耕作方式與秸稈還田對(duì)麥后復(fù)種花生水分利用及籽仁品質(zhì)的影響

趙繼浩，李穎，賴華江，潘小怡，李向東，楊東清

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018）

黃淮海地區(qū)是我國重要的糧食和油料作物產(chǎn)區(qū)，由于該地區(qū)多實(shí)行淺翻耕，造成土壤耕層變淺、緊實(shí)度增加、養(yǎng)分失衡等，嚴(yán)重限制了糧油產(chǎn)量的提高，再加上我國人口數(shù)量的增加和人民生活水平的提高，對(duì)糧油的需求量逐漸增大，糧油供給面臨著巨大挑戰(zhàn)［1，2］。因此，通過改變農(nóng)業(yè)種植模式、改善土壤結(jié)構(gòu)、培肥地力提高糧油產(chǎn)量，對(duì)緩解糧油爭地矛盾、實(shí)現(xiàn)糧油自給具有極其重要的意義。

合理的土壤耕作和秸稈還田是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中兩項(xiàng)重要的土壤改良和增產(chǎn)措施［3］。土壤耕作是通過影響土壤水、肥、氣、熱等的變化影響作物產(chǎn)量，耕作方式不同其影響不同［4］。已有研究發(fā)現(xiàn)，免耕對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)較小，在土壤保水、保墑等方面具有積極作用［5，6］；但免耕會(huì)增大土壤緊實(shí)度［7］，不利于養(yǎng)分到達(dá)下層，影響作物根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，從而造成產(chǎn)量的降低［8］；而趙財(cái)?shù)龋?］的研究發(fā)現(xiàn)，與玉米茬傳統(tǒng)耕作相比，玉米茬免耕直播能促進(jìn)小麥地上部干物質(zhì)積累，提高產(chǎn)量。深耕有利于打破犁底層，降低土壤緊實(shí)度［10］，促進(jìn)根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，提高產(chǎn)量［11］。

小麥-花生一年兩熟的種植模式是緩解糧油爭地矛盾的重要途徑。秸稈作為前茬小麥?zhǔn)斋@后的主要廢棄物，將其還田不僅可以減少土壤蒸發(fā)耗水，提高土壤含水量［12］，還可以提高產(chǎn)量［13］。

前人圍繞耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤性質(zhì)的影響已做了大量研究，但關(guān)于土壤水分利用的報(bào)道較少。因此，本試驗(yàn)研究了小麥-花生一年兩熟模式下耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤水分利用以及花生產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為改善該地區(qū)冬小麥-夏花生一年兩熟生產(chǎn)技術(shù)提供一定的理論參考和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年10月—2018年10月在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站（116°20′E，35°38′N）進(jìn)行，屬溫帶季風(fēng)性氣候。花生生育期內(nèi)平均氣溫25.6℃，降雨量512.7 mm，6—10月的平均氣溫和降雨量見圖1。試驗(yàn)地為砂壤土，花生種植前測(cè)土壤理化性質(zhì)：耕層（0～20 cm）土壤有機(jī)質(zhì)含量13.18 g·kg-1，全氮含量1.03 g·kg-1，速效磷含量32.69 mg·kg-1，速效鉀含量81.80 mg·kg-1。

供試花生品種為大花生品種“山花108”，小麥品種為“山農(nóng)20”。

圖1 研究區(qū)花生生育期內(nèi)平均氣溫和降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用冬小麥-夏花生周年定位試驗(yàn)，裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為耕作方式，設(shè)置深耕（DT）、旋耕（RT）、免耕（NT）3個(gè)處理，其中深耕作業(yè)深度為30 cm，旋耕作業(yè)深度為15 cm；副區(qū)為秸稈還田，設(shè)置秸稈全量還田（S）和秸稈不還田2個(gè)處理。每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積20 m×6 m＝120 m2。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

冬小麥于2017年10月13日播種，2018年6月7日收獲；夏花生于2018年6月14日播種，2018年10月7日收獲。夏花生采用畦種，畦寬1.5 m，每畦種5行，每公頃種植密度為15萬穴（行距30 cm，株距20 cm），每穴播種2粒。花生播種前基施化肥純N 110 kg·hm-2、P2O5110 kg·hm-2、K2O 110 kg·hm-2，其它管理措施同一般高產(chǎn)田。小麥采用畦種，畦寬3 m，機(jī)械播種，每公頃種植225萬株；小麥種植前基施化肥純N 110 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2，于拔節(jié)期追施純N 110 kg·hm-2，其它管理措施同一般高產(chǎn)田。

參照Boote［14］的方法，按照植株及莢果的發(fā)育形態(tài)學(xué)特征，將花生生長發(fā)育階段劃分為：R1（苗期）、R3（花針期）、R5（結(jié)莢期）、R7（飽果期）和R8（成熟期）。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤緊實(shí)度的測(cè)定 于花生生長季R8時(shí)期取樣，采用“S”形取樣法隨機(jī)選取每小區(qū)5個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)3次重復(fù)；利用托普TJSD-750-Ⅱ土壤緊實(shí)度測(cè)定儀每5 cm一層，測(cè)定0～30 cm土層土壤緊實(shí)度。

1.3.2 土壤含水量的測(cè)定 于花生生長季R8時(shí)期取樣，采用“S”形取樣法隨機(jī)選取每小區(qū)5個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)3次重復(fù)；用土鉆取0～100 cm土層土樣，每20 cm一層，分層取土，置于鋁盒中，采用烘干法測(cè)定土壤含水量，其公式為：土壤含水量＝（鮮土質(zhì)量-烘干質(zhì)量）/干土質(zhì)量×100%。

土壤貯水量的測(cè)定［15］：W ＝h×s×c×10。式中：W 為土壤貯水量（mm）；h為土層深度（cm）；s為土壤容重（g·cm-3）；c為土壤水分含量（%）。

作物耗水量的測(cè)定：ET＝W1-W2+P+K。其中，ET為作物耗水量（mm），W1為播前土壤貯水量（mm）；W2為收獲后土壤貯水量（mm）；P為生育期降雨量（mm）；K為生育期內(nèi)的地下水補(bǔ)給量（mm），當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時(shí)，K值可以不計(jì)，本試驗(yàn)的地下水埋深在4 m以下，因此K忽略不計(jì)。

水分利用效率的測(cè)定［15］：WUE＝Y(jié)/ET。式中：WUE為水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；Y為作物產(chǎn)量（kg·hm-2）。

1.3.3 花生主莖高和側(cè)枝長的測(cè)定 分別于花生R1、R3、R5、R7和R8時(shí)期取樣，采用“S”形取樣法隨機(jī)選取每小區(qū)5個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)一穴，測(cè)量花生主莖高和側(cè)枝長。

1.3.4 籽仁品質(zhì) 于R8花生成熟期收獲，自然曬干，隨機(jī)選取飽滿一致的籽仁進(jìn)行品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。凱氏定氮法測(cè)定蛋白質(zhì)含量；索氏提取法測(cè)定粗脂肪含量；日本島津GC-2010氣相色譜儀分析脂肪酸組分。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2016整理數(shù)據(jù)，用SPSS Statistics 23.0進(jìn)行多因素方差分析，用DPS 7.05進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法進(jìn)行多重比較，SigmaPlot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤緊實(shí)度的影響

由表2可知，耕作方式與秸稈還田影響了0～30 cm土層的土壤緊實(shí)度，表現(xiàn)為DTS＜RTS＜NTS＜DT＜RT＜NT，即秸稈還田處理的土壤緊實(shí)度明顯低于不還田的，深耕處理各土層的土壤緊實(shí)度明顯低于旋耕和免耕處理的。方差分析結(jié)果表明，秸稈還田極顯著降低了各土層的土壤緊實(shí)度；耕作方式顯著影響0～5、5～10、10～15、20～25 cm土層的土壤緊實(shí)度，但對(duì)15～20、25～30 cm土層的土壤緊實(shí)度影響不顯著；兩者互作對(duì)各土層土壤緊實(shí)度的影響不顯著。

表2 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤緊實(shí)度的影響

2.2 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤含水量的影響

由圖2可知，耕作方式、秸稈還田及兩者的交互作用均顯著影響0～100 cm土層的土壤含水量。相比秸稈不還田處理，秸稈還田處理增加了各土層的土壤含水量。不同耕作方式對(duì)不同土層土壤含水量的影響不同。在0～20 cm土層，土壤含水量為免耕處理＞深耕處理＞旋耕處理，表現(xiàn)為NTS＞DTS＞RTS＞NT＞DT＞RT。在20～80 cm土層，DTS和NTS處理的土壤含水量較高，其次為RTS和DT處理，RT和NT處理的土壤含水量較低；但各土層DTS和NTS處理的表現(xiàn)略有差異，20～40、40～60 cm土層DTS處理的土壤含水量高于NTS處理，而60～80 cm土層則為NTS處理的高于DTS處理。說明在秸稈還田條件下深耕和免耕處理更有利于提高20～80 cm土層的土壤含水量，而在秸稈不還田條件下深耕更有利于提高20～80 cm土層的土壤含水量。在80～100 cm土層，各處理間土壤含水量差異較小，以DTS處理的土壤含水量最高，NT處理的最低。

圖2 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤含水量的影響

2.3 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤水分利用的影響

由表3可知，耕作方式、秸稈還田及兩者的交互作用均極顯著影響花生對(duì)土壤水分的利用。在秸稈還田條件下，免耕處理0～100 cm土層的土壤貯水量高于深耕處理，兩者間差異不顯著，但顯著高于旋耕處理；花生生長季耗水量則以旋耕處理的最高，顯著高于深耕和免耕處理，免耕處理的最低；水分利用效率三種耕作方式間差異顯著，DTS處理的最高，旋耕處理的最低。在秸稈不還田條件下，DT處理0～100 cm土層的土壤貯水量顯著高于RT和NT處理，而花生生長季耗水量顯著低于RT和NT處理，水分利用效率顯著高于其他兩種耕作方式。在相同耕作方式下，秸稈還田相比秸稈不還田顯著增加0～100 cm土層土壤貯水量，顯著降低花生生長季耗水量，從而顯著提高了土壤水分利用效率。說明，秸稈還田能顯著提高小麥-花生一年兩熟制花生對(duì)土壤水分的利用效率，其中尤以深耕處理的效果最好。

2.4 耕作方式與秸稈還田對(duì)花生主莖高和側(cè)枝長的影響

由圖3可知，耕作方式、秸稈還田均顯著影響花生的主莖高和側(cè)枝長，但兩者的交互作用影響不顯著。與旋耕和免耕處理相比，深耕處理增加了花生的主莖高和側(cè)枝長；相同耕作方式下，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理增加了花生的主莖高和側(cè)枝長。

表3 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤水分利用的影響

圖3 耕作方式與秸稈還田對(duì)花生主莖高和側(cè)枝長的影響

2.5 耕作方式與秸稈還田對(duì)花生籽仁品質(zhì)的影響

由表4可知，與旋耕和免耕處理相比，深耕處理提高了花生粗脂肪和蛋白質(zhì)含量，提高了O/L值。在相同耕作方式下，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理顯著提高了粗脂肪和蛋白質(zhì)含量，提高了O/L。

表4 耕作方式與秸稈還田對(duì)花生籽仁品質(zhì)的影響

3 討論與結(jié)論

土壤緊實(shí)度又叫土壤硬度，對(duì)土壤水分入滲以及土壤通透性有直接影響，并間接影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸?shù)戎笜?biāo)［16］。耕作方式直接影響土壤緊實(shí)度、水分含量等性質(zhì)。有研究表明，免耕增加了土壤緊實(shí)度，有助于形成良好的土壤結(jié)構(gòu)，從而減少對(duì)土壤的侵蝕，利于蓄水和保水；與傳統(tǒng)耕作相比，免耕或少耕可以提高表層土壤的含水量，提高水分利用率［17］。然而也有研究發(fā)現(xiàn)，與免耕相比，傳統(tǒng)耕作減小了土壤緊實(shí)度，有利于水分的下滲，可以提高土壤的貯水能力，提高水分利用率［18，19］。本研究結(jié)果表明，免耕處理增加了0～30 cm土層的土壤緊實(shí)度，增加了0～20 cm土層的土壤含水量；但深耕處理增加了20～100 cm土層的土壤含水量，減少了花生生長季耗水量，提高了水分利用率。主要原因是，免耕處理下，土壤自身下沉引起土壤顆粒之間排列比較緊密，增加了土壤緊實(shí)度，增強(qiáng)了儲(chǔ)水和抗水蝕能力，從而增加了0～20 cm土層的土壤含水量。而深耕處理打破了犁底層，土壤比較疏松，減小了土壤緊實(shí)度［15］，有利于水分的下滲并且減少了水分的蒸發(fā)，從而增加土壤含水量和貯水量，提高水分利用率［20］。

秸稈還田對(duì)土壤緊實(shí)度和土壤水分利用也有較大影響。大量研究表明，秸稈還田可以降低土壤緊實(shí)度，增加土壤含水量，提高水分利用率［16］。本研究結(jié)果表明，秸稈還田處理降低了0～30 cm土層的土壤緊實(shí)度，提高了0～80 cm土層的土壤含水量，減少了花生生長季耗水量，提高了水分利用率。主要原因是，秸稈還田減小了土壤緊實(shí)度，有利于水分的下滲，從而可以儲(chǔ)蓄更多的水分；而且秸稈還田還減少了土壤水分的蒸發(fā)，減少了地表水分徑流量，降低了土壤水分的無效損失，從而提高水分利用率［21］。

主莖高與側(cè)枝長是花生最易于觀測(cè)的形態(tài)指標(biāo)，能直觀反映花生形態(tài)發(fā)育狀況與內(nèi)部的生理生化水平。花生籽仁品質(zhì)受品種、種植環(huán)境等多種因素的影響，栽培因素對(duì)花生籽仁品質(zhì)的影響也不可忽視，脂肪和蛋白質(zhì)含量是花生重要的品質(zhì)指標(biāo)。大量研究表明，深耕能降低土壤緊實(shí)度，提高土壤滲透性，促進(jìn)根系的生長發(fā)育，改善光合性能，延緩葉片衰老，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)［18，22］。本研究結(jié)果表明，深耕處理增加了花生的主莖高和側(cè)枝長，提高了籽仁蛋白質(zhì)和粗脂肪含量。

不同耕作方式與秸稈還田方式影響土壤緊實(shí)度、水分利用以及花生籽仁品質(zhì)。其中，深耕+秸稈還田（DTS）處理，不僅改良了土壤性質(zhì)，降低了土壤緊實(shí)度，提高了土壤水分含量和水分利用率，還提高了花生籽仁品質(zhì)。因此，在小麥-花生一年兩熟制中，花生季采用深耕+秸稈還田（DTS）處理不僅能夠緩解糧油爭地矛盾，而且還能夠改良土壤性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)耕地資源的用養(yǎng)結(jié)合，促進(jìn)耕地資源的可持續(xù)利用。