苜蓿—冬小麦带式间套对土壤水分的影响

穆阳阳，岳喜天，张晓红

（1.山西师范大学地理科学学院，山西临汾 041004；2.河南农业大学农学院，河南郑州 450002）

间套作是我国传统农业的精髓，其已经存在两千多年，从过去的低投入低产出演变为现代的高投入高产出，必然蕴含重要的科学原理，在我国粮食生产中具有重要的地位[1-3]。孙浩峰，王延平等的研究结果表明，同玉米单播相比较，苜蓿—玉米间作田地表径流量显著降低，土壤水分利用效率显著提高［4-5］。苜蓿—玉米间作条件下,不同作物根系分布密度和入土深度不同，增加了作物根系吸收土壤水分的面积，提高了作物对不同土层土壤水分的利用效率［6-7］。豌豆—玉米间作将两种作物的最大需水期分异，并让水分的获得量和利用效率都达到了最大化，提高水分利用[8]。马铃薯、玉米、大荚豌间套作能最大发挥土地的效益，保证粮食产量[9]。豆科与非豆科间套作，有利于保护农田生态环境和维持农业可持续发展[10]。间套作体系由于不同物种作物的根系特征差异,就会产生水分的补偿利用[11-12]。我国行间套作的种类多，分布广，总的特点是东部间套作种类多于西部，南方高于北方[13-14]。但是在小麦主产区研究苜蓿—冬小麦的比较少，豫东地区位于黄淮海平原的腹地，是我国重要的小麦主产区，因此合理地利用季节水分和互调余缺机制十分重要。苜蓿作为一种多年生深根作物，根系每年向下延伸，形成“安全网”对土壤水分进行截获，与不同行数的小麦带式间套以后，了解土壤水分变化趋势，将水分利用效率达到最大化，获得理想的间套优势。为此，本研究以小麦种植为主的豫东地区进行大田试验，探索我国小麦主产区苜蓿—冬小麦带式间套对土壤水分的影响，建立合理间套体系使水分利用效率达到最大化，实现保护性耕作。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于河南省商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站（北纬 34°35′13′′，东经 115°34′30′′，海拔 55.6 m）。该地区属于暖温带亚湿润季风性气候，多年平均降雨量708 mm，降雨集中在7～9月份，多年平均气温13.9℃，无霜期230 d。试验期间，年际降雨变化大，主要集中在6～9月，此期间月温度变化不大，3～5月为苜蓿种植和生长的前期，降雨比较少，月温度极值变化比较大。降水的分布和月温度的极值变化对作物生育期间土壤水分的变化均有一定的影响。开展本试验前，试验地连续多年实行冬小麦—夏玉米周年两熟种植，土壤类型为潮土，成土母质为黄河冲积物0～40 cm土层。2017年4月9日开始实施苜蓿—冬小麦间套作时，苜蓿播种前0～40 cm土层，土壤容重1.42 g·cm-3，田间持水率为 17.41%～20.30%（质量含水率)，40～100 cm土层的土壤容重及田间持水量分别为 1.34 g·cm-3和 22.24%～27.76%。2016—2017年冬小麦拔节期（2017年2月19日）追施复合肥料（N-P2O5-K2O=30：10：0）600 kg·hm-2，2017—2018年冬小麦拔节期（2018年 3月7日）追施复合肥料（NP2O5-K2O=27：7：6）600 kg·hm-2。试验开始时土壤基础肥力情况，如表1所示。

表1 试点土壤养分基本状况

1.2 试验方法与设计

试验地为冬小麦建植地，于2016年秋季机播，播量为 225 kg·hm-2，品种为新原 958；苜蓿于2017年4月9日在去除部分小麦后人工播种，供试苜蓿品种为美国进口MATTWI包衣种子，播种量125 kg·hm-2。带式间套设两个处理，每个处理三个重复，苜蓿：小麦行数比为1 m：1 m与1 m：2 m，套作每个小区长20m，宽5m，小区处理面积为100m2,苜蓿—苜蓿行距30 cm，小麦—小麦行距20 cm。试验设单播小麦（CK-X）和单播苜蓿（CK-M）作为小麦和苜蓿带式间套的对比。

1.3 土壤水分测定

2017年4月苜蓿播种前采集试验区0～100 cm土层土壤样品，每10 cm一层，用烘干法测定土壤质量含水量作为基样对照，之后于2017年6月麦收后，10月份种麦之前，以及2018年4月小麦拔节前，2018年6月麦收后，在各处理小区内的苜蓿行和小麦行上分别进行0～100 cm深度内的分层用烘干法测定土壤质量含水量。

土壤储水量为：

其中，Dw表示土壤储水量（mm），θv为体积含水量（%），h为土层厚度（cm）,θm为质量含水量（%）,ρ为土壤容重。

土壤阶段耗水量为：

其中，△W为土壤阶段耗水量（mm），Dw1为生育阶段初0～100 cm土壤储水量（mm），Dw2为生育阶段末0～100 cm土壤储水量（mm）。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0和Excel 2010进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理方式的土壤水分剖面特征

2017年6月气温升高，地表蒸发旺盛，加之小麦成熟，苜蓿生长旺盛，耗水量大，小麦和苜蓿两种带式间套的土壤水分含量在0～70 cm以上明显高于单播小麦和单播苜蓿（图1）。5m-M1、5m-M2两个处理中土壤质量含水量均在30 cm处最低（5m-M120.87%，5m-M219.27%）；5m-X1、5m-X2两个处理中土壤质量含水量分别在20 cm与30 cm处最低（5m-X122.90%，5m-X222.13%）。受降水影响，各处理0～20 cm较4月基样相比较均有不同幅度的提高，80 cm以下只有单播小麦比基样大幅度降低，其他与基样基本持平。CK-X的土壤含水量波动降低，在 0～100 cm小于 5m-X1、5m-X2。CK-M 在 0～80 cm 小于 5m-M1、5m-M2，80 cm 以下与5m-M1、5m-M2基本持平。

图1 2017年6月7日不同处理土壤质量含水量

2017年7～10月耗水量主要来自苜蓿，此时5m-M1、5m-X1的土壤含水量大致相同，在 20～80 cm深度内均明显高于单播小麦，低于单播苜蓿，5m-M2、5m-X2的土壤含水量与单播苜蓿基本持平，高于小麦单播（图2）。5m-M1、5m-M2两个处理中土壤质量含水量均在30 cm和20 cm处最低（5m-M122.39%，5m-M221.96%）；5m-X1、5m-X2两个处理中土壤质量含水量分别在30 cm与 10 cm 处最低（5m-X123.05% ，5m-X220.89%）。10月处于豫东地区雨季，降水增多，较4月基样比较，均大幅度增加，在20～40 cm处与单播小麦基本持平。

图2 2017年10月26日不同处理土壤质量含水量

2018年3月，小麦、苜蓿结束越冬期，开始返青期。5m-M1、5m-X1的土壤含水量与单播小麦和单播苜蓿基本持平，5m-M2、5m-X2在 40～90 cm处高于单播小麦，与单播苜蓿持平（图3）。3月豫东地区气温开始回升，蒸发变大，此时降水较少，苜—冬小麦返青，需水量增加，小麦和苜蓿两种带式间套都是10 cm处土壤含水量最低（5m-M116.51%，5m-M217.47%，5m-X116.50%，5m-X216.01%）。在50 cm以上略低于两个小麦和苜蓿带式间套，50 cm以下基本持平。

图3 2018年3月17日不同处理土壤质量含水量

2018年6月小麦麦收后，苜蓿第一次刈割。小麦，苜蓿根系主要分布在60～80 cm处，单播苜蓿在70 cm以上呈上升趋势，70 cm以下急剧下降，单播小麦呈下降趋势，60～80 cm处急剧下降，5m-M1、5m-X1的土壤含水量波动上升，30～80 cm处，单播苜蓿大于5m-M1、5m-M2，80 cm以下小于5m-M1、5m-M2，70 cm 以上单播小麦大于 5m-X1、5m-X2，70 cm以下5m-X2土壤含水量急剧上升，远大于单播小麦（图4）。此时豫东平原最高气温达到38.9℃，蒸发旺盛，加之降雨少，耗水量大，小麦和苜蓿两种带式间套都是10 cm处土壤含水量最低（5m-M112.01%，5m-M213.51%，5m-X18.44%，5m-X210.81%）。在40 cm以上与基样基本持平，40 cm以下较基样相比均有不同程度的降低。

图4 2018年6月8日不同处理土壤质量含水量

2.2 不同处理方式中苜蓿行与小麦行土壤水分状况

在田间配置方式上，同时设置了带式间套处理，不同带式间套处理中0～100 cm土层土壤储水量与单播苜蓿、单播小麦的土壤储水量在不同时期的对比如图5所示。2017年6月7日，两种带式间套0～100 cm土壤储水量大于单播苜蓿与单播小麦，相差最大层出现在20～40 cm，此时CK-X的土壤储水量显著低于5m-X1(P＜0.05)，5m-X1又显著低于 5m-X2(P＜ 0.05)。5m-M1、5m-M2分别比 CK-M 高 18.85 mm、14.77 mm，土壤储水量为5m-M1＞5m-M2＞CK-M，与单播苜蓿相比5m-M1、5m-M2处理增加 6.34%、5.01%；5m-X1、5m-X2分别比 CK-X 增加 62.13 mm、77.52 mm，土壤储水量为5m-X2＞5m-X1＞CK-X，与单播小麦 相 比 5m-X1、5m-X2处 理 增 加 24.41%、30.46%。

2017年7～10月为苜蓿单独生长期，带式间套两种苜蓿行生长优于单播苜蓿，耗水量大，苜蓿根系发达，逐渐形成“营养泵”，将水分、养分充分利用，单播苜蓿土壤储水量大于两种苜蓿行，两个小麦行土壤储水量大于单播小麦，苜蓿行与单播苜蓿土壤储水量相差最大的土层在60～80 cm，小麦行40～60 cm，处理间差异并不显著(P＞0.05)。5m-M1、5m-M2分别比 CK-M 低 20.09 mm、15.32 mm，土壤储水量为 CK-M＞5m-M2＞5m-M1，与单播苜蓿相比 5m-M1、5m-M2处理减少 5.45%、4.15%；5m-X1、5m-X2分 别 比 CK-X 增 加 2.23 mm、10.07 mm，土壤储水量为 5m-X2＞5m-X1＞CK-X，与单播小麦相比 5m-X1、5m-X2处理增加0.65%、2.92%。

2018年3月17日，经过越冬期，两种苜蓿行的土壤储水量超过单播苜蓿，单播小麦大于5m-X1，略低于5m-X，苜蓿行与单播苜蓿土壤储水量相差最大的土层在0～20 cm，小麦行20～40 cm，处理间差异并不显著(P＞0.05)。5m-M1、5m-M2分别比 CK-M 高 4.35 mm、10.07 mm，土壤储水量为5m-M2＞5m-M1＞CK-M，与单播苜蓿相比 5m-M1、5m-M2处理增加 1.41%、3.27%；5m-X1比 CK-X减少 11.49 mm，5m-X2比 CK-X 增加 5.25 mm，土壤储水量为 5m-X2＞CK-X＞5m-X1，与单播小麦相比 5m-X1减少 3.66%，5m-X2处理增加1.67%。

2018年6月8日，单播苜蓿的土壤储水量大于两种苜蓿行，单播小麦大于5m-X1，低于5m-X2，两个苜蓿和小麦行与单播差距最大的土层在80～100 cm处，此时CK-X与5m-X1处理间差异并不显著（P＞0.05），两者与 5m-X2差异显著（P＜0.05）。5m-M1、5m-M2分别比 CK-M 低5.38 mm、3.67 mm，土壤储水量为 CK-M＞5m-M2＞5m-M1，与单播苜蓿相比5m-M1、5m-M2处理降低2.03%、1.38%；5m-X1比 CK-X 减少 6.05 mm，5m-X2比CK-X增加22.23 mm，土壤储水量为5m-X2＞CK-X＞5m-X1，与单播小麦相比 5m-X1减少 2.54%，5m-X2处理增加 9.32%。

图5 不同时期苜蓿行、小麦行土壤储水量对比

2.3 不同处理方式对水分的消耗利用

要提高对水分的利用效率，需了解苜蓿、冬小麦的水分利用规律。2017年10月26日—2018年3月17日为苜蓿—冬小麦共同生育期，作物耗水少于降水补充，是水分收蓄累积阶段，各处理分层土壤耗水量及其百分比见表3。在此期间，CK-X的土壤耗水量显著高于5m-X1（P＜0.05），此时 CK-M 的土壤耗水量显著高于5m-M2、5m-M1（P＜0.05），5m-M1与 5m-M2处理间差异并不显著（P＞0.05）。5m-X1的主要耗水量在40～60 cm，5m-X2耗水量主要集中在0～20 cm土层，分别占总消耗量的 61.8%和70.8%，5m-X1在 60～80 cm 处水分累积，5m-X2在80～100 cm处水分盈余，未发生水分消耗，5m-X2蓄水量大于5m-X1，单播小麦的主要耗水量在 0～20 cm处，占总耗水量的60.7%，在 20～60 cm处水分累积，此时的土壤耗水量为5m-X1＞5m-X2＞CK-X；5m-M1的主要耗水量在 40～60 cm，5m-M2的土壤耗水量主要在 0～20 cm，分别占总耗水量的 62.5%和 56.8%，5m-M1、5m-M2在60～100 cm处产生水分盈余，单播苜蓿的土壤耗水量主要集中在20～40 cm，占总耗水量的 29.6%，此时的土壤耗水量为 CK-M＞5m-M1＞5m-M2。

表3 2017年10月26日—2018年3月17日带式间套分层土壤耗水量及其比例

2018年3月—2018年6月，小麦从返青期至蜡熟，抽穗到成熟耗水量占全生育期35%～40%[15-16]，苜蓿进入盛花期，需水量大，加之地表蒸发旺盛，此时土壤耗水量增大，各处理分层土壤耗水量及其比例见表4。在此期间，CK-X的土壤耗水量显著高于5m-X2（P＜0.05），5m-X1的主要耗水量在0～20 cm，5m-X2耗水量主要集中在60～80 cm土层，分别占总消耗量的23.0%和31.5%，单播小麦的主要耗水量在80～100 cm处，占总耗水量的40.3%，此时的土壤耗水量为CK-X＞5m-X2＞5m-X1；5m-M1、5m-M2和单播苜蓿的主要耗水量都在80～100 cm，分别占总耗水量的33.3%、25.3%、57.6%，此时的土壤耗水量为 5m-M2＞5m-M1＞CK-M。

表4 2018年3月17日—2018年6月8日带式间套分层土壤耗水量及其比例

3 讨论与结论

间套作有利于创造适宜的土壤水分环境供作物生长发育[17]，甘蔗种植的地区，甘蔗与玉米、辣椒以及某些豆类植物间套作种植，可以刺激甘蔗的生长，有效防止土壤水分流失[18]。这与本文研究结果一致。本研究表明当苜蓿—冬小麦带式间套时，抽穗至成熟期为主要耗水期，作物共同生长，此时5m-X2的耗水量最小，储水量增加，为作物生长发育提供适宜的土壤水分环境。在2017年6月7日、2017年10月26日、2018年3月17日和2018年6月8日测定5m-X2土壤储水量较单播小麦相比分别增加30.46%、2.92%、1.67%、9.32%，5m-M2土壤储水量较单播苜蓿相比 2017年 10月与 2018年 3月分别 4.15%、3.27%。小麦—玉米间套作水分利用效率较单作提高18%～99%[19]。带式间套后，耗水量在2017年10月—2018年3月大致持平，2018年3～6月则显著性低于单播小麦，耗水量在2017年10月—2018年3月显著低于单播苜蓿，2018年3～6月无显著性差异。说明要使土壤水分利用率达到最大化，间作作物种类的优选、组合和间套带宽非常必要的。苜蓿是多年生草本豆科植物，苜蓿根系不断生长，不同模式下苜蓿根系何时相交，形成“安全网”对土壤水分进行截流，土壤水分的利用率会如何变化有待探索。

通过对土壤含水量、土壤储水量、土壤耗水量的分析，当为1 m：2 m带式间套体系时，对水分利用有促进作用，提高水分的转化效率和供给植物的水分有效性，错开作物蓄水高峰期，充分利用土壤水分，增强作物生育期内热量与水资源的协调性。