風沙半干旱區仁用杏間作對作物產量和水分利用的影響*

白 偉，孫占祥，鄭家明，杜桂娟，蔡 倩，馮良山，楊 寧

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風沙半干旱區仁用杏間作對作物產量和水分利用的影響*

白 偉，孫占祥**，鄭家明，杜桂娟，蔡 倩，馮良山，楊 寧

（遼寧省農業科學院耕作栽培研究所/遼寧省旱作節水工程中心，沈陽 110161）

為了探明仁用杏與作物間作對作物產量和水分利用的影響，提出適合東北風沙半干旱區最優的農林間作模式，2012-2013年在大田試驗條件下對仁用杏作物間作進行試驗，設置仁用杏花生間作、仁用杏谷子間作、仁用杏甘薯間作、仁用杏單作、花生單作、谷子單作和甘薯單作7個處理，對不同處理下作物產量、水分利用效率、土壤水分和水分當量比4個指標進行觀測。結果表明，仁用杏作物間作對作物產量影響顯著（P＜0.05），間作花生、谷子、甘薯產量比單作平均減少65.1%、54.3%、64.7%，而對仁用杏的產量影響不顯著。土壤水分的空間分布表明，仁用杏谷子間作水分競爭關系最小，仁用杏與甘薯間作水分競爭強烈。仁用杏作物間作系統的水分當量比均大于1，表現出較好的水分優勢，其中仁用杏谷子間作系統的水分優勢最明顯，水分當量比達1.45，分別比仁用杏花生間作、仁用杏甘薯間作高8.2%和9.9%。綜合分析認為，仁用杏谷子間作最適宜當地生態環境，在東北風沙半干旱區持續雨養農業發展中具有很好的應用前景。

仁用杏間作；產量；水分利用效率；水分當量比；風沙半干旱區

東北風沙半干旱區干旱少雨，土壤較貧瘠，平均降水量僅300～450mm，素有“十年九旱”之稱，也是中國生態脆弱區之一[[1-2]。農林間作一直是區域重要的種植模式之一，該模式能夠提高資源利用效率[3]，增加農田生物多樣性[4]，改善農田生態系統[5]，間作的種類主要有仁用杏、南果梨分別與花生、谷子等矮稈作物間作。眾多學者對農林間作進行了研究，多數研究表明農林間作表現為降低作物產量，而樹木產量影響不大[6-10]，但也有人認為農林間作會對作物產生一些有利影響，主要表現特殊作物產量增加[11-12]。關于農林間作水分利用機制方面研究也存在不同觀點，一種觀點認為農林間作會導致水分競爭，主要是由于土壤水分有限，農林間作會利用同一土層的有限水資源[13-14]。張勁松等[14]研究得出，蘋果小麥間作系統中水分競爭過程中起絕對主導作用的是小麥，且帶距40～120cm的位置是蘋果和小麥的主要水分競爭區域；另一種觀點是農林間作會產生水分互補，主要是由于農林間作在水資源利用順序或方式上存在區別[15-16]。趙英等[17]研究發現，由于林木的“提水作用”，可將深層的土壤水分提升至淺層，進而釋放供給作物利用，使農林間作水分利用效果表現為相互促進[18]。另外由于農林間作根系呈現多波遞推的垂直生長特征，生長中心與吸收中心表現為交錯出現，也可以促進水分的充分利用[19]。由于各地區的自然和社會經濟條件的限制，不同間作模式的研究結果也不同，關于東北風沙半干旱區仁用杏作物間作產量和水分利用研究報道較少，特別是對作物產量的影響程度、3種間作模式的水分利用關系等科學問題。因此，本研究利用仁用杏作物間作定位試驗，探討仁用杏作物間作對作物產量和水分利用的影響，以期為東北風沙半干旱區確定適宜的農林間作模式，提高農田生產能力提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2012-2013年在遼寧省農業科學院章古臺試驗站（42°43′N，122°22′E）進行，海拔226.5m，位于科爾沁沙地南部。土壤為風沙土，容重1.45g×cm-3，pH6.21，有機質6.582g×kg-1，全氮0.483g×kg-1，全磷0.281g×kg-1，全鉀26.95g×kg-1，速效氮63.17mg×kg-1，速效磷2.01mg×kg-1，速效鉀73.31mg×kg-1。試驗地點2012年生育期內平均溫度為21.2℃，作物生育期總降水量為526.0mm；2013年生育期內平均溫度為19.7℃，作物生育期總降水量為455.8mm；降水均主要集中在6-8月，5月和9月降水較少，如圖1所示。

1.2 供試品種和試驗管理

仁用杏（）品種為龍王冒（2008年栽植）；谷子（）品種為LG2008-31；花生（Linn）品種為白沙1016，甘薯（）品種為明水1號，均來自遼寧省農業科學院。單間作肥料分配和施用相同，均為播種前施入三元復合肥（含氮15%、磷15%和鉀15%）375kg×hm-2作為種肥，追施尿素1次，施肥量為225kg×hm-2。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，共設7個種植模式，分別為仁用杏與花生間作（Intercropping apricot and peanut，IP）、仁用杏與谷子間作（Intercropping apricot and millet，IM）、仁用杏與甘薯間作（Intercropping apricot and Sweet potato，ISP）、仁用杏單作（Sole apricot，SA）、花生單作（Sole peanut，SP）、谷子單作（Sole millet，SM）和甘薯單作（Sole sweet potato，SSP）。每個模式小區面積為67.5m2，3次重復。仁用杏條帶行向為南北行向，種植密度為1111株×hm-2（株距2m×行距4.5m），具體間作模式見圖2?；ㄉ?、谷子和甘薯每個條帶內均種植6行，行距為50cm，谷子種植密度為45萬株×hm-2，花生種植密度為18萬株×hm-2，甘薯種植密度為6萬株×hm-2。2012年單作、間作作物均5月21日播種，9月25日收獲，仁用杏7月19日采收；2013年單作、間作作物均5月20日播種，谷子和甘薯9月20日收獲，花生9月29日收獲，仁用杏7月23日采收。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 作物產量

首先進行間作和單作的密度均一化，通過株距和行長密度計算谷子、花生和甘薯單作、間作作物種植密度均一化，計算公式為

式中，HDi表示單作和間作作物i的均一化種植密度（株×m-2），Pi為作物i的株距密度（株×m-1）；RLDi為作物i在單作和間作中的行長密度（Row length density），行長密度（RLD）為單作或間作體系中單位寬度上所種植的作物行數（行×m-1或m×m-2）。在本試驗中各處理均一化密度分別為：間作花生16.63株×m-2，單作花生25.00株×m-2，間作谷子29.93株×m-2，單作谷子45.00株×m-2，間作甘薯4.03株×m-2，單作甘薯6.00株×m-2。作物收獲時，每個重復的單作、間作作物分別取4.5m2（凈面積）進行產量測定，取樣3行，分別為邊1行、邊2行、邊3行，長度為1m，3次重復。谷子和花生的經濟產量是收獲的籽粒產量放置通風處曬干至籽粒含水率14%左右，稱質量后獲得，甘薯的最終鮮質量產量用塊莖干質量和含水量為80%計算得到[20]。單株產量通過測產區的質量和株數計算得到。間作和單作中作物的產量都用均一化產量Yi表示[21]，計算公式為

（2）

式中，Yi為作物i的均一化產量（g×m-2）；PYi表示作物i的單株平均產量（g×株-1）。仁用杏產量采用單株人工采摘的方式進行收獲，取杏仁（自然曬干產量）稱重折合成小區產量。

1.4.2 土壤水分

2012年分別于5月21日、6月26日、8月9日、8月30日、9月25日（共5次）測定土壤重量含水量，2013年分別于5月20日、7月4日、7月30日、8月26日、9月20日（共5次）測定土壤含水量。用土鉆分層取土，2012年取土深度為0-100cm，每10cm為1層，2013年取土深度為0-200cm，每10cm為1層，用烘干法測定土壤含水量，取樣點如圖3所示，單作仁用杏取樣點與間作相同，單作作物取樣點為2壟。土壤體積質量用環刀法測定。

1.4.3 作物水分利用效率

作物水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）用作物產量和耗水量進行計算[22]，即作物單位耗水量所得到的產量，計算式為

式中，WUE為水分利用率（kg·mm-1·hm-2）；Y為作物產量（g·m-2）；ET為作物耗水量或實際蒸散量（mm），采用水分平衡方法[23]計算。

1.4.4 水分當量比

采用水分當量比（WER，Water Equivalent Ratio）來表示農林間作系統水分利用效率的提高或減少[22]，計算式為

式中，WERA、WERB分別表示間作中仁用杏、作物的偏水分當量比，WUEint,A、WUEint,B、WUEmono,A、WUEmono,B分別表示間作、單作仁用杏水分利用效率和間作、單作作物水分利用效率。當WER＞1，說明間作提高了農田水分利用效率；WER＜1，說明間作降低了農田水分利用效率。

1.5 數據分析

采用Excel對試驗數據進行整理分析并作圖，用SPSS17.0軟件（IBM，USA）進行方差分析（ANOVA），用Sufer8.0軟件的半方差插值法（Kriging）分析仁用杏作物間作的土壤水分空間分布規律[24]。

2 結果與分析

2.1 間作對作物產量的影響

由表1可見，間作作物與單作的產量差異均達顯著水平（P＜0.05），間作仁用杏與單作仁用杏產量差異均不顯著，說明仁用杏與花生、谷子和甘薯間作中，仁用杏是優勢作物，產量并未受到影響，而3種作物是劣勢作物，間作對作物產量影響明顯。2012年和2013年間作花生比單作花生產量分別減少70.8%、58.6%；間作谷子比單作谷子產量分別減少63.2%、45.7%；間作甘薯比單作甘薯產量分別減少67.7%、61.5%。從2a平均值看，間作作物與單作的產量差異均達顯著水平（P＜0.05）。仁用杏與3種作物間作中，谷子產量減少最少，花生次之，甘薯減產最多，說明仁用杏與3種作物間作，對甘薯影響最大，谷子影響最小。單作與間作仁用杏產量差異并不顯著，可見，仁用杏間作花生、谷子和甘薯能夠提高土地產出。

表1 間作與單作模式下同種作物產量的比較（平均值±標準誤，t·hm-2）

注：小寫字母表示在0.05水平上的差異顯著性。IP為仁用杏與花生間作，SP為單作花生；IM為仁用杏與谷子間作，SM為單作谷子；ISP為仁用杏與甘薯間作，SSP為單作甘薯；AIWP為間作花生的仁用杏，AIWM為間作谷子的仁用杏，AIWSP為間作甘薯的仁用杏，SA為仁用杏單作。下同。

Note: Lowercase indicates the difference significance at 0.05 level. IP is the intercropping peanut with apricot, SP is the sole planting peanut, IM is the intercropping millet with apricot, SM is the sole planting millet, ISP is the intercropping sweet potato with apricot, SP is the sole planting sweet potato, AIWM is the apricot intercropped with peanut, AIWP is the apricot intercropped with millet, AIWSP is the apricot intercropped with sweet potato, SA is the sole apricot. The same as below.

2.2 間作對水分利用效率的影響

由圖4a可見，2012年和2013年花生生育期間，單作花生的水分利用效率（WUE）均顯著低于間作（P＜0.05），分別降低了70.5%和62.7%，而同一種植模式在年際間的差異不顯著。由圖4b可見，單作谷子的WUE也均顯著低于間作（P＜0.05），兩個試驗期分別降低了62.7%和52.0%，同一種植模式在年際間差異亦不顯著。由圖4c可見，兩個試驗期單作與間作甘薯WUE的差異也均達顯著水平（P＜0.05），2012年和2013年間作甘薯比單作分別降低67.9%和63.2%，同一種植模式在年際間差異不顯著。由圖4d可見，兩個試驗期單作與間作仁用杏WUE均不顯著，同一種植模式在年際間差異顯著（P＜0.05）。由此表明，仁用杏與作物間作，仁用杏的水分利用效率并未受影響，而各種作物的水分利用效率受影響較大。

2.3 間作對土壤剖面水分分布特征的影響

2012年9月25日仁用杏作物間作土壤含水量變化規律如圖5所示。由圖中可見，間作土壤含水量均較低，主要是8月31日-9月25日累計降水量為48.0mm，降水量較少，加上作物正處在生殖生長的旺盛期，自身需水量較大，導致仁用杏與作物間作水分競爭明顯。仁用杏與花生間作，水分競爭在水平方向上主要發生在距樹體中間位（2.0-3.5m），垂直方向上發生0-0.5m；花生是淺根系作物，僅能利用表層土壤水分，而仁用杏可利用深層土壤水分。仁用杏與谷子間作整個生育期在水平和垂直方向上競爭較小，可能與谷子自身的抗旱性較強有關；仁用杏甘薯間作，水平方向上水分競爭發生在1.5-4.0m，垂直方向上發生在0-0.2m。

2013年9月20日仁用杏作物間作土壤含水量變化規律如圖6所示。由圖可見，間作土壤含水量也較低。仁用杏花生間作，水平方向水分競爭發生在整個作物條帶（0.5-4.0m），垂直方向上發生在0-1.2m，競爭深度比2012年增加；仁用杏谷子間作，水分競爭主要發生在邊行，比仁用杏花生間作競爭??；仁用杏甘薯間作，條帶內均競爭激烈（0.5-4.0m），垂直方向上發生在0-1.8m。由此可見，仁用杏谷子間作的水分競爭較小，為提高水分當量比奠定了基礎。

2.4 間作對系統水分當量比的影響

由表2可見，2012年3種間作的作物偏水分當量比、仁用杏偏水分當量比、系統水分當量比差異均不顯著，但2013年作物偏水分當量比和系統水分當量比差異達到顯著水平（P＜0.05），仁用杏谷子間作的作物偏水分當量比分別比仁用杏花生間作、仁用杏甘薯間作高34.8%和51.2%，且年際間差異達到極顯著水平（P＜0.01），系統水分當量比分別高11.7%和17.7%，且年際間差異達到顯著水平（P＜0.05）。各指標兩年平均值與2013年表現一致，仁用杏偏水分當量比差異不顯著，作物偏水分當量比和系統水分當量比差異達到顯著水平（P＜0.05），用杏谷子間作的作物偏水分當量比分別比仁用杏花生間作、仁用杏甘薯間作高29.0%和32.4%，系統水分當量比分別高8.2%和9.9%。由表還可見，3種間作系統水分當量比均大于1，表現出較好的水分利用優勢，其中仁用杏谷子間作系統的水分利用優勢最明顯，達到了1.45。

表2 各間作種植系統水分當量比的比較（平均值±標準誤）

3 結論與討論

3.1 討論

多數研究表明，農林間作導致作物減產，由于各地區間作模式、氣候資源等條件的不同，作物減產程度也不同。郭佳歡等[25]對棗麥間作研究表明，冬小麥減產幅度為24.7%～46.2%，產量降低明顯；王冀川等[26]對核桃小麥間作研究表明，間作小麥較單作穗粒數降低13.4%～20.6%，收獲穗數減少20.4％～20.7％，產量減少47.6%～74.5%。本研究結果表明，仁用杏作物間作對作物產量影響顯著（P＜0.05），間作花生、谷子、甘薯產量比單作平均減少65.1%、54.3%、64.7%，間作仁用杏與單作產量差異不顯著。與前人研究結果一致。

農林間作系統土壤水分分布特征是反映土壤水分利用關系最直接的指標之一，多數研究認為，靠樹木越近的區域土壤水分含量越低；另外樹木與作物根系垂直方向上的錯位，加上降溫、降風等小氣候因素的影響，土壤水分在垂直方向上的分布也不同[1]。裴保華等[10]對楊樹作物間作研究中發現，兩者的競爭主要發生在土層深度的30cm處；張勁松等[14]對蘋果小麥間作研究發現，帶距40-120cm的位置是主要水分競爭區域。農林間作土壤水分空間分布研究結果不同主要是由于種植模式、當地氣候條件、降雨量、土壤條件等諸多因素所致。本研究結果表明，仁用杏花生、谷子和甘薯間作土壤水分競爭程度不同，仁用杏谷子間作的水分競爭最小，水分競爭主要發生在邊行，與前人研究結果略有不同。

眾多學者也證實了農林間作能夠提高水分利用效率[27-28]，陸光明等[29]對泡桐樹玉米、小麥間作研究發現，間作系統的水分利用效率比玉米和小麥單作分別提高16.1%和15.2%。孟平等[30]對梨樹小麥間作研究發現，間作系統0-2m的土壤耗水量比單作增加11.8%，水分利用效率增加8.7%。關于農林間作系統水分當量比的研究相對較少，主要集中在作物間作。Mao等[22]對玉米豌豆間作的研究發現，間作系統的水分當量比大于1；董宛麟等[21]對向日葵馬鈴薯間作的研究發現，間作系統水分當量比也大于1。本研究結果表明，仁用杏谷子間作系統水分當量比比仁用杏花生間作系統、仁用杏甘薯間作系統分別高8.2%和9.9%，且均大于1，表現出了較好的水分利用優勢，其中仁用杏谷子間作系統的水分利用優勢最為明顯，達到1.45。與前人研究結果一致。

3.2 結論

（1）仁用杏作物間作對作物產量影響顯著（P＜0.05），間作花生、谷子、甘薯產量比單作平均減少65.1%、54.3%、64.7%，間作仁用杏與單作產量差異不顯著，由于單作與間作仁用杏產量差異并不顯著，故認為仁用杏間作花生、谷子和甘薯，可顯著提高土地產出。

（2）仁用杏谷子間作系統水分當量比比仁用杏花生間作系統、仁用杏甘薯間作系統分別高8.2%和9.9%，且均大于1，表現出較好的水分利用優勢，其中仁用杏谷子間作系統的水分利用優勢最明顯，達到1.45，主要是由于仁用杏谷子間作的水分競爭較小所致。

綜合分析認為，仁用杏谷子間作最能適宜當地的生態環境，在東北風沙半干旱區具有較強的應用前景。另外本文僅從3種間作模式作物產量及水分利用角度進行了研究，而關于養分互作機理、微生物活性等科學問題仍需進一步深入研究。

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Effect of Intercropping in Apricot Orchard on the Crops Yield and Water Use Efficiency in Semi-arid Area

BAI Wei, SUN Zhan-xiang, ZHENG Jia-ming, DU Gui-juan, CAI Qian, FENG Liang-shan, YANG Ning

(Tillage and Cultivation Research Institute, Liaoning Academy of Agricultural Sciences/Engineering Research Centre for Dryland and Water-Efficient Farming of Liaoning Province, Shenyang 110161, China)

Investigation of the effects of the apricot intercropping system on crop yield and water use efficiency is widely accepted to be very important for putting forward the optimal intercropping model suitable for the semi-arid region of northeast China. The apricot intercropping system was used as a test objects, a field experiment was conducted from 2012 to 2013 on the wind and sand semi-arid area of northeast China. The designed seven treatments were apricot-peanut intercropping (IP), apricot-millet intercropping (IM), apricot-sweet potato intercropping (ISP), sole apricot (SA), sole peanut (SP), sole millet (SM) and sole sweet potato (SSP). The yield, water use efficiency, water equivalent ratio and soil moisture were recorded. The results showed that the average yield of peanut, millet and sweet potato in intercropping system was 65.09%, 55.28% and 64.68% lower than that of sole cropping, respectively. But there was no difference in the yield between apricot intercropping and sole cropping. The water equivalent ratio of the apricot intercropping was more than 1, showing a better water use advantage. Furthermore, the water equivalent ratio of apricot-millet intercropping was the highest, reaching 1.45, and 8.2% and 9.9% higher than that of apricot-peanut intercropping and apricot-sweet potato intercropping, respectively, while spatial distribution of soil moisture content convinced this water use advantage in apricot-millet intercropping. The comprehensive analysis showed that the apricot-millet intercropping is suitable for the local ecological environment, and it has a good application value in the development of rain-fed agriculture the semi-arid area of northeast China with heavy sand erosion due to windy climate.

Agro-forestry; Yield; Water use efficiency; Water equivalent ratio; Semi-arid area

2017-02-14

國家重點研發計劃（2016YFD0300204）；國家自然基金面上項目（31170407）

白偉（1982-），副研究員，博士，主要從事旱地耕作制度理論與技術研究。E-mail：libai200008@126.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.09.005

**通訊作者。E-mail：sunzhanxiang@sohu.com

白偉,孫占祥,鄭家明,等.風沙半干旱區仁用杏間作對作物產量和水分利用的影響[J].中國農業氣象,2017,38(9):574-582