青海高原春小麥留茬高度對(duì)后茬綠肥生物量和水分利用效率的影響

李 飛，宋明丹，蔣福禎，韓 梅，嚴(yán)清彪，李正鵬

(1.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016； 2.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海 西寧 810016)

青海高原東部農(nóng)區(qū)為高寒干旱氣候區(qū)，氣候資源較為豐富，作物生長一季有余，兩季不足[1]。春小麥?zhǔn)窃搮^(qū)主要作物，收獲后到入冬前有2～3個(gè)月的休閑期，而此期正值當(dāng)?shù)赜隉嵬?，大片土地裸露造成光、溫、水、土等資源浪費(fèi)[2]。綠肥是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要有機(jī)肥源，具有培肥土壤、保水保土、控制環(huán)境污染以及提高作物產(chǎn)量等作用[3]，在該地區(qū)進(jìn)行麥后復(fù)種綠肥不僅能夠充分利用休閑期的氣候資源，而且可延長土地的綠色覆蓋時(shí)間，改良土壤質(zhì)地，有效遏制土地沙化[4-5]。

前人在綠肥方面進(jìn)行了許多研究[6-8]，涉及綠肥和農(nóng)作物的種植方式、綠肥品種栽培、綠肥減施化肥、綠肥對(duì)土壤養(yǎng)分以及土地耕作的影響等方面。有研究表明：小麥留茬0～35 cm范圍內(nèi)，留茬越高，對(duì)后茬作物生長的養(yǎng)分狀況改善越好，以留茬16.5 cm最佳[9]。合理控制秸稈的留茬高度不僅保證了秸稈資源的循環(huán)高效利用，也促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。王秀等[10]研究表明，冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)留茬一定高度，直接播種下一季作物，可提高土壤水分含量，使下季作物增產(chǎn)。采取留茬耕作不僅可以減少土地表面秸稈的覆蓋率、降低地溫、減小太陽輻射及水分蒸發(fā)，而且可以創(chuàng)造有利于旱地作物生長的氣候條件[11]，為作物的生長發(fā)育提供更多的水分。Cutforth等[12]研究發(fā)現(xiàn)，小麥留茬高度在0～30 cm時(shí)，隨留茬高度的增高，作物產(chǎn)量及水分利用效率均有增加的趨勢(shì)。

箭筈豌豆和毛葉苕子是青海高原2個(gè)主栽豆科綠肥作物種類，耐寒耐旱，抗病高產(chǎn)，且生長迅速，但兩者均具有莖稈柔軟、分枝性強(qiáng)、易匍匐的特點(diǎn)。待綠肥覆蓋地面以后，由于其匍匐的特性，容易導(dǎo)致綠肥莖葉腐爛、病害嚴(yán)重等問題。有研究表明，稻草適當(dāng)留茬能夠改善土壤的水熱條件，為綠肥生長創(chuàng)造適宜的環(huán)境，有利于提高豆科綠肥的產(chǎn)草量[13]。留茬免耕栽培由于減少耕翻對(duì)土壤的翻動(dòng)，土壤孔隙度相對(duì)穩(wěn)定，可有效減緩?fù)寥勒舭l(fā)，增加土壤蓄水量[14]。

目前關(guān)于青海高原東部農(nóng)區(qū)的綠肥種植模式研究主要集中在復(fù)種綠肥對(duì)主作物產(chǎn)量、土壤肥力及微生物數(shù)量的影響[15～16]，而關(guān)于小麥留茬高度對(duì)復(fù)種綠肥生長的影響研究較少。本研究提出麥后高留茬復(fù)種綠肥模式，于小麥?zhǔn)斋@后留茬，硬茬播種豆科綠肥，以麥稈支撐綠肥冠層，以期解決綠肥生長不良的問題，待綠肥生長停止后，麥茬與綠肥一起翻壓還田?；诖?，本研究通過田間小區(qū)試驗(yàn)，研究麥后不同留茬高度對(duì)后茬復(fù)種綠肥的生長以及水分利用效率的影響，尋求適合于當(dāng)?shù)氐木G肥復(fù)種方式，為青海高原東部農(nóng)區(qū)綠肥的種植利用提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在青海省西寧市城北區(qū)莫家莊青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)園(36°56′N，101°74′E)進(jìn)行。該地區(qū)海拔2 290 m，屬高原大陸性半干旱氣候，氣候冷涼，具有低溫干燥日照強(qiáng)的氣候條件。年平均氣溫5.9℃，年平均日照時(shí)數(shù)2 748 h，日照率為62.8%，年輻射總量612.5 J·cm-2，其中光合有效輻射占43%。光源充足。全年平均氣溫日較差達(dá)13.5℃，7—9月的降水量占全年降水量的60%～70%，夜間雨量較大，年平均降水量367.5 mm，年均蒸發(fā)量可達(dá)1 729.8 mm[1]。土壤類型為栗鈣土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年7—10月進(jìn)行。春小麥?zhǔn)斋@時(shí)留茬高度設(shè)置3 個(gè)水平，分別為0 cm(H0)、20 cm(H1)、40 cm(H2)，麥后復(fù)種綠肥種類設(shè)置2個(gè)水平，分別為箭筈豌豆(J)和毛葉苕子(M)，兩因素完全組合，共6個(gè)處理，分別為JH0、JH1、JH2、MH0、MH1、MH2，重復(fù)4次，共24個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積3 m×5 m，隨機(jī)區(qū)組排列。

2019年7月26日綠肥點(diǎn)播于收獲后的麥茬行內(nèi)(每穴3粒，行距10 cm)，播種量15 kg·hm-2，播深2 cm，于2019年10月20日收獲。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

在綠肥收獲期采樣，采樣方法和測(cè)定指標(biāo)如下：

植株干重：每小區(qū)隨機(jī)選10株植株，挖出其周圍長、寬、深均為20 cm 土體中的根系，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行根、莖、葉分離，用清水將根系沖洗干凈，植株各部分器官在105℃殺青30 min，75℃下烘至恒重，稱量，計(jì)算根冠比、莖葉比。

葉面積指數(shù)(LAI)：葉面積用圖像分析法測(cè)定[17]，LAI=葉片總面積/土地面積。

土壤含水量和容重：于綠肥播種前和收獲后，在小區(qū)中間用直徑5 cm的土鉆采集0～40 cm土樣(每10 cm一層)，裝于鋁盒，在105℃下烘干至恒重，稱量，計(jì)算土壤含水量。于綠肥收獲后用環(huán)刀測(cè)定相應(yīng)土層容重。

作物耗水量和水分利用效率：參照李正鵬等[18]的計(jì)算方法。

土壤體積含水率θ(cm3·cm-3)計(jì)算如下：

(1)

式中,W1和W2分別為濕土和干土質(zhì)量(g)；B為土壤容重，0～40 cm土層容重為1.27～1.58 g·cm-3。

土壤剖面儲(chǔ)水量SWS(mm)計(jì)算如下：

(2)

式中,i為土層；θi為第i層土壤的體積含水率(cm3·cm-3)；Zi為第i層土壤的厚度(mm)。

作物耗水量(ETa)計(jì)算如下：

ETa=Pr+I+ΔSWS-R-D+K

(3)

式中,ETa為作物耗水量(蒸發(fā)蒸騰量)；Pr為生育期降雨量，本研究中綠肥生育期降水量為162 mm；I為灌溉量，本研究中生育期灌水量為0；ΔSWS為播種與收獲時(shí)40 cm土層土壤儲(chǔ)水量之差；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，I、R、D和K忽略不計(jì)。

根據(jù)綠肥實(shí)際耗水量計(jì)算水分利用效率，公式如下：

(4)

式中,WUE為水分利用效率(kg·m-3)；Y為綠肥干物質(zhì)產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2019軟件進(jìn)行歸納整理和作圖，用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各處理間的差異顯著性用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥留茬高度對(duì)復(fù)種綠肥地上和地下生物量的影響

小麥留茬高度對(duì)復(fù)種綠肥收獲期地上和地下生物量的影響見圖1和表1。箭筈豌豆和毛葉苕子的地上部干重、地下部干重和總干重均隨留茬高度的增高而降低。由圖1可知，地上部干重：JH2比JH0降低了38.7%，MH2比MH0降低了42.4%；地下部干重：JH2比JH0降低了36.1%，MH2比MH0降低了34.3%。因此，總干重JH2比JH0降低了38.6%，MH2比MH0降低了41.9%。作物的根和冠是相互作用互相依存的。根的生長發(fā)育會(huì)影響地上部分的生長。根冠比對(duì)植物生長有著重要影響[19]。毛葉苕子的根冠比隨著留茬高度的增高而增大，MH2比MH0增高了18.6%。

表1 小麥不同留茬高度對(duì)復(fù)種綠肥地上和地下部生物量的影響

圖1 各處理的地上和地下部生物量及根冠比

在綠肥種類方面，箭筈豌豆(J)的地上部干重顯著高于毛葉苕子(M)64.7%；二者的地下部干重差異不顯著；箭筈豌豆(J)的總干重顯著高于毛葉苕子(M)62.2%；毛葉苕子(M)的根冠比顯著高于箭筈豌豆(J)59.2%。在留茬高度方面，植株地上部干重、地下部干重及總干重均隨留茬高度的增高而顯著降低(P<0.05)，不同留茬高度下的根冠比差異不顯著。

多重比較結(jié)果表明，綠肥種類對(duì)地上部干重、總干重和根冠比的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，留茬高度對(duì)地上部干重和總干重的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對(duì)地下部干重的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)，綠肥種類和留茬高度的交互作用不顯著。收獲期綠肥生物量干重隨留茬高度的增加而降低，毛葉苕子的根冠比隨著留茬高度的增高而增大。

2.2 小麥留茬高度對(duì)復(fù)種綠肥莖葉干重及葉面積指數(shù)的影響

通過分析各處理對(duì)復(fù)種綠肥收獲期莖葉干重及葉面積指數(shù)(LAI)的影響(圖2)可知：箭筈豌豆的莖干重和葉干重均隨留茬高度的增高而降低，JH2比JH0降低了37.0%和50.9%；毛葉苕子的莖干重和葉干重均表現(xiàn)為H0最大，H2次之，H1最小，MH1比MH0分別降低了80.2%和79.1%；箭筈豌豆和毛葉苕子的莖葉比均隨留茬高度的增高而增加，JH2比JH0增高了26.9%，MH2比MH0增高了4.9%；箭筈豌豆和毛葉苕子LAI均隨留茬高度的增高而降低，JH2比JH0降低了44.8%，MH2比MH0降低了41.0%。

圖2 各處理的莖、葉干重及葉面積指數(shù)

由表2可知，對(duì)于綠肥種類，箭筈豌豆(J)的莖干重、葉干重、莖葉比和LAI顯著高于毛葉苕子(M)，分別高出141.1%、135.4%、6.0%和69.6%。對(duì)于留茬高度，莖干重、葉干重均隨留茬高度的增高而降低，莖葉比隨留茬高度增加而顯著增大，LAI隨留茬高度的增高有降低趨勢(shì)。

表2 小麥不同留茬高度對(duì)復(fù)種綠肥莖、葉干重及葉面積指數(shù)的影響

方差分析結(jié)果表明，綠肥種類對(duì)莖、葉干重的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對(duì)莖葉比和LAI的影響顯著(P<0.05)；留茬高度對(duì)莖、葉干重和莖葉比的影響達(dá)到極顯著水平，綠肥種類和留茬高度互作間差異不顯著。

2.3 小麥留茬高度對(duì)復(fù)種綠肥耗水量及水分利用效率的影響

水分利用效率(WUE) 反映了不同作物生長過程中單位水分的能量轉(zhuǎn)換效率, 是衡量作物抗旱能力的重要指標(biāo)。它受蒸騰速率和蒸發(fā)速率共同影響，高的水分利用效率有助于植物在干旱條件下保持一定的產(chǎn)量。本研究中綠肥生育期降水量為162 mm，由圖3可知：播種前儲(chǔ)水量箭筈豌豆和毛葉苕子均表現(xiàn)為：H2>H0>H1，且箭筈豌豆的播前儲(chǔ)水量大于毛葉苕子(72.3～75.7 mm>69.4～73.4 mm)；箭筈豌豆的收獲期儲(chǔ)水量隨著留茬高度的增加而增加，JH0比JH2降低8.5%；毛葉苕子的儲(chǔ)水消耗量隨著留茬高度的增加而降低，MH2比MH0降低了10.1%；毛葉苕子的耗水量隨著留茬高度的增加而增加，MH2比MH0增加了5.0%；箭筈豌豆和毛葉苕子的生物量干重和水分利用效率則隨著留茬高度的增加而降低，JH2比JH0分別降低了38.6%和34.4%,MH2比MH0分別降低了41.9%和46.5%。

圖3 各處理的耗水量及水分利用效率

由表3可知，綠肥種類和留茬高度對(duì)生物量干重、水分利用效率的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。對(duì)于綠肥種類，箭筈豌豆的生物量干重、水分利用效率顯著高于毛葉苕子，分別高出62.2%和60.0%；生物量干重、水分利用效率隨留茬高度的增高而降低，不同留茬高度間差異顯著，H2比H0分別降低了40.8%和39.3%。

表3 小麥不同留茬高度對(duì)復(fù)種綠肥耗水量及水分利用效率的影響

3 討 論

青海高原東部農(nóng)區(qū)為高寒干旱氣候區(qū)，毛葉苕子和箭筈碗豆耐寒抗旱, 抗病性強(qiáng), 生長迅速，易獲得高產(chǎn),是比較適宜青海地區(qū)種植的優(yōu)良豆科綠肥作物品種。麥后復(fù)種綠肥不僅能有效利用小麥?zhǔn)斋@后充足的光、熱、水資源，還能吸收小麥?zhǔn)斋@后殘留的土壤養(yǎng)分,為綠肥生長發(fā)育提供有利條件[2，21～23]。毛葉苕子和箭筈豌豆莖稈木質(zhì)化程度較低，具有較強(qiáng)的匍匐性,易使下部通風(fēng)透光不良，另外青海地區(qū)秋季雨水偏多, 非常容易出現(xiàn)莖基部腐爛問題。有研究表明，麥后高留茬能為綠肥的生長提供一定的通透性并改善光照分布，提高光能利用率，使綠肥產(chǎn)量迅速積累，同時(shí)，其直立莖稈為綠肥的向上生長提供支撐，避免了單播中常出現(xiàn)的倒伏減產(chǎn)、下層枝葉脫落、霉變等現(xiàn)象[24]。本研究探討了春小麥?zhǔn)斋@后不同留茬高度對(duì)后茬綠肥生長以及水分利用效率的影響，結(jié)果表明，留茬高度越高綠肥生物量越小，這可能是由于本研究中綠肥生長期僅60余天，至綠肥收獲翻壓尚處于營養(yǎng)生長階段，麥茬的遮擋作用導(dǎo)致綠肥吸收的光熱資源不足，不利于早期綠肥的建植和生長，雖然茬高對(duì)綠肥的生長起到一定的支撐作用，但其促進(jìn)綠肥生長可能主要表現(xiàn)在綠肥生長后期。

本研究結(jié)果表明，相同的光熱水資源條件下，箭筈豌豆的生物量顯著高于毛葉苕子，這可能是由于毛葉苕子莖四棱中空，匍匐性強(qiáng), 而箭筈豌豆稍直立，莖干纖細(xì)斜生喜攀援，從而導(dǎo)致箭筈豌豆的光能利用效率高于毛葉苕子。本研究以綠肥生長和水分利用效率為目標(biāo)，提出不留茬種植箭筈豌豆是較理想的復(fù)種模式，關(guān)于秸稈和綠肥聯(lián)合還田的后茬效應(yīng)需要進(jìn)一步研究，綜合綠肥生長、后茬高產(chǎn)、培肥地力為目標(biāo)的復(fù)種模式需要進(jìn)一步探討。

4 結(jié) 論

1)收獲期綠肥生物量干重隨留茬高度的增加而降低，且毛葉苕子的根冠比顯著高于箭筈豌豆59.2%。

2)收獲期綠肥地上各部干重及葉面積指數(shù)均隨留茬高度的增加而降低。箭筈豌豆的莖、葉干重、莖葉比和LAI顯著高于毛葉苕子，分別高141.1%、135.4%、6.0%和69.6%。

3)收獲期綠肥生物量干重和水分利用效率均隨留茬高度的增加而降低。箭筈豌豆的生物量干重、水分利用效率分別顯著高于毛葉苕子62.2%和60.0%。

因此，麥后不留茬復(fù)種箭筈豌豆具有最高的生物量和水分利用效率，能充分利用麥后休閑期光、熱、水資源，是本研究推薦的麥后復(fù)種綠肥模式。