空間布局對西北極端干旱區棗棉間作復合系統水分利用效率的影響

黃光偉 陳國棟 萬素梅 劉太杰 李燕芳 樊文霞

摘要 [目的]解析農林間作水分高效利用機制。[方法]以西北極端干旱區典型模式棗棉間作為研究對象，通過設置不同棉花種植行數和棉花株距研究空間布局對棗棉間作復合系統水分利用效率的影響。[結果]與單作相比，棗棉間作具有明顯提高產量和土地利用率的優勢，種植行數對間作產量的影響效應顯著。間作條件下耗水量高于對應單作，但也能顯著提高水分利用效率，種植行數與棉花株距互作作用對間作水分利用效率的產生效應，通過空間布局能夠協調棗棉間作種間關系，提高水分高效性。[結論]棗棉間作群體較單作更能夠顯著提高水分利用效率，在農林復合群體中，林木根系一般較深，能充分利用土壤深層營養物質和水分，農作物則利用淺層土壤中的養分和水分，由于根系垂直生長呈多波順次遞推特點，使根系生長中心和吸收中心交錯出現，提高了養分和水分的利用效率。

關鍵詞 棗棉間作;葉面積指數;耗水量;水分利用效率;空間布局;西北極端干旱區

中圖分類號 S181.6文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）11-0086-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.11.024

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract [Objective] In order to analyze the mechanism of water efficient utilization in agroforestry intercropping.[Method]Taking the typical model of the extreme arid area in Northwest China as the research object，the effects of spatial distribution on water use efficiency of jujubecotton intercropping system were studied by setting different rows of cotton and cotton spacing in the typical model of jujubecotton intercropping. [Result]Compared with single cropping， jujubecotton intercropping had obvious advantages in increasing yield and land use efficiency， and the number of rows had a significant effect on the yield of intercropping. Water consumption under intercropping was higher than that under corresponding monoculture， but water use efficiency could also be significantly improved. The interaction between rows and cotton plant spacing had an effect on the yield of intercropping WUE. The spatial distribution could coordinate the intercropping relationship between jujube and cotton and improve water efficiency.[Conclusion] The water use efficiency of jujubecotton intercropping population is better than that of single cropping. In agroforestry complex population， the root system of trees is generally deeper， which can make full use of the deep soil nutrients and water. Crops use the nutrients and water in shallow soil. Because the vertical growth of roots is multiwave and successive recurrence characteristics， the root system of jujubecotton intercropping population can make full use of the deep soil nutrients and water. Root growth centers and absorption centers alternate， which improves nutrient and water use efficiency.

Key words Jujubecotton intercropping system;Leaf area index;Water consumption;Water use efficiency;Spatial distribution;Extreme arid area in Northwest China

基金項目 國家自然科學基金項目（31601272）;塔里木大學校長基金（TDZKJC201606）;大學生創新創業訓練計劃項目（2018066）。

作者簡介 黃光偉（1994—），男，貴州松桃人，碩士研究生，研究方向：作物高效生理生態。*通信作者，副教授，博士，碩士生導師，從事作物高產理論與技術研究。

為明確種植行數和棉花株距對間作產量的影響，以種植行數為主因素，棉花株距為副因素，分析兩者對間作產量的效應大小。結果表明，種植行數對間作產量的效應顯著（P=0.128 < 0.05），棉花株距對間作產量的效應不顯著（P=0914>0.05），根系分隔方式和供水水平的互作效應不顯著。增加間作棉花行數有利于間作群體總產量的增加，種植4行棉花總產量較2行棉花增加3.6%;增加間作棉花行數有利于籽棉產量的增加，但紅棗產量隨著棉花種植行數的增加而減小。棉花株距顯著影響間作組分作物的產量，隨著株距的減小，籽棉產量隨之增加，而紅棗產量隨之減小。

2.2 不同間作處理的葉面積指數

2.2.1 葉面積指數在紅棗各生育期間的變化。

葉面積指數（LAI）對每一種作物來說是評價群體的重要指標，密度是影響葉面積指數的重要因素。從表2可以看出，不同處理紅棗葉片指數從新稍期到膨大期，因棗葉的數量急聚增加，使葉片面積持續增長，由此LAI也呈現出逐漸上升的變化。對紅棗葉面積的變化情況進行分析可知，其在盛花期和膨大期增長較快，且各處理紅棗的LAI在膨大期均達最大值。進入盛花期后，棗葉片的光合作用慢慢下降同時把養分轉移至果實，故導致葉片枯黃掉落，使得葉面積指數在成熟期后迅速降低。

2.2.2 葉面積指數（LAI）在棉花各生育期間的變化。

從單作和間作棉花葉片指數在生育期間的變化情況（表3）可看出，隨著密度增加，葉面積指數呈增加趨勢;從不同生育期來看，隨著生育期推移，葉面積指數在盛鈴期達到最大值，到了吐絮期后緩慢下降。同一密度同一時期比較來看差異不顯著，而不同密度同一生育期的葉面積指數差異比較顯著。初花期到盛鈴期，各處理的棉花枝葉數量增加，葉面積指數增長。在初花期葉面積指數表現為CR1>C2R1、CR1>C2R2、CR1>C4R1、CR1>C4R2，表現為差異顯著;盛花期葉面積指數表現為CR1>C4R1、CR2>C4R2、CR2>C4R1、CR2>C4R2，差異達到顯著;盛鈴期葉面積指數表現為CR2>CR1、CR2>C2R1、CR2>C2R2、CR2>C4R1、CR2>C4R2，差異達到顯著。說明棉花CR1或CR2處理的葉面積指數是最大。吐絮期葉面積指數表現為C4R2>CR1、C4R2>CR2，差異達到顯著。說明棉花在吐絮期階段時葉面積指數隨著密度而增加。

2.3 不同間作處理的耗水量

由表4可知，單作棉花和紅棗的耗水量最小，間作較單作顯著增加了作物耗水量，主要表現在間作在作物生長后期較單作消耗較多的土壤水分，對作物生長后期土壤水分利用較充分，使得間作群體收獲后土壤貯水量顯著低于單作，可以認為在當前灌溉制度下，在不影響作物生長的同時，單作棗樹或單作棉花后期灌溉量仍有減少的可能性。

為明確種植行數和棉花株距對間作耗水量的影響，以種植行數為主因素，棉花株距為副因素，分析種植行數和棉花株距對耗水量的效應大小。結果表明，種植行數對間作耗水量的效應不顯著（P=0.584> 0.05），棉花株距對間作產量的效應不顯著（P=0.836 > 0.05），種植行數×棉花株距對間作耗水量的效應顯著（P=0.035<0.05）。C4R1處理耗水量顯著高于C2R2和C4R1。表明增加棉花行數的同時，適當減少棉花株距有利于間作耗水量的減小。

2.4 不同間作處理的水分利用效率

從圖1可以看出，單作紅棗的水分利用效率比單作棉花的水分利用效率高14%～22%，差異達到顯著水平（P<0.05）。間作棉花水分利用效率高于單作棉花，說明間作種植模式具有提高水分利用效率的作用。

以種植行數為主因素，棉花株距為副因素，分析種植行數和棉花株距對水分利用效率的效應。結果表明，種植行數對間作水分利用效率的效應不顯著（P=0.584>0.05），棉花株距對水分利用效率的效應不顯著（P=0.836>0.05），種植行數×棉花株距對間作水分利用效率的效應不顯著（P=0412>0.05）。

3 結論與討論

土壤水分是農林復合系統中林木與間作物之間主要的競爭對象，因此，充分了解農林復合系統中土壤水分的時空分布特征及其影響機理，對于優化復合模式和實施種間調控具有重要的指導意義[8]。一方面研究結論認為，復合系統中樹木降低作物蒸騰的作用，提高土壤含水量。趙斯等[9]研究表明，農林復合生態系統中土壤含水量高于純農地，其中小黑楊-大豆復合模式土壤的含水量較高。高峻[10]研究山西中陽縣黃土丘陵溝壑區梯田杏樹-黃芪復合系統得出，復合系統較單作系統具有較高的土壤貯水量，復合系統樹盤內 0～150 cm 深土層的土壤含水量高于單作杏園，有利于土壤水分狀況的改善。另一方面，研究者認為農林復合系統不具有改善農田土壤水分狀況的作用。徐明崗等[11]研究紅壤丘陵區不同種草模式的水土保持效應得出，在高溫干旱的7—9月0～80 cm土層內的水分含量明顯低于梯田果樹區，表明在干旱期牧草對果樹生長有一定的影響。惠竹梅等[12]研究西北半干旱地區葡萄生產園行間生草對土壤含水量的影響，結果得出，生草可明顯降低葡萄園土壤水分含量，這與該研究的結果基本一致，棗棉間作條件下，間作群體耗水量大大增加，C4R1處理耗水量顯著高于C2R2和C4R1，表明增加棉花行數的同時，適當減少棉花株距有利于間作耗水量的減小。

水分利用效率是植物生理活動過程中消耗水形成有機物質的基本效率，是確定植物體生長發育所需要的最佳水分供應的重要指標之一，在一定程度上反映了植物的耗水性和干旱適應性[13]。水分利用效率越高，表明植株節水能力越強，耐旱生產力越高。高水分利用效率是植物適應水分虧缺的一種響應機制或響應干旱環境的一種重要特征。農林復合系統具有提高水分利用率的作用。陸光明等[14]研究表明，在泡桐樹和冬小麥、玉米間作系統中，間作玉米水分利用率較對照高16.1%，系統中冬小麥水分利用率較對照高152%;衛林等[15]研究也指出，林帶有一種致冷作用，它使小麥的葉溫降低，減少葉片的蒸騰，提高農田土的水分含量或水分利用率;晁海等[16]通過各系統各土層深度含水量的比較，發現合理的株行間距配置，能夠較對照顯著提高水分利用率。該研究表明，棗棉間作群體較單作能夠顯著提高水分利用效率，主要原因是農林復合群體中，林木根系一般較深，能充分利用土壤深層營養物質和水分，農作物則利用淺層土壤中的養分和水分，由于根系垂直生長呈多波順次遞推特點，使根系生長中心和吸收中心交錯出現，提高了養分和水分的利用效率[17-18]。

復合群體水分利用效率的提高受到組分作物產量、耗水特征及群體微環境的共同作用，間作組分作物間各影響因子的變化決定了群體水分利用狀況，在研究群體耗水特征的同時，應該注意，土壤水分分布狀況及土壤水分效應在一定程度也反映了種間競爭與互補的一種重要結果，因此，在研究了解種間水分相互作用結果的表現形式的同時，更應深入研究種間互作過程及其影響機制。

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