苜?！←湈介g套對土壤水分的影響

穆陽陽，岳喜天，張曉紅

（1.山西師范大學地理科學學院，山西臨汾 041004；2.河南農業大學農學院，河南鄭州 450002）

間套作是我國傳統農業的精髓，其已經存在兩千多年，從過去的低投入低產出演變為現代的高投入高產出，必然蘊含重要的科學原理，在我國糧食生產中具有重要的地位[1-3]。孫浩峰，王延平等的研究結果表明，同玉米單播相比較，苜?！衩组g作田地表徑流量顯著降低，土壤水分利用效率顯著提高［4-5］。苜?！衩组g作條件下,不同作物根系分布密度和入土深度不同，增加了作物根系吸收土壤水分的面積，提高了作物對不同土層土壤水分的利用效率［6-7］。豌豆—玉米間作將兩種作物的最大需水期分異，并讓水分的獲得量和利用效率都達到了最大化，提高水分利用[8]。馬鈴薯、玉米、大莢豌間套作能最大發揮土地的效益，保證糧食產量[9]。豆科與非豆科間套作，有利于保護農田生態環境和維持農業可持續發展[10]。間套作體系由于不同物種作物的根系特征差異,就會產生水分的補償利用[11-12]。我國行間套作的種類多，分布廣，總的特點是東部間套作種類多于西部，南方高于北方[13-14]。但是在小麥主產區研究苜?！←湹谋容^少，豫東地區位于黃淮海平原的腹地，是我國重要的小麥主產區，因此合理地利用季節水分和互調余缺機制十分重要。苜蓿作為一種多年生深根作物，根系每年向下延伸，形成“安全網”對土壤水分進行截獲，與不同行數的小麥帶式間套以后，了解土壤水分變化趨勢，將水分利用效率達到最大化，獲得理想的間套優勢。為此，本研究以小麥種植為主的豫東地區進行大田試驗，探索我國小麥主產區苜?！←湈介g套對土壤水分的影響，建立合理間套體系使水分利用效率達到最大化，實現保護性耕作。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于河南省商丘農田生態系統國家野外科學觀測研究站（北緯 34°35′13′′，東經 115°34′30′′，海拔 55.6 m）。該地區屬于暖溫帶亞濕潤季風性氣候，多年平均降雨量708 mm，降雨集中在7～9月份，多年平均氣溫13.9℃，無霜期230 d。試驗期間，年際降雨變化大，主要集中在6～9月，此期間月溫度變化不大，3～5月為苜蓿種植和生長的前期，降雨比較少，月溫度極值變化比較大。降水的分布和月溫度的極值變化對作物生育期間土壤水分的變化均有一定的影響。開展本試驗前，試驗地連續多年實行冬小麥—夏玉米周年兩熟種植，土壤類型為潮土，成土母質為黃河沖積物0～40 cm土層。2017年4月9日開始實施苜?！←滈g套作時，苜蓿播種前0～40 cm土層，土壤容重1.42 g·cm-3，田間持水率為 17.41%～20.30%（質量含水率)，40～100 cm土層的土壤容重及田間持水量分別為 1.34 g·cm-3和 22.24%～27.76%。2016—2017年冬小麥拔節期（2017年2月19日）追施復合肥料（N-P2O5-K2O=30：10：0）600 kg·hm-2，2017—2018年冬小麥拔節期（2018年 3月7日）追施復合肥料（NP2O5-K2O=27：7：6）600 kg·hm-2。試驗開始時土壤基礎肥力情況，如表1所示。

表1 試點土壤養分基本狀況

1.2 試驗方法與設計

試驗地為冬小麥建植地，于2016年秋季機播，播量為 225 kg·hm-2，品種為新原 958；苜蓿于2017年4月9日在去除部分小麥后人工播種，供試苜蓿品種為美國進口MATTWI包衣種子，播種量125 kg·hm-2。帶式間套設兩個處理，每個處理三個重復，苜蓿：小麥行數比為1 m：1 m與1 m：2 m，套作每個小區長20m，寬5m，小區處理面積為100m2,苜?！俎Ｐ芯?0 cm，小麥—小麥行距20 cm。試驗設單播小麥（CK-X）和單播苜蓿（CK-M）作為小麥和苜蓿帶式間套的對比。

1.3 土壤水分測定

2017年4月苜蓿播種前采集試驗區0～100 cm土層土壤樣品，每10 cm一層，用烘干法測定土壤質量含水量作為基樣對照，之后于2017年6月麥收后，10月份種麥之前，以及2018年4月小麥拔節前，2018年6月麥收后，在各處理小區內的苜蓿行和小麥行上分別進行0～100 cm深度內的分層用烘干法測定土壤質量含水量。

土壤儲水量為：

其中，Dw表示土壤儲水量（mm），θv為體積含水量（%），h為土層厚度（cm）,θm為質量含水量（%）,ρ為土壤容重。

土壤階段耗水量為：

其中，△W為土壤階段耗水量（mm），Dw1為生育階段初0～100 cm土壤儲水量（mm），Dw2為生育階段末0～100 cm土壤儲水量（mm）。

1.4 數據處理

采用SPSS 22.0和Excel 2010進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理方式的土壤水分剖面特征

2017年6月氣溫升高，地表蒸發旺盛，加之小麥成熟，苜蓿生長旺盛，耗水量大，小麥和苜蓿兩種帶式間套的土壤水分含量在0～70 cm以上明顯高于單播小麥和單播苜蓿（圖1）。5m-M1、5m-M2兩個處理中土壤質量含水量均在30 cm處最低（5m-M120.87%，5m-M219.27%）；5m-X1、5m-X2兩個處理中土壤質量含水量分別在20 cm與30 cm處最低（5m-X122.90%，5m-X222.13%）。受降水影響，各處理0～20 cm較4月基樣相比較均有不同幅度的提高，80 cm以下只有單播小麥比基樣大幅度降低，其他與基樣基本持平。CK-X的土壤含水量波動降低，在 0～100 cm小于 5m-X1、5m-X2。CK-M 在 0～80 cm 小于 5m-M1、5m-M2，80 cm 以下與5m-M1、5m-M2基本持平。

圖1 2017年6月7日不同處理土壤質量含水量

2017年7～10月耗水量主要來自苜蓿，此時5m-M1、5m-X1的土壤含水量大致相同，在 20～80 cm深度內均明顯高于單播小麥，低于單播苜蓿，5m-M2、5m-X2的土壤含水量與單播苜?；境制?，高于小麥單播（圖2）。5m-M1、5m-M2兩個處理中土壤質量含水量均在30 cm和20 cm處最低（5m-M122.39%，5m-M221.96%）；5m-X1、5m-X2兩個處理中土壤質量含水量分別在30 cm與 10 cm 處最低（5m-X123.05% ，5m-X220.89%）。10月處于豫東地區雨季，降水增多，較4月基樣比較，均大幅度增加，在20～40 cm處與單播小麥基本持平。

圖2 2017年10月26日不同處理土壤質量含水量

2018年3月，小麥、苜蓿結束越冬期，開始返青期。5m-M1、5m-X1的土壤含水量與單播小麥和單播苜?；境制?，5m-M2、5m-X2在 40～90 cm處高于單播小麥，與單播苜蓿持平（圖3）。3月豫東地區氣溫開始回升，蒸發變大，此時降水較少，苜—冬小麥返青，需水量增加，小麥和苜蓿兩種帶式間套都是10 cm處土壤含水量最低（5m-M116.51%，5m-M217.47%，5m-X116.50%，5m-X216.01%）。在50 cm以上略低于兩個小麥和苜蓿帶式間套，50 cm以下基本持平。

圖3 2018年3月17日不同處理土壤質量含水量

2018年6月小麥麥收后，苜蓿第一次刈割。小麥，苜蓿根系主要分布在60～80 cm處，單播苜蓿在70 cm以上呈上升趨勢，70 cm以下急劇下降，單播小麥呈下降趨勢，60～80 cm處急劇下降，5m-M1、5m-X1的土壤含水量波動上升，30～80 cm處，單播苜蓿大于5m-M1、5m-M2，80 cm以下小于5m-M1、5m-M2，70 cm 以上單播小麥大于 5m-X1、5m-X2，70 cm以下5m-X2土壤含水量急劇上升，遠大于單播小麥（圖4）。此時豫東平原最高氣溫達到38.9℃，蒸發旺盛，加之降雨少，耗水量大，小麥和苜蓿兩種帶式間套都是10 cm處土壤含水量最低（5m-M112.01%，5m-M213.51%，5m-X18.44%，5m-X210.81%）。在40 cm以上與基樣基本持平，40 cm以下較基樣相比均有不同程度的降低。

圖4 2018年6月8日不同處理土壤質量含水量

2.2 不同處理方式中苜蓿行與小麥行土壤水分狀況

在田間配置方式上，同時設置了帶式間套處理，不同帶式間套處理中0～100 cm土層土壤儲水量與單播苜蓿、單播小麥的土壤儲水量在不同時期的對比如圖5所示。2017年6月7日，兩種帶式間套0～100 cm土壤儲水量大于單播苜蓿與單播小麥，相差最大層出現在20～40 cm，此時CK-X的土壤儲水量顯著低于5m-X1(P＜0.05)，5m-X1又顯著低于 5m-X2(P＜ 0.05)。5m-M1、5m-M2分別比 CK-M 高 18.85 mm、14.77 mm，土壤儲水量為5m-M1＞5m-M2＞CK-M，與單播苜蓿相比5m-M1、5m-M2處理增加 6.34%、5.01%；5m-X1、5m-X2分別比 CK-X 增加 62.13 mm、77.52 mm，土壤儲水量為5m-X2＞5m-X1＞CK-X，與單播小麥 相 比 5m-X1、5m-X2處 理 增 加 24.41%、30.46%。

2017年7～10月為苜蓿單獨生長期，帶式間套兩種苜蓿行生長優于單播苜蓿，耗水量大，苜蓿根系發達，逐漸形成“營養泵”，將水分、養分充分利用，單播苜蓿土壤儲水量大于兩種苜蓿行，兩個小麥行土壤儲水量大于單播小麥，苜蓿行與單播苜蓿土壤儲水量相差最大的土層在60～80 cm，小麥行40～60 cm，處理間差異并不顯著(P＞0.05)。5m-M1、5m-M2分別比 CK-M 低 20.09 mm、15.32 mm，土壤儲水量為 CK-M＞5m-M2＞5m-M1，與單播苜蓿相比 5m-M1、5m-M2處理減少 5.45%、4.15%；5m-X1、5m-X2分 別 比 CK-X 增 加 2.23 mm、10.07 mm，土壤儲水量為 5m-X2＞5m-X1＞CK-X，與單播小麥相比 5m-X1、5m-X2處理增加0.65%、2.92%。

2018年3月17日，經過越冬期，兩種苜蓿行的土壤儲水量超過單播苜蓿，單播小麥大于5m-X1，略低于5m-X，苜蓿行與單播苜蓿土壤儲水量相差最大的土層在0～20 cm，小麥行20～40 cm，處理間差異并不顯著(P＞0.05)。5m-M1、5m-M2分別比 CK-M 高 4.35 mm、10.07 mm，土壤儲水量為5m-M2＞5m-M1＞CK-M，與單播苜蓿相比 5m-M1、5m-M2處理增加 1.41%、3.27%；5m-X1比 CK-X減少 11.49 mm，5m-X2比 CK-X 增加 5.25 mm，土壤儲水量為 5m-X2＞CK-X＞5m-X1，與單播小麥相比 5m-X1減少 3.66%，5m-X2處理增加1.67%。

2018年6月8日，單播苜蓿的土壤儲水量大于兩種苜蓿行，單播小麥大于5m-X1，低于5m-X2，兩個苜蓿和小麥行與單播差距最大的土層在80～100 cm處，此時CK-X與5m-X1處理間差異并不顯著（P＞0.05），兩者與 5m-X2差異顯著（P＜0.05）。5m-M1、5m-M2分別比 CK-M 低5.38 mm、3.67 mm，土壤儲水量為 CK-M＞5m-M2＞5m-M1，與單播苜蓿相比5m-M1、5m-M2處理降低2.03%、1.38%；5m-X1比 CK-X 減少 6.05 mm，5m-X2比CK-X增加22.23 mm，土壤儲水量為5m-X2＞CK-X＞5m-X1，與單播小麥相比 5m-X1減少 2.54%，5m-X2處理增加 9.32%。

圖5 不同時期苜蓿行、小麥行土壤儲水量對比

2.3 不同處理方式對水分的消耗利用

要提高對水分的利用效率，需了解苜蓿、冬小麥的水分利用規律。2017年10月26日—2018年3月17日為苜?！←湽餐?，作物耗水少于降水補充，是水分收蓄累積階段，各處理分層土壤耗水量及其百分比見表3。在此期間，CK-X的土壤耗水量顯著高于5m-X1（P＜0.05），此時 CK-M 的土壤耗水量顯著高于5m-M2、5m-M1（P＜0.05），5m-M1與 5m-M2處理間差異并不顯著（P＞0.05）。5m-X1的主要耗水量在40～60 cm，5m-X2耗水量主要集中在0～20 cm土層，分別占總消耗量的 61.8%和70.8%，5m-X1在 60～80 cm 處水分累積，5m-X2在80～100 cm處水分盈余，未發生水分消耗，5m-X2蓄水量大于5m-X1，單播小麥的主要耗水量在 0～20 cm處，占總耗水量的60.7%，在 20～60 cm處水分累積，此時的土壤耗水量為5m-X1＞5m-X2＞CK-X；5m-M1的主要耗水量在 40～60 cm，5m-M2的土壤耗水量主要在 0～20 cm，分別占總耗水量的 62.5%和 56.8%，5m-M1、5m-M2在60～100 cm處產生水分盈余，單播苜蓿的土壤耗水量主要集中在20～40 cm，占總耗水量的 29.6%，此時的土壤耗水量為 CK-M＞5m-M1＞5m-M2。

表3 2017年10月26日—2018年3月17日帶式間套分層土壤耗水量及其比例

2018年3月—2018年6月，小麥從返青期至蠟熟，抽穗到成熟耗水量占全生育期35%～40%[15-16]，苜蓿進入盛花期，需水量大，加之地表蒸發旺盛，此時土壤耗水量增大，各處理分層土壤耗水量及其比例見表4。在此期間，CK-X的土壤耗水量顯著高于5m-X2（P＜0.05），5m-X1的主要耗水量在0～20 cm，5m-X2耗水量主要集中在60～80 cm土層，分別占總消耗量的23.0%和31.5%，單播小麥的主要耗水量在80～100 cm處，占總耗水量的40.3%，此時的土壤耗水量為CK-X＞5m-X2＞5m-X1；5m-M1、5m-M2和單播苜蓿的主要耗水量都在80～100 cm，分別占總耗水量的33.3%、25.3%、57.6%，此時的土壤耗水量為 5m-M2＞5m-M1＞CK-M。

表4 2018年3月17日—2018年6月8日帶式間套分層土壤耗水量及其比例

3 討論與結論

間套作有利于創造適宜的土壤水分環境供作物生長發育[17]，甘蔗種植的地區，甘蔗與玉米、辣椒以及某些豆類植物間套作種植，可以刺激甘蔗的生長，有效防止土壤水分流失[18]。這與本文研究結果一致。本研究表明當苜?！←湈介g套時，抽穗至成熟期為主要耗水期，作物共同生長，此時5m-X2的耗水量最小，儲水量增加，為作物生長發育提供適宜的土壤水分環境。在2017年6月7日、2017年10月26日、2018年3月17日和2018年6月8日測定5m-X2土壤儲水量較單播小麥相比分別增加30.46%、2.92%、1.67%、9.32%，5m-M2土壤儲水量較單播苜蓿相比 2017年 10月與 2018年 3月分別 4.15%、3.27%。小麥—玉米間套作水分利用效率較單作提高18%～99%[19]。帶式間套后，耗水量在2017年10月—2018年3月大致持平，2018年3～6月則顯著性低于單播小麥，耗水量在2017年10月—2018年3月顯著低于單播苜蓿，2018年3～6月無顯著性差異。說明要使土壤水分利用率達到最大化，間作作物種類的優選、組合和間套帶寬非常必要的。苜蓿是多年生草本豆科植物，苜蓿根系不斷生長，不同模式下苜蓿根系何時相交，形成“安全網”對土壤水分進行截流，土壤水分的利用率會如何變化有待探索。

通過對土壤含水量、土壤儲水量、土壤耗水量的分析，當為1 m：2 m帶式間套體系時，對水分利用有促進作用，提高水分的轉化效率和供給植物的水分有效性，錯開作物蓄水高峰期，充分利用土壤水分，增強作物生育期內熱量與水資源的協調性。