不同供水水平对玉米/豌豆间作系统作物耗水特征的影响

牛伊宁，刘冬梅，罗珠珠，柴 强,

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室， 甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学农学院， 甘肃 兰州 730070)

自然条件下，作物群体的耗水量不仅受各种气象要素的影响，还受土壤水分、物理特性和作物因素的制约。间作套种消耗的水分绝对量因作物类型和环境条件差异很大，但与相应单作的加权平均比较，水分消耗量变化一般在6%～7%之间[1]。因此，在水资源有限，但热量资源允许发展多熟种植的生态区域内，发展以间作为主体的多熟种植可作为提高有限水资源利用效率的途径之一。研究表明[2]，间套复合群体总耗水量与单作耗水量的加权平均差异极小，但水分利用效率间作比相应作物单作的加权平均值高4%～99%，绝大多数高于18%。间作作物生长期间根系在时间和空间上的错位分布是复合群体高产、高效的主要原因之一[3-5]，间套作有利于创造适宜作物生长发育的土壤水分环境，水分利用效率明显高于单作，但水分消耗量并没有改变[6-7]。根系分隔技术将间作群体根系进行分离，控制了两种作物之间的水分和养分流动，通过对根系的调控来研究农田耗水特性，有利于解析间作群体高产和提高水分利用效率的机理。

甘肃河西走廊地区光热资源丰富，适宜发展间套作种植。但因为当地降雨少，水资源不足，限制了当地农业的发展。如何充分利用当地充足的光热条件和有限的水资源，提高间作群体的水分利用效率，发展和完善间作群体的节水管理理论和技术，已成为该区多熟种植农业发展亟待解决的难题。为此，本研究以近年来规模化应用的玉米间作豌豆为研究对象，探讨了不同供水水平下根系分隔对间作群体的产量、耗水量和水分利用效率的影响，以期为构建禾豆间作高效节水技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设置在甘肃省武威市甘肃农业大学与武威市农技中心校地联合绿洲农业科研教学基地(103°5′E，37°30′N)，属冷温带干旱区，是典型的大陆性气候，日照充足，干旱少雨，春季多风沙，夏季有干热风。平均海拔1 776 m，年平均降水量156 mm左右，降水年际变化小，但季节变化较大，主要集中在7—9月份，冬春季较干旱。农业土壤为厚层灌漠土。

1.2 试验设计

1.2.1 供试作物 供试春豌豆(Pisumsativum)为MZ-1，春玉米(Zeamays)为武科2号。豌豆2011年3月24日播种，4月7日出苗，6月30日收获；玉米2011年4月20日播种，5月3日出苗，9月26日收获，两种作物共生期78 d。单作豌豆及间作豌豆带施225 kg·hm-2(尿素)，150 kg·hm-2做基肥；单作玉米和间作玉米带施360 kg·hm-2，按照基肥∶大喇叭期追肥∶灌浆期追肥=3∶6∶1分施，施225 kg·hm-2P2O5做基肥。

1.2.2 试验设计 试验设种植模式、灌水水平和隔根三个参试因子(表1)。其中种植模式设单作豌豆、单作玉米、玉米间作豌豆三种形式；灌水水平设高(地方传统供水水平)、中(生育期灌水约低于地方传统供水水平10%)、低(生育期灌水水平约低于地方传统供水水平20%)三个梯度；玉米间作豌豆隔根方式分塑料布分隔、尼龙网分隔和不分隔三种方式，共15个处理，各处理3次重复，田间随机排列。

表1 试验处理 Table 1 Treatments description

注：P-豌豆；C-玉米；C/P-玉米间作豌豆；I-灌溉水平(1，地方传统灌水量；2，低于地方传统灌水量10%；3，低于地方传统灌水量20%)；N-尼龙网隔根；S-塑料布隔根。

Note: P-pea; C-maize; C/P-maize/pea intercropping; I-irrigation level (1: local traditional irrigation level; 2: 10% lower than traditional irrigation level; 3: 20% lower than traditional irrigation level); N-separate roots with nylon net; S-separate roots with plastic film.

小区面积24 m2(6 m×4 m)，每小区种两个自然带。单作豌豆(P)：平作，播种量150 kg·hm-2，每自然带种4行，行距20 cm；单作玉米(C)：平作，播种密度8.25 万株·hm-2，每带种2行，行距40 cm，地膜覆盖；玉米间作豌豆(C/P)：田间结构如图1所示，豌豆带宽80 cm，每带种4行，行距15 cm，播种量75 kg·hm-2；玉米带宽80 cm，播种密度5.25 万株·hm-2，每带种2行，行距40 cm、株距32 cm，地膜覆盖；塑料膜隔根玉米间作豌豆(PC/P)：玉米豌豆共处区内，在距离豌豆10 cm、玉米20 cm处用塑料薄膜隔根(图1)，隔根深度1 m，其它田间结构同P/C。塑料薄膜为厚0.12 mm的农用棚膜；尼龙网隔根玉米间作豌豆(NC/P)：隔根材料为300目的尼龙网，其余设计同PC/P。

图1 玉米间作豌豆的田间结构及隔根示意图

Fig.1 Distribution of intercropping crops and partition root film in maize/pea intercropping system

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分 作物播种前和收获后，分别采用烘干法测定0～120 cm土壤含水量。

1.3.2 作物产量 作物收获时，采用小区收获法，测定其经济产量和生物产量。1.3.3 土地当量比 土地当量比(LER, land equivalent ratio)：LER是量化分析间套作复合群体生产力及土地利用状况的指标[8]。土地当量比利用下式计算：

LER=(Yip/Ysp)+(Yim/Ysm)

(1)

式中，Yip和Ysp分别表示豌豆在间作和单作时的生物学产量或籽粒产量(kg·hm-2)；Yim和Ysm分别表示玉米在间作和单作时的籽粒产量(kg·hm-2)。当LER>1.0时，表示作物有间作优势，当LER<1.0时为间作劣势。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率(WUE)：作物的水分利用效率通常按照下式计算：

WUE=Y/ET

(2)

ET=P+I+△W-R-DP

(3)

其中，Y为作物籽粒产量(kg·hm-2);ET为全生育期土壤水分蒸散量(mm)；P为作物生长期的降水量(mm)；I为作物生长期灌溉量(mm)；△W表示作物生长期土壤储存水的变化量(mm)；R为地表径流量，DP为土壤水分净通量(向上为负，向下为正)[9]。本研究中，由于试区地下水位较深，不存在向上的水分通量，在节水灌溉条件下，水分渗漏量和径流量也可以忽略不计，因此，作物水分利用效率按下式计算：

WUE=Y/(P+I+△W)

(4)

WUE反映作物生长过程中水分转化效率，也是评价缺水条件下作物生长适宜程度的指标[10]。

1.4 数据处理

数据用EXCEL进行整理汇总；用SPSS13统计软件进行方差分析和LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 间作土地当量比对隔根和灌水的响应

不同灌水水平和隔根处理下间作土地当量比(LER)均大于1(图2)，可以使土地利用效率提高13.01%～42.13%。隔根影响间作玉米与豌豆形成的补偿效应，影响土地利用率的提高，在I1灌水水平下，不隔根的土地利用率分别比塑料隔根和尼龙网隔根处理提高了14.79%和4.23%，尼龙网隔根比塑料隔根提高了11.03%。在I2灌水水平下，不隔根分别比塑料隔根和尼龙网隔根土地利用率提高12.23%、2.16%，不隔根和尼龙网隔根之间没有显著差异，但均与塑料布隔根差异显著；在I3灌水水平下，不隔根比塑料隔根和尼龙网隔根的土地利用率分别提高13.74%、1.53%，塑料隔根比尼龙网隔根降低12.40%。

注：不同字母表示在P<0.05水平下差异显著。

Note: different letters indicated significance atP<0.05 level.

图2 不同隔根及灌水量处理玉米间作豌豆的土地当量比

Fig.2 LER of different treatments under maize/pea intercropping systems

不隔根玉米间作豌豆时，I3灌水水平LER比I1和I2灌水水平分别降低7.75%和5.76%，且差异显著；塑料布隔根时，I3灌水水平比I1和I2灌水水平分别低7.08%和7.37%。尼龙网隔根下，I3灌水水平比I1和I2灌水水平分别降低了4.41%，且差异显著。但是，无论隔根与否，I1和I2灌水水平下LER均无显著差异。

2.2 不同种植模式下作物产量对隔根和灌水的响应

间作具有显著提高玉米、豌豆经济和生物产量的优势(表2)。间作经济产量和生物产量比两种单作的产量平均提高21.27%和23.75%。在I1灌水水平下，不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根玉米间作豌豆的经济产量和生物产量分别比单作提高30.49%、18.76%、27.96%和28.34%、19.16%、25.26%。在I2灌水水平下，不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根玉米间作豌豆的经济产量和生物产量比单作分别提高29.65%、18.75%、28.05%和27.17%、21.18%、24.59%，间作优势显著。在I3灌水水平下，不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根玉米间作豌豆的经济产量和生物产量分别比单作提高27.62%、16.05%、26.80%和26.92%、23.94%、25.22%，间作优势显著。

表2 不同处理下的作物经济产量、生物产量及收获指数 Table 2 Grain yield, aboveground biomass and harvest index under different treatments

注：同列中不同字母表示在P<0.05水平差异显著，下同。

Note: different letters in the same column indicated significance atP<0.05 levels; the same below.

不同灌水水平下玉米、豌豆、玉米间作豌豆的产量也有一定差异。其中单作豌豆在不同灌水水平下经济产量差异不显著，但生物产量差异显著(表2)；单作玉米则表现为不同灌水水平下经济产量差异显著，但生物产量无显著差异。在无隔根玉米间作豌豆下，I1灌水水平下经济产量和生物产量比I2和I3灌水水平分别提高1.98%、7.72%和2.91%、5.02%，I2灌水水平下经济产量和生物产量比I3灌水水平提高5.85%、2.17%，且差异显著；在塑料隔根玉米间作豌豆下，I1灌水水平下经济产量比I2和I3灌水水平提高0.81%、7.01%，I2灌水水平经济产量比I3灌水水平提高6.26%，且差异显著；在尼龙网隔根玉米间作豌豆下，I1灌水水平下经济产量比I2和I3灌水水平分别提高0.67%和5.43%，I2经济产量比I3提高4.79%。可见，低于地方10%的灌水水平下作物产量和当地灌水水平无显著差异，而低于20%的灌水水平下作物产量显著低于当地灌水水平。

2.3 不同种植模式下作物耗水对隔根和灌水的响应

表3列出了单作和间作群体所有处理在整个生育期内的降水量、灌水量及耗水量。在I1灌水水平下，单作豌豆的耗水量比不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根的耗水量减少22.87%、22.81%、22.54%，耗水量差异显著；单作玉米的耗水量比不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根的耗水量分别增加了19.12%、19.18%、19.46%，且差异显著；不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根的耗水量比单作的平均耗水量低0.38%、0.46%、0.80%，三个间作之间耗水量差异不显著。在I2灌水水平下，单作豌豆的耗水量比不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根的耗水量分别减少31.19%、32.07%、31.57%，且差异显著；单作玉米的耗水量比不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根的耗水量增加了20.21%、19.18%、19.77%，耗水量差异显著。在I3灌水水平下，单作豌豆的耗水量比不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根的耗水量分别减少28.85%、30.37%、32.16%，耗水量差异显著；单作玉米的耗水量比不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根的耗水量分别增加了10.11%、8.15%、5.72%，且差异显著；不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根的耗水量比单作的平均耗水量降低0.38%～10.75%。

表3 不同处理下的土壤贮水量和作物耗水量的变化 Table 3 Soil water storage before crop sowing (SWs), after harvesting (SWh), and crop water consumption under different treatments

隔根对间作复合群体耗水量的影响不明显，在I1和I2灌水水平和不同隔根处理下，玉米间作豌豆复合群体的耗水量无明显变化，表明在I1和I2灌水水平下作物耗水量无显著差异。在I3灌水水平下，不同的隔根处理间耗水量差异不显著，但I3灌水水平下耗水量显著低于I1和I2灌水水平。

在不同灌溉水平下作物的耗水量差异不同。单作豌豆耗水量表现为I1>I2>I3，I1灌水水平作物耗水量显著高于I2和I3灌水水平，I2和I3灌水水平下作物耗水量差异不显著；单作玉米耗水量大小同单作豌豆，但I1和I2灌水水平耗水量均显著高于I3灌水水平；在不隔根间作模式下，I1和I2灌水水平作物耗水量差异不显著，但显著高于I3；塑料布隔根间作和尼龙网隔根间作模式下作物耗水量均表现为差异显著。由此可知，为了提高作物的水分利用率，节省农业用水量，在当地的灌水水平上减少10%的灌水量是可行的。

2.4 不同种植模式下作物水分利用效率对隔根和灌水的响应

图3表示单作和间作群体处理的水分利用效率。在I1灌水水平下，间作的水分利用效率显著高于单作，间作不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根的水分利用效率分别比单作豌豆提高了27.69%、15.17%、25.00%，比单作玉米提高了32.82%、21.56%、30.32%，差异显著；在I2灌水水平下，间作不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根的水分利用效率分别比单作豌豆提高了18.04%、4.79%、15.43%，比单作玉米提高了32.47%、21.56%、30.32%；在I3灌水水平下，间作不隔根、塑料布隔根、尼龙网隔根的水分利用效率分别比单作豌豆提高了12.50%、-2.98%、7.69%，比单作玉米提高了22.91%、9.20%、18.68%。三个间作处理的水分利用效率分别比单作水分利用效率平均值提高3.07%～43.38%，在间作和单作水分消耗相似的情况下，间作水分利用效率明显高于单作。

图3 不同处理下玉米间作豌豆的水分利用效率

Fig.3 WUE of different treatments under maize/pea intercropping system

隔根对间作复合群体的水分利用率影响显著。在I1灌水水平下，三个玉米豌豆间作处理，耗水量差异不显著，但是无隔根的水分利用效率分别较塑料隔根、尼龙网隔根高14.36%和3.59%，尼龙网隔根比塑料布隔根的水分利用率提高11.7%；在I2灌水水平下，无隔根的水分利用效率分别较塑料隔根、尼龙网隔根高13.92%和3.09%，尼龙网隔根比塑料布隔根的水分利用率提高11.7%，差异显著；在I3灌水水平下，无隔根的水分利用效率分别较塑料隔根、尼龙网隔根提高15.10%和5.21%，尼龙网隔根比塑料布隔根的水分利用率提高10.44%。

单作豌豆时，I3处理水分利用效率分别比I1和I2处理高16.07%和5.36%，I2低于当地10%灌水量的水分利用效率比I1传统灌水处理的高11.33%，差异显著；单作玉米，I3处理的水分利用效率比I1和I2处理均提高了11.49%；不隔根玉米间作豌豆，I1和I2灌水水平下水分利用效率没有显著差异，而I1和I3水分利用率差异显著；在塑料布隔根玉米间作豌豆处理下，I1和I2水分利用效率相当，而I3水分利用率比I1和I2降低了2.40%，且差异显著；在尼龙网隔根玉米间作豌豆下，I1和I2水分利用效率相等，而I3水分利用率比I1和I2降低了3.19%，且差异显著。这说明当地习惯性灌水和低于当地10%灌水对间作作物提高间作的水分利用效率是一样的，可以用低于地方10%灌水代替当地习惯性灌水，提高农业用水的利用效率。

3 结论与讨论

间作套种增产、增效和提高水分、养分、光热资源利用效率的作用已经被大量研究证实[5,9-11]，并被作为解决人口增长、耕地减少矛盾的重要对策在许多国家大面积应用。合理的间套作可以增产30%～50%，西北一熟灌区的小麦玉米间套作带田较一般高产田可增产50%以上，部分增产幅度在100%[12]，带田比单作具有更高的水分生产效率和经济效益[13-14]。本试验中，P/C、PP/C、NP/C与单作相比，土地利用效率提高了13.01%～42.13%；不同间作处理的经济产量和生物产量分别比两种单作的产量高30.45%～12.90%和19.16%～28.34%。隔根影响豌豆与玉米间作形成的补偿效应，间作群体中作物根系在空间上的重叠和生理生态学特性的改变是决定地下产量贡献大小的重要原因[15]。在I1灌水水平下，不隔根处理与塑料布隔根处理相比，产量高14.45%，主要是因为地下部分的补偿作用，而16.04%的产量优势产生于对地上资源的补偿利用。不隔根处理与尼龙网隔根处理的产量优势差异为3.52%，这一优势来自于根系对土壤空间的叠加利用。

种植模式和灌水水平均影响豌豆、玉米全生育期耗水量，而隔根对豌豆间作玉米总耗水量影响较小。有研究表明，间作干物质生产力提高，但水分消耗量并没有改变[7,16]，间套作消耗的水分与相应单作(加权平均)比较，水分消耗量差异很小[14]。本试验中，单作比间作的耗水量高0.38%～10.75%，间作处理间耗水量差异不显著。单作豌豆处理的耗水量是I1>I2>I3，I1传统灌水处理的耗水量显著高于I2(低于地方10%灌水)和I3(低于地方20%的灌水)处理；两个单作处理的耗水量差异不明显，但I1传统灌水处理和I2(低于地方10%灌水)处理的耗水量显著高于I3(低于地方20%的灌水)处理；在不同隔根方式的间作处理内，地方习惯灌水水平和低于10%灌水水平的耗水量差异不显著，但显著低于20%灌水的耗水量。在不隔根方式下的间作处理内，地方习惯灌水和低于地方10%灌水的耗水量显著低于20%灌水的耗水量；在塑料布隔根间作和尼龙网隔根内，作物耗水量的差异显著。

复合群体各配对作物根系的垂直分布表现为层次递减性[17]，根系垂直生长呈多波顺次递推特点，这种特性使根系生长中心和吸收中心交替出现，提高了水分和养分的利用效率。Morris 等[1]发现，间作群体耗水量与单作耗水量的加权平均相比变化在-6%～+7%，但水分利用效率可提高18%～99%。碗豆/玉米间套作中种间根系是弱竞争，即碗豆根系仅占据较小的地下部空间即可满足其对养分需求，而玉米可以占据两作物地下部空间，扩大了根系的吸收空间，表现出促进作用。本试验间作处理的水分利用效率分别比单作高3.07%～43.38%。根间作用对豌豆/玉米水分利用效率的贡献率达到3.09%～15.10%，说明在灌水量减少的情况下，作物对水分的利用更加显著。因此复合群体内间作作物生长期间根系分布在时间和空间上的错位是复合群体高产、高效的主要原因之一。豌豆间作玉米和单作在耗水量差异不显著的情况下，间作水分利用效率比单作显著提高，表明间作可以更好地利用土壤水分。低于地方10%的灌水和地方习惯灌水的水分利用效率和产量均无显著差异，说明在实际生产中可以减少农业灌水量以降低农业生产成本。在复合群体高效管理技术的开发上，应通过配对作物在空间上的合理布置、品种根系时空分布特征的合理利用使配对作物根系在土壤中适度叠加，利用作物根际之间的补偿效应，提高作物水分和营养品质的利用效率，从而充分发挥间作群体增产、增效的作用。

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