小麦和苜蓿套作种植对土壤水分及作物水分利用效率的影响

李恩慧, 穆阳阳, 何亚男, 张晓红, 杨慎骄

(1.山西师范大学 地理科学学院, 山西 临汾 041000;2.中国农业科学院 农田灌溉研究所 河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站, 河南 商丘 476000)

水资源短缺是制约农业生产发展最重要的因子之一[1]，特别是在干旱或半干旱地区，提高水分利用效率逐渐成为作物生存的关键因素[2]，因此，探究如何充分利用有限的水资源，提高作物水分利用效率显得尤为重要。在农业生态系统中，土壤水分作为植物生长过程水分吸收的主要来源，不仅直接影响作物的生长发育，也影响作物的生物量[3-4]。而合理的间套作种植模式可改善土壤水分状况，提高农田系统的生产力、农田水分和作物水分利用效率[5]。

目前对间套作土壤水分利用效率的研究较多，比如叶林等[6]在不同田间配置对玉米土豆带状套作系统水分利用效率研究结果中表明，不同的行距和带宽都会对群体水分利用效率产生影响，尤其是在行距40—50 cm时，两种不同带宽的玉米套作提高了群体的水分利用效率；苗庆丰等[7]在对小麦和玉米间作的水分利用效率研究中发现，在小麦采用平畦灌溉、玉米采用垄沟灌溉模式下群体总水分利用效率提高到1.66 kg/m3；郝娜[8]在莜麦和马铃薯间作系统中，相比莜麦单作水分利用效率(WUE)提高了33.3%，但同时也增加了莜麦与马铃薯耗水量；牛伊宁等[9]的研究结果表明，在不同供水水平下，玉米和豌豆间作相比玉米和豌豆任一单作，不仅提高了土地利用效率和作物产量，也提高了作物的平均水分利用效率。但是综观已有的研究发现，对禾本科与豆科间套作种植模式的作物水分利用效率研究并不多，尤其是对小麦和苜蓿间套种植的研究更是少见。小麦是重要的谷类作物，在我国华北和西北等地区有着较为广泛的种植。有着“牧草之王”的苜蓿，是典型的豆科草本植物，深根牧草，根系发达，耗水量远远大于粮食作物，但其水分利用更加彻底，作物水分利用效率显著高于粮食作物，是小麦的2.1～2.8倍[10]，将小麦和苜蓿间套作后不同生长时期土壤剖面水分变化、阶段性水分消耗状况以及系统作物水分利用效率又将如何。本文从小麦和苜蓿间套作的土壤水分状况以及群体生物量、系统水分利用效率出发，探讨小麦和苜蓿这种间套作种植模式下土壤水分的消耗特点和水分利用特性。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年在山西省临汾市中部的尧都区东杜村(东经111°34′，北纬35°55′)进行。试验区属于典型的干旱季风气候，冬冷夏热，多年平均气温12～12.6℃，夏季最高温度达35～41.9℃，冬季最低温达-4～5.6℃，年均降水量550 mm，无霜期达203 d。土壤属于典型褐土，土壤容重平均为1.493 g/cm3。试验区土壤养分状况见表1。试验期(2017年3月—10月)降水量为532.4 mm(图1)。

表1 试验区土壤养分状况

图1 2017年试验期间月平均气温与降雨量

1.2 试验材料与试验设计

试验供试小麦品种为冬小麦晋麦95，千粒重38 g。苜蓿为当地紫花苜蓿，千粒重2.255 g。试验共设小麦单播(XD)、苜蓿单播(MD)和小麦苜蓿间套作(XMT)3个处理。试验小区面积50 m2，三次重复，随机排列。小麦单播自2014年起于每年9月下旬播种，采用机械播种，间套于苜蓿行间。苜蓿于2014年4月种植，播种量18 kg/hm2，已有3 a的生长周期。小麦苜蓿套作是在两行苜蓿之间套种两行小麦，苜蓿行距为40 cm，在苜蓿成功建植的基础上机械播种小麦。小麦单播、苜蓿单播以及小麦苜蓿间套作处理均于小麦播种时统一施肥(N 187.5 kg/hm2，P2O597.5 kg/hm2，K2O 52.5 kg/hm2)，2017年春天小麦拔节期进行2次追加施肥(N 125 kg/hm2，K2O 37.5 kg/hm2)。

1.3 测定项目与计算方法

1.3.1 测定项目

(1) 土壤水分测定：2017年3月中旬、6月下旬和10月上旬采用土钻法测定0—200 cm土层的土壤水分，小麦和苜蓿单作处理采用行间测定土壤水分，套作同为小麦和苜蓿行间打钻取样测定土壤水分，每10 cm土层取样，采用烘干称重法，在105℃恒温干燥箱中烘干12 h，计算土壤含水量[11]。

(2) 生物量测定：苜蓿生物量于5月30日和8月21日对苜蓿进行齐地刈割，每个处理取3个1 m2样方称鲜重，部分鲜样放置105℃烘箱内杀青15 min，然后温度升高至85℃恒温至烘干测干鲜比，生物量以干重计算。小麦生物量于5月30日麦收前取样，测定方法和苜蓿生物量测定方法相同，生物量亦以干重计算[12]。

1.3.2 计算公式

(1)土壤质量含水量ω=(鲜土重量-烘干土重)/烘干土重×100%

(2)土壤分层储水量θ(mm)=ω×ρ×h

式中：ω为土壤质量含水量；ρ为土壤容重(g/cm3)；h为土层深度(cm)[13]

(3)土壤水分支出量β(mm)=生长始期土壤储水量-生长末期土壤储水量[14]

(4)耗水量ET(mm)=β+R

式中：β为土壤水分支出量；R为生长期降水量(cm)[14]

(5)水分利用效率WUE[kg/(mm·hm2)]=Y/ET

式中：单作Y为每种作物单位面积生物量、产量(kg/hm2)，套作Y为两种作物单位面积生物量产量之和，ET为耗水量[6]。

1.4 数据处理与分析

所得数据采用Microsoft Excel 2010进行汇总处理及作图，数据统计分析采用软件SPSS 21.0进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理0-200 cm深层土壤含水量

图2是2017年3月中旬、6月下旬和10月上旬不同处理0—200 cm的土壤含水量。3月中旬3个处理0—200 cm土层平均土壤含水量为12.1%～17.2%，大小顺序为XD>XMT>MD(图2A)，这说明在本期试验开始之前XD，XMT和MD在之前年份的生长消耗已经显著降低了土壤含水量，尤其苜蓿是一种强耗水深根植物，无论单播还是与小麦混播，三年的生长期导致其0—200 cm深的土壤水分含量均较低。6月下旬在小麦生长期结束之际(图2B)，3个处理0—200 cm平均土壤含水量为10.69%～13.58%，均显著低于3月份均值，这是因为这一阶段作物需水大导致土壤水分低于小麦返青时。3个处理间平均土壤含水量排序为MDXMT>MD)(图2C)。

从纵向剖面分布来看，3月中旬(图2A)MD和XMT在20—60 cm和160—200 cm土壤含水量均低于XD，其中MD在60 cm达到最低(9.35%)，XMT在20 cm最低(10.91%)，这与作物根系分布以及苜蓿耗水强度有关。6月下旬(图2B)XD在0—50 cm土壤含水量迅速减少至最低(10.77%和8.50%)，表明小麦单播中小麦生长过程对上层土壤含水量的影响较大；MD分别在0—20 cm和120—180 cm土壤含水量迅速降低至7.82%和10.56%，而XMT在0—40 cm和120—180 cm土壤含水量降低至8.29%和11.23%，这是由于苜蓿为深根植物，深层土壤含水量都会被其生长所消耗。10月上旬(图2C)3个处理100 cm深度之上的土壤含水量虽然均呈随深度增加而递减的趋势，但与6月份相比均有所增加；在此深度之下，MD和XMT依然保持这种随深度而下降的趋势，XD则相反，这与麦收后不同处理对降雨的反映不同有关，XD主要是对雨水的收蓄作用，而MD和XMT则由于苜蓿的生长耗水导致其整体土壤含水量显著低于3月和6月份，尤其是XMT，140 cm土壤含水量甚至比6月份还低，表明苜蓿继续生长增加了深层土壤水分消耗。

2.2 不同处理0-200 cm深度的土壤储水量变化与水分消耗特点

从2 m深总土壤储水量上来看(图3)，不同处理6月下旬土壤储水量均低于3月中旬和10月上旬，主要是因为6月下旬降雨量相对较少，气温高蒸发快，同时作物生长消耗了大量水分，而3月中旬作物生长刚刚开始，所消耗的土壤水分较少；10月上旬由于苜蓿刚完成刈割土壤水分得到了累积，同时受到季风气候的影响，华北地区正值雨季过后，降雨补给量超过消耗量。从不同处理来看，不论3月中旬、6月下旬和10月上旬土壤储水量均为：XD>XMT>MD，表明苜蓿耗水能力强于小麦，试验区域内苜蓿生长三年导致了土壤储水量总体上较低。

图2 不同处理0-200 cm土层的土壤含水量

图3 不同处理0-2 m深土壤总储水量

在3—6月份小麦生育期内(表2)，3个处理0—200 cm土层土壤水分支出量基本上均为正值(XD和XMT的0—40 cm除外)，表明不同处理在该时期土壤水分均有支出，但不同处理的支出量及各层次的支出比例不同。3个处理中XD 和XMT 0—200 cm土壤水分支出总量相差无几，且两者0—40 cm 的上层土壤水分支出均为负值，但XD的上层水分负支出(收蓄)量高于XMT，40—200 cm的支出比例分配也较为均匀，而XMT在40—80 cm 深度土壤水分支出量占了总量的一半。MD 0—200 cm土壤水分支出总量(46 mm)高于XD (29 mm)和XMT(30 mm)，50%出现在0—40 cm，120—160 cm的支出也较多(20%)。

6—10月份麦收后苜蓿单独生长期内，各处理0—200 cm土壤水分支出量基本上为负值，说明期间土壤对雨水的收蓄量多于作物耗水蒸散量。其中XD 和MD土壤水分支出总量较为接近，且两者80 cm 以上的土壤水分增加(收蓄)量占了70%～80%。XMT的土壤水分收蓄量低于XD 和MD，且绝大部分在80 cm 之上，其120 cm之下的土壤储水量不增反降。

表2 不同处理0-200 cm分层土壤储水量支出情况

2.3 不同处理的生物量与水分利用效率

与单播作物种植模式相比，为了更加准确衡量间套作模式下作物生物量与用水量之间的关系，进一步计算了水分利用效率(表3)。不同处理的生物量和水分利用效率均有显著差异。从单因素方差分析的多重比较结果来看，在小麦和苜蓿共同生长期(3—6月份)内，XMT作物生物量(产量)和系统水分利用效率高于MD(p<0.05)，其中XMT生物量(产量)较MD增加了44.07%，系统水分利用效率提高了62.38%，表明相比苜蓿单播，小麦苜蓿间套作大大增加了其生物量(产量)，同时耗水量明显降低，总体上改善了作物系统土壤水分状况，提高系统水分利用效率。相比XD，XMT生物量(产量)增加了17.67%，系统水分利用效率亦略有提高(16.98%)，这与小麦生物量(产量)的增加有关。

表3 不同处理的水分利用效率

在苜蓿单独生长期(6—10月份)，MD生物量(产量)(2 293.53 kg/hm2)比小麦和苜蓿共同生长期(3—6月份)(3 212.12 kg/hm2)减少了28.6%，间套作苜蓿(XMT-M)生物量(产量)(2 276.20 kg/hm2)比小麦和苜蓿共同生长期(3—6月份)(2 159.90 kg/hm2)增加了5.11%，表明对于苜蓿单作而言，小麦和苜蓿共同生长期(3—6月份)更有利于生物量(产量)积累，而在间套作苜蓿(XMT-M)中，苜蓿单独生长期(6—10月份)生物量(产量)容易积累。苜蓿单独生长期(6—10月份)由于降雨量明显增加，作物耗水量远远高于小麦和苜蓿共同生长期(3—6月份)，进而使得苜蓿单作(MD)和间套作苜蓿(XMT-M)6—10月平均水分利用效率8.20 kg/(mm·hm2)，7.58 kg/(mm·hm2)低于3—6月份14.20 kg/(mm·hm2)，10.30 kg/(mm·hm2)。

从整个生长期(3—10月)来看，XMT生物量(产量)和水分利用效率均高于XD和MD，其中XMT生物量(产量)较XD增加了41.17%，水分利用效率降低了30.80%，较MD生物量(产量)增加了31.49%，水分利用效率提高了9.19%，说明间套作能够显著增加作物生物量(产量)，提高系统水分利用效率。

3 结论与讨论

从作物生长的不同时期来看，3月中旬、6月下旬和10月上旬各处理的平均土壤含水量分别为12.1%～17.2%，10.69%～13.58%和13.08%～16.93%，且3月中旬和10月上旬不同处理的平均土壤含水量均高于6月下旬，这种结果与作物生长需水量有关，6月下旬不论是单作还是间套作土壤水分明显减少。李巍等[15]在对不同种植系统土壤水分消耗研究中指出小麦土壤水分减少最多的是5月、6月和7月份，苜蓿土壤水分减少最多的是6月或8月，土壤水分变化在时间上与本研究基本一致，都是在作物生长旺盛期土壤含水量最低。从不同处理来看，在小麦和苜蓿共同生长期(3—6月份)土壤含水量大小顺序为：XD>XMT>MD，何亚男等[16]在苜蓿间套作冬小麦对土壤水分的前期研究中，3月中旬不同处理土壤剖面质量含水量与本研究结果基本相同，而6月下旬的结果与本研究有很大差异，这可能与当季降雨量多少有关。本研究在此基础上又分析了10月上旬的土壤含水量，得到的结果仍是XD>XMT>MD，这表明小麦和苜蓿间套作确实能改善苜蓿土壤储水量低的状况，这可能与苜蓿自身生长导致储水量高有关。

小麦和苜蓿间套作生物量(产量)不论是在3—6月小麦和苜蓿共同生长期(4 727.71 kg/hm2)还是3—10月整个生长期(8 036.17 kg/hm2)均高于苜蓿单作，这与袁锐明等[17]苜蓿套种小麦能有效抑制杂草生长，对后茬苜蓿生长发育有良好作用结果一致。在本研究中3—6月份小麦苜蓿间套作生物量(产量)高于小麦单作，甚至整个生长期生物量(产量)远远高于小麦单作，并且农民更多的是关注小麦籽粒产量，秸秆只用于还田，故从收获产物多样化角度来说在小麦中间套苜蓿存在较大的研究价值。在小麦和苜蓿共同生长期(3—6月)小麦苜蓿间套作水分利用效率27.38 kg/(mm·hm2)较小麦单作增加了16.98%，比苜蓿单作提高了62.38%；从整个生长期(3—10月)来看，小麦苜蓿间套作水分利用效率为15.73 kg/(mm·hm2)，较小麦单作虽低了30.80%，但比苜蓿单作水分利用效率提高了30.83%。本研究结果表明小麦苜蓿间套作具有显著提高系统水分利用效率的优势，这与已有的相似研究[18]结果基本相同。任继周等[19]在对甘肃省草地农业可持续发展的研究中也指出利用牧草间作粮食作物能够提高苜蓿生物量(产量)，进一步证实了禾本科与豆科间套作能够更好地发挥间套作的优势[20]。在本研究中由于每个处理间没有物理间隔设置，使得深层苜蓿根系会向邻近单播小麦“争水”，导致在本试验研究阶段一开始单播小麦的土壤水分含量较低，但其结果表明小麦苜蓿间套作具有阶段性显著提高系统水分利用效率的优势。