陇东旱塬冬小麦复种饲草轮作系统产量和水分利用特征

邓建强,梁志婷,刘渊博,王自奎,沈禹颖

(兰州大学草地农业科技学院，草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃 兰州730020)

陇东旱塬冬小麦复种饲草轮作系统产量和水分利用特征

邓建强,梁志婷,刘渊博,王自奎,沈禹颖*

(兰州大学草地农业科技学院，草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃 兰州730020)

在陇东黄土高原大田条件下，连续2年研究了冬小麦-饲草复种轮作系统的干物质产量和水分利用，研究采用的处理有：休闲-冬小麦-箭筈豌豆-冬小麦(F-W-V-W)，休闲-冬小麦-饲用油菜-冬小麦(F-W-R-W)，饲用油菜-冬小麦-箭筈豌豆-冬小麦(R-W-V-W)和饲用油菜-冬小麦-饲用油菜-冬小麦(R-W-R-W)。结果表明：麦茬复种饲草可比麦茬休闲提高系统生产力27%，蛋白质产量增加1100 kg/hm2， 同时对后茬冬小麦产量无影响。R-W-R-W模式下干物质产量、粗蛋白产量、干物质水分利用效率和蛋白质水分利用效率均最优，分别为30.68 t/hm2、3.25 t/hm2、7.80 kg/(mm·hm2)和0.92 kg/(mm·hm2)(P<0.05)。复种饲用油菜较箭筈豌豆产量高，有效利用了麦茬后降雨量，但箭筈豌豆粗蛋白含量较饲用油菜高22.4%，因此确定麦茬复种模式则需权衡干物质产量与蛋白质产量的需求。

麦茬复种；饲草；干物质产量；水分利用效率

冬小麦(Triticumaestivum)是黄土高原陇东地区粮食生产的主要作物之一，其播种面积占当地粮食种植面积的60%～70%[1]，主要种植模式是传统多年连作。研究表明冬小麦多年连作方式会导致土壤侵蚀和养分流失，耕地质量下降[2-3]，尤其是冬小麦茬后休闲制度，不仅削弱了土地产出效益，且大量降水未得到高效利用，然而黄土高原地区降水资源短缺，且季节和年际间分布不均衡[4-6]，是限制该区农业生产的主要因素[7-8]，因此选择合理的冬小麦种植模式是提高该地区作物产出及水分利用效率的关键。研究指出冬小麦茬后复种可使作物增产20%[9-10]，同时还具有改善土壤团粒结构，减少病虫害，提高水分和土地利用效率等效果[11-12]。欧志宏等[13]研究显示长期实行合理的种植制度有利于增加土壤养分进而促产，Huang等[14]在我国黄土高原地区分析了不同作物轮作系统的水分利用，发现玉米(Zeamays)-冬小麦-高粱(Sorghumbicolor)轮作系统的产量和水分利用效率均比冬小麦连作显著提高23%～33%。胡志桥等[15]在石羊河流域试验研究得出油葵(Helianthusannuus)-小麦/黄豆(Glycinemax)和小麦/黄豆-小麦轮作模式下的水分利用效率较常规小麦-玉米轮作模式高30%～35%。近年来黄土高原区亦有多种麦茬复种轮作模式，如休闲-冬小麦-玉米等[16]、冬小麦-高粱-玉米[17]，但大部分都是基于不同粮食作物轮作倒茬，对于冬小麦茬后复种饲草模式下作物产量及水分利用效率复种效应研究较少，研究表明冬小麦茬后复种饲草模式既切合了粮草兼顾型农业对优质饲草的需求[1，18-19]，同时也是冬小麦生长地区有效利用降水资源，提高作物产量的有效措施之一[20]。因此本研究采用田间试验观测并分析了冬小麦后茬复种箭筈豌豆(Viciasativa)、饲用油菜(Brassicacampestris)系统的产量及水分利用效率，以期为黄土高原粮草兼顾型农业转型提供一定的理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

大田试验于2011-2013年在兰州大学庆阳黄土高原试验站(N 35°39′，E 107°51′，海拔约1297 m)进行，试验地位于甘肃省庆阳市西峰区什社乡，属于大陆性季风气候，春冬寒冷干燥，夏季多雨，多年平均年降雨量564 mm，且多集中于7-9月份，年平均蒸发量1504 mm，无霜期161 d，生长季255 d。土壤为黑垆土，表层(0～15 cm)土壤pH为7.93，全氮含量51mg/kg，有机碳含量为0.12%，有机质含量约1%。

2011和2013年全年降雨量分别较多年平均值(2001-2013年)高出9.5%和31.5%，2012年则低13.6%。2011和2012年复种饲草生育期间的降雨量分别比同期平均值增加10.8%和减少12.5%。2011-2012年和2012-2013年，冬小麦全生育期降雨量较多年平均值高31.3%和16.2% (图1)。

图1 试验地2011-2013年间逐月降雨量和多年平均降雨量值Fig.1 Monthly precipitation and long-term average of site from 2011 to 2013

1.2 试验设计

供试材料为饲油1号饲用油菜，该品种具有高产优质，能够充分利用休闲期间的降水资源，生产大量优质饲草，是小麦休闲期间可种植作物的最佳选择之一，陇育216冬小麦和陇箭3号箭筈豌豆，饲油1号是华中农业大学傅廷栋院士培育的饲用型油菜品种，陇箭3号箭筈豌豆是兰州大学选育的饲草型新品种，陇育216是当地冬小麦主要品种之一。

前茬冬小麦收获后，分别进行休闲(F)和饲用油菜(R)2个处理，每区667 m2，重复4次，共8个小区。2011年7月22日在小区内撒播饲用油菜“饲油1号”，播量15 kg/hm2，播种深度2 cm，播种时施尿素37.5 kg/hm2。2011年9月15日饲用油菜刈割收获，9月16日在8个区全部机械条播冬小麦“陇育216”(W)，播量225 kg/hm2，行距15 cm，播种时施有机肥600 kg/hm2。2012年7月16日冬小麦收获后，每个小区再裂为一半，分别播种饲用油菜和箭筈豌豆(V)，其中撒播箭筈豌豆时播量300 kg/hm2。2012年9月22日两种饲草刈割收获，9月23日全部播种冬小麦，形成4种复种模式：休闲-冬小麦-箭筈豌豆-冬小麦(F-W-V-W)、休闲-冬小麦-饲用油菜-冬小麦(F-W-R-W)、饲用油菜-冬小麦-箭筈豌豆-冬小麦(R-W-V-W)和饲用油菜-冬小麦-饲用油菜-冬小麦(R-W-R-W)，作物生长期间无追肥和灌溉处理。

1.3 作物田间管理

作物田间管理措施，包括播种和收获日期、播种方法、播种量等见表1。

表1 不同麦茬复种模式下作物管理Table 1 Crop management under winter wheat/forage catch cropping with rotation system

1.4 观测项目及采集

1.4.1 气象数据采集 试验站采用澳大利亚生产的PC200W自动气象站测定试验地逐日降水量，计算冬小麦全生育期(2011年7月20日-2013年9月30日)的月降水量，并与多年平均月降水量(2001-2013年)对比。

1.4.2 作物产量测定 饲草干物质产量测定：2011年9月和2012年9月，分别在饲用油菜和箭筈豌豆花期，样方法(0.5 m×0.5 m=0.25 m2)，齐地面刈割，植物鲜样置于65 ℃烘箱48 h后测定干质量。

小麦干物质测定：2012和2013年，分别于冬小麦成熟期，在各小区取6行1 m的样段(1 m×0.15 m×6=0.9 m2)，齐地面刈割，将小麦进一步分解为叶片、茎干、穗等，置于65 ℃烘干24 h，分别测定籽粒和秸秆干物质。

1.4.3 土壤水分测定 采用铝盒烘干法。用直径40 mm土钻于各作物播种期和收获期采集土样，取样层次为0～10、10～20、20～30、30～60、60～90、90～120、120～150和150～200 cm，每个小区内重复取3次，同层均匀混合，在105 ℃下烘48 h至质量恒定不变。土壤容重用环刀法测定。不同土层贮水量及水分利用效率计算公式为[21]：

SWS=Ws×d×b×10

式中：SWS为土壤贮水量(mm);Ws为土壤质量含水率(%);d为土层深度(cm);b为土壤容重(g/cm3)。

WUE=Y/ET，ET=SWSb-SWSh+P

式中：WUE为水分利用效率(mm);Y为作物产量(kg/hm2);ET为作物生育期耗水量(mm);SWSb为播前土壤贮水量(mm);SWSh为收后土壤贮水量(mm);P为作物生育期降雨量(mm)。

1.4.4 作物粗蛋白含量测定 采用凯氏定氮法，利用全自动定氮仪进行植物全氮测定。

1.5 数据统计分析

采用GenStat 17.0软件对数据进行统计分析，最小显著差异检验法(LSD)比较不同麦茬复种系统下作物产量和土壤水分利用效率的差异，显著水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同麦茬复种模式干物质产量

2011年麦茬复种饲用油菜(R)饲草产量为4.78 t/hm2，其后茬冬小麦(W)籽粒产量较休闲(F)后茬高10.34%(P>0.05)。2012年麦茬后复种饲用油菜干物质产量高达5.6 t/hm2，在R-W模式下比F-W高3.6%，复种箭筈豌豆(V)干物质产量0.99～1.27 t/hm2，在R-W模式下比F-W高28.3%(P>0.05)。2013年，F-W-V-W和R-W-V-W模式下冬小麦籽粒产量比F-W-R-W和R-W-R-W分别高41.40%和30.43%(P<0.05)，对于2011和2012年麦茬复种模式而言，复种饲用油菜模式下系统干物质产量显著高于其他3个模式(P<0.05)(表2)。

表2 不同冬小麦复种饲草轮作模式下各作物组分产量及系统总产量Table 2 Forage, grain straw yield and total dry matter under winter wheat-forage catch cropping with rotation system t/hm2

2.2 不同麦茬复种模式下粗蛋白产量

2011年麦茬后复种饲用油菜收获期粗蛋白产量为1.10 t/hm2，其后茬冬小麦籽粒粗蛋白产量较休闲(F)模式下低10.14%(P>0.05)。2012年麦茬复种箭筈豌豆模式饲草粗蛋白产量显著低于饲用油菜，表现为F-W-R-W和R-W-R-W模式下饲草粗蛋白显著高于F-W-V-W和R-W-V-W模式(P<0.05)。2013年冬小麦籽粒粗蛋白产量在F-W-V-W模式下最高，为0.38 t/hm2(P>0.05)，而小麦秸秆粗蛋白产量则在R-W-V-W模式下显著高于2个休闲模式(P<0.05)。综合2年内4个复种模式，R-W-R-W模式下的总粗蛋白产量显著高于其他3个模式(P<0.05)(表3)。

2.3 不同麦茬复种模式下土壤水分动态

2011年9月冬小麦播种期，前茬复种饲用油菜下0～200 cm土壤贮水量显著低于休闲模式，2012年6月冬小麦收获期，复种饲用油菜模式下深层150～200 cm土壤贮水量较休闲模式低1.84 mm。复种箭筈豌豆或饲用油菜后，其盛花期土壤水分含量在F-W-V、F-W-R和R-W-V模式下均高于播种期，仅R-W-R模式下0～20 cm土壤水分含量低于播种期，复种饲用油菜模式下深层120～200 cm土壤贮水量较休闲模式低31.49%。2013年冬小麦收获期，0～60 cm土壤含水量均较播种期低(图2)。以上结果表明油菜种植后能有效利用季节性降水，生产饲草，且油菜种植能够刺激作物对深层土壤水分的利用。

表3 不同麦茬复种模式下各组分粗蛋白产量Table 3 Crude protein yield of crops under winter wheat/forage catch crop rotation system t/hm2

图2 2011-2013年不同麦茬复种模式下作物生育期土壤剖面水分Fig.2 Soil water content in 0-200 cm soil depth at sowing and harvesting of each crop under winter wheat/forage cropping system from 2011 to 2013

2011年9月复种饲用油菜轮作模式下，冬小麦播种期0～200 cm土壤贮水量比休闲模式显著高20.3 mm(P<0.05)。2012年冬小麦收获期，复种饲用油菜模式下0～200 cm土壤贮水量比休闲-冬小麦模式低3.8%(P>0.05)，2012年麦茬后复种箭筈豌豆盛花期0～200 cm土壤贮水量较休闲-冬小麦模式下低14.86 mm(P>0.05)，2012年，麦茬后复种饲用油菜模式下饲草盛花期0～200 cm土壤贮水量较休闲-冬小麦模式显著高3.8%(P<0.05)，2013年冬小麦收获期，2年均有饲用油菜加入的R-W-R-W模式分别较休闲模式F-W-V-W、F-W-R-W显著低6.3%(P<0.05)和4.2%(P>0.05)(表4)。

表4 不同轮作模式下作物播种期和收获期土壤0～200 cm贮水量Table 4 Soil water storage of 0-200 cm soil depth at sowing and harvesting under winter wheat/forage cropping system mm

F：Fallow，R：Rape (Rape 1)，W：Winter wheat (Longyu 216)，V：Vetch (Longjian 3). 下同The same below.

2.4 不同麦茬复种模式下水分利用效率

2011年，饲用油菜干物质水分利用效率达到28.04 kg/(mm·hm2)， 2012年饲用油菜和休闲后茬的冬小麦籽粒及秸秆的水分利用效率间无差异(P>0.05)，麦茬后复种饲用油菜(F-W-R和R-W-R)的干物质水分利用效率显著高于麦茬后复种箭筈豌豆(F-W-V和R-W-V)(P<0.05)。2013年在F-W-V-W和R-W-V-W模式下冬小麦的干物质水分利用效率高于F-W-R-W和R-W-R-W模式(P<0.05)。对于2年的麦茬复种系统而言，R-W-R-W系统下干物质水分利用效率显著高于其他3个系统(P<0.05)(表5)。

表5 不同复种模式下各组分干物质水分利用效率Table 5 Water use efficiency of DM (WUEDM) under winter wheat,forage cropping system kg/(mm·hm2)

2011年饲用油菜盛花期蛋白质水分利用效率为6.46 kg/(mm·hm2)，2012年，F-W模式下的冬小麦籽粒蛋白质水分利用效率较R-W模式高，而秸秆蛋白质水分利用效率较R-W模式低(P>0.05)，F-W-V-W和R-W-V-W模式下饲草蛋白质水分利用效率较F-W-R-W和R-W-R-W模式下显著低2.14 kg/(mm·hm2)。2013年F-W-V-W和R-W-V-W模式下冬小麦籽粒和秸秆蛋白质水分利用效率分别高于F-W-R-W和R-W-R-W模式(P>0.05)。两茬饲用油菜复种模式下，R-W-R-W模式蛋白质水分利用效率显著高于其他3个模式，系统蛋白质水分利用效率高达0.92 kg/(mm·hm2)(P<0.05)(表6)。

表6 不同复种模式下各组分蛋白质水分利用效率Table 6 Protein water use efficiency of crops (WUECP) under different wheat stubble patterns kg/(mm·hm2)

3 讨论

3.1 麦茬复种饲草的系统干物质产量和蛋白质产量

干物质产量是衡量系统生产力水平的指标[22]。已有研究表明，冬小麦茬后休闲制度不仅使大量降水未得到高效利用，而且削弱了土地利用效率，而麦茬复种饲草能够充分利用7-9月土地空闲期，既保证了饲料油菜不占用其他粮食作物用地，又有效利用了农业雨，光、热资源[1，23-25]。本研究中R-W轮作模式系统总产量高于F-W轮作模式，其中R-W-R-W轮作模式下系统总产量较于其他3个轮作模式是最高的，而在2012年R-W轮作模式下冬小麦籽粒和秸秆产量均高于F-W轮作模式，由于油菜前茬能改善土壤结构[26]，降低后茬谷类作物病虫害的发生率[27]，从而促进冬小麦前期营养生长[23]，这与前人[28-29]得到的研究结果一致。2012年F-W-R-W和R-W-R-W轮作模式下饲草产量分别显著高于F-W-V-W和R-W-V-W模式，陈其鲜等[30]指出饲油1号产量较高，鲜草产量较豆科牧草箭筈豌豆高29.55%，由于饲用油菜较豆科植物相比，具有更高的耗水特性，进而能充分利用麦茬后休闲降水生产大量饲草[31]。2013年饲用油菜前茬模式较箭筈豌豆前茬模式冬小麦籽粒、秸秆生物量均较低，这与前人[32]研究得出的饲草前茬下冬小麦产量相差不大结果不同，由于冬小麦生育前期降水资源严重不足，加上秋播饲用油菜后对土壤的水分消耗大于箭筈豌豆[33]，影响饲草后茬冬小麦前期的分蘖。本研究结果中豆科牧草箭筈豌豆作为麦茬复种作物，其粗蛋白含量比油菜高22.4%，比冬小麦籽粒高27.4%，冬小麦秸秆含氮量仅是箭筈豌豆的26.5%，但是由于饲用油菜能够充分利用夏秋之交的降水资源，生产粗蛋白含量较高的饲草，饲用油菜作为麦茬复种作物，其生物产量要显著高于豆科牧草，最终表现为R-W-R-W轮作系统总生物量和粗蛋白产量均显著高于F-W-V-W、F-W-R-W和R-W-V-W轮作系统，这足以弥补粗蛋白产量及饲草品质较低的损失，在粮草兼顾农业系统中，优质蛋白质饲草是满足优质畜产品生产的前提，确定麦茬复种轮作模式则需权衡干物质产量与蛋白质产量的需求，这也是应对当前粮食生产库存有余，而优质饲草供应不足的现状的途径之一。

3.2 麦茬复种饲草模式的水分利用效率

Larbi等[34]的研究表明，饲草生长季干物质产量与土壤水分密切相关，麦茬后复种饲草是合理的轮作模式，可以更好地应对因季节性降水不平衡造成的土壤水分亏缺等问题[35]，将饲草引入作物轮作系统中可增加土壤水分利用效率[36-37]。本研究结果显示2011年7月至9月有385.1 mm的降水，足以满足饲用油菜的生长，后茬小麦产量并未受到影响，R-W轮作模式系统干物质水分利用效率显著高于F-W轮作模式，其中R-W-R-W轮作模式下系统干物质水分利用效率是最高的，在2012年R-W轮作模式下冬小麦籽粒和秸秆干物质水分利用效率均高于F-W轮作模式，这与Nielsen等[10]和Lenssen等[38]的结果一致，由于饲用油菜前茬对水分的大量消耗，导致后茬冬小麦对土壤深层含水量的利用率加大。2012年复种饲用油菜轮作模式下干物质水分利用效率显著高于复种箭筈豌豆轮作模式，由于秋播饲用油菜对水分消耗高于箭筈豌豆，生产大量饲草。2013年箭筈豌豆前茬复种模式小麦籽粒和秸秆干物质水分利用效率均高于饲用油菜复种模式，由于2012年饲用油菜生育时期对土壤水分的大量消耗导致后茬冬小麦生育时期水分不足。对于系统而言，饲用油菜具有较高的产量和WUEDM[39]，提高了系统水分利用效率， R-W-R-W模式下WUEDM相比其他3个模式最高，这与赵摇刚[40]得到的种植油菜处理冬小麦产量增加7.5%一致。在粮草兼顾农业系统中，优质蛋白质饲草是满足优质畜产品生产的前提。因此，麦茬复种模式的选择需权衡干物质产量与蛋白质产量的需求。

4 结论

1)饲用油菜-冬小麦-饲用油菜-冬小麦的轮作模式下干物质产量、粗蛋白产量、干物质水分利用效率和蛋白质水分利用效率分别为30.68 t/hm2、3.25 t/hm2、7.80 kg/(mm·hm2)和0.92 kg/(mm·hm2)，均显著高于其他3个轮作模式，是最佳轮作模式。

2)麦茬复种饲草可比麦茬休闲提高系统生产力27%，蛋白质产量增加1100 kg/hm2，同时，复种饲油R-W模式中冬小麦产量与休闲模式下接近，这为陇东旱塬区麦茬后复种饲油1号饲草提供了科学依据。

3)麦茬后复种箭筈豌豆产量显著低于饲用油菜，但是其粗蛋白含量比油菜高22.4%。同时在降水亏欠年份，冬小麦收获后复种生物量相对低的一年生豆科饲草，可降低因水分竞争对小麦产量的影响。因此在粮草兼顾性农业中，确定麦茬复种轮作模式则需权衡干物质产量与蛋白质产量的需求。

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Dry matter production and water use of winter wheat-forage catch crop rotation systems on the Longdong Loess Plateau

DENG Jian-Qiang, LIANG Zhi-Ting, LIU Yuan-Bo, WANG Zi-Kui, SHEN Yu-Ying*

CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity，StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,Lanzhou730020,China

A field experiment was conducted to study the effects of winter wheat/forage catch crop rotation systems on dry matter production and water use. This experiment was conducted at the Qingyang Experimental Station of Lanzhou University, which is located in the central part of the Loess Plateau. Four crop rotation systems were tested: fallow/winter wheat (Triticumaestivum)/vetch (Viciasativa)/winter wheat (F-W-V-W); fallow/winter wheat/rape (Brassicacampestris)/winter wheat (F-W-R-W); rape/winter wheat/vetch/winter wheat (R-W-V-W); and rape/winter wheat/rape/winter wheat (R-W-R-W). The results showed that the system productivity of R-W was 27% higher than that of F-W. Compared with F-W, R-W showed 1100 kg/ha greater crude protein yield, but there was no significant difference in the yield of winter wheat stubble. Among the four cropping systems, the R-W-R-W rotation system showed the highest dry matter production, crude protein yield, water use efficiency, and protein water use efficiency [30.68 t/ha, 3.25 t/ha, 7.80 kg/(mm·ha), and 0.92 kg/(mm·ha), respectively]. The yield and water consumption of rape were higher than those of vetch, indicating that precipitation after the winter wheat crop was used more efficiently by rape. However, the protein content of vetch was 22.4% higher than that of rape. This result highlighted the importance of evaluating the relationship between dry matter production and crude protein yield to judge the benefits of different rotation systems.

winter wheat and catch cropping rotation; forage crop; dry matter production; water use efficiency

10.11686/cyxb2016131

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-03-23；改回日期：2016-06-06

甘肃省草原技术推广总站下达项目-陇东旱区粮草轮作系统的模式及关键技术研究,教育部重大科技项目(313028)和甘肃省重大科技专项(1203FKDA035)资助。

邓建强(1990-)，男，江西抚州人，在读硕士。E-mail:dengjq15@lzu.edu.cn

*通信作者Corresponding author. E-mail:yy.shen@lzu.edu.cn

邓建强, 梁志婷, 刘渊博, 王自奎, 沈禹颖. 陇东旱塬冬小麦复种饲草轮作系统产量和水分利用特征. 草业学报, 2017, 26(2): 161-170.

DENG Jian-Qiang, LIANG Zhi-Ting, LIU Yuan-Bo, WANG Zi-Kui, SHEN Yu-Ying. Dry matter production and water use of winter wheat-forage catch crop rotation systems on the Longdong Loess Plateau. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(2): 161-170.