m-X1處理間差異并不顯著（P＞0.05），兩者與 5m-X2差異顯著（P＜0.05）。5m-M1、5m-M2分別比 CK-M 低5.38 mm、3.67 mm，土壤儲(chǔ)水量為 CK-M＞5m-M2＞5m-M1，與單播苜蓿相比5m-M1、5m-M2處理降低2.03%、1.38%；5m-X1比 CK-X 減少 6.05 mm，5m-X2比CK-X增加22.23 mm，土壤儲(chǔ)水量為5m-X2＞CK-X＞5m-X1，與單播小麥相比 5m-X1減少 2.54%，5m-X2處理增加 9.32%。

圖5 不同時(shí)期苜蓿行、小麥行土壤儲(chǔ)水量對(duì)比

2.3 不同處理方式對(duì)水分的消耗利用

要提高對(duì)水分的利用效率，需了解苜蓿、冬小麥的水分利用規(guī)律。2017年10月26日—2018年3月17日為苜?！←湽餐?，作物耗水少于降水補(bǔ)充，是水分收蓄累積階段，各處理分層土壤耗水量及其百分比見(jiàn)表3。在此期間，CK-X的土壤耗水量顯著高于5m-X1（P＜0.05），此時(shí) CK-M 的土壤耗水量顯著高于5m-M2、5m-M1（P＜0.05），5m-M1與 5m-M2處理間差異并不顯著（P＞0.05）。5m-X1的主要耗水量在40～60 cm，5m-X2耗水量主要集中在0～20 cm土層，分別占總消耗量的 61.8%和70.8%，5m-X1在 60～80 cm 處水分累積，5m-X2在80～100 cm處水分盈余，未發(fā)生水分消耗，5m-X2蓄水量大于5m-X1，單播小麥的主要耗水量在 0～20 cm處，占總耗水量的60.7%，在 20～60 cm處水分累積，此時(shí)的土壤耗水量為5m-X1＞5m-X2＞CK-X；5m-M1的主要耗水量在 40～60 cm，5m-M2的土壤耗水量主要在 0～20 cm，分別占總耗水量的 62.5%和 56.8%，5m-M1、5m-M2在60～100 cm處產(chǎn)生水分盈余，單播苜蓿的土壤耗水量主要集中在20～40 cm，占總耗水量的 29.6%，此時(shí)的土壤耗水量為 CK-M＞5m-M1＞5m-M2。

表3 2017年10月26日—2018年3月17日帶式間套分層土壤耗水量及其比例

2018年3月—2018年6月，小麥從返青期至蠟熟，抽穗到成熟耗水量占全生育期35%～40%[15-16]，苜蓿進(jìn)入盛花期，需水量大，加之地表蒸發(fā)旺盛，此時(shí)土壤耗水量增大，各處理分層土壤耗水量及其比例見(jiàn)表4。在此期間，CK-X的土壤耗水量顯著高于5m-X2（P＜0.05），5m-X1的主要耗水量在0～20 cm，5m-X2耗水量主要集中在60～80 cm土層，分別占總消耗量的23.0%和31.5%，單播小麥的主要耗水量在80～100 cm處，占總耗水量的40.3%，此時(shí)的土壤耗水量為CK-X＞5m-X2＞5m-X1；5m-M1、5m-M2和單播苜蓿的主要耗水量都在80～100 cm，分別占總耗水量的33.3%、25.3%、57.6%，此時(shí)的土壤耗水量為 5m-M2＞5m-M1＞CK-M。

表4 2018年3月17日—2018年6月8日帶式間套分層土壤耗水量及其比例

3 討論與結(jié)論

間套作有利于創(chuàng)造適宜的土壤水分環(huán)境供作物生長(zhǎng)發(fā)育[17]，甘蔗種植的地區(qū)，甘蔗與玉米、辣椒以及某些豆類(lèi)植物間套作種植，可以刺激甘蔗的生長(zhǎng)，有效防止土壤水分流失[18]。這與本文研究結(jié)果一致。本研究表明當(dāng)苜?！←湈介g套時(shí)，抽穗至成熟期為主要耗水期，作物共同生長(zhǎng)，此時(shí)5m-X2的耗水量最小，儲(chǔ)水量增加，為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供適宜的土壤水分環(huán)境。在2017年6月7日、2017年10月26日、2018年3月17日和2018年6月8日測(cè)定5m-X2土壤儲(chǔ)水量較單播小麥相比分別增加30.46%、2.92%、1.67%、9.32%，5m-M2土壤儲(chǔ)水量較單播苜蓿相比 2017年 10月與 2018年 3月分別 4.15%、3.27%。小麥—玉米間套作水分利用效率較單作提高18%～99%[19]。帶式間套后，耗水量在2017年10月—2018年3月大致持平，2018年3～6月則顯著性低于單播小麥，耗水量在2017年10月—2018年3月顯著低于單播苜蓿，2018年3～6月無(wú)顯著性差異。說(shuō)明要使土壤水分利用率達(dá)到最大化，間作作物種類(lèi)的優(yōu)選、組合和間套帶寬非常必要的。苜蓿是多年生草本豆科植物，苜蓿根系不斷生長(zhǎng)，不同模式下苜蓿根系何時(shí)相交，形成“安全網(wǎng)”對(duì)土壤水分進(jìn)行截流，土壤水分的利用率會(huì)如何變化有待探索。

通過(guò)對(duì)土壤含水量、土壤儲(chǔ)水量、土壤耗水量的分析，當(dāng)為1 m：2 m帶式間套體系時(shí)，對(duì)水分利用有促進(jìn)作用，提高水分的轉(zhuǎn)化效率和供給植物的水分有效性，錯(cuò)開(kāi)作物蓄水高峰期，充分利用土壤水分，增強(qiáng)作物生育期內(nèi)熱量與水資源的協(xié)調(diào)性。