不同有機物料還田對麥后復種綠肥模式下植株生長及水分利用的影響

康雨欣　宋明丹　韓梅　李正鵬

摘要：為解決青海高原地區(qū)水分資源利用率低、麥后休閑期長導致的農田資源浪費等問題，對小麥季、綠肥季農田土壤的水分利用效率及小麥產量、綠肥生物量進行研究，旨在為該地區(qū)水分高效利用提供理論依據和技術支撐。試驗設置3種不同物料還田處理：W處理，秸稈還田；G處理，綠肥還田；W＋G處理，秸稈和綠肥配施還田；以常規(guī)施氮（CK1）為對照，研究不同處理對小麥季、綠肥季土壤水分利用效率、小麥產量、綠肥生物量的影響。結果表明：小麥季秸稈還田處理對10～20 cm土壤含水量的促進效果最佳，較CK1提高5%，各處理100 cm土層儲水量為130～160 mm，其中CK1、秸稈還田處理在0～80 cm土層的儲水量顯著高于G、W＋G處理；在80～100 cm土層中，CK1的儲水量顯著高于G、W+G處理；綠肥還田處理的農田耗水量較CK1顯著提高16.1%，秸稈還田處理的水分利用效率最高。不同物料還田處理較CK1均提高了小麥產量，其中秸稈還田處理的小麥產量最高，較CK1增產7.9%。麥后復種綠肥季各處理的土壤含水率均隨土層深度的增加而增加，種植綠肥后土壤含水率均低于無綠肥種植處理。在0～100 cm 土層儲水量中，秸稈還田處理的保水效果最佳，達到236.56 mm，較CK1提高11.1%。相較于無覆蓋處理，秸稈覆蓋種植處理的綠肥地上生物量、水分利用率分別降低1.9%、8.1%，綠肥地下生物量、根冠比增加15.1%、22.9%。綜合來看，不同物料還田均提高了土壤水分利用效率和小麥產量，秸稈覆蓋配施化肥的優(yōu)化效果最佳，麥后復種綠肥降低了土壤含水率及儲水量，同時覆蓋秸稈增加了綠肥的地下生物量和根冠比。

關鍵詞：秸稈還田；復種；綠肥；水分利用；產量

中圖分類號：S512.104；S344.3文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）09-0248-06

我國北方干旱、半干旱地區(qū)是重要的糧食生產區(qū)，光熱資源豐富［1］，但也存在土壤干旱、降水量小、蒸發(fā)量大、水分匱乏等限制條件［2-3］。水分是植物生命活動的重要條件之一［4］，農田土壤需通過灌溉、降水等補給水分，再由作物吸收利用，保障作物生長和發(fā)育［5-6］。如何保留有效降水、減少農田蒸發(fā)量并提高土壤水分利用率，是旱作區(qū)農田的主要研究內容［7］。覆蓋物料能夠有效降低土壤水分的蒸發(fā)，提高土壤保墑能力，是一種有效的節(jié)水措施［8］。秸稈中含有豐富的有機物，是可以直接利用的農業(yè)廢棄物［9-10］。秸稈覆蓋可以改善土壤質量，提高農田土壤肥力，增加作物產量［11-12］。秸稈還田后可以增加土壤孔隙度［13］，促進農田水分保持，降低農田耗水量［14-15］。李榮等研究表明，通過秸稈還田配施氮肥，能夠有效增加土壤的總孔隙度和毛管孔隙度，有利于提高作物的水分利用效率［16］。綠肥是一種生育期較短的覆蓋作物，可以培肥土壤、改善土壤結構、促進作物養(yǎng)分供給［17］。青海高原地區(qū)屬高寒干旱地區(qū)，氣候冷涼，作物生長多為一季［18］。春小麥是該區(qū)的主要糧食作物，在其收獲后，農田裸露，入冬前的農田資源被浪費［19］。秋閑種植綠肥模式將綠肥以科學方式還田，水分被高效利用，為干旱少雨地區(qū)提供一種節(jié)水型種植方式［17］。綠肥還田提高了主作物的水分利用效率，為作物生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境，從而增加作物產量［20-22］。但在降水不足的地區(qū)，種植綠肥消耗土壤水分，土層中的貯水量降低，導致后茬作物產量下降，水分利用效率降低［23-24］。

當前農業(yè)生產中，小麥對水分需求量大，利用效率低，為了追求高產量而過量施肥還會導致土壤酸化和鹽堿化［25-26］。秋閑農田種植綠肥對土壤水分的消耗大大增加，進而對后季小麥產量有一定影響［27］。覆蓋秸稈等措施使農田耕層水分蒸發(fā)速率減緩，降低土壤水分損耗，起到一定的蓄水作用［28-29］。前人研究主要集中于秸稈、綠肥等單一因素對作物產量和水分利用效率的影響。李富翠等將秸稈覆蓋和種植綠肥相結合，研究對下一季小麥產量和水分利用的影響，結論是秸稈覆蓋增加了小麥生育期耗水量［30］。本研究在青海高原氣候條件下，分析秸稈、綠肥還田后對小麥季農田土壤儲水消耗、水分利用率及小麥產量的影響；同時針對麥后休閑期長、農田資源浪費、水土流失等問題，分析覆蓋秸稈種植綠肥對綠肥生長情況、土壤含水率、水分利用效率的影響，旨在為該地區(qū)水分高效利用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在青海大學農林科學院試驗地進行，該地位于青海省西寧市城北區(qū)廿里鋪鎮(zhèn)莫家莊（36°56′N，101°74′E），海拔高度為2 314 m，屬于高原大陸性半干旱氣候，西寧市（2015—2020年）年平均風速 1.58 m/s，年均氣溫6.12 ℃，年均降水量494.2 mm，年日照時數2 470.44 h［26］。小麥生育期降水量和溫度變化如圖1所示。土壤類型為栗鈣土，0～20 cm 土層的基礎理化性質：pH值為8.28，含有機質 21.76 g/kg、全氮1.27 g/kg、速效磷28.15 mg/kg、速效鉀203.59 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗設還田物料為秸稈、綠肥（毛葉苕子），其中秸稈設置2個水平：無秸稈還田、還秸稈；綠肥設置2個水平：無綠肥還田、還綠肥。2個因素完全組合共4個處理，分別為：無秸稈無綠肥對照（CK1）、還秸稈（W）處理、還綠肥（G）處理、秸稈綠肥聯(lián)合還田（W+G）處理。采用隨機區(qū)組設計，共15個小區(qū)（長×寬=4 m×4 m，重復3次）。各小區(qū)施肥量一致，供試肥料為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O5 12%），其中氮肥以基追比7 ∶3分別施入，磷肥在小麥播前一次性施入作為底肥。

小麥秸稈還田量為5 500 kg/hm2，毛葉苕子還田量為3 750 kg/hm2，各物料于2021年10月23日翻壓還田。供試小麥品種為青春40，2022年3月25日播種，種植方式為人工條播，行距20 cm，播種量300 kg/hm2。為保證出苗，2022年4月1日灌水30 mm。其他管理措施同當地農民的栽培習慣一致，2022年7月20日收獲。小麥收獲后種植毛葉苕子，于2022年7月27日播種，條播，行距為 40 cm，播種量105 kg/hm2，2022年10月15日收獲。

1.3 指標測定和計算

生物量及產量：于小麥收獲期，小區(qū)內確定2個1 m2樣方，調查小麥穗數，取部分子樣，測定每穗粒數、千粒重，計算理論產量。每個小區(qū)單打單收，計算實際產量。綠肥翻壓前，小區(qū)內確定2個 1 m 行，取出地上、地下部分，清洗干凈。所有植株樣品在105 ℃殺青30 min后，在75 ℃烘干至恒重。

收獲指數=（小麥籽粒產量小麥地上生物量）；根冠比=（地下部干重地上部干重）。

土壤水分：于小麥播種前（2022年3月23日）、收獲后（2022年7月20日）、綠肥收獲后（2022年10月15日）3個時期，采用內徑5 cm的土鉆采取 0～100 cm土樣（0～40 cm按每10 cm取1層，40～100 cm每20 cm取1層）。采用烘干法，將土樣在105 ℃下烘干至恒重，測定土壤含水量。

土壤儲水量（SWS）：

式中：SWS為土壤貯水量，mm；h為土層厚度，cm；a為土壤容重，g/cm3；θ為土壤質量含水量，cm3/cm3；10為單位換算系數；i為土壤層次，cm。

農田耗水量（ETa）計算公式如下：

式中：ETa為農田耗水量；Pr為降水量，本研究中小麥季降水量135.15 mm，綠肥季降水量為287.33 mm；I為灌溉量，小麥季灌水30 mm；ΔSWS為1 m土層土壤儲水量在播種與收獲時的差值；R為地表徑流；D為滲漏量；K為地下水補給量。所有計量的單位均為mm。本試驗區(qū)地下水位埋深約50 m，R、D、K忽略不計。

根據作物實際耗水量計算水分利用效率［6］，公式如下：

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；BIO為植株干物重，kg/hm2。

1.4 數據統(tǒng)計分析

使用Excel 2019進行數據整合，SPSS 24.0進行數據統(tǒng)計和方差分析，LSD進行多重比較，顯著性水平均為0.05；使用Origin 2023繪圖。

2 結果與分析

2.1 小麥收獲期土壤水分分布特征

圖2-a為不同物料還田下小麥收獲期0～100 cm 土層土壤含水量的垂直分布，各處理的含水率呈先增后降再增的趨勢，且在深40 cm處土壤含水率均達到最低，各處理在深20 cm處土壤含水率均達到最大值，其中秸稈還田處理（W）對10～20 cm 土壤含水量的促進效果最佳，較CK1土壤含水率提高5%。

由圖2-b可知，各處理100 cm土層儲水量在130～160 mm之間，其中CK1在0～80 cm土層儲水量最高，各處理土層儲水表現(xiàn)為CK1＞W＞W＋G＞G，綠肥還田處理（G）、聯(lián)合還田處理（W＋G）的儲水量顯著低于CK1、W處理，G處理分別降低7.0%、6.0%。在80～100 cm土層中，CK1儲水量達到最高，G、W＋G處理的儲水量顯著低于CK1。

2.2 綠肥翻壓期土壤水分分布特征

麥后復種綠肥收獲季土壤含水量如圖3-a所示，各處理土壤的含水量整體呈隨土層深度增加而增加的趨勢。其中，W處理的含水量整體高于其他處理。CK1在40～60 cm土層中的含水量達到最大值，隨后逐漸降低。G、W＋G處理在40～60 cm土層中有下降趨勢。

圖3-b為麥后復種綠肥收獲季種植綠肥與無綠肥種植的土壤含水量垂直分布圖，在0～100 cm土層中，無綠肥種植處理的土壤含水率隨土層深度的增加而增加，在0～10 cm土層低于種植綠肥處理。在30～40 cm、40～60 cm土層含水率差異較為明顯，種植綠肥較無種植綠肥處理分別降低10.9%、19.8%。圖3-c為各處理在100 cm土層儲水量變化，在0～100 cm土層中儲水量整體表現(xiàn)為W＞CK1＞G＞W＋G，W處理的儲水量達到236.56 mm，較CK1儲水量提高11.1%，W＋G處理的儲水量較G處理降低3.6%，不同處理間無顯著差異。

2.3小麥產量及其構成要素變化

不同物料還田處理對小麥產量、產量構成要素的影響如表1所示。不同物料還田處理均促進小麥產量的增加，其中W處理產量最高。各處理收獲指數較對照均無顯著差異。W、G、W＋G處理的產量分別比CK1處理高7.9%、7.6%、0.9%。

通過分析產量構成因素發(fā)現(xiàn)，與CK1相比，W、G、W＋G處理均能促進穗粒數的增加，方差分析結果表明，不同處理間均無顯著差異。W處理的千粒重顯著高于W＋G處理。產量構成中，秸稈和綠肥各自的主效應不顯著，其中秸稈和綠肥交互作用對千粒重效應顯著。

2.4 綠肥的干物重變化

不同處理對綠肥收獲期地上、地下生物量的影響如圖4所示。W+G處理的地上干重較G處理降低1.9%，同時覆蓋秸稈有明顯促進毛葉苕子地下干重、根冠比的增加，分別增加15.1%、22.9%。

2.5 小麥季、綠肥季耗水組成及WUE的變化

對小麥季、綠肥季的耗水量、水分利用效率進行方差分析，結果如表2所示。小麥季儲水消耗量各處理表現(xiàn)為G＞W＋G＞W＞CK1，物料還田處理均不同程度地增加了儲水消耗量。與CK1相比，G處理的農田耗水量顯著提高41.4%。W＋G處理比G處理的儲水消耗量降低8.3%。秸稈還田處理較CK1提高了水分利用效率，不同處理間水分利用效率未達到顯著差異水平。綠肥還田處理對儲水消耗量和農田耗水量的主效應極顯著，而秸稈還田處理均不顯著。

綠肥季降水量為287.33 mm，覆蓋秸稈降低綠肥生物量，且覆蓋秸稈種植綠肥處理較無覆蓋處理的水分利用率降低8.1%。

3 討論

土壤水分作為農作物正常生長發(fā)育所需的關鍵要素之一，主要受土壤結構的影響，覆蓋物料能夠有效降低土壤水分的蒸發(fā)［8］，有利于增強土壤水分的保蓄能力［31］，同時秸稈還田可以改善土壤質量， 提高農田土壤肥力，增加作物產量［11-12］。鄭云珠等研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田處理下小麥生育期0～100 cm 土壤含水量高于對照［10］。全量秸稈還田對土壤水分保持效果最佳，配施化肥可增加作物產量［32］。本研究發(fā)現(xiàn)，在小麥收獲期不同處理間土壤含水量差異不顯著，秸稈還田處理可提高小麥生育期0～20 cm土層的含水率。這一現(xiàn)象可以從還田后秸稈腐解的角度解釋，秸稈腐解初期需要大量土壤水分，因此會出現(xiàn)與作物爭奪水分的現(xiàn)象；待秸稈后期腐解結束后，一部分營養(yǎng)元素釋放改善了土壤的理化性狀，從而增加土壤的蓄水能力，增加土壤含水率［33］。本研究還發(fā)現(xiàn)，物料還田處理0～80 cm 土壤的儲水量均低于對照，且綠肥還田處理儲水量顯著低于對照處理，這與王玉瓏等研究麥后復種綠肥并翻壓處理后提高0～110 cm土層土壤儲水量的結果［17］存在差異。在較干旱地區(qū)，充足的降水量會補充豆科綠肥生長過程中消耗的土壤水分；在降水不足的年份，綠肥生長土壤中消耗的水分沒有得到補償，導致土壤水分虧缺，水分利用率降低，產量受到影響［34］。

作物秸稈是農業(yè)生產過程中的廢棄物。現(xiàn)有研究表明，作物秸稈可以通過腐解等作用形成腐殖質，補充土壤中的營養(yǎng)元素，在秸稈還田措施的基礎上可以進一步減施化肥［35］。本研究也證明，可以利用物料還田后腐解釋放的氮素替代化肥中部分氮肥達到平衡養(yǎng)分供應的效果。通過秸稈還田和減施化肥的配施方案也能夠增加土壤養(yǎng)分含量，對作物的生長發(fā)育有促進作用，進而達到作物增產的目的［36-37］，這與本研究中不同物料還田較對照均提高了小麥產量的結果一致。本研究結果還表明，秸稈還田處理下小麥增產最多。秸稈還田后影響小麥產量的直接原因是穗數變化［38］。本研究中秸稈還田處理能夠增加小麥有效穗數，實現(xiàn)小麥增產，這可能是秸稈還田后能夠提高土壤水分所致。但是秸稈還田處理對小麥的千粒重、穗粒數的影響較小，可能是由于本試驗是秸稈還田后的第1年，秸稈的還田量較低，短期內秸稈還田未能影響小麥單穗結實率及灌漿過程，因此沒有表現(xiàn)出明顯的增產效果。有研究表明，就提高土壤養(yǎng)分而言，施用綠肥+秸稈的效果優(yōu)于單施綠肥［39］。而本研究中秸稈與綠肥聯(lián)合還田后增產效果卻低于秸稈還田，這可能是由于種植綠肥會消耗土壤水分，且當年沒有追施氮肥，土壤肥力低于平均水平。因此，秸稈和綠肥聯(lián)合還田在土壤中存在較為復雜的轉化過程，這其中的調控機制還需進一步研究。

根冠比能夠反映作物對產物及能量的分配能力，是衡量作物生長和對光合作用產物分配情況的重要指標［40］。本研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋秸稈較無覆蓋秸稈處理的綠肥生物量下降，原因可能是覆蓋秸稈后使得綠肥生長時通風透光不良，且該地區(qū)秋季降水量較多，容易出現(xiàn)苗期綠肥腐爛問題。因此地上部分的生長受到抑制，根系壯大，使得根冠比增大［40］。有研究表明，相對于裸地處理，旱作地區(qū)不同覆蓋方式種植玉米處理促進根系生長，根冠比增高［41］，與本研究的結論相似。綜合麥后復種模式水分利用效率和植株生長來看，應優(yōu)化不同物料還田提高水分利用效率的模式，深度挖掘物料還田后養(yǎng)分釋放對作物生長的影響。

4 結論

小麥收獲期各處理在100 cm土層含水率變化呈先增后降再增的趨勢，各處理在20 cm處土壤含水率均達到最大值，秸稈還田處理對10～20 cm 土壤含水量的促進效果最佳，較CK1土壤含水率提高5%；在0～100 cm土層中，CK1儲水量均達到最高。不同處理較CK1均提高了小麥產量，其中秸稈還田配施氮肥處理的效果最佳。秸稈還田處理較CK1提高了水分利用效率，但不同處理間未達到顯著差異。

麥后復種綠肥季各土層儲水量隨土層深度的增加而增加，種植綠肥處理的土壤含水量均低于無綠肥種植處理，其中在30～40、40～60 cm土層中較無綠肥種植處理分別降低10.9%、19.8%，在0～100 cm土層中秸稈還田處理保水效果最佳，達到236.56 mm，較CK1處理提高11.1%。 麥后復種綠肥降低了土壤含水率及儲水量，同時覆蓋秸稈種植綠肥，增加了綠肥地下生物量和根冠比，從而降低綠肥水分利用效率。

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收稿日期：2023-06-16

基金項目：國家自然科學基金（編號：32160759）；青海省科協(xié)中青年科技人才托舉工程（編號：2022QHSKXRCTJ24）。

作者簡介：康雨欣（2000—），女，陜西榆林人，碩士研究生，研究方向為植物營養(yǎng)。E-mail：kkyuxin@outlook.com。

通信作者：李正鵬，博士，助理研究員，研究方向為農業(yè)資源高效利用。E-mail：lipengzheng131@163.com。