不同配置模式下棗棉間作復合系統耗水特性研究

王沛娟 李玲 李田甜 曹娟 翟云龍 吳全忠 萬素梅 陳國棟

摘要：采用大田試驗，以典型農林間作模式棗棉間作為研究對象，通過設置5個不同處理（3種不同間距的棗棉間作處理Int 2、Int 4、Int 6，棗樹單作處理Sole J，棉花單作處理Sole C），研究棗棉間作復合系統的耗水變化規律。結果表明，棗棉間作復合系統中，棉花不同生育階段的土壤含水量存在顯著差異，耗水量隨棉花行數的增加而增加，間作模式中Int 6處理的總耗水量最大，Int 4、Int 6處理較Int 2分別增加8.6%、9.7%;土壤貯水消耗量與總耗水量變化趨勢相似，Int 2處理較Int 4、Int 6處理土壤貯水消耗量分別低59.11、66.83 mm;棵間蒸發量隨著棉花生育進程的推進呈逐漸降低的趨勢，Int 2處理較Int 4、Int 6處理的棵間蒸發量分別高15.7%、22.3%;棉花不同生育時期，苗期棵間蒸發量最大，為91.4 mm，花鈴期次之，為 73.7 mm，吐絮期最小，為26.1 mm;不同配置模式中，Int 2處理蒸散比顯著高于其他處理，與Sole C沒有顯著差異;間作配置模式各處理花鈴期、吐絮期階段的ET差異顯著，蕾期和花鈴期單作棉花和Int 2處理的ET最大，吐絮期則是Int 6處理和單作棉花的ET最小分別為88.0 mm和83.4 mm;且不同生育時期苗期蒸散比最大，花鈴期最小。棗棉間作系統中，隨著棉花行數的增加，農田耗水量也不斷增加。

關鍵詞：棗棉間作;種植模式;耗水特性

中圖分類號： S274.2;S344.2? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）08-0207-08

新疆維吾爾自治區作為極端干旱農業生產區，因其特殊的地理位置和稀少的降水量，造成了水資源的短缺。水是作物產量形成的重要因素之一，提高作物水分利用效率成為發展旱作節水農業的核心問題。林農復合系統構成的空間模式，可以有效提高作物的水分利用效率[1-2]。在水分利用方面，賈微等分析認為，農林間作系統可提高土地利用率，減少土壤水分流失，進而提高土壤含水量;且農林間作系統構成多層次的復合生態系統，使土壤水分蒸發減少，蒸散量大幅度降低[3]。梁曉紅等對高粱大豆間作復合系統研究表明，間作模式能夠顯著降低農田蒸散量[4]。孟平等對梨‖麥、杏‖麥間作系統進行研究發現，梨麥間作系統降低了小麥的日蒸騰耗水量，與單作麥地相比，提高了麥田的水分利用率[5]。李振吾等對農果間作研究結果表明，間作抑制系統內水分蒸發，較清耕果園，間作提高了 0～60 cm土層的土壤含水量[6]。董宛麟等對農林復合系統研究指出，林農間作在一定程度上有防風降溫增濕作用，減少地表蒸散作用，從而有利于提高土壤水分利用率[7]。晁海研究指出，杏‖棉間作系統含水量明顯高于單作棉田，杏‖棉間作削弱了土壤蒸散作用，顯著提高水分利用率[8]。

國內外大多數學者研究認為，在一定條件下，不同模式的農林間作復合系統中，適宜的作物空間分布可不同程度地提高水分利用率[9-11]。但也有研究表明，復合系統會造成作物葉片溫度升高，進而提高作物蒸騰耗水，促使系統總耗水量增加[12]。葉優良等研究河西走廊地區豆科作物與玉米間作結果發現，在不同生育時期及條件下，2種作物對水分吸收存在生態錯位，因而間作系統能夠減少水分用量并提高水分利用效率，在實際生產中具有較好的應用前景[13]。趙雪嬌等對玉米‖甘藍間作同樣發現，二者根系分布的錯位降低對水分的競爭，從而對土壤水分達到高效利用[14]。Mao等對玉米‖豌豆間作研究表明，基于合理的間作空間設置，玉米‖豌豆在提升土地利用效率的同時能夠提高水分利用效率[15]。間作系統中有些深根作物從下層濕潤土壤中吸收水分后，順水勢梯度將下層水分轉移至上層并釋放到周圍的土壤中，這也是實現水分互補利用的重要途徑[16]。近年來，南疆地區大力發展農果間作系統，而針對農果間作復合系統耗水特性的研究較少。因此，本試驗以棗樹間作棉花為對象，在不同田間配置下，對間作系統的耗水特征進行分析，以期為農果間作種植技術提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在塔里木大學園藝試驗站棗園（地理位置40°32′20″N，81°17′57″E，平均海拔1 015 m）進行。塔里木河上游，地屬暖溫帶大陸干旱荒漠氣候區，光照時間長，無霜期220 d，地下水深埋在3 m以下;冬季少雪，地表蒸發量大，空氣十分干燥;土壤為沙壤土，風沙浮塵天氣經常發生，主要出現在春季和夏季;春季升溫快但不穩定，秋季降溫迅速。試驗地土壤基本養分狀況：pH值為7.90，含有機質11.2 g/kg、全氮1.51 g/kg、速效磷 58.7 mg/kg、速效鉀107.34 mg/kg。供試棗園于2012年酸棗直播建園，2014年嫁接灰棗，2019年進行棗園修整，棗樹株行距配置為3 m×1 m，南北行向，棗園樹高為1.0～1.5 m，樹冠直徑為0.7～0.9 m;棉花品種為新陸中82號。

1.2 年度氣象因子分析研究

根據新疆阿拉爾市氣象局提供的氣象數據，試驗區2019年高溫天氣在7—8月，且降水量（93.1 mm）遠高于長期平均水平（近70年平均值為 48.1 mm），為典型的豐水年。27次降水都分布在棉花生育期內（圖1），其中單次降水量>8 mm的有4次，累計51.1 mm，占生育期降水量的54.9%;單次降水量<2 mm的有14次，累計7.2 mm，占生育期降水量的7.7%。 2019年試驗田共灌水10次，共計525 mm，較傳統灌水量（600 mm）少75 mm。可見，作物生育期耗水量80%以上來源于灌溉。

1.3 試驗設計

試驗設棗棉間作（Int）、棗樹單作（Sole J）、棉花單作（Sole C）3種種植模式。棗棉間作設3種田間配置方式（圖2），分別為：Int 6，在2行棗樹間種植6行棉花，棗棉間距為0.50 m;Int 4，在2行棗樹間種植4行棉花，棗棉間距為1.00 m;Int 2，在2行棗樹間種植2行棉花，棗棉間距為1.45 m。棉花單作采用1膜6行種植模式，行距為（66+10） cm;棗樹單作，不種植任何其他作物。試驗采用隨機完全區組設計，共5個處理，重復3次，每小區面積為30 m2（10 m×3 m）。

間作各處理分別選擇3株長勢相差不大的棗樹作為標準木，以標準木為中心，垂直于樹行方向，在距離標準木0.5、1.0、1.5 m處定取樣點（圖2），測定土壤含水量、根系和棵間蒸發量。棗樹株行距配置為3.0 m×1.5 m，供試棉花品種為新陸中36號。棉花采用地膜覆蓋，灌溉方式為滴灌，試驗中其他管理措施與當地習慣水平相同。棉花于4月13日播種，10月20日收獲。

1.4 測定指標與方法

土壤含水量：采用烘干法測定，土壤水分的測定在垂直方向上依次為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。

土壤棵間蒸發量：采用微型蒸發器（micro-lysimeter，簡稱MLS）測定棉花行間土壤棵間蒸發量，MLS采用直徑10 cm、高10 cm的PVC（聚氯乙烯）管制成，用塑料薄膜封底，將MLS放入預埋在田間直徑 12 cm、高10 cm的PVC外套管中，MLS頂部與地面平齊（圖2）。土壤棵間蒸發為2次測量的差值，用精度為0.02的LP3102型電子天平每天稱質量以計算土壤棵間蒸發量。微型蒸發器中土樣每減少1 g相當于蒸發水分0.105 1 mm。每2 d測定1次，于早晨07：00 取樣，2次測定后更換MLS中的土。另外，下雨或滴水后更換MLS中的土，目的是保證MLS內部的土壤剖面與周圍土壤保持一致。

土壤水分效應計算公式為

Ef=（M-Md）/ Md×100%。（1）

式中：Ef為水分效應;M為棗棉間作系統中0～100 cm 土層土壤含水量;Md為對應棗樹、棉花單作時的土壤含水量。當Ef> 0時，表明棗棉間作系統有益于土壤水分的提升，間作系統在水分利用方面為正效應;當Ef< 0時，表現為負效應。

土壤貯水量：用0～100 cm土壤含水量計算土壤貯水量（SWS），計算公式為

SWS=∑5i=1h×ρ×θ×10。（2）

式中，h為土層厚度，cm;ρ為土壤容重，g/cm3，θ為土壤質量含水量。

生育期耗水量計算公式為：

ET = P + I + SWSo- SWSh。（3）

式中：P為生育期內降水量;I為生育期內灌溉量;SWSo為播前土壤貯水量;SWSh為收獲后土壤貯水量。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式土壤水分時間變化特征

各處理土壤含水量隨棉花生育時期的變化而變化（圖3），各生育期間作模式總體無顯著差異。研究結果表明，隨著棗樹、棉花的生長發育，土壤含水量大體呈降低趨勢，表現為播前>苗期>花鈴期>蕾期>吐絮期。在棉花不同生育階段，田間配置方式對土壤含水量的影響不同。苗期各系統各處理土壤含水量差異不顯著（P>0.05）;棉花蕾期，Int4、Sole J處理土壤含水量與Int 2、Int 6處理無顯著差異，但與Sole C相比有顯著差異（P<0.05），且分別高30.8%、27.5%;至花鈴期，Sole J處理土壤含水量與其他處理無顯著差異（P<0.05），較Int6處理高33.1%;至吐絮期，Sole J處理土壤含水量分別較Int 4、Int 6、Sole C處理高64.1%、73.1%、68.0%（P<0.05）。

2.2 不同種植模式對垂直方向土壤水分變化的影響

各系統各處理土壤含水量的分布規律因配置模式、生育階段不同而不同。由圖4可知，苗期各處理土壤含水量在40 ～100 cm土層差異較大，Sole J處理土壤含水量在0～20、60～80 cm土層處高于其他處理，40～60 cm土層深度各處理的土壤含水量變化表現為Sole C>Int 4>Int 2>Int 6>Sole J處理，主要原因可能是棗樹水分吸收區域不同。蕾期除40～60、80～100 cm 2個土層深度外，其他土層Int 4、Int 6、Sole C處理的土壤含水量均大于Int 2、Sole J處理，可能主要是田間覆蓋度不同造成的。花鈴期棉花單作系統土壤垂直方向含水量明顯高于間作系統和棗樹單作系統，此時間作復合系統內棗樹和棉花對水分的競爭主要發生在20 cm以下的土層深度。吐絮期隨著作物耗水的增加，除SoleC處理外，各處理在0～100 cm土層土壤含水量的大體變化規律為先降低后上升，棉花單作系統土壤含水量在40～100 cm土層高于間作系統和棗樹單作系統，此時間作復合系統中棗樹和棉花對水分的競爭發生在整個測定土層內，間作復合模式表現出明顯的“提水效應”[17]。總體而言，棉花花鈴期和吐絮期單作Sole C處理的土壤含水量總體高于各間作處理，提高了不同土層深度水分的利用。

2.3 不同棗棉間作系統土壤水分效應

從棉花4個生育時期總體來看（表1），與Sole J相比，除花鈴期間距為1.5 m外，棗棉間作系統內各處理土壤水分效應均為正效應，分別為14.7%、16.6%、4.9%。隨著棉花與棗樹間距的增大，苗期、蕾期土壤水分正效應均呈先增后減的趨勢，吐絮期土壤水分正效應呈遞減的趨勢;從生育期來看，土壤水分效應表現為苗期<花鈴期<吐絮期<蕾期。與Sole C相比，棗棉間作系統內In2、In6處理土壤水分效應均表現為負效應，生育期內各處理的平均土壤水分效應分別為-11.7%、-8.0%、-17.1%。隨著棗棉間距的增大，苗期和吐絮期其土壤水分效應呈先增后減的趨勢，蕾期與花鈴期則呈先減后增的趨勢;從生育期來看，土壤水分負效應表現為苗期<吐絮期<蕾期<花鈴期。總體而言棗棉間作復合系統明顯有益于土壤水分的提升。

2.4 不同種植模式對棗棉間作系統總耗水量及其來源的影響

在降水量與灌水量一致的情況下，農田耗水量因田間配置的不同而不同，各處理作物耗水主要來源于農田灌溉（表2）。棗棉間作、棗樹單作和棉花單作3種不同種植模式耗水量表現為：Sole C>Int 6>Int 4>Int 2>Sole J。以單作耗水量加權平均為對照進行比較，間作各處理耗水量較單作增加3.3%，間作復合模式各處理的總耗水量與單作差異無明顯變化。棗棉間作下，不同田間配置各處理耗水量隨棉花行數的增加呈現遞增趨勢，Int 4、Int 6處理耗水量分別較Int 2增加8.6%、9.7%;且Int 4、Int 6處理與單作Sole C相比，總耗水量分別減少18.10、10.38 mm。

間作系統各處理與單作系統相比，土壤貯水消耗量表現為Sole C處理最高，為145.94 mm，棗棉間作各處理次之，Sole J處理最低，為28.5 mm，表明田間配置中群體模式有利于土壤貯水的利用。間作系統Int 4、Int 6處理間土壤貯水消耗量無顯著差異，與Int 2處理相比有顯著差異。由此表明，增加復合系統中棉花種植行數有利于提高土壤貯水消耗量。

2.5 不同種植模式對棗棉間作系統土壤貯水消耗量垂直分布的影響

在主要生育期內，棗棉間作、棉花單作、棗樹單作在不同深度土層土壤貯水的消耗量有明顯差異（圖5）。Sole J處理在0～40、60～80 cm土層的土壤貯水消耗量無明顯差異，在80 cm土層以下的土壤貯水消耗量為-9.5 mm，說明該系統能夠充分利用各土層的土壤水分;Sole C處理主要利用80 cm以上土層的水分;間作群體利用水分最多的土層范圍為20～80 cm，0～10、80～100 cm土壤貯水消耗量較低。間作系統各處理比較，Int 4處理整個區域內的土壤貯水消耗量基本高于Int 2和Int 6處理，在80～100 cm土層Int 4處理土壤貯水消耗量與Int 2處理和單作棉花無明顯差異。

2.6 不同種植模式對棗棉間作系統棵間蒸發量（E）、蒸散比（E/ET）的影響

間作系統及單作系統內對E均有不同程度的影響（圖6）。從時間上看，隨著作物生長發育的推進E總體呈逐漸降低的趨勢，表現為：Sole J>棗棉間作>Sole C，分別為280.2、233.8、203.8 mm;單作加權平均E較棗棉間作高3.4%，說明在一定程度上間作群體能夠降低農田蒸散量。各處理間，Sole C和Int 6處理較Int 2、Int 4、Sole J處理分別低23.9%、9.7%、27.3%和22.3%、7.8%、25.8%;Int 4處理較Int 2處理低15.7%。綜上所述，棗棉間作中棉花種植行數的增加有利于抑制農田蒸發。

由圖7可知，Int 2處理的E/ET最大，為39.9%，Sole C處理次之，為36.9%，且與Int 4、Int 6和Sole J處理均有顯著差異，Int 4、Int 6處理E/ET的無顯著差異（P>0.05）。不同間作處理間比較，Int 2處理E/ET分別較Int 4、Int 6處理高28.9%和22.6%。Int 4和Int 6處理E/ET與Sole J處理均無顯著差異，較Sole C處理分別低13.8%和14.4%。

2.7 田間配置對棗棉間作系統階段耗水量的影響

為進一步明確棗棉間作系統的耗水特征，對不同生育時期E、ET、E/ET 的變化進行分析（表3），結果表明：所有處理平均蒸發量表現為苗期最大，花鈴期次之，吐絮期最小，ET花鈴期最大，蕾期次之，吐絮期最小;苗期E/ET值最大，花鈴期最小。說明苗期是減少土壤無效蒸散的關鍵時期，花鈴期是間作棉田耗水的主要時期。

系統各處理內，Int 2、Sole J處理的E值為最高，Int 4、Int 6處理在苗期、花鈴期和吐絮期均無顯著差異。不同生育階段ET變化因田間配置方式不同而不同，苗期各處理的ET均無顯著差異;蕾期和花鈴期Sole C、Int 2處理低于Sole J、Int 4和Int 6處理，蕾期Int 6處理的ET較Int 2處理高10.3%，花鈴期Int 6處理的ET較Int 2、Int 4分別高16.2%、18.5%;吐絮期Int 6、Sole C處理的ET值較低，分別為87.98 mm和83.35 mm。間作模式下，除吐絮期外，不同生育階段E、E/ET隨棉花種植行數的增加而減小。

3 討論與結論

水是植物生長發育不可或缺的自然資源[18]，農果間作群體較單作有利于提高土壤貯水的利用。隨著作物物候期的推進，間作作物對土壤水分競爭明顯，在一定時期和范圍內，果樹和作物存在水分生態位的重疊[19-20]。白偉研究了仁用杏作物間作，結果表明作物生長前期水分充足，作物與杏之間未產生競爭，至生殖生長階段，對水分競爭明顯增強[21]。王克林等研究表明，楊樹‖玉米間作系統競爭的存在提高了土壤水分的利用率，顯著降低了土壤含水率[22]。本研究中，與棉花單作系統相比，由于棗樹、棉花間存在對水分的競爭，促進了棗樹根系生態位的變化;棗樹根系趨于深層分布，提水作用明顯加強，表現為水分的互補性。然而種間的互補作用是有限的，與棉花單作系統相比，雖然棗樹茂盛的枝葉具有減少蒸發的作用，但棗棉間作對土壤水分的消耗遠大于棗樹單作，競爭作用大于互補，在水分的效益方面總體表現為對水分的種間競爭作用。

間作群體耗水量因氣候條件、作物種類、施肥量、離樹間距、株行配置、密度的不同而不同[23-25]，其中，間作系統內作物間距模式配置是調控農林間作系統作物競爭作用強度的重要因素[26]。果農間距過大，雖種間競爭變小，但不利于土地的有效利用;間距過小，種間競爭過于強烈，達不到資源互補的目的。適宜的間距能夠協調種間的競爭和互補作用，有效發揮復合群體增產增效和資源高效利用的作用[27]。大多數研究表明，土壤水分隨著樹行距離的增加而減少，土壤水分效應表明果樹對作物存在競爭關系[28-29]，本研究也得出了同樣的結論。另外，在對不同生育期各處理土壤水分垂直分布研究中發現，棉花花鈴期是間作復合群體水分競爭最激烈的時期，隨著間距的增加，競爭作用不斷增強，存在分層利用土壤水分的現象。

種植模式和田間配置對農田總耗水量、棵間蒸發量和土壤貯水消耗量均存在顯著影響。果園單作時地表裸露多，無效棵間蒸發大;與作物間作時，因地表覆蓋能有效抑制棵間水分蒸發，改善土壤貯水性能，從而增強了土壤對水分的保蓄能力[30]。本研究中，生育期內棵間蒸發量檢測結果表明，棗棉間作棵間蒸發量低于單作，且棉花種植行數越多農田蒸發越低。土壤貯水消耗量一定程度上決定著間作系統的總耗水量，農藝調控措施如種植密度、水肥、覆蓋、間距等能夠促進不同土層土壤貯水利用的有效性，但也有研究表明深層土壤水分的過耗會導致土壤干燥化現象[31]。本研究結果表明，棗樹單作系統能較多利用土壤深層的水分，棗棉間作系統能夠分層利用水分，增加棉花行數有助于促進土壤深層貯水。作物最大耗水時期同樣是農果間作階段耗水盛期[32]，本研究中棗棉間作耗水的主要時期為花鈴期。

間作較單作系統而言，其耗水量、土壤貯水消耗量隨棉花行數的增加而顯著增加。花鈴期是間作棉田耗水的主要時期，棵間蒸發量隨著棉花生育進程的推進而逐漸降低;苗期是減少土壤無效蒸散的關鍵時期;階段棵間蒸發量和蒸散比大體表現為隨棉花種植行數的增加而減小，說明棗棉間作復合系統相對于單作，能更好地利用農田水分。因此，棗棉間作在南疆推廣具有重要意義。但隨著棗樹逐年不斷的生長發育，對作物的影響也會體現出不同差異，因此最佳種植模式還需通過大量的試驗進行探索。

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