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(zhǎng)導(dǎo)致的農(nóng)田資源浪費(fèi)等問題，對(duì)小麥季、綠肥季農(nóng)田土壤的水分利用效率及小麥產(chǎn)量、綠肥生物量進(jìn)行研究，旨在為該地區(qū)水分高效利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。試驗(yàn)設(shè)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(duì)照，研究不同處理對(duì)小麥季、綠肥季土壤水分利用效率、小麥產(chǎn)量、綠肥生物量的影響。結(jié)果表明：小麥季秸稈還田處理對(duì)10～20 cm土壤含水量的促進(jìn)效果最佳，較CK1提高5%，各處理100 cm土層儲(chǔ)水量為130～160 mm，其中CK1、秸稈還田處理在0～80 cm土層的儲(chǔ)水量顯著高于G、W＋G處理；在80～100 cm土層中，CK1的儲(chǔ)水量顯著高于G、W+G處理；綠肥還田處理的農(nóng)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(chǎn)量，其中秸稈還田處理的小麥產(chǎn)量最高，較CK1增產(chǎn)7.9%。麥后復(fù)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(chǔ)水量中，秸稈還田處理的保水效果最佳，達(dá)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(chǎn)量，秸稈覆蓋配施化肥的優(yōu)化效果最佳，麥后復(fù)種綠肥降低了土壤含水率及儲(chǔ)水量，同時(shí)覆蓋秸稈增加了綠肥的地下生物量和根冠比。

關(guān)鍵詞：秸稈還田；復(fù)種；綠肥；水分利用；產(chǎn)量

中圖分類號(hào)：S512.104；S344.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）09-0248-06

我國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)是重要的糧食生產(chǎn)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(dòng)的重要條件之一［4］，農(nóng)田土壤需通過灌溉、降水等補(bǔ)給水分，再由作物吸收利用，保障作物生長(zhǎng)和發(fā)育［5-6］。如何保留有效降水、減少農(nóng)田蒸發(fā)量并提高土壤水分利用率，是旱作區(qū)農(nóng)田的主要研究?jī)?nèi)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(jī)物，是可以直接利用的農(nóng)業(yè)廢棄物［9-10］。秸稈覆蓋可以改善土壤質(zhì)量，提高農(nóng)田土壤肥力，增加作物產(chǎn)量［11-12］。秸稈還田后可以增加土壤孔隙度［13］，促進(jìn)農(nóng)田水分保持，降低農(nóng)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(jié)構(gòu)、促進(jìn)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(zhǎng)多為一季［18］。春小麥?zhǔn)窃搮^(qū)的主要糧食作物，在其收獲后，農(nóng)田裸露，入冬前的農(nóng)田資源被浪費(fèi)［19］。秋閑種植綠肥模式將綠肥以科學(xué)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(zhǎng)創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境，從而增加作物產(chǎn)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(dǎo)致后茬作物產(chǎn)量下降，水分利用效率降低［23-24］。

當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，小麥對(duì)水分需求量大，利用效率低，為了追求高產(chǎn)量而過量施肥還會(huì)導(dǎo)致土壤酸化和鹽堿化［25-26］。秋閑農(nóng)田種植綠肥對(duì)土壤水分的消耗大大增加，進(jìn)而對(duì)后季小麥產(chǎn)量有一定影響［27］。覆蓋秸稈等措施使農(nóng)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(duì)作物產(chǎn)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(jié)合，研究對(duì)下一季小麥產(chǎn)量和水分利用的影響，結(jié)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(duì)小麥季農(nóng)田土壤儲(chǔ)水消耗、水分利用率及小麥產(chǎn)量的影響；同時(shí)針對(duì)麥后休閑期長(zhǎng)、農(nóng)田資源浪費(fèi)、水土流失等問題，分析覆蓋秸稈種植綠肥對(duì)綠肥生長(zhǎng)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(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)地進(jìn)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(fēng)速 1.58 m/s，年均氣溫6.12 ℃，年均降水量494.2 mm，年日照時(shí)數(shù)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(chǔ)理化性質(zhì)：pH值為8.28，含有機(jī)質(zhì) 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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)還田物料為秸稈、綠肥（毛葉苕子），其中秸稈設(shè)置2個(gè)水平：無秸稈還田、還秸稈；綠肥設(shè)置2個(gè)水平：無綠肥還田、還綠肥。2個(gè)因素完全組合共4個(gè)處理，分別為：無秸稈無綠肥對(duì)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(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共15個(gè)小區(qū)（長(zhǎng)×寬=4 m×4 m，重復(fù)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(dāng)?shù)剞r(nóng)民的栽培習(xí)慣一致，2022年7月20日收獲。小麥?zhǔn)斋@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(biāo)測(cè)定和計(jì)算

生物量及產(chǎn)量：于小麥?zhǔn)斋@期，小區(qū)內(nèi)確定2個(gè)1 m2樣方，調(diào)查小麥穗數(shù)，取部分子樣，測(cè)定每穗粒數(shù)、千粒重，計(jì)算理論產(chǎn)量。每個(gè)小區(qū)單打單收，計(jì)算實(shí)際產(chǎn)量。綠肥翻壓前，小區(qū)內(nèi)確定2個(gè) 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(shù)=（小麥籽粒產(chǎn)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(gè)時(shí)期，采用內(nèi)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(cè)定土壤含水量。

土壤儲(chǔ)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(zhì)量含水量，cm3/cm3；10為單位換算系數(shù)；i為土壤層次，cm。

農(nóng)田耗水量（ETa）計(jì)算公式如下：

式中：ETa為農(nóng)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(chǔ)水量在播種與收獲時(shí)的差值；R為地表徑流；D為滲漏量；K為地下水補(bǔ)給量。所有計(jì)量的單位均為mm。本試驗(yàn)區(qū)地下水位埋深約50 m，R、D、K忽略不計(jì)。

根據(jù)作物實(shí)際耗水量計(jì)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(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，SPSS 24.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析，LSD進(jìn)行多重比較，顯著性水平均為0.05；使用Origin 2023繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥?zhǔn)斋@期土壤水分分布特征

圖2-a為不同物料還田下小麥?zhǔn)斋@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(shì)，且在深40 cm處土壤含水率均達(dá)到最低，各處理在深20 cm處土壤含水率均達(dá)到最大值，其中秸稈還田處理（W）對(duì)10～20 cm 土壤含水量的促進(jìn)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(chǔ)水量在130～160 mm之間，其中CK1在0～80 cm土層儲(chǔ)水量最高，各處理土層儲(chǔ)水表現(xiàn)為CK1＞W(wǎng)＞W(wǎng)＋G＞G，綠肥還田處理（G）、聯(lián)合還田處理（W＋G）的儲(chǔ)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(chǔ)水量達(dá)到最高，G、W＋G處理的儲(chǔ)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(fù)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(shì)。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(dá)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(shì)。

圖3-b為麥后復(fù)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(chǔ)水量變化，在0～100 cm土層中儲(chǔ)水量整體表現(xiàn)為W＞CK1＞G＞W(wǎng)＋G，W處理的儲(chǔ)水量達(dá)到236.56 mm，較CK1儲(chǔ)水量提高11.1%，W＋G處理的儲(chǔ)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(chǎn)量及其構(gòu)成要素變化

不同物料還田處理對(duì)小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響如表1所示。不同物料還田處理均促進(jìn)小麥產(chǎn)量的增加，其中W處理產(chǎn)量最高。各處理收獲指數(shù)較對(duì)照均無顯著差異。W、G、W＋G處理的產(chǎn)量分別比CK1處理高7.9%、7.6%、0.9%。

通過分析產(chǎn)量構(gòu)成因素發(fā)現(xiàn)，與CK1相比，W、G、W＋G處理均能促進(jìn)穗粒數(shù)的增加，方差分析結(jié)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(chǎn)量構(gòu)成中，秸稈和綠肥各自的主效應(yīng)不顯著，其中秸稈和綠肥交互作用對(duì)千粒重效應(yīng)顯著。

2.4 綠肥的干物重變化

不同處理對(duì)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(shí)覆蓋秸稈有明顯促進(jìn)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(duì)小麥季、綠肥季的耗水量、水分利用效率進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表2所示。小麥季儲(chǔ)水消耗量各處理表現(xiàn)為G＞W(wǎng)＋G＞W(wǎng)＞CK1，物料還田處理均不同程度地增加了儲(chǔ)水消耗量。與CK1相比，G處理的農(nóng)田耗水量顯著提高41.4%。W＋G處理比G處理的儲(chǔ)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(dá)到顯著差異水平。綠肥還田處理對(duì)儲(chǔ)水消耗量和農(nóng)田耗水量的主效應(yīng)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(nóng)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育所需的關(guān)鍵要素之一，主要受土壤結(jié)構(gòu)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(qiáng)土壤水分的保蓄能力［31］，同時(shí)秸稈還田可以改善土壤質(zhì)量， 提高農(nóng)田土壤肥力，增加作物產(chǎn)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(duì)照［10］。全量秸稈還田對(duì)土壤水分保持效果最佳，配施化肥可增加作物產(chǎn)量［32］。本研究發(fā)現(xiàn)，在小麥?zhǔn)斋@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(huì)出現(xiàn)與作物爭(zhēng)奪水分的現(xiàn)象；待秸稈后期腐解結(jié)束后，一部分營(yíng)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(chǔ)水量均低于對(duì)照，且綠肥還田處理儲(chǔ)水量顯著低于對(duì)照處理，這與王玉瓏等研究麥后復(fù)種綠肥并翻壓處理后提高0～110 cm土層土壤儲(chǔ)水量的結(jié)果［17］存在差異。在較干旱地區(qū)，充足的降水量會(huì)補(bǔ)充豆科綠肥生長(zhǎng)過程中消耗的土壤水分；在降水不足的年份，綠肥生長(zhǎng)土壤中消耗的水分沒有得到補(bǔ)償，導(dǎo)致土壤水分虧缺，水分利用率降低，產(chǎn)量受到影響［34］。

作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(zhì)，補(bǔ)充土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素，在秸稈還田措施的基礎(chǔ)上可以進(jìn)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(dá)到平衡養(yǎng)分供應(yīng)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(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有促進(jìn)作用，進(jìn)而達(dá)到作物增產(chǎn)的目的［36-37］，這與本研究中不同物料還田較對(duì)照均提高了小麥產(chǎn)量的結(jié)果一致。本研究結(jié)果還表明，秸稈還田處理下小麥增產(chǎn)最多。秸稈還田后影響小麥產(chǎn)量的直接原因是穗數(shù)變化［38］。本研究中秸稈還田處理能夠增加小麥有效穗數(shù)，實(shí)現(xiàn)小麥增產(chǎn)，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(duì)小麥的千粒重、穗粒數(shù)的影響較小，可能是由于本試驗(yàn)是秸稈還田后的第1年，秸稈的還田量較低，短期內(nèi)秸稈還田未能影響小麥單穗結(jié)實(shí)率及灌漿過程，因此沒有表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)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(chǎn)效果卻低于秸稈還田，這可能是由于種植綠肥會(huì)消耗土壤水分，且當(dāng)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(fù)雜的轉(zhuǎn)化過程，這其中的調(diào)控機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

根冠比能夠反映作物對(duì)產(chǎn)物及能量的分配能力，是衡量作物生長(zhǎng)和對(duì)光合作用產(chǎn)物分配情況的重要指標(biāo)［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(zhǎng)時(shí)通風(fēng)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(zhǎng)受到抑制，根系壯大，使得根冠比增大［40］。有研究表明，相對(duì)于裸地處理，旱作地區(qū)不同覆蓋方式種植玉米處理促進(jìn)根系生長(zhǎng)，根冠比增高［41］，與本研究的結(jié)論相似。綜合麥后復(fù)種模式水分利用效率和植株生長(zhǎng)來看，應(yīng)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(duì)作物生長(zhǎng)的影響。

4 結(jié)論

小麥?zhǔn)斋@期各處理在100 cm土層含水率變化呈先增后降再增的趨勢(shì)，各處理在20 cm處土壤含水率均達(dá)到最大值，秸稈還田處理對(duì)10～20 cm 土壤含水量的促進(jìn)效果最佳，較CK1土壤含水率提高5%；在0～100 cm土層中，CK1儲(chǔ)水量均達(dá)到最高。不同處理較CK1均提高了小麥產(chǎn)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(dá)到顯著差異。

麥后復(fù)種綠肥季各土層儲(chǔ)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(dá)到236.56 mm，較CK1處理提高11.1%。 麥后復(fù)種綠肥降低了土壤含水率及儲(chǔ)水量，同時(shí)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：32160759）；青海省科協(xié)中青年科技人才托舉工程（編號(hào)：2022QHSKXRCTJ24）。

作者簡(jiǎn)介：康雨欣（2000—），女，陜西榆林人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹参餇I(yíng)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?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源高效利用。E-mail：lipengzheng131@163.com。