黃土高原坡耕地植物籬-作物間作系統水分利用特征研究

劉家鶴,牛伊寧,羅珠珠,蔡立群,張仁陟,謝軍紅 (1.甘肅農業大學資源與環境學院, 甘肅 蘭州 730070; .甘肅省干旱生境作物學重點實驗室, 甘肅 蘭州 730070)

旱作小麥(Triticumaestivum)是我國隴中黃土高原地區主要的禾谷類作物，小麥種植之前土壤通常會被耕作3～5 次，作物的秸稈一般也會在收獲時被全數移出農田。同時，該地區降水主要集中在7-9月，這3個月的降水量一般會達到或者超過年降水量的60%，這也造成農田休閑期與當地的雨季重疊。因此，這種小麥單作系統模式結合作物秸稈的外移以及過度的耕作，就會造成坡耕地土壤有機碳的耗竭和嚴重的水土流失。因此，有必要在黃土高原地區已有的農作制中加入經濟價值較高的道地中藥材和豆科牧草等改進種植模式，可以在緩解水土流失，修復生態損傷的同時，使農民獲得實在的經濟利益，從而達到經濟和生態雙贏的目的。

植物籬-作物間作種植模式在我國的興起可以追溯到20世紀90年代初期，孫輝等[1]在坡地上首次開展了植物籬種植模式的研究和示范工作，并結合我國山區的實際情況做了大量的改進和完善，使之更適合我國山區和坡耕地的種植情況。此后我國植物籬種植模式試驗研究逐步擴大，主要集中在三峽庫區和長江中上游干旱河谷區以及北方黃土高原水土流失嚴重地區。這些研究不但揭示了植物籬在減少土壤侵蝕量、改善土壤理化性質以及提高生態和社會效益等多方面的綜合狀況，而且為我國坡耕地土壤退化重點地域的綜合治理和防治水土流失提供了新的手段和機遇[2-5]。研究表明，植物籬具有良好的涵養水分的功能[6]，能夠有效減少土壤侵蝕[7]。目前，國內外學者對植物籬-作物間作系統土壤理化性質及其水土保持效應研究較多[6-11]，而對該種植模式下農田土壤水分的棵間蒸發研究比較薄弱。為此，選用黃土高原地區道地藥用植物，以甘草(Radixglycyrrhizae)、菘藍(Isatistinctoria)以及豆科牧草苜蓿(Medicagosativa)為試驗材料，在甘肅農業大學定西旱農綜合試驗站進行長期定位試驗，探討植物籬與農作物間作系統土壤水分時空變異特征、水分利用特性及其影響機制，以期豐富糧藥(草)間作的基礎理論，為黃土高原坡耕地適宜植物籬-間作系統的篩選和生態環境建設提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

圖1 試區2016年降水量和多年平均降水量Fig.1 Annual rainfall in 2016 and the long-term average at the experiment site

試驗設在黃土高原半干旱丘陵溝壑區的定西市安定區李家堡鎮麻子川村。試區屬中溫帶半干旱區，平均海拔2000 m，年均太陽輻射592.9 kJ·cm-2，年日照時數2476.6 h，年均氣溫6.4 ℃，≥0 ℃年積溫2933.5 ℃，≥10 ℃年積溫2239.1 ℃；無霜期140 d，年均降水390.9 mm(圖1)，年蒸發量1531 mm，干燥度2.53，為典型的雨養農業區。土壤為典型的黃綿土，土質疏松，土層深厚，質地均勻，貯水性能良好。

1.2 試驗設計

試驗設在一塊6°～7°的緩坡地上，試驗前茬作物為馬鈴薯(Solanumtuberosum)(2014年)，2015年開始以甘草、菘藍兩種地道藥用經濟作物和苜蓿及春小麥為供試作物，甘草、菘藍、苜蓿與春小麥等高帶狀種植。甘草品種為烏拉爾甘草，苜蓿品種為當地傳統種植品種隴東苜蓿，春小麥為定西40號。試驗共設5個處理，3次重復，小區面積為5 m×8 m，隨機區組排列，相鄰兩小區間隔1 m作為保護行，除了適時除草外，不采取任何農業措施。其中春小麥與菘藍均于每年3月中旬播種，春小麥于同年7月下旬收獲，菘藍于10月上旬收獲，甘草和苜蓿為多年生作物(2015年試驗設置之初種植)，甘草持續生長，苜蓿2016年刈割1次。各處理施肥量一致，即純N 105 kg·hm-2和純 P2O5105 kg·hm-2，且所有肥料均在播種時一次施入，生育期沒有追肥。

F: 裸坡休閑，不種植任何作物。

W：小麥單作。無植物籬，小麥采用當地常規耕作方式。

W/L：小麥甘草(籬)間作。帶寬4 m，甘草(籬)、小麥幅寬均為2 m，每小區各兩帶。

W/I：小麥菘藍(籬)間作。帶寬4 m，菘藍(籬)、小麥幅寬均為2 m，每小區各兩帶。

W/A：小麥苜蓿(籬)間作。 帶寬4 m，苜蓿(籬)、小麥幅寬均為2 m，每小區各兩帶。

1.3 主要測定方法

1.3.1土壤水分 2016年作物生育期和休閑期分層測定土壤水分，層次分布如下：0～5 cm，5～10 cm，10～30 cm，30～50 cm，50～80 cm，80～110 cm，110～140 cm，140～ 170 cm，170～ 200 cm。其中表層0～5 cm和5～10 cm用烘干法測定，10～200 cm用中子水分測定儀測定，中子儀讀數根據校正曲線換算為體積含水量[12]。

土壤最大有效貯水量(mm)=(DUL-CLL)×土層深度(mm)

式中：DUL為有效水分上限(又稱為田間持水量，指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止其水分蒸發，經過一定時間，土壤剖面所能維持的較穩定的土壤水含量)，用池塘法[13]測定。CLL為有效水分下限(又稱為凋萎含水量，即植物發生永久萎蔫時，土壤中尚存留的水分含量。它用來表明植物可利用土壤水的下限，土壤含水量低于此值，植物將枯萎死亡)，用遮雨棚法[13]測定。

土壤有效貯水量(mm)=土壤剖面貯水量- CLL

1.3.2土壤棵間蒸發量 2016年作物生育期采用Micro-Lysimeter(MLS)取原狀土測定棵間蒸發量。選用PVC管作為MLS的材料，管壁厚4 mm，高15 cm，內徑11 cm。每小區不同條帶中央作物棵間安裝一個，MLS內的土壤每隔2～3 d更換一次，均以塑料袋進行封底，使其與試驗地農田的土壤水分一致，下雨后加測。用精確度為0.01的LP3102型電子天平每天早晨8點稱重，用以計算土壤棵間蒸發量；用時段內的重量變化除以體積算得土壤棵間蒸發量。在微型蒸發器中，土壤重量每減少1 g相當于蒸發水分0.1051 mm。

1.3.3作物產量 作物成熟期各小區去邊行計產測算作物實際產量，植物籬-作物系統收獲面積只計算實收面積即作物帶面積。

1.4 主要計算方法

1.4.1水分利用效率 水分利用效率計算公式為：

WUE=Y/ET

式中：Y是小麥經濟產量；ET是小麥耗水量。

1.4.2蒸散量

ET(mm)=P-ΔS

式中：P是生育期內降水量；ΔS是播種期和收獲期0～200 cm深土壤貯水量之差。

1.5 數據分析

采用Excel 2003軟件處理基礎數據，統計分析采用SPSS 18.0統計軟件進行。

2 結果與分析

2.1 植物籬-作物復合系統土壤水分時空動態

圖2A～F為2016年小麥生育期和休閑期0～200 cm土壤水分剖面分布狀況(圖中物候期為小麥物候期)，可以發現各處理整個生育期土壤含水量均較低，接近有效水分下限CLL，遠遠低于有效水分上限DUL。由圖2A可以看出，小麥播種期表層土壤比下層土壤干燥。但是植物籬-作物復合系統由于較好的土體結構以及入滲性能，經過秋冬休閑期積蓄了較多的水分，明顯提高了表層水分含量；在耕層0～30 cm，W/L和W/A處理的單位體積含水量比W和F處理分別提高了2.18%和15.36%、8.29%和22.13%；而W/I處理效果不明顯。

圖2 植物籬-作物間作系統土壤水分空間分布Fig.2 Soil water content down soil profile for different treatments A:播種期 Sowing time；B:三葉期 3-leaf stage；C:拔節期 Jointing stage；D:開花期 Flowering stage；E:成熟期 Physiological maturity stage；F:休閑期 Fallow period;DUL:有效水分上限 Drainage upper limit；CLL:有效水分下限 Crop lower limit；F:空白休閑 Fallow；W:小麥單作 Wheat；W/L:小麥/甘草 Wheat/Liquorice；W/I:小麥/菘藍 Wheat/Isatis；W/A:小麥/苜蓿 Wheat/Alfalfa.下同The same below.

小麥三葉期土壤剖面的水分狀況如圖2B所示。作物生長期的土壤水分狀況主要是受地表蒸發、自然降水和作物蒸騰耗水3個因素綜合控制。苗期因作物耗水量少，同時這一階段該區降水也較少，故整個土壤剖面含水量主要由地表蒸發影響而變化。與播種期相比而言，由于隨著時間的推進，氣溫逐漸上升，而作物植株較小不足以遮蓋地表，故地面蒸發量與日俱增，導致各處理表層0～30 cm含水量均有所下降。就各處理之間相比而言，基本趨勢與播種期基本一致。與播種期和三葉期相比，小麥拔節期 0～30 cm土層含水量明顯增加(圖2C)，這與2016年5月頻繁的降水有關(其中5月14日10.5 mm，5月21日10 mm，5月22日21.5 mm，5月25日22.6 mm)，但100 cm以下土層水分基本無明顯變化，因為降水補給很快被作物吸收利用，深層難以得到降水的補充。小麥開花灌漿期土壤剖面的水分狀況如圖2D所示，與生育前期相比，由于雨季的到來，加之表層部分根系已經死亡，此期小麥活躍根系主要集中在30～80 cm土層吸收水分，甚至可深入到110 cm。因而，降水成為影響表層土壤含水量的重要因素。與小麥開花灌漿期相比，小麥成熟期土壤表層水分含量持續降低(圖2E)，特別裸坡休閑處理表層0～10 cm土層含水量甚至低于凋萎含水量，因為該期作物根系失去生理功能幾乎不再吸收土壤水分，主要是降水和蒸發影響土壤水分狀況，而2016年小麥收獲前后接近40 d之內沒有降水，導致沒有作物覆蓋的裸坡表層土壤非常干燥。休閑期土壤剖面的水分狀況如圖2F所示，旱作農田休閑期是土壤水分恢復的重要時期，由于在此階段田間無作物生長耗水，整個土層貯水量的變化幾乎全部來自土壤表層蒸發和降水之間的相互消長。與其他處理相比較，植物籬-作物間作系統特別是W/A處理在整個休閑過程中積蓄了較多的水分，有較好的蓄水保墑作用，為翌年的播種奠定了良好的基礎。

2.2 植物籬-作物復合系統土壤貯水量及作物有效水動態

各處理0～200 cm土層貯水量的動態變化如圖3所示，各處理在作物播種時貯水量均最低，接近CLL(189 mm)，遠遠低于DUL(554.6 mm)。隨著生育期的推進，貯水量在5月份之后有所增加，這與作物的生育期及其當地雨季有關，因為5月份開始降水明顯增加(圖2)，使得土壤貯水量有所提高。至小麥整個生育期完成之后，9月份各處理貯水量分別為225.03，246.57，248.76，236.70，253.19 mm。其中以裸坡休閑處理(F)貯水量最低，略低于單作小麥處理(W)，比單作小麥低了21.54 mm，而小麥/甘草處理(W/L)和小麥/苜蓿處理(W/A)則分別高于單作小麥處理(W)2.19和8.62 mm，小麥/菘藍(W/I)處理效果不明顯。說明甘草和苜蓿作為多年生牧草，在小麥收獲后的雨季(休閑期)可以起到攔截降水使其入滲的作用，從而保持土壤水分；而從圖4可以看出2016年作物生育期土壤有效水含量，作為土壤貯水量和作物CLL的差值，小麥全生育期土壤有效水含量表現為小麥/菘藍(W/I)處理最低，小麥/苜蓿處理(W/A)最高。這表明就整個生育期降水資源化利用程度和土壤水分循環而言，小麥/苜蓿處理(W/A)體現了絕對優勢，提高了小麥生育期有效水含量，為后期的產量表現和提高水分利用效率奠定了基礎。

圖3 植物籬-作物間作系統土壤貯水量動態Fig.3 Soil water storage down to 2 m for different treatments

圖4 植物籬-作物間作系統作物有效水含量Fig.4 Plant available water content for different treatments

2.3 植物籬-作物復合系統作物生育期耗水特性

如圖5顯示土壤棵間蒸發月累積量來看，隨著生育期的推進，土壤棵間蒸發月累積量呈現增加趨勢，7-8月達到高峰，可能是由于7-8月降水量較大，溫度較高，蒸發強烈。總量整體表現為裸坡休閑(F)>小麥/甘草(W/L)>小麥/苜蓿(W/A)>小麥/菘藍(W/I)>小麥單作(W)，累積量在90～200 mm之間，其中裸坡休閑處理在各月中均表現為最高，小麥單作處理在5月以后均表現為最低，且差異顯著(P<0.05)。

如圖6土壤棵間蒸發逐日變化可以看出，土壤棵間蒸發逐日變化量除W/L處理以外，其他3種處理和裸坡休閑地均在5月4日、6月3日及6月18日左右蒸發量逐步上升。尤其在7月18日左右，各處理的蒸發量顯著提高，這可能是雨季來臨受降水量的影響，不同處理的耗水量不同，所以土壤棵間蒸發量出現一定的差異性。其中裸坡休閑在整個過程中的逐日蒸發量較大，這可能因為裸坡休閑沒有作物覆蓋。而小麥/甘草和小麥/苜蓿處理的棵間蒸發量較其他處理少，這是由于它們均為多年生牧草，都可以攔截降水使其達到入滲的作用從而減少棵間蒸發量。8月中旬以后由于氣溫逐漸降低加之土壤干旱等因素影響，棵間蒸發量逐漸減少。

圖5 土壤棵間蒸發月累積量 Fig.5 Soil evaporation under different rotation systems

圖6 土壤棵間蒸發逐日變化Fig.6 Soil evaporation under different rotation systems day by day

由圖7植物籬-作物復合系統總棵間蒸發量可以看出，不同處理的總棵間蒸發量和蒸發占總耗水量的比重有一定的差異。其中柱狀圖表示總蒸發量，整體表現為裸坡休閑(F)>小麥/苜蓿(W/A)>小麥/菘藍(W/I)>小麥單作(W)> 小麥/甘草(W/L)。進一步通過統計分析發現，裸坡與其他處理之間總蒸發量差異達顯著水平(P<0.05)，且顯著高于其他處理；裸坡處理總蒸發量為197.30 mm，總蒸發量較大，而小麥/甘草處理低于其他處理蒸發量，最小為91.15 mm。較F處理，W、W/L、W/I和W/A處理減少了土壤蒸發量，分別減少了49.44%、53.80%、48.32%和47.92%。圖中折線圖表示全生育期的總蒸發量占耗水量的比重(E/ET)，總體上E/ET表現為F>W>W/I>W/A>W/L，其中裸坡處理棵間蒸發占耗水量的比例高達80%以上，小麥/甘草處理蒸發占耗水量的比重最低(35%)，其余處理均在40%～45%之間。其中小麥/甘草主要表現為作物蒸騰，而裸坡由于沒有生長作物，其蒸散主要表現土壤棵間蒸發，其總蒸發量及蒸發占耗水量的比重最高，但沒有達到100%是由于休閑期間不可避免有雜草的消耗。這說明與小麥單作相比，植物籬-作物復合系統可一定程度有效降低E/ET，增加作物蒸騰量。

圖7 植物籬-作物間作系統作物全生育期總蒸發量及蒸發量占耗水量的比值Fig.7 Total soil evaporation and percentage of E/ET for different treatments during whole growth period 不同大寫字母表示不同處理總蒸發量在5%水平上差異顯著，不同小寫字母表示不同處理蒸發量占耗水量的比值在5%水平上差異顯著。Different capital letters represent significant difference at P<0.05 between different treatments for soil evaporation. Different lowercase letters represent significant difference at P<0.05 between different treatments for E/ET.

2.4 植物籬-作物復合系統作物產量和水分利用效率

由表1可以看出，不同復合系統產量、耗水量以及水分利用效率變化規律不同，其中植物籬-作物間作復合系統具有顯著提高作物產量的優勢。與小麥單作相比，小麥/甘草、小麥/菘藍、小麥/苜蓿的產量分別提高了60.00%、80.89%、83.55%，間作優勢顯著。

與小麥單作相比，3種間作模式下(小麥/甘草、小麥/菘藍、小麥/苜蓿)小麥水分利用效率(計算公式參閱1.3.2計算方法中的公式)分別提高了49.69%、76.07%、74.85%，且統計分析表現為差異顯著。同時發現，不同間作系統小麥耗水量與單作小麥耗水量并無差異，可見在間作水分和單作水分耗水量相似的情況下，間作明顯提高了降水利用效率。

表1 植物籬-作物間作系統小麥產量及水分利用效率Table 1 Grain yield and water use efficiency for different treatments

注：同列不同小寫字母表示不同處理在5%水平上差異顯著。

Note: Different lowercase letters in the same column represent significant difference atP<0.05 between different treatments.

3 討論

3.1 植物籬-作物復合系統土壤水分動態

土壤不但具有時空變異性，而且它也是一種連續體，貯存在土壤中的水分受土壤蒸發、自然降水、土壤入滲等因素的制約。土壤水分在垂直方向上存在一定的變化，在不同深度層次，因年降水量的不同、入滲程度、土壤含水量的不同及不同的土地利用方式而有一定的變化規律[14]。本試驗研究表明，不同處理在0～50 cm的土壤水分體積含水量較大，而50 cm以下的變化較穩定，無劇烈變化。也有試驗研究表明[15]在不同生育時期表層(0～10 cm)土壤含水量的變化較大，其中從5～30 cm 的土壤剖面含水量呈逐漸上升趨勢，40～110 cm 土層中土壤含水量幾乎保持一致，說明這一層次的土壤含水量受耕作措施的影響較小，而110～200 cm又開始呈逐漸回升的趨勢。白天路等[16]試驗得出，土壤水分的垂直變化深度集中在1～2 m處，2～5 m的變化并不明顯。費喜亮等[14]也研究發現試區土壤水分受季節變化，它的變異程度會隨自然降水量和土壤土層深度的增加而減小，土壤深度在1.2 m至1.4 m內土壤含水量受季節等變化影響顯著，而在1.4 m至1.6 m內受季節氣候動態變化的影響并不顯著，超過1.6 m土壤含水量是具有時間穩定性的。

本試驗由于種植年限的關系，苜蓿的高耗水特性還未完全顯現，且體現了較好的持水保水作用；作物生育期和休閑期均以裸坡休閑的表層土壤含水量最低，主要是因為沒有作物覆蓋使得土壤蒸發強烈大，且水分以徑流的形式損失較多。總之，從不同時期土壤水分的垂直分布來看，經過頭年秋季至翌年春季的休閑期，W/A處理能夠起到較好的抑制水土流失、積蓄降水的作用，但主要體現在耕層0～30 cm土壤，而一般作物根系大多分布在0～50 cm土層，因而這一層次土壤水分也會進一步影響到作物出苗之后的生長發育。

3.2 植物籬-作物復合系統作物產量表現及耗水特性

不同種植模式下作物耗水特性的差異程度，受季節變化、土壤含水量及其作物的生長耗水和天氣(如降水量、大氣溫度、太陽輻射等) 等因素影響[17]。本試驗在植物籬-作物復合系統中，不同作物的耗水量也表現出不同的差異性，小麥/甘草處理最高為250.98 mm，小麥單作最低為229.63 mm。有研究認為[18]，間作的種植方式是在時間和空間上實現種植集約化，能夠有效和充分利用太陽輻射、水分、養分、耕地等自然資源，從而逐漸提高單位面積作物產出率。本試驗不同處理的棵間蒸發總量表現為：裸坡休閑>小麥/苜蓿>小麥/菘藍>小麥單作>小麥/甘草，累積量在90～200 cm之間，因為裸坡休閑處理在試驗中沒有作物覆蓋，所以在各月的月累積量中均表現最高，而小麥單作處理在5月份以后均表現為最低。除小麥單作處理以外，其他3種處理均在5月4日、6月3日及6月18日左右蒸發較大，但是在7月18日左右，4種處理的蒸發量達到最大。胡發龍等[19]也研究發現單作玉米的日均棵間蒸發量比小麥/玉米和單作小麥顯著增大，而間作群體的日均棵間蒸發量也大于單作小麥，在全生育期耗水量方面，小麥/玉米間作最大，單作玉米次之，單作小麥最小。本試驗結果與此相似。不同處理全生育期的總蒸發量占耗水量的比重(E/ET)表現為F>W>W/I>W/A>W/L，其中裸坡處理棵間蒸發占耗水量的比例高達80%以上，小麥/甘草處理蒸發占耗水量的比重最低(35%)，其余處理均在40%～45%。這也進一步表明，小麥/甘草處理主要表現為作物蒸騰，而裸坡休閑由于沒有生長作物，其蒸散主要表現土壤棵間蒸發。可見，作物棵間蒸發占蒸散比例隨著作物地上部分群體及土壤含水量的變化而變化[20-21]。

從本試驗作物產量來看，產量最高的為小麥/苜蓿，其次是小麥/菘藍和小麥/甘草，最低的是小麥單作，可以看出間作產量均明顯高于單作產量。本試驗研究同時發現，不同間作系統耗水量與單作耗水量并無差異，而WUE體現為小麥/菘藍處理最高，小麥/苜蓿和甘草小麥次之，小麥單作最低，充分說明在間作水分和單作水分耗水量相似的情況下，間作明顯提高了降水利用效率，這與柴強等[22]、王照霞等[23]、董宛麟等[24]的研究結果基本一致。

4 結論

試區周年土壤剖面含水量較低，基本接近作物有效水分下限(CLL)，小麥/苜蓿和小麥/甘草可提高耕層0～30 cm土壤水分含量。說明甘草和苜蓿作為多年生植物，在小麥收獲后的雨季(作物休閑期)可以起到攔截降水和促進入滲的作用。

植物籬-作物間作系統的總棵間蒸發量和蒸發占總耗水量的比重有一定的差異。其中小麥/甘草處理耗水量最高(250.98 mm)，裸坡休閑總蒸發量較大(197.30 mm)。裸坡處理棵間蒸發占耗水量的比例高達80%以上，主要表現為土壤蒸發，而小麥/甘草主要表現為作物蒸騰。這說明植物籬-作物復合系統可一定程度有效降低E/ET，增加作物蒸騰量。

植物籬-作物間作系統耗水量與單作耗水量并無差異，但作物產量提高了60.00%～83.55%，說明在間作系統和單作耗水量相似的情況下，植物籬-作物復合提高水分利用效率49.69%～76.07%。

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