基于河套灌區間作種植優勢概述

劉美含，史海濱，李仙岳，苗慶豐，閆建文，徐 昭

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

河套灌區是一個非常古老的灌區，它的發展歷經了漫長的歷史過程。河套灌區地處我國西北高原，位于內蒙古自治區西部，是我國三大灌區之一，擁有57萬hm2的灌溉土地面積[1-3]。該灌區主要從磴口地區直接通過管道輸送黃河水用于農田灌溉。作物生長期從4月到10月，凍融期從11月到3月[4-5]，年降雨量約150 mm，主要集中在夏季[2,6]，灌溉對作物的生長尤為重要。該地區的主要作物有春小麥、玉米及向日葵[1,3,7]，種植方式有單作物種植及間作種植。對于河套灌區特殊的農田生態環境，目前該地區在農業上的可持續發展面臨的主要挑戰是在鹽漬化地區種植作物，并同時進行節水灌溉[2,6,8-11]。為了節約水資源和肥料，以及考慮到此地區環境因素，在河套灌區更應該提倡間作種植的種植方式。

1 間作種植概述

在中國農業生產上，間作是一種古老而又傳統的種植方法[12,13]，大約有著1 000年以上的悠久歷史。如今，這種種植方法也被廣泛應用于現代農業中，在水資源短缺及依賴灌水的地區更是受到人們的高度關注[14-18]。例如，在華北大多數地區就采用的是春小麥和玉米的間作種植方式[18,19]?，F在，農業生產上存在著過量使用氮肥等肥料、超量灌水的現象，這不僅導致肥料及灌溉水的浪費，還導致了許多環境問題的出現。例如，近年出現了土地荒漠化、水體富營養化、土地退化及溫室效應等等。為了緩解這些環境問題，我們應該考慮采用間作種植模式來代替單一作物種植模式的手段。而且，考慮到農村地區的農業的可持續發展、收入保障等，間作這種種植制度更應該被提倡，間作種植制度不僅可以避免肥料和水分的不必要的浪費，而且得到的最終產量相對于單作物種植方式更加穩定[12,13]。

2 間作種植的優勢

2.1 間作種植對環境的影響

Lithourgidis認為某些作物與豆類作物進行間作種植時可以發揮豆類作物的生物固氮作用，從而可以大大提高土壤肥力，減少肥料的施用量；間作還能有效降低害蟲的發生率。因此，可以通過間作種植來降低肥料和殺蟲劑的使用量，從而可以有效減輕農業發展對環境的不利影響[20]。

尤其是在許多水資源匱乏的地區，間作種植方式一直備受關注與青睞。Qin等認為在干旱地區種植作物采用間作模式(尤其是與豌豆等豆類間作)不僅可以有效提高作物產量、削弱土壤呼吸作用，還能有效降低碳排放，能在一定程度上緩解農業環境危機[21]。

2.2 間作種植的產量優勢

許多學者研究了關于間作制度比單作物制度高產的相關課題。間作種植對于作物生長和果實品質是有益的。KANTON對玉米和豌豆進行了試驗。結果表明，間作種植相對于單作種植來說，產出的干物質量會更大[22]。Mao認為間作的土地利用率和水分利用率均比單作物的大，而且間作種植相對單作物種植來說還具有產量優勢[23]。Li在甘肅省對小麥和玉米間作系統的產量優勢進行了研究[24]。Zhang認為小麥和玉米間作及小麥和大豆間作系統中，三者均比單作物種植時的產量要大，尤其是小麥表現出了明顯的產量優勢[25]。

然而，產量優勢并不是在間作的所有間作組合作物中都能體現。L. Coll等人對玉米-大豆間作和向日葵-大豆間作進行了研究，發現間作模式下的向日葵和玉米比單作種植模式下的產量減少了20%左右[26]。Liu對小麥和玉米間作研究發現間作下的小麥的干物質積累量比單作物種植時要大，然而玉米在間作種植時的干物質累積量去沒有單作物種植時的大[27]。Li對玉米、蠶豆、大麥和小麥做了研究，發現當玉米與蠶豆間作時，玉米的產量比單作物種植時要高；而當玉米與小麥或大麥間作時，玉米的產量比單作種植時要低[15]。

(1)與豆科植物間作種植。間作種植的方式使作物高產的原因有很多。Lithourgidis研究表明，當某種作物與豆類間作種植時，豆類作物(例如大豆等)可以發揮它的生物固氮作用來增加N元素的吸收效率，并且由于間作種植方式地面覆蓋較好而提高了土壤保持的能力。此外，它比單作物種植方式具有更好的抗倒伏能力以及具有降低害蟲發生率的作用[20]。Kn?rzer等人認為玉米或小麥在與不同種類的豆科植物間作種植時產量提高有不同的原因。例如，鷹嘴豆與小麥間作時會促進小麥對磷元素的吸收；玉米與花生間作時會改善作物對鐵元素的吸收能力；玉米與蠶豆間作時會增強對氮元素的吸收作用[12]。

(2)對太陽輻射及水分的利用效率。許多學者指出干物質累積與作物產量取決于植物獲得太陽能及水分等資源的能力，間作種植的太陽輻射和光照的利用率比單作物種植的要高。間作種植能更加合理地利用光能，增加單位面積上的生物產量，從而提高土地利用率。Caviglia O P以年為基準，研究了關于農業系統中單作物種植及雙作物種植的資源有效利用率(資源的有效利用率是指生物量或產量與光合有效輻射或降雨的比值)，結果表明，以年為時間基準進行研究，發現間作種植的水分利用率和太陽輻射利用率均比單作物種植的要大[28]；B.A.Keating等認為間作種植方式加強了作物對太陽輻射的吸收能力[29]；Kn?rzer認為間作系統和單作系統的太陽輻射、土壤溫度和風速均不同[19]；M.Tsubo認為間作的太陽輻射截獲比率(F)比單作物種植的要高，因此在給定的土地上種植玉米和豆類時，采用間作種植方式相比單作物種植方式對太陽輻射能截獲及吸收的效率會更高[30]；KANTON認為玉米和豌豆間作種植的水分利用率比單作物種植時要高[22]；Yang等人研究了關于小麥和玉米的間作種植，研究結果表明，間作種植的水分利用率比單作物種植下的小麥和玉米的水分利用率總和的一半還要多出1.8%～16.4%，在2006-2008年的實驗中，間作種植與單一種植的小麥相比，間作下的水分利用率分別提高了30.5%～57.7%、55.5%～71.4%和12.0%～19.8%。對于玉米來說，水分利用率分別提高了32.7%～37.8%、9.5%～15.8%和4.0%～20.8%。因此，在水資源有限的地區，更應該采用間作這種種植制度[16]。

(3)間作種植的邊行優勢。間作種植的邊界行的影響也對產量起到了積極作用，這種種植方式可以發揮喜光作物的邊行優勢和邊際效應。黃義德[31]等針對茶樹與水稻進行了研究，研究表明二者的間作系統的生態結構對組成作物的生長均有利。特別是在水稻拔節期后，由于水稻植株高于茶樹冠層，因而可得到充足的太陽照射，具有邊行優勢，從而使得水稻果實穗大粒多，結實率也大大提高；而水稻對于茶樹的適當遮光，也減少了茶樹的病蟲害發生。

Zhang[25]認為邊界行效應是由于小麥在與玉米或大豆間作時，主要作物(小麥)對營養物質的競爭能力最強，同時后期也存在著對次要作物的(玉米或大豆)“生長補償效應”，從而最終使間作的2種作物都獲得高產。尤其是邊界效應也提高了太陽輻射的利用率。 Munz[32]認為當在太陽直接輻射比率較大的低緯度地區進行矮菜豆(bush bean)與玉米間作種植時，增加行寬可能只減少了對邊界行的遮擋；當在高緯度地區種植作物時，選擇一種相對高度較矮且葉面積指數較小的玉米品種與矮菜豆進行間作種植，可以提高間作作物中較矮的作物的光照利用率。

(4)間作種植的肥料利用率。一些學者認為間作種植方式可以提高作物對肥料的利用率，比如氮肥和磷肥等。尤其是氮肥，氮素是影響作物生長發育的一種重要的營養元素。 Li針對間作種植方式和單作物種植方式對N、P、K的利用率進行了對比研究，結果表明在間作種植模式下，作物處于共同生長期時，間作作物之間能互相促進彼此對肥料的吸收[24]。Anthony R.Szumigalski等認為在相同面積的土地上種植作物時，間作種植方式對氮素的利用率會更高[33]。Li認為通過間作種植作物不僅提高了作物對氮素的利用效率，還相應減少了土壤中的氮素累積，從而可以降低農業上的氮素污染。他還指出，選擇成熟期不同的作物品種進行間作種植可以更有效提高作物對氮元素的利用效率[34]。Ying Gao認為，每單位面積土地上間作種植方式比單作種植方式要使用的氮素更多[18]。Zhang認為磷肥的施用對于間作種植作物產量的提高有著非常重要的作用[35]。

(5)間作種植可保持土壤肥力。除此之外，間作種植方式還具有保持土壤肥力的作用，不同間作作物之間有對彼此促進生長的作用。Zhang等認為，某些作物與豆科植物進行間作種植時，能增強作物對不同營養元素的吸收能力，從而保持了土壤肥力。此外，由于間作種植方式比單作種植方式的土壤營養物質吸收效率更高而減少了土壤中硝酸鹽積累量[25]。Song等認為間作種植方式提高了N和P的利用率而增加了作物產量，間作種植具有產量優勢可能是由于其種植方式影響了作物根圍的微生物特性和化學特性[36]。Wang等通過對間作種植方式下的土壤的化學和生物學特性的研究來討論間作種植方式具有保持土壤肥力的作用，并且，在相對肥沃的土壤中，間作種植方式保持大部分土壤化學特性和酶活動的穩定性[37]。

(6)間作種植對病蟲害的抑制。近年來，Cao針對小麥和玉米或小麥和向日葵的間作種植進行了研究。研究表明，小麥和玉米間作種植在高產的同時，又能很好地控制減少作物條銹病和霉菌的發生；小麥和向日葵間作種植能有效降低作物條銹病和白粉病的發病率[38]。金春淮對茶樹和桑樹的間作種植情況進行了研究，并認為二者間作能有效地控制雜草滋生，可減少除草次數。同時，由于間作種植的方式對病蟲害防治有一定效果[39]。馬焰認為茶樹與咖啡的間作種植系統中，為咖啡提供了蔭蔽區域，減少咖啡的病蟲害發生率，同時，二者互不為對方主要病蟲害的寄主作物,因此二者間作種植能大大降低病蟲害的發生率[40]。

(7)間作種植的水分利用率。關于水分利用率的研究，存在2個不同的研究方向。有些學者是為了提高作物產量而研究如何提高水分利用率的[22,41,42]；還有一類研究是關于間作種植方式相對于單作物種植方式的灌溉水量較大[16]。此外，作物的耕作模式對于水分利用率的影響也很重要。適宜的耕作方式更有利于作物對降雨的吸收并儲存在作物根系中[17,28,42,43]。

具有不同的根系構造的作物間作種植時，土壤水的利用效率會更高。這是因為其中一種間作組成作物會吸收另一種間作組成作物的根系下面的水分[15,44,45]。Brooker等在2015年提出，當間作種植中的一種組成作物的需水要求降低時，就能體現出間作種植水分利用效率提高的優勢[13]。

3 結 論

本文對間作種植的諸多優勢進行了闡述，并且與單作物種植方式進行了對比。相對于單作物種植，間作能減少肥料施用量，有效降低碳排放，從而緩解農業環境危機。它還具有產量優勢，還對作物生長和果實品質有益。針對河套灌區的鹽漬化及水資源短缺的特點，更應該提倡間作種植方式。

間作種植系統由于其具有資源利用率高的特點，在農業上備受廣大研究者的關注，并隨著間作理論、現代技術的日益進步以及環境問題的日益突出，使間作種植模式得到了廣大專家的高度肯定及認可。目前，人們對不同間作體系的群體光合效應機理、產量效益優勢以及水分養分利用率等方面進行了大量研究，這些科學研究為間作種植的生產實踐提供了豐富的理論基礎。此外盡管間作種植系統的研究成果較為豐碩，但其中仍有以下許多空白和不足，有待于深入研究。

(1)間作種植系統的復合群體因素較為復雜，并且各因素間存在互作效應。目前針對此研究多集中于單一因素的影響，缺乏系統性的整體研究。

(2)對于間作種植模式雖然優勢甚多，但不排除有間作劣勢的存在，應該結合大量研究成果進行分析，包括設置不同氣候、不同區域、不同土壤條件及不同作物搭配下的差異性分析。

(3)目前，國內外對間作種植系統的模型構建的研究較少，尤其是能夠應用于實踐的模型更是少有報道。因此開發適合間作模式的數學模型也是我們下一步的研究方向。

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