干旱灌区小麦间作玉米麦后复种绿肥的可持续性分析

2022-04-14苟志文殷文柴强樊志龙胡发龙赵财于爱忠范虹

中国农业科学 2022年7期

苟志文，殷文，柴强，樊志龙，胡发龙，赵财，于爱忠，范虹

苟志文，殷文，柴强，樊志龙，胡发龙，赵财，于爱忠，范虹

省部共建干旱生境作物学国家重点实验室/甘肃农业大学农学院，兰州 730070

【】针对干旱灌区传统生产模式的资源利用率和产投比低等问题，研究小麦间作玉米集成麦后复种绿肥的光能利用率、灌溉水生产力及经济效益表现，结合试区常规种植模式，评价不同种植模式的可持续性，对于干旱灌区农业生产的节本增收有重要指导意义。2018—2020年，在河西绿洲灌区设置田间定位试验，研究了不同种植模式（春小麦间作玉米小麦收后复种绿肥（W-G//M）、春小麦间作玉米（W//M）、春小麦复种绿肥（W-G）、单作玉米（M）、单作春小麦（W））对生产系统叶日积、籽粒产量、光能利用率、灌溉水生产力以及经济效益的影响，综合以上相关指标，对各种植模式的可持续性进行评价。随着试验年度的延长，春小麦收后复种绿肥能显著提高主栽作物全生育期的总叶日积。W-G//M较W//M的叶日积提高了7.7%—7.8%。间作较单作以及麦后复种绿肥模式均能提高主栽作物籽粒产量，但同时也提高了生产成本的投入。2018和2019年，W-G//M处理和W//M处理的混合籽粒产量无显著差异，而2020年，W-G//M处理较W//M处理的籽粒产量提高了8.7%。W-G//M处理较M、W-G和W处理的纯收益分别提高16.7%—26.5%、78.5%—132.2%和35.9%—78.8%。2018年，W-G//M较W//M处理的纯收益降低了7.2%，但是2019和2020年，二者的纯收益无显著差异，且产投比也具有相似的趋势。复种绿肥能显著提高作物光能利用率，W-G//M处理较W//M处理的光能利用率提高了7.2%—14.1%；W-G处理较W处理的光能利用率提高了23.5%—52.1%。W-G处理较W处理的灌溉水生产力显著降低，降低了48.6%—54.3%（灌溉水利用效率）和30.9%—39.8%（单方灌溉水经济效益），而W-G//M处理和W//M处理的灌溉水生产力无显著差异。综合3年试验结果，W-G//M处理较其余4个处理的可持续性显著提高。在干旱绿洲灌区，间作以及麦后复种绿肥能提高主栽作物籽粒产量和经济效益，且灌溉水生产力和光能利用率也随之提高，进而使得该模式的可持续性提高，因此，春小麦间作玉米结合小麦收后复种绿肥技术可作为提高资源利用以及农民收益的可持续种植模式。

麦后复种；豆科绿肥；经济效益；灌溉水生产力；可持续评价

0 引言

【研究意义】农业集约化是大多数发展中国家农业生产的基础，但是随着工业化的快速推进，农业生产对购买性资源的依赖逐渐增大，其在带动经济增长的同时也使得生产与环境之间的矛盾突出，可持续发展在今后的农业生产中至关重要[1-2]。多样化的种植模式是农田生态系统可持续发展的主要措施，适宜的种植模式一定程度上能决定农田生态系统的经济发展趋势[3-4]。因此，在某一农田生产系统中，其主要种植模式的综合分析和多角度的评价，对于筛选适宜的种植模式，促进农业可持续发展至关重要。【前人研究进展】间作是农业生产中重要的多熟种植模式，在保障粮食安全以及增加农民收入方面具有不可替代的作用，是最具发展前景的种植模式之一[5-6]。与单作模式相比，间作通过提高作物籽粒产量而增加复合系统的纯收益，有利于农民增收[7-8]；也有研究显示，间作可与免耕和秸秆覆盖结合，通过减少作物生产中地膜、人工和机械等投入降低生产成本，进而提高间作系统的经济效益和产投比[9]。此外，间作还可以通过优化作物组合以及种植系统的结构，提高作物水分利用效率以及光能利用率[10-11]。可以看出，间作结合相应的农艺措施主要通过提高种植系统的生产力或者减少成本投入，实现资源利用率以及经济效益的提高。然而，间作模式也面临着高耗水以及外源性化肥依赖度高的弊端，影响了其单位面积产出以及整体效益的提高，严重制约了该模式的推广与发展，尤其在干旱灌区更为突出[12-13]，因此，亟待研发进一步提高间作资源利用优势和经济效益的技术措施。近年来，种植绿肥作为提高主栽作物籽粒产量、减少化肥投入以及培肥土壤的有效技术措施而被广泛采用[14-15]。例如，在禾本科作物组成的轮作体系中引入豆科绿肥，在提高土壤肥力的同时，还可增加轮作系统的经济收益[4, 16]。同时，绿肥与主栽作物间作时，不仅可以协调绿肥与主栽作物争夺资源的矛盾，还有利于绿肥为主栽作物提供养分，进一步提高主栽作物的籽粒产量[17-18]；另一方面，合理种植绿肥可改善土壤保水能力，使主栽作物获得较好的土壤水分环境，有利于提高水分利用效率[18-19]。综合上述研究可知，合理的种植模式结合相应的技术措施是提高农田生态系统生产力以及资源利用率的关键所在。【本研究切入点】小麦间作玉米是干旱灌区经典的高产高效种植模式，对该区域作物多样性的增加以及经济发展提供了强有力的保障[5, 12, 20]。主要原因是间作系统中不同作物在时间和空间尺度上存在生态位分离的优点，有效促进了光、热、水等资源的利用[6, 11]，因此，小麦间作玉米被认为是干旱灌区提高农田生产力的主要模式[7,9]。然而，该模式产量的提高往往源于大量购买性资源的投入，而这一局限性在间作组分同为禾本科作物的种植系统中尤为突出[9]；此外，在水资源匮乏的干旱地区，提高灌溉水生产力是农业生产考虑的首要问题[21]。虽然，农业生产中种植绿肥促进主栽作物增产、提高经济效益和资源利用率的研究已有报道。但这些研究中，绿肥主要通过与主栽作物轮作或间作的方式存在，并未融入传统间作中以进一步增强间作优势。在小麦间作玉米模式中小麦收后复种绿肥能否进一步提高种植系统的资源利用率以及经济效益尚未证实。【拟解决的关键问题】本研究在河西绿洲灌区通过田间试验，将小麦间作玉米模式与麦后复种绿肥结合，重点探索了不同生产系统的光能利用率、灌溉水生产力以及经济效益表现。结合试区常见的种植模式，以上述相关指标为基础，综合评价不同种植模式的可持续性，以期为试区建立高效可持续的间作生产模式提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2018年3月至2020年11月在甘肃农业大学武威绿洲农业综合试验站进行（37°30′ N，103°5′ E）。该站位于甘肃河西走廊东端，属寒温带干旱气候区。太阳辐射总量约6 000 MJ·m-2，日照时数2 945 h，年平均气温7.2℃，光热资源特点属于一季不足，两季有余，适宜发展间作种植模式。春小麦、玉米是当地主要栽培作物，小麦间作玉米是该区主要的间作模式，近年来，由于其水肥人工等资源投入较大，制约了其规模化应用。试验地土壤为砂壤土，耕层土壤容重1.53 g·cm-3，含有机质12.5 g·kg-1、全氮为0.68 g·kg-1、速效磷 29.2 g·kg-1、速效钾 152.6 g·kg-1；硝态氮和铵态氮含量分别为12.51 mg·kg-1和1.87 mg·kg-1。2018至2020试验年度作物生长期内逐月降雨量及平均气温如表1所示。

表1 武威试验站2018—2020年作物生育期内逐月气象资料

1.2 试验设计

试验采用单因素完全随机设计，5个种植模式组成5个处理：（1）春小麦-箭筈豌豆//玉米（W-G//M）；（2）春小麦//玉米（W//M）；（3）春小麦-箭筈豌豆（W-G）；（4）单作玉米（M）；（5）单作春小麦（W）。每个处理重复3次。

间作玉米（L.）、小麦（L.）带宽均为110 cm，春小麦种7行，行距15 cm；玉米3行，行距40 cm，株距27 cm，春小麦收获后复种箭筈豌豆播种6行，行距15 cm，小区面积49 m2。春小麦播种密度为675万粒/hm2，玉米密度为8.25万株/hm2，箭筈豌豆密度为150万株/hm2。

供试春小麦品种为宁春4号，玉米品种为先玉335，箭筈豌豆品种为兰箭2号。施肥按当地农民习惯施肥量施用，玉米施纯氮（N）360 kg·hm-2，分别按基肥﹕大喇叭口期﹕灌浆期3﹕5﹕2分次追施；磷肥（P2O5）为180 kg·hm-2，全做基肥施用。小麦施纯氮（N）为180 kg·hm-2，磷肥（P2O5）为90 kg·hm-2，小麦氮肥、磷肥全做基肥施用。小麦间作玉米施肥按照玉米和小麦条带精细管理，净占地面积上施肥量与相应单作模式相同；麦后复种绿肥不施用化肥，玉米追肥采用水肥一体模式，氮肥采用尿素，磷肥采用磷酸二铵。

单作玉米灌溉量为4 050 m3·hm-2，单作小麦灌溉量为2 400 m3·hm-2，春小麦复种绿肥灌溉量为4 000 m3·hm-2，小麦间作玉米系统灌溉量为4 800 m3·hm-2。间作模式中小麦收后复种绿肥按玉米灌水制度进行灌溉，灌溉方式为滴灌。其余管理同当地大田管理。3个试验年度作物播种、收获及绿肥翻压时间如表2所示。

表2 2018至2020年度作物播种及收获时间

1.3 测定项目与方法

1.3.1 主栽作物叶日积自玉米出苗期开始，每隔15 d随机选取玉米10株（拔节期以后取3株），小麦20株，测定作物各绿色叶片的叶长和最大叶宽，计算叶面积指数：

式中，LAI为作物叶面积指数，α为叶面积校正系数，小麦和玉米分别取0.83和0.75，P为小麦和玉米各自对应的种植密度，l和w分别为叶长和最大叶宽，i为作物叶片个数。

基于上述计算得出的作物叶面积指数求叶日积[22]：

式中，LAD为主栽作物全生育期总叶日积，LAIi和LAIi+1分别为作物第i次和第i+1次取样的叶面积指数，D为第相邻两次取样之间的间隔天数，间作系统的叶日积为小麦和玉米全生育期叶日积之和。

1.3.2 主栽作物籽粒产量、秸秆产量及绿肥生物量小麦于成熟期取5 m2样方，风干后称其生物量，脱粒测定籽粒产量；玉米成熟期量取长5 m，一幅膜宽度的面积，风干称其生物量，脱粒后测定籽粒产量；两种作物的籽粒产量均按含水量14%折合计算。绿肥翻压前取4 m2样方称其鲜重，另取20株绿肥植株，以测定其植株含水量，根据含水量和样方的鲜重换算单位面积绿肥作物的有机物质干重。

1.3.3 经济效益及灌溉水生产力本研究的3个试验年度内，详细记载5个种植模式下的人工机械投入（播前整地、覆膜、施肥、灌溉、除草、病虫害防治以及收获、绿肥翻压等）、化肥、农药、种子、地膜、滴灌带以及灌溉量等农资的投入情况，结合每个小区的籽粒与秸秆产量，计算不同种植模式下的生产成本、产值、纯收益以及产投比。主栽作物籽粒、秸秆、农资价格以及人工费等按当年市价计算，由于绿肥全量翻压还田，纯收益的计算中不涉及绿肥作物。灌溉水生产力包括灌溉水利用效率以及单方灌溉水经济效益，基于籽粒产量、各种植模式的灌溉量以及纯效益计算灌溉水生产力[22]：

灌溉水利用效率（kg·hm-2·m-3）=主栽作物籽粒产量/作物全生育期灌溉量；

单方灌溉水经济效益（yuan·hm-2·m-3）=纯收益/作物全生育期灌溉量。

1.3.4 光能利用率基于主栽作物产量及绿肥生物量，并借助试验站小型气象站获取作物生长期内的太阳辐射值，计算各种植模式的光能利用率：

式中，LUE为作物全生育期光能利用率；Y为主栽作物籽粒、秸秆产量以及绿肥生物量（kg·hm-2）；H为作物籽粒及秸秆对应的能量折算值，小麦、玉米籽粒和秸秆分别为16.3×106J·kg-1和14.6×106J·kg-1，绿肥作物（箭筈豌豆）为15.1×106J·kg-1；ΔQ为作物生长期间的太阳总辐射值（MJ·m-2）[23]。

1.3.5 不同种植模式的可持续性基于不同种植模式的籽粒产量、叶日积、灌溉水生产力以及经济效益等相关指标建立可持续性评价指数，该指数的计算公式为[23]：

式中，αxij表示第i行×第j列的数据标准化值（0＜αxij≤1），xij为种植模式i与评价指标j的实际值，xmax与xmin为每个评价指标的最大值与最小值。

式中，βxij为标准化系数，m为种植模式i或评价指标j的最大数。

式中，Index为不同种植模式的可持续性评价指数，该指数的数值越大说明系统可持续性越好。

1.4 数据统计与分析

数据采用Microsoft Excel 2019整理、汇总及图表绘制，利用SPSS 19.0软件对整理后的数据进行方差分析。由于本研究为田间定位试验，随着试验年限的延长，复种绿肥会对试验结果产生年际间的效应，因此，本研究中将试验年份视为一个参试因子，将文中数据进行重复测量分析，并采用two-way repeated measures ANOVA（二因子重复测量方差分析）进行显著性检验（=0.05）。

2 结果

2.1 间作及复种绿肥对主栽作物全生育期叶日积的影响

主栽作物全生育期总叶日积具有年际间的差异，除2018年外，春小麦间作玉米麦后复种绿肥与春小麦间作玉米相比，其主栽作物全生育期的总叶日积显著提高，且春小麦复种绿肥较单作春小麦的总叶日积也显著提高（图1）。2019和2020年，W-G//M处理较W//M处理的叶日积分别提高了7.7%和7.8%；与此同时，W-G处理较W处理的叶日积也分别提高了17.1%和10.2%，差异显著。2018年，两种间作模式较单作玉米（M）的叶日积无显著差异，春小麦复种绿肥（W-G）较单作春小麦（W）的叶日积也无显著差异。随着试验年份的延长，种植绿肥可显著提高春小麦间作玉米以及春小麦复种绿肥模式中主栽作物的叶日积，一定程度上延长了主栽作物的光合作用时间，为获得高产以及提高光能利用率奠定了光合源基础。

W-G//M：春小麦-箭筈豌豆//玉米；W//M：春小麦//玉米；W-G：春小麦-箭筈豌豆；M：单作玉米；W：单作春小麦。不同字母表示同一年份处理间差异显著（P=0.05）。下同

2.2 不同种植模式对主栽作物籽粒产量的影响

3个试验年度内，间作较单作以及春小麦复种绿肥种植模式均能显著提高主栽作物籽粒产量，麦后复种绿肥对主栽作物籽粒产量的影响有年际间的差异（图2）。2018和2019年，W-G//M处理与W//M处理的混合籽粒产量无显著影响，同样，W-G处理和W处理的籽粒产量也无显著差异。2020年，W-G//M处理较W//M处理的混合籽粒产量显著提高了8.7%，W-G处理较W处理的籽粒产量提高了15.1%。在相同占地面积下进行比较，W-G//M处理中，春小麦和玉米籽粒产量较W-G和M处理的籽粒产量在3年内分别提高了25.0%—44.6%和46.4%—82.5%，而春小麦间作玉米模式中的春小麦和玉米的籽粒产量较对应的单作模式分别提高了19.7%—40.0%和51.9%—64.7%。综合可知，间作模式中各组分作物较对应的单作模式均具有显著的产量优势，其次，随着试验年度的延长，小麦收获后复种绿肥可有效促进主栽作物的增产。

2.3 不同种植模式的成本投入差异

与单作及麦后复种绿肥模式相比，间作种植模式提高了成本投入，W-G//M处理较M、W-G和W处理的总投入分别提高了30.0%—32.7%、48.1%— 50.0%和82.2%—85.2%（图3）。W-G//M处理较W//M处理的总投入提高了7.8%—8.8%；W-G处理较W处理总投入提高了21.8%—24.4%，春小麦间作玉米麦后复种绿肥总投入的提高幅度低于春小麦复种绿肥的提高幅度。与此同时，W-G处理较M处理的总投入提高了4.0%—6.3%，这主要体现在W-G处理较M处理的灌溉投入提高了59.2%— 60.1%。两种间作种植模式内，W-G//M处理较W//M处理增加了种子和人工机械的投入，二者的平均增加幅度分别为18.3%和13.5%，其差异只存在于因复种绿肥所需的种子和人工投入，其余农资的投入基本相同。W-G处理较W处理除了人工机械和种子投入的增加外，还增大了灌溉的投入，主要包括灌水量和灌溉材料的增加，W-G处理较W处理的人工机械、种子以及灌溉投入分别增加了53.4%—63.3%、26.0%—27.8%和90.4%— 91.2%。此外，W-G和W处理的灌溉投入占总投入的比例为41.2%—43.3%和33.1%—33.5%。两种间作模式中人工机械投入占总投入的24.8%—28.1%。M处理占总投入的比例较高的是肥料，占比为29.5%—32.1%。由此可见，间作麦后复种绿肥由于增加了种子和人工机械费用，在一定程度上提高了成本投入。

图2 不同种植模式主栽作物籽粒产量

图3 不同种植模式间成本投入组成

2.4 不同种植模式的经济效益表现

3个试验年度内，两种间作模式较单作及麦后复种绿肥模式的总收入和纯收益均显著提高（表3），W-G//M处理较M、W-G和W处理的总收入分别提高了18.5%—32.0%、53.0%—67.3%和56.2% —79.7%；W//M处理较M、W-G以及W处理的总收入分别提高了17.8%—24.9%、44.7%—70.3%和47.7%—75.1%。两种间作模式内，2018和2019年小麦间作玉米麦后复种绿肥与否对总收入无显著影响，而在2020年，W-G//M处理较W//M处理的总收入显著提高5.7%。此外，W-G和W处理的总收入在3个试验年度内均无显著差异。W-G// M处理较M、W-G和W处理的纯收益分别提高了11.8%—31.5%、84.9%—115.5%和40.7%—76.6%；W//M处理较M、W-G以及W处理纯收益分别提高了16.7%—26.5%、78.5%—132.2%和35.9%— 78.8%。与总收入不同，两种间作模式的纯收益只在2018年度差异显著，且W-G//M处理较W//M处理的纯收益降低了7.2%，而在2019和2020年无显著差异。3个试验年度内，W-G处理较W处理的纯收益显著降低了14.3%—23.9%。与纯收益相似，2018年W-G//M处理较W//M处理的产投比降低了8.8%，差异显著；而在2019和2020年，小麦间作玉米中复种绿肥与否对产投比的影响不显著。同样，2018年W-G//M处理较M处理的产投比降低了9.0%，2019和2020年度二者的产投比无显著差异。3个试验年度内，W-G处理较W处理的产投比均显著降低，降低了26.6%—30.8%。就W-G//M处理而言，不同年际间的总收入、纯收益以及产投比具有较大差异，表现为2020年较2018和2019年显著提高，分别提高了5.9%—13.3%、9.7%—22.6%和5.8%—12.5%；同时，W-G处理在2020年度的总收入、纯收益以及产投比较2018和2019年度分别提高了4.8%—7.1%、10.1%—14.8%和4.7%—7.0%，其余处理则无上述趋势。说明随着试验年度的延长，麦后复种绿肥提高经济效益的效果逐渐显现，且小麦间作玉米结合麦后复种绿肥较其他模式有利于经济效益的提高，而麦后复种绿肥较单作小麦模式降低了经济效益。

表3 不同种植模式及复种绿肥对经济效益的影响

数据后不同字母表示同一年度中所有处理在0.05概率水平下差异显著。W-G//M：春小麦-箭筈豌豆//玉米；W//M：春小麦//玉米；W-G：春小麦-箭筈豌豆；M：单作玉米；W：单作小麦。下同

Different letters afterwards indicate significant difference within the same year among the treatments at 0.05 probability level. W-G//M: multiple cropping green manure in wheat/maize intercropping after wheat harvested; W//M: wheat/maize intercropping; M: sole cropping maize; W-G: spring wheat-green manure multiple cropping; W: sole cropping spring wheat. The same as below

2.5 不同种植模式对作物光能利用率及灌溉水生产力的影响

2.5.1 光能利用率光能利用率是衡量单位面积农作物利用光能程度和生产水平的重要指标。3个试验年度内，间作及复种绿肥均能显著提高作物全生育期的光能利用率（表4）。W-G//M处理较W//M和W-G处理光能利用率分别提高了7.2%—14.1%和30.3%— 42.3%；W//M处理较M处理光能利用率也显著提高，提高了13.0%—22.4%；且W-G较W处理光能利用率提高了23.5%—52.1%；但M处理与W-G处理光能利用率无显著差异。表明春小麦间作玉米麦后复种绿肥模式可显著提高作物全生育期内的光能利用，为复合系统的高产高效奠定了基础。

2.5.2 灌溉水生产力本研究采用单方灌溉水生产的作物籽粒产量（灌溉水利用效率）以及单方灌溉水经济效益衡量灌溉水生产力（表4）。2018和2019年，W-G//M处理与W//M处理的灌溉水利用效率无显著差异，而在2020年，W-G//M处理较W//M处理的灌溉水利用效率提高了8.7%，差异显著。3个试验年度内，M处理具有最高的灌溉水利用效率，与W//M处理相比，M处理的灌溉水利用效率提高了6.7%—10.5%，除2018年外，2019年和2020年W-G//M处理和M处理的灌溉水利用效率无显著差异。3年内，W-G处理较W处理的灌溉水利用效率均显著降低，降低了30.9%—39.8%。W-G//M和W//M处理的单方灌溉水经济效益无显著差异，同时两种间作模式可实现与M处理相当的单方灌溉水经济效益。W-G处理较W处理的单方灌溉水经济效益显著降低，降低了48.6%—54.3%，并且W-G处理单方灌溉水经济效益表现最低。与2018和2019年相比，W-G//M处理在2020年的单方灌溉水经济效益显著提高，分别提高了9.7%和22.6%。表明在春小麦间作玉米模式中绿肥种植时间的延长有利于提高该模式的单方灌溉水经济效益，而与单一的春小麦复种绿肥模式相比，春小麦间作玉米结合麦后复种绿肥有利于提高灌溉水生产力。

表4 不同种植模式对光能利用率、灌溉水利用效率及单方灌溉水经济效益的影响

2.6 不同种植模式的可持续性

基于3年试验结果，综合主栽作物籽粒产量、叶日积总量、纯收益、产投比、光能利用率、灌溉水利用效率、单方灌溉水经济效益以及总投入等8个指标对不同种植模式的可持续性进行评价（表5）。不同种植模式的可持续性具有较大差异，以W-G//M处理的可持续评价指数最高（0.88），与其他4个处理相比，W-G//M处理的可持续评价指数分别提高了6.3%、5.9%、60.8%和29.6%，差异显著。W//M和M处理的可持续评价指数无显著差异。与W处理相比，W-G处理的可持续性显著降低，可持续评价指数降低了19.4%。综上所述，春小麦间作玉米麦收后复种绿肥模式具有较好的可持续性，可作为试区进一步提高间作优势和增收的主要生产模式。

表5 间作及复种绿肥对生产系统可持续性的影响

数据后不同字母表示所有处理在0.05概率水平下差异显著

Different letters afterwards indicate significant difference among the treatments at 0.05 probability level

3 讨论

3.1 不同种植模式以及复种绿肥对资源利用和经济效益的影响

农业生产受到作物种类、种植模式以及田间管理方式的影响，不同种植模式以及作物种类的选择很大程度上决定了农业生产能否获利[4, 9]。采用适宜的种植模式可以有效协调资源、环境以及相关技术措施之间的关系，使得作物增产的同时提高了资源利用率和农民收入[22, 24]。在干旱内陆灌区，间作种植模式因其在产量以及资源利用方面的独特优势而被认可，但传统间作模式有耗水量大以及对购买性资源的依赖程度较强的局限性[9, 21]。在此基础上，研发增强间作优势的可持续生产技术，已成为干旱内陆灌区提高资源利用率和农业生产效益亟待解决的难题。本研究表明，间作及复种绿肥能显著提高主栽作物全生育期的总叶日积和光能利用率，与传统春小麦间作玉米模式相比，春小麦间作玉米结合麦后复种绿肥的光能利用率提高了7.2%—14.1%。作物叶面积大小能直接影响作物冠层对光的截获率，全生育期叶面积的持续时间是提高作物光能利用率的光合源基础，而光能利用率则是作物光合同化能力的反应，其大小与作物籽粒产量密切相关[22, 25]。前人研究证实，在玉米-大豆的套作模式中，玉米的光能利用率显著高于单作玉米，其主要原因是套作较单作玉米的光合速率以及光合作用关键酶活性显著提高[26]；同样，在小麦间作玉米种植模式中，由于不同作物的生育期不同，导致了间作模式中的特殊冠层结构，改善了作物全生育期的光分布特征，在空间和时间尺度上延长了作物光合时间[27]。因此，采用间套作种植模式有利于提高种植系统的总叶日积。另一方面，春小麦收获后复种绿肥延长了作物对光能吸收利用的时间，进一步提高了种植系统对光能的同化，延长了种植系统吸收利用光能的时间[11]，有利于提高光能利用率。

就经济效益而言，种植翻压豆科绿肥能够降低农业生产对外源化肥的依耐性[28]，一定程度可实现节本增效，既可降低生产成本投入，又可改善土壤肥力，有助于作物增产，可作为提高农业生产经济效益和产投比的有效途径[4, 16]。例如，在春小麦复种绿肥的减氮潜力研究中，已经初步证实了小麦复种绿肥较单作小麦具有15%的氮减量潜力[29]；在小麦-玉米的轮作体系中应用豆科绿肥作物，可有效提高土壤养分含量，降低化学氮肥的投入，并最终有利于提高轮作系统的纯收益[4,16]。然而，常规种植模式中集成应用绿肥作物，播种以及翻压导致人工和其他成本的投入也随之增加，一定程度上不利于农业生产的经济利益[30]。因此，对于具体种植模式的经济效益评估，其多指标的综合考虑至关重要。本研究结果显示，虽然春小麦间作玉米麦后复种绿肥提高了生产成本，但是较单作及春小麦复种绿肥模式的纯收益显著提高。与春小麦间作玉米模式相比，春小麦间作玉米麦后复种绿肥的总投入提高了7.8%—8.8%，但纯收益和产投比并没有因此而降低，主要原因是籽粒产量之间存在差异（图2）。两个间作模式中，2018和2019年度的籽粒产量无显著差异，但随着试验年际的推进，复种绿肥在第3个试验年度显著提高了间作系统的籽粒产量，因为绿肥的增产效果可能具有年际间的累加效应，在某些地区需要经过长时间的积累才能显现[14-15]。另一方面，在一个种植模式中包含多种作物时，某一作物的产量往往高于其单一种植时的产量[7, 23]。因此，在本研究条件下，小麦间作玉米复种绿肥虽然提高了生产成本，但小麦收后复种绿肥较传统小麦间作玉米模式的间作优势也随之提高，一定程度上弥补了成本提高的不足，对小麦间作玉米麦后复种绿肥模式的纯收益和产投比影响较低。就各种植模式的成本而言，小麦间作玉米麦后复种绿肥的成本提高幅度低于春小麦复种绿肥的成本提高幅度。间作中复种绿肥较不复种绿肥增加了种子和人工机械的投入，其余农资的投入基本相同。而春小麦复种绿肥较单作春小麦的人工机械、种子以及灌溉投入均显著增加，其中以灌溉投入的增加幅度最大，增加比例达到了90.4%—91.2%，其次，麦后复种绿肥较单作玉米的总投入也增加，这正是该模式具有最低纯收益和产投比的原因所在。从春小麦复种绿肥大幅度提高灌溉投入的结果可以得出，水资源以及灌溉材料的投入对于干旱灌区麦后复种绿肥模式而言是一笔不可忽视的开销，在干旱和半干旱地区，水资源的缺乏严重制约了其农业生产和发展，也使得农民在选择麦后复种绿肥模式上的积极性不高[18, 30]，但是将麦后复种绿肥与小麦间作玉米同步结合，在增强了间作系统产量以及经济效益的同时，弱化了因复种绿肥而提高灌溉水的投入，有利于经济效益的提高。此外，与单一的春小麦复种绿肥模式相比，春小麦间作玉米结合麦后复种绿肥有利于提高灌溉水生产力；与单作玉米模式相比，间作虽然提高了灌溉水的用量，但是其灌溉量的投入更加有利于作物籽粒产量以及经济效益的提高，最终实现了灌溉水的高效利用。

3.2 不同种植系统的可持续性评价

农业生产中基于农民角度考虑，由于对风险的耐受程度较低，选择种植模式以及作物种类的前提条件是在低成本投入下获得较高的收入[31-32]，因此，经济效益是评价某一项技术措施的首要考虑因素。而从研究者角度考虑，综合经济效益和成本投入的同时，提高某一技术措施的可持续性是最终目标，可持续性应是基于经济、社会以及生态等多角度的评价[30, 33]。以往的研究中，对农业生产技术的评价主要是基于作物籽粒产量或某一资源利用特征进行单一指标量化，其评价结果难以全面反映某一模式或者技术措施的综合价值[19, 24]；其次，不同评价方法的侧重点往往不同，容易形成“以点盖面”的不足[34]。因此，本研究在前人研究的基础上，从产量表现、资源利用情况以及经济效益等主要方面对各种植模式的生产可持续性进行了评价，将籽粒产量、叶日积、光能利用率、纯收入、产投比、总成本、灌溉水利用效率以及灌溉水经济效益等评价指标进行无量纲化处理，构建了可持续评价指数。结果表明，春小麦间作玉米麦后复种绿肥的可持续指数最高，该模式在提高生产系统产量优势的同时，可以减弱因复种绿肥而提高的成本对系统经济效益的负面影响，进而提高了生产系统的经济效益和产投比，灌溉水生产力也随之提高。虽然机械作业也是间作种植模式的一个限制因素，但本研究间作模式的小麦、玉米带宽均为110 cm，可以采用小型机械在带间进行播种和收获作业，在试区农户现有机械的基础上基本实现机械化作业。综上所述，在干旱灌区，春小麦间作玉米麦后复种绿肥是小麦和玉米可持续生产的重要方法之一，是未来农业发展的方向。

4 结论

春小麦间作玉米结合麦后复种绿肥能显著提高作物全生育期总叶日积和光能利用率。随着试验年度的延长，春小麦间作玉米结合麦后复种绿肥较春小麦间作玉米的籽粒产量在2020年提高了8.7%，春小麦复种绿肥较单作春小麦提高了15.1%。与春小麦间作玉米模式相比，间作结合复种绿肥可提高产量优势，弥补了因复种绿肥增加成本的不足。间作结合麦后复种绿肥也能有效提高种植系统的灌溉水利用效率，较春小麦间作玉米模式的灌溉水利用效率提高了8.7%。综合3年试验结果，由于春小麦间作玉米结合麦后复种绿肥模式具有较高的产量、资源利用以及经济效益优势，其生产可持续性指数最高，比春小麦间作玉米模式提高了6.3%。综上，在干旱灌区，春小麦间作玉米集成麦后复种绿肥模式是高效和可持续的种植模式。

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Analysis of Sustainability of Multiple Cropping Green Manure in Wheat-Maize Intercropping after Wheat Harvested in Arid Irrigation Areas

GOU ZhiWen, YIN Wen, CHAI Qiang, Fan ZhiLong, HU FaLong, Zhao Cai, Yu AiZhong, FAN Hong

State Key Laboratory of Arid Land Crop Science/College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070

【】In the oasis irrigated agricultural region, the low resource utilization efficiency and the ratio of output/input are the most prominent constraints for crop production. In this study, the characteristics of light use efficiency, irrigation water productivity and economic benefit in different cropping patterns were investigated in the areas. Research on the sustainability of different cropping patterns would benefit crop production to save cost and increase income in this region.】A field experiment was carried out in a typical arid irrigation area, Wuwei, Gansu province, from 2018 to 2020, to determine the effects of different cropping patterns on leaf area duration, grain yields light utilization efficiency, irrigation water productivity and economic benefit of crops. The sustainability of different cropping patterns was evaluated based on the above indexes. 【】Multiple cropping of green manure after spring wheat harvested significantly increased the leaf area duration of the main-cultivate crops during the whole growth period. W-G//M increased leaf area duration of the main-cultivate crops by 7.7%-7.8%, compared with W//M. Compared with sole cropping and spring wheat-green manure multiple cropping, the intercropping increased the grain yield of main-cultivate crops and the inputs of production cost, simultaneously. There was no significant difference in the total grain yield between W-G//M and W//M in 2018 and 2019. However, W-G//M increased the total grain yield by 8.7% in comparison to W//M in 2020. Compared with M, W-G and W, W-G//M increased net return by 16.7%-26.5%, 78.5%-132.2% and 35.9%-78.8%, respectively. In two intercropping patterns, the net return of the W-G//M decreased by 7.2% in comparison to W//M treatment in 2018. However, the net return of two intercropping treatments showed not significantly different in 2019 and 2020, and the ratio of output/input showed a similar result. Multi-planting green manure after wheat harvested could significantly improve the light use efficiency of crops.W-G//M treatment increased light use efficiency by 7.2%-14.1% compared with W//M. The light use efficiency under W-G was increased by 23.5%-52.1% in comparison to W treatment. Compared with W, the productivity of irrigation water under W-G was significantly reduced by 48.6%-54.3% (irrigation water use efficiency) and 30.9%-39.8% (Economic benefit per cubic meter irrigation water), while there was no significant difference in the productivity of irrigation water under W-G//M and W//M. W-G//M had the highest sustainability index across three years. 【】Grain yield of main-cultivate crops and economic benefits were improved by intercropping and multiple cropping green manure after wheat harvested. The irrigation water productivity and light utilization efficiency were also increased, thereby improved the sustainability of this cropping pattern. Therefore, multiple cropping green manure after wheat harvested in wheat/maize intercropping could be used as a high-efficient utilization of resources and sustainable cropping pattern in arid irrigation areas.

multiple cropping after wheat harvest; leguminous green manure; economic benefit; irrigation water productivity; sustainability evaluation