少耕留茬小麦间作玉米农田土壤温湿度关联性研究

史倩倩，于爱忠，冯福学，樊志龙，柴强

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室;2.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州　730070)



少耕留茬小麦间作玉米农田土壤温湿度关联性研究

史倩倩1,2，于爱忠1，冯福学1，樊志龙1，柴强1

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室;2.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州730070)

摘要：针对在间作模式中集成保护性耕作措施缺乏理论和实践依据的问题，以小麦间作玉米为研究对象，通过田间定位试验，探讨小麦25 cm立茬少耕对间作群体土壤温度与作物耗水量关系的影响，以期为建立新的间作节水技术体系提供依据.结果表明：与传统间作相比，在低、中、高灌水水平下，小麦立茬少耕间作群体的土壤含水量分别提高了2.8%、6.8%、9.9%，耗水量分别降低了2.9%、4.0%、0.9%，0～25 cm土层地温分别降低了0.5%、1.0%、3.9%.相关分析表明，耗水量与地温呈显著正相关关系，说明将立茬少耕覆盖技术集成到间作模式中，可通过适度降低地温达到减少耗水、提高土壤含水量的作用.

关键词：立茬少耕；小麦间作玉米；耗水量；土壤温度

第一作者：史倩倩(1990-)，女，硕士研究生，主要从事种间互作研究.E-mail:shiqq1990@126.com

间作能够充分利用各种农业资源，实现土地、养分和水热资源在时间和空间上的集约化利用[1-3].西北内陆灌区光资源丰富，热量条件适于发展间作，但传统间作模式耗水量大，严重制约了其规模化应用，间作节水理论和技术研究亟待深入.研究表明，水分蒸散量与土壤含水量关系密切[4]，而土壤含水量的变化对土壤温度、土壤水循环以及土壤微生物活动等都有显著影响[5]，并最终影响作物的田间耗水量、水分利用效率和产量表现[6].理清农田土壤温湿度的相关关系，对于构建作物水分精准管理技术具有重要的指导意义.在诸多农艺措施中，以免耕和秸秆覆盖为主的保护性耕作因其能够改善土壤理化性状、调节土壤水分和温度等作用而倍受研究者的关注[7-8]，并被作为提高作物水分利用效率的有效方法而广泛应用.目前，有关保护性耕作理论和技术研究主要集中在单作群体中，而在由两种或两种以上生物学特性不同作物组成的复合群体中，该技术是否具有协同温湿度、提高作物水分利用效率的作用缺乏实证研究.鉴于此，本试验以典型间作模式“小麦/玉米”为研究对象，将少耕、秸秆覆盖集成在同一系统内，探讨不同处理的温湿度响应特征，以期为建立绿洲灌区基于保护性耕作理论的间作节水技术体系提供科学依据.

1材料与方法

1.1研究区概况

试验于2009年～2010年在甘肃省武威市凉州区永昌镇白云村武威绿洲试验站进行.地处E 102°40′，N 38°37′，海拔1 504 m，多年平均无霜期150 d，年降水量150 mm，年蒸发量2 021 mm，年平均气温为7.7 ℃，日照时数3 023 h，≥10 ℃的有效积温为3 016 ℃，年太阳辐射总量140～158 kJ/cm2，属于典型的两季不足、一季有余自然生态区.

1.2试验设计

2009年布置预备试验，为2010年度做茬口准备.田间试验采用裂区设计，主区为3种灌溉定额，副区为5种种植模式(表1).共计15个处理，每处理3次重复，小区长10.0 m、宽4.8 m，面积为48 m2，走道宽0.5 m，试验田四周是宽1 m的保护行.

表1　试验处理及灌溉定额

S代表单作，“/”代表间作，W、M分别代表小麦、玉米两种作物，“→”为轮作符号.

1.3测定指标与方法

1.3.1土壤含水量采用烘干法测定.作物播种前测定基础含水量；作物生长期间每隔20 d测定一次，按0～20、20～40、40～60、60～90、90～120 cm分层测定；作物收获后加测一次.

1.3.2土壤温度采用曲管地温计测定0～25 cm土壤温度.按5 cm分层，每3 d测定一次，每次测定8∶00、14∶00、18∶00 3个时刻，3次测定值的平均为相应处理当天的试验值.

土壤含水量和地温在单作中每小区测定一个点，间作中分别在小麦带、玉米带各设一个测定点，两点平均值作为间作测定值.

1.3.3耗水量耗水量=(播前土壤贮水量-收获后土壤贮水量)+生育期降水量+灌水量.本研究中，由于试区地下水位极深不存在向上的水分流量，在节水灌溉条件下，水分渗漏量和径流量也可以忽略不计.

1.4数据处理与分析

采用EXCEL 2007进行分类整理，利用SPSS 17.0软件进行统计分析.

2结果与分析

2.1供水、间作和立茬少耕对土壤含水量的协同效应

2.1.1不同处理土壤含水量的时间动态变化如图1所示，不同处理的土壤含水量总体表现为：小麦拔节期，单作玉米>小麦间作玉米>单作小麦，单作玉米较间作在低、中、高灌水水平下分别高-7.7%、4.1%、4.6%，间作较单作小麦在低、中、高灌溉水平分别高13.5%、3.7%、12.3%；小麦灌浆期，单作玉米>单作小麦>小麦间作玉米，单作玉米较单作小麦在低、中、高灌溉水平下分别高4.9%、9.0%、12.7%，单作小麦较间作在低、中、高灌溉水平下分别高4.6%、4.9%、0；小麦收获后，间作土壤含水量较单作玉米在低、中、高灌溉水平下分别高4.4%、4.2%、-8.3%.

比较立茬少耕对土壤含水量的影响发现，小麦收获前，立茬少耕可提高单作玉米和间作群体的土壤含水量，在低、中、高灌水水平下分别较单作和间作模式提高-4.9%、11.3%、15.9%与5.4%、-1.8%、11.1%；小麦收获后，该处理可提高间作群体的土壤含水量，在低、中、高灌溉水平下分别提高11.7%、2.5%、6.6%.不同灌水水平的处理间相比，土壤含水量随灌水量增加而增加.

2.1.2不同处理作物生育期内的平均土壤含水量低、中、高灌水水平下，小麦间作玉米全生育期0～120 cm土层含水量总体居于单作小麦和单作玉米之间(图2).不同种植模式间相比，传统间作处理在低、中、高灌水水平下的土壤含水量较相应单作小麦、玉米的平均值高2.9%、1.4%、-0.7%，立茬少耕间作的平均土壤含水量在3个灌水水平下较相应单作小麦和玉米的平均值提高了5.8%、8.3%、9.2%.种植模式内相比，立茬少耕的平均土壤含水量较传统耕作使间作处理的平均土壤含水量在低、中、高灌水水平下分别提升了2.8%、6.8%、9.9%；单作玉米中，立茬少耕较传统耕作提高了4.0%～10%，说明立茬收割结合少耕有利于提高土壤的保水能力.不同灌溉水平下，传统间作高灌水处理分别较中、低灌水处理平均土壤含水量低4.1%、0.7%；立茬少耕间作高灌水处理分别较中、低灌水处理高-1.3%、6.2%.

图中SW、SM1、SM2、W1/M与W2/M分别代表传统耕作单作小麦、传统耕作单作玉米、立茬少耕单作玉米、传统间作与立茬少耕间作处理，I1、I2、I3分别代表低、中、高3种灌水水平.图中代码为各种植模式的不同灌水水平，如：SWI1代表单作小麦的低灌水水平.图1　不同处理土壤含水量的动态变化Fig.1　Dynamics of soil water content underdifferent treatments

2.1.3间作及不同耕作方式对小麦、玉米全生育期耗水量的影响不同处理的耗水量如图3所示.不同种植模式间相比，传统间作在低、中、高灌水水平下的耗水量较相应单作小麦、玉米的平均值高40.0%、42.0%、45.4%；立茬少耕间作在3个灌水水平下较相应单作小麦、玉米的平均值增大了37.3%、39.3%、44.5%.种植模式内相比，立茬少耕间作较传统间作在低、中、高灌水水平下耗水量分别降低了2.9%、4.0%、0.9%；立茬少耕使单作玉米总耗水量降低了0.5%～1.6%，表明该处理具有降低作物耗水量的作用.不同灌溉水平下，立茬少耕单作玉米高灌水较中、低灌水水平的耗水量高8.2%、21.3%；立茬少耕间作高灌水较中、低灌水水平的耗水量高12.2%、20.6%，单作与间作群体的耗水量随灌水量的升高而升高.

图2　不同处理作物全生育期0～120 cm土层的平均含水量Fig.2　Average soil water content in 0 to 120 cm soillayers for different treatments during wholegrowth period

图3　不同处理下小麦、玉米的耗水量Fig.3　Water consumption of wheat and maizein different treatments

2.2供水、间作和立茬少耕对土壤温度的影响

2.2.1不同处理土壤温度的时间动态如图4所示，小麦收获前，单作小麦较单作玉米和间作群体在低、中、高灌溉水平下显著降低了土壤温度，分别达到16.7%～20.4%与9.8%～10.8%；同样，小麦收获后单作玉米的土壤温度显著高于间作群体，达到13.4%～21.7%.

立茬少耕间作的土壤温度较传统耕作提高了5.1%～5.5%，表明该处理对间作群体具有降温作用.不同处理在各生育时期的土壤温度均随灌水量的增加而降低，其中传统间作高灌水处理的土壤温度分别较中、低灌水处理降低1.7%、7.9%；立茬少耕间作高灌水处理的土壤温度分别较中、低灌水处理降低1.7%、5.9%.

图4　不同处理土壤温度的动态变化Fig.4　Dynamics of soil temperature underdifferent treatments

2.2.2不同处理土壤温度的空间动态变化传统耕作间作群体的土壤温度总体高于相应单作小麦、玉米(图5).立茬少耕间作除低灌水水平的5～15 cm与高灌水水平的15～25 cm土层土壤温度高于相应单作小麦、玉米的平均值外，其他灌水水平下的土层的土壤温度均低于相应单作处理，在低、中、高灌水水平下分别降低了0.5%、1.0%、3.9%.立茬少耕间作高灌水处理土壤温度分别较中、低灌水处理降低2.9%、9.5%，随灌水量的增加，土壤温度显著降低.

图5　不同处理不同层次的土壤温度动态变化Fig.5　Dynamics of soil temperature in different soil depths under different treatments

2.2.3不同处理全生育期平均土壤温度如图6所示，低、中、高3个灌水水平下，单作小麦的土壤温度总体居于单作玉米和间作群体之间，单作小麦的土壤温度在低、中、高灌水水平下较单作玉米低4.9%～6.2%，间作模式下的平均土壤温度在3个灌水水平下较单作小麦低4.1%～8.0%.立茬少耕间作在低、中、高灌溉水平下的土壤温度较相应单作小麦、玉米的平均值分别低6.5%、10.9%、2.1%，较传统耕作土壤温度分别高0.5%、-5.5%、4.6%.立茬少耕单作玉米较传统耕作在低、中、高灌溉水平下的土壤温度分别提高6.2%、7.0%、9.7%.不同灌水水平下，立茬少耕间作高灌水处理的土壤温度分别较中、低灌水分别低-6.4%、1.6%.

图6　不同处理全生育期平均土壤温度Fig.6　The average soil temperature under differenttreatments during the whole growth period

2.3土壤温度与作物耗水量的相关关系

本试验为进一步探讨土壤温度与作物耗水量的关系，以土壤温度为自变量，作物耗水量为因变量对其进行相关分析(图7)，结果表明，在一定范围内作物耗水量与土壤温度呈显著正相关关系.

图7　作物耗水量与土壤温度的关系Fig.7　The relationship between water consumptionand soil temperature

3讨论与结论

本研究中由于小麦收获后的耗水主要表现为土壤蒸发，因此，立茬少耕降低了土壤蒸发，提高了间作群体土壤含水量的作用.陈亮亮等[9]研究发现，不同保护性耕作措施能提高全生育期0～30 cm的土壤含水量，本试验中比较不同种植模式下土壤含水量发现，立茬少耕间作处理在低、中、高灌溉水平下较传统间作的土壤含水量分别高2.8%、6.8%、9.9%，表明该处理较传统的种植模式能显著提高土壤的含水量.已有研究表明，保护性耕作可显著提高土壤含水量[10]，是因为覆盖免耕可以降低地温，减少土壤蒸发[11]，本研究中，不同供水条件下，立茬少耕间作处理的耗水量较传统间作处理分别低2.9%、4.0%、0.9%，说明间作群体中该处理可显著降低作物的耗水量.

与相应单作处理相比，立茬少耕间作可降低其5～25 cm土层的土壤温度，在低、中、高3个灌水水平下分别降低0.5%、1.0%、3.9%.黄高宝等[12]研究免耕、秸秆覆盖对黄土高原西部旱地麦田土壤温度的影响，认为与传统耕作相比，免耕秸秆覆盖可以稳定土壤温度，本试验中立茬少耕间作在低、中、高灌溉水平下的土壤温度较相应单作小麦、玉米的平均值分别低6.5%、10.9%、2.1%，表明立茬少耕处理可有效降低土壤温度.

已有研究发现，地温与土壤含水量有密切关系，土壤含水量的高低直接影响热量的传递[13].于爱忠等[8]认为，土壤含水量与土壤温度存在显著负相关关系，因此，衡量土壤水分与温度之间的关系对于能否将保护性耕作应用到间作体系中至关重要.本研究中，作物耗水量与土壤温度呈显著正相关，因此，可通过立茬少耕来降低土壤温度，进而降低作物耗水量，从而达到提高土壤含水量的目的.研究表明[14]，间套作玉米的适宜播种温度为10～12 ℃，拔节、孕穗期要求温度不低于20 ℃，本研究中各生育期的温度均满足该生长条件.国内外学者针对秸秆覆盖开展了广泛深入的研究，它能够提高土壤蓄水保水能力、减少无效蒸发，进而提高作物产量和水分利用效率，已经被大量的研究和生产实践所证明[15]，为更进一步细化研究保护性耕作措施在间作模式中的应用从而对制定合理的节水灌溉技术体系具有更高的实践价值.

参考文献

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(责任编辑赵晓倩)

Correlation between soil temperature and moisture in

wheat-maize intercropping systems combined with

reduced tillage retaining stubble

SHI Qian-qian1,2,YU Ai-zhong1,FENG Fu-xue1,FAN Zhi-long1，CHAI Qiang1

(Gansu Provincial Key Lab of Arid Land Crop Science,College of Resource and Environment,

Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：According to the problem lacking theoretical and practical basis on conservation tillage integrated into the intercropping system,field experiment was conducted to investigate the relationship between soil temperature and water consumption in wheat-maize intercropping system under reduced tillage retaining 25 cm stubble mulch to provide the theoretical basis for establishing efficient water-saving-intercropping technical system.The results showed that soil water content of wheat-maize intercropping combined with standing stubble with reduced tillage increased by 2.8%,6.8% and 9.9% compared with conventional intercropping,respectively,water consumption decreased by 2.9%,4.0% and 0.9%,respectively,soil temperature at the depth of 0～25 cm decreased by 0.5%,1.0% and 3.9%,respectively.Meanwhile,it has a significantly positive correlation relationship between water consumption and soil temperature.Water consumption was significantly actively related to soil temperature indicating the integration of standing stubble with reduced tillage to intercropping system can reduce water consumption and increase soil content by decreasing soil temperature.

Key words：standing stubble with reduced tillage;wheat-maize intercropping;water consumption;soil temperature

收稿日期：2014-10-13；修回日期：2014-11-24

基金项目：国家自然科学基金(31360323)；甘肃省杰出青年基金(111RJDA006)；国家科技支撑计划(2012BAD14B10).

通信作者：柴强，男，教授，博士生导师，主要从事多熟种植、节水农业研究.E-mail:chaiq@gsau.edu.cn

中图分类号：S 344.2

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)06-0025-06