李軍輝 王 凱 楊珍平 高志強

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山西 太谷 030801)

山西省位于黃土高原東緣,屬大陸性半干旱氣候,干旱、土壤肥力低下是限制全省小麥生產(chǎn)的重要因素之一[1-3]。晉中地區(qū)是山西省小麥生產(chǎn)的重要區(qū)域,僅次于南部臨汾、運城主產(chǎn)區(qū)。從小麥生態(tài)氣候區(qū)劃來看,晉中麥區(qū)屬北方晚熟冬麥區(qū)[4],從小麥品質(zhì)區(qū)劃來看,則隸屬強中筋優(yōu)質(zhì)麥區(qū)。該區(qū)年平均氣溫6.6～10.8℃,年積溫3 350.1℃,年日照時數(shù)2 330.8～2 704.3 h,種植制度多為一年一作。每年9月25日秋分前后種植冬小麥,翌年6月20-25日收獲,整個生育期260 d 左右,7-9月為休閑期。該區(qū)全年平均降雨量約458 mm,而休閑期降水約占全年降水的60%以上。因此,前人對休閑期覆蓋保水方面進行了大量研究。賀立恒等[5]和孫敏等[6]研究表明,在休閑期進行土壤深松有利于提高播前土壤含水量,有利于小麥生長;任愛霞等[7]研究表明,夏休閑期覆蓋地膜同樣能有效提高土壤蓄水保墑能力,提高小麥產(chǎn)量和籽粒品質(zhì);此外,提前深施有機肥,深松配套膜際條播方式等均可以明顯提高土壤蓄水保水以及小麥產(chǎn)量[8-10]。總之,旱地小麥夏休閑期三提前(提前土壤耕作、提前施用有機肥、提前秸稈或地膜覆蓋)技術(shù),是提高旱地小麥生育期間0～300 cm 土層土壤含水量、提高籽粒水分高效利用的重要措施。在夏休閑期無論是采用不同耕作措施,還是覆蓋地膜,都僅提高了土壤水分,而光熱資源沒有得到充分利用。根據(jù)姚致遠等[11]在陜西長武的研究,夏休閑期種植油菜綠肥不僅起到了對土壤水分的保護作用,而且充分利用了夏休閑期的光熱資源,提高了光能利用率和土地利用率。本研究擬將飼料油菜綠肥引入晉中麥區(qū),探討其對后作小麥生長及經(jīng)濟效益的影響,旨在為合理利用休閑期、提高晉中麥區(qū)經(jīng)濟效益提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2015年6月-2016年6月在山西省晉中市太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗田內(nèi)進行。試驗田土壤類型為褐土,土質(zhì)中壤土,0～40 cm 耕層土壤養(yǎng)分含量為有機質(zhì)13.25 g·kg-1、全氮1.89 g·kg-1、全磷198.5 mg·kg-1、速效氮57.5 mg·kg-1、速效磷11 mg·kg-1、速效鉀135 mg·kg-1,pH值8.0。

1.2 供試材料

飼料油菜品種:華油雜62號,甘藍型半冬性波里馬細胞質(zhì)雄性不育系雜交種,春油菜晚熟組全生育期140 d 左右,由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、湖北國科高新技術(shù)有限公司提供。

冬小麥品種:CA0547,冬性,強筋,由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所育成。

1.3 試驗設(shè)計

2015年6月28日,前茬小麥收獲后,撒播飼料油菜,播種量22.5 kg·hm-2,播種面積300 m2,設(shè)不種油菜為空白對照(CK0)。重復(fù)3 次。9月14日,在上述每個重復(fù)的飼料油菜田中取3個0.667 m2的樣段,將地上部植株收獲,測定鮮重和干重(經(jīng)測定平均鮮重4 443.3 kg·666.7 m-2,平均干重543.3 kg·666.7 m-2),將植株晾干粉碎,測定植株N、P含量(經(jīng)測定平均N含量為24.05 kg·666.7 m-2,平均P含量為2.38 kg·666.7 m-2)。之后,將每個重復(fù)的飼料油菜田平均劃分成2個小區(qū),其中一個小區(qū)將油菜植株的地上部分全部收獲(CK1),另一個小區(qū)將油菜植株的地上部分全部粉碎還田(T)。9月26日,將上述所有地塊統(tǒng)一進行旋耕處理,并機械條播后作小麥,行距20 cm,播種量15 kg·666.7 m-2。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 植株農(nóng)藝性狀及籽粒蛋白質(zhì)組分含量測定 于后作小麥三葉期(2015年10月16日)、越冬期(2015年12月1日)、返青期(2016年3月8日)、起身期(2016年4月2日)、拔節(jié)初期(2016年4月15日)、拔節(jié)中期(2016年4月23日)、孕穗期(2016年5月1日)、抽穗期(2016年5月4日)、揚花期(2016年5月11日)進行隨機取樣,每個處理取10株,測其株高、綠葉數(shù)、旗葉長寬、倒二葉長寬以及整株干重和穗干重。再于開花期選擇同天開花、大小均勻的穗掛牌標記,于花后5、10、15、20、25、30 d 取樣,每次取30個穗和10 片旗葉。取部分穗于105℃殺青30 min,80℃烘干至恒重,然后粉碎,最后采用連續(xù)提取法測定籽粒清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量。采用半微量凱氏定氮法測定含氮量,再乘以5.7 即為蛋白質(zhì)含量[12]。每個處理再取10個莖,測其旗葉長寬、倒二葉長寬、單莖干重和穗干重。

1.4.2 產(chǎn)量測定 在小麥成熟期,每個處理隨機取3個面積為0.667 m2的小區(qū)進行單獨收獲,并計算每個小區(qū)的總穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和實際產(chǎn)量。

1.4.3 植株N、P含量測定 采用植株NPK 聯(lián)合測定法[13]。將三葉期、越冬期、返青期、起身期、拔節(jié)初期、拔節(jié)中期、孕穗期、抽穗期、揚花期以及花后5、10、15、20、25、30 d 所取單株或單莖樣品,烘干,粉碎,稱重,經(jīng)H2SO4-H2O2消煮,全氮測定采用半微量凱氏定氮法,全磷測定采用釩鉬黃比色法。

1.4.4 土壤酶活性、土壤有機質(zhì)含量及土壤相對含水量的測定 分別于上述后作小麥的拔節(jié)初期(2016年4月15日)和孕穗期(2016年5月1日),在每個處理隨機選3個樣點,在小麥植株根軸部位,用直徑8 cm的螺旋式土鉆,按0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm的垂直土層依次分層獲取土樣,所取土樣分成2份,1份裝入鋁盒用于土壤相對含水量的測定,1份裝入自封塑料袋以備土壤酶活性和土壤有機質(zhì)含量的測定。

采用烘干直接稱重法測定土壤相對含水量。

將上述土樣風(fēng)干,粉碎,按土壤養(yǎng)分測定的要求過0.25 mm 篩,采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法[12]測定有機質(zhì)含量;按土壤酶活性測定的要求過1 mm 篩,采用靛酚比色法測定土壤脲酶活性[14],酶活性以培養(yǎng)24 h后每克干土中NH3-N的質(zhì)量變化表示;采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性[12],酶活性以培養(yǎng)24 h后每克干土中葡萄糖的質(zhì)量變化表示。

1.5 周年經(jīng)濟效益計算

根據(jù)當年飼料油菜和小麥的實際產(chǎn)量與收購價格,計算產(chǎn)出值;根據(jù)當年農(nóng)機作業(yè)、種子、肥料、農(nóng)藥、人工等投入,計算生產(chǎn)成本費用;從產(chǎn)出值中扣除生產(chǎn)成本后,即為冬小麥-油菜的周年經(jīng)濟效益。

公式計算如下:

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Office Excel 2007 制表作圖,并用SAS 9.0軟件對數(shù)據(jù)進行ANOVA 方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥后復(fù)種飼料油菜對后作冬小麥生長發(fā)育的影響

2.1.1 麥后復(fù)種飼料油菜對后作冬小麥抽穗前單株綠葉數(shù)及株高的影響 由圖1可知,從三葉期到孕穗期,隨著生育期的延長,后作冬小麥單株綠葉數(shù)及株高均呈逐漸增加的趨勢;就單株綠葉數(shù)而言,從三葉期至越冬期為第一次增長高峰期(P＜0.05),從起身期至拔節(jié)初期為第二次增長高峰期(P＜0.05),從拔節(jié)初期開始各處理之間的差異增大,以T的單株綠葉數(shù)最多,且顯著高于其他處理(P＜0.05)。而株高的顯著增加發(fā)生在起身期至孕穗期,尤其起身期至拔節(jié)初期增長幅度更大,但3個處理間僅在拔節(jié)初期達到差異顯著水平,且T的株高在整個拔節(jié)期均顯著低于其他處理(P＜0.05),其原因可能是還田處理需要消耗部分土壤營養(yǎng)用于油菜腐解,同時還田處理促進了單株分蘗增多,植株生長健壯,因而株高偏低。

圖1 不同處理下小麥抽穗前單株綠葉數(shù)(A)和株高(B)的變化曲線Fig.1 Changing curves of green leaves (A) and plant height (B) per wheat plant in the different treatments

2.1.2 麥后復(fù)種飼料油菜對后作冬小麥功能葉葉面積的影響 本研究中,揚花期前調(diào)查的是單株功能葉片(旗葉和倒二葉,表1)的長、寬和面積;花后灌漿期調(diào)查的是單莖功能葉片(旗葉和倒二葉,表2)的長、寬和面積。

由表1可知,花前單株功能葉片的長、寬和面積受生育時期的影響(旗葉的變異系數(shù)約33.34%～62.73%,倒二葉的變異系數(shù)約15.65%～42.91%)明顯大于受處理的影響(旗葉的變異系數(shù)約1.45%～27.81%,倒二葉的變異系數(shù)約0.33%～10.36%),與上述單株綠葉數(shù)和株高的情況類似。不同處理對功能葉片葉寬的影響(旗葉的變異系數(shù)為1.53%～20.66%,倒二葉的變異系數(shù)為2.11%～10.36%)明顯大于對葉長的影響(旗葉的變異系數(shù)為1.45%～4.26%,倒二葉的變異系數(shù)為0.33%～3.80%)。整體而言,旗葉的葉面積在揚花期達到最大值(CK0葉面積除外),孕穗后變化不大;尤其葉寬和葉面積,處理間的差異主要表現(xiàn)在起身期-拔節(jié)中期,其次是揚花期,在孕穗期、抽穗期3個處理間無顯著差異(P＞0.05)。倒二葉的葉長、葉寬及葉面積增長主要在起身期-拔節(jié)初期,各處理間的差異大多不顯著(P＞0.05)。

由表2可知,隨著灌漿期的推進,小麥功能葉的葉長、葉寬及葉面積呈緩慢降低的趨勢?？傮w而言,種植油菜處理能在一定程度上保持灌漿期旗葉葉面積,對倒二葉葉面積的影響也不大。

2.2 麥后復(fù)種飼料油菜對后作冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響

由表3可知,3個處理的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)差異主要表現(xiàn)在穗粒數(shù)上,為T＞CK0＞CK1(P＜0.05);總穗數(shù)和千粒重差異不顯著(P＞0.05)。從實際產(chǎn)量來看,T 較CK0增產(chǎn)5.7%,但兩處理差異不顯著(P＞0.05),CK1產(chǎn)量較CK0顯著降低。

2.3 麥后復(fù)種飼料油菜對后作冬小麥植株氮磷、干物質(zhì)積累及籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

2.3.1 對植株氮磷積累的影響 由表4可知,生育時期對小麥植株N、P含量積累的影響遠大于不同處理的影響?；ㄇ靶←溨仓闚、P含量呈先升高后降低的變化趨勢,其中N含量在孕穗期達到最大值(P＜0.05),P含量在返青期達到最大值。處理之間比較,返青期之前以CK0的植株N含量最高(P＜0.05),起身期至拔節(jié)中期以T的植株N含量最高(P＜0.05),可能原因是冬前還田處理需要消耗一部分營養(yǎng)用于油菜腐解,而在返青期至拔節(jié)期的分蘗大量發(fā)生期,T 因油菜腐解后增加了土壤無機N含量,從而促進了根系吸收及莖葉N 積累。而對于植株積累P含量,T 則不具備優(yōu)勢。

表1 不同處理下小麥返青期至揚花期單株功能葉面積的變化Table1 Change of functional green leaf area per wheat plant from reviving stage to flowering stage of the different treatments

表2 不同處理小麥灌漿期單莖功能葉面積的變化Table2 Change of functional green leaf area per wheat stem in the different treatments

表2(續(xù))

表3 不同處理對小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響Table3 Effects of different treatments on wheat yield and yield composition

表4 不同處理對小麥植株氮磷含量的影響Table4 Nitrogen and phosphorus contents of wheat plant /(g·kg-1)

觀察灌漿期的單莖N、P含量,發(fā)現(xiàn)隨著灌漿期的推進,單莖N 積累呈逐漸升高趨勢,花后30 d 達到最大值(P＜0.05);單莖P 積累呈先降低后升高的趨勢,花后15 d 最低,花后5 d和30 d 差異不顯著(P＞0.05)。處理之間比較,T的單莖N 積累較高,其單莖P 積累在花后20～30 d 也最高(表4)?？傊?麥后復(fù)種飼料油菜有利于后作小麥植株或單莖N、P 積累量的提高。

2.3.2 麥后復(fù)種飼料油菜對后作冬小麥灌漿期干物質(zhì)積累影響 在灌漿期,隨著花后同化產(chǎn)物積累及植株干物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)移,穗部干重呈逐漸增加趨勢(圖2-B),而植株干重呈下降趨勢(圖2-A)。本試驗中,花后5～20 d是植株干物質(zhì)快速運轉(zhuǎn)期,花后20～30 d是穗部干物質(zhì)快速增長期,說明花后20～30 d 穗部干物質(zhì)積累主要源于光合產(chǎn)物積累。處理之間比較,T的植株干物質(zhì)運轉(zhuǎn)及花后光合產(chǎn)物積累均明顯高于其他兩個處理。

圖2 不同處理下小麥灌漿期植株干重(A)、穗干重(B)變化趨勢Fig.2 Line diagrams of dry weights per plant and per panicle for wheat under the different treatments in the filling period

2.3.3 油菜還田對小麥灌漿期籽粒蛋白質(zhì)積累特性的影響 由表5可知,隨著灌漿期的推進,小麥籽粒蛋白質(zhì)總含量整體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,在花后10 d 到達最低點,之后持續(xù)升高,在花后30 d 達到最大值,其中T的蛋白質(zhì)含量顯著高于CK0和CK1(P＜0.05)。觀察各蛋白組分含量隨灌漿進程的變化趨勢可知,清蛋白含量呈持續(xù)下降趨勢;球蛋白含量與蛋白質(zhì)總含量趨勢類似,呈先下降后上升的趨勢,在花后15 d 達到最低;而醇溶蛋白和谷蛋白含量從花后5 d開始持續(xù)增長,在花后30 d 達到最高?？傮w來說,在灌漿初期(花后0～10 d),小麥籽粒中以清蛋白和球蛋白為主要成分,進入灌漿高峰期(花后10～20 d)后,清蛋白含量降低,球蛋白含量先降低后升高,醇溶蛋白和谷蛋白含量增加。這種變化可能與小麥品種有很大關(guān)系,CA0547是一種強筋小麥,濕面筋含量較高(32%～35%),而醇溶蛋白和谷蛋白水合后形成面筋,是決定小麥面筋含量的重要因素,因此,在灌漿后期谷蛋白和醇溶蛋白積累增多。處理間比較,T 明顯提高了灌漿后期(花后20～30 d)籽粒醇溶蛋白和谷蛋白含量,提升了小麥籽粒品質(zhì)。

2.4 麥后復(fù)種飼料油菜對后作冬小麥土壤有機質(zhì)、酶活性及水分狀況的影響

本試驗選擇后作冬小麥分蘗發(fā)生高峰期(拔節(jié)期,2016年4月15日取樣)和分蘗兩級分化期(孕穗期,2016年5月1日取樣)進行后作小麥根際土壤有機質(zhì)含量(圖3-A)、脲酶活性(圖3-B)、蔗糖酶活性(圖3-C)以及土壤含水量(圖3-D)的測定。對上述各指標分別作生育時期(a)、還田處理(b)及土層深度(c)的三因素方差分析及多重比較(表略),結(jié)果表明,試驗?zāi)Ｐ涂偡讲罹_到差異極顯著水平(P＜0.001 或P＜0.000 1,R2=0.877 1～0.962 5),分析可靠。

由圖3-A可知,拔節(jié)期的有機質(zhì)含量明顯高于孕穗期,處理之間以T的有機質(zhì)含量最高,說明油菜秸稈還田腐解后,可能為土壤帶來了大量腐殖質(zhì);土層之間以0～10 cm 土層的有機質(zhì)含量最高,0～40 cm 土層平均有機質(zhì)含量達到10 g·kg-1以上;在拔節(jié)期和孕穗期,隨著土層加深,3個處理的有機質(zhì)含量均逐漸遞減。此外,在麥收后復(fù)種油菜前,0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土層的播前土壤有機質(zhì)含量分別為11.25、10.01、8.42、6.73、6.16 g·kg-1,表現(xiàn)為隨著土層加深有機質(zhì)含量降低。通過比較播前土壤有機質(zhì)含量和后作小麥拔節(jié)期、孕穗期土壤有機質(zhì)含量,發(fā)現(xiàn),T 在0～40 cm 土層的有機質(zhì)含量均高于播前土壤;CK0除0～20 cm 土層的有機質(zhì)含量高于播前土壤外,其余土層均低于播前土壤;CK1則在拔節(jié)期0～40 cm土層的有機質(zhì)含量高于播前土壤,孕穗期0～20 cm土層的有機質(zhì)含量高于播前土壤?？梢娪筒诉€田對于土壤有機質(zhì)含量有一定的提升作用。

表5 小麥灌漿期籽粒蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)組分含量Table5 Grain protein and protein component contents of winter wheat /%

由圖3-B可知,孕穗期的脲酶活性明顯高于拔節(jié)期;在拔節(jié)期和孕穗期,隨著土層加深,3個處理的后作小麥根際土壤脲酶活性均以10～20 cm 土層最高(P＜0.05)(CK0和CK1在孕穗期未達到顯著),隨土層加深,脲酶活性逐漸降低;0～10 cm 表層土壤的脲酶活性明顯低于10～20 cm 土層,而CK1在0～10 cm 表層土壤的脲酶活性甚至近于或低于40～60 cm 土層。處理之間,T的平均脲酶活性明顯高于CK0和CK1;T 在0～60 cm 土層的根際土壤脲酶活性最高,表明油菜還田可以明顯提高該層次土壤中脲酶活性,從而有利于吸收土壤中的N 素;T 在60 cm 以下土層的脲酶活性不及CK0或CK1,可能是由于油菜還田深度在0～40 cm土層范圍內(nèi),促進了該層及其鄰近土層40～60 cm 土層的微生物繁衍、脲酶活性提高,而60 cm 以下土層反而有所降低,這有待進一步深入研究。CK1在拔節(jié)期的脲酶活性明顯低于CK0,而在孕穗期其在10～60 cm土層的脲酶活性則高于CK0,可能是由于油菜根系腐解是個緩慢的過程,且需要消耗一定的N 素,導(dǎo)致拔節(jié)前土壤脲酶活性偏低;而到孕穗期,因為根系腐解,可能增加了土壤中的無機N、P含量,進一步促進了土壤脲酶活性的提高。

由圖3-C可知,在0～100 cm 土層范圍內(nèi),蔗糖酶活性隨土層深度加深逐漸遞減,在20～40 cm 至40～60 cm 土層下降最為顯著,平均下降了45.32%。土壤蔗糖酶主要活躍在0～40 cm 土層,該土層土壤蔗糖酶活性占到了0～100 cm 土層蔗糖酶總活性的77.47%,這可能是由于在0～40 cm 土層中小麥根系分泌物質(zhì)較多,土壤微生物較為活躍的原因;在3個處理之間,T在拔節(jié)期和孕穗期,其平均蔗糖酶活性均明顯高于其他兩組,這可能是由于油菜秸稈還田腐解后,為土壤帶來了大量腐殖質(zhì),提高了土壤有機碳含量,進而促進了土壤蔗糖酶活性提高,保護了土壤蔗糖酶免遭分解,免遭變性;在不同生育期,孕穗期土壤蔗糖酶活性明顯高于拔節(jié)期,說明孕穗期植株根際微生物更活躍,土壤中碳的固轉(zhuǎn)速率更快。

由圖3-D可知,孕穗期土壤含水量明顯低于拔節(jié)期;0～60 cm 土層土壤含水量明顯低于60 cm 以下土層;T含水量最高,CK0次之,CK1最低,但三者之間未達到顯著差異(P＞0.05,表略)。拔節(jié)期土壤平均含水量為13%,孕穗期明顯降低,說明拔節(jié)期-孕穗期,作物生長量急速增加,為需水高峰期;0～60 cm 土層土壤含水量在9%～11%左右,60 cm 以下土層土壤含水量平均在13%以上,說明拔節(jié)期-孕穗期小麥根系的活躍吸收層主要在0～60 cm 土層,因此該層土壤含水量偏低,結(jié)合土壤脲酶活性發(fā)現(xiàn),該層酶活性較高,也充分說明該層為活躍吸收層;而60 cm 以下土層土壤含水量較高,而脲酶活性較低,主要為生育后期深層根系吸收利用。此外,3個處理之間無顯著差異(P＞0.05,表略)。

圖3 不同處理下小麥拔節(jié)期、孕穗期土壤有機質(zhì)含量(A)、脲酶活性(B)、蔗糖酶活性(C)及土壤含水量(D)垂直分布比較Fig.3 Soil organic matter content(A),urease activity(B),surcease activity(C) and soil moisture (D) of vertical distribution comparison under the different treatments at jointing and booting stages of wheat

2.5 麥后復(fù)種飼料油菜對周年經(jīng)濟效益的影響

小麥價格以2.4元·kg-1計算,鮮油菜以160元·t-1計算;CK0農(nóng)機費60元·666.7m-2,另外兩組農(nóng)機費用為90元·666.7m-2;種子費:油菜70元·kg-1(播種量1.5 kg·666.7m-2)、小麥2.4元·kg-1(播種量15 kg·666.7m-2);肥料投入:150元·666.7m-2。

由表6可知,CK0、CK1和T的年凈收益分別為343.19、785.79和218.20元·666.7m-2,三者差異達到顯著水平(P＜0.05)。CK1的年凈收益相較于CK0提高了128.97%,T 較CK0的年凈收益降低了36.42%。可見,在夏休閑期復(fù)種飼料油菜且收獲地上部分,可以明顯提高年凈收益。作為綠肥的飼料油菜還田處理,其年凈收益雖不及CK0,但還田處理可以改善土壤質(zhì)量,提高土壤可持續(xù)利用能力。

表6 不同處理對小麥周年經(jīng)濟效益比較Table6 Effect of different treatments on annual economic benefits

3 討論

3.1 麥后復(fù)種飼料油菜對后作小麥植株生長的影響

水分是影響小麥生長發(fā)育的主要因素之一[15]。研究表明,夏休閑期種植油菜會消耗較多的土壤水分[16],導(dǎo)致后作小麥生長水分不足,土壤養(yǎng)分虧缺,從而影響小麥生長。本研究中,2個復(fù)種油菜處理(T和CK1)的小麥單株綠葉數(shù)在拔節(jié)初期后均顯著高于不復(fù)種油菜處理(CK0),且T＞CK1(P＜0.05);復(fù)種油菜處理的小麥旗葉葉寬及葉面積也較高,表明在晉中地區(qū),麥后復(fù)種飼料油菜有利于促進后作小麥分蘗發(fā)生,光合葉面積提高。氣象資料表明(圖4),2016年7-9月,試驗地太谷縣平均月降雨量為70.03 mm,水分充足,可以滿足種植油菜需要消耗的土壤水分。此外,還田后的油菜,冬前的腐解過程,有利于后作小麥春季生長期植株N 素積累,進而提高干物質(zhì)積累,提高產(chǎn)量。

圖4 2015年7月-2016年7月太谷縣的月平均降雨量Fig.4 The average rainfall per month in Taigu county from July,2015 to July,2016

3.2 麥后復(fù)種飼料油菜對后作小麥產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

單位面積總穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重是評價小麥產(chǎn)量的重要指標[17]。本試驗中,3個處理的總穗數(shù)和千粒重差異不顯著(P＞0.05),穗粒數(shù)則表現(xiàn)為T＞CK0＞CK1(P＜0.05)。究其原因,單位面積總穗數(shù)取決于冬前莖蘗生長狀況,試驗3個處理的冬小麥植株在越冬期時株高、綠葉數(shù)、功能葉面積均無顯著差異,可能是因為冬前植株苗小,其營養(yǎng)主要來源于土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分;另外,穗粒數(shù)主要取決于拔節(jié)期-孕穗期的小穗形成和小花分化,此生育期為小麥莖蘗春季生長高峰,需要吸收更多的土壤養(yǎng)分。本研究中,從起身期-孕穗期前,還田處理T的植株N 積累更高,說明T 處理土壤養(yǎng)分更充足,可能是由于此生育期氣溫升高,有利于還田油菜腐解,從而提高土壤養(yǎng)分,有利于植株吸收收用,進而促穗促花、?；ㄔ隽?。此外,粒重形成期小麥植株所需的水分養(yǎng)分主要由深層土壤提供,而還田油菜主要在25～30 cm 耕層。植株N含量對小麥產(chǎn)量有著至關(guān)重要的影響[18],提高植株N含量是提高小麥產(chǎn)量的一種重要方式,綠肥可以轉(zhuǎn)化土壤中的難溶性養(yǎng)分(如P)[19]。本試驗中,小麥植株N 積累越冬期前表現(xiàn)為CK0明顯高于CK1和T,返青期之后CK1尤其T的植株N 積累較高;花后20 d之前,T、CK1和CK0之間的單莖P含量無太大差異,但CK0略高;而花后20 d后,T的單莖P含量則不同程度地高于CK0和CK1。這可能是由于冬前油菜根莖葉腐解消耗了一部分土壤N、P 營養(yǎng),而返青-灌漿期,腐解后的油菜提高并活化了土壤N、P 營養(yǎng),表現(xiàn)為在N、P 吸收積累高峰期,植株N、P含量高。本試驗中,T 明顯提高了后作冬小麥理論產(chǎn)量,說明油菜秸稈還田對后作冬小麥產(chǎn)量的提升具有很大潛力。此外,T 也明顯提高了后作小麥籽粒蛋白質(zhì)總含量(P＜0.05)。

3.3 麥后復(fù)種飼料油菜對后作小麥土壤肥力的影響

有機質(zhì)含量高低能反映出土壤質(zhì)量好壞[20]。本研究中,在拔節(jié)期和孕穗期,油菜全量還田均明顯提高了土壤有機質(zhì)含量,與前人研究結(jié)果相一致[21],這主要是由于油菜秸稈在腐解過程中,為土壤帶來大量的氮源和碳源[22],增強了土壤中微生物及酶代謝[23]。從拔節(jié)期到孕穗期所有處理的土壤有機質(zhì)含量均明顯降低,這可能是由于此階段為小麥生長高峰期,需要消耗大量土壤水分和養(yǎng)分。本研究結(jié)果還表明,油菜還田對0～40 cm 土層的土壤有機質(zhì)含量的提高效果最好,且0～20 cm 土層的有機質(zhì)含量提高最為顯著,這是由于油菜秸稈主要翻壓在土壤耕作層的原因,釋放出的養(yǎng)分也大部分存在于土壤耕作層,因此對土壤耕作層的改良效果更好。

脲酶直接參與土壤含氮有機物的轉(zhuǎn)化,其活性常用來反映土壤供氮水平[24]。本試驗結(jié)果表明,土壤脲酶活性在10～20 cm 最高。根據(jù)呂寧等[25]的觀點,脲酶主要來源于土壤微生物及植物活體分泌或植物殘體釋放。因此,其土壤脲酸活性高,一方面由于油菜秸稈的腐解提高了周圍土層微生物的活性與數(shù)量,進而分泌更多的土壤脲酶;另一方面則是油菜秸稈殘體釋放了一部分脲酶。此外,CK1脲酶活性在拔節(jié)期低于CK0,而在孕穗期卻高于CK0,這可能是由于油菜根系的腐解過程較為緩慢,需要一定的時間,其具體機理將在后續(xù)研究中進一步深入探討。

土壤蔗糖酶可以通過酶解土壤中的大分子糖類參與有機碳的形態(tài)轉(zhuǎn)化[26],同時也可以直接參與一些有機質(zhì)的代謝,為土壤微生物提供能源[27],其常用來反映土壤熟化程度[28]。油菜秸稈中含有大量可溶性多糖、氨基酸以及大量的無機養(yǎng)分[29]。本研究中,油菜全量還田為蔗糖酶提供了更多的酶解底物,導(dǎo)致土壤蔗糖酶活性明顯增加。同時,油菜全量還田增加了土壤有機質(zhì)含量,也可保護蔗糖酶不受分解[30]。

綜上所述,油菜全量還田對于后作小麥土壤肥力提升效果是最好的。

3.4 麥后復(fù)種飼料油菜對周年經(jīng)濟效益的影響

油菜-小麥周年經(jīng)濟效益取決于油菜種植帶來的年凈收益以及小麥生產(chǎn)帶來的年凈收益之和。本研究中,CK1年凈收益較CK0提高了128.97%,而T年凈收益最低,較CK0降低了57.28%。這可能是由于本研究是一年期試驗,油菜改土效應(yīng)促進后作小麥增產(chǎn)所帶來的效益還不足以彌補或超過油菜栽培所消耗的資本投入。但油菜還田的改土效應(yīng)已初見成效,后續(xù)將進行多年復(fù)種還田定位試驗對改土效應(yīng)與經(jīng)濟效益評價研究。

4 結(jié)論

在晉中地區(qū),油菜還田可以促進后作小麥植株生長發(fā)育及干物質(zhì)積累,從而提高小麥產(chǎn)量;還可以提高后作小麥籽粒蛋白質(zhì)含量;同時促進土壤酶活性提高與有機質(zhì)含量提升。此外,種植油菜且不還田可以提高周年經(jīng)濟效益。