山西南部光热资源充足,是我国重要的冬小麦-夏玉米轮作生产区。但生产上往往因轮作的夏玉米大量消耗土壤养分和水分而造成后作冬小麦产量降低甚至绝产[1]。因此,该地区旱地小麦往往实行一年一作。Balota等[2]研究表明,作物轮作对保持和提高土壤质量有重要作用。其中,草田轮作是我国耕作制度中一种古老且有效的方法[3]。苜蓿是重要的轮作植物,根茬残留物多,可增加土壤有机质含量,改善土壤团粒结构[4]。将苜蓿引入作物轮作系统实施草田轮作能够提高后茬作物的产量[5]。王晓凌等[6]研究认为,苜蓿-作物用地系统可维持良好的土壤肥力,促进土壤氮素的有效利用,鲁鸿佩等[7]研究表明,紫花苜蓿与小麦轮作后作小麦土壤的有机质、土壤水分、土壤孔隙度和土壤团聚体比连作小麦分别增加0.217%,1.0%,9.9%和7.0%。研究表明,种植绿肥可以显著提高土壤有机质含量[8],李红燕等[9]研究发现,麦后复种长武怀豆和油菜并还田,可提高黄土高原南部土壤有机质含量。李文广等[10]研究发现,夏休闲期复种绿肥并还田,可提高黄土高原旱地麦田的土壤养分。绿肥还田在腐解过程中能释放大量养分[11],从而提高土壤肥力,增加作物产量[12-14]。目前,相关研究主要集中在保蓄利用夏休闲期降雨以备春用(伏雨春用)的一系列耕作、施肥和覆盖措施[15-17],然而,目前关于利用小麦夏休闲期光、热和水资源复种绿肥苜蓿提高土壤养分的研究相对较少。本试验通过研究苜蓿播量与还田时期互作对后作旱地小麦农艺性状、产量及土壤养分的影响,确定最佳播量及还田时期,为确立合理旱地小麦-苜蓿复种轮作模式提供依据。
1 材料和方法
1.1 试验区概况
试验区位于山西省运城市垣曲县长直乡鲁家坡村十倾园,属暖温带半湿润大陆性季风气候；年平均气温13.5 ℃,年平均日照时数2 026.2 h,年积温4 900 ℃,全年无霜期236 d左右,降水集中在5-9月份,且年降水量600～800 mm,年蒸发量1 200 mm。
试验田为山顶梯田,为褐土性的红立黄土。苜蓿播前测得0～40 cm耕层土壤养分含量为：有机质7.71～8.81 g/kg,碱解氮31.5～46.1 mg/kg,速效磷5.10～11.26 mg/kg,速效钾92.5～132.0 mg/kg。
1.2 苜蓿和小麦品种
紫花苜蓿(Medicago sativa L.),豆科苜蓿属多年生草本,被称为“牧草之王”。根粗壮,深入土层,根茎发达；茎直立、枝叶茂盛。紫花苜蓿有较强的固氮能力,并且具有较强的蛋白质、维生素、矿物质以及微量元素。由宁夏西贝农林牧生态科技有限公司提供。
冬小麦(Triticum aestivum L.)品种：烟农21,幼苗匍匐,长势强壮,分蘖成穗率高,穗层整齐,结实性好,穗方形,长芒,白壳,白粒,籽粒角质,饱满度较好,冬性、中晚熟、优质强筋、分蘖力强、抗倒性能力强。由山西省侯马市金色农田农业科技市场有限公司提供。
1.3 试验设计
在前期的麦后复种苜蓿适应性研究基础上,开展苜蓿作为绿肥对后作小麦产量的影响。于2016年8月15日复种苜蓿。试验采用二因素裂区设计,主区为播量：小播量7.5 kg/hm2(S)、中播量15.0 kg/hm2(M)和大播量22.5 kg/hm2(L)；副区为还田日期：早还田9月10日(T1)、中还田9月20日(T2)和晚还田9月30日(T3)。以常规复种玉米为对照(CK)。2016年9月30日采用施肥播种一体机播种小麦,行距20 cm,同时施加NPK复合肥(N∶P2O5∶K2O=18∶18∶18 山东康田化肥有限公司)用量600 kg/hm2,于2017年6月10日收获。田间管理按常规进行。
1.4 测定项目与方法
1.4.1 单株农艺性状指标测定 于返青期、拔节期、抽穗期,每个小区均随机取样10株,测定单株株高、主茎倒二叶长、倒二叶宽、绿叶数及单株干质量。
1.4.2 土壤养分指标测定 于返青期、拔节期、抽穗期、成熟期,每个小区随机选择9个采样点,分别用直径8 cm螺旋式土钻于0～20 cm土层采集土样,其中每3份土样装入一个自封袋,充分混匀,放到阴凉通风处风干、研磨,备用。土壤有机质、碱解氮、速效磷含量的测定分别采用重铬酸钾容量法、碱解扩散法、0.5 mol/L碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法[18]。
1.5 数据处理与统计分析
采用 Excel 2010 软件进行数据处理、作图,运用SASS软件采用邓肯氏新复极差法(Duncan)检验不同处理间各指标的差异显著性水平(P<0.05),结果用平均值±标准差表示。
2 结果与分析
2.1 后作小麦返青—抽穗期的5个单株农艺性状指标分析
分析苜蓿播量与还田日期互作对后作小麦返青—抽穗期的株高、绿叶数、单株干质量及倒二叶长宽的影响(图1)得出,与复种玉米CK相比,休闲期种植苜蓿可促进后作冬小麦单株发育,其中,苜蓿大播量(L)中还田日期(T2)的处理下,小麦株高、绿叶数、单株干质量、倒二叶长和宽分别较对照提高10%～40%,21%～33%,31%～53%,10%～72%,46%～64%,更有利于后作小麦生育前中期建源。
通过SAS软件ANOVA过程对表1数据进行3因素(苜蓿播量a、还田日期b、小麦生育时期c)互作方差分析,结果表明，该试验模型差异极显著(P<0.01)。且苜蓿播量a、还田日期b、小麦生育时期c三因素对小麦株高、绿叶数、单株干质量及倒二叶长宽的影响均达到极显著水平(P<0.01),互作效应a×c、a×b×c对小麦株高、绿叶数、单株干质量及倒二叶长宽的影响亦达到极显著水平(P<0.01)。
图中同一生育时期相同还田期的不同小写字母表示不同播量之间差异显著(P<0.05)。图2同。
Different lowercase letters indicated that there were significant differences between different sowing rates
in the same returning period(P<0.05).The same as Fig.2.
图1 各处理的小麦农艺性状的比较
Fig.1 Comparison of wheat agronomic traits of different treatments
2.2 后作小麦产量指标分析
由表1可知,苜蓿大播量(L)中还田日期(T2)的处理的穗数较对照提高了6.3%(P<0.05),穗粒数、千粒质量、理论产量、实际产量分别较对照提高了5.8%,4.1%,9.5%,3.9%。LT2处理的穗数、穗粒数、千粒质量、理论产量、实际产量均显著高于ST2(P<0.05)。所有处理中,以LT2处理是获得产量与产量结构的最优组合。苜蓿大播量,有利于提高土壤养分含量,较高的土壤肥力水平可直接影响作物产量。方差分析结果表明,播量显著或极显著影响产量性状；播量效应大于还田日期；说明播量×还田日期存在显著交互作用。
表1 各处理对小麦产量及产量结构影响
Tab.1 Effects of different treatments on yield and yield structure of wheat
指标Items播量Seeding rate还田日期 Returning dateT1T2T3CK穗数/(百万穗/hm2)S4.7±0.1bB4.3±0.1cC4.9±0.1aA4.8±0.0abSpike numberM4.7±0.1aB4.8±0.1aB4.9±0.1aA4.8±0.0aL5.1±0.1aA5.1±0.1aA4.8±0.1bA4.8±0.0bCK4.8±0.0B4.8±0.0B4.8±0.0A-穗粒数S31.0±0.8aB29.7±1.3aB29.7±0.5aB33.0±2.0aGrains per earM34.5±0.4aA34.7±1.3aA32.3±2.1aAB33.0±2.0aL35.0±1.6aA34.9±0.7aA34.7±1.3aA33.0±2.0aCK33.0±2.0AB33.0±2.0A33.0±2.0AB-千粒质量/gS36.0±0.6bA34.7±1.0bB38.2±0.4aA37.0±0.1b1000-grain weightM36.8±0.8aA36.2b±0.9aB36.2±0.7aA37.0±0.1aL37.4±0.6aA38.6±1.0aA36.9±1.2aA37.0±0.1aCK37.0±0.1A37.0±0.1AB37.0±0.1B-理论产量/(t/hm2)S5.2±0.0bC4.5±0.2cC5.5±0.0aA6.3±0.2aTheoretical yieldM6.0±0.2aB6.0±0.5aB5.7±0.8aA6.3±0.2aL6.7±0.5aA6.9±0.4aA6.1±0.6aA6.3±0.2aCK6.3±0.2AB6.3±0.2A6.3±0.2A-实际产量/(t/hm2)S3.7±0.1cB3.4±0.1bB4.7±0.0aA5.1±0.2aReal yieldM4.8±0.1bA5.2±0.3aA4.7±0.1bA5.1±0.2aL4.8±0.1bA5.3±0.1aA4.4±0.1cB5.1±0.2aCK5.1±0.2A5.1±0.2A5.1±0.2A-指标Items播量Seeding rate还田日期Returning date播量×还田日期Seeding rate×Returning date穗数/(百万穗/hm2) Spike number33.95∗∗2.5519.72∗∗穗粒数 Grains per ear26.45∗∗1.800.58千粒质量/g 1000-grain weight6.74∗1.277.91∗∗理论产量/(t/hm2) Theoretical yield27.90∗∗0.393.87∗实际产量/(t/hm2) Real yield85.51∗∗18.28∗∗295.00∗∗
注：不同小写字母表示同一播量不同还田日期之间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示同一还田日期不同播量之间差异显著(P<0.05)。**表示达到极显著水平(P<0.01)；* 表示达到显著水平(P<0.05)。
Note:Different lowercase letters indicated that there were significant differences between the same sowing amount and different returning dates(P<0.05);Different capital letters indicated that there were significant differences between different sowing rates in the same returning period(P<0.05).**indicates a very significant level(P<0.01);* indicates a significant level(P<0.05).
2.3 后作小麦3个土壤养分的影响
如图2所示,与复种玉米CK相比,夏闲期种植苜蓿改变了后作麦田地土壤有机质和碱解氮含量,分别提高1.20～3.38倍和4.08～5.42倍(P<0.05),然而,种植苜蓿也使土壤速效磷有一定程度降低。整体而言,苜蓿大播量(L)中还田日期(T2)处理更有利于土壤有机质、碱解氮含量的积累。
通过SAS软件ANOVA过程对表2数据进行3因素(苜蓿播量a、还田日期b、小麦生育时期c)互作方差分析,结果表明该试验模型差异极显著(P<0.01)。且苜蓿播量a、还田日期b、小麦生育时期c 3对小麦土壤有机质、碱解氮、速效磷含量的影响均达到极显著水平(P<0.01),互作效应a×c对小麦土壤碱解氮、有机质、速效磷含量的影响亦达到极显著水平(P<0.01)。
3 讨论与结论
杨晓晓[19]研究发现,夏闲期种植绿肥油菜能提高冬小麦单株株高、绿叶数、单株干质量、倒二叶长宽；张春[20]的研究显示,种植翻压绿肥能提高冬小麦的株高、单株干质量。本研究中,休闲期种植苜蓿可促进后作冬小麦前期生长,且苜蓿大播量的处理效果高于小播量。苜蓿播量大,固氮能力强,地上部干物质积累多,适当中还田(T2)既可以获得较大生物量又能有一定的腐解时间[21],为后作小麦提供更多的氮素等营养,从而促进其生长发育,建立充足的“源”。
图2 不同处理对小麦土壤养分的影响
Fig.2 Effects of different treatments on soil nutrients in wheat
种植绿肥可以提高后茬作物产量[21-23]。朱军等[24]研究表明,扬花期套种绿肥后小麦的千粒质量和产量较对照分别增加了5.0%～17.0%和12.0%～24.0%。万水霞等[25]研究结果表明施用紫云英绿肥能显著提高水稻产量。本研究中,苜蓿大播量(L)中还田日期(T2)的处理实际产量较对照提高了3.9%,与上述结论一致。苜蓿根系具有较强的固氮作用,播量越大,根系生长越密集,苜蓿作绿肥还田后,植株所含氮磷钾养分的释放对后茬作物的生长及产量产生一定的影响,达到节本增效的目的[26]。
绿肥作物还田施入土壤后,为后茬作物提供养分[27-28]。张硕等[29]研究显示,翻耕紫云英后土壤有机质和碱解氮含量较对照和种植前有极显著增加；丁静[30]研究表明,苜蓿-作物轮作模式可增加土壤碱解氮、有机质含量。本试验结果表明,与复种玉米的对照相比,夏闲期种植苜蓿显著提高了后作小麦土壤有机质和碱解氮含量,其中,大播量中还田的LT2处理下,小麦土壤有机质、碱解氮含量增加幅度最大。这可能与还田苜蓿量及腐解速率有关。由于苜蓿的播量多,还田腐解后形成的腐殖质增加了土壤的有机无机复合体,提高土壤的养分,供小麦吸收利用。苜蓿还田时间早,植株不易分解腐烂,且早还田时正值降雨期,雨水的淋溶作用可能造成土壤养分损失,晚还田时与后茬小麦播种同时进行,且苜蓿植株老化,茎叶纤维素或木质素含量升高,茎叶C/N比大,导致绿肥难以腐解。
绿肥通过根系吸收下层土壤中的磷,在腐解过程中释放的酸性物质等能促进难溶性磷的释放,土壤速效磷含量增加[31]。本试验中,苜蓿播量与还田时期互作降低了后作小麦土壤速效磷含量,这可能与苜蓿固氮消耗磷有关,详细机制有待后续进一步研究。
本研究结果表明,与CK相比,夏闲期种植苜蓿可促进冬小麦前期生长发育,提高后作小麦土壤有机质、碱解氮含量,其中以大播量中还田日期的处理效果最优。夏闲期种植苜蓿中,采用苜蓿大播量中还田日期处理是获得后作小麦高产的最佳组合方式。
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