張作為 李宏宇 付 強(qiáng) 史海濱 劉德平

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 哈爾濱 150030；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018)

0 引言

水資源短缺及時(shí)空分布不均是目前制約我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要限制因子[1]，農(nóng)業(yè)水資源高效利用已經(jīng)成為威脅國(guó)家糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸，提高農(nóng)作物對(duì)有限水資源的利用效率不僅是灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展的潛力所在，也是目前農(nóng)業(yè)發(fā)展的首要問(wèn)題。間作作為一種歷史悠久的高效集約化種植方式，通過(guò)對(duì)不同作物在時(shí)間和空間上的合理搭配，提高了水分、養(yǎng)分、光能等資源的利用效率[2-3]，增加了單位土地面積產(chǎn)出比，對(duì)保障國(guó)家糧食安全起到了重要作用[4-5]。河套灌區(qū)作為我國(guó)三大灌區(qū)之一，地處干旱缺水的西北高原，光熱及風(fēng)能資源豐富，是國(guó)內(nèi)間作模式的主要種植區(qū)之一。同時(shí)，帶狀間作種植模式形成的生物籬還是一種春季防風(fēng)固沙的重要生態(tài)措施[6]，對(duì)于改善我國(guó)華北乃至東北地區(qū)沙塵天氣具有顯著作用。灌區(qū)降雨少、蒸發(fā)大，屬于沒(méi)有引水灌溉便沒(méi)有農(nóng)業(yè)的地區(qū)。近年來(lái)由于引黃配額下降，加之用水效率低下，造成灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水壓力增大。為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的高效可持續(xù)利用，間作又重新引起了當(dāng)?shù)貙W(xué)者的廣泛關(guān)注[7-8]。一般認(rèn)為，間作群體水資源利用效率低，且水分虧缺，會(huì)因間作群體產(chǎn)量的大幅下降而喪失了間作優(yōu)勢(shì)，失去了間作增產(chǎn)的價(jià)值。這主要是因?yàn)槿狈?duì)間作群體水分利用特征的了解而引起的錯(cuò)誤認(rèn)知。

在有限的水資源下，如何同步提升間作群體的水分利用效率和作物產(chǎn)量仍是當(dāng)前節(jié)水農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)間作群體的研究已經(jīng)達(dá)到一定的深度和廣度，其中對(duì)于小麥和玉米搭配間作也進(jìn)行了大量報(bào)道，但多集中在吸水規(guī)律[9-10]、間作優(yōu)勢(shì)[11-12]、根系分布[13]等方面，對(duì)水分脅迫下間作群體的土壤水分運(yùn)動(dòng)特征研究相對(duì)薄弱[14]，對(duì)缺水導(dǎo)致的水分捕獲能力變化及根系再分布問(wèn)題則更是鮮有報(bào)道。而且對(duì)于間作農(nóng)田水資源高效利用的節(jié)水機(jī)理仍認(rèn)識(shí)不清，大都認(rèn)為間作通過(guò)邊行的增產(chǎn)效應(yīng)來(lái)提高水分利用效率，進(jìn)而達(dá)到水資源的高效利用[3,15]。此外，減少引黃水量對(duì)于降低河套灌區(qū)地下水位、改善蒸騰蒸發(fā)導(dǎo)致的土壤次生鹽漬化也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為此，本研究通過(guò)開(kāi)展小麥/玉米間作群體不同水分脅迫下的作物水分利用特征、根系分布特征及土地生產(chǎn)力等方面的系統(tǒng)性研究，探明不同水分脅迫對(duì)間作群體水分時(shí)空消耗與產(chǎn)量的關(guān)系來(lái)挖掘其土地生產(chǎn)潛力，以期從間作作物生理機(jī)制層面指導(dǎo)節(jié)水農(nóng)業(yè)實(shí)踐，提高有限水資源的經(jīng)濟(jì)效益，為小麥/玉米間作群體水資源的科學(xué)調(diào)控提供理論依據(jù)，為構(gòu)建灌區(qū)高產(chǎn)、高效、可持續(xù)發(fā)展的間作種植模式提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017—2018年在內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)磴口縣壩楞村農(nóng)業(yè)綜合節(jié)水示范區(qū)(40°24′32″N，107°2′19″E)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)年均降雨量144.5 mm，年均氣溫7.6℃，蒸發(fā)量2 343.2 mm，海拔1 048.7 m，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)田前茬為向日葵，土壤容重為1.49 g/cm3，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)粘壤土，土壤耕層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為10.8 g/kg，堿解氮質(zhì)量比175.4 mg/kg，速效磷質(zhì)量比17.2 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比132.3 mg/kg，田間持水率37.2%(體積含水率，環(huán)刀法)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，每處理3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。各小區(qū)間隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)供試小麥為永良4號(hào)，供試春玉米為西蒙168。單作與間作在凈占地面積上播種密度相同，其中小麥450萬(wàn)粒/hm2，行距12 cm，每帶種6行；玉米8.25萬(wàn)株/hm2，行距40 cm，株距30 cm，每帶種植1膜2行。小區(qū)長(zhǎng)6 m，寬3.2 m，間作每小區(qū)播種2個(gè)自然帶，具體布置見(jiàn)圖1。小區(qū)四周修筑高30 cm、寬50 cm的畦埂以防灌溉水外流，畦埂內(nèi)部埋設(shè)1.3 m深的塑料布以防止小區(qū)內(nèi)水分外滲。2017年小麥于3月20日播種，4月4日出苗，7月16日收獲，玉米于4月20日播種，5月2日出苗，9月13日收獲，兩作物共生期為75 d；2018年小麥于3月19日播種，4月4日出苗，7月16日收獲，玉米于4月19日播種，5月5日出苗，9月15日收獲，兩作物共生期為78 d。小麥?zhǔn)┘僋量225 kg/hm2，50%作基肥，50%頭水前追施，施純P2O5量150 kg/hm2，全作基肥；玉米施純N量350 kg/hm2，60%作基肥，40%大喇叭口期一次性追施，施純P2O5量225 kg/hm2，全作基肥。2017年灌水日期為：5月7日、5月24日、6月12日、7月4日、8月13日；2018年灌水日期為：5月6日、5月21日、6月10日、7月8日、8月11日。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Tab.1 Design of experimental treatments

圖1 小麥/玉米間作群體中作物田間分布示意圖Fig.1 Location of intercropped crops in wheat/maize intercropping system of field

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于安置在田間的微型氣象站(HOBO型，美國(guó))，測(cè)定時(shí)間間隔為1 h，可以測(cè)定田間降雨量、溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等氣象資料。試驗(yàn)間作群體全生育期的降雨量如圖2所示。

圖2 作物全生育期內(nèi)降雨量Fig.2 Rainfall amount during whole period of crop growth

1.3.2土壤含水率

土壤含水率測(cè)量的取樣深度為0～100 cm，每20 cm一層，采用土鉆取土干燥稱量法測(cè)定，取樣時(shí)間視灌水與降雨情況而定，灌水前后加測(cè)。

1.3.3灌水量

通過(guò)每次灌水前土壤含水率與灌水設(shè)計(jì)水量差值計(jì)算，計(jì)算公式為

W=γA[(Ws-Ww0)Swμ+(Ws-Wm0)Smη]/100

(1)

式中W——灌水量，m3/hm2

γ——土壤容重，g/cm3

Sw——小麥條帶計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，取100 cm

Sm——玉米條帶計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，取100 cm

A——試驗(yàn)小區(qū)面積，m2

Ws——設(shè)計(jì)含水率上限，%

Ww0——灌水前小麥條帶土壤實(shí)測(cè)含水率，%

Wm0——灌水前玉米條帶土壤實(shí)測(cè)含水率，%

μ——小麥條帶面積占小區(qū)總面積百分比，%

η——玉米條帶面積占小區(qū)總面積百分比，%

1.3.4根系質(zhì)量密度及平均分布深度與水平擴(kuò)散距離

分別于2017年6月25日和2018年6月24日通過(guò)剖面法，選擇生長(zhǎng)旺盛期的小麥/玉米植株進(jìn)行間作模式下的根系分布特征研究?？紤]實(shí)際工作量，每次取根2次重復(fù)。取根水平位置為從小麥行到玉米主根處，垂直方向?yàn)榇瓜蛑钡綗o(wú)根為止。具體做法為：水平和垂直方向均以5 cm為一層，厚度也為5 cm，直到無(wú)根為止。將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室用清水浸泡6 h，過(guò)0.5 mm土壤篩，并將過(guò)篩后的根系分離，用水沖洗(玉米根較小麥根白且粗)，然后將根系在80℃加熱干燥至質(zhì)量恒定，用測(cè)量精度為萬(wàn)分之一的天平稱量，并計(jì)算單位體積下的根系質(zhì)量。根據(jù)過(guò)篩后的根系記錄根系分布信息并計(jì)算根系平均分布深度，根系平均分布深度計(jì)算為

(2)

式中H——根系平均分布深度，cm

g——每樣根系干質(zhì)量，g

h——每樣分布深度，cm

i——水平向樣數(shù)j——垂直向?qū)訑?shù)

n——總層數(shù)，直到無(wú)根為止

同理，根系的平均水平擴(kuò)散距離為

(3)

式中S——根系平均擴(kuò)散距離，cm

l——每樣平均擴(kuò)散距離，cm

1.3.5間作優(yōu)勢(shì)

間作群體的間作優(yōu)勢(shì)通常用土地當(dāng)量比(LER)與間作群體產(chǎn)量同相應(yīng)作物相同面積單作時(shí)的產(chǎn)量差值2個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。土地當(dāng)量比計(jì)算公式為[16-17]

PLER=PLERw+PLERm=Iw/Yw+Im/Ym

(4)

式中PLER——間作群體的土地當(dāng)量比

PLERw——間作中小麥的相對(duì)產(chǎn)量，也稱間作小麥的偏土地當(dāng)量比

PLERm——間作中玉米的相對(duì)產(chǎn)量，也稱間作玉米的偏土地當(dāng)量比

Iw——間作小麥產(chǎn)量，kg/hm2

Yw——單作小麥產(chǎn)量，kg/hm2

Im——間作玉米產(chǎn)量，kg/hm2

Ym——單作玉米產(chǎn)量，kg/hm2

間作群體產(chǎn)量與相應(yīng)作物相同面積單作時(shí)的產(chǎn)量差值計(jì)算公式為[15,18]

Y=Ys-(Ywμ+Ymη)

(5)

式中Y——間作群體產(chǎn)量，kg/hm2

Ys——間作群體中小麥與玉米產(chǎn)量和，kg/hm2

1.3.6種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力

衡量間作群體兩種作物中一種作物相對(duì)于另一種作物對(duì)水、熱、光能、肥料等資源競(jìng)爭(zhēng)能力時(shí)常用種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力(Relative competitive ability of species)來(lái)比較，本文以小麥相對(duì)于玉米對(duì)自然資源競(jìng)爭(zhēng)能力進(jìn)行計(jì)算[18-19]，即

Awm=Iw/(Ywμ)-Im/(Ymη)

(6)

式中Awm——間作群體中小麥相對(duì)于玉米的資源競(jìng)爭(zhēng)能力

當(dāng)Awm>0，表明間作群體中小麥的競(jìng)爭(zhēng)能力高于玉米；當(dāng)Awm<0，表明間作群體中小麥的競(jìng)爭(zhēng)能力低于玉米。

1.3.7水分捕獲當(dāng)量比與水分相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力

為量化分析不同水分脅迫下小麥/玉米間作群體的水分捕獲能力，采用水分捕獲當(dāng)量比(Water capture equivalence ratio)來(lái)進(jìn)行定量化分析，其定義為灌水后(灌后3 h)間作群體內(nèi)各作物條帶的捕獲水量與該條帶通過(guò)土壤含水率測(cè)量與試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定的應(yīng)灌水量的比值，其計(jì)算公式為

M=q/W1

(7)

其中

q=(Wx-W0)hsk

(8)

式中M——間作群體不同作物條帶水分捕獲當(dāng)量比

q——間作群體中同一作物條帶每水灌后該條帶的水分捕獲量，m3/hm2

W1——間作群體中同一作物條帶每水應(yīng)灌水量，m3/hm2

Wx——灌水后各作物條帶土壤實(shí)測(cè)體積含水率，%

W0——灌水前各作物條帶土壤實(shí)測(cè)體積含水率，%

hs——各作物條帶計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，m

k——各作物條帶面積占小區(qū)總面積百分比，%

間作群體兩作物條帶水分捕獲當(dāng)量比的差值即為間作群體內(nèi)的水分相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力，可用來(lái)衡量間作群體中一種作物相對(duì)于另一種作物對(duì)水資源競(jìng)爭(zhēng)能力，本文以小麥相對(duì)于玉米對(duì)水資源競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)進(jìn)行計(jì)算，即

Lwm=Mw-Mm

(9)

式中Lwm——間作群體內(nèi)部的水分相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力

Mw——間作群體內(nèi)小麥條帶的水分捕獲當(dāng)量比

Mm——間作群體內(nèi)玉米條帶的水分捕獲當(dāng)量比

1.3.8下扎程度與聚攏程度

根系的下扎程度定義為根系垂向分布在耕層(40 cm)以下的根系干質(zhì)量與分布在耕層(40 cm)以內(nèi)的根系干質(zhì)量比值，簡(jiǎn)稱下扎度。

根系的聚攏程度定義為間作群體每種作物根系水平分布在距該行作物10 cm以外的根系干質(zhì)量與分布在10 cm范圍以內(nèi)的根系干質(zhì)量比值，簡(jiǎn)稱聚攏度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003處理計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Surfer 8.0軟件繪制根系質(zhì)量密度分布圖，用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析并進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(LSD法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作群體土壤水分運(yùn)動(dòng)特征

由于間作群體的特殊性，造成群體內(nèi)部根系分布與需水臨界期的時(shí)空差異，進(jìn)而為土壤水分在間作群體內(nèi)的高效利用提供了條件。為了更直觀地體現(xiàn)不同水分脅迫處理下間作群體的土壤水分運(yùn)移規(guī)律，以各處理不同作物條帶100 cm深土層的平均體積含水率為自變量，以時(shí)間為因變量作圖，結(jié)果如圖3(圖中T3麥～T6麥和T3玉～T6玉分別表示不同處理下的小麥帶和玉米帶)所示，不同水分脅迫處理下的0～100 cm深不同作物條帶間土壤體積含水率差異明顯，均表現(xiàn)為隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，兩作物條帶體積含水率逐漸降低，灌水后出現(xiàn)顯著提升，又隨著作物生長(zhǎng)吸水逐漸下降的循環(huán)往復(fù)過(guò)程。但也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，如隨著小麥、玉米生育進(jìn)程的推進(jìn)，間作群體在6月底7月初的4水前后迎來(lái)群體內(nèi)最劇烈的水分競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段，并出現(xiàn)水源角色的互換。此外，各不同水分脅迫處理下的兩作物條帶0～100 cm深土壤含水率均未表現(xiàn)出交叉現(xiàn)象，均呈現(xiàn)近似平行的規(guī)律，且相同水分脅迫處理下的兩作物條帶間土壤含水率下降速率由共生前期的差距較大，逐漸變?yōu)?水過(guò)后的相近及4水過(guò)后的繼續(xù)增大，說(shuō)明不同的水分脅迫會(huì)直接影響土壤含水率，進(jìn)而影響根系的吸水。

通過(guò)對(duì)不同水分脅迫處理下兩作物條帶100 cm深土層的全生育期平均體積含水率對(duì)比可知。相較于未受水分脅迫的T3處理(100%田間持水率)，T4處理(90%田間持水率)小麥條帶100 cm深土層的全生育期平均體積含水率下降了2.50～2.52個(gè)百分點(diǎn)，玉米條帶下降了2.41～2.65個(gè)百分點(diǎn)；T5處理(80%田間持水率)小麥條帶100 cm深土層的全生育期平均體積含水率下降了4.31～5.52個(gè)百分點(diǎn)，玉米帶下降了5.72～6.66個(gè)百分點(diǎn)；T6處理(70%田間持水率)小麥條帶100 cm深土層的全生育期平均體積含水率下降了6.88～9.39個(gè)百分點(diǎn)，玉米條帶下降了9.44～10.73個(gè)百分點(diǎn)?？梢?jiàn)，相同水分脅迫處理下的兩作物條帶間其100 cm深土層的全生育期平均體積含水率下降速率不同，隨著水分脅迫的加劇，玉米條帶全生育期平均體積含水率下降速率明顯快于小麥條帶。為進(jìn)一步明確不同水分脅迫下間作群體內(nèi)部各作物條帶水分捕獲能力，本試驗(yàn)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了共生期內(nèi)每水灌溉后3 h時(shí)各不同處理作物條帶的水分捕獲當(dāng)量比及其水分相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力，結(jié)果如表2所示。

圖3 各處理平均土壤含水率動(dòng)態(tài)曲線Fig.3 Dynamic curves of average soil water content with different treatments

表2 不同處理下各作物條帶水分捕獲當(dāng)量比與水分相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力Tab.2 Water capture equivalence ratio and relative competitiveness of water with various crop strips under different treatments

由表2可知，共生期內(nèi)各間作處理間普遍存在小麥條帶水分捕獲當(dāng)量比高于玉米條帶水分捕獲當(dāng)量比的現(xiàn)象，只有第4水出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，且隨水分脅迫的加劇，小麥條帶的水分捕獲當(dāng)量比逐漸增加，玉米條帶的水分捕獲當(dāng)量比則相反。這是由于共生前、中期，小麥條帶需水量大，且同一水分脅迫處理下，共生期內(nèi)普遍存在小麥條帶0～100 cm深土層平均體積含水率低于玉米條帶的情況，特別是表層土壤含水率更是如此，而土壤含水率決定土壤入滲量與吸水能力，土壤含水率越低其吸水能力越強(qiáng)，入滲速率越大，因而同一水分脅迫處理間，小麥條帶的吸水能力明顯強(qiáng)于玉米條帶。不同水分脅迫處理間，由于水分脅迫逐漸加劇，造成間作群體內(nèi)部土壤水勢(shì)梯度增大，灌溉水受小麥條帶土壤介質(zhì)的吸力增強(qiáng)，進(jìn)而小麥條帶的灌溉水入滲能力增加，因此有限的水資源隨著水分脅迫的加劇，小麥條帶的水分捕獲能力提升。此外，隨生育期推進(jìn)，還表現(xiàn)出小麥條帶水分捕獲當(dāng)量比逐漸減小，玉米條帶水分捕獲當(dāng)量比逐漸升高，且兩作物條帶間的水分相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力逐漸下降甚至變?yōu)樨?fù)值的規(guī)律。這是由共生期內(nèi)隨生育進(jìn)程的遞進(jìn)，兩作物條帶間的土壤水勢(shì)梯度減小直至反轉(zhuǎn)所致。另外，對(duì)于存在少部分?jǐn)?shù)據(jù)不符合此規(guī)律的情況，這是由其應(yīng)灌水量較少(各間作處理灌水量如表3所示)，相應(yīng)作物條帶入滲時(shí)間較少導(dǎo)致入滲總量較低所致。

表3 各間作處理灌水量Tab.3 Intercropping amount of irrigation m3

2.2 間作群體根系質(zhì)量密度分布特征

間作群體中作物根系要吸收更多的土壤水分，就要將根適應(yīng)性地下扎，這會(huì)提高根系對(duì)深層土壤水分的吸收利用。此外，間作復(fù)合群體由于其固有的特性造成兩種作物根系空間分布深淺搭配，更有利于深根系作物玉米通過(guò)根系提水作用，將土壤深層貯水通過(guò)根系傳輸?shù)缴蠈虞^干的土層進(jìn)而增加土壤含水率，促進(jìn)作物在干旱環(huán)境下更多地吸收利用土壤深層水分，緩解因缺水導(dǎo)致的淺根系作物枯萎甚至死亡，維持作物基本的生存和生產(chǎn)，并進(jìn)一步增大了對(duì)深層土壤水分的利用。由圖4可知，隨著水分脅迫的加劇，小麥/玉米間作群體生育旺期根系的交叉范圍和程度在逐步縮小。通過(guò)計(jì)算可知，T3～T6各處理其整體根質(zhì)量密度分布于耕層(40 cm)內(nèi)的比例分別為90.42%～90.77%、86.44%～86.87%、79.75%～82.08%、72.36%～75.68%，其中T3處理小麥根質(zhì)量密度的87.49%～88.70%、玉米根質(zhì)量密度的92.63%～92.81%均分布于耕層(40 cm)內(nèi)，而T4～T6處理其小麥與玉米根質(zhì)量密度分布于耕層(40 cm)內(nèi)的比例分別為83.44%～84.33%、79.27%～80.11%、71.38%～74.28%與88.76%～88.96%、80.11%～83.72%、73.13%～76.75%，相較于T3處理，T4～T6處理其整體根質(zhì)量密度分布于耕層(40 cm)內(nèi)的比例分別下降了3.55～4.33個(gè)百分點(diǎn)、8.34～11.02個(gè)百分點(diǎn)、14.74～18.41個(gè)百分點(diǎn)，其中T4～T6處理其小麥與玉米根質(zhì)量密度分布于耕層(40 cm)內(nèi)的比例分別下降了3.16～5.26個(gè)百分點(diǎn)、7.38～9.43個(gè)百分點(diǎn)、13.21～17.32個(gè)百分點(diǎn)與3.85～3.87個(gè)百分點(diǎn)、9.09～12.52個(gè)百分點(diǎn)、16.06～19.50個(gè)百分點(diǎn)。間作群體根系平均分布深度方面，T3～T6處理其整體平均根系分布深度分別為17.15～17.24 cm、19.59～20.36 cm、22.19～23.60 cm、26.17～27.76 cm，其中T3處理小麥、玉米條帶平均根系分布深度分別為18.37～18.90 cm、15.76～16.15 cm，T4～T6處理小麥、玉米條帶平均根系分布深度分別為20.98～21.65 cm、23.56～24.25 cm、27.17～28.83 cm與18.46～19.35 cm、21.05～23.12 cm、25.35～26.93 cm?？梢?jiàn)，相較于水分充足的T3處理，不同水分脅迫下的T4～T6處理其整體平均根系分布深度分別增加了2.44～3.12 cm、5.04～6.36 cm、9.02～10.52 cm，其中T4～T6處理小麥條帶分別增加2.61～2.75 cm、5.19～5.35 cm、8.80～9.93 cm，玉米條帶分別增加2.31～3.59 cm、4.90～7.36 cm、9.20～11.17 cm。間作群體根系水平擴(kuò)散距離方面，T3處理小麥條帶的根系水平擴(kuò)散距離為6.33～6.96 cm，玉米條帶的根系水平擴(kuò)散距離為4.83～4.92 cm，T4～T6處理小麥、玉米條帶的根系水平擴(kuò)散距離分別為5.75～5.83 cm、5.28～5.37 cm、4.59～4.68 cm與4.60～4.75 cm、4.26～4.37 cm、4.09～4.14 cm?？梢?jiàn)，相較于T3處理小麥與玉米條帶的水平擴(kuò)散距離，T4～T6處理小麥與玉米條帶的水平擴(kuò)散距離分別減少了0.50～1.21 cm、0.96～1.68 cm、1.74～2.28 cm與0.08～0.32 cm、0.55～0.57 cm、0.74～0.78 cm。根系的下扎程度方面，T4～T6處理的整體下扎度較T3處理分別提高了4.51%～5.52%、11.23%～15.22%、21.54%～28.02%，其中T4～T6處理小麥帶與玉米帶的下扎度相較T3處理小麥帶與玉米帶分別提升了4.28%～7.11%、10.52%～13.40%、20.32%～27.35%和4.67%～4.70%、11.70%～16.87%、22.56%～28.78%。根系的聚攏程度方面，T4～T6處理的小麥帶與玉米帶的聚攏度相較T3處理的小麥帶與玉米帶分別提升了7.54%～16.58%、12.97%～22.19%、20.78%～28.28%和1.27%～4.30%、5.42%～6.66%、7.89%～8.66%?？梢?jiàn)，水分的虧缺程度直接影響間作群體根系的空間分布，隨水分脅迫的加劇，間作群體兩作物根系混合程度下降，根系向自己根區(qū)聚集并下扎的趨勢(shì)增加。

圖4 不同處理根系質(zhì)量密度二維分布圖Fig.4 Two dimensional distribution diagrams of root weight density with different treatments

2.3 間作優(yōu)勢(shì)與種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力

間作群體根系的錯(cuò)位分布有利于促進(jìn)作物對(duì)土壤水分的充分利用。由表4可知，非脅迫(T3)下的間作群體其土地當(dāng)量比(LER)均高于1，分別達(dá)到了1.21～1.24，其相對(duì)于同等面積單作時(shí)的產(chǎn)量增加2 049～2 260 kg/hm2，增產(chǎn)32.66%～35.73%，說(shuō)明間作優(yōu)勢(shì)明顯。輕度的水分脅迫處理(T4)非但未降低間作群體的土地當(dāng)量比，反而小幅提升了間作群體的土地當(dāng)量比，相應(yīng)的其相對(duì)于同等面積單作加權(quán)平均產(chǎn)量增加了2 276～2 393 kg/hm2，較非水分脅迫下T3處理增產(chǎn)量增加了133～227 kg/hm2，說(shuō)明間作群體能夠應(yīng)對(duì)輕度的干旱缺水情況而不造成間作優(yōu)勢(shì)降低，具有一定的抵抗水分脅迫逆境的能力。隨著水分脅迫的加劇(T5)，間作群體的土地當(dāng)量比開(kāi)始快速下降，由原來(lái)的1.21～1.24下降到1.04～1.07，下降了13.71%～14.05%，較非脅迫處理(T3)的增產(chǎn)量下降了1 434～1 477 kg/hm2，下降幅度達(dá)65.35%～69.98%，但仍存在間作優(yōu)勢(shì)。當(dāng)水分脅迫達(dá)到田間持水率的70%時(shí)(T6)，間作優(yōu)勢(shì)徹底消失，間作群體的土地當(dāng)量比變?yōu)?.84～0.85，其相對(duì)于同等面積單作時(shí)的產(chǎn)量增加量變?yōu)?874～-838 kg/hm2?？梢?jiàn)，要想當(dāng)?shù)匦←?玉米間作群體存在間作優(yōu)勢(shì)，每水最少要滿足間作群體80%左右的田間持水率。此外，通過(guò)對(duì)表4中間作群體的偏土地當(dāng)量比分析還可得出，隨著水分脅迫程度的增大，間作群體內(nèi)小麥與玉米的偏土地當(dāng)量比均在明顯下降，但玉米的偏土地當(dāng)量比(PLERm)下降速率快于小麥(PLERw)，這也從側(cè)面印證了間作群體內(nèi)部隨水分脅迫增加導(dǎo)致間作小麥對(duì)水分的捕獲能力增強(qiáng)，減少了間作玉米應(yīng)獲得的水量，從而加快了間作玉米的偏土地當(dāng)量比下降速率。由表4還可看出，不同間作處理內(nèi)小麥的相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力均弱于玉米，隨著水分脅迫的加劇，間作群體的種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力在小幅上升后逐漸減小(Awm的絕對(duì)值逐漸趨向于0)，這間接證明了隨著水分脅迫的逐漸提升，間作群體根系在不斷下扎吸水過(guò)程中群體內(nèi)部?jī)勺魑锔甸g的交叉疊加范圍在不斷減小，進(jìn)而降低了小麥相對(duì)于玉米對(duì)自然資源的競(jìng)爭(zhēng)能力。

表4 各處理間作優(yōu)勢(shì)與種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力Tab.4 Intercropping advantages and relative competitive ability between two species among different treatments

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)5%顯著水平。

3 討論

3.1 不同水分脅迫下的小麥/玉米間作群體水分利用特征

水分是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的自然資源，也是養(yǎng)分輸送的載體。因此，研究有限水資源在作物間的分配對(duì)于間作群體很重要，對(duì)于自然生態(tài)環(huán)境也同樣重要。鑒于農(nóng)業(yè)的高耗水性，以及未來(lái)水資源供需矛盾、糧食安全壓力及氣候變化等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，對(duì)作物生產(chǎn)環(huán)節(jié)如何應(yīng)對(duì)不利環(huán)境以保證糧食產(chǎn)量進(jìn)行深入研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，在未來(lái)農(nóng)業(yè)用水量零增長(zhǎng)或負(fù)增長(zhǎng)的前提下確保糧食產(chǎn)量平穩(wěn)增加，需要提升水資源利用效率，使每一滴水生產(chǎn)出更多的糧食來(lái)保障中國(guó)的水資源和糧食安全。近年來(lái)，提高水資源利用效率已成為間作研究的重中之重，許多學(xué)者從品種配置[6,10,17,20-21]、模式組合[1-2]、互補(bǔ)競(jìng)爭(zhēng)[3,9,11,18,21]等多角度進(jìn)行了優(yōu)化水資源利用效率的理論與實(shí)踐探索，為間作模式的推廣提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。有研究表明，間作相較于單作對(duì)水分的需求量沒(méi)有增加，但卻提高了作物的水分利用率[22-24]。關(guān)于間作是否提高水分利用效率，現(xiàn)有研究結(jié)論也并不一致。有研究認(rèn)為，由于間作群體對(duì)光、熱、水、肥等自然資源的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致間作群體水分利用效率和產(chǎn)量降低[25]。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)間作研究較多，但關(guān)于間作水分分配與吸收的研究報(bào)道卻較少。在間作模式下，確定作物共生期內(nèi)每種作物的耗水量十分困難，這也是間作群體中量化分析水分利用特征所面臨的一個(gè)主要問(wèn)題。因此，本研究從土壤水分角度入手，進(jìn)行間作群體水分高效利用機(jī)理方面的研究，得出水分脅迫會(huì)促使共生期內(nèi)低含水率的作物條帶獲得高于應(yīng)灌水量的灌溉水，且隨水分脅迫的增加此規(guī)律愈發(fā)明顯的結(jié)論。這一方面可能是由于灌水時(shí)有限的水量會(huì)優(yōu)先供給根系分布較淺的小麥，小麥根系分布較淺有利于利用灌溉水資源，且間作小麥耕層含水率在共生期低于間作下的玉米，增大了小麥條帶對(duì)灌溉水的入滲能力[26-27]，并由于小麥根系細(xì)胞液濃度較土壤溶液濃度差值更大，有利于小麥對(duì)土壤水分的捕獲能力，使間作下需水量較大的玉米獲得的水量進(jìn)一步減少，使玉米根系為吸水而進(jìn)一步下扎，從而獲得了更多的水分和養(yǎng)分，進(jìn)而造成種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力明顯下降，使有限資源的互補(bǔ)利用孕育著產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)的形成。另一方面可能由于間作群體增加了水分對(duì)作物的有效性與轉(zhuǎn)化效率，提高了收獲指數(shù)。此外，共生期內(nèi)間作群體兩作物間存在著土壤水分的互補(bǔ)利用[11,18]，也進(jìn)一步改善了間作群體土壤水分的供應(yīng)狀況，提高了間作群體的水分利用效率。另外，間作群體改變了下墊面條件，降低風(fēng)速進(jìn)而減少蒸騰蒸發(fā)量，且間作群體中的高稈作物玉米對(duì)矮稈作物小麥的遮陰作用也會(huì)降低小麥條帶表層土壤水分的散失。由此可見(jiàn)，間作群體實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)合理組合不同生態(tài)位作物，在時(shí)間與空間上集約利用水、肥、光熱等資源，從而增加土壤水分生產(chǎn)力，提高資源利用效率。

3.2 不同水分脅迫下的小麥/玉米間作群體根系分布特征

間作群體根系的時(shí)空分布與生理特性是響應(yīng)土壤水分變化的重要因子，廣泛用于挖掘作物本身的節(jié)水潛力[18]。間作群體不同作物根系分布特征對(duì)于作物水分競(jìng)爭(zhēng)及利用效率起關(guān)鍵作用，水分利用效率又間接影響了作物的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的形成[28-30]。掌握間作群體響應(yīng)水分脅迫的根系分布特征對(duì)于明確作物間水分競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理，提高間作農(nóng)田水分高效利用具有重要意義。作物根系生長(zhǎng)受基因控制，但根系的最終分布受土壤水分、養(yǎng)分等環(huán)境因子的影響[31]。有學(xué)者通過(guò)對(duì)玉米/豇豆間作群體的研究認(rèn)為，水分充足條件下，間作群體根系分布于大部分土體中，根系分枝與混合程度很大；水分脅迫條件下，限制了兩種作物根系的側(cè)向生長(zhǎng)與混合程度，根系有向自己根區(qū)聚集的趨勢(shì)，且水分競(jìng)爭(zhēng)烈區(qū)會(huì)降低根系生長(zhǎng)活力，促使根系向外生長(zhǎng)；極度干旱條件下，間作群體根系可能根本不會(huì)混合[32]。還有學(xué)者研究不同環(huán)境下的間作群體時(shí)，在土壤含水率較低與高酸性土條件下發(fā)現(xiàn)了間作群體根系競(jìng)爭(zhēng)的失敗[33]。大量研究表明土壤水分吸收利用主要依賴于根系的空間分布[29]，但大多數(shù)有關(guān)間作群體根系對(duì)水分分配的研究都忽略了這一點(diǎn)，且根系生長(zhǎng)對(duì)水分分配很敏感，若能結(jié)合不同水環(huán)境下間作群體的水分分配規(guī)律建立間作群體生長(zhǎng)模式，這對(duì)間作作物對(duì)水分、肥料等資源的分配及間作群體的可持續(xù)發(fā)展會(huì)有很大幫助，也能更好地闡明水分在間作模式下土壤中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，本研究設(shè)置了間作模式下的4個(gè)不同水分處理及2個(gè)單作模式下的非水分脅迫處理作為對(duì)照。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，不同的水分脅迫處理對(duì)間作群體的根系下扎深度、下扎程度、平均分布深度、水平擴(kuò)散距離、聚攏程度、交叉范圍及程度等均有不同程度的影響，可為建立不同水環(huán)境下的間作群體根系生長(zhǎng)模式奠定一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)本試驗(yàn)還可得出，一定程度的水分脅迫可通過(guò)間作群體兩作物根系的下扎吸水來(lái)滿足作物水分需求，相應(yīng)的根系生長(zhǎng)又增加了根系吸水的深度，但過(guò)度的水分脅迫無(wú)法通過(guò)下扎吸水來(lái)滿足作物對(duì)水分需求。此觀點(diǎn)與李仙岳等[8]相同，但與HUANG等[34]相反。此外，在不同水分脅迫下小麥/玉米這種間作生物籬中，關(guān)于根系分布不同對(duì)作物肥料利用率及作物生長(zhǎng)發(fā)育等方面的影響，以及對(duì)土壤鹽分與地下水中可溶性鹽離子等方面的相關(guān)研究還需要進(jìn)一步深入探討。

3.3 不同水分脅迫下的小麥/玉米間作群體產(chǎn)量效應(yīng)評(píng)價(jià)

間作群體通過(guò)科學(xué)地運(yùn)用不同習(xí)性作物間的組合，實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益最大化的有機(jī)統(tǒng)一，對(duì)解決我國(guó)糧食安全及水資源短缺等問(wèn)題具有實(shí)際意義。如何進(jìn)一步提高間作在資源吸收利用效率的作用，適應(yīng)干旱頻發(fā)的氣候環(huán)境日益為人們所關(guān)注。大量研究表明，間作模式具有明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，能提高資源利用效率[35-37]，如小麥/玉米[4-5,7,11-14,24]、玉米/花生[6]、玉米/番茄[8]、蠶豆/玉米[10]、大麥/玉米[15]、小麥/向日葵[18]等，但研究多基于間作群體相對(duì)單作的土地當(dāng)量比[6,11-12,15,18,20,35]或是間作群體的水分利用效率[3,9-10,21,36-37]等，對(duì)于間作群體應(yīng)對(duì)干旱脅迫逆境的響應(yīng)機(jī)理研究甚少。因此，本研究以此為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行了深入研究。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫對(duì)間作玉米的土地當(dāng)量比影響更大，且輕度的水分脅迫不會(huì)降低河套灌區(qū)小麥/玉米間作群體的間作優(yōu)勢(shì)，反而存在輕微的提升作用，其產(chǎn)生的原因可能為輕度的水分脅迫促進(jìn)了間作群體根系的進(jìn)一步伸展，吸收了更多的養(yǎng)分，奠定了高產(chǎn)的潛力。其次，可能由于水分脅迫增加了植物體莖、葉光合產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而提升了間作優(yōu)勢(shì)。但過(guò)多的脅迫會(huì)降低間作優(yōu)勢(shì)，甚至出現(xiàn)間作劣勢(shì)，因此控制好水分脅迫的程度對(duì)于河套灌區(qū)小麥/玉米間作群體的節(jié)水增產(chǎn)十分重要。

此外，需要指出的是，間作群體中某一作物相對(duì)于另一作物的競(jìng)爭(zhēng)能力直接以產(chǎn)量計(jì)算得出過(guò)于片面，間作群體的相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力是隨著生育期的推進(jìn)不斷變化的，單純以產(chǎn)量直接界定其競(jìng)爭(zhēng)能力不夠科學(xué)。通過(guò)本試驗(yàn)可知，以產(chǎn)量得出的小麥競(jìng)爭(zhēng)能力弱于玉米，而以水分的捕獲當(dāng)量比及水分的相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力看，則小麥競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于玉米。種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力是衡量間作群體兩種作物中一種作物相對(duì)于另一種作物對(duì)水、熱、光能、肥料等資源競(jìng)爭(zhēng)能力，要以共生期內(nèi)兩作物對(duì)各種資源競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)綜合衡量，而產(chǎn)量指標(biāo)是間作群體生命過(guò)程的最終體現(xiàn)，未考慮到小麥?zhǔn)斋@后玉米的反彈效應(yīng)帶來(lái)的產(chǎn)量增加，難以精確揭示間作群體在兩作物共生期內(nèi)實(shí)際的相關(guān)關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化，因而以這些指標(biāo)做出的結(jié)論難以準(zhǔn)確、系統(tǒng)地為間作群體制定科學(xué)合理的灌溉制度提供理論依據(jù)，種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力更應(yīng)通過(guò)共生期內(nèi)不同作物條帶對(duì)各種資源的競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)綜合評(píng)判。

4 結(jié)論

(1)間作處理下普遍存在小麥條帶水分捕獲當(dāng)量比高于玉米條帶水分捕獲當(dāng)量比的現(xiàn)象，且隨水分脅迫的加劇，小麥條帶的水分捕獲當(dāng)量比逐漸增加，玉米條帶的水分捕獲當(dāng)量比則相反。隨著生育期的推進(jìn)，還表現(xiàn)出小麥條帶水分捕獲當(dāng)量比逐漸減小，玉米條帶水分捕獲當(dāng)量比逐漸升高，且兩作物條帶間的水分相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力逐漸下降的規(guī)律。

(2)充分灌溉下間作群體平均根系分布深度為17.15～17.24 cm，其根質(zhì)量密度的90.42%～90.77%分布于耕層內(nèi)，其中小麥為87.49%～88.70%，玉米為92.63%～92.81%。水分的虧缺程度直接影響間作群體根系的空間分布，隨水分脅迫的加劇，間作群體兩作物根系混合程度下降，根系向自己根區(qū)聚集并下扎的趨勢(shì)增大。

(3)河套灌區(qū)小麥/玉米間作群體保有間作優(yōu)勢(shì)每次灌水最少需滿足80%左右的田間持水率，隨水分脅迫程度的增加，間作群體土地當(dāng)量比呈現(xiàn)先微升、后逐漸下降的規(guī)律，且間作玉米的偏土地當(dāng)量比下降速率快于間作小麥。在種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力方面，表現(xiàn)出隨水分脅迫的加劇間作小麥相對(duì)于間作玉米種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力先微升、后快速下降、并逐漸近于消失的趨勢(shì)。

(4)間作群體的特殊性造成了兩作物條帶存在時(shí)間與空間上的土壤水分差異，進(jìn)而導(dǎo)致灌溉水入滲速度及入滲總量的不同，而水分脅迫增大了這種趨勢(shì)，這在一定程度上滿足了灌溉水的最佳去處，從而提高了間作群體的水分利用效率，提升了間作群體應(yīng)對(duì)不利環(huán)境的韌性，揭示了間作群體的節(jié)水增產(chǎn)機(jī)理。

(5)間作群體種間相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)能力通過(guò)共生期內(nèi)不同作物條帶對(duì)各種資源的競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)綜合評(píng)判更為科學(xué)。