小麥和苜蓿套作種植對土壤水分及作物水分利用效率的影響

李恩慧, 穆陽陽, 何亞男, 張曉紅, 楊慎驕

(1.山西師范大學 地理科學學院, 山西 臨汾 041000;2.中國農業科學院 農田灌溉研究所 河南商丘農田生態系統國家野外科學觀測研究站, 河南 商丘 476000)

水資源短缺是制約農業生產發展最重要的因子之一[1]，特別是在干旱或半干旱地區，提高水分利用效率逐漸成為作物生存的關鍵因素[2]，因此，探究如何充分利用有限的水資源，提高作物水分利用效率顯得尤為重要。在農業生態系統中，土壤水分作為植物生長過程水分吸收的主要來源，不僅直接影響作物的生長發育，也影響作物的生物量[3-4]。而合理的間套作種植模式可改善土壤水分狀況，提高農田系統的生產力、農田水分和作物水分利用效率[5]。

目前對間套作土壤水分利用效率的研究較多，比如葉林等[6]在不同田間配置對玉米土豆帶狀套作系統水分利用效率研究結果中表明，不同的行距和帶寬都會對群體水分利用效率產生影響，尤其是在行距40—50 cm時，兩種不同帶寬的玉米套作提高了群體的水分利用效率；苗慶豐等[7]在對小麥和玉米間作的水分利用效率研究中發現，在小麥采用平畦灌溉、玉米采用壟溝灌溉模式下群體總水分利用效率提高到1.66 kg/m3；郝娜[8]在莜麥和馬鈴薯間作系統中，相比莜麥單作水分利用效率(WUE)提高了33.3%，但同時也增加了莜麥與馬鈴薯耗水量；牛伊寧等[9]的研究結果表明，在不同供水水平下，玉米和豌豆間作相比玉米和豌豆任一單作，不僅提高了土地利用效率和作物產量，也提高了作物的平均水分利用效率。但是綜觀已有的研究發現，對禾本科與豆科間套作種植模式的作物水分利用效率研究并不多，尤其是對小麥和苜蓿間套種植的研究更是少見。小麥是重要的谷類作物，在我國華北和西北等地區有著較為廣泛的種植。有著“牧草之王”的苜蓿，是典型的豆科草本植物，深根牧草，根系發達，耗水量遠遠大于糧食作物，但其水分利用更加徹底，作物水分利用效率顯著高于糧食作物，是小麥的2.1～2.8倍[10]，將小麥和苜蓿間套作后不同生長時期土壤剖面水分變化、階段性水分消耗狀況以及系統作物水分利用效率又將如何。本文從小麥和苜蓿間套作的土壤水分狀況以及群體生物量、系統水分利用效率出發，探討小麥和苜蓿這種間套作種植模式下土壤水分的消耗特點和水分利用特性。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年在山西省臨汾市中部的堯都區東杜村(東經111°34′，北緯35°55′)進行。試驗區屬于典型的干旱季風氣候，冬冷夏熱，多年平均氣溫12～12.6℃，夏季最高溫度達35～41.9℃，冬季最低溫達-4～5.6℃，年均降水量550 mm，無霜期達203 d。土壤屬于典型褐土，土壤容重平均為1.493 g/cm3。試驗區土壤養分狀況見表1。試驗期(2017年3月—10月)降水量為532.4 mm(圖1)。

表1 試驗區土壤養分狀況

圖1 2017年試驗期間月平均氣溫與降雨量

1.2 試驗材料與試驗設計

試驗供試小麥品種為冬小麥晉麥95，千粒重38 g。苜蓿為當地紫花苜蓿，千粒重2.255 g。試驗共設小麥單播(XD)、苜蓿單播(MD)和小麥苜蓿間套作(XMT)3個處理。試驗小區面積50 m2，三次重復，隨機排列。小麥單播自2014年起于每年9月下旬播種，采用機械播種，間套于苜蓿行間。苜蓿于2014年4月種植，播種量18 kg/hm2，已有3 a的生長周期。小麥苜蓿套作是在兩行苜蓿之間套種兩行小麥，苜蓿行距為40 cm，在苜蓿成功建植的基礎上機械播種小麥。小麥單播、苜蓿單播以及小麥苜蓿間套作處理均于小麥播種時統一施肥(N 187.5 kg/hm2，P2O597.5 kg/hm2，K2O 52.5 kg/hm2)，2017年春天小麥拔節期進行2次追加施肥(N 125 kg/hm2，K2O 37.5 kg/hm2)。

1.3 測定項目與計算方法

1.3.1 測定項目

(1) 土壤水分測定：2017年3月中旬、6月下旬和10月上旬采用土鉆法測定0—200 cm土層的土壤水分，小麥和苜蓿單作處理采用行間測定土壤水分，套作同為小麥和苜蓿行間打鉆取樣測定土壤水分，每10 cm土層取樣，采用烘干稱重法，在105℃恒溫干燥箱中烘干12 h，計算土壤含水量[11]。

(2) 生物量測定：苜蓿生物量于5月30日和8月21日對苜蓿進行齊地刈割，每個處理取3個1 m2樣方稱鮮重，部分鮮樣放置105℃烘箱內殺青15 min，然后溫度升高至85℃恒溫至烘干測干鮮比，生物量以干重計算。小麥生物量于5月30日麥收前取樣，測定方法和苜蓿生物量測定方法相同，生物量亦以干重計算[12]。

1.3.2 計算公式

(1)土壤質量含水量ω=(鮮土重量-烘干土重)/烘干土重×100%

(2)土壤分層儲水量θ(mm)=ω×ρ×h

式中：ω為土壤質量含水量；ρ為土壤容重(g/cm3)；h為土層深度(cm)[13]

(3)土壤水分支出量β(mm)=生長始期土壤儲水量-生長末期土壤儲水量[14]

(4)耗水量ET(mm)=β+R

式中：β為土壤水分支出量；R為生長期降水量(cm)[14]

(5)水分利用效率WUE[kg/(mm·hm2)]=Y/ET

式中：單作Y為每種作物單位面積生物量、產量(kg/hm2)，套作Y為兩種作物單位面積生物量產量之和，ET為耗水量[6]。

1.4 數據處理與分析

所得數據采用Microsoft Excel 2010進行匯總處理及作圖，數據統計分析采用軟件SPSS 21.0進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同處理0-200 cm深層土壤含水量

圖2是2017年3月中旬、6月下旬和10月上旬不同處理0—200 cm的土壤含水量。3月中旬3個處理0—200 cm土層平均土壤含水量為12.1%～17.2%，大小順序為XD>XMT>MD(圖2A)，這說明在本期試驗開始之前XD，XMT和MD在之前年份的生長消耗已經顯著降低了土壤含水量，尤其苜蓿是一種強耗水深根植物，無論單播還是與小麥混播，三年的生長期導致其0—200 cm深的土壤水分含量均較低。6月下旬在小麥生長期結束之際(圖2B)，3個處理0—200 cm平均土壤含水量為10.69%～13.58%，均顯著低于3月份均值，這是因為這一階段作物需水大導致土壤水分低于小麥返青時。3個處理間平均土壤含水量排序為MDXMT>MD)(圖2C)。

從縱向剖面分布來看，3月中旬(圖2A)MD和XMT在20—60 cm和160—200 cm土壤含水量均低于XD，其中MD在60 cm達到最低(9.35%)，XMT在20 cm最低(10.91%)，這與作物根系分布以及苜蓿耗水強度有關。6月下旬(圖2B)XD在0—50 cm土壤含水量迅速減少至最低(10.77%和8.50%)，表明小麥單播中小麥生長過程對上層土壤含水量的影響較大；MD分別在0—20 cm和120—180 cm土壤含水量迅速降低至7.82%和10.56%，而XMT在0—40 cm和120—180 cm土壤含水量降低至8.29%和11.23%，這是由于苜蓿為深根植物，深層土壤含水量都會被其生長所消耗。10月上旬(圖2C)3個處理100 cm深度之上的土壤含水量雖然均呈隨深度增加而遞減的趨勢，但與6月份相比均有所增加；在此深度之下，MD和XMT依然保持這種隨深度而下降的趨勢，XD則相反，這與麥收后不同處理對降雨的反映不同有關，XD主要是對雨水的收蓄作用，而MD和XMT則由于苜蓿的生長耗水導致其整體土壤含水量顯著低于3月和6月份，尤其是XMT，140 cm土壤含水量甚至比6月份還低，表明苜蓿繼續生長增加了深層土壤水分消耗。

2.2 不同處理0-200 cm深度的土壤儲水量變化與水分消耗特點

從2 m深總土壤儲水量上來看(圖3)，不同處理6月下旬土壤儲水量均低于3月中旬和10月上旬，主要是因為6月下旬降雨量相對較少，氣溫高蒸發快，同時作物生長消耗了大量水分，而3月中旬作物生長剛剛開始，所消耗的土壤水分較少；10月上旬由于苜蓿剛完成刈割土壤水分得到了累積，同時受到季風氣候的影響，華北地區正值雨季過后，降雨補給量超過消耗量。從不同處理來看，不論3月中旬、6月下旬和10月上旬土壤儲水量均為：XD>XMT>MD，表明苜蓿耗水能力強于小麥，試驗區域內苜蓿生長三年導致了土壤儲水量總體上較低。

圖2 不同處理0-200 cm土層的土壤含水量

圖3 不同處理0-2 m深土壤總儲水量

在3—6月份小麥生育期內(表2)，3個處理0—200 cm土層土壤水分支出量基本上均為正值(XD和XMT的0—40 cm除外)，表明不同處理在該時期土壤水分均有支出，但不同處理的支出量及各層次的支出比例不同。3個處理中XD 和XMT 0—200 cm土壤水分支出總量相差無幾，且兩者0—40 cm 的上層土壤水分支出均為負值，但XD的上層水分負支出(收蓄)量高于XMT，40—200 cm的支出比例分配也較為均勻，而XMT在40—80 cm 深度土壤水分支出量占了總量的一半。MD 0—200 cm土壤水分支出總量(46 mm)高于XD (29 mm)和XMT(30 mm)，50%出現在0—40 cm，120—160 cm的支出也較多(20%)。

6—10月份麥收后苜蓿單獨生長期內，各處理0—200 cm土壤水分支出量基本上為負值，說明期間土壤對雨水的收蓄量多于作物耗水蒸散量。其中XD 和MD土壤水分支出總量較為接近，且兩者80 cm 以上的土壤水分增加(收蓄)量占了70%～80%。XMT的土壤水分收蓄量低于XD 和MD，且絕大部分在80 cm 之上，其120 cm之下的土壤儲水量不增反降。

表2 不同處理0-200 cm分層土壤儲水量支出情況

2.3 不同處理的生物量與水分利用效率

與單播作物種植模式相比，為了更加準確衡量間套作模式下作物生物量與用水量之間的關系，進一步計算了水分利用效率(表3)。不同處理的生物量和水分利用效率均有顯著差異。從單因素方差分析的多重比較結果來看，在小麥和苜蓿共同生長期(3—6月份)內，XMT作物生物量(產量)和系統水分利用效率高于MD(p<0.05)，其中XMT生物量(產量)較MD增加了44.07%，系統水分利用效率提高了62.38%，表明相比苜蓿單播，小麥苜蓿間套作大大增加了其生物量(產量)，同時耗水量明顯降低，總體上改善了作物系統土壤水分狀況，提高系統水分利用效率。相比XD，XMT生物量(產量)增加了17.67%，系統水分利用效率亦略有提高(16.98%)，這與小麥生物量(產量)的增加有關。

表3 不同處理的水分利用效率

在苜蓿單獨生長期(6—10月份)，MD生物量(產量)(2 293.53 kg/hm2)比小麥和苜蓿共同生長期(3—6月份)(3 212.12 kg/hm2)減少了28.6%，間套作苜蓿(XMT-M)生物量(產量)(2 276.20 kg/hm2)比小麥和苜蓿共同生長期(3—6月份)(2 159.90 kg/hm2)增加了5.11%，表明對于苜蓿單作而言，小麥和苜蓿共同生長期(3—6月份)更有利于生物量(產量)積累，而在間套作苜蓿(XMT-M)中，苜蓿單獨生長期(6—10月份)生物量(產量)容易積累。苜蓿單獨生長期(6—10月份)由于降雨量明顯增加，作物耗水量遠遠高于小麥和苜蓿共同生長期(3—6月份)，進而使得苜蓿單作(MD)和間套作苜蓿(XMT-M)6—10月平均水分利用效率8.20 kg/(mm·hm2)，7.58 kg/(mm·hm2)低于3—6月份14.20 kg/(mm·hm2)，10.30 kg/(mm·hm2)。

從整個生長期(3—10月)來看，XMT生物量(產量)和水分利用效率均高于XD和MD，其中XMT生物量(產量)較XD增加了41.17%，水分利用效率降低了30.80%，較MD生物量(產量)增加了31.49%，水分利用效率提高了9.19%，說明間套作能夠顯著增加作物生物量(產量)，提高系統水分利用效率。

3 結論與討論

從作物生長的不同時期來看，3月中旬、6月下旬和10月上旬各處理的平均土壤含水量分別為12.1%～17.2%，10.69%～13.58%和13.08%～16.93%，且3月中旬和10月上旬不同處理的平均土壤含水量均高于6月下旬，這種結果與作物生長需水量有關，6月下旬不論是單作還是間套作土壤水分明顯減少。李巍等[15]在對不同種植系統土壤水分消耗研究中指出小麥土壤水分減少最多的是5月、6月和7月份，苜蓿土壤水分減少最多的是6月或8月，土壤水分變化在時間上與本研究基本一致，都是在作物生長旺盛期土壤含水量最低。從不同處理來看，在小麥和苜蓿共同生長期(3—6月份)土壤含水量大小順序為：XD>XMT>MD，何亞男等[16]在苜蓿間套作冬小麥對土壤水分的前期研究中，3月中旬不同處理土壤剖面質量含水量與本研究結果基本相同，而6月下旬的結果與本研究有很大差異，這可能與當季降雨量多少有關。本研究在此基礎上又分析了10月上旬的土壤含水量，得到的結果仍是XD>XMT>MD，這表明小麥和苜蓿間套作確實能改善苜蓿土壤儲水量低的狀況，這可能與苜蓿自身生長導致儲水量高有關。

小麥和苜蓿間套作生物量(產量)不論是在3—6月小麥和苜蓿共同生長期(4 727.71 kg/hm2)還是3—10月整個生長期(8 036.17 kg/hm2)均高于苜蓿單作，這與袁銳明等[17]苜蓿套種小麥能有效抑制雜草生長，對后茬苜蓿生長發育有良好作用結果一致。在本研究中3—6月份小麥苜蓿間套作生物量(產量)高于小麥單作，甚至整個生長期生物量(產量)遠遠高于小麥單作，并且農民更多的是關注小麥籽粒產量，秸稈只用于還田，故從收獲產物多樣化角度來說在小麥中間套苜蓿存在較大的研究價值。在小麥和苜蓿共同生長期(3—6月)小麥苜蓿間套作水分利用效率27.38 kg/(mm·hm2)較小麥單作增加了16.98%，比苜蓿單作提高了62.38%；從整個生長期(3—10月)來看，小麥苜蓿間套作水分利用效率為15.73 kg/(mm·hm2)，較小麥單作雖低了30.80%，但比苜蓿單作水分利用效率提高了30.83%。本研究結果表明小麥苜蓿間套作具有顯著提高系統水分利用效率的優勢，這與已有的相似研究[18]結果基本相同。任繼周等[19]在對甘肅省草地農業可持續發展的研究中也指出利用牧草間作糧食作物能夠提高苜蓿生物量(產量)，進一步證實了禾本科與豆科間套作能夠更好地發揮間套作的優勢[20]。在本研究中由于每個處理間沒有物理間隔設置，使得深層苜蓿根系會向鄰近單播小麥“爭水”，導致在本試驗研究階段一開始單播小麥的土壤水分含量較低，但其結果表明小麥苜蓿間套作具有階段性顯著提高系統水分利用效率的優勢。