雜草利用模式對后茬小麥產(chǎn)量的影響研究

郭小鷗 崔曉輝

(1 天津農(nóng)學(xué)院園藝園林學(xué)院，天津 300384；2 中國科學(xué)院植物研究所，北京 100093)

休耕作為一種古老的農(nóng)業(yè)耕作方式，為了恢復(fù)耕地，解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)耕作方式造成的耕地退化、地下水枯竭和環(huán)境污染等問題而被重新應(yīng)用[1-2]，其科學(xué)原理是利用雜草固定的碳、氮、磷等營養(yǎng)元素養(yǎng)地，同時維持生物多樣性，具有緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境尖銳矛盾的作用[3]。

作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，雜草是不可或缺的生物組成部分，對維護農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義[4]。大量研究表明，雜草在維持農(nóng)田生物多樣性方面發(fā)揮著重要作用，為土壤動物和微生物提供適宜的生存環(huán)境，能夠保護天敵進(jìn)而控制害蟲數(shù)量[5]，有助于土壤重金屬的修復(fù)[6]。覆蓋地表的雜草可以降低水土流失量，具有抗旱保水的功能，尤其類似狗牙根之類根系比較發(fā)達(dá)的雜草保水效果更加顯著[7]。此外，雜草具有保持土壤生態(tài)平衡以及促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)的作用，雜草死亡后其枯落物經(jīng)微生物分解后釋放大量養(yǎng)分，可顯著改善土壤理化性質(zhì)并提高土壤肥力[8-9]。綜上，合理利用雜草可以改善土壤理化性質(zhì)并提高土壤肥力，具有一定的生態(tài)效益。

山東一帶依靠施用大量化肥提高小麥產(chǎn)量，然而過量施用化肥導(dǎo)致土壤肥力降低、小麥籽粒品質(zhì)下降[10-11]。相比之下，雜草綠肥養(yǎng)分資源豐富并可就地獲取，憑借該優(yōu)勢及其生態(tài)功能，研究雜草資源合理利用對提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響具有重要意義。因此，本研究以玉米-小麥農(nóng)田中的雜草綠肥作為研究對象，采取有機的田間管理模式，研究雜草與不同夏季作物共作對冬小麥生長及產(chǎn)量的影響，以期為我國有機農(nóng)田雜草資源化利用提供技術(shù)支持，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于山東省臨沂市平邑縣卞橋鎮(zhèn)蔣家莊(35°26′34″N，117°49′13″E)，該地區(qū)屬于中緯度區(qū)，為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，土壤類型以棕壤土為主，耕作制度為一年兩熟制，主要糧食作物包括冬小麥和夏玉米。土壤本底值：pH值6.51，有機碳、全氮、全磷及全鉀含量分別為11.65、0.98、0.53、14.74 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗自2018年6月15日開始，至2020年6月15日結(jié)束，以雜草與3種夏季作物(玉米、高粱、大豆)共作并與后茬冬小麥輪作系統(tǒng)為研究對象，設(shè)置6個處理，每個處理重復(fù)3次。各處理如下：W0：小區(qū)內(nèi)不種植作物，讓其生長雜草，不割草，設(shè)為對照；W1：小區(qū)內(nèi)不種植作物，在7月30日進(jìn)行一次雜草刈割處理并還田；W2：在W1處理的基礎(chǔ)上，于8月30日再進(jìn)行一次雜草刈割處理并還田；W0+M：小區(qū)內(nèi)種植玉米，雜草與玉米共作；W0+B：小區(qū)內(nèi)種植高粱，雜草與高粱共作；W0+S：小區(qū)內(nèi)種植大豆，雜草與大豆共作。每個處理設(shè)置3個小區(qū)，每個小區(qū)面積為10 m×2.5 m，小區(qū)間設(shè)置1 m寬的保護行。

夏季作物收獲后，用粉碎機將作物秸稈和雜草共同粉碎入地，依據(jù)等氮量的施肥原則，試驗地一次性施入牛糞(含水量72.58%，含氮量1.96%)11 250 kg·hm-2， 撒勻晾干并翻地，10月中旬開始種植小麥。分別在冬小麥播種后的冬季和第二年的春季進(jìn)行灌溉。

本研究種植模式為有機農(nóng)田管理模式下的一年一熟制，前期(6—9月)雜草與3種夏茬作物共作過程無人工干擾，處于完全休耕模式，用于養(yǎng)地，保證后期冬小麥產(chǎn)量。由于與雜草競爭，夏季作物產(chǎn)量較低，不做統(tǒng)計。冬小麥(10月至第二年5月)種植過程需精耕細(xì)作，合理灌溉。本試驗的冬小麥、夏玉米、高粱、大豆品種分別為臨麥9號、金海5號、大粒紅、荷豆23，由山東省平邑縣蔣家莊弘毅生態(tài)農(nóng)場提供。

1.3 測定指標(biāo)與方法

土壤理化指標(biāo)測定方法主要參考《土壤農(nóng)化分析》[12]并稍加修改。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機碳含量；利用凱氏定氮法測定土壤(植物)全氮含量；采用硫酸-高氯酸消煮，鉬銻比色法測定土壤全磷含量；利用氫氧化鈉熔融法測定土壤全鉀含量。

小麥灌漿期開始調(diào)查測定小麥田作物株高、旗葉長、旗葉寬。調(diào)查方法如下：隨機選取小區(qū)內(nèi)連續(xù)3行的小麥50株，測定各指標(biāo)，并計算葉面積(葉面積=葉長×葉寬×0.76)，方法參考文獻(xiàn)[13]。進(jìn)入6月份小麥成熟后開始調(diào)查統(tǒng)計小麥成穗數(shù)、穗粒數(shù)以及千粒重。調(diào)查方法：隨機在小區(qū)內(nèi)選取面積1 m2的樣地統(tǒng)計成穗數(shù)，重復(fù)3次，將其混合后選取其中40個麥穗測定穗粒數(shù)及千粒重，并計算籽粒產(chǎn)量；同時取部分整株小麥并將其分成根、莖葉、穎殼、籽粒4部分烘干稱重，測定小麥植株生物量。利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES)法測定小麥籽粒礦質(zhì)元素含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行初步整理，使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，利用SigmaPlot10.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理雜草種類及生物量

休耕地雜草資源豐富，在雜草與夏季作物共作過程中(7月30日至9月30日)，共發(fā)現(xiàn)15種雜草，包括馬唐(Digitariasanguinalis)、稗草(Echinochloacrusgalli)、狗尾草(Setariaviridis)、萹蓄(Polygonumaviculare)、藜(Chenopodiumalbum)、苘麻(Abutilontheophrasti)、刺兒菜(Cirsiumsetosum)、泡瓜(Cucumismelovar.agrestisNaud)、飛蓬(Erigeronacer)、馬齒茜(Portulacaoleracea)、葎草(Humulusscandens)、打碗花(Calystegiahederacea)、薺菜(Capsellabursapastoris)、茜草(Rubiacordifolia)、豬殃殃(Galiumspurium)，其中優(yōu)勢種雜草是馬唐。9月30日即在冬小麥種植前，雜草生物量達(dá)到最高值，田間主要雜草類型為馬唐和稗草。由表1可知，2018年W0處理馬唐生物量最高，顯著高于其他處理，2019達(dá)到1 080.53 g·m-2，相比2018年提高了17.28%，W2處理均為兩年最低。與馬唐相比，稗草生物量相對較低，2018年最高的是W2處理，2019年最高的是W1處理，兩年W0+S處理均沒有出現(xiàn)該雜草。表明雜草與作物共作處理能在一定程度上降低雜草生物量，但整體影響較小。

2.2 不同雜草利用模式對土壤理化性質(zhì)的影響

表2為0～20 cm土層土壤理化指標(biāo)，其中2018年6月為土壤本底值。結(jié)果表明，2019年及2020年6月各處理土壤容重相比本底值均有所降低，各處理差異不顯著；2020年6月各處理土壤pH值均高于本底值，W0+B處理最高，處理間差異不顯著；與本底值相比，兩年各處理土壤有機碳、全氮、全磷以及全鉀含量均得到不同程度的提升，其中W0+S處理有機碳及全氮含量最高，并顯著高于其他處理。試驗結(jié)束時(2020年6月)，與W0相比，W0+S處理土壤有機碳及全氮含量分別高出11.86%、12.19%，各處理全磷及全鉀含量無顯著差異。整體來看，合理利用雜草資源可以改善土壤理化性質(zhì)，對提高土壤碳氮等養(yǎng)分含量效果顯著。

2.3 不同雜草利用模式對小麥生物學(xué)特性的影響

由圖1可知，2019年各處理冬小麥灌漿期株高無顯著差異，2020年各處理小麥株高相較2019年均有所提升，其中提升最高的是W0+S處理，比W0高13.42%；兩年葉面積最大的均是W0+S處理，其中2020年達(dá)到19.35 cm2，比W0高5.71%；整體來看，2020年成熟小麥植株總生物(籽粒與植株之和)量相比2019年有所提高。與W0相比，2020年W1、W2、W0+M、W0+B和W0+S處理小麥籽粒生物量分別高7.94%、9.19%、8.81%、11.01%、12.71%；小麥植株總生物量分別高出4.57%、5.63%、4.05%、5.68%、8.03%。由此可知，雜草與作物共作可以提高冬小麥株高、葉面積以及植株生物量，其中雜草與大豆共作效果最佳。

表1 夏季休耕農(nóng)田主要雜草生物量Table 1 Main weed biomass of fallow farmland in summer /(g·m-2)

表2 試驗田各時期土壤理化指標(biāo)Table 2 Soil physical and chemical indexes in different periods

圖1 不同處理小麥生物學(xué)特性Fig.1 Biological characteristics of winter wheat in different treatments

2.4 不同雜草利用模式對冬小麥籽粒產(chǎn)量的影響

由表3可知，2020年冬小麥成熟期產(chǎn)量構(gòu)成因子中，穗長、成穗數(shù)以及千粒重均在W0+S處理下最高，穗粒數(shù)在W0+B處理下最高。與W0相比，W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S處理冬小麥穗長分別高出1.21%、1.43%、1.37%、2.43%、2.49%；成穗數(shù)分別高出6.04%、6.94%、6.72%、8.30%、9.74%；穗粒數(shù)分別高出0.73%、0.86%、0.89%、0.94%、0.86%；千粒重分別高出1.04%、1.24%、1.08%、1.55%、1.84%。與2019年相比，2020年W0、W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S處理冬小麥千粒重分別提高1.03%、1.43%、1.72%、1.52%、1.88%、1.69%；各處理2020年冬小麥產(chǎn)量均高于2019年，且均在W0+S處理下最高。與W0相比，2020年W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S處理冬小麥產(chǎn)量分別高7.94%、9.19%、8.81%、11.01%、12.71%。結(jié)果說明，刈割以及雜草與夏季作物共作可顯著提高后茬冬小麥籽粒產(chǎn)量，其中雜草與作物共作處理效果更顯著。

2.5 不同雜草利用模式對冬小麥籽粒礦質(zhì)元素含量的影響

表4 為2020年不同處理下成熟冬小麥籽粒礦質(zhì)元素含量。其中，W0+S處理N含量最高，與W0相比，W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S的N含量分別提高2.15%、5.43%、3.03%、6.06%、6.25%；W0+S處理P含量最高，其次是W0+B處理，W0最低；K含量最高的是W0+B處理，W0最低；Ca含量中，W0+S處理含量最高，其次是W0+M處理，其他處理相對較低；Mg含量最高的是W0+B處理，顯著高于W0；Fe含量中，W0+S處理最高，是W0的4.31倍；相比W0，W0+M、W0+B及W0+S處理Mn含量分別提高57.02%、49.89%、81.74%；W0處理Cu、Zn含量最高，與W0相比，W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S處理的Cu含量分別降低4.83%、15.64%、20.27%、28.38%、20.46%，Zn含量分別降低4.30%、7.83%、8.41%、8.12%。整體來看，雜草與作物共作可提高后茬冬小麥籽粒N、P、K、Mg、Fe、Mn等礦質(zhì)元素含量，其中對Fe元素影響最大，綜合來看，雜草與大豆共作優(yōu)勢較為明顯。

3 討論

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)小麥產(chǎn)量的提高主要依靠化肥的大量施用，長期施用化肥會導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)變差，有機質(zhì)含量降低，進(jìn)而導(dǎo)致谷物籽粒品質(zhì)變差。然而在有機種植模式下，即有機肥替代化肥后，不但不會使小麥產(chǎn)量降低，反而促進(jìn)了小麥籽粒蛋白質(zhì)含量以及礦質(zhì)元素含量的提高[14]。雜草綠肥作為生物質(zhì)有機肥的組成部分，不僅有助于提高土壤肥力，維持作物產(chǎn)量，而且有助于保持農(nóng)田生物多樣性，維持生態(tài)平衡。長期以來，雜草被視為有害植物而被清除，對雜草的研究往往也更多地注重其危害性和防治途徑，忽視了其生態(tài)學(xué)功能，尤其是養(yǎng)分潛力[4]。研究表明，保持一定水平的雜草生物多樣性不僅可以發(fā)揮其生態(tài)功能，還能使作物少受雜草的危害，提高作物產(chǎn)量[15]。本研究中，夏季休耕農(nóng)田雜草資源豐富，不僅可以保水保墑，還能與作物共作，秸稈還田釋放養(yǎng)分到土壤中供后茬作物利用。

表3 不同處理冬小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因子Table 3 Output factors and yield of winter wheat in different treatments

表4 不同處理冬小麥籽粒礦質(zhì)元素含量Table 4 Mineral element content in winter wheat in different treatments

研究顯示，雜草生態(tài)功能顯著，可改善土壤理化性質(zhì)，分解后參與養(yǎng)分循環(huán)進(jìn)而提高土壤肥力[16]。本研究中，經(jīng)過兩年雜草養(yǎng)地試驗，相比試驗初期，各處理土壤理化性質(zhì)均得到改善，土壤容重降低，pH值升高，有機碳及全氮含量均顯著提升。相比刈割處理，雜草與作物共作處理效果更顯著。汪紅霞[17]研究表明，與常規(guī)農(nóng)田相比，利用有機肥結(jié)合秸稈還田可提高8%的土壤有機質(zhì)含量，并顯著提升土壤含量。進(jìn)一步證實了本試驗中，雜草與作物秸稈還田后可顯著提高土壤肥力。其中，大豆與雜草共作處理土壤碳氮含量在整個生長期基本保持最高，這可能與大豆固氮能力較強以及秸稈本身有機質(zhì)含量較高有關(guān)[18]。

前人研究表明，作物的生理指標(biāo)，如株高、葉面積的大小以及土壤肥力與作物產(chǎn)量呈正相關(guān)，如果作物在關(guān)鍵生長期生理指標(biāo)低下則會影響其產(chǎn)量[19-21]。本研究結(jié)果表明，與2019年相比，2020年小麥灌漿期株高、葉面積以及植株生物量均提高，主要是經(jīng)過兩年的養(yǎng)地后土壤肥力得到提升，從而使小麥長勢更好，雜草與作物共作處理下小麥產(chǎn)量均高于對照，說明雜草綠肥結(jié)合秸稈還田后可促進(jìn)冬小麥的生長。整體來看，大豆與雜草共作處理效果最好，可能是由于該地塊在雜草綠肥與豆科作物的共同作用下積累了更多的碳氮資源，土壤肥力相比其他處理更高。

有研究指出，小麥產(chǎn)量與穗粒數(shù)、千粒重和穗長等存在顯著正相關(guān)關(guān)系[20]。本研究兩年的試驗結(jié)果表明，相比對照，通過增加刈割次數(shù)以及雜草與作物共作處理均可提高冬小麥穗長、成穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重以及作物產(chǎn)量。與前人關(guān)于休耕地中種植豆科植物能顯著提高后茬水稻產(chǎn)量[22-23]的結(jié)果相似，主要是由于該處理大豆本身固氮能力較強[18]，土壤養(yǎng)分相比其他處理更加充足。

有研究表明，施用有機肥的農(nóng)作物產(chǎn)量相比化肥低，然而在科學(xué)合理的管理模式下，有機農(nóng)田作物產(chǎn)量不但不會降低，反而會超過常規(guī)農(nóng)田[24-25]。本研究中，有機模式下雜草與大豆共作處理冬小麥產(chǎn)量畝產(chǎn)達(dá)到545.24 kg，與當(dāng)?shù)厥┯没兽r(nóng)田相差較小(畝產(chǎn)為558.9 kg)[26]。有機模式產(chǎn)量較高主要是由于經(jīng)過兩年的養(yǎng)地，雜草以及夏季作物秸稈還田后土壤中積累大量養(yǎng)分，有機質(zhì)含量顯著提升，土壤理化性質(zhì)得到改善，而且該模式能節(jié)省投入成本，經(jīng)濟效益更高，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)更好。小麥籽粒中礦質(zhì)元素含量對人體健康尤為重要，包括大量元素(如Ca、Mg)以及微量元素(Cu、Fe、Zn)[27]，而有機農(nóng)田中小麥籽粒礦質(zhì)元素的含量要顯著高于常規(guī)農(nóng)田[14]。本研究表明，雜草與作物共作處理均顯著提高了冬小麥籽粒N、P、K元素含量，可能與農(nóng)作物生長對N、P、K的需求量大有關(guān)，且雜草綠肥以及3種秸稈本身富含養(yǎng)分元素。此外，F(xiàn)e是影響作物生長和籽粒品質(zhì)的重要微量元素[28-30]，本研究發(fā)現(xiàn)雜草與大豆共作處理小麥籽粒Fe含量是對照的4.31倍，無作物秸稈處理與對照無顯著差異(P>0.05)，可能是由于作物秸稈相比雜草含有更多的Fe，經(jīng)土壤動物及微生物共同作用分解釋放到土壤中供小麥吸收，且豆科作物還田后更有利于小麥籽粒Fe元素的提高。

綜上，雜草綠肥合理利用可有效提升小麥籽粒產(chǎn)量以及礦質(zhì)元素含量，其生物量越高，養(yǎng)分資源越豐富，經(jīng)微生物分解后釋放到土壤中提高土壤肥力進(jìn)而促進(jìn)作物生長及產(chǎn)量的提高。今后可通過分子水平進(jìn)一步解釋其影響機理，并種植多種豆科作物進(jìn)行差異分析，完善研究內(nèi)容。

4 結(jié)論

經(jīng)過兩年的雜草綠肥養(yǎng)地研究表明，與對照相比，刈割以及雜草與作物共作處理均改善了土壤理化性質(zhì)以及冬小麥生物學(xué)特性，提高了小麥產(chǎn)量，實現(xiàn)了雜草資源化有效利用。整體上看，雜草與作物共作效果更顯著，前茬推薦雜草+大豆共作處理進(jìn)行養(yǎng)地，該模式下2020年土壤有機碳含量達(dá)到14.33 g·kg-1，相比本底值提高23%，冬小麥產(chǎn)量達(dá)8 178.67 kg·hm-2，比對照高12.71%。