绿肥还田量与小麦复种绿肥水分利用效率的相关性

Water use efficiency of wheat-green manure multiple cropping system in response to green manure returning rate

摘要

目的 针对绿洲灌区因连作导致小麦水分利用效率偏低问题，开展麦后复种绿肥水分利用特征研究，以期为构建基于绿肥还田的小麦水分高效利用技术体系提供理论依据。 方法 依托2018年开始的定位试验，以小麦复种绿肥为研究对象，设置3个绿肥还田量（G₁：15 000 kg/hm²，G₂：30 000 kg/hm²，G₃：45 000 kg/hm²）和不复种绿肥小麦（对照，G₀），于2019~2021年运用能量学方法研究了不同处理的产量和水分利用特征。 结果 与对照相比，小麦复种绿肥显著增大了总耗水量，G₁、G₂和G₃处理复种系统总耗水量分别较G₀增加了42.1%、38.0%和41.1%；小麦耗水量在G₂处理中最小，较G₀降低了3.9%；绿肥耗水量表现为G₂和G₃较低，分别较G₁降低了5.9%和5.8%。绿肥还田显著提高了小麦产量，且还田量为G₂时增产效果最好，G₁、G₂、G₃与G₀相比，小麦籽粒产量分别提高了4.9%、22.2%、14.2%，生物产量分别提高了3.1%、10.9%、5.6%；绿肥生物产量G₂较G₁、G₃分别高13.5%、6.4%。小麦复种绿肥系统生物热能产在G₂处理时最大，分别较G₀、G₁和G₃提高49.1%、9.3%和5.4%。绿肥还田显著提高了小麦水分利用效率且G₂处理的水分利用效率最高，G₁、G₂和G₃分别较G₀提高7.7%、27.4%和15.5%。复种体系单位耗水生物热能产显著高于单作且在G₂处理表现最优，G₁、G₂和G₃分别较G₀分别高8.4%、22.0%和13.5%。 结论 在绿洲灌区，麦后复种绿肥还田是保证小麦高产和水分高效利用的种植模式，还田量为30 000 kg/hm²时效果最佳。

Abstract

Objectives In response to the issue of low water use efficiency in wheat caused by continuous cropping in the Hexi oasis irrigated area，this study delved into the water use characteristics of green fertilizer post-replanting.The aim was to lay the groundwork for establishing a technology system for wheat that emphasizes water efficiency，anchored in the concept of green fertilizer utilization. Method Based on the long-term experiment from 2018，three rates of green manure return （G₁： 15 000 kg/hm²，G₂： 30 000 kg/hm²，G₃： 45 000 kg/hm²） within wheat-hairy vetch multiple cropping systems were implemented，with sole cropping wheat （G₀） serving as the control.The yield and water use efficiency characteristics of the various treatments were assessed using energetic methods spanning from 2019 to 2021. Result Relative to the control group，the adoption of green fertilizer through multiple cropping in wheat led to an overall increase in total water consumption.Specifically，the total water consumption in the multiple cropping systems of G₁，G₂ and G₃ rose by 42.1%，38.0%，and 41.1% compared to G₀，respectively.Notably，the water consumption of wheat was at its lowest in the G₂ treatment，representing a 3.9% reduction compared to G₀.Moreover，the water consumption of green fertilizer was lower in the G₂ and G₃ treatments by 5.9% and 5.8%，respectively，compared to the G₁ treatment.The incorporation of green manure resulted in increased wheat yield.Compared to the G₀ treatment，grain yield in G₁，G₂，and G₃ saw increments of 4.9%，22.2%，and 14.2%，while biomass yield increased by 3.1%，10.9%，and 5.6%，respectively.Additionally，the biological yield of green manure in the G₂ treatment surged by 13.5% and 6.4% compared to G₀.The biothermal energy production of wheat in the G₂ multiple cropping system surpassed that of G₀，G₁，and G₃ by 49.1%，9.3%，and 5.4%，respectively.The bioenergy production per unit of water consumption in the multiple cropping system outperformed that of the single cropping system，with the G₂ treatment showing the best performance，exceeding G₀ by 8.4%，G₁ by 22.0%，and G₃ by 13.5%. Conclusions In the irrigated Hexi oasis area，incorporating green fertilizer after wheat cultivation proved to be an effective planting method for ensuring high yield and efficient water usage in wheat production.Optimal results were achieved when the green manure return rate was set at 30 000 kg/hm².

Graphical abstract

关键词

绿肥 / 小麦 / 籽粒产量 / 生物热能产 / 耗水量 / 水分利用效率

Key words

green manure / wheat / grain yield / bio-thermal energy generation / water consumption / water use efficiency

Author summay

唐倩，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

我国干旱内陆地区水资源短缺，农业水资源不足与作物高产需水增大的矛盾日益突出^［1］。在有限供水条件下，挖掘作物水分生产潜力，提高水分利用率，是该区农业发展亟待解决的技术问题^［2］。研究表明，科学的灌水方式、耕作措施以及种植制度能提高作物水分利用效率^［3-5］。其中，优化种植模式不仅可促进水分高效利用，还可改善土壤理化性质，提高土壤的保水性^［5］。绿肥是优化种植模式的重要作物之一，合理复种绿肥可增加土壤贮水量、提高主栽作物产量和水分利用效率^［6-7］；麦后复种绿肥可降低冬小麦生育期耗水量，增加小麦生物量 ^［8-9］。近年来，有关复种绿肥的研究主要集中于绿肥对主栽作物产量的影响方面^［10-11］，绿肥不同还田量对作物水分利用效率的影响相对薄弱。由于主栽作物和绿肥组成的复合系统中，受两种作物产品属性和用途差异较大的影响，用传统的籽粒产量或者生物产量作为评价依据均缺乏科学性，而能量学方法可有效解决产品属性差异较大的难题^［12-13］，此方法可作为深入解析主作物-绿肥复合系统生产性能的研究手段。

河西绿洲灌区资源性缺水严重，小麦作为该区主要的粮食作物，在保障该区粮食安全和区域经济发展方面做出了重要贡献^［14］，小麦生产以单作为主、连作普遍，节水高产技术需持续提升。毛叶苕子 （Vicia villlosa Roth）是我国栽培利用较广的肥饲兼用绿肥作物，生长迅速、产草量大、养分含量高，根瘤多、固氮能力强^［15］，是适用于河西绿洲灌区的重要绿肥作物。为此，本研究立足该区光资源丰富、热量资源两熟不足的现实，通过构建基于绿肥还田的小麦-绿肥复种模式，结合能量学方法量化复种系统的产量和水分利用特征，为复种绿肥的小麦水分高效利用技术体系提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试区概况

本研究依托2018年在武威市黄羊镇甘肃农业大学绿洲农业试验站布设的定位试验进行。试验站位于河西走廊东端（N 37°96′，E 102°64′，海拔1 506 m），所属地区日照时数超过2 945 h，年平均降水量小于200 mm，且主要集中在7~9月，年蒸发量2 400 mm，灌水资源有限。试验地土壤为灌漠土，0~30 cm 土壤容重 1.53 g/cm³、土壤有机质含量14.3 g/kg、土壤pH 8.2、速效磷25.1 mg/kg、速效钾141 mg/kg、全磷1.41 g/kg、全氮0.68 g/kg。2019~2021年，小麦生育期内降水量分别为120.9、48.9、78.9 mm，绿肥生育期降水量分别为71.1、98.2 、95.1 mm（图1）。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，以小麦复种绿肥（毛叶苕子）为研究对象，设3个绿肥还田量（G₁：15 000 kg/hm²，G₂：30 000 kg/hm²，G₃：45 000 kg/hm²均为鲜质量）和不复种绿肥（对照，G₀），每处理3次重复，小区面积48 m²（6 m×8 m）。小麦播种前施纯氮180 kg/hm²、纯磷（P₂O₅） 90 kg/hm²，全作基肥。各处理灌水水平，冬储灌 120 mm，小麦生育期各处理分别在苗期、孕穗期和灌浆期灌水75、90、75 mm，绿肥生育期各复种处理分别在苗期、现蕾前期灌水70、90 mm。

小麦（Triticum aestivum L.）品种为宁春4号，播种量450 kg/hm²，条播，行距15 cm。小麦收后灭茬，旋耕播种毛叶苕子，并在其盛花期贴地刈割后称鲜质量翻压还田。毛叶苕子（Vicia villosa Roth）品种为土库曼苕子，播种量25 kg/hm²，条播，行距15 cm。2018年为预备试验，7月28播种毛叶苕子，10月20日还田。2019年，小麦3月12日播种、7月19日收获，毛叶苕子7月28日播种、10月23日还田；2020年，小麦3月18日播种、7月14日收获，毛叶苕子8月1日播种、10月23日还田；2021年，小麦3月18日播种、7月22日收获，毛叶苕子7月31日播种、10月19日还田。

1.3 测定指标和计算方法

土壤含水量（SWC）：测深0~120 cm。以10 cm为一层，采用烘干法测定0~30 cm；以30 cm 为一层，使用中子水分仪（NMM503DR，CA，USA）测定30~120 cm。小麦播种前、收获后和绿肥还田时各测定一次。

土壤贮水量（SWS）：

SWS={\sum }_{i=\mathrm{1}}^n(hi\times ai\times \theta i)\times \mathrm{10}

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

作物耗水量（ET）：

ET=P+I-∆S

式中：P 为作物生育期内降水量（mm），I 为作物生育期内灌水量（mm），∆S 为作物播种前和收获后土壤贮水量之差。

籽粒产量（GY）：在小麦成熟期采用小区计产，每个小区收获2 m²，风干脱粒后测定，用PM-8188谷物水分测定仪测定籽粒含水率，按14%含水量折合产量。

绿肥生物量：在翻压前每小区随机取20株在105 ℃烘箱杀青30 min，再在85 ℃下烘干至恒质量，测其干重，计算含水量；按4 m²样方测产，通过含水量和鲜质量换算绿肥生物量。然后根据试验设计进行相应还田量处理。

生物热能产（EY）：生物热能产由籽粒产量（GY）和秸秆产量（SY）两部分构成，秸秆产量与籽粒产量同步测定且方法相同，公式为：

EY=GY\times Eg+SY\times Es

式中：Eg和Es分别表示不同作物籽粒和秸秆的热能值，小麦籽粒为16.3 MJ/kg，小麦秸秆和毛叶苕子地上部产品为14.6 MJ/kg。

水分利用效率（WUE）：WUE=GY/ET

单位耗水生物热能产（WUE_EY）：WUE_EY=EY/ET

1.4 数据处理

试验数据使用Office 2016 Excel进行整理，用SPSS 26.0进行多重比较、方差分析和显著性检验（Duncan 法，P<0.05 为差异显著）。

2 结果与分析

2.1 不同绿肥还田量下小麦复种绿肥的耗水量

绿肥还田可显著提高小麦播种前、收获时和绿肥还田时的土壤贮水量，30 000 kg/hm²绿肥还田量更有利于增加土壤贮水量（表1）。3个试验年度，与G₀相比，G₁、G₂和G₃处理土壤贮水量在小麦播前分别提高了3.4%、7.8%和4.9%，小麦收获后分别提高了12.7%、24.1%和11.3%，绿肥还田时分别提高12.9%、26.9%和17.2%。复种绿肥显著增大了生产系统的总耗水量，G₁、G₂和G₃处理的耗水量分别较G₀增加了42.1%、38.0%和41.1%；绿肥还田有利于降低小麦全生育期的耗水量，G₂较G₀处理小麦耗水量低3.9%，G₁、G₃与G₀处理差异不显著；绿肥全生育期耗水量表现为G₂、G₃较G₁处理降低了4.7%、7.5%（2020年）和14.1%、14.4%（2021年）。绿肥还田30 000 kg/hm² 处理下，小麦、绿肥的耗水量均低于其他处理，是有利于提高水分利用效率的适宜还田量。

2.2 不同绿肥还田量下小麦、绿肥的产量

绿肥还田可以提高小麦产量，还田量30 000 kg/hm²时小麦、绿肥产量最高 （表2）。小麦籽粒产量3个试验年度变化趋势基本一致，G₂、G₃处理较G₀分别提高了22.2%、14.2%；小麦生物产量2019年各处理差异不显著，2020年和2021年变化趋势相似，G₂、G₃处理小麦生物产量较G₀分别提高了17.1%、10.8%和11.3%、7.2%。G₁与G₀生物产量在2019年度差异不显著，但2020年和2021年前者显著高于后者，说明绿肥增产效应的发挥需要一定时间。绿肥生物产量，3个试验年度均表现为G₂最大，较G₁、G₃分别高13.5%、6.4%。

绿肥还田可以提高小麦的生物热能产（表2），30 000 kg/hm²还田处理下小麦、绿肥的生物热能产最大。G₂、G₃处理的小麦生物热能产较G₀分别提高了17.5%、11.1%（2020年）和11.7%、7.5%（2021年）；G₂处理的绿肥生物热能产最高，较G₁、G₃分别提高13.5%、6.4%。G₁、G₂和G₃复种体系生物热能产较G₀处理分别高36.4%、49.1%和41.4%。

2.3 麦后复种绿肥水分利用效率对绿肥还田量的响应

2.3.1 绿肥还田量对小麦水分利用效率的影响

复种绿肥较休闲期显著提高小麦水分利用效率，G₂处理提高水分利用效率的效果最佳。3个试验年度，G₁、G₂和G₃处理小麦的水分利用效率分别比G₀处理提高了7.7%、27.4%和15.5%，G₂和G₃处理小麦的水分利用效率分别较G₁处理提高了18.3%和7.3%，说明还田量超过一定量后对小麦水分利用效率的增加效应会下降。2019年，G₂、G₃和G₁处理下小麦水分利用效率分别较G₀处理提高了4.1%、26.7%和12.1%；2020年分别提高了7.4%、31.4%和18.9%；2021年分别提高了11.8%、24.3%和15.9%。不同年份间，G₁处理下小麦水分利用效率表现为2021年>2020年>2019年，G₂和G₃处理均表现为2020年>2021年>2019年，说明绿肥还田量较小时充分发挥作用所需时间相对较长，而还田量相对较大时达到最佳效应的时间有缩短趋势。

2.3.2 绿肥还田量对绿肥水分利用效率的影响

绿肥水分利用效率受绿肥还田量的影响差异显著（图3）。随着绿肥还田量的增加绿肥水分利用效率先增后减，其中G₂处理绿肥水分利用效率最大，从3年平均来看，较G₁ 和G₃处理分别提高21.2%和5.9%，说明绿肥水分利用效率随着绿肥还田量的增加而提高，但是超过绿肥还田量阈值范围后绿肥的水分利用效率反而会下降。从不同年份来看，2019年绿肥水分利用效率保持在25.9~31.3 kg/（hm²·mm²），2020年和2021年绿肥的水分利用效率保持在35.7~42.3 kg/（hm²·mm²）和35.7~44.4 kg/（hm²·mm），说明随着绿肥还田年限的增加，绿肥水分利用效率随之提高。

2.3.3 绿肥还田量对作物单位耗水生物热能产的影响

绿肥还田显著提高了小麦单位耗水生物热能产 （图4），还田（30 000 kg/hm²）处理下小麦、绿肥的单位耗水生物热能产最高。小麦单位耗水生物热能产表现为绿肥还田处理显著高于对照，G₁、G₂和G₃处理分别较G₀处理高5.8%、16.0%和7.1%，各年份均表现为G₂处理最高，2019年，G₂较G₀、G₁和G₃处理单位耗水生物热能产分别高12.8%、9.5%和10.4%；2020年和2021年，各处理变化趋势一致，G₁、G₂和G₃处理平均单位耗水生物热能产较G₀处理分别提高7.3%、17.7%和9.8%。绿肥单位耗水生物热能产3个试验年度变化基本一致，均表现为G₂较G₁、G₃处理分别高21.2%、5.9%。

绿肥还田对复种系统单位耗水生物热能产影响显著，且在G₂处理下最大。 3个试验年度，G₁、G₂和G₃处理分别较G₀处理高8.4%、22.0%和13.5%。2019年，G₂较G₀、G₁和G₃处理单位耗水生物热能产分别高12.2%、11.6%和9.4%；2020年和2021年，G₁ 、G₂和G₃处理单位耗水生物热能产较G₀分别提高12.6%、27.1%和19.2%，说明随着绿肥还田年限的延长，小麦复种绿肥基于单位耗水生物热能产呈提高趋势。

3 讨论

3.1 不同绿肥还田量下的农田耗水特性

土壤贮水量和作物蒸腾速率是影响作物耗水量的主要因素^［16］。有研究指出，种植绿肥可以提升土壤持水力，与传统翻耕处理相比绿肥全量还田玉米全生育期0~110 cm土层平均土壤贮水量提高了14.5%^［17］。本研究中，绿肥还田可显著提高小麦播前、收后和绿肥还田时的土壤贮水量，绿肥还田30 000 kg/hm²时土壤贮水量最大，其原因是除了绿肥本身含有一定的水分以外，绿肥还田以后还能显著提高土壤有机质含量，使土壤容重下降、孔隙度和水稳性结构体增加，进而提高了土壤保蓄水分的能力^［18］。种植绿肥过程中，虽然灌溉绿肥会增加农田土壤的水分输入，但是绿肥生长只会消耗一部分水分，而剩余的一部分水分则在绿肥的作用下有效的蓄积在了土壤中，为后茬作物生长提供更加优良的土壤水分环境^［16］。但绿肥蓄水保墒的作用与还田量并不表现为正相关，过量还田可能会导致绿肥腐解过程的耗水量增加，田间蒸发量增大，土壤含水量因此受到影响^［19］。有研究表明，夏闲期种植翻压绿肥，能够将大量休闲期降水保蓄在土壤中，降低后茬作物耗水量^［9］。本研究中，与传统种植模式相比，麦后复种绿肥系统总耗水量显著增加，增大了水资源供给压力，但农田资源利用率上升，并且在绿肥效应的作用下小麦全生育期耗水量相对降低。不同还田量下，绿肥还田30 000 kg/hm²时小麦、绿肥耗水量最低。这可能是因为绿肥还田提高了土壤的保水性^［17］，使得大量的降水和冬季灌溉水保蓄在土壤内，主栽作物耗水结构因此发生改变^［20］。但当还田量超过一定范围后绿肥的腐解速率变慢，其调控土壤水热的作用就会受到抑制，影响作物耗水量^［21］。

3.2 不同绿肥还田量对作物产量的影响

优化种植模式可以有效提高作物产量^［11］。相关研究表明，相比于传统种植模式，夏闲期种植苜蓿并还田可为后作小麦提供更多氮素营养，从而提高小麦产量^［22］。绿肥地表覆盖免耕和全量翻压处理较不复种绿肥翻耕处理显著提高玉米籽粒产量18.2%和20.4%^［21］，这与本研究结果相似。不同还田量是决定作物产量高低的关键，但并不是越多越好。研究表明，紫云英翻压量为30 000 kg/hm²时可以显著增加双季稻产量^［23］。本研究中在绿洲灌区，绿肥还田30 000 kg/hm²时小麦的增产效果最好，与传统种植模式相比，小麦籽粒产量和生物产量分别提高22.2%和10.9%。这可能是因为土壤结构、水分和养分变化是作物产量主要的影响因素，绿肥还田后土壤的理化性质发生改变，土壤孔隙度和团聚体含量增加，为作物生长提供了更好的土壤环境，增强了土壤对水分和养分的供应能力^［19］ 。同时，绿肥还田后能够有效提高土壤贮水量，为后茬作物生长提供所需水分^［17］；并且绿肥在土壤中会分解释放大量的有机质和腐殖质，增加土壤酶活性，使得有效养分释放加快，土壤肥力提高，为作物生长提供更多的养分^［9，24］。但过量还田（45 000 kg/hm²）时，绿肥的增产效应反而变小，这可能是因为还田量过大导致绿肥腐解速率受限，养分无法完全释放，同时腐解过程需水量增加，造成作物水分、养分需求得不到满足出现减产^［25］。

3.3 不同绿肥还田量对小麦复种绿肥水分利用效率的影响

不同种植模式和施肥方式通过提高土壤持水力，增大土壤有效水含量，增加作物产量来提高水分利用效率^［26］。夏闲期油菜覆盖翻压能蓄水保墒，提高冬小麦产量及水分利用效率^［17］。相关研究表明，与夏闲期相比复种绿肥有利于增加下季小麦籽粒产量，提高土壤蓄水能力 ^［27］。在干旱绿洲灌区绿肥地表覆盖免耕和绿肥全量翻压处理有利于改善土壤水分条件，优化玉米根系生长，从而提高产量和水分利用效率^［20］。本研究中，与夏闲期相比，复种绿肥还田可以提高小麦和绿肥的水分利用效率，且在30 000 kg/hm²还田量下小麦的水分利用效率最大。这是因为一方面豆科绿肥根瘤菌的固氮作用增加了土壤中的含氮量，并且绿肥本身含有一定量的氮，还田以后有效提升了土壤肥力水平，增加了作物产量^{［25，28］}。另一方面绿肥还田改变了土壤理化性质，增强了土壤的持水能力，影响了作物根系的拓展和吸收能力，因此提高了作物的水分利用效率 ^［7，29］。而还田量超过30 000 kg/hm²水分利用效率下降，可能是因为过量绿肥还田会导致土壤中养分失衡，产量下降，影响水分利用效率^［25］。

4 结论

复种绿肥显著增加了复种系统的总耗水量，但与不复种绿肥处理相比降低了小麦耗水量，增加了小麦的籽粒产量、生物产量和生物热能产，从而提高了小麦的水分利用效率和单位耗水生物热能产。其中绿肥还田30 000 kg/hm² 时效果最好，与不复种绿肥相比，小麦耗水量降低了3.9%，小麦的籽粒产量、生物产量和生物热能产提高了22.2%、10.9%和49.1%，小麦的水分利用效率和单位耗水生物热能产提高了27.4%和16.0%。因此，麦后复种绿肥是试区小麦-绿肥系统高效用水的适宜措施，该区适宜还田量为30 000 kg/hm²。

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基金资助

国家自然科学基金项目(U21A2021)

国家绿肥产业技术体系项目(CARS-22-G-12)

甘肃省教育厅“双一流”项目(GSSYLXM-02)