塔里木盆地西北缘不同种植模式棉田微环境及经济效益比较

曹 琦,毛廷勇,汪志强,万素梅,陈国栋

(1.阿克苏职业技术学院,新疆温宿 843000;2.塔里木大学农学院,新疆阿拉尔 843300)

0 引 言

【研究意义】棉花是重要的经济作物[1]。新疆是我国主要棉产区,近几年,随着新疆特色林果业的迅速发展。研究新疆塔里木盆地西北缘单作棉田与2种枣棉间作棉田对生态的改善程度及单位土地面积经济效益,以及筛选出最佳枣棉种植模式有重要意义。【前人研究进展】间作指在同一地块中,播种2种及以上生育期相近且相互干扰较小的作物,以实现自然资源的充分利用,增加单位土地面积经济产量的种植方式[2-3]。农林间作不仅减少了土壤水分的流失,还抑制了杂草的生长[4-6]。潘文勤等[7]发现采用间作栽培方式能够减轻红蜘蛛对木薯的危害。间作可以改善种植环境。间作模式对小气候的影响十分显著[8]。对橡胶林间作魔芋的研究中发现,魔芋会随着遮阴度改变光补偿点和暗呼吸速率来减少呼吸消耗维持生命[9]。间作模式需控制好作物间的光共享程度,从而促进作物正常生长。间作复合系统不仅对光能的利用有影响,防风效应[10]、土壤温湿度[11]、空气温湿度[12-13]等小气候因子也会受其影响。合理的栽培条件下,作物品质和产量受小气候的影响十分显著[14-18]。【本研究切入点】塔里木盆地干旱区绿洲带种植高品质枣,棉花产量及品质也较高[19]。但是有关枣棉间作棉田对生态环境及单位土地面积经济效益的影响还有待研究。【拟解决的关键问题】以棉花品种新陆中36号为材料,设置单作棉田(CK)、1膜2行枣棉间作棉田(C1)及1膜4行枣棉间作棉田(C2)。研究不同枣棉种植模式棉田微环境差异对棉花生长与产量的影响,比较单作棉田与间作棉田单位土地面积的经济效益,为筛选最优枣棉种植模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试单作棉田及枣园(2012年建园)均位于塔里木大学园艺试验站(N 40°32′,E 81°18′),枣园株行距为3×1(m),不同种植模式的供试棉花品种为新陆中36号。单作及间作棉田均位于塔克拉玛干沙漠的西北缘,年均气温10.8℃、年积温4 000℃、无霜期180～224 d、年均日照时长2 996 h、年均辐射量559.4～612.1 kJ/cm2、日照率66%、年降水量40.1～82.5 mm、年蒸发量1 976.6～2 558.9 mm、最大风速30 m/s,土壤养分(0～20 cm):全氮1.51 g/kg、碱解氮33.6 mg/kg、速效磷58.7 mg/kg、速效钾107.34 mg/kg、有机质11.2 g/kg、pH值7.90。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验为随机区组设计,各小区为10×3(m)。间作与单作棉花株行距12.5×12.5(cm),膜宽2.05(m)。枣棉间作棉田1膜2行的处理为C1、枣棉1膜4行的处理为C2,1膜4行的单作棉田为CK,单作枣园为CK0。

1.2.2 测定指标

3个种植模式棉田各设置9个测点。分别于5月24日(蕾期)、6月25日(开花期)、7月22日(花铃期)测定棉田行间微环境指标,取3个生育期中9个测点各指标均值。

光照强度:在各测点距地面10 cm处(冠底)安放照度计(TES1332A型数字照度计),08:00～20:00每隔2 h记录1次数据。

CO2浓度:使用TY-9800A型二氧化碳数字分析仪分别测定早(10:00)、中(16:00)、晚(22:00)各测点距地面10 cm(冠底)、40 cm(冠中)、80 cm(冠顶)的CO2浓度,取不同时间段、同部位的CO2浓度均值。

空气温湿度:在各测点距地面10、40和80 cm处安放PJ-20型温湿度记录仪,08:00～22:00每隔2 h记录1次数据;垂直方向的空气温湿度数据为日均值。地温的测定方法与空气温度的测定方法类似,使用的是WQG型玻璃套管温度计。

风速:分别在C1、C2、CK棉田中选择b1、e1、h1、c2、f2、i2,c3、f3、i3为风速测点,安装DEM6型三杯风向风速表,08:00～20:00每隔2 h记录1次数据。

土壤含水量:10:00时取各测点地下0、5、10、15、20、25 cm处的土壤,称重。带回实验室放入烘箱80℃烘5 h,取出称重,继续烘30 min,直至恒重。

棉株生长:每个种植模式随机选取15株棉株挂牌,测定每个生育期挂牌棉株的株高(cm)、茎粗(mm)、果枝数(台)、蕾数(个)、花数(朵)、铃数(个)。

产量:红枣收获期在C1、C2种植模式中随机选取3棵枣树测定实际产量,棉花采收完测定各种植模式中籽棉的实际产量,根据试验地面积计算单位土地面积内枣产量和棉花籽棉产量。图1

注:代表枣树,代表棉株。a1～i1为C1种植模式下微环境指标的测点,a2～i2为C2种植模式下微环境指标的测点,a3～i3为CK种植模式下微环境指标的测点。

1.3 数据处理

运用Excel 2016进行数据整理,利用DPS 18.10高级版对数据进行Duncan新复极差法单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对棉花光照强度的影响

研究表明,不同种植模式下棉田光照强度变化为CK>C1>C2。随着时间的变化,不同种植模式棉田的光强呈先扬后抑趋势,C1和CK模式在14:00达到峰值(86.91和97.60 klx),而C2模式则在16:00达到峰值(80.46 klx)。在08:00～18:00的时间段内,单作棉田光强显著(P<0.05,下同)高于2个间作棉田,且C1模式棉田的光强高于C2模式,间作棉花受到枣树的遮阴强度与枣、棉植株的距离成正比。随着阳光与地面夹角的升高(日变化),单作棉田光强与间作棉田光强的比值随着时间变化呈先降后增的趋势,最大比值由4.18倍(10:00)降低至1.08倍(16:00)。枣树对棉花的遮阴强度随着时间的变化逐渐降低,在16:00降到最低值,随后逐渐增高。图2

注:不同字母表示不同种植模式间的差异达到5%显著水平,下同

2.2 垂直方向CO2浓度受种植模式的影响

研究表明,间作棉田(C1、C2)各冠位的CO2浓度均高于单作棉田(CK)。其中,C2模式棉田的棉花冠底和冠中CO2浓度均显著高于C1和CK模式,分别为325.13和330.77 μmol/mol。田间气体流动性随着单位土地面积内作物栽植的密度增高而降低。图3

图3 不同种植模式下棉田CO2浓度变化Fig.3 Effects of different planting patterns on CO2 concentration

2.3 空气温度受种植模式的影响

研究表明,空气温度随着时间的变化逐渐升高,C1和CK模式棉田的温度在16:00达到峰值,分别为35.10和37.38℃。日均空气温度变化过程中,3个种植模式的温度变化趋势为先抑后扬的趋势,C1和C2模式棉田的空气温度均低于CK,C2模式棉田的空气温度在12:00之后均显著低于CK。图4

图4 不同种植模式下棉田空气温度日变化Fig.4 Influence of different planting patterns on diurnal variation of air temperature

不同种植模式的棉田棉花冠顶、冠中及冠底的温度呈现先降后增的趋势,C2模式棉田的温度最低(31.62、31.58及31.54℃),CK模式棉田各冠位的温度均高于C1、C2。当出现高温天气时,间作棉田棉花受到的高温胁迫程度要低于单作棉田;棉花是喜温作物,间作棉花对大环境中温度的需求要高于单作棉花,当温度低于临界值时,将减缓棉花的生长和发育。图5

图5 不同种植模式下棉田垂直方向空气温度变化Fig.5 Effects of different planting patterns on vertical air temperature

2.4 空气湿度受种植模式的影响

研究表明,随着时间的变化,3个种植模式的棉田空气湿度呈先降后增的趋势,C2和CK模式棉田的空气湿度在14:00达到全天最低值,分别为28.58%、20.25%。CK模式棉田的空气湿度均低于C1、C2,C1模式棉田的空气湿度均低于C2。图6

图6 不同种植模式下棉田空气湿度日变化Fig.6 Influence of different planting patterns on diurnal variation of air humidity

3个种植模式对棉花各冠位空气湿度的影响表现为C2>CA>CK,并且2个间作棉田棉花不同冠位的空气湿度均显著高于对照模式(CK)。C2模式棉花冠顶、冠中、冠底的空气湿度分别较CK高出15.45%、15.14%、15.42%。间作棉田可以改善微环境中的空气湿度,并且随着枣、棉株距的减小而增加。图7

图7 不同种植模式下棉田垂直方向空气湿度变化Fig.7 Effects of different planting patterns on vertical changes in humidity

2.5 土壤温度受种植模式的影响

研究表明,3个种植模式棉田地温随着时间的推移整体呈单峰曲线变化,C1、C2模式棉田在16:00达到峰值(30.80、30.00℃)、CK模式棉田在18:00达到峰值(32.1℃)。在10:00～20:00时,C2模式棉田地温均低于C1、CK。随着土壤深度变化,3个种植模式棉田的土壤温度逐渐降低,处于0～25 cm深度的棉田土壤温度变化为CK>C1>C2。枣、棉株距越近,越容易抑制温度升高、减轻高温对棉花植株各部位损伤。图8,图9

图8 不同种植模式下棉田地面温度变化Fig.8 Effects of different planting patterns on ground temperature

图9 不同种植模式下棉田不同深度土壤温度变化Fig.9 Effects of different planting patterns on soil temperature at different depths

2.6 土壤含水量受种植模式的影响

研究表明,随着土壤深度的变化,3个种植模式棉田土壤含水率呈上升趋势。并且,间作棉田的土壤含水率均高于单作棉田。其中,C2模式棉田在10～60 cm土壤深度中的含水率均显著高于CK,C2模式棉田在60 cm处土壤含水率为17.6%是CK(13.80%)的1.28倍。间作棉田受到枣树遮阴及单位面积内种植密度的影响更利于土壤墒度的保持,增强对干旱胁迫的耐受程度。图10

2.7 防风效应受种植模式的影响

研究表明,测定3个种植模式棉田在08:00～20:00随着时间的变化,不同种植模式棉田的风速均逐渐加快,其中C2模式棉田的风速缓慢上升,CK和C1模式棉田的风速则分别在12:00和16:00时逐渐下降。单作棉田在各时间点的风速均大于间作棉田,C2模式棉田各时间段风速(除16:00)均高于C1。相对于单作棉田而言枣树有效减低间作棉田中的风速,减轻空气及土壤温湿度的变化幅度,有益于棉花生长。C1模式棉田的防风效能高于C2。图11,表1

图10 不同种植模式下棉田土壤含水率变化Fig.10 Effects of different planting patterns on soil moisture content

图11 不同种植模式下棉田在不同 时间风速变化Fig.11 Changes of wind speed in cotton fields with different planting patterns at different times

表1 间作棉田的防风效应比较

2.8 棉花生长及产量受种植模式的影响

研究表明,蕾期、开花期及花铃期的棉花株高、茎粗、果枝数、蕾数、花数、铃数及产量整体表现为间作棉田(CK)>单作棉田(C1、C2)。其中,单作棉田各生育期的株高及果枝数显著高于间作棉田,单作棉田棉花的株高及果枝数分别是间作棉田1.12～1.64倍、1.21～3.85倍。3个种植模式棉田棉花开花期和花铃期的茎粗表现为CK>C1>C2,单作棉田棉花在2个时期的茎粗均显著高于间作棉田。3个种植模式棉田的产量表现与茎粗变化一致,CK模式棉田产量分别较C1、C2模式高出近29.22%和19.88%。间作模式的棉花生长及产量均低于单作棉田。表2

表2 不同种植模式下棉田棉花生长及产量变化

2.9 不同种植模式棉田经济效益比较

研究表明,单作棉田的产量及单作枣园的产量均高于2个枣棉间作种植模式对应作物的产量,净收入表现为C1>C2>CK>CK0,C1模式棉田的净收入分别是CK、CK0的1.90倍和1.95倍;而收益率则表现为CK>C1>CK0>C2,CK模式收益率仅高出C1模式2.68%。C1模式是最优种植模式。表3

表3 不同种植模式棉田经济效益比较

3 讨 论

3.1 棉田微环境对种植模式的响应

光照强度变化会影响棉花的光合作用,导致棉花产量及开花时间受到制约[20]。CO2浓度的变化会直接影响棉花的光合作用,从而改变植株内及生境中的碳循环[21]。高温抑制棉花生殖器官的生长,还通过降低光合酶效率来抑制棉花光合作用[22-23]。棉花是喜温喜湿作物,适宜的湿度有利于提升光合速率、缩短棉花的午休现象时间,促进棉花的品质和产量[14]。土壤温度可以改善作物根际环境,土壤中一系列的生命活动受到温度的影响[24-25]。土壤含水率会影响棉花的光合参数变化,通过研究棉田土壤含水率的变化对提高田间水利用效率具有重要的指导性意义[26-27]。田间风速的有效降低对植株生境中空气温湿度和土壤温度的调节起到至关重要的作用[28]。田间微环境是调节作物生长和产量的重要因子之一,间作模式不仅可以提高单位土地的利用效率还能改善田间微环境[29]。果农间作模式不仅对作物的生长发育起着正面影响,同时还伴随负面的影响效应[30]。果农间作系统改变了作物栽培环境的光照强度,导致光合作用受到抑制,最终影响作物产量[31]。研究结果表明,不同种植模式棉田光强变化为单作棉田(CK)>1膜2行间作棉田(C1)>1膜4行间作棉田(C2),棉株与枣树的距离越近遮阴强度就越强;伴随阳光与地面夹角的升高,单作棉田与间作棉田的光强比呈先降后增的趋势,与黄天忠等[13]在油茶上的研究一致。光照强度过高会抑制作物的光合作用[32],塔里木盆地西北缘的光照充足,合理的枣棉间作模式可以有效降低光强对棉花叶片造成的损伤。田间CO2浓度同样是影响作物光合作用的因子之一,适宜的CO2浓度可提高棉花净光合速率及叶片水分利用率,有利于对营养物质的吸收与转化[21]。间作模式中作物的密度过高会影响植株间的空气流动性,导致CO2浓度提升。CO2浓度升高不仅可以提升棉花对物质的积累,还可以降低棉花及枣树的病虫害发病率[33]。结果表明,1膜2行间作棉田、1膜4行间作棉田的3个冠位CO2总浓度均高于单作棉田,其中1膜4行间作棉田CO2总浓度显著高于其他模式棉田。田间气体流动受到作物栽植密度的影响。

塔里木盆地北缘属暖温带气候,南邻塔克拉玛干沙漠,气候干燥伴随高温,时常出现干热风[34-35],严重影响作物的正常生长。史彦江等[36]研究发现,塔里木盆地干旱区枣棉间作可以显著影响气温、地温及风速等小气候因子,枣棉间作的气温降低了1.6～2.1℃、湿度提高3.7%～9.2%、风速降低了45.5%,枣棉间作模式在一定程度上可以改善了棉田微环境。研究发现,单作棉田的空气、土壤温度、风速均明显高于2个间作棉田,而单作棉田的空气、土壤湿度均低于2个间作棉田。1膜4行枣棉间作棉田模式的空气、土壤温度、风速明显低于1膜2行枣棉间作棉田,棉田空气及土壤湿度则相反。间作模式可以有效抵抗高温、干旱对棉花带来的胁迫损伤;间作棉田可以有效改善棉田的微环境,减轻干热风对棉花造成的不可逆损伤;棉花属喜温喜湿作物,间作模式虽然能提高棉田的温度,若大环境气温低于棉花正常生长温度25～30℃[37],间作棉田的气温则可能会抑制棉花的生长,对棉田10:00～22:00的气温观测发现,2种间作棉田的最低气温基本接近25℃,最高气温低于35℃,2种间作模式下棉花的生长处于正常状态。

3.2 棉花生长与产量对种植模式的响应

研究发现,蕾期-花铃期的棉花各生长指标表现为间作棉田>单作棉田。单作棉田棉花的株高及果枝数分别是间作棉田1.12～1.64倍、1.21～3.85倍,与段志平等[38]的研究结果一致。单作棉田棉花的生长状况及挂果率要优于间作棉田。蕾期2个间作棉田的蕾数显著高于单作棉田,其中1膜4行间作棉田的蕾数最多。微环境因素,高温、大风等会造成花蕾脱落,而单作棉田对环境的抵抗程度要低于间作棉田,可能是极端天气造成花蕾非自然脱落而导致单作棉田蕾期的蕾数低于间作棉田。

在棉花与绿豆[39]、小麦及花生[40]的间作模式研究中发现,单作棉田的产量低于间作棉田,间作可以通过改善生态环境来提高作物产量。郭仁松等[41]发现,单作棉田的产量显著高于间作在枣树西侧冠下、东侧冠下及冠外的棉花产量。李伶俐等[42]对棉花-紫花苜蓿间作模式的研究发现,棉花的结铃数及籽棉产量被抑制。不同棉花间作模式(作物种类)造成的微环境因素差异较大,从而导致间作棉花产量及构成发生变化。研究发现,虽然各种植模式棉田的产量之间无显著性差异,但单作棉田的产量分别高于2个间作棉田,较间作棉田高出19.88%～29.22%。由于枣树植株比棉花高,棉花在一天中的大部分时间处于遮阴状态,光合速率缓慢,导致养分积累能力弱于单作棉田棉花;枣树的关键生长期在5月中旬至10月,而棉花的关键生长期则处于5月中下旬至8月中上旬,棉花在汲取土壤环境养分的关键时期正好处于枣树对养分需求较高的阶段。造成了2个作物的根际养分竞争,导致棉花对养分的需求无法满足,生长发育受阻。

3.3 基于不同种植模式棉田的经济效益比较

研究发现,不同种植模式棉田的收益率表现为单作棉田>1膜2行枣棉间作棉田>单作枣园>1膜4行枣棉间作棉田。单作棉田及单作枣园的产量均高于对应间作模式下作物的产量,枣棉间作模式对产量的影响是双向的。棉花的成本低于枣,同样产量也低于枣,但其净收入则高于枣。

4 结 论

无论是1膜2行间作棉田还是1膜4行枣棉间作棉田均具有改善生态环境的作用。其中,1膜2行间作棉田微环境中,光照强度高于1膜4行枣棉间作棉田,且最高光照强度出现在14:00,为86.91 klx,而另一种间作模式棉田的最高光照强度则出现在16:00,为80.46 klx。1膜2行枣棉间作棉田的风速、CO2浓度、空气及土壤温湿度则均低于1膜4行。防风效能与枣-棉行距成正比。CO2浓度与单位土地面积内植株数量呈正比,而空气及土壤温湿度则与其呈反比。1膜4行枣棉间作棉田对生态环境的改善程度要优于1膜2行枣棉间作棉田。单作棉田棉花产量398 kg/667m2、1膜2行棉田枣+棉(821+308)kg/667m2、1膜4行棉田枣+棉(771+332)kg/667m2及单作枣园枣产量为900 kg/667m2。单作棉田的收益率仅高出1膜2行枣棉间作棉田2.68%,1膜2行枣棉间作棉田的净收入分别是单作棉田、单作枣园的1.90倍和1.95倍。最佳种植模式为1膜2行枣棉间作模式。