高粱和大豆间作对土壤水分分布及水分利用效率的影响

梁晓红，曹 雄，张瑞栋，刘 静，黄敏佳，王爱爱

（山西农业大学 经济作物研究所，山西 汾阳 032200）

水分不足是黄土高原作物生长的主要限制因素，农业生产必须以水分的高效利用为中心[1]。因此，探究如何提高农作物对水资源的利用效率成为干旱、半干旱地区作物稳产的关键。间作是传统的种植模式，可以科学合理地利用水热光养分等资源，一定程度上实现了用地养地相结合，被认为是保持农业生产可持续发展的重要技术途径[2-3]。合理的间作种植模式有利于创造适宜作物生长发育的土壤水分环境，提高作物水分利用效率[4]。间作提高水分利用效率的机制主要有4个方面：一是间作系统中高低镶嵌的作物冠层结构改善了透光条件和田间大气的流通，提高了水分对作物的有效性；二是耗水量中较大的一部分可能被具有较高水分利用效率的作物所捕获，从而增加了其对产量的贡献；三是由2种不同形态或者生长动态的作物所组成的间作系统，由于需水期有所错位减少对土壤水分利用的竞争；四是不同作物根系时空分布上互补，深根系作物的“提水作用”对群体水分达到补偿效应[5-7]。

目前，对间作土壤水分利用的研究较多，玉米和花生间作系统中高耗水作物玉米可能通过吸收花生条带的水分降低对自身条带水分的过度消耗，从而改善间作玉米的土壤水分利用环境[8]。糜子和绿豆间作模式的水分利用效率比单作糜子平均提高16.18%，2∶4间作模式具有最高的水分利用效率[9]。玉米和豌豆间作比单作可提高作物水分利用效率3.07%～43.38%[10]，间作作物地下水分的带间迁移和根系空间生态位的适度重叠是提高作物水分利用效率的重要途径[11]。花生和谷子间作提高了间作群体的抗旱性，整个生育期间作系统的需水量较花生单作、谷子单作分别减少9.68、20.55 mm[12]。高粱和豇豆间作系统中高粱和豇豆的水分利用效率比相应的单作分别提高33.1%和46%[13]。李恩慧等[14]研究发现，在小麦和苜蓿共生期间作的水分利用效率比小麦单作和苜蓿单作分别提高16.98%和62.38%。众多研究发现，间作种植模式有利于系统水分利用效率的提升；但也有研究结果表明，间作系统的水分利用效率有降低趋势[15]，间作作物的水分利用效率比单作降低[8,16]。研究发现，高粱和大豆间作种植可提高高粱光合能力及周年产量和效益[17-18]。但目前关于高粱和大豆间作对土壤水分分布及水分利用效率的影响研究尚未见报道。为此，选取高秆高粱品种晋杂22、矮秆高粱品种晋杂34和大豆间作，研究高粱和大豆不同间作行比配置下土壤水分利用情况及作物叶片、干物质、产量水分利用效率，探讨间作中表现的水分利用优势，为高粱和大豆间作实际生产提供理论依据和指导。

1 材料和方法

1.1 试验区概况及试验材料

试验于2018—2019年在山西省吕梁市汾阳市山西农业大学经济作物研究所高粱试验田（111°47′E、37°15′N）进行，该区属典型温带季风气候，年平均降雨量约440 mm，年平均气温为11.3℃，一年一熟制。2018、2019年的降雨量分别为400.0、377.7 mm；作物生育期降雨量分别为345.2、285.5 mm。2019年由于前期干旱，于7月8日灌溉一次，灌溉量为120 mm。供试土壤为砂壤土，2018—2019年0～20 cm耕层土壤基本理化性状见表1。

表1 试验区耕层土壤基本理化性状Tab.1 Physical and chemical properties of soil in experimental site

供试高粱品种为高秆品种晋杂22和矮秆品种晋杂34；供试大豆品种为晋豆40、晋豆25，均为早熟品种。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设置7个处理，包括高秆高粱晋杂22单作（G1），株距15.8 cm、行距60 cm；矮秆高粱晋杂34单作（G2），株距12.2 cm、行距60 cm；大豆单作（D），株距14.4 cm、行距50 cm；2行高粱2行大豆间作（2G1∶2D、2G2∶2D），高秆高粱株距9.3 cm、矮秆高粱株距7.0 cm、大豆株距7.0 cm，高粱行距40 cm、大豆行距30 cm、高粱大豆行间距60 cm，带宽1.9 m；2行高粱4行大豆间作（2G1∶4D、2G2∶4D），高秆高粱株距7.6 cm、矮秆高粱株距5.8 cm、大豆株距11.6 cm，高粱行距40 cm、大豆行距30 cm、高粱大豆行间距50 cm，带宽2.3 m。2018年种植大豆品种晋豆40，2019年种植大豆品种晋豆25，每个处理3次重复，南北向种植，行长5 m，单作小区行宽6 m，间作处理种植3个带宽。2018年高粱于5月3日播种，9月27日收获；大豆于5月5日播种，10月8日收获。2019年高粱于5月6日播种，9月26日收获；大豆于5月8日播种，9月22日收获。2 a大田试验中，种植前试验田撒施了鸡粪作为底肥，后期未进行追肥，其他均为正常田间管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水量 于2018年和2019年作物播种前和作物成熟期在每个小区用土钻以每20 cm为一层采集0～100 cm土壤样本，采用烘干法测定土壤含水量；作物定苗（2018年6月11日、2019年6月18日）之后用TDR土壤水分速测仪结合烘干法测定土壤含水量，自上而下每20 cm为一层，0～20 cm用烘干法测定土壤含水量，20～100 cm用TDR土壤水分速测仪测定。单作小区随机铺设2个测管，间作小区分别在高粱株间、高粱行间、高粱大豆行间、大豆株间、大豆行间连续铺设测管，间作处理的土壤含水量为各带平均土壤含水量。

1.3.2 叶片水分利用效率 于2018年7月15日、2018年7月20日，2019年7月14日、2019年7月19日（大豆正值开花结荚期）9:00—12:00，选取长势一致的植株，采用TARGAS-1便携式光合作用测定仪测定高粱和大豆最上部完全展开叶的净光合速率（Pn）和蒸腾速率(Tr)，计算叶片水分利用效率，叶片水分利用效率=Pn/Tr。

1.3.3 生物量、产量及其水分利用效率 高粱成熟期单、间作处理各选取高粱6株，大豆成熟期单、间作处理各选取大豆12株，105℃杀青30 min，80℃烘干至恒质量，测定生物量。每个小区实收测产，按含水量14%折算产量。计算干物质水分利用效率、籽粒产量水分利用效率，干物质水分利用效率=作物生物量/作物耗水量，产量水分利用效率＝作物产量/作物耗水量。

间作系统水分利用优势由水分当量比(Water equivalent ratio，WER)表示，计算公式[8]：

WER=WERg+WERd=WUEig/WUEsg+WUEid/WUEsd

式中，WERg、WERd分别为间作系统中高粱、大豆的 相 对 产 量 水 分 利 用 效 率；WUEig、WUEsg、WUEid、WUEsd分别表示间作、单作高粱和大豆的产量水分利用效率。当WER＞1时，说明高粱和大豆间作系统农田水分利用效率比单作提高；当WER＝1时，说明高粱和大豆间作系统农田水分利用效率与单作相当；当WER＜1时，说明高粱和大豆间作农田水分利用效率比单作降低。

1.4 数据处理

用Excel 2007和Origin 7.0进行数据计算和作图，采用SPSS24.0软件的Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 高粱和大豆间作对土壤水分利用的影响

2.1.1 全生育期0～100 cm土层土壤含水量 由图1、图2可知，与2018年相比，2019年不同处理0～100 cm土层土壤含水量整体上均较低，且不同处理间差异较小。2018年，晋杂22和大豆不同处理的0～100 cm土层土壤含水量在整个生育期总体呈D＞2G1∶2D＞2G1∶4D＞G1，6月11日至7月25日表现尤为明显；2G1∶2D、2G1∶4D间作处理的平均土壤含水量较D处理分别降低8.39%、12.94%，较G1处理分别提高12.48%、6.90%。2018年，晋杂34和大豆不同处理的0～100 cm土层土壤含水量在整个生育期大致呈D＞2G2∶4D＞G2＞2G2∶2D；2G2∶2D、2G2∶4D处理的平均土壤含水量较D处理分别降低16.81%、9.41%，2G2∶4D处理较G2处理提高4.21%，2G2∶2D处理较G2处理降低4.31%。

图1 晋杂22和大豆间作对0～100 cm土层土壤含水量的影响Fig.1 Effect of Jinza 22-soybean intercropping pattern on water content in 0—100 cm soil layer

图2 晋杂34和大豆间作对0～100 cm土层土壤含水量的影响Fig.2 Effect of Jinza 34-soybean intercropping pattern on water content in 0—100 cm soil layer

2.1.2 间作下不同条带土壤含水量 对定苗之后到成熟期各间作处理不同条带0～100 cm全生育期土壤平均含水量进行比较可知（图3），各间作处理高粱带、交接带、大豆带间土壤含水量差异不显著。但是，整体上各间作处理的土壤含水量呈现2种趋势：大豆带＞交接带＞高粱带，大豆带＞高粱带＞交接带；高粱带的土壤含水量始终低于大豆带。2 a 2G1∶2D、2G1∶4D处理高粱带的土壤含水量比大豆带平均降低0.54%、5.49%，2G2∶2D、2G2∶4D处理高粱带的土壤含水量比大豆带平均降低2.41%、4.03%。

图3 不同间作处理不同条带土壤含水量Fig.3 The soil water content of different strips in different intercropping treatments

2.1.3 土壤水分垂直分布特征 图4是2018年8月4日不同处理0～100 cm土层土壤水分垂直分布情况，正值高粱灌浆期、大豆结荚期，2018年降雨集中在7月，播种至8月4日降雨量262.7 mm。由图4可知，0～20 cm土层土壤含水量最低。D处理60 cm以下土层土壤含水量基本趋于稳定，处于较高水平。不同处理间比较，总体上各土层D处理土壤含水量最高。对于晋杂22和大豆间作处理来说，各土层间作处理的土壤含水量高于G1处理，2G1∶2D、2G1∶4D处理0～40 cm土层土壤含水量分别比G1处理提高7.42%、4.81%，40～80 cm土层土壤含水量分别比G1处理提高18.62%、13.92%，80～100 cm土层土壤含水量分别比G1处理提高2.16%、13.59%。对于晋杂34和大豆间作处理来说，2G2∶2D、2G2∶4D处理0～40 cm土层土壤含水量分别比G2处理提高0.19%、10.57%；40～80 cm土层土壤含水量分别比G2处理降低14.30%、6.76%；80～100 cm土层，2G2∶2D处理土壤含水量比G2处理降低1.14%，2G2∶4D处理土壤含水量比G2处理提高12.61%。

图4 2018年高粱和大豆间作对土壤水分垂直分布的影响（8月4日）Fig.4 Effect of sorghum-soybean intercropping pattern on profile vertical distribution of soil water on August 4，2018

图5是2019年7月4日不同处理0～100 cm土层土壤水分垂直分布情况，正值高粱处于拔节孕穗期、大豆开花初期；播种至7月4日降雨量仅为37.9 mm。由图5可知，0～20 cm土层土壤含水量仍是最低。D处理60 cm土层以下土壤含水量处于较高水平。不同处理间比较，各土层间作处理土壤含水量总体上都低于D处理。对于晋杂22和大豆间作处理来说，0～40 cm土层，2G1∶2D处理土壤含水量比G1处理提高5.81%，2G1∶4D处理比G1处理降低1.03%；40～80 cm土层，2G1∶2D、2G1∶4D处理土壤含水量分别比G1处理提高7.71%、2.76%；80～100 cm土层，2G1∶2D处理土壤含水量比G1处理降低7.73%，2G1∶4D处理比G1处理提高0.77%。对于晋杂34和大豆间作处理来说，0～40 cm土层，2G2∶2D、2G2∶4D处理土壤含水量比G2处理提高7.73%、4.90%；40～80 cm土层，2G2∶2D处理土壤含水量比G2处理降低6.21%，2G2∶4D处理仅比G2处理提高0.50%；80～100 cm土层，2G2∶2D、2G2∶4D处理土壤含水量分别比G2处理提高18.15%、2.15%。可见，高秆高粱晋杂22和大豆间作处理40～80 cm土层土壤含水量比单作高粱晋杂22高；而矮秆高粱晋杂34和大豆间作处理80～100 cm土层土壤含水量比单作高粱晋杂34高。

图5 2019年高粱和大豆间作对土壤水分垂直分布的影响（7月4日）Fig.5 Effect of sorghum-soybean intercropping pattern on profile vertical distribution of soil water on July 4，2019

2.2 高粱和大豆间作对作物叶片水分利用效率的影响

从图6可知，与相应的高粱单作处理相比，2018年，不同高粱和大豆间作处理高粱叶片水分利用效率差异不显著；2019年，高粱和大豆间作处理高粱叶片水分利用效率均降低，但仅2G2∶4D处理差异显著，2G1∶4D、2G2∶4D处理高粱叶片水分利用效率分别降低20.89%、24.66%，2G1∶2D、2G2∶2D处理高粱叶片水分利用效率分别降低15.82%、14.37%。与大豆单作处理相比，2018—2019年2G1∶4D、2G2∶4D处理大豆叶片水分利用效率分别降低6.67%、5.26%，2G1∶2D、2G2∶2D处理大豆叶片水分利用效率分别降低19.86%、16.14%，但差异均不显著，说明2∶2间作处理比2∶4间作处理对大豆的影响更明显。

图6 高粱和大豆间作对作物叶片水分利用效率的影响Fig.6 Effect of sorghum-soybean intercropping pattern on leaf water use efficiency

2.3 高粱和大豆间作对生物量、产量及其水分利用效率的影响

由表2可知，与高粱单作处理相比，高粱和大豆间作处理晋杂22和晋杂34的生物量降低，但差异不显著。对于晋杂22和大豆间作处理，2018年2G1∶4D处理高粱的产量显著低于G1处理，2019年间作处理的高粱产量与G1处理差异均不显著；2 a 2G1∶2D、2G1∶4D处理高粱平均产量分别较G1处理降低15.33%、22.76%。对于晋杂34和大豆间作处理，2018—2019年2G2∶4D处理高粱的产量均显著低于单作，2018年2G2∶2D处理高粱的产量也显著低于单作，2a 2G2∶2D、2G2∶4D处理高粱平均产量分别较G2处理降低28.47%、39.18%。

表2 高粱和大豆间作对作物生物量、产量及其水分利用效率的影响Tab.2 Effects of sorghum-soybean intercropping pattern on the biomass，grain yield and their water use efficiencies

与大豆单作处理相比，2018—2019年2G1∶2D处理大豆生物量均显著降低，平均降低51.12%，其他间作处理与单作处理间差异均不显著；2G2∶2D处理大豆生物量平均降低40.75%。间作处理的大豆产量2 a表现不一，2018年与大豆单作处理间差异不显著，2019年2∶2处理大豆产量显著低于大豆单作处理，2∶4处理与大豆单作处理间差异不显著。2018—2019年2G1∶2D、2G1∶4D处理大豆平均产量分别较大豆单作处理降低50.98%、17.48%；2G2∶2D、2G2∶4D处理大豆平均产量分别较大豆单作处理降低47.69%、15.49%。

2018—2019年间作处理晋杂22的干物质水分利用效率和产量水分利用效率与单作处理间差异均不显著。与晋杂34单作处理相比，2019年2G2∶2D处理高粱的干物质水分利用效率和产量水分利用效率均显著降低，分别降低24.02%和24.67%；2018—2019年2G2∶4D处理高粱的产量水分利用效率均显著降低，分别降低37.48%、35.81%。与大豆单作处理相比，2018—2019年2G1∶2D处理大豆的干物质水分利用效率均显著降低，平均降低50.71%；2019年2G1∶2D处理大豆的产量水分利用效率显著降低，降幅为60.49%；2019年2G2∶2D处理大豆的干物质水分利用效率和产量水分利用效率均显著降低，降幅分别为42.92%和60.85%。

从水分当量比来看，不同间作处理的水分当量比均大于1，以2G1∶4D处理最高，说明高粱和大豆间作较单作提高了农田水分利用效率。2018年不同间作处理的水分当量比差异不显著；2019年2∶4间作处理的水分当量比均显著高于2∶2间作处理，2G1∶4D、2G2∶4D处理分别比2G1∶2D、2G2∶2D处理提高51.18%、48.28%。

3 结论与讨论

间作系统中的水分分配不仅是间作作物地上地下部分动态作用的结果，也是环境和作物相互作用的结果[19]，其利用优势的形成涉及作物组分本身的生理特性，以及作物组分对水资源及相关资源在时间、空间上利用的竞争、互补[4]。本试验中受灌溉和气候干旱的影响，2019年不同间作处理生育期内0～100 cm土层土壤含水量和各土层剖面含水量与高粱、大豆单作处理差异较小。不同间作处理生育期的0～100 cm土层土壤含水量大致介于大豆单作处理和高粱单作处理之间，生长中后期差异缩小，这与冯良山[12]的研究结果一致。与高粱单作处理相比，晋杂22和大豆间作处理0～100 cm土层土壤含水量提高幅度比晋杂34和大豆间作处理高。从不同间作处理的不同条带的土壤含水量可知，高粱带的土壤含水量始终低于大豆带，说明间作中高粱为高耗水作物，土壤水分可能从大豆带向交接带和高粱带侧渗，从而降低高粱对自身条带土壤水分的过度消耗。从土壤水分垂直分布可知，不同处理土壤水分的垂直变化基本类似，总体上呈先增大后减少最后趋于稳定的状态。综合分析土壤水分时空分布，高粱和大豆间作根系深浅搭配改善农田的土壤水分环境，晋杂22和大豆间作处理比晋杂34和大豆间作处理保持了更高的土壤水分含量，更好地减少了土壤水分的过度消耗，这可能与矮秆高粱种植密度大、更耗水有关。高秆高粱晋杂22和大豆间作处理40～80 cm土层土壤含水量比高粱晋杂22单作处理高，说明高秆高粱可改善40～80 cm土层土壤水分的利用，进而提高产量。

水作为世界上最宝贵的自然资源之一，它参与作物的光合作用，直接影响干物质的积累和作物产量[20]。从生物量和产量分析，高粱和大豆间作降低了高粱和大豆的生物量和产量，这与高砚亮等[8]的研究结果一致。研究表明，由于高位作物玉米严重遮阴，使低位作物大豆处于竞争劣势，影响大豆植株各器官的生长与干物质积累[21]。本研究中由于高位作物高粱的遮阴作用，使2∶2间作处理的大豆生物量和产量均明显低于单作处理，2G1∶2D处理大豆平均生物量、产量分别比单作处理降低51.12%、50.98%；2G2∶2D处理大豆平均生物量、产量分别比单作处理降低40.75%、47.69%；2G1∶2D处理大豆的干物质水分利用效率和产量水分利用效率总体上均显著低于大豆单作处理，可见大豆生长发育受到抑制，大豆处于光照劣势，而这种抑制作用随着大豆行数的增加而削弱。2G1∶4D处理大豆平均产量较单作处理降低17.48%，2G2∶4D处理大豆平均产量较单作处理降低15.49%。2G1∶4D处理高粱和大豆的叶片、干物质、产量水分利用效率与相应单作处理差异均不显著。

水分当量比能全面评价农田水分利用能力，高粱和大豆间作系统水分当量比均大于1，说明高粱和大豆间作改善了土壤水分环境，提高了农田水分生产力。2018年不同间作处理的水分当量比差异不显著；2019年2∶4间作处理的水分当量比均显著高于2∶2间作处理，2G1∶4D、2G2∶4D处理分别比2G1∶2D、2G2∶2D处理提高51.18%、48.28%。在本试验条件下，2G1∶4D间作处理具有较高的水分利用优势。