越冬作物覆盖保水效应及对后茬大豆水分利用效率和产量的影响

李 峰，慕 晶，耿智广，唐小丽，武军艳，马 骊，鱼亚琼，李可夫，孙万仓

(1.庆阳市农业科学研究院，甘肃 庆阳 745000；2.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；3.省部共建干旱生境作物学国家重点实验室，甘肃 兰州 730070；4.甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室，甘肃 兰州 730070；5.甘肃省西峰区职业中等专科学校，甘肃 庆阳 745000)

干旱是制约我国北方旱地农业生产和发展的关键因素之一[1]，旱灾也是影响我国粮食产量水平的重要因素[2]。造成干旱的主要原因有气候波动异常、水资源供需变化引发的时段内降水偏少、天气干燥、蒸发量增大等[3-4]。如何保留有效降雨、减少地表蒸发量和提高土壤水分利用率，一直是旱作区农业发展的主要研究内容。覆盖作为一种有效节水措施，能够有效减轻土壤水分的蒸发，提高土壤保墒能力[5]，且已被证实并成功应用于小麦[6-7]、谷子[8]、高粱[9]和玉米[10]等多种农作物生产，并在我国农业生产力提升中发挥了重要作用[11]。程宏波等[1]研究发现覆盖对土壤水分具有保持作用，较不覆盖土壤质量含水率提高0.4%～3.9%。已有研究表明，秋季覆盖能够改变北方旱作区冬季地表裸露现状，降低风蚀，对冬季土壤具有保墒及保护作用，进而提高后茬作物产量。李琳等[12]发现冬春越冬作物能够通过改变地表覆盖度而减少农田土壤风蚀扬尘，显著降低农田近地表风速，改变地表输沙量，其中油菜覆盖的月平均输沙量比玉米根留茬地低 67.1%，具有提高土地生产力的作用；李尚中等[13]发现秋覆盖后，0～2 m土层贮水量较露地增加了42 mm，提高了9.5%，且能够提高后茬玉米产量7.1%；赵秋等[14]发现，种植冬季越冬作物能够增加土壤水分，其中种植黑麦草的土壤水分增加了6.63%，种植二月兰的土壤水分增加了1.20%；杨曾平等[15]研究表明，长期种植油菜、紫云英和黑麦草与水稻轮作，与休闲处理相比，0～15 cm 土层土壤含水量显著增加了4.7%、13.0%和10.3%。冬季地膜覆盖是旱作区一种常用土壤保水方法，被广泛应用于小麦和玉米生产[16-17]，但残膜污染也导致耕地质量下降、作物减产[18-19]，成为农业可持续发展的主要限制因素，所以研究探索绿色保水方法成为旱作区农业发展的主要课题之一。本文通过旱作区不同越冬作物覆盖对冬春季地表覆盖度、土壤水分变化及后茬大豆产量的影响研究，旨在探索和分析越冬作物覆盖方式在旱作区土壤水分保持和农业生产上应用的可行性，以期为西北旱作区冬季土壤环境保护及农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2020年(第一生长季)、2020—2021(第二生长季)在甘肃省镇原县临泾镇新堡村(107°32′ E， 35°66′ N)实施。试验地海拔1 254.0 m，年平均温度9.7℃，年平均日照时数2 474.0 h，≥10℃年积温3 191.1℃，最大冻土深86 cm，多年平均风速1.6 m·s-1，最大风速15.0 m·s-1，无霜期160 d。多年平均年降水量478 mm，降水主要分布在7—9月，属完全依靠自然降水的西北半湿润偏旱区。试验期间降雨量见图1。土壤为黑垆土，0～20 cm土壤容重平均为1.17 g·cm-3，有机质含量13.63 g·kg-1，全氮0.88 g·kg-1，全磷0.81 g·kg-1，硝铵态氮93.1 mg·kg-1，速效磷13.08 mg·kg-1，速效钾101.84 mg·kg-1，肥力中等。试验区为一年一熟或两年三熟耕作制度，冬季种植作物为冬小麦和冬油菜。

2019—2020、2020—2021年生长季降雨量分别为727.2 mm和638.0 mm(图1)。两年越冬作物生长期内降雨量分别为253.2 mm和217.0 mm，其中9—12月的降雨量较多，分别为193.0 mm和115.0 mm，占生长季总降雨量的76.2%和53.0%，1—3月降雨量较少，分别为41.4 mm和18.0 mm，占生长季总降雨量的16.4%和8.3%，总体表现为春旱，符合该地区早春降雨较少的基本特征。两年大豆生育期内降雨量分别为474.0 mm和379.0 mm，其中2021年9月降雨量为195 mm，生育期表现为相对干旱。

图1 生长季逐月降雨量Fig.1 Monthly precipitation in growing season

1.2 试验材料及试验设计

越冬作物品种及来源见表1；地膜为甘肃济洋塑料有限公司生产的0.01 mm聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜。试验采用随机区组设计，设置5个处理，分别为：种植冬油菜 (T1) ：撒播种植方式，播种量为11.25 kg·hm-2，播种深度1～2 cm；种植冬小麦 (T2) ：条播种植方式，行距15 cm，播种量为330.0 kg·hm-2，播种深度2～3 cm；种植冬豌豆 (T3) ：穴播种植方式，行距50 cm，穴距10 cm，每穴3粒，播种量为120.0 kg·hm-2，播种深度3～4 cm；平面半膜覆盖 (CK1) ：用120 cm宽的地膜覆盖，每隔2.5 m压土腰带，净膜面100 cm，膜间距50 cm，覆膜时间与冬季作物播种时间同步；露地 (CK2) ：地面裸露，不做任何处理。每个处理3次重复，小区面积40 m2(8 m×5 m) 。覆膜及播种时间分别为2019年9月2日、2020年9月1日，小区间间隔1.0 m。覆膜及播种前结合整地施硫酸钾型复合肥 (总养分45%，N∶P∶K为15∶15∶15) 375 kg·hm-2作为基肥，后期不做追肥处理。

在刈割期人工将越冬作物连根收割并随机均匀摆放于地表，并分别在2020年5月3日和2021年5月7日免耕种植大豆。大豆品种见表1，种植方式为穴播，行距40 cm，株距12 cm，播种深度3～4 cm，大豆生育期内不做追肥处理，生产管理同大田。

表1 试验材料品种及来源

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生物量测定 分别于越冬期(2019年12月29日、2020年12月13日)、刈割期(2020年4月21日、2021年4月24日)采收1 m2地上部分，烘干后测定生物量(105℃杀青2 h，80℃烘干48 h)。生物总量为越冬期生物量与刈割期生物量之和。

1.3.2 地表覆盖度测定 分别于越冬期(2019年12月29日、2020年12月13日)、返青期(2020年3月29日、2021年4月3日)，利用普通数码相机在1.5 m高度处对地面1 m×1 m样方框内覆盖情况拍摄清晰照片记录[20]，每个小区保存3张照片。在Photoshop软件中对保存照片进行几何纠正，按样方框边界裁剪为2835像素分辨率的标准正方形，以备后用。

将裁剪后的照片导入Image J(图像处理软件)V1.8.0 中，测量图片内覆盖物像素数和总像素数：

F=Ni/N

式中，F表示植被覆盖度，Ni表示植被像素数，N表示整幅图像像素数。

平均覆盖度=(越冬期覆盖度+返青期覆盖度)/2

1.3.3 土壤水分测定 分别在覆膜及播种期、刈割期、大豆播种前、大豆成熟期用烘干法测定1 m土层(每20 cm为一个分层)的土壤质量含水量，转换为以mm为单位的土壤贮水量。利用土壤水分平衡方程计算每小区作物耗水量(ET)。

SW=ћ×ρ×ω×0.1

式中，SW为土壤贮水量(mm)，ћ为土层深度(cm)，ρ为土壤容重(g·cm-3)，ω为土壤含水量(%)。

ET1=P1+ΔSW1

式中，ET1为越冬作物及处理耗水量；P1为越冬作物播种期到刈割期内有效降雨量(mm)；ΔSW1为越冬作物播种期与刈割期土壤贮水量之差(mm)，平均耗水量为年度间耗水量的平均值。

ET2=P2+ΔSW2

式中，ET2为大豆生育期耗水量，P2为大豆生育期内有效降雨量(mm);ΔSW2为大豆播种前土壤贮水量(mm)与大豆成熟期土壤贮水量之差(mm)。

WUE=Y/ET2

式中，WUE为大豆水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y为大豆籽粒产量(kg·hm-2)。

1.3.4 大豆产量指标测定 在大豆成熟期，每个小区随机取10株测定单株荚数、单株粒数、单株粒重、百粒重，随机收获1 m2测定小区籽粒产量。百粒重和小区籽粒产量按13%水分折算。

1.4 统计分析

用Excel软件进行数据处理、绘制图表。采用SPSS 17.0进行数据分析，并用LSD法在P<0.05水平进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同越冬作物的生物量

不同作物在越冬期和刈割期生物量均表现出显著差异(图2)，且年季间表现一致。越冬期以T1最高(图2A)，两个生长季平均达到了4 246.2 kg·hm-2，其次是T2，为3 028.2 kg·hm-2，T3最低，为1 251.5 kg·hm-2；刈割期T2的平均生物量最高(图2B)，为6 633.3 kg·hm-2，其次为T1，为4 016.7 kg·hm-2，T3的最低，为2 883.3 kg·hm-2。从整个生长季看，T2的平均生物量最高，分别较T1和T3增加了15.6%和130.5%；从生长阶段看，越冬期T1的生物量最高，分别比T2和T3增加40.2%和239.3%，刈割期T2的生物量最高，分别较T1和T3增加39.4%和130.1%。T1、T2、T3在两个生长季间总生物量表现出显著性差异，且2019—2020年生长季生物量均高于2020—2021年生长季，其中T2最高，两个生长季平均生物总量为9 701.4 kg·hm-2，其次是T1，为8 394.9 kg·hm-2，T3最低，为4 208.3 kg·hm-2。

注：不同小写字母表示同一生长时期不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。Note：Different lowercase letters indicate significant differences different treatments in the same growing period (P<0.05), the same below.

2.2 不同处理的地表覆盖度

2019—2020生长季(图3A)和2020—2021生长季(图3B)各处理在越冬期和返青期地表覆盖度具有显著性差异，不同越冬作物在封冻初期、越冬期和刈割期的地表覆盖情况如图4。越冬期平均地表覆盖度大小顺序依次为T1>T2>T3>CK1>CK2，覆盖度分别为90.8%、82.9%、51.5%、47.6%和0.5%；返青期平均地表覆盖度大小顺序依次为T2>T1>T3>CK1>CK2,平均覆盖度分别为85.2%、84.2%、59.9%、50.6和0.6%。T1、T2、T3、CK1、CK2平均覆盖度分别为87.5%、84.0%、55.7%、50.8%、0.5%，在两个生长季T1和T2的平均覆盖度均显著高于其他处理。

图3 不同生长季各处理在越冬期和返青期地表覆盖度Fig.3 Coverage of different treatments in overwintering and reviving period in different growing season

注：A1、B1、C1分别为封冻初期T1、T2、T3的地表覆盖情况；A2、B2、C2分别为越冬期T1、T2、T3的地表覆盖情况；A3、B3、C3分别为刈割期T1、T2、T3的地表覆盖情况。Note：A1, B1 and C1 were the surface coverage of T1, T2 and T3 at the early freezing stage, A2, B2 and C2 were the surface coverage of T1, T2 and T3 at the overwintering stage, A3, B 3 and C3 were the surface coverage of T1, T2 and T3 at the cutting stage, respectively.

2.3 不同处理的耗水量

越冬作物种植对0～100 cm土层耗水量具有显著影响(表2)。2019—2020年生长季T1、T2、T3耗水量分别较CK1和CK2增加23.5 mm和23.0 mm、69.4 mm和68.9 mm、18.5 mm和18.0 mm，2020—2021生长季耗水量分别较CK1增加11.8 mm、36.8 mm和11.0 mm，但T1和T3分别较CK2减少耗水量6.7 mm和7.5 mm。T2耗水量最大，两个生长季平均为323.6 mm，均与其他处理差异显著；CK1在两个生长季耗水量均为最低，分别为277.2 mm和263.7 mm，除2019—2020年生长季与CK2无显著性差异外，均与其他处理形成显著性差异。T1和T3耗水量无显著性差异，但与CK2相比较，年季间表现不一致，其中2019—2020年生长季T1和T3耗水量显著高于CK2 23.0 mm和18.0 mm，2020—2021年生长季T1和T3耗水量显著低于CK2。

表2 不同处理0～100 cm土层耗水量

2.4 土层贮水量变化

不同土层贮水量变化幅度存在显著性差异(表3)。T1、T2和T3的变化量平均较CK1和CK2分别增加65.4%和41.8%、155.8%和119.2%、36.2%和16.8%。两个生长季，T2在0～100 cm土层的土壤贮水量变化最大。通过对各处理2 a不同土层平均贮水量的变化分析发现，在0～20 cm土层，平均土壤贮水量变化依次是T2>T1>T3>CK2>CK1，T1、T2和T3显著高于CK1，平均分别高7.0、14.7、4.0 mm，CK1和CK2间没有形成显著性差异；20～40 cm土层，平均土壤贮水量变化依次是T2>T1>T3>CK2>CK1, 2019—2020年生长季各处理间具有显著性差异，但在2020—2021年生长季，T2与CK2间没有显著性差异，T2和CK2显著高于T1、T3和CK1；40～60 cm土层，2019—2020年生长季T2显著高于其他处理，T1和T3显著高于CK1和CK2，T1和T3变化差异不显著，2020—2021年生长季T2贮水量变化均高于其他处理，T1、T3、CK1和CK2间无显著性差异；60～80 cm土层，平均土壤贮水变化依次是T2>T3>CK2>T1>CK1，T1、T2和T3处理显著高于CK1 2.6、9.4、4.1 mm，2019—2020生长季CK1与CK2无显著性差异，2020—2021年生长季CK2显著高于CK1；80～100 cm土层，平均土壤贮水量变化依次是T2>T1>T3>CK2>CK1，T1、T2和T3显著高于CK1 2.9、10.0、2.8 mm，2019—2020年生长季T1、T2和T3显著高于CK2，2020—2021年生长季与CK2间无显著性差异。

表3 不同处理0～100 cm土层土壤贮水量变化

2.5 越冬作物土壤耗水量与地表覆盖度及地上生物量关联度分析

通过对不同处理的生物量、覆盖度和耗水量进行相关分析和通径分析(表4)，T1和T2耗水量与生物量显著正相关，相关系数分别为0.923和0.966，耗水量与地表覆盖度相关不显著，但T1的地表覆盖度与耗水量间具有负相关趋势。由耗水量与上述指标的直接通径系数可以看出，T1和T2生物量对总耗水量的影响大于覆盖度，而T3的覆盖度影响大于生物量。由耗水量与上述指标的间接通径系数可以看出，T1的生物量和覆盖度均能相互影响，间接减小水分消耗；T2的生物量和覆盖度均能相互影响，间接增加水分消耗；T3生物量增加，影响覆盖度增大，间接增加水分消耗，但地表覆盖度的增加能够间接减小水分消耗。

表4 越冬作物耗水量与生物量和覆盖度的相关系数和通径分析

2.6 大豆产量及水分利用效率

不同处理对后茬大豆产量及水分利用效率具有显著影响(表5)，且年季间存在差异。2020年，CK1的单株荚数、单株粒数、单株粒重均显著高于其他处理，分别为35.8个荚、101.6粒、25.7g，T2的单株荚数、单株粒数、单株粒重、百粒重均显著高于T1、T3 和CK2, T1和CK2的单株荚数、单株粒数无显著性差异，CK1的籽粒产量最高，为4 232.4 kg·hm-2，T2的籽粒产量显著高于CK2，增产15.6%。2021年，T2的单株荚数、单株粒数、单株粒重均显著高于CK2，但其单株荚数和单株粒重与CK1无显著性差异，各处理百粒重差异性不显著，T2、T3和CK1的籽粒产量均显著高于CK2，3个处理之间无显著性差异，T1的籽粒产量最低，为1 781.0 kg·hm-1。大豆的水分利用效率在年季间表现不一致，2020年T2和CK1的水分利用效率最高，分别为9.1 kg·hm-2·mm-1和9.4 kg·hm-2·mm-1，显著高于其他处理，T1和CK2之间无显著性差异，但均显著高于T3；2021年T2、T3和CK1之间无显著性差异，但均显著高于T1和CK2，T1的水分利用效率最低，为5.6 kg·hm-2·mm-1。

表5 大豆产量相关指标及其水分利用效率

3 讨 论

3.1 越冬作物与土壤水分

冬闲期作物覆盖可以借助作物发达的根系抑制土壤内部水分向外蒸发，其地表覆盖物也减少了地表与空气对流的水分流失，能够降低土壤耗水量，提高土壤含水量[21]。但在本研究中，T1、T2和T3在两个生长季与CK1相比较均不同程度地增加了0～100 cm各土层耗水量，且贮水变化主要发生在0～40cm土层，说明冬季作物覆盖与地膜覆盖相比较，其保水效果不及地膜覆盖；与CK2相比较受年份降雨量不同而有差异，2019—2020年生长季苗期到返青期降雨量相对充沛，T1、T2和T3耗水量均高于CK2，且各土层均有不同程度增加，2020—2021生长季表现为受旱，CK2耗水量明显增加，其中20～40 cm土层贮水变化最为明显，总耗水量较T1和T3分别高6.7 mm和7.5 mm，说明T2与CK2相比较均增加了土壤耗水量，但T1和T3在冬旱年份能够减少土层水分消耗，增加土壤贮水量，具有一定的保水能力，此结果与李尚中[13]关于夏休闲深翻绿盖的研究结果相同。T2在试验年份的耗水量均为最高，说明其生长对土壤水分消耗量较高，没有起到保水作用，且贮水变化主要发生在40～80 cm土层，可能原因有两个：一是可能与作物苗期根系生长特性及分布有关[22]，不同作物根系生长速度及其在土壤中的分布存在差异，导致土层贮水量变化差异较大，二是可能与冬季土壤冻结和解冻过程有关[23]，试验区冬季冻土层厚度约在50～80 cm，土壤受冻结引发能量交换，由于放热和吸热变化，引发土壤水发生移动，致使土壤含水量变化较为显著。

冬季作物覆盖与传统地膜覆盖及露地相比较，水分消耗除了蒸发因素外，还增加了植物蒸腾因子，所以其耗水量与作物的生物量有密切关系，同时又增加了地表覆盖度，能够明显抑制土壤水分蒸发[24]。冬季作物覆盖的保水效应主要是通过3个方面实现的：一是作物发达的根系抑制土壤内部水分向外蒸发，二是其有效增加农田地表覆盖度，降低水分蒸发消耗，三是覆盖作物通过减少地表径流量，提高土壤对降雨的吸纳能力，进而达到保水的效果。王学芳等[25]研究发现，冬油菜种植能够有效增加农田地表覆盖度、降低贴地层风速，减小风蚀模数，使土壤含水量达11.8%，并高于冬小麦的保水效果，刘晓冰等[26]发现覆盖作物可明显减少径流量，幅度达3.4%～71.7%，其效果取决于试验地点、覆盖度和种植体系等因素，吴珊珊、申胜龙等[27-28]研究发现覆盖量和覆盖度是对农田环境影响的重要因素。本研究通过越冬作物的总耗水量与生物量和地表覆盖度的通径分析发现，T1和T2的生物量与耗水量之间存在显著正相关关系，但T1生物量增大能够通过地表覆盖度间接减小耗水量，这可能与地上种植体系及越冬作物自身生长特点有关，T1和T2在返青后生长特性不同，T2进入拔节期后，垂直生长较快，虽然生物量增加，但叶片细长、叶面积相对较小，且下部叶片坏死变干，其覆盖实际为空间覆盖，有效覆盖度低，其覆盖带来的保水效应较小，导致水分消耗增加，而T1苗期生长缓慢，叶片相对较大，且多为贴地有效覆盖，能够减小水分消耗，所以适合的越冬作物才具有较好的土壤保水效应；T1、T2和T3覆盖度与土壤耗水量相关性不显著，但T1具有负相关的趋势，说明T1可以通过地表覆盖度调控方法来提高保水能力，达到保水效果，但在生物量和地表覆盖度结合方面还需要进一步研究。

3.2 越冬作物与后茬大豆产量

干旱对大豆产量构成较大影响[29]。在本研究中，除T3外，2020年大豆籽粒产量均高于2021年，这可能与大豆生育期内降雨量不同有关，2020年，大豆初花期到鼓粒期降雨量为432.0 mm，能够满足大豆开花、结荚等对水分的需求，但2021年，降雨量仅为226.0 mm，限制了大豆的花荚形成，导致单株荚数、单株粒数、单株粒重均偏低，进而影响大豆产量，说明降雨量是影响后茬大豆的主要因素。两个生长季，T2籽粒产量均显著高于CK2，且2021年与CK1无显著性差异，说明T2茬口对大豆生产具有较好的稳产性，是大豆种植的优势茬口，这个结果与马子竣等[30]关于大豆茬口研究的结果一致。

越冬作物的耗水量越高，导致大豆播前土壤水分消耗越大，大豆籽粒产量就越低(除T2外)，说明越冬季覆盖植物的耗水量差异也是影响后茬作物产量的关键因素，这个结论与李富翠[31]关于后茬冬小麦的研究有差异，这可能与不同后茬作物有关，还需要进一步研究证实。T3籽粒产量在生长季间变化幅度较大，2020年产量水平为2 150.9 kg·hm-2，低于CK2，但2021年为2 550.4 kg·hm-2，且显著高于T1和CK2，发生以上现象可能有两个原因，一是在干旱年份，T3的保水效应促进了大豆产量形成，二是T3与大豆均属于豆科作物，在雨水较为充沛的生长季具有连作效应，而干旱能够影响土壤生理菌群的数量和特征[32]，减轻连作障碍，具体原因还需要进一步研究证实。

3.3 越冬作物与后茬大豆水分利用效率

由于越冬作物土壤耗水量不同，导致后茬大豆播前土壤水分出现差异，直接影响大豆水分利用效率。本研究中选用的3种覆盖作物，T2的土壤耗水量显著高于T1和T3，后茬大豆的水分利用效率同样以T2最高，说明前茬覆盖作物的耗水量越高，播前土壤贮水量越低，后茬大豆的水分利用效率就越高，大豆的水分利用效率与前茬作物耗水量正相关，与播前土壤贮水量负相关，这个结论与侯贤清等[33]关于夏闲期传统耕作模式贮水量最高，其对应的水分利用效率最低，及晋小军等[34]关于免耕秸秆覆盖较传统耕作秸秆覆盖土壤贮水量少，但水分利用效率较高等结果相一致。但是CK1和T2的水分利用效率在两个年季间无显著性差异，其主要原因可能与地膜对土壤的温度效应有关。

4 结 论

1)越冬作物能够有效增加冬季地表覆盖度，越冬期以冬油菜覆盖效果最好，覆盖度为90.8%；早春时节以冬小麦覆盖效果最好，覆盖率为85.2%。

2)越冬作物对土壤水分的影响主要在0～40 cm土层，且0～100 cm土层耗水量受降雨量影响较大。在冬/春季雨水相对充沛年份，冬季作物种植与地膜覆盖和露地相比较，均不同程度地增加了土壤耗水量，其中冬小麦对土壤水分的消耗最高；在冬/春季干旱年份，冬油菜和冬豌豆能够限制土壤水分消耗，具有较好的保水效果。

3)冬油菜和冬小麦的生物量与总耗水量之间呈显著正相关，覆盖度与总耗水量相关性不显著，冬油菜地表覆盖度增加具有降低土壤耗水量的趋势。

4)冬小麦是大豆种植的优势茬口，能够确保大豆生产的稳产性；冬豌豆在相对干旱年份对后茬大豆具有较好的增产效应。