灌溉制度对甜瓜/向日葵套作系统光能利用效率和繁殖分配的影响

陈 亮，魏 慧，谢 飞，陈年来*(.甘肃农业大学 园艺学院,甘肃 兰州 730070； .甘肃农业大学 资源与环境学院，甘肃 兰州 730070)

灌溉制度对甜瓜/向日葵套作系统光能利用效率和繁殖分配的影响

陈 亮1，魏 慧2，谢 飞2，陈年来1*
(1.甘肃农业大学 园艺学院,甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学 资源与环境学院，甘肃 兰州 730070)

为了明确绿洲灌区套作系统的光能和灌水利用效率，实现节水高产高效的农业生产目标。在限量灌水条件下，进行了甜瓜/向日葵单套作灌溉试验，研究了河西绿洲灌区9种灌溉制度下甜瓜/向日葵单套作系统的光能利用率和繁殖分配。结果表明，甜瓜/向日葵套作系统的生物量积累和光能利用率显著高于2种作物单作，套作系统的总生物量和光能利用效率在灌水次数9次和灌水定额450 m3/hm2时达到最大，光能利用效率(1.25%)比甜瓜、向日葵单作分别提高93.50%、75.32%，套作系统总生物量(15 724 kg/hm2)比甜瓜、向日葵单作分别提高87.30%、92.79%。甜瓜、向日葵套作显著提高了2种作物地上部繁殖分配比例，2种作物单作各灌水处理间繁殖分配比例无显著差异。甜瓜/向日葵套作系统的适宜灌溉制度为：全生育期灌水9次、灌水定额450 m3/hm2。

甜瓜/向日葵套作； 灌水次数； 灌水定额； 光能利用效率； 繁殖分配

当今水资源短缺成为制约社会和经济发展的重要因素[1]。中国是农业大国，农业用水约占全国总用水量的70%。其中农田灌溉用水量占农业用水量的90%～95%。据调查，全国农业用水每年亏缺300亿m3[2]，在我国北方很多地方的农业灌溉保证率正在逐渐降低[2]。甘肃省作为传统的农业大省，也是中国水资源严重短缺的省份之一，平均每公顷水资源占有量5 505 m3，是全国平均水平的1/4[3]。尤其是处于河西绿洲灌区的甘肃民勤县，水资源供需矛盾十分突出，加上该地区长期的无序用水和农业用水透支，水资源的开发利用程度已达120%。为了解决水资源短缺、配置不合理、利用效率不高的难题，积极发展高效节水农业具有重要意义[3]。在节水农业中，水分往往是作物产量形成的决定性因素，如何在有限的灌溉水量条件下，使水资源利用综合效益最大化，是节水农业的核心[4]。传统的无视作物需水要求盲目地对作物进行充分灌溉已经不适应客观现实的状况，也不符合科学灌溉的内涵。因此，在这种情况下，积极探索作物最适宜的节水灌溉制度是亟待解决的问题，科学合理的灌溉制度能够使水资源得到充分有效的利用。已有研究表明，在灌溉总量相同的条件下，增加灌溉频率能促进甜瓜的生长发育，提高其果实品质[5]。采用蒸发量系数为0.6处理的灌溉模式有利于甜瓜在获得较高产量的前提下降低灌溉用水量[6]。

间作套种是作物在时间和空间上实现集约化的种植方式，是在充分利用热、水、肥等资源的基础上，提高光能利用效率，从而提高单位耕地的产出率[7]。间作套种作为多熟种植最典型的模式，是我国农业的重要组成部分，其增产、提高自然资源利用效率的作用已得到国内外研究者的公认[8-12]。现代农业生产中，由于太阳辐射量相对保持稳定，能够作为农业生产的可更新资源，但在大田条件下普遍存在着作物光能利用效率低的问题，平面种植情况下，大田作物的光能利用效率通常只有1%左右[13]。许多研究表明，合理的间套作种植能提高作物群体的光能利用效率，周海燕等[7]研究发现，在同等可比面积上，小麦、玉米、豌豆和油菜在间作模式下均能充分利用光、热资源，使产量和光能利用效率显著高于单作；胡举伟等[14]研究表明，桑树/苜蓿间作提高了桑树对强光和苜蓿对弱光的利用能力；徐强等[15]研究发现，线辣椒/玉米带状套作种植模式使作物对光合有效辐射(PAR)的截获和利用显著提高；在旱农区集雨补灌条件下，冬小麦/玉米间作系统的光能利用效率分别比玉米、小麦单作显著提高了50.66%、49.67%[16]。间套作种植由于作物高矮不一，需水时期不同，能够在很大程度上提高水资源的利用效率，研究发现，玉米、豌豆3∶3间作显著提高了群体水分利用效率和产量[17]。套作种植还可以提高土地利用率，进而显著地增加了作物的生物量和产量。目前，对套作作物植株生长在空间、时间上对光、热等资源利用上出现相互影响等方面的研究大多集中在粮食作物[18]，而对瓜类作物研究的文献鲜有报道。

本研究以典型的河西绿洲灌区甘肃民勤为研究样地，以大面积种植的特色优势经济作物甜瓜和向日葵为试验材料，建立甜瓜/向日葵套作体系，以2种作物单作为对照，通过不同灌水次数、灌水定额组合设计了不同灌水处理，研究了不同灌水处理对甜瓜/向日葵全生育期单套作系统的光能利用效率和繁殖分配的影响，寻求甜瓜/向日葵套作系统最适宜的灌水处理，以期为该地区适宜灌溉制度的选择和实现节水型高光效栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2013年4—10月在甘肃省民勤县农技中心试验站进行。该试验站位于石羊河下游的民勤绿洲(38°30′N、103°30′E)，在腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠之间，属温带大陆性干旱气候，年降水量110 mm，蒸发量2 644 mm，年总辐射量556～577 kJ/cm2，日照时间3 073.5 h，海拔1 400～1 550 m，≥10 ℃、80%保证率的活动积温2 800～3 000 ℃，无霜期150～162 d，昼夜温差25.2 ℃，有利于农产品品质的提高和干物质积累，尤其是瓜果类糖分的积累，其光热条件均适于发展间作套种种植模式。

1.2 试验材料

供试甜瓜和向日葵(食葵)品种分别为金红宝(生育期90～100 d，属中熟品种)和LD5009(生育期110～120 d，属中熟品种)，均由甘肃省民勤县农业技术推广中心提供。金红宝在当地普遍种植，具有丰产性好、品质较优、耐储运、抗病能力强等优点。

1.3 试验设计

试验设灌水次数和次灌水量2个因素，采用二因素裂区设计，灌水次数为主区，次灌水量为副区，共17个处理(表1)，每处理重复3次，共51个小区。小区面积40 m2(10 m×4 m)，小区随机分布。甜瓜、向日葵单作、甜瓜/向日葵套作采用沟灌方式灌水，同时为减少因水分侧渗而造成的试验误差，不同处理小区之间用垂直埋深60 cm的薄膜隔开，田间输水方式为小水泵加压的管道输水，进水口加装精确度为0.001 m3的水表计量并控制各小区次灌水量。

试验田甜瓜、向日葵单作和甜瓜/向日葵套作均采用水旱塘覆膜栽培，水沟宽70 cm，旱塘宽130 cm，株距45 cm，密度21 750株/ hm2。甜瓜、向日葵单作和甜瓜/向日葵套作在播种开沟时一次性集中施入尿素300 kg/hm2、磷酸二铵150 kg/hm2、过磷酸钙750 kg/hm2，作为基肥。甜瓜采用双蔓整枝，主蔓5叶摘心，子蔓第3～4节位坐瓜，单株选留生长健壮的果实1个，甜瓜收获以后植株一律原地断根覆盖。甜瓜于2013年5月9日穴播，8月5日收获；单套作向日葵于5月6日穴播，9月6日收获，全生育期田间管理与当地高产田种植模式管理相同。

表1 试验灌水方案设计

注：表中灌水次数不包括播种前灌水；甜瓜/向日葵套作灌水次数包括甜瓜收获前灌水次数+甜瓜收获后灌水次数。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 生物量和光能利用效率 于甜瓜和向日葵的成熟期(2013年8—9月)对各小区分别收获取样。每个处理(小区)连续选取长势基本一致的完整植株5株，重复3次，按照茎、叶、叶柄、果实(种子)分别装于牛皮纸袋中，于105 ℃杀青30 min，在75～80 ℃烘干至恒定质量，用电子天平称量其所有地上部分干质量。测得地上部分生物学产量后，计算光能利用效率(RUE)。计算公式[19]如下：RUE=(H×M)/Q×100%。式中：H为作物单位干质量的产热量，一般采用作物产热量的平均值即17.79 MJ/kg；M为单位面积上作物生物学产量或籽粒产量(kg/hm2)；Q为甜瓜/向日葵生育期间单位面积太阳总辐射逐日累加获得各生育阶段和全生育期的太阳总辐射量(MJ/hm2)，2013年甜瓜/向日葵生育期气象数据用HOBO气象观测系统(H21型号)自动获取。

1.4.2 植株净同化产物的繁殖分配 于甜瓜和向日葵的成熟期(2013年8—9月)对各小区分别收获取样。每个处理(小区)连续选取长势基本一致的完整植株5株，重复3次，按照茎、叶、叶柄、果实(种子)称量鲜质量，然后分别装于牛皮纸袋中，于105 ℃杀青30 min，在75～80 ℃烘干至恒定质量，用电子天平分别称得各部分器官的干质量。并计算繁殖分配比，计算公式[20]如下：

甜瓜繁殖分配比=果实干质量/地上部干质量×100%

向日葵繁殖分配比=籽粒干质量/地上部干质量×100%。

1.5 数据处理

试验数据采用SPSS 19.0数据处理系统进行差异显著性分析(P<0.05)，利用Excel 2007进行数据记录和作图。

2 结果与分析

2.1 灌溉制度对甜瓜/向日葵单套作系统总生物量的影响

甜瓜/向日葵套作各处理除T3(9 286 kg/hm2)以外，总生物量显著高于甜瓜和向日葵单作(表2)，T7(15 724 kg/hm2)处理的总生物量显著高于其他套作和单作处理。在甜瓜/向日葵套作灌水次数相同(7、8、9次)的条件下，T1处理的总生物量较T3处理显著提高29.12%；T4、T5、T6处理之间差异不显著；T7处理的总生物量显著高于T8、T9处理，其总生物量分别提高21.86%、24.71%。甜瓜单作GD3、GD4、GD5之间无显著差异。说明在灌水次数相同的条件下，灌水定额越高，套作各处理的总生物量会显著增加。对于套作，在灌水定额相同的条件下，T7处理的总生物量显著高于T1、T4处理，其总生物量分别提高31.14%、23.96%；T2、T5、T8各处理间的总生物量无显著差异，T6、T9处理的总生物量显著高于T3处理，其总生物量分别提高21.84%、35.77%。GD1、GD2、GD3 处理之间和KD1、KD2、KD3处理之间差异不显著，总生物量变化为GD2>GD1>GD3，KD2>KD3>KD1。可见，在灌水定额一定的条件下，灌水次数越多，总生物量会有所增加。在甜瓜灌水定额相同的条件下，套作与单作相比，T1、T4处理的总生物量显著高于GD1和GD2处理，T7、T8处理的总生物量显著高于GD3和GD4处理，T9处理的总生物量显著高于GD5。综上所述，在灌水次数与灌水定额一定的条件下，甜瓜/向日葵套作的总生物量显著高于单作甜瓜和向日葵。

表2 甜瓜/向日葵单套作各处理的总生物量 kg/hm2

注：表中数字后不同小写字母表示差异显著 (P<0.05)。

2.2 灌溉制度对甜瓜/向日葵单套作系统RUE的影响

甜瓜/向日葵套作各处理除T3(0.73%)以外，RUE显著高于甜瓜和向日葵单作，T7处理的RUE(1.25%)显著高于其他套作和单作处理(图1)。在灌水次数相同(7、8、9次)的条件下，T1处理的RUE比T3处理显著提高30.14%；T7处理的RUE显著高于T8、T9处理，其RUE分别提高22.55%、25.00%，说明在灌水次数一致的条件下，灌水定额越高，RUE越大。在灌水定额相同的条件下，T7处理的RUE分别较T4、T1处理显著提高23.76%、31.58%，说明灌水定额一致，灌水次数多的处理RUE高。单作甜瓜和单作向日葵除KD2处理外，其余各处理之间差异均不显著。在甜瓜灌水定额相同的条件下，套作和甜瓜单作相比，T1处理的RUE显著高于GD1，T4处理的RUE显著高于GD2，T7处理的RUE显著高于GD3，T8处理的RUE显著高于GD4，T9处理的RUE显著高于GD5。综上所述，在灌水次数与灌水定额一定的条件下，甜瓜/向日葵套作的RUE显著高于单作甜瓜和向日葵。

图中上方不同小写字母表示差异显著(P<0.05) ,下图同图1 甜瓜/向日葵单套作各处理光能利用效率

2.3 灌溉制度对甜瓜/向日葵单套作系统繁殖分配的影响

2.3.1 甜瓜繁殖分配 套作甜瓜地上部繁殖分配比(81.87%)较单作甜瓜(75.50%)显著提高了8.44%，套作条件下各灌水处理间的繁殖分配比无显著差异(图2)。除GD1(79.31%)处理外，套作处理中灌水定额相同的T2(84.21%)、T8(84.29%)处理的繁殖分配比显著高于其他各单作处理。在甜瓜灌水次数或灌水定额相同的条件下，T7处理的繁殖分配比显著高于GD3，其繁殖分配比提高16.13%，T8处理的繁殖分配比较GD4处理显著提高10.69%。综合以上分析，套作甜瓜的地上部繁殖分配比显著高于单作甜瓜，但套作甜瓜各灌水处理间的繁殖分配比无显著差异，除灌水量最大的GD3处理外，其余甜瓜单作各灌水处理间繁殖分配比亦无显著差异。

图2 甜瓜单套作各处理的繁殖分配比

2.3.2 向日葵繁殖分配 向日葵繁殖分配比为籽粒干质量与地上部总生物量之比。套作向日葵地上部繁殖分配比(45.02%)较单作向日葵(36.53%)显著提高了23.24%(图3)。单作条件下各灌水处理间的繁殖分配比无显著差异，但套作处理中灌水量最少(灌水7次、灌水定额225 m3/hm2)的T3处理的繁殖分配比(55.74%)显著高于除T8(50.03%)外的其他处理，这说明较少的灌水定额可以适度提高套作向日葵的繁殖分配比。综合以上分析，套作向日葵的地上部繁殖分配比显著高于单作，但单作向日葵各灌水处理间繁殖分配比无显著差异，除灌水定额较少的T3和T8处理外，其余向日葵套作各灌水处理间繁殖分配比亦无显著差异。

图3 向日葵单套作各处理的繁殖分配比

3 结论与讨论

目前，大田作物光能利用效率在0.1%～1%，远低于太阳辐射利用的理论值5%～6%，提高作物光能利用效率(光能截获率×光能转化效率)是增产的根本途径[21]。前人研究已表明，套作可充分利用光、热、水、肥等各类资源，从而促进作物增产[22]。本试验通过甜瓜/向日葵套作种植，以甜瓜和向日葵单作为对照，在限量灌水条件下，得出甜瓜/向日葵套作系统的光能利用效率(0.96%)显著高于甜瓜单作(0.65%)和向日葵单作(0.71%)，甜瓜套种向日葵，在原有单作甜瓜的基础上套作另一种作物，等于增加了单位土地面积上的作物种类，提高了土地利用率，并使单位土地面积上的叶面积增加，提高了对光能的截获，从而增加了光能利用效率，这与谢飞等[13]的研究结果相吻合。同时甜瓜/向日葵套作体系中向日葵植株高于甜瓜，其冠层透光率大，下层甜瓜截获其透过光，从而使全生育期的平均光合有效辐射截获量提高，整个生育期内，甜瓜和向日葵的共生期较短，这也就尽可能减少了2种作物对光能、水分和养分的争夺，说明合理的套作体系可以提高作物的光能利用效率。同单作种植相比，甜瓜/向日葵套作种植条件下作物的生长环境发生了很大的变化，本试验中，甜瓜/向日葵套作系统的平均总生物量(12 151 kg/hm2)显著高于甜瓜单作(8 395 kg/hm2)和向日葵单作(5 438 kg/hm2)，套作系统有利于光能的截获，光能利用率的显著提高保证了甜瓜和向日葵总生物量的积累，这与黄承建等[23]的研究结果有差异，可能是由于试验所选取的套作作物不同以及2种作物套作播期和种植密度不同。甜瓜/向日葵套作复合群体实现了对光能的分层、立体高效利用，提高了光能截获量和光能利用效率，使光能在2种作物群体内分布更为合理，为实现作物的高产奠定了基础。

本研究通过甜瓜/向日葵单套作灌溉试验表明，全生育期内适宜的灌溉制度条件下，甜瓜/向日葵套作系统的光能利用效率显著高于单作，套作的光能利用效率在灌水9次和灌水定额450 m3/hm2时达到最大，光能利用效率(1.25%)比甜瓜、向日葵单作分别提高93.50%、75.32%，这与王宇明等[24]对小麦辣椒间套作光能利用效率研究结果相似。同时说明在河西绿洲灌区民勤县高灌水量可有效地提高套作群体的光能利用效率，增加作物的干物质积累量，从而提高套作作物的经济产量。水分是作物进行光合作用重要的原料，灌水定额和灌水次数的减少会使作物土壤中水分亏缺，导致作物光合作用受到抑制[25]，不利于光合产物的积累，影响作物的最终经济产量，这与李文娟等[22]的研究结果相吻合。因此，在套作种植模式下，适度提高灌水水平是提高作物光能利用效率的有效措施之一，即灌水9次、灌水定额450 m3/hm2的灌水处理可以作为较合理的灌溉制度。

甜瓜/向日葵套作系统的总生物量也显著高于单作，套作的总生物量在灌水9次和灌水定额450 m3/hm2时达到最大，总生物量(15 724 kg/hm2)比甜瓜、向日葵单作分别提高87.30%和92.79%，这说明在甘肃民勤县高灌水量有利于光合产物积累，有效提高作物群体的总生物量，从而提高经济产量，而中、低灌水量对作物群体总生物量的积累无显著影响，这与汤莹等[26]对春小麦和李文娟等[22]对小麦间作玉米的研究结果相一致。因此，在甜瓜/向日葵套作种植模式下，较高的灌水量有利于套作系统作物生物量的积累，灌水9次、灌水定额450 m3/hm2的灌水处理可以作为甘肃民勤县适宜的灌溉制度。本试验中，套作种植显著增加了甜瓜和向日葵地上部繁殖分配比，这与前人研究结果相吻合[23,27-28]，但不同灌水处理下甜瓜/向日葵套作和2种作物单作的地上部繁殖分配比并无明显规律，还有待进一步的深入研究。

本试验结果表明，在限量灌水条件下，甜瓜/向日葵套作系统的总生物量和光能利用效率显著高于甜瓜单作和向日葵单作；套作种植显著增加了甜瓜和向日葵地上部繁殖分配比，但2种作物单作各灌水处理间繁殖分配比无显著差异；套作的总生物量和光能利用效率在灌水9次和灌水定额450 m3/hm2时显著高于2种作物单作，达到最大值，所以认为甜瓜/向日葵套作系统的适宜灌溉制度为：全生育期灌水9次、灌水定额450 m3/hm2，该灌溉制度可作为河西绿洲灌区甘肃民勤县甜瓜/向日葵套作较合理的灌溉方案。

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Effects of Irrigation System on Radiation Use Efficiency and Reproductive Allocation of Melon/Sunflower Relay Intercropping System

CHEN Liang1,WEI Hui2,XIE Fei2,CHEN Nianlai1*
(1.College of Horticulture,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China; 2.College of Resource and Environmental Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

To determine the radiation use efficiency and irrigation use efficiency of relay intercropping system in the oasis area,realize the target of saving water and high yield,a field experiment of limited irrigation was conducted,and the radiation use efficiencies and reproductive allocations of melon and sunflower were investigated with monoculture and relay intercropping under nine irrigation systems in Hexi oasis irrigation region.The results showed that the biomass accumulation and radiation use efficiency of melon/sunflower relay intercropping system were significantly higher than those of the monoculture.The maximum biomass accumulation and radiation use efficiency of the relay intercropping system were achieved when the irrigation frequency was nine times,and water quota was 450 m3/ha.Compared with melon and sunflower monocultures,the radiation use efficiency(1.25%) of the relay intercropping system increased by 93.50% and 75.32%; the total biomass of the relay intercropping system(15 724 kg/ha) was improved by 87.30% and 92.79% respectively.Relay intercropping system significantly increased the reproductive allocation ration of melon and sunflower,no significant difference in plant reproductive allocation ration was found between monoculture.The suitable irrigation system of melon/sunflower relay intercropping system in Hexi oasis irrigation region was the combination of irrigation nine times in the whole growth period with the water quota of 450 m3/ha.

relay intercropping melon/sunflower; irrigation time; irrigation amount; radiation use efficiency; reproductive allocation

2015-10-20

甘肃省水利厅项目(GS31340020)

陈 亮(1989-)，男，甘肃武威人，在读硕士研究生，研究方向：蔬菜栽培生理与技术。 E-mail：chenliang144358@163.com

*通讯作者：陈年来(1962-)，男，甘肃兰州人，教授，主要从事蔬菜栽培生理与生态研究工作。E-mail：chennl@gsau.edu.cn

S652

A

1004-3268(2016)04-0107-06