甘肃省武威市甘肃农业大学绿洲农业实验站位于温带干旱区, 平均海拔1506 m, 多年平均降水量156 mm、年蒸发量2400 mm, 降水年际变化不大但季节间变化较大, 主要集中在7月至9月份, 是典型的非灌不植的绿洲农业区。该区年平均气温7.2℃, 全年无霜期156 d, 年日照时数2945 h, 年太阳辐射总量6000 kJ m^-2, 适于发展间作, 近年来玉米间作豌豆已成为该区主要的多熟种植模式之一。2012— 2013年度内的降水量、气温如图1。

图1

Fig. 1

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	图1 2012-2013年豌豆、玉米生长季降水量和气温Fig. 1 Temperature and precipitations during pea and maize growing period in 2012-2013

陇豌1号, 为甘肃省农业科学院粮食作物研究所从美国引育的豌豆(Pisum sativumL.)新品种; 玉米(Zea maysL.) 品种为先玉335; 氮肥为含氮46%的尿素, 磷肥为过磷酸钙; 农用地膜厚度为0.08 mm, 宽度为1.2 m。

于2012年3月至2013年10月设单作豌豆(P)、单作玉米(M)、玉米间作豌豆(I) 3种种植模式, 3个施氮制度, 共计9个处理, 每处理3次重复, 田间随机排列。具体施氮制度与处理代码见表1, 其中N₁为基肥10%+拔节肥0+孕穗肥50%+花粒肥40%; N₂为基肥10%+拔节肥15%+孕穗肥50%+花粒肥25%; N₃为基肥10%+拔节肥30%+孕穗肥50%+花粒肥10%。相对于N₃(传统施氮), N₁、N₂氮肥后移了30%和15%。磷肥按照N∶ P为1∶ 0.75全部作为基肥施用。单作豌豆施肥量按照单作玉米和间作带追肥量定额。灌溉制度与地方习惯灌溉制度相同, 单作豌豆全生育期灌水总量为210 mm, 单作玉米全生育期灌水总量为510 mm, 间作在豌豆收获前灌水总量为210 mm, 豌豆收获后的灌水总量为300 mm。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 处理代码及不同处理的施氮制度 Table 1 Nitrogenous fertilizer application levels and treatment codes (kg hm-2) 种植模式 Cropping pattern 施氮水平 N fertilizer level 基肥 Base fertilizer 追施氮肥 N fertilizer topdressing 总施氮量 Total fertilizer 拔节期 Jointing 大喇叭口期 Pre-tasseling 花后15 d After flowering 15 d 单作豌豆 P Sole planting pea N1 45 0 0 0 45 N2 45 67.5 0 0 112.5 N3 45 135 0 0 180 单作玉米 M Sole planting maize N1 45 0 225 180 450 N2 45 67.5 225 112.5 450 N3 45 135 225 45 450 玉米间作豌豆I Maize pea intercropping N1 45 0 225 180 450 N2 45 67.5 225 112.5 450 N3 45 135 225 45 450 N1: N postponing application with 30%; N2: N postponing application with 15%; N3: traditional nitrogen application. N1: 氮肥后移30%; N2: 氮肥后移15%: N3: 传统施氮。

表1 处理代码及不同处理的施氮制度 Table 1 Nitrogenous fertilizer application levels and treatment codes (kg hm-2)

单作豌豆密度180万株 hm^-2, 分行种植, 行距40 cm; 单作玉米, 全膜覆盖, 密度9万株 hm^-2; 玉米间作豌豆密度76万株 hm^-2; 间作玉米密度5.2万株 hm^-2。玉米带地膜覆盖, 田间结构如图2。小区宽5.7 m、长10 m。

1.4.1 土壤含水量

每15 d测定一次, 播种前、收获后加测, 灌水前、灌水后加测, 测深为120 cm。0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm三个层次取样, 用烘干法测定, 30 cm以下用503DR型中子水分仪测定, 间作群体中的中子水分管埋设位置如图2。

图2

Fig. 2

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	图2 玉米间作豌豆田间示意图Fig. 2 Field layout of maize-pea intercropping

1.4.2 棵间蒸发量(mm)

用微型蒸渗仪(Micro- Lysimeter)测定。蒸渗仪用内径10 cm、壁厚5 mm、高15 cm的PVC管做成。每次取土时将其垂直压入作物行间土壤内, 使其顶面与地面齐平, 取原状土, 然后用塑胶带封底, 另用内径为12 cm PVC管做成外套, 固定于行间, 使其表面与附近土壤持平, 操作时不至破坏周围土体结构。用精度为0.01 g的电子天平称重, 3 d内重量的差值即为蒸发量, 称重时间为每天18:00。为保持测定精度, 使蒸渗仪内部土壤水分与周围土壤一致, 于同一位置每3~5 d取周围原装土以更换内部土体。降雨或灌水后, 微型蒸渗仪内易产生积水, 为保证测定精度, 需立即更换土体。单作豌豆、单作玉米小区在中间行内埋设一个蒸渗仪; 间作处理分别在豌豆带、玉米带中部埋设2个蒸渗仪(图2), 间作各小区棵间蒸发量为小区内蒸渗仪测定值的平均值。

1.4.3 产量

作物成熟后按小区收获计产。

1.4.4 土地当量比(LER)

LER是量化分析间套作复合群体生产力及土地利用状况的指标, 当LER> 1.0时有间作优势; 当LER< 1.0时为间作劣势^[18]。

LER = Y_ip/Y_sp+ Y_im/Y_sm, 式中, Y_ip和Y_sp分别表示豌豆在间作和单作中的籽粒产量, Y_im和Y_sm分别表示玉米在间作和单作的籽粒产量。

1.4.5 水分利用效率

WUE=Y/ET, 式中WUE为水分利用效率(kg hm^-2 mm^-1); Y为籽粒产量(kg hm^-2); ET为生育期耗水量(mm)。ET = 播前土壤储水量(mm) +生育期间自然降水量(mm)+灌水量(mm)-收获期土壤储水量(mm)。

1.4.6 蒸散比(E/ET)

是棵间蒸发占蒸散量的比例, 用于衡量水分利用率, E/ET越大水分利用率越低。

图3

Fig. 3

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	图3 不同处理作物生育期内的耗水总量Fig. 3 Total water consumption of different treatments during growing season

采用Microsoft Excel整理汇总数据, 用SPSS 17.0软件检验差异显著性。

2.1.1 不同处理作物生长期内的耗水量

单作豌豆全生育期总耗水量最小, 间作与单作玉米耗水量无显著差异(图3)。以单作豌豆和玉米耗水量的加权平均为对照, 氮肥后移30%、氮肥后移15%、传统施氮间作的耗水量较单作分别高22%、31%、26%, 在氮肥后移15%制度下间作与单作的耗水量差异最大。相同种植模式内相比, 单作豌豆的耗水量两年内在氮肥后移15%制度下较传统施氮处理降低了14%~19%, 即氮肥后移15%具有减小单作豌豆耗水量的作用; 单作玉米、玉米间作豌豆的耗水量在不同施氮制度下差异不显著。

2.1.2 不同处理的作物棵间蒸发量

不同处理生育期内的棵间蒸发量主要受种植模式和施氮制度影响, 并且不同时间、空间内的棵间蒸发量对施氮制度的响应不同(图4)。棵间蒸发总量两年内表现为单作豌豆< 单作玉米< 玉米间作豌豆。单作玉米、玉米间作豌豆的棵间蒸发量两年均是在氮肥后移15%下最低, 分别为217 mm、246 mm, 而传统施氮的棵间蒸发量较氮肥后移15%制度分别增加17 mm、15 mm; 氮肥后移30%制度与传统施氮制度的棵间蒸发量无显著差异。氮肥后移对单作豌豆棵间蒸发量影响不显著。因此, 与传统施氮处理相比, 氮肥后移15%是降低单作玉米和间作棵间蒸发量的可行措施。

图4

Fig. 4

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	图4 不同处理豌豆收获前后棵间蒸发动态Fig. 4 Dynamics of soil evaporation of different treatments before and after the pea harvest

氮肥后移对豌豆收获前间作处理减小棵间蒸发的作用较小, 但豌豆收获后氮肥后移30%、15%制度的棵间蒸发量为130 mm、135 mm, 较传统施氮间作分别降低21 mm、15 mm。间作玉米带两年的平均棵间蒸发量(232 mm)较单作玉米(186 mm)增加46 mm; 间作豌豆带豌豆收获前两年的棵间蒸发量(184 mm)较单作豌豆(122 mm)减少62 mm。豌豆收获前, 间作豌豆带的棵间蒸发量与间作玉米带差异不显著, 而在收获后间作豌豆带的棵间蒸发量(207 mm)较间作玉米带(69 mm)高138 mm。可见间作系统较大的棵间蒸发主要发生在豌豆收获后的裸露带。

2.1.3 不同处理作物生育期内的蒸散比(E/ET)

E/ET表现为单作玉米< 玉米间作豌豆< 单作豌豆(图5)。单作玉米、玉米间作豌豆的E/ET两年均是在氮肥后移15%制度下最低(31%和40%), 较传统施氮分别平均降低11%和4%。间作系统中, 豌豆收获前的E/ET在氮肥后移制度下与传统施氮处理无显著变化, 而豌豆收获后的E/ET在氮肥后移30%、氮肥后移15%制度下较传统施氮处理平均降低11%, 且在氮肥后移15%制度下最低。

图5

Fig. 5

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	图5 豌豆收获前后不同处理单作与相应间作作物带内的蒸散比(E/ET)（处理缩写同图4。）Fig. 5 The evaporation/evapotranspiration in sole cropping system and different strips of intercropping systems before and after pea harvest（Treatments are abbreviated as those given in Fig. 4.）

与单作玉米、单作豌豆相比, 间作降低了玉米带中的E/ET, 但增大了豌豆带中的E/ET, 可通过氮肥后移来降低豌豆带中的E/ET从而提高水分利用率。间作玉米带两年的E/ET在不同施氮制度下较单作玉米平均降低20%; 间作豌豆带两年的E/ET在不同施氮制度下较单作豌豆增加7%。豌豆收获前, 间作豌豆带的E/ET与间作玉米带差异不显著, 而收获后间作豌豆带的E/ET平均高出间作玉米带175%, 差异显著。根据相同模式不同施氮制度间的差异比较以及氮肥后移对间作不同生育时期、不同带的比较可以看出, 氮肥后移15%制度较传统施氮制度能够有效减少水分无效损失, 且对玉米大喇叭口期后无效耗水的抑制更为显著。E/ET结果进一步证明, 间作的水分无效损失主要发生在豌豆收获后的空白带。

参试间作的LER两年平均达到1.41, 说明与单作相比玉米间作豌豆的土地利用率提高41% (表2)。以相应单作籽粒产量加权平均为对照, 间作较单作产量提高35% (2012)、48% (2013)。在3个施氮处理下, 间作豌豆较相应单作籽粒产量平均提高57%, 间作玉米较相应单作提高82%。氮肥后移30%、氮肥后移15%制度下, 间作混合籽粒产量较传统施氮分别提高3%、6%。与传统施氮处理相比, 氮肥后移对间作豌豆籽粒产量影响无显著差异, 而氮肥后移15%可显著提高间作玉米的籽粒产量。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同施氮制度下间作与单作玉米、豌豆的籽粒产量和土地当量比 Table 2 Grain yield and LER of pea and maize in different sole- and intercropping systems (kg hm-2) 处理 Treatment 2012 LER 2013 LER 豌豆 Pea 玉米 Maize 混合产量 Mixed yield 豌豆 Pea 玉米 Maize 混合产量 Mixed yield PN1 4649 a 4649 c 4293 a 4293 d PN2 4063 b 4063 c 3981 b 3981 d PN3 4173 b 4173 c 4317 a 4317 d MN1 11490 b 11490 b 13060 ab 13060 bc MN2 12415 a 12415 a 13901 a 13901 ab MN3 11941 ab 11941 ab 12471 b 12471 c IN1 2434 cd 9605 c 12039 ab 1.36 a 2500 c 11151 cd 13651 ab 1.44 a IN2 2532 c 9669 c 12201 a 1.40 a 2470 c 11974 bc 14444 a 1.48 a IN3 2380 d 9562 c 11942 ab 1.37 a 2332 c 10781 d 13113 bc 1.40 a Data are means of three replicates. Means followed by different letters are significantly different at P < 0.05 between treatments. Abbreviations are the same as those given in Fig. 3 数据为3个重复的平均值。同列中不同字母表示处理间差异显著(P< 0.05)。缩写同图3。

表2 不同施氮制度下间作与单作玉米、豌豆的籽粒产量和土地当量比 Table 2 Grain yield and LER of pea and maize in different sole- and intercropping systems (kg hm-2)

图6表明以相应单作豌豆和玉米WUE的加权平均为对照(豌豆以7/18计, 玉米以11/18计), 间作较单作的WUE两年内增加8%~24%, 说明间作具有提高玉米、豌豆WUE的作用。不同施氮制度下, 单作豌豆、单作玉米两年均在氮肥后移15%制度下WUE最高, 较传统施氮分别提高了8%、6%; 间作复合群体两年平均WUE在氮肥后移15%下较传统施氮处理提高了5%, 而在氮肥后移30%制度下提高了2%。因此, 玉米间作豌豆中集成应用15%的氮肥后移技术, 有利于提高作物水分利用效率。

主效应分析发现, 种植模式、施氮制度及两者的互作对玉米豌豆水分利用效率的效应极显著(Sig_种植模式= 0.000< 0.01, Sig_施氮制度= 0.000< 0.01, Sig_{种植模式* 施氮制度}= 0.001< 0.01)。进一步证明间作与氮肥后移技术合理集成是提高水分利用效率的有效措施。

图6

Fig. 6

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	图6 不同处理作物水分利用效率（处理缩写同图3。）Fig. 6 Water use efficiency of different treatments（Treatments are abbreviated as those given in Fig. 3.）

刘晓宏等^[19]研究表明, 小麦耗水量因土壤水分和施氮量的不同而变化, 水分充足, 春小麦耗水量随施氮量的增加而显著增加。本研究显示间作耗水量在3个施氮制度下无显著差异, 说明氮肥后移对间作总耗水量影响较小。另有研究表明, 作物总耗水量中, 棵间蒸发量(E)占有较大比重, 降低E值是减少土壤水分无效散失、提高水分有效利用的重要措施; 蒸散比(E/ET)揭露了不能被作物有效利用水分的百分比, E/ET越小表明被作物有效利用的水分越多^{[20, 21, 22]}; 有关氮磷配施的研究指出, 合理氮、磷配比和用量可降低E/ET, 减少土壤水分蒸发损失^[23]。本研究发现, 通过合理的氮肥后移同样可以减少E, 降低E/ET。单作玉米、间作群体的E在氮肥后移15%制度下较传统施氮制度下分别平均降低9%、6%。间作系统的E/ET在氮肥后移15%制度下最低, 说明适量的氮肥后移有利于降低间作系统水分的无效损失, 提高间作群体对水分的有效利用。小麦施氮量试验表明, 总氮量由90 kg hm^-2增加到150 kg hm^-2可显著降低拔节后的E值^[24]; 与此相似, 本研究中, 豌豆收获后豌豆带的E随着氮肥后移量的增大而减小, 可能原因是氮肥后移有利于间作玉米后期的生长发育, 增加地表覆盖度、减少蒸发。但是作物系统的E、E/ET会受到许多因素的影响^[22], 间作系统整个生育期玉米带的E值显著低于豌豆带, 豌豆收获低6%, 豌豆收获后低190%, 玉米带地膜覆盖可能是产生该结果的重要原因^[25]; 另一方面, 豌豆收获后豌豆带完全裸露, 无效蒸发明显增加。作物群体中的棵间蒸发与地表覆盖以及土壤结皮等因子密切相关^{[26, 27]}, 因此豌豆收获后对其空带进行覆盖, 可能是降低间作E和E/ET, 提高水分利用率的可行措施。

本研究中, 不同施氮制度下的间作复合群体的土地当量比(LER)均大于1, 说明在本试验配置的品种、田间结构和施氮制度下, 间作具有提高土地利用率的作用。研究表明, 超高产夏玉米氮肥施用量和追肥时期适当的后移能够保证生育后期土壤有效氮的充足供应从而实现超高产^[17], 氮肥后移还对冬小麦有明显的增产及增穗效果^[28]; 氮肥后移可提高小麦植株体内活性氧清除酶的代谢合成量, 延缓植株衰老, 提高开花后旗叶叶绿素含量和光合速率, 有利于籽粒进行灌浆^{[29, 30]}; 张玉等^[31]的研究发现, 拔节期重施穗肥玉米的根系长度、面积、体积均显著下降, 灌浆盛期则显著上升。这些研究均说明, 氮肥施用时间上的合理运筹是提高作物产量和土地利用效率的重要措施。本试验中, 间作混合产量在氮肥后移15%制度下高于传统施氮下, 且在2013年差异显著, 说明适量的氮肥后移对玉米间作豌豆有明显的增产作用。并且单作玉米的产量表现有相同的趋势, 说明在间作群体中玉米占有主导地位, Tsubo等^[32]的研究指出由C₄类作物(玉米、高粱等)和C₃类作物(豆科)所组成的间作群体中, C₄作物是主导种, C₃作物是附属种。因此, 协调C₄类作物与其间作配对作物的水分养分竞争及互补效应, 以此充分发挥C₄作物的增产潜力应作为氮肥后移模式下间作群体的研究方向之一。

作物WUE指的是农田蒸散消耗单位重量水(耗水量)所制造的干物质量(产量)。翟丙年等^[33]研究发现, 在一定条件下, 施肥可以大幅度提高作物的WUE, 从而提出了“ 以肥调水” 的思路。施氮对WUE的影响不仅与其施用量有关, 而且与施用时期也有很大关系。WUE_籽粒和WUE_生物对施氮时期的要求不完全一致, 苗期和灌浆期施氮对WUE_籽粒的影响较显著, 苗期和拔节期施氮对WUE_生物的影响则更显著。而这些时期同时也是影响籽粒产量和生物学产量的关键时期, 证明了施氮是通过增加作物产量来提高WUE的。另有研究发现, 虽然施氮不能显著降低小麦生育期内的耗水量, 但适宜施氮量(221 kg N hm^-2)显著增加春小麦籽粒产量, 从而有利于水分利用效率的提高^[34]。本研究中, 间作群体在3个施氮处理下耗水量并没有显著差异, 但是间作混合产量在氮肥后移15%制度下高于传统施氮, 且在2013年差异显著, 由此表明氮肥后移15%提高WUE的重要原因就是在耗水量变化不大的前提下, 增加作物产量。