灌溉制度对甜瓜/向日葵间作系统叶片水分状况和水分利用效率的影响

刘 斌，魏 慧，寇燕燕，陈年来，颉建明

（1甘肃农业大学园艺学院，兰州 730070；2甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银 730400；3甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070）

0 引言

间作是农业生产中的一种集约化种植方式，能提高土地和气候资源在时间和空间上的利用率，促进农业生产高产高效，增加农田生物多样性[1]。间作虽然在一定土地面积增加了作物种类和作物种植面积，提高了作物的光能利用效率，但由于不同作物之间对阳光、水分和养分竞争，对灌溉面积和灌溉水需求也相应提高[2]。因此，在间作条件下，如何减少作物水分消耗和提高灌水利用效率是个急需研究的问题。研究表明，对间作物进行合理搭配、制定合理灌溉制度都有助于提高作物的水分利用效率和间作系统生产力。

农作物的灌溉制度是指作物在播种前及全生育期内所需要的灌水次数及灌水定额，制定具体的灌水时间、灌水量和全生育期灌水次数[3]。合理的灌溉制度就是在满足作物生理需水的前提下，确定作物的灌溉时间、灌水量和灌水次数，能减少田间水量损失和农业耗水量，提高天然降水利用率和水资源利用率。叶片作为植物生理代谢活动最为活跃的器官，其性状特点反映了植物对生存环境的适应策略和对环境资源的利用能力[5]。植物叶片水分状况好坏，直接影响其光合速率和生长发育，并最终影响产量和光能利用率。因此，通过叶片水分状况判断作物的水分状况，对于制定合理的灌溉制度显得尤为重要。研究表明，水分状况显著影响冬小麦植株的生长状态。随着干旱程度的加剧，冬小麦叶片相对含水量显著下降[6]。牟筱玲[7]等研究发现，干旱胁迫下，棉花叶片内的自由水含量降低，束缚水含量増加，叶面积缩小，叶绿素含量下降，叶片的光合作用能力降低。戴佳信[8]等在小麦套种玉米与小麦套种油葵的间作套种试验中发现，非充分灌溉制度条件下，间套作小麦、玉米、油葵3种作物的产量和灌溉水利用率显著高于单作，有效节约了水资源。

向日葵和甜瓜(Cucumis melo)是甘肃河西绿洲地区重要的经济作物，在当地其瓜葵间作和套作种植模式已经广泛应用，实现了土地单位面积经济效益的最大化，给农业生产带来了显著的经济效益[9]。因此，研究瓜葵间套作模式下，2种作物在时间和数量上对水分的需求，制定适宜的灌溉制度对于在有限灌水资源条件下提高作物水分利用效率具有重要的意义。本试验在大田条件下，制定甜瓜/向日葵间作系统不同灌溉制度，比较分析不同灌溉制度下对单作、间作系统甜瓜和向日葵叶片水分状况、水分利用效率的影响，探究甜瓜/向日葵间作模式下较为适宜的灌溉制度，为优化甜瓜/向日葵间作模式节水灌溉关键技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于河西走廊东段的民勤绿洲甘肃省民勤县农业技术推广中心试验农场，介于103o02′—104o02′E，38o05′—39o06′N之间，半封闭的内陆荒漠区，温带大陆性极干旱气候，年均降水量110 mm，年蒸发量2644 mm，昼夜温差25.2℃，年均气温7.8℃，日照时数为3073 h。

1.2 试验材料

供试甜瓜和向日葵均由甘肃省民勤县农业技术推广中心提供。甜瓜品种‘金红宝’，具有丰产性好、品质较优、耐储运、抗病能力强等优点。向日葵品种为‘LD5009’，具有出苗快、易保苗，抗旱、耐瘠薄，产量高的等优点。

1.3 试验设计与处理

试验采用二因素裂区试验设计。主区为间作，灌水次数设7、8、9次3个水平。副区为单次灌水量，设450、300、225 m3/hm23个水平，共9个处理组合。甜瓜单作灌水次数设5、6、7次3个水平，灌水5次和6次灌水处理的单次灌水量均为450 m3/hm2，7次灌水处理的灌水量设450、300、225 m3/hm23个水平，共5个处理。向日葵单作灌水次数设4、5、6次3个水平，单次灌水量均为900 m3/hm2，共3个处理，如表1。试验共17个处理，3次重复，共51个小区。各小区采用沟灌方式灌水，田间输水方式为小水泵加压的管道输水，进水口加装精确度为0.001 m3的水表计量并控制各小区次灌水量，同时为减少因水分侧渗而造成的试验误差，不同处理小区之间用垂直埋深60 cm的薄膜隔开。甜瓜单作与向日葵间作小区面积均为2×10=20 m2，向日葵单作小区面积为5×10=50 m2。单、间作甜瓜均于5月9日播种，8月5日收获。单作向日葵于5月6日播种，9月6日收获。间作向日葵于7月5日间种（甜瓜膨大期），10月16日收获，甜瓜与向日葵的共生期为30天。东西行向种植，单作葵花小区位于甜瓜北侧。

表1 灌溉制度方案设计

甜瓜单间作采用水旱塘栽培，水旱塘宽2 m，水沟宽70 cm，旱塘宽130 cm，株距45 cm，双蔓式整枝，每株留1果，施肥水平和当地水平相一致。播种开沟时一次性集中施入基肥施磷二铵150 kg/hm2、尿素300 kg/hm2，过磷酸钙750 kg/hm2。座瓜后追施尿素150 kg/hm2、硫酸钾75 kg/hm2，果实膨大期追施尿素75 kg/hm2。在瓜膨大期用尼龙网垫垫瓜，甜瓜收获以后除取样植株外一律原地断根覆盖。间作向日葵直播于行内2株甜瓜之间，株距40 cm，单作采用地膜覆盖，平作栽培，采用规格为幅宽120 cm的地膜覆盖，每幅地膜种3行，膜面宽120 cm，膜间距30 cm，平均行距50 cm，株距40 cm，施肥水平和当地水平相一致。春耕犁地时一次施入施过磷酸钙750 kg/hm2、磷酸二铵150 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，硫酸钾150 kg/hm2做基肥，现蕾前结合浇头水（8叶期）追施尿素225 kg/hm2，始花期追施尿素150 kg/hm2。

1.4 测定指标及方法

叶片相对含水量和水分饱和亏采用烘干称重法测定。于甜瓜和向日葵的苗期、开花期、成熟期每个小区取选取长势基本一致的完整叶片，迅速放入铝盒，称其鲜重，然后将其浸入水中12 h小时取出，用吸水纸擦干样品表面的水分进行称重，再将样品浸入水中1 h后取出，擦干，称重，直至样品重量近似，即得样品饱和重量，然后于105℃下杀青0.5 h后，然后在80℃下烘至恒重。计算见公式(1)～(4)。

式中：RWC为叶片相对含水量(%)；W1为叶片鲜重(g)；W2为叶片干重(g)；W3为叶片饱和重(g)。

于甜瓜和向日葵的成熟期对各小区分别收获取样。每个小区选取长势基本一致的完整植株3株，重复3次，取地上部分装于牛皮纸袋中，于105℃杀青0.5 h，然后在80℃下烘至恒重，用电子天平称量地上部干物质生产量。作物生育期降水量采用watchdog微型气象站定时自动记录。采用烘干法分别对播种前、和收获后间作和甜瓜、向日葵单作的土壤含水量进行测定，每个小区选取3个点钻取0～120 cm土层土样（每20 cm为一层），称鲜重后立即在105℃下烘至恒重，依据公式(3)计算土壤含水量。各生育期灌水前利用TDR测定15～20 cm土层含水率，作为判断土壤水分状况的依据。

式中：M为土壤含水率(%)；M1为土壤湿重(g)；M2为土壤干重(g)。

式中：Y为作物地上部干物质生产量(kg/hm2)，P为降水量(m3/hm2)，I为灌溉量(m3/hm2)，△W为作物播种前和收获后的土壤含水量之差(m3/hm2)。

1.5 数据处理与分析

采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析，采用新复极差法(Duncan)比较不同处理间的差异显著性，采用Microsoft Excel 2007软件制图。

2 结果与分析

2.1 灌溉制度对甜瓜/向日葵单间作系统甜瓜叶片水分状况的影响

2.1.1 甜瓜单作和间作的叶片相对含水率 间作处理甜瓜成熟期的平均叶片相对含水量(73.29%)较单作处理(76.18%)降低3.8%（表2），差异不显著。不同间作灌溉次数下，甜瓜成熟期灌水7次的叶片相对含水量最高，为81.90%，均显著高于灌水8次、灌水9次，分别高16.5%、21.0%。在甜瓜苗期和开花期，各间作灌水次数处理的叶片相对含水量无显著差异。表明间作处理下灌水7次有利于提高甜瓜叶片的相对含水量。

表2 不同灌溉制度下单作及与向日葵间作的甜瓜叶片相对含水量(RWC)

不同间作灌水定额下，甜瓜苗期和开花期单作和间作各处理的甜瓜叶片相对含水量无显著差异。甜瓜成熟期，灌水7次的甜瓜叶片相对含水量均最高，灌溉定额为 450、300、225 m3/hm2时，分别为 82.56%、81.83%、81.31%，较灌水8次和9次分别高13.2%、8.9%、8.6%和37.4%、29.9%和20.3%。表明间作处理下灌溉制度为灌水次数为7次，灌水定额为225 m3/hm2，有利于提高间作条件下甜瓜叶片的相对含水量。

2.1.2 甜瓜单作和间作的叶片水分饱和亏 间作处理成熟期甜瓜的平均叶片水分饱和亏(26.71%)较单作处理(23.82%)高12.1%，差异显著，苗期和开花期差异不显著（表3）。不同间作灌溉次数下，在甜瓜成熟期，灌水8次(29.70%)和灌水9次(32.34%)的甜瓜叶片水分饱和亏均显著高于灌水7次(18.10%)，分别高64.1%和78.7%，差异显著，灌水8次和灌水9次之间差异不显著。在甜瓜苗期和开花期，单作和间作各处理的甜瓜叶片相对含水量无显著差异。表明间作处理可以提高甜瓜生育后期的叶片水分饱和亏，间作处理下灌水8次和灌水9次有利于提高甜瓜叶片的水分饱和亏。

表3 不同灌溉制度下单作及与向日葵间作的甜瓜叶片水分饱和亏(WSD)

不同间作灌水定额下，在甜瓜开花期，在灌水7次和8次处理下灌水定额为450 m3/hm2和225 m3/hm2的甜瓜叶片的水分饱和亏均显著高于灌水定额为300 m3/hm2。在成熟期，灌水8次处理下，灌水定额225 m3/hm2处理的甜瓜叶片的水分饱和亏显著高于其他灌水定额，灌水7次处理下各灌水定额差异不显著。表明间作处理下灌水8次，灌水定额为450 m3/hm2或225 m3/hm2有利于提高甜瓜叶片的水分饱和亏。

2.2 灌溉制度对甜瓜/向日葵单间作系统向日葵叶片水分状况的影响

2.2.1 向日葵单作和间作的叶片相对含水率 间作处理向日葵成熟期平均叶片的相对含水量(65.10%)较单作处理(74.43%)低12.5%，差异显著，苗期和开花期差异不显著（表4）。不同间作灌溉次数下，成熟期向日葵叶片的相对含水量均显著低于单作处理。向日葵开花期和成熟期的相对含水量随着灌水次数的增加均在灌水8次达到最高之后开始下降，灌水8次的叶片相对含水量为66.78%，较单作降低10.3%，差异显著。不同间作灌溉次数处理下的叶片相对含水量间无显著性差异。苗期和开花期单作和间作各处理的向日葵叶片相对含水量无显著差异。表明间作处理可以降低向日葵在生育后期的叶片相对含水量，灌水次数对向日葵叶片相对含水量无显著影响。

表4 不同灌溉制度下单作及与甜瓜间作的向日葵叶片相对含水量(RWC)

不同间作灌水定额下，随着灌水定额的减少，向日葵苗期和成熟期的叶片相对含水量呈现上升的趋势，在灌水7次和8次处理下，灌水定额为300 m3/hm2和225 m3/hm2的向日葵叶片相对含水量均显著高于灌水定额为450 m3/hm2。在开花期，在灌水7次和9次处理下，灌水定额为300 m3/hm2和225 m3/hm2的向日葵叶片相对含水量均显著高于灌水定额为450 m3/hm2。表明间作处理下灌水次数对向日葵叶片相对含水量无显著影响，灌溉定额为300 m3/hm2或225 m3/hm2时，有利于提高间作条件下向日葵叶片的相对含水量。

2.2.2 向日葵单作和间作叶片的水分饱和亏 间作处理向日葵开花期、成熟期叶片的平均水分饱和亏较单作处理分别降低18.1%、19.8%，差异显著（表5）。不同间作灌溉次数下，随着灌溉次数的增加，向日葵成熟期叶片的水分饱和亏呈现降低的趋势，灌水7次(34.02%)、灌水8次(32.42%)比灌水9次(25.57%)分别高33.0%、26.8%，差异显著，灌水7次和灌水8次之间差异不显著。苗期和开花期的叶片水分饱和亏无显著差异。表明间作处理可以降低向日葵生育后期的叶片水分饱和亏，间作处理下，灌水7次和灌水8次有利于提高向日葵生育后期的叶片水分饱和亏。

表5 不同灌溉制度下单作及与甜瓜间作的向日葵叶片水分饱和亏(WSD)

不同间作灌水定额下，在开花期和成熟期，叶片的水分饱和亏随着灌溉定额的降低呈现下降的趋势，各灌水定额之间差异不显著。表明在灌水次数相同的条件下，灌水定额越大，向日葵叶片的水分饱和亏越大。表明灌水定额对向日葵叶片水分饱和亏无显著影响。

2.3 灌溉制度对甜瓜、向日葵单作及间作系统WUE(水分利用效率)的影响

甜瓜/向日葵间作系统的WUE(3.74 kg/m3)显著高于甜瓜单作(2.87 kg/m3)和向日葵单作(1.80 kg/m3)，分别提高30.3%和107.8%（图1）。不同间作灌溉次数下，间作处理的WUE均高于单作处理，差异显著。灌水定额为225 m3/hm2，间作处理灌水8次和灌水9次的WUE显著高于灌水7次，灌水定额为450 m3/hm2、300 m3/hm2时，灌溉次数对间作系统的WUE无显著影响。表明间作条件下，灌水8次和灌水9次有利于提高间作系统的WUE。向日葵单作和甜瓜单作处理在灌水定额相同的条件下，随着灌水次数的减少，水分利用效率升高。K1、K2处理的WUE显著高于K3，G1、G2处理的WUE显著高于G3处理。

图1 甜瓜、向日葵单间作及间作系统的水分利用效率(WUE)

不同间作灌水定额下，随着灌溉定额的降低，间作处理的WUE呈现升高的趋势。灌水8次和灌水9次处理下，灌水定额为225 m3/hm2的WUE显著高于灌水定额为 450 m3/hm2、和 300 m3/hm2，分别提高 47.8%、21.4%和37.6%、31.0%。表明间作处理下灌水定额为225 m3/hm2时有利于提高间作系统的WUE。甜瓜单作同一灌水次数（7次）时，G5、G4处理的WUE显著高于GD3处理，其WUE分别提高46.3%、47.3%。表明单作条件下灌水次数同的条件下，灌水定额越低WUE越高。在灌水次数和灌水定额都相同的条件下，甜瓜间作处理的WUE均显著高于单作处理。因此，间作系统的水分利用效率比单作系统的水分利用效率高，灌溉制度为灌水8次和灌水9次、灌水定额为225 m3/hm2有利于提高间作系统的WUE。

3 结论与讨论

水分是作物产量形成的决定性因素，在有限的灌溉水量条件下提高水资源利用效率，是解决水资源短缺和保障农业灌溉的根本出路[10-11]。在农业生产中，由于间作栽培模式较单作能高效利用光、热、水、肥等资源而被广泛应用。提高间作作物的水分利用效率需配置合理的作物组合、种值密度和适宜的供水定额，才能实现水资源的高效利用[12]。研究表明在间作条件下，在作物水分需求量没有增加的情况下能提高作物的水分利用率[13-14]。因此，探究间作不同间作系统的合理灌溉制度，量化灌水次数和灌水定额，对于提高水资源的充分有效利用和节水灌溉用水具有重要意义。本研究以甜瓜和向日葵单作为对照，通过设定甜瓜/向日葵间作系统不同灌溉制度，结果表明，甜瓜/向日葵间作系统的水分效率(3.74 kg/m3)显著高于甜瓜单作(2.87 kg/m3)和向日葵单作(1.80 kg/m3)，分别提高30.3%和107.8%，这与王仰仁[15]等的研究结果一致，可能是间作系统形成的直立植物与蔓生爬地植物相结合的立体种植模式对土地起到了一定的遮阴作用，降低了作物的蒸腾作用和土地的蒸发作用，改变了单位土地面积中水分的分布配置状况。在甜瓜的膨大期间作向日葵，缩短了2种作物的共生期，由于高矮不一，需水时期不同，充分提高了水资源的利用效率，这与郝娜[16]等研究高杆作物向日葵与豆科和非豆科作物间作模式下，2种间作模式均可有效提高高秆作物和间作系统的水分利用效率的结果一致。不同灌溉制度下发现，间作不同间作灌溉次数下，灌水8次和灌水9次有利于提高间作系统的水分利用效率。不同间作灌水定额下，灌水8次和灌水9次处理下，灌水定额为225 m3/hm2的水分利用效率显著高于灌水定额为450 m3/hm2、和300 m3/hm2，分别提高47.8%、21.4%和37.6%、31.0%。综合考虑灌溉制度为灌水8次或9次、灌水定额为225 m3/hm2时有利于提高甜瓜/向日葵间作系统的水分利用效率，这与陈亮等[17]研究结果有差异，可能是由于高灌水量有效地提高间作群体的光能利用效率，增加了作物的干物质积累量，而灌水定额和灌水次数的减少会使作物土壤中水分亏缺，导致作物光合作用受到抑制造成了选择适宜灌溉制度的不同。因此，在甜瓜/向日葵间作的优化管理中，在水分亏缺在不会影响经济产量的条件下需要调整好灌溉制度，达到水资源的高效利用与增效节水。

研究表明，相对含水量较高的叶片有较高的渗透调节功能和较强的抗旱性，可以较好地反映出作物的抗旱性，与抗旱性成正相关关系[18]。本研究在甜瓜/向日葵间作模式下发现，间作甜瓜成熟期叶片较水分饱和亏显著高于甜瓜单作，叶片相对含水量无显著影响，苗期、开花期和单作无差异。而间作向日葵的开花期和成熟期叶片相对含水量和水分饱和亏都显著低于单作，可能是由于在甜瓜和向日葵共生期间，2种作物对水分的竞争造成了向日葵叶片相对含水量和水分饱和亏的降低。在向日葵成熟期，间作甜瓜已采收造成土地的裸露，加剧了地面土壤水分的蒸发，造成了向日葵叶片相对含水量和水分饱和亏的降低，叶片水分状况下降，抗旱能力下降。不同灌溉制度下，灌溉8次在提高间作甜瓜叶片的水分饱和亏和向日葵叶片的相对含水量、水分饱和亏方面具有灌溉优势。灌水定额为225 m3/hm2时有利于提高甜瓜/向日葵间作系统甜瓜叶片的相对含水量、水分饱和亏和向日葵叶片的相对含水量具有灌溉优势，可能原因是甜瓜和向日葵间作的需水高峰期，随着灌水定额的减少，对水分的利用效率增加，从而改善了间作2种作物叶片的水分状况，提高其抗旱性。

本试验结果表明，在不同灌溉制度条件下，甜瓜/向日葵间作系统的水分效率显著高于甜瓜单作和向日葵单作，间作降低了甜瓜和向日葵生育后期的叶片相对含水量和水分饱和亏，但2种作物单作生育前期各灌溉制度叶片水分状况无显著差异。间作系统的水分利用效率和间作作物的叶片水分状况在灌水8次和灌水定额为225 m3/hm2优于其他灌溉制度。因此，在河西绿洲灌区甜瓜/向日葵间作系统条件下获得较高水分利用效率和改善叶片水分状况较适宜的灌溉制度为全生育期灌水8次、灌水定额225 m3/hm2。