沿黄灌区玉米间作油菜对土壤水热效应及产量的影响①

尚旭民 王凤仁 夏博文 Galimah Girmanee Taylor 周彦莉 逄 蕾③

（1 甘肃省干旱生境作物学重点实验室 甘肃兰州 730070；
2 甘肃农业大学农学院 甘肃兰州 730070；
3 甘肃农业大学植物生产类实验教学中心 甘肃兰州 730070）

间作是在同一块土地上，两种或两种以上播种期和生长季节相近的作物隔株、隔行或隔畦种植的方式，间作不仅有利于促进土壤环境的改善［1-2］，增加土壤养分含量［3-4］，促进土壤养分的吸收［5］、提升水分利用效率［6］、也有利于提高耕地的质量和利用效率［7-8］，提升作物产量和品质［9］，调节大气成分、涵养水资源和防风固沙的功能［10］。油菜是我国主要的油料作物之一，种植面积为740万hm2［11］，不仅是我国重要的经济作物，也是很好的饲料和绿肥作物［12］，可有效改善土壤的物理性质［13］。玉米是我国的主要粮食作物之一，其产量占世界玉米产量的20%。

甘肃省白银市，地处沿黄灌区，近年来，环境污染严重，粮食增产提质面临着巨大的挑战。为此，探索合理的种植方式提高作物产量，减少土壤水土流失，降低农业生产污染成为解决当地农业生产的重要任务。通过在甘肃省白银市白银区水川镇设置玉米间作油菜试验，研究玉米间作油菜对土壤水热效应、产量的影响，以期为甘肃省沿黄灌区作物种植提供新 的理论依据和技术支撑。

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省白银市白银区水川镇桦皮村 （36°22.18′N、104°17.08′E），玉米为当地的主要作物。该地区为中温带半干旱区向干旱区过度带，海拔1 486.2 m，无霜期为169～220 d，年平均降水量在180～450 mm，年蒸发量在1 500～1 600 mm，降水主要集中在每年7～8月，白银区为灌於土，容重为1.3 g/cm3，光照充足，水资源丰富。

1.2 试验设计

本试验设置玉米间作油菜（间作油菜和间作玉米）、玉米单作、油菜单作3个处理，每个处理3次重复，共9个小区，完全随机区组排列。其中：玉米间作油菜处理中间作玉米的带宽120 cm，播种3行玉米，玉米行距划分结合当地实际情况，分为宽窄行，宽行80 cm，窄行40 cm，株距24 cm，种植密度为8×104株/hm2；
间作油菜带宽100 cm，播种4行油菜，行距为20 cm；
单作玉米行距为宽行80 cm，窄行40 cm，株距30 cm，种植密度为8×104株/hm2。单作油菜的行距为20 cm。在玉米和油菜全生育期内分别在玉米播前、拔节、开花、灌浆期进行灌溉。每次灌溉量为1 800 m3/hm2。施肥量为纯N 360 kg/hm2，纯P2O5225 kg/hm2。

1.3 指标测定

1.3.1 土壤水分测定

土壤含水量：采用烘干法分别测定播前、苗期、拔节、开花、收获时期0～200 cm土层土壤水分含量。

土壤耗水量计算公式为

式（1）中，ET为间作全生育时期60 cm土层土壤耗水量（mm）；
P为播种到收获时期的降雨量（mm）；
ΔW为收获期与播前土壤贮水量的差值（mm）；
I为灌溉量。全生育期内的试验地地势平坦，地表径流和土壤水分渗漏等因素可以忽略不记。

土壤贮水量计算公式为

式（2）中，SWS为土壤贮水量；
ρ为土壤容重（g/cm3）；
ω为土壤含水量（%）；
h为土层深度（cm），土层厚度以60 cm计算。

ET=P+ΔW+I水分利用效率：计算公式为

式（3）中，WUE为水分利用效率；
Y为籽粒产量（kg/hm2）；
ET为全生育时期作物土壤耗水量（mm）。

1.3.2 土壤温度测定

利用曲管地温计记录0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm土层土壤温度的变化，每个生育时期测定一次，每次连续测定3天。每次测定时间为8∶00、12∶00、18∶00。

1.3.3 产量测定

各处理在成熟期随机选取6株玉米和10株油菜进行室内考种，估算玉米和油菜的产量。

1.3.4 土地当量比

式（4）中，Yai、Ybi、Yas、Ybs分别表间作玉米、间作油菜、单作玉米、单作油菜的产量。当LER＞1时，有间作优势；
当LER＜1时无间作优势。

1.3.5 作物种间竞争力

式（5）中，Aa代表玉米、油菜之间的竞争能力，Yai、Ybi、Yas、Ybs分别表间作玉米、间作油菜、单作玉米、单作油菜的产量。当Aa=0时，表明两种作物之间无竞争力；
当Aa＞0时，表明a的竞争优势大于b作物的竞争优势。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019进行数据整理和作图，利用SPSS 20.0软件进行数据统计分析，采用Ducan法进行差异显著性检验，显著性水平设定为p=0.05。

2.1 玉米间作油菜对土壤水分的影响

由图1可知，土壤含水量总体表现为玉米的土壤含水量高于油菜的土壤含水量，间作的土壤含水量低于单作的土壤含水量。拔节期，间作玉米比单作玉米土壤含水量低13.68 %，间作油菜比单作油菜低9.7 %。开花期，间作玉米比单作玉米低13.68 %，间作油菜比单作油菜低9.70 %。灌浆期，间作玉米比单作玉米低13.86 %，间作油菜比单作油菜低9.7 %。收获期，因油菜收获在玉米收获之前，间作玉米、间作油菜、单作油菜土壤含水量间显著性差异。

图1 玉米间作油菜对不同生育时期土壤水分含量的影响

由图2可知，随着土层深度的增加，土壤水分含量呈现出先上升后下降趋势，其中60～80 cm土层土壤含水量达到最大。同时0～80 cm土壤含水量变化较为复杂，80～120 cm土壤含水量变化逐渐趋于稳定。

图2 不同生育时期不同土层土壤含水量变化

2.2 玉米间作油菜对土壤阶段性耗水量的影响

由表1可知，油菜的土壤耗水量大于玉米的土壤耗水量。播前至苗期，油菜和玉米的土壤耗水量存在极显著的差异（p＜0.01），间作油菜土壤耗水量、耗水模系数和耗水强度比间作玉米高6.95%、6.67%和6.94%，单作油菜比单作玉米高12.18%、10.34%和12.10%。拔节至开花、开花至灌浆期、灌浆期至收获时期，间作油菜、间作玉米、单作油菜和单作玉米的土壤耗水量、耗水系数、耗水强度无显著性差异（p＞0.05），但土壤耗水量、耗水模系数和耗水强度的均值均表现为玉米＞油菜，间作油菜在拔节至开花时期、开花至灌浆时期和灌浆至收获时期单作油菜土壤耗水量、耗水模系数和耗水强度比单作玉米低，耗水量分别低7.44%、1.75%和2.20%，耗水强度分别低7.43%、1.83%和2.26%，S2-S3和S4-S5的耗水模系数分别低8.70%、4.55%。间作油菜在不同时期的土壤耗水量、耗水模系数和耗水强度比单作玉米低，耗水量分别低6.23%、0.75%和7.90%，耗水强度分别低6.26%、0.74%和7.90%，拔节至开花期和开花期至灌浆期的耗水模系数分别低4.34%、5.00%。综上所述，油菜在苗期至拔节时期的土壤耗水量大于玉米。全生育期中的玉米和油菜总耗水量无显著性差异，也就说明间作对土壤耗水量影响不显著。

表1 不同生育时期油菜间作玉米土壤阶段性耗水量

2.3 玉米间作油菜对土壤水分利用效率的影响

由表2可知，间作的土壤水分利用效率低于单作，油菜土壤水分利用效率低于玉米，油菜对土壤水分的竞争小于玉米。土壤水分利用效率间作油菜极显著低于间作玉米87.00%（p＜0.01）、间作油菜比单作油菜极显著低67.97%（p＜0.01）、间作玉米比单作玉米低52.34%（p＜0.01）、单作油菜极显著低于单作玉米80.65%（p＜0.01）。即土壤水分利用效率间作＜单作、油菜＜玉米。

表2 玉米间作油菜对土壤水分利用效率的影响

2.4 玉米间作油菜对土壤温度的影响

由图3可知，不同生育期土壤温度存在差异，玉米间作和单作土壤温度呈现出相同的变化趋势，均为先升高后降低趋势。间作的土壤温度比单作低，玉米的土壤温度比油菜高。苗期至拔节期，单作玉米和间作玉米植株幼小，对地面的遮光效果较差，阳光可直射地面，导致土壤温度升高。间作油菜和单作油菜因地面的覆盖物增加，太阳光不能直射地面，导致土壤温度降低。拔节至开花期，玉米植株叶片面积增大，对太阳光的辐射产生阻挡，使太阳光不能直射地面，致使温度降低。同时间作油菜的土壤温度因大气温度的整体上升呈现出上升的趋势。开花至收获期，因气温降低，土壤的温度降低，且油菜已经收获，间作油菜、间作玉米、单作玉米、单作油菜的土壤温度变化无显著性差异，变化趋势基本一致。

图3 不同生育时期土壤温度的变化趋势

由图4可知，不同土层土壤温度存在差异。0～15 cm土层土壤温度表现为单作玉米＞间作玉米＞间作油菜＞单作油菜，相比单作油菜和单作玉米，间作油菜0～5、5～10、10～15 cm土层土壤温度分别升高了3.77 %、4.27 %、2.20 %，间作玉米0～5、5～10、10～15 cm土层土壤温度分别降低了4.26 %、4.32 %、4.57 %。20～25 cm土层土壤温度表现为玉米土壤温度高于油菜土壤温度。因此，玉米间作油菜能够改变土壤温度，且随着土层的不断增加，土壤温度逐渐降低。

图4 不同土层土壤温度变化趋势

2.5 玉米间作油菜对玉米和油菜产量和土地生产力的影响

由图5可知，玉米间作油菜种植模式中，玉米经济产量和生物产量占据主导优势，间作玉米与单作玉米经济产量和生物产量有显著差异。相比单作，间作玉米的经济产量和生物产量分别降低51.84%、54.18%，间作油菜的经济产量和生物产量分别降低67.66%、41.07%。可见间作种植降低了玉米和油菜的经济产量。

图5 玉米间作油菜对产量的影响

通过计算种植过程中成本投入（种子、肥料、农药、肥料、人工）和实际投入物资市场价格，按实际销售市场价格（玉米2.5元/kg、油菜9.6元/kg）测试产值。由表3可知，间作种植模式产生的经济效益较低，达到了22 943.2元/hm2，明显高于单作玉米（33 153.07元/hm2）和单作油菜（24 284.2元/hm2）经济效益，相比单作，间作种植模式经济效益降低30.8%、5.52%，可见，玉米间作油菜种植模式经济效益增效不明显，并且有降低的趋势，造成此现象的原因是间作种植模式中作物相互竞争导致产量降低。

表3 不同种植模式玉米和油菜的产量及经济效益

由表4可知，玉米间作油菜籽粒经济产量LE‐RYMC、LERBMC分别为0.805、1.049，间作玉米和间作油菜产量对间作体系贡献率分别为0.481、0.324，对生物产量贡献率为0.485、0.591；
间作玉米和间作油菜的经济产量和生物产量之间的竞争力分别为AaYMC＝0.158、AaBMC＝-0.133。可见玉米间作油菜体系中，经济产量之间无间作优势，但生物产量之间有间作优势。玉米经济产量在种间相对竞争力大于油菜，生物产量种间相对竞争力小于油菜。

表4 玉米间作油菜下土地当量比和种间竞争力

因此，间作玉米和间作油菜的经济产量和生物产量显著低于单作玉米和单作油菜，且间作产生的经济效益明显的低于单作，而玉米的经济效益显著的高于油菜。由此可知白银市水川镇适合种植玉米。

试验发现，间作土壤含水量低于单作的土壤含水量，玉米的土壤含水量低于油菜的土壤含水量。玉米间作油菜对土壤的水分的需求更大；
玉米间作油菜种植模式能改变土壤温度，降低土壤温度。玉米间作油菜的经济产量不具有间作优势，但生物产量具有间作优势，玉米的经济产量高于油菜的经济产量，综上所述白银市水川镇适宜种植玉米。

3.1 玉米间作油菜对产量的影响

有研究表明，间作能够提升作物的经济产量和生物产量［14-15］，也有研究表明，间作不能提升作物籽粒产量和生物产量［16-18］。本试验发现，相比单作，间作籽粒产量LER＜1，存在间作劣势，但间作生物产量LER＞1，存在间作优势；
籽粒产量方面，玉米和油菜种间竞争力表现为玉米＞油菜，从生物量角度来说，玉米和油菜种间竞争力表现为油菜＞玉米，这与李光文等［19］研究结论相似，与唐明明等［20］结论相反，可能是由于玉米间作油菜，存在水分、光照、养分竞争，导致间作产量降低，也可能是玉米间作油菜种植带比例不合理；
从玉米间作油菜经济产量和生物产量来说，玉米间作油菜经济产量较低，但因其具有较高的生物产量。

3.2 玉米间作油菜对土壤水分的影响

与单作相比，间作具有较高生产力和土壤水分利用效率，间作土壤水分变化与单作土壤水分变化也存在差异，玉米和油菜对水分的需求也存在差异。本研究发现，间作土壤含水量低于单作土壤含水量。土壤含水量低于油菜土壤含水量。玉米间作油菜与单作玉米、单作油菜在不同土层土壤水分含量随着土壤深度的增加，呈现出先增加后减少的趋势，这与任媛媛［21］玉米大豆间作试验的研究结论相反，可能是由于间作作物需水不同及作物生育期内灌水不同造成。也可能是由于间作作物不同。研究还发现，间作土壤水分利用效率低于单作土壤水分利用效率，这与Thorsted M D等［22］的研究结果相似，造成这种现象的原因可能是灌溉量过大，导致土壤水分利用效率降低。同时也可能是间作玉米的种植密度以及种植带的宽度设置不合理造成的产量降低，因此后期对种植带宽和种植密度以及灌溉制度应进一步考虑研究。

3.3 玉米间作油菜对土壤温度的影响

土壤温度作为影响作物生长发育的重要因素之一，对作物发芽、出苗、干物质积累和土壤养分的积累有重要作用。过高或过低的土壤温度对作物的生长发育会产生不同的影响。研究表明，相比单作，间作改变了作物生长的空间结构，也改变了光对地面的辐射强度使得间作农田与单作农田土壤温度的变化有所不同［23-24］。本研究表明，间作的土壤温度低于单作的土壤温度。这与朱振兴等［24］、谭雪莲［25-26］等研究结果基本相似。研究还发现，随着作物的不断，玉米的土壤温度变化呈现出先上升后下降的趋势，油菜的土壤温度变化呈现出先下降后上升再下降的趋势，这可能是由于前期玉米行间距大，叶面积小和叶片密度小，对地面的遮光效果差，太阳辐射直射地表，造成土壤温度的上升，而油菜因也叶片数量较多，且较为密集，对地面遮光效果较强造成土壤的温度降低。后期随着环境温度上升油菜的土壤温度上升，但随着玉米生长叶面积增大，叶片数量增加，导致土壤温度降低。这与姚凡云等［27］研究结果基本相似。