葛麗麗，趙財，程寶鈺，殷民興

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

0 引言

中國人口眾多、農(nóng)田資源稀缺，通過實施周年輪作措施[1]，對保障糧食安全具有重要的意義。在西北內(nèi)陸灌區(qū)，采用一年一熟的種植模式，以春小麥和玉米為主要作物，以此來滿足當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)需求，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。而連續(xù)單一的種植制度也造成了作物種類減少，同時也對作物生長的環(huán)境條件產(chǎn)生了不良作用，如造成了土地質(zhì)量下降、糧食產(chǎn)量潛力減少、品質(zhì)下降等[2]。輪作是與用地養(yǎng)地相結(jié)合的一項農(nóng)業(yè)生物學(xué)方法，各種作物輪作不但產(chǎn)生了可觀的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出價值，而且產(chǎn)生了良好的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益[3]。研究表明，作物輪作能高效地協(xié)同作物之間對營養(yǎng)吸取的限制性，進而提升土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的利用率；此外，通過調(diào)節(jié)植物根部分泌物的變化，能夠降低自毒水平，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，降低土傳病蟲害的發(fā)生，增強土壤酶的活性[4-7]，從而達到增產(chǎn)增收的目的；另外，利用各種作物間的時序與空間選擇，可以提高水分利用效率、提高土壤儲水量以及土壤肥力[8-10]，改善土壤中生物種群結(jié)構(gòu)，有效減緩?fù)寥啦∠x害的發(fā)生[11-13]，進而有效地提升糧食作物的生產(chǎn)能力和品質(zhì)。因此，科學(xué)合理的安排作物輪作順序，以確定適合于當(dāng)?shù)貤l件的最佳輪作方式，對維持土壤養(yǎng)分平衡保持水肥協(xié)調(diào)，保證作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)，提高農(nóng)民經(jīng)濟收益具有重要意義。

為了充分利用冬閑田，經(jīng)過大量的科學(xué)研究證實，通過種植冬季覆蓋作物不但能夠降低耕地土壤裸露的程度，同時也能夠使土壤物理、化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)特征獲得不同程度的變化，有助于后茬作物的增產(chǎn)增收和改善后茬作物的品質(zhì)，對保護生態(tài)環(huán)境也有一定作用。這既提高了耕地生態(tài)的多樣性，使耕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能更加完備，又提高了農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害的對抗能力[14]。綠肥作物是一項重要的生態(tài)肥源，它富含大量的有機質(zhì)，以充足的氮、鉀、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，為作物生長發(fā)育創(chuàng)造了良好的養(yǎng)分條件[15]。研究發(fā)現(xiàn)，種植綠肥既可以提高土壤中的細(xì)菌數(shù)量和酶活性，改變土壤理化特性，進而提高土壤肥力；又能取代部分肥料、節(jié)能降耗等，因此，綠肥和冬季覆蓋作物對提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義[16]。

以往研究表明，雖然通過不同輪作模式提高了土壤肥力，并通過調(diào)控土壤養(yǎng)分供給達到了作物高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)，但對于通過種植綠肥和冬季覆蓋作物優(yōu)化種植模式，促進作物對土壤養(yǎng)分的吸收和利用達到作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的研究卻少之有少。河西綠洲灌區(qū)的光資源十分豐富，但是由于種植模式單一，致使冬季閑置時大量耕地處在暴露階段，從而形成了土壤、光熱等資源的損失，使得當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展受到了嚴(yán)重的影響；而且河西地區(qū)冬春干燥多風(fēng)，極易造成土壤風(fēng)蝕、表土流失和土壤水分損失等因素導(dǎo)致耕地土壤生態(tài)環(huán)境進一步惡化。因此，本研究以河西綠洲灌區(qū)春小麥生產(chǎn)為基礎(chǔ)輪作冬季覆蓋作物和豆科綠肥，探究不同輪作模式和施氮水平對春小麥干物質(zhì)累積、產(chǎn)量及籽粒品質(zhì)的影響，以期為綠洲灌區(qū)建立新的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的小麥種植體系提供理論與生產(chǎn)實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

在甘肅省武威市涼州區(qū)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地“甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)試驗站”開展本次試驗。地處河西走廊東端，屬于北溫帶大陸性氣候，該區(qū)氣候干燥、降雨量低、光熱資源充足、土壤風(fēng)蝕嚴(yán)重等特點。平均海拔高度1506 m，無霜期約156 d，平均氣溫7.2℃，≥0℃和≥10℃的積溫分別為3513.4℃和2985.4℃，日照時數(shù)為2945 h，以灌漠土為主，土壤容重(0～110 cm)1.44 g/cm3，土壤全氮(0～30 cm)含量0.94 g/kg，有機碳含量11.3 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

于2018年布置的田間定位試驗，采取完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計。設(shè)4種種植模式，分別為春小麥-休閑-春小麥-休閑（傳統(tǒng)一年一熟制春小麥種植方式W）、春小麥-箭筈豌豆-春小麥-箭筈豌豆（春小麥復(fù)種綠肥WV）、春小麥-冬小麥-箭筈豌豆(WWV)、春小麥-冬油菜-箭筈豌豆(WRV）；兩年輪作周期內(nèi)設(shè)置3種施氮水平，分別為不施氮(N0)、減量25%270 kg/hm2(N1)和傳統(tǒng)施氮360 kg/hm2(N2)。處理共12個，重復(fù)3次，每個小區(qū)30 m2。

春小麥為‘寧春4號’，冬油菜為‘隴油7號’，冬小麥為‘寧冬2號’，箭筈豌豆為‘蘭箭2號’。春小麥分別施氮肥為180 kg/hm2(N2)、135 kg/hm2(N1)、0 kg/hm2(N0)，冬小麥和冬油菜施肥制度和春小麥一致全作基肥，箭筈豌豆不施肥。

1.3 測定指標(biāo)和方法

1.3.1 干物質(zhì)累積從出苗開始，15 d進行一次取樣，每個小區(qū)隨機取樣20 株，然后放入烘箱中，溫度調(diào)至為105℃進行殺青，30 min 后將溫度降至80℃，待烘干后稱重。

1.3.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素小麥成熟期，采用五點取樣法，在每個小區(qū)隨機選取30 株小麥進行考種，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%籽粒含水量進行折算。

1.3.3 小麥籽粒品質(zhì)采用FOSS 近紅外品質(zhì)分析儀NIRS DS 2500 進行小麥籽粒硬度、降落數(shù)值、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、容重、灰分、沉降值以及濕面筋等指標(biāo)的測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采取Microsoft Office Excel 2019軟件進行數(shù)據(jù)的處理與繪圖；通過SPSS 26.0進行數(shù)據(jù)的方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式和施氮水平對小麥全生育期干物質(zhì)積累量的影響

在不同輪作模式和施氮水平下，干物質(zhì)積累量的變化，伴隨生育期的推進呈“S”型，拔節(jié)期之前，處理間變化不顯著，在拔節(jié)至灌漿期增長快速，灌漿至成熟期增長緩慢（圖1）。兩年試驗中，不同施氮水平下，在拔節(jié)至灌漿期間，小麥干物質(zhì)積累量增長迅速，開花期時，N2處理具有最高的干物質(zhì)積累量，N1較N2處理降低了10.1%和10.6%。說明施氮量的減少對小麥干物質(zhì)累積量產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)。不同種植模式中，與連作模式相比，WRV、WWV和WV提高了小麥整個生育階段內(nèi)干物質(zhì)積累量，平均提高幅度為14.9%和15.7%、10.9%和11.75%、8.6%和8.1%；在小麥拔節(jié)至孕穗期時，WRV、WWV和WV模式較連作模式小麥干物質(zhì)積累量提高幅度為27.8%和29.6%、18.9%和20.6%、14.8%和16.4%；孕穗至開花期干物質(zhì)積累量提高幅度為21.7%和21.5%、17.7%和18.1%、13.9%和14.3%；開花至灌漿期時干物質(zhì)積累量提高幅度為12.8%和13.2%、9.8%和10.1%、7.6%和7.7%，差異顯著。綜合輪作模式和施氮水平，與WN2處理比較，WRV可以補償N1水平造成的干物質(zhì)積累量負(fù)效應(yīng)，在小麥拔節(jié)至孕穗期、孕穗至開花期、開花至灌漿期、灌漿至成熟期，WRVN1較WN2處理分別提高2.9%和3.6%、8.9%和7.9%、3.4%和3.7%、4.2%和4.3%，苗期至拔節(jié)期WRVN1與WN2之間無顯著差異。

圖1 不同輪作模式和施氮水平下小麥干物質(zhì)積累量動態(tài)

2.2 不同輪作模式和施氮水平對小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

不同輪作模式和施氮水平對小麥籽粒產(chǎn)量均有顯著影響，二者的交互效應(yīng)對小麥籽粒產(chǎn)量影響不顯著（表1）。兩年試驗中，與N2處理相比，N1產(chǎn)量分別降低15.1%和12.5%，可見，減量施氮對產(chǎn)量存在負(fù)效應(yīng)。不同輪作模式中，與連作模式相比，WRV、WWV 和WV 籽粒產(chǎn)量分別提高29.82%和23.8%、19.55%和16.1%、13.51%和11.5%，差異顯著。綜合輪作模式和施氮水平，與WN2處理比較，WRV可以補償N1施氮水平造成的產(chǎn)量負(fù)效應(yīng)，其中WRVN1較WN2處理產(chǎn)量提高16.7%和19.4%，WWVN1和WVN1與WN2處理無顯著差異。

表1 不同輪作模式和施氮水平下小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

輪作模式和施氮水平顯著影響小麥的單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，二者交互作用對小麥穗粒數(shù)、千粒重和單位面積穗數(shù)有顯著影響（表1）。兩年試驗中，不同施氮處理下，與N2處理相比，N1處理的單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重有所降低，分別降低3.1%和3.3%、8.7%和8.6%和7.1%和5.8%，說明，減量施氮對產(chǎn)量構(gòu)成因素存在負(fù)效應(yīng)。不同輪作模式中，與連作模式相比，WRV、WWV和WV單位面積穗數(shù)分別提高4.8%和5.7%、4.3%和4.9%、3.2%和3.6%，穗粒數(shù)分別提高8.7%和12.0%、6.9%和10.0%、6.1%和8.3%，千粒重分別提高6.8%和7.6%、4.8%和5.5%、4.0%和4.4%。綜合輪作模式和施氮水平，與WN2處理相比，WRVN1處理提高了單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，提高幅度分別3.0%和3.4%、1.0%和3.2%、1.0%和2.6% ，WWVN1和WVN1與WN2處理無顯著差異，可見，復(fù)種綠肥替代部分化肥可為小麥穩(wěn)產(chǎn)甚至高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

2.3 不同輪作模式和施氮水平對小麥籽粒品質(zhì)的影響

主效應(yīng)分析表明，施氮水平對所測得的小麥籽粒品質(zhì)具有顯著影響，輪作模式只對小麥籽粒蛋白、濕面筋含量和沉降值具有顯著影響，二者交互作用對籽粒蛋白、濕面筋含量和沉降值有顯著影響。由表2，兩年試驗中，不同施氮水平下，與N2處理相比，N1處理蛋白、濕面筋含量和沉降值分別降低了4.4%和6.4%、4.8%和5.5%、8.4%和9.1%，說明，減量施氮對籽粒品質(zhì)存在負(fù)效應(yīng)。不同輪作模式中，與連作模式相比，WRV、WWV 和WV 蛋白含量分別提高13.5%和13.1%、5.7%和5.8%、4.4和2.3%，濕面筋含量分別提高7.3%和8.3%、4.4%和6.7%、3.2%和4.1%，沉降值分別提高12.1%和11.1%、7.7%和7.4%、6.2%和8.1%。輪作模式對小麥灰分、淀粉、降落數(shù)值、容重和硬度均無顯著影響，而在不同施氮處理中，表現(xiàn)為N2＞N1＞N0。綜合輪作模式和施氮水平，不同輪作模式可以補償N1施氮水平造成的籽粒品質(zhì)負(fù)效應(yīng)，在N1水平下，WRV模式中蛋白、濕面筋含量和沉降值達到最大，且WRVN1、WWVN1和WVN1處理的蛋白、濕面筋含量和沉降值與WN2處理無顯著差異。

表2 不同輪作模式和施氮水平下對小麥籽粒品質(zhì)表現(xiàn)

2.4 不同輪作模式及施氮水平小麥籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性分析

由不同產(chǎn)量性能指標(biāo)與其籽粒產(chǎn)量的相關(guān)性分析（表3）可知，不同輪作模式和施氮水平下小麥籽粒產(chǎn)量與其穗粒數(shù)、單位面積穗數(shù)、千粒重呈極顯著正相關(guān)，通過優(yōu)化種植模式并施用氮肥，可以協(xié)調(diào)同步提升穗粒數(shù)、千粒重和單元面積穗數(shù)，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)量，并達到更高的收益。

表3 不同輪作模式和施氮水平下籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

2 個輪作周期的田間試驗結(jié)果表明，WRV、WWV和WV 3種輪作模式可有效提高后茬作物春小麥干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)，其中WRV輪作模式提升效果最好。在N1水平下，春小麥-冬油菜-箭筈豌豆輪作模式小麥籽粒產(chǎn)量提高程度最大，較春小麥連作提高16.7%和19.4%，說明，綠肥可以替代一部分化學(xué)肥料，具有增加產(chǎn)量的潛力。因此，該集成技術(shù)可作為河西灌區(qū)生態(tài)綠色穩(wěn)產(chǎn)的生產(chǎn)方式。

4 討論

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)運是小麥產(chǎn)量形成的重要基礎(chǔ)[17]。本研究顯示，與春小麥連作模式相比，不同輪作農(nóng)田種植綠肥能顯著提高小麥全生育期干物質(zhì)積累量，其中在小麥拔節(jié)期至灌漿期時積累的干物質(zhì)量最多。這些結(jié)果的原因在于：一方面，適當(dāng)?shù)氖┑靠梢栽鰪娦←溩魑锔炕钚?，促使根莖的繁殖，加快小麥作物莖葉等營養(yǎng)器官發(fā)育的功能期，延長了作物的光合作用時間，進而大幅度提高了光合同化產(chǎn)物[18]；另一方面，綠肥的施用可以有效地改良土壤肥力，增強小麥作物的防逆性，進而提高小麥的產(chǎn)量與品質(zhì)。翻壓豆科綠肥能夠顯著提高土壤氮庫的效率，而單純施用化學(xué)氮肥可以在短時間內(nèi)保證土壤氮素的供給，但會造成小麥后期土壤氮素供應(yīng)不足[19-20]；此外，農(nóng)田冬季覆蓋作物的種植，不僅可以降低土壤表層水分的蒸發(fā)，提升土壤表層溫度，而且由于其根系穿透能力較強，可以更深入地植入土層，更好地刺激作物的生長。通過調(diào)整土壤的水、肥、氣、熱的協(xié)調(diào)力量，大大提升了土壤的透過性和耕性，促使土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，質(zhì)量也得到了顯著提升，為經(jīng)濟作物的生長創(chuàng)造了一個良好的環(huán)境，因而實現(xiàn)了糧食作物的高產(chǎn)、優(yōu)良、有效[21]。研究表明，采用小麥+復(fù)播飼養(yǎng)油菜-棉花-小麥種植方式，可以有效地減少小麥和棉花長期連作帶來的不利影響[22]。研究發(fā)現(xiàn)，各處理小麥干物質(zhì)積累量，隨生育期的推進呈增加趨勢，直至成熟期達到穩(wěn)定狀態(tài)；在綠肥還田30000 kg/hm2處理下，小麥成熟期的干物質(zhì)積累量最高，而在綠肥不還田時，干物質(zhì)積累量最低[23]。本研究與前人研究結(jié)果相似，通過施用氮肥并種植豆科綠肥作物，可以有效地提供小麥干物質(zhì)積累所需的氮素，為小麥的高產(chǎn)提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。

高產(chǎn)作物的形成是由多個指標(biāo)協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果[24-25]，其中氮素是小麥生長發(fā)育和器官建成的關(guān)鍵因素，施用氮肥可以有效地調(diào)節(jié)植株的光合作用、蒸騰作用、呼吸作用及其抗氧化體系，從而提高小麥的產(chǎn)量性能指標(biāo)，進而影響籽粒產(chǎn)量的形成[26]。本研究結(jié)果顯示，WRV、WWV和WRV 3種輪作模式均有助于提高小麥單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重以及小麥產(chǎn)量。這可能是因為施用氮肥和綠肥結(jié)合有助于增大土地碳氮庫容，促使磷素活化，從而提升土壤有機質(zhì)含量，在地上部表現(xiàn)為糧食作物單位平均面積穗數(shù)增大和千粒重增大[27]。小麥增產(chǎn)可能是由于綠肥與根瘤菌共生固氮，大大減少了化學(xué)氮肥的投入量，同時也顯著提升了土壤中有機質(zhì)含量，有機氮肥中的細(xì)菌和生物酶還能促使和調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的溶解與釋放作用，使得土壤有效養(yǎng)分不斷增多，滿足植株全生育階段對營養(yǎng)的需要[28-30]，從而大幅度提高糧食作物的生產(chǎn)。連續(xù)2年的試驗結(jié)果表明，麥后復(fù)種豆科綠肥可有效提高小麥的最大生長速率，增加千粒重；復(fù)種綠肥后，減氮15%可獲得最高的小麥生長速率和千粒重，進而維持甚至提高小麥產(chǎn)量[31]。在非洲克尼亞和意大利這些麥子營養(yǎng)投資較低的地方，研究人員認(rèn)為，在小麥連作的種植體系中加入豆科作物，可以通生物固氮的影響，有效提升土壤養(yǎng)分[32-33]，從而顯著提高后茬小麥的產(chǎn)量。在江漢平原區(qū)域，稻麥輪作優(yōu)化施肥處理的小麥群體結(jié)構(gòu)合理，干物質(zhì)積累量較高，產(chǎn)量增加顯著[34]，這與本實驗研究結(jié)果相似。由此可見，通過優(yōu)化種植模式并結(jié)合施氮可為春小麥的生長提供足夠的養(yǎng)分，以便發(fā)揮增產(chǎn)潛力。

氮肥是小麥籽粒品質(zhì)的關(guān)鍵因素，通過施用氮肥可以顯著提升小麥的營養(yǎng)價值和加工性能[35]，從而改善小麥的品質(zhì)。當(dāng)?shù)适┯昧坎蛔銜r，植物的生長會受到影響，籽粒的發(fā)育也會受到影響；而過量施用氮肥則會造成植物貪青晚熟[36]，從而降低籽粒的品質(zhì)，因此，合理的氮肥施用量是保證小麥籽粒品質(zhì)的關(guān)鍵。研究結(jié)果表明，種植翻壓綠肥可以顯著提升小麥籽粒蛋白質(zhì)含量和沉降值，與對照組比較，分別提升了5.7%和20.3%[36]；此外，這種施肥方式還可以有效改善面粉的沉降值、濕面筋含量以及面團吸濕率，從而達到更好的農(nóng)作物品質(zhì)[37]。研究發(fā)現(xiàn)，作物籽粒中的濕面筋、沉降值和穩(wěn)定時間可以隨著氮肥施用量的增加而逐漸呈增加的趨勢[38]。這與本試驗結(jié)果相似，種植翻壓綠肥并施用氮肥對小麥籽粒蛋白含量、沉降值、濕面筋含量及容重具有提高作用。在現(xiàn)實生活中，越來越多的人追求高質(zhì)量的面粉及面制品口感，合理的種植模式和適宜的氮肥施用量可作為實現(xiàn)該目標(biāo)的重要保證。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)該使小麥保持較高的容重和淀粉含量，降低小麥灰分，才能使所制得的面更白，面粉質(zhì)量更高。