全 文 :中国生态农业学报 2011年 11月 第 19卷 第 6期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Nov. 2011, 19(6): 1307−1312
* 国家自然科学基金项目(30771264, 31160265)、公益性行业(农业)计划课题(201103001)和甘肃省青年创新人才扶持计划项目资助
柴强(1972~), 男, 博士, 教授, 主要从事多熟种植、节水农业和循环农业教学与科研工作。E-mail: chaiq@gsau.edu.cn
收稿日期: 2011-02-08 接受日期: 2011-05-31
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.01307
单作与间作的棵间蒸发量差异及其主要影响因子*
柴 强 于爱忠 陈桂平 黄 鹏
(甘肃省干旱生境作物学重点实验室 甘肃农业大学农学院 兰州 730070)
摘 要 在甘肃河西走廊区, 通过大田试验, 研究了不同供水水平下小麦间作玉米与单作小麦、单作玉米的耗
水量和棵间蒸发量差异, 探讨了影响作物棵间蒸发量的关键因子。结果表明, 小麦间作玉米的耗水量较单作小
麦、单作玉米耗水量的平均值增加了 41.44%~47.15%; 间作全生育期的总棵间蒸发量显著大于单作, 但间作的
日均棵间蒸发量显著低于单作玉米、高于单作小麦; 间作的棵间蒸发量占总耗水量的比重显著低于单作玉米,
说明间作可提高农田水分利用的有效性。随灌水水平的提高,间作总耗水量显著增加,单作相邻灌水处理间
的差异不显著;灌水水平对单作玉米、间作棵间蒸发量的影响不显著,说明间作耗水量增加主要是由蒸腾作
用造成的。作物的日均棵间蒸发量与 0~30 cm 的土壤含水量、0~25 cm 的土壤温度、全生育期的平均叶面积
指数均呈显著正相关关系。单作玉米日均棵间蒸发量较大的主要原因是 0~30 cm 的土壤含水量、0~25 cm 的
土壤温度均相对较高。小麦间作玉米可提高作物的土地利用率, 其水分利用效率较单作平均提高 25%以上。
关键词 河西走廊 绿洲灌区 耗水量 棵间蒸发量 土壤含水量 叶面积指数 土壤温度 小麦玉米间作
中图分类号: S316 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)06-1307-06
Soil evaporation under sole cropping and intercropping systems
and the main driving factors
CHAI Qiang, YU Ai-Zhong, CHEN Gui-Ping, HUANG Peng
(Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science; Faculty of Agronomy, Gansu
Agricultural University, Lanzhou 730070, China)
Abstract Several studies have shown that compared to sole cropping, well managed intercropping improves agricultural resources
utilization efficiency, include radiation, nutrient, water and land. However, high productivity of traditional intercropping system has
mainly depended on high input of agricultural resources. With severe water shortages in recent years (especially in mainland China),
intercropping system of farming has continuously declined. The scientific challenge therefore is the determination of water consump-
tion characteristics and systematic development of high-efficiency water-saving theories and technologies of intercropping system. In
this study, a field experiment (comprising of wheat or maize sole cropping and wheat-maize intercropping systems under three dif-
ferent irrigation schemes) was conducted in 2008 in the Hexi Corridor oasis region. The study investigated soil evaporation charac-
teristics and associated driving factors under the different cropping systems and treatments with the aim of laying the scientific basis
for developing optimized irrigation techniques. The study showed that evapotranspiration (ET) under wheat-maize intercropping was
41.44%~47.15% higher than the average ET under wheat and maize sole cropping systems. Total soil evaporation (E) of intercrop-
ping system was significantly higher than that of sole cropping systems. However, daily E of intercropping system was significantly
lower than that of maize sole cropping system. Also compared with sole cropping system of maize, wheat-maize intercropping sys-
tem enhanced E/ET ratio. With increasing irrigation, total water consumption increased significantly under intercropping. However,
the difference in water consumption between two adjacent irrigation treatments under sole cropping systems of wheat and maize was
insignificant. The difference in E of sole cropping maize and intercropping wheat-maize was insignificant for different irrigation
schemes. It then implied that high water consumption of intercropping system was mainly driven by high transpiration. Average daily
E was positively correlated with water content in the 0~30 cm soil profile, temperature in the 0~25 cm soil profiles and average leaf
area index of the crops. High E was driven by high water content in the 0~30 cm soil profile and temperature in the 0~25 cm soil
1308 中国生态农业学报 2011 第 19卷
profile of maize sole cropping system. On the average, wheat-maize intercropping not only reduced water consumption but also in-
creased water and land use efficiency compared to sole cropping. This cut down wasteful crop transpiration, which was an effective
means of water-saving irrigation.
Key words Hexi Corridor, Oasis irrigation region, Water consumption, Soil evaporation, Soil moisture content, Leaf area
index, Soil temperature, Wheat/maize cropping system
(Received Feb. 8, 2011; accepted May 31, 2011)
间套作是我国农业遗产的重要组成部分, 是通
过技术和劳力密集投入,在有限土地上获得更多农
产品, 并实现高产高效的种植模式。我国内陆绿洲
灌区光资源和热量资源丰富 , 适于发展间作套种 ,
但传统间套作模式耗水量大的特征已严重制约了其
规模化应用。研究间套复合群体的耗水特征, 建立
间套作的节水理论与技术,已成为多熟种植领域亟
待解决的难题之一。在作物群体的总耗水量中, 棵
间蒸发占有重要比例, 而该比例的减小和控制被认
为是提高作物水分利用效率的重要途径[1−2]。研究表
明, 作物的棵间蒸发量与作物叶面积指数、土壤含水
率[3−5]、覆盖及土壤结皮[6−7]等因子密切相关, 优化种
植模式、灌溉方式、灌溉制度及覆盖方式可有效减
少作物棵间无效蒸发 [8]。间套群体中, 由于配对作
物的异质性和空间、时间布局上的差异性, 其土壤
水分蒸发特征不同于单作群体, 研究单作与间作耗
水及棵间土壤水分蒸发特征, 明确影响不同种植模
式棵间蒸发量的关键因子, 对构建间作高效节水灌
溉技术将产生重要指导作用, 也将对间套复合群体
精细灌溉的实施提供理论基础。本研究以小麦间作
玉米以及相应的单作模式为研究对象, 在不同供水
水平下, 探讨单作和间作模式的耗水量及棵间蒸发
量差异, 解析影响作物棵间蒸发的主要因子, 以期
为高效节水间作模式的建立提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
本研究于 2008 年在甘肃省武威市白云村武威
绿洲试验站进行。试验站所在地海拔 1 504 m, 多年
平均无霜期 150 d左右、年降水量 150 mm、年蒸发
量 2 021 mm, 年平均气温 7.7 ℃、日照时数 3 023 h、
>10 ℃的有效积温为 3 016 , ℃ 年太阳辐射总量 140~
158 kJ·cm−2, 适于发展间作套种。试验年度内, 小麦
播种到收获期降水量为 49.9 mm, 玉米播种到收获
期降水为 93.0 mm。
1.2 试验设计
试验设 3种种植模式, 每模式 3个灌水水平, 组
成 9 个处理。同种作物的灌溉时间相同, 具体灌溉
日期根据地方习惯确定; 中等灌水水平与地方习惯
灌水水平相等。各处理代码及主要技术参数如下:
单作小麦: 按生育期总灌水量设 3 个处理, 分
别为 2 400 m3·hm−2(低, W1)、2 850 m3·hm−2(中, W2)
和 3 300 m3·hm−2(高, W3); 各处理播种量均为 675万
粒·hm−2, 分行种植, 行距 12 cm。
单作玉米: 按生育期总灌水量设 3 个处理, 分
别为 4 050 m3·hm−2(低, C1)、4 500 m3·hm−2(中, C2)和
4 950 m3·hm−2(高, C3); 各处理播种密度均为 82 500
株·hm−2, 行距 40 cm、株距 30 cm。
小麦间作玉米: 按生育期内总灌水设 3 个处理,
分别为 4 800 m3·hm−2(低, WC1)、5 400 m3·hm−2(中,
WC2)和 6 000 m3·hm−2(高, WC3)。小麦玉米带状间作,
小麦带宽 80 cm, 每个种植带种 6 行, 行距 12 cm,
小麦播种密度 375 万粒·hm−2; 玉米带宽 80 cm, 每
个种植带种 2行, 行距 40 cm、株距 24 cm, 玉米播
种密度 52 500 株·hm−2; 小麦带与玉米带间距为 30
cm。
各处理小区面积均为 48 m2, 其中间作每小区
连续设 3个自然带(自然带为包括间作小麦和玉米的
完整间作带), 每处理重复 3次, 田间随机排列。
小麦(Triticum aestivum)品种为“永良 4 号”, 玉
米(Zea mayz)品种为“沈单 16号”。小麦于 3月 20日
播种, 7月 21日收获; 玉米于 4月 18日播种, 10月 8
日收获。同种作物在单作和间作模式中的播种、收
获时间相同。
1.3 测定指标与方法
土壤含水量: 用烘干法分别测定作物播种前、
收获后的土壤含水量, 测定时 0~30 cm土层按 10 cm
1层分为 3层进行, 30 cm以下按 20 cm 1层进行, 测
至 150 cm。单作处理中, 每小区设 1个测定点, 3个
小区的平均值作为该处理测定值; 间作处理中每小
区分别在小麦、玉米种植带各取 1个测定点, 2点平
均值作为小区土壤含水量测定值, 3个重复的平均值
作为该处理的土壤含水量测定值。
作物耗水量 : 耗水量=(播前土壤贮水量−收获
后土壤贮水量)+生育期降水量+灌水量。因本试验设
计的灌水量相对较小, 加之试验期间降水稀少, 渗
漏量可忽略不计; 试验区地下水埋深在 30 m 以下,
因此未考虑地下上升水的影响。
第 6期 柴 强等: 单作与间作的棵间蒸发量差异及其主要影响因子 1309
棵间蒸发量 : 用微型蒸发器 (micro lysimeter,
ML)测定[9]。ML高 15 cm、直径 11 cm, 其中土样每
减少 1 g相当于蒸发水分 0.105 2 mm。取样后 2~3 d
更换 ML 中的土, 使其与大田土壤水分一致, 下雨
或灌水后加测。单作处理每小区安装 1个 ML; 间作
处理分别在小麦和玉米种植带中部各安装 1 个 ML,
2点平均值作为小区蒸发量; 同一处理 3个重复的平
均值作为该处理的棵间蒸发量测定值。
土壤温度: 用地温计分 0~5 cm、5~10 cm、10~15
cm、15~20 cm和 20~25 cm 5个层次测定土壤温度,
取其均值作为特定时间点 0~25 cm 土壤温度; 于每
天 8:00、2:30、18:30记录数据, 3次平均值作为测定
日的土壤温度, 且每 5 d测定 1次。小麦间作玉米模
式中, 分小麦带、玉米带、小麦玉米交错带分别测
定, 并将 3点平均值作为间作土壤温度。
叶面积指数: 用长宽系数法测定, 每 20 d测定 1
次。计算公式如下:
1
0.83 ( )
n
i i
i
LAI a bρ
=
= ⋅ ×∑
(1)
1
0.75 ( )
n
i i
i
LAI a bρ
=
= ⋅ ×∑
(2)
式中, ρ为作物种植密度, a、b分别为叶片的长和宽,
i为叶片数目。
产量: 分别于玉米和小麦成熟期, 按小区收获
计产。
土地当量比 (LER): LER=(Yiw/Ysw)+(Yim/Ysm),
式中Yiw和Ysw分别表示小麦在间作和单作时的生物
学产量或籽粒产量, Yim和Ysm分别表示玉米在间作
或单作时的生物学产量和籽粒产量。LER>1.0, 表示
有间作优势; LER<1.0, 表示间作劣势[10]。
作物水分利用效率(WUE): WUE=Y/ET[11], Y为
不同处理的经济产量, 间作经济产量为两种作物的
混合产量; ET为处理的总耗水量。
1.4 数据处理
所得数据用 EXCEL 进行整理汇总 , 用 SPSS
12.0统计软件进行显著性检验和相关分析。
2 结果与分析
2.1 单作与间作的耗水量和棵间蒸发量
如图 1所示, 3种模式的耗水量相比, 小麦间作
玉米全生育期耗水量最大, 单作玉米次之, 单作小
麦最小。考虑到间作群体中两种作物的耗水量差异,
以两种单作作物耗水量平均值为对照与间作进行比
较。结果发现, 在低、中、高 3 个灌水水平下间作耗
水量较单作分别增加 55.0%、61.7%和 54.2%。随灌
水量增加作物总耗水量明显增加, 单作小麦在高、
中供水条件下的耗水量较低供水处理分别增加
22.62%和 0.33%, 单作玉米高、中供水处理耗水量较
低供水处理分别增加 15.64%和 8.44%, 高、中供水
小麦间作玉米耗水量分别较低供水处理增加 19.97%
和 9.09%。种植模式和灌水水平的主效应分析表明,
种植模式、灌水水平对作物生育期耗水总量的效应
均达到极显著水平(P<0.01), 但种植模式与灌水水
平的互作效应未达到显著水平(P>0.05)。上述结果说
明, 在水资源量有限地区发展间作套种将使水资源
压力加大, 而选择适宜的灌水水平是实现间作节水
的可行途径。
小麦间作玉米与单作小麦和单作玉米相比, 作
图 1 不同处理全生育期的耗水量和日均棵间蒸发量
Fig. 1 Water consumption and daily soil evaporation of different treatments during whole growing period
不同大、小写字母分别表示 1%和 5%水平上差异显著 Different capital and small letters mean significant difference at 1% and 5% levels, re-
spectively. W1、W2和W3分别为灌溉定额为 2 400 m3·hm−2、 2 850 m3·hm−2和 3 300 m3·hm−2的单作小麦处理 W1, W2, W3 mean sole cropped wheat
with irrigation quota of 2 400 m3·hm−2, 2 850 m3·hm−2 and 3 300 m3·hm−2, respectively. C1、C2和 C3分别表示灌溉定额为 4 050 m3·hm−2、4 500
m3·hm−2和 4 950 m3·hm−2的单作玉米 C1, C2, C3 mean sole cropped maize with irrigation quota of 4 050 m3·hm−2, 4 500 m3·hm−2, 4 950 m3·hm−2,
respectively. WC1、WC2和 WC3分别代表灌溉定额为 4 800 m3·hm−2、5 400 m3·hm−2和 6 000 m3·hm−2的小麦间作玉米 WC1, WC2, WC3 mean
intercropped wheat-maize with irrigation quota of 4 800 m3·hm−2, 5 400 m3·hm−2, 6 000 m3·hm−2, respectively. 下同 The same below.
小麦
玉米
1310 中国生态农业学报 2011 第 19卷
物的总棵间蒸发量在低、中、高供水水平下分别增
加 104.3%、93.3%、98.6%和 7.5%、7.4%、0.3%(图 1),
说明小麦间作玉米与单作玉米的棵间蒸发量差异极
小, 但间作棵间蒸发量显著高于单作小麦。由图 1
还可知, 单作玉米的日均棵间蒸发量显著大于小麦
间作玉米和单作小麦, 而间作群体的日均棵间蒸发
量大于单作小麦。由此说明, 从降低作物棵间蒸发
量和提高水分利用效率的角度考虑, 单作小麦利于
提高水分有效性, 间作次之而单作玉米最小。计算
棵间蒸发量占耗水量(E/ET)的比重发现 , 单作小麦
E/ET 变化在 29.7%~39.01%, 单作玉米 E/ET 变化在
49.36%~54.39%, 小 麦 间 作 玉 米 E/ET 范 围 为
37.67%~46.17%, 进一步证明了在内陆河灌区 , 单
作小麦有利用于提高水分有效性, 间作次之, 单作
玉米最小。
2.2 单作与间作水分消耗影响因子间的差异
2.2.1 浅层土壤含水量
间作和供水水平影响浅层土壤含水量(图 2)。低、
中灌水水平下, 单作玉米和小麦间作玉米 0~30 cm
土层中的土壤含水量显著高于单作小麦, 但单作玉
米与小麦间作玉米的表层土壤含水量差异不显著 ;
高灌水水平下, 单作玉米 0~30 cm 土壤含水量显著
高于单作小麦和小麦间作玉米, 但间作土壤含水量
与单作小麦间的差异不显著, 造成这一结果的原因
除土壤水分的棵间蒸发外, 作物蒸腾、30 cm以下土
壤的贮水特性都是重要影响因素。随灌水水平的提
高单作玉米浅层土壤含水量显著提高, 但单作小麦
土壤含水量在不同灌水梯度处理间的差异不显著。
2.2.2 浅层土壤温度差异
不同处理全生育期 0~25 cm的土壤平均温度差
异如图 2 所示, 整体上表现为单作玉米显著高于单
作小麦和小麦间作玉米。造成种植模式间土壤温度
差异显著的主要原因中 , 气温是决定性因子之一 ,
本研究中玉米播种时间较小麦迟 28 d, 小麦 7月 20
日收获后, 正值试验区高温季节, 加之玉米生长晚
期气温高于春季。灌水水平对单作玉米、小麦间作
玉米浅层土壤温度的影响较小, 但单作小麦在中等
灌水水平下的土壤温度显著高于低灌水处理。
2.2.3 作物的叶面积指数动态
从图 3 可知 , 单作作物全生育期叶面积指数
图 2 不同处理全生育期 0~30 cm 土壤含水量和 0~25 cm 的土壤温度
Fig. 2 Soil water contents in 0~30 cm profile and soil temperature in 0~25 cm profile of different treatments
through whole growing period
(LAI)呈单峰变动型, 小麦间作玉米 LAI 呈双峰变动
型, 其主要原因是小麦和玉米 LAI高峰期出现的时间
存在明显差异。计算不同处理全生育期 LAI平均值发
现, 低灌水水平下单作玉米 LAI较单作小麦和小麦间
作玉米分别高 1.51%和 7.66%; 中、高灌水水平下, 单
作玉米 LAI 较单作小麦和小麦间作玉米分别高
2.28%、9.62%和 1.30%、3.91%。以两种单作 LAI平
均值为对照与间作进行比较发现, 低、中、高灌水水
平下间作 LAI分别低于对照 6.41%、7.75%、3.14%。
2.3 作物棵间蒸发量与主要影响因子的关系
不同处理全生育期的日棵间蒸发量与土壤含水
量、土壤温度、叶面积指数的相关关系如表 1所示。
图 3 不同处理作物的叶面积指数动态
Fig. 3 LAI dynamics of different crops under different treatments
第 6期 柴 强等: 单作与间作的棵间蒸发量差异及其主要影响因子 1311
作物的日均棵间蒸发量与土壤含水量、土壤温度和
作物 LAI 均呈显著正相关关系, 且与土壤温度间的
相关性达到极显著水平。本试验中, 单作玉米全生
育期的土壤温度、浅层土壤含水量和 LAI 均高于单
作小麦和小麦间作玉米, 由此说明单作玉米全生育
期日均棵间蒸发量较大的原因是由上述 3 因子相对
较大所造成。生产实践中, 通过一定的农艺措施适
当降低浅层土壤含水量和土壤温度是减小作物棵间
蒸发量, 提高作物水分有效性的可能途径。
2.4 单作与间作的产量表现和水分利用效率
不同处理的作物产量表现如图 4所示, 其中间作产
量为两种作物的混合产量。低、高供水水平下单作玉米
和小麦间作玉米产量差异不显著, 但显著高于单作小麦;
中等供水水平下单作玉米产量显著高于小麦间作玉米
和单作小麦, 整体表现为单作玉米具有一定产量优势。
间作研究中, LER是综合反映间作与单作产量差异的重
要指标, 本研究中低、中灌水水平下的间作 LER分别为
1.24、1.20、1.25, 即在同时考虑生产小麦和玉米两种作
物时, 间作具有一定提高土地利用效率的作用。
种植模式显著影响作物 WUE(图 4)。本试验中,
单作玉米的 WUE 显著高于小麦间作玉米和单作小
麦, 而间作 WUE显著高于单作小麦。低、中、高灌
水水平下, 小麦间作玉米的WUE较单作小麦和单作
玉米 WUE 的加权平均分别高 26.66%、25.48%、
26.65%, 即在综合考虑两种作物的 WUE时, 间作仍
具有一定提高 WUE的作用。
表 1 作物棵间蒸发量与主要影响因子间的相关性
Table 1 Correlation between daily soil evaporation and main influence factors
日均棵间蒸发量
Daily soil evaporation
土壤含水量
Soil water content
土壤温度
Soil temperature
叶面积指数
Leaf area index
日均棵间蒸发量Daily soil evaporation 1.000 0.394* 0.854** 0.581*
土壤含水量 Soil water content 1.000 0.749** 0.637**
土壤温度 Soil temperature 1.000 0.576*
叶面积指数 Leaf area index 1.000
*和**分别表示在 5%和 1%水平上相关显著 * and ** mean that correlation between the two indexes is significant at 5% and 1%, respectively.
图 4 不同处理的作物产量表现和水分利用效率
Fig. 4 Yield performance of different corps and WUE of different treatments
3 讨论与结论
低、中、高灌水水平下, 小麦间作玉米的 LER
均大于 1, 因此在同时生产小麦、玉米两种作物时,
间作较单作具有一定优势。小麦间作玉米的 WUE在
不同灌水水平下较单作加权平均提高 25%以上, 证
明在同时生产两种作物时进行间作具有提高 WUE
的优势。
本研究中, 间作耗水量较单作平均增大 41.44%~
47.15%, 这一结果与Morris等[12]总结提出的间作与相
应单作耗水量的加权平均差异很小, 与一般在−6%~
7%之间变化的结论差异较大。形成间作耗水量过大
的可能原因是本研究中不同模式的灌水水平均根据
地方习惯确定, 且间作灌水量明显大于单作小麦和
单作玉米, 而陈士辉等 [7]研究发现当灌水量增大时
作物的耗水量也将随之增大。因此, 根据间作作物
的需水特性设计科学的灌溉制度是降低间作土壤水
分无效蒸发的重要措施。
小麦间作玉米的总棵间蒸发量显著大于单作小
麦和单作玉米; 但间作的日均棵间蒸发量显著低于
单作玉米, 高于单作小麦; 间作生育期的延长是总
棵间蒸发量增大的主要原因。与单作玉米相比, 间
1312 中国生态农业学报 2011 第 19卷
作有利于降低棵间蒸发占总耗水量的比重 (E/ET),
但间作 E/ET高于单作小麦。棵间蒸发与浅层土壤含
水量关系密切, 随浅层土壤含水量的变化而变化[13],
减小浅层土壤含水量可作为提高水分有效利用的途
径之一 [14]。本研究中 , 高灌水水平下 , 单作玉米
0~30 cm 土层含水量显著高于单作小麦和小麦间作
玉米, 而低、中灌水水平下单作玉米与小麦间作玉
米表土层含水量差异不显著, 说明表土层含水量差
异并非造成不同模式耗水差异的主要因素。
相对较高的土壤含水量和 LAI 有利于作物产量
的提高[15], 但本研究中不同处理的日均棵间蒸发量
与土壤含水量和 LAI 均呈正相关关系, 说明通过提
高土壤含水量和 LAI 来实现增产和减少棵间蒸发存
在一定矛盾。在间作增产与叶面积大小的相关研究
中, 黄高宝[15]研究发现间作并非通过增大 LAI 来实
现高产, 高 LAI 维持期长和叶面积大是间作增产的
根本原因之一, 本研究中间作 LAI在 2.5以上的日期
较单作玉米延长了 20 d以上, 而这一特点有利于降
低作物的棵间蒸发量[16]。
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