干旱灌區小麥間作玉米麥后復種綠肥的可持續性分析

茍志文，殷文，柴強，樊志龍，胡發龍，趙財，于愛忠，范虹

干旱灌區小麥間作玉米麥后復種綠肥的可持續性分析

茍志文，殷文，柴強，樊志龍，胡發龍，趙財，于愛忠，范虹

省部共建干旱生境作物學國家重點實驗室/甘肅農業大學農學院，蘭州 730070

【】針對干旱灌區傳統生產模式的資源利用率和產投比低等問題，研究小麥間作玉米集成麥后復種綠肥的光能利用率、灌溉水生產力及經濟效益表現，結合試區常規種植模式，評價不同種植模式的可持續性，對于干旱灌區農業生產的節本增收有重要指導意義。2018—2020年，在河西綠洲灌區設置田間定位試驗，研究了不同種植模式（春小麥間作玉米小麥收后復種綠肥（W-G//M）、春小麥間作玉米（W//M）、春小麥復種綠肥（W-G）、單作玉米（M）、單作春小麥（W））對生產系統葉日積、籽粒產量、光能利用率、灌溉水生產力以及經濟效益的影響，綜合以上相關指標，對各種植模式的可持續性進行評價。隨著試驗年度的延長，春小麥收后復種綠肥能顯著提高主栽作物全生育期的總葉日積。W-G//M較W//M的葉日積提高了7.7%—7.8%。間作較單作以及麥后復種綠肥模式均能提高主栽作物籽粒產量，但同時也提高了生產成本的投入。2018和2019年，W-G//M處理和W//M處理的混合籽粒產量無顯著差異，而2020年，W-G//M處理較W//M處理的籽粒產量提高了8.7%。W-G//M處理較M、W-G和W處理的純收益分別提高16.7%—26.5%、78.5%—132.2%和35.9%—78.8%。2018年，W-G//M較W//M處理的純收益降低了7.2%，但是2019和2020年，二者的純收益無顯著差異，且產投比也具有相似的趨勢。復種綠肥能顯著提高作物光能利用率，W-G//M處理較W//M處理的光能利用率提高了7.2%—14.1%；W-G處理較W處理的光能利用率提高了23.5%—52.1%。W-G處理較W處理的灌溉水生產力顯著降低，降低了48.6%—54.3%（灌溉水利用效率）和30.9%—39.8%（單方灌溉水經濟效益），而W-G//M處理和W//M處理的灌溉水生產力無顯著差異。綜合3年試驗結果，W-G//M處理較其余4個處理的可持續性顯著提高。在干旱綠洲灌區，間作以及麥后復種綠肥能提高主栽作物籽粒產量和經濟效益，且灌溉水生產力和光能利用率也隨之提高，進而使得該模式的可持續性提高，因此，春小麥間作玉米結合小麥收后復種綠肥技術可作為提高資源利用以及農民收益的可持續種植模式。

麥后復種；豆科綠肥；經濟效益；灌溉水生產力；可持續評價

0 引言

【研究意義】農業集約化是大多數發展中國家農業生產的基礎，但是隨著工業化的快速推進，農業生產對購買性資源的依賴逐漸增大，其在帶動經濟增長的同時也使得生產與環境之間的矛盾突出，可持續發展在今后的農業生產中至關重要[1-2]。多樣化的種植模式是農田生態系統可持續發展的主要措施，適宜的種植模式一定程度上能決定農田生態系統的經濟發展趨勢[3-4]。因此，在某一農田生產系統中，其主要種植模式的綜合分析和多角度的評價，對于篩選適宜的種植模式，促進農業可持續發展至關重要?！厩叭搜芯窟M展】間作是農業生產中重要的多熟種植模式，在保障糧食安全以及增加農民收入方面具有不可替代的作用，是最具發展前景的種植模式之一[5-6]。與單作模式相比，間作通過提高作物籽粒產量而增加復合系統的純收益，有利于農民增收[7-8]；也有研究顯示，間作可與免耕和秸稈覆蓋結合，通過減少作物生產中地膜、人工和機械等投入降低生產成本，進而提高間作系統的經濟效益和產投比[9]。此外，間作還可以通過優化作物組合以及種植系統的結構，提高作物水分利用效率以及光能利用率[10-11]?？梢钥闯?，間作結合相應的農藝措施主要通過提高種植系統的生產力或者減少成本投入，實現資源利用率以及經濟效益的提高。然而，間作模式也面臨著高耗水以及外源性化肥依賴度高的弊端，影響了其單位面積產出以及整體效益的提高，嚴重制約了該模式的推廣與發展，尤其在干旱灌區更為突出[12-13]，因此，亟待研發進一步提高間作資源利用優勢和經濟效益的技術措施。近年來，種植綠肥作為提高主栽作物籽粒產量、減少化肥投入以及培肥土壤的有效技術措施而被廣泛采用[14-15]。例如，在禾本科作物組成的輪作體系中引入豆科綠肥，在提高土壤肥力的同時，還可增加輪作系統的經濟收益[4, 16]。同時，綠肥與主栽作物間作時，不僅可以協調綠肥與主栽作物爭奪資源的矛盾，還有利于綠肥為主栽作物提供養分，進一步提高主栽作物的籽粒產量[17-18]；另一方面，合理種植綠肥可改善土壤保水能力，使主栽作物獲得較好的土壤水分環境，有利于提高水分利用效率[18-19]。綜合上述研究可知，合理的種植模式結合相應的技術措施是提高農田生態系統生產力以及資源利用率的關鍵所在?！颈狙芯壳腥朦c】小麥間作玉米是干旱灌區經典的高產高效種植模式，對該區域作物多樣性的增加以及經濟發展提供了強有力的保障[5, 12, 20]。主要原因是間作系統中不同作物在時間和空間尺度上存在生態位分離的優點，有效促進了光、熱、水等資源的利用[6, 11]，因此，小麥間作玉米被認為是干旱灌區提高農田生產力的主要模式[7,9]。然而，該模式產量的提高往往源于大量購買性資源的投入，而這一局限性在間作組分同為禾本科作物的種植系統中尤為突出[9]；此外，在水資源匱乏的干旱地區，提高灌溉水生產力是農業生產考慮的首要問題[21]。雖然，農業生產中種植綠肥促進主栽作物增產、提高經濟效益和資源利用率的研究已有報道。但這些研究中，綠肥主要通過與主栽作物輪作或間作的方式存在，并未融入傳統間作中以進一步增強間作優勢。在小麥間作玉米模式中小麥收后復種綠肥能否進一步提高種植系統的資源利用率以及經濟效益尚未證實?！緮M解決的關鍵問題】本研究在河西綠洲灌區通過田間試驗，將小麥間作玉米模式與麥后復種綠肥結合，重點探索了不同生產系統的光能利用率、灌溉水生產力以及經濟效益表現。結合試區常見的種植模式，以上述相關指標為基礎，綜合評價不同種植模式的可持續性，以期為試區建立高效可持續的間作生產模式提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究于2018年3月至2020年11月在甘肅農業大學武威綠洲農業綜合試驗站進行（37°30′ N，103°5′ E）。該站位于甘肅河西走廊東端，屬寒溫帶干旱氣候區。太陽輻射總量約6 000 MJ·m-2，日照時數2 945 h，年平均氣溫7.2℃，光熱資源特點屬于一季不足，兩季有余，適宜發展間作種植模式。春小麥、玉米是當地主要栽培作物，小麥間作玉米是該區主要的間作模式，近年來，由于其水肥人工等資源投入較大，制約了其規?；瘧?。試驗地土壤為砂壤土，耕層土壤容重1.53 g·cm-3，含有機質12.5 g·kg-1、全氮為0.68 g·kg-1、速效磷 29.2 g·kg-1、速效鉀 152.6 g·kg-1；硝態氮和銨態氮含量分別為12.51 mg·kg-1和1.87 mg·kg-1。2018至2020試驗年度作物生長期內逐月降雨量及平均氣溫如表1所示。

表1 武威試驗站2018—2020年作物生育期內逐月氣象資料

1.2 試驗設計

試驗采用單因素完全隨機設計，5個種植模式組成5個處理：（1）春小麥-箭筈豌豆//玉米（W-G//M）；（2）春小麥//玉米（W//M）；（3）春小麥-箭筈豌豆（W-G）；（4）單作玉米（M）；（5）單作春小麥（W）。每個處理重復3次。

間作玉米（L.）、小麥（L.）帶寬均為110 cm，春小麥種7行，行距15 cm；玉米3行，行距40 cm，株距27 cm，春小麥收獲后復種箭筈豌豆播種6行，行距15 cm，小區面積49 m2。春小麥播種密度為675萬粒/hm2，玉米密度為8.25萬株/hm2，箭筈豌豆密度為150萬株/hm2。

供試春小麥品種為寧春4號，玉米品種為先玉335，箭筈豌豆品種為蘭箭2號。施肥按當地農民習慣施肥量施用，玉米施純氮（N）360 kg·hm-2，分別按基肥﹕大喇叭口期﹕灌漿期3﹕5﹕2分次追施；磷肥（P2O5）為180 kg·hm-2，全做基肥施用。小麥施純氮（N）為180 kg·hm-2，磷肥（P2O5）為90 kg·hm-2，小麥氮肥、磷肥全做基肥施用。小麥間作玉米施肥按照玉米和小麥條帶精細管理，凈占地面積上施肥量與相應單作模式相同；麥后復種綠肥不施用化肥，玉米追肥采用水肥一體模式，氮肥采用尿素，磷肥采用磷酸二銨。

單作玉米灌溉量為4 050 m3·hm-2，單作小麥灌溉量為2 400 m3·hm-2，春小麥復種綠肥灌溉量為4 000 m3·hm-2，小麥間作玉米系統灌溉量為4 800 m3·hm-2。間作模式中小麥收后復種綠肥按玉米灌水制度進行灌溉，灌溉方式為滴灌。其余管理同當地大田管理。3個試驗年度作物播種、收獲及綠肥翻壓時間如表2所示。

表2 2018至2020年度作物播種及收獲時間

1.3 測定項目與方法

1.3.1 主栽作物葉日積 自玉米出苗期開始，每隔15 d隨機選取玉米10株（拔節期以后取3株），小麥20株，測定作物各綠色葉片的葉長和最大葉寬，計算葉面積指數：

式中，LAI為作物葉面積指數，α為葉面積校正系數，小麥和玉米分別取0.83和0.75，P為小麥和玉米各自對應的種植密度，l和w分別為葉長和最大葉寬，i為作物葉片個數。

基于上述計算得出的作物葉面積指數求葉日積[22]：

式中，LAD為主栽作物全生育期總葉日積，LAIi和LAIi+1分別為作物第i次和第i+1次取樣的葉面積指數，D為第相鄰兩次取樣之間的間隔天數，間作系統的葉日積為小麥和玉米全生育期葉日積之和。

1.3.2 主栽作物籽粒產量、秸稈產量及綠肥生物量 小麥于成熟期取5 m2樣方，風干后稱其生物量，脫粒測定籽粒產量；玉米成熟期量取長5 m，一幅膜寬度的面積，風干稱其生物量，脫粒后測定籽粒產量；兩種作物的籽粒產量均按含水量14%折合計算。綠肥翻壓前取4 m2樣方稱其鮮重，另取20株綠肥植株，以測定其植株含水量，根據含水量和樣方的鮮重換算單位面積綠肥作物的有機物質干重。

1.3.3 經濟效益及灌溉水生產力 本研究的3個試驗年度內，詳細記載5個種植模式下的人工機械投入（播前整地、覆膜、施肥、灌溉、除草、病蟲害防治以及收獲、綠肥翻壓等）、化肥、農藥、種子、地膜、滴灌帶以及灌溉量等農資的投入情況，結合每個小區的籽粒與秸稈產量，計算不同種植模式下的生產成本、產值、純收益以及產投比。主栽作物籽粒、秸稈、農資價格以及人工費等按當年市價計算，由于綠肥全量翻壓還田，純收益的計算中不涉及綠肥作物。灌溉水生產力包括灌溉水利用效率以及單方灌溉水經濟效益，基于籽粒產量、各種植模式的灌溉量以及純效益計算灌溉水生產力[22]：

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

單方灌溉水經濟效益（yuan·hm-2·m-3）=純收益/作物全生育期灌溉量。

1.3.4 光能利用率 基于主栽作物產量及綠肥生物量，并借助試驗站小型氣象站獲取作物生長期內的太陽輻射值，計算各種植模式的光能利用率：

式中，LUE為作物全生育期光能利用率；Y為主栽作物籽粒、秸稈產量以及綠肥生物量（kg·hm-2）；H為作物籽粒及秸稈對應的能量折算值，小麥、玉米籽粒和秸稈分別為16.3×106J·kg-1和14.6×106J·kg-1，綠肥作物（箭筈豌豆）為15.1×106J·kg-1；ΔQ為作物生長期間的太陽總輻射值（MJ·m-2）[23]。

1.3.5 不同種植模式的可持續性 基于不同種植模式的籽粒產量、葉日積、灌溉水生產力以及經濟效益等相關指標建立可持續性評價指數，該指數的計算公式為[23]：

式中，αxij表示第i行×第j列的數據標準化值（0＜αxij≤1），xij為種植模式i與評價指標j的實際值，xmax與xmin為每個評價指標的最大值與最小值。

式中，βxij為標準化系數，m為種植模式i或評價指標j的最大數。

式中，Index為不同種植模式的可持續性評價指數，該指數的數值越大說明系統可持續性越好。

1.4 數據統計與分析

數據采用Microsoft Excel 2019整理、匯總及圖表繪制，利用SPSS 19.0軟件對整理后的數據進行方差分析。由于本研究為田間定位試驗，隨著試驗年限的延長，復種綠肥會對試驗結果產生年際間的效應，因此，本研究中將試驗年份視為一個參試因子，將文中數據進行重復測量分析，并采用two-way repeated measures ANOVA（二因子重復測量方差分析）進行顯著性檢驗（=0.05）。

2 結果

2.1 間作及復種綠肥對主栽作物全生育期葉日積的影響

主栽作物全生育期總葉日積具有年際間的差異，除2018年外，春小麥間作玉米麥后復種綠肥與春小麥間作玉米相比，其主栽作物全生育期的總葉日積顯著提高，且春小麥復種綠肥較單作春小麥的總葉日積也顯著提高（圖1）。2019和2020年，W-G//M處理較W//M處理的葉日積分別提高了7.7%和7.8%；與此同時，W-G處理較W處理的葉日積也分別提高了17.1%和10.2%，差異顯著。2018年，兩種間作模式較單作玉米（M）的葉日積無顯著差異，春小麥復種綠肥（W-G）較單作春小麥（W）的葉日積也無顯著差異。隨著試驗年份的延長，種植綠肥可顯著提高春小麥間作玉米以及春小麥復種綠肥模式中主栽作物的葉日積，一定程度上延長了主栽作物的光合作用時間，為獲得高產以及提高光能利用率奠定了光合源基礎。

W-G//M：春小麥-箭筈豌豆//玉米；W//M：春小麥//玉米；W-G：春小麥-箭筈豌豆；M：單作玉米；W：單作春小麥。不同字母表示同一年份處理間差異顯著（P=0.05）。下同

2.2 不同種植模式對主栽作物籽粒產量的影響

3個試驗年度內，間作較單作以及春小麥復種綠肥種植模式均能顯著提高主栽作物籽粒產量，麥后復種綠肥對主栽作物籽粒產量的影響有年際間的差異（圖2）。2018和2019年，W-G//M處理與W//M處理的混合籽粒產量無顯著影響，同樣，W-G處理和W處理的籽粒產量也無顯著差異。2020年，W-G//M處理較W//M處理的混合籽粒產量顯著提高了8.7%，W-G處理較W處理的籽粒產量提高了15.1%。在相同占地面積下進行比較，W-G//M處理中，春小麥和玉米籽粒產量較W-G和M處理的籽粒產量在3年內分別提高了25.0%—44.6%和46.4%—82.5%，而春小麥間作玉米模式中的春小麥和玉米的籽粒產量較對應的單作模式分別提高了19.7%—40.0%和51.9%—64.7%。綜合可知，間作模式中各組分作物較對應的單作模式均具有顯著的產量優勢，其次，隨著試驗年度的延長，小麥收獲后復種綠肥可有效促進主栽作物的增產。

2.3 不同種植模式的成本投入差異

與單作及麥后復種綠肥模式相比，間作種植模式提高了成本投入，W-G//M處理較M、W-G和W處理的總投入分別提高了30.0%—32.7%、48.1%— 50.0%和82.2%—85.2%（圖3）。W-G//M處理較W//M處理的總投入提高了7.8%—8.8%；W-G處理較W處理總投入提高了21.8%—24.4%，春小麥間作玉米麥后復種綠肥總投入的提高幅度低于春小麥復種綠肥的提高幅度。與此同時，W-G處理較M處理的總投入提高了4.0%—6.3%，這主要體現在W-G處理較M處理的灌溉投入提高了59.2%— 60.1%。兩種間作種植模式內，W-G//M處理較W//M處理增加了種子和人工機械的投入，二者的平均增加幅度分別為18.3%和13.5%，其差異只存在于因復種綠肥所需的種子和人工投入，其余農資的投入基本相同。W-G處理較W處理除了人工機械和種子投入的增加外，還增大了灌溉的投入，主要包括灌水量和灌溉材料的增加，W-G處理較W處理的人工機械、種子以及灌溉投入分別增加了53.4%—63.3%、26.0%—27.8%和90.4%— 91.2%。此外，W-G和W處理的灌溉投入占總投入的比例為41.2%—43.3%和33.1%—33.5%。兩種間作模式中人工機械投入占總投入的24.8%—28.1%。M處理占總投入的比例較高的是肥料，占比為29.5%—32.1%。由此可見，間作麥后復種綠肥由于增加了種子和人工機械費用，在一定程度上提高了成本投入。

圖2 不同種植模式主栽作物籽粒產量

圖3 不同種植模式間成本投入組成

2.4 不同種植模式的經濟效益表現

3個試驗年度內，兩種間作模式較單作及麥后復種綠肥模式的總收入和純收益均顯著提高（表3），W-G//M處理較M、W-G和W處理的總收入分別提高了18.5%—32.0%、53.0%—67.3%和56.2% —79.7%；W//M處理較M、W-G以及W處理的總收入分別提高了17.8%—24.9%、44.7%—70.3%和47.7%—75.1%。兩種間作模式內，2018和2019年小麥間作玉米麥后復種綠肥與否對總收入無顯著影響，而在2020年，W-G//M處理較W//M處理的總收入顯著提高5.7%。此外，W-G和W處理的總收入在3個試驗年度內均無顯著差異。W-G// M處理較M、W-G和W處理的純收益分別提高了11.8%—31.5%、84.9%—115.5%和40.7%—76.6%；W//M處理較M、W-G以及W處理純收益分別提高了16.7%—26.5%、78.5%—132.2%和35.9%— 78.8%。與總收入不同，兩種間作模式的純收益只在2018年度差異顯著，且W-G//M處理較W//M處理的純收益降低了7.2%，而在2019和2020年無顯著差異。3個試驗年度內，W-G處理較W處理的純收益顯著降低了14.3%—23.9%。與純收益相似，2018年W-G//M處理較W//M處理的產投比降低了8.8%，差異顯著；而在2019和2020年，小麥間作玉米中復種綠肥與否對產投比的影響不顯著。同樣，2018年W-G//M處理較M處理的產投比降低了9.0%，2019和2020年度二者的產投比無顯著差異。3個試驗年度內，W-G處理較W處理的產投比均顯著降低，降低了26.6%—30.8%。就W-G//M處理而言，不同年際間的總收入、純收益以及產投比具有較大差異，表現為2020年較2018和2019年顯著提高，分別提高了5.9%—13.3%、9.7%—22.6%和5.8%—12.5%；同時，W-G處理在2020年度的總收入、純收益以及產投比較2018和2019年度分別提高了4.8%—7.1%、10.1%—14.8%和4.7%—7.0%，其余處理則無上述趨勢。說明隨著試驗年度的延長，麥后復種綠肥提高經濟效益的效果逐漸顯現，且小麥間作玉米結合麥后復種綠肥較其他模式有利于經濟效益的提高，而麥后復種綠肥較單作小麥模式降低了經濟效益。

表3 不同種植模式及復種綠肥對經濟效益的影響

數據后不同字母表示同一年度中所有處理在0.05概率水平下差異顯著。W-G//M：春小麥-箭筈豌豆//玉米；W//M：春小麥//玉米；W-G：春小麥-箭筈豌豆；M：單作玉米；W：單作小麥。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 不同種植模式對作物光能利用率及灌溉水生產力的影響

2.5.1 光能利用率 光能利用率是衡量單位面積農作物利用光能程度和生產水平的重要指標。3個試驗年度內，間作及復種綠肥均能顯著提高作物全生育期的光能利用率（表4）。W-G//M處理較W//M和W-G處理光能利用率分別提高了7.2%—14.1%和30.3%— 42.3%；W//M處理較M處理光能利用率也顯著提高，提高了13.0%—22.4%；且W-G較W處理光能利用率提高了23.5%—52.1%；但M處理與W-G處理光能利用率無顯著差異。表明春小麥間作玉米麥后復種綠肥模式可顯著提高作物全生育期內的光能利用，為復合系統的高產高效奠定了基礎。

2.5.2 灌溉水生產力 本研究采用單方灌溉水生產的作物籽粒產量（灌溉水利用效率）以及單方灌溉水經濟效益衡量灌溉水生產力（表4）。2018和2019年，W-G//M處理與W//M處理的灌溉水利用效率無顯著差異，而在2020年，W-G//M處理較W//M處理的灌溉水利用效率提高了8.7%，差異顯著。3個試驗年度內，M處理具有最高的灌溉水利用效率，與W//M處理相比，M處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處理和M處理的灌溉水利用效率無顯著差異。3年內，W-G處理較W處理的灌溉水利用效率均顯著降低，降低了30.9%—39.8%。W-G//M和W//M處理的單方灌溉水經濟效益無顯著差異，同時兩種間作模式可實現與M處理相當的單方灌溉水經濟效益。W-G處理較W處理的單方灌溉水經濟效益顯著降低，降低了48.6%—54.3%，并且W-G處理單方灌溉水經濟效益表現最低。與2018和2019年相比，W-G//M處理在2020年的單方灌溉水經濟效益顯著提高，分別提高了9.7%和22.6%。表明在春小麥間作玉米模式中綠肥種植時間的延長有利于提高該模式的單方灌溉水經濟效益，而與單一的春小麥復種綠肥模式相比，春小麥間作玉米結合麥后復種綠肥有利于提高灌溉水生產力。

表4 不同種植模式對光能利用率、灌溉水利用效率及單方灌溉水經濟效益的影響

2.6 不同種植模式的可持續性

基于3年試驗結果，綜合主栽作物籽粒產量、葉日積總量、純收益、產投比、光能利用率、灌溉水利用效率、單方灌溉水經濟效益以及總投入等8個指標對不同種植模式的可持續性進行評價（表5）。不同種植模式的可持續性具有較大差異，以W-G//M處理的可持續評價指數最高（0.88），與其他4個處理相比，W-G//M處理的可持續評價指數分別提高了6.3%、5.9%、60.8%和29.6%，差異顯著。W//M和M處理的可持續評價指數無顯著差異。與W處理相比，W-G處理的可持續性顯著降低，可持續評價指數降低了19.4%。綜上所述，春小麥間作玉米麥收后復種綠肥模式具有較好的可持續性，可作為試區進一步提高間作優勢和增收的主要生產模式。

表5 間作及復種綠肥對生產系統可持續性的影響

數據后不同字母表示所有處理在0.05概率水平下差異顯著

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

3 討論

3.1 不同種植模式以及復種綠肥對資源利用和經濟效益的影響

農業生產受到作物種類、種植模式以及田間管理方式的影響，不同種植模式以及作物種類的選擇很大程度上決定了農業生產能否獲利[4, 9]。采用適宜的種植模式可以有效協調資源、環境以及相關技術措施之間的關系，使得作物增產的同時提高了資源利用率和農民收入[22, 24]。在干旱內陸灌區，間作種植模式因其在產量以及資源利用方面的獨特優勢而被認可，但傳統間作模式有耗水量大以及對購買性資源的依賴程度較強的局限性[9, 21]。在此基礎上，研發增強間作優勢的可持續生產技術，已成為干旱內陸灌區提高資源利用率和農業生產效益亟待解決的難題。本研究表明，間作及復種綠肥能顯著提高主栽作物全生育期的總葉日積和光能利用率，與傳統春小麥間作玉米模式相比，春小麥間作玉米結合麥后復種綠肥的光能利用率提高了7.2%—14.1%。作物葉面積大小能直接影響作物冠層對光的截獲率，全生育期葉面積的持續時間是提高作物光能利用率的光合源基礎，而光能利用率則是作物光合同化能力的反應，其大小與作物籽粒產量密切相關[22, 25]。前人研究證實，在玉米-大豆的套作模式中，玉米的光能利用率顯著高于單作玉米，其主要原因是套作較單作玉米的光合速率以及光合作用關鍵酶活性顯著提高[26]；同樣，在小麥間作玉米種植模式中，由于不同作物的生育期不同，導致了間作模式中的特殊冠層結構，改善了作物全生育期的光分布特征，在空間和時間尺度上延長了作物光合時間[27]。因此，采用間套作種植模式有利于提高種植系統的總葉日積。另一方面，春小麥收獲后復種綠肥延長了作物對光能吸收利用的時間，進一步提高了種植系統對光能的同化，延長了種植系統吸收利用光能的時間[11]，有利于提高光能利用率。

就經濟效益而言，種植翻壓豆科綠肥能夠降低農業生產對外源化肥的依耐性[28]，一定程度可實現節本增效，既可降低生產成本投入，又可改善土壤肥力，有助于作物增產，可作為提高農業生產經濟效益和產投比的有效途徑[4, 16]。例如，在春小麥復種綠肥的減氮潛力研究中，已經初步證實了小麥復種綠肥較單作小麥具有15%的氮減量潛力[29]；在小麥-玉米的輪作體系中應用豆科綠肥作物，可有效提高土壤養分含量，降低化學氮肥的投入，并最終有利于提高輪作系統的純收益[4,16]。然而，常規種植模式中集成應用綠肥作物，播種以及翻壓導致人工和其他成本的投入也隨之增加，一定程度上不利于農業生產的經濟利益[30]。因此，對于具體種植模式的經濟效益評估，其多指標的綜合考慮至關重要。本研究結果顯示，雖然春小麥間作玉米麥后復種綠肥提高了生產成本，但是較單作及春小麥復種綠肥模式的純收益顯著提高。與春小麥間作玉米模式相比，春小麥間作玉米麥后復種綠肥的總投入提高了7.8%—8.8%，但純收益和產投比并沒有因此而降低，主要原因是籽粒產量之間存在差異（圖2）。兩個間作模式中，2018和2019年度的籽粒產量無顯著差異，但隨著試驗年際的推進，復種綠肥在第3個試驗年度顯著提高了間作系統的籽粒產量，因為綠肥的增產效果可能具有年際間的累加效應，在某些地區需要經過長時間的積累才能顯現[14-15]。另一方面，在一個種植模式中包含多種作物時，某一作物的產量往往高于其單一種植時的產量[7, 23]。因此，在本研究條件下，小麥間作玉米復種綠肥雖然提高了生產成本，但小麥收后復種綠肥較傳統小麥間作玉米模式的間作優勢也隨之提高，一定程度上彌補了成本提高的不足，對小麥間作玉米麥后復種綠肥模式的純收益和產投比影響較低。就各種植模式的成本而言，小麥間作玉米麥后復種綠肥的成本提高幅度低于春小麥復種綠肥的成本提高幅度。間作中復種綠肥較不復種綠肥增加了種子和人工機械的投入，其余農資的投入基本相同。而春小麥復種綠肥較單作春小麥的人工機械、種子以及灌溉投入均顯著增加，其中以灌溉投入的增加幅度最大，增加比例達到了90.4%—91.2%，其次，麥后復種綠肥較單作玉米的總投入也增加，這正是該模式具有最低純收益和產投比的原因所在。從春小麥復種綠肥大幅度提高灌溉投入的結果可以得出，水資源以及灌溉材料的投入對于干旱灌區麥后復種綠肥模式而言是一筆不可忽視的開銷，在干旱和半干旱地區，水資源的缺乏嚴重制約了其農業生產和發展，也使得農民在選擇麥后復種綠肥模式上的積極性不高[18, 30]，但是將麥后復種綠肥與小麥間作玉米同步結合，在增強了間作系統產量以及經濟效益的同時，弱化了因復種綠肥而提高灌溉水的投入，有利于經濟效益的提高。此外，與單一的春小麥復種綠肥模式相比，春小麥間作玉米結合麥后復種綠肥有利于提高灌溉水生產力；與單作玉米模式相比，間作雖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產量以及經濟效益的提高，最終實現了灌溉水的高效利用。

3.2 不同種植系統的可持續性評價

農業生產中基于農民角度考慮，由于對風險的耐受程度較低，選擇種植模式以及作物種類的前提條件是在低成本投入下獲得較高的收入[31-32]，因此，經濟效益是評價某一項技術措施的首要考慮因素。而從研究者角度考慮，綜合經濟效益和成本投入的同時，提高某一技術措施的可持續性是最終目標，可持續性應是基于經濟、社會以及生態等多角度的評價[30, 33]。以往的研究中，對農業生產技術的評價主要是基于作物籽粒產量或某一資源利用特征進行單一指標量化，其評價結果難以全面反映某一模式或者技術措施的綜合價值[19, 24]；其次，不同評價方法的側重點往往不同，容易形成“以點蓋面”的不足[34]。因此，本研究在前人研究的基礎上，從產量表現、資源利用情況以及經濟效益等主要方面對各種植模式的生產可持續性進行了評價，將籽粒產量、葉日積、光能利用率、純收入、產投比、總成本、灌溉水利用效率以及灌溉水經濟效益等評價指標進行無量綱化處理，構建了可持續評價指數。結果表明，春小麥間作玉米麥后復種綠肥的可持續指數最高，該模式在提高生產系統產量優勢的同時，可以減弱因復種綠肥而提高的成本對系統經濟效益的負面影響，進而提高了生產系統的經濟效益和產投比，灌溉水生產力也隨之提高。雖然機械作業也是間作種植模式的一個限制因素，但本研究間作模式的小麥、玉米帶寬均為110 cm，可以采用小型機械在帶間進行播種和收獲作業，在試區農戶現有機械的基礎上基本實現機械化作業。綜上所述，在干旱灌區，春小麥間作玉米麥后復種綠肥是小麥和玉米可持續生產的重要方法之一，是未來農業發展的方向。

4 結論

春小麥間作玉米結合麥后復種綠肥能顯著提高作物全生育期總葉日積和光能利用率。隨著試驗年度的延長，春小麥間作玉米結合麥后復種綠肥較春小麥間作玉米的籽粒產量在2020年提高了8.7%，春小麥復種綠肥較單作春小麥提高了15.1%。與春小麥間作玉米模式相比，間作結合復種綠肥可提高產量優勢，彌補了因復種綠肥增加成本的不足。間作結合麥后復種綠肥也能有效提高種植系統的灌溉水利用效率，較春小麥間作玉米模式的灌溉水利用效率提高了8.7%。綜合3年試驗結果，由于春小麥間作玉米結合麥后復種綠肥模式具有較高的產量、資源利用以及經濟效益優勢，其生產可持續性指數最高，比春小麥間作玉米模式提高了6.3%。綜上，在干旱灌區，春小麥間作玉米集成麥后復種綠肥模式是高效和可持續的種植模式。

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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

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.07.005

2021-06-13；

2021-10-08

國家重點研發計劃子項目（2021YFD1700202-02）、國家綠肥產業技術體系（CARS-22-G-12）、甘肅省科協青年人才托舉工程項目（2020-12）、甘肅省高等學?？蒲许椖浚?021B-134)、甘肅農業大學伏羲青年人才項目（Gaufx-03Y10）

茍志文，E-mail：gouzhiw@163.com。殷文，E-mail：yinwen@gsau.edu.cn。茍志文和殷文為同等貢獻作者。通信作者柴強，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩）