试验于2017年在山西省临汾市中部的尧都区东杜村(东经111°34',北纬35°55')进行。试验区属于典型的干旱季风气候,冬冷夏热,多年平均气温12～12.6℃,夏季最高温度达35～41.9℃,冬季最低温达-4～5.6℃,年均降水量550 mm,无霜期达203 d。土壤属于典型褐土,土壤容重平均为1.493 g/cm³。试验区土壤养分状况见表1。试验期(2017年3月—10月)降水量为532.4 mm(图1)。

表1 试验区土壤养分状况

图1 2017年试验期间月平均气温与降雨量

试验供试小麦品种为冬小麦晋麦95,千粒重38 g。苜蓿为当地紫花苜蓿,千粒重2.255 g。试验共设小麦单播(XD)、苜蓿单播(MD)和小麦苜蓿间套作(XMT)3个处理。试验小区面积50 m²,三次重复,随机排列。小麦单播自2014年起于每年9月下旬播种,采用机械播种,间套于苜蓿行间。苜蓿于2014年4月种植,播种量18 kg/hm²,已有3 a的生长周期。小麦苜蓿套作是在两行苜蓿之间套种两行小麦,苜蓿行距为40 cm,在苜蓿成功建植的基础上机械播种小麦。小麦单播、苜蓿单播以及小麦苜蓿间套作处理均于小麦播种时统一施肥(N 187.5 kg/hm²,P₂ O₅97.5 kg/hm²,K₂ O 52.5 kg/hm²),2017年春天小麦拔节期进行2次追加施肥(N 125 kg/hm²,K₂ O 37.5 kg/hm²)。

图2是2017年3月中旬、6月下旬和10月上旬不同处理0—200 cm的土壤含水量。3月中旬3个处理0—200 cm土层平均土壤含水量为12.1%～17.2%,大小顺序为XD>XMT>MD(图2A),这说明在本期试验开始之前XD,XMT和MD在之前年份的生长消耗已经显著降低了土壤含水量,尤其苜蓿是一种强耗水深根植物,无论单播还是与小麦混播,三年的生长期导致其0—200 cm深的土壤水分含量均较低。6月下旬在小麦生长期结束之际(图2B),3个处理0—200 cm平均土壤含水量为10.69%～13.58%,均显著低于3月份均值,这是因为这一阶段作物需水大导致土壤水分低于小麦返青时。3个处理间平均土壤含水量排序为MDXMT>MD)(图2C)。

从纵向剖面分布来看,3月中旬(图2A)MD和XMT在20—60 cm和160—200 cm土壤含水量均低于XD,其中MD在60 cm达到最低(9.35%),XMT在20 cm最低(10.91%),这与作物根系分布以及苜蓿耗水强度有关。6月下旬(图2B)XD在0—50 cm土壤含水量迅速减少至最低(10.77%和8.50%),表明小麦单播中小麦生长过程对上层土壤含水量的影响较大; MD分别在0—20 cm和120—180 cm土壤含水量迅速降低至7.82%和10.56%,而XMT在0—40 cm和120—180 cm土壤含水量降低至8.29%和11.23%,这是由于苜蓿为深根植物,深层土壤含水量都会被其生长所消耗。10月上旬(图2C)3个处理100 cm深度之上的土壤含水量虽然均呈随深度增加而递减的趋势,但与6月份相比均有所增加; 在此深度之下,MD和XMT依然保持这种随深度而下降的趋势,XD则相反,这与麦收后不同处理对降雨的反映不同有关,XD主要是对雨水的收蓄作用,而MD和XMT则由于苜蓿的生长耗水导致其整体土壤含水量显著低于3月和6月份,尤其是XMT,140 cm土壤含水量甚至比6月份还低,表明苜蓿继续生长增加了深层土壤水分消耗。

从2 m深总土壤储水量上来看(图3),不同处理6月下旬土壤储水量均低于3月中旬和10月上旬,主要是因为6月下旬降雨量相对较少,气温高蒸发快,同时作物生长消耗了大量水分,而3月中旬作物生长刚刚开始,所消耗的土壤水分较少; 10月上旬由于苜蓿刚完成刈割土壤水分得到了累积,同时受到季风气候的影响,华北地区正值雨季过后,降雨补给量超过消耗量。从不同处理来看,不论3月中旬、6月下旬和10月上旬土壤储水量均为:XD>XMT>MD,表明苜蓿耗水能力强于小麦,试验区域内苜蓿生长三年导致了土壤储水量总体上较低。

图2 不同处理0-200 cm土层的土壤含水量

图3 不同处理0-2 m深土壤总储水量

6—10月份麦收后苜蓿单独生长期内,各处理0—200 cm土壤水分支出量基本上为负值,说明期间土壤对雨水的收蓄量多于作物耗水蒸散量。其中XD 和MD土壤水分支出总量较为接近,且两者80 cm 以上的土壤水分增加(收蓄)量占了70%～80%。XMT的土壤水分收蓄量低于XD 和MD,且绝大部分在80 cm 之上,其120 cm之下的土壤储水量不增反降。

表2 不同处理0-200 cm分层土壤储水量支出情况

与单播作物种植模式相比,为了更加准确衡量间套作模式下作物生物量与用水量之间的关系,进一步计算了水分利用效率(表3)。不同处理的生物量和水分利用效率均有显著差异。从单因素方差分析的多重比较结果来看,在小麦和苜蓿共同生长期(3—6月份)内,XMT作物生物量(产量)和系统水分利用效率高于MD(p<0.05),其中XMT生物量(产量)较MD增加了44.07%,系统水分利用效率提高了62.38%,表明相比苜蓿单播,小麦苜蓿间套作大大增加了其生物量(产量),同时耗水量明显降低,总体上改善了作物系统土壤水分状况,提高系统水分利用效率。相比XD,XMT生物量(产量)增加了17.67%,系统水分利用效率亦略有提高(16.98%),这与小麦生物量(产量)的增加有关。

表3 不同处理的水分利用效率

在苜蓿单独生长期(6—10月份),MD生物量(产量)(2 293.53 kg/hm²)比小麦和苜蓿共同生长期(3—6月份)(3 212.12 kg/hm²)减少了28.6%,间套作苜蓿(XMT-M)生物量(产量)(2 276.20 kg/hm²)比小麦和苜蓿共同生长期(3—6月份)(2 159.90 kg/hm²)增加了5.11%,表明对于苜蓿单作而言,小麦和苜蓿共同生长期(3—6月份)更有利于生物量(产量)积累,而在间套作苜蓿(XMT-M)中,苜蓿单独生长期(6—10月份)生物量(产量)容易积累。苜蓿单独生长期(6—10月份)由于降雨量明显增加,作物耗水量远远高于小麦和苜蓿共同生长期(3—6月份),进而使得苜蓿单作(MD)和间套作苜蓿(XMT-M)6—10月平均水分利用效率8.20 kg/(mm·hm²),7.58 kg/(mm·hm²)低于3—6月份14.20 kg/(mm·hm²),10.30 kg/(mm·hm²)。

从整个生长期(3—10月)来看,XMT生物量(产量)和水分利用效率均高于XD和MD,其中XMT生物量(产量)较XD增加了41.17%,水分利用效率降低了30.80%,较MD生物量(产量)增加了31.49%,水分利用效率提高了9.19%,说明间套作能够显著增加作物生物量(产量),提高系统水分利用效率。