杂草利用模式对后茬小麦产量的影响研究

郭小鸥 崔晓辉

(1 天津农学院园艺园林学院，天津 300384；2 中国科学院植物研究所，北京 100093)

休耕作为一种古老的农业耕作方式，为了恢复耕地，解决现代农业耕作方式造成的耕地退化、地下水枯竭和环境污染等问题而被重新应用[1-2]，其科学原理是利用杂草固定的碳、氮、磷等营养元素养地，同时维持生物多样性，具有缓解农业生产与生态环境尖锐矛盾的作用[3]。

作为农田生态系统的初级生产者，杂草是不可或缺的生物组成部分，对维护农田生态系统的稳定具有重要意义[4]。大量研究表明，杂草在维持农田生物多样性方面发挥着重要作用，为土壤动物和微生物提供适宜的生存环境，能够保护天敌进而控制害虫数量[5]，有助于土壤重金属的修复[6]。覆盖地表的杂草可以降低水土流失量，具有抗旱保水的功能，尤其类似狗牙根之类根系比较发达的杂草保水效果更加显著[7]。此外，杂草具有保持土壤生态平衡以及促进养分循环的作用，杂草死亡后其枯落物经微生物分解后释放大量养分，可显著改善土壤理化性质并提高土壤肥力[8-9]。综上，合理利用杂草可以改善土壤理化性质并提高土壤肥力，具有一定的生态效益。

山东一带依靠施用大量化肥提高小麦产量，然而过量施用化肥导致土壤肥力降低、小麦籽粒品质下降[10-11]。相比之下，杂草绿肥养分资源丰富并可就地获取，凭借该优势及其生态功能，研究杂草资源合理利用对提高小麦产量和品质的影响具有重要意义。因此，本研究以玉米-小麦农田中的杂草绿肥作为研究对象，采取有机的田间管理模式，研究杂草与不同夏季作物共作对冬小麦生长及产量的影响，以期为我国有机农田杂草资源化利用提供技术支持，对促进农业健康可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于山东省临沂市平邑县卞桥镇蒋家庄(35°26′34″N，117°49′13″E)，该地区属于中纬度区，为暖温带大陆性季风气候，土壤类型以棕壤土为主，耕作制度为一年两熟制，主要粮食作物包括冬小麦和夏玉米。土壤本底值：pH值6.51，有机碳、全氮、全磷及全钾含量分别为11.65、0.98、0.53、14.74 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验自2018年6月15日开始，至2020年6月15日结束，以杂草与3种夏季作物(玉米、高粱、大豆)共作并与后茬冬小麦轮作系统为研究对象，设置6个处理，每个处理重复3次。各处理如下：W0：小区内不种植作物，让其生长杂草，不割草，设为对照；W1：小区内不种植作物，在7月30日进行一次杂草刈割处理并还田；W2：在W1处理的基础上，于8月30日再进行一次杂草刈割处理并还田；W0+M：小区内种植玉米，杂草与玉米共作；W0+B：小区内种植高粱，杂草与高粱共作；W0+S：小区内种植大豆，杂草与大豆共作。每个处理设置3个小区，每个小区面积为10 m×2.5 m，小区间设置1 m宽的保护行。

夏季作物收获后，用粉碎机将作物秸秆和杂草共同粉碎入地，依据等氮量的施肥原则，试验地一次性施入牛粪(含水量72.58%，含氮量1.96%)11 250 kg·hm-2， 撒匀晾干并翻地，10月中旬开始种植小麦。分别在冬小麦播种后的冬季和第二年的春季进行灌溉。

本研究种植模式为有机农田管理模式下的一年一熟制，前期(6—9月)杂草与3种夏茬作物共作过程无人工干扰，处于完全休耕模式，用于养地，保证后期冬小麦产量。由于与杂草竞争，夏季作物产量较低，不做统计。冬小麦(10月至第二年5月)种植过程需精耕细作，合理灌溉。本试验的冬小麦、夏玉米、高粱、大豆品种分别为临麦9号、金海5号、大粒红、荷豆23，由山东省平邑县蒋家庄弘毅生态农场提供。

1.3 测定指标与方法

土壤理化指标测定方法主要参考《土壤农化分析》[12]并稍加修改。采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机碳含量；利用凯氏定氮法测定土壤(植物)全氮含量；采用硫酸-高氯酸消煮，钼锑比色法测定土壤全磷含量；利用氢氧化钠熔融法测定土壤全钾含量。

小麦灌浆期开始调查测定小麦田作物株高、旗叶长、旗叶宽。调查方法如下：随机选取小区内连续3行的小麦50株，测定各指标，并计算叶面积(叶面积=叶长×叶宽×0.76)，方法参考文献[13]。进入6月份小麦成熟后开始调查统计小麦成穗数、穗粒数以及千粒重。调查方法：随机在小区内选取面积1 m2的样地统计成穗数，重复3次，将其混合后选取其中40个麦穗测定穗粒数及千粒重，并计算籽粒产量；同时取部分整株小麦并将其分成根、茎叶、颖壳、籽粒4部分烘干称重，测定小麦植株生物量。利用电感耦合等离子体发射光谱仪(inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES)法测定小麦籽粒矿质元素含量。

1.4 数据统计分析

试验数据使用Microsoft Excel 2010软件进行初步整理，使用SPSS 20.0软件进行统计分析，利用SigmaPlot10.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同处理杂草种类及生物量

休耕地杂草资源丰富，在杂草与夏季作物共作过程中(7月30日至9月30日)，共发现15种杂草，包括马唐(Digitariasanguinalis)、稗草(Echinochloacrusgalli)、狗尾草(Setariaviridis)、萹蓄(Polygonumaviculare)、藜(Chenopodiumalbum)、苘麻(Abutilontheophrasti)、刺儿菜(Cirsiumsetosum)、泡瓜(Cucumismelovar.agrestisNaud)、飞蓬(Erigeronacer)、马齿茜(Portulacaoleracea)、葎草(Humulusscandens)、打碗花(Calystegiahederacea)、荠菜(Capsellabursapastoris)、茜草(Rubiacordifolia)、猪殃殃(Galiumspurium)，其中优势种杂草是马唐。9月30日即在冬小麦种植前，杂草生物量达到最高值，田间主要杂草类型为马唐和稗草。由表1可知，2018年W0处理马唐生物量最高，显著高于其他处理，2019达到1 080.53 g·m-2，相比2018年提高了17.28%，W2处理均为两年最低。与马唐相比，稗草生物量相对较低，2018年最高的是W2处理，2019年最高的是W1处理，两年W0+S处理均没有出现该杂草。表明杂草与作物共作处理能在一定程度上降低杂草生物量，但整体影响较小。

2.2 不同杂草利用模式对土壤理化性质的影响

表2为0～20 cm土层土壤理化指标，其中2018年6月为土壤本底值。结果表明，2019年及2020年6月各处理土壤容重相比本底值均有所降低，各处理差异不显著；2020年6月各处理土壤pH值均高于本底值，W0+B处理最高，处理间差异不显著；与本底值相比，两年各处理土壤有机碳、全氮、全磷以及全钾含量均得到不同程度的提升，其中W0+S处理有机碳及全氮含量最高，并显著高于其他处理。试验结束时(2020年6月)，与W0相比，W0+S处理土壤有机碳及全氮含量分别高出11.86%、12.19%，各处理全磷及全钾含量无显著差异。整体来看，合理利用杂草资源可以改善土壤理化性质，对提高土壤碳氮等养分含量效果显著。

2.3 不同杂草利用模式对小麦生物学特性的影响

由图1可知，2019年各处理冬小麦灌浆期株高无显著差异，2020年各处理小麦株高相较2019年均有所提升，其中提升最高的是W0+S处理，比W0高13.42%；两年叶面积最大的均是W0+S处理，其中2020年达到19.35 cm2，比W0高5.71%；整体来看，2020年成熟小麦植株总生物(籽粒与植株之和)量相比2019年有所提高。与W0相比，2020年W1、W2、W0+M、W0+B和W0+S处理小麦籽粒生物量分别高7.94%、9.19%、8.81%、11.01%、12.71%；小麦植株总生物量分别高出4.57%、5.63%、4.05%、5.68%、8.03%。由此可知，杂草与作物共作可以提高冬小麦株高、叶面积以及植株生物量，其中杂草与大豆共作效果最佳。

表1 夏季休耕农田主要杂草生物量Table 1 Main weed biomass of fallow farmland in summer /(g·m-2)

表2 试验田各时期土壤理化指标Table 2 Soil physical and chemical indexes in different periods

图1 不同处理小麦生物学特性Fig.1 Biological characteristics of winter wheat in different treatments

2.4 不同杂草利用模式对冬小麦籽粒产量的影响

由表3可知，2020年冬小麦成熟期产量构成因子中，穗长、成穗数以及千粒重均在W0+S处理下最高，穗粒数在W0+B处理下最高。与W0相比，W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S处理冬小麦穗长分别高出1.21%、1.43%、1.37%、2.43%、2.49%；成穗数分别高出6.04%、6.94%、6.72%、8.30%、9.74%；穗粒数分别高出0.73%、0.86%、0.89%、0.94%、0.86%；千粒重分别高出1.04%、1.24%、1.08%、1.55%、1.84%。与2019年相比，2020年W0、W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S处理冬小麦千粒重分别提高1.03%、1.43%、1.72%、1.52%、1.88%、1.69%；各处理2020年冬小麦产量均高于2019年，且均在W0+S处理下最高。与W0相比，2020年W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S处理冬小麦产量分别高7.94%、9.19%、8.81%、11.01%、12.71%。结果说明，刈割以及杂草与夏季作物共作可显著提高后茬冬小麦籽粒产量，其中杂草与作物共作处理效果更显著。

2.5 不同杂草利用模式对冬小麦籽粒矿质元素含量的影响

表4 为2020年不同处理下成熟冬小麦籽粒矿质元素含量。其中，W0+S处理N含量最高，与W0相比，W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S的N含量分别提高2.15%、5.43%、3.03%、6.06%、6.25%；W0+S处理P含量最高，其次是W0+B处理，W0最低；K含量最高的是W0+B处理，W0最低；Ca含量中，W0+S处理含量最高，其次是W0+M处理，其他处理相对较低；Mg含量最高的是W0+B处理，显著高于W0；Fe含量中，W0+S处理最高，是W0的4.31倍；相比W0，W0+M、W0+B及W0+S处理Mn含量分别提高57.02%、49.89%、81.74%；W0处理Cu、Zn含量最高，与W0相比，W1、W2、W0+M、W0+B及W0+S处理的Cu含量分别降低4.83%、15.64%、20.27%、28.38%、20.46%，Zn含量分别降低4.30%、7.83%、8.41%、8.12%。整体来看，杂草与作物共作可提高后茬冬小麦籽粒N、P、K、Mg、Fe、Mn等矿质元素含量，其中对Fe元素影响最大，综合来看，杂草与大豆共作优势较为明显。

3 讨论

传统农业小麦产量的提高主要依靠化肥的大量施用，长期施用化肥会导致土壤理化性质变差，有机质含量降低，进而导致谷物籽粒品质变差。然而在有机种植模式下，即有机肥替代化肥后，不但不会使小麦产量降低，反而促进了小麦籽粒蛋白质含量以及矿质元素含量的提高[14]。杂草绿肥作为生物质有机肥的组成部分，不仅有助于提高土壤肥力，维持作物产量，而且有助于保持农田生物多样性，维持生态平衡。长期以来，杂草被视为有害植物而被清除，对杂草的研究往往也更多地注重其危害性和防治途径，忽视了其生态学功能，尤其是养分潜力[4]。研究表明，保持一定水平的杂草生物多样性不仅可以发挥其生态功能，还能使作物少受杂草的危害，提高作物产量[15]。本研究中，夏季休耕农田杂草资源丰富，不仅可以保水保墒，还能与作物共作，秸秆还田释放养分到土壤中供后茬作物利用。

表3 不同处理冬小麦产量及构成因子Table 3 Output factors and yield of winter wheat in different treatments

表4 不同处理冬小麦籽粒矿质元素含量Table 4 Mineral element content in winter wheat in different treatments

研究显示，杂草生态功能显著，可改善土壤理化性质，分解后参与养分循环进而提高土壤肥力[16]。本研究中，经过两年杂草养地试验，相比试验初期，各处理土壤理化性质均得到改善，土壤容重降低，pH值升高，有机碳及全氮含量均显著提升。相比刈割处理，杂草与作物共作处理效果更显著。汪红霞[17]研究表明，与常规农田相比，利用有机肥结合秸秆还田可提高8%的土壤有机质含量，并显著提升土壤含量。进一步证实了本试验中，杂草与作物秸秆还田后可显著提高土壤肥力。其中，大豆与杂草共作处理土壤碳氮含量在整个生长期基本保持最高，这可能与大豆固氮能力较强以及秸秆本身有机质含量较高有关[18]。

前人研究表明，作物的生理指标，如株高、叶面积的大小以及土壤肥力与作物产量呈正相关，如果作物在关键生长期生理指标低下则会影响其产量[19-21]。本研究结果表明，与2019年相比，2020年小麦灌浆期株高、叶面积以及植株生物量均提高，主要是经过两年的养地后土壤肥力得到提升，从而使小麦长势更好，杂草与作物共作处理下小麦产量均高于对照，说明杂草绿肥结合秸秆还田后可促进冬小麦的生长。整体来看，大豆与杂草共作处理效果最好，可能是由于该地块在杂草绿肥与豆科作物的共同作用下积累了更多的碳氮资源，土壤肥力相比其他处理更高。

有研究指出，小麦产量与穗粒数、千粒重和穗长等存在显著正相关关系[20]。本研究两年的试验结果表明，相比对照，通过增加刈割次数以及杂草与作物共作处理均可提高冬小麦穗长、成穗数、穗粒数、千粒重以及作物产量。与前人关于休耕地中种植豆科植物能显著提高后茬水稻产量[22-23]的结果相似，主要是由于该处理大豆本身固氮能力较强[18]，土壤养分相比其他处理更加充足。

有研究表明，施用有机肥的农作物产量相比化肥低，然而在科学合理的管理模式下，有机农田作物产量不但不会降低，反而会超过常规农田[24-25]。本研究中，有机模式下杂草与大豆共作处理冬小麦产量亩产达到545.24 kg，与当地施用化肥农田相差较小(亩产为558.9 kg)[26]。有机模式产量较高主要是由于经过两年的养地，杂草以及夏季作物秸秆还田后土壤中积累大量养分，有机质含量显著提升，土壤理化性质得到改善，而且该模式能节省投入成本，经济效益更高，农产品品质更好。小麦籽粒中矿质元素含量对人体健康尤为重要，包括大量元素(如Ca、Mg)以及微量元素(Cu、Fe、Zn)[27]，而有机农田中小麦籽粒矿质元素的含量要显著高于常规农田[14]。本研究表明，杂草与作物共作处理均显著提高了冬小麦籽粒N、P、K元素含量，可能与农作物生长对N、P、K的需求量大有关，且杂草绿肥以及3种秸秆本身富含养分元素。此外，Fe是影响作物生长和籽粒品质的重要微量元素[28-30]，本研究发现杂草与大豆共作处理小麦籽粒Fe含量是对照的4.31倍，无作物秸秆处理与对照无显著差异(P>0.05)，可能是由于作物秸秆相比杂草含有更多的Fe，经土壤动物及微生物共同作用分解释放到土壤中供小麦吸收，且豆科作物还田后更有利于小麦籽粒Fe元素的提高。

综上，杂草绿肥合理利用可有效提升小麦籽粒产量以及矿质元素含量，其生物量越高，养分资源越丰富，经微生物分解后释放到土壤中提高土壤肥力进而促进作物生长及产量的提高。今后可通过分子水平进一步解释其影响机理，并种植多种豆科作物进行差异分析，完善研究内容。

4 结论

经过两年的杂草绿肥养地研究表明，与对照相比，刈割以及杂草与作物共作处理均改善了土壤理化性质以及冬小麦生物学特性，提高了小麦产量，实现了杂草资源化有效利用。整体上看，杂草与作物共作效果更显著，前茬推荐杂草+大豆共作处理进行养地，该模式下2020年土壤有机碳含量达到14.33 g·kg-1，相比本底值提高23%，冬小麦产量达8 178.67 kg·hm-2，比对照高12.71%。