沿黃灌區(qū)玉米間作油菜對土壤水熱效應(yīng)及產(chǎn)量的影響①

尚旭民 王鳳仁 夏博文 Galimah Girmanee Taylor 周彥莉 逄 蕾③

（1 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅蘭州 730070；2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 甘肅蘭州 730070；3 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)植物生產(chǎn)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 甘肅蘭州 730070）

間作是在同一塊土地上，兩種或兩種以上播種期和生長季節(jié)相近的作物隔株、隔行或隔畦種植的方式，間作不僅有利于促進(jìn)土壤環(huán)境的改善［1-2］，增加土壤養(yǎng)分含量［3-4］，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的吸收［5］、提升水分利用效率［6］、也有利于提高耕地的質(zhì)量和利用效率［7-8］，提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)［9］，調(diào)節(jié)大氣成分、涵養(yǎng)水資源和防風(fēng)固沙的功能［10］。油菜是我國主要的油料作物之一，種植面積為740萬hm2［11］，不僅是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，也是很好的飼料和綠肥作物［12］，可有效改善土壤的物理性質(zhì)［13］。玉米是我國的主要糧食作物之一，其產(chǎn)量占世界玉米產(chǎn)量的20%。

甘肅省白銀市，地處沿黃灌區(qū)，近年來，環(huán)境污染嚴(yán)重，糧食增產(chǎn)提質(zhì)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為此，探索合理的種植方式提高作物產(chǎn)量，減少土壤水土流失，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染成為解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要任務(wù)。通過在甘肅省白銀市白銀區(qū)水川鎮(zhèn)設(shè)置玉米間作油菜試驗(yàn)，研究玉米間作油菜對土壤水熱效應(yīng)、產(chǎn)量的影響，以期為甘肅省沿黃灌區(qū)作物種植提供新 的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于甘肅省白銀市白銀區(qū)水川鎮(zhèn)樺皮村 （36°22.18′N、104°17.08′E），玉米為當(dāng)?shù)氐闹饕魑?。該地區(qū)為中溫帶半干旱區(qū)向干旱區(qū)過度帶，海拔1 486.2 m，無霜期為169～220 d，年平均降水量在180～450 mm，年蒸發(fā)量在1 500～1 600 mm，降水主要集中在每年7～8月，白銀區(qū)為灌於土，容重為1.3 g/cm3，光照充足，水資源豐富。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)置玉米間作油菜（間作油菜和間作玉米）、玉米單作、油菜單作3個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，完全隨機(jī)區(qū)組排列。其中：玉米間作油菜處理中間作玉米的帶寬120 cm，播種3行玉米，玉米行距劃分結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，分為寬窄行，寬行80 cm，窄行40 cm，株距24 cm，種植密度為8×104株/hm2；間作油菜帶寬100 cm，播種4行油菜，行距為20 cm；單作玉米行距為寬行80 cm，窄行40 cm，株距30 cm，種植密度為8×104株/hm2。單作油菜的行距為20 cm。在玉米和油菜全生育期內(nèi)分別在玉米播前、拔節(jié)、開花、灌漿期進(jìn)行灌溉。每次灌溉量為1 800 m3/hm2。施肥量為純N 360 kg/hm2，純P2O5225 kg/hm2。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 土壤水分測定

土壤含水量：采用烘干法分別測定播前、苗期、拔節(jié)、開花、收獲時(shí)期0～200 cm土層土壤水分含量。

土壤耗水量計(jì)算公式為

式（1）中，ET為間作全生育時(shí)期60 cm土層土壤耗水量（mm）；P為播種到收獲時(shí)期的降雨量（mm）；ΔW為收獲期與播前土壤貯水量的差值（mm）；I為灌溉量。全生育期內(nèi)的試驗(yàn)地地勢平坦，地表徑流和土壤水分滲漏等因素可以忽略不記。

土壤貯水量計(jì)算公式為

式（2）中，SWS為土壤貯水量；ρ為土壤容重（g/cm3）；ω為土壤含水量（%）；h為土層深度（cm），土層厚度以60 cm計(jì)算。

ET=P+ΔW+I水分利用效率：計(jì)算公式為

式（3）中，WUE為水分利用效率；Y為籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）；ET為全生育時(shí)期作物土壤耗水量（mm）。

1.3.2 土壤溫度測定

利用曲管地溫計(jì)記錄0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm土層土壤溫度的變化，每個(gè)生育時(shí)期測定一次，每次連續(xù)測定3天。每次測定時(shí)間為8∶00、12∶00、18∶00。

1.3.3 產(chǎn)量測定

各處理在成熟期隨機(jī)選取6株玉米和10株油菜進(jìn)行室內(nèi)考種，估算玉米和油菜的產(chǎn)量。

1.3.4 土地當(dāng)量比

式（4）中，Yai、Ybi、Yas、Ybs分別表間作玉米、間作油菜、單作玉米、單作油菜的產(chǎn)量。當(dāng)LER＞1時(shí)，有間作優(yōu)勢；當(dāng)LER＜1時(shí)無間作優(yōu)勢。

1.3.5 作物種間競爭力

式（5）中，Aa代表玉米、油菜之間的競爭能力，Yai、Ybi、Yas、Ybs分別表間作玉米、間作油菜、單作玉米、單作油菜的產(chǎn)量。當(dāng)Aa=0時(shí)，表明兩種作物之間無競爭力；當(dāng)Aa＞0時(shí)，表明a的競爭優(yōu)勢大于b作物的競爭優(yōu)勢。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用Ducan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)定為p=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米間作油菜對土壤水分的影響

由圖1可知，土壤含水量總體表現(xiàn)為玉米的土壤含水量高于油菜的土壤含水量，間作的土壤含水量低于單作的土壤含水量。拔節(jié)期，間作玉米比單作玉米土壤含水量低13.68 %，間作油菜比單作油菜低9.7 %。開花期，間作玉米比單作玉米低13.68 %，間作油菜比單作油菜低9.70 %。灌漿期，間作玉米比單作玉米低13.86 %，間作油菜比單作油菜低9.7 %。收獲期，因油菜收獲在玉米收獲之前，間作玉米、間作油菜、單作油菜土壤含水量間顯著性差異。

圖1 玉米間作油菜對不同生育時(shí)期土壤水分含量的影響

由圖2可知，隨著土層深度的增加，土壤水分含量呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢，其中60～80 cm土層土壤含水量達(dá)到最大。同時(shí)0～80 cm土壤含水量變化較為復(fù)雜，80～120 cm土壤含水量變化逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 不同生育時(shí)期不同土層土壤含水量變化

2.2 玉米間作油菜對土壤階段性耗水量的影響

由表1可知，油菜的土壤耗水量大于玉米的土壤耗水量。播前至苗期，油菜和玉米的土壤耗水量存在極顯著的差異（p＜0.01），間作油菜土壤耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強(qiáng)度比間作玉米高6.95%、6.67%和6.94%，單作油菜比單作玉米高12.18%、10.34%和12.10%。拔節(jié)至開花、開花至灌漿期、灌漿期至收獲時(shí)期，間作油菜、間作玉米、單作油菜和單作玉米的土壤耗水量、耗水系數(shù)、耗水強(qiáng)度無顯著性差異（p＞0.05），但土壤耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強(qiáng)度的均值均表現(xiàn)為玉米＞油菜，間作油菜在拔節(jié)至開花時(shí)期、開花至灌漿時(shí)期和灌漿至收獲時(shí)期單作油菜土壤耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強(qiáng)度比單作玉米低，耗水量分別低7.44%、1.75%和2.20%，耗水強(qiáng)度分別低7.43%、1.83%和2.26%，S2-S3和S4-S5的耗水模系數(shù)分別低8.70%、4.55%。間作油菜在不同時(shí)期的土壤耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強(qiáng)度比單作玉米低，耗水量分別低6.23%、0.75%和7.90%，耗水強(qiáng)度分別低6.26%、0.74%和7.90%，拔節(jié)至開花期和開花期至灌漿期的耗水模系數(shù)分別低4.34%、5.00%。綜上所述，油菜在苗期至拔節(jié)時(shí)期的土壤耗水量大于玉米。全生育期中的玉米和油菜總耗水量無顯著性差異，也就說明間作對土壤耗水量影響不顯著。

表1 不同生育時(shí)期油菜間作玉米土壤階段性耗水量

2.3 玉米間作油菜對土壤水分利用效率的影響

由表2可知，間作的土壤水分利用效率低于單作，油菜土壤水分利用效率低于玉米，油菜對土壤水分的競爭小于玉米。土壤水分利用效率間作油菜極顯著低于間作玉米87.00%（p＜0.01）、間作油菜比單作油菜極顯著低67.97%（p＜0.01）、間作玉米比單作玉米低52.34%（p＜0.01）、單作油菜極顯著低于單作玉米80.65%（p＜0.01）。即土壤水分利用效率間作＜單作、油菜＜玉米。

表2 玉米間作油菜對土壤水分利用效率的影響

2.4 玉米間作油菜對土壤溫度的影響

由圖3可知，不同生育期土壤溫度存在差異，玉米間作和單作土壤溫度呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，均為先升高后降低趨勢。間作的土壤溫度比單作低，玉米的土壤溫度比油菜高。苗期至拔節(jié)期，單作玉米和間作玉米植株幼小，對地面的遮光效果較差，陽光可直射地面，導(dǎo)致土壤溫度升高。間作油菜和單作油菜因地面的覆蓋物增加，太陽光不能直射地面，導(dǎo)致土壤溫度降低。拔節(jié)至開花期，玉米植株葉片面積增大，對太陽光的輻射產(chǎn)生阻擋，使太陽光不能直射地面，致使溫度降低。同時(shí)間作油菜的土壤溫度因大氣溫度的整體上升呈現(xiàn)出上升的趨勢。開花至收獲期，因氣溫降低，土壤的溫度降低，且油菜已經(jīng)收獲，間作油菜、間作玉米、單作玉米、單作油菜的土壤溫度變化無顯著性差異，變化趨勢基本一致。

圖3 不同生育時(shí)期土壤溫度的變化趨勢

由圖4可知，不同土層土壤溫度存在差異。0～15 cm土層土壤溫度表現(xiàn)為單作玉米＞間作玉米＞間作油菜＞單作油菜，相比單作油菜和單作玉米，間作油菜0～5、5～10、10～15 cm土層土壤溫度分別升高了3.77 %、4.27 %、2.20 %，間作玉米0～5、5～10、10～15 cm土層土壤溫度分別降低了4.26 %、4.32 %、4.57 %。20～25 cm土層土壤溫度表現(xiàn)為玉米土壤溫度高于油菜土壤溫度。因此，玉米間作油菜能夠改變土壤溫度，且隨著土層的不斷增加，土壤溫度逐漸降低。

圖4 不同土層土壤溫度變化趨勢

2.5 玉米間作油菜對玉米和油菜產(chǎn)量和土地生產(chǎn)力的影響

由圖5可知，玉米間作油菜種植模式中，玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢，間作玉米與單作玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量有顯著差異。相比單作，間作玉米的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別降低51.84%、54.18%，間作油菜的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別降低67.66%、41.07%?？梢婇g作種植降低了玉米和油菜的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

圖5 玉米間作油菜對產(chǎn)量的影響

通過計(jì)算種植過程中成本投入（種子、肥料、農(nóng)藥、肥料、人工）和實(shí)際投入物資市場價(jià)格，按實(shí)際銷售市場價(jià)格（玉米2.5元/kg、油菜9.6元/kg）測試產(chǎn)值。由表3可知，間作種植模式產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益較低，達(dá)到了22 943.2元/hm2，明顯高于單作玉米（33 153.07元/hm2）和單作油菜（24 284.2元/hm2）經(jīng)濟(jì)效益，相比單作，間作種植模式經(jīng)濟(jì)效益降低30.8%、5.52%，可見，玉米間作油菜種植模式經(jīng)濟(jì)效益增效不明顯，并且有降低的趨勢，造成此現(xiàn)象的原因是間作種植模式中作物相互競爭導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

表3 不同種植模式玉米和油菜的產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益

由表4可知，玉米間作油菜籽粒經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量LE‐RYMC、LERBMC分別為0.805、1.049，間作玉米和間作油菜產(chǎn)量對間作體系貢獻(xiàn)率分別為0.481、0.324，對生物產(chǎn)量貢獻(xiàn)率為0.485、0.591；間作玉米和間作油菜的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量之間的競爭力分別為AaYMC＝0.158、AaBMC＝-0.133?？梢娪衩组g作油菜體系中，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量之間無間作優(yōu)勢，但生物產(chǎn)量之間有間作優(yōu)勢。玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量在種間相對競爭力大于油菜，生物產(chǎn)量種間相對競爭力小于油菜。

表4 玉米間作油菜下土地當(dāng)量比和種間競爭力

因此，間作玉米和間作油菜的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量顯著低于單作玉米和單作油菜，且間作產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益明顯的低于單作，而玉米的經(jīng)濟(jì)效益顯著的高于油菜。由此可知白銀市水川鎮(zhèn)適合種植玉米。

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，間作土壤含水量低于單作的土壤含水量，玉米的土壤含水量低于油菜的土壤含水量。玉米間作油菜對土壤的水分的需求更大；玉米間作油菜種植模式能改變土壤溫度，降低土壤溫度。玉米間作油菜的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量不具有間作優(yōu)勢，但生物產(chǎn)量具有間作優(yōu)勢，玉米的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量高于油菜的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，綜上所述白銀市水川鎮(zhèn)適宜種植玉米。

3.1 玉米間作油菜對產(chǎn)量的影響

有研究表明，間作能夠提升作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量［14-15］，也有研究表明，間作不能提升作物籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量［16-18］。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比單作，間作籽粒產(chǎn)量LER＜1，存在間作劣勢，但間作生物產(chǎn)量LER＞1，存在間作優(yōu)勢；籽粒產(chǎn)量方面，玉米和油菜種間競爭力表現(xiàn)為玉米＞油菜，從生物量角度來說，玉米和油菜種間競爭力表現(xiàn)為油菜＞玉米，這與李光文等［19］研究結(jié)論相似，與唐明明等［20］結(jié)論相反，可能是由于玉米間作油菜，存在水分、光照、養(yǎng)分競爭，導(dǎo)致間作產(chǎn)量降低，也可能是玉米間作油菜種植帶比例不合理；從玉米間作油菜經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量來說，玉米間作油菜經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量較低，但因其具有較高的生物產(chǎn)量。

3.2 玉米間作油菜對土壤水分的影響

與單作相比，間作具有較高生產(chǎn)力和土壤水分利用效率，間作土壤水分變化與單作土壤水分變化也存在差異，玉米和油菜對水分的需求也存在差異。本研究發(fā)現(xiàn)，間作土壤含水量低于單作土壤含水量。土壤含水量低于油菜土壤含水量。玉米間作油菜與單作玉米、單作油菜在不同土層土壤水分含量隨著土壤深度的增加，呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，這與任媛媛［21］玉米大豆間作試驗(yàn)的研究結(jié)論相反，可能是由于間作作物需水不同及作物生育期內(nèi)灌水不同造成。也可能是由于間作作物不同。研究還發(fā)現(xiàn)，間作土壤水分利用效率低于單作土壤水分利用效率，這與Thorsted M D等［22］的研究結(jié)果相似，造成這種現(xiàn)象的原因可能是灌溉量過大，導(dǎo)致土壤水分利用效率降低。同時(shí)也可能是間作玉米的種植密度以及種植帶的寬度設(shè)置不合理造成的產(chǎn)量降低，因此后期對種植帶寬和種植密度以及灌溉制度應(yīng)進(jìn)一步考慮研究。

3.3 玉米間作油菜對土壤溫度的影響

土壤溫度作為影響作物生長發(fā)育的重要因素之一，對作物發(fā)芽、出苗、干物質(zhì)積累和土壤養(yǎng)分的積累有重要作用。過高或過低的土壤溫度對作物的生長發(fā)育會(huì)產(chǎn)生不同的影響。研究表明，相比單作，間作改變了作物生長的空間結(jié)構(gòu)，也改變了光對地面的輻射強(qiáng)度使得間作農(nóng)田與單作農(nóng)田土壤溫度的變化有所不同［23-24］。本研究表明，間作的土壤溫度低于單作的土壤溫度。這與朱振興等［24］、譚雪蓮［25-26］等研究結(jié)果基本相似。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著作物的不斷，玉米的土壤溫度變化呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，油菜的土壤溫度變化呈現(xiàn)出先下降后上升再下降的趨勢，這可能是由于前期玉米行間距大，葉面積小和葉片密度小，對地面的遮光效果差，太陽輻射直射地表，造成土壤溫度的上升，而油菜因也葉片數(shù)量較多，且較為密集，對地面遮光效果較強(qiáng)造成土壤的溫度降低。后期隨著環(huán)境溫度上升油菜的土壤溫度上升，但隨著玉米生長葉面積增大，葉片數(shù)量增加，導(dǎo)致土壤溫度降低。這與姚凡云等［27］研究結(jié)果基本相似。