河西綠洲灌區(qū)減量灌溉下綠肥對小麥光合源及產(chǎn)量的補(bǔ)償效應(yīng)

楊 昭，柴 強(qiáng)，王 玉，茍志文，樊志龍，胡發(fā)龍，殷 文

（省部共建干旱生境作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

資源性缺水是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最大的限制因子[1–2]，研發(fā)水分高效利用作物生產(chǎn)技術(shù)，是我國特別是干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)高效發(fā)展的重大課題。減量灌水是提高作物水分利用效率的重要措施，但不合理的減量灌溉技術(shù)將導(dǎo)致減產(chǎn)，同時也限制了作物水分利用效率的進(jìn)一步提高。因此，減量灌水下作物高效用水理論和技術(shù)的研發(fā)亟需深入。相關(guān)研究表明，覆蓋[3]、綠肥還田[4]、調(diào)虧灌溉[5]、干濕交替灌溉[6]等技術(shù)為作物高產(chǎn)和高效利用水分提供了保障，而在減量灌水下，兼具節(jié)水、清潔、高效等優(yōu)點(diǎn)的綠肥還田技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中備受關(guān)注。以減量灌水和復(fù)種綠肥為主要措施的管理技術(shù)通過節(jié)水增效、納水蓄墑、高效用水、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)等生態(tài)優(yōu)勢而進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[7–9]，但基于減量灌水、復(fù)種綠肥于一體的技術(shù)體系能否同步提高作物產(chǎn)量卻鮮有研究，使得生產(chǎn)實(shí)踐中種植模式和節(jié)水技術(shù)的優(yōu)化缺乏必要的理論依據(jù)。

將綠肥合理納入主栽作物種植系統(tǒng)，具有培肥土壤、蓄水保墑以及增產(chǎn)增效的優(yōu)勢[7,10–11]。有研究表明，綠肥可提高土壤水分的調(diào)蓄能力[12]，增大作物葉面積[13]，延緩葉片衰老[14]，促使作物增產(chǎn)增效[15–16]，在有限供水的當(dāng)前，提高作物光合源是作物增產(chǎn)增效的必要途徑，研究綠肥對作物光合能力的影響以及導(dǎo)致的產(chǎn)量表現(xiàn)尤為重要。但是，復(fù)種綠肥對作物產(chǎn)量形成以及光合能力的影響機(jī)理尚不明確，限制了綠肥模式在水資源匱乏的農(nóng)業(yè)區(qū)域持續(xù)保障作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效益的發(fā)揮。

在現(xiàn)代集約化生產(chǎn)中，小麥種植模式單一，水資源投入量大、利用效率不高，嚴(yán)重威脅到生態(tài)環(huán)境[17–18]，基于綠肥的高效種植模式亟待開發(fā)。河西綠洲灌區(qū)光熱資源豐富，麥后休閑期長，適于復(fù)種綠肥，但傳統(tǒng)綠肥–小麥模式缺乏與之配套的農(nóng)田水分管理技術(shù)，綠肥對限量供水條件下小麥的增產(chǎn)效益尚不明晰，限制了該模式的推廣應(yīng)用。為此，本研究通過復(fù)種模式將豆科綠肥集成應(yīng)用于小麥種植系統(tǒng)中，探討綠肥還田對減量灌水條件下小麥產(chǎn)量的影響，以期為河西綠洲灌區(qū)及相似生態(tài)區(qū)域構(gòu)建基于綠肥的小麥節(jié)水種植模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗選取2017年布置于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)武威綠洲試驗基地的定位試驗，本研究于2019―2021年進(jìn)行。試驗區(qū)位于河西走廊東端，2017―2021年平均降雨量171 mm，蒸發(fā)量大于2400 mm，雨熱同季，屬典型的一熟有余，兩熟不足干旱灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，適宜復(fù)種綠肥。小麥為試區(qū)主栽作物，收獲后采用傳統(tǒng)翻耕休閑處理。供試土壤為灌漠土，2020―2021年試區(qū)氣溫和降水情況見圖1。

圖1 2020―2021年降水量和氣溫變化Fig.1 Changes in precipitation and temperature during 2020–2021

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)設(shè)計。主區(qū)設(shè)置3個灌水水平，分別為傳統(tǒng)灌水 (I3，540 mm)、減量 50 mm 灌水(I2，490 mm)、減量 100 mm 灌水 (I1，440 mm)，以傳統(tǒng)灌水為對照；副區(qū)設(shè)綠肥處理方式，分別為復(fù)種并翻壓綠肥(WG)、復(fù)種但不翻壓綠肥(WGr)、休閑(WF)，以休閑為對照，共9個處理，各處理重復(fù)3次，小區(qū)面積為42 m2。小麥生育期灌水見表1，不同灌水水平采用水表計量。小麥?zhǔn)┓手贫韧?dāng)?shù)亓?xí)慣施肥，肥料一次性基施，綠肥生育期不施肥。供試小麥品種為寧春4號；綠肥為箭筈豌豆，品種為蘭箭2號。在2020年和2021年，分別于3月24日和3月23日播種，并于7月21日和7月20日收獲；前茬綠肥分別于2019年8月3日、2020年8月1日播種，并分別于當(dāng)年的10月16日、10月17日粉碎后淺旋還田。

表1 小麥復(fù)種綠肥各生育時期灌水量(mm)Table 1 Irrigation quotas of wheat multiple croping green manure crop at various growth stages

1.3 測定指標(biāo)和計算方法

1.3.1 光合源 光合源主要測定了葉面積和光合勢，其指標(biāo)計算方法：

式中，0.83為校對系數(shù)，ρ為小麥種植密度，a和b分別是葉片的長和寬，i為葉片個數(shù)[12]。

式 中，LAIi為第i個生育階段的平均葉面積，Di為第i個生育階段持續(xù)的時間[19]。

1.3.2 干物質(zhì)累積 從小麥苗期開始，每15天取樣一次，每小區(qū)隨機(jī)選取有代表性的小麥20株，置105℃烘箱中殺青30 min，然后調(diào)至80℃繼續(xù)烘干至恒重，冷卻后稱重。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素 小麥成熟后，各小區(qū)采用五點(diǎn)取樣法隨機(jī)選取30株進(jìn)行考種，測定穗粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量性狀；取4 m×1.5 m的樣方面積，統(tǒng)計穗數(shù)、計算成穗數(shù)并脫粒稱重；單位面積籽粒產(chǎn)量按14%籽粒含水量進(jìn)行折算。

1.3.4 補(bǔ)償效應(yīng) 綠肥處理對減量灌水的補(bǔ)償效應(yīng)=(減量灌水綠肥各處理?傳統(tǒng)灌水休閑處理WFI3)/傳統(tǒng)灌水休閑處理(WFI3)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Microsoft Excel 2019 整理數(shù)據(jù)、繪制圖表，利用SPSS 21.0軟件進(jìn)行方差分析、互作效應(yīng)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 減量灌水下不同綠肥處理對小麥光合源的影響

2.1.1 灌水、綠肥及其互作對小麥全生育期葉面積指數(shù)的影響 灌水水平和綠肥處理對小麥生育期內(nèi)葉面積指數(shù)(LAI)有顯著影響，二者的交互作用對小麥拔節(jié)、抽穗和灌漿期有顯著影響，對開花和成熟期無顯著影響(表2)。2020和2021年，與I3相比，I1拔節(jié)至抽穗期、抽穗至灌漿期、灌漿至成熟期的LAI分別降低6.34%和6.83%、8.86%和8.60%、4.87%和4.69%，I2拔節(jié)至抽穗期、抽穗至灌漿期分別降低3.08%和2.88%、5.33%和5.85%，灌漿至成熟期無顯著降低，說明灌水量的減少對小麥LAI存在負(fù)效應(yīng)。

表2 減量灌水下不同綠肥處理小麥生育期葉面積指數(shù)變化Table 2 Dynamic changes of leaf area index of wheat growth stage under different green manure treatments and reduced irrigation

復(fù)種綠肥能顯著提高小麥LAI，與WF處理相比，2020和2021年WG處理拔節(jié)至抽穗期、抽穗至灌漿期、灌漿至成熟期的LAI分別提高6.19%和6.99%、8.38%和8.81%、4.29%和4.88%，WGr拔節(jié)至抽穗、抽穗至灌漿期LAI分別提高3.56%和3.71%、2.78%和3.07%，灌漿至成熟期無顯著提高。

與高灌水休閑處理(WFI3，對照)相比，WG處理能補(bǔ)償I2灌水水平造成的LAI負(fù)效應(yīng)，但對I1灌水水平的負(fù)效應(yīng)無法補(bǔ)償。其中，2020年和2021年，減量50 mm灌水配合復(fù)種并翻壓綠肥(WGI2)拔節(jié)至抽穗期、抽穗至灌漿期、灌漿至成熟期的補(bǔ)償比例分別為2.75%和4.06%、2.77%和2.92%、2.81%和3.21%。因此，WGI2較WFI3具有提高小麥LAI的優(yōu)勢，且2021年補(bǔ)償效應(yīng)高于2020年。

2.1.2 灌水、綠肥及其互作對小麥全生育期光合勢的影響 灌水水平、綠肥處理及二者的互作效應(yīng)均顯著影響小麥生育期光合勢(表3)。與I3灌水水平相比，2020和2021年I1、I2灌水水平的小麥生育期總光合勢分別降低了6.34%和6.09%、3.39%和3.08%；其中I1灌水水平下拔節(jié)期前、拔節(jié)至抽穗期、抽穗期后的光合勢分別降低5.07%和4.02%、6.40%和6.86%、7.26%和7.23%，I2灌水水平下降低拔節(jié)至抽穗期、抽穗期后的光合勢3.11%和2.88%、4.49%和4.08%，I2灌水水平對拔節(jié)期前的光合勢無顯著降低，即減量灌水對小麥生育期內(nèi)光合勢存在負(fù)效應(yīng)。

表3 減量灌水下不同綠肥處理小麥生育期光合勢[m2/(m2·d)]Table 3 Leaf area duration of wheat growth stage under different green manure treatments and reduced irrigation

復(fù)種綠肥具有提高小麥光合勢的作用，與WF處理相比，WG、WGr處理2020和2021年分別提高總光合勢6.68%和6.88%、3.04%和3.31%；其中WG處理提高拔節(jié)期前、拔節(jié)至抽穗期、抽穗期后的光合勢6.30%和6.20%、6.19%和7.04%、7.67%和7.70%，WGr處理3個生育階段依次提高2.90%和3.29%、3.59%和3.71%、2.82%和3.23%。

與WFI3相比，復(fù)種綠肥能補(bǔ)償I2灌水水平造成的光合勢負(fù)效應(yīng)，但無法補(bǔ)償I1灌水水平造成的負(fù)效應(yīng)。2020和2021年WGI2較WFI3提高總光合勢2.84%和3.99%，拔節(jié)期前、拔節(jié)至抽穗期、抽穗期后的光合勢分別提高3.44%和4.27%、2.75%和4.06%、2.87%和3.78%，WGrI2處理小麥拔節(jié)期前提高1.06%和1.60%，2021年拔節(jié)至抽穗期提高1.12%，但WGRI2較WFI3無顯著差異。說明，WGI2處理具有保持較高光合勢的潛勢，且補(bǔ)償效應(yīng)2021年優(yōu)于2020年。

2.2 減量灌水下不同綠肥處理對小麥干物質(zhì)累積量的影響

灌水水平、綠肥處理對小麥生育期內(nèi)干物質(zhì)累積量影響顯著，二者的互作效應(yīng)對抽穗至成熟期干物質(zhì)累積量影響顯著，對苗期至拔節(jié)期影響不顯著(表4)。與2020和2021年I3灌水水平相比，I1灌水水平小麥苗期至拔節(jié)期、拔節(jié)至抽穗期、灌漿至成熟期的干物質(zhì)累積量分別降低11.41%和15.54%、20.28%和25.22%、13.03%和9.59%，I2灌水水平分別降低5.80%和10.78%、9.88%和8.47%、7.60%和3.74%，說明灌水量的減少對小麥干物質(zhì)累積量產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)。

表4 減量灌水下不同綠肥處理小麥生育期干物質(zhì)累積量(kg/hm2)Table 4 Dynamics of dry matter accumulation of wheat growth stage under different green manure treatments and reduced irrigation

復(fù)種綠肥能顯著提高干物質(zhì)累積量，與WF處理相比，2020和2021年WG處理苗期至拔節(jié)期、拔節(jié)至抽穗期、灌漿至成熟期的干物質(zhì)累積量分別提高6.00%和11.11%、11.45%和17.25%、11.08%和7.76%，WGr苗期至拔節(jié)期、拔節(jié)至抽穗期分別提高3.35%和7.40%、4.41%和7.75%，但灌漿至成熟期無顯著差異。

與WFI3處理相比，WG能補(bǔ)償I2灌水水平造成的干物質(zhì)累積量負(fù)效應(yīng)，無法補(bǔ)償I1灌水水平造成的負(fù)效應(yīng)，WGr均無法補(bǔ)償I1和I2造成的干物質(zhì)累積量負(fù)效應(yīng)。其中2020和2021年WGI2較WFI3處理拔節(jié)至抽穗期、灌漿至成熟期的干物質(zhì)累積量分別提高4.60%和5.15%、6.07%和6.16%，苗期至拔節(jié)期WGI2與WFI3無顯著差異?？梢姡琖GI2處理提高小麥干物質(zhì)累積量優(yōu)勢明顯，且綠肥補(bǔ)償效應(yīng)2021年優(yōu)于2020年。

2.3 減量灌水下不同綠肥處理對小麥籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

灌水水平、綠肥處理對小麥籽粒產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素影響顯著，二者的互作效應(yīng)對籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)和穗粒數(shù)影響顯著，對千粒重影響不顯著(表5)。2020和2021年，主效應(yīng)間比較，I1較I3灌水水平籽粒產(chǎn)量降低14.00%和12.98%，穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別降低12.88%、15.66%、14.55%和19.35%、8.32%、14.43%，I2灌水水平下產(chǎn)量降低1.78%和4.05%，2021年穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別降低7.34%、4.06%、5.80%，2020年無顯著降低?？梢?，減量灌水對籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成要素存在負(fù)效應(yīng)。

表5 減量灌水下不同綠肥處理小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 5 Grain yield and yield components of wheat under different green manure treatments and reduced irrigation

復(fù)種綠肥能提高小麥籽粒產(chǎn)量。與WF相比，2020和2021年WG籽粒產(chǎn)量提高7.83%和10.76%，穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別提高9.77%、7.39%、9.65%和13.87%、7.02%、11.57%，WGr產(chǎn)量提高2.52%和4.99%，3個產(chǎn)量要素依次分別提高4.34%、1.65%、3.78%和8.29%、3.34%、6.58%。

與WFI3處理相比，復(fù)種綠肥能補(bǔ)償I2灌水水平造成的產(chǎn)量負(fù)效應(yīng)，但對I1灌水水平造成的負(fù)效應(yīng)無法補(bǔ)償。2020和2021年WGI2較WFI3處理提高產(chǎn)量5.89%和6.01%，穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別提高9.94%、3.83%、7.73%和6.07%、2.22%、6.63%，WGrI2處理2020年產(chǎn)量提高1.31%，穗數(shù)提高2.99%，2021年各處理無顯著提高。因此，WGI2處理可為小麥穩(wěn)產(chǎn)甚至高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

2.4 減量灌水下不同綠肥處理小麥籽粒產(chǎn)量與光合源的相關(guān)性分析

依表6可知，2020―2021年，小麥籽粒產(chǎn)量與LAI、LAD呈極顯著正相關(guān)，說明綠肥通過補(bǔ)償小麥LAI和LAD，從而對減量灌水下小麥的產(chǎn)量進(jìn)行了補(bǔ)償。

表6 減量灌水下不同綠肥處理籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)量性能指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 6 Correlation coefficient between grain yield and parameters of yield under different green manure treatments and reduced irrigation

3 討論

3.1 小麥光合源對減量灌水下不同綠肥處理的響應(yīng)

LAI和LAD是反映作物冠層結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，其大小直接決定著作物產(chǎn)量的高低[20–21]。劉克禮等[22]認(rèn)為，作物源的衡量指標(biāo)包括LAI的大小和功能葉片的持續(xù)時間(LAD)。作物生長前期擴(kuò)源，后期減緩葉片衰老，維持較高的LAI和LAD，是后期光合產(chǎn)物積累轉(zhuǎn)運(yùn)以及籽粒灌漿的重要基礎(chǔ)，是小麥高產(chǎn)的重要措施[23–24]，而合理的灌水量是保證作物生長發(fā)育的重要前提。本研究發(fā)現(xiàn)，減量灌水是小麥LAI和LAD降低的直接影響因素，減量50 mm灌水下各處理光合源在小麥生育前期較高灌水無太大差異，抽穗期之后差異增大，但并無顯著性降低；減量100 mm灌水下各處理對光合源的影響在整個生育期均存在顯著差異，表明適當(dāng)?shù)臏p量灌水不會對光合源造成太大影響，但水分的虧缺會加速功能葉片的衰老，降低葉片的光合能力[25]。也有研究表明，小麥苗期遭受水分虧缺后復(fù)水，葉面積大小表現(xiàn)為輕度水分虧缺>充分灌溉>重度水分虧缺，也就是說適度的水分虧缺下，小麥葉面積存在明顯的復(fù)水補(bǔ)償效應(yīng)[26]。本研究結(jié)果表明，WGI2處理較對照能顯著補(bǔ)償小麥生育期內(nèi)的LAI和LAD，但對I1灌水水平無法補(bǔ)償，這與烏蘭等[26]的研究結(jié)果類似。隨生育期推進(jìn)綠肥對減量灌水的補(bǔ)償效應(yīng)逐漸增大，其原因可能是生育前期溫度較低，地上部生長發(fā)育滯緩造成小麥光合源較低，補(bǔ)償效應(yīng)不明顯[19]，而在拔節(jié)期之后，綠肥的效益逐漸顯現(xiàn)，促進(jìn)植物根系生長并向地上部供給更多的水分和養(yǎng)分，增大了葉面積，延長了葉片光合作用的持續(xù)時間[14]，從而使得其補(bǔ)償效應(yīng)逐漸增大；對于WGI1和WGrI1處理無法補(bǔ)償，可能是由于灌水量低于臨界值，綠肥肥效難以達(dá)到補(bǔ)償?shù)乃?，?dǎo)致小麥葉面積增長受阻所致[27]。

3.2 小麥產(chǎn)量及干物質(zhì)累積對減量灌水下不同綠肥處理的響應(yīng)

干物質(zhì)累積與分配是作物獲得高產(chǎn)的直接決定因素，通常認(rèn)為營養(yǎng)生長過程中干物質(zhì)的積累和向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)是小麥產(chǎn)量形成的重要基礎(chǔ)[28]。灌水量不足主要是影響光合作用和作物干物質(zhì)累積的過程，最終體現(xiàn)在小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素上[29]。研究發(fā)現(xiàn)，輕度的虧缺灌溉能夠提高干物質(zhì)累積與分配，而灌水量過低則會影響干物質(zhì)累積，作物產(chǎn)量明顯降低[30]。本研究結(jié)果表明，減量50 mm灌水降低了小麥生育后期的干物質(zhì)累積量，但與傳統(tǒng)灌水相比差異并不顯著，這一結(jié)果與以上研究基本一致，說明適當(dāng)?shù)臏p量灌水不會影響干物質(zhì)的累積量[30]，減量100 mm灌水下干物質(zhì)累積量顯著降低，可能是因為灌水量過低，不利于干物質(zhì)累積，最終不利于產(chǎn)量的形成[31]。有研究[32]表明，非充分灌溉會降低棉花LAI、光合能力以及產(chǎn)量，非充分灌溉下增施氮肥能不同程度的縮小其與充分灌溉的產(chǎn)量差異，存在一定的補(bǔ)償效應(yīng)。本研究顯示，WGI2處理下的干物質(zhì)累積量在整個生育期都高于對照；同時WGI2處理通過補(bǔ)償小麥產(chǎn)量要素，使得小麥產(chǎn)量高于對照，表現(xiàn)出明顯的補(bǔ)償效應(yīng)。這與石洪亮等[32]的研究結(jié)果類似。拔節(jié)期前綠肥無法補(bǔ)償減量灌水的負(fù)效應(yīng)，可能是因為小麥生長前期溫度過低，綠肥肥效緩慢，小麥干物質(zhì)累積差異不明顯，而從拔節(jié)期開始，綠肥為小麥的生長創(chuàng)造了良好的土壤環(huán)境，促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收[33]，提高了干物質(zhì)累積轉(zhuǎn)移效率和對籽粒的貢獻(xiàn)率[34]，保證了小麥產(chǎn)量在減量灌水下的回升，使其穩(wěn)產(chǎn)甚至增產(chǎn)。綠肥對減量100 mm灌水無法補(bǔ)償，可能是因為灌水不足嚴(yán)重阻礙同化物向籽粒的轉(zhuǎn)移[35]，導(dǎo)致綠肥難以補(bǔ)償這種負(fù)效應(yīng)。

本試驗分析籽粒產(chǎn)量與光合源之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，WGI2處理對I2灌水水平下小麥產(chǎn)量的補(bǔ)償主要是通過補(bǔ)償小麥的LAI、LAD，這說明在小麥生育期間，通過增大葉面積，延長葉片光合作用持續(xù)時間，能為后期積累更多的干物質(zhì)，為最終較高的產(chǎn)量提供保障。

4 結(jié)論

減量灌水對小麥全生育期內(nèi)的光合源、干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量均產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。復(fù)種并翻壓綠肥(WG)能有效補(bǔ)償生育期內(nèi)減量50 mm灌水(I2)造成的小麥光合源、干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量的負(fù)效應(yīng)，但對減量100 mm灌水(I1)造成的負(fù)效應(yīng)無法補(bǔ)償，且2021年綠肥對I2灌水水平下光合源、干物質(zhì)累積量的補(bǔ)償效應(yīng)優(yōu)于2020年。WG對產(chǎn)量的補(bǔ)償主要?dú)w因于對小麥LAI、LAD的同步補(bǔ)償。綜合來看，減量50 mm灌水配合復(fù)種并翻壓綠肥(WGI2)的穩(wěn)產(chǎn)增效優(yōu)勢顯著，因此，該組合可作為河西綠洲灌區(qū)小麥節(jié)水的種植模式。