小麦玉米间作氮肥后移利于减少土壤蒸发提高水分利用效率

2024-04-11任强徐珂樊志龙殷文范虹何蔚胡发龙柴强

中国农业科学 2024年7期

任强，徐珂，樊志龙，殷文，范虹，何蔚，胡发龙，柴强

任强，徐珂，樊志龙，殷文，范虹，何蔚，胡发龙，柴强

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

【目的】针对绿洲灌区小麦玉米间作水分高效利用潜力挖掘不足，制约多熟种植稳定发展的问题，拟通过探明不同氮肥后移比例对小麦玉米间作耗水特性及水分利用的影响，为绿洲灌溉区水分高效利用麦玉间作模式创建提供理论依据。【方法】试验于2020—2021年在甘肃农业大学绿洲农业综合试验站开展，设小麦玉米间作、单作小麦和单作玉米3种种植模式，针对玉米设不施氮（N0）、氮肥后移20%（N1）、氮肥后移10%（N2）和传统施氮氮肥不后移（N3）4个处理，间作玉米和单作玉米各施氮处理下总施氮量分别为210和360 kg·hm-2，研究不同种植制度及氮肥后移比例对小麦和玉米的土壤蒸发、耗水特性及水分利用的影响。【结果】小麦、玉米独立生长阶段间作处理的棵间蒸发量大于单作，间作小麦棵间蒸发较单作小麦增大15.9%—16.7%，间作玉米棵间蒸发较单作玉米增大5.4%—14.7%，麦玉共生期间作棵间蒸发量较单作加权降低4.6%—6.1%；全生育期棵间蒸发总量表现为：小麦玉米间作最大、单作玉米次之、单作小麦最小，在间作模式中，氮肥后移20%处理棵间蒸发量较传统施氮降低6.5%，且小麦带棵间蒸发量较玉米带增大12.6%—17.3%，是间作系统棵间蒸发的主要来源。间作系统中氮肥后移20%和后移10%处理全生育期耗水量较传统施氮分别降低34.3和18.9 mm，E/ET与传统施氮差异不显著。间作系统籽粒产量较单作加权平均提高21.1%—39.0%，间作系统氮肥后移20%处理籽粒产量较传统施氮提高28.8%，其中间作小麦、间作玉米氮肥后移20%处理较传统施氮分别提高24.3%、30.8%。间作种植模式氮肥后移处理水分利用效率较单作加权平均显著提高15.0%、12.3%，其中氮肥后移20%处理较传统施氮提高35.9%，氮肥后移10%处理较之提高19.3%。【结论】小麦玉米间作种植模式结合氮肥后移20%能减少土壤蒸发和全生育期耗水量，提高产量和水分生产力，是绿洲灌区小麦玉米间作高产高效生产可采用的施氮制度。

间作；氮肥后移；棵间蒸发；产量；水分利用效率

0 引言

【研究意义】近年来，受气候变化和水资源短缺影响，我国农作物受旱、成灾和绝收面积不断扩大，新旱区逐渐扩展，局部性、区域性干旱频繁出现[1-2]，严重威胁国家粮食和生态安全[3]。在气候干旱、水资源严重匮乏的西北地区，水分高效利用是作物生存的关键，也是农业生产持续攻克的难点[4]。间作通过时空生态位补偿，可集约利用光照、养分资源，显著提高水分利用效率[5]。【前人研究进展】研究表明，玉米大豆间作6﹕6行能提高组分作物水分当量比，使系统水分生产力提高5%—21%[6]。玉米豌豆间作通过增大行比和种植密度能抑制地表蒸发，增加两种作物带内土壤含水量，提升间作系统的水分利用优势[7-8]。玉米绿肥间作在氮肥减量25%时土壤水分含量明显提高，水分生产力显著提升[9]。分析发现，农艺措施在改变间作系统对重叠生态位的协同利用上起着重要调节作用[10]，并通过缓解水分竞争，增强水分补偿，使有限水分的利用效率得到最大化[11]。因此，利用农艺措施促进间作系统水分协同利用可进一步提升水分利用效率。氮肥后移符合作物养分需求规律，能显著提高资源利用效率[12]，集成到间作系统后表现出调控间作作物种间关系的明显优势[13]，理论上能促进间作系统对有限资源的协同利用，进而提高水分利用效率。【本研究切入点】在河西绿洲灌区，小麦玉米间作曾是种植最为广泛的高产间作模式，但因耗水量高在短时间内严重萎缩，通过氮肥后移提升其水分利用效率将对该模式的恢复和发展起到重要影响，然而相关研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用田间定位试验，针对间作玉米设置不同氮肥后移处理，通过测定不同种植模式地表蒸发、土壤贮水量、籽粒产量，明确氮肥后移对小麦玉米间作耗水特征、水分利用效率的影响，以期为绿洲灌区小麦玉米间作生产模式的改进和间作水分高效利用提供技术参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2020年3月至2021年10月在甘肃省武威市凉州区甘肃农业大学绿洲农业综合试验站（102°53′32′′E，37°44′49′′N）进行。该基地位于河西走廊东端，属北温带大陆性干旱气候，常年干旱少雨、光照资源丰富、蒸发量大。多年平均降水量158 mm，年蒸发量高达2 400 mm，太阳辐射总量6 000 MJ·m-2，试验地0—30 cm土层有机质、全氮、全磷含量分别为12.6、0.67、1.42 g·kg-1，土壤容重为1.56 g·cm-3，pH 8.3。2020年—2021年逐日平均气温及降水量如图1所示。该区是典型的一熟有余、两熟不足干旱绿洲灌溉农业区，小麦、玉米是主栽作物，播种面积占粮食作物总面积的一半以上，但种植结构单一，连作普遍。

图1 试区2020—2021年逐日平均气温及降水量

1.2 试验设计

本试验采用随机区组设计，共2个因素，10个处理，每处理3次重复。所设种植模式包括小麦玉米间作（W||M）、单作小麦（W）、单作玉米（M）；所设施氮制度包括不施氮（N0）、氮肥后移20%（N1）、氮肥后移10%（N2）、传统施氮（N3）。氮肥后移只针对玉米进行，小麦对应设置不施氮（N0）、传统施氮（Nw）2个水平。玉米基肥是施氮总量的20%，第一次追肥在玉米拔节期进行，按N1、N2、N3施总量的10%、20%、30%；第二次追肥在玉米大喇叭口期进行，均施总量的40%；第三次追肥在玉米开花后10 d进行，按N1、N2、N3施总量的30%、20%、10%。施氮时，间作群体按2种作物的种植带分别进行，以形成分带管理模式，并利用膜下滴灌进行氮肥追施。所用氮肥为尿素（含N≥46.0%），磷肥为磷酸二铵（含P2O5≥46%），按照N﹕P为2﹕1的比例，各处理均施180 kg·hm-2，全作基肥施用，由于试验地土壤富钾，故不施钾肥。具体施氮制度见表1。

不同种植模式的田间结构、总施氮量与地方习惯相同，其中小麦玉米间作带型为80 cm﹕110 cm，小麦带种6行，行距12 cm，播种密度284万株/hm2，玉米带种3行，行距40 cm，株距27 cm，播种密度5.2万株/hm2，小区面积5.7 m×6 m。单作与间作模式作物种植密度在净占地面积上保持一致。单作小麦种植密度675万株/hm2，单作玉米行距40 cm，株距27 cm，播种密度9万株/hm2，小区面积6 m×6 m。玉米采用传统覆膜（宽120 cm，厚0.01 mm的白色农用地膜）栽培，膜下滴灌，小麦为裸地滴灌。

供试小麦（L.）品种为宁春4号，玉米（L.）品种为先玉335。小麦分别于2020年3月20日、2021年3月18日播种，于2020年7月20日、2021年7月22日收获；玉米分别于2020年4月20日、2021年4月22日播种，于2020年9月25日、2021年9月21日收获。

表1 不同处理的施氮制度

N0在表中忽略，N3为传统施氮，将传统施氮拔节期部分氮肥分配至花后10 d施用形成氮肥后移

N0 was ignored in the table, N3 was the traditional nitrogen fertilization, and the part of the nitrogen fertilizer at the jointing stage of the traditional nitrogen fertilization was allocated to 10 days after flowering to form nitrogen fertilizer and then postponed

1.3 测定项目与方法

棵间蒸发量（E）：使用微型蒸渗仪测定棵间蒸发量，由高度为14 cm、内口径为10 cm的PVC管自制，底部用纱网封堵，埋设在各小区中心，取小区内原状土进行测定。间作系统每小区不同作物带各安装1个，单作每小区安装1个，每3—5 d进行测定一次，在2—3 d后及时更换容器中的原状土，使之与大田中的土壤含水量一致，在连续下雨或者灌水后进行加测并做好记录。测定时间为每日7：00使用精度为0.01 g的电子天平进行称重，用相邻2 d的重量差计算每天棵间蒸发量。微型蒸渗仪中每减少1 g重量相当于0.1053 mm的棵间蒸发量。

土壤含水量：每20 d测定一次，采用烘干法，在0—30 cm土层间以10 cm为间隔，在30—120 cm土层间以30 cm为间隔。单作处理中，每小区设1个测定点，3个重复的平均值作为该处理土壤含水量测定值；间作处理中，每小区分别在小麦和玉米种植带各设1个测定点，2点平均值为小区土壤含水量测定值。

土壤贮水量（SWS）：SWSi＝Wi×Di×Hi×10/100[14]

式中，SWS为土壤贮水量（mm），i为土层，W为土壤质量含水率（%），D为土壤容重（g·cm-3），H为土层厚度（cm）。

作物耗水量（ET）：ET＝P＋I＋ΔS[15]

式中，ET为作物耗水量（mm），P为作物全生育期的降水量（mm），I为作物全生育期灌水总量（mm），ΔS为作物播前和收后土壤贮水量之差（mm）。

蒸散比（ER）：ER＝E/ET[16]。

籽粒产量（Y）：作物成熟后每个小区选取2 m2样方进行收获，采用单打单收的方式进行脱粒测产，统计籽粒产量。

水分利用效率（WUE）：WUE＝Y/ET[17]。

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2016软件对试验数据进行整理、汇总，使用SPSS 20.0软件进行统计分析，不同因素的方差统计分析采用一般线性模型单变量ANOVA，多重比较采用Duncan法。文中图片用Origin 2021软件进行绘制。

2 结果

2.1 种植模式和施氮制度对棵间蒸发量的影响

2.1.1 各阶段棵间蒸发量种植模式和施氮制度对小麦独立生长期（施氮制度除外）、麦玉共生期、玉米独立生长期棵间蒸发量均有显著影响，但二者交互作用影响不显著。由表2可知，在小麦独立生长期，间作小麦各施氮处理棵间蒸发量较单作小麦分别增大15.9%、15.7%、15.5%和16.7%；间作中，施氮处理间差异不显著，但均低于不施氮处理。在麦玉共生期，间作各施氮处理棵间蒸发量较单作加权平均分别降低6.1%、5.8%、4.6%和5.8%，且间作N1和N2处理棵间蒸发量较N3分别降低7.9%和3.9%；单作玉米中，N1和N2处理棵间蒸发量较N3分别降低7.6%和4.0%。在玉米独立生长期，间作棵间蒸发量高于单作玉米，较之分别增大5.4%、14.7%、8.1%和7.7%；间作N1和N2棵间蒸发量较N3分别降低9.1%和6.0%；单作玉米N1和N2棵间蒸发量较N3分别降低14.6%和6.3%。

种植模式和施氮制度对全生育期棵间蒸发总量影响显著，二者交互效应对2020年全生育期棵间蒸发总量影响显著，但对2021年全生育期棵间蒸发总量影响不显著。总体上，间作棵间蒸发总量大于单作玉米，单作小麦最小（表2）。以单作小麦和单作玉米全生育期棵间蒸发总量加权平均为对照，IN0、IN1、IN2和IN3全生育期棵间蒸发总量比单作加权平均增大30.4%、31.7%、31.9%和33.0%，间作明显增加了棵间蒸发。小麦玉米间作和单作玉米在不同施氮水平下全生育期棵间蒸发量表现出N0＞N3＞N2＞N1，且间作N1和N2处理棵间蒸发量较N3降低6.5%和3.7%，单作玉米N1和N2处理棵间蒸发量较N3降低8.3%和4.6%。因此，氮肥后移是降低小麦玉米间作棵间蒸发的有效措施。

表2 不同处理下各阶段及全生育期的棵间蒸发量

表中同列不同小写字母表示同一年份不同处理间在0.05水平差异显著。下同

Different lowercase letters in a column in the same year represented significant differences among treatments at 0.05 level. The same as below

2.1.2 间作不同作物带的棵间蒸发量间作各处理全生育期棵间蒸发总量表现为玉米带明显低于小麦带（图2），说明在麦玉间作的棵间蒸发以小麦带为主。在N0、N1、N2和N3处理下，小麦带两年平均棵间蒸发总量分别为304.4、282.7、288.9和295.3 mm，与同一处理下玉米带相比（269.2、233.85、244.9和257.9 mm）分别高11.6%、17.3%、15.2%和12.6%。不同施氮水平对玉米带棵间蒸发量有显著降低作用，与N3相比，N1和N2处理玉米带棵间蒸发量分别降低9.3%和5.0%；氮肥后移处理对小麦带棵间蒸发量降低作用不显著。因此，氮肥后移可显著降低间作玉米带棵间蒸发量，其中氮肥后移20%处理降低玉米带棵间蒸发量效果最为显著。

2.2 种植模式和施氮制度对作物耗水特性的影响

2.2.1 土壤贮水量和作物耗水量种植模式对播前和收后贮水量影响显著，且二者交互效应对收后贮水量影响显著，对播前贮水量影响不显著。两个试验年度中，间作和单作玉米均表现出N1处理下收后贮水量最高，N3处理下收后贮水量最低（表3）。间作N1和N2收后贮水量较N3分别提高11.4%和6.1%，单作玉米N1和N2收后贮水量较N3分别提高9.5%和4.6%。因此，与传统施氮相比，氮肥后移可有效提高土壤蓄水能力，从而补偿作物生长对水分的需求。

图2 间作各处理不同作物带的棵间蒸发总量

表3 不同处理下播前、收后贮水量及全生育期总耗水量

种植模式、施氮制度和二者互作对总耗水量的影响显著。全生育期耗水量在不同种植模式下表现出小麦玉米间作＞单作玉米＞单作小麦，在不同施氮水平下表现出N3＞N0＞N2＞N1的趋势（表3）。以各处理单作耗水量加权平均为对照，间作耗水量增加了30.0%、25.3%、26.6%和28.0%。间作N1和N2处理作物耗水量较N3降低34.3、18.9 mm，单作玉米N1和N2处理作物耗水量较N3降低27.4、16.1 mm，两种种植模式均以氮肥后移20%处理降幅最大。结果表明，小麦玉米间作集成氮肥后移20%可有效降低作物全生育期耗水量，具有较高的节水潜力。

2.2.2 全生育期E/ET 种植模式、施氮制度对E/ET影响显著（＜0.05），但二者交互作用影响不显著（＞0.05）。两个试验年度中，E/ET均表现为单作玉米＜小麦玉米间作＜单作小麦（图3），且间作E/ET与单作加权平均差异不显著。在间作和单作玉米模式下，各施氮处理间E/ET差异不显著，但均低于不施氮。表明无效蒸发量占全生育期耗水量的比值没有因种植模式和氮肥后移的改变而明显增大。

图3 不同处理作物棵间蒸发量与耗水量的比值

2.3 种植模式和施氮制度对作物产量及水分利用效率的影响

2.3.1 籽粒产量种植模式、施氮水平对小麦、玉米和系统产量的影响显著，二者交互作用仅对系统产量影响显著（表4）。两个试验年度内，间作各处理小麦籽粒产量较单作分别提高37.2%、66.4%、52.1%和33.9%，玉米籽粒产量较单作分别提高16.8%、29.8%、34.3%和24.3%，同时，系统籽粒产量较单作加权平均分别提高21.1%、38.7%、39.0%和26.9%。间作N1和N2处理小麦籽粒产量较N3分别提高24.3%和13.6%，玉米籽粒产量分别提高30.8%和16.6%，系统籽粒产量分别提高28.8%和15.7%。单作玉米N1和N2处理籽粒产量较N3分别提高25.2%和8.0%。因此，间作较单作显著提高籽粒产量，且氮肥后移20%处理增产效果最好。

2.3.2 水分利用效率种植模式、施氮水平及二者互作效应对水分利用效率影响显著（＜0.005）。两年试验年度内，间作N1和N2处理水分利用效率较单作加权平均提高15.0%和12.3%（图4）。在间作中，N1和N2处理水分利用效率较N3分别提高35.9%和19.3%；在单作玉米中，N1和N2处理水分利用效率较N3分别提高30.9%和10.8%。说明间作种植模式可有效提高作物水分利用效率，且结合氮肥后移20%使水分利用效率进一步提高。

3 讨论

3.1 间作系统的棵间蒸发量

土壤蒸发是作物生产性耗水的重要组成部分，其总量的大小决定着土壤水分无效损失的高低[17]。研究表明，小麦玉米间作全生育期土壤蒸发量大于单作小麦、单作玉米蒸发量加权平均[18]。本研究中，在小麦独立生长期，间作小麦棵间蒸发量大于单作小麦，主要原因是此阶段玉米带覆膜，可能引起小麦带地温升高，导致间作小麦棵间蒸发增大。麦玉共生期，间作棵间蒸发量小于单作加权平均，与此阶段小麦、玉米生长旺盛，叶面积指数大、作物蒸腾和地表覆盖度高有关；此外，玉米采用地膜覆盖，起到一定保水作用[19]。在玉米独立生长期，由于小麦收获后地表裸露，太阳对地面的直接辐射增强，使地表蒸发进一步增大。就间作而言，麦玉共生期降低的棵间蒸发量并未抵消小麦和玉米独立生长期增加的棵间蒸发量，因而，间作全生育期棵间蒸发较单作加权平均高30.4%—33.0%，与WANG等研究结果相似[20]。在小麦玉米间作中，小麦带棵间蒸发量较玉米带高11.6% —17.3%，是间作棵间蒸发的主要来源，而玉米采用覆膜种植，抑制了土壤蒸发[21]。

表4 不同处理下作物籽粒产量表现

图4 不同处理下作物水分利用效率

本研究中，小麦独立生长期，间作氮肥后移处理棵间蒸发量与传统施氮差异不显著，而玉米独立生长期和麦玉共生期，间作氮肥后移处理棵间蒸发较传统施氮均降低，与滕圆圆等[16]研究发现玉米间作豌豆中氮肥后移处理的棵间蒸发量较传统施氮显著降低的结果相似。其主要原因是小麦独立生长期未进行氮肥后移处理，不同种植模式基肥施用量相同，并未对棵间蒸发量产生影响；玉米生长前期需肥量较少，而后期需肥量大，将拔节期部分氮肥后移至开花后15 d并不会对玉米生长前期产生较大影响[22]，但利于后期氮素供应，有效避免叶片早衰[23]，并抑制地表蒸发。不同后移处理中，氮肥后移20%棵间蒸发量降低效果最好，是适宜的后移比例。这与后期氮肥追施量增大促使玉米叶面积指数增大，增加地表覆盖度有直接关系[16]；另外，前期氮肥供应减少可促进玉米根系纵向生长，扩大根系吸水范围[24]，而后期氮素补充后，可迅速增大蒸腾作用，避免土壤水分过多蒸发[25]。在麦玉间作种中，后移20%处理玉米带和小麦带棵间蒸发较传统施氮分别降低9.3%和4.3%，与氮肥后移促进玉米生长，同时增大玉米带及小麦带遮阴、减小地表太阳辐射直接相关。因此，间作结合氮肥后移20%具有减少土壤蒸发的优势。

3.2 间作系统的耗水特性

农业生产中合理的管理措施可提升水肥耦合效应[23]，通过施氮优化是改善农田土壤水分状况的可行途径[26]。本研究中，间作结合氮肥后移增加了玉米和小麦吸收更多水分的可能性。主要原因是玉米生长前期需肥少，增加施氮并不能提高地表覆盖度，相反，根系横向分布在表层[27]，不利于纵向水分吸收利用；而玉米生长后期需肥量增大，将拔节期氮肥后移到开花后10 d，可降低生育后期土壤水分无效损失，并促进水肥资源吸收利用[28]。冯福学等[29]研究发现，间作各处理全生育期总耗水量明显大于单作总耗水量加权平均，与本研究结果相似。另外，间作结合氮肥后移降低了总耗水量，且以后移20%效果最好。一方面，间作系统利于灌溉水和降雨向土壤深层的入渗，而氮肥后移可促进玉米细根的产生和增大根表面积，进而增加深层土壤水分的吸收和利用[30]；另一方面，氮肥后移能有效协调玉米需氮特性，促进玉米生育后期叶片对光资源的捕获，利于延缓叶片衰老[31]，减少土壤水分无效损失，降低耗水总量。因此，氮肥后移20%可有效缓解小麦玉米间作对耗水量的增大作用。

作物耗水量受作物蒸腾耗水与棵间蒸发耗水共同影响，其中棵间蒸发量占有较高比重，因此降低作物耗水量要从提高作物蒸腾，降低无效棵间蒸发入手[32]。作物生育期内棵间蒸发量与耗水量的比值大小是反映农艺措施能否将无效耗水转化为有效耗水的重要指标[33]。本研究中，间作棵间蒸发量与耗水量比值与单作加权平均差异不显著，说明间作尽管增大了棵间蒸发量和总耗水量，但并未造成总耗水中无效水分损失量随之增大。在不同种植模式下，各施氮处理的棵间蒸发量与耗水量比值均低于不施氮，说明施用氮肥是促进无效耗水转化为有效耗水的关键。此外，小麦玉米间作和单作玉米下，氮肥后移的棵间蒸发量与耗水量比值与传统施氮无显著差异，说明氮肥后移未造成总耗水中无效耗水增加。

3.3 间作系统水分生产力

大量研究发现，间作较单作有明显的高产优势[9]，科学合理的施氮措施能促进作物对氮素的吸收和利用，从而提高作物产量[34]，本研究中，麦玉间作复合籽粒产量较单作加权平均显著提高，这与陈国栋等[35]研究结果相似。其主要原因是小麦、玉米在间作中存在资源竞争优先序，小麦前期通过竞争获得较多水分、光能等资源，进而提高产量，而玉米更趋向于在后期增大水分、光能等资源的补偿利用，利于增加营养器官干物质向籽粒的转运量，通过恢复生长实现增产[36-37]；另外，麦玉间作可充分利用自然资源，增强作物抗逆性，减轻病虫危害，表现出较高的间作优势[28]。不同后移处理中，氮肥后移20%的产量均最高，在小麦玉米间作和单作玉米下较传统施氮分别提高28.8%和25.2%。这与氮肥后移有效协调玉米生长前后期氮素需求、增强叶片光合速率、加快干物质从营养体向籽粒的转移关系密切[38]。

施氮对水分利用效率的影响不仅与施用量有关，更与施用时期有很大关系[39]，适时适量施氮可提高作物对土壤水分的吸收，从而提高作物水分利用效率[15]。本研究中，小麦玉米间作和单作玉米氮肥后移20%处理下水分利用效率最高，较传统施氮分别提高35.9%和30.9%。一方面，氮肥后移扩大了土壤深层水分的可吸收范围，同时减少了地表蒸发，使得有限水分更多用于蒸腾作用[20]；另一方面，氮肥后移促进了玉米干物质向籽粒的转移，增大收获指数，最终提高水分生产力[38]。因此，麦玉间作种植模式集成氮肥后移20%利于发挥间作群体增产潜力，是提高籽粒产量和水分利用效率的有效措施。然而，本研究中氮肥后移比例的上限为20%，制约了小麦玉米间作最佳后移比例的准确提出，因为继续增大后移比例可能会持续增加产量、提高水分利用效率。因此，基于本研究继续设置更为系统的后移比例，并从水分利用、氮素利用等多角度进行探究，最终明确小麦玉米间作最佳后移比例将是未来研究的重点。

4 结论

小麦玉米间作较两种作物单作种植显著增加了棵间蒸发量和总耗水量，但结合氮肥后移20%使棵间蒸发量较传统施氮降低6.5%、耗水量降低34.3 mm。此外，小麦玉米间作结合氮肥后移20%提高了籽粒产量和水分利用效率，较单作小麦和单作玉米加权平均提高38.7%和15.0%。因此，氮肥后移20%可降低小麦玉米间作土壤水分蒸发和全生育期耗水量，提高产量和水分生产力，是绿洲灌区小麦玉米间作高产高效生产可采用的施氮制度。

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Nitrogen Fertilizer Postponing Application Benefits Wheat-Maize Intercropping by Reducing Soil Evaporation and Improving Water Use Efficiency

REN Qiang, XU Ke, FAN ZhiLong, YIN Wen, FAN Hong, HE Wei, HU FaLong, CHAI Qiang

College of Agronnmy, Gansu Agricultural University/Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070

【Objective】Aiming at the problem of insufficient excavation of the potential of efficient water utilization of wheat-maize intercropping in the oasis irrigation area, which restricted the stable development of multi-maturing cultivation, this study was intended to provide the theoretical basis for the creation of a model of efficient water utilization of wheat-maize intercropping in the oasis irrigation area by investigating the effects of different nitrogen fertilizer postponing application on water consumption characteristics and water utilization of wheat-maize intercropping.【Method】The experiment was carried out in the oasis agricultural comprehensive experimental station of Gansu Agricultural University from 2020 to 2021. Three planting patterns of wheat-maize intercropping, monocropping wheat and monocropping maize were set up. Four treatments application systems were set up formaize: no nitrogen application (N0), 20% nitrogen fertilizer postponing (N1), 10% nitrogen fertilizer postponing (N2), and traditional nitrogen fertilizer without postponing (N3). The total nitrogen application rates of intercropping maize and monocropping maize were 210 and 360 kg·hm-2, respectively. The effects of different planting systems and nitrogen fertilizer postponing ratios on soil evaporation, water consumption characteristics and water use of wheat and maize were studied.【Result】During wheat and maize independent growth stage, the intercropping tree evaporation was greater than that of monocropping, the intercropping wheat tree evaporation increased 15.9%-16.7% than that of monocropping wheat, and the intercropping maize tree evaporation increased 5.4%-14.7% than that of monocropping maize, while wheat and maize symbiosis of intercropping tree evaporation compared with the monocropping weighted reduction of 4.6%-6.1%; the total amount of evaporation during the whole life cycle tree performance: wheat maize in the intercropping mode, intertree evaporation was reduced by 6.5% in the 20% N fertilization setback treatment compared with N3, and intertree evaporation in the wheat belt increased by 12.6%-17.3% compared with that in the maize belt, which was the main source of intertree evaporation in the intercropping system. In the intercropping system, water consumption was 34.3 and 18.9 mm lower than that of traditional N application under the 20% and 10% N fertilizer setback treatments, respectively, but the difference between E/ET and traditional N application was not significant. The seed yield of intercropping system was increased by 21.1%-39.0% compared with the weighted average of monocrop, and the seed yield of intercropping system with 20% N fertilizer setback treatment was increased by 28.8% compared with the traditional N application, among which the intercropped wheat and intercropped maize with 20% N fertilizer setback treatments were increased by 24.3% and 30.8%, respectively, compared with the traditional application of N. The water consumption during the whole growth period under intercropping system with 20% and 10% N fertilizer setback treatment was decreased by 34.3 and 18.9 mm that under traditional application of N, respectively. The E/ET of intercropping system with 20% N fertilization was increased by 20% than that under the traditional N application. The water use efficiency of intercropping planting pattern nitrogen fertilizer setback treatment was significantly increased by 15.0% and 12.3% than that under the weighted average of monocrops; among which the nitrogen fertilizer setback 20% treatment was increased by 35.9% compared with the traditional nitrogen application, and the nitrogen fertilizer setback 10% treatment was increased by 19.3% compared with the traditional nitrogen application.【Conclusion】The wheat-maize intercropping pattern combined with 20% nitrogen fertilizer postponing could reduce soil evaporation and water consumption during the whole growth period, and increase yield and water productivity, which was a nitrogen application system that could be used for high-yield and high-efficiency production of wheat-maize intercropping in oasis irrigation areas.

intercropping; nitrogen fertilizer postponing application; soil evaporation; yield; water use efficiency