辽西半干旱区不同玉米间作花生模式对作物产量和水分利用效率的影响

刘 洋董 智董 俊苏建党张晓鹏孙继军蔡广兴侯志研

(1.辽宁省农业科学院耕作栽培研究所,辽宁 沈阳 110161; 2.国家农业环境阜新观测实验站,辽宁 阜新123100; 3.阜蒙县现代农业发展服务中心,辽宁 阜新 123100; 4.辽宁省沙地治理与利用研究所,辽宁 阜新 123000; 5.辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所,辽宁 沈阳 110161)

水是作物生长发育的重要因素。辽宁省西部属风沙半干旱区,土壤风蚀沙化严重,年降水量仅为300～600 mm,且降水变率较大,旱灾频繁,作物水分利用率低,因而制约了辽西农户的增产增收[1～2]。间作是我国传统农业中的精髓,是指在同一块土地上通过种植多种作物的合理搭配,复合群体对光照、水分养分和土地等资源实现高效利用,不但具有较高的单位面积粮食产出,而且可以降低因气候变化带来的风险,是防风固沙的重要生态措施,也是旱作农业区常见的种植模式[3-4]。众多研究表明,玉米间作豆科作物可以改善农田生态环境,如玉米间作大豆[5]、玉米间作花生[6～7]、玉米间作蚕豆等[8],显著提高了作物产量和土地生产力。前人研究也显示,干旱和半干旱农业生产区玉米间作大豆、玉米间作豌豆可提高土壤含水量、降低表层土壤水分蒸发量,通过合理搭配作物种类和群体分布,提高水分利用效率进而提高系统作物产量[9～11]。

玉米是辽西种植面积最大的作物,近年来,受气候环境和障碍因素的影响导致产量低而不稳,以辽西的主要农作物花生和玉米开展间作,可以提高土地生产力和水分利用效率,对辽西农业可持续发展具有重要意义。本研究在辽西风沙半干旱区进行玉米间作花生种植,通过对不同行比玉米间作花生模式的产量构成因素、土地当量比及水分利用当量比的进行对比分析,探讨不同行比玉米间作花生模式对土地生产力和水分利用效率的影响,提出适合于辽西旱作农业区的玉米与花生间作模式,以期为筛选出适宜在辽西旱作农业区应用的玉米间作花生模式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在辽宁省阜新市阜蒙县阜新镇他本村进行,阜蒙县位于辽宁省西部,属风沙半干旱区,耕地面积约32万hm2,是辽宁省重要的商品粮生产基地之一。该区域年平均气温7～8 ℃,10 ℃以上积温为2 900～3 400 ℃,无霜期为135～165 d,5～9月份日照时数为1 200～1 300 h,年降水变率较大,一般为300～600 mm,“十年九旱”是其基本气候特征。该区域土壤以褐土为主,存在耕层变薄、有机质缺乏、贫磷、少氮、水土流失等问题。

1.2 供试品种

玉米品种为利农368,花生品种为唐科8252。

1.3 试验设计

试验采用4种种植模式,1.M2P4:2行玉米和4行花生间作,条带宽为3 m;2.M8P8:8行玉米和8行花生间作,条带宽为8 m;3.S-M:玉米单作,4. S-P:花生单作,每个处理4次重复。玉米的株距为0.30 m,花生株距为0.15 m,花生采用一穴双株种植,单、间作玉米和花生的行间距均为0.5 m,各小区行长为85 m,小区宽为32 m。三元复合肥(N-P-K 15-15-15)以底肥形式播前一次性施入,单作、间作的施肥用量玉米为750 kg/hm2,花生为450 kg/hm2,后期未进行追肥,常规田间管理。玉米和花生于2019年于5 月10日同期播种,9月27同期收获。

1.4 项目测定与方法

土壤水分测定:在播种前和收获时以每10 cm为一层用土钻采集土壤样本,玉米和花生条带取样深度为100 cm。在间作系统中P1取样位置为花生中心垄沟,依次至玉米中间条带垄沟为P6(M2P4)、P11(M8P8)取样位置点(图1),按烘干法测定土壤含水量。 产量测定:在成熟期,单、间作玉米和花生均随机选取5 m行长进行收获, 4次重复。收获后挂置于风干棚内风干,玉米籽粒含水率为14%时,花生籽粒为15.5%时进行称重(用水分测定仪测定籽粒含水率),按常规方法测定产量构成因素。

图1 玉米和花生间作种植模式及土壤水分取样位置

玉米果穗性状和产量构成性状测定:于作物成熟期,单、间作玉米随机选取连续10株进行收获,单、间作均4次重复。收获后挂置于风干棚内晾晒自然风干,常规方法测量。

花生产量构成等性状的测定:于作物成熟期,单、间作花生随机选取2 m行长进行收获,,单、间作均4次重复。收获后挂置于风干棚内晾晒自然风干,常规方法测量。

1.5 计算方法

土地当量比(land equivalent ratio,LER)计算公式[12]:

式中,LERm:玉米的偏土地当量比,LERp:花生的偏土地当量比,Ym,I:间作玉米的产量,Ym,S:单作玉米的产量,Yp,I:间作花生的产量,Yp,S:单作花生的产量。

作物耗水量(evapotranspiration of field,ET)是指作物从播种至收获整个生育期农田水分消耗的总和。在试验地块较为平坦、地下水位较深时,地表径流和地下水补充可以忽略不计,试验过程中未对作物进行人工灌溉,简化后的作物耗水公式如下:

式中,ET :作物耗水量(mm);P:全生育期降雨量(mm);SS:播前土壤储水量(mm);SF:收获后土壤储水量(mm)。

作物水分利用效率(water use efficiency,WUE)是指作物单位耗水量所生产出的产量,通常用作物产量和耗水量的比值来计算。

式中,Y:作物产量:ET:作物耗水量为各取样点的水分数据的平均数。

间作系统水分利用优势由水分当量比(water equivalent ratio,WER)计算公式式中[13]:WER=WERm+WERp= (WUEm,I/WUEm,S)+(WUEp,I/WUEp,S)

式中,WERm:间作系统中玉米的相对水分利用效率,WERp:间作系统中花生的相对水分利用效率,WUEm,I:间作玉米水分利用效率,WUEm,S:单作玉米水分利用效率,WUEp,I:间作花生水分利用效率,WUEp,S:单作花生水分利用效率。

2 结果与分析

2.1 产量因素

2.1.1 玉米产量因素

不同行比玉米间作花生处理的玉米产量构成因素分析结果表明(表1),M2P4与玉米单作相比,穗长、穗粗,穗粒数,百粒重和穗重均存在一定差异,分别比单作增加10.7%,5.5%,8.3%,13.3%和22.3%,秃尖比玉米单作减少,但差异不显著;可见,M2P4与玉米单作在除了秃尖长之外的其它产量构成因素上均增加从而表现增产。M8P8与玉米单作相比穗粒数,百粒重和穗重差异显著,分别比单作增加5.1%,6.2%,11.6%,穗长和穗粗略有增加,秃尖变短,但是差异均不显著,可见穗粒数,百粒重和穗重的增加是M8P8比玉米单作的主要因素,2P4与M8P8相比穗长、穗粗和穗重差异显著,秃尖长、穗粒数和百粒重差异不显著。由此可见,M2P4比M8P8的穗长和穗粗增加是增产的主要原因,M2P4 比M8P8的穗长和穗粗增加是增产的主要原因。

表1 不同行比玉米—花生间作处理下玉米产量因素

2.1.2 花生产量因素分析

不同行比玉米—花生间作处理下花生产量因素分析结果表明(表2),M2P4、M8P8与花生单作相比,荚数、粒数、籽粒产量差异显著,分别比单作减少40.9%和32.2%,22.8%和15.3%,8.8%和11.4%,M2P4、M8P8与花生单作相比,百仁重和饱果率差异显著,比花生单作分别增加16.6%和9.1%,13.3%和11.4%,分枝数略有增加,但差异不显著;可见M2P4、M8P8与花生单作相比虽然百仁重和饱果率有所增加,但是荚数、粒数降低幅度大是减产的主要原因。

表2 不同行比玉米—花生间作处理下花生产量因素

M2P4与M8P8相比荚数、粒数、百仁重和籽粒产量差异显著,荚数、粒数比M8P8分别为减少14.6%和9.7%,百仁重和籽粒产量比M8P8分别增加6.4%和2.8%,M2P4与M8P8分枝数和饱果率差异不显著,可见百仁重增加是M2P4比M8P8增产的主要因素。

2.2 作物产量和土地生产力

2.2.1 作物产量

不同行比玉米—花生间作处理下玉米产量分析结果表明(表3),不同行比间作,玉米和花生与单作相比,受行比设置的影响,玉米产量M2P4和M8P8与单作产量差异显著,分别比单作下降49.3%和41.7%,间作随着玉米行比的增加,产量下降幅度变小;花生产量M2P4和M8P8与单作产量差异显著,分别比单作下降35.7%和51.0%,间作随着花生行比的减少,产量下降幅度变大。

2.2.2 土地生产力

间作在单位面积内较单作的土地利用优势由土地当量比来衡量。当某种间作模式的LER＜1 时,该间作模式降低了土地生产力,具有间作劣势;当LER=1 时,该体系无间作优势;当LER＞1 时,该体系具有间作优势,有一定的应用价值。

不同行比玉米—花生间作处理下土地当量比分析结果表明(表3),M2P4和M8P8玉米的偏土地当量比PLERM差异显著,分别为0.51和0.59,M8P8比M2P4高0.08;M2P4和M8P8花生的偏土地当量比PLERP差异显著,分别为0.64和0.49,M2P4比M8P8高0.15。两种不同行比的带状间作复合种植系统的LER均大于1,说明玉米和花生间作具有一定的产量优势,2种间作系统的LER差异显著,M2P4模式的LER比M8P8模式高7.25%。

表3 不同行比玉米和花生间作处理下产量和土地当量比

2.3 水分利用效率和水分当量比

2.3.1 水分效率

不同行比玉米—花生间作处理下玉米水分利用效率分析结果表明(表4),M2P4和M8P8玉米的水分利用效率(WUE)均显著低于单作玉米,分别比单作玉米降低47.2%和41.6%,M8P8玉米的WUE较M2P4间作高5.6%。

表4 不同行比玉米—花生间作处理下玉米水分利用效率

不同行比玉米—花生间作处理下花生水分利用效率分析结果表明(表5),M2P4和M8P8花生的WUE均显著低于单作花生,分别较单作花生降低36.2%和51.7%, M2P4花生的WUE较M8∶P8间作高15.5%。

表5 不同行比玉米-花生间作处理下花生水分利用效率

2.3.2 水分当量比

水分当量比(WER)较为直观的表现出间作种植模式较单作种植模式农田水分利用能力增减的程度。当WER＜1时,说明间作相对于单作水分利用效率降低了;当WER＞1时,说明间作系统农田水分利用效率提高了。

如表6 所示,2种间作模式中,M8P8玉米的水分当量比(PWERM)要显著高于M2P4,提高5.6%;而M8P8花生的PWERP要显著低于M2P4,降低15.5%。从间作系统的整体的WER来看,M2P4系统和M8P8系统的WER均大于1 ,M2P4与M8P8的水分当量比差异显著,M2P4比M8P8高9.92%。

表6 不同行比玉米—花生间作处理下水分当量比

3 讨论

3.1 产量和土地当量比

玉米和花生间作存在禾本科与豆科作物的种间竞争,在此间作系统中玉米有资源竞争优势,不同的行间配比对产量形成影响程度不尽相同。刘洋、张莹、高砚亮、焦念元等对豆科作物花生、大豆和玉米间作研究表明,矮秆作物产量的降低是受间作种植中高秆作物对矮秆作物遮阴的影响而引起的[14～17]。本研究中,玉米和花生间作复合种植,间作花生由于受玉米遮阴的影响,荚数、粒数、籽粒产量比单作降低,百仁重和饱果率比单作增加。由于玉米和花生不同行比的设置,对产量形成的影响较大,并且随着间作花生行比的减少,产量下降幅度变大,这与前人的研究结果一致。

间作系统中每种作物的产量与该作物单作的产量相比较,并不能全面衡量土地生产力的优劣。需要用评价间作系统优劣的重要指标土地当量比(LER)来衡量[18]。M2P4和M8P8两种不同行比的带状间作复合种植系统的LER均大于1,说明玉米和花生间作具有一定的产量优势,在辽西地区进行玉米和花生带状间作种植能够提高农田土地利用效率。在2种间作模式的比较中,M2P4模式的LER为1.15,比M8P8高7.25%, M2P4种植系统的土地利用效率要高于M8P8。

3.2 水分利用效率和水分当量比

作物水分利用效率是指作物单位耗水量所生产出的产量。M2P4和M8P8种植系统中玉米和花生的水分利用效率均低于单作,间作系统的产量为玉米和花生产量之和,对间作系统中每一种作物与单作作物之间的水分利用效率进行比较,只能评价间作中每一种作物的水分利用效率的优劣,不能够全面地评价间作系统的水分利用效率。因此,间作系统水分利用情况的评价需要采用由水分当量比(WER)来衡量[13]。MAO等研究表明作物间作存在土壤水分利用互补形态,可以改善间作系统土壤的水分供应状况,提高间作系统的水分利用效率[19]。从间作系统的整体的WER 来看,M2P4和M8P8的WER分别为1.17和1.07,均大于1,说明玉米和花生带状间作复合种植系统能够提高农田的水分利用效率,与前人的研究结果一致。2种间作模式比较中发现,M2P4的水分当量比(WER)比M8P8高9.92%,M2P4模式优于M8P8模式。

4 结论

玉米和花生带状间作与玉米单作相比穗长、穗粒数,百粒重和穗重增加,且M2P4增加幅度大于M8P8。间作花生由于受玉米遮阴的影响,荚数、粒数、籽粒产量比单作降低,百仁重和饱果率比单作增加。由于玉米和花生不同行比的设置,对产量形成的影响较大。玉米产量M2P4和M8P8比单作分别比单作下降49.3%和41.7%,并且随着间作玉米行比的增加产量下降幅度变小;花生产量M2P4和M8P8比单作分别下降35.7.3%和51.0%,并且随着间作花生行比的减少,产量下降幅度变大。M2P4和M8P8两种不同行比的带状间作复合种植系统的LER均大于1, M2P4模式的LER为1.15,比M8P8高7.25%, M2P4种植系统的土地利用效率要高于M8P8。从间作系统的整体的WER来看,M2P4和M8P8 系统的WER分别为1.17和1.07,均大于1。2种间作模式比较中发现,M2P4的水分当量比(WER)比M8P8高9.92%。因此,在辽西旱作农业区进行玉米和花生带状间作复合种植,能够显著提高农田土地生产能力和水分利用效率, M2P4模式优于M8P8模式。本研究仅为2019年一年的试验数据,该年份为平水年,至于亏水年和丰水年是否仍有同样的效果,则有待进一步研究。