风沙半干旱区仁用杏间作对作物产量和水分利用的影响*

白 伟，孙占祥，郑家明，杜桂娟，蔡 倩，冯良山，杨 宁



风沙半干旱区仁用杏间作对作物产量和水分利用的影响*

白 伟，孙占祥**，郑家明，杜桂娟，蔡 倩，冯良山，杨 宁

（辽宁省农业科学院耕作栽培研究所/辽宁省旱作节水工程中心，沈阳 110161）

为了探明仁用杏与作物间作对作物产量和水分利用的影响，提出适合东北风沙半干旱区最优的农林间作模式，2012-2013年在大田试验条件下对仁用杏作物间作进行试验，设置仁用杏花生间作、仁用杏谷子间作、仁用杏甘薯间作、仁用杏单作、花生单作、谷子单作和甘薯单作7个处理，对不同处理下作物产量、水分利用效率、土壤水分和水分当量比4个指标进行观测。结果表明，仁用杏作物间作对作物产量影响显著（P＜0.05），间作花生、谷子、甘薯产量比单作平均减少65.1%、54.3%、64.7%，而对仁用杏的产量影响不显著。土壤水分的空间分布表明，仁用杏谷子间作水分竞争关系最小，仁用杏与甘薯间作水分竞争强烈。仁用杏作物间作系统的水分当量比均大于1，表现出较好的水分优势，其中仁用杏谷子间作系统的水分优势最明显，水分当量比达1.45，分别比仁用杏花生间作、仁用杏甘薯间作高8.2%和9.9%。综合分析认为，仁用杏谷子间作最适宜当地生态环境，在东北风沙半干旱区持续雨养农业发展中具有很好的应用前景。

仁用杏间作；产量；水分利用效率；水分当量比；风沙半干旱区

东北风沙半干旱区干旱少雨，土壤较贫瘠，平均降水量仅300～450mm，素有“十年九旱”之称，也是中国生态脆弱区之一[[1-2]。农林间作一直是区域重要的种植模式之一，该模式能够提高资源利用效率[3]，增加农田生物多样性[4]，改善农田生态系统[5]，间作的种类主要有仁用杏、南果梨分别与花生、谷子等矮秆作物间作。众多学者对农林间作进行了研究，多数研究表明农林间作表现为降低作物产量，而树木产量影响不大[6-10]，但也有人认为农林间作会对作物产生一些有利影响，主要表现特殊作物产量增加[11-12]。关于农林间作水分利用机制方面研究也存在不同观点，一种观点认为农林间作会导致水分竞争，主要是由于土壤水分有限，农林间作会利用同一土层的有限水资源[13-14]。张劲松等[14]研究得出，苹果小麦间作系统中水分竞争过程中起绝对主导作用的是小麦，且带距40～120cm的位置是苹果和小麦的主要水分竞争区域；另一种观点是农林间作会产生水分互补，主要是由于农林间作在水资源利用顺序或方式上存在区别[15-16]。赵英等[17]研究发现，由于林木的“提水作用”，可将深层的土壤水分提升至浅层，进而释放供给作物利用，使农林间作水分利用效果表现为相互促进[18]。另外由于农林间作根系呈现多波递推的垂直生长特征，生长中心与吸收中心表现为交错出现，也可以促进水分的充分利用[19]。由于各地区的自然和社会经济条件的限制，不同间作模式的研究结果也不同，关于东北风沙半干旱区仁用杏作物间作产量和水分利用研究报道较少，特别是对作物产量的影响程度、3种间作模式的水分利用关系等科学问题。因此，本研究利用仁用杏作物间作定位试验，探讨仁用杏作物间作对作物产量和水分利用的影响，以期为东北风沙半干旱区确定适宜的农林间作模式，提高农田生产能力提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2012-2013年在辽宁省农业科学院章古台试验站（42°43′N，122°22′E）进行，海拔226.5m，位于科尔沁沙地南部。土壤为风沙土，容重1.45g×cm-3，pH6.21，有机质6.582g×kg-1，全氮0.483g×kg-1，全磷0.281g×kg-1，全钾26.95g×kg-1，速效氮63.17mg×kg-1，速效磷2.01mg×kg-1，速效钾73.31mg×kg-1。试验地点2012年生育期内平均温度为21.2℃，作物生育期总降水量为526.0mm；2013年生育期内平均温度为19.7℃，作物生育期总降水量为455.8mm；降水均主要集中在6-8月，5月和9月降水较少，如图1所示。

1.2 供试品种和试验管理

仁用杏（）品种为龙王冒（2008年栽植）；谷子（）品种为LG2008-31；花生（Linn）品种为白沙1016，甘薯（）品种为明水1号，均来自辽宁省农业科学院。单间作肥料分配和施用相同，均为播种前施入三元复合肥（含氮15%、磷15%和钾15%）375kg×hm-2作为种肥，追施尿素1次，施肥量为225kg×hm-2。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，共设7个种植模式，分别为仁用杏与花生间作（Intercropping apricot and peanut，IP）、仁用杏与谷子间作（Intercropping apricot and millet，IM）、仁用杏与甘薯间作（Intercropping apricot and Sweet potato，ISP）、仁用杏单作（Sole apricot，SA）、花生单作（Sole peanut，SP）、谷子单作（Sole millet，SM）和甘薯单作（Sole sweet potato，SSP）。每个模式小区面积为67.5m2，3次重复。仁用杏条带行向为南北行向，种植密度为1111株×hm-2（株距2m×行距4.5m），具体间作模式见图2。花生、谷子和甘薯每个条带内均种植6行，行距为50cm，谷子种植密度为45万株×hm-2，花生种植密度为18万株×hm-2，甘薯种植密度为6万株×hm-2。2012年单作、间作作物均5月21日播种，9月25日收获，仁用杏7月19日采收；2013年单作、间作作物均5月20日播种，谷子和甘薯9月20日收获，花生9月29日收获，仁用杏7月23日采收。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 作物产量

首先进行间作和单作的密度均一化，通过株距和行长密度计算谷子、花生和甘薯单作、间作作物种植密度均一化，计算公式为

式中，HDi表示单作和间作作物i的均一化种植密度（株×m-2），Pi为作物i的株距密度（株×m-1）；RLDi为作物i在单作和间作中的行长密度（Row length density），行长密度（RLD）为单作或间作体系中单位宽度上所种植的作物行数（行×m-1或m×m-2）。在本试验中各处理均一化密度分别为：间作花生16.63株×m-2，单作花生25.00株×m-2，间作谷子29.93株×m-2，单作谷子45.00株×m-2，间作甘薯4.03株×m-2，单作甘薯6.00株×m-2。作物收获时，每个重复的单作、间作作物分别取4.5m2（净面积）进行产量测定，取样3行，分别为边1行、边2行、边3行，长度为1m，3次重复。谷子和花生的经济产量是收获的籽粒产量放置通风处晒干至籽粒含水率14%左右，称质量后获得，甘薯的最终鲜质量产量用块茎干质量和含水量为80%计算得到[20]。单株产量通过测产区的质量和株数计算得到。间作和单作中作物的产量都用均一化产量Yi表示[21]，计算公式为

（2）

式中，Yi为作物i的均一化产量（g×m-2）；PYi表示作物i的单株平均产量（g×株-1）。仁用杏产量采用单株人工采摘的方式进行收获，取杏仁（自然晒干产量）称重折合成小区产量。

1.4.2 土壤水分

2012年分别于5月21日、6月26日、8月9日、8月30日、9月25日（共5次）测定土壤重量含水量，2013年分别于5月20日、7月4日、7月30日、8月26日、9月20日（共5次）测定土壤含水量。用土钻分层取土，2012年取土深度为0-100cm，每10cm为1层，2013年取土深度为0-200cm，每10cm为1层，用烘干法测定土壤含水量，取样点如图3所示，单作仁用杏取样点与间作相同，单作作物取样点为2垄。土壤体积质量用环刀法测定。

1.4.3 作物水分利用效率

作物水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）用作物产量和耗水量进行计算[22]，即作物单位耗水量所得到的产量，计算式为

式中，WUE为水分利用率（kg·mm-1·hm-2）；Y为作物产量（g·m-2）；ET为作物耗水量或实际蒸散量（mm），采用水分平衡方法[23]计算。

1.4.4 水分当量比

采用水分当量比（WER，Water Equivalent Ratio）来表示农林间作系统水分利用效率的提高或减少[22]，计算式为

式中，WERA、WERB分别表示间作中仁用杏、作物的偏水分当量比，WUEint,A、WUEint,B、WUEmono,A、WUEmono,B分别表示间作、单作仁用杏水分利用效率和间作、单作作物水分利用效率。当WER＞1，说明间作提高了农田水分利用效率；WER＜1，说明间作降低了农田水分利用效率。

1.5 数据分析

采用Excel对试验数据进行整理分析并作图，用SPSS17.0软件（IBM，USA）进行方差分析（ANOVA），用Sufer8.0软件的半方差插值法（Kriging）分析仁用杏作物间作的土壤水分空间分布规律[24]。

2 结果与分析

2.1 间作对作物产量的影响

由表1可见，间作作物与单作的产量差异均达显著水平（P＜0.05），间作仁用杏与单作仁用杏产量差异均不显著，说明仁用杏与花生、谷子和甘薯间作中，仁用杏是优势作物，产量并未受到影响，而3种作物是劣势作物，间作对作物产量影响明显。2012年和2013年间作花生比单作花生产量分别减少70.8%、58.6%；间作谷子比单作谷子产量分别减少63.2%、45.7%；间作甘薯比单作甘薯产量分别减少67.7%、61.5%。从2a平均值看，间作作物与单作的产量差异均达显著水平（P＜0.05）。仁用杏与3种作物间作中，谷子产量减少最少，花生次之，甘薯减产最多，说明仁用杏与3种作物间作，对甘薯影响最大，谷子影响最小。单作与间作仁用杏产量差异并不显著，可见，仁用杏间作花生、谷子和甘薯能够提高土地产出。

表1 间作与单作模式下同种作物产量的比较（平均值±标准误，t·hm-2）

注：小写字母表示在0.05水平上的差异显著性。IP为仁用杏与花生间作，SP为单作花生；IM为仁用杏与谷子间作，SM为单作谷子；ISP为仁用杏与甘薯间作，SSP为单作甘薯；AIWP为间作花生的仁用杏，AIWM为间作谷子的仁用杏，AIWSP为间作甘薯的仁用杏，SA为仁用杏单作。下同。

Note: Lowercase indicates the difference significance at 0.05 level. IP is the intercropping peanut with apricot, SP is the sole planting peanut, IM is the intercropping millet with apricot, SM is the sole planting millet, ISP is the intercropping sweet potato with apricot, SP is the sole planting sweet potato, AIWM is the apricot intercropped with peanut, AIWP is the apricot intercropped with millet, AIWSP is the apricot intercropped with sweet potato, SA is the sole apricot. The same as below.

2.2 间作对水分利用效率的影响

由图4a可见，2012年和2013年花生生育期间，单作花生的水分利用效率（WUE）均显著低于间作（P＜0.05），分别降低了70.5%和62.7%，而同一种植模式在年际间的差异不显著。由图4b可见，单作谷子的WUE也均显著低于间作（P＜0.05），两个试验期分别降低了62.7%和52.0%，同一种植模式在年际间差异亦不显著。由图4c可见，两个试验期单作与间作甘薯WUE的差异也均达显著水平（P＜0.05），2012年和2013年间作甘薯比单作分别降低67.9%和63.2%，同一种植模式在年际间差异不显著。由图4d可见，两个试验期单作与间作仁用杏WUE均不显著，同一种植模式在年际间差异显著（P＜0.05）。由此表明，仁用杏与作物间作，仁用杏的水分利用效率并未受影响，而各种作物的水分利用效率受影响较大。

2.3 间作对土壤剖面水分分布特征的影响

2012年9月25日仁用杏作物间作土壤含水量变化规律如图5所示。由图中可见，间作土壤含水量均较低，主要是8月31日-9月25日累计降水量为48.0mm，降水量较少，加上作物正处在生殖生长的旺盛期，自身需水量较大，导致仁用杏与作物间作水分竞争明显。仁用杏与花生间作，水分竞争在水平方向上主要发生在距树体中间位（2.0-3.5m），垂直方向上发生0-0.5m；花生是浅根系作物，仅能利用表层土壤水分，而仁用杏可利用深层土壤水分。仁用杏与谷子间作整个生育期在水平和垂直方向上竞争较小，可能与谷子自身的抗旱性较强有关；仁用杏甘薯间作，水平方向上水分竞争发生在1.5-4.0m，垂直方向上发生在0-0.2m。

2013年9月20日仁用杏作物间作土壤含水量变化规律如图6所示。由图可见，间作土壤含水量也较低。仁用杏花生间作，水平方向水分竞争发生在整个作物条带（0.5-4.0m），垂直方向上发生在0-1.2m，竞争深度比2012年增加；仁用杏谷子间作，水分竞争主要发生在边行，比仁用杏花生间作竞争小；仁用杏甘薯间作，条带内均竞争激烈（0.5-4.0m），垂直方向上发生在0-1.8m。由此可见，仁用杏谷子间作的水分竞争较小，为提高水分当量比奠定了基础。

2.4 间作对系统水分当量比的影响

由表2可见，2012年3种间作的作物偏水分当量比、仁用杏偏水分当量比、系统水分当量比差异均不显著，但2013年作物偏水分当量比和系统水分当量比差异达到显著水平（P＜0.05），仁用杏谷子间作的作物偏水分当量比分别比仁用杏花生间作、仁用杏甘薯间作高34.8%和51.2%，且年际间差异达到极显著水平（P＜0.01），系统水分当量比分别高11.7%和17.7%，且年际间差异达到显著水平（P＜0.05）。各指标两年平均值与2013年表现一致，仁用杏偏水分当量比差异不显著，作物偏水分当量比和系统水分当量比差异达到显著水平（P＜0.05），用杏谷子间作的作物偏水分当量比分别比仁用杏花生间作、仁用杏甘薯间作高29.0%和32.4%，系统水分当量比分别高8.2%和9.9%。由表还可见，3种间作系统水分当量比均大于1，表现出较好的水分利用优势，其中仁用杏谷子间作系统的水分利用优势最明显，达到了1.45。

表2 各间作种植系统水分当量比的比较（平均值±标准误）

3 结论与讨论

3.1 讨论

多数研究表明，农林间作导致作物减产，由于各地区间作模式、气候资源等条件的不同，作物减产程度也不同。郭佳欢等[25]对枣麦间作研究表明，冬小麦减产幅度为24.7%～46.2%，产量降低明显；王冀川等[26]对核桃小麦间作研究表明，间作小麦较单作穗粒数降低13.4%～20.6%，收获穗数减少20.4％～20.7％，产量减少47.6%～74.5%。本研究结果表明，仁用杏作物间作对作物产量影响显著（P＜0.05），间作花生、谷子、甘薯产量比单作平均减少65.1%、54.3%、64.7%，间作仁用杏与单作产量差异不显著。与前人研究结果一致。

农林间作系统土壤水分分布特征是反映土壤水分利用关系最直接的指标之一，多数研究认为，靠树木越近的区域土壤水分含量越低；另外树木与作物根系垂直方向上的错位，加上降温、降风等小气候因素的影响，土壤水分在垂直方向上的分布也不同[1]。裴保华等[10]对杨树作物间作研究中发现，两者的竞争主要发生在土层深度的30cm处；张劲松等[14]对苹果小麦间作研究发现，带距40-120cm的位置是主要水分竞争区域。农林间作土壤水分空间分布研究结果不同主要是由于种植模式、当地气候条件、降雨量、土壤条件等诸多因素所致。本研究结果表明，仁用杏花生、谷子和甘薯间作土壤水分竞争程度不同，仁用杏谷子间作的水分竞争最小，水分竞争主要发生在边行，与前人研究结果略有不同。

众多学者也证实了农林间作能够提高水分利用效率[27-28]，陆光明等[29]对泡桐树玉米、小麦间作研究发现，间作系统的水分利用效率比玉米和小麦单作分别提高16.1%和15.2%。孟平等[30]对梨树小麦间作研究发现，间作系统0-2m的土壤耗水量比单作增加11.8%，水分利用效率增加8.7%。关于农林间作系统水分当量比的研究相对较少，主要集中在作物间作。Mao等[22]对玉米豌豆间作的研究发现，间作系统的水分当量比大于1；董宛麟等[21]对向日葵马铃薯间作的研究发现，间作系统水分当量比也大于1。本研究结果表明，仁用杏谷子间作系统水分当量比比仁用杏花生间作系统、仁用杏甘薯间作系统分别高8.2%和9.9%，且均大于1，表现出了较好的水分利用优势，其中仁用杏谷子间作系统的水分利用优势最为明显，达到1.45。与前人研究结果一致。

3.2 结论

（1）仁用杏作物间作对作物产量影响显著（P＜0.05），间作花生、谷子、甘薯产量比单作平均减少65.1%、54.3%、64.7%，间作仁用杏与单作产量差异不显著，由于单作与间作仁用杏产量差异并不显著，故认为仁用杏间作花生、谷子和甘薯，可显著提高土地产出。

（2）仁用杏谷子间作系统水分当量比比仁用杏花生间作系统、仁用杏甘薯间作系统分别高8.2%和9.9%，且均大于1，表现出较好的水分利用优势，其中仁用杏谷子间作系统的水分利用优势最明显，达到1.45，主要是由于仁用杏谷子间作的水分竞争较小所致。

综合分析认为，仁用杏谷子间作最能适宜当地的生态环境，在东北风沙半干旱区具有较强的应用前景。另外本文仅从3种间作模式作物产量及水分利用角度进行了研究，而关于养分互作机理、微生物活性等科学问题仍需进一步深入研究。

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Effect of Intercropping in Apricot Orchard on the Crops Yield and Water Use Efficiency in Semi-arid Area

BAI Wei, SUN Zhan-xiang, ZHENG Jia-ming, DU Gui-juan, CAI Qian, FENG Liang-shan, YANG Ning

(Tillage and Cultivation Research Institute, Liaoning Academy of Agricultural Sciences/Engineering Research Centre for Dryland and Water-Efficient Farming of Liaoning Province, Shenyang 110161, China)

Investigation of the effects of the apricot intercropping system on crop yield and water use efficiency is widely accepted to be very important for putting forward the optimal intercropping model suitable for the semi-arid region of northeast China. The apricot intercropping system was used as a test objects, a field experiment was conducted from 2012 to 2013 on the wind and sand semi-arid area of northeast China. The designed seven treatments were apricot-peanut intercropping (IP), apricot-millet intercropping (IM), apricot-sweet potato intercropping (ISP), sole apricot (SA), sole peanut (SP), sole millet (SM) and sole sweet potato (SSP). The yield, water use efficiency, water equivalent ratio and soil moisture were recorded. The results showed that the average yield of peanut, millet and sweet potato in intercropping system was 65.09%, 55.28% and 64.68% lower than that of sole cropping, respectively. But there was no difference in the yield between apricot intercropping and sole cropping. The water equivalent ratio of the apricot intercropping was more than 1, showing a better water use advantage. Furthermore, the water equivalent ratio of apricot-millet intercropping was the highest, reaching 1.45, and 8.2% and 9.9% higher than that of apricot-peanut intercropping and apricot-sweet potato intercropping, respectively, while spatial distribution of soil moisture content convinced this water use advantage in apricot-millet intercropping. The comprehensive analysis showed that the apricot-millet intercropping is suitable for the local ecological environment, and it has a good application value in the development of rain-fed agriculture the semi-arid area of northeast China with heavy sand erosion due to windy climate.

Agro-forestry; Yield; Water use efficiency; Water equivalent ratio; Semi-arid area

2017-02-14

国家重点研发计划（2016YFD0300204）；国家自然基金面上项目（31170407）

白伟（1982-），副研究员，博士，主要从事旱地耕作制度理论与技术研究。E-mail：libai200008@126.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.09.005

**通讯作者。E-mail：sunzhanxiang@sohu.com

白伟,孙占祥,郑家明,等.风沙半干旱区仁用杏间作对作物产量和水分利用的影响[J].中国农业气象,2017,38(9):574-582