樊志龍，胡發(fā)龍，殷文，范虹，趙財(cái)，于愛(ài)忠，柴強(qiáng)

干旱灌區(qū)春小麥水分利用特征對(duì)綠肥與麥秸協(xié)同還田的響應(yīng)

樊志龍，胡發(fā)龍，殷文，范虹，趙財(cái)，于愛(ài)忠，柴強(qiáng)

省部共建干旱生境作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭州 730070

【目的】明確綠肥與麥秸協(xié)同還田對(duì)春小麥（L.）水分利用特征的影響，對(duì)干旱灌區(qū)應(yīng)用綠肥構(gòu)建小麥水分高效可持續(xù)生產(chǎn)模式具有重要支撐作用。【方法】本研究采取隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以麥后休閑（W）為對(duì)照，設(shè)置了麥后免耕播種綠肥+綠肥與麥秸全量還田（W-NTGS）、麥后免耕播種綠肥+綠肥單一還田（W-NTG）、麥后淺旋滅茬播種綠肥+綠肥單一還田（W-TG）3個(gè)處理，對(duì)小麥耗水特征、籽粒產(chǎn)量、水分利用效率（）和灌溉水利用效率（i）進(jìn)行了研究?！窘Y(jié)果】復(fù)種綠肥較麥后休閑顯著增加了小麥播前0—50 cm土層的土壤貯水量，其中W-NTGS處理小麥播前0—10、10—20、20—30、30—50 cm土層的土壤貯水量，分別較W-NTG處理增加了22.1%、30.2%、21.5%和11.1%，較W-TG處理增加了26.2%、33.2%、26.5%和16.4%；而W-NTG與W-TG處理間小麥播前0—110 cm的土壤貯水量均無(wú)顯著差異。復(fù)種綠肥較麥后休閑分別使小麥耗水量、棵間蒸發(fā)量和蒸散比平均減少7.0%—7.1%、11.7%—20.1%和5.2%—15.9%，在復(fù)種綠肥中，W-NTGS處理小麥耗水量較W-NTG處理在2021年減少6.4%，較W-TG處理在2020和2021年平均減少6.1%；W-NTGS處理小麥棵間蒸發(fā)量分別較W-NTG、W-TG處理平均減少9.7%和13.6%，蒸散比分別降低6.2%和11.3%，W-NTG與W-TG處理間的耗水量、棵間蒸發(fā)量、蒸散比均無(wú)顯著差異。復(fù)種綠肥較麥后休閑使小麥籽粒產(chǎn)量增加6.4%—16.8%，其中W-NTGS處理分別較W-NTG、W-TG處理平均增加6.6%和9.8%，W-NTG與W-TG處理間的小麥籽粒產(chǎn)量差異不顯著。與麥后休閑相比較，復(fù)種綠肥使小麥、i分別提高11.9%—30.7%和6.4%—16.8%，復(fù)種綠肥之間相比較，W-NTGS處理分別較W-NTG、W-TG處理的平均提高10.9%和16.8%，i平均提高6.6%和9.8%，W-NTG與W-TG處理間的和i差異不顯著。【結(jié)論】麥后免耕播種綠肥+綠肥與麥秸全量還田（W-NTGS）可顯著增加小麥播前0—50 cm土壤貯水量，減少小麥季土壤水分的無(wú)效損耗，從而在減少小麥耗水量的同時(shí)增加籽粒產(chǎn)量，最終顯著提高農(nóng)田水分利用效率和灌溉水利用效率，可作為干旱灌區(qū)小麥復(fù)種綠肥水分高效利用推薦技術(shù)。

綠肥；麥秸還田；耗水特征；水分利用效率；小麥

0 引言

【研究意義】水資源匱乏是限制干旱地區(qū)作物生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1]?，F(xiàn)代集約化農(nóng)業(yè)種植模式單一，穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)往往依賴于水肥等資源的高投入，作物持續(xù)豐產(chǎn)與農(nóng)田生態(tài)服務(wù)功能強(qiáng)化之間的矛盾逐漸突顯，如何利用有限的水資源持續(xù)生產(chǎn)更多的糧食，是當(dāng)前干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)[2]。利用麥?zhǔn)蘸蟮霓r(nóng)田休閑期復(fù)種綠肥，能夠充分利用光熱資源，增加農(nóng)田綠色有機(jī)投入，從而改善土壤質(zhì)量，保障小麥（L.）穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)[3-4]。但是，也有研究指出，在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)復(fù)種綠肥會(huì)過(guò)度消耗土壤水分，對(duì)下季小麥造成水分脅迫[5]。因此，根據(jù)區(qū)域水資源特征，明確綠肥應(yīng)用技術(shù)對(duì)下季小麥水分利用的影響，采取相應(yīng)措施提高小麥水分利用效率，對(duì)應(yīng)用綠肥構(gòu)建小麥水資源安全閾值范圍內(nèi)的可持續(xù)生產(chǎn)模式具有重要支撐作用?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】不同區(qū)域綠肥對(duì)下季作物水分利用的影響不同。有研究表明，種植綠肥雖會(huì)減少土壤水分，但是對(duì)主栽作物產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響，而利用生育期較短、耗水量相對(duì)少的綠肥種類，或者通過(guò)提前翻壓減少綠肥對(duì)土壤水分的消耗能夠顯著提高主栽作物產(chǎn)量[6]。在干旱綠洲灌區(qū)，應(yīng)用綠肥冬季覆蓋春季淺旋還田技術(shù)，可顯著提高下季主栽作物播前土壤含水量，從而提高玉米（L.）水分利用效率[7]。然而，部分綠肥作物會(huì)過(guò)度消耗土壤水分，進(jìn)而影響下季禾谷類作物的生長(zhǎng)[8]。另一方面，麥秸還田技術(shù)已被大量研究證明，能夠改善土壤理化性狀，通過(guò)降低土壤容重、增加土壤孔隙度和土壤有機(jī)質(zhì)，從而強(qiáng)化土壤入滲及蓄水保墑能力，促進(jìn)作物生長(zhǎng)[9]。在稻區(qū)研究表明，豆科綠肥與稻秸協(xié)同還田能夠調(diào)節(jié)有機(jī)物料的碳氮平衡，對(duì)土壤性狀的改善效果優(yōu)于豆科綠肥單一還田[10-11]。然而，在水資源受限的干旱地區(qū)，豆科綠肥與麥秸協(xié)同還田對(duì)下季小麥水分利用特征的影響尚未明確，限制了小麥復(fù)種綠肥模式應(yīng)用效果的充分發(fā)揮?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】河西綠洲灌區(qū)光資源豐富，熱量資源有限，適合發(fā)展小麥復(fù)種綠肥模式。但是，水資源不足限制了該模式的規(guī)模化應(yīng)用，明確綠肥與麥秸協(xié)同還田技術(shù)對(duì)小麥水分利用特征的影響，可為進(jìn)一步增強(qiáng)小麥復(fù)種綠肥水分高效利用提供依據(jù)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究在春小麥復(fù)種箭筈豌豆模式中，設(shè)置不同綠肥和麥秸還田處理，明確綠肥與麥秸協(xié)同還田對(duì)小麥水分利用特征的影響，以期為構(gòu)建水分高效的小麥復(fù)種綠肥模式提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究基于2019年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站（102°53′2′′E，37°45′54′′N(xiāo)）開(kāi)展的田間定位試驗(yàn)，于2020、2021年進(jìn)行小麥水分利用相關(guān)研究。試驗(yàn)站位于河西走廊東端武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)，屬寒溫帶干旱氣候區(qū)，平均海拔1 506 m、無(wú)霜期約156 d、日照時(shí)數(shù)2 945 h，年均蒸發(fā)量為2 400 mm，多年平均降水量低于180 mm，集中在7、8、9月份。2020年和2021年降雨量分別為184.8 mm和176.7 mm（圖1），其中小麥季降雨量分別為50.5 mm和78.9 mm，試區(qū)是典型的一熟有余、兩熟不足的內(nèi)陸干旱灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，適合發(fā)展小麥復(fù)種綠肥模式。參試土壤類型為灌漠土，土層厚約120 cm，土壤容重1.57 g·cm-3，耕層（0—30 cm土層）土壤有機(jī)碳含量11.3 g·kg-1，全氮含量0.94 g·kg-1。

圖1 2020年和2021年日平均氣溫和降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參試春小麥品種為永良4號(hào)，箭筈豌豆（L.）為隴箭1號(hào)。試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)4種綠肥播種方式與麥秸還田與否的組合處理：麥后免耕播種綠肥+綠肥與麥秸全量還田、麥后免耕播種綠肥+綠肥單一還田、麥后淺旋滅茬播種綠肥+綠肥單一還田、麥后休閑，小區(qū)長(zhǎng)寬分別為12 m×6 m，3次重復(fù)，處理代碼及具體措施見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)處理及代碼

試驗(yàn)田在2017—2019年均種植玉米，2019年小麥3月26日播種、7月23日收獲，綠肥（箭筈豌豆）于7月29日播種、10月18日翻壓還田；2020年小麥3月25日播種、7月21日收獲，綠肥7月29日播種，10月16日翻壓還田；2021年小麥于3月24日播種，7月24日收獲。在各處理綠肥還田時(shí)，均用秸稈粉碎還田機(jī)將綠肥植株粉碎為20 cm以下，然后將粉碎后的綠肥單一或與麥秸一起使用鏵式犁翻壓還田，耕翻深度25 cm，耕翻后不再作任何整地處理，待翌年旋耕整地后播種小麥。各處理小麥均使用谷物播種機(jī)條播，播種深度3 cm，行距15 cm，播量為450 kg·hm-2，保持基本苗900 萬(wàn)株/hm2。箭筈豌豆播量180 kg·hm-2，田間出苗率均為85%，在淺旋滅茬播種處理中淺旋8 cm滅茬后，使用谷物播種機(jī)條播，播深3 cm，行距15 cm；在免耕播種處理中使用防纏繞免耕播種機(jī)條播箭筈豌豆，該播種機(jī)前置旋轉(zhuǎn)式滅茬器松土深度8 cm，播深3 cm，行距為15 cm。小麥季氮肥180 kg N·hm-2和磷肥113 kg P2O5·hm-2全部作為基肥，綠肥季不施肥；小麥生育期灌水量為240 mm，在苗期、孕穗期、灌漿期分別灌水75、90、75 mm；綠肥季灌水量為130 mm，分別在箭筈豌豆苗期和現(xiàn)蕾期灌水60 mm和70 mm；冬儲(chǔ)灌為120 mm。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 小麥籽粒產(chǎn)量（）每小區(qū)在距離邊界1 m的中間隨機(jī)選取2 m×2 m的樣方，收獲后采用單打單收的方法脫粒，用谷物水分儀測(cè)定籽粒含水量后，折算成含水量為13%的籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）。

1.3.2 土壤含水量 在小麥播種前、收獲時(shí)測(cè)定0—110 cm土壤含水量。為減小因耕層土壤蒸發(fā)劇烈造成的系統(tǒng)誤差，故土層0—30 cm的土壤含水量每10 cm用烘干法測(cè)定，土層30—110 cm按照30—50、50—80、80—110 cm分別用水分中子儀（美國(guó)CPN公司503DR）測(cè)定。

1.3.3 土壤貯水量（）土壤貯水量使用下式計(jì)算：

式中，為土壤貯水量（mm），為某土層厚度（cm），為某土層土壤容重（g·cm-3），i為某土層土壤質(zhì)量含水量，10為單位換算系數(shù)。

1.3.4 耗水量（）=++0-h，式中為生育期間自然降水量（mm），為灌水量（mm），0為播前土壤貯水量（mm），h為收獲期土壤貯水量（mm）。

1.3.5 棵間蒸發(fā)量（）棵間蒸發(fā)量使用埋設(shè)于小區(qū)中心的微型蒸滲儀（Micro-Lysimeter）測(cè)定。微型蒸滲儀參照Plauborg提到的方法制作[12]，由長(zhǎng)15 cm、直徑11 cm的PVC管制成，管中填充小區(qū)原狀土后使用棚膜將底部密封（原狀土每隔3 d更換1次，降雨或灌溉后另行更換）稱重，放置于固定在小區(qū)中心土壤中長(zhǎng)為15 cm、直徑為12 cm的PVC外管中。每天18：00使用精確度為0.1 g的電子秤稱重，使用相鄰2 d的重量差計(jì)算每天的棵間蒸發(fā)量（1 g重量差相當(dāng)于0.1053 mm的棵間蒸發(fā)量）。

1.3.6 蒸散比（/）棵間蒸發(fā)量（）與耗水量（）之比。

1.3.7 水分利用效率（）=/，式中為水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；為籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）；為生育期總耗水量。

1.3.8 灌溉水利用效率（i）i=/，式中i為灌溉水利用效率（kg·hm-2·mm-1）；為籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2），為生育期內(nèi)總灌水量（mm）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Microsoft Excel 2010整理、匯總數(shù)據(jù)，使用SPSS17.0軟件Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果

2.1 不同綠肥與麥秸還田處理對(duì)小麥耗水特性的影響

2.1.1不同綠肥與麥秸還田處理對(duì)小麥播前土壤貯水量的影響 不同處理小麥播前0—110 cm土層的土壤貯水量差異表明，綠肥與麥秸還田處理對(duì)小麥播前0—50 cm土層的土壤貯水量具有顯著影響（圖2）。復(fù)種綠肥較W處理顯著增加了小麥播前0—50 cm土層的土壤貯水量，與W處理小麥播前0—10、10—20、20—30、30—50 cm土層的土壤貯水量相比較，W-NTGS處理分別平均增加43.6%、58.6%、50.5%、25.4%，W-NTG處理分別平均增加17.5%、21.5%、23.5%、12.8%，W-TG處理分別平均增加13.7%、18.8%、18.7%、7.6%。W-NTGS處理小麥播前50—80 cm土層的土壤貯水量也顯著多于W處理。在復(fù)種綠肥模式中，W-NTGS處理小麥播前0—10、10—20、20—30、30—50 cm土層的土壤貯水量，分別較W-NTG處理增加了22.1%、30.2%、21.5%和11.1%，較W-TG處理增加了26.2%、33.2%、26.5%和16.4%；而W-NTG與W-TG處理間小麥播前0—110 cm的土壤貯水量均無(wú)顯著差異，該結(jié)果表明小麥播前土壤貯水量主要受綠肥與麥秸還田處理的影響，而非綠肥播種方式（免耕播種綠肥、淺旋滅茬播種綠肥）。總體上，W-NTGS處理小麥播前0—110 cm土層的土壤貯水量獲得最大值，分別在2020年和2021年達(dá)到313.4 mm和296.9 mm，分別較W-NTG、W-TG和W處理平均增加了10.5%、13.7%和21.8%，主要增加了0—50 cm土層的土壤貯水量，尤其0—30 cm土層的土壤貯水量增幅最大。

圖柱上不同小寫(xiě)字母表示同一年份不同處理間差異顯著（P＜0.05）。下同

2.1.2 不同綠肥與麥秸還田處理對(duì)小麥耗水量的影響 復(fù)種綠肥較麥后休閑處理可顯著減少小麥耗水量（圖3），與W處理相比較，W-NTGS、W-NTG處理的小麥耗水量在2年試驗(yàn)中分別平均減少10.6%、7.1%，W-TG處理的小麥耗水量在2020年差異不顯著，而在2021年減少7.0%。在復(fù)種綠肥模式中，W-NTG與W-TG處理的小麥耗水量之間差異不顯著，表明免耕播種綠肥較淺旋滅茬播種綠肥處理不能顯著減少小麥耗水量；而W-NTGS處理的小麥耗水量在2020年與W-NTG處理無(wú)顯著差異，較W-TG處理減少4.8%，但在2021年分別較W-NTG、W-TG處理減少6.4%和7.3%，表明綠肥與麥秸協(xié)同還田較綠肥單一還田處理具有減少?gòu)?fù)種綠肥模式中小麥耗水量的潛能。

圖3 不同綠肥與麥秸還田處理的小麥耗水量

2.1.3 不同綠肥與麥秸還田處理對(duì)小麥棵間蒸發(fā)量的影響 與麥后休閑處理相比較，麥后復(fù)種綠肥可減少小麥棵間蒸發(fā)量（圖4）。在2020和2021年，NTW-SG、NTW-G處理的小麥棵間蒸發(fā)量分別較W處理平均減少了20.1%、11.7%；W-TG與W處理的棵間蒸發(fā)量在2020年無(wú)顯著差異，而在2021年減少11.2%。在復(fù)種綠肥模式中，W-NTG與W-TG處理的小麥棵間蒸發(fā)量在2年試驗(yàn)中均無(wú)顯著差異，表明綠肥播種方式（免耕播種綠肥、淺旋滅茬播種綠肥）對(duì)小麥棵間蒸發(fā)量沒(méi)有顯著影響；而綠肥與麥秸協(xié)同還田較綠肥單一還田處理，在2年試驗(yàn)中均能夠顯著減少小麥棵間蒸發(fā)量，W-NTGS處理的小麥棵間蒸發(fā)量分別較W-NTG和W-TG處理平均減少了9.7%和13.6%。

2.1.4 不同綠肥與麥秸還田處理對(duì)小麥蒸散比的影響 麥后復(fù)種綠肥可顯著減少小麥季農(nóng)田水分的無(wú)效損耗，與W處理相比較，W-NTGS、W-NTG、W-TG處理的小麥蒸散比分別平均降低15.9%、10.3%、5.2%（圖5）。在小麥復(fù)種綠肥模式中，W-NTG與W-TG處理間小麥蒸散比無(wú)顯著差異，而W-NTGS處理分別較W-NTG和W-TG處理的小麥蒸散比平均降低了6.2%和11.3%。

2.2 不同綠肥與麥秸還田處理對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的影響

與W處理相比較，復(fù)種綠肥可顯著增加小麥籽粒產(chǎn)量（圖6），W-NTGS、W-NTG、W-TG處理的小麥籽粒產(chǎn)量分別平均增加16.8%、9.6%、6.4%。在小麥復(fù)種綠肥模式中，W-NTG與W-TG處理間小麥籽粒產(chǎn)量差異不顯著，而W-NTGS處理分別較W-NTG、W-TG處理的小麥籽粒產(chǎn)量平均增加了6.6%和9.8%。表明在小麥復(fù)種綠肥模式中，免耕播種綠肥較淺旋滅茬播種綠肥處理并不能顯著影響小麥籽粒產(chǎn)量；而綠肥與麥秸協(xié)同還田處理可顯著增加復(fù)種綠肥模式中的小麥籽粒產(chǎn)量。

圖4 不同綠肥與麥秸還田處理下小麥的棵間蒸發(fā)量

圖5 不同處理的小麥蒸散比

圖6 不同綠肥與麥秸還田處理的小麥籽粒產(chǎn)量

2.3 不同綠肥與麥秸還田處理對(duì)小麥水分利用效率的影響

2.3.1 不同綠肥麥秸還田處理對(duì)小麥農(nóng)田水分利用效率的影響 與麥后休閑處理相比較，麥后復(fù)種綠肥模式能顯著提高小麥的農(nóng)田水分利用效率（圖7），W-NTGS、W-NTG、W-TG處理分別較W處理平均提高30.7%、17.9%、11.9%。在小麥復(fù)種模式中，W-NTG與W-TG處理小麥農(nóng)田水分利用效率之間相比較，在2020年提高8.2%，在2021年無(wú)顯著差異；而W-NTGS處理小麥農(nóng)田水分利用效率分別較W-NTG和W-TG處理平均提高10.9%和16.8%。表明綠肥與麥秸協(xié)同還田處理可顯著提高小麥的農(nóng)田水分利用效率。

圖7 不同綠肥與麥秸還田處理的小麥農(nóng)田水分利用效率

2.3.2 不同綠肥與麥秸還田處理對(duì)小麥灌溉水利用效率的影響 復(fù)種綠肥較麥后休閑處理可提高小麥灌溉水利用效率（圖8），W-NTGS、W-NTG、W-TG處理分別較W處理小麥灌溉水利用效率平均提高16.8%、9.6%和6.4%。在小麥復(fù)種綠肥模式中，W-NTG與W-TG處理的小麥灌溉水利用效率之間無(wú)顯著差異，而W-NTGS處理分別較W-NTG和W-TG處理的小麥灌溉水利用效率提高6.6%和9.8%。該結(jié)果表明，免耕播種綠肥較淺旋滅茬播種綠肥未顯著影響小麥的灌溉水利用效率，而綠肥與麥秸協(xié)同還田處理可顯著提高復(fù)種綠肥模式中小麥的灌溉水利用效率。

圖8 不同綠肥與麥秸還田處理的小麥灌溉水分利用效率

3 討論

3.1 綠肥與麥秸協(xié)同還田可減少?gòu)?fù)種綠肥模式中小麥的耗水量

在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，綠肥對(duì)下季作物水分的影響總體呈現(xiàn)兩種情況。一是在降水資源嚴(yán)重匱乏的情況下，種植綠肥作物會(huì)過(guò)度消耗土壤水分，進(jìn)而影響下季主栽作物生長(zhǎng)，尤其造成出苗困難[5, 13]；二是在降水資源相對(duì)充沛的情況下，種植耗水量較小的豆科綠肥不會(huì)影響下季主栽作物的生長(zhǎng)，在部分情況下反而有利于主栽作物水分利用效率的提高，并增加產(chǎn)量[3, 8]。然而，在有灌溉條件的干旱灌區(qū)，降雨不是農(nóng)田土壤水分的主要來(lái)源，即使種植綠肥會(huì)消耗部分土壤水分，冬儲(chǔ)灌往往會(huì)彌補(bǔ)種植綠肥造成的水分虧缺。因此，在土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈的干旱灌區(qū)，如何增強(qiáng)農(nóng)田土壤的蓄水保墑能力、減少土壤水分的無(wú)效損耗，是提高綠肥-主栽作物配置模式水分利用效率的關(guān)鍵。在加拿大半干旱區(qū)的研究表明，利用農(nóng)田秋季休閑期種植耗水量較少的豆科綠肥，較休閑處理使0—60 cm土壤含水量增加了62%—68%，可顯著增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力、抑制水土流失[14]。本研究結(jié)果表明，在干旱灌區(qū)，復(fù)種綠肥較麥后休閑處理可顯著增加小麥播前0—50 cm土層的土壤貯水量，綠肥播種方式（免耕播種綠肥、淺旋滅茬播種綠肥）對(duì)小麥播前土壤貯水量的影響不顯著，而綠肥與麥秸協(xié)同還田處理能夠進(jìn)一步增加小麥播前土壤貯水量。前人研究指出，在沒(méi)有地表徑流和滲漏的情況下，土壤水分的無(wú)效損耗主要途徑是發(fā)生在表層的水分蒸發(fā)，而土壤固持水分的能力對(duì)土壤水分蒸發(fā)量的大小具有決定性作用[15]。增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤固、液、氣三相比例，提高土壤孔隙懸著水含量，是增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力的根本途徑[16]。然而，豆科綠肥單一還田時(shí)由于其植株碳氮比較低，腐解礦化速率較快，不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，而豆科綠肥與禾本科主栽作物秸稈協(xié)同有利于還田有機(jī)物的碳氮平衡，從而顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)[17-18]。本研究中，復(fù)種綠肥處理較麥后休閑處理可顯著減少小麥棵間蒸發(fā)量，綠肥播種方式（免耕播種綠肥、淺旋滅茬播種綠肥）對(duì)小麥棵間蒸發(fā)量的影響不顯著，而綠肥與麥秸協(xié)同還田較綠肥單一還田處理可進(jìn)一步減少小麥棵間蒸發(fā)量。一方面，綠肥季麥秸地表覆蓋抑制了夏季高溫天氣下土壤水分蒸發(fā)，使更多的水分貯存在土壤中；另一方面，豆科綠肥與麥秸協(xié)同平衡了有機(jī)物料的碳氮比，更有利于土壤有機(jī)質(zhì)的增加，從而增強(qiáng)了土壤蓄水納墑能力，使更多的冬儲(chǔ)灌水分保存在土壤中，增加小麥播前的土壤貯水量，并有效減少小麥生育期的棵間蒸發(fā)量[19-20]。因此，綠肥與麥秸協(xié)同還田較綠肥單一還田處理，在減少小麥耗水量的同時(shí)降低蒸散比，進(jìn)一步抑制了小麥生育期土壤水分的無(wú)效損耗。

3.2 綠肥與麥秸協(xié)同還田有利于復(fù)種綠肥模式中小麥籽粒產(chǎn)量的增加

合理的綠肥應(yīng)用對(duì)主栽作物的增產(chǎn)效應(yīng)已被廣泛證實(shí)，其主要原因是綠肥能夠改善土壤理化性狀，增加土壤微生物活性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分平衡及有效性，從而為主栽作物生長(zhǎng)提供良好的土壤環(huán)境[21-22]。在關(guān)于6種豆科綠肥對(duì)水稻輪作小麥系統(tǒng)中小麥產(chǎn)量的研究結(jié)果表明，豆科綠肥使小麥籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和氮素累積量分別增加18.1%、18.4%和59.7%[23]。在2個(gè)不同地點(diǎn)的研究表明，野豌豆與燕麥混作還田后使下季小麥籽粒產(chǎn)量較單施化肥處理增加了60%、102%，因此綠肥對(duì)下季小麥的增產(chǎn)效應(yīng)，不僅由于種植綠肥改善了土壤氮素等養(yǎng)分狀況，還在于綠肥改善了土壤理化和生物性狀，對(duì)下季小麥產(chǎn)生了良好的茬口效應(yīng)[24]。研究表明，豆科綠肥與禾本科主栽作物秸稈協(xié)同還田較綠肥或主栽作物秸稈單一還田，更有利于土壤有機(jī)質(zhì)的增加及其他性狀的改善，因而更有利于主栽作物產(chǎn)量的生長(zhǎng)[25-26]。有研究者指出，在水資源相對(duì)缺少的干旱、半干旱區(qū)，年降雨量是決定綠肥對(duì)主栽作物增產(chǎn)效益的關(guān)鍵，而在水資源相對(duì)較多的濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)區(qū)，種植綠肥對(duì)主栽作物的增產(chǎn)效益較為顯著[27-28]。因此，在水資源有限的區(qū)域研究種植綠肥對(duì)主栽作物產(chǎn)量的影響時(shí)，需從區(qū)域和時(shí)間2個(gè)維度上分析綠肥對(duì)土壤-水分-主栽作物關(guān)系的協(xié)調(diào)作用，從而提出適區(qū)域的綠肥應(yīng)用技術(shù)并證實(shí)其長(zhǎng)期應(yīng)用的累積效應(yīng)[29]。本研究證明了在干旱灌區(qū)，復(fù)種豆科綠肥較麥后休閑處理可顯著增加小麥籽粒產(chǎn)量，綠肥與麥秸協(xié)同還田處理小麥的增產(chǎn)效應(yīng)更為顯著。其可能原因不僅在于綠肥與麥秸協(xié)同還田提高了土壤養(yǎng)分含量、微生物量及活性[11]，同時(shí)也抑制了土壤水分的無(wú)效損耗，從而為小麥的生長(zhǎng)提供良好的土壤水分環(huán)境。

3.3 綠肥與麥秸協(xié)同還田有利于復(fù)種綠肥模式中小麥的水分高效利用

減少作物耗水量和增加產(chǎn)量是提高作物水分利用效率的主要途徑[30-31]。有研究者認(rèn)為，在水資源受限的干旱地區(qū)，通過(guò)減少棵間蒸發(fā)量降低蒸散比，使更多的土壤水分供給作物生長(zhǎng)利用更為關(guān)鍵，而不是單純的提高水分利用效率[32]。在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的研究表明，復(fù)種綠肥較夏休閑處理有利于土壤水分的保蓄，并顯著提高下季小麥籽粒產(chǎn)量[33]。本研究中，復(fù)種綠肥較麥后休閑處理可顯著提高小麥農(nóng)田水分利用效率，而不同綠肥播種方式（免耕播種綠肥、淺旋滅茬播種綠肥）之間的小麥農(nóng)田水分利用效率無(wú)顯著差異。綠肥與麥秸協(xié)同還田較綠肥單一還田處理能夠在減少土壤水分無(wú)效損耗的同時(shí)增加小麥籽粒產(chǎn)量，進(jìn)一步提高了復(fù)種綠肥模式中小麥的農(nóng)田水分利用效率。干旱灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)降雨量極為有限，農(nóng)田的水分主要來(lái)自灌溉。在灌水量一致的條件下，灌溉水利用效率表明了作物在有限水分條件下的產(chǎn)能大小[34]。許多研究表明，種植綠肥有利于減少灌溉用水[35]。但也有研究指出，種植綠肥并未使灌溉水利用效率增加，甚至有所降低[36]。在本研究中，與麥后休閑處理相比較，復(fù)種綠肥可提高小麥灌溉水利用效率，其中綠肥與麥秸協(xié)同還田處理的灌溉水利用效率顯著高于綠肥單一還田處理?？傊?，綠肥與麥秸協(xié)同還田與綠肥單一還田處理相比較，在減少土壤水分無(wú)效損耗的同時(shí)，進(jìn)一步提高了復(fù)種綠肥模式中小麥的籽粒產(chǎn)量，更有利于小麥水分利用效率的提高。該結(jié)果可能是由于土壤理化性狀的改善增強(qiáng)了土壤入滲及蓄水保墑能力，抑制了土壤表層的水分蒸發(fā)，同時(shí)增強(qiáng)了主栽作物根系的拓展和吸收能力[37]。

4 結(jié)論

在干旱綠洲灌區(qū)，復(fù)種綠肥較麥后休閑處理具有減少小麥耗水量、提高籽粒產(chǎn)量和水分利用效率的潛能。其中，綠肥與麥秸協(xié)同還田較綠肥單一還田處理可減少?gòu)?fù)種綠肥模式中小麥的棵間蒸發(fā)量，在降低小麥蒸散比和耗水量的同時(shí)增加小麥籽粒產(chǎn)量，從而顯著提高小麥農(nóng)田水分利用效率和灌溉水利用效率。因此，綠肥與麥秸協(xié)同還田可作為干旱灌區(qū)綠肥-小麥配置模式的水分高效利用技術(shù)參考。

[1] LIU Y Q, LIN Y F, HUO Z L, ZHANG C L, WANG C Z, XUE J Y, HUANG G H. Spatio-temporal variation of irrigation water requirements for wheat and maize in the Yellow River Basin, China, 1974-2017. Agricultural Water Management, 2022, 262: 107451.

[2] LIU W F, LIU X C, YANG H, CIAIS P, WADA Y. Global water scarcity assessment incorporating green water in crop production. Water Resources Research, 2022, 58(1): e2020WR028570.

[3] MA D K, YIN L N, JU W L, LI X K, LIU X X, DENG X P, WANG S W. Meta-analysis of green manure effects on soil properties and crop yield in northern China. Field Crops Research, 2021, 266: 108146.

[4] YAO Z Y, XU Q, CHEN Y P, LIU N, LI Y Y, ZHANG S Q, CAO W D, ZHAI B N, WANG Z H, ZHANG D B, ADL S, GAO Y J. Leguminous green manure enhances the soil organic nitrogen pool of cropland via disproportionate increase of nitrogen in particulate organic matter fractions. Catena, 2021, 207: 105574.

[5] 趙娜, 趙護(hù)兵, 魚(yú)昌為, 段長(zhǎng)林, 李可懿, 曹群虎, 曹衛(wèi)東, 高亞軍. 夏閑期種植翻壓綠肥和施氮量對(duì)冬小麥生長(zhǎng)的影響. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010, 12(19): 41-47.

ZHAO N, ZHAO H B, YU C W, DUAN C L, LI K Y, CAO Q H, CAO W D, GAO Y J. Effect of green manure in summer fallow period and nitrogen rate on winter wheat growth. Acta Agriculturae Boreali- Occidentalis Sinica, 2010, 12(19): 41-47. (in Chinese)

[6] 李婧, 張達(dá)斌, 王崢, 姚鵬偉, 趙娜, 曹群虎, 魚(yú)昌為, 曹衛(wèi)東, 高亞軍. 施肥和綠肥翻壓方式對(duì)旱地冬小麥生長(zhǎng)及土壤水分利用的影響. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2012, 30(3): 136-142.

LI J, ZHANG D B, WANG Z, YAO P W, ZHAO N, CAO Q H, YU C W, CAO W D, GAO Y J. Effect of fertilizer and green manure incorporation methods on the growth and water use efficiency of winter wheat. Agricultural Research in the Arid Areas, 2012, 30(3): 136-142. (in Chinese)

[7] 呂漢強(qiáng), 于愛(ài)忠, 柴強(qiáng). 綠洲灌區(qū)玉米產(chǎn)量及水分利用對(duì)綠肥還田方式的響應(yīng). 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(5): 671-679.

Lü H Q, YU A Z, CHAI Q. Response of maize yield and water use to different green manure utilization patterns in arid oasis irrigation area. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(5): 671-679. (in Chinese)

[8] ZHANG D B, ZHANG C, REN H L, XU Q, YAO Z Y, YUAN Y Q, YAO P W, ZHAO N, LI Y Y, ZHANG S Q, ZHAI B N, WANG Z H, HUANG D L, CAO W D, GAO Y J. Trade-offs between winter wheat production and soil water consumption via leguminous green manures in the Loess Plateau of China. Field Crops Research, 2021, 272: 108278.

[9] ZHANG Y Q, WANG J D, GONG S H, XU D, MO Y, ZHANG B Z. Straw mulching improves soil water content, increases flag leafphotosynthetic parameters and maintaines the yield of winter wheat with different irrigation amounts. Agricultural Water Management, 2021, 249: 106809.

[10] ZHOU G P, GAO S J, LU Y H, LIAO Y L, NIE J, CAO W D. Co-incorporation of green manure and rice straw improves rice production, soil chemical, biochemical and microbiological properties in a typical paddy field in southern China. Soil and Tillage Research, 2020, 197: 104499.

[11] SHARMA S, SAIKIA R, THIND H S, SINGH Y, JAT M L. Tillage, green manure and residue management accelerate soil carbon pools and hydrolytic enzymatic activities for conservation agriculture based rice-wheat systems. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2021, 52(5): 470-486.

[12] PLAUBORG F. Evaporation from bare soil in a temperate humid climate-measurement using micro-lysimeters and time domain reflectometry. Agricultural and Forest Meteorology, 1995, 76(1): 1-17.

[13] JANZEN H H. Effect of fertilizer on soil productivity in long-term spring wheat rotations. Canadian Journal of Soil Science, 1987, 67(1): 165-174.

[14] BIEDERBECK V O, BOUMAN O T. Water use by annual green manure legumes in dryland cropping systems. Agronomy Journal, 1994, 86(3): 543-549.

[15] WANG T H, GUO J J, ZHAO Z K, HAO Y Z. Evaluation of surface evaporation considering the effect of soil water gradient. Journal of Hydrologic Engineering, 2021, 26(8): 04021026.

[16] CORREA S T R, BARBOSA L C, MENANDRO L M S, SCARPARE F V, REICHARDT K, de MORAES L O, HERNANDES T A D, FRANCO H C J, CARVALHO J L N. Straw removal effects on soil water dynamics, soil temperature, and sugarcane yield in south-central Brazil. Bioenergy Research, 2019, 12(4): 749-763.

[17] CASTRO L L, WHALEN J K. Ion exchange membranes are sensitive indicators of ammonium and nitrate released from green manures with low C/N ratios. European Journal of Soil Biology, 2016, 77: 4-8.

[18] ALJERIB Y M, GENG M J, XU P D, Li D H, RANA M S, ZHU Q. Equivalent incorporation of Chinese milk vetch and rice straw enhanced nutrient mineralization and reduced greenhouse gas emissions. Soil Science and Plant Nutrition, 2022, 68(1): 167-174.

[19] DHALIWAL S S, RAM H, WALIA S S, WALIA M K, Kumar B, DHALIWAL M K. Long-term influence of nutrient management on carbon and nutrients in typic-ustochrept soils. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2019, 50(19): 2420-2428.

[20] HAN W T, CAO P, SUN Y, DANG G R, XUE S P. Mechanized mulching practices with plastic film and wheat straw in dryland wheat planting. AMA-Agricultural Mechanization in Asia Africa and Latin America, 2015, 46(2): 82-88.

[21] CHERR C M, SCHOLBERG J M S, MCSORLEY R. Green manure approaches to crop production: A synthesis. Agronomy Journal, 2006, 98(2): 302-319.

[22] AMEDE T, LEGESSE G, AGEGNEHU G, GASHAW T, DEGEFU T, DESTA G, MEKONNEN K, SCHULZ S, THORNE P. Short term fallow and partitioning effects of green manures on wheat systems in East African highlands. Field Crops Research, 2021, 269: 108175.

[23] SHAH Z, AHMAD S R, Rahman H, SHAH M Z. Sustaining rice-wheat system through management of legumes: II. Effect of green manure legumes and N fertilizer on wheat yield. Pakistan Journal of Botany, 2011, 43(4): 2093-2097.

[24] ESPINOZA S, OVALLE C, ZAGAL E, MATUS I, TAY J, PEOPLES M B, del POZO A D. Contribution of legumes to wheat productivity in Mediterranean environments of central Chile. Field Crops Research, 2012, 133: 150-159.

[25] YANG L, ZHOU X, LIAO Y, LU Y H, NIE J, CAO W D. Co- incorporation of rice straw and green manure benefits rice yield and nutrient uptake. Crop Science, 2019, 59(2): 749-759.

[26] BASAK N, MANDAL B, BISWAS S, BASAK P, MITRAN T, SAHA B, RAI A K, ALAM M K, YADAV A K, DATTA A. Impact of long term nutrient management on soil quality indices in rice-wheat system of lower Indo-Gangetic Plain. Sustainability, 2022, 14(11): 6533.

[27] BLANCO-CANQUI H, SHAVER T M, LINDQUIST J L, SHAPIRO C A, ELMORE R W, FRANCIS C A, HERGERT G W. Cover crops and ecosystem services: Insights from studies in temperate soils. Agronomy Journal, 2015, 107(6): 2449-2474.

[28] UNGER P W, VIGIL M F. Cover crop effects on soil water relationships. Journal of Soil and Water Conservation, 1998, 53: 200-207.

[29] MARCILLO G S, MIGUEZ F E. Corn yield response to winter cover crops: An updated meta-analysis. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 72(3): 226-223.

[30] MBAVA N, MUTEMA M, ZENGENI R, SHIMELIS H, CHAPLOT V. Factors affecting crop water use efficiency: A worldwide meta- analysis. Agricultural Water Management, 2020, 228: 105878.

[31] RITCHIE J T, BASSO B. Water use efficiency is not constant when crop water supply is adequate or fixed: The role of agronomic management. European Journal of Agronomy, 2008, 28(3): 273-281.

[32] BLUM A. Effective use of water (EUW) and not water-use efficiency (WUE) is the target of crop yield improvement under drought stress. Field Crops Research, 2009, 112(2/3): 119-123.

[33] GAN Y, MOOLEKI S P, LEMKE R L, ZENTNER R P, RUAN Y F. Durum wheat productivity in response to soil water and soil residual nitrogen associated with previous crop management. Agronomy Journal, 2016, 108(4): 1468-1478.

[34] KOECH R, LANGAT P. Improving irrigation water use efficiency: A review of advances, challenges and opportunities in the Australian context. Water, 2018, 10(12): 1771.

[35] NIELSEN D C, LYON D J, HERGERT G W, HIGGINS R K, CALDERóN F J, VIGIL M F. Cover crop mixtures do not use water differently than single-species plantings. Agronomy Journal, 2015, 107(3): 1025-1038.

[36] BADON T B, CZARNECKI J M P, KRUTZ L J, SHOCKLEY J M, BAKER B H. Cover crop and minimum tillage effects on yield, irrigation water use, and net returns. Agrosystems, Geosciences and Environment, 2021, 4(2): e20158.

[37] HUNTER M C, KEMANIAN A R, MORTENSEN D A. Cover crop effects on maize drought stress and yield. Agriculture Ecosystems and Environment, 2021, 311(3):107294.

Response of Water Use Characteristics of Spring Wheat to Co-Incorporation of Green Manure and Wheat Straw in Arid Irrigation Region

FAN ZhiLong, HU FaLong, YIN Wen, FAN Hong,ZHAO Cai, YU AiZhong, CHAI Qiang

Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science/College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070

【Objective】The aim of this study was to investigate the effects of green manure and wheat straw co-incorporation on water use efficiency of next season wheat (L.), which played an critical supporting role in the construction of water use efficient and sustainable production pattern of spring wheat in northwest irrigation region.【Method】In this study, a randomized block design was adopted, with fallowing after wheat harvesting (W) as the control, wheat multiple cropping green manure with no-tillage sowing + green manure and wheat straw co-incorporation (W-NTGS), wheat multiple cropping green manure with no-tillage sowing + green manure incorporation (W-NTG), and wheat multiple cropping green manure shallow plowing for destroying stubble + single returning of green manure to the field (W-TG). The characteristics of water consumption, grain yield, water use efficiency () and irrigation water use efficiencyi) of wheat were investigated. 【Result】 The soil water storage in 0-50 cm soil layer before wheat sowing was significantly increased by multiple cropping green manure compared under W. The soil water storage in 0-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm, and 30-50 cm soil layers before wheat sowing with W-NTGS was increased by 22.1%, 30.2%, 21.5%, and 11.1% compared with that of W-NTG, and 26.2%, 33.2%, 26.5%, and 16.4% increase compared with that of W-TG, respectively. However, there was no significant difference in soil water storage in 0-110 cm soil layer before wheat sowing between W-NTG and W-TG. Compared with fallow treatment, water consumption, evaporation, and ratio of evaporation to evapotranspiration of wheat decreased by 7.0%-7.1%, 11.7%-20.1%, and 5.2%-15.9%, respectively. The water consumption of wheat with W-NTGS decreased by 6.4% than that of wheat under W-NTG in 2021, and averagely decreased by 6.1% than that of wheat under W-TG in 2020 and 2021. Compared with W-NTG and W-TG, the evaporation of wheat under W-NTGS decreased by 9.7% and 13.6% on average, and the ratio of evaporation to evapotranspiration decreased by 6.2% and 11.3%, respectively. There were no significant differences in water consumption, evaporation, and evapotranspiration ratio between W-NTG and W-TG. Compared with W, the grain yield of wheat multiple cropped with green manure increased by 6.4%-16.8%. Meanwhile, the grain yield of wheat under W-NTGS increased by 6.6% and 9.8% on average compared with W-NTG and W-TG, respectively. However, the grain yield of wheat between with W-NTG and W-TG was not significant difference. Compared with W, theandiof wheat multiple cropped with green manure increased by 11.9%-30.7% and 6.4%-16.8%, respectively. Theof wheat under W-NTGS increased by 10.9% and 16.8%, and theiincreased by 6.6% and 9.8%, respectively compared with W-NTG and W-TG. There were no significant differences inandibetween W-NTG and W-TG.【Conclusion】 The co-incorporation of green manure and wheat straw (W-NTGS) could significantlyincrease soil water storage in 0-50 cm before wheat sowing, and decrease the ineffective loss of soil water in wheat season, thus reducing the water consumption of wheat and increasing the grain yield, and ultimately significantly improving the farmland and irrigation water use efficiency, which could be used as a recommended technology for water efficient use of wheat multiple cropping with green manure in arid irrigation region.

green manure; straw incorporation; water consumption characteristics; water use efficiency; wheat

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.003

2022-06-06；

2022-10-08

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFD1700204-04）、甘肅省教育科技創(chuàng)新項(xiàng)目-產(chǎn)業(yè)支撐計(jì)劃（2021CYZC-54）、甘肅省重點(diǎn)人才項(xiàng)目（204197083016）

樊志龍，E-mail：fanzl@gsau.edu.cn。通信作者柴強(qiáng)，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）