小麥和苜蓿套作種植對(duì)土壤水分及作物水分利用效率的影響

李恩慧, 穆陽陽, 何亞男, 張曉紅, 楊慎驕

(1.山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所 河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 河南 商丘 476000)

水資源短缺是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展最重要的因子之一[1]，特別是在干旱或半干旱地區(qū)，提高水分利用效率逐漸成為作物生存的關(guān)鍵因素[2]，因此，探究如何充分利用有限的水資源，提高作物水分利用效率顯得尤為重要。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤水分作為植物生長(zhǎng)過程水分吸收的主要來源，不僅直接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，也影響作物的生物量[3-4]。而合理的間套作種植模式可改善土壤水分狀況，提高農(nóng)田系統(tǒng)的生產(chǎn)力、農(nóng)田水分和作物水分利用效率[5]。

目前對(duì)間套作土壤水分利用效率的研究較多，比如葉林等[6]在不同田間配置對(duì)玉米土豆帶狀套作系統(tǒng)水分利用效率研究結(jié)果中表明，不同的行距和帶寬都會(huì)對(duì)群體水分利用效率產(chǎn)生影響，尤其是在行距40—50 cm時(shí)，兩種不同帶寬的玉米套作提高了群體的水分利用效率；苗慶豐等[7]在對(duì)小麥和玉米間作的水分利用效率研究中發(fā)現(xiàn)，在小麥采用平畦灌溉、玉米采用壟溝灌溉模式下群體總水分利用效率提高到1.66 kg/m3；郝娜[8]在莜麥和馬鈴薯間作系統(tǒng)中，相比莜麥單作水分利用效率(WUE)提高了33.3%，但同時(shí)也增加了莜麥與馬鈴薯耗水量；牛伊寧等[9]的研究結(jié)果表明，在不同供水水平下，玉米和豌豆間作相比玉米和豌豆任一單作，不僅提高了土地利用效率和作物產(chǎn)量，也提高了作物的平均水分利用效率。但是綜觀已有的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)禾本科與豆科間套作種植模式的作物水分利用效率研究并不多，尤其是對(duì)小麥和苜蓿間套種植的研究更是少見。小麥?zhǔn)侵匾墓阮愖魑?，在我?guó)華北和西北等地區(qū)有著較為廣泛的種植。有著“牧草之王”的苜蓿，是典型的豆科草本植物，深根牧草，根系發(fā)達(dá)，耗水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于糧食作物，但其水分利用更加徹底，作物水分利用效率顯著高于糧食作物，是小麥的2.1～2.8倍[10]，將小麥和苜蓿間套作后不同生長(zhǎng)時(shí)期土壤剖面水分變化、階段性水分消耗狀況以及系統(tǒng)作物水分利用效率又將如何。本文從小麥和苜蓿間套作的土壤水分狀況以及群體生物量、系統(tǒng)水分利用效率出發(fā)，探討小麥和苜蓿這種間套作種植模式下土壤水分的消耗特點(diǎn)和水分利用特性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年在山西省臨汾市中部的堯都區(qū)東杜村(東經(jīng)111°34′，北緯35°55′)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬于典型的干旱季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，多年平均氣溫12～12.6℃，夏季最高溫度達(dá)35～41.9℃，冬季最低溫達(dá)-4～5.6℃，年均降水量550 mm，無霜期達(dá)203 d。土壤屬于典型褐土，土壤容重平均為1.493 g/cm3。試驗(yàn)區(qū)土壤養(yǎng)分狀況見表1。試驗(yàn)期(2017年3月—10月)降水量為532.4 mm(圖1)。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤養(yǎng)分狀況

圖1 2017年試驗(yàn)期間月平均氣溫與降雨量

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)供試小麥品種為冬小麥晉麥95，千粒重38 g。苜蓿為當(dāng)?shù)刈匣ㄜ俎?，千粒?.255 g。試驗(yàn)共設(shè)小麥單播(XD)、苜蓿單播(MD)和小麥苜蓿間套作(XMT)3個(gè)處理。試驗(yàn)小區(qū)面積50 m2，三次重復(fù)，隨機(jī)排列。小麥單播自2014年起于每年9月下旬播種，采用機(jī)械播種，間套于苜蓿行間。苜蓿于2014年4月種植，播種量18 kg/hm2，已有3 a的生長(zhǎng)周期。小麥苜蓿套作是在兩行苜蓿之間套種兩行小麥，苜蓿行距為40 cm，在苜蓿成功建植的基礎(chǔ)上機(jī)械播種小麥。小麥單播、苜蓿單播以及小麥苜蓿間套作處理均于小麥播種時(shí)統(tǒng)一施肥(N 187.5 kg/hm2，P2O597.5 kg/hm2，K2O 52.5 kg/hm2)，2017年春天小麥拔節(jié)期進(jìn)行2次追加施肥(N 125 kg/hm2，K2O 37.5 kg/hm2)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與計(jì)算方法

1.3.1 測(cè)定項(xiàng)目

(1) 土壤水分測(cè)定：2017年3月中旬、6月下旬和10月上旬采用土鉆法測(cè)定0—200 cm土層的土壤水分，小麥和苜蓿單作處理采用行間測(cè)定土壤水分，套作同為小麥和苜蓿行間打鉆取樣測(cè)定土壤水分，每10 cm土層取樣，采用烘干稱重法，在105℃恒溫干燥箱中烘干12 h，計(jì)算土壤含水量[11]。

(2) 生物量測(cè)定：苜蓿生物量于5月30日和8月21日對(duì)苜蓿進(jìn)行齊地刈割，每個(gè)處理取3個(gè)1 m2樣方稱鮮重，部分鮮樣放置105℃烘箱內(nèi)殺青15 min，然后溫度升高至85℃恒溫至烘干測(cè)干鮮比，生物量以干重計(jì)算。小麥生物量于5月30日麥?zhǔn)涨叭?，測(cè)定方法和苜蓿生物量測(cè)定方法相同，生物量亦以干重計(jì)算[12]。

1.3.2 計(jì)算公式

(1)土壤質(zhì)量含水量ω=(鮮土重量-烘干土重)/烘干土重×100%

(2)土壤分層儲(chǔ)水量θ(mm)=ω×ρ×h

式中：ω為土壤質(zhì)量含水量；ρ為土壤容重(g/cm3)；h為土層深度(cm)[13]

(3)土壤水分支出量β(mm)=生長(zhǎng)始期土壤儲(chǔ)水量-生長(zhǎng)末期土壤儲(chǔ)水量[14]

(4)耗水量ET(mm)=β+R

式中：β為土壤水分支出量；R為生長(zhǎng)期降水量(cm)[14]

(5)水分利用效率WUE[kg/(mm·hm2)]=Y/ET

式中：?jiǎn)巫鱕為每種作物單位面積生物量、產(chǎn)量(kg/hm2)，套作Y為兩種作物單位面積生物量產(chǎn)量之和，ET為耗水量[6]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行匯總處理及作圖，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用軟件SPSS 21.0進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理0-200 cm深層土壤含水量

圖2是2017年3月中旬、6月下旬和10月上旬不同處理0—200 cm的土壤含水量。3月中旬3個(gè)處理0—200 cm土層平均土壤含水量為12.1%～17.2%，大小順序?yàn)閄D>XMT>MD(圖2A)，這說明在本期試驗(yàn)開始之前XD，XMT和MD在之前年份的生長(zhǎng)消耗已經(jīng)顯著降低了土壤含水量，尤其苜蓿是一種強(qiáng)耗水深根植物，無論單播還是與小麥混播，三年的生長(zhǎng)期導(dǎo)致其0—200 cm深的土壤水分含量均較低。6月下旬在小麥生長(zhǎng)期結(jié)束之際(圖2B)，3個(gè)處理0—200 cm平均土壤含水量為10.69%～13.58%，均顯著低于3月份均值，這是因?yàn)檫@一階段作物需水大導(dǎo)致土壤水分低于小麥返青時(shí)。3個(gè)處理間平均土壤含水量排序?yàn)镸DXMT>MD)(圖2C)。

從縱向剖面分布來看，3月中旬(圖2A)MD和XMT在20—60 cm和160—200 cm土壤含水量均低于XD，其中MD在60 cm達(dá)到最低(9.35%)，XMT在20 cm最低(10.91%)，這與作物根系分布以及苜蓿耗水強(qiáng)度有關(guān)。6月下旬(圖2B)XD在0—50 cm土壤含水量迅速減少至最低(10.77%和8.50%)，表明小麥單播中小麥生長(zhǎng)過程對(duì)上層土壤含水量的影響較大；MD分別在0—20 cm和120—180 cm土壤含水量迅速降低至7.82%和10.56%，而XMT在0—40 cm和120—180 cm土壤含水量降低至8.29%和11.23%，這是由于苜蓿為深根植物，深層土壤含水量都會(huì)被其生長(zhǎng)所消耗。10月上旬(圖2C)3個(gè)處理100 cm深度之上的土壤含水量雖然均呈隨深度增加而遞減的趨勢(shì)，但與6月份相比均有所增加；在此深度之下，MD和XMT依然保持這種隨深度而下降的趨勢(shì)，XD則相反，這與麥?zhǔn)蘸蟛煌幚韺?duì)降雨的反映不同有關(guān)，XD主要是對(duì)雨水的收蓄作用，而MD和XMT則由于苜蓿的生長(zhǎng)耗水導(dǎo)致其整體土壤含水量顯著低于3月和6月份，尤其是XMT，140 cm土壤含水量甚至比6月份還低，表明苜蓿繼續(xù)生長(zhǎng)增加了深層土壤水分消耗。

2.2 不同處理0-200 cm深度的土壤儲(chǔ)水量變化與水分消耗特點(diǎn)

從2 m深總土壤儲(chǔ)水量上來看(圖3)，不同處理6月下旬土壤儲(chǔ)水量均低于3月中旬和10月上旬，主要是因?yàn)?月下旬降雨量相對(duì)較少，氣溫高蒸發(fā)快，同時(shí)作物生長(zhǎng)消耗了大量水分，而3月中旬作物生長(zhǎng)剛剛開始，所消耗的土壤水分較少；10月上旬由于苜蓿剛完成刈割土壤水分得到了累積，同時(shí)受到季風(fēng)氣候的影響，華北地區(qū)正值雨季過后，降雨補(bǔ)給量超過消耗量。從不同處理來看，不論3月中旬、6月下旬和10月上旬土壤儲(chǔ)水量均為：XD>XMT>MD，表明苜蓿耗水能力強(qiáng)于小麥，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)苜蓿生長(zhǎng)三年導(dǎo)致了土壤儲(chǔ)水量總體上較低。

圖2 不同處理0-200 cm土層的土壤含水量

圖3 不同處理0-2 m深土壤總儲(chǔ)水量

在3—6月份小麥生育期內(nèi)(表2)，3個(gè)處理0—200 cm土層土壤水分支出量基本上均為正值(XD和XMT的0—40 cm除外)，表明不同處理在該時(shí)期土壤水分均有支出，但不同處理的支出量及各層次的支出比例不同。3個(gè)處理中XD 和XMT 0—200 cm土壤水分支出總量相差無幾，且兩者0—40 cm 的上層土壤水分支出均為負(fù)值，但XD的上層水分負(fù)支出(收蓄)量高于XMT，40—200 cm的支出比例分配也較為均勻，而XMT在40—80 cm 深度土壤水分支出量占了總量的一半。MD 0—200 cm土壤水分支出總量(46 mm)高于XD (29 mm)和XMT(30 mm)，50%出現(xiàn)在0—40 cm，120—160 cm的支出也較多(20%)。

6—10月份麥?zhǔn)蘸筌俎为?dú)生長(zhǎng)期內(nèi)，各處理0—200 cm土壤水分支出量基本上為負(fù)值，說明期間土壤對(duì)雨水的收蓄量多于作物耗水蒸散量。其中XD 和MD土壤水分支出總量較為接近，且兩者80 cm 以上的土壤水分增加(收蓄)量占了70%～80%。XMT的土壤水分收蓄量低于XD 和MD，且絕大部分在80 cm 之上，其120 cm之下的土壤儲(chǔ)水量不增反降。

表2 不同處理0-200 cm分層土壤儲(chǔ)水量支出情況

2.3 不同處理的生物量與水分利用效率

與單播作物種植模式相比，為了更加準(zhǔn)確衡量間套作模式下作物生物量與用水量之間的關(guān)系，進(jìn)一步計(jì)算了水分利用效率(表3)。不同處理的生物量和水分利用效率均有顯著差異。從單因素方差分析的多重比較結(jié)果來看，在小麥和苜蓿共同生長(zhǎng)期(3—6月份)內(nèi)，XMT作物生物量(產(chǎn)量)和系統(tǒng)水分利用效率高于MD(p<0.05)，其中XMT生物量(產(chǎn)量)較MD增加了44.07%，系統(tǒng)水分利用效率提高了62.38%，表明相比苜蓿單播，小麥苜蓿間套作大大增加了其生物量(產(chǎn)量)，同時(shí)耗水量明顯降低，總體上改善了作物系統(tǒng)土壤水分狀況，提高系統(tǒng)水分利用效率。相比XD，XMT生物量(產(chǎn)量)增加了17.67%，系統(tǒng)水分利用效率亦略有提高(16.98%)，這與小麥生物量(產(chǎn)量)的增加有關(guān)。

表3 不同處理的水分利用效率

在苜蓿單獨(dú)生長(zhǎng)期(6—10月份)，MD生物量(產(chǎn)量)(2 293.53 kg/hm2)比小麥和苜蓿共同生長(zhǎng)期(3—6月份)(3 212.12 kg/hm2)減少了28.6%，間套作苜蓿(XMT-M)生物量(產(chǎn)量)(2 276.20 kg/hm2)比小麥和苜蓿共同生長(zhǎng)期(3—6月份)(2 159.90 kg/hm2)增加了5.11%，表明對(duì)于苜蓿單作而言，小麥和苜蓿共同生長(zhǎng)期(3—6月份)更有利于生物量(產(chǎn)量)積累，而在間套作苜蓿(XMT-M)中，苜蓿單獨(dú)生長(zhǎng)期(6—10月份)生物量(產(chǎn)量)容易積累。苜蓿單獨(dú)生長(zhǎng)期(6—10月份)由于降雨量明顯增加，作物耗水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小麥和苜蓿共同生長(zhǎng)期(3—6月份)，進(jìn)而使得苜蓿單作(MD)和間套作苜蓿(XMT-M)6—10月平均水分利用效率8.20 kg/(mm·hm2)，7.58 kg/(mm·hm2)低于3—6月份14.20 kg/(mm·hm2)，10.30 kg/(mm·hm2)。

從整個(gè)生長(zhǎng)期(3—10月)來看，XMT生物量(產(chǎn)量)和水分利用效率均高于XD和MD，其中XMT生物量(產(chǎn)量)較XD增加了41.17%，水分利用效率降低了30.80%，較MD生物量(產(chǎn)量)增加了31.49%，水分利用效率提高了9.19%，說明間套作能夠顯著增加作物生物量(產(chǎn)量)，提高系統(tǒng)水分利用效率。

3 結(jié)論與討論

從作物生長(zhǎng)的不同時(shí)期來看，3月中旬、6月下旬和10月上旬各處理的平均土壤含水量分別為12.1%～17.2%，10.69%～13.58%和13.08%～16.93%，且3月中旬和10月上旬不同處理的平均土壤含水量均高于6月下旬，這種結(jié)果與作物生長(zhǎng)需水量有關(guān)，6月下旬不論是單作還是間套作土壤水分明顯減少。李巍等[15]在對(duì)不同種植系統(tǒng)土壤水分消耗研究中指出小麥土壤水分減少最多的是5月、6月和7月份，苜蓿土壤水分減少最多的是6月或8月，土壤水分變化在時(shí)間上與本研究基本一致，都是在作物生長(zhǎng)旺盛期土壤含水量最低。從不同處理來看，在小麥和苜蓿共同生長(zhǎng)期(3—6月份)土壤含水量大小順序?yàn)椋篨D>XMT>MD，何亞男等[16]在苜蓿間套作冬小麥對(duì)土壤水分的前期研究中，3月中旬不同處理土壤剖面質(zhì)量含水量與本研究結(jié)果基本相同，而6月下旬的結(jié)果與本研究有很大差異，這可能與當(dāng)季降雨量多少有關(guān)。本研究在此基礎(chǔ)上又分析了10月上旬的土壤含水量，得到的結(jié)果仍是XD>XMT>MD，這表明小麥和苜蓿間套作確實(shí)能改善苜蓿土壤儲(chǔ)水量低的狀況，這可能與苜蓿自身生長(zhǎng)導(dǎo)致儲(chǔ)水量高有關(guān)。

小麥和苜蓿間套作生物量(產(chǎn)量)不論是在3—6月小麥和苜蓿共同生長(zhǎng)期(4 727.71 kg/hm2)還是3—10月整個(gè)生長(zhǎng)期(8 036.17 kg/hm2)均高于苜蓿單作，這與袁銳明等[17]苜蓿套種小麥能有效抑制雜草生長(zhǎng)，對(duì)后茬苜蓿生長(zhǎng)發(fā)育有良好作用結(jié)果一致。在本研究中3—6月份小麥苜蓿間套作生物量(產(chǎn)量)高于小麥單作，甚至整個(gè)生長(zhǎng)期生物量(產(chǎn)量)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小麥單作，并且農(nóng)民更多的是關(guān)注小麥籽粒產(chǎn)量，秸稈只用于還田，故從收獲產(chǎn)物多樣化角度來說在小麥中間套苜蓿存在較大的研究?jī)r(jià)值。在小麥和苜蓿共同生長(zhǎng)期(3—6月)小麥苜蓿間套作水分利用效率27.38 kg/(mm·hm2)較小麥單作增加了16.98%，比苜蓿單作提高了62.38%；從整個(gè)生長(zhǎng)期(3—10月)來看，小麥苜蓿間套作水分利用效率為15.73 kg/(mm·hm2)，較小麥單作雖低了30.80%，但比苜蓿單作水分利用效率提高了30.83%。本研究結(jié)果表明小麥苜蓿間套作具有顯著提高系統(tǒng)水分利用效率的優(yōu)勢(shì)，這與已有的相似研究[18]結(jié)果基本相同。任繼周等[19]在對(duì)甘肅省草地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的研究中也指出利用牧草間作糧食作物能夠提高苜蓿生物量(產(chǎn)量)，進(jìn)一步證實(shí)了禾本科與豆科間套作能夠更好地發(fā)揮間套作的優(yōu)勢(shì)[20]。在本研究中由于每個(gè)處理間沒有物理間隔設(shè)置，使得深層苜蓿根系會(huì)向鄰近單播小麥“爭(zhēng)水”，導(dǎo)致在本試驗(yàn)研究階段一開始單播小麥的土壤水分含量較低，但其結(jié)果表明小麥苜蓿間套作具有階段性顯著提高系統(tǒng)水分利用效率的優(yōu)勢(shì)。