隴東旱塬冬小麥復(fù)種飼草輪作系統(tǒng)產(chǎn)量和水分利用特征

鄧建強(qiáng),梁志婷,劉淵博,王自奎,沈禹穎

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730020)

隴東旱塬冬小麥復(fù)種飼草輪作系統(tǒng)產(chǎn)量和水分利用特征

鄧建強(qiáng),梁志婷,劉淵博,王自奎,沈禹穎*

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730020)

在隴東黃土高原大田條件下，連續(xù)2年研究了冬小麥-飼草復(fù)種輪作系統(tǒng)的干物質(zhì)產(chǎn)量和水分利用，研究采用的處理有：休閑-冬小麥-箭筈豌豆-冬小麥(F-W-V-W)，休閑-冬小麥-飼用油菜-冬小麥(F-W-R-W)，飼用油菜-冬小麥-箭筈豌豆-冬小麥(R-W-V-W)和飼用油菜-冬小麥-飼用油菜-冬小麥(R-W-R-W)。結(jié)果表明：麥茬復(fù)種飼草可比麥茬休閑提高系統(tǒng)生產(chǎn)力27%，蛋白質(zhì)產(chǎn)量增加1100 kg/hm2， 同時(shí)對(duì)后茬冬小麥產(chǎn)量無影響。R-W-R-W模式下干物質(zhì)產(chǎn)量、粗蛋白產(chǎn)量、干物質(zhì)水分利用效率和蛋白質(zhì)水分利用效率均最優(yōu)，分別為30.68 t/hm2、3.25 t/hm2、7.80 kg/(mm·hm2)和0.92 kg/(mm·hm2)(P<0.05)。復(fù)種飼用油菜較箭筈豌豆產(chǎn)量高，有效利用了麥茬后降雨量，但箭筈豌豆粗蛋白含量較飼用油菜高22.4%，因此確定麥茬復(fù)種模式則需權(quán)衡干物質(zhì)產(chǎn)量與蛋白質(zhì)產(chǎn)量的需求。

麥茬復(fù)種；飼草；干物質(zhì)產(chǎn)量；水分利用效率

冬小麥(Triticumaestivum)是黃土高原隴東地區(qū)糧食生產(chǎn)的主要作物之一，其播種面積占當(dāng)?shù)丶Z食種植面積的60%～70%[1]，主要種植模式是傳統(tǒng)多年連作。研究表明冬小麥多年連作方式會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕和養(yǎng)分流失，耕地質(zhì)量下降[2-3]，尤其是冬小麥茬后休閑制度，不僅削弱了土地產(chǎn)出效益，且大量降水未得到高效利用，然而黃土高原地區(qū)降水資源短缺，且季節(jié)和年際間分布不均衡[4-6]，是限制該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素[7-8]，因此選擇合理的冬小麥種植模式是提高該地區(qū)作物產(chǎn)出及水分利用效率的關(guān)鍵。研究指出冬小麥茬后復(fù)種可使作物增產(chǎn)20%[9-10]，同時(shí)還具有改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，減少病蟲害，提高水分和土地利用效率等效果[11-12]。歐志宏等[13]研究顯示長期實(shí)行合理的種植制度有利于增加土壤養(yǎng)分進(jìn)而促產(chǎn)，Huang等[14]在我國黃土高原地區(qū)分析了不同作物輪作系統(tǒng)的水分利用，發(fā)現(xiàn)玉米(Zeamays)-冬小麥-高粱(Sorghumbicolor)輪作系統(tǒng)的產(chǎn)量和水分利用效率均比冬小麥連作顯著提高23%～33%。胡志橋等[15]在石羊河流域試驗(yàn)研究得出油葵(Helianthusannuus)-小麥/黃豆(Glycinemax)和小麥/黃豆-小麥輪作模式下的水分利用效率較常規(guī)小麥-玉米輪作模式高30%～35%。近年來黃土高原區(qū)亦有多種麥茬復(fù)種輪作模式，如休閑-冬小麥-玉米等[16]、冬小麥-高粱-玉米[17]，但大部分都是基于不同糧食作物輪作倒茬，對(duì)于冬小麥茬后復(fù)種飼草模式下作物產(chǎn)量及水分利用效率復(fù)種效應(yīng)研究較少，研究表明冬小麥茬后復(fù)種飼草模式既切合了糧草兼顧型農(nóng)業(yè)對(duì)優(yōu)質(zhì)飼草的需求[1，18-19]，同時(shí)也是冬小麥生長地區(qū)有效利用降水資源，提高作物產(chǎn)量的有效措施之一[20]。因此本研究采用田間試驗(yàn)觀測(cè)并分析了冬小麥后茬復(fù)種箭筈豌豆(Viciasativa)、飼用油菜(Brassicacampestris)系統(tǒng)的產(chǎn)量及水分利用效率，以期為黃土高原糧草兼顧型農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型提供一定的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

大田試驗(yàn)于2011-2013年在蘭州大學(xué)慶陽黃土高原試驗(yàn)站(N 35°39′，E 107°51′，海拔約1297 m)進(jìn)行，試驗(yàn)地位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)什社鄉(xiāng)，屬于大陸性季風(fēng)氣候，春冬寒冷干燥，夏季多雨，多年平均年降雨量564 mm，且多集中于7-9月份，年平均蒸發(fā)量1504 mm，無霜期161 d，生長季255 d。土壤為黑壚土，表層(0～15 cm)土壤pH為7.93，全氮含量51mg/kg，有機(jī)碳含量為0.12%，有機(jī)質(zhì)含量約1%。

2011和2013年全年降雨量分別較多年平均值(2001-2013年)高出9.5%和31.5%，2012年則低13.6%。2011和2012年復(fù)種飼草生育期間的降雨量分別比同期平均值增加10.8%和減少12.5%。2011-2012年和2012-2013年，冬小麥全生育期降雨量較多年平均值高31.3%和16.2% (圖1)。

圖1 試驗(yàn)地2011-2013年間逐月降雨量和多年平均降雨量值Fig.1 Monthly precipitation and long-term average of site from 2011 to 2013

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試材料為飼油1號(hào)飼用油菜，該品種具有高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，能夠充分利用休閑期間的降水資源，生產(chǎn)大量優(yōu)質(zhì)飼草，是小麥休閑期間可種植作物的最佳選擇之一，隴育216冬小麥和隴箭3號(hào)箭筈豌豆，飼油1號(hào)是華中農(nóng)業(yè)大學(xué)傅廷棟院士培育的飼用型油菜品種，隴箭3號(hào)箭筈豌豆是蘭州大學(xué)選育的飼草型新品種，隴育216是當(dāng)?shù)囟←溨饕贩N之一。

前茬冬小麥?zhǔn)斋@后，分別進(jìn)行休閑(F)和飼用油菜(R)2個(gè)處理，每區(qū)667 m2，重復(fù)4次，共8個(gè)小區(qū)。2011年7月22日在小區(qū)內(nèi)撒播飼用油菜“飼油1號(hào)”，播量15 kg/hm2，播種深度2 cm，播種時(shí)施尿素37.5 kg/hm2。2011年9月15日飼用油菜刈割收獲，9月16日在8個(gè)區(qū)全部機(jī)械條播冬小麥“隴育216”(W)，播量225 kg/hm2，行距15 cm，播種時(shí)施有機(jī)肥600 kg/hm2。2012年7月16日冬小麥?zhǔn)斋@后，每個(gè)小區(qū)再裂為一半，分別播種飼用油菜和箭筈豌豆(V)，其中撒播箭筈豌豆時(shí)播量300 kg/hm2。2012年9月22日兩種飼草刈割收獲，9月23日全部播種冬小麥，形成4種復(fù)種模式：休閑-冬小麥-箭筈豌豆-冬小麥(F-W-V-W)、休閑-冬小麥-飼用油菜-冬小麥(F-W-R-W)、飼用油菜-冬小麥-箭筈豌豆-冬小麥(R-W-V-W)和飼用油菜-冬小麥-飼用油菜-冬小麥(R-W-R-W)，作物生長期間無追肥和灌溉處理。

1.3 作物田間管理

作物田間管理措施，包括播種和收獲日期、播種方法、播種量等見表1。

表1 不同麥茬復(fù)種模式下作物管理Table 1 Crop management under winter wheat/forage catch cropping with rotation system

1.4 觀測(cè)項(xiàng)目及采集

1.4.1 氣象數(shù)據(jù)采集 試驗(yàn)站采用澳大利亞生產(chǎn)的PC200W自動(dòng)氣象站測(cè)定試驗(yàn)地逐日降水量，計(jì)算冬小麥全生育期(2011年7月20日-2013年9月30日)的月降水量，并與多年平均月降水量(2001-2013年)對(duì)比。

1.4.2 作物產(chǎn)量測(cè)定 飼草干物質(zhì)產(chǎn)量測(cè)定：2011年9月和2012年9月，分別在飼用油菜和箭筈豌豆花期，樣方法(0.5 m×0.5 m=0.25 m2)，齊地面刈割，植物鮮樣置于65 ℃烘箱48 h后測(cè)定干質(zhì)量。

小麥干物質(zhì)測(cè)定：2012和2013年，分別于冬小麥成熟期，在各小區(qū)取6行1 m的樣段(1 m×0.15 m×6=0.9 m2)，齊地面刈割，將小麥進(jìn)一步分解為葉片、莖干、穗等，置于65 ℃烘干24 h，分別測(cè)定籽粒和秸稈干物質(zhì)。

1.4.3 土壤水分測(cè)定 采用鋁盒烘干法。用直徑40 mm土鉆于各作物播種期和收獲期采集土樣，取樣層次為0～10、10～20、20～30、30～60、60～90、90～120、120～150和150～200 cm，每個(gè)小區(qū)內(nèi)重復(fù)取3次，同層均勻混合，在105 ℃下烘48 h至質(zhì)量恒定不變。土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定。不同土層貯水量及水分利用效率計(jì)算公式為[21]：

SWS=Ws×d×b×10

式中：SWS為土壤貯水量(mm);Ws為土壤質(zhì)量含水率(%);d為土層深度(cm);b為土壤容重(g/cm3)。

WUE=Y/ET，ET=SWSb-SWSh+P

式中：WUE為水分利用效率(mm);Y為作物產(chǎn)量(kg/hm2);ET為作物生育期耗水量(mm);SWSb為播前土壤貯水量(mm);SWSh為收后土壤貯水量(mm);P為作物生育期降雨量(mm)。

1.4.4 作物粗蛋白含量測(cè)定 采用凱氏定氮法，利用全自動(dòng)定氮儀進(jìn)行植物全氮測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用GenStat 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最小顯著差異檢驗(yàn)法(LSD)比較不同麥茬復(fù)種系統(tǒng)下作物產(chǎn)量和土壤水分利用效率的差異，顯著水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同麥茬復(fù)種模式干物質(zhì)產(chǎn)量

2011年麥茬復(fù)種飼用油菜(R)飼草產(chǎn)量為4.78 t/hm2，其后茬冬小麥(W)籽粒產(chǎn)量較休閑(F)后茬高10.34%(P>0.05)。2012年麥茬后復(fù)種飼用油菜干物質(zhì)產(chǎn)量高達(dá)5.6 t/hm2，在R-W模式下比F-W高3.6%，復(fù)種箭筈豌豆(V)干物質(zhì)產(chǎn)量0.99～1.27 t/hm2，在R-W模式下比F-W高28.3%(P>0.05)。2013年，F(xiàn)-W-V-W和R-W-V-W模式下冬小麥籽粒產(chǎn)量比F-W-R-W和R-W-R-W分別高41.40%和30.43%(P<0.05)，對(duì)于2011和2012年麥茬復(fù)種模式而言，復(fù)種飼用油菜模式下系統(tǒng)干物質(zhì)產(chǎn)量顯著高于其他3個(gè)模式(P<0.05)(表2)。

表2 不同冬小麥復(fù)種飼草輪作模式下各作物組分產(chǎn)量及系統(tǒng)總產(chǎn)量Table 2 Forage, grain straw yield and total dry matter under winter wheat-forage catch cropping with rotation system t/hm2

2.2 不同麥茬復(fù)種模式下粗蛋白產(chǎn)量

2011年麥茬后復(fù)種飼用油菜收獲期粗蛋白產(chǎn)量為1.10 t/hm2，其后茬冬小麥籽粒粗蛋白產(chǎn)量較休閑(F)模式下低10.14%(P>0.05)。2012年麥茬復(fù)種箭筈豌豆模式飼草粗蛋白產(chǎn)量顯著低于飼用油菜，表現(xiàn)為F-W-R-W和R-W-R-W模式下飼草粗蛋白顯著高于F-W-V-W和R-W-V-W模式(P<0.05)。2013年冬小麥籽粒粗蛋白產(chǎn)量在F-W-V-W模式下最高，為0.38 t/hm2(P>0.05)，而小麥秸稈粗蛋白產(chǎn)量則在R-W-V-W模式下顯著高于2個(gè)休閑模式(P<0.05)。綜合2年內(nèi)4個(gè)復(fù)種模式，R-W-R-W模式下的總粗蛋白產(chǎn)量顯著高于其他3個(gè)模式(P<0.05)(表3)。

2.3 不同麥茬復(fù)種模式下土壤水分動(dòng)態(tài)

2011年9月冬小麥播種期，前茬復(fù)種飼用油菜下0～200 cm土壤貯水量顯著低于休閑模式，2012年6月冬小麥?zhǔn)斋@期，復(fù)種飼用油菜模式下深層150～200 cm土壤貯水量較休閑模式低1.84 mm。復(fù)種箭筈豌豆或飼用油菜后，其盛花期土壤水分含量在F-W-V、F-W-R和R-W-V模式下均高于播種期，僅R-W-R模式下0～20 cm土壤水分含量低于播種期，復(fù)種飼用油菜模式下深層120～200 cm土壤貯水量較休閑模式低31.49%。2013年冬小麥?zhǔn)斋@期，0～60 cm土壤含水量均較播種期低(圖2)。以上結(jié)果表明油菜種植后能有效利用季節(jié)性降水，生產(chǎn)飼草，且油菜種植能夠刺激作物對(duì)深層土壤水分的利用。

表3 不同麥茬復(fù)種模式下各組分粗蛋白產(chǎn)量Table 3 Crude protein yield of crops under winter wheat/forage catch crop rotation system t/hm2

圖2 2011-2013年不同麥茬復(fù)種模式下作物生育期土壤剖面水分Fig.2 Soil water content in 0-200 cm soil depth at sowing and harvesting of each crop under winter wheat/forage cropping system from 2011 to 2013

2011年9月復(fù)種飼用油菜輪作模式下，冬小麥播種期0～200 cm土壤貯水量比休閑模式顯著高20.3 mm(P<0.05)。2012年冬小麥?zhǔn)斋@期，復(fù)種飼用油菜模式下0～200 cm土壤貯水量比休閑-冬小麥模式低3.8%(P>0.05)，2012年麥茬后復(fù)種箭筈豌豆盛花期0～200 cm土壤貯水量較休閑-冬小麥模式下低14.86 mm(P>0.05)，2012年，麥茬后復(fù)種飼用油菜模式下飼草盛花期0～200 cm土壤貯水量較休閑-冬小麥模式顯著高3.8%(P<0.05)，2013年冬小麥?zhǔn)斋@期，2年均有飼用油菜加入的R-W-R-W模式分別較休閑模式F-W-V-W、F-W-R-W顯著低6.3%(P<0.05)和4.2%(P>0.05)(表4)。

表4 不同輪作模式下作物播種期和收獲期土壤0～200 cm貯水量Table 4 Soil water storage of 0-200 cm soil depth at sowing and harvesting under winter wheat/forage cropping system mm

F：Fallow，R：Rape (Rape 1)，W：Winter wheat (Longyu 216)，V：Vetch (Longjian 3). 下同The same below.

2.4 不同麥茬復(fù)種模式下水分利用效率

2011年，飼用油菜干物質(zhì)水分利用效率達(dá)到28.04 kg/(mm·hm2)， 2012年飼用油菜和休閑后茬的冬小麥籽粒及秸稈的水分利用效率間無差異(P>0.05)，麥茬后復(fù)種飼用油菜(F-W-R和R-W-R)的干物質(zhì)水分利用效率顯著高于麥茬后復(fù)種箭筈豌豆(F-W-V和R-W-V)(P<0.05)。2013年在F-W-V-W和R-W-V-W模式下冬小麥的干物質(zhì)水分利用效率高于F-W-R-W和R-W-R-W模式(P<0.05)。對(duì)于2年的麥茬復(fù)種系統(tǒng)而言，R-W-R-W系統(tǒng)下干物質(zhì)水分利用效率顯著高于其他3個(gè)系統(tǒng)(P<0.05)(表5)。

表5 不同復(fù)種模式下各組分干物質(zhì)水分利用效率Table 5 Water use efficiency of DM (WUEDM) under winter wheat,forage cropping system kg/(mm·hm2)

2011年飼用油菜盛花期蛋白質(zhì)水分利用效率為6.46 kg/(mm·hm2)，2012年，F(xiàn)-W模式下的冬小麥籽粒蛋白質(zhì)水分利用效率較R-W模式高，而秸稈蛋白質(zhì)水分利用效率較R-W模式低(P>0.05)，F(xiàn)-W-V-W和R-W-V-W模式下飼草蛋白質(zhì)水分利用效率較F-W-R-W和R-W-R-W模式下顯著低2.14 kg/(mm·hm2)。2013年F-W-V-W和R-W-V-W模式下冬小麥籽粒和秸稈蛋白質(zhì)水分利用效率分別高于F-W-R-W和R-W-R-W模式(P>0.05)。兩茬飼用油菜復(fù)種模式下，R-W-R-W模式蛋白質(zhì)水分利用效率顯著高于其他3個(gè)模式，系統(tǒng)蛋白質(zhì)水分利用效率高達(dá)0.92 kg/(mm·hm2)(P<0.05)(表6)。

表6 不同復(fù)種模式下各組分蛋白質(zhì)水分利用效率Table 6 Protein water use efficiency of crops (WUECP) under different wheat stubble patterns kg/(mm·hm2)

3 討論

3.1 麥茬復(fù)種飼草的系統(tǒng)干物質(zhì)產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量

干物質(zhì)產(chǎn)量是衡量系統(tǒng)生產(chǎn)力水平的指標(biāo)[22]。已有研究表明，冬小麥茬后休閑制度不僅使大量降水未得到高效利用，而且削弱了土地利用效率，而麥茬復(fù)種飼草能夠充分利用7-9月土地空閑期，既保證了飼料油菜不占用其他糧食作物用地，又有效利用了農(nóng)業(yè)雨，光、熱資源[1，23-25]。本研究中R-W輪作模式系統(tǒng)總產(chǎn)量高于F-W輪作模式，其中R-W-R-W輪作模式下系統(tǒng)總產(chǎn)量較于其他3個(gè)輪作模式是最高的，而在2012年R-W輪作模式下冬小麥籽粒和秸稈產(chǎn)量均高于F-W輪作模式，由于油菜前茬能改善土壤結(jié)構(gòu)[26]，降低后茬谷類作物病蟲害的發(fā)生率[27]，從而促進(jìn)冬小麥前期營養(yǎng)生長[23]，這與前人[28-29]得到的研究結(jié)果一致。2012年F-W-R-W和R-W-R-W輪作模式下飼草產(chǎn)量分別顯著高于F-W-V-W和R-W-V-W模式，陳其鮮等[30]指出飼油1號(hào)產(chǎn)量較高，鮮草產(chǎn)量較豆科牧草箭筈豌豆高29.55%，由于飼用油菜較豆科植物相比，具有更高的耗水特性，進(jìn)而能充分利用麥茬后休閑降水生產(chǎn)大量飼草[31]。2013年飼用油菜前茬模式較箭筈豌豆前茬模式冬小麥籽粒、秸稈生物量均較低，這與前人[32]研究得出的飼草前茬下冬小麥產(chǎn)量相差不大結(jié)果不同，由于冬小麥生育前期降水資源嚴(yán)重不足，加上秋播飼用油菜后對(duì)土壤的水分消耗大于箭筈豌豆[33]，影響飼草后茬冬小麥前期的分蘗。本研究結(jié)果中豆科牧草箭筈豌豆作為麥茬復(fù)種作物，其粗蛋白含量比油菜高22.4%，比冬小麥籽粒高27.4%，冬小麥秸稈含氮量僅是箭筈豌豆的26.5%，但是由于飼用油菜能夠充分利用夏秋之交的降水資源，生產(chǎn)粗蛋白含量較高的飼草，飼用油菜作為麥茬復(fù)種作物，其生物產(chǎn)量要顯著高于豆科牧草，最終表現(xiàn)為R-W-R-W輪作系統(tǒng)總生物量和粗蛋白產(chǎn)量均顯著高于F-W-V-W、F-W-R-W和R-W-V-W輪作系統(tǒng)，這足以彌補(bǔ)粗蛋白產(chǎn)量及飼草品質(zhì)較低的損失，在糧草兼顧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)飼草是滿足優(yōu)質(zhì)畜產(chǎn)品生產(chǎn)的前提，確定麥茬復(fù)種輪作模式則需權(quán)衡干物質(zhì)產(chǎn)量與蛋白質(zhì)產(chǎn)量的需求，這也是應(yīng)對(duì)當(dāng)前糧食生產(chǎn)庫存有余，而優(yōu)質(zhì)飼草供應(yīng)不足的現(xiàn)狀的途徑之一。

3.2 麥茬復(fù)種飼草模式的水分利用效率

Larbi等[34]的研究表明，飼草生長季干物質(zhì)產(chǎn)量與土壤水分密切相關(guān)，麥茬后復(fù)種飼草是合理的輪作模式，可以更好地應(yīng)對(duì)因季節(jié)性降水不平衡造成的土壤水分虧缺等問題[35]，將飼草引入作物輪作系統(tǒng)中可增加土壤水分利用效率[36-37]。本研究結(jié)果顯示2011年7月至9月有385.1 mm的降水，足以滿足飼用油菜的生長，后茬小麥產(chǎn)量并未受到影響，R-W輪作模式系統(tǒng)干物質(zhì)水分利用效率顯著高于F-W輪作模式，其中R-W-R-W輪作模式下系統(tǒng)干物質(zhì)水分利用效率是最高的，在2012年R-W輪作模式下冬小麥籽粒和秸稈干物質(zhì)水分利用效率均高于F-W輪作模式，這與Nielsen等[10]和Lenssen等[38]的結(jié)果一致，由于飼用油菜前茬對(duì)水分的大量消耗，導(dǎo)致后茬冬小麥對(duì)土壤深層含水量的利用率加大。2012年復(fù)種飼用油菜輪作模式下干物質(zhì)水分利用效率顯著高于復(fù)種箭筈豌豆輪作模式，由于秋播飼用油菜對(duì)水分消耗高于箭筈豌豆，生產(chǎn)大量飼草。2013年箭筈豌豆前茬復(fù)種模式小麥籽粒和秸稈干物質(zhì)水分利用效率均高于飼用油菜復(fù)種模式，由于2012年飼用油菜生育時(shí)期對(duì)土壤水分的大量消耗導(dǎo)致后茬冬小麥生育時(shí)期水分不足。對(duì)于系統(tǒng)而言，飼用油菜具有較高的產(chǎn)量和WUEDM[39]，提高了系統(tǒng)水分利用效率， R-W-R-W模式下WUEDM相比其他3個(gè)模式最高，這與趙搖剛[40]得到的種植油菜處理冬小麥產(chǎn)量增加7.5%一致。在糧草兼顧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)飼草是滿足優(yōu)質(zhì)畜產(chǎn)品生產(chǎn)的前提。因此，麥茬復(fù)種模式的選擇需權(quán)衡干物質(zhì)產(chǎn)量與蛋白質(zhì)產(chǎn)量的需求。

4 結(jié)論

1)飼用油菜-冬小麥-飼用油菜-冬小麥的輪作模式下干物質(zhì)產(chǎn)量、粗蛋白產(chǎn)量、干物質(zhì)水分利用效率和蛋白質(zhì)水分利用效率分別為30.68 t/hm2、3.25 t/hm2、7.80 kg/(mm·hm2)和0.92 kg/(mm·hm2)，均顯著高于其他3個(gè)輪作模式，是最佳輪作模式。

2)麥茬復(fù)種飼草可比麥茬休閑提高系統(tǒng)生產(chǎn)力27%，蛋白質(zhì)產(chǎn)量增加1100 kg/hm2，同時(shí)，復(fù)種飼油R-W模式中冬小麥產(chǎn)量與休閑模式下接近，這為隴東旱塬區(qū)麥茬后復(fù)種飼油1號(hào)飼草提供了科學(xué)依據(jù)。

3)麥茬后復(fù)種箭筈豌豆產(chǎn)量顯著低于飼用油菜，但是其粗蛋白含量比油菜高22.4%。同時(shí)在降水虧欠年份，冬小麥?zhǔn)斋@后復(fù)種生物量相對(duì)低的一年生豆科飼草，可降低因水分競(jìng)爭(zhēng)對(duì)小麥產(chǎn)量的影響。因此在糧草兼顧性農(nóng)業(yè)中，確定麥茬復(fù)種輪作模式則需權(quán)衡干物質(zhì)產(chǎn)量與蛋白質(zhì)產(chǎn)量的需求。

References：

[1] Liu Y B, Tian L H, Zhang Q P,etal. Grain and forage performances of winter wheat in a rape and wheat rotation system. Pratacultural Science, 2014, 31(7): 1336-1342. 劉淵博, 田莉華, 張清平, 等. 油菜-冬小麥輪作系統(tǒng)中冬小麥的糧飼兼用性能. 草業(yè)科學(xué), 2014, 31(7): 1336-1342.

[2] Liao Y C, Wang L X. Study on enhancing farmland water production potential in arid regions of Northern China. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2002, 18(6): 78-80. 廖允成, 王立祥. 中國北方旱區(qū)農(nóng)田水分生產(chǎn)潛力增進(jìn)研究. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2002, 18(6): 78-80.

[3] Bo L D. The Cultivation System Establishment and Assessment Contributing to Yield and Efficiency Improvement of Dryland Maize, and Regional Simulation[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2013. 卜令鐸. 旱地春玉米高產(chǎn)高效栽培體系構(gòu)建、評(píng)價(jià)及區(qū)域模擬[D]. 楊凌： 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2013.

[4] Wang Y, Xie Z, Malhi S S,etal. Effects of rainfall harvesting and mulching technologies on water use efficiency and crop yield in the semi-arid Loess Plateau of China. Agricultural Water Management, 2009, 96(3): 374-382.

[5] Zhang S L, Grip H. Effects of mulching and catch cropping on soil temperature, soil moisture and wheat yield on the Loess Plateau of China. Soil and Tillage Research, 2009, 102(1): 78-86.

[6] Kang S, Zhang L, Liang Y,etal. Effects of limited irrigation on yield and water use efficiency of winter wheat in the Loess Plateau of China. Agricultural Water Management, 2002, 55(3): 203-216.

[7] Shan L, Chen G L. Dryland Farming for Loess Plateau[M]. Beijing: Science Press, 1993. 山侖, 陳國良. 黃土高原旱地農(nóng)業(yè)的理論與實(shí)踐[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1993.

[8] Yang J. Response of System Compenents to Conservation Tillage Practice in a Maize-wheat-soybean Rotation on the Qingyang Loess Plateau[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2009. 楊晶. 隴東黃土高原塬區(qū)玉米-小麥-大豆輪作系統(tǒng)各組分對(duì)保護(hù)性耕作的響應(yīng)[D]. 蘭州: 蘭州大學(xué), 2009.

[9] Yuan S C. The suiable crop rotation and the improvement of the cropping system on rice field in Hubei Province. Acta Agronomica Sinica, 1981, 7(3): 211-216. 元生朝. 合理的復(fù)種輪作與湖北省稻田耕作制度改革. 作物學(xué)報(bào), 1981, 7(3): 211-216.

[10] Nielsen D C, Lyon D J, Higgins R K,etal. Cover crop effect on subsequent wheat yield in the Central Great Plains. Agronomy Journal, 2016, 108(1): 243-256.

[11] Yin W, Feng F X, Zhao C,etal. Effects of wheat straw returning patterns on characteristics of dry matter accumulation, distribution and yield of rotation maize. Acta Agronomic Sinica, 2016, 42(5): 751-757. 殷文, 馮福學(xué), 趙財(cái), 等. 小麥秸稈還田方式對(duì)輪作玉米干物質(zhì)累積分配及產(chǎn)量的影響. 作物學(xué)報(bào), 2016, 42(5): 751-757.

[12] Glab T, Scigalska B, LAbuz B. Effect of crop rotation on the root system morphology and productivity of triticale (×TriticosecaleWittm). The Journal of Agricultural Science, 2014, 152(4): 642-654.

[13] Ou Z H, Li W L. A preliminary study on the effect of different cropping systems on soil fertility and economic efficiency. Hunan Agricultural Sciences, 2007, (3): 74-75. 歐志宏, 李為龍. 不同種植制度的經(jīng)濟(jì)效益及對(duì)土壤肥力影響的初步研究. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué), 2007, (3): 74-75.

[14] Huang M, Shao M, Zhang L,etal. Water use efficiency and sustainability of different long-term crop rotation systems in the Loess Plateau of China. Soil and Tillage Research, 2003, 72(1): 95-104.

[15] Hu Z Q, Tian X H, Zhang J D,etal. High efficiency production and water-saving crop rotation systems in Shiyang River Area. Chinese Journal of Eco-Agricultural, 2011, 19(3): 561-567. 胡志橋, 田霄鴻, 張久東, 等. 石羊河流域節(jié)水高產(chǎn)高效輪作模式研究. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2011, 19(3): 561-567.

[16] Ma A P, Hang X L, Jin H,etal. Effects of crops for rotation and planting pattern on soil water stage, comsumption and water use efficiency in arid land winter wheat. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(2): 31. 馬愛平, 亢秀麗, 靖華, 等. 旱地冬小麥茬口、種植模式對(duì)土壤貯水、耗水及水分利用效率的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2015, 29(2): 31.

[17] Li F R, Wang S F. Application of the analytic hierarchy process model to comprehensive evaluation of crop rotational systems with multiple cropping. Acta Prataculturae Sinica, 1996, 5(3): 22-27. 李鋒瑞, 王樹芳. 作物輪作復(fù)種模式綜合評(píng)價(jià)的 AHP 模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 草業(yè)學(xué)報(bào), 1996, 5(3): 22-27.

[18] Yang R J, Niu J Y, Huang W D,etal. Effects of wheat stubble multiple cropping rape to soil aggregate structure on topsoil. Journal of Soil and Water Conservation, 2006, 20(5): 77-81. 楊瑞吉, ?？×x, 黃文德, 等. 麥茬復(fù)種飼料油菜對(duì)耕層土壤團(tuán)聚體的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2006, 20(5): 77-81.

[19] Yang R J. Effect of planting density on growth properties of rapeseed in wheat/silage rape multiple cropping. Chinese Journal of Oil Crop Sciences, 2007, 29(4): 479-482. 楊瑞吉. 麥茬復(fù)種飼料油菜的播種量對(duì)其生長性狀的影響. 中國油料作物學(xué)報(bào), 2007, 29(4): 479-482.

[20] Zhang L F, Bian X J, Liu Y H. Studies on water consumption characteristics and effects of crops rotation in plateau of north Hebei Province. Scientia Agricultura Sinica, 2001, 34(1): 56-60. 張立峰, 邊秀舉, 劉玉華. 冀北高原作物耗水特性與倒茬效應(yīng)研究. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2001, 34(1): 56-60.

[21] Guo T W, Xie Y C, Zhang P L,etal. Effects of different patterns of planting and fertilization on soil moisture and water use efficiency of spring maize on dryland. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(5): 231-238. 郭天文, 謝永春, 張平良, 等. 不同種植和施肥方式對(duì)旱地春玉米土壤水分含量及其水分利用效率的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2015, 29(5): 231-238.

[22] Zhang Q P, Tian L H, Liu Y B,etal. Dry matter and water use efficiency of annual forage crops in the Loess Plateau. Arid Zone Research, 2015, 32(2): 251-257. 張清平, 田莉華, 劉淵博, 等. 黃土高原一年生飼草作物產(chǎn)量與水分利用效率. 干旱區(qū)研究, 2015, 32(2): 251-257.

[23] Yang Y C, Zheng Y L, He Z H,etal. Effect of straw returning and fertilization on yields of wheat-rape multiple cropping and resource use efficiency. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2016, 32(9): 20-26. 楊育川, 鄭月蘭, 何智宏, 等. 不同秸稈還田方式及施肥對(duì)春小麥復(fù)種小油菜產(chǎn)量和資源利用率的影響. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2016, 32(9): 20-26.

[24] Niu Y N, Nan Z B. Dry matter yield and productivity of forage crops under rotation systems in Longdong loess plateau. Pratacultural Science, 2012, 29(9): 1422-1427. 牛伊寧, 南志標(biāo). 隴東黃土高原飼草作物生產(chǎn)力研究. 草業(yè)科學(xué), 2012, 29(9): 1422-1427.

[25] Li J, Wang L X. Weibei plateau summer fallow land utilization research. Journal of Kasetsart University, 1994, 22(2): 99-102. 李軍, 王立祥. 渭北旱塬夏閑地開發(fā)利用研究. 西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1994, 22(2): 99-102.

[26] Katsvairo T, Cox W J. Tillage and rotation effects on soil physical characteristics. Agronomy Journal, 2002, 94(2): 299-304.

[27] Yue Y H, Yang R J, Niu J Y,etal. Effect ofTriticumaestivum/feedBrassicanapusmultiple cropping on soil enzymatic activities. Acta Prataculturae Sinica, 2007, 16(6): 47-53. 岳永華, 楊瑞吉, ?？×x, 等. 復(fù)種飼料油菜對(duì)麥茬耕層土壤酶活性的影響. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2007, 16(6): 47-53.

[28] Smith B J, Kirkegaard J A. Impacts of Brassica break-crops on soil biology and yield of following wheat crops. Crop and Pasture Science, 2004, 55(1): 1-11.

[29] Kirkegaard J A, Gardner P A, Angus J F,etal. Effect of Brassica break crops on the growth and yield of wheat. Crop and Pasture Science, 1994, 45(3): 529-545.

[30] Chen Q X, Mao W H, Cui X R,etal. The characteristics and key points of cultivation of forage rape. Agricultural Science and Technology Communication, 2007, (8): 56. 陳其鮮, 毛萬湖, 崔小茹, 等. 飼草油菜新品種飼油 1 號(hào)的特征特性及栽培要點(diǎn). 農(nóng)業(yè)科技通訊, 2007, (8): 56.

[31] Lv J B. Performance of multiple cropping rape yield and cultivation technology after wheat in Wuwei. Gansu Agricultural Science and Technology, 2002, (9): 14-15. 呂經(jīng)邦. 武威市麥后復(fù)種飼用油菜的產(chǎn)量表現(xiàn)及栽培技術(shù). 甘肅農(nóng)業(yè)科技, 2002, (9): 14-15.

[32] Han L N, Ding J, Han Q F,etal. Effects of alfalfa-grain (oil) crop plowing rotation on soil moisture and crop yield in Loess Plateau. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 28(24): 129-137. 韓麗娜, 丁靜, 韓清芳, 等. 黃土高原區(qū)草糧 (油) 翻耕輪作的土壤水分及作物產(chǎn)量效應(yīng). 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 28(24): 129-137.

[33] Xiao J L, Lai Y C, Liu M,etal. Northeast spring wheat after wheat multiple cropping rape cultivation techniques. Heilongjiang Agricultural Sciences, 2014, (12): 156. 肖佳雷, 來永才, 劉明, 等. 東北春小麥麥后復(fù)種飼料油菜栽培技術(shù). 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, (12): 156.

[34] Larbi A, Hassan S, Kattash G,etal. Annual feed legume yield and quality in dryland environments in north-west Syria: 2. Grain and straw yield and straw quality. Animal Feed Science and Technology, 2010, 160(3): 90-97.

[35] Wang L, Fan T L, Wang Y,etal. Effects of cultivation modes in summer fallow period on soil moisture and water use efficiency of winter wheat. Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(5): 55-58. 王磊, 樊廷錄, 王勇, 等. 夏閑期栽培模式對(duì)土壤水分及冬小麥水分利用效率的影響. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2015, 34(5): 55-58.

[36] Wang X C, Li J, Fang X Y,etal. Restoration of soil water in alfalfa-grain crop rotation fields on semi-arid region. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(1): 81-88. 王學(xué)春, 李軍, 方新宇, 等. 半干旱區(qū)草糧輪作田土壤水分恢復(fù)效應(yīng). 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2011, 27(1): 81-88.

[37] Sun J, Li J, Wang M Y,etal. Effects of alfalfa-grain rotation on soil moisture restoration in semi-arid and drought-inclined areas of the Loess Plateau. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(6): 33-39. 孫劍, 李軍, 王美艷, 等. 黃土高原半干旱偏旱區(qū)苜蓿-糧食輪作土壤水分恢復(fù)效應(yīng). 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25(6): 33-39.

[38] Lenssen A W, Johnson G D, Carlson G R. Cropping sequence and tillage system influences annual crop production and water use in semiarid Montana, USA. Field Crops Research, 2007, 100(1): 32-43.

[39] Gu X B, Li Y N, Yin M H,etal. Effects of biodegradable film mulching on root distribution, yield and water use efficiency of winter oilseed rape (BrassicanapusL.). Journal of Agricultural Machinery, 2015, 46(12): 184-193. 谷曉博, 李援農(nóng), 銀敏華, 等. 降解膜覆蓋對(duì)油菜根系、產(chǎn)量和水分利用效率的影響. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(12): 184-193.

[40] Zhao Y G. Effects of rape cropping in summer fallow period on dryland soil moisture content and winter wheat yield. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(10): 2807-2813. 趙搖剛. 夏休閑期復(fù)種油菜對(duì)旱地土壤水分和小麥產(chǎn)量的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(10): 2807-2813.

Dry matter production and water use of winter wheat-forage catch crop rotation systems on the Longdong Loess Plateau

DENG Jian-Qiang, LIANG Zhi-Ting, LIU Yuan-Bo, WANG Zi-Kui, SHEN Yu-Ying*

CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity，StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,Lanzhou730020,China

A field experiment was conducted to study the effects of winter wheat/forage catch crop rotation systems on dry matter production and water use. This experiment was conducted at the Qingyang Experimental Station of Lanzhou University, which is located in the central part of the Loess Plateau. Four crop rotation systems were tested: fallow/winter wheat (Triticumaestivum)/vetch (Viciasativa)/winter wheat (F-W-V-W); fallow/winter wheat/rape (Brassicacampestris)/winter wheat (F-W-R-W); rape/winter wheat/vetch/winter wheat (R-W-V-W); and rape/winter wheat/rape/winter wheat (R-W-R-W). The results showed that the system productivity of R-W was 27% higher than that of F-W. Compared with F-W, R-W showed 1100 kg/ha greater crude protein yield, but there was no significant difference in the yield of winter wheat stubble. Among the four cropping systems, the R-W-R-W rotation system showed the highest dry matter production, crude protein yield, water use efficiency, and protein water use efficiency [30.68 t/ha, 3.25 t/ha, 7.80 kg/(mm·ha), and 0.92 kg/(mm·ha), respectively]. The yield and water consumption of rape were higher than those of vetch, indicating that precipitation after the winter wheat crop was used more efficiently by rape. However, the protein content of vetch was 22.4% higher than that of rape. This result highlighted the importance of evaluating the relationship between dry matter production and crude protein yield to judge the benefits of different rotation systems.

winter wheat and catch cropping rotation; forage crop; dry matter production; water use efficiency

10.11686/cyxb2016131

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-03-23；改回日期：2016-06-06

甘肅省草原技術(shù)推廣總站下達(dá)項(xiàng)目-隴東旱區(qū)糧草輪作系統(tǒng)的模式及關(guān)鍵技術(shù)研究,教育部重大科技項(xiàng)目(313028)和甘肅省重大科技專項(xiàng)(1203FKDA035)資助。

鄧建強(qiáng)(1990-)，男，江西撫州人，在讀碩士。E-mail:dengjq15@lzu.edu.cn

*通信作者Corresponding author. E-mail:yy.shen@lzu.edu.cn

鄧建強(qiáng), 梁志婷, 劉淵博, 王自奎, 沈禹穎. 隴東旱塬冬小麥復(fù)種飼草輪作系統(tǒng)產(chǎn)量和水分利用特征. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(2): 161-170.

DENG Jian-Qiang, LIANG Zhi-Ting, LIU Yuan-Bo, WANG Zi-Kui, SHEN Yu-Ying. Dry matter production and water use of winter wheat-forage catch crop rotation systems on the Longdong Loess Plateau. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(2): 161-170.