基于河套灌区间作种植优势概述

2016-03-30 04:24刘美含史海滨李仙岳苗庆丰闫建文

中国农村水利水电 2016年8期

刘美含，史海滨，李仙岳，苗庆丰，闫建文，徐昭

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

河套灌区是一个非常古老的灌区，它的发展历经了漫长的历史过程。河套灌区地处我国西北高原，位于内蒙古自治区西部，是我国三大灌区之一，拥有57万hm2的灌溉土地面积[1-3]。该灌区主要从磴口地区直接通过管道输送黄河水用于农田灌溉。作物生长期从4月到10月，冻融期从11月到3月[4-5]，年降雨量约150 mm，主要集中在夏季[2,6]，灌溉对作物的生长尤为重要。该地区的主要作物有春小麦、玉米及向日葵[1,3,7]，种植方式有单作物种植及间作种植。对于河套灌区特殊的农田生态环境，目前该地区在农业上的可持续发展面临的主要挑战是在盐渍化地区种植作物，并同时进行节水灌溉[2,6,8-11]。为了节约水资源和肥料，以及考虑到此地区环境因素，在河套灌区更应该提倡间作种植的种植方式。

1 间作种植概述

在中国农业生产上，间作是一种古老而又传统的种植方法[12,13]，大约有着1 000年以上的悠久历史。如今，这种种植方法也被广泛应用于现代农业中，在水资源短缺及依赖灌水的地区更是受到人们的高度关注[14-18]。例如，在华北大多数地区就采用的是春小麦和玉米的间作种植方式[18,19]。现在，农业生产上存在着过量使用氮肥等肥料、超量灌水的现象，这不仅导致肥料及灌溉水的浪费，还导致了许多环境问题的出现。例如，近年出现了土地荒漠化、水体富营养化、土地退化及温室效应等等。为了缓解这些环境问题，我们应该考虑采用间作种植模式来代替单一作物种植模式的手段。而且，考虑到农村地区的农业的可持续发展、收入保障等，间作这种种植制度更应该被提倡，间作种植制度不仅可以避免肥料和水分的不必要的浪费，而且得到的最终产量相对于单作物种植方式更加稳定[12,13]。

2 间作种植的优势

2.1 间作种植对环境的影响

Lithourgidis认为某些作物与豆类作物进行间作种植时可以发挥豆类作物的生物固氮作用，从而可以大大提高土壤肥力，减少肥料的施用量；间作还能有效降低害虫的发生率。因此，可以通过间作种植来降低肥料和杀虫剂的使用量，从而可以有效减轻农业发展对环境的不利影响[20]。

尤其是在许多水资源匮乏的地区，间作种植方式一直备受关注与青睐。Qin等认为在干旱地区种植作物采用间作模式(尤其是与豌豆等豆类间作)不仅可以有效提高作物产量、削弱土壤呼吸作用，还能有效降低碳排放，能在一定程度上缓解农业环境危机[21]。

2.2 间作种植的产量优势

许多学者研究了关于间作制度比单作物制度高产的相关课题。间作种植对于作物生长和果实品质是有益的。KANTON对玉米和豌豆进行了试验。结果表明，间作种植相对于单作种植来说，产出的干物质量会更大[22]。Mao认为间作的土地利用率和水分利用率均比单作物的大，而且间作种植相对单作物种植来说还具有产量优势[23]。Li在甘肃省对小麦和玉米间作系统的产量优势进行了研究[24]。Zhang认为小麦和玉米间作及小麦和大豆间作系统中，三者均比单作物种植时的产量要大，尤其是小麦表现出了明显的产量优势[25]。

然而，产量优势并不是在间作的所有间作组合作物中都能体现。L. Coll等人对玉米-大豆间作和向日葵-大豆间作进行了研究，发现间作模式下的向日葵和玉米比单作种植模式下的产量减少了20%左右[26]。Liu对小麦和玉米间作研究发现间作下的小麦的干物质积累量比单作物种植时要大，然而玉米在间作种植时的干物质累积量去没有单作物种植时的大[27]。Li对玉米、蚕豆、大麦和小麦做了研究，发现当玉米与蚕豆间作时，玉米的产量比单作物种植时要高；而当玉米与小麦或大麦间作时，玉米的产量比单作种植时要低[15]。

(1)与豆科植物间作种植。间作种植的方式使作物高产的原因有很多。Lithourgidis研究表明，当某种作物与豆类间作种植时，豆类作物(例如大豆等)可以发挥它的生物固氮作用来增加N元素的吸收效率，并且由于间作种植方式地面覆盖较好而提高了土壤保持的能力。此外，它比单作物种植方式具有更好的抗倒伏能力以及具有降低害虫发生率的作用[20]。Knörzer等人认为玉米或小麦在与不同种类的豆科植物间作种植时产量提高有不同的原因。例如，鹰嘴豆与小麦间作时会促进小麦对磷元素的吸收；玉米与花生间作时会改善作物对铁元素的吸收能力；玉米与蚕豆间作时会增强对氮元素的吸收作用[12]。

(2)对太阳辐射及水分的利用效率。许多学者指出干物质累积与作物产量取决于植物获得太阳能及水分等资源的能力，间作种植的太阳辐射和光照的利用率比单作物种植的要高。间作种植能更加合理地利用光能，增加单位面积上的生物产量，从而提高土地利用率。Caviglia O P以年为基准，研究了关于农业系统中单作物种植及双作物种植的资源有效利用率(资源的有效利用率是指生物量或产量与光合有效辐射或降雨的比值)，结果表明，以年为时间基准进行研究，发现间作种植的水分利用率和太阳辐射利用率均比单作物种植的要大[28]；B.A.Keating等认为间作种植方式加强了作物对太阳辐射的吸收能力[29]；Knörzer认为间作系统和单作系统的太阳辐射、土壤温度和风速均不同[19]；M.Tsubo认为间作的太阳辐射截获比率(F)比单作物种植的要高，因此在给定的土地上种植玉米和豆类时，采用间作种植方式相比单作物种植方式对太阳辐射能截获及吸收的效率会更高[30]；KANTON认为玉米和豌豆间作种植的水分利用率比单作物种植时要高[22]；Yang等人研究了关于小麦和玉米的间作种植，研究结果表明，间作种植的水分利用率比单作物种植下的小麦和玉米的水分利用率总和的一半还要多出1.8%～16.4%，在2006-2008年的实验中，间作种植与单一种植的小麦相比，间作下的水分利用率分别提高了30.5%～57.7%、55.5%～71.4%和12.0%～19.8%。对于玉米来说，水分利用率分别提高了32.7%～37.8%、9.5%～15.8%和4.0%～20.8%。因此，在水资源有限的地区，更应该采用间作这种种植制度[16]。

(3)间作种植的边行优势。间作种植的边界行的影响也对产量起到了积极作用，这种种植方式可以发挥喜光作物的边行优势和边际效应。黄义德[31]等针对茶树与水稻进行了研究，研究表明二者的间作系统的生态结构对组成作物的生长均有利。特别是在水稻拔节期后，由于水稻植株高于茶树冠层，因而可得到充足的太阳照射，具有边行优势，从而使得水稻果实穗大粒多，结实率也大大提高；而水稻对于茶树的适当遮光，也减少了茶树的病虫害发生。

Zhang[25]认为边界行效应是由于小麦在与玉米或大豆间作时，主要作物(小麦)对营养物质的竞争能力最强，同时后期也存在着对次要作物的(玉米或大豆)“生长补偿效应”，从而最终使间作的2种作物都获得高产。尤其是边界效应也提高了太阳辐射的利用率。 Munz[32]认为当在太阳直接辐射比率较大的低纬度地区进行矮菜豆(bush bean)与玉米间作种植时，增加行宽可能只减少了对边界行的遮挡；当在高纬度地区种植作物时，选择一种相对高度较矮且叶面积指数较小的玉米品种与矮菜豆进行间作种植，可以提高间作作物中较矮的作物的光照利用率。

(4)间作种植的肥料利用率。一些学者认为间作种植方式可以提高作物对肥料的利用率，比如氮肥和磷肥等。尤其是氮肥，氮素是影响作物生长发育的一种重要的营养元素。 Li针对间作种植方式和单作物种植方式对N、P、K的利用率进行了对比研究，结果表明在间作种植模式下，作物处于共同生长期时，间作作物之间能互相促进彼此对肥料的吸收[24]。Anthony R.Szumigalski等认为在相同面积的土地上种植作物时，间作种植方式对氮素的利用率会更高[33]。Li认为通过间作种植作物不仅提高了作物对氮素的利用效率，还相应减少了土壤中的氮素累积，从而可以降低农业上的氮素污染。他还指出，选择成熟期不同的作物品种进行间作种植可以更有效提高作物对氮元素的利用效率[34]。Ying Gao认为，每单位面积土地上间作种植方式比单作种植方式要使用的氮素更多[18]。Zhang认为磷肥的施用对于间作种植作物产量的提高有着非常重要的作用[35]。

(5)间作种植可保持土壤肥力。除此之外，间作种植方式还具有保持土壤肥力的作用，不同间作作物之间有对彼此促进生长的作用。Zhang等认为，某些作物与豆科植物进行间作种植时，能增强作物对不同营养元素的吸收能力，从而保持了土壤肥力。此外，由于间作种植方式比单作种植方式的土壤营养物质吸收效率更高而减少了土壤中硝酸盐积累量[25]。Song等认为间作种植方式提高了N和P的利用率而增加了作物产量，间作种植具有产量优势可能是由于其种植方式影响了作物根围的微生物特性和化学特性[36]。Wang等通过对间作种植方式下的土壤的化学和生物学特性的研究来讨论间作种植方式具有保持土壤肥力的作用，并且，在相对肥沃的土壤中，间作种植方式保持大部分土壤化学特性和酶活动的稳定性[37]。

(6)间作种植对病虫害的抑制。近年来，Cao针对小麦和玉米或小麦和向日葵的间作种植进行了研究。研究表明，小麦和玉米间作种植在高产的同时，又能很好地控制减少作物条锈病和霉菌的发生；小麦和向日葵间作种植能有效降低作物条锈病和白粉病的发病率[38]。金春淮对茶树和桑树的间作种植情况进行了研究，并认为二者间作能有效地控制杂草滋生，可减少除草次数。同时，由于间作种植的方式对病虫害防治有一定效果[39]。马焰认为茶树与咖啡的间作种植系统中，为咖啡提供了荫蔽区域，减少咖啡的病虫害发生率，同时，二者互不为对方主要病虫害的寄主作物,因此二者间作种植能大大降低病虫害的发生率[40]。

(7)间作种植的水分利用率。关于水分利用率的研究，存在2个不同的研究方向。有些学者是为了提高作物产量而研究如何提高水分利用率的[22,41,42]；还有一类研究是关于间作种植方式相对于单作物种植方式的灌溉水量较大[16]。此外，作物的耕作模式对于水分利用率的影响也很重要。适宜的耕作方式更有利于作物对降雨的吸收并储存在作物根系中[17,28,42,43]。

具有不同的根系构造的作物间作种植时，土壤水的利用效率会更高。这是因为其中一种间作组成作物会吸收另一种间作组成作物的根系下面的水分[15,44,45]。Brooker等在2015年提出，当间作种植中的一种组成作物的需水要求降低时，就能体现出间作种植水分利用效率提高的优势[13]。

3 结论

本文对间作种植的诸多优势进行了阐述，并且与单作物种植方式进行了对比。相对于单作物种植，间作能减少肥料施用量，有效降低碳排放，从而缓解农业环境危机。它还具有产量优势，还对作物生长和果实品质有益。针对河套灌区的盐渍化及水资源短缺的特点，更应该提倡间作种植方式。

间作种植系统由于其具有资源利用率高的特点，在农业上备受广大研究者的关注，并随着间作理论、现代技术的日益进步以及环境问题的日益突出，使间作种植模式得到了广大专家的高度肯定及认可。目前，人们对不同间作体系的群体光合效应机理、产量效益优势以及水分养分利用率等方面进行了大量研究，这些科学研究为间作种植的生产实践提供了丰富的理论基础。此外尽管间作种植系统的研究成果较为丰硕，但其中仍有以下许多空白和不足，有待于深入研究。

(1)间作种植系统的复合群体因素较为复杂，并且各因素间存在互作效应。目前针对此研究多集中于单一因素的影响，缺乏系统性的整体研究。

(2)对于间作种植模式虽然优势甚多，但不排除有间作劣势的存在，应该结合大量研究成果进行分析，包括设置不同气候、不同区域、不同土壤条件及不同作物搭配下的差异性分析。

(3)目前，国内外对间作种植系统的模型构建的研究较少，尤其是能够应用于实践的模型更是少有报道。因此开发适合间作模式的数学模型也是我们下一步的研究方向。

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