李田甜， 孫 雪， 樊文霞， 王沛娟， 王 霜， 李燕芳， 萬素梅， 陳國棟

(塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆阿拉爾 843300)

近年來，日益嚴(yán)重的人口問題和經(jīng)濟(jì)發(fā)展間的矛盾，引發(fā)了人們的憂慮，開始對以前在資源與環(huán)境方面采取的策略進(jìn)行反省，為了在更廣闊的范圍內(nèi)研究并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的道路。間作、套作、林糧結(jié)合、果農(nóng)結(jié)合等復(fù)合農(nóng)業(yè)經(jīng)營系統(tǒng)正是在這種社會條件下發(fā)展起來的。農(nóng)林間作復(fù)合系統(tǒng)是典型的傳統(tǒng)的土地利用方式之一，正是因?yàn)檗r(nóng)林間作復(fù)合系統(tǒng)可以最大程度地發(fā)揮農(nóng)林業(yè)的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，提高有限資源的利用率和土壤利用率，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。我國塔里木盆地支柱型農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)最早的是棉花和紅棗產(chǎn)業(yè)，該農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)如何在棗棉復(fù)合系統(tǒng)中，保證棉花有穩(wěn)定產(chǎn)量的同時(shí)減弱棗樹對棉花的負(fù)效應(yīng)是南疆農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要課題。棗棉間作成為了南疆綠洲地區(qū)近幾年興起的新型種植模式。

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中的各個(gè)組分對資源的競爭有地上部分競爭以及地下部分競爭，其地下部分的競爭尤為激烈，各組分作物對水、肥、光、熱等的競爭在每個(gè)部分都存在。地下部的爭奪是對水肥資源的爭奪，而地上部的爭奪則是對光熱資源的爭奪。在生態(tài)系統(tǒng)中，植物地上部分各組分之間的相互作用不容忽視，但物種之間關(guān)系的本質(zhì)主要體現(xiàn)為地下根系對養(yǎng)分和水分的爭奪。在判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定時(shí)，地下部分的作用強(qiáng)度明顯比地上部分強(qiáng)。根系是間作系統(tǒng)中對水分和養(yǎng)分等資源吸收、運(yùn)輸、儲存和利用的主要器官，也是植物地下部各組分吸收和代謝的十分重要的器官。土壤中養(yǎng)分可以通過樹木的根系被樹木吸收和利用。然而，由于樹木對土壤養(yǎng)分和水分利用的影響，根系的形態(tài)特征、空間分布和活力都會影響地上部分的產(chǎn)量。根系是作物從地下部獲取資源的主要器官，對在間作系統(tǒng)中的養(yǎng)分及水分的吸收利用有很大的影響作用，特別是在以灌溉農(nóng)業(yè)為主的南疆干旱地區(qū)，研究解決復(fù)合群體中對水分和養(yǎng)分資源的互補(bǔ)與競爭關(guān)系是農(nóng)林間作系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)高效可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。王婷等通過對干旱地區(qū)棗棉復(fù)合系統(tǒng)中的根系時(shí)空分布特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)間作棗樹與棉花的根系分布，在空間上既有錯(cuò)位又有重疊。許華森等研究了核桃與大豆間作細(xì)根地下競爭狀況和分布狀況，為晉西黃土區(qū)果農(nóng)間作科學(xué)種植提供了重要的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

農(nóng)作物與林木對土壤中水分、養(yǎng)分的吸收利用與競爭主要是通過其根系完成的。因此，本研究以南疆棗棉間作系統(tǒng)作為研究對象，分析各組分作物的地上部分生長特征，并從地下部分根系形態(tài)結(jié)構(gòu)與競爭作用著手，探明棗棉間作系統(tǒng)中各組分的相互作用與競爭互補(bǔ)機(jī)制，旨在為南疆棗棉間作復(fù)合系統(tǒng)土地高效利用方式、種間作用調(diào)節(jié)、株行距配置和田間管理措施的改進(jìn)等提供依據(jù)，同時(shí)豐富農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中對根系的研究內(nèi)容。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗(yàn)于塔里木大學(xué)園藝試驗(yàn)站(40°32′20″N，81°17′57″E)進(jìn)行。試驗(yàn)地屬暖溫帶大陸干旱荒漠氣候區(qū)，光照時(shí)間長，日照時(shí)數(shù)為2 900 h/年，降水少，年均氣溫為10.8 ℃，≥10 ℃積溫為4 113 ℃，無霜期220 d，年降水量40.2～82.8 mm，年均蒸發(fā)量 1 977.6～2 568.9 mm，土壤為沙壤土，該地區(qū)是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。

試驗(yàn)地棗樹為2012年種植的酸棗，于2014年嫁接頭年灰棗，株行距為1.5 m×3.0 m，棉花品種選用新陸中36號。目前棗棉間作是塔里木盆地農(nóng)作物種植的重要模式之一，相比其他種植模式棗棉間作經(jīng)濟(jì)效益較好。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年進(jìn)行，共設(shè)3個(gè)處理：單作棗樹、單作棉花、棗棉間作。間作處理下，距離棗樹1.0 m處寬窄行內(nèi)種植4行棉花，株行距為12.5 cm×40.0 cm，間作中各處理分別選擇5株長勢較為均勻的棗樹作為標(biāo)準(zhǔn)樹，以選擇的標(biāo)準(zhǔn)樹為取樣中心，與樹行垂直，在距離標(biāo)準(zhǔn)樹0.1 m處選取第1個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)間隔0.1 m，依次取到第5個(gè)點(diǎn)。在垂直于標(biāo)準(zhǔn)樹的樣方南北方向各取1個(gè)點(diǎn)，共7個(gè)點(diǎn)，用直徑為0.09 m、長0.1 m的根鉆在每個(gè)點(diǎn)分層(10 cm)取樣至 1.0 m。于4月13日播種棉花，采用地膜覆蓋和滴灌，試驗(yàn)中其他管理措施與大田管理一致。

1.3 測定方法

在棉花、棗樹、棗棉處理中分別設(shè)置取樣點(diǎn)，在各個(gè)取樣點(diǎn)采用根鉆法取樣，將取出的土倒入 0.2 mm 篩子中，浸泡在水中約1 h左右，后用水清洗根系，取出植物根系置于密封袋中，放入-20 ℃冰柜內(nèi)保存。根系掃描時(shí)將棗樹和棉花的根先在常溫下緩慢解凍，使用去離子水沖洗根系后再進(jìn)行掃描。使用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)進(jìn)行掃描分析根系。將清洗干凈的根系置于105 ℃殺青30 min，在80 ℃條件下烘干，分別稱取根的干質(zhì)量。

取樣時(shí)期為10月12日，此時(shí)棗樹生育時(shí)期為果實(shí)成熟期，棉花為吐絮期。

1.4 計(jì)算指標(biāo)

1.4.1 根長密度、根質(zhì)量密度 根長密度與根質(zhì)量密度是地下部生長發(fā)育的最直接指示，是反映生長狀況的重要指標(biāo)。計(jì)算公式如下：

=/；

(1)

=/。

(2)

式中：為根長密度(cm/cm)；為根長(cm)；為根質(zhì)量密度(g/m)；為根干質(zhì)量；為土壤體積(cm)。

1.4.2 競爭能力指數(shù) 根據(jù)Levins提出的生態(tài)位重疊公式，計(jì)算棉花與棗的競爭力指數(shù)，公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：為物種對物種的競爭指數(shù)；為物種對于物種的競爭指數(shù)；為物種的生態(tài)位寬度指數(shù)；為物種的生態(tài)位寬度指數(shù)；為資源位數(shù)量；和分別是物種和物種的第個(gè)資源位置的利用率與資源位置總利用率的比值。和的閾值為[1，1]，和的閾值為[0，1]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2016對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用SPSS 22.0進(jìn)行方差分析，采用法進(jìn)行顯著性測驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 棗棉間作復(fù)合群體根系的空間分布特征

棗棉復(fù)合系統(tǒng)中，棗樹、棉花的根長密度垂直、水平分布情況如圖1所示。在水平方向上(圖1-A)，距離棗樹不同距離的土層，棉花的根長密度是 0.025～0.047 cm/cm，棗樹的根長密度是0.033～0.045 cm/cm。棗樹根長密度的水平分布，在0.1～1.0 m處均有分布，分別占總根長密度的25%、21%、25%、29%，分布較均勻。水平方向棗樹根長密度無顯著差異。棉花根系均分布在各個(gè)土層，且隨離樹間距的增大而增大，在0.1～0.3 m處最小，占到總根長密度的19%，在0.7～1.0 m處最大，占到總根長密度的35%，且較棗樹根長密度大。水平方向上棉花根長密度存在較大的差異。

由圖1-B可知，在垂直方向上，棗樹的根長密度主要分布在距地表0～0.3 m土層范圍內(nèi)，占棗樹總根長密度的43%，0.2～0.3 m土層內(nèi)根量最大，分別占17%、15%，0.4～0.6 m根量相差不多，分布相對比較均勻，0.7～1.0 m波動較大，但總體看來根長密度呈降低趨勢；在0～0.4 m土層范圍內(nèi)是棉花根長密度的主要分布土層，占總根長密度的68%，隨著深度的增加棉花根長密度呈減小趨勢。

2.2 棗棉間作復(fù)合群體地下部種間競爭關(guān)系

在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，間作棉花與棗樹間，棉花的競爭能力都大于棗樹的競爭能力。從圖2-A可以發(fā)現(xiàn)，在水平方向上，隨距離棗樹的間距增大，棗樹-棉花的競爭能力指數(shù)與棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)均增大，棗樹-棉花與棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)均存在顯著差異。在距棗樹0.1～0.7 m范圍內(nèi)，棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)均大于棗樹-棉花的競爭能力指數(shù)，但差距較??；在0.7～1.0 m處，棗樹-棉花與棉花-棗樹的資源競爭能力指數(shù)均達(dá)到最大值，并且棗樹-棉花的資源競爭能力指數(shù)大于棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)。棉花、棗樹對該試驗(yàn)區(qū)土層的資源利用程度幾乎相同，兩者的競爭作用一直存在，但沒有占優(yōu)勢的物種。由圖2-B可以看出，在垂直方向上，棗樹-棉花的資源競爭能力指數(shù)與棉花-棗樹的資源競爭能力指數(shù)均存在顯著性差異。棗樹-棉花的競爭能力指數(shù)隨著土層深度的增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，而棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)則呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。在0～0.3 m土層范圍內(nèi)，競爭能力指數(shù)均呈上升趨勢，且棉花-棗樹的競爭作用較棗樹-棉花有明顯的優(yōu)勢；但在0.4～0.6 m土層內(nèi)，棗樹-棉花與棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)均無明顯的變化。

2.3 棗棉復(fù)合群體根系質(zhì)量密度分布特征

對棗棉間作系統(tǒng)中根系質(zhì)量密度水平分布特征的分析可知，棗樹根系質(zhì)量密度間無顯著性差異，棗樹根系質(zhì)量密度表現(xiàn)出離樹間距越近根系質(zhì)量密度越高的趨勢(圖3-A)。棗棉間作系統(tǒng)中，棗樹根質(zhì)量密度最高出現(xiàn)在0.3～0.5 m處，為 1 806.87 g/m，占總量的27.0%。0.1～0.3、0.5～0.7、0.7～1.0 m范圍的根系質(zhì)量密度分別為 1 768.29、1 478.70、1 644.88 g/m，分別占總量的26.4%、22.1%、24.6%；棉花根系質(zhì)量密度的分布波動性較小，在0.1～0.3、0.5～0.7 m處，分別為373.21、374.04 g/m，分別占總根質(zhì)量密度的26.8%、26.9%。棉花質(zhì)量密度在0.3～0.5、0.7～1.0 m 范圍內(nèi)分別為317.48、327.88 g/m，分別占總量的22.8%、23.5%。最后將棉花和棗樹的總根系質(zhì)量密度累加發(fā)現(xiàn)，棗樹的總根系質(zhì)量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于棉花的總根系質(zhì)量密度，分別為6 698.75、1 392.61 g/m。

由圖3-B可以看出，隨土層深度的增加，棗樹、棉花的根系質(zhì)量密度總體呈逐漸增加后逐漸減小的趨勢，其中，棗樹、棉花根系質(zhì)量密度最大值均出現(xiàn)在0.2 m處，分別為326.58、153.34 g/m。

棗棉間作系統(tǒng)中，棗樹的根系質(zhì)量密度主要集中在0～0.5 m土層范圍內(nèi)，占總量的63.04%，在0.5～1.0 m土層范圍內(nèi)，根系質(zhì)量密度占總量的36.96%；棉花的根系質(zhì)量密度主要分布在0～0.4 m土層范圍內(nèi)，占根系密度總量的86.53%，在0.4～0.7 m深度下，棉花根系質(zhì)量密度明顯降低，占總量的13.47%，而0.7～1.0 m范圍內(nèi)，沒有棉花根系。對比棉花和棗樹的根質(zhì)量密度，發(fā)現(xiàn)棗樹的根質(zhì)量密度遠(yuǎn)大于棉花的根質(zhì)量密度，棉花的總根質(zhì)量密度為552.98 g/m，棗樹的總根質(zhì)量密度為 1 603.62 g/m。

2.4 棗棉復(fù)合系統(tǒng)地下部種間的競爭

植物生命活動是由2個(gè)部分共同完成，一部分是由根、莖、葉等部位組成的地上部分，另一部分是由根系組成的地下部分。由表1可知，單作棗樹的棗吊長度、莖粗和葉綠素含量均高于間作棗樹，而棉花的株高、莖粗、葉面積、葉綠素含量均表現(xiàn)為間作棉花大于單作棉花。再結(jié)合棗棉間作中棉花、棗樹的地下根系空間分布特征，說明在棗棉間作中棉花為優(yōu)勢作物，表現(xiàn)出較明顯的間作優(yōu)勢。

表1 不同種植模式下棗樹和棉花地上部生長性狀比較

土地當(dāng)量比(LER)=棗樹間作產(chǎn)量/棗樹單作產(chǎn)量+棉花間作產(chǎn)量/棉花單作產(chǎn)量，是用來衡量間作模式相對于單作模式增產(chǎn)能力的一種指標(biāo)，當(dāng)LER>1時(shí)，說明間作比單作的效率高。間作增產(chǎn)率=(-1)×100%。從表2可知，單作和間作的種植模式對棗樹和棉花的產(chǎn)量影響明顯。間作模式下，棗樹產(chǎn)量在間作模式下降低，棉花的籽棉產(chǎn)量也有一定的降低，但棗棉間作模式的增產(chǎn)率為33%，說明棗棉間作的種植模式可提高33%的土地利用率，生產(chǎn)優(yōu)勢明顯，可提高有限資源利用率及經(jīng)濟(jì)效益。

表2 不同種植模式下棗樹和棉花的產(chǎn)量

3 討論

3.1 棗棉間作復(fù)合群體根系空間分布特征

在垂直方向上，棗樹根長密度集中分布在距地表0～0.3 m土層內(nèi)，棗樹的根系質(zhì)量密度主要集中在0～0.5 m土層范圍內(nèi)；棉花的根系主要集中分布在0～0.4 m土層范圍內(nèi)，棉花的根系質(zhì)量密度主要集中在0～0.4 m土層范圍內(nèi)；在水平方向上，棗樹根長密度的分布隨與棗樹距離的增大而先減小后增大，在0.1～1.0 m土層處均有分布，且分布均勻；棉花根系分布在整個(gè)樣區(qū)，在0.1～0.3 m處最小，在0.7～1.0 m處最大。棗樹根系質(zhì)量密度分布最高范圍在0.3～0.5 m處，棉花根系質(zhì)量密度的分布波動性較大，這與王婷等的研究結(jié)果相似。

因?yàn)槊藁ㄅc棗樹之間的距離較大，棗樹對棉花的抑制作用減弱，棉花具有足夠的生長空間。所以在水平方向上，離棗樹越遠(yuǎn)棉花的根系就越長。棗樹受復(fù)合系統(tǒng)物種形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，其葉片小而稀，通風(fēng)透光性好，可有效減弱棗樹對棉花的遮陰作用，能夠滿足棉花與棗對光、熱資源不同時(shí)期的不同需求；棗樹根系分布較為稀疏，棉花的主根扎根較深，這樣的分布能夠使雙方根系對地下資源的分層利用，很大程度地提高地下土壤資源的利用率。

3.2 棗棉間作復(fù)合群體種間競爭關(guān)系

生態(tài)位重疊是資源利用競爭的必要條件，但競爭只發(fā)生在根系接觸或根系重疊而生態(tài)位分化不發(fā)生時(shí)。并且一些生態(tài)學(xué)觀點(diǎn)表明，不同物種在同一生態(tài)系統(tǒng)中共享一定的資源，具有不同程度的競爭，競爭可以爭奪生存空間和特定資源，植物生態(tài)位彼此越接近物種之間的競爭就越激烈。

在南疆這樣的極端干旱區(qū)，水資源對農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要，也是發(fā)展果農(nóng)間作復(fù)合系統(tǒng)的重要影響因素。在研究中發(fā)現(xiàn)，水平方向上棗樹和棉花對該試驗(yàn)區(qū)土層的資源利用程度幾乎相同，兩者的競爭作用一直存在，但沒有占絕對優(yōu)勢的物種。垂直方向0.1～0.3 m土層范圍內(nèi)，棉花與棗樹內(nèi)的競爭作用中棉花有明顯的競爭優(yōu)勢，棉花對棗樹和棗樹對棉花的競爭能力指數(shù)均呈上升趨勢。

種間競爭不僅包括種間競爭的影響，還包括種間競爭的后果。本研究發(fā)現(xiàn)，棉花的生長狀況較棗樹的生長狀況要占優(yōu)勢，棉花的地下部分競爭能力也強(qiáng)于棗樹，因此，在棗棉間作復(fù)合系統(tǒng)中，棉花較占優(yōu)勢。能夠?qū)е路N間競爭的原因有很多，可能是植物根系的形態(tài)和生理特性、系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分、植物不同發(fā)育階段等，隨著植物體的生長種間的競爭能力也逐漸增強(qiáng)，成熟階段的群落趨于穩(wěn)定，競爭力隨之降低。

4 結(jié)論

棗棉間作復(fù)合群體中，棗樹與棉花的根系分布特征在空間上存在一定的差異，在不同土壤空間上相互交錯(cuò)分布。研究發(fā)現(xiàn)，在垂直方向上，距地表 0～0.4 m土層內(nèi)，是棉花根系集中分布的土層；棗樹根長密度集中分布在0～0.3 m土層內(nèi)。在水平方向上，在0.1～1.0 m處均勻分布；棉花根系分布在整個(gè)土層樣區(qū)，在0.1～0.3 m 處最小，在0.7～1.0 m 處最大。棗棉間作復(fù)合系統(tǒng)中棗樹和棉花對資源的競爭一直存在，總體上來說，棉花較棗樹具有較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。棗棉間作系統(tǒng)的土地利用率大于單作系統(tǒng)。分析確定復(fù)合系統(tǒng)中作物根系對地下資源吸收利用的變化特征，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)化利用，解析棗棉間作系統(tǒng)各組分的相互作用與競爭性利用的過程機(jī)制，是未來地下種間關(guān)系需要進(jìn)一步深入研究的問題。