塔里木盆地西北緣不同種植模式棉田微環境及經濟效益比較

曹 琦,毛廷勇,汪志強,萬素梅,陳國棟

(1.阿克蘇職業技術學院,新疆溫宿 843000;2.塔里木大學農學院,新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】棉花是重要的經濟作物[1]。新疆是我國主要棉產區,近幾年,隨著新疆特色林果業的迅速發展。研究新疆塔里木盆地西北緣單作棉田與2種棗棉間作棉田對生態的改善程度及單位土地面積經濟效益,以及篩選出最佳棗棉種植模式有重要意義。【前人研究進展】間作指在同一地塊中,播種2種及以上生育期相近且相互干擾較小的作物,以實現自然資源的充分利用,增加單位土地面積經濟產量的種植方式[2-3]。農林間作不僅減少了土壤水分的流失,還抑制了雜草的生長[4-6]。潘文勤等[7]發現采用間作栽培方式能夠減輕紅蜘蛛對木薯的危害。間作可以改善種植環境。間作模式對小氣候的影響十分顯著[8]。對橡膠林間作魔芋的研究中發現,魔芋會隨著遮陰度改變光補償點和暗呼吸速率來減少呼吸消耗維持生命[9]。間作模式需控制好作物間的光共享程度,從而促進作物正常生長。間作復合系統不僅對光能的利用有影響,防風效應[10]、土壤溫濕度[11]、空氣溫濕度[12-13]等小氣候因子也會受其影響。合理的栽培條件下,作物品質和產量受小氣候的影響十分顯著[14-18]。【本研究切入點】塔里木盆地干旱區綠洲帶種植高品質棗,棉花產量及品質也較高[19]。但是有關棗棉間作棉田對生態環境及單位土地面積經濟效益的影響還有待研究。【擬解決的關鍵問題】以棉花品種新陸中36號為材料,設置單作棉田(CK)、1膜2行棗棉間作棉田(C1)及1膜4行棗棉間作棉田(C2)。研究不同棗棉種植模式棉田微環境差異對棉花生長與產量的影響,比較單作棉田與間作棉田單位土地面積的經濟效益,為篩選最優棗棉種植模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試單作棉田及棗園(2012年建園)均位于塔里木大學園藝試驗站(N 40°32′,E 81°18′),棗園株行距為3×1(m),不同種植模式的供試棉花品種為新陸中36號。單作及間作棉田均位于塔克拉瑪干沙漠的西北緣,年均氣溫10.8℃、年積溫4 000℃、無霜期180～224 d、年均日照時長2 996 h、年均輻射量559.4～612.1 kJ/cm2、日照率66%、年降水量40.1～82.5 mm、年蒸發量1 976.6～2 558.9 mm、最大風速30 m/s,土壤養分(0～20 cm):全氮1.51 g/kg、堿解氮33.6 mg/kg、速效磷58.7 mg/kg、速效鉀107.34 mg/kg、有機質11.2 g/kg、pH值7.90。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗為隨機區組設計,各小區為10×3(m)。間作與單作棉花株行距12.5×12.5(cm),膜寬2.05(m)。棗棉間作棉田1膜2行的處理為C1、棗棉1膜4行的處理為C2,1膜4行的單作棉田為CK,單作棗園為CK0。

1.2.2 測定指標

3個種植模式棉田各設置9個測點。分別于5月24日(蕾期)、6月25日(開花期)、7月22日(花鈴期)測定棉田行間微環境指標,取3個生育期中9個測點各指標均值。

光照強度:在各測點距地面10 cm處(冠底)安放照度計(TES1332A型數字照度計),08:00～20:00每隔2 h記錄1次數據。

CO2濃度:使用TY-9800A型二氧化碳數字分析儀分別測定早(10:00)、中(16:00)、晚(22:00)各測點距地面10 cm(冠底)、40 cm(冠中)、80 cm(冠頂)的CO2濃度,取不同時間段、同部位的CO2濃度均值。

空氣溫濕度:在各測點距地面10、40和80 cm處安放PJ-20型溫濕度記錄儀,08:00～22:00每隔2 h記錄1次數據;垂直方向的空氣溫濕度數據為日均值。地溫的測定方法與空氣溫度的測定方法類似,使用的是WQG型玻璃套管溫度計。

風速:分別在C1、C2、CK棉田中選擇b1、e1、h1、c2、f2、i2,c3、f3、i3為風速測點,安裝DEM6型三杯風向風速表,08:00～20:00每隔2 h記錄1次數據。

土壤含水量:10:00時取各測點地下0、5、10、15、20、25 cm處的土壤,稱重。帶回實驗室放入烘箱80℃烘5 h,取出稱重,繼續烘30 min,直至恒重。

棉株生長:每個種植模式隨機選取15株棉株掛牌,測定每個生育期掛牌棉株的株高(cm)、莖粗(mm)、果枝數(臺)、蕾數(個)、花數(朵)、鈴數(個)。

產量:紅棗收獲期在C1、C2種植模式中隨機選取3棵棗樹測定實際產量,棉花采收完測定各種植模式中籽棉的實際產量,根據試驗地面積計算單位土地面積內棗產量和棉花籽棉產量。圖1

注:代表棗樹,代表棉株。a1～i1為C1種植模式下微環境指標的測點,a2～i2為C2種植模式下微環境指標的測點,a3～i3為CK種植模式下微環境指標的測點。

1.3 數據處理

運用Excel 2016進行數據整理,利用DPS 18.10高級版對數據進行Duncan新復極差法單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式對棉花光照強度的影響

研究表明,不同種植模式下棉田光照強度變化為CK>C1>C2。隨著時間的變化,不同種植模式棉田的光強呈先揚后抑趨勢,C1和CK模式在14:00達到峰值(86.91和97.60 klx),而C2模式則在16:00達到峰值(80.46 klx)。在08:00～18:00的時間段內,單作棉田光強顯著(P<0.05,下同)高于2個間作棉田,且C1模式棉田的光強高于C2模式,間作棉花受到棗樹的遮陰強度與棗、棉植株的距離成正比。隨著陽光與地面夾角的升高(日變化),單作棉田光強與間作棉田光強的比值隨著時間變化呈先降后增的趨勢,最大比值由4.18倍(10:00)降低至1.08倍(16:00)。棗樹對棉花的遮陰強度隨著時間的變化逐漸降低,在16:00降到最低值,隨后逐漸增高。圖2

注:不同字母表示不同種植模式間的差異達到5%顯著水平,下同

2.2 垂直方向CO2濃度受種植模式的影響

研究表明,間作棉田(C1、C2)各冠位的CO2濃度均高于單作棉田(CK)。其中,C2模式棉田的棉花冠底和冠中CO2濃度均顯著高于C1和CK模式,分別為325.13和330.77 μmol/mol。田間氣體流動性隨著單位土地面積內作物栽植的密度增高而降低。圖3

圖3 不同種植模式下棉田CO2濃度變化Fig.3 Effects of different planting patterns on CO2 concentration

2.3 空氣溫度受種植模式的影響

研究表明,空氣溫度隨著時間的變化逐漸升高,C1和CK模式棉田的溫度在16:00達到峰值,分別為35.10和37.38℃。日均空氣溫度變化過程中,3個種植模式的溫度變化趨勢為先抑后揚的趨勢,C1和C2模式棉田的空氣溫度均低于CK,C2模式棉田的空氣溫度在12:00之后均顯著低于CK。圖4

圖4 不同種植模式下棉田空氣溫度日變化Fig.4 Influence of different planting patterns on diurnal variation of air temperature

不同種植模式的棉田棉花冠頂、冠中及冠底的溫度呈現先降后增的趨勢,C2模式棉田的溫度最低(31.62、31.58及31.54℃),CK模式棉田各冠位的溫度均高于C1、C2。當出現高溫天氣時,間作棉田棉花受到的高溫脅迫程度要低于單作棉田;棉花是喜溫作物,間作棉花對大環境中溫度的需求要高于單作棉花,當溫度低于臨界值時,將減緩棉花的生長和發育。圖5

圖5 不同種植模式下棉田垂直方向空氣溫度變化Fig.5 Effects of different planting patterns on vertical air temperature

2.4 空氣濕度受種植模式的影響

研究表明,隨著時間的變化,3個種植模式的棉田空氣濕度呈先降后增的趨勢,C2和CK模式棉田的空氣濕度在14:00達到全天最低值,分別為28.58%、20.25%。CK模式棉田的空氣濕度均低于C1、C2,C1模式棉田的空氣濕度均低于C2。圖6

圖6 不同種植模式下棉田空氣濕度日變化Fig.6 Influence of different planting patterns on diurnal variation of air humidity

3個種植模式對棉花各冠位空氣濕度的影響表現為C2>CA>CK,并且2個間作棉田棉花不同冠位的空氣濕度均顯著高于對照模式(CK)。C2模式棉花冠頂、冠中、冠底的空氣濕度分別較CK高出15.45%、15.14%、15.42%。間作棉田可以改善微環境中的空氣濕度,并且隨著棗、棉株距的減小而增加。圖7

圖7 不同種植模式下棉田垂直方向空氣濕度變化Fig.7 Effects of different planting patterns on vertical changes in humidity

2.5 土壤溫度受種植模式的影響

研究表明,3個種植模式棉田地溫隨著時間的推移整體呈單峰曲線變化,C1、C2模式棉田在16:00達到峰值(30.80、30.00℃)、CK模式棉田在18:00達到峰值(32.1℃)。在10:00～20:00時,C2模式棉田地溫均低于C1、CK。隨著土壤深度變化,3個種植模式棉田的土壤溫度逐漸降低,處于0～25 cm深度的棉田土壤溫度變化為CK>C1>C2。棗、棉株距越近,越容易抑制溫度升高、減輕高溫對棉花植株各部位損傷。圖8,圖9

圖8 不同種植模式下棉田地面溫度變化Fig.8 Effects of different planting patterns on ground temperature

圖9 不同種植模式下棉田不同深度土壤溫度變化Fig.9 Effects of different planting patterns on soil temperature at different depths

2.6 土壤含水量受種植模式的影響

研究表明,隨著土壤深度的變化,3個種植模式棉田土壤含水率呈上升趨勢。并且,間作棉田的土壤含水率均高于單作棉田。其中,C2模式棉田在10～60 cm土壤深度中的含水率均顯著高于CK,C2模式棉田在60 cm處土壤含水率為17.6%是CK(13.80%)的1.28倍。間作棉田受到棗樹遮陰及單位面積內種植密度的影響更利于土壤墑度的保持,增強對干旱脅迫的耐受程度。圖10

2.7 防風效應受種植模式的影響

研究表明,測定3個種植模式棉田在08:00～20:00隨著時間的變化,不同種植模式棉田的風速均逐漸加快,其中C2模式棉田的風速緩慢上升,CK和C1模式棉田的風速則分別在12:00和16:00時逐漸下降。單作棉田在各時間點的風速均大于間作棉田,C2模式棉田各時間段風速(除16:00)均高于C1。相對于單作棉田而言棗樹有效減低間作棉田中的風速,減輕空氣及土壤溫濕度的變化幅度,有益于棉花生長。C1模式棉田的防風效能高于C2。圖11,表1

圖10 不同種植模式下棉田土壤含水率變化Fig.10 Effects of different planting patterns on soil moisture content

圖11 不同種植模式下棉田在不同 時間風速變化Fig.11 Changes of wind speed in cotton fields with different planting patterns at different times

表1 間作棉田的防風效應比較

2.8 棉花生長及產量受種植模式的影響

研究表明,蕾期、開花期及花鈴期的棉花株高、莖粗、果枝數、蕾數、花數、鈴數及產量整體表現為間作棉田(CK)>單作棉田(C1、C2)。其中,單作棉田各生育期的株高及果枝數顯著高于間作棉田,單作棉田棉花的株高及果枝數分別是間作棉田1.12～1.64倍、1.21～3.85倍。3個種植模式棉田棉花開花期和花鈴期的莖粗表現為CK>C1>C2,單作棉田棉花在2個時期的莖粗均顯著高于間作棉田。3個種植模式棉田的產量表現與莖粗變化一致,CK模式棉田產量分別較C1、C2模式高出近29.22%和19.88%。間作模式的棉花生長及產量均低于單作棉田。表2

表2 不同種植模式下棉田棉花生長及產量變化

2.9 不同種植模式棉田經濟效益比較

研究表明,單作棉田的產量及單作棗園的產量均高于2個棗棉間作種植模式對應作物的產量,凈收入表現為C1>C2>CK>CK0,C1模式棉田的凈收入分別是CK、CK0的1.90倍和1.95倍;而收益率則表現為CK>C1>CK0>C2,CK模式收益率僅高出C1模式2.68%。C1模式是最優種植模式。表3

表3 不同種植模式棉田經濟效益比較

3 討 論

3.1 棉田微環境對種植模式的響應

光照強度變化會影響棉花的光合作用,導致棉花產量及開花時間受到制約[20]。CO2濃度的變化會直接影響棉花的光合作用,從而改變植株內及生境中的碳循環[21]。高溫抑制棉花生殖器官的生長,還通過降低光合酶效率來抑制棉花光合作用[22-23]。棉花是喜溫喜濕作物,適宜的濕度有利于提升光合速率、縮短棉花的午休現象時間,促進棉花的品質和產量[14]。土壤溫度可以改善作物根際環境,土壤中一系列的生命活動受到溫度的影響[24-25]。土壤含水率會影響棉花的光合參數變化,通過研究棉田土壤含水率的變化對提高田間水利用效率具有重要的指導性意義[26-27]。田間風速的有效降低對植株生境中空氣溫濕度和土壤溫度的調節起到至關重要的作用[28]。田間微環境是調節作物生長和產量的重要因子之一,間作模式不僅可以提高單位土地的利用效率還能改善田間微環境[29]。果農間作模式不僅對作物的生長發育起著正面影響,同時還伴隨負面的影響效應[30]。果農間作系統改變了作物栽培環境的光照強度,導致光合作用受到抑制,最終影響作物產量[31]。研究結果表明,不同種植模式棉田光強變化為單作棉田(CK)>1膜2行間作棉田(C1)>1膜4行間作棉田(C2),棉株與棗樹的距離越近遮陰強度就越強;伴隨陽光與地面夾角的升高,單作棉田與間作棉田的光強比呈先降后增的趨勢,與黃天忠等[13]在油茶上的研究一致。光照強度過高會抑制作物的光合作用[32],塔里木盆地西北緣的光照充足,合理的棗棉間作模式可以有效降低光強對棉花葉片造成的損傷。田間CO2濃度同樣是影響作物光合作用的因子之一,適宜的CO2濃度可提高棉花凈光合速率及葉片水分利用率,有利于對營養物質的吸收與轉化[21]。間作模式中作物的密度過高會影響植株間的空氣流動性,導致CO2濃度提升。CO2濃度升高不僅可以提升棉花對物質的積累,還可以降低棉花及棗樹的病蟲害發病率[33]。結果表明,1膜2行間作棉田、1膜4行間作棉田的3個冠位CO2總濃度均高于單作棉田,其中1膜4行間作棉田CO2總濃度顯著高于其他模式棉田。田間氣體流動受到作物栽植密度的影響。

塔里木盆地北緣屬暖溫帶氣候,南鄰塔克拉瑪干沙漠,氣候干燥伴隨高溫,時常出現干熱風[34-35],嚴重影響作物的正常生長。史彥江等[36]研究發現,塔里木盆地干旱區棗棉間作可以顯著影響氣溫、地溫及風速等小氣候因子,棗棉間作的氣溫降低了1.6～2.1℃、濕度提高3.7%～9.2%、風速降低了45.5%,棗棉間作模式在一定程度上可以改善了棉田微環境。研究發現,單作棉田的空氣、土壤溫度、風速均明顯高于2個間作棉田,而單作棉田的空氣、土壤濕度均低于2個間作棉田。1膜4行棗棉間作棉田模式的空氣、土壤溫度、風速明顯低于1膜2行棗棉間作棉田,棉田空氣及土壤濕度則相反。間作模式可以有效抵抗高溫、干旱對棉花帶來的脅迫損傷;間作棉田可以有效改善棉田的微環境,減輕干熱風對棉花造成的不可逆損傷;棉花屬喜溫喜濕作物,間作模式雖然能提高棉田的溫度,若大環境氣溫低于棉花正常生長溫度25～30℃[37],間作棉田的氣溫則可能會抑制棉花的生長,對棉田10:00～22:00的氣溫觀測發現,2種間作棉田的最低氣溫基本接近25℃,最高氣溫低于35℃,2種間作模式下棉花的生長處于正常狀態。

3.2 棉花生長與產量對種植模式的響應

研究發現,蕾期-花鈴期的棉花各生長指標表現為間作棉田>單作棉田。單作棉田棉花的株高及果枝數分別是間作棉田1.12～1.64倍、1.21～3.85倍,與段志平等[38]的研究結果一致。單作棉田棉花的生長狀況及掛果率要優于間作棉田。蕾期2個間作棉田的蕾數顯著高于單作棉田,其中1膜4行間作棉田的蕾數最多。微環境因素,高溫、大風等會造成花蕾脫落,而單作棉田對環境的抵抗程度要低于間作棉田,可能是極端天氣造成花蕾非自然脫落而導致單作棉田蕾期的蕾數低于間作棉田。

在棉花與綠豆[39]、小麥及花生[40]的間作模式研究中發現,單作棉田的產量低于間作棉田,間作可以通過改善生態環境來提高作物產量。郭仁松等[41]發現,單作棉田的產量顯著高于間作在棗樹西側冠下、東側冠下及冠外的棉花產量。李伶俐等[42]對棉花-紫花苜蓿間作模式的研究發現,棉花的結鈴數及籽棉產量被抑制。不同棉花間作模式(作物種類)造成的微環境因素差異較大,從而導致間作棉花產量及構成發生變化。研究發現,雖然各種植模式棉田的產量之間無顯著性差異,但單作棉田的產量分別高于2個間作棉田,較間作棉田高出19.88%～29.22%。由于棗樹植株比棉花高,棉花在一天中的大部分時間處于遮陰狀態,光合速率緩慢,導致養分積累能力弱于單作棉田棉花;棗樹的關鍵生長期在5月中旬至10月,而棉花的關鍵生長期則處于5月中下旬至8月中上旬,棉花在汲取土壤環境養分的關鍵時期正好處于棗樹對養分需求較高的階段。造成了2個作物的根際養分競爭,導致棉花對養分的需求無法滿足,生長發育受阻。

3.3 基于不同種植模式棉田的經濟效益比較

研究發現,不同種植模式棉田的收益率表現為單作棉田>1膜2行棗棉間作棉田>單作棗園>1膜4行棗棉間作棉田。單作棉田及單作棗園的產量均高于對應間作模式下作物的產量,棗棉間作模式對產量的影響是雙向的。棉花的成本低于棗,同樣產量也低于棗,但其凈收入則高于棗。

4 結 論

無論是1膜2行間作棉田還是1膜4行棗棉間作棉田均具有改善生態環境的作用。其中,1膜2行間作棉田微環境中,光照強度高于1膜4行棗棉間作棉田,且最高光照強度出現在14:00,為86.91 klx,而另一種間作模式棉田的最高光照強度則出現在16:00,為80.46 klx。1膜2行棗棉間作棉田的風速、CO2濃度、空氣及土壤溫濕度則均低于1膜4行。防風效能與棗-棉行距成正比。CO2濃度與單位土地面積內植株數量呈正比,而空氣及土壤溫濕度則與其呈反比。1膜4行棗棉間作棉田對生態環境的改善程度要優于1膜2行棗棉間作棉田。單作棉田棉花產量398 kg/667m2、1膜2行棉田棗+棉(821+308)kg/667m2、1膜4行棉田棗+棉(771+332)kg/667m2及單作棗園棗產量為900 kg/667m2。單作棉田的收益率僅高出1膜2行棗棉間作棉田2.68%,1膜2行棗棉間作棉田的凈收入分別是單作棉田、單作棗園的1.90倍和1.95倍。最佳種植模式為1膜2行棗棉間作模式。