劉 斌，魏 慧，寇燕燕，陳年來，頡建明

（1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，蘭州 730070；2甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400；3甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

間作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一種集約化種植方式，能提高土地和氣候資源在時(shí)間和空間上的利用率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高產(chǎn)高效，增加農(nóng)田生物多樣性[1]。間作雖然在一定土地面積增加了作物種類和作物種植面積，提高了作物的光能利用效率，但由于不同作物之間對陽光、水分和養(yǎng)分競爭，對灌溉面積和灌溉水需求也相應(yīng)提高[2]。因此，在間作條件下，如何減少作物水分消耗和提高灌水利用效率是個(gè)急需研究的問題。研究表明，對間作物進(jìn)行合理搭配、制定合理灌溉制度都有助于提高作物的水分利用效率和間作系統(tǒng)生產(chǎn)力。

農(nóng)作物的灌溉制度是指作物在播種前及全生育期內(nèi)所需要的灌水次數(shù)及灌水定額，制定具體的灌水時(shí)間、灌水量和全生育期灌水次數(shù)[3]。合理的灌溉制度就是在滿足作物生理需水的前提下，確定作物的灌溉時(shí)間、灌水量和灌水次數(shù)，能減少田間水量損失和農(nóng)業(yè)耗水量，提高天然降水利用率和水資源利用率。葉片作為植物生理代謝活動最為活躍的器官，其性狀特點(diǎn)反映了植物對生存環(huán)境的適應(yīng)策略和對環(huán)境資源的利用能力[5]。植物葉片水分狀況好壞，直接影響其光合速率和生長發(fā)育，并最終影響產(chǎn)量和光能利用率。因此，通過葉片水分狀況判斷作物的水分狀況，對于制定合理的灌溉制度顯得尤為重要。研究表明，水分狀況顯著影響冬小麥植株的生長狀態(tài)。隨著干旱程度的加劇，冬小麥葉片相對含水量顯著下降[6]。牟筱玲[7]等研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，棉花葉片內(nèi)的自由水含量降低，束縛水含量増加，葉面積縮小，葉綠素含量下降，葉片的光合作用能力降低。戴佳信[8]等在小麥套種玉米與小麥套種油葵的間作套種試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，非充分灌溉制度條件下，間套作小麥、玉米、油葵3種作物的產(chǎn)量和灌溉水利用率顯著高于單作，有效節(jié)約了水資源。

向日葵和甜瓜(Cucumis melo)是甘肅河西綠洲地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物，在當(dāng)?shù)仄涔峡g作和套作種植模式已經(jīng)廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了土地單位面積經(jīng)濟(jì)效益的最大化，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[9]。因此，研究瓜葵間套作模式下，2種作物在時(shí)間和數(shù)量上對水分的需求，制定適宜的灌溉制度對于在有限灌水資源條件下提高作物水分利用效率具有重要的意義。本試驗(yàn)在大田條件下，制定甜瓜/向日葵間作系統(tǒng)不同灌溉制度，比較分析不同灌溉制度下對單作、間作系統(tǒng)甜瓜和向日葵葉片水分狀況、水分利用效率的影響，探究甜瓜/向日葵間作模式下較為適宜的灌溉制度，為優(yōu)化甜瓜/向日葵間作模式節(jié)水灌溉關(guān)鍵技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于河西走廊東段的民勤綠洲甘肅省民勤縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心試驗(yàn)農(nóng)場，介于103o02′—104o02′E，38o05′—39o06′N之間，半封閉的內(nèi)陸荒漠區(qū)，溫帶大陸性極干旱氣候，年均降水量110 mm，年蒸發(fā)量2644 mm，晝夜溫差25.2℃，年均氣溫7.8℃，日照時(shí)數(shù)為3073 h。

1.2 試驗(yàn)材料

供試甜瓜和向日葵均由甘肅省民勤縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心提供。甜瓜品種‘金紅寶’，具有豐產(chǎn)性好、品質(zhì)較優(yōu)、耐儲運(yùn)、抗病能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。向日葵品種為‘LD5009’，具有出苗快、易保苗，抗旱、耐瘠薄，產(chǎn)量高的等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。主區(qū)為間作，灌水次數(shù)設(shè)7、8、9次3個(gè)水平。副區(qū)為單次灌水量，設(shè)450、300、225 m3/hm23個(gè)水平，共9個(gè)處理組合。甜瓜單作灌水次數(shù)設(shè)5、6、7次3個(gè)水平，灌水5次和6次灌水處理的單次灌水量均為450 m3/hm2，7次灌水處理的灌水量設(shè)450、300、225 m3/hm23個(gè)水平，共5個(gè)處理。向日葵單作灌水次數(shù)設(shè)4、5、6次3個(gè)水平，單次灌水量均為900 m3/hm2，共3個(gè)處理，如表1。試驗(yàn)共17個(gè)處理，3次重復(fù)，共51個(gè)小區(qū)。各小區(qū)采用溝灌方式灌水，田間輸水方式為小水泵加壓的管道輸水，進(jìn)水口加裝精確度為0.001 m3的水表計(jì)量并控制各小區(qū)次灌水量，同時(shí)為減少因水分側(cè)滲而造成的試驗(yàn)誤差，不同處理小區(qū)之間用垂直埋深60 cm的薄膜隔開。甜瓜單作與向日葵間作小區(qū)面積均為2×10=20 m2，向日葵單作小區(qū)面積為5×10=50 m2。單、間作甜瓜均于5月9日播種，8月5日收獲。單作向日葵于5月6日播種，9月6日收獲。間作向日葵于7月5日間種（甜瓜膨大期），10月16日收獲，甜瓜與向日葵的共生期為30天。東西行向種植，單作葵花小區(qū)位于甜瓜北側(cè)。

表1 灌溉制度方案設(shè)計(jì)

甜瓜單間作采用水旱塘栽培，水旱塘寬2 m，水溝寬70 cm，旱塘寬130 cm，株距45 cm，雙蔓式整枝，每株留1果，施肥水平和當(dāng)?shù)厮较嘁恢?。播種開溝時(shí)一次性集中施入基肥施磷二銨150 kg/hm2、尿素300 kg/hm2，過磷酸鈣750 kg/hm2。座瓜后追施尿素150 kg/hm2、硫酸鉀75 kg/hm2，果實(shí)膨大期追施尿素75 kg/hm2。在瓜膨大期用尼龍網(wǎng)墊墊瓜，甜瓜收獲以后除取樣植株外一律原地?cái)喔采w。間作向日葵直播于行內(nèi)2株甜瓜之間，株距40 cm，單作采用地膜覆蓋，平作栽培，采用規(guī)格為幅寬120 cm的地膜覆蓋，每幅地膜種3行，膜面寬120 cm，膜間距30 cm，平均行距50 cm，株距40 cm，施肥水平和當(dāng)?shù)厮较嘁恢?。春耕犁地時(shí)一次施入施過磷酸鈣750 kg/hm2、磷酸二銨150 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，硫酸鉀150 kg/hm2做基肥，現(xiàn)蕾前結(jié)合澆頭水（8葉期）追施尿素225 kg/hm2，始花期追施尿素150 kg/hm2。

1.4 測定指標(biāo)及方法

葉片相對含水量和水分飽和虧采用烘干稱重法測定。于甜瓜和向日葵的苗期、開花期、成熟期每個(gè)小區(qū)取選取長勢基本一致的完整葉片，迅速放入鋁盒，稱其鮮重，然后將其浸入水中12 h小時(shí)取出，用吸水紙擦干樣品表面的水分進(jìn)行稱重，再將樣品浸入水中1 h后取出，擦干，稱重，直至樣品重量近似，即得樣品飽和重量，然后于105℃下殺青0.5 h后，然后在80℃下烘至恒重。計(jì)算見公式(1)～(4)。

式中：RWC為葉片相對含水量(%)；W1為葉片鮮重(g)；W2為葉片干重(g)；W3為葉片飽和重(g)。

于甜瓜和向日葵的成熟期對各小區(qū)分別收獲取樣。每個(gè)小區(qū)選取長勢基本一致的完整植株3株，重復(fù)3次，取地上部分裝于牛皮紙袋中，于105℃殺青0.5 h，然后在80℃下烘至恒重，用電子天平稱量地上部干物質(zhì)生產(chǎn)量。作物生育期降水量采用watchdog微型氣象站定時(shí)自動記錄。采用烘干法分別對播種前、和收獲后間作和甜瓜、向日葵單作的土壤含水量進(jìn)行測定，每個(gè)小區(qū)選取3個(gè)點(diǎn)鉆取0～120 cm土層土樣（每20 cm為一層），稱鮮重后立即在105℃下烘至恒重，依據(jù)公式(3)計(jì)算土壤含水量。各生育期灌水前利用TDR測定15～20 cm土層含水率，作為判斷土壤水分狀況的依據(jù)。

式中：M為土壤含水率(%)；M1為土壤濕重(g)；M2為土壤干重(g)。

式中：Y為作物地上部干物質(zhì)生產(chǎn)量(kg/hm2)，P為降水量(m3/hm2)，I為灌溉量(m3/hm2)，△W為作物播種前和收獲后的土壤含水量之差(m3/hm2)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用新復(fù)極差法(Duncan)比較不同處理間的差異顯著性，采用Microsoft Excel 2007軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉制度對甜瓜/向日葵單間作系統(tǒng)甜瓜葉片水分狀況的影響

2.1.1 甜瓜單作和間作的葉片相對含水率 間作處理甜瓜成熟期的平均葉片相對含水量(73.29%)較單作處理(76.18%)降低3.8%（表2），差異不顯著。不同間作灌溉次數(shù)下，甜瓜成熟期灌水7次的葉片相對含水量最高，為81.90%，均顯著高于灌水8次、灌水9次，分別高16.5%、21.0%。在甜瓜苗期和開花期，各間作灌水次數(shù)處理的葉片相對含水量無顯著差異。表明間作處理下灌水7次有利于提高甜瓜葉片的相對含水量。

表2 不同灌溉制度下單作及與向日葵間作的甜瓜葉片相對含水量(RWC)

不同間作灌水定額下，甜瓜苗期和開花期單作和間作各處理的甜瓜葉片相對含水量無顯著差異。甜瓜成熟期，灌水7次的甜瓜葉片相對含水量均最高，灌溉定額為 450、300、225 m3/hm2時(shí)，分別為 82.56%、81.83%、81.31%，較灌水8次和9次分別高13.2%、8.9%、8.6%和37.4%、29.9%和20.3%。表明間作處理下灌溉制度為灌水次數(shù)為7次，灌水定額為225 m3/hm2，有利于提高間作條件下甜瓜葉片的相對含水量。

2.1.2 甜瓜單作和間作的葉片水分飽和虧 間作處理成熟期甜瓜的平均葉片水分飽和虧(26.71%)較單作處理(23.82%)高12.1%，差異顯著，苗期和開花期差異不顯著（表3）。不同間作灌溉次數(shù)下，在甜瓜成熟期，灌水8次(29.70%)和灌水9次(32.34%)的甜瓜葉片水分飽和虧均顯著高于灌水7次(18.10%)，分別高64.1%和78.7%，差異顯著，灌水8次和灌水9次之間差異不顯著。在甜瓜苗期和開花期，單作和間作各處理的甜瓜葉片相對含水量無顯著差異。表明間作處理可以提高甜瓜生育后期的葉片水分飽和虧，間作處理下灌水8次和灌水9次有利于提高甜瓜葉片的水分飽和虧。

表3 不同灌溉制度下單作及與向日葵間作的甜瓜葉片水分飽和虧(WSD)

不同間作灌水定額下，在甜瓜開花期，在灌水7次和8次處理下灌水定額為450 m3/hm2和225 m3/hm2的甜瓜葉片的水分飽和虧均顯著高于灌水定額為300 m3/hm2。在成熟期，灌水8次處理下，灌水定額225 m3/hm2處理的甜瓜葉片的水分飽和虧顯著高于其他灌水定額，灌水7次處理下各灌水定額差異不顯著。表明間作處理下灌水8次，灌水定額為450 m3/hm2或225 m3/hm2有利于提高甜瓜葉片的水分飽和虧。

2.2 灌溉制度對甜瓜/向日葵單間作系統(tǒng)向日葵葉片水分狀況的影響

2.2.1 向日葵單作和間作的葉片相對含水率 間作處理向日葵成熟期平均葉片的相對含水量(65.10%)較單作處理(74.43%)低12.5%，差異顯著，苗期和開花期差異不顯著（表4）。不同間作灌溉次數(shù)下，成熟期向日葵葉片的相對含水量均顯著低于單作處理。向日葵開花期和成熟期的相對含水量隨著灌水次數(shù)的增加均在灌水8次達(dá)到最高之后開始下降，灌水8次的葉片相對含水量為66.78%，較單作降低10.3%，差異顯著。不同間作灌溉次數(shù)處理下的葉片相對含水量間無顯著性差異。苗期和開花期單作和間作各處理的向日葵葉片相對含水量無顯著差異。表明間作處理可以降低向日葵在生育后期的葉片相對含水量，灌水次數(shù)對向日葵葉片相對含水量無顯著影響。

表4 不同灌溉制度下單作及與甜瓜間作的向日葵葉片相對含水量(RWC)

不同間作灌水定額下，隨著灌水定額的減少，向日葵苗期和成熟期的葉片相對含水量呈現(xiàn)上升的趨勢，在灌水7次和8次處理下，灌水定額為300 m3/hm2和225 m3/hm2的向日葵葉片相對含水量均顯著高于灌水定額為450 m3/hm2。在開花期，在灌水7次和9次處理下，灌水定額為300 m3/hm2和225 m3/hm2的向日葵葉片相對含水量均顯著高于灌水定額為450 m3/hm2。表明間作處理下灌水次數(shù)對向日葵葉片相對含水量無顯著影響，灌溉定額為300 m3/hm2或225 m3/hm2時(shí)，有利于提高間作條件下向日葵葉片的相對含水量。

2.2.2 向日葵單作和間作葉片的水分飽和虧 間作處理向日葵開花期、成熟期葉片的平均水分飽和虧較單作處理分別降低18.1%、19.8%，差異顯著（表5）。不同間作灌溉次數(shù)下，隨著灌溉次數(shù)的增加，向日葵成熟期葉片的水分飽和虧呈現(xiàn)降低的趨勢，灌水7次(34.02%)、灌水8次(32.42%)比灌水9次(25.57%)分別高33.0%、26.8%，差異顯著，灌水7次和灌水8次之間差異不顯著。苗期和開花期的葉片水分飽和虧無顯著差異。表明間作處理可以降低向日葵生育后期的葉片水分飽和虧，間作處理下，灌水7次和灌水8次有利于提高向日葵生育后期的葉片水分飽和虧。

表5 不同灌溉制度下單作及與甜瓜間作的向日葵葉片水分飽和虧(WSD)

不同間作灌水定額下，在開花期和成熟期，葉片的水分飽和虧隨著灌溉定額的降低呈現(xiàn)下降的趨勢，各灌水定額之間差異不顯著。表明在灌水次數(shù)相同的條件下，灌水定額越大，向日葵葉片的水分飽和虧越大。表明灌水定額對向日葵葉片水分飽和虧無顯著影響。

2.3 灌溉制度對甜瓜、向日葵單作及間作系統(tǒng)WUE(水分利用效率)的影響

甜瓜/向日葵間作系統(tǒng)的WUE(3.74 kg/m3)顯著高于甜瓜單作(2.87 kg/m3)和向日葵單作(1.80 kg/m3)，分別提高30.3%和107.8%（圖1）。不同間作灌溉次數(shù)下，間作處理的WUE均高于單作處理，差異顯著。灌水定額為225 m3/hm2，間作處理灌水8次和灌水9次的WUE顯著高于灌水7次，灌水定額為450 m3/hm2、300 m3/hm2時(shí)，灌溉次數(shù)對間作系統(tǒng)的WUE無顯著影響。表明間作條件下，灌水8次和灌水9次有利于提高間作系統(tǒng)的WUE。向日葵單作和甜瓜單作處理在灌水定額相同的條件下，隨著灌水次數(shù)的減少，水分利用效率升高。K1、K2處理的WUE顯著高于K3，G1、G2處理的WUE顯著高于G3處理。

圖1 甜瓜、向日葵單間作及間作系統(tǒng)的水分利用效率(WUE)

不同間作灌水定額下，隨著灌溉定額的降低，間作處理的WUE呈現(xiàn)升高的趨勢。灌水8次和灌水9次處理下，灌水定額為225 m3/hm2的WUE顯著高于灌水定額為 450 m3/hm2、和 300 m3/hm2，分別提高 47.8%、21.4%和37.6%、31.0%。表明間作處理下灌水定額為225 m3/hm2時(shí)有利于提高間作系統(tǒng)的WUE。甜瓜單作同一灌水次數(shù)（7次）時(shí)，G5、G4處理的WUE顯著高于GD3處理，其WUE分別提高46.3%、47.3%。表明單作條件下灌水次數(shù)同的條件下，灌水定額越低WUE越高。在灌水次數(shù)和灌水定額都相同的條件下，甜瓜間作處理的WUE均顯著高于單作處理。因此，間作系統(tǒng)的水分利用效率比單作系統(tǒng)的水分利用效率高，灌溉制度為灌水8次和灌水9次、灌水定額為225 m3/hm2有利于提高間作系統(tǒng)的WUE。

3 結(jié)論與討論

水分是作物產(chǎn)量形成的決定性因素，在有限的灌溉水量條件下提高水資源利用效率，是解決水資源短缺和保障農(nóng)業(yè)灌溉的根本出路[10-11]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于間作栽培模式較單作能高效利用光、熱、水、肥等資源而被廣泛應(yīng)用。提高間作作物的水分利用效率需配置合理的作物組合、種值密度和適宜的供水定額，才能實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用[12]。研究表明在間作條件下，在作物水分需求量沒有增加的情況下能提高作物的水分利用率[13-14]。因此，探究間作不同間作系統(tǒng)的合理灌溉制度，量化灌水次數(shù)和灌水定額，對于提高水資源的充分有效利用和節(jié)水灌溉用水具有重要意義。本研究以甜瓜和向日葵單作為對照，通過設(shè)定甜瓜/向日葵間作系統(tǒng)不同灌溉制度，結(jié)果表明，甜瓜/向日葵間作系統(tǒng)的水分效率(3.74 kg/m3)顯著高于甜瓜單作(2.87 kg/m3)和向日葵單作(1.80 kg/m3)，分別提高30.3%和107.8%，這與王仰仁[15]等的研究結(jié)果一致，可能是間作系統(tǒng)形成的直立植物與蔓生爬地植物相結(jié)合的立體種植模式對土地起到了一定的遮陰作用，降低了作物的蒸騰作用和土地的蒸發(fā)作用，改變了單位土地面積中水分的分布配置狀況。在甜瓜的膨大期間作向日葵，縮短了2種作物的共生期，由于高矮不一，需水時(shí)期不同，充分提高了水資源的利用效率，這與郝娜[16]等研究高桿作物向日葵與豆科和非豆科作物間作模式下，2種間作模式均可有效提高高稈作物和間作系統(tǒng)的水分利用效率的結(jié)果一致。不同灌溉制度下發(fā)現(xiàn)，間作不同間作灌溉次數(shù)下，灌水8次和灌水9次有利于提高間作系統(tǒng)的水分利用效率。不同間作灌水定額下，灌水8次和灌水9次處理下，灌水定額為225 m3/hm2的水分利用效率顯著高于灌水定額為450 m3/hm2、和300 m3/hm2，分別提高47.8%、21.4%和37.6%、31.0%。綜合考慮灌溉制度為灌水8次或9次、灌水定額為225 m3/hm2時(shí)有利于提高甜瓜/向日葵間作系統(tǒng)的水分利用效率，這與陳亮等[17]研究結(jié)果有差異，可能是由于高灌水量有效地提高間作群體的光能利用效率，增加了作物的干物質(zhì)積累量，而灌水定額和灌水次數(shù)的減少會使作物土壤中水分虧缺，導(dǎo)致作物光合作用受到抑制造成了選擇適宜灌溉制度的不同。因此，在甜瓜/向日葵間作的優(yōu)化管理中，在水分虧缺在不會影響經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的條件下需要調(diào)整好灌溉制度，達(dá)到水資源的高效利用與增效節(jié)水。

研究表明，相對含水量較高的葉片有較高的滲透調(diào)節(jié)功能和較強(qiáng)的抗旱性，可以較好地反映出作物的抗旱性，與抗旱性成正相關(guān)關(guān)系[18]。本研究在甜瓜/向日葵間作模式下發(fā)現(xiàn)，間作甜瓜成熟期葉片較水分飽和虧顯著高于甜瓜單作，葉片相對含水量無顯著影響，苗期、開花期和單作無差異。而間作向日葵的開花期和成熟期葉片相對含水量和水分飽和虧都顯著低于單作，可能是由于在甜瓜和向日葵共生期間，2種作物對水分的競爭造成了向日葵葉片相對含水量和水分飽和虧的降低。在向日葵成熟期，間作甜瓜已采收造成土地的裸露，加劇了地面土壤水分的蒸發(fā)，造成了向日葵葉片相對含水量和水分飽和虧的降低，葉片水分狀況下降，抗旱能力下降。不同灌溉制度下，灌溉8次在提高間作甜瓜葉片的水分飽和虧和向日葵葉片的相對含水量、水分飽和虧方面具有灌溉優(yōu)勢。灌水定額為225 m3/hm2時(shí)有利于提高甜瓜/向日葵間作系統(tǒng)甜瓜葉片的相對含水量、水分飽和虧和向日葵葉片的相對含水量具有灌溉優(yōu)勢，可能原因是甜瓜和向日葵間作的需水高峰期，隨著灌水定額的減少，對水分的利用效率增加，從而改善了間作2種作物葉片的水分狀況，提高其抗旱性。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同灌溉制度條件下，甜瓜/向日葵間作系統(tǒng)的水分效率顯著高于甜瓜單作和向日葵單作，間作降低了甜瓜和向日葵生育后期的葉片相對含水量和水分飽和虧，但2種作物單作生育前期各灌溉制度葉片水分狀況無顯著差異。間作系統(tǒng)的水分利用效率和間作作物的葉片水分狀況在灌水8次和灌水定額為225 m3/hm2優(yōu)于其他灌溉制度。因此，在河西綠洲灌區(qū)甜瓜/向日葵間作系統(tǒng)條件下獲得較高水分利用效率和改善葉片水分狀況較適宜的灌溉制度為全生育期灌水8次、灌水定額225 m3/hm2。