棗棉間作下空間布局對(duì)棉花耗水特征的影響

李玲，康郁，王沛娟，李燕芳，曹娟，候金枚，李田甜，翟云龍

（塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

棗園間作是為了解決幼齡棗園生產(chǎn)效率低下而發(fā)展起來的一種果農(nóng)復(fù)合種植模式，它通過人工勞力和密集投入的技術(shù)，充分利用各種農(nóng)業(yè)資源，實(shí)現(xiàn)土地、養(yǎng)分和水熱資源在時(shí)間和空間上的集約利用，并實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高產(chǎn)高效[1-3]。近年來，由于農(nóng)業(yè)水資源的短缺和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的高耗水現(xiàn)實(shí)，一定程度上滯后了農(nóng)果間作的發(fā)展，影響了農(nóng)業(yè)效益整體的提高，因此亟需研發(fā)關(guān)于果農(nóng)間作的節(jié)水理論和技術(shù)體系[4]。研究表明，在溫帶、濕潤的熱帶及半干旱熱帶地區(qū)，水分是限制農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要因素[5]。在水分利用方面，一般認(rèn)為農(nóng)林間作系統(tǒng)可適時(shí)增加地面覆蓋，減小地表徑流，從而提高土壤水分含量；也有研究表明，農(nóng)林間作系統(tǒng)受小氣候變化的影響會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)土壤水分蒸發(fā)減少、蒸散量降低[6]。在干旱半干旱地區(qū)，研究農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中土壤水分的時(shí)空分布特征機(jī)理，對(duì)于優(yōu)化復(fù)合群體模式、制定科學(xué)的灌溉方案具有重要的意義[7-8]。很多研究表明農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中不同組分間在水分上存在不同程度上的競爭[9-10]。也有研究表明，適宜的間作模式，水分利用存在互補(bǔ)的效應(yīng)[11-13]。

與傳統(tǒng)單作模式相比，間作復(fù)合系統(tǒng)能夠改變?cè)型寥拉h(huán)境的物理性質(zhì)，增加土壤貯水量、水分入滲能力和水分利用效率，減小地表徑流。李天陽等[14]通過研究血橙-農(nóng)作物混作模式，得出農(nóng)林混作模式改善土壤容重及孔隙度的效果比單一種植模式效果好，水分能夠更好的入滲于土壤中。李會(huì)科等[15]通過對(duì)黃土高原林草復(fù)合系統(tǒng)土壤水分的研究發(fā)現(xiàn)，生草能夠提高0～60 cm土層中的土壤貯水能力。王延平等[16]通過對(duì)黃土丘陵區(qū)退耕坡地杏-苜蓿復(fù)合系統(tǒng)土壤水分的研究發(fā)現(xiàn)，樹盤內(nèi)0～60 cm土層的水分狀況明顯好于單植杏，但在120 cm左右深處卻產(chǎn)生了明顯的土壤干層。

空間布局顯著影響作物產(chǎn)量和農(nóng)林間作群體效益，且對(duì)農(nóng)林間作競爭與生態(tài)位分離具有重要調(diào)節(jié)作用[17]。縱觀以往的研究，有關(guān)空間布局調(diào)控果農(nóng)間作復(fù)合群體耗水特征的研究卻未曾有人進(jìn)行深入研究，使得在生產(chǎn)實(shí)踐中缺乏提高生產(chǎn)效益和水分利用效率的理論依據(jù)。本研究以新疆南疆地區(qū)典型農(nóng)果間作模式棗棉間作為研究對(duì)象，將傳統(tǒng)單作棗園作為對(duì)照設(shè)計(jì)，設(shè)置不同的棉花空間布局，研究棗棉間作下空間布局對(duì)棉花耗水特征、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，以期為建立南疆地區(qū)發(fā)展集約可持續(xù)節(jié)水性農(nóng)果間作模式提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于新疆阿拉爾市塔里木大學(xué)園藝試驗(yàn)站。該地區(qū)太陽輻射為559.4～612.1 KJ/cm2，日照時(shí)長2 556.3～2 991.8 h，蒸發(fā)量1 976.6～2 558.9 mm。年平均降雨量47.9 mm，降水稀少，冬季少雪，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，空氣十分干燥，是典型灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，2017年降雨量82.8 mm高于多年平均降雨量（圖1）。

圖1 2017年降雨量分布

1.2 試驗(yàn)材料

選擇幼齡（第五年）紅棗園進(jìn)行間作，棉花供試品種為新陸中36號(hào)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇新疆南疆地區(qū)具有代表性的幼齡棗園，開展棗棉間作耗水特征的研究。種植模式分別為棗棉間作、棗樹單作和棉花單作，其中，棗樹行株距配置為3.0 m×1.0 m。

采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以棗棉行比配置為主處理，棉花株距配置為副處理。主處理分為2∶2行比（2行棗樹間在距離棗樹1.45 m處種植2行棉花，用C2表示）和2∶4行比（2行棗樹間在距離棗樹1.0 m處種植4行棉花，用C4表示）；副處理分為10 cm（R1）和12.5 cm（R2）兩種棉花株距設(shè)計(jì)，組配成4個(gè)棗棉間作處理；為保證試驗(yàn)處理間具有可比性，設(shè)置2種株距配置（R1和R2）的單作棉花（C），記作CR1和CR2，共組成6個(gè)處理，重復(fù)3次。棉花采用地膜覆蓋，C2間作模式下棉花行距為10 cm，C4間作模式采用（10+66+10）cm的行距配置，單作棉花采用（10+66+10+66+10）cm的行距配置，灌溉方式為滴灌，試驗(yàn)其它管理措施與當(dāng)?shù)亓?xí)慣水平相同。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

土壤含水量：2017年5月—9月每月測定一次。使用土鉆采集土樣，深度0～100 cm，分5層(分別為 0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm和80～100 cm)。土壤含水量采用烘干法測定，土壤容重、土壤飽和含水量和田間持水量采用環(huán)刀法測定。

土壤貯水量：用0～100 cm土壤含水量計(jì)算土壤貯水量（SWS），SWS為5個(gè)不同土壤層次貯水量的總和，計(jì)算公式為

式中，SWS為土壤貯水量（mm）；h為土層厚度（cm）；ρ為土壤容重（g·cm-3），θ為土壤質(zhì)量含水量。

作物生育期耗水量：ET=P+I+SWS0-SWSh

式中，P為生育期內(nèi)降雨量（mm），I為生育期內(nèi)灌溉量（mm），SWS0為種植前的土壤貯水量（mm），SWSh為收獲后的土壤貯水量（mm）。

水分利用效率：WUE=Y/ET

式中，Y為間作系統(tǒng)產(chǎn)量，ET為耗水量。

棵間蒸發(fā)量：采用微型蒸發(fā)器（micro-lysimeter，MLS）測定棉花行間的土壤棵間蒸發(fā)量，棵間蒸發(fā)量是指裸露部分的土壤蒸發(fā)量。MLS是由直徑10 cm、高10 cm的PVC管制造而成，用紗網(wǎng)薄膜封底。將MLS放入預(yù)埋在田間的直徑12 cm、高10 cm的PVC外套管中，MLS頂部與地面平齊。土壤棵間蒸發(fā)量為兩次測量的差值，用精度為0.02的LP3102型電子天平稱重從而計(jì)算土壤棵間蒸發(fā)量。微型蒸發(fā)器中土樣每減少1 g相當(dāng)于蒸發(fā)水分0.127 4 mm。相隔2天測定一次，于早晨7∶00取樣，2次測定后需更換MLS中的土。下雨或灌水后需立即更換MLS中的土，目的是保證MLS內(nèi)部的土壤水分剖面與周圍土壤保持相同狀態(tài)。

棉花產(chǎn)量：棉花成熟后按小區(qū)收獲計(jì)產(chǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，利用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析，顯著性測驗(yàn)采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 空間布局對(duì)間作棉花耗水特性的影響

2.1.1 不同處理間作棉田土壤含水量垂直分布

不同處理棉田土壤含水量垂直分布按棉花帶和間隔帶進(jìn)行分析（圖2），不同處理間棉花帶0～20 cm、20～40 cm表現(xiàn)為C4R1含水量最高，40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm則是C2R1含水量最高；間隔帶 0～20 cm C4R1含水量最高，20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm則均為C2R1含水量最高。且不同處理同一土層間，間隔帶含水量均低于棉花帶。不同處理下，間作系統(tǒng)的土壤含水量均大于單作棉花的含水量。不同間作處理下土壤含水量變化因土層不同而存在差異，當(dāng)株距為10.0 cm或12.5 cm時(shí)，0～20 cm土層中土壤含水量大小為C4＞C2，而20～100 cm的4個(gè)土層土壤含水量大小則為C2＞C4。

從整體來看，不同處理之間，間隔帶和棉花帶含水量隨著土層深度的增加逐漸升高的趨勢(shì)（圖2），在單作模式和間作模式以及不同行比、密度株距配置的各個(gè)處理下，單作的2個(gè)處理土壤含水量變化趨勢(shì)是大致相同的，而間作的4個(gè)處理中除了C2R2的變化幅度較大，其他都是緩慢升高；棉花帶土壤含水量變化也有相似趨勢(shì)，單作中CR1變化幅度比CR2大，間作的4個(gè)處理的變化幅度相近，并在土層深度為30 cm時(shí)含水量相近。間作系統(tǒng)棉花整體比單作的土壤含水量高，且棉花株距為12.5 cm時(shí)含水量較高。

2.1.2 不同處理棉花生育期的耗水量

單作棉花全生育期總耗水量最小，單作與間作棉花耗水量有顯著差異（圖3）。單作棉花的兩個(gè)處理之間并沒有太大的差異，而間作棉花中種植2行棉花比種植4行棉花耗水量大；不同株距對(duì)間作棉田耗水總量無顯著影響。相較于不同空間布局對(duì)間作棉花耗水量的影響，種植模式（單作和間作模式）對(duì)棉花耗水量的影響更加明顯。

2.1.3 不同處理棉花的蒸散比

蒸散比（E/ET）表現(xiàn)為單作棉花＞間作棉花（圖4），E/ET是棵間蒸發(fā)占蒸散比量的比例，用于衡量水分利用率，E/ET越大，水分利用率越低。單作棉花的水分利用率較低，而間作模式則相對(duì)高很多。單作棉花中棉花株距為10 cm時(shí)E/ET較大，12.5 cm時(shí)E/ET較??；間作棉花的E/ET則是種植4行棉花比種植2行棉花大，棉花株距為12.5 cm時(shí)E/ET比10 cm時(shí)大。與單作模式相比，間作顯著降低了棉花的E/ET，但棉花株距的增加會(huì)增加E/ET，應(yīng)通過適當(dāng)降低棉花株距來減小E/ET，從而提高水分利用率。不同間作模式也會(huì)對(duì)E/ET有影響，種植2行棉花的E/ET與種植4行棉花相比更小，水分利用率更低。

不同空間布局下的間作模式相較于傳統(tǒng)種植模式能夠有效的減少水分帶來的損失，并能更好的抑制棉花生育期中無效耗水。E/ET的數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明，間作模式下水分的無效損失主要是不適當(dāng)?shù)拈g距和株距配置導(dǎo)致的。

2.1.4 不同處理棉花的棵間蒸發(fā)量

不同處理生育期內(nèi)的棵間蒸發(fā)量主要受種植模式和空間布局的影響，并且不同時(shí)間、空間內(nèi)的棵間蒸發(fā)量對(duì)空間布局的響應(yīng)也不同（圖5）。棵間蒸發(fā)量總體表現(xiàn)為單作棉花＞棗棉間作。不同行比的間作處理間比較，C2的蒸發(fā)量明顯小于C4。因此，與傳統(tǒng)單作種植模式相比，棉花株距為12.5 cm時(shí)，種植2行的間作棉花能有效降低棵間蒸發(fā)量。棉花株距為10 cm時(shí)的蒸發(fā)量在6月中旬—7月末這個(gè)時(shí)間段高于株距為12.5 cm處理，其他時(shí)間段的蒸發(fā)量基本相同或相近，可以看出，棵間蒸發(fā)量不僅受空間布局的影響還受時(shí)間、氣候的影響。

圖5 不同處理下棉花的棵間蒸發(fā)量動(dòng)態(tài)

2.2 不同空間布局下間作棉花產(chǎn)量表現(xiàn)

在間作模式中種植4行棉花，棉花株距為10 cm時(shí)棉花產(chǎn)量最高（圖6）。不同行比的間作處理間比較，種植4行的棉花的產(chǎn)量較高，而不同株距的間作處理間比較，10 cm株距的產(chǎn)量較高。間作棉花產(chǎn)量遠(yuǎn)高于單作模式，且有顯著差異。棉花產(chǎn)量在間作模式中因株距變化表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，說明在棗棉間作群體中行比對(duì)棉花產(chǎn)量的影響起主要作用。

圖6 空間布局對(duì)單作、間作棉花的產(chǎn)量影響

2.3 不同空間布局下棉花的水分利用效率

間作棉花水分利用效率（WUE）低于單作棉花（圖7），但間作群體的WUE是間作棉花和間作棗樹WUE的綜合，間作棉花的WUE不能代表間作模式的WUE，因此，間作與單作WUE之間的比較無意義。單作模式下，不同株距處理的水分利用效率無差異。而間作模式下，種植4行棉花比2行棉花的水分利用效率高，且棉花株距為10 cm時(shí)，水分利用效率最高。間作模式與合理的空間種植布局（種植4行棉花，棉花株距為10 cm時(shí)）是提高水分利用效率的有效措施。

圖7 不同空間布局下作物水分利用效率

3 結(jié)論與討論

黃偉等[9]通過對(duì)冀西北壩上半干旱地區(qū)，南瓜-油葵間作試驗(yàn)表明：南瓜-油葵間作在南瓜生長中后期出現(xiàn)了明顯的水分爭奪現(xiàn)象，而種植單行油葵則沒有此現(xiàn)象。說明作物耗水量因空間布局的不同而有顯著差異。本研究結(jié)果表明全生育期中單作的總耗水量較小，單作與間作棉花耗水量間有顯著的差異，而間作棉花中2∶2行比種植的棉花比2∶4行比種植的棉花耗水量較大；棉花株距為10 cm或12.5 cm對(duì)耗水總量沒有太大的影響。相較于株距對(duì)棉花耗水量的影響，種植模式對(duì)其的影響更大。

另有研究表明[18-20]，在作物總耗水量中，土壤棵間蒸發(fā)量占有較大比重，降低土壤棵間蒸發(fā)量可以有效減少土壤水分無效散失、提高水分有效利用；本研究發(fā)現(xiàn)，合理的空間布局同樣可以減少棵間蒸發(fā)量，降低蒸散比。間作棉花的棵間蒸發(fā)量在棉花株距為10 cm時(shí)較相應(yīng)單作低，間作系統(tǒng)的蒸散比在種植2行棉花、棉花株距為10 cm時(shí)較低，說明合理的空間布局是降低間作水分的無效損失、提高間作群體對(duì)水分充分利用的有效途徑。作物系統(tǒng)的蒸發(fā)量、E/ET會(huì)受到很多因素方面的影響[20]，整個(gè)生育期中間作系統(tǒng)均低于單作系統(tǒng)，棗棉間作的相互作用是導(dǎo)致該結(jié)果的重要原因。作物群體中的棵間蒸發(fā)量與地表覆蓋以及土壤結(jié)皮等因子是緊緊相連的[21-22]，棗棉間作能夠有效增加地表覆蓋、降低間作蒸發(fā)量和E/ET，提高水分利用率。株距對(duì)單作總耗水的影響大于對(duì)間作系統(tǒng)的影響，土壤棵間蒸發(fā)量和蒸散比在棉花株距為10 cm時(shí)最低。間作模式下種植2行棉花、棉花株距為10 cm時(shí)更有利于減少土壤棵間蒸發(fā)量和降低蒸散比，提高水分利用率。

不同空間布局下，種植4行棉花、株距為10 cm時(shí)棉花產(chǎn)量和水分利用效率最高，說明種植模式為1膜4行、株距為10 cm時(shí)對(duì)間作棉花有明顯的增產(chǎn)增效作用。適宜的棗棉間作空間布局下（兩行棗樹種植4行棉花，棉花株距為10 cm）可獲得較高的產(chǎn)量和水分利用效率。