高粱和大豆間作對(duì)土壤水分分布及水分利用效率的影響

梁曉紅，曹 雄，張瑞棟，劉 靜，黃敏佳，王愛(ài)愛(ài)

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)作物研究所，山西 汾陽(yáng) 032200）

水分不足是黃土高原作物生長(zhǎng)的主要限制因素，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須以水分的高效利用為中心[1]。因此，探究如何提高農(nóng)作物對(duì)水資源的利用效率成為干旱、半干旱地區(qū)作物穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。間作是傳統(tǒng)的種植模式，可以科學(xué)合理地利用水熱光養(yǎng)分等資源，一定程度上實(shí)現(xiàn)了用地養(yǎng)地相結(jié)合，被認(rèn)為是保持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)途徑[2-3]。合理的間作種植模式有利于創(chuàng)造適宜作物生長(zhǎng)發(fā)育的土壤水分環(huán)境，提高作物水分利用效率[4]。間作提高水分利用效率的機(jī)制主要有4個(gè)方面：一是間作系統(tǒng)中高低鑲嵌的作物冠層結(jié)構(gòu)改善了透光條件和田間大氣的流通，提高了水分對(duì)作物的有效性；二是耗水量中較大的一部分可能被具有較高水分利用效率的作物所捕獲，從而增加了其對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)；三是由2種不同形態(tài)或者生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的作物所組成的間作系統(tǒng)，由于需水期有所錯(cuò)位減少對(duì)土壤水分利用的競(jìng)爭(zhēng)；四是不同作物根系時(shí)空分布上互補(bǔ)，深根系作物的“提水作用”對(duì)群體水分達(dá)到補(bǔ)償效應(yīng)[5-7]。

目前，對(duì)間作土壤水分利用的研究較多，玉米和花生間作系統(tǒng)中高耗水作物玉米可能通過(guò)吸收花生條帶的水分降低對(duì)自身?xiàng)l帶水分的過(guò)度消耗，從而改善間作玉米的土壤水分利用環(huán)境[8]。糜子和綠豆間作模式的水分利用效率比單作糜子平均提高16.18%，2∶4間作模式具有最高的水分利用效率[9]。玉米和豌豆間作比單作可提高作物水分利用效率3.07%～43.38%[10]，間作作物地下水分的帶間遷移和根系空間生態(tài)位的適度重疊是提高作物水分利用效率的重要途徑[11]。花生和谷子間作提高了間作群體的抗旱性，整個(gè)生育期間作系統(tǒng)的需水量較花生單作、谷子單作分別減少9.68、20.55 mm[12]。高粱和豇豆間作系統(tǒng)中高粱和豇豆的水分利用效率比相應(yīng)的單作分別提高33.1%和46%[13]。李恩慧等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在小麥和苜蓿共生期間作的水分利用效率比小麥單作和苜蓿單作分別提高16.98%和62.38%。眾多研究發(fā)現(xiàn)，間作種植模式有利于系統(tǒng)水分利用效率的提升；但也有研究結(jié)果表明，間作系統(tǒng)的水分利用效率有降低趨勢(shì)[15]，間作作物的水分利用效率比單作降低[8,16]。研究發(fā)現(xiàn)，高粱和大豆間作種植可提高高粱光合能力及周年產(chǎn)量和效益[17-18]。但目前關(guān)于高粱和大豆間作對(duì)土壤水分分布及水分利用效率的影響研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，選取高稈高粱品種晉雜22、矮稈高粱品種晉雜34和大豆間作，研究高粱和大豆不同間作行比配置下土壤水分利用情況及作物葉片、干物質(zhì)、產(chǎn)量水分利用效率，探討間作中表現(xiàn)的水分利用優(yōu)勢(shì)，為高粱和大豆間作實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018—2019年在山西省呂梁市汾陽(yáng)市山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)作物研究所高粱試驗(yàn)田（111°47′E、37°15′N）進(jìn)行，該區(qū)屬典型溫帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量約440 mm，年平均氣溫為11.3℃，一年一熟制。2018、2019年的降雨量分別為400.0、377.7 mm；作物生育期降雨量分別為345.2、285.5 mm。2019年由于前期干旱，于7月8日灌溉一次，灌溉量為120 mm。供試土壤為砂壤土，2018—2019年0～20 cm耕層土壤基本理化性狀見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)耕層土壤基本理化性狀Tab.1 Physical and chemical properties of soil in experimental site

供試高粱品種為高稈品種晉雜22和矮稈品種晉雜34；供試大豆品種為晉豆40、晉豆25，均為早熟品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置7個(gè)處理，包括高稈高粱晉雜22單作（G1），株距15.8 cm、行距60 cm；矮稈高粱晉雜34單作（G2），株距12.2 cm、行距60 cm；大豆單作（D），株距14.4 cm、行距50 cm；2行高粱2行大豆間作（2G1∶2D、2G2∶2D），高稈高粱株距9.3 cm、矮稈高粱株距7.0 cm、大豆株距7.0 cm，高粱行距40 cm、大豆行距30 cm、高粱大豆行間距60 cm，帶寬1.9 m；2行高粱4行大豆間作（2G1∶4D、2G2∶4D），高稈高粱株距7.6 cm、矮稈高粱株距5.8 cm、大豆株距11.6 cm，高粱行距40 cm、大豆行距30 cm、高粱大豆行間距50 cm，帶寬2.3 m。2018年種植大豆品種晉豆40，2019年種植大豆品種晉豆25，每個(gè)處理3次重復(fù)，南北向種植，行長(zhǎng)5 m，單作小區(qū)行寬6 m，間作處理種植3個(gè)帶寬。2018年高粱于5月3日播種，9月27日收獲；大豆于5月5日播種，10月8日收獲。2019年高粱于5月6日播種，9月26日收獲；大豆于5月8日播種，9月22日收獲。2 a大田試驗(yàn)中，種植前試驗(yàn)田撒施了雞糞作為底肥，后期未進(jìn)行追肥，其他均為正常田間管理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤含水量 于2018年和2019年作物播種前和作物成熟期在每個(gè)小區(qū)用土鉆以每20 cm為一層采集0～100 cm土壤樣本，采用烘干法測(cè)定土壤含水量；作物定苗（2018年6月11日、2019年6月18日）之后用TDR土壤水分速測(cè)儀結(jié)合烘干法測(cè)定土壤含水量，自上而下每20 cm為一層，0～20 cm用烘干法測(cè)定土壤含水量，20～100 cm用TDR土壤水分速測(cè)儀測(cè)定。單作小區(qū)隨機(jī)鋪設(shè)2個(gè)測(cè)管，間作小區(qū)分別在高粱株間、高粱行間、高粱大豆行間、大豆株間、大豆行間連續(xù)鋪設(shè)測(cè)管，間作處理的土壤含水量為各帶平均土壤含水量。

1.3.2 葉片水分利用效率 于2018年7月15日、2018年7月20日，2019年7月14日、2019年7月19日（大豆正值開(kāi)花結(jié)莢期）9:00—12:00，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，采用TARGAS-1便攜式光合作用測(cè)定儀測(cè)定高粱和大豆最上部完全展開(kāi)葉的凈光合速率（Pn）和蒸騰速率(Tr)，計(jì)算葉片水分利用效率，葉片水分利用效率=Pn/Tr。

1.3.3 生物量、產(chǎn)量及其水分利用效率 高粱成熟期單、間作處理各選取高粱6株，大豆成熟期單、間作處理各選取大豆12株，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定生物量。每個(gè)小區(qū)實(shí)收測(cè)產(chǎn)，按含水量14%折算產(chǎn)量。計(jì)算干物質(zhì)水分利用效率、籽粒產(chǎn)量水分利用效率，干物質(zhì)水分利用效率=作物生物量/作物耗水量，產(chǎn)量水分利用效率＝作物產(chǎn)量/作物耗水量。

間作系統(tǒng)水分利用優(yōu)勢(shì)由水分當(dāng)量比(Water equivalent ratio，WER)表示，計(jì)算公式[8]：

WER=WERg+WERd=WUEig/WUEsg+WUEid/WUEsd

式中，WERg、WERd分別為間作系統(tǒng)中高粱、大豆的 相 對(duì) 產(chǎn) 量 水 分 利 用 效 率；WUEig、WUEsg、WUEid、WUEsd分別表示間作、單作高粱和大豆的產(chǎn)量水分利用效率。當(dāng)WER＞1時(shí)，說(shuō)明高粱和大豆間作系統(tǒng)農(nóng)田水分利用效率比單作提高；當(dāng)WER＝1時(shí)，說(shuō)明高粱和大豆間作系統(tǒng)農(nóng)田水分利用效率與單作相當(dāng)；當(dāng)WER＜1時(shí)，說(shuō)明高粱和大豆間作農(nóng)田水分利用效率比單作降低。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007和Origin 7.0進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和作圖，采用SPSS24.0軟件的Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 高粱和大豆間作對(duì)土壤水分利用的影響

2.1.1 全生育期0～100 cm土層土壤含水量 由圖1、圖2可知，與2018年相比，2019年不同處理0～100 cm土層土壤含水量整體上均較低，且不同處理間差異較小。2018年，晉雜22和大豆不同處理的0～100 cm土層土壤含水量在整個(gè)生育期總體呈D＞2G1∶2D＞2G1∶4D＞G1，6月11日至7月25日表現(xiàn)尤為明顯；2G1∶2D、2G1∶4D間作處理的平均土壤含水量較D處理分別降低8.39%、12.94%，較G1處理分別提高12.48%、6.90%。2018年，晉雜34和大豆不同處理的0～100 cm土層土壤含水量在整個(gè)生育期大致呈D＞2G2∶4D＞G2＞2G2∶2D；2G2∶2D、2G2∶4D處理的平均土壤含水量較D處理分別降低16.81%、9.41%，2G2∶4D處理較G2處理提高4.21%，2G2∶2D處理較G2處理降低4.31%。

圖1 晉雜22和大豆間作對(duì)0～100 cm土層土壤含水量的影響Fig.1 Effect of Jinza 22-soybean intercropping pattern on water content in 0—100 cm soil layer

圖2 晉雜34和大豆間作對(duì)0～100 cm土層土壤含水量的影響Fig.2 Effect of Jinza 34-soybean intercropping pattern on water content in 0—100 cm soil layer

2.1.2 間作下不同條帶土壤含水量 對(duì)定苗之后到成熟期各間作處理不同條帶0～100 cm全生育期土壤平均含水量進(jìn)行比較可知（圖3），各間作處理高粱帶、交接帶、大豆帶間土壤含水量差異不顯著。但是，整體上各間作處理的土壤含水量呈現(xiàn)2種趨勢(shì)：大豆帶＞交接帶＞高粱帶，大豆帶＞高粱帶＞交接帶；高粱帶的土壤含水量始終低于大豆帶。2 a 2G1∶2D、2G1∶4D處理高粱帶的土壤含水量比大豆帶平均降低0.54%、5.49%，2G2∶2D、2G2∶4D處理高粱帶的土壤含水量比大豆帶平均降低2.41%、4.03%。

圖3 不同間作處理不同條帶土壤含水量Fig.3 The soil water content of different strips in different intercropping treatments

2.1.3 土壤水分垂直分布特征 圖4是2018年8月4日不同處理0～100 cm土層土壤水分垂直分布情況，正值高粱灌漿期、大豆結(jié)莢期，2018年降雨集中在7月，播種至8月4日降雨量262.7 mm。由圖4可知，0～20 cm土層土壤含水量最低。D處理60 cm以下土層土壤含水量基本趨于穩(wěn)定，處于較高水平。不同處理間比較，總體上各土層D處理土壤含水量最高。對(duì)于晉雜22和大豆間作處理來(lái)說(shuō)，各土層間作處理的土壤含水量高于G1處理，2G1∶2D、2G1∶4D處理0～40 cm土層土壤含水量分別比G1處理提高7.42%、4.81%，40～80 cm土層土壤含水量分別比G1處理提高18.62%、13.92%，80～100 cm土層土壤含水量分別比G1處理提高2.16%、13.59%。對(duì)于晉雜34和大豆間作處理來(lái)說(shuō)，2G2∶2D、2G2∶4D處理0～40 cm土層土壤含水量分別比G2處理提高0.19%、10.57%；40～80 cm土層土壤含水量分別比G2處理降低14.30%、6.76%；80～100 cm土層，2G2∶2D處理土壤含水量比G2處理降低1.14%，2G2∶4D處理土壤含水量比G2處理提高12.61%。

圖4 2018年高粱和大豆間作對(duì)土壤水分垂直分布的影響（8月4日）Fig.4 Effect of sorghum-soybean intercropping pattern on profile vertical distribution of soil water on August 4，2018

圖5是2019年7月4日不同處理0～100 cm土層土壤水分垂直分布情況，正值高粱處于拔節(jié)孕穗期、大豆開(kāi)花初期；播種至7月4日降雨量?jī)H為37.9 mm。由圖5可知，0～20 cm土層土壤含水量仍是最低。D處理60 cm土層以下土壤含水量處于較高水平。不同處理間比較，各土層間作處理土壤含水量總體上都低于D處理。對(duì)于晉雜22和大豆間作處理來(lái)說(shuō)，0～40 cm土層，2G1∶2D處理土壤含水量比G1處理提高5.81%，2G1∶4D處理比G1處理降低1.03%；40～80 cm土層，2G1∶2D、2G1∶4D處理土壤含水量分別比G1處理提高7.71%、2.76%；80～100 cm土層，2G1∶2D處理土壤含水量比G1處理降低7.73%，2G1∶4D處理比G1處理提高0.77%。對(duì)于晉雜34和大豆間作處理來(lái)說(shuō)，0～40 cm土層，2G2∶2D、2G2∶4D處理土壤含水量比G2處理提高7.73%、4.90%；40～80 cm土層，2G2∶2D處理土壤含水量比G2處理降低6.21%，2G2∶4D處理僅比G2處理提高0.50%；80～100 cm土層，2G2∶2D、2G2∶4D處理土壤含水量分別比G2處理提高18.15%、2.15%?？梢?jiàn)，高稈高粱晉雜22和大豆間作處理40～80 cm土層土壤含水量比單作高粱晉雜22高；而矮稈高粱晉雜34和大豆間作處理80～100 cm土層土壤含水量比單作高粱晉雜34高。

圖5 2019年高粱和大豆間作對(duì)土壤水分垂直分布的影響（7月4日）Fig.5 Effect of sorghum-soybean intercropping pattern on profile vertical distribution of soil water on July 4，2019

2.2 高粱和大豆間作對(duì)作物葉片水分利用效率的影響

從圖6可知，與相應(yīng)的高粱單作處理相比，2018年，不同高粱和大豆間作處理高粱葉片水分利用效率差異不顯著；2019年，高粱和大豆間作處理高粱葉片水分利用效率均降低，但僅2G2∶4D處理差異顯著，2G1∶4D、2G2∶4D處理高粱葉片水分利用效率分別降低20.89%、24.66%，2G1∶2D、2G2∶2D處理高粱葉片水分利用效率分別降低15.82%、14.37%。與大豆單作處理相比，2018—2019年2G1∶4D、2G2∶4D處理大豆葉片水分利用效率分別降低6.67%、5.26%，2G1∶2D、2G2∶2D處理大豆葉片水分利用效率分別降低19.86%、16.14%，但差異均不顯著，說(shuō)明2∶2間作處理比2∶4間作處理對(duì)大豆的影響更明顯。

圖6 高粱和大豆間作對(duì)作物葉片水分利用效率的影響Fig.6 Effect of sorghum-soybean intercropping pattern on leaf water use efficiency

2.3 高粱和大豆間作對(duì)生物量、產(chǎn)量及其水分利用效率的影響

由表2可知，與高粱單作處理相比，高粱和大豆間作處理晉雜22和晉雜34的生物量降低，但差異不顯著。對(duì)于晉雜22和大豆間作處理，2018年2G1∶4D處理高粱的產(chǎn)量顯著低于G1處理，2019年間作處理的高粱產(chǎn)量與G1處理差異均不顯著；2 a 2G1∶2D、2G1∶4D處理高粱平均產(chǎn)量分別較G1處理降低15.33%、22.76%。對(duì)于晉雜34和大豆間作處理，2018—2019年2G2∶4D處理高粱的產(chǎn)量均顯著低于單作，2018年2G2∶2D處理高粱的產(chǎn)量也顯著低于單作，2a 2G2∶2D、2G2∶4D處理高粱平均產(chǎn)量分別較G2處理降低28.47%、39.18%。

表2 高粱和大豆間作對(duì)作物生物量、產(chǎn)量及其水分利用效率的影響Tab.2 Effects of sorghum-soybean intercropping pattern on the biomass，grain yield and their water use efficiencies

與大豆單作處理相比，2018—2019年2G1∶2D處理大豆生物量均顯著降低，平均降低51.12%，其他間作處理與單作處理間差異均不顯著；2G2∶2D處理大豆生物量平均降低40.75%。間作處理的大豆產(chǎn)量2 a表現(xiàn)不一，2018年與大豆單作處理間差異不顯著，2019年2∶2處理大豆產(chǎn)量顯著低于大豆單作處理，2∶4處理與大豆單作處理間差異不顯著。2018—2019年2G1∶2D、2G1∶4D處理大豆平均產(chǎn)量分別較大豆單作處理降低50.98%、17.48%；2G2∶2D、2G2∶4D處理大豆平均產(chǎn)量分別較大豆單作處理降低47.69%、15.49%。

2018—2019年間作處理晉雜22的干物質(zhì)水分利用效率和產(chǎn)量水分利用效率與單作處理間差異均不顯著。與晉雜34單作處理相比，2019年2G2∶2D處理高粱的干物質(zhì)水分利用效率和產(chǎn)量水分利用效率均顯著降低，分別降低24.02%和24.67%；2018—2019年2G2∶4D處理高粱的產(chǎn)量水分利用效率均顯著降低，分別降低37.48%、35.81%。與大豆單作處理相比，2018—2019年2G1∶2D處理大豆的干物質(zhì)水分利用效率均顯著降低，平均降低50.71%；2019年2G1∶2D處理大豆的產(chǎn)量水分利用效率顯著降低，降幅為60.49%；2019年2G2∶2D處理大豆的干物質(zhì)水分利用效率和產(chǎn)量水分利用效率均顯著降低，降幅分別為42.92%和60.85%。

從水分當(dāng)量比來(lái)看，不同間作處理的水分當(dāng)量比均大于1，以2G1∶4D處理最高，說(shuō)明高粱和大豆間作較單作提高了農(nóng)田水分利用效率。2018年不同間作處理的水分當(dāng)量比差異不顯著；2019年2∶4間作處理的水分當(dāng)量比均顯著高于2∶2間作處理，2G1∶4D、2G2∶4D處理分別比2G1∶2D、2G2∶2D處理提高51.18%、48.28%。

3 結(jié)論與討論

間作系統(tǒng)中的水分分配不僅是間作作物地上地下部分動(dòng)態(tài)作用的結(jié)果，也是環(huán)境和作物相互作用的結(jié)果[19]，其利用優(yōu)勢(shì)的形成涉及作物組分本身的生理特性，以及作物組分對(duì)水資源及相關(guān)資源在時(shí)間、空間上利用的競(jìng)爭(zhēng)、互補(bǔ)[4]。本試驗(yàn)中受灌溉和氣候干旱的影響，2019年不同間作處理生育期內(nèi)0～100 cm土層土壤含水量和各土層剖面含水量與高粱、大豆單作處理差異較小。不同間作處理生育期的0～100 cm土層土壤含水量大致介于大豆單作處理和高粱單作處理之間，生長(zhǎng)中后期差異縮小，這與馮良山[12]的研究結(jié)果一致。與高粱單作處理相比，晉雜22和大豆間作處理0～100 cm土層土壤含水量提高幅度比晉雜34和大豆間作處理高。從不同間作處理的不同條帶的土壤含水量可知，高粱帶的土壤含水量始終低于大豆帶，說(shuō)明間作中高粱為高耗水作物，土壤水分可能從大豆帶向交接帶和高粱帶側(cè)滲，從而降低高粱對(duì)自身?xiàng)l帶土壤水分的過(guò)度消耗。從土壤水分垂直分布可知，不同處理土壤水分的垂直變化基本類似，總體上呈先增大后減少最后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。綜合分析土壤水分時(shí)空分布，高粱和大豆間作根系深淺搭配改善農(nóng)田的土壤水分環(huán)境，晉雜22和大豆間作處理比晉雜34和大豆間作處理保持了更高的土壤水分含量，更好地減少了土壤水分的過(guò)度消耗，這可能與矮稈高粱種植密度大、更耗水有關(guān)。高稈高粱晉雜22和大豆間作處理40～80 cm土層土壤含水量比高粱晉雜22單作處理高，說(shuō)明高稈高粱可改善40～80 cm土層土壤水分的利用，進(jìn)而提高產(chǎn)量。

水作為世界上最寶貴的自然資源之一，它參與作物的光合作用，直接影響干物質(zhì)的積累和作物產(chǎn)量[20]。從生物量和產(chǎn)量分析，高粱和大豆間作降低了高粱和大豆的生物量和產(chǎn)量，這與高硯亮等[8]的研究結(jié)果一致。研究表明，由于高位作物玉米嚴(yán)重遮陰，使低位作物大豆處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)，影響大豆植株各器官的生長(zhǎng)與干物質(zhì)積累[21]。本研究中由于高位作物高粱的遮陰作用，使2∶2間作處理的大豆生物量和產(chǎn)量均明顯低于單作處理，2G1∶2D處理大豆平均生物量、產(chǎn)量分別比單作處理降低51.12%、50.98%；2G2∶2D處理大豆平均生物量、產(chǎn)量分別比單作處理降低40.75%、47.69%；2G1∶2D處理大豆的干物質(zhì)水分利用效率和產(chǎn)量水分利用效率總體上均顯著低于大豆單作處理，可見(jiàn)大豆生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，大豆處于光照劣勢(shì)，而這種抑制作用隨著大豆行數(shù)的增加而削弱。2G1∶4D處理大豆平均產(chǎn)量較單作處理降低17.48%，2G2∶4D處理大豆平均產(chǎn)量較單作處理降低15.49%。2G1∶4D處理高粱和大豆的葉片、干物質(zhì)、產(chǎn)量水分利用效率與相應(yīng)單作處理差異均不顯著。

水分當(dāng)量比能全面評(píng)價(jià)農(nóng)田水分利用能力，高粱和大豆間作系統(tǒng)水分當(dāng)量比均大于1，說(shuō)明高粱和大豆間作改善了土壤水分環(huán)境，提高了農(nóng)田水分生產(chǎn)力。2018年不同間作處理的水分當(dāng)量比差異不顯著；2019年2∶4間作處理的水分當(dāng)量比均顯著高于2∶2間作處理，2G1∶4D、2G2∶4D處理分別比2G1∶2D、2G2∶2D處理提高51.18%、48.28%。在本試驗(yàn)條件下，2G1∶4D間作處理具有較高的水分利用優(yōu)勢(shì)。