保護(hù)性耕作措施對輪作蠶豆碳氮積累及產(chǎn)量的影響

成 欣，杜 娟，謝小玉，劉幫艷，戴伊莎，陳錦芬，王龍昌

(1. 西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，重慶 400716;2. 重慶市質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化研究院，重慶 400716)

蠶豆作為一種冷季豆類作物，它與根瘤菌的共生機(jī)制所形成的固氮作用可為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)供給氮素營養(yǎng)。有研究表明，蠶豆每生產(chǎn)出1t的莖干物質(zhì)和籽粒，能固定約23 kg和56 kg氮[1]。蠶豆作為豆科綠肥，能夠改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤酶活性和增加作物產(chǎn)量[2]。在全球氣候變化的背景之下，作物栽培生產(chǎn)過程中的碳排放和碳固定效應(yīng)對全球氣候變化的影響不可忽視，在西南地區(qū)，主要作物生產(chǎn)總固碳量為 27.61 Tg，通過對作物生產(chǎn)凈碳量和碳效率的對比發(fā)現(xiàn)，該區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳固定效應(yīng)[3]；而作物的生產(chǎn)力仍將繼續(xù)受技術(shù)和農(nóng)藝措施的推動[4]，實(shí)施保護(hù)性耕作，推廣秸稈覆蓋技術(shù)可有效降低西南地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳的礦化分解損失，提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能，增加土壤有機(jī)碳含量[5]。保護(hù)性耕作模式包括改變微地形的溝壟種植方式，增加地表覆蓋物的秸稈覆蓋還田等栽培耕作措施[6]。實(shí)行保護(hù)性耕作有助于農(nóng)田蓄水保墑、改良土壤、增加作物產(chǎn)量[7-8]，薛俊武等[9]的研究表明在黃土高原旱地采用覆膜壟作方式種植馬鈴薯可顯著增加產(chǎn)量并提高水分利用效率，田效琴等[10]的研究表明實(shí)施以壟作和秸稈覆蓋的保護(hù)性耕作措施有利于營養(yǎng)元素(有機(jī)質(zhì)、碳氮元素)的循環(huán)轉(zhuǎn)化和作物的吸收利用，秸稈覆蓋還田能夠提高土壤氮素養(yǎng)分含量和加快氮素養(yǎng)分的礦化速率[11-12]，Wang等[13]的研究表明保護(hù)性耕作相比傳統(tǒng)耕作大約能提高春玉米的產(chǎn)量13%～16%，冬小麥產(chǎn)量提高9%～37%；朱倩[14]的研究表明，保護(hù)性耕作能夠促進(jìn)大豆植株地上部分干物質(zhì)的積累，為后期大豆籽粒的生長發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)，從而增加大豆的產(chǎn)量。

碳和氮是生態(tài)系統(tǒng)中的兩大重要元素，它們是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的重要組分[15]，可以維持養(yǎng)分循環(huán)，對作物生產(chǎn)力有重大的影響[16]，作物碳含量和碳儲量是作物碳庫研究中的重要估計(jì)參數(shù)[17]。當(dāng)前對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究主要集中在土壤碳匯方面，對作物地上部分的碳匯研究較缺乏，特別是關(guān)于保護(hù)性耕作對蠶豆地上部分的碳、氮儲量的報(bào)道較少?；诖耍狙芯恳宰仙燎鹆陞^(qū)坡耕地蠶豆/玉米/甘薯旱三熟種植模式中的蠶豆為研究對象，分析以壟作和秸稈覆蓋為主體的保護(hù)性耕作模式對蠶豆各器官碳、氮儲量及產(chǎn)量的影響，為豆科作物碳和氮固定效應(yīng)的研究及作物的增產(chǎn)栽培措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場，地處106°27′ E、29°51′ N，海拔244 m，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。年均太陽總輻射量87 108 kJ·cm-2，年均總?cè)照諘r數(shù)1 276.7 h，多年平均氣溫18℃，≥10 ℃積溫5 979.5℃，夏季最高氣溫達(dá)40℃左右，無霜期達(dá)359 d，多年平均降水量1 133.7 mm，春、夏、秋、冬降水量分別為全年的 25.5%、41.4%、27.9%、5.5%，年蒸發(fā)量1 181.1 mm。試驗(yàn)地土壤為旱地紫色土，坡度較緩，地力相對均勻。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)地已連續(xù)7 a進(jìn)行保護(hù)性耕作下三熟分廂復(fù)種套作栽培，以傳統(tǒng)平作為對照處理(T)，每年的耕作處理保持一致。本研究試驗(yàn)時間為2014年11月—2015年5月，田間試驗(yàn)設(shè)置以蠶豆/玉米/甘薯旱三熟種植模式中蠶豆農(nóng)田為研究對象設(shè)置試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)6個處理，如表1，采用隨機(jī)區(qū)組排列，每個小區(qū)的面積為8.0 m×3.6 m=28.8 m2，所有小區(qū)橫向分廂(2 m為一廂，共4廂)，按條帶種植，共8個條帶，每一條帶寬1.0 m、長3.6 m。每個處理重復(fù)3次。參試作物蠶豆(ViciafabaL)品種為‘陵西一寸’，于2014年11月初種植，2015年5月收獲；蠶豆采用種子穴播，壟上種植，每條帶2行，每行12窩，每窩3株，各處理均施復(fù)合肥225 kg·hm-2(含N 15%、P2O515%、K2O 15%)，作為基肥在播種的同時穴施。覆蓋處理所用的是截成10 cm左右的玉米秸稈，于玉米收獲后均勻覆蓋于小區(qū)內(nèi)，半量覆蓋處理下的小區(qū)秸稈覆蓋量為10.8 kg(折合3 750 kg·hm-2)，全量覆蓋處理下的小區(qū)秸稈覆蓋量為21.6 kg(折合7 500 kg·hm-2)。田間管理措施同常規(guī)。

表1 試驗(yàn)處理描述Table 1 Experimental treatment description

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 蠶豆單株干物質(zhì)量 在蠶豆的苗期(2014年11月28日)、分枝期(2015年1月8日)、開花期(2015年2月4日)、結(jié)莢期(2015年3月6日)、鼓粒期(2015年4月8日)和成熟期(2015年4月25日)各個生育期內(nèi)采用“W”字型分別取長勢均一的5株蠶豆，將蠶豆的根及地上各部分器官分開(其中將蠶豆根系在自來水下沖洗干凈，蠶豆莖稈剪成10cm長度)裝入信封，快速轉(zhuǎn)移到烘箱中，105℃殺青30 min，然后70℃烘至恒重，最后用電子天平(JA2003,精度0.001 g)稱各部分的干物質(zhì)量，將蠶豆各器官的干物質(zhì)量相加即得蠶豆單株干物質(zhì)量(g)；并在成熟期將烘干后的蠶豆各器官打粉過篩測其碳氮含量。

1.3.2 蠶豆植株各器官碳氮含量 植株各器官碳含量采用日本島津TOC分析儀(SSM5000A)測定，稱取0.0300～0.0400 g過0.25 mm篩的植株樣品于900℃燃燒，測定全碳含量。植株各器官氮含量測定采用凱式定氮法，用全自動凱式定氮儀測定(K1100F，濟(jì)南海能)。植株碳(氮)儲量(C)的計(jì)算公式為：

式中,C為植株碳(氮)儲量(g)，Bi為蠶豆各器官生物量(g)，Oi為各器官碳(氮)含量(mg·g-1)。

1.3.3 蠶豆產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)因素 成熟期每個小區(qū)按照“W”字型取5株長勢均一的蠶豆，用卷尺測量地上莖基部到生長點(diǎn)的距離表示株高(cm)，用電子游標(biāo)卡尺(日本三豐500-197-30)測量基部節(jié)間的莖粗(mm)，產(chǎn)量相關(guān)因素包括：分枝數(shù)、單位面積莢數(shù)(個·m-2)、單位面積籽粒數(shù)(個·m-2)，根據(jù)單株豆莢數(shù)和單株籽粒數(shù)折算得單位面積莢數(shù)和單位面積籽粒數(shù)；每個處理選取2個完整條帶進(jìn)行實(shí)際測產(chǎn)(整個蠶豆生育期內(nèi)不在該條帶進(jìn)行取樣)，2個測產(chǎn)條帶的面積共為7.2 m2，將收獲后的蠶豆脫粒后風(fēng)干稱重，計(jì)算百粒重(g)和產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù)，OriginPro 2018作圖，用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、顯著性分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作措施對成熟期蠶豆碳含量、碳儲量的影響

2.1.1 耕作措施對蠶豆各器官碳含量的影響 圖1表明，除葉片的碳含量在各處理間差異不顯著外，保護(hù)性耕作下蠶豆的根、莖稈、莢果皮、籽粒碳含量均顯著高于傳統(tǒng)平作(T)，與T相比，R、TS1、RS1、TS2、RS2各處理的根系碳含量分別增加了3.05%、5.28%、5.63%、8.47%、9.06%，莢果皮碳含量分別增加了0.98%、1.39%、2.17%、2.07%、3.72%，籽粒碳含量分別增加了1.87%、1.66%、3.40%、4.15%、5.38%。所有處理中，RS2的根、莢果皮、籽粒碳含量增幅最大；蠶豆的根、莖、莢果皮、籽粒碳含量都表現(xiàn)為RS2>RS1>R，TS2>TS1>T， RS2>TS2，RS1>TS1，R>T，說明蠶豆各器官的碳含量隨著秸稈覆蓋量的增加而增加，并且壟作相較于平作有利于增加蠶豆各器官的碳含量；蠶豆各器官的平均碳含量在所有處理間表現(xiàn)為：RS2>TS2>RS1>TS1>R>T，其中壟作加秸稈覆蓋，即RS2(400.08 mg·g-1)、RS1(393.58 mg·g-1)的碳含量高于其他處理。

2.1.2 耕作措施對蠶豆各器官碳儲量的影響 由圖2看出，不同處理下蠶豆的莖、葉、籽粒碳儲量都表現(xiàn)出RS2>TS2>RS1>TS1>R>T的規(guī)律，各保護(hù)性耕作措施下的莖、葉、籽粒碳儲量都要顯著高于對照平作(T)且以壟作加全量秸稈覆蓋(RS2)的碳儲量最高；R、TS1、RS1、TS2、RS2莖的碳儲量分別較T處理顯著增加了13.43%、10.77%、20.20%、29.84%、40.35%，葉碳儲量分別增加16.18%、16.62%、22.19%、44.65%、70.43%，籽粒碳儲量增加10.33%、19.86%、36.87%、60.17%、71.66%，在所有處理中RS2的莖、葉、籽粒碳儲量增幅最大；根碳儲量表現(xiàn)為：RS2>RS1>R，TS2>TS1 >T，說明在壟作和平作的栽培模式中，根系碳儲量都隨秸稈覆蓋量的增加而增加，莢果皮的碳儲量表現(xiàn)為：R>RS1>RS2，TS2>TS1>T，在壟作栽培模式中，莢果皮碳儲量隨秸稈覆蓋量的增加而減少，在平作栽培模式中，莢果皮碳儲量隨秸稈覆蓋量的增加而增加；成熟期蠶豆的莖和籽粒的碳儲量要高于其他器官，說明莖和籽粒是成熟期蠶豆碳儲存的主要器官。

2.1.3 耕作措施對單株蠶豆碳儲量的影響 成熟期單株蠶豆碳儲量由根、莖、葉、莢果皮、籽粒幾部分構(gòu)成。由圖3可以看出，成熟期單株蠶豆碳儲量為RS2>TS2>RS1>TS1>R>T，保護(hù)性耕作措施的蠶豆單株碳儲量顯著高于T,且單株碳儲量隨著秸稈覆蓋量的增加而增加，TS2(15.96 g·株-1)、RS2(16.70 g·株-1)顯著高于其他處理，但TS2與RS2差異不顯著；R、TS1、RS1、TS2、RS2的單株氮儲量較對照T分別增加了14.70%、17.62%、28.85%、45.26%、52.05%，其中以RS2的增幅最大；說明壟作、秸稈覆蓋均可以顯著增加蠶豆單株碳儲量，并且以壟作加秸稈全量覆蓋效果最佳。

2.2 耕作措施對蠶豆各器官氮含量、氮儲量的影響

2.2.1 耕作措施對蠶豆各器官氮含量的影響 由圖4可以看出，蠶豆莖、葉的氮含量都表現(xiàn)出：RS2>RS1>R>TS2>TS1>T的規(guī)律，說明壟作促進(jìn)蠶豆莖、葉氮含量增加的效應(yīng)大于平作，且莖、葉氮含量隨秸稈覆蓋量的增加而增加，與T相比，R、TS1、RS1、TS2、RS2莖的氮含量分別增加了21.82%、11.23%、31.13%、31.21%、54.48%，葉的氮含量分別增加了22.05%、17.88%、29.49%、50.93%、82.37%；蠶豆根系氮含量規(guī)律表現(xiàn)為RS2>TS2>RS1>TS1>R>T，根系氮含量也隨秸稈覆蓋量的增加而增加，其中壟作加全量秸稈覆蓋(RS2)的根系碳含量最高；莢果皮氮含量規(guī)律不明顯，各處理中以對照T氮含量最高；籽粒氮含量的規(guī)律表現(xiàn)為：R>RS1>RS2，T>TS1>TS2，R>T，其中單壟作(R)較平作加全量秸稈覆蓋處理(TS2)的籽粒氮含量提高5.9%，單平作(T)較平作加全量秸稈覆蓋處理(TS2)的籽粒氮含量提高了10.25%，說明秸稈覆蓋會降低籽粒氮含量，而壟作增加籽粒氮含量；并且籽粒氮含量隨秸稈覆蓋量的增加而降低；各處理下蠶豆各部位的平均氮含量表現(xiàn)規(guī)律為：籽粒>葉>莢果皮>根>莖，在蠶豆各器官中，籽粒的氮含量(49.65 mg·g-1)最高，根(12.35 mg·g-1)和莖(12.28 mg·g-1)的氮含量較為接近，說明籽粒是氮的主要儲存器官。

2.2.2 耕作措施對蠶豆各器官氮儲量的影響 由圖5可見，蠶豆的根、莖、葉、籽粒氮儲量都表現(xiàn)出：RS2>RS1>R、TS2>TS1>T且R>T的規(guī)律，說明蠶豆根、莖、葉、籽粒的氮儲量都隨秸稈覆蓋量的增加而增加，其中莖、葉、籽粒的氮儲量以壟作加全量秸稈覆蓋(RS2)最高，單一壟作對于提高氮儲量的效應(yīng)高于單一平作，莢果皮的氮儲量規(guī)律表現(xiàn)不明顯，R處理的莢果皮氮儲量最高；與T相比，各處理R、TS1、RS1、TS2、RS2的根系氮儲量分別增加14.33%、96.11%、95.52%、172.44%、111.54%，TS2處理的根系氮儲量最高，R、TS1、RS1、TS2、RS2莖的氮儲量分別增加21.82%、11.23%、31.13%、31.21%、54.48%，葉的氮儲量分別增加22.05%、17.88%、29.49%、50.93%、82.37%，籽粒氮儲量分別增加13.74%、12.21%、33.04%、37.84%、62.99%，其中莖、葉、籽粒增幅以RS2最高；成熟期各器官的平均氮儲量表現(xiàn)為：籽粒>莖>葉>莢果皮>根，以籽粒的氮儲量最高，是成熟期蠶豆的氮儲存器官。

2.2.3 耕作措施對蠶豆單株氮儲量的影響 成熟期單株蠶豆氮儲量構(gòu)成分別為：根、莖、葉、莢果皮、籽粒，成熟期蠶豆單株氮儲量規(guī)律表現(xiàn)為RS2>TS2>RS1>R>TS1>T，說明單株蠶豆氮儲量隨著秸稈覆蓋量的增加而增加，并且壟作處理大于平作，所有處理中RS2(1.3547 g·株-1)的單株氮儲量最高，T(0.8468 g·株-1)的單株氮儲量最低，R、 TS1、RS1、TS2、RS2各處理的蠶豆單株氮儲量較對照T分別顯著增加了16.77%、12.85%、31.20%、37.68%、59.99%，在保護(hù)性耕作措施中，RS2的單株氮儲量顯著高于其他處理；說明保護(hù)性耕作措施相較傳統(tǒng)平作可增加蠶豆單株氮儲量，并且以全量秸稈覆蓋加壟作的效應(yīng)最佳。

2.3 不同耕作措施下蠶豆單株干物質(zhì)量的動態(tài)變化

由表2可以看出，從苗期到分枝期，保護(hù)性耕作措施相較于平作(T)的蠶豆單株干物質(zhì)量差異不大，自花期開始至成熟期，蠶豆由營養(yǎng)生長逐漸轉(zhuǎn)向生殖生長，保護(hù)性耕作效應(yīng)明顯增強(qiáng)，干物質(zhì)積累量也隨著生育期的推近而增長，在所有生育期中，以鼓粒期單株干物質(zhì)積累量最大，而在成熟期，各處理的單株干物質(zhì)積累量相較于鼓粒期有所下降。與T相比，R、TS1、RS1、TS2、RS2處理的蠶豆單株積累量在花期分別增加了20.34%、13.90%、18.94%、39.27%、44.83%，在結(jié)莢期分別增加了16.64%、37.01%、46.23%、84.67%、97.88%，在鼓粒期分別增加了15.64%、18.88%、28.23%、28.84%、34.08%，在成熟期分別增加了13.61%、16.56%、26.55%、41.25%、48.02%，從花期到成熟期，蠶豆的單株干物質(zhì)積累量以RS2處理的增幅最大，且都表現(xiàn)出RS2>TS2>RS1>R>TS1>T的規(guī)律，說明壟作加秸稈全量覆蓋(RS2)處理對于促進(jìn)蠶豆干物質(zhì)的效果最佳；蠶豆干物質(zhì)積累量隨秸稈覆蓋量的增加而增加，表現(xiàn)為：RS2>RS1>R，TS2>TS1>T，壟作相較于平作更有利于增加蠶豆干物質(zhì)積累，表現(xiàn)為RS2>TS2，RS1>TS1，R>T。

表2 蠶豆不同生育期的單株干物質(zhì)積累量/gTable 2 Dry matter accumulation of individual broad bean at different growth stage

2.4 耕作措施對蠶豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表3可見，成熟期產(chǎn)量構(gòu)成因素中，各處理的分枝數(shù)差異不顯著，而各保護(hù)性耕作處理的株高、莖粗、單位面積莢數(shù)、單位面積籽粒數(shù)、百粒重都要顯著高于平作(T)，株高和單位面積莢數(shù)在RS2、TS2、RS1間差異不顯著，莖粗和百粒重在RS2、TS2、RS1、TS1、R處理間差異不顯著，產(chǎn)量構(gòu)成因素中的各指標(biāo)都表現(xiàn)為：RS2>RS1>R，TS2>TS1>T的規(guī)律，其中各農(nóng)藝性狀指標(biāo)中以RS2的促進(jìn)效應(yīng)最好；各處理的蠶豆產(chǎn)量表現(xiàn)為：RS2>TS2>RS1>TS1>R>T的規(guī)律，產(chǎn)量隨著秸稈覆蓋量的增加而增加，且壟作處理的產(chǎn)量要高于平作處理，與T相比，R、TS1、RS1、TS2、RS2處理的產(chǎn)量分別顯著增加8.55%、17.91%、32.31%、35.16%、51.97%，其中RS2(3 081.20 kg·hm-2)的增幅最大且該處理的產(chǎn)量也顯著高于其他處理，同時，各保護(hù)性耕作措施的蠶豆產(chǎn)量差異明顯，平均產(chǎn)量為2 619.15 kg·hm-2，說明保護(hù)性耕作措施有利于增加蠶豆產(chǎn)量，其中以RS2的增產(chǎn)效應(yīng)最好。根據(jù)相關(guān)分析可知，在產(chǎn)量構(gòu)成因素中，各農(nóng)藝性狀指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)系緊密，且都呈顯著正相關(guān)關(guān)系，各指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)性系數(shù)大小表現(xiàn)為：單位面積籽粒數(shù)>單位面積莢數(shù)>百粒重>株高>分枝數(shù)>莖粗，其中以單位面積莢數(shù)、單位面積籽粒數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性最高，分別為0.981、0.993，農(nóng)藝性狀指標(biāo)中莖粗和單株分枝數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性較小。

表3 耕作措施對蠶豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 3 Effects of different tillage modes on yield and its components of broad bean

3 討 論

3.1 耕作措施對成熟期蠶豆碳、氮儲量的影響

農(nóng)作物是陸地植被的重要組成部分，它既是碳源又是碳匯[18]，估算農(nóng)作物碳儲量，挖掘其生產(chǎn)潛力，對提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力和實(shí)現(xiàn)其碳匯功能具有重要影響。張賽[19]研究表明，壟作、秸稈覆蓋的保護(hù)性耕作可以增加作物固碳量。本研究立足于單株作物碳儲量的研究，同樣表明了壟作、秸稈覆蓋可以提高蠶豆各部位碳儲量，在本研究中蠶豆碳儲量受各部位碳含量和干物質(zhì)積累的雙重影響，在所研究的不同模式保護(hù)性耕作中，綜合表現(xiàn)為RS2處理即壟作+全量秸稈覆蓋對于增加蠶豆單株碳儲量的效果最好。主要原因可能是壟作、秸稈覆蓋降低土壤容重、增加土壤孔隙度、增大微生物活性[20-21]，促進(jìn)蠶豆根系生長[22]，同時秸稈覆蓋改變土壤碳組分，增加土壤的有機(jī)碳含量，有助于土壤碳氮比的提高[23-25]，進(jìn)而促進(jìn)土壤養(yǎng)分向蠶豆地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)和吸收利用，從而增加蠶豆植株碳儲量。

氮素是植物生長過程中需求量最大的養(yǎng)分，它影響作物光合同化物的積累[26]。有研究表明增加植被覆蓋可以提高果園固氮空間[27]；傳統(tǒng)耕作和免耕條件下，不同覆蓋模式下春玉米籽粒、莖稈、葉片中的氮含量均較不覆蓋有所增加，且秸稈覆蓋+地膜覆蓋效果更好[19]。本研究將秸稈覆蓋于蠶豆田地表，主要影響土壤氮素轉(zhuǎn)化的過程，相較于土壤中的氮素供應(yīng)，蠶豆植株更依賴于大氣氮素，在蠶豆的生育后期，營養(yǎng)器官的氮素主要向籽粒轉(zhuǎn)移，秸稈覆蓋到蠶豆田后，秸稈分解受到外界水熱環(huán)境限制，不能及時供給蠶豆氮素轉(zhuǎn)移過程中所需的持續(xù)氮素營養(yǎng)，植物殘?bào)w添加到土壤中后，若其碳氮比高于微生物代謝的適宜碳氮比，為維持自身的代謝活動，微生物需要從土壤中吸取無機(jī)氮養(yǎng)分[28]，可能由于全量秸稈覆蓋的較高的C/N，影響土壤氮素向蠶豆地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)過程，故表現(xiàn)出蠶豆籽粒氮含量隨秸稈覆蓋量的增加而降低的趨勢。壟作可提高田間的通風(fēng)透光度，促進(jìn)蠶豆地上部分固定更多氮素、促進(jìn)營養(yǎng)器官的生長，最終有利于籽粒中積累更多氮素，同時，氮儲量受蠶豆各部位干物質(zhì)和氮含量的影響，壟作、秸稈覆蓋均可改善土壤的理化性質(zhì)，從而促進(jìn)植株的生長發(fā)育，增加光合產(chǎn)物的積累。在蠶豆不同器官的氮素分布中，籽粒的氮儲量最高，說明籽粒是氮的主要儲藏器官，籽?？梢苑e累大量氮素[29]，而莖、葉、角果皮中的氮含量較少，是因?yàn)樵谛Q豆生育后期，莖、葉、角果皮中的氮素向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)，使得蠶豆籽粒氮儲量高于其他器官[30]。

3.2 耕作措施對蠶豆地上部分干物質(zhì)量的影響

植物體內(nèi)干物質(zhì)積累量是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[20]，干物質(zhì)量的多少則代表了作物對光合產(chǎn)物的積累程度。干物質(zhì)積累是一個隨時間變化的連續(xù)過程，大量試驗(yàn)研究表明，植物干物質(zhì)積累增長趨勢符合“S”型增長曲線，呈現(xiàn)“慢-快-慢”的增長態(tài)[31-32]，和本試驗(yàn)的研究結(jié)果一致。有研究表明保護(hù)性耕作模式使玉米的生育期后移，干物質(zhì)積累主要在生育的后期[31]，在本研究中蠶豆干物質(zhì)積累從苗期到開花期增速較緩，開花期后快速增長，至鼓粒期達(dá)到最大，而成熟期又有所下降，是由于在成熟期取樣時，蠶豆部分葉片已經(jīng)脫落，所以成熟期干物質(zhì)積累相較于上一個生育期有所減少。壟作可以增強(qiáng)近地面光、溫、熱、氣生態(tài)因子的協(xié)調(diào)性，改善群體結(jié)構(gòu)，而覆蓋可以提高水分利用率，在蠶豆的低溫生長季里維持土壤溫度的平穩(wěn)，為蠶豆生長提供良好的水熱條件，從而促進(jìn)光合作用效率，提高干物質(zhì)積累量。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，壟作和覆蓋可以增加蠶豆植株干物質(zhì)的積累量，苗期和分枝期保護(hù)性耕作措施對于增加蠶豆植株干物質(zhì)積累量并沒有表現(xiàn)出較好的優(yōu)勢，開花期壟作和覆蓋效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，植株干物質(zhì)積累速率顯著高于對照平作(T)，且以RS2最優(yōu)。隨著生育期的推進(jìn)，干物質(zhì)的積累和分配從營養(yǎng)器官向生殖器官轉(zhuǎn)運(yùn)，苗期葉片占蠶豆植株干物質(zhì)的大部分，從苗期到開花期蠶豆植株干物質(zhì)在葉片和莖稈中積累得較多，花期后干物質(zhì)積累主要向籽粒轉(zhuǎn)移[33-34]。前人研究結(jié)果表明，保護(hù)性耕作可以增加植物各器官的干物質(zhì)積累，為籽粒的形成擴(kuò)源穩(wěn)庫，為產(chǎn)量提高打下基礎(chǔ)[35-36]。本研究也表明蠶豆生長前期以葉片為主，可以達(dá)到擴(kuò)源目的，中期向莖稈轉(zhuǎn)移，使植株穩(wěn)健提高抗倒伏能力，后期主要集中在莢果發(fā)育上，加快莖稈中干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移，促進(jìn)籽粒灌漿，提高產(chǎn)量，這與王燕[36]研究結(jié)果基本一致。

3.3 耕作措施對蠶豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

作物產(chǎn)量是衡量農(nóng)田生產(chǎn)力的主要指標(biāo)，同時也是農(nóng)田碳循環(huán)的主要環(huán)節(jié)之一[37]。大量研究結(jié)果表明，壟作可以增加油菜千粒重、單株角果數(shù)，提高小麥穗粒數(shù)；覆蓋可以增加大豆分枝數(shù)、單株莢數(shù)和粒數(shù)，提高玉米穗粒數(shù)和千粒重，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[38-40]。但也有研究表明，秸稈覆蓋會降低小麥穗粒數(shù)和千粒重，從而造成與傳統(tǒng)耕作相比小麥減產(chǎn)[41]?？导t等[42]的研究表明，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕秸稈覆蓋試驗(yàn)初期會使小麥減產(chǎn)，隨著種植試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾?，各處理的差異越來越小。本試?yàn)結(jié)果表明，壟作、秸稈覆蓋結(jié)合在一定程度上可以增加蠶豆的株高、莖粗，對分枝數(shù)的影響不顯著，可能是由于品種的遺傳特性所致。本研究中壟作、秸稈覆蓋對蠶豆單位面積莢數(shù)、單位面積籽粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量均有顯著提高，在不同的耕作模式中，以壟作+全量覆蓋(RS2)效果最明顯，壟作、平作均隨秸稈覆蓋量增大而增產(chǎn)效果加強(qiáng)。本研究通過相關(guān)性分析表明產(chǎn)量與單位面積莢數(shù)、單位面積籽粒數(shù)和百粒重均呈極顯著相關(guān)，與任勝茂等[43]的研究結(jié)果一致。壟作、秸稈覆蓋處理可通過提高產(chǎn)量構(gòu)成因素中的單位面積莢數(shù)、單位面積籽粒數(shù)和百粒重而提高蠶豆產(chǎn)量，壟作相較于平作的優(yōu)勢在于壟作可以使田間通風(fēng)透光情況良好，邊行優(yōu)勢明顯，從而提高光合效率，促進(jìn)蠶豆地上部分積累更多光合產(chǎn)物，進(jìn)而增加地上部分生物量；同時蠶豆產(chǎn)量隨著秸稈覆蓋量的增加而增加，主要是由于秸稈覆蓋可以更好地蓄水保墑、平抑土壤溫度，加速土壤有機(jī)養(yǎng)分礦化、培肥地力，全量秸稈覆蓋處理相較于半量秸稈覆蓋處理向農(nóng)田中投入更多物料，秸稈覆蓋可增加土壤表層有機(jī)碳、氮的含量，合理的秸稈C/N將促進(jìn)土壤碳氮的礦化，提高土壤養(yǎng)分的有效性，從而使土壤養(yǎng)分向植物地上部分轉(zhuǎn)移[44]，供給作物所需的可利用養(yǎng)分形態(tài)，最終促進(jìn)蠶豆增產(chǎn)。

4 結(jié) 論

蠶豆各器官的碳含量隨著秸稈覆蓋量的增加而增加，籽粒氮含量卻隨著秸稈覆蓋量的增加而降低，且單壟作處理(R)下的蠶豆各器官碳含量、氮含量大于單平作(T)，成熟期單株蠶豆碳儲量和氮儲量都以RS2處理的最高。蠶豆的單株干物質(zhì)量在各處理間表現(xiàn)為RS2>TS2>RS1>R>TS1>T的規(guī)律，在保護(hù)性耕作處理中，RS2可提高蠶豆的單株干物質(zhì)積累量，以及產(chǎn)量構(gòu)成因素中的單位面積莢數(shù)、單位面積籽粒數(shù)和百粒重，最終提高蠶豆產(chǎn)量。