張刁亮 楊 昭 胡發(fā)龍 殷 文 柴 強 樊志龍

研究簡報

復種綠肥在不同灌水水平下對小麥籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

張刁亮 楊 昭 胡發(fā)龍 殷 文 柴 強 樊志龍*

省部共建干旱生境作物學國家重點實驗室/ 甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院, 甘肅蘭州 730070

探明麥后復種綠肥在不同灌水水平下對小麥籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量的影響, 對構(gòu)建干旱灌區(qū)基于綠肥的小麥穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)模式具有重要的理論和實踐支撐作用。本研究采用裂區(qū)試驗設(shè)計, 主區(qū)設(shè)2種種植模式: 麥后復種綠肥(W-G)和麥后休閑(W); 副區(qū)設(shè)小麥生育期3個灌水水平: 低灌水(I1: 190 mm)、中灌水(I2: 240 mm)、高灌水(I3: 290 mm), 于2020年和2021年測定分析了小麥籽粒蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、容重等品質(zhì)指標, 產(chǎn)量表現(xiàn)及土壤有機質(zhì)含量變化。結(jié)果表明: 在同一灌水水平下, W-G較W小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增加了5.8%～26.5%、濕面筋含量增加了9.3%～26.4%、容重增加了0.4%～2.1%; 同一種植模式不同灌水水平之間, 小麥籽粒蛋白質(zhì)含量隨灌水水平的降低呈增加趨勢, 而籽粒淀粉含量和濕面筋含量隨灌水水平的降低呈減少趨勢, I2小麥籽粒容重顯著大于I1和I3; 各組合處理之間, 麥后復種綠肥中灌水水平(W-GI2)的小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與麥后復種綠肥低灌水水平(W-GI1)之間差異不顯著, 均高于其他處理, 較麥后休閑高灌水水平(WI3)增加了15.1%～35.0%, W-GI2的小麥籽粒淀粉含量、濕面筋含量均與麥后復種綠肥高灌水水平(W-GI3)差異不顯著。W-G較W籽粒產(chǎn)量增加了7.0%～13.2%;小麥籽粒產(chǎn)量隨灌水水平的降低呈減少趨勢, 但W-GI2小麥籽粒產(chǎn)量與W-GI3差異不顯著, 較WI3平均增加了6.0%。W-G較W使小麥播前土壤有機質(zhì)含量增加了5.6%～31.5%, 但W-GI2土壤有機質(zhì)含量在20～40 cm土層與W-GI3差異不顯著, 較WI3平均增加了7.8%?？傊? 麥后復種綠肥較麥后休閑處理能夠顯著增加麥田土壤有機質(zhì)含量, 使小麥在中灌水條件下獲得較高籽粒產(chǎn)量的同時, 改善籽粒蛋白質(zhì)、淀粉、濕面筋含量等品質(zhì), 可作為干旱灌區(qū)限量灌溉條件下小麥持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)與品質(zhì)優(yōu)化的推薦農(nóng)藝措施。

綠肥; 灌水水平; 籽粒品質(zhì); 產(chǎn)量; 小麥

隨著我國人民生活水平的不斷提高, 人們對糧食的需求逐漸由“吃得飽”向“吃的好”轉(zhuǎn)變[1]?，F(xiàn)代集約化生產(chǎn)模式主要依賴化肥等化工產(chǎn)品的投入, 在很長一段時間內(nèi)對保障糧食安全起到重要作用[2]。然而, 種植模式單一、有機物投入?yún)T乏、化肥等資源過量投入, 造成作物產(chǎn)量和品質(zhì)持續(xù)提升困難[3]。亟需構(gòu)建作物多樣化和綠色有機投入為主的生產(chǎn)模式, 以期在保障糧食安全的前提下滿足人們對優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的需求。

國內(nèi)外研究者就輪作復種綠肥作物、覆蓋作物、豆科經(jīng)濟作物等方面進行了大量研究[4-8], 以期通過優(yōu)化小麥種植模式, 減少化肥投入、改善土壤質(zhì)量而保障小麥持續(xù)高產(chǎn)。其中, 綠肥被廣泛證實是一種優(yōu)質(zhì)有機肥源, 通過增加土壤有機質(zhì)、優(yōu)化土壤生物網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改善土壤理化性狀、提升土壤質(zhì)量, 對主栽作物穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)具有顯著作用[9]。然而, Meta分析結(jié)果表明, 在我國北方種植綠肥對小麥產(chǎn)量造成的影響表現(xiàn)不一, 其主要原因是種植綠肥減少了土壤含水量, 因此在不同水資源條件下對下季小麥產(chǎn)量造成的影響不盡相同[10]。在黃土高原10年的田間試驗表明, 冬小麥輪作豆科綠肥體系0～200 cm土層干燥化程度較麥后休閑處理嚴重39.7%, 輪作綠肥在豐水年較麥后休閑處理可顯著增加冬小麥相對產(chǎn)量和水分利用效率, 而在降雨量少于551 mm或綠肥對0～200 cm土壤水分消耗大于26.2 mm時, 會造成小麥減產(chǎn)的風險[11]。在西北綠洲灌區(qū)的田間試驗表明, 在600 mm的灌溉定額下, 種植綠肥能提高作物產(chǎn)量和肥料效益[12]; 而在傳統(tǒng)灌溉減量50 mm的條件下, 綠肥還田處理能夠補償減量灌水對小麥的葉面積指數(shù)、光合勢和產(chǎn)量性能指標的負效應(yīng), 且補償效應(yīng)逐年累加[13]。復種綠肥對土壤的保水作用大于其對土壤水分的消耗作用, 綠肥能提供有機物質(zhì), 增進了土壤的膠結(jié)能力, 可提高土壤的水穩(wěn)性團粒, 增大孔隙度, 從而使土壤的蓄水保墑能力增強[14]。合理的綠肥種植模式可在有限水資源條件下, 為小麥生長提供良好的土壤環(huán)境, 保障對小麥的養(yǎng)分、水分等生長資源的供應(yīng), 從而有利于籽粒產(chǎn)量的形成[13-14]。然而, 當前針對麥后復種綠肥的相關(guān)研究集中在綠肥還田對土壤理化性狀、肥料利用效率、部分替代化學氮肥以及小麥產(chǎn)量等方面的影響[4,8,15-17], 而在水資源有限的干旱灌區(qū), 應(yīng)用綠肥同步保障甚至改善小麥籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量方面缺乏理論和實踐依據(jù)。

西北綠洲灌區(qū)是傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)小麥產(chǎn)區(qū), 伴隨著集約化生產(chǎn)水平的提高, 小麥過渡依賴于大肥大水的生產(chǎn)方式, 導致土壤質(zhì)量和結(jié)構(gòu)下降, 造成作物產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量同步提升困難。該區(qū)域光照資源豐富, 熱量資源兩季不足、一季有余, 適合發(fā)展小麥復種綠肥模式, 但是在限量灌水條件下, 綠肥對下季小麥籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量的影響尚不清楚, 利用綠肥技術(shù)構(gòu)建小麥豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)模式缺乏理論支撐。因此, 本研究在不同灌水水平下, 探討復種綠肥對下季小麥籽粒品質(zhì)及產(chǎn)量的影響, 為應(yīng)用綠肥技術(shù)持續(xù)保障小麥豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)提供理論支撐與實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在甘肅農(nóng)業(yè)大學綠洲農(nóng)業(yè)綜合試驗站(37°44′49′′N, 102°53′32′′E)進行, 該試驗站位于河西走廊東端的武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn), 屬寒溫帶干旱氣候區(qū), 海拔1506 m, 多年平均降雨量156 mm, 年蒸發(fā)量2400 mm, 日照時數(shù)2945 h, 太陽輻射總量6000 MJ m–2, 全年無霜期約155 d, 光資源充裕, 熱量資源不足, 晝夜溫差大, 適宜優(yōu)質(zhì)春小麥的生產(chǎn)。土壤類型為厚層灌漠土, 0～30 cm土壤全氮0.68 g kg–1, 全磷1.41 g kg–1, 速效磷29.2 g kg–1, 速效鉀152.6 g kg–1, 硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別為12.51 mg kg–1和1.87 mg kg–1, 容重1.53g cm–3。2020年和2021年3月至7月(小麥季)月平均降雨量和月平均氣溫變化如圖1。

圖1 2020年和2021年試區(qū)小麥季月平均降雨量和月平均氣溫

1.2 試驗設(shè)計

本研究田間定位試驗開始于2017年, 在2020年和2021年開展了麥后復種綠肥對小麥籽粒品質(zhì)與產(chǎn)量影響的相關(guān)研究。供試小麥品種為寧春4號, 箭筈豌豆為隴箭1號。試驗采用裂區(qū)試驗設(shè)計, 主區(qū)為2種種植模式, 分別為麥后復種綠肥(W-G)和麥后休閑(W), 副區(qū)為小麥生育期3個灌水水平, 分別為低灌水(I1: 190 mm)、中灌水(I2: 240 mm)、高灌水(I3: 290 mm); 共6個處理(各處理組合代碼見表1), 各處理重復3次, 小區(qū)長寬為8 m×5 m。

綠肥播種日期分別為2019年7月29日、2020年8月1日, 粉碎后淺旋還田時間分別為2019年10月16日、2020年10月14日, 播量為225 kg hm–2, 條播, 行距15 cm。小麥播種日期分別為2020年3月23日、2021年3月21日, 收獲期分別為2020年7月20日、2021年7月18日, 播量為450 kg hm–2, 條播, 行距15 cm。小麥施氮肥180 kg N hm–2、磷肥90 kg P2O5hm–2, 氮磷全作基肥, 綠肥季不施肥。各處理均進行冬儲灌, 灌水量120 mm, 小麥生育期、綠肥播種后的灌溉制度見表2。

1.3 測定指標與計算方法

1.3.1 小麥籽粒品質(zhì) 在小麥蠟熟期, 在每個小區(qū)隨機選取40株小麥, 手工脫粒曬干后使用Foss多功能近紅外分析儀(NIRS DS-2500)測定籽粒蛋白質(zhì)、淀粉、濕面筋、灰分、容重等品質(zhì)指標。

表1 不同處理代碼及具體措施

表2 小麥復種綠肥的灌水定額及灌溉定額

1.3.2 產(chǎn)量 在小麥蠟熟期, 各小區(qū)除去1 m邊行隨機選擇4 m×2 m的樣方脫粒稱重, 按照13%的含水量標準計算小麥籽粒產(chǎn)量。

1.3.3 產(chǎn)量構(gòu)成因素 在小麥成熟期, 各小區(qū)采用五點取樣法隨機選取40株進行考種, 測定穗粒數(shù)、千粒重, 選擇4 m×2 m樣方測定穗數(shù)。

1.3.4 土壤有機質(zhì) 播前在各小區(qū)采用五點取樣法隨機選取5個點, 各取0～20 cm和20～40 cm土樣, 五點同層次土樣混合均勻后自然風干, 磨細過0.149 mm篩取, 用重鉻酸鉀外加熱法[18]測定土壤有機碳, 之后利用公式(土壤有機碳×1.724)計算出土壤有機質(zhì)的含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016匯總、整理、繪圖, 使用SPSS 26.0統(tǒng)計分析軟件進行方差分析、采用鄧肯(Duncan’s)法進行多重比較(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式及灌水水平對小麥籽粒品質(zhì)的影響

通過主效應(yīng)分析可知, 種植模式和灌水水平均對小麥籽粒蛋白含量的影響顯著(表3), 而二者對小麥籽粒蛋白含量交互作用不顯著。麥后復種綠肥較麥后休閑處理能顯著提高小麥籽粒蛋白含量, W-G分別在I1、I2、I3下較W于2020年增加了14.7%、12.3%和26.5%, 于2021年增加了10.6%、10.7%和5.8%。在不同灌水水平下, 小麥籽粒蛋白質(zhì)含量隨灌水水平的減少而增加。就處理組合而言, W-GI2與W-GI1的小麥籽粒蛋白含量可獲得最大值,分別較WI3在2020年增加29.7%和35.0%、在2021年增加15.1%和19.5%。

種植模式對小麥籽?；曳志哂酗@著影響, 而灌水水平對小麥籽?；曳趾繜o顯著影響。不同種植模式下, W-G在I3較W小麥籽?；曳趾坑?020年和2021年分別增加了8.8%和6.0%, W-G在I2、I1較W在兩個試驗年度內(nèi)均無顯著差異。由于種植模式與灌水水平對小麥籽?；曳趾看嬖诮换プ饔? W-GI2 較W-GI3小麥籽?；曳衷?020年無顯著差異、于2021年顯著降低了3.8%。

種植模式、灌水水平以及二者間的互作效應(yīng)均顯著影響小麥籽粒容重。麥后復種綠肥較麥后休閑處理可顯著增加小麥籽粒容重。而在不同灌水水平之間, 小麥籽粒容重表現(xiàn)為I2>I3>I1。就各處理組合而言, W-GI2小麥籽粒容重達最佳, 與W-GI3在2020年差異不顯著, 較W-GI1在2020年和2021年分別增加了1.3%和3.4%, 較WI3在2020年和2021年分別增加了1.4%和2.7%。

表3 不同種植模式及灌水水平對小麥籽粒品質(zhì)的影響

表中W-G表示麥后復種綠肥, W表示麥后休閑, I1、I2、I3分別表示低、中、高灌水水平。同列數(shù)值后的不同小寫字母表示同一年不同處理間差異在0.05概率水平差異顯著。**和*分別代表參試因子對指標的影響在0.01和0.05概率水平差異顯著, NS表示參試因子對指標無顯著影響。

W-G: wheat multiple cropping with green manure; W: wheat with autumn fallow. I1, I2, and I3 represents low, medium, and high irrigation quota, respectively. Different lowercase letters after the values in the same column indicate significant difference at the 0.05 probability level between different treatments in the same year. ** and * indicate that the effect of the factors on the index are significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively. NS indicates that the factors have no significant effect on the index.

2.2 不同種植模式及灌水水平對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

2.2.1 不同種植模式及灌水水平對小麥籽粒產(chǎn)量的影響

主效應(yīng)分析結(jié)果表明, 種植模式、灌水水平及二者間的交互作用對小麥籽粒產(chǎn)量均呈顯著影響(<0.05)。不同種植模式之間, 麥后復種綠肥較麥后休閑處理能夠顯著增加小麥籽粒產(chǎn)量(圖2), 在2020年和2021年, W-G與W小麥籽粒產(chǎn)量相比較, 在I1下增加了9.4%和13.2%、在I2下增加了7.3%和9.5%、在I3下增加了7.0%和9.8%。同一種植模式不同灌水水平之間相比較, 在麥后休閑處理中, 小麥籽粒產(chǎn)量隨灌水量的減少而呈減少趨勢, 其中在2020年和2021年, WI2處理較WI3處理減少了1.3%和3.2%, WI1處理較WI2處理減少了10.6%和9.5%; 而在麥后復種綠肥處理中, W-GI2處理與W-GI3處理之間的小麥籽粒產(chǎn)量在2020年無顯著差異, 均顯著大于W-GI1處理。就不同處理組合而言, W-GI2處理可在灌水量較少的條件下獲得與W-GI3處理相當?shù)男←溩蚜．a(chǎn)量, 并較WI3處理在2020年和2021年增產(chǎn)5.9%和6.0%。該結(jié)果表明, 麥后復種綠肥可在中灌水水平下保障小麥的穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)。

圖2 不同種植模式及灌水水平下小麥籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)

W-G: 麥后復種綠肥; W: 麥后休閑; I1、I2、I3分別表示低、中、高灌水水平。圖柱上不同小寫字母表示同一年不同處理間差異在0.05概率水平差異顯著。

W-G: wheat multiple cropping with green manure; W: wheat with autumn fallow; I1, I2, and I3 represents low, medium, and high irrigation quota, respectively. Different lowercase letters on the bar indicate significant difference at the 0.05 probability level between the different treatments in the same year.

2.2.2 不同種植模式及灌水水平對小麥產(chǎn)量構(gòu)成的影響

種植模式、灌水水平均對小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重產(chǎn)生顯著影響(<0.05), 且二者對小麥穗粒數(shù)的交互作用顯著(<0.05), 而對小麥的穗數(shù)、千粒重的交互作用不顯著(>0.05)。在同一灌水水平下, 麥后復種綠肥較麥后休閑處理能有效提高小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重(圖3)。W-G與W相比較, 在I1、I2和I3下小麥穗數(shù)于2020年分別增加了4.5%、13.4%和11.1%, 2021年分別增加了13.7%、12.5%和15.4%; 小麥穗粒數(shù)在I1、I2和I3下于2020年分別增加了5.6%、4.7%和12.7%, 2021年分別增加了6.3%、6.0%和8.8%; 小麥千粒重在I1、I2和I3下于2020年分別增加了11.5%、9.7%和7.6%, 2021年分別增加了13.6%、11.7%和9.5%。同一種植模式不同灌水水平之間相比較, 隨著灌水水平的降低, 小麥的穗數(shù)呈減少趨勢, 而小麥的穗粒數(shù)表現(xiàn)為增加趨勢, 千粒重表現(xiàn)為I2>I1>I3。各處理組合之間相比較, W-GI2處理在2020年與W-GI1處理小麥穗粒數(shù)之間無顯著差異, 而在2020年和2021年較WI3、WI2處理均有所增加。該結(jié)果表明, 麥后復種綠肥能夠在中灌水水平下較麥后休閑處理增加小麥的穗粒數(shù), 進而使小麥保持與高灌水水平處理相當?shù)漠a(chǎn)量水平。

2.3 不同種植模式及灌水水平下小麥播前土壤有機質(zhì)含量

主效應(yīng)分析結(jié)果表明, 種植模式、灌水水平及二者的交互作用對小麥播前土壤有機質(zhì)含量影響顯著(<0.05)。麥后復種綠肥較麥后休閑處理顯著提高小麥播前土壤有機質(zhì)含(圖4), 在同一灌水水平下與W相比, W-G的0～20 cm土壤有機質(zhì)含量于2020年和2021年分別增加了19.9%～31.5%和7.3%～12.9%; 20～40 cm土壤有機質(zhì)含量于2020年和2021年分別增加了6.7%～10.5%和5.6%～ 11.8%。在同一種植模式不同灌水水平下, W-G的0～20 cm土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為I3>I2=I1, 20～40 cm土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為I3=I2>I1, 而W的0～20 cm、20～40 cm土壤有機質(zhì)含量不同灌水水平下均無顯著差異。就處理組合而言, W-GI3的0～20 cm、20～40 cm土壤有機質(zhì)含量均能獲得較高值, W-GI2的20～40 cm土壤有機質(zhì)含量與其差異不顯著。

圖3 不同種植模式及灌水水平下小麥產(chǎn)量構(gòu)成

圖上處理字母含義同圖2。圖柱上不同小寫字母表示同一年不同處理間差異在0.05概率水平差異顯著。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Fig. 2. Different lowercase letters on the bars indicate significant difference at the 0.05 probability level between the different treatments in the same year.

圖4 不同種植模式及灌水水平下土壤有機質(zhì)含量

圖上處理字母含義同圖2。圖柱上不同小寫字母表示同一年不同處理間差異在0.05概率水平差異顯著。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Fig. 2. Different lowercase letters on the bars indicate significant difference at the 0.05 probability level between the different treatments in the same year.

2.4 小麥籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量性狀與土壤有機質(zhì)的相關(guān)性分析

通過相關(guān)性分析可知(表5), 小麥產(chǎn)量及穗數(shù)與籽粒淀粉含量、濕面筋含量、容重均呈顯著正相關(guān), 穗粒數(shù)及千粒重與蛋白質(zhì)含量呈顯著正相關(guān), 說明在增產(chǎn)的同時可以同步提高小麥籽粒淀粉含量、濕面筋含量及容重。而小麥產(chǎn)量及穗數(shù)與籽粒蛋白質(zhì)含量、灰分之間無顯著相關(guān)性, 因此如何在增加小麥籽粒產(chǎn)量的同時, 增加小麥籽粒蛋白質(zhì)含量并降低其灰分, 是保障試區(qū)春小麥優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的關(guān)鍵。籽粒品質(zhì)各指標之間, 小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與濕面筋含量、灰分之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 而與籽粒淀粉含量、容重相關(guān)性不顯著; 小麥籽粒淀粉含量與濕面筋含量、灰分、容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系。小麥產(chǎn)量、品質(zhì)各指標與土壤有機質(zhì)之間, 小麥產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、濕面筋含量、容重均與土壤有機質(zhì)呈顯著正相關(guān), 說明增加土壤有機質(zhì)有利于小麥產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)的同步提升。

表5 不同種植模式及灌水水平下小麥籽粒品質(zhì)、產(chǎn)量及其構(gòu)成和土壤有機質(zhì)的相關(guān)性

**和*分別表示在0.01和0.05概率水平相關(guān)性顯著。

**and*indicate significant correlation at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

3 討論

3.1 復種綠肥在限量灌水條件下對小麥籽粒品質(zhì)的改善作用

種植綠肥主要通過改善土壤質(zhì)量、增加土壤養(yǎng)分有效性和平衡, 改善主栽作物生長的土壤環(huán)境、促進其產(chǎn)品器官營養(yǎng)物質(zhì)的積累, 從而起到優(yōu)化籽粒營養(yǎng)品質(zhì)的作用[19]。長期定位試驗結(jié)果表明, 種植綠肥能夠顯著提高小麥籽粒的部分礦質(zhì)營養(yǎng)元素, 在保障小麥籽粒產(chǎn)量不降低的前提下提高籽粒營養(yǎng)品質(zhì)[20-21]。蛋白質(zhì)是氮代謝的最終產(chǎn)物,也是評價小麥籽粒營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標, 關(guān)系到小麥面粉的加工特性[22-23]。但在不同灌水量下, 種植綠肥對小麥蛋白質(zhì)含量的影響如何, 尚沒有相關(guān)理論基礎(chǔ)和實踐依據(jù)。前人研究表明, 過量灌水稀釋了土壤中的氮濃度, 減緩了作物根系吸收氮以及植株中氮素積累與轉(zhuǎn)運, 進而降低籽粒蛋白質(zhì)含量[23]; 另一方面, 小麥籽粒中的淀粉含量隨灌水量的增加而增加, 淀粉的稀釋作用使得籽粒蛋白質(zhì)含量相對下降, 而干旱條件有利于小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的增加[24]。本研究結(jié)果表明, 隨著灌水量的減少, 小麥籽粒蛋白質(zhì)含量呈增加趨勢, 而籽粒淀粉含量、濕面筋含量、容重和灰分均呈減少趨勢。由于復種綠肥與灌水水平之間存在交互作用, 復種綠肥可使小麥在中灌水水平下同時保持較高的籽粒蛋白質(zhì)、淀粉和濕面筋含量, 并有利于籽粒容重的增加, 對小麥籽粒各品質(zhì)指標同時起到了正向調(diào)節(jié)作用。復種豆科綠肥可提高小麥的氮素吸收量, 以及開花期和成熟期葉片、莖稈中的氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運量[16]; 長期種植翻壓綠肥能夠增加土壤有機質(zhì)含量, 增強土壤微生物和酶活性, 提高作物生育期內(nèi)土壤速效養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供應(yīng), 促進主栽作物對N、P、K的吸收, 進而改善籽粒品質(zhì)[25-26]。關(guān)于灌漿前碳、氮供應(yīng)對小麥籽粒和蛋白質(zhì)的影響研究表明, 協(xié)調(diào)灌漿過程中的碳氮供應(yīng)比例, 亦能夠有效調(diào)控小麥籽粒淀粉和蛋白質(zhì)合成[27]。因此, 復種綠肥在限量灌水條件下對小麥籽粒品質(zhì)正向調(diào)節(jié)作用的主要原因可能在于, 復種綠肥優(yōu)化了小麥生長的土壤環(huán)境, 豐富了土壤中碳氮等養(yǎng)分含量, 進而協(xié)調(diào)了小麥籽粒形成過程中的碳氮供應(yīng)。

3.2 復種綠肥在限量灌水條件下對小麥的增產(chǎn)效應(yīng)

前人研究指出, 受水資源限制的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū), 種植綠肥主要通過土壤水分對小麥籽粒產(chǎn)量產(chǎn)生影響[10]。在半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū), 種植綠肥在水分匱缺年限使小麥籽粒產(chǎn)量減少, 而在豐水年限使小麥籽粒產(chǎn)量增加[11]。但是在干旱灌區(qū)的研究指出, 同一灌水水平下綠肥還田量30,000 kg hm–2配合施用化學氮肥180 kg hm–2可顯著增加小麥籽粒產(chǎn)量[16], 種植綠肥雖然有降低土壤水分的風險, 但其同時可以改善土壤質(zhì)量, 提高水分利用效率, 并不會導致下季小麥籽粒產(chǎn)量減少[28]。本研究中, 麥后復種綠肥較麥后休閑處理能夠顯著增加小麥籽粒產(chǎn)量, 且復種綠肥中灌水處理的小麥籽粒產(chǎn)量與復種綠肥高灌水處理無顯著差異, 較麥后休閑高灌水處理小麥籽粒產(chǎn)量在2020年和2021年分別增加了5.9%和6.0%。麥后復種綠肥在減量灌水條件下使小麥保持較高的穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重, 實現(xiàn)減量灌水而不減產(chǎn)的目的, 其主要原因可能在于: (1) 豆科綠肥能夠提高土壤肥力, 改善土壤理化及微生物特性, 增加春季硝態(tài)氮含量, 促進了小麥對氮素的吸收[26,29];同時協(xié)同化學氮肥提升土壤碳氮庫容, 提高土壤有機質(zhì), 使得地上部單位面積穗數(shù)增多和千粒重增大, 促進產(chǎn)量增加[30]; (2) 長期綠肥翻壓還田后, 分解產(chǎn)生大量的腐殖質(zhì), 顯著提高土壤中的水穩(wěn)定性團粒數(shù)量, 改善土壤的蓄水保墑能力, 從而改善小麥生長的土壤水分條件[14,31], 使得在限量灌溉情況下能夠滿足小麥生長所需水分, 進而達到穩(wěn)產(chǎn)的效果[13]。

3.3 復種綠肥在限量灌水條件下對小麥籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量的同步保障作用

當產(chǎn)量水平達到一定閾值時, 禾谷類作物產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量等品質(zhì)指標呈負相關(guān)關(guān)系[32-33]。有研究表明, 綠肥種植能夠有效增加小麥籽粒氮含量形成的氮生理效率, 使其籽粒氮含量顯著提高, 因此休閑期種植綠肥具有土壤培肥、改善小麥籽粒營養(yǎng)品質(zhì)的潛力, 但也存在因過量耗水造成小麥減產(chǎn)的風險[34]。本研究復種綠肥在中灌水水平下, 能夠在保障小麥達到與高灌水處理相等產(chǎn)量水平的同時, 提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量、降低灰分, 從而改善小麥籽粒的營養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)。其主要原因在于, 綠肥能夠提升土壤肥力, 改善作物生長的土壤養(yǎng)分和水分條件[9,13]。復種綠肥較麥后休閑處理使小麥播前0～40 cm土壤有機質(zhì)增加了5.6%～31.5%。土壤有機質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標, 其主成分是碳和氮的有機化合物, 也是土壤氮素主要存在形式, 約占土壤全氮的90%[35]。通常作物產(chǎn)量與土壤有機質(zhì)呈顯著正相關(guān), 一定范圍內(nèi)增加1 g kg–1的土壤有機質(zhì)可使作物年產(chǎn)量增加238 kg hm–2 [36]。由于綠肥根系發(fā)達、植株養(yǎng)分豐富, 翻壓還田腐解后, 在提高土壤有機質(zhì)的同時, 還不斷更新有機質(zhì), 增強土壤通透性和保水性[37]。另一方面, 復種翻壓綠肥顯著增加土壤有機質(zhì), 提高土壤氮素等養(yǎng)分供應(yīng)水平, 進而促進小麥對氮素的轉(zhuǎn)運與積累, 使得籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量等品質(zhì)指標進一步得到改善[16,28,38]。

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Effects of multiple cropping green manure on grain quality and yield of wheat with different irrigation levels

ZHANG Diao-Liang, YANG Zhao, HU Fa-Long, YIN Wen, CHAI Qiang, and FAN Zhi-Long*

State Key Laboratory of Arid Land Crop Science / College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China

It is proved that the effect of multiple cropping green manure after wheat harvest on wheat grain quality and yield with different irrigation levels has an important theoretical and practical supporting role in building a stable and high-yield and high-quality production mode of wheat based on green manure in arid irrigation areas. In this study, a split plot design was adopted. Two cropping patterns were set up in the main area: wheat with multiple cropping green manure (W-G) and wheat with autumn fallow (W). Three irrigation levels were set in the sub district during wheat growth period: low irrigation quota (I1: 190 mm), medium irrigation quota (I2: 240 mm), and high irrigation quota (I3: 290 mm). The quality indexes, such as protein content, starch content, unit weight, and other quality, and yield performance of wheat were measured and analyzed in 2020 and 2021. The results showed that with the same irrigation level, compared with W, the grain protein content of W-G wheat increased by 5.8%–26.5%, the wet gluten content increased by 9.3%–26.4%, and the unit weight increased by 0.4%–2.1%. Between different irrigation levels in the same cropping pattern, the protein content of wheat grains increased with the decrease of irrigation level, while the starch content and wet gluten content of wheat grains decreased with the decrease of irrigation level. The grain unit weight of I2 wheat was significantly greater than I1 and I3. Among the treatments of each combination, the protein content of wheat grain at the medium irrigation level of multiple cropping green manure (W-GI2) and the low irrigation level of multiple green manure (W-GI1) had no significant difference, which were higher than other treatments, increased by 15.1%–35.0% compared with the high irrigation level of wheat with autumn fallow (WI3), and the starch content and wet gluten content of wheat grain at W-GI2 had no significant difference compared with the high irrigation level of wheat with multiple cropping green manure (W-GI3), which were 3.2%–3.4% and 7.5%–12.9% higher than WI3, respectively. The unit weight of wheat grains was maximized. Compared with leisure after wheat harvest treatment, wheat grain yield of W-G increased by 7.0%–13.2%. The grain yield of wheat decreased with the decrease of irrigation level, but the grain yield of W-GI2 wheat was not significantly different from that of W-GI3, and increased by 6.0% on average compared with that of WI3. Compared with W, W-G increased the content of soil organic matter before wheat sowing by 5.6%–31.5%, but the content of soil organic matter of W-GI2 was not significantly different from that of W-GI3 in 20–40 cm soil layer, and increased by 7.8% on average compared with that of WI3. In conclusion, multiple cropping green manure after wheat harvest can significantly increase the content of soil organic matter in wheat field compared with leisure after wheat harvest treatment, enable wheat to obtain higher grain yield with medium irrigation conditions, and improve grain protein, starch, wet gluten content, and other qualities, which can be used as a recommended agronomic measure for sustainable and stable yield and high yield and quality optimization of wheat under limited irrigation in arid irrigation areas.

green manure; irrigation level; grain quality; yield; wheat

2022-10-13;

2023-02-21;

2023-03-06.

10.3724/SP.J.1006.2023.21067

通信作者(Corresponding author):樊志龍, E-mail: fanzl@gsau.edu.cn

E-mail: zhangdl0320@163.com

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目(2021YFD1700204-04)和甘肅省科技計劃項目(22JR5RA860)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2021YFD1700204-04) and the Gansu Provincial Science and Technology Program (22JR5RA860).

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20230306.0837.002.html

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