遼西半干旱區(qū)不同玉米間作花生模式對(duì)作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響

劉 洋董 智董 俊蘇建黨張曉鵬孫繼軍蔡廣興侯志研

(1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110161; 2.國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)站,遼寧 阜新123100; 3.阜蒙縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心,遼寧 阜新 123100; 4.遼寧省沙地治理與利用研究所,遼寧 阜新 123000; 5.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境資源研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110161)

水是作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素。遼寧省西部屬風(fēng)沙半干旱區(qū),土壤風(fēng)蝕沙化嚴(yán)重,年降水量?jī)H為300～600 mm,且降水變率較大,旱災(zāi)頻繁,作物水分利用率低,因而制約了遼西農(nóng)戶(hù)的增產(chǎn)增收[1～2]。間作是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的精髓,是指在同一塊土地上通過(guò)種植多種作物的合理搭配,復(fù)合群體對(duì)光照、水分養(yǎng)分和土地等資源實(shí)現(xiàn)高效利用,不但具有較高的單位面積糧食產(chǎn)出,而且可以降低因氣候變化帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),是防風(fēng)固沙的重要生態(tài)措施,也是旱作農(nóng)業(yè)區(qū)常見(jiàn)的種植模式[3-4]。眾多研究表明,玉米間作豆科作物可以改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境,如玉米間作大豆[5]、玉米間作花生[6～7]、玉米間作蠶豆等[8],顯著提高了作物產(chǎn)量和土地生產(chǎn)力。前人研究也顯示,干旱和半干旱農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)玉米間作大豆、玉米間作豌豆可提高土壤含水量、降低表層土壤水分蒸發(fā)量,通過(guò)合理搭配作物種類(lèi)和群體分布,提高水分利用效率進(jìn)而提高系統(tǒng)作物產(chǎn)量[9～11]。

玉米是遼西種植面積最大的作物,近年來(lái),受氣候環(huán)境和障礙因素的影響導(dǎo)致產(chǎn)量低而不穩(wěn),以遼西的主要農(nóng)作物花生和玉米開(kāi)展間作,可以提高土地生產(chǎn)力和水分利用效率,對(duì)遼西農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究在遼西風(fēng)沙半干旱區(qū)進(jìn)行玉米間作花生種植,通過(guò)對(duì)不同行比玉米間作花生模式的產(chǎn)量構(gòu)成因素、土地當(dāng)量比及水分利用當(dāng)量比的進(jìn)行對(duì)比分析,探討不同行比玉米間作花生模式對(duì)土地生產(chǎn)力和水分利用效率的影響,提出適合于遼西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的玉米與花生間作模式,以期為篩選出適宜在遼西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)應(yīng)用的玉米間作花生模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年在遼寧省阜新市阜蒙縣阜新鎮(zhèn)他本村進(jìn)行,阜蒙縣位于遼寧省西部,屬風(fēng)沙半干旱區(qū),耕地面積約32萬(wàn)hm2,是遼寧省重要的商品糧生產(chǎn)基地之一。該區(qū)域年平均氣溫7～8 ℃,10 ℃以上積溫為2 900～3 400 ℃,無(wú)霜期為135～165 d,5～9月份日照時(shí)數(shù)為1 200～1 300 h,年降水變率較大,一般為300～600 mm,“十年九旱”是其基本氣候特征。該區(qū)域土壤以褐土為主,存在耕層變薄、有機(jī)質(zhì)缺乏、貧磷、少氮、水土流失等問(wèn)題。

1.2 供試品種

玉米品種為利農(nóng)368,花生品種為唐科8252。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用4種種植模式,1.M2P4:2行玉米和4行花生間作,條帶寬為3 m;2.M8P8:8行玉米和8行花生間作,條帶寬為8 m;3.S-M:玉米單作,4. S-P:花生單作,每個(gè)處理4次重復(fù)。玉米的株距為0.30 m,花生株距為0.15 m,花生采用一穴雙株種植,單、間作玉米和花生的行間距均為0.5 m,各小區(qū)行長(zhǎng)為85 m,小區(qū)寬為32 m。三元復(fù)合肥(N-P-K 15-15-15)以底肥形式播前一次性施入,單作、間作的施肥用量玉米為750 kg/hm2,花生為450 kg/hm2,后期未進(jìn)行追肥,常規(guī)田間管理。玉米和花生于2019年于5 月10日同期播種,9月27同期收獲。

1.4 項(xiàng)目測(cè)定與方法

土壤水分測(cè)定:在播種前和收獲時(shí)以每10 cm為一層用土鉆采集土壤樣本,玉米和花生條帶取樣深度為100 cm。在間作系統(tǒng)中P1取樣位置為花生中心壟溝,依次至玉米中間條帶壟溝為P6(M2P4)、P11(M8P8)取樣位置點(diǎn)(圖1),按烘干法測(cè)定土壤含水量。 產(chǎn)量測(cè)定:在成熟期,單、間作玉米和花生均隨機(jī)選取5 m行長(zhǎng)進(jìn)行收獲, 4次重復(fù)。收獲后掛置于風(fēng)干棚內(nèi)風(fēng)干,玉米籽粒含水率為14%時(shí),花生籽粒為15.5%時(shí)進(jìn)行稱(chēng)重(用水分測(cè)定儀測(cè)定籽粒含水率),按常規(guī)方法測(cè)定產(chǎn)量構(gòu)成因素。

圖1 玉米和花生間作種植模式及土壤水分取樣位置

玉米果穗性狀和產(chǎn)量構(gòu)成性狀測(cè)定:于作物成熟期,單、間作玉米隨機(jī)選取連續(xù)10株進(jìn)行收獲,單、間作均4次重復(fù)。收獲后掛置于風(fēng)干棚內(nèi)晾曬自然風(fēng)干,常規(guī)方法測(cè)量。

花生產(chǎn)量構(gòu)成等性狀的測(cè)定:于作物成熟期,單、間作花生隨機(jī)選取2 m行長(zhǎng)進(jìn)行收獲,,單、間作均4次重復(fù)。收獲后掛置于風(fēng)干棚內(nèi)晾曬自然風(fēng)干,常規(guī)方法測(cè)量。

1.5 計(jì)算方法

土地當(dāng)量比(land equivalent ratio,LER)計(jì)算公式[12]:

式中,LERm:玉米的偏土地當(dāng)量比,LERp:花生的偏土地當(dāng)量比,Ym,I:間作玉米的產(chǎn)量,Ym,S:單作玉米的產(chǎn)量,Yp,I:間作花生的產(chǎn)量,Yp,S:單作花生的產(chǎn)量。

作物耗水量(evapotranspiration of field,ET)是指作物從播種至收獲整個(gè)生育期農(nóng)田水分消耗的總和。在試驗(yàn)地塊較為平坦、地下水位較深時(shí),地表徑流和地下水補(bǔ)充可以忽略不計(jì),試驗(yàn)過(guò)程中未對(duì)作物進(jìn)行人工灌溉,簡(jiǎn)化后的作物耗水公式如下:

式中,ET :作物耗水量(mm);P:全生育期降雨量(mm);SS:播前土壤儲(chǔ)水量(mm);SF:收獲后土壤儲(chǔ)水量(mm)。

作物水分利用效率(water use efficiency,WUE)是指作物單位耗水量所生產(chǎn)出的產(chǎn)量,通常用作物產(chǎn)量和耗水量的比值來(lái)計(jì)算。

式中,Y:作物產(chǎn)量:ET:作物耗水量為各取樣點(diǎn)的水分?jǐn)?shù)據(jù)的平均數(shù)。

間作系統(tǒng)水分利用優(yōu)勢(shì)由水分當(dāng)量比(water equivalent ratio,WER)計(jì)算公式式中[13]:WER=WERm+WERp= (WUEm,I/WUEm,S)+(WUEp,I/WUEp,S)

式中,WERm:間作系統(tǒng)中玉米的相對(duì)水分利用效率,WERp:間作系統(tǒng)中花生的相對(duì)水分利用效率,WUEm,I:間作玉米水分利用效率,WUEm,S:單作玉米水分利用效率,WUEp,I:間作花生水分利用效率,WUEp,S:單作花生水分利用效率。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量因素

2.1.1 玉米產(chǎn)量因素

不同行比玉米間作花生處理的玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素分析結(jié)果表明(表1),M2P4與玉米單作相比,穗長(zhǎng)、穗粗,穗粒數(shù),百粒重和穗重均存在一定差異,分別比單作增加10.7%,5.5%,8.3%,13.3%和22.3%,禿尖比玉米單作減少,但差異不顯著;可見(jiàn),M2P4與玉米單作在除了禿尖長(zhǎng)之外的其它產(chǎn)量構(gòu)成因素上均增加從而表現(xiàn)增產(chǎn)。M8P8與玉米單作相比穗粒數(shù),百粒重和穗重差異顯著,分別比單作增加5.1%,6.2%,11.6%,穗長(zhǎng)和穗粗略有增加,禿尖變短,但是差異均不顯著,可見(jiàn)穗粒數(shù),百粒重和穗重的增加是M8P8比玉米單作的主要因素,2P4與M8P8相比穗長(zhǎng)、穗粗和穗重差異顯著,禿尖長(zhǎng)、穗粒數(shù)和百粒重差異不顯著。由此可見(jiàn),M2P4比M8P8的穗長(zhǎng)和穗粗增加是增產(chǎn)的主要原因,M2P4 比M8P8的穗長(zhǎng)和穗粗增加是增產(chǎn)的主要原因。

表1 不同行比玉米—花生間作處理下玉米產(chǎn)量因素

2.1.2 花生產(chǎn)量因素分析

不同行比玉米—花生間作處理下花生產(chǎn)量因素分析結(jié)果表明(表2),M2P4、M8P8與花生單作相比,莢數(shù)、粒數(shù)、籽粒產(chǎn)量差異顯著,分別比單作減少40.9%和32.2%,22.8%和15.3%,8.8%和11.4%,M2P4、M8P8與花生單作相比,百仁重和飽果率差異顯著,比花生單作分別增加16.6%和9.1%,13.3%和11.4%,分枝數(shù)略有增加,但差異不顯著;可見(jiàn)M2P4、M8P8與花生單作相比雖然百仁重和飽果率有所增加,但是莢數(shù)、粒數(shù)降低幅度大是減產(chǎn)的主要原因。

表2 不同行比玉米—花生間作處理下花生產(chǎn)量因素

M2P4與M8P8相比莢數(shù)、粒數(shù)、百仁重和籽粒產(chǎn)量差異顯著,莢數(shù)、粒數(shù)比M8P8分別為減少14.6%和9.7%,百仁重和籽粒產(chǎn)量比M8P8分別增加6.4%和2.8%,M2P4與M8P8分枝數(shù)和飽果率差異不顯著,可見(jiàn)百仁重增加是M2P4比M8P8增產(chǎn)的主要因素。

2.2 作物產(chǎn)量和土地生產(chǎn)力

2.2.1 作物產(chǎn)量

不同行比玉米—花生間作處理下玉米產(chǎn)量分析結(jié)果表明(表3),不同行比間作,玉米和花生與單作相比,受行比設(shè)置的影響,玉米產(chǎn)量M2P4和M8P8與單作產(chǎn)量差異顯著,分別比單作下降49.3%和41.7%,間作隨著玉米行比的增加,產(chǎn)量下降幅度變小;花生產(chǎn)量M2P4和M8P8與單作產(chǎn)量差異顯著,分別比單作下降35.7%和51.0%,間作隨著花生行比的減少,產(chǎn)量下降幅度變大。

2.2.2 土地生產(chǎn)力

間作在單位面積內(nèi)較單作的土地利用優(yōu)勢(shì)由土地當(dāng)量比來(lái)衡量。當(dāng)某種間作模式的LER＜1 時(shí),該間作模式降低了土地生產(chǎn)力,具有間作劣勢(shì);當(dāng)LER=1 時(shí),該體系無(wú)間作優(yōu)勢(shì);當(dāng)LER＞1 時(shí),該體系具有間作優(yōu)勢(shì),有一定的應(yīng)用價(jià)值。

不同行比玉米—花生間作處理下土地當(dāng)量比分析結(jié)果表明(表3),M2P4和M8P8玉米的偏土地當(dāng)量比PLERM差異顯著,分別為0.51和0.59,M8P8比M2P4高0.08;M2P4和M8P8花生的偏土地當(dāng)量比PLERP差異顯著,分別為0.64和0.49,M2P4比M8P8高0.15。兩種不同行比的帶狀間作復(fù)合種植系統(tǒng)的LER均大于1,說(shuō)明玉米和花生間作具有一定的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì),2種間作系統(tǒng)的LER差異顯著,M2P4模式的LER比M8P8模式高7.25%。

表3 不同行比玉米和花生間作處理下產(chǎn)量和土地當(dāng)量比

2.3 水分利用效率和水分當(dāng)量比

2.3.1 水分效率

不同行比玉米—花生間作處理下玉米水分利用效率分析結(jié)果表明(表4),M2P4和M8P8玉米的水分利用效率(WUE)均顯著低于單作玉米,分別比單作玉米降低47.2%和41.6%,M8P8玉米的WUE較M2P4間作高5.6%。

表4 不同行比玉米—花生間作處理下玉米水分利用效率

不同行比玉米—花生間作處理下花生水分利用效率分析結(jié)果表明(表5),M2P4和M8P8花生的WUE均顯著低于單作花生,分別較單作花生降低36.2%和51.7%, M2P4花生的WUE較M8∶P8間作高15.5%。

表5 不同行比玉米-花生間作處理下花生水分利用效率

2.3.2 水分當(dāng)量比

水分當(dāng)量比(WER)較為直觀(guān)的表現(xiàn)出間作種植模式較單作種植模式農(nóng)田水分利用能力增減的程度。當(dāng)WER＜1時(shí),說(shuō)明間作相對(duì)于單作水分利用效率降低了;當(dāng)WER＞1時(shí),說(shuō)明間作系統(tǒng)農(nóng)田水分利用效率提高了。

如表6 所示,2種間作模式中,M8P8玉米的水分當(dāng)量比(PWERM)要顯著高于M2P4,提高5.6%;而M8P8花生的PWERP要顯著低于M2P4,降低15.5%。從間作系統(tǒng)的整體的WER來(lái)看,M2P4系統(tǒng)和M8P8系統(tǒng)的WER均大于1 ,M2P4與M8P8的水分當(dāng)量比差異顯著,M2P4比M8P8高9.92%。

表6 不同行比玉米—花生間作處理下水分當(dāng)量比

3 討論

3.1 產(chǎn)量和土地當(dāng)量比

玉米和花生間作存在禾本科與豆科作物的種間競(jìng)爭(zhēng),在此間作系統(tǒng)中玉米有資源競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),不同的行間配比對(duì)產(chǎn)量形成影響程度不盡相同。劉洋、張瑩、高硯亮、焦念元等對(duì)豆科作物花生、大豆和玉米間作研究表明,矮稈作物產(chǎn)量的降低是受間作種植中高稈作物對(duì)矮稈作物遮陰的影響而引起的[14～17]。本研究中,玉米和花生間作復(fù)合種植,間作花生由于受玉米遮陰的影響,莢數(shù)、粒數(shù)、籽粒產(chǎn)量比單作降低,百仁重和飽果率比單作增加。由于玉米和花生不同行比的設(shè)置,對(duì)產(chǎn)量形成的影響較大,并且隨著間作花生行比的減少,產(chǎn)量下降幅度變大,這與前人的研究結(jié)果一致。

間作系統(tǒng)中每種作物的產(chǎn)量與該作物單作的產(chǎn)量相比較,并不能全面衡量土地生產(chǎn)力的優(yōu)劣。需要用評(píng)價(jià)間作系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)土地當(dāng)量比(LER)來(lái)衡量[18]。M2P4和M8P8兩種不同行比的帶狀間作復(fù)合種植系統(tǒng)的LER均大于1,說(shuō)明玉米和花生間作具有一定的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì),在遼西地區(qū)進(jìn)行玉米和花生帶狀間作種植能夠提高農(nóng)田土地利用效率。在2種間作模式的比較中,M2P4模式的LER為1.15,比M8P8高7.25%, M2P4種植系統(tǒng)的土地利用效率要高于M8P8。

3.2 水分利用效率和水分當(dāng)量比

作物水分利用效率是指作物單位耗水量所生產(chǎn)出的產(chǎn)量。M2P4和M8P8種植系統(tǒng)中玉米和花生的水分利用效率均低于單作,間作系統(tǒng)的產(chǎn)量為玉米和花生產(chǎn)量之和,對(duì)間作系統(tǒng)中每一種作物與單作作物之間的水分利用效率進(jìn)行比較,只能評(píng)價(jià)間作中每一種作物的水分利用效率的優(yōu)劣,不能夠全面地評(píng)價(jià)間作系統(tǒng)的水分利用效率。因此,間作系統(tǒng)水分利用情況的評(píng)價(jià)需要采用由水分當(dāng)量比(WER)來(lái)衡量[13]。MAO等研究表明作物間作存在土壤水分利用互補(bǔ)形態(tài),可以改善間作系統(tǒng)土壤的水分供應(yīng)狀況,提高間作系統(tǒng)的水分利用效率[19]。從間作系統(tǒng)的整體的WER 來(lái)看,M2P4和M8P8的WER分別為1.17和1.07,均大于1,說(shuō)明玉米和花生帶狀間作復(fù)合種植系統(tǒng)能夠提高農(nóng)田的水分利用效率,與前人的研究結(jié)果一致。2種間作模式比較中發(fā)現(xiàn),M2P4的水分當(dāng)量比(WER)比M8P8高9.92%,M2P4模式優(yōu)于M8P8模式。

4 結(jié)論

玉米和花生帶狀間作與玉米單作相比穗長(zhǎng)、穗粒數(shù),百粒重和穗重增加,且M2P4增加幅度大于M8P8。間作花生由于受玉米遮陰的影響,莢數(shù)、粒數(shù)、籽粒產(chǎn)量比單作降低,百仁重和飽果率比單作增加。由于玉米和花生不同行比的設(shè)置,對(duì)產(chǎn)量形成的影響較大。玉米產(chǎn)量M2P4和M8P8比單作分別比單作下降49.3%和41.7%,并且隨著間作玉米行比的增加產(chǎn)量下降幅度變小;花生產(chǎn)量M2P4和M8P8比單作分別下降35.7.3%和51.0%,并且隨著間作花生行比的減少,產(chǎn)量下降幅度變大。M2P4和M8P8兩種不同行比的帶狀間作復(fù)合種植系統(tǒng)的LER均大于1, M2P4模式的LER為1.15,比M8P8高7.25%, M2P4種植系統(tǒng)的土地利用效率要高于M8P8。從間作系統(tǒng)的整體的WER來(lái)看,M2P4和M8P8 系統(tǒng)的WER分別為1.17和1.07,均大于1。2種間作模式比較中發(fā)現(xiàn),M2P4的水分當(dāng)量比(WER)比M8P8高9.92%。因此,在遼西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)進(jìn)行玉米和花生帶狀間作復(fù)合種植,能夠顯著提高農(nóng)田土地生產(chǎn)能力和水分利用效率, M2P4模式優(yōu)于M8P8模式。本研究?jī)H為2019年一年的試驗(yàn)數(shù)據(jù),該年份為平水年,至于虧水年和豐水年是否仍有同樣的效果,則有待進(jìn)一步研究。