填閑種植和施氮量對旱作冬小麥農田土壤水分及作物產量的影響

張 祺，王 俊

(西北大學城市與環境學院，陜西 西安 710127)

冬小麥單作系統是黃土高原旱作農業區常見的種植系統之一，冬小麥通常在9月下旬播種，次年6月中下旬收獲，休閑期間多采用裸地休閑方式以儲存降水。盡管7月至9月份的降水量可占到全年降水的60%～70%，然而由于與夏季高溫并行，大量水分由裸土表面蒸發損失[1-2]，導致夏閑期的降水貯存效率平均僅在30%左右[3]。在這種情況下，能否考慮種植填閑作物以增加地表覆蓋、減少水分無效蒸發在旱作農業區具有重要的研究價值。然而引種填閑作物是否會過度消耗土壤水分，進而影響后續作物生長？已有報道的研究結果存在較大矛盾。Restovich等[4]在南美潘帕斯地區和張樹蘭等[5]在黃土高原地區進行的研究均表明，種植填閑作物對旱作農田水分平衡以及后續糧食作物水分利用不會產生顯著影響。而趙娜等[6]則發現夏閑期種植豆科綠肥會顯著增加對土壤水分的消耗，影響后續小麥生長并導致作物產量下降。目前來看，填閑種植對土壤水分的效應可能與填閑作物種類、管理方式和氣候條件有關[7]，但這一結果尚待進一步研究。本文以旱作冬小麥農田為對象，研究了不同填閑作物和施氮對土壤水分和作物產量形成的影響，旨在為填閑種植在黃土高原旱作農業區的適應推廣提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

田間實驗在中國科學院長武黃土高原農業生態試驗站(107°44′E，35°12′N)進行。該站地處黃土高原中南部的渭北旱原，地勢平坦，海拔1 200 m，屬于半干旱半濕潤暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水580 mm，且主要集中在7-9月，年際變化較大，平均溫度9.1℃，無霜期171 d，年日照時數2 230 h，是典型的旱作農業區，主要農作物為冬小麥、春玉米等。試驗期間的降雨量見圖1。

1.2 試驗設計

試驗始于2014年9月，試驗采用填閑作物和氮肥雙因素處理隨機區組設計，填閑作物包括長武懷豆(S)、黑麥草(R)，懷豆與黑麥草混播(SR)和裸地休閑(NC)四個處理，氮肥僅在冬小麥播種前施入，包括0(N0)、60 kg·hm-2(N1)和120 kg·hm-2(N2)三個水平。其中長武懷豆播量為82.5 kg·hm-2，黑麥草播量為21.4 kg·hm-2，二者混播時播量各自減半。每處理重復三次，共計36個小區。試驗小區長7 m，寬3 m。冬小麥(長旱58)于2014年9月30日播種，播量為225 kg·hm-2，于2015年6月28日收獲。填閑作物于小麥收獲后種植，生長至9月15日用旋耕機翻耕入田，腐解兩周，于9月30日種植冬小麥。氮肥(尿素，N>46.6%)按試驗設計用量于冬小麥播種前兩天施入，同時所有小區配施磷肥90 kg·hm-2(過磷酸鈣，總P2O5>46%，有效P2O5>14%)。作物生長期間無灌溉，采用人工方式進行除草管理。

1.3 測定指標和方法

土壤水分：分別在小麥播種前和小麥收獲后，采用烘干法測定土壤水分含量，其中0～20 cm每10 cm取一次，20～200 cm每20 cm取一次。冬小麥生育期水分蒸散量(ET)和休閑期降水貯存效率(PSE)按以下公式計算：

ET=(SWH-SWP)+Pg

(1)

其中，SWP和SWH分別為冬小麥播種前和收獲后土壤水分，Pg為冬小麥生育期內降水量。

PSE=(SWP′-SWH)+Pf

(2)

其中,SWH和SWP′是冬小麥收獲和播種時土壤水分，Pf為休閑期內降水量。

填閑作物生物量：填閑作物在翻耕前采用樣方法測定生物量，樣方大小1 m×1 m，每小區三次重復。采樣時將樣方內填閑作物地上部分齊地刈割，鮮樣在105℃下殺青60 min，調整溫度到70℃下烘干稱重。

冬小麥產量及水分利用：小麥地上部分生物量整區收獲，脫粒后曬干，稱重記產。收獲指數(HI)和水分利用率(WUE)按以下公式計算：

HI=Y/Dw×100%

(3)

WUE=Y/ET

(4)

其中,Y為小麥籽粒產量(kg·hm-2)，Dw為地上部分生物量，ET為小麥生育期的水分蒸散量。

1.4 數據處理與分析方法

采用Microsoft Excel 2010軟件處理數據和制圖，運用SPSS 19.0軟件進行統計分析,處理間差異用最小顯著差異法(LSD)分析, 顯著性差異水平設定為α=0.05。

圖1 2014年-2016年日降雨分布Fig.1 Distribution of daily precipitation from 2014 to 2016

2 結果分析

2.1 土壤水分與降水儲存效率

填閑種植對第二年休閑期降水儲存效率和冬小麥播種前土壤水分含量具有極顯著影響(P<0.01)，而第一年施氮肥對冬小麥收獲期和次年播種期土壤水分影響不大，但對降水貯存效率具有顯著影響(P<0.05)，填閑作物和氮肥間沒有交互作用(表1)。與裸地休閑相比，長武懷豆單播和二者混播PSE平均分別減少了9.2%和7.7%，播前土壤水分分別減少了19 mm和15 mm，而單播黑麥草處理對土壤水分和降水貯存效率沒有影響。與不施氮相比，氮肥用量60 kg·hm-2和120 kg·hm-2的降水貯存效率平均分別減少了2.7%和5%。填閑種植和施氮量對第二年小麥收獲期土壤水分含量均無顯著影響。

2.2 填閑作物生物量

由圖2可見，填閑作物和氮肥類型對填閑作物生物量具有顯著影響(P<0.05)。在同一填閑作物處理中，N1和N2較N0填閑作物生物量均顯著提高(P<0.05)，在S處理中提高了39.6%和47.4%,在R處理中提高了7.9%和88.1%,在SR處理中提高了29.9%和34.5%；在同一施氮水平中，S和SR填閑作物生物量顯著高于R(P<0.05)，在N0處理中提高了460%和370%，在N1處理中為590%和440%，在N2處理中為360%和260%。

2.3 冬小麥產量及水分利用

填閑種植和施氮水平對冬小麥地上部分生物量、產量和水分蒸散量具有顯著影響(P<0.05)，但對收獲指數、千粒重和水分利用效率影響不顯著；施氮水平對除收獲指數和水分蒸散量之外的其它指標影響顯著，二者沒有顯著交互作用(表2)。與裸地休閑相比，長武懷豆單播和二者混播冬小麥生物量平均分別降低了18.6%和17.4%，冬小麥產量平均分別降低了18%和18.3%，ET則平均減少了8 mm和15 mm，而黑麥草單播與裸地休閑相比并無差異。不同施氮水平比較，施60 kg·hm-2和120 kg·hm-2冬小麥生物量分別較不施氮提高了74.5%和134%，產量平均提高了78.2%和143%，WUE平均提高了66%和119%。

注：不同大寫字母表示不同施氮水平填閑作物生物量顯著性差異(P<0.05)，不同小寫字母表示同一施氮水平填閑作物生物量差異顯著(P<0.05)。Note: The different capital letters indicate significant differences(P<0.05)in the biomass of the cover crops at different nitrogen levels, and the different lowercase letters indicate significant differences(P<0.05)in the biomass of the same nitrogen application.圖2 不同填閑作物(A)和氮肥水平(B)填閑作物生物量Fig.2 Effect of cover crop (A) and N fertilization (B) on cover crop biomass

填閑作物Cover crop氮肥水平/(kg·hm-2)Nitrogen level小麥播種前土壤水分含量/mmSoil moisture contentbefore sowing wheat休閑期降水儲存效率/%Rainfall storage efficiencyduring fallow period小麥收獲后土壤水分含量/mmSoil moisture content afterwheat harvest裸地對照 Fallow control(NC)381a27.4a302a長武懷豆 Changwu cowpea(S)362b18.2b323a黑麥草 Ryegrass(R)378a26.6a289a混播 Mix(SR)366b19.7b302a0372a25.9a321a60370a22.1b298a120368a20.9c293a顯著性 Significance填閑作物 Cove crop(CC)******NS氮肥水平 Nitrogen level(N)NS*NS填閑作物×氮肥水平CC×NNSNSNS

注：*，**和***分別表示在0.05，0.01和0.001水平上顯著相關。不同小寫字母a，b，c表示不同施氮條件下不同填閑種植處理間達到顯著性差異(P<0.05)。NS表示無顯著性差異。下同。

Note: *，**, and *** mean the significance atP<0.05，0.01, and 0.001 levels，respectively. Different lowercase letters a，b，c following numbers showed significant difference between different cover cropping treatments under different nitrogen levels(P<0.05). NS means not significant. The same below.

3 討 論

3.1 填閑種植和施氮對土壤水分及降水貯存效率的影響

填閑作物生長是否會導致土壤水分過度消耗是旱作農田填閑種植系統能否建立的核心問題。本文結果顯示，在種植長武懷豆后，整個夏季休閑期間耗水量較裸地增加了14～17 mm，這與前人研究結果基本一致[8]。例如李可懿等[8]研究發現與夏季休閑相比，種植綠豆、大豆、秋豆等填閑作物后，小麥播前 0～200 cm 土壤平均水分含量顯著降低。然而，與懷豆單播和混播不同，黑麥草單播與裸地相比降水貯存效率和冬小麥播前土壤水分并無顯著差異。Daigh等[9]指出，在愛荷華州發現休閑期種植黑麥草提高了休閑期土壤貯水量。本文與Daigh研究有些差異，黑麥草并沒有提高土壤貯水量，其原因可能是2015年夏季為干旱季，其中30 d以上無有效降水，造成了黑麥草長勢較差，在填閑作物種植前期地面覆蓋程度與對照相比無明顯差異，而在下雨過后，黑麥草迅速生長急速地消耗了土壤水分，并沒有形成保熵作用，這可能是造成黑麥草沒有提高土壤水分的原因。Basche等[10]在美國中西部的研究中發現，與冬季休閑處理相比，填閑作物處理能提高0～30 cm的土壤含水率，并且長期種植黑麥草不僅可以改善土壤水分狀態，且對后續經濟作物生長無明顯影響。在旱作農業區，區域降水量和休閑期貯水量是限制其農業發展的重要因素，而種植填閑作物雖不能避免消耗水分，但可以通過一些合理的途徑減少耗水量，如適當的減小填閑作物的播種密度，選取生物量大而耗水少的填閑作物，采取秸稈覆蓋填閑作物等措施。

3.2 填閑種植和施氮對后續小麥產量的影響

本研究中夏閑期間種植并翻壓長武懷豆后，冬小麥的產量和水分利用率均顯著下降，而單播黑麥草無顯著變化，這與趙娜[6]的報道相一致。然而，李富翠等[11]曾報道種植綠肥對冬小麥的產量不會有顯著影響，降水年型和填閑作物耗水能力差別可能是結果不同的主要原因[12-15]。本試驗期間，2015年7月至9月的降雨量為234.6 mm，較休閑期的多年平均同期降水量313 mm減少了78.4 mm，屬于典型干旱年份，而長武懷豆單播和二者混播生物量遠大于黑麥草單播，導致長武懷豆單播和二者混播的耗水量大，冬小麥播前土壤水分顯著低于對照和黑麥草單播處理。同時在該年小麥生育期間，降雨量229.7 mm，有效降水144.2 mm，低于前50 a平均降水量275 mm，這就導致小麥前期土壤水分不足，同時后期降水少，小麥整個生育期都是較缺水的狀態，這可能是種植長武懷豆以及與黑麥草混播導致小麥減產的原因，而單播黑麥草土壤貯水量與對照無明顯差異，對后續小麥產量也并未造成顯著影響。本研究于種植小麥前兩周收獲并翻壓填閑作物，但是2015年夏季較往年干旱，種植小麥前降雨量較少,降低了降水儲存效率。隨著填閑作物的種植，大量填閑作物翻壓，土壤有機質含量不斷提高，物理性狀逐步改善，可能會彌補因填閑作物耗水而導致后續小麥減產的不良后果[7,16]。而在豐水年和平水年, 填閑種植導致后續糧食作物減產的風險可能會有所降低[11]。

表2 填閑種植和施氮對2015-2016年度小麥產量形成和水分利用的影響

4 結 論

在黃土高原渭北旱塬區降水量少、水資源利用效率有限的條件下，在冬小麥單作系統夏季休閑期間種植填閑作物和施氮肥對土壤水分和作物生產具有顯著影響。與裸地休閑相比，長武懷豆單播和與黑麥草混播由于較高的生物量積累導致土壤水分的過度消耗，并影響了后續冬小麥產量形成，而黑麥草單播對休閑期降水貯存效率、冬小麥播前土壤水分以及作物產量與水分利用沒有影響，可以考慮在本地區進行推廣種植。本實驗研究時間較短，而降水、氣溫等因素具有年際變化性和隨機性，今后需要進行多年的長期定位試驗，結合合理的氮肥配施、播種密度控制、翻壓時間調節等管理措施，深入探討填閑種植系統生產力形成機制。

致謝：感謝中國科學院長武黃土高原農業生態試驗站李玉成管理員在野外試驗中給予的幫助。