不同有机物料还田对麦后复种绿肥模式下植株生长及水分利用的影响

康雨欣　宋明丹　韩梅　李正鹏

摘要：为解决青海高原地区水分资源利用率低、麦后休闲期长导致的农田资源浪费等问题，对小麦季、绿肥季农田土壤的水分利用效率及小麦产量、绿肥生物量进行研究，旨在为该地区水分高效利用提供理论依据和技术支撑。试验设置3种不同物料还田处理：W处理，秸秆还田；G处理，绿肥还田；W＋G处理，秸秆和绿肥配施还田；以常规施氮（CK1）为对照，研究不同处理对小麦季、绿肥季土壤水分利用效率、小麦产量、绿肥生物量的影响。结果表明：小麦季秸秆还田处理对10～20 cm土壤含水量的促进效果最佳，较CK1提高5%，各处理100 cm土层储水量为130～160 mm，其中CK1、秸秆还田处理在0～80 cm土层的储水量显著高于G、W＋G处理；在80～100 cm土层中，CK1的储水量显著高于G、W+G处理；绿肥还田处理的农田耗水量较CK1显著提高16.1%，秸秆还田处理的水分利用效率最高。不同物料还田处理较CK1均提高了小麦产量，其中秸秆还田处理的小麦产量最高，较CK1增产7.9%。麦后复种绿肥季各处理的土壤含水率均随土层深度的增加而增加，种植绿肥后土壤含水率均低于无绿肥种植处理。在0～100 cm 土层储水量中，秸秆还田处理的保水效果最佳，达到236.56 mm，较CK1提高11.1%。相较于无覆盖处理，秸秆覆盖种植处理的绿肥地上生物量、水分利用率分别降低1.9%、8.1%，绿肥地下生物量、根冠比增加15.1%、22.9%。综合来看，不同物料还田均提高了土壤水分利用效率和小麦产量，秸秆覆盖配施化肥的优化效果最佳，麦后复种绿肥降低了土壤含水率及储水量，同时覆盖秸秆增加了绿肥的地下生物量和根冠比。

关键词：秸秆还田；复种；绿肥；水分利用；产量

中图分类号：S512.104；S344.3文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）09-0248-06

我国北方干旱、半干旱地区是重要的粮食生产区，光热资源丰富［1］，但也存在土壤干旱、降水量小、蒸发量大、水分匮乏等限制条件［2-3］。水分是植物生命活动的重要条件之一［4］，农田土壤需通过灌溉、降水等补给水分，再由作物吸收利用，保障作物生长和发育［5-6］。如何保留有效降水、减少农田蒸发量并提高土壤水分利用率，是旱作区农田的主要研究内容［7］。覆盖物料能够有效降低土壤水分的蒸发，提高土壤保墒能力，是一种有效的节水措施［8］。秸秆中含有丰富的有机物，是可以直接利用的农业废弃物［9-10］。秸秆覆盖可以改善土壤质量，提高农田土壤肥力，增加作物产量［11-12］。秸秆还田后可以增加土壤孔隙度［13］，促进农田水分保持，降低农田耗水量［14-15］。李荣等研究表明，通过秸秆还田配施氮肥，能够有效增加土壤的总孔隙度和毛管孔隙度，有利于提高作物的水分利用效率［16］。绿肥是一种生育期较短的覆盖作物，可以培肥土壤、改善土壤结构、促进作物养分供给［17］。青海高原地区属高寒干旱地区，气候冷凉，作物生长多为一季［18］。春小麦是该区的主要粮食作物，在其收获后，农田裸露，入冬前的农田资源被浪费［19］。秋闲种植绿肥模式将绿肥以科学方式还田，水分被高效利用，为干旱少雨地区提供一种节水型种植方式［17］。绿肥还田提高了主作物的水分利用效率，为作物生长创造良好的土壤环境，从而增加作物产量［20-22］。但在降水不足的地区，种植绿肥消耗土壤水分，土层中的贮水量降低，导致后茬作物产量下降，水分利用效率降低［23-24］。

当前农业生产中，小麦对水分需求量大，利用效率低，为了追求高产量而过量施肥还会导致土壤酸化和盐碱化［25-26］。秋闲农田种植绿肥对土壤水分的消耗大大增加，进而对后季小麦产量有一定影响［27］。覆盖秸秆等措施使农田耕层水分蒸发速率减缓，降低土壤水分损耗，起到一定的蓄水作用［28-29］。前人研究主要集中于秸秆、绿肥等单一因素对作物产量和水分利用效率的影响。李富翠等将秸秆覆盖和种植绿肥相结合，研究对下一季小麦产量和水分利用的影响，结论是秸秆覆盖增加了小麦生育期耗水量［30］。本研究在青海高原气候条件下，分析秸秆、绿肥还田后对小麦季农田土壤储水消耗、水分利用率及小麦产量的影响；同时针对麦后休闲期长、农田资源浪费、水土流失等问题，分析覆盖秸秆种植绿肥对绿肥生长情况、土壤含水率、水分利用效率的影响，旨在为该地区水分高效利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在青海大学农林科学院试验地进行，该地位于青海省西宁市城北区廿里铺镇莫家庄（36°56′N，101°74′E），海拔高度为2 314 m，属于高原大陆性半干旱气候，西宁市（2015—2020年）年平均风速 1.58 m/s，年均气温6.12 ℃，年均降水量494.2 mm，年日照时数2 470.44 h［26］。小麦生育期降水量和温度变化如图1所示。土壤类型为栗钙土，0～20 cm 土层的基础理化性质：pH值为8.28，含有机质 21.76 g/kg、全氮1.27 g/kg、速效磷28.15 mg/kg、速效钾203.59 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设还田物料为秸秆、绿肥（毛叶苕子），其中秸秆设置2个水平：无秸秆还田、还秸秆；绿肥设置2个水平：无绿肥还田、还绿肥。2个因素完全组合共4个处理，分别为：无秸秆无绿肥对照（CK1）、还秸秆（W）处理、还绿肥（G）处理、秸秆绿肥联合还田（W+G）处理。采用随机区组设计，共15个小区（长×宽=4 m×4 m，重复3次）。各小区施肥量一致，供试肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O5 12%），其中氮肥以基追比7 ∶3分别施入，磷肥在小麦播前一次性施入作为底肥。

小麦秸秆还田量为5 500 kg/hm2，毛叶苕子还田量为3 750 kg/hm2，各物料于2021年10月23日翻压还田。供试小麦品种为青春40，2022年3月25日播种，种植方式为人工条播，行距20 cm，播种量300 kg/hm2。为保证出苗，2022年4月1日灌水30 mm。其他管理措施同当地农民的栽培习惯一致，2022年7月20日收获。小麦收获后种植毛叶苕子，于2022年7月27日播种，条播，行距为 40 cm，播种量105 kg/hm2，2022年10月15日收获。

1.3 指标测定和计算

生物量及产量：于小麦收获期，小区内确定2个1 m2样方，调查小麦穗数，取部分子样，测定每穗粒数、千粒重，计算理论产量。每个小区单打单收，计算实际产量。绿肥翻压前，小区内确定2个 1 m 行，取出地上、地下部分，清洗干净。所有植株样品在105 ℃杀青30 min后，在75 ℃烘干至恒重。

收获指数=（小麦籽粒产量小麦地上生物量）；根冠比=（地下部干重地上部干重）。

土壤水分：于小麦播种前（2022年3月23日）、收获后（2022年7月20日）、绿肥收获后（2022年10月15日）3个时期，采用内径5 cm的土钻采取 0～100 cm土样（0～40 cm按每10 cm取1层，40～100 cm每20 cm取1层）。采用烘干法，将土样在105 ℃下烘干至恒重，测定土壤含水量。

土壤储水量（SWS）：

式中：SWS为土壤贮水量，mm；h为土层厚度，cm；a为土壤容重，g/cm3；θ为土壤质量含水量，cm3/cm3；10为单位换算系数；i为土壤层次，cm。

农田耗水量（ETa）计算公式如下：

式中：ETa为农田耗水量；Pr为降水量，本研究中小麦季降水量135.15 mm，绿肥季降水量为287.33 mm；I为灌溉量，小麦季灌水30 mm；ΔSWS为1 m土层土壤储水量在播种与收获时的差值；R为地表径流；D为渗漏量；K为地下水补给量。所有计量的单位均为mm。本试验区地下水位埋深约50 m，R、D、K忽略不计。

根据作物实际耗水量计算水分利用效率［6］，公式如下：

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；BIO为植株干物重，kg/hm2。

1.4 数据统计分析

使用Excel 2019进行数据整合，SPSS 24.0进行数据统计和方差分析，LSD进行多重比较，显著性水平均为0.05；使用Origin 2023绘图。

2 结果与分析

2.1 小麦收获期土壤水分分布特征

图2-a为不同物料还田下小麦收获期0～100 cm 土层土壤含水量的垂直分布，各处理的含水率呈先增后降再增的趋势，且在深40 cm处土壤含水率均达到最低，各处理在深20 cm处土壤含水率均达到最大值，其中秸秆还田处理（W）对10～20 cm 土壤含水量的促进效果最佳，较CK1土壤含水率提高5%。

由图2-b可知，各处理100 cm土层储水量在130～160 mm之间，其中CK1在0～80 cm土层储水量最高，各处理土层储水表现为CK1＞W＞W＋G＞G，绿肥还田处理（G）、联合还田处理（W＋G）的储水量显著低于CK1、W处理，G处理分别降低7.0%、6.0%。在80～100 cm土层中，CK1储水量达到最高，G、W＋G处理的储水量显著低于CK1。

2.2 绿肥翻压期土壤水分分布特征

麦后复种绿肥收获季土壤含水量如图3-a所示，各处理土壤的含水量整体呈随土层深度增加而增加的趋势。其中，W处理的含水量整体高于其他处理。CK1在40～60 cm土层中的含水量达到最大值，随后逐渐降低。G、W＋G处理在40～60 cm土层中有下降趋势。

图3-b为麦后复种绿肥收获季种植绿肥与无绿肥种植的土壤含水量垂直分布图，在0～100 cm土层中，无绿肥种植处理的土壤含水率随土层深度的增加而增加，在0～10 cm土层低于种植绿肥处理。在30～40 cm、40～60 cm土层含水率差异较为明显，种植绿肥较无种植绿肥处理分别降低10.9%、19.8%。图3-c为各处理在100 cm土层储水量变化，在0～100 cm土层中储水量整体表现为W＞CK1＞G＞W＋G，W处理的储水量达到236.56 mm，较CK1储水量提高11.1%，W＋G处理的储水量较G处理降低3.6%，不同处理间无显著差异。

2.3小麦产量及其构成要素变化

不同物料还田处理对小麦产量、产量构成要素的影响如表1所示。不同物料还田处理均促进小麦产量的增加，其中W处理产量最高。各处理收获指数较对照均无显著差异。W、G、W＋G处理的产量分别比CK1处理高7.9%、7.6%、0.9%。

通过分析产量构成因素发现，与CK1相比，W、G、W＋G处理均能促进穗粒数的增加，方差分析结果表明，不同处理间均无显著差异。W处理的千粒重显著高于W＋G处理。产量构成中，秸秆和绿肥各自的主效应不显著，其中秸秆和绿肥交互作用对千粒重效应显著。

2.4 绿肥的干物重变化

不同处理对绿肥收获期地上、地下生物量的影响如图4所示。W+G处理的地上干重较G处理降低1.9%，同时覆盖秸秆有明显促进毛叶苕子地下干重、根冠比的增加，分别增加15.1%、22.9%。

2.5 小麦季、绿肥季耗水组成及WUE的变化

对小麦季、绿肥季的耗水量、水分利用效率进行方差分析，结果如表2所示。小麦季储水消耗量各处理表现为G＞W＋G＞W＞CK1，物料还田处理均不同程度地增加了储水消耗量。与CK1相比，G处理的农田耗水量显著提高41.4%。W＋G处理比G处理的储水消耗量降低8.3%。秸秆还田处理较CK1提高了水分利用效率，不同处理间水分利用效率未达到显著差异水平。绿肥还田处理对储水消耗量和农田耗水量的主效应极显著，而秸秆还田处理均不显著。

绿肥季降水量为287.33 mm，覆盖秸秆降低绿肥生物量，且覆盖秸秆种植绿肥处理较无覆盖处理的水分利用率降低8.1%。

3 讨论

土壤水分作为农作物正常生长发育所需的关键要素之一，主要受土壤结构的影响，覆盖物料能够有效降低土壤水分的蒸发［8］，有利于增强土壤水分的保蓄能力［31］，同时秸秆还田可以改善土壤质量， 提高农田土壤肥力，增加作物产量［11-12］。郑云珠等研究发现，秸秆还田处理下小麦生育期0～100 cm 土壤含水量高于对照［10］。全量秸秆还田对土壤水分保持效果最佳，配施化肥可增加作物产量［32］。本研究发现，在小麦收获期不同处理间土壤含水量差异不显著，秸秆还田处理可提高小麦生育期0～20 cm土层的含水率。这一现象可以从还田后秸秆腐解的角度解释，秸秆腐解初期需要大量土壤水分，因此会出现与作物争夺水分的现象；待秸秆后期腐解结束后，一部分营养元素释放改善了土壤的理化性状，从而增加土壤的蓄水能力，增加土壤含水率［33］。本研究还发现，物料还田处理0～80 cm 土壤的储水量均低于对照，且绿肥还田处理储水量显著低于对照处理，这与王玉珑等研究麦后复种绿肥并翻压处理后提高0～110 cm土层土壤储水量的结果［17］存在差异。在较干旱地区，充足的降水量会补充豆科绿肥生长过程中消耗的土壤水分；在降水不足的年份，绿肥生长土壤中消耗的水分没有得到补偿，导致土壤水分亏缺，水分利用率降低，产量受到影响［34］。

作物秸秆是农业生产过程中的废弃物。现有研究表明，作物秸秆可以通过腐解等作用形成腐殖质，补充土壤中的营养元素，在秸秆还田措施的基础上可以进一步减施化肥［35］。本研究也证明，可以利用物料还田后腐解释放的氮素替代化肥中部分氮肥达到平衡养分供应的效果。通过秸秆还田和减施化肥的配施方案也能够增加土壤养分含量，对作物的生长发育有促进作用，进而达到作物增产的目的［36-37］，这与本研究中不同物料还田较对照均提高了小麦产量的结果一致。本研究结果还表明，秸秆还田处理下小麦增产最多。秸秆还田后影响小麦产量的直接原因是穗数变化［38］。本研究中秸秆还田处理能够增加小麦有效穗数，实现小麦增产，这可能是秸秆还田后能够提高土壤水分所致。但是秸秆还田处理对小麦的千粒重、穗粒数的影响较小，可能是由于本试验是秸秆还田后的第1年，秸秆的还田量较低，短期内秸秆还田未能影响小麦单穗结实率及灌浆过程，因此没有表现出明显的增产效果。有研究表明，就提高土壤养分而言，施用绿肥+秸秆的效果优于单施绿肥［39］。而本研究中秸秆与绿肥联合还田后增产效果却低于秸秆还田，这可能是由于种植绿肥会消耗土壤水分，且当年没有追施氮肥，土壤肥力低于平均水平。因此，秸秆和绿肥联合还田在土壤中存在较为复杂的转化过程，这其中的调控机制还需进一步研究。

根冠比能够反映作物对产物及能量的分配能力，是衡量作物生长和对光合作用产物分配情况的重要指标［40］。本研究发现，覆盖秸秆较无覆盖秸秆处理的绿肥生物量下降，原因可能是覆盖秸秆后使得绿肥生长时通风透光不良，且该地区秋季降水量较多，容易出现苗期绿肥腐烂问题。因此地上部分的生长受到抑制，根系壮大，使得根冠比增大［40］。有研究表明，相对于裸地处理，旱作地区不同覆盖方式种植玉米处理促进根系生长，根冠比增高［41］，与本研究的结论相似。综合麦后复种模式水分利用效率和植株生长来看，应优化不同物料还田提高水分利用效率的模式，深度挖掘物料还田后养分释放对作物生长的影响。

4 结论

小麦收获期各处理在100 cm土层含水率变化呈先增后降再增的趋势，各处理在20 cm处土壤含水率均达到最大值，秸秆还田处理对10～20 cm 土壤含水量的促进效果最佳，较CK1土壤含水率提高5%；在0～100 cm土层中，CK1储水量均达到最高。不同处理较CK1均提高了小麦产量，其中秸秆还田配施氮肥处理的效果最佳。秸秆还田处理较CK1提高了水分利用效率，但不同处理间未达到显著差异。

麦后复种绿肥季各土层储水量随土层深度的增加而增加，种植绿肥处理的土壤含水量均低于无绿肥种植处理，其中在30～40、40～60 cm土层中较无绿肥种植处理分别降低10.9%、19.8%，在0～100 cm土层中秸秆还田处理保水效果最佳，达到236.56 mm，较CK1处理提高11.1%。 麦后复种绿肥降低了土壤含水率及储水量，同时覆盖秸秆种植绿肥，增加了绿肥地下生物量和根冠比，从而降低绿肥水分利用效率。

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收稿日期：2023-06-16

基金项目：国家自然科学基金（编号：32160759）；青海省科协中青年科技人才托举工程（编号：2022QHSKXRCTJ24）。

作者简介：康雨欣（2000—），女，陕西榆林人，硕士研究生，研究方向为植物营养。E-mail：kkyuxin@outlook.com。

通信作者：李正鹏，博士，助理研究员，研究方向为农业资源高效利用。E-mail：lipengzheng131@163.com。