紫花苜蓿与一年生饲草间作提升半干旱区水分利用均衡性与饲草产量韧性

本研究针对黄土高原半干旱区多年生饲草连续单作导致的深层土壤水分亏缺与早衰问题，创新性地将浅根性一年生饲草（玉米、甜高粱、苏丹草和日本黍）与深根性紫花苜蓿间作。结果表明：间作系统显著提高0-30 cm表土和30-160 cm底土水分含量6.5%-81.4%和10.7%-23.2%，其中苜蓿-玉米组合降低种间水分竞争16.4%-27.6%，提升水分补偿效应0.3%-13.1%，使水分生产率最高提升151%。该系统通过生态位互补实现水分均衡利用，为旱区饲草生产可持续水资源管理提供有效解决方案。

　　

在广袤的黄土高原上，水是农业生产的命脉。这片中国北方重要的农业基地，却常年面临着水资源短缺和蒸发量高的双重挑战。不规则且有限的降雨，加上周期性的干旱，给当地的雨养农业带来了巨大威胁，特别是对饲草生产而言。人们发现，多年生饲草作物（如紫花苜蓿）虽然产量高、营养价值好，但长期单一种植会像“抽水机”一样过度消耗土壤水分，导致深层土壤形成干燥层，进而引发作物早衰和严重减产——在澳大利亚南部的一些地区，后续作物产量甚至减少高达600公斤/公顷。

为什么会出现这种情况呢？原来，像紫花苜蓿这样的多年生植物拥有发达的根系，主根每年可向下延伸30-50厘米，5年龄植株的吸水网络甚至深达6米。在干旱时期，它们能调动深层土壤储水，但持续单作会导致土壤水分过度利用，影响浅层与深层之间的水分传输，最终造成产量损失。相比之下，一年生植物（如玉米）虽然生长周期短，但85%以上的根系分布在0-30厘米的浅层土壤中，形成密集的纤维状根系。

这就引出了一个有趣的科学问题：能否将浅根性的一年生饲草与深根性的多年生苜蓿结合起来，通过间作系统实现水分利用的“时空互补”？浅根作物利用表层水，深根作物利用深层水，是否能够减轻土壤干燥层的形成，提高水分利用效率，同时维持饲草产量的稳定性？

为了回答这个问题，西北农林科技大学草地农业学院的Hongheng Guo、Shuai Hou、Yanyan Zhang等研究人员在《Agricultural Water Management》上发表了他们的最新研究成果。他们在陕西省延安市安塞区的典型半干旱地区进行了为期两年的田间试验，比较了紫花苜蓿单作系统以及与四种一年生饲草（玉米、甜高粱、苏丹草和日本黍）的间作系统。

研究人员采用了一套综合的研究方法：通过田间试验设计九种处理（五种单作和四种间作），每个处理设三次重复；使用土钻采集0-160厘米土层的土壤样品，分9个层次测定土壤水分含量；计算土壤水分储量（SWS）、水分利用（WU）和水分生产率（WP）；评估土地当量比（LER）、竞争比（CR）、补偿效应（CE）、选择效应（SE）和货币优势指数（MAI）等指标；通过方差分析（ANOVA）进行统计比较。

3.1 一年生饲草产量

研究表明，所有间作系统中的一年生饲草在成熟期均表现出稳定的间作优势，玉米（87.7%）、甜高粱（61.1%）、苏丹草（76.9%）和日本黍（105.6%）的产量均超过预期值。在不同生长阶段，产量优势呈现动态变化：苗期苏丹草生物量最高，生殖生长期甜高粱在2021年开花期产量最高，而2022年所有间作饲草产量均略有增加。

3.2 苜蓿产量

间作系统中苜蓿产量在两年间均有所下降，与单作系统相比平均减少10.3%-25.8%。然而，与预期产量相比，苜蓿-玉米、苜蓿-甜高粱、苜蓿-苏丹草和苜蓿-日本黍间作系统的苜蓿产量分别高出58.4%、31.5%、44.1%和40.9%，表明间作仍能带来产量补偿效益。

3.3 间作系统的种间关系

所有间作系统的土地当量比（LER）均大于1（1.47-1.99），表明土地利用率提高。竞争比（CR）在生长期间动态变化，苗期小于1，开花和成熟期大于1。补偿效应（CE）在所有生长阶段均大于选择效应（SE），表明间作优势主要来自种间补偿而非竞争 dominance。货币优势指数（MAI）显示，苜蓿-玉米系统的经济效益最高。

3.4 土壤水分含量

间作系统始终比苜蓿单作保持更高的底土（30-160厘米）水分含量。在湿润年份（2022），间作提高了开花期表土水分含量（+5.4-32.2%）；而在干旱年份（2021），表土水分含量降低（-2.8-30.5%）。成熟期，苜蓿-玉米和苜蓿-日本黍系统的表土水分含量比苜蓿单作分别高50.1%和81.4%，而四个间作系统的底土水分含量均增加10.7%-23.2%。

3.5 土壤水分储量

不同种植系统间的水分储量差异因生长阶段和年份而异。在一年生饲草开花期，苜蓿-甜高粱间作系统的表土和底土水分储量分别比苜蓿单作高14.9%和2.8%。成熟期，2021年间作系统的底土水分储量显著高于苜蓿单作。

3.6 间作系统全生育期的水分竞争与补偿

在间作系统共生期间，一年生饲草土壤中的水分储量高于苜蓿，导致水分从一年生饲草向苜蓿的潜在传输。苜蓿第一次刈割后，从苜蓿向一年生饲草表土的水分补偿量大于向底土的补偿，以苜蓿-日本黍系统的水分补偿量最高。

3.7 水分利用

不同种植系统在不同生育期的水分利用量存在显著差异。2022年，一年生饲草单作和间作系统的水分利用量均显著低于苜蓿单作。在一年生饲草成熟期，2021年间作系统的水分利用量比苜蓿单作低26.28%-33.37%。

3.8 水分生产率（WP）和WER

所有四个间作系统在整个生育期的水分生产率均优于一年生饲草单作。开花期，苜蓿-玉米系统在2021年的水分生产率比苜蓿单作高41.3%；成熟期，间作系统的水分生产率比苜蓿单作高44.3%-87.6%。所有间作系统的水分当量比（WER）均大于1，表明水分利用优势明显。

3.9 水分、产量和经济效益

雷达图分析表明，苜蓿-玉米间作系统在饲草产量和种间关系（产量、预期饲草产量、LER、CE和MAI）方面优于其他间作系统。与苜蓿单作相比，间作减少了土壤水分利用，增加了表土和底土水分储量，其中苜蓿-玉米系统的水分储存量最高。

研究结论表明，将一年生饲草与多年生苜蓿结合的间作系统在短期内减轻了底土干燥问题，同时提高了土壤水分在剖面中的均匀性。这有利于苜蓿再生期间表土的水分补偿，促进土壤水分的平衡和高效利用。这种高效的水分利用促进了间作系统中饲草产量的补偿效应，从而确保了更大的优势（LER > 1）。

在讨论部分，研究人员深入分析了这种间作优势的形成机制。多年生苜蓿具有高蒸散率和深根系，能够利用一年生饲草无法获得的深层土壤水分。然而，连续的苜蓿单作会导致浅层和深层土壤水分的不均匀消耗，减少地下水补给，并在深层土壤剖面形成持久的干燥层。间作系统通过根系分布区的差异，减少了间作系统中有限水资源的空间竞争，从而提高了土壤水分含量和饲草产量。

在四种间作组合中，苜蓿-玉米表现出最好的产量和货币优势指数，有效解决了短期內多年生豆科苜蓿在不同土层中水分利用不均的问题。这项研究为解决土壤干燥问题提供了一个经济有效的解决方案，可以延长多年生饲草系统的生产年限，并在干旱和半干旱地区维持稳定高产的农业系统。

该研究的创新之处在于首次系统比较了四种不同一年生饲草与苜蓿间作的水分利用效率和产量效应，揭示了间作系统通过垂直生态位互补实现水分均衡利用的机制。研究结果对黄土高原乃至全球类似生态区的饲草生产和水资源管理具有重要指导意义，为构建可持续的旱作农业系统提供了科学依据和实践途径。