南疆地区田间配置对枣棉间作耗水特性的调控效应

徐 鹏，陈国栋，吴全忠，翟云龙，冯福学，李 玲，万素梅，王沛娟

(1.塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300；2.中国农业科学院棉花研究所 塔里木大学棉花科学学院，新疆 阿拉尔 843300；3.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

枣棉间作系统是一种集约化利用土地资源的农林间作复合系统[1-3]。这种整合方式通过充分利用土地资源，增加间作系统作物多样性，实现果树和棉花的经济效益最大化[4]。新疆地处亚欧大陆腹地，特殊的地理环境造成了水分的不均衡性，近年来，各地的水资源匮乏，出现了需求大于供给的局面[5-6]，南疆阿拉尔垦区位于塔里木盆地腹地，水资源的缺乏加之农业生产上灌溉水资源的浪费，使农果间作面积逐年缩减，农果间作的产量和效益随之降低，这与响应国家“稳棉、增粮、兴畜、促果”战略的农果间作发展理念不符，所以现阶段急需基于限量供水的农林间作节水增效理论和技术研究[7-9]。目前，许多学者认为合理的农林间作复合系统种植模式可以有效增加农林生产系统效益、提高水分利用率[10-12]，也有研究者认为农林间作复合系统需要从物种组合、种植结构、田间配置、水肥运筹等方面进行研究，建立一套能够指导间作制度应用的理论体系[13-15]，为农果间作技术体系的应用提供技术支撑。

间作系统田间配置主要指不同作物在复合群体中的占地比、株行距以及两种作物共处期的长短而产生的空间占有量。不同田间配置方式的研究中，例如前人研究认为花生大垄双行生产力最高，群体结构种植配置适宜，能够充分利用光能、灌水量、土壤贮水量等，提高产量和水分生产力[16-17]。武进普等[18]认为，间作种植比单作种植需水量大，耗水量随不同灌水量的提高而增加，同时利用少耕留茬的技术措施，可在间作模式中通过提高灌水量来降低作物的耗水量。柴强等[19]认为，与传统灌溉模式相比，交替灌溉可显著降低间作的耗水量。冯福学等[20]认为间作耗水量随灌水量和施氮量的增大而提高，水分利用率随灌水量的增大而减小，在施氮量150 kg·hm-2、灌溉定额337.5 mm时，既能高产，又能提高水分利用率。陈国栋等[21]认为在中等灌水水平下，间作作物的产量高于低灌水水平，与高灌水水平差异不显著，且水分利用率最高。纵观以往有关对间作水分利用的研究，大部分都是针对作物与作物间作的耗水机制研究，但对于农果间作复合系统耗水特性的研究较少，本研究以枣树间作棉花为对象，在不同田间配置下，通过研究间作复合系统耗水特征、产量、水分利用效率和水分当量等指标来分析田间配置对枣棉间作耗水特性的调控效应，为南疆地区农果间作技术的建立提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验在塔里木大学园艺试验站(40°32′20″N，81°17′57″E)进行。试验区位于新疆塔里木盆地北部，属暖温带大陆干旱荒漠区，海拔1 015 m，无霜期220 d，多年平均降水量约47 mm，年蒸发量约2 218 mm，年平均气温10.8℃，≥0℃和≥10℃的积温分别为3 910℃和4 113℃；年均太阳辐射610 kJ·cm-2，日照时数2 900 h，4—10月平均日照长9.5 h。土地资源广阔，光热资源丰富，日照时数长，昼夜温差大，降水稀少，适于发展林果业和种植棉花。土壤类型为粘壤土，土壤容重1.29 g·cm-3,碱解氮33.6 mg·kg-1，速效钾107.3 mg·kg-1，速效磷18.7 mg·kg-1，有机质7.79 g·kg-1，总盐2.01 g·kg-1。枣园间作是当前塔里木盆地作物种植的重要模式之一，其中枣棉间作效益较好，试验期间有效降雨量77.6 mm，高于多年平均降雨量，为典型丰水年(图1)。

图1 棉花生育期内灌水量和降雨量分布情况Fig.1 Irrigation amount and precipitation distribution during the cotton growth period

1.2 试验设计

试验设2种种植模式(间作和单作)和2种田间配置模式(枣树行间棉花种植行数和棉花株距)，以枣树、棉花单作为对照料，共9个处理(表1)，每处理3次重复，田间随机排列，共27个小区，小区面积为3 m×10 m。棉花采用地膜覆盖，灌溉方式为滴灌，灌溉制度见图1。

供试棉花品种为瑞杂一号，2018年4月13日播种，于10月8日进行第一次收获；枣树为成龄(第五年)灰枣，株行距配置为1 m×3 m，于10月20日收获。施肥情况按照红枣、棉花施肥标准，各处理间红枣和棉花的施肥量、灌水量均一致，试验地其他管理措施同大田。

1.3 测定指标及计算方法

1.3.1 土壤含水量 在棉花播前和收获后用取土烘干法分别测定0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm等5个土层的土壤含水量，于棉花带中央和枣树与棉花中央设2个取样点(图2)，以2个点的平均值作为一个小区的土壤含水量测定值。

表1 试验处理及代码

图2 枣树间作棉花田间示意图Fig.2 Field layout of jujube-cotton intercropping

1.3.2 土壤贮水量与土壤贮水消耗量 不同土层的土壤贮水量为：

W=θm×ρb×H×10

式中，W为土壤贮水量(mm)，θm为土壤质量含水量(%)，ρb为土壤干容量(g·cm-3)，H为土壤深度(cm)，10为单位转换系数。土壤贮水消耗量计算公式为：ΔW=W播前-W收后。

1.3.3 棵间蒸发量 用自制的微型蒸渗仪(Micro-Lysimeter)测定。微型蒸渗仪用内径10 cm、壁厚5 mm、高15 cm的PVC管制作。每次取土时将其垂直压入作物行间土壤内，使其顶面与地面齐平，取原状土，然后用塑料胶带封底；另用内径为12 cm 的PVC管做成外套，固定于行间，使其表面与附近土壤持平，操作时不能破坏周围土体结构。用电子天平称重测定，3 d内重量的差值为蒸发量(mm)。为保证微型蒸渗仪内部的土壤水分剖面与周围土壤相一致每隔3～5 d 更换原状土1次，降雨或灌溉后立即更换。间作小区均安置两套微型蒸渗仪(图2)，单作小区安装一套，间作各小区棵间蒸发量为小区内蒸渗仪测定值的平均值。

1.3.4 作物阶段耗水量与总耗水量 作物阶段耗水量为：

ET=P+I+ΔW(t1-t2)+K

式中,P为t1至t2生育阶段降水量(mm)，I为t1至t2生育阶段灌溉量(mm)，ΔW(t1-t2)为t1至t2生育阶段土壤贮水消耗量(mm)，K为阶段内地下水补给量(mm)。由于试区地下水位极深不存在向上的水分流量，在节水灌溉条件下，水分渗漏量和径流量可以忽略不计。全生育期总耗水量为：

ET=P+I+ΔW

1.3.5 水分利用效率与水分当量比 作物水分利用效率为：

WUE=Y/ET

式中,WUE为水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y为经济产量(kg·hm-2)；ET为生育期总耗水量(mm)。

间作水分当量比为：

WER=WERj+WERc=WUEjI/WUEjS+WUEcI/WUEcS

式中，WER为间作水分当量比，WERj、WERc为间作系统中红枣、棉花的相对水分利用效率，WUEjI、WUEjS，WUEcI、WUEcS分别表示间作、单作红枣水分利用效率和间作、单作棉花水分利用效率。当WER<1 时，说明间作相对于单作降低了农田系统的水分利用效率；当WER>1 时，说明间作提高了水分利用效率。

1.3.6 蒸散比(E/ET) 是棵间蒸发占蒸散量的比例，用于衡量水分利用率高低的指标，E/ET越大表示水分利用率越低。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007 进行数据整理，用SPSS 17.0进行方差分析和显著性检验(LSD法)，用origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 田间配置对农田总耗水量及其来源的影响

种植模式和田间配置对农田总耗水量、灌溉水消耗量、降水消耗量及土壤贮水量消耗量均有显著影响，南疆地区作物耗水主要来源于灌溉水(表2)。3种种植模式的耗水量比较，枣棉间作模式的总耗水量最大，单作棉花次之，单作枣树最小。以单作作物耗水量平均值为对照，与间作作物耗水量平均值进行比较，结果发现，枣棉间作耗水量较单作增加 9.5%，说明极端干旱区间作群体的总耗水量高于单作。在不同田间配置下间作耗水量比较，总耗水量随着棉花行数的增加而显著增加，随着棉花株距的增大而减少，但差异不显著。与单作相比，4行棉花处理和6行棉花处理耗水量分别增加6.9%～10.9%和14.7%～16.9%，且增加趋势显著。不同间作处理间比较，6行棉花处理较2行棉花处理显著增加耗水量9.1%～13.9%，I5和I6处理较I4分别显著增加耗水量9.3%和7.2%，I3处理较I2处理显著增加耗水量8.0%。同时，由表2可知，间作土壤贮水量与总耗水量的比例显著高于单作，以3种模式的平均数进行比较，间作土壤贮水量消耗量较单作棉花高53.0 mm，较单作枣树高62.7 mm，较单作加权高57.9 mm,说明间作群体较单作有利于土壤贮水的利用。土壤贮水消耗量随着棉花行数的增加、株距的减小而显著增大，6行棉花处理分别较4行和2行棉花处理显著提高土壤贮水消耗量35.2 mm和66.3 mm，I3较I4、I1、I2处理分别高24.4、35.9 mm和50.6 mm，I1较I2处理高14.7 mm。由此表明，在一定的范围内，增加枣棉间作群体中棉花的行数或减小棉花株距有利于促进土壤贮水的利用。

表2 不同处理田间耗水量的水分来源及其占总耗水量的比例

注：同列数据后不同字母表示LSD检测在P<0.05水平上差异显著，下同。

Note: Values in the same column show significant difference atP<0.05 level, the same below.

2.2 田间配置对土壤贮水消耗量垂直分布的影响

如图3所示，不同处理生育期内0～100 cm土层的土壤贮水消耗量受种植模式和田间配置的影响。土壤贮水消耗量除I2处理60～100 cm土层低于单作枣树外，间作处理5个土层都显著高于单作。单作枣树主要消耗60～100 cm土层的土壤水分，单作棉花则主要消耗0～60 cm土层的土壤水分，且棉花株距影响60～80 cm土层的土壤贮水消耗量。分析间作群体的土壤贮水消耗量，40～60 cm土层土壤贮水消耗量最高，20～40 cm土层次之，80～100 cm土层最低。不同田间配置下间作土壤贮水消耗量比较，6行棉花处理0～60、80～100 cm土层土壤贮水消耗量显著高于4行和2行棉花处理，4行棉花处理40～80 cm土层土壤贮水消耗量显著高于2行棉花处理；20～80 cm土层(6行棉花)、0～100 cm土层(4行棉花)和0～20、60～100 cm土层(2行棉花)土壤贮水消耗量随着棉花株距的减小而显著增大。上述结果说明，单作枣树对土壤深层水分利用较多，单作棉花则主要消耗浅层土壤中的水分，枣棉间作能够较好地利用土壤各层的水分，就土壤贮水利用而言，增加棉花行数或减小株距有助于促进40～80 cm土层土壤贮水的利用。

2.3 田间配置对各生育时期农田棵间蒸发量(E)、阶段耗水量(ET)及E/ET的影响

不同处理生育期内的棵间蒸发量主要受种植模式和田间配置的影响，而且不同时期棵间蒸发量对田间配置的响应不同(图4)。3种种植模式下比较，棵间蒸发总量表现为单作枣树最大，枣棉间作次之，单作棉花最小，分别为267.0、222.5 mm和200.8 mm；与单作加权平均比较，间作棵间蒸发总量较单作低11.4 mm，说明在一定程度上间作群体较单作能够抑制农田蒸发。不同田间配置下比较，6行棉花处理棵间蒸发总量较2行和4行棉花分别降低33.7 cm和24.2 cm；改变棉花株距各处理间的棵间蒸发量无显著差异。

不同处理作物生育期内的蒸散比因种植模式和田间配置的不同而不同(图5)，3种种植模式下比较，枣棉间作E/ET较单作加权平均低13.5%。不同田间配置下比较，6行棉花处理E/ET值较4行和2行棉花分别低16.0%和22.2%，I3、I4处理E/ET值较I2处理分别低10.1%和8.0%，同总蒸发量相似，改变棉花株距各处理间的E/ET值无显著差异。

图3 不同处理全生育期0～100 cm 土层土壤贮水消耗量Fig.3 Soil water consumption in 0～100 cm soil layer of whole growth period under different treatments

图4 不同处理生育阶段棵间蒸发量动态变化Fig.4 Dynamic change of inter-tree evaporation during cotton growth stage in different treatments

注：图中小写字母表示处理间在P<0.05水平差异显著。Note: The lowercase letters in the figure indicate that there is a significant difference between treatments at P<0.05 level.图5 不同处理的蒸散比Fig.5 Soil evaporation to evapotranspiration ratio in different treatments

为进一步明确枣棉间作耗水特征，分析了不同处理各生育时期E、ET及E/ET的变化，结果表明(表3)，苗期E/ET值最大，为42.43；花铃期次之，为21.05；吐絮期最小，为10.89。花铃期E最大，为64.98 mm，苗期次之，为38.83 mm，吐絮期最小，为11.04 mm。花铃期ET同样最大，为310.88 mm，蕾期次之，为143.82 mm，苗期最小，为92.10 mm。说明苗期是减少土壤无效蒸散的关键时期，花铃期是间作棉田耗水的主要时期。

不同种植模式，各生育时期E、ET及E/ET的变化趋势基本一致。单作枣树的E和E/ET值都最高，E最高为79.79 mm(棉花花铃期)，E/ET值最大为52.02 mm(棉花苗期)，枣棉间作ET最高，为320.31 mm(棉花花铃期)。田间配置影响各生育时期E、ET及E/ET，苗期间作2行棉花处理的E和E/ET最大，分别较4行、6行处理高20.2%和15.3%、28.5%和33.5%，6行棉花处理的ET最大，分别较2行和4行处理高8.4%和15.8%；蕾期2行、4行棉花处理的E和E/ET显著高于6行棉花处理，分别较6行处理高14.2%和13.7%、27.2%和21.0%，6行棉花处理的ET最大，较2行处理高11.5%；花铃期各处理的E差异不显著，ET和E/ET除I3外无显著差异。吐絮期2行棉花处理的E最大，分别较4行、6行处理高23.6%、15.2%，2行、4行棉花处理的E/ET显著高于6行棉花处理，分别较6行处理高37.1%、53.0%，6行棉花处理的ET分别较2行和4行处理高18.8%和45.6%，2行棉花处理的ET较4行处理高22.6%。棉花株距影响花铃期、吐絮期ET和E/ET，花铃期I3处理的ET最大，E/ET最小，吐絮期I3处理的ET最小，E/ET最大。结果表明，增加棉花行数有利于减少无效蒸散量，棉花行数为4行时，减少棉花株距能够显著提高间作水分的有效性。

2.4 田间配置对枣棉间作产量、水分利用效率和水分当量比的影响

种植模式和田间配置对经济产量和水分利用效率具有显著的影响。与单作加权平均比较，枣棉间作较单作经济产量增加36.9%，WUE提高24.8%；随棉花种植行数的增加，间作棉花产量、间作群体产量和间作棉花WUE、间作群体WUE均呈先增大后减小的趋势，间作4行棉花处理的棉花产量、群体产量和棉花WUE、群体WUE分别较间作2行高42.2%、8.1%和37.1%、4.4%，较间作6行高7.9%、14.0%和14.8%、21.2%；红枣产量和WUE呈降低趋势，间作6行棉花处理的红枣产量和WUE分别较间作2行低28.5%和35.3%，较间作4行低17.5%和22.5%，间作4行棉花处理的红枣产量和WUE分别较间作2行低13.7%和16.6%；随着株距的增大，棉花产量呈降低趋势，红枣产量、群体产量呈增加趋势，I5处理棉花产量较I6高9.0%，I1处理红枣产量、群体产量较I2分别增加14.4%和8.1%，I3处理红枣产量较I4增加9.1%；WUE随株距变化趋势同产量，I5处理WUE较I6高6.9%，I1处理红枣WUE、群体WUE较I2分别增加14.5%和8.0%，I3处理红枣WUE、群体WUE较I4分别增加13.1%和6.7%。从枣棉间作综合效益来看，I4处理产量和水分利用效率均最高，即棉花种植行数为4行，株距为12.5时，枣棉间作具有最高的产量(7 460 kg·hm-2)和水分利用效率(11.37 kg·mm-1·hm-2)。

水分当量比(WER)能够较为直观地反映间作种植模式较单作种植模式农田水分利用能力增减的程度。由表4可以看出枣棉间作系统WER均大于1，说明枣棉间作较单作提高了农田水分利用效率，在水分利用有效性方面具有间作优势。田间配置显著影响枣棉间作系统的水分当量比，总体来看，4行棉花处理的WER最高，2行棉花处理的WER次之，6行棉花的WER最小；2行和4行棉花处理WER较6行棉花处理分别高20.6%和13.1%，I3和I4处理WER较I1处理分别高10.8%和7.8%。棉花株距对WER的影响受棉花行数的影响，棉花行数为6行时，减小棉花株距WER较常规株距提高6.2%；I4处理下枣棉间作具有最高的WER(1.34)。

同一灌水量水平下, 通过表4可以看出，枣棉间作中棉花产量随着株距的增大而减小。与I1处理相比, I2棉花产量下降29 kg·hm-2，I4处理与I3相比棉花产量下降107 kg·hm-2，I6处理与I5相比棉花产量下降303 kg·hm-2，但单作棉花产量随株距的增大而增大，C2处理比C1处理提高254 kg·hm-2，说明C2处理株距在12.5 cm时，产量最高。I3处理棉花种植行数为4行，株距10 cm时，棉花产量最高。与I1处理相比，I2处理红枣产量增加559 kg·hm-2，I4处理与I3相比棉花产量下降312 kg·hm-2，I6处理与I5相比棉花产量下降38 kg·hm-2，说明红枣产量随棉花种植行数的增加产量变化较小。从枣棉间作综合产量来看，I4枣棉间作处理与其他枣棉间作和单作棉花处理相比，产量最高，表明当棉花种植行数为4行，棉花间距为12.5时，枣棉间作综合产量为最高(7 460 kg·hm-2)。

表3 不同处理各生育期农田棵间蒸发量(E)、耗水量(ET)及蒸散比(E/ET)的变化

表4 不同田间配置下枣棉间作系统的产量、水分利用效率和水分当量比

同一灌水量水平下, 随着棉花种植行数和株距的增加水分利用效率逐渐降低, 与I1处理相比, I2处理棉花水分利用效率降低0.05%，I4处理与I3相比, 红枣水分利用效率增加0.66%， I6处理与I5相比, 红枣水分利用效率提高0.13%。与I1处理相比, I2处理红枣水分利用效率提高0.87%，I4处理与I3相比, 红枣水分利用效率增加0.05%， I6处理与I5相比, 棉花分利用效率减小0.33%，从综合水分利用效率来看，说明水分利用效率与产量有直接的关系，在枣棉间作棉花种植行数为4行，株距为12.5 cm时，产量最高，水分利用效率也最高(11.37 kg·mm-1·hm-2)。

3 讨论与结论

多数研究表明，田间不同的配置种植对间作群体都有不同的影响，本研究表明间作群体较单作有利于土壤贮水的利用。土壤贮水消耗量随着棉花行数、株距的减小而显著增大，由此表明，在一定的范围内，增加枣棉间作群体中棉花的行数或减小棉花株距有利于促进土壤贮水的利用，结果与前人研究相似。刘郁娜等[22]认为杏棉间作系统采用适宜的田间配置，可提高干物质积累量和杏棉间作棉花的产量。王小春等[23]认为不同的田间配置，种植行数不同，播种量一致处理，在4行的田间配置下小麦和玉米间作产量最高。Wang Q等[24]认为枣棉间作中种植密度对棉花地上部干物质和产量的影响较为显著，在株距18 cm的中间密度中获得最高产量。叶林等[25]认为玉米种植行距在40～50 cm时能够有效提高水分利用效率，李永发等[26]认为枣棉间作不同种植间距对枣树的影响要远远大于对棉花的影响，枣棉间作种植枣树间距在120 cm时、棉花间距在100 cm时能显著提高枣树和棉花的产量及水分利用效率。

农林间作系统土壤水分特征是反应土壤水分利用率最重要的指标之一[27]，深根植物和浅根植物根据占据土壤空间的不同，能形成农林间作系统中的互补作用，对农田中的土壤水分利用率得到提高，有利于增加土壤的贮水量，间作可以减小棵间蒸发量，形成小区植物生长小气候，在不增加灌水量的同时增加单位面积综合产量，本研究认为在枣棉间作棉花种植行数为4行，株距为12.5 cm时，产量最高，水分利用效率得到明显的提高。柴强等[28]认为小麦间作玉米的棵间总蒸发量显著大于单作的小麦和玉米，间作的生育期延长是颗间总蒸发量增大的原因之一。本研究表明不同处理生育期内的棵间蒸发量主要受种植模式和田间配置的影响，而且不同时期棵间蒸发量对田间配置的响应不同，棵间蒸发总量表现为单作枣树最大，枣棉间作次之，单作棉花最小，说明在一定程度上间作群体较单作能够抑制农田蒸发，可能在于农田作物间作与农林间作之间具有较大的差别，这些都与种植品种、地力、施肥、喷施农药、天气变化等有关。凌强等[29]认为保证枣树生育期内正常生长，间作枣树主要影响集中在0～60 cm较浅土层的土壤水分，而对60 cm以下的土壤含水层影响比较微弱。本研究表明枣棉间作群体的40～60 cm土层土壤贮水消耗量最高，20～40 cm土层次之，80～100 cm土层最低，这与本研究结论不尽相同，结论差异主要是气候条件不同，与极端干旱条件有关，致使研究结果不同。

种植模式和田间配置对农田总耗水量、灌溉水消耗量、降水消耗量及土壤贮水量消耗量均有显著影响，土壤贮水消耗量随着棉花行数、株距的减小而显著增大，在一定的范围内，增加枣棉间作群体中棉花的行数或减小棉花株距有利于促进土壤贮水的利用。Zhang D等[30]认为枣棉间作中棉花叶面积随种植密度的增加而降低，通过优化种植密度来提高产量。本研究表明在枣棉间作土壤贮水利用率方面，单作枣树对土壤深层水分利用较多，单作棉花则主要消耗浅层土壤中的水分，枣棉间作能够较好地利用土壤各层的水分，增加棉花行数或减小株距有助于促进40～80 cm土层土壤贮水的利用。枣棉间作中田间配置不同，棵间蒸发量也会不同，不同处理生育期内的棵间蒸发量主要受种植模式和田间配置的影响，而且不同时期棵间蒸发量对田间配置的响应不同，不同田间配置下比较，6行棉花处理棵间蒸发总量较2行和4行棉花分别降低33.7 cm和24.2 cm；改变棉花株距各处理间的棵间蒸发量无显著差异。田间配置中不同处理的耗水量及E/ET在作物生育期内，蒸散比因种植模式和田间配置的不同而发生改变，棉花株距影响花铃期、吐絮期ET和E/ET，花铃期I3处理的ET最大，E/ET最小，吐絮期I3处理的ET最小，E/ET最大，可以看出增加棉花行数有利于减少无效蒸发量，棉花行数为4行时，减少棉花株距能够显著提高间作水分的有效性。Bai W[31]等认为随着作物和杏子产量的增加，混合系统的用水效率在很大程度上提高了半干旱地区雨养农业的生产力和水资源利用效率。白伟等[32]认为土壤水分空间分布表明仁用杏仁和谷子间作水分竞争关系较小，当水分当量比均大于1时，表现出较好的水分优势，间作系统水分优势最为明显，水分当量比达到1.45。本研究表明枣棉间作系统WER均大于1，棉花株距对WER的影响受棉花行数的影响，棉花行数为6行时，减小棉花株距WER较常规株距提高6.2%，说明枣棉间作较单作提高了农田水分利用效率，在水分利用有效性方面具有间作优势，因此，南疆地区推广发展适宜的枣棉间作田间配置模式具有重要的实践意义。