枣棉间作下空间布局对棉花耗水特征的影响

李玲，康郁，王沛娟，李燕芳，曹娟，候金枚，李田甜，翟云龙

（塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300）

枣园间作是为了解决幼龄枣园生产效率低下而发展起来的一种果农复合种植模式，它通过人工劳力和密集投入的技术，充分利用各种农业资源，实现土地、养分和水热资源在时间和空间上的集约利用，并实现农业生产的高产高效[1-3]。近年来，由于农业水资源的短缺和传统农业生产上的高耗水现实，一定程度上滞后了农果间作的发展，影响了农业效益整体的提高，因此亟需研发关于果农间作的节水理论和技术体系[4]。研究表明，在温带、湿润的热带及半干旱热带地区，水分是限制农林复合系统生产力的主要因素[5]。在水分利用方面，一般认为农林间作系统可适时增加地面覆盖，减小地表径流，从而提高土壤水分含量；也有研究表明，农林间作系统受小气候变化的影响会导致系统土壤水分蒸发减少、蒸散量降低[6]。在干旱半干旱地区，研究农林复合系统中土壤水分的时空分布特征机理，对于优化复合群体模式、制定科学的灌溉方案具有重要的意义[7-8]。很多研究表明农林复合系统中不同组分间在水分上存在不同程度上的竞争[9-10]。也有研究表明，适宜的间作模式，水分利用存在互补的效应[11-13]。

与传统单作模式相比，间作复合系统能够改变原有土壤环境的物理性质，增加土壤贮水量、水分入渗能力和水分利用效率，减小地表径流。李天阳等[14]通过研究血橙-农作物混作模式，得出农林混作模式改善土壤容重及孔隙度的效果比单一种植模式效果好，水分能够更好的入渗于土壤中。李会科等[15]通过对黄土高原林草复合系统土壤水分的研究发现，生草能够提高0～60 cm土层中的土壤贮水能力。王延平等[16]通过对黄土丘陵区退耕坡地杏-苜蓿复合系统土壤水分的研究发现，树盘内0～60 cm土层的水分状况明显好于单植杏，但在120 cm左右深处却产生了明显的土壤干层。

空间布局显著影响作物产量和农林间作群体效益，且对农林间作竞争与生态位分离具有重要调节作用[17]。纵观以往的研究，有关空间布局调控果农间作复合群体耗水特征的研究却未曾有人进行深入研究，使得在生产实践中缺乏提高生产效益和水分利用效率的理论依据。本研究以新疆南疆地区典型农果间作模式枣棉间作为研究对象，将传统单作枣园作为对照设计，设置不同的棉花空间布局，研究枣棉间作下空间布局对棉花耗水特征、产量及水分利用效率的影响，以期为建立南疆地区发展集约可持续节水性农果间作模式提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验区位于新疆阿拉尔市塔里木大学园艺试验站。该地区太阳辐射为559.4～612.1 KJ/cm2，日照时长2 556.3～2 991.8 h，蒸发量1 976.6～2 558.9 mm。年平均降雨量47.9 mm，降水稀少，冬季少雪，地表蒸发强烈，空气十分干燥，是典型灌溉农业区，2017年降雨量82.8 mm高于多年平均降雨量（图1）。

图1 2017年降雨量分布

1.2 试验材料

选择幼龄（第五年）红枣园进行间作，棉花供试品种为新陆中36号。

1.3 试验设计

选择新疆南疆地区具有代表性的幼龄枣园，开展枣棉间作耗水特征的研究。种植模式分别为枣棉间作、枣树单作和棉花单作，其中，枣树行株距配置为3.0 m×1.0 m。

采用裂区试验设计，以枣棉行比配置为主处理，棉花株距配置为副处理。主处理分为2∶2行比（2行枣树间在距离枣树1.45 m处种植2行棉花，用C2表示）和2∶4行比（2行枣树间在距离枣树1.0 m处种植4行棉花，用C4表示）；副处理分为10 cm（R1）和12.5 cm（R2）两种棉花株距设计，组配成4个枣棉间作处理；为保证试验处理间具有可比性，设置2种株距配置（R1和R2）的单作棉花（C），记作CR1和CR2，共组成6个处理，重复3次。棉花采用地膜覆盖，C2间作模式下棉花行距为10 cm，C4间作模式采用（10+66+10）cm的行距配置，单作棉花采用（10+66+10+66+10）cm的行距配置，灌溉方式为滴灌，试验其它管理措施与当地习惯水平相同。

1.4 测定项目与方法

土壤含水量：2017年5月—9月每月测定一次。使用土钻采集土样，深度0～100 cm，分5层(分别为 0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm和80～100 cm)。土壤含水量采用烘干法测定，土壤容重、土壤饱和含水量和田间持水量采用环刀法测定。

土壤贮水量：用0～100 cm土壤含水量计算土壤贮水量（SWS），SWS为5个不同土壤层次贮水量的总和，计算公式为

式中，SWS为土壤贮水量（mm）；h为土层厚度（cm）；ρ为土壤容重（g·cm-3），θ为土壤质量含水量。

作物生育期耗水量：ET=P+I+SWS0-SWSh

式中，P为生育期内降雨量（mm），I为生育期内灌溉量（mm），SWS0为种植前的土壤贮水量（mm），SWSh为收获后的土壤贮水量（mm）。

水分利用效率：WUE=Y/ET

式中，Y为间作系统产量，ET为耗水量。

棵间蒸发量：采用微型蒸发器（micro-lysimeter，MLS）测定棉花行间的土壤棵间蒸发量，棵间蒸发量是指裸露部分的土壤蒸发量。MLS是由直径10 cm、高10 cm的PVC管制造而成，用纱网薄膜封底。将MLS放入预埋在田间的直径12 cm、高10 cm的PVC外套管中，MLS顶部与地面平齐。土壤棵间蒸发量为两次测量的差值，用精度为0.02的LP3102型电子天平称重从而计算土壤棵间蒸发量。微型蒸发器中土样每减少1 g相当于蒸发水分0.127 4 mm。相隔2天测定一次，于早晨7∶00取样，2次测定后需更换MLS中的土。下雨或灌水后需立即更换MLS中的土，目的是保证MLS内部的土壤水分剖面与周围土壤保持相同状态。

棉花产量：棉花成熟后按小区收获计产。

1.5 数据处理与分析

采用Excel 2013进行数据整理和绘图，利用SPSS 17.0进行方差分析，显著性测验采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 空间布局对间作棉花耗水特性的影响

2.1.1 不同处理间作棉田土壤含水量垂直分布

不同处理棉田土壤含水量垂直分布按棉花带和间隔带进行分析（图2），不同处理间棉花带0～20 cm、20～40 cm表现为C4R1含水量最高，40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm则是C2R1含水量最高；间隔带 0～20 cm C4R1含水量最高，20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm则均为C2R1含水量最高。且不同处理同一土层间，间隔带含水量均低于棉花带。不同处理下，间作系统的土壤含水量均大于单作棉花的含水量。不同间作处理下土壤含水量变化因土层不同而存在差异，当株距为10.0 cm或12.5 cm时，0～20 cm土层中土壤含水量大小为C4＞C2，而20～100 cm的4个土层土壤含水量大小则为C2＞C4。

从整体来看，不同处理之间，间隔带和棉花带含水量随着土层深度的增加逐渐升高的趋势（图2），在单作模式和间作模式以及不同行比、密度株距配置的各个处理下，单作的2个处理土壤含水量变化趋势是大致相同的，而间作的4个处理中除了C2R2的变化幅度较大，其他都是缓慢升高；棉花带土壤含水量变化也有相似趋势，单作中CR1变化幅度比CR2大，间作的4个处理的变化幅度相近，并在土层深度为30 cm时含水量相近。间作系统棉花整体比单作的土壤含水量高，且棉花株距为12.5 cm时含水量较高。

2.1.2 不同处理棉花生育期的耗水量

单作棉花全生育期总耗水量最小，单作与间作棉花耗水量有显著差异（图3）。单作棉花的两个处理之间并没有太大的差异，而间作棉花中种植2行棉花比种植4行棉花耗水量大；不同株距对间作棉田耗水总量无显著影响。相较于不同空间布局对间作棉花耗水量的影响，种植模式（单作和间作模式）对棉花耗水量的影响更加明显。

2.1.3 不同处理棉花的蒸散比

蒸散比（E/ET）表现为单作棉花＞间作棉花（图4），E/ET是棵间蒸发占蒸散比量的比例，用于衡量水分利用率，E/ET越大，水分利用率越低。单作棉花的水分利用率较低，而间作模式则相对高很多。单作棉花中棉花株距为10 cm时E/ET较大，12.5 cm时E/ET较小；间作棉花的E/ET则是种植4行棉花比种植2行棉花大，棉花株距为12.5 cm时E/ET比10 cm时大。与单作模式相比，间作显著降低了棉花的E/ET，但棉花株距的增加会增加E/ET，应通过适当降低棉花株距来减小E/ET，从而提高水分利用率。不同间作模式也会对E/ET有影响，种植2行棉花的E/ET与种植4行棉花相比更小，水分利用率更低。

不同空间布局下的间作模式相较于传统种植模式能够有效的减少水分带来的损失，并能更好的抑制棉花生育期中无效耗水。E/ET的数据进一步证明，间作模式下水分的无效损失主要是不适当的间距和株距配置导致的。

2.1.4 不同处理棉花的棵间蒸发量

不同处理生育期内的棵间蒸发量主要受种植模式和空间布局的影响，并且不同时间、空间内的棵间蒸发量对空间布局的响应也不同（图5）。棵间蒸发量总体表现为单作棉花＞枣棉间作。不同行比的间作处理间比较，C2的蒸发量明显小于C4。因此，与传统单作种植模式相比，棉花株距为12.5 cm时，种植2行的间作棉花能有效降低棵间蒸发量。棉花株距为10 cm时的蒸发量在6月中旬—7月末这个时间段高于株距为12.5 cm处理，其他时间段的蒸发量基本相同或相近，可以看出，棵间蒸发量不仅受空间布局的影响还受时间、气候的影响。

图5 不同处理下棉花的棵间蒸发量动态

2.2 不同空间布局下间作棉花产量表现

在间作模式中种植4行棉花，棉花株距为10 cm时棉花产量最高（图6）。不同行比的间作处理间比较，种植4行的棉花的产量较高，而不同株距的间作处理间比较，10 cm株距的产量较高。间作棉花产量远高于单作模式，且有显著差异。棉花产量在间作模式中因株距变化表现出相同的变化趋势，说明在枣棉间作群体中行比对棉花产量的影响起主要作用。

图6 空间布局对单作、间作棉花的产量影响

2.3 不同空间布局下棉花的水分利用效率

间作棉花水分利用效率（WUE）低于单作棉花（图7），但间作群体的WUE是间作棉花和间作枣树WUE的综合，间作棉花的WUE不能代表间作模式的WUE，因此，间作与单作WUE之间的比较无意义。单作模式下，不同株距处理的水分利用效率无差异。而间作模式下，种植4行棉花比2行棉花的水分利用效率高，且棉花株距为10 cm时，水分利用效率最高。间作模式与合理的空间种植布局（种植4行棉花，棉花株距为10 cm时）是提高水分利用效率的有效措施。

图7 不同空间布局下作物水分利用效率

3 结论与讨论

黄伟等[9]通过对冀西北坝上半干旱地区，南瓜-油葵间作试验表明：南瓜-油葵间作在南瓜生长中后期出现了明显的水分争夺现象，而种植单行油葵则没有此现象。说明作物耗水量因空间布局的不同而有显著差异。本研究结果表明全生育期中单作的总耗水量较小，单作与间作棉花耗水量间有显著的差异，而间作棉花中2∶2行比种植的棉花比2∶4行比种植的棉花耗水量较大；棉花株距为10 cm或12.5 cm对耗水总量没有太大的影响。相较于株距对棉花耗水量的影响，种植模式对其的影响更大。

另有研究表明[18-20]，在作物总耗水量中，土壤棵间蒸发量占有较大比重，降低土壤棵间蒸发量可以有效减少土壤水分无效散失、提高水分有效利用；本研究发现，合理的空间布局同样可以减少棵间蒸发量，降低蒸散比。间作棉花的棵间蒸发量在棉花株距为10 cm时较相应单作低，间作系统的蒸散比在种植2行棉花、棉花株距为10 cm时较低，说明合理的空间布局是降低间作水分的无效损失、提高间作群体对水分充分利用的有效途径。作物系统的蒸发量、E/ET会受到很多因素方面的影响[20]，整个生育期中间作系统均低于单作系统，枣棉间作的相互作用是导致该结果的重要原因。作物群体中的棵间蒸发量与地表覆盖以及土壤结皮等因子是紧紧相连的[21-22]，枣棉间作能够有效增加地表覆盖、降低间作蒸发量和E/ET，提高水分利用率。株距对单作总耗水的影响大于对间作系统的影响，土壤棵间蒸发量和蒸散比在棉花株距为10 cm时最低。间作模式下种植2行棉花、棉花株距为10 cm时更有利于减少土壤棵间蒸发量和降低蒸散比，提高水分利用率。

不同空间布局下，种植4行棉花、株距为10 cm时棉花产量和水分利用效率最高，说明种植模式为1膜4行、株距为10 cm时对间作棉花有明显的增产增效作用。适宜的枣棉间作空间布局下（两行枣树种植4行棉花，棉花株距为10 cm）可获得较高的产量和水分利用效率。