李孟浩 ，李倩倩 ，劉朋召，張鵬飛，陳小莉,任小龍

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

陜西關(guān)中地區(qū)光熱資源優(yōu)越，但水資源不足，灌水資源更是有限，該區(qū)域典型的“冬小麥-夏玉米”一年兩熟種植模式是以消耗大量資源為特征的灌溉農(nóng)業(yè)，降水資源利用不充分，不僅不利于水資源可持續(xù)利用，還影響著農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，探究關(guān)中地區(qū)雨養(yǎng)條件下小麥/玉米套作系統(tǒng)的產(chǎn)量和水分利用，對(duì)雨養(yǎng)地區(qū)發(fā)展小麥/玉米套作種植具有重要意義。許多地區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)由于氣候變化和地下水過(guò)度消耗而面臨著巨大的威脅[1-2]，雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越重要，它以全世界80%左右的耕地總面積，生產(chǎn)了世界60%的糧食，對(duì)糧食安全有著舉足輕重的影響。同時(shí)，為推進(jìn)耕地永續(xù)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)越來(lái)越重視對(duì)耕地資源的保護(hù)，2016年中央一號(hào)文件就提出實(shí)行農(nóng)田休耕來(lái)應(yīng)對(duì)耕地質(zhì)量退化，世界上許多國(guó)家如美國(guó)[3]和澳大利亞[4]等實(shí)施土地休耕。有研究表明，休耕在保護(hù)耕地資源的同時(shí)造成了糧食減產(chǎn)13%[5]。因此，亟需尋找一個(gè)生態(tài)友好又能夠集約高效利用降水資源的農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，在有效保護(hù)耕地資源的同時(shí)保障糧食安全，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展。套作種植模式在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐均表明，套作是一種可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，具有增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)[4,6-7]，能夠充分利用光熱和水分養(yǎng)分資源[8-9]，提高土地利用率[10-11]，套作正是一種基于生物多樣性的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的有效途徑[12]。已有的研究主要集中在充分或補(bǔ)充灌溉條件下，對(duì)雨養(yǎng)條件下套作群體的研究較少。本研究以小麥/玉米套作群體為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)分析不同施氮水平下小麥/玉米套作群體產(chǎn)量、土地當(dāng)量比與土壤水分利用的差異，旨在為探索雨養(yǎng)地區(qū)發(fā)展小麥/玉米套作種植的可行性研究提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018—2019年和2019—2020年在陜西省楊凌高新產(chǎn)業(yè)示范區(qū)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院(34°18′N，108°04′E)進(jìn)行，試驗(yàn)地位于秦嶺北麓、渭河平原西部的頭道塬上，屬暖溫帶半濕潤(rùn)偏旱型氣候，海拔為467 m。近20年年均氣溫13.4℃，≥0℃積溫4 800℃，≥10℃積溫4 143℃，年均日照時(shí)數(shù)為2 196 h，無(wú)霜期220 d。冬、春季降水偏少，近30年平均降雨量為521 mm，60%～70%降雨集中在7—9月，年均蒸發(fā)量993.2 mm，干旱指數(shù)為1.30～1.59。土壤質(zhì)地類型為粉質(zhì)粘壤土，土壤顆粒組成為<0.01 mm粒級(jí)占51.9%，0.01～0.05 mm占42.3%，0.05～2 mm占5.8%。試驗(yàn)田0～30 cm耕層土壤化學(xué)性質(zhì)如表1所示，耕層土壤容重1.35g·cm-3，田間持水量為24%，pH值為8.25。

表1 試驗(yàn)田耕層(0～30 cm)土壤化學(xué)性狀Table 1 Chemical properties of plough layer (0～30 cm) soil in experimental field

試驗(yàn)期間的氣溫和降水量見(jiàn)圖1。氣象資料(氣溫和降水量)由田間農(nóng)業(yè)氣象站每半小時(shí)記錄一次(Vantage Pro2, DavisInstruments, Hayward, CA, USA)，由圖1可知，兩年作物生育期內(nèi)的月均氣溫和降水量差異顯著。2018—2019年與2019—2020年生育期內(nèi)總降水量分別為514.4、656.8 mm，2018—2019年降水量較少，2019—2020年月均氣溫比2018—2019年低4.17℃。

圖1 試驗(yàn)期間月均氣溫和降水量Fig.1 Monthly average temperature and precipitation throughout the 2018-2019 and 2019-2020

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試材料為當(dāng)?shù)刂髟远←溒贩N小偃22號(hào)，春玉米品種為鄭單958。試驗(yàn)設(shè)種植模式(P)和施氮水平(N)2個(gè)試驗(yàn)因素，其中種植模式設(shè)單作小麥、單作玉米和小麥/玉米套作3種模式，施氮量分為N0、N1、N2 3個(gè)水平(分別對(duì)應(yīng)于小麥 0、120、240 kg·hm-2，玉米 0，180，360 kg·hm-2)，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，田間隨機(jī)排列。在小麥播前對(duì)該地進(jìn)行耕作并劃分小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的面積為52.5 m2(10.5 m×5 m)，相鄰小區(qū)之間留50 cm寬的隔離區(qū)并起壟，以防止水分養(yǎng)分發(fā)生側(cè)向運(yùn)移。

小麥行距20 cm，播種密度360萬(wàn)?！m-2。玉米行距50 cm，株距30 cm，播種密度為66 667株·hm-2。在套作小區(qū)中相鄰的小麥和玉米行距為30 cm，由3條完整的小麥/玉米套作條帶組成，帶向南北，每個(gè)條帶由8行小麥(條帶1.6m寬)和4行玉米(條帶1.9 m寬)組成(圖2)，小麥和玉米分別占套作小區(qū)面積的46%和54%。試驗(yàn)中氮、磷、鉀肥料分別用尿素(N：46%)、過(guò)磷酸鈣(P2O5：16%)和水溶硫酸鉀(K2O：52%)。小麥、玉米施磷量均為180 kg·hm-2、施鉀量為39 kg·hm-2，均作為基肥一次性施入。小麥氮肥作為基肥一次性施入，玉米氮肥作基肥施50%，追肥50%。小麥于2018年10月11日人工開(kāi)溝條播，2019年6月7日收獲；春玉米于2019年4月9日播種，2019年8月18日收獲，兩種作物共生期長(zhǎng)58 d。2019年小麥為10月11日播種，2020年6月2日收獲；玉米于2020年4月6日播種，2020年8月13日收獲，兩種作物共生期長(zhǎng)57 d。除草、施肥和其他的田間管理依照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。

圖2 套作處理田間示意圖/cmFig.2 Layout of wheat-maize intercropping treatment in field

由于套作小區(qū)中小麥條帶和玉米條帶的東西兩側(cè)位置對(duì)稱，因此，套作小麥條帶分為邊1行(R1)、邊2行(R2)、邊3行(R3)和邊4行(R4)，其中邊1行統(tǒng)計(jì)為邊行，其余統(tǒng)計(jì)為內(nèi)行；套作玉米條帶則分為邊行(Row1)和內(nèi)行(Row2)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 產(chǎn)量 小麥在收獲期單作和套作的收獲面積均為4.8 m2(相鄰的8行3 m長(zhǎng)的小麥樣段)，分行進(jìn)行人工收割，風(fēng)干后裝袋脫粒測(cè)產(chǎn)，計(jì)算單位面積產(chǎn)量時(shí)籽粒含水率為13%。玉米在收獲期單作和套作的收獲面積均為6 m2(相鄰的4行2 m長(zhǎng)的玉米樣段)，分行單獨(dú)收割裝袋，風(fēng)干后脫粒測(cè)產(chǎn)，計(jì)算單位面積產(chǎn)量時(shí)籽粒含水率為13%。

1.3.2 作物耗水量(ET) 采用土壤水分平衡法計(jì)算?？筛鶕?jù)式(1)計(jì)算。

ET=ΔW+P+I-R

(1)

式中,ET為耗水量(mm)，ΔW為計(jì)算時(shí)段初和時(shí)段末土壤儲(chǔ)水量之差(mm)，P為降水量(mm)，I為灌溉量，R為地表徑流量。在本試驗(yàn)條件下無(wú)灌溉，地塊很少發(fā)生地表徑流，因此忽略不計(jì)。

土壤儲(chǔ)水量采用式(2)計(jì)算。

W=ρ×h×w×10

(2)

式中，W為土壤貯水量(mm),ρ為土壤容重(g·cm-3),h為土層厚度(cm),w為土壤水分含量(%)。

土壤水分含量采用烘干法進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定深度為0～200 cm土層，每10 cm一個(gè)土層。單作處理，在各小區(qū)單作作物的中間選取2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，套作系統(tǒng)分別在小麥帶中間、玉米帶中間和小麥玉米之間布設(shè)3點(diǎn)測(cè)定，三點(diǎn)保持在同一線上，每個(gè)點(diǎn)重復(fù)取土樣兩次。土樣在105℃溫度下烘干至恒重后測(cè)定干重，然后計(jì)算土壤含水量，并根據(jù)土壤容重?fù)Q算為體積含水量。

土壤含水量根據(jù)式(3)計(jì)算。

(3)

其中，w為土壤含水量(%)，W1為烘干前土壤質(zhì)量(g),W2為烘干后土壤質(zhì)量(g)。

1.3.3 相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力 套作群體中作物之間的競(jìng)爭(zhēng)能力用作物競(jìng)爭(zhēng)力(Aggressivity)[13]表示，采用式(4)計(jì)算。

(4)

式中，AWM表示套作小麥相對(duì)于套作玉米的競(jìng)爭(zhēng)力;YIW和YSW分別為套作小麥和單作小麥的產(chǎn)量(t·hm-2)，YIM和YSM分別為套作玉米和單作玉米的產(chǎn)量(t·hm-2)。PM和PW分別為小麥和玉米在套作群體中所占的種植比例，本試驗(yàn)中PM=0.543,PW=0.457。AWM>0時(shí)表示小麥在套作群體中相對(duì)于玉米處于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，反之則處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)。

1.3.4 水分利用效率(WUE) 采用式(5)計(jì)算。

(5)

式中，WUE為水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y為單位面積的籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)，WU為耗水量(mm)。

Morris等[14]提出用ΔWU、ΔWUE來(lái)評(píng)估間(套)作系統(tǒng)相對(duì)于單作系統(tǒng)的耗水量及水分利用效率優(yōu)勢(shì)。

(6)

(7)

式中，WUIC、WUSW及WUSM分別為套作群體、單作小麥及單作玉米的耗水量，WUEIC、WUESW及WUESM分別為套作群體、單作小麥及單作玉米的水分利用效率，其余符號(hào)意義同公式(4)。ΔWU<0表明套作系統(tǒng)耗水量小于單作系統(tǒng)的加權(quán)平均值，反之則大于單作系統(tǒng)的加權(quán)平均值；ΔWUE<0，表明套作系統(tǒng)的水分利用效率小于單作系統(tǒng)的加權(quán)平均值，反之則大于單作系統(tǒng)的加權(quán)平均值。

1.3.5 土地當(dāng)量比 套作群體的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)通常采用土地當(dāng)量比(LER)表示。

(8)

式中，YIW和YSW分別為套作小麥和單作小麥的產(chǎn)量(t·hm-2)；YIM和YSM分別為套作玉米和單作玉米的產(chǎn)量(t·hm-2)。當(dāng)LER>1時(shí)表示套作具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，反之則說(shuō)明套作相對(duì)于單作沒(méi)有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。

1.3.6 氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP) 采用式(9)計(jì)算。

(9)

式中，YN為施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量(kg)，N為施氮區(qū)施氮量(kg)。

1.3.7 氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NAE) 采用式(10)計(jì)算。

(10)

式中，YN為施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量(kg)，Y0為不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量(kg)，N為施氮區(qū)施氮量(kg)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)采用Excel 2016對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，采用SPSS 20軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析和顯著性檢驗(yàn)，采用Origin 2016 軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平下小麥/玉米套作群體產(chǎn)量與土地當(dāng)量比

2.1.1 產(chǎn)量 表2顯示不同施氮水平下單作和套作作物的產(chǎn)量，2018—2019年小麥產(chǎn)量相比2019—2020年顯著增加(P<0.05)，而玉米的產(chǎn)量降低(P<0.01)，在兩年試驗(yàn)期內(nèi)表現(xiàn)出顯著的年際差異。各施氮水平下套作小麥的產(chǎn)量均顯著高于單作小麥，具體表現(xiàn)為套作小麥的產(chǎn)量與單作小麥相比，2018—2019年N0、N1及N2水平下分別提高25.69%、24.80%及25.40%，在2019—2020年分別提高21.34%、24.69%及27.80%。就玉米而言，其產(chǎn)量表現(xiàn)受到氮肥供應(yīng)的影響，在N0與N1水平下，套作玉米的產(chǎn)量表現(xiàn)出減產(chǎn)劣勢(shì)，其產(chǎn)量較單作玉米在 2018—2019年分別降低6.34%與3.02%，在2019—2020年分別降低11.43%與3.59%，差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，而在N2水平下套作玉米產(chǎn)量高于單作玉米，在兩年內(nèi)分別提高4.71%和6.24%。在相同種植模式下，施氮顯著提高小麥產(chǎn)量(P<0.001)，與N0相比，單作小麥在N2水平下兩年分別提高35.38%和47.48%，套作小麥在N2水平下兩年分別提高35.06%和55.36%。施氮對(duì)玉米產(chǎn)量具有明顯促進(jìn)作用(P<0.05)，單作玉米在N2水平下與N0相比兩年分別提高11.84%和18.36%，與N0相比，套作玉米在N2水平下兩年分別提高25.03%和41.98%。

表2 不同施氮水平下作物單作和套作種植的產(chǎn)量Table 2 Yields of sole and intercropping under different nitrogen treatments/(t·hm-2)

2.1.2 土地當(dāng)量比 由圖3可以看出兩年試驗(yàn)期內(nèi)，在雨養(yǎng)條件下小麥/玉米套作系統(tǒng)土地當(dāng)量比(LER)為 1.04～1.16，即生產(chǎn)相同產(chǎn)量，單作比套作模式要多占用4%～16%的耕地。在3種施氮水平下土地當(dāng)量比均大于1，說(shuō)明8∶4 這種小麥/玉米帶狀套作均具有土地利用優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，施氮處理下的土地當(dāng)量比均大于N0處理，表明適當(dāng)增施氮肥可以促使套作群體發(fā)揮更大的土地利用優(yōu)勢(shì)。此外，兩年內(nèi)套作小麥的偏土地當(dāng)量比PLERW(0.55～0.58)均大于小麥條帶在套作群體中的比例(45.7%)；而套作玉米的偏土地當(dāng)量比PLERM與其在套作群體中所占條帶(54.3%)相比，兩年內(nèi)均在N0與N1水平下表現(xiàn)出劣勢(shì)，為0.48～0.53，而在N2水平下表現(xiàn)出土地利用優(yōu)勢(shì)，兩年內(nèi)分別為0.57和0.58，兩年內(nèi)PLERM≤PLERW。這說(shuō)明在小麥/玉米套作種植模式下，套作小麥增產(chǎn)是套作群體具有土地利用優(yōu)勢(shì)的主要貢獻(xiàn)來(lái)源，在N2水平下土地利用優(yōu)勢(shì)共同來(lái)源于套作小麥和套作玉米。

圖3 兩年內(nèi)不同施氮水平下小麥/玉米套作群體的土地當(dāng)量比(LER)Fig.3 LER of wheat/maize intercropping system under different nitrogen levels in two years

2.1.3 小麥/玉米套作群體產(chǎn)量邊行表現(xiàn) 通過(guò)比較兩年內(nèi)套作各行小麥和單作小麥行中1 m行長(zhǎng)的籽粒產(chǎn)量(圖4)，發(fā)現(xiàn)套作小麥邊行顯著高于內(nèi)行和單作行，具體表現(xiàn)為邊1行和邊2行增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)明顯，顯著高于單作行；而邊3行和邊4行之間的差異不顯著，同時(shí)相較單作行增產(chǎn)也不顯著。在N0、N1及N2 3個(gè)施氮水平下，2018—2019年，邊1行比單作行分別增產(chǎn)143.56%、130.09%、125.00%，邊2行比單作行分別增產(chǎn)56.43%、50.44%、48.33%;2019—2020年，在N0、N1及N2 3個(gè)施氮水平下，邊1行比單作行分別增產(chǎn)128.57%、115.45%、113.04%,邊2行比單作行分別增產(chǎn)74.49%、67.27%、65.21%，兩年的差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05),表明隨著施氮水平升高，邊行小麥的產(chǎn)量與單作小麥差距減小。

圖4 不同施氮水平下套作小麥不同行與單作小麥籽粒產(chǎn)量的對(duì)比(每米植株產(chǎn)量)Fig.4 Grain yield at different rows in intercropped wheat and sole wheat under different nitrogen treatments (grain yield per meter)

兩年內(nèi)套作邊行、內(nèi)行玉米和單作玉米行中1 m行長(zhǎng)的籽粒產(chǎn)量比較如圖5所示，套作邊行玉米相較于單作玉米行顯著降低，2019—2020年，在N0、N1及N2 3個(gè)施氮水平下，套作邊行玉米1 m行長(zhǎng)籽粒產(chǎn)量比單作玉米分別降低16.86%、18.38%和12.67%(P<0.05)；而套作內(nèi)行玉米1 m長(zhǎng)籽粒產(chǎn)量與單作相比有所提高，在N0、N1及N2 3個(gè)施氮水平下比單作玉米分別增加6.27%、7.72%和12.68%(P<0.05)，說(shuō)明了玉米在套作系統(tǒng)中劣勢(shì)主要來(lái)源于邊行的減產(chǎn)，內(nèi)行產(chǎn)量的增加減輕了套作對(duì)玉米產(chǎn)量造成的不利影響。

圖5 不同施氮水平下套作玉米不同行與單作玉米產(chǎn)量的對(duì)比(每米植株產(chǎn)量)Fig.5 Grain yield at different rows in intercropped maize and sole maize under different nitrogen treatments (grain yield per meter)

氮肥對(duì)套作玉米邊行、內(nèi)行和單作行的籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)各有不同，兩年平均值顯示，N1、N2相較于N0，使套作邊行玉米籽粒產(chǎn)量分別增加9.61%和21.56%，使套作內(nèi)行玉米籽粒產(chǎn)量分別增加了9.75%和18.55%，使單作行玉米籽粒產(chǎn)量分別增加6.67%和12.08%。由此可見(jiàn)氮肥對(duì)套作邊行玉米籽粒產(chǎn)量的增加促進(jìn)作用更大，其次是套作內(nèi)行玉米，對(duì)單作玉米的促進(jìn)作用最小，且在N2水平下促進(jìn)作用最為明顯，這為合理構(gòu)建套作群體，提高套作體系產(chǎn)量效益提供了可行性。

2.2 套作小麥相對(duì)于玉米的種間競(jìng)爭(zhēng)力

共生期內(nèi)小麥相對(duì)于玉米的競(jìng)爭(zhēng)能力(AWM)根據(jù)套作小麥和套作玉米地上部干物質(zhì)積累量計(jì)算得出。由圖6可知，兩年試驗(yàn)中不同施氮處理下小麥相對(duì)于玉米種間競(jìng)爭(zhēng)力變化趨勢(shì)相似，同時(shí)套作小麥相對(duì)于套作玉米的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度AWM隨著時(shí)間的推進(jìn)而發(fā)生變化，AWM值在共生期呈現(xiàn)為單峰曲線，至玉米播種后45～50 d達(dá)到峰值。兩年內(nèi)3個(gè)施氮水平下的種間競(jìng)爭(zhēng)力均大于0，表明了共生期內(nèi)小麥的競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)于玉米，在小麥/玉米套作系統(tǒng)中，小麥?zhǔn)莾?yōu)勢(shì)作物，玉米在與小麥共生期內(nèi)處于不利地位，施氮對(duì)這種競(jìng)爭(zhēng)力有一定的緩解作用，施氮處理(N1、N2)的AWM始終低于不施氮(N0)處理。

圖6 不同施氮水平下小麥/玉米套作共生期內(nèi)小麥相對(duì)于玉米的種間競(jìng)爭(zhēng)力(AWM)的動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamic aggressivity of wheat relative to maize during the co-growth stage (AWM) under different nitrogen treatments

2.3 不同施氮水平下小麥/玉米套作系統(tǒng)耗水量與水分利用效率

表3顯示了兩年試驗(yàn)期內(nèi)從小麥播種至玉米收獲后單作系統(tǒng)和套作系統(tǒng)在不同施氮水平下的耗水量(WU)及套作相對(duì)于單作耗水量的變化(ΔWU)。同一種植模式中N2水平下作物的耗水量顯著高于N1與N0，與N0相比，兩年內(nèi)單作小麥耗水量分別增加了14.72%和16.78%(P<0.05)，單作玉米耗水量分別增加13.01%和13.55%(P<0.05)，小麥/玉米套作系統(tǒng)的耗水量分別增加10.14%和13.05%(P<0.05)，達(dá)479.85 mm和497.90 mm。兩年試驗(yàn)期內(nèi)小麥/玉米套作系統(tǒng)相對(duì)于單作系統(tǒng)的耗水量的變化(ΔWU)均小于0，說(shuō)明小麥/玉米套作系統(tǒng)的耗水量均低于單作系統(tǒng)，兩年內(nèi)在3個(gè)施氮水平下小麥/玉米套作系統(tǒng)的耗水量相比單作系統(tǒng)減少0.04%～4.95%。其中在N1水平下耗水量減少的最為明顯，兩年分別減少4.95%和4.82%，這意味著在N1水平下兩年內(nèi)套作系統(tǒng)比單作系統(tǒng)平均少消耗水分47.30 mm。在N0水平下節(jié)水優(yōu)勢(shì)不明顯，小麥/玉米套作系統(tǒng)的耗水量相比單作系統(tǒng)分別在兩年內(nèi)減少0.04%和1.26%，少消耗水分0.38 mm和11.99 mm，在N2水平下耗水量?jī)赡陜?nèi)分別減少41.41 mm和33.47 mm。

表3 不同施氮水平下單作和套作系統(tǒng)的耗水量(WU) 及套作系統(tǒng)相對(duì)于單作耗水量的變化(ΔWU) Table 3 Water use and changes in water use of intercropping relative to sole crops under different nitrogen treatments

兩年試驗(yàn)期內(nèi)從小麥播種至玉米收獲后單作系統(tǒng)和套作系統(tǒng)在不同施氮水平下的水分利用效率(WUE)及套作相對(duì)于單作水分利用效率的變化(ΔWUE)見(jiàn)表4。同一種植模式中施氮提高了水分利用效率，但在不同施氮水平下差異的顯著性表現(xiàn)不一，但均在N2水平下作物的水分利用效率達(dá)到最高。兩年內(nèi)單作玉米的水分利用效率最高，套作系統(tǒng)的水分利用效率介于單作小麥和單作玉米之間，兩年內(nèi)小麥/玉米套作系統(tǒng)相對(duì)于單作系統(tǒng)的水分利用效率的變化(ΔWUE)均大于0，說(shuō)明了小麥/玉米套作系統(tǒng)的水分利用效率均高于單作系統(tǒng)，小麥/玉米套作系統(tǒng)與單作系統(tǒng)相比具有水分利用優(yōu)勢(shì)。兩年內(nèi)在3個(gè)施氮水平下小麥/玉米套作系統(tǒng)與單作系統(tǒng)相比，其水分利用效率提高了2.77%～6.46%。在N1水平下小麥/玉米套作系統(tǒng)相對(duì)于單作系統(tǒng)ΔWUE最大，兩年內(nèi)均值達(dá)到6.27%，而在N0水平下水分利用優(yōu)勢(shì)最小。

表4 不同施氮水平下單作和套作系統(tǒng)的水分利用效率(WUE) 及套作系統(tǒng)相對(duì)于單作水分利用效率的變化(ΔWUE) Table 4 Water use efficiency and changes in water use efficiency of intercropping relative to sole crops under different nitrogen treatments

2.4 不同施氮水平下小麥/玉米套作系統(tǒng)的氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率

兩年試驗(yàn)期內(nèi)小麥/玉米套作系統(tǒng)在不同施氮水平下的氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)和氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NAE)如表5所示。從表中得知，套作種植可以顯著提高小麥的氮肥偏生產(chǎn)力(P<0.05)，而套作玉米的氮肥偏生產(chǎn)力僅在N2處理下高于單作玉米。兩年內(nèi)，隨著施氮量的增加小麥和玉米的氮肥偏生產(chǎn)力均顯著降低，小麥氮肥偏生產(chǎn)力在套作種植模式的N1處理下最高，兩年分別為64.17 kg·kg-1和59.33 kg·kg-1，而玉米在單作種植模式的N1處理下最高，兩年分別為49.72 kg·kg-1和51.00 kg·kg-1。套作小麥和套作玉米的氮肥農(nóng)學(xué)利用率均高于相應(yīng)單作，這表明套作種植可以提高作物的氮肥農(nóng)學(xué)利用率，且兩年內(nèi)套作和單作小麥的氮肥農(nóng)學(xué)利用率的差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。2019—2020年套作玉米的氮肥農(nóng)學(xué)利用率顯著高于單作玉米，而在2018—2019年兩者并無(wú)顯著差異。小麥的氮肥農(nóng)學(xué)利用率隨著施氮量的增加顯著降低，且在套作種植模式的N1處理下達(dá)到最高，分別為11.17 kg·kg-1和17.17 kg·kg-1；而玉米的氮肥農(nóng)學(xué)利用率僅在2018—2019年的單作處理中呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其余處理中玉米氮肥農(nóng)學(xué)利用率隨著施氮量的增加而增加，兩年內(nèi)均在套作種植模式的N2處理下達(dá)到最高，兩年分別為5.44 kg·kg-1和8.94 kg·kg-1。

表5 不同施氮水平下小麥/玉米套作系統(tǒng)的氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)和氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NAE)Table 5 Nitrogen partial productivity (NPFP) and nitrogen agronomic utilization efficiency (NAE) of wheat/ maize intercropping system under different nitrogen application levels

3 討 論

3.1 不同施氮水平下小麥/玉米套作的產(chǎn)量

套作能夠提高作物產(chǎn)量已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛證實(shí)[10,15-18]。Gou 等[19]通過(guò)在荷蘭的小麥/玉米套作研究發(fā)現(xiàn)，小麥和玉米在套作種植模式下的產(chǎn)量均高于單作。而本試驗(yàn)結(jié)果表明，兩年內(nèi)套作種植提高小麥產(chǎn)量21.3%～27.8%，而套作玉米產(chǎn)量表現(xiàn)受氮肥調(diào)控，僅在N2水平下高于單作玉米。這可能是由于充足的氮能夠促進(jìn)玉米對(duì)水分吸收利用，有利于小麥?zhǔn)斋@后邊行玉米的恢復(fù)生長(zhǎng)，緩解邊行減產(chǎn)帶來(lái)的不良影響。兩年試驗(yàn)期內(nèi)小麥和玉米的產(chǎn)量表現(xiàn)出明顯年際差異，2019—2020年小麥產(chǎn)量較2018—2019年產(chǎn)量低，而玉米較2018—2019年高，這是由于2019—2020年的玉米生育期降水量較2018—2019年顯著增加，充足的降水和氮肥供應(yīng)可以充分發(fā)揮水氮協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)玉米更好地生長(zhǎng)發(fā)育[20]。

有關(guān)套作小麥產(chǎn)量邊行表現(xiàn)的相關(guān)研究較多[21-22]，均表明邊行的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)是套作小麥增產(chǎn)的重要因素。胡新元等[23]等通過(guò)在河西綠洲灌區(qū)進(jìn)行不同帶型的小麥/玉米套作研究發(fā)現(xiàn)，套作小麥的邊行效應(yīng)在3行內(nèi)表現(xiàn)明顯，而第4行之后基本上無(wú)邊行優(yōu)勢(shì)。這與本試驗(yàn)研究結(jié)果略有不同，本試驗(yàn)結(jié)果表明套作小麥的邊行主要體現(xiàn)在邊1行和邊2行，第3行之后無(wú)顯著差異。本試驗(yàn)結(jié)果表明玉米在套作群體中表現(xiàn)為產(chǎn)量劣勢(shì)，主要是由邊行減產(chǎn)造成的，而胡新元等[23]等認(rèn)為邊行玉米較內(nèi)行玉米增產(chǎn)1.8%～5.6%，這與本試驗(yàn)結(jié)果相反，可能是由于綠洲灌區(qū)年降水較少，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)需補(bǔ)充灌溉以滿足植株生長(zhǎng)發(fā)育，也有研究表明灌溉能夠緩解甚至消除套作玉米的邊行劣勢(shì)，并且增強(qiáng)內(nèi)行優(yōu)勢(shì)。在小麥/玉米套作體系中，共生期結(jié)束后邊行玉米表現(xiàn)出明顯劣勢(shì)，其產(chǎn)量顯著低于單作玉米[24]，這與本試驗(yàn)結(jié)果相似，小麥/玉米套作群體中玉米在共生期內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)力弱于小麥，導(dǎo)致前期的生長(zhǎng)發(fā)育受到限制，直至小麥?zhǔn)斋@后玉米也未能完全地恢復(fù)生長(zhǎng)。之前許多研究已經(jīng)證明套作群體具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，例如小麥/玉米套作[10]、糜子/綠豆套作[15]、玉米/苜蓿[16]、玉米/大豆[17]等，然而這些研究大多數(shù)是充分灌溉或補(bǔ)充性灌溉條件下進(jìn)行，本研究中在雨養(yǎng)條件下的套作群體具有產(chǎn)量與土地優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于具有相似降水量地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展有一定的參考價(jià)值。

3.2 不同施氮水平下小麥/玉米套作的土地利用和水分利用

套作種植能夠提高土地利用率[9-10]，Zhang等[25]在小麥棉花復(fù)合系統(tǒng)研究中表明其當(dāng)?shù)赝恋禺?dāng)量比(LER)為1.28～1.39，LER均大于1，說(shuō)明具有土地利用優(yōu)勢(shì)，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致，在半濕潤(rùn)區(qū)雨養(yǎng)條件下小麥/玉米套作的土地當(dāng)量比為1.04～1.16，這表明半濕潤(rùn)區(qū)雨養(yǎng)條件下小麥/玉米套作群體仍可穩(wěn)定發(fā)揮套作優(yōu)勢(shì)。也有研究表明，套作種植水分利用效率比相應(yīng)單作高，但耗水量沒(méi)有顯著差異[26-27]。與該結(jié)果不同，套作系統(tǒng)具有通過(guò)增產(chǎn)來(lái)提高水分利用的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)相同產(chǎn)量套作群體的耗水量比單作更少，說(shuō)明套作種植具有水分利用優(yōu)勢(shì)[10,28-30]。套作種植增加了地表覆蓋度，可以減少土壤蒸發(fā)，增加水分入滲，能改善作物生長(zhǎng)環(huán)境中的水分狀況，進(jìn)而提升了套作的水分利用優(yōu)勢(shì)。王仰仁等[31]通過(guò)30余種間套作作物需水量的研究結(jié)果表明，在同等條件下，間套作作物田間耗水量較單作種植減少7%，大大提高水分利用效率。這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致，套作群體具有節(jié)水優(yōu)勢(shì)和更高的水分利用效率，小麥/玉米套作群體的耗水量與單作種植相比耗水量減少0.04%～4.95%，同時(shí)水分利用效率也提高了2.77%～6.46%。在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)中，有限的降水常常是制約產(chǎn)量的主要因素，復(fù)合群體具有節(jié)水和水分利用優(yōu)勢(shì)，對(duì)促進(jìn)區(qū)域水資源高效持續(xù)利用具有一定的理論參考。

4 結(jié) 論

1)小麥/玉米套作具有明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)和土地利用優(yōu)勢(shì)。與單作相比，套作小麥的產(chǎn)量提高了21.34%～27.80%(P<0.05)，其產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)主要來(lái)源于邊1行與邊2行的增產(chǎn)；而套作玉米表現(xiàn)受氮肥供應(yīng)的調(diào)控，在N0與N1水平下套作產(chǎn)量減少了3.02%～11.43%，僅在N2水平下高于單作玉米。兩年內(nèi)小麥/玉米套作群體的土地當(dāng)量比LER介于1.04～1.16，具有土地利用優(yōu)勢(shì)。

2)小麥/玉米套作具有水分利用和養(yǎng)分利用優(yōu)勢(shì)。在相同產(chǎn)量下小麥/玉米套作群體比單作群體的耗水量更少而水分利用效率更高，其中在N1水平下耗水量減少最為明顯，兩年內(nèi)平均少消耗水分47.30 mm；而水分利用效率比單作系統(tǒng)提高2.77%～6.46%，小麥/玉米套作群體在3個(gè)施氮水平下均表現(xiàn)出節(jié)水與水分利用優(yōu)勢(shì)。此外，套作種植還可以提高小麥和玉米的氮肥農(nóng)學(xué)利用率以及小麥的氮肥偏生產(chǎn)力，兩年內(nèi)套作小麥的氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率最高可達(dá)64.17 kg·kg-1和11.17 kg·kg-1。而玉米的氮肥偏生產(chǎn)力以單作最高，故如何提高小麥/玉米套作系統(tǒng)中玉米的產(chǎn)量和氮肥利用，成為進(jìn)一步提高小麥/玉米套作系統(tǒng)產(chǎn)量的關(guān)鍵。

3)8∶4小麥/玉米套作種植模式適用于小型播種機(jī)的機(jī)械化作業(yè)。因此，在半濕潤(rùn)區(qū)可適當(dāng)發(fā)展施氮處理的套作種植模式，在確保增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤、降水及肥料等資源的集約高效利用。