棗棉間作下空間布局對棉花耗水特征的影響

李玲，康郁，王沛娟，李燕芳，曹娟，候金枚，李田甜，翟云龍

（塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300）

棗園間作是為了解決幼齡棗園生產效率低下而發(fā)展起來的一種果農復合種植模式，它通過人工勞力和密集投入的技術，充分利用各種農業(yè)資源，實現(xiàn)土地、養(yǎng)分和水熱資源在時間和空間上的集約利用，并實現(xiàn)農業(yè)生產的高產高效[1-3]。近年來，由于農業(yè)水資源的短缺和傳統(tǒng)農業(yè)生產上的高耗水現(xiàn)實，一定程度上滯后了農果間作的發(fā)展，影響了農業(yè)效益整體的提高，因此亟需研發(fā)關于果農間作的節(jié)水理論和技術體系[4]。研究表明，在溫帶、濕潤的熱帶及半干旱熱帶地區(qū)，水分是限制農林復合系統(tǒng)生產力的主要因素[5]。在水分利用方面，一般認為農林間作系統(tǒng)可適時增加地面覆蓋，減小地表徑流，從而提高土壤水分含量；也有研究表明，農林間作系統(tǒng)受小氣候變化的影響會導致系統(tǒng)土壤水分蒸發(fā)減少、蒸散量降低[6]。在干旱半干旱地區(qū)，研究農林復合系統(tǒng)中土壤水分的時空分布特征機理，對于優(yōu)化復合群體模式、制定科學的灌溉方案具有重要的意義[7-8]。很多研究表明農林復合系統(tǒng)中不同組分間在水分上存在不同程度上的競爭[9-10]。也有研究表明，適宜的間作模式，水分利用存在互補的效應[11-13]。

與傳統(tǒng)單作模式相比，間作復合系統(tǒng)能夠改變原有土壤環(huán)境的物理性質，增加土壤貯水量、水分入滲能力和水分利用效率，減小地表徑流。李天陽等[14]通過研究血橙-農作物混作模式，得出農林混作模式改善土壤容重及孔隙度的效果比單一種植模式效果好，水分能夠更好的入滲于土壤中。李會科等[15]通過對黃土高原林草復合系統(tǒng)土壤水分的研究發(fā)現(xiàn)，生草能夠提高0～60 cm土層中的土壤貯水能力。王延平等[16]通過對黃土丘陵區(qū)退耕坡地杏-苜蓿復合系統(tǒng)土壤水分的研究發(fā)現(xiàn)，樹盤內0～60 cm土層的水分狀況明顯好于單植杏，但在120 cm左右深處卻產生了明顯的土壤干層。

空間布局顯著影響作物產量和農林間作群體效益，且對農林間作競爭與生態(tài)位分離具有重要調節(jié)作用[17]。縱觀以往的研究，有關空間布局調控果農間作復合群體耗水特征的研究卻未曾有人進行深入研究，使得在生產實踐中缺乏提高生產效益和水分利用效率的理論依據(jù)。本研究以新疆南疆地區(qū)典型農果間作模式棗棉間作為研究對象，將傳統(tǒng)單作棗園作為對照設計，設置不同的棉花空間布局，研究棗棉間作下空間布局對棉花耗水特征、產量及水分利用效率的影響，以期為建立南疆地區(qū)發(fā)展集約可持續(xù)節(jié)水性農果間作模式提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于新疆阿拉爾市塔里木大學園藝試驗站。該地區(qū)太陽輻射為559.4～612.1 KJ/cm2，日照時長2 556.3～2 991.8 h，蒸發(fā)量1 976.6～2 558.9 mm。年平均降雨量47.9 mm，降水稀少，冬季少雪，地表蒸發(fā)強烈，空氣十分干燥，是典型灌溉農業(yè)區(qū)，2017年降雨量82.8 mm高于多年平均降雨量（圖1）。

圖1 2017年降雨量分布

1.2 試驗材料

選擇幼齡（第五年）紅棗園進行間作，棉花供試品種為新陸中36號。

1.3 試驗設計

選擇新疆南疆地區(qū)具有代表性的幼齡棗園，開展棗棉間作耗水特征的研究。種植模式分別為棗棉間作、棗樹單作和棉花單作，其中，棗樹行株距配置為3.0 m×1.0 m。

采用裂區(qū)試驗設計，以棗棉行比配置為主處理，棉花株距配置為副處理。主處理分為2∶2行比（2行棗樹間在距離棗樹1.45 m處種植2行棉花，用C2表示）和2∶4行比（2行棗樹間在距離棗樹1.0 m處種植4行棉花，用C4表示）；副處理分為10 cm（R1）和12.5 cm（R2）兩種棉花株距設計，組配成4個棗棉間作處理；為保證試驗處理間具有可比性，設置2種株距配置（R1和R2）的單作棉花（C），記作CR1和CR2，共組成6個處理，重復3次。棉花采用地膜覆蓋，C2間作模式下棉花行距為10 cm，C4間作模式采用（10+66+10）cm的行距配置，單作棉花采用（10+66+10+66+10）cm的行距配置，灌溉方式為滴灌，試驗其它管理措施與當?shù)亓晳T水平相同。

1.4 測定項目與方法

土壤含水量：2017年5月—9月每月測定一次。使用土鉆采集土樣，深度0～100 cm，分5層(分別為 0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm和80～100 cm)。土壤含水量采用烘干法測定，土壤容重、土壤飽和含水量和田間持水量采用環(huán)刀法測定。

土壤貯水量：用0～100 cm土壤含水量計算土壤貯水量（SWS），SWS為5個不同土壤層次貯水量的總和，計算公式為

式中，SWS為土壤貯水量（mm）；h為土層厚度（cm）；ρ為土壤容重（g·cm-3），θ為土壤質量含水量。

作物生育期耗水量：ET=P+I+SWS0-SWSh

式中，P為生育期內降雨量（mm），I為生育期內灌溉量（mm），SWS0為種植前的土壤貯水量（mm），SWSh為收獲后的土壤貯水量（mm）。

水分利用效率：WUE=Y/ET

式中，Y為間作系統(tǒng)產量，ET為耗水量。

棵間蒸發(fā)量：采用微型蒸發(fā)器（micro-lysimeter，MLS）測定棉花行間的土壤棵間蒸發(fā)量，棵間蒸發(fā)量是指裸露部分的土壤蒸發(fā)量。MLS是由直徑10 cm、高10 cm的PVC管制造而成，用紗網(wǎng)薄膜封底。將MLS放入預埋在田間的直徑12 cm、高10 cm的PVC外套管中，MLS頂部與地面平齊。土壤棵間蒸發(fā)量為兩次測量的差值，用精度為0.02的LP3102型電子天平稱重從而計算土壤棵間蒸發(fā)量。微型蒸發(fā)器中土樣每減少1 g相當于蒸發(fā)水分0.127 4 mm。相隔2天測定一次，于早晨7∶00取樣，2次測定后需更換MLS中的土。下雨或灌水后需立即更換MLS中的土，目的是保證MLS內部的土壤水分剖面與周圍土壤保持相同狀態(tài)。

棉花產量：棉花成熟后按小區(qū)收獲計產。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2013進行數(shù)據(jù)整理和繪圖，利用SPSS 17.0進行方差分析，顯著性測驗采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 空間布局對間作棉花耗水特性的影響

2.1.1 不同處理間作棉田土壤含水量垂直分布

不同處理棉田土壤含水量垂直分布按棉花帶和間隔帶進行分析（圖2），不同處理間棉花帶0～20 cm、20～40 cm表現(xiàn)為C4R1含水量最高，40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm則是C2R1含水量最高；間隔帶 0～20 cm C4R1含水量最高，20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm則均為C2R1含水量最高。且不同處理同一土層間，間隔帶含水量均低于棉花帶。不同處理下，間作系統(tǒng)的土壤含水量均大于單作棉花的含水量。不同間作處理下土壤含水量變化因土層不同而存在差異，當株距為10.0 cm或12.5 cm時，0～20 cm土層中土壤含水量大小為C4＞C2，而20～100 cm的4個土層土壤含水量大小則為C2＞C4。

從整體來看，不同處理之間，間隔帶和棉花帶含水量隨著土層深度的增加逐漸升高的趨勢（圖2），在單作模式和間作模式以及不同行比、密度株距配置的各個處理下，單作的2個處理土壤含水量變化趨勢是大致相同的，而間作的4個處理中除了C2R2的變化幅度較大，其他都是緩慢升高；棉花帶土壤含水量變化也有相似趨勢，單作中CR1變化幅度比CR2大，間作的4個處理的變化幅度相近，并在土層深度為30 cm時含水量相近。間作系統(tǒng)棉花整體比單作的土壤含水量高，且棉花株距為12.5 cm時含水量較高。

2.1.2 不同處理棉花生育期的耗水量

單作棉花全生育期總耗水量最小，單作與間作棉花耗水量有顯著差異（圖3）。單作棉花的兩個處理之間并沒有太大的差異，而間作棉花中種植2行棉花比種植4行棉花耗水量大；不同株距對間作棉田耗水總量無顯著影響。相較于不同空間布局對間作棉花耗水量的影響，種植模式（單作和間作模式）對棉花耗水量的影響更加明顯。

2.1.3 不同處理棉花的蒸散比

蒸散比（E/ET）表現(xiàn)為單作棉花＞間作棉花（圖4），E/ET是棵間蒸發(fā)占蒸散比量的比例，用于衡量水分利用率，E/ET越大，水分利用率越低。單作棉花的水分利用率較低，而間作模式則相對高很多。單作棉花中棉花株距為10 cm時E/ET較大，12.5 cm時E/ET較??；間作棉花的E/ET則是種植4行棉花比種植2行棉花大，棉花株距為12.5 cm時E/ET比10 cm時大。與單作模式相比，間作顯著降低了棉花的E/ET，但棉花株距的增加會增加E/ET，應通過適當降低棉花株距來減小E/ET，從而提高水分利用率。不同間作模式也會對E/ET有影響，種植2行棉花的E/ET與種植4行棉花相比更小，水分利用率更低。

不同空間布局下的間作模式相較于傳統(tǒng)種植模式能夠有效的減少水分帶來的損失，并能更好的抑制棉花生育期中無效耗水。E/ET的數(shù)據(jù)進一步證明，間作模式下水分的無效損失主要是不適當?shù)拈g距和株距配置導致的。

2.1.4 不同處理棉花的棵間蒸發(fā)量

不同處理生育期內的棵間蒸發(fā)量主要受種植模式和空間布局的影響，并且不同時間、空間內的棵間蒸發(fā)量對空間布局的響應也不同（圖5）。棵間蒸發(fā)量總體表現(xiàn)為單作棉花＞棗棉間作。不同行比的間作處理間比較，C2的蒸發(fā)量明顯小于C4。因此，與傳統(tǒng)單作種植模式相比，棉花株距為12.5 cm時，種植2行的間作棉花能有效降低棵間蒸發(fā)量。棉花株距為10 cm時的蒸發(fā)量在6月中旬—7月末這個時間段高于株距為12.5 cm處理，其他時間段的蒸發(fā)量基本相同或相近，可以看出，棵間蒸發(fā)量不僅受空間布局的影響還受時間、氣候的影響。

圖5 不同處理下棉花的棵間蒸發(fā)量動態(tài)

2.2 不同空間布局下間作棉花產量表現(xiàn)

在間作模式中種植4行棉花，棉花株距為10 cm時棉花產量最高（圖6）。不同行比的間作處理間比較，種植4行的棉花的產量較高，而不同株距的間作處理間比較，10 cm株距的產量較高。間作棉花產量遠高于單作模式，且有顯著差異。棉花產量在間作模式中因株距變化表現(xiàn)出相同的變化趨勢，說明在棗棉間作群體中行比對棉花產量的影響起主要作用。

圖6 空間布局對單作、間作棉花的產量影響

2.3 不同空間布局下棉花的水分利用效率

間作棉花水分利用效率（WUE）低于單作棉花（圖7），但間作群體的WUE是間作棉花和間作棗樹WUE的綜合，間作棉花的WUE不能代表間作模式的WUE，因此，間作與單作WUE之間的比較無意義。單作模式下，不同株距處理的水分利用效率無差異。而間作模式下，種植4行棉花比2行棉花的水分利用效率高，且棉花株距為10 cm時，水分利用效率最高。間作模式與合理的空間種植布局（種植4行棉花，棉花株距為10 cm時）是提高水分利用效率的有效措施。

圖7 不同空間布局下作物水分利用效率

3 結論與討論

黃偉等[9]通過對冀西北壩上半干旱地區(qū)，南瓜-油葵間作試驗表明：南瓜-油葵間作在南瓜生長中后期出現(xiàn)了明顯的水分爭奪現(xiàn)象，而種植單行油葵則沒有此現(xiàn)象。說明作物耗水量因空間布局的不同而有顯著差異。本研究結果表明全生育期中單作的總耗水量較小，單作與間作棉花耗水量間有顯著的差異，而間作棉花中2∶2行比種植的棉花比2∶4行比種植的棉花耗水量較大；棉花株距為10 cm或12.5 cm對耗水總量沒有太大的影響。相較于株距對棉花耗水量的影響，種植模式對其的影響更大。

另有研究表明[18-20]，在作物總耗水量中，土壤棵間蒸發(fā)量占有較大比重，降低土壤棵間蒸發(fā)量可以有效減少土壤水分無效散失、提高水分有效利用；本研究發(fā)現(xiàn)，合理的空間布局同樣可以減少棵間蒸發(fā)量，降低蒸散比。間作棉花的棵間蒸發(fā)量在棉花株距為10 cm時較相應單作低，間作系統(tǒng)的蒸散比在種植2行棉花、棉花株距為10 cm時較低，說明合理的空間布局是降低間作水分的無效損失、提高間作群體對水分充分利用的有效途徑。作物系統(tǒng)的蒸發(fā)量、E/ET會受到很多因素方面的影響[20]，整個生育期中間作系統(tǒng)均低于單作系統(tǒng)，棗棉間作的相互作用是導致該結果的重要原因。作物群體中的棵間蒸發(fā)量與地表覆蓋以及土壤結皮等因子是緊緊相連的[21-22]，棗棉間作能夠有效增加地表覆蓋、降低間作蒸發(fā)量和E/ET，提高水分利用率。株距對單作總耗水的影響大于對間作系統(tǒng)的影響，土壤棵間蒸發(fā)量和蒸散比在棉花株距為10 cm時最低。間作模式下種植2行棉花、棉花株距為10 cm時更有利于減少土壤棵間蒸發(fā)量和降低蒸散比，提高水分利用率。

不同空間布局下，種植4行棉花、株距為10 cm時棉花產量和水分利用效率最高，說明種植模式為1膜4行、株距為10 cm時對間作棉花有明顯的增產增效作用。適宜的棗棉間作空間布局下（兩行棗樹種植4行棉花，棉花株距為10 cm）可獲得較高的產量和水分利用效率。