川西北丘陵坡耕地苜蓿玉米间作田土壤水分与作物产量规律研究

王学春，王红妮，李 巍，毕 胜

(1. 西南科技大学a.生命科学与工程学院，b.成人与网络教育学院，中国 绵阳 621010；2.福建省农业科学院中心实验室，中国 福州 350003)



川西北丘陵坡耕地苜蓿玉米间作田土壤水分与作物产量规律研究

王学春1a*，王红妮1b，李 巍2，毕 胜1a

(1. 西南科技大学a.生命科学与工程学院，b.成人与网络教育学院，中国 绵阳 621010；2.福建省农业科学院中心实验室，中国 福州 350003)

通过比较玉米单作、苜蓿单作和苜蓿玉米间作3种种植模式的田间土壤水分含量和地表径流量,产量与产值等，明确了苜蓿玉米间作在四川丘陵坡耕地的土壤水分变迁规律.结果表明：(1)在降水较多的7月，苜蓿玉米间作田的土壤含水量在0～20 cm,40～60 cm和80～100 cm土层分别为19.5%～21.6%,18.2%～20.3%和16.3%～18.5%；在降水较少的12月，其土壤含水量分别为19.5%～21.7%,18.2%～20.1%和17.1%～18.5%. (2)丘陵坡耕地苜蓿玉米间作田的土壤有效含水量在6～9月较高，在11月～翌年3月较低；在6～9月大于玉米单作田，小于苜蓿单作田；在11月～翌年3月则低于玉米单作田，高于苜蓿单作田.(3)2012～2014年，苜蓿玉米间作田的地表平均径流量为15 471 m3/km2；比苜蓿单作田增加56.1%，比玉米单作田减少29.1%.(4)苜蓿玉米间作田的苜蓿干草产量为18 073～22 164 kg/hm2，玉米籽粒产量为3 864～4 176 kg/hm2，玉米秸秆产量为4 830～5 890 kg/hm2，其产值为49 900～50 100元/hm2，略低于苜蓿单作田，显著高于玉米单作田.从土壤水分变迁和地表径流等角度综合考虑，在四川丘陵坡耕地推行苜蓿玉米间作具有较强的可行性，但在推行过程中需注意选取耐高温、耐高湿的苜蓿品种，并注意苜蓿生长期间的病害防治.

土壤水分;地表径流;产量;苜蓿玉米间作

四川西北丘陵区以坡耕地为主，由于水土流失严重(土壤侵蚀模数为3 798～9 831 t/(km2·a))，保水保肥能力差，是我国土壤侵蚀比较严重的地区之一[1-3].同时受气候条件限制，该地区玉米种植以宽窄行为主，间作在宽行的传统作物以红薯为主，即麦/玉-苕(小麦玉米轮作，在玉米地套种红薯)种植模式[4-5].因红薯种植与收获过程对劳动力需求大，受农村劳动力减少等因素影响，农民开始放弃在玉米宽行间作红薯，大量玉米宽行被裸露，坡耕地水土流失问题进一步加重[6].

作为一种新型草粮种植模式，苜蓿玉米间作在我国旱区得到了广泛研究.黄土高原地区的研究结果表明，与玉米单作田相比，苜蓿玉米间作田的地表径流量显著降低，土壤水分利用效率显著提高[7-9].苜蓿玉米间作条件下，不同作物根系分布密度和入土深度不同，增加了作物根系吸收土壤水分的面积，提高了作物对不同土层土壤水分的利用效率[10-11].东北农牧交错带的研究结果表明，苜蓿玉米间作有利于提高土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量[12].与苜蓿单作相比，苜蓿玉米间作提高了粗脂肪、碳水化合物的总能量及可利用营养成分产量[13-14]，可为四川畜牧业发展提供更多饲草，缓解当地人畜争粮矛盾.然而在季节性干旱频发的四川丘陵坡耕地，苜蓿玉米间作模式的土壤水分运移规律尚不明确，苜蓿玉米间作是否适应四川丘陵坡耕地的环境条件，亟待深入研究.

目前，四川已开始重视对草粮种植模式的研究.庞良玉等[15]和付登伟等[16]研究了不同草粮轮作模式的产量效应和生态效应，认为与传统麦-玉/苕种植模式相比，在夏季和冬季适当引入牧草将大幅度提高四川丘陵区饲草供应量.刘明秀等对12个苜蓿品种在四川的适应性进行了评价，认为“海盗”是比较适合四川栽培的苜蓿品种[17].然而针对四川丘陵坡耕地的苜蓿玉米间作研究鲜见报道，本研究采用田间试验的方法，以苜蓿单作和玉米单作为对照，研究苜蓿玉米间作对土壤水分运移规律的影响，明确其产量效应，为进一步在四川丘陵坡耕地推广苜蓿玉米间作模式提供必要理论依据和实践基础.

1 材料与方法

1.1 实验区域概况

绵阳位于四川盆地西北部，涪江中上游，境内山地占61.0%，丘陵占20.4%，平坝占18.6%；年平均气温14.7～17.3 ℃，极端最高气温36.1～39.5 ℃，极端最低气温-4.5～-7.3 ℃，无霜期252～300 d；年均降水量826～1 417 mm，其中6～9月降水集中、暴雨频发，属亚热带山地季风气候.本试验于2012～2014年在绵阳青义丘陵区坡耕地(坡度为10°)展开，试验田土壤为四川丘陵区典型红壤，土壤容重1.1 g/cm3、常年含水量11%～25%、萎蔫系数6.2%～8.5%、有机质含量23 g/kg、全氮、全磷和全钾含量分别为1.42，0.75和1.25 g/kg.

1.2 试验设计

本试验设计苜蓿单作(AL)、玉米单作(ME)和苜蓿玉米间作(AM)3种种植模式，每种模式设3次重复，共计9个小区，小区面积20 m2(4 m×5 m)，随机区组设计.苜蓿品种为“海盗”，于2012年9月条播(播种量为20 kg/hm2)，播前整地耙平，并施厩肥和磷肥做基肥，其中，厩肥18 000 kg/hm2,P2O545.9 kg/hm2.苗期人工清除杂草，苜蓿株高60 cm左右刈割，留茬高度5 cm，每年4～10月收获5～7茬，每次刈割后施N 25 kg/hm2.玉米品种为同玉11，于5月上旬单株种植，8月底9月初收获.玉米生长期间施N 15 kg/hm2，P2O550 kg/hm2和K 90 kg/hm2，肥料运筹方式为：N以4∶4∶2的比例分别作基肥、分蘖肥和穗肥施入，P2O5在播种前作基肥施入，K以1∶1的比例分别作基肥和穗肥施入，其他管理与当地大田相同.苜蓿单作的行距为0.25 m；玉米单作的行距为0.25 m，株距为0.45 m；苜蓿玉米间作的玉米行距为0.5 m，玉米行间种植苜蓿，玉米株距为0.45 m.

1.3 取样与统计

效标关联效度是指护士工作满意度与外在效标间关系的程度，这里的效标是指假定的客观标准，作为评判评估手段的有效性的指标。一般认为，系数为0.4～0.8较好，本研究中通过条目“对护士工作满意度整体印象得分”进行效标关联度的检测，其相关性为0.767，P=0.000，提示效标关联效度较为理想[17]。

1.3.1 田间取样 记录逐日降雨量和气温等信息.采用中子仪测定0～1 m土层土壤含水量(0～20 cm土层，每10 cm取样一次；20～100 cm土层，每20 cm取样一次)；每月月初(1～5日)、月中(13～17日)和月末(26～31日)各记录一次，每小区采用五点取样法测量5处，取平均值进行比较和分析.地表产生径流时，将径流经引水槽引入径流收集桶，每1 min换径流收集桶一次，直至降雨结束；将收集的径流泥沙样静置72 h，待泥沙沉淀后滤出泥沙，用量筒测量水的体积.玉米收获后进行室内考种测产，苜蓿刈割后采用烘干法测产.

1.3.2 计算方法 土壤有效含水量(ASW)的计算方法如式(1) 和(2) 所示.

(1)

ASWi=(SWi-WPi)×Pi×Hi× 10,

(2)

式中：ASW为0～1.0 m土层土壤有效含水量(mm)，ASWi为第i土层土壤有效含水量(mm)，n为所测定的最大土层数，SWi为第i土层土壤湿度(%)，WPi为第i土层土壤萎蔫系数(%)，Pi为第i土层土壤容重(g/cm3), Hi为第i土层厚度(cm).

土壤蓄水率(Er)和土壤耗水率(Eh)分别依据式(3)和(4)进行计算.

(3)

(4)

式中：Er为不同种植模式的土壤蓄水率(%)，Ra为降水量(mm)，Ru为地表径流量(mm)；Eh为不同种植模式的土壤耗水率(%)，Ws1为月初土壤蓄水量(mm)，Ws2为月末土壤蓄水量(mm).

总产值(M)采用公式(5)进行计算.

(5)

式中：M为不同种植模式的产值(元/hm2)，Ymg为玉米籽产量(kg/hm2)，Pmg为玉米平均价格(元/kg)；Yms为玉米秸秆产量(kg/hm2)，Pms为玉米秸秆平均价格(元/kg)；Yai为第i茬苜蓿干草产量(kg/hm2)，Pi为苜蓿干草平均价格(元/kg).

2 结果与分析

2.1 土壤剖面含水量变化规律

在降水较多的7月，3种种植模式中，玉米单作田土壤含水量在0～20 cm土层最高，在40～60 cm土层最低；苜蓿单作田和苜蓿玉米间作田土壤剖面含水量均表现为随着土层深度的增加而降低.其中，玉米单作田0～20 cm土层土壤含水量为18.2%～19.3%，40～60 cm和80～100 cm土层分别为17.7%～18.6%和18%～19%；苜蓿单作田0～20 cm土层土壤含水量为20.1%～22.5%，40～60 cm和80～100 cm土层分别为18.6%～21.3%和17.3%～18.7%；苜蓿玉米间作田0～20 cm土层土壤含水量为19.5～21.6%，40～60 cm和80～100 cm土层分别为18.2%～20.3%和16.3%～18.5%.

在降水较少的12月，3种种植模式的土壤剖面含水量均随土层深度的增加而增加.其中，玉米单作田0～20 cm土层土壤含水量为18.6%～20.5%，40～60 cm和80～100 cm土层分别为17.7%～18.6%和18%～18.2%；苜蓿单作田0～20 cm土层土壤含水量为20.1%～22.5%，40～60 cm和80～100 cm土层分别为18.5%～21.4%和17.2%～18.1%；苜蓿玉米间作田0～20 cm土层土壤含水量为19.5%～21.7%，40～60 cm和80～100 cm土层分别为18.2%～20.1%和17.1%～18.5%.

与7月相比，在12月，0～40 cm土层土壤含水量在玉米单作田从17.5%～19.6%降低到13.2%～18%，降低程度为1.6%～4.3%；在苜蓿单作田从19.4%～22.5%降低到10.2%～12.5%，降低程度为9.2%～10%；在苜蓿玉米间作田从18.5%～21.7%降低到9.6%～13.6%，降低程度为8.1%～8.9%.60～100 cm土层土壤含水量在玉米单作田从18%～18.4%降低到18%～18.3%，降低程度为0%～0.1%；在苜蓿单作田从17.3%～19.6%降低到12.6%～15.7%，降低程度为3.9%～4.7%；在苜蓿玉米间作田从17.1%～19%降低到13%～16.5%，降低程度为2.5%～4.1%.表明：(1)苜蓿单作和苜蓿玉米间作对深层土壤水分的利用能力较强，尤其是60 cm以下土层；(2)苜蓿单作和苜蓿玉米间作的表层土壤水分波动幅度比玉米单作大.

2.2 土壤有效含水量变化规律

月平均土壤有效含水量在6～9月表现为苜蓿单作(264 mm)>苜蓿玉米间作(247 mm)>玉米单作(226 mm)；在11月到翌年3月表现为苜蓿单作(136 mm)<苜蓿玉米间作(137 mm)<玉米单作(153 mm)(图1).1～12月土壤有效含水量和降水量间的相关系数在玉米单作田为0.86，在苜蓿单作田为0.82，在苜蓿玉米间作田为0.80.表明：(1)3种种植模式中的土壤有效含水量在6～9月较高，在11月～翌年3月较低；(2)种植模式和降水分布对四川丘陵坡耕地土壤有效含水量的变化影响显著.

图1 2012～2014年四川丘陵坡耕地3种种植模式0～1m土层土壤有效含水量比较Fig.1 Available soil water in 0～1 m soil for three planting models in slope field at the hilly regions of Sichuan Province from 2012 to 2014

2.3 3种种植模式的地表径流量

3种种植模式的地表径流量均随降水量的增加而显著增加(表1).苜蓿单作、玉米单作、苜蓿玉米间作的地表径流量平均值，在日降水量小于30 mm时，分别为1 573，10 253和3 935 m3/km2，在日降水量大于70 mm时，分别为21 687，38 699和30 089 m3/km2，较前者分别增加1 278%，277%和664%.苜蓿玉米间作的地表径流量显著低于玉米单作，显著高于苜蓿单作(表1).2012～2014年，苜蓿单作、玉米单作和苜蓿玉米间作的平均地表径流量分别为9 907，21 829和15 471 m3/km2，与苜蓿单作相比，苜蓿玉米间作增加了56.1%，与玉米单作相比，苜蓿玉米间作减少了29.1%. 表明，在四川丘陵坡耕地种植苜蓿比种植玉米更有利于减少地表径流量.

表1 四川丘陵坡耕地3种种植模式在不同降水事件中的地表径流量(m3/km2)

2.4 3种种植模式的土壤蓄水率与耗水率

3种种植模式的土壤蓄水率变化趋势一致，均在6～8月最小，11月到翌年3月最大(图2A).其中，11月至翌年3月，苜蓿单作、玉米单作和苜蓿玉米间作的土壤平均蓄水率分别为94%，93%和93%，不同种植模式间差异不显著(P>0.05)；6～9月，3种种植模式的土壤平均蓄水率分别为73%，66%和70%，不同种植模式间差异显著(P<0.05).表明3种种植模式中，干旱季节(11月至翌年3月)土壤蓄水率较高，多雨季节(6～9月)土壤蓄水率较低.

3种种植模式的土壤耗水率均表现为先增加后降低的趋势(图2B).其中6～9月的土壤耗水率最大，苜蓿单作、玉米单作和苜蓿玉米间作的平均土壤耗水率分别为67%，66%和66%；11月至翌年3月的土壤耗水率最小，3种种植模式的平均土壤耗水率分别为48%，26%和39%.其中玉米生长较旺盛的6～8月，3种种植模式的土壤耗水率差异不显著(P>0.05)，其他时期，苜蓿玉米间作的土壤耗水率显著低于苜蓿单作，并显著高于玉米单作.总体而言，苜蓿单作的土壤耗水率最大，其平均值为56%；玉米单作的土壤耗水率最小，其平均值为43%.

图2 四川丘陵坡耕地不同种植模式1～12月土壤蓄水率(A)与耗水率(B)Fig.2 Rate of rainfall storing (A) and rate of used water (B)of different planting models from January to December in slope field at the hilly regions in Sichuan Province

2.5 3种种植模式的产量与产值

在四川丘陵坡耕地，苜蓿单作的干草产量为23 564～26 152 kg/hm2；玉米单作年均籽粒产量为6 842～7 216 kg/hm2，秸秆产量为8 529～8 961 kg/hm2；苜蓿玉米间作的苜蓿干草产量为18 073～22 164 kg/hm2，玉米籽粒产量为3 864～4 176 kg/hm2，玉米秸秆产量为4 830～5 890 kg/hm2.苜蓿玉米间作的苜蓿干草产量比苜蓿单作显著降低，玉米籽粒和秸秆产量也较玉米单作显著降低(表2).

2012～2014年，国产苜蓿干草价格平均2.0 元/kg,玉米价格平均2.2 元/kg,玉米秸秆卖给奶牛养殖场的价格平均0.2 元/kg.按照此价格，依据式5计算出苜蓿单作、玉米单作和苜蓿玉米间作3种种植模式的产值分别为50 238，17 267和50 036 元/hm2(表2).表明，苜蓿玉米间作的产值略低于苜蓿单作，但显著高于玉米单作.

表2 四川丘陵坡耕地3种种植模式的产量与产值

3 讨论

本研究表明，苜蓿玉米间作的玉米产量比玉米单作低，其苜蓿产量也比苜蓿单作产量低；但苜蓿玉米间作的产值高于玉米单作，低于苜蓿单作.从土壤水分变迁、地表径流和产值等角度综合考虑，在四川丘陵坡耕地推行苜蓿玉米间作种植模式具有较强的可行性.2012～2014年的田间试验也反映出在四川丘陵坡耕地进行苜蓿玉米间作种植模式的一些问题.(1)本研究虽选择了较为耐高温的苜蓿品种—海盗进行实验，但在温度较高的7～9月，苜蓿生长仍然较为缓慢.(2)受高温高湿气候以及玉米遮荫的影响，苜蓿玉米间作田间通风能力降低，苜蓿病害增加.本研究中，并未出现前人研究中所发现的苜蓿烂根问题，这或许与坡耕地排水条件较好以及本研究中苜蓿的种植年限较短有关.今后，一方面需加强苜蓿的引种和选育，培育耐病品种，另一方面需要加强苜蓿玉米间作种植技术研究，缓解高温高湿对苜蓿生长的不利影响.

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(编辑 HWJ)

Research on Soil Water and Crop Yield of Alfalfa-Maize Intercropping System at Slope Land in the Hilly Regions of Sichuan Province

WANGXue-chun1a*,WANGHong-ni1b,LIWei2,BISheng1a

(1.a.School of Life Science and Technology, b.College of Adult and Online Education,Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;2.Central Laboratory, Fujian Academy of Agricultural Science, Fuzhou 35003, China)

The law of soil water changing in alfalfa-maize intercropping system(AM) cropping system was clarified by the comparison of soil water content, surface runoff amount, yield and economic benefit among mono maize cropping system (ME), mono alfalfa cropping system (AL) and alfalfa-maize intercropping system(AM).Results showed that the precipitation of July was larger than other months, soil water content of AM was 19.5%～21.6%,18.2%～20.3%and 16.3%～18.5%, respectively, at 0～20 cm, 40～60 cm and 80～100 cm soil layers; while the rainfall of September was less than other months, soil water content in the same soil layers was 19.5%～21.7%, 18.2%～20.1% and 17.1%～18.5% respectively. Available soil water of AM was higher between June and September, while it was less from November to next March. The available soil water of AM was higher than that of ME and was less than that of AL during June to September; while it was less than ME and higher than AL among November and next March. Mean runoff amount of AM was 15 471 m3/km2, which is increased by 56.1% than that of AL and is decreased by 29.1% than that of ME, from 2012 to 2014. Alfalfa yield of AM was 18 073～22 164 kg/hm2，with the maize yield of 3 864～4 176 kg/hm2and the maize straw of 4 830～5 890 kg/hm2from 2012 to 2014. The total economic income of AM was 49 900～50 100 Yuan/hm2, which was significantly less than AL and higher than ME. Taking soil water changing, runoff amount and economic into account, we concluded that there was a stronger feasibility to practice the alfalfa-maize intercropping system at the slope land in the hilly regions of Sichuan Province. However the alfalfa used in alfalfa-maize cropping system should have a higher capacity to tolerate high temperature and ruminated environment. The farmer should also pay more attention to prevent and control alfalfa disease during the growth of alfalfa in summer.

soil water; surface runoff; yield; alfalfa-maize intercropping system

2015-12-30

粮食丰产增效科技创新重点项目(2016YFD0300210);四川省教育厅资助项目(13ZB0299)

S541.9

A

1000-2537(2016)06-0009-06

*通讯作者,E-mail：xuechunwang@swust.edu.cn