小麥間作玉米農田耗水特性及產量變化對根系分隔的響應

馮福學，孔學夫，殷　文，胡發龍，趙　財，柴　強，楊彩紅

(1.甘肅農業大學工學院, 甘肅 蘭州 730070: 2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室, 甘肅 蘭州 730070)

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小麥間作玉米農田耗水特性及產量變化對根系分隔的響應

馮福學1，孔學夫2，殷文2，胡發龍2，趙財2，柴強2，楊彩紅2

(1.甘肅農業大學工學院, 甘肅 蘭州 730070: 2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室, 甘肅 蘭州 730070)

通過田間試驗，研究了小麥間作玉米塑料薄膜隔根(PW//C)、尼龍網隔根(NW//C)、不隔根(W//C)及單作玉米(C)和單作小麥(W)對土壤水分、棵間蒸發和水分利用效率的影響。結果表明，根系分隔顯著影響作物的耗水特性，從而顯著影響作物產量及水分利用效率的提高。小麥收獲前，W//C、NW//C和PW//C處理玉米帶土壤水分含量均高于小麥帶，分別提高2.38%、3.82%和6.13%；小麥收獲后，NW//C和PW//C處理玉米帶土壤水分含量卻均低于小麥帶，分別降低5.41%和16.07%，而W//C處理玉米帶和小麥帶間水分差異不顯著。根系分隔顯著增大了間作模式的作物棵間蒸發量，NW//C和PW//C較W//C處理分別顯著提高6.71%和20.13%。以單作小麥、單作玉米加權平均為對照，W//C、NW//C和PW//C處理分別顯著提高經濟產量33.60 %、26.93%和24.69%，增大耗水量-0.2%、1.02%和6.69%，顯著提高水分利用效率34.93%、26.67%和17.80%。W//C處理較NW//C和PW//C處理分別提高經濟產量5.25%和7.14%，降低耗水量1.21%和6.64%，提高水分利用效率6.52%和14.54%。

小麥間作玉米；隔根；土壤水分；水分利用效率；產量

間作套種既是我國農業生產中的傳統栽培方法，又是一種較為普遍的高產種植方式，它能充分利用地力、光能、熱能資源[1-3]，是作物增產的重要措施之一。隨著中國人口不斷增長，水土資源日趨減少，糧食生產問題日益突出，如何進一步發揮間套作提高資源利用效率的作用備受關注[4]。西北內陸灌區光資源豐富，熱量條件適于發展間作套種，然而傳統間套作由于其耗水量過大及區域內資源性缺水已嚴重影響到該種植模式的應用，有學者建議通過壓縮間作面積來緩解農業水資源供需矛盾[5]，政府部門也已明確限制并壓縮間套種植面積。這一舉措一定程度上可以緩解農業水資源供需矛盾，但使單位耕地產出率明顯降低，顯著影響了農業整體效益的提高[6-7]。因此，進一步深入研究間套作群體耗水特性對構建適于區域發展的高效節水間套作技術具有重要意義。

而由兩種或兩種以上作物組成的復合群體中，不同作物根系在土壤中的生態位不同，同時不同作物的需水規律不同，加之不同組分的播種時間不同，必將造成兩種作物在生育期需水時間的錯位，從而使土壤水分在作物復合群體共生期內組分間進行優化分配成為可能。研究不同種植模式土壤水分時空分布及耗水特征，明確復合群體內水分變化規律，對構建間作高效節水灌溉技術將產生重要指導作用，也將對間套復合群體精細灌溉的實施提供理論基礎。為此，通過田間試驗，以西北地區主導間作模式小麥間作玉米為研究對象，利用根系分隔方法，研究隔根對小麥間作玉米土壤水分、棵間蒸發、耗水量及產量的影響，明確了復合群體組分內土壤耗水特性，以期為間作復合群體的高產節水技術提供科學理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗區概況

試驗于2009年3—10月在甘肅省武威市甘肅農業大學與武威市農技中心校地聯合綠洲農業科研教學基地(103°5′E，37°30′N)進行，試驗地處甘肅河西走廊東端，屬寒溫帶干旱區，大陸性氣候，日照充足，干旱少雨，春季多風沙，夏季有干熱風。海拔1 531 m，常年降雨量164.4 mm，降水量年際變化不大但季節變化較大，主要集中在7—9月份，冬春季較干旱，該段時間的降雨量不能滿足作物對水分的需求；年蒸發量2 400 mm，年平均氣溫7.8℃，一月份最低氣溫-27.7℃，七月份最高氣溫34.0℃，干燥度5.85，≥0℃積溫為3 513.4℃，≥10℃積溫為2 985.4℃；日照時數2 945 h，全年無霜期156 d，絕對無霜期118 d；年太陽輻射總量504～630 KJ·cm-2，麥收后≥10℃的有效積溫為1 350℃，屬于典型的兩季不足、一季有余自然生態區。供試土壤為厚層灌漠土，容重1.57 g·cm-3，耕層土壤有機質含量15.7 g·kg-1，全氮、全磷含量分別為0.87、1.02 g·kg-1，速效磷13.38 mg·kg-1，速效鉀248.63 mg·kg-1，pH值為8.2。

1.2試驗設計

試驗設單作小麥(W)、單作玉米(C)、小麥//玉米(W//C)、塑料薄膜隔根小麥間作玉米(PW//C)、尼龍網隔根小麥間作玉米(NW//C)共5個處理。其中，塑料薄膜為厚0.12 mm的農用棚膜，尼龍網孔徑為300目。每處理重復3次，田間隨機排列，小區長8 m，寬3.2 m。

不同處理的主要技術參數為 W：單作小麥，播種密度675萬粒·hm-2、行距12 cm，生育期內灌水2 700 m3·hm-2； C：單作玉米，播種密度82 500 株·hm-2，行距40 cm，地膜覆蓋，生育期灌水3 600 m3·hm-2； W//C：小麥帶寬80 cm，種6行、行距12 cm，播種密度450萬粒·hm-2；玉米帶寬80 cm，播種密度52 500 株·hm-2，種2行、行距40 cm、株距32 cm，地膜覆蓋，生育期內灌水3 200 m3·hm-2，每小區種兩個自然帶； PW//C：在小麥玉米共處區內，離小麥10 cm、離玉米帶20 cm處用塑料薄膜隔根(圖1)，隔根深度為1 m，其它田間結構同W//C； NW//C：隔根材料為300目的尼龍網，其余設計同PW//C。

單作小麥及間作小麥帶施純N 225 kg·hm-2、純P2O5150 kg·hm-2，全做基肥；單作玉米和間作玉米帶施純N 360 kg·hm-2，按基肥∶大喇叭追肥∶灌漿期追肥=3∶6∶1分施，純P2O5225 kg·hm-2，全做基肥。

春小麥品種(Triticumaestivum)為永良4號，春玉米品種(Zeamayz)為武科2號。小麥于3月20日播種，7月15日收獲；玉米于4月18日播種，10月3日收獲。同種作物在單作和間作模式中的播種、收獲時間相同。

1.3測定指標與方法

1.3.1土壤水分測定土壤含水量：0～30 cm土層土壤含水量用烘干法測定，每10 cm為一層；30～120 cm用中子水分儀測定(503 DR, Campbell Pacifi cNuclear, Martinez, CA)，其中30～90 cm土層每20 cm測定一次，深層每30 cm為一層。單作處理中，每小區設1個測定點，中子水分管布置于小區中央，3個小區的平均值作為該處理測定值；間作處理每小區分別在小麥帶和玉米帶中各設1個測定點，2點平均值作為小區土壤含水量測定值，3個重復的平均值作為該處理的土壤含水量測定值。

圖1小麥間作玉米隔根間作處理的田間結構示意圖

Fig.1Sketch showing field spatial pattern of wheat-corn intercropping system

1.3.2作物棵間蒸發測定采用微型蒸滲儀(Micro-lysimeter，簡稱MLS)進行測定。根據孫宏勇等[8]研究，微型蒸滲儀用PVC管做成，內徑10 cm、壁厚5 mm、高15 cm。每次取土時將其垂直壓入作物行間土壤內，使其頂面與地面齊平，取原狀土，然后用塑料膠帶封底，另用內徑為12 cm PVC管作成外套，固定于行間，使其表面與附近土壤持平，操作時不至破壞周圍土體結構。土壤蒸發用稱重法測定，2次稱量之間的重量差值為其蒸發量。為保證微型蒸滲儀內部的土壤水分剖面與周圍土壤相一致，作物生長早期需要每天更換微型蒸滲儀內的原狀土，葉面積指數增大后，每3～5 d更換1次，降雨和灌溉后立即更換土體。單作每個小區設1個測定點，間作按小麥帶、玉米帶設2個觀測點。

1.3.3作物水分利用效率測定

作物水分利用效率(WUE)：WUE(kg·m-3)=Y/(P+I+△W)

其中，Y為作物籽粒產量，P為降水量，I為灌溉量，△W為作物播種前和收獲后的土壤含水量之差[9-10]。因本試驗設計的灌水量相對較小，加之試驗期間降水稀少，滲漏量可忽略不計；試驗區地下水埋深在30 m以下，因此未考慮地下上升水的影響。

1.3.4作物產量測定小麥和玉米收獲時，按小區測實產。

1.4數據分析

數據處理采用Excel軟件和DPS7.05統計分析軟件整理。

2　結果與分析

2.1隔根處理及種植模式對小麥、玉米土壤水分的影響

2.1.1不同處理全生育期的土壤平均含水量間作及隔根方式顯著影響作物全生育期內的平均土壤含水量(0～120 mm)(圖2)。與單作小麥相比，不隔根處理間作(W//C)和尼龍網隔根處理(NW//C)分別顯著提高土壤貯水量5.80%和2.52%，而與塑料隔根處理(PW//C)差異不顯著；與單作玉米相比，不隔根處理提高土壤貯水量1.17%，而NW//C和PW//C處理分別降低1.97%和4.06%。以兩種單作土壤貯水量的平均值作對照比較發現，W//C處理提高3.43%，PW//C處理降低1.91%，而與NW//C處理差異不顯著，而間作之間，W//C處理高于NW//C和PW//C處理。說明間作有利于減小土壤水分的損耗，而根系分隔措施會降低間作復合群體的土壤水分含量。

2.1.2間作群體不同帶內全生育期的土壤含水量差異為了更進一步研究隔根對小麥間作玉米群體土壤水分的影響，分別研究了不同處理小麥帶和玉米帶土壤水分的變化。小麥間作玉米群體內，由于兩種作物的生長特性不同，且群體內不同帶內的作物覆蓋程度不同，導致全生育期土壤平均含水量在小麥帶、玉米帶內的含水量差別較大(圖3)。比較發現，無論是小麥帶還是玉米帶土壤水分含量均表現為不隔根處理(W//C)>尼龍網隔根(NW//C)>塑料隔根(PW//C)。與NW//C和PW//C處理相比，W//C處理分別顯著提高土壤貯水量玉米帶為3.99%和7.79%，小麥帶為2.42%和3.16%，而NW//C較PW//C處理顯著提高玉米帶土壤貯水量為3.66%，而小麥帶差異不大。而處理內部，PW//C處理小麥帶水分含量高于玉米帶，提高2.58%，而W//C和NW//C處理卻與之相反。由此說明，不同材料根系分隔會顯著影響間作群體內土壤水分的運轉。

圖2　不同處理全生育期0～120 cm土壤平均貯水量

注 Note: C—玉米帶 Maize strip; W—小麥帶 Wheat strip。 下同 The same below。

圖3不同處理小麥帶與玉米帶全生育期0～120 cm土壤平均貯水量差異

Fig.3Differences in soil water storage in 0～120 cm depth of wheat and maize strip among different treatments during the whole growing period

2.1.3不同間作處理不同帶內土壤水分的動態特征小麥、玉米生育期差別較大，在間作小麥收獲前后，復合群體地面的覆蓋度差異極大，細化研究不同處理土壤水分的時間動態變化對制定間作群體的精細水分管理對策具有重要意義。不同間作處理不同帶內土壤水分含量隨時間變化的動態如圖4。由圖4看出，小麥收獲前(7月11日)，W//C、NW//C和PW//C處理玉米帶土壤水分含量均高于小麥帶，分別提高2.38%、3.82%和6.13%；小麥收獲后至玉米收獲時(9月20日)，NW//C和PW//C處理玉米帶土壤水分含量卻均低于小麥帶，分別降低5.41%和16.07%，而W//C處理玉米帶和小麥帶間土壤水分差異不顯著。由此表明，間作群體組分生長共生期，根據各組分不同生育期生長對水分的需求，水分在各組分帶內會進行有效分配。

2.2隔根方式對不同處理作物棵間蒸發量的影響

2.2.1隔根方式對不同處理日平均作物棵間蒸發量的影響土壤蒸發是作物耗水量中一個非常重要的部分，對調節作物的生長環境有很重要的作用。在作物整個生育階段對單作群體和間作群體棵間土壤蒸發進行測定，結果表明，土壤棵間蒸發因受土壤供水狀況、灌水濕潤方式、作物生長發育和大氣蒸發力等因素的共同影響，不同處理在整個生育期日平均棵間蒸發量存在明顯差異(圖5)。其中，W//C、NW//C和PW//C三種處理都較單作小麥和單作玉米顯著增大了棵間蒸發量，說明間作能增大土壤水分的無效消耗。與單作小麥相比，W//C、NW//C和PW//C處理分別顯著增大棵間蒸發量12.88%、20.45%和35.61%，與單作玉米相比，分別顯著增大8.76%、16.06%和30.66%。同時由圖5還可以看出，根系分隔顯著增大了間作模式的作物棵間蒸發量。與W//C相比，NW//C和PW//C分別顯著提高棵間蒸發量6.71%和20.13%。

圖4　不同處理小麥帶與玉米帶全生育期0～120 cm土壤平均貯水量動態變化

圖5不同處理日平均棵間土壤蒸發量

Fig.5The daily averages of soil water evaporation of intercropped wheat-maize by different treatments during the whole growing period

2.2.2隔根方式對不同處理作物生育期內逐日棵間蒸發量的影響作物生育期間田間棵間蒸發受到降雨量、種植方式、作物生長發育和大氣蒸發強度的共同影響，在生育期內呈現波動變化，不同處理作物土壤棵間蒸發逐日變化過程如圖6所示。間作群體的土壤蒸發以小麥行間的MLS數據和玉米行間的MLS數據為基礎，以小麥行和玉米行所占比例進行加權平均確定。

在小麥分蘗之前，單作玉米及間作玉米帶覆蓋度小，棵間蒸發大，此期棵間蒸發C>PW//C>NW//C>W//C>W。從5月初到7月中旬，由于主要受灌水、外界氣溫變化等因素的影響，各處理棵間蒸發波動大。這個時期，由于各處理地上部分生長變化較大，對地表的遮蔭不同，棵間蒸發也不同，但作物棵間蒸發程度依然是C>PW//C>NW//C>W//C>W。小麥收獲后(7月20)，隨著灌水次數的減少，土壤水分變化相對較小，作物棵間蒸發波動較小。7月下旬到9月初，間作玉米處于補償效應生長階段，葉面積指數逐漸增大，對地表的遮蔭逐漸增大，但由于小麥收獲后空白帶的存在，棵間蒸發大，間作大于單作玉米，棵間蒸發PW//C>NW//C>W//C>C。從9月上旬開始，由于各處理土壤水分逐漸變小，且逐漸趨于相對較穩定，隨之棵間蒸發逐漸變小。

圖6不同處理作物生育期內棵間蒸發逐日變化

Fig.6The daily changes in soil water evaporation of intercropped wheat-maize by different treatments during the whole growing period

2.3間作及隔根對小麥、玉米產量及水分利用效率的影響

根系分隔顯著影響了間作的產量及水分利用效率。以單作小麥、單作玉米經濟產量的加權平均為對照，研究單作與間作的產量發現，間作顯著提高作物的經濟產量，W//C、NW//C和PW//C處理分別顯著提高33.60%、26.93%和24.69%。而在3種間作處理間，W//C處理較NW//C和PW//C處理分別提高經濟產量5.25%和7.14%，表明隔根不利于間作群體產量的提高。

由兩種或兩種以上作物組成的間作群體中，由于不同作物的耗水特性不同，如果以某一單作作物耗水量為對照分析間作的耗水量，容易造成分析結果較大的誤差。根據表1，以單作小麥、單作玉米耗水量總和的一半為對照，分析間作與單作耗水特性，結果發現，NW//C和PW//C處理的耗水量分別增大1.02%和6.69%，相應水分利用效率(WUE)卻分別顯著提高26.67%和17.8%，W//C處理較對照降低0.2%，但水分利用效率卻顯著提高34.93%。而3種間作處理間W//C處理較NW//C和PW//C處

表1　不同處理下小麥、玉米耗水量及水分利用效率

注：不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

Note： Different small letters indicate significant difference at the 0.05 level.

理分別降低耗水量1.21%和6.46%，相應顯著提高水分利用效率6.52%和14.54%，NW//C處理較PW//C處理降低耗水量5.32%，顯著提高水分利用效率7.53%。由此表明，間作能顯著增大土壤耗水量，根系分隔會顯著降低作物對水分的利用。

3　結論與討論

隔根措施顯著影響小麥間作玉米的產量優勢。本研究中，不隔根間作處理較尼龍網隔根和塑料膜隔根間作處理分別提高經濟產量5.25%和7.14%，其主要原因可能是隔根降低了群體組分帶土壤水肥交流和根系在空間上的疊加補償效應[11]。而間作群體中，作物根系在空間上的重疊和生理生態學特性的改變是決定地下部分對產量貢獻大小的重要原因，郝艷如等[12]在采用隔根對小麥/玉米間套種植生長特性的影響研究中指出，塑料膜隔根使間作作物根系大小發生變化，最終導致復合群體產量下降。

隔根方式顯著影響間作群體作物組分帶間的水分運移。本研究中，與不隔根處理相比，尼龍網隔根和塑料隔根分別顯著提高棵間蒸發量6.71%和20.13%。同時，不隔根間作處理較尼龍網隔根和塑料膜隔根間作處理分別減小耗水量1.21%和6.46%，尼龍網隔根處理較塑料膜隔根處理減小5.32%，這可能與兩種作物生長共生期對水分的需求存在競爭與互補從而導致水分在間作兩組分帶內有效分配有關。而本研究中，小麥收獲前，不隔根間作處理、尼龍網隔根和塑料膜隔根間作處理玉米帶土壤水分含量均高于小麥帶，分別提高2.38%、3.82%和6.13%；小麥收獲后，尼龍網隔根間作處理和塑料膜隔根間作處理玉米帶土壤水分含量卻均低于小麥帶，分別降低5.41%和16.07%，而W//C處理玉米帶和小麥帶間土壤水分差異不顯著。這一研究結果與已有的研究結果不一致[13]，但均說明間作小麥與玉米在水分利用上有明顯的時間、空間生態位差異[14-15]。本研究中，間作的耗水量較單作平均增大-0.2%～6.69%，這一結果與Morris等[16]總結提出的間作與相應單作耗水量的加權平均差異很小，與一般在-6%～7%之間變化的結論具有極大相似性。

間套作提高WUE的重要原因之一是提高了作物對水分的可利用性以及水分的運轉效率[17]。不隔根條件下，間作群體作物根系能夠充分利用土壤水肥資源，從而提高作物產量形成潛力，提高水分利用效率，而尼龍網隔根使間作群體組分土壤中水肥可以運移，但根系彼此隔離，而塑料隔根使間作群體組分帶水肥運轉及兩種作物根系彼此穿插幾乎完全隔離，減小了群體根系對土壤資源的利用，從而減小產量形成潛力，降低水分利用效率。本研究中，不隔根處理較尼龍網隔根和塑料膜隔根間作處理分別顯著提高水分利用效率6.52%和14.54%，尼龍網隔根較塑料膜隔根間作處理顯著提高7.35%。由此也表明，隔根程度越大，對間作群體水分利用效率的影響越大，從而也進一步表明，間作群體組分帶間水分的有效分配是間作產量及水分利用效率提高的重要基礎。

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Water consumption characteristic and yield changes in response to different root partition patterns in wheat-maize intercropping system

FENG Fu-xue1, KONG Xue-fu2, YIN Wen2, HU Fa-long2, ZHAO Cai2, CHAI Qiang2, YANG cai-hong2

(1.CollegeofEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China;2.GansuProvincialKeyLaboratoryofAridLandCropScience,Lanzhou,Gansu730070,China)

A field experiment was conducted from March to October in 2009 to investigate the effects of different root partition patterns (roots of intercropped wheat-maize were separated by plastic film (PW//C), and nylon (NW//C), no-root-separation (W//C), sole wheat, and sole maize) on soil water, soil evaporation and water use efficiency (WUE) of wheat-maize intercropping system. The results indicated that the intercropping systems significantly affected the characteristic of soil water consumption that markely improved crop yield and WUE during two crops growing stage. Root partition patterns significantly decreased soil water dynamic and crop yield. Before harvesting wheat, W//C, NW//C and PW//C treatments improved soil water storage of maize strip by 2.38%, 3.82% and 6.13% than that of wheat strip, respectively. However, after harvesting wheat, NW//C and PW//C treatments decreased soil water storage of maize strip by 5.41% and 16.07% than that of wheat strip, respectively. However, no significant difference was found in soil water storage between wheat and maize strips by W//C treatment. Root partition patterns significantly increased the soil evaporation, and NW//C and PW//C treatments significantly increased soil evaporation by 6.71% and 20.13% compared with NW//C treatment, respectively. Compared to the weighted averages of sole wheat and maize, W//C, NW//C and PW//C treatments significantly improved yield by 33.60%, 26.93% and 24.69%, water consumption by 0.2%,1.02% and 6.69%, and water use efficiency(WUE) by 34.93%, 26.67% and 17.80%, respectively. Compared to NW//C and PW//C treatments, W//C treatments significantly improved yield by 5.25% and 7.14%, decreased water consumption by 1.21% and 6.64%, and improved WUE by 6.52% and14.54%, respectively.

wheat-maize intercropping system; root partition pattern; soil water; water use efficiency; yield

1000-7601(2016)04-0205-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.31

2015-05-27

國家自然科學基金(31301283，31360323，41561062)；國家科技支撐計劃(2012BAD14B10)

馮福學(1978—)， 男，甘肅武威人，博士，主要從事綠洲農作制、保護性耕作理論與技術及節水農業等方面的研究。

E-mail: fengfuxue@163.com。

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