不同绿肥和覆膜措施对渭北旱塬冬小麦产量和土壤水分动态的影响

陈 姣，张 池，陈玉佩，Rana Ammar，曹卫东，高亚军,3，王朝辉，黄冬琳，张达斌,3*

（1 西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌 712100；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081；3 农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌 712100）

渭北旱塬地区位于陕西关中平原以北，陕北丘陵沟壑区以南，是我国典型的旱作雨养农业区。该地区主要种植模式为传统的夏休闲–冬小麦一年一熟制。据统计，该地区全年60%～70%的降水集中发生在夏季休闲期(7—9月)[1]，该时期暴雨居多、水土侵蚀严重，易引起土壤质量和基础地力下降，影响产量的进一步提升[2]。因此，通过采取有效的农艺措施来降低水土流失发生频率，提高降雨利用效率并提升旱地土壤肥力水平，对于保证该地区粮食作物稳产增产，促进区域绿色农业可持续发展具有重要意义。

国内外大量研究表明，长期种植翻压绿肥/覆盖作物不仅可以降低水土流失发生的频率，改善土壤水分状况，同时能够有效培肥地力，提升土地生产力水平[3–4]。朱青等[5]在贵州省的田间试验发现，与休闲对照相比，种植绿肥作物提高旱坡地覆盖度52.1%～66.7%，在雨季可减少地表径流62.6%，减少土壤侵蚀量78.4%。杨曾平[6]研究结果表明，在稻田休闲期长期种植紫云英、黑麦草和油菜绿肥较休闲处理可以使0—15 cm土层的土壤持水量分别增加13.0%、10.3% 和 4.7% (P<0.05)。Basche 等[7]研究认为，若田间管理得当，在玉米–大豆轮作系统中引入绿肥作物即使在干旱年份也能够较休闲对照显著增加土壤贮水量，减少地表蒸发，促进经济作物稳产增产。Sapkato等[8]在意大利比萨连续17年种植红丁香作为覆盖作物，研究发现红丁香的多年种植使得0—10 cm土壤有机质含量增加19.6%。有机质含量作为评价土壤质量高低的重要指标之一，其含量的提升可以有效增强土壤微生物的生物活性，并改善土壤的理化性质，为后茬作物补充养分，促进作物产量提高[4]。研究表明，种植绿肥可增加土壤全氮、硝态氮、有效锌和有效锰含量，降低土壤pH、有效磷和有效硫含量[2]。另外，绿肥在改善土壤物理性质方面也有显著作用，主要是因为其在腐解过程中，形成了腐殖质等有机胶体，与土壤结合成为有机-无机复合胶体，对改善土壤结构有重要意义。绿肥的根系生长，也可以有效降低根际土壤的容重，增加土壤渗透系数以及总孔隙率[9]。刘国顺等[10]通过在河南省不同地区种植和翻压绿肥，发现翻压绿肥能有效降低土壤容重，降幅为0.03～0.1 g/cm3。种植绿肥有诸多益处，然而国内外也有研究学者发现[11–12]，在半干旱和干旱地区降水稀缺的年份种植绿肥作物，会因其在生长期消耗过多的水分而导致后茬作物减产。赵娜等[12]在2008—2009年研究发现，在渭北旱塬地区夏休闲期种植并翻压豆科绿肥显著降低后茬冬小麦产量。何刚等[13]在陕西省长武县的田间试验也发现了相似的规律，干旱年种植绿肥的冬小麦籽粒产量较常规(即裸地休闲)显著减少5%。Yang等[14]在同样的地点进行的试验也发现，在夏休闲期种植豆科绿肥会使下季冬小麦产量减少15%。半干旱环境下进行两年休耕期绿肥轮作，其生长使土壤水分减少了178 mm，并降低了后茬作物籽粒产量，具体表现为冬小麦播前土壤含水量每降低1 mm，籽粒产量降低 12～16 kg/hm2[15]。Nielsen 等[11]的研究也得出了相似的结果。

既然在降水稀缺年份夏休闲期间种植绿肥消耗土壤水分不可避免，如何通过行之有效的农艺措施来减少绿肥作物生长期间的水分消耗量？地膜覆盖作为黄土高原旱地农业的一项十分成熟且重要的保水技术措施，在生产上已得到广泛推广应用[16]。大量研究表明，地膜覆盖能够有效改善土壤水、热状况[17]，提高土壤微生物活性和作物根系生长[18]，促进作物生长发育，发挥明显的增产和提高水分利用效率的作用[19–20]，其中垄覆沟播所取得的增产保墒效果尤为突出。垄覆沟播是地膜覆盖的一种形式，与全膜覆盖不同，它是指在田面起垄，垄面覆膜，沟内不覆盖地膜并种植作物的旱作栽培措施，能够起到集雨、保墒、增温的作用，减少土壤氮素残留，提高氮素利用效率[21–22]。有学者研究发现，垄膜集雨可有效蓄积作物生育期降雨，抑制土壤水分蒸发[23–25]，提高作物的水分利用效率并最终促进作物产量的提高。在甘肃中部垄覆沟播使小麦产量提高20%～29%，水分利用效率提高12%～14%[26]。在山西南部，垄覆沟播小麦增产12%～14%[27]，但底墒不足的年份也会减产[28]。渭北旱塬的长期定位田间试验表明，冬小麦生育期在地表起垄覆膜能集中相对较少的降雨量，可为沟内冬小麦生长提供相对较多的水分，尤其在干旱年份效果更佳，能够提高水分利用效率17.4%～20.5%，同时增产11.1%～15.7%[29]。

目前，在农业生态系统中，对夏休闲期种植绿肥或地膜覆盖单一栽培技术在调控作物水分利用以及产量效应等方面已经取得一定的研究进展，但两种栽培技术相结合对水分协调作用的研究未见报道。因此，本研究通过两年田间定位试验，探索不同绿肥以及不同覆膜措施对渭北旱塬冬小麦产量形成、土壤水分动态变化规律以及水分利用效率的影响，旨在解决降水稀缺年份种植绿肥导致后茬作物减产的难题，建立高产高效的冬小麦–夏绿肥种植体系，为进一步提高旱地水肥资源利用率，发展并完善黄土高原地区绿肥作物综合利用技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于陕西省永寿县御驾宫乡御中村(34°29′9N，107°56′6E)。该区海拔 992 m，多年平均降水量为525 mm，主要集中在夏季7—9月份，年均蒸发量1100 mm，年平均气温10.5℃，无霜期210天。该试验开始于2017年6月，试验地土壤为黑垆土，成土母质主要为第四纪风成黄土，土层深厚，土质均一，以粉粒为主，0—200 cm土壤贮水量297.68 mm。种植前采集试验田 0—10、10—20 cm耕层土壤样品作为基础土样，测定土壤水分及矿质氮含量，将土样去杂、风干、研磨，分别过1 mm和0.25 mm筛，参考《土壤农化分析》[30]分析pH、土壤基础养分(全氮、全磷、全钾、有机质、矿质氮、有效磷和速效钾)的含量，基本理化性状见表1。

表1 土壤基础化学性质Table 1 Basic chemical properties of soil

供试地区1992—2018年降水量见图1，根据国内常用的降水年型划分标准[31]，2017—2018年总降水量 (537.8 mm)接近年均降水量 (525 mm)，划分为平水年；2018—2019年总降水量(417.1 mm)比年平均降水量低约20.6%，属于干旱年。

图1 2017—2019年夏休闲期和冬小麦生育期降雨量Fig. 1 Precipitation during the winter wheat growing season and summer fallow season from 2017 to 2019

1.2 试验设计

田间试验采取裂区试验设计，以轮作绿肥为主区，主区面积为 168 m2(4 m × 42 m)；覆膜措施为副区，副区面积为 56 m2(4 m ×14 m)。轮作包括油菜(Brassica napusL.，秦优 10 号)和黑麦豆 (Glycine maxL. merr.，当地豆科品种) 两种绿肥作物，以夏季裸地休闲为对照；覆膜措施包括常规耕作和垄覆沟播。共6个处理：裸地休闲(F)、休闲+垄覆沟播(FM)、轮作黑麦豆(B)、轮作黑麦豆+垄覆沟播(BM)、轮作油菜(R)、轮作油菜+垄覆沟播(RM)，每个处理重复3次，共18个小区。

本试验在每年6月份收获小麦后立即播种绿肥，油菜和黑麦豆播种量分别为 7.5 kg/hm2和 120 kg/hm2。绿肥种植前不施肥，其他田间管理与大田措施一致。9月上旬至中旬清除残膜并使用秸秆还田机将绿肥切碎，进行原地翻压还田，9月下旬至10月初继续播种小麦。常规耕作不起垄，也不进行地膜覆盖。垄覆沟播处理采用小麦覆膜播种机一次完成起垄、覆膜和播种任务，沿小区长边进行，播种机宽幅1.8 m，每小区种16行小麦，行距15 cm，地膜有4行，地膜宽 35 cm，垄宽 30 cm、高 8 cm，沟宽 30 cm，小麦(洛旱6号)播量为150 kg/hm2。夏休闲期间保持地膜覆盖，垄面集雨保墒。绿肥季不施氮磷肥；小麦播种前，所有小区氮磷用量一致且作为基肥一次性施入，其中施氮量为 180 kg/hm2、施磷量为 120 kg/hm2。作物生长期间的田间管理同当地农户。

1.3 测定项目和方法

在绿肥盛花期、冬小麦播前、开花期和收获期每20 cm为一层，采集土样并测定0—200 cm的土壤水分含量。从每个小区0—20 cm土层随机采3个样点，20—200 cm土层采1个样点，同层土壤样品混合均匀后，采用四分法取一部分作为分析样品，剩余的土壤分别按原土层进行回填。将分析样品迅速装入预先标记好的塑料袋并带回实验室，取约30 g样品105℃烘48 h至恒重并测定土壤含水量。对于常规耕作在小麦行间取样，垄覆沟播分别在垄上和行间取样，以垄上和行间的平均值作为该覆膜模式的测定结果。

依据土壤含水量计算土壤贮水量(WS，mm)[32]：

式中：Di为土壤容重(g/cm3)；Hi土层深度(cm)；Wi为土壤含水量(%)；n为土层数量。

式中：WS1为冬小麦播前0—200 cm土壤贮水量；WS2为小麦收获期0—200 cm土壤贮水量。

式中：ET为生育期作物耗水量(mm)；P为生育期降水量(mm)；I为灌溉量(mm)；U为地下水补给量(mm)；R为径流量(mm)；F为深层渗漏量(mm)。本试验地位于旱区，周围村庄无灌溉条件，并且地下水位在10 m以下，地势平坦，冬小麦生育期无明显地表径流。因此I、U、R和F 可忽略不计。

式中：Y为冬小麦籽粒产量(kg/hm2)；ET 为冬小麦生育期作物耗水量(mm)。

式中：Y为冬小麦籽粒产量(kg/hm2)；M为冬小麦生物量(kg/hm2)。

冬小麦返青期及开花期时，在每个小区随机选取10个样点并采集长势一致的小麦各1株，分器官测定植株鲜重。带回实验室后将小麦样品置于烘箱中，95°C 杀青 30 min，65°C 烘至恒重，测定其干重。小麦收获时，随机选取长势均匀的6列冬小麦，每一列采集1m长并连根拔起，于根茎结合处将根系剪去，地上部分为茎叶和穗。风干后，分别称取茎叶和穗风干质量，人工脱粒，分为籽粒和颖壳并称取籽粒风干质量。随后分别取部分小麦各器官于95℃下杀青30 min，65℃烘干至恒重，测定烘干重量并计算水分含量。冬小麦产量采用4 × 1 m2样方收获法估测。小麦收获期的产量、生物量和千粒重均用烘干质量表示，计算收获指数。

1.4 数据处理与统计分析

使用 Microsoft Excel 2019 进行数据预处理并作图，SPSS 19.0软件进行数据统计分析。除部分数据采用单因素方差分析(One-way ANOVA)，其他测定数据均采用裂区试验设计分析方法，并采用LSD法进行多重比较(P<0.05为差异显著)。

2 结果与分析

2.1 冬小麦关键生育期生物量

由图2可见，2017—2018年，轮作黑麦豆和油菜作绿肥较夏休闲显著提高了冬小麦返青期地上部生物量，增幅分别为38.3%和25.8%；开花期，轮作黑麦豆与夏休闲处理小麦地上部生物量无显著差异，轮作油菜处理的小麦地上部生物量最低，与夏休闲相比降幅为27.2%；至收获期，轮作黑麦豆处理的小麦地上部生物量显著高于夏休闲和轮作油菜，增幅分别为8.2%和10.2%。此外，轮作黑麦豆和油菜处理的小麦根系生物量在返青期和开花期较夏休闲处理分别提高49.8%～54.2% (P<0.05)和43.9%～58.0%(P<0.05)，而在收获期其根系生物量较夏休闲降低4.6%～8.0%。2018—2019年，冬小麦返青期地上部生物量轮作油菜>夏休闲>轮作黑麦豆；开花期和收获期，轮作黑麦豆和油菜处理的小麦地上部生物量(包含穗)均显著低于夏休闲，降幅分别为34.1%～59.8%和45.7%～69.6%。小麦返青期，轮作油菜处理的小麦根系生物量较夏休闲和轮作黑麦豆处理分别提高89.5% (P<0.05)和85.6% (P<0.05)；小麦开花期，轮作油菜处理与夏休闲相比根系生物量无显著差异，而轮作黑麦豆处理根系生物量较夏休闲降低了59.8% (P<0.05)；到了收获期，轮作黑麦豆处理根系生物量仍显著低于夏休闲和轮作油菜处理。

图2 2017—2019年不同处理冬小麦返青期、开花期和收获期地上部和根系生物量Fig. 2 The dry weight of above-ground tissues and roots of winter wheat under different treatments at the reviving,flowering,and harvesting stages from 2017 to 2019

垄覆沟播对冬小麦返青期、开花期和收获期地上部和根系生物量的影响不同，同时在不同年份不同处理间的规律也不一致(图2)。具体来看，2017—2018年轮作黑麦豆+垄覆沟播处理冬小麦返青期的地上部和根系生物量均显著高于轮作黑麦豆处理，但在开花期和收获期二者差异不显著。轮作油菜+垄覆沟播处理在冬小麦返青期地上部生物量较轮作油菜处理降低17.6% (P<0.05)；开花期，轮作油菜+垄覆沟播和轮作油菜两个处理小麦地上部生物量无显著差异；收获期，轮作油菜+垄覆沟播处理小麦地上部生物量较轮作油菜处理增加10.7%，差异达到显著水平。2018—2019年轮作油菜处理+垄覆沟播处理和轮作黑麦豆+垄覆沟播处理冬小麦返青期的地上部生物量均显著高于对应的不覆膜处理，增幅为22.4%(P<0.05)，但在开花期差异不显著。收获期轮作黑麦豆+垄覆沟播处理的小麦地上部和根系生物量均显著高于轮作黑麦豆处理。

2.2 冬小麦产量及其构成因素

由表2可知，轮作不同绿肥对冬小麦产量和收获指数的影响随年份不同而有所差异。两年间，轮作黑麦豆处理的冬小麦籽粒产量均显著低于夏休闲，平均降幅为41.7% (P<0.05)；轮作油菜处理的冬小麦籽粒产量仅在2018—2019年显著低于夏休闲，降幅为53.5% (P<0.05)。平水年和干旱年，轮作油菜处理的产量比轮作黑麦豆处理的产量分别高出 9.3%和43.5% (P<0.05)。轮作不同绿肥处理间的冬小麦收获指数与产量的变化规律大体一致。绿肥显著影响了冬小麦的产量和收获指数。2017—2018年轮作不同绿肥处理的穗数、穗粒数以及千粒重均与夏休闲无显著差异，但在2018—2019年轮作绿肥处理的穗粒数和千粒重均显著低于夏休闲处理，降幅分别为37.0%～38.1%和14.9%～29.0%，这可能与2019年3月份较低的降雨有关。

表2 2017—2019年不同处理冬小麦产量、收获指数和产量三要素Table 2The grainyield andyield components of winter wheat under different treatments from 2017 to 2019

与常规耕作相比，2017—2018年垄覆沟播显著降低了冬小麦籽粒产量和收获指数；2018—2019年，垄覆沟播处理的小麦产量和收获指数与常规耕作相比无显著差异。与产量结果规律一致，2017—2018年垄覆沟播处理的单位面积穗数显著低于常规耕作处理，而在2018—2019年垄覆沟播处理小麦的单位面积穗数和千粒重显著高于常规耕作，增幅分别为25.0%和3.8%。试验期间轮作绿肥和垄覆沟播对冬小麦产量、收获指数以及产量三要素(除2019年小麦千粒重外)均无显著交互作用。

2.3 冬小麦水分利用效率

与产量结果规律类似，轮作绿肥不同程度地降低了冬小麦生育期耗水量(表3)。具体来看，2017—2018和2018—2019年，轮作黑麦豆和油菜的冬小麦生育期耗水量较夏休闲分别减少了7.3%～8.6%和25.1%～36.8% (P<0.05)。因此，轮作油菜处理显著提高了2018年(平水年)的水分利用效率，增幅为7.4%，但轮作黑麦豆处理与夏休闲的水分利用效率差异未达显著水平；然而，2019年(干旱年)轮作黑麦豆和油菜均显著降低了小麦的水分利用效率，较夏休闲分别降低了58.5%和38.3% (P<0.05)，这或许是该年份绿肥处理下冬小麦大幅度减产原因之一。

表3 2017—2019年轮作不同绿肥和覆膜措施处理冬小麦耗水量和水分利用效率Table 3 Water consumption (ET) and water use efficiency (WUE) of winter wheat under different rotation and mulching treatments from 2017 to 2019

2017—2018和2018—2019年，垄上覆膜与常规耕作相比，没有显著影响小麦生育期耗水量，但平水年显著提高了小麦水分利用效率，增幅为5.5%(P<0.05)。2018—2019年，垄覆沟播对生育期作物耗水量和水分利用效率均无显著交互作用。此外，试验期间轮作不同绿肥和覆膜措施对冬小麦生育期耗水量无显著交互作用，但对水分利用效率呈现出显著的交互作用。

2.4 土壤水分含量动态变化

图3显示，冬小麦播种前和收获时0—100 cm的土壤含水量较100—200 cm变幅更大，而开花期的差异则不明显。整体来看，常规耕作处理下不同绿肥体系冬小麦播前0—100和100—200 cm的土壤平均含水量分别为177和155 mm，分别占0—200 cm土层总含水量的53%和47%。小麦开花期0—100和100—200 cm土层的平均土壤含水量分别为147和164 mm，分别占0—200 cm土层总含水量的47%和53%。至冬小麦收获时，0—100和100—200 cm土层的平均土壤含水量分别下降至129和146 mm，但占0—200 cm土层总含水量比例依旧为47%和53%。轮作不同绿肥+垄覆沟播处理下的土壤0—200 cm土层水分含量与常规耕作处理无显著差异且变化规律一致。夏休闲处理下不同耕作措施冬小麦播前0—100和100—200 cm土层的土壤平均含水量分别为204和163 mm，分别占0—200 cm土层总含水量的56%和44%；小麦开花期0—100和100—200 cm土层的平均土壤含水量分别为147和169 mm，分别占0—200 cm土层总含水量的47%和53%；至冬小麦收获时，0—100和100—200 cm土层的平均土壤含水量分别下降至120和142 mm，占0—200 cm土层总含水量比例分别为46%和54%。轮作黑麦豆处理下不同耕作措施冬小麦播前0—100和100—200 cm土层的土壤平均含水量分别为161和150 mm，分别占0—200 cm土层总含水量的52%和48%；小麦开花期0—100和100—200 cm土层的平均土壤含水量分别为150和160 mm，分别占0—200 cm土层总含水量的48%和52%；至冬小麦收获时，0—100和100—200 cm土层的平均土壤含水量分别下降至140和144 mm，分别占0—200 cm土层总含水量的49%和51%。轮作油菜处理下不同耕作措施冬小麦播前0—100和100—200 cm土层的土壤平均含水量分别为170和154 mm，分别占0—200 cm土层总含水量的52%和48%；小麦开花期0—100和100—200 cm土层的平均土壤含水量分别为144和158 mm，分别占0—200 cm土层总含水量的48%和52%；至冬小麦收获时，0—100和100—200 cm土层的平均土壤含水量分别下降至130和145 mm，分别占0—200 cm土层总含水量的47%和53%。

图3 2017—2018和2018—2019年不同处理冬小麦播前、开花期和收获期0—200 cm土壤水分状况Fig. 3 Soil water contents at 0–200 cm depth before sowing,and at flowering and harvesting stages of winter wheat under different treatments during 2017–2018 and 2018–2019

与对照相比，在平水和干旱年轮作不同绿肥均显著降低0—200 cm土壤含水量，降幅分别为10.1%和15.7%。在垄覆沟播的条件下，与常规耕作相比，轮作绿肥处理在平水和干旱年均显著降低了0—200 cm土壤含水量，降幅分别为10.3%和19.3%。试验第1年各轮作绿肥处理在40—100 cm土层均出现了不同程度的水分亏缺。这种水分亏缺现象在干旱年份会对后茬冬小麦的生长及产量的形成造成负面影响。整体来看，连续2年轮作绿肥较夏休闲平均降低冬小麦播前0—200 cm土壤含水量43.7～56.3 mm，其中83%水分亏缺集中于0—100 cm土层，17%的水分亏缺发生在100—200 cm土层。到小麦开花期，与夏休闲相比轮作绿肥的两个处理依旧有水分亏缺存在，但亏缺程度逐渐缩小。至冬小麦成熟期时，不同处理土壤含水量间无显著差异。

此外，连续2年轮作绿肥+垄覆沟播较夏休闲+垄覆沟播平均降低冬小麦播前0—200 cm土壤含水量56.3 mm，其中73%水分亏缺集中于0—100 cm土层，27%的水分亏缺发生在100—200 cm土层。到小麦开花期，依旧有水分亏缺存在，但轮作绿肥处理与夏休闲差异极小。至冬小麦收获时，水分出现盈余。

3 讨论

3.1 不同绿肥和覆膜措施对冬小麦前期生长和产量形成的影响

本研究发现种植黑麦豆用作绿肥后，冬小麦籽粒产量与夏休闲相比显著降低。这可能是由于试验期间降水量较低，并且由于黑麦豆较高的生物量，在生育期消耗了更多的土壤水分，导致后茬冬小麦减产；同时，该减产效应在干旱年份表现更为突出。而轮作油菜后冬小麦籽粒产量在试验第一年与夏休闲几乎持平，但在试验第二年却显著低于夏休闲。值得注意的是，当降水严重不足时后茬小麦的减产效应逐渐显现出来。这与何红霞等[2]的研究结论一致，旱地小麦与绿肥轮作时，其产量增加与否与年降水量高低直接相关。干旱年份，绿肥处理小麦籽粒产量降低6.3%～14.0%，而在降水充沛的年份，轮作绿肥对冬小麦具有明显的增产效果[35]。还有研究发现，虽然轮作作物生长会消耗一定的土壤水分，但如果降雨能在后茬作物种植后使土壤水分恢复到与休闲期相同的水平，则不会对作物产量以及生物量造成影响[7]。本研究中由于小麦越冬期到返青期受旱，小麦生长前期土壤水分供应不足，即使后期降雨增多依旧会影响小麦穗数形成，并伴有生长冗余，最终使得垄覆沟播籽粒产量和收获指数均显著低于夏休闲。这与Li等[36]的研究结果有所不同，他们发现地膜覆盖可以使作物产量显著提高13%～15%。造成不同的原因可能与垄覆沟播覆膜方式不同有关，本试验中仅在垄上进行了地膜覆盖，而Li等[36]研究中垄上和沟中均进行了覆盖。轮作绿肥处理与覆膜措施没有显著交互作用(2018—2019年千粒重除外)，说明轮作绿肥+垄覆沟播对小麦产量不会产生显著影响。

值得注意的是，种植绿肥对冬小麦返青期的生物量具有一定的促进作用，说明种植绿肥作物可以促进作物前期营养生长。而开花期至收获期，绿肥对冬小麦生长和产量形成的正面影响逐渐消退。这可能是由于返青期和灌浆期为冬小麦的关键需水期[37]，在小麦返青后长期受旱且不能得到及时的降雨补给会导致减产严重，而种植绿肥处理减产效果更为明显。

3.2 不同绿肥和覆膜措施对冬小麦水分利用效率的影响

本研究结果表明，轮作绿肥会降低小麦生育期的耗水量。在雨养农业中，小麦生育期的耗水主要来源于两个部分：一部分来自生长季内的降水，另一部分来自于小麦播前的土壤水分存储[38]。考虑到同时期同地域作物生长季降雨量一致，轮作绿肥降低小麦生育期耗水量的主要原因则与小麦播前土壤贮水量显著降低有关，这导致土壤水分在冬小麦整个生育期的供应能力变差，减弱了冬小麦关键营养期的蒸腾作用和光合作用，进而限制了作物后期生殖生长[33]。这与 Zhang 等[39]和 Muñoz-Carpena 等[40]的研究结果一致。

地膜覆盖可以改变农作物的耗水方式，既可以减少早期土壤水分蒸发、增加后期作物蒸腾所需、促进作物养分吸收和生物量积累，又可以将耗水量从土壤水分蒸发转化为作物蒸腾，或从无效消耗变为有效消耗，进而减少总耗水量[41]。然而，地膜覆盖情况下土壤深层水分较为充足，作物扎根深度及根量增加，又会加剧对土壤水分的进一步消耗，因此导致垄覆沟播与常规耕作的土壤耗水量一致[42]，对小麦生育期的耗水量无显著影响。该结果与孙仕军等[43]地膜覆盖显著降低了作物全生育期耗水量的研究结果有所不同，这可能与作物种类和种植方式有关。轮作绿肥处理与覆膜措施对小麦生育期耗水量没有显著交互作用。

水分利用效率是指作物消耗单位重量水分所产生的籽粒产量，是衡量作物产量与用水量关系的一种指标。种植绿肥和地膜覆盖均会对旱地冬小麦水分利用效率产生影响[35,44]。试验第1年，夏休闲期种植油菜用作绿肥显著提高了冬小麦水分利用效率，可能是由于2017—2018年降雨相对充足，轮作油菜生长消耗了较少的土壤水分，使得冬小麦播前土壤含水量高于轮作黑麦豆处理，同时绿肥翻压还田有利于改善土壤理化性质[4]，在保证小麦籽粒产量的同时降低了生育期耗水量，使得水分利用效率有所提高。这与He 等[33]的研究结果一致。第2年轮作绿肥后相比于夏休闲较低的冬小麦水分利用效率，与翻压绿肥所引起后茬作物较低的生产力水平有关。该结果与前人[45–46]研究结果相似。另外，本研究的冬小麦水分利用效率较低也可能与田间试验布置的试验周期较短(少于3年)有关[35]。

垄覆沟播在平水年能提高冬小麦水分利用效率，这与He 等[33]的研究结果一致。地膜覆盖能抑制土壤水分的无效蒸发，促进作物的蒸腾效率，从而有利于提高作物的水分利用效率。此外，本研究发现地膜覆盖并不总对作物水分利用效率表现出提高的效果。在降雨稀缺的干旱年份，垄覆沟播对作物水分利用效率并没有显著影响，可能是由于地膜覆盖促进作物的营养生长，尤其是膜下作物根系的大量生长，导致过多的水分消耗，加上生育期降雨不能及时补充，进而限制作物后期的生殖生长，降低水分利用效率[47]。

3.3 不同绿肥和覆膜措施对土壤水分动态的影响

对于旱区小麦生长而言，自然降水是其生长的主要水分来源。小麦关键生育期缺水会影响其产量的形成，如何进一步充分利用有限的天然降水，挖掘有限降水的生产潜力，提高土壤集雨保墒能力，对雨养农业区粮食增产具有十分重要的意义[25]。本研究中无论是否垄覆沟播，与夏休闲相比轮作绿肥均显著降低冬小麦播前土壤含水量。Nielsen等[48]在美国科罗拉多州和Ward等[49]在澳大利亚珀斯的田间试验结果均表明，在降水量较低的年份种植绿肥会减少土壤贮水量。尽管绿肥作物可以在一定程度上遮阴地表、减少土壤水分蒸发[33]，但由于其生长发育不断消耗着土壤水分，因此轮作绿肥土壤贮水量不断降低，这也是导致冬小麦播前土壤贮水量显著低于夏休闲的主要原因。在两年的研究中，黑麦豆和油菜作为绿肥在翻压前平均生物量分别为4392.1、2836.8 kg/hm2，油菜的生物量显著低于黑麦豆。尽管如此，本研究中种植绿肥+垄覆沟播并没有解决绿肥耗水过多导致作物减产的生产实际问题，同时由于垄覆沟播较强的保蓄增熵作用，还促进了绿肥作物植株的生长和水分消耗，致使该绿肥处理0—200 cm土壤水分亏缺增大，加之试验两年期间小麦生育期降雨不足，最终绿肥+垄覆沟播处理下两年的冬小麦平均产量明显低于夏休闲。根据降雨年型的划分，干旱年和平水年在5年间出现的频次分别为60%和20%，由于试验年限短，缺乏丰水年的数据支撑，绿肥+垄覆沟播这种新型的种植体系能否在丰水年取得良好的增产效果？是否随着种植年限的延长，无论垄覆沟播还是常规耕作，绿肥对土壤肥力提升的贡献足以弥补其对土壤水分过多消耗而导致冬小麦减产的负面效应？此外，考虑到地膜的长期使用会对土壤质量和农田环境带来不良影响，我们认为可以通过以下措施改善新型的轮作绿肥+垄覆沟播种植模式：1)在保证绿肥生物量的同时提前其翻压时期，不仅可以有效为后季作物生长提供养分，还可以减少对土壤水分的过多消耗，保蓄更多的降水；2)使用可回收地膜来替换普通地膜；3)在垄沟间采用秸秆覆盖来降低土壤水分的地表蒸发损失，保蓄水分，同时能增加有机物料还田，并有效提高土壤肥力水平。未来还需要进一步开展相关的长期定位试验，综合研究并评价种植绿肥+地膜覆盖种植模式的适宜性和经济及生态效益。

4 结论

1)无论在平水年还是干旱年，在常规耕作和垄覆沟播的条件下种植绿肥相较于夏季裸地休闲都存在对土壤水分的额外消耗，但轮作油菜对冬小麦产量的影响小于轮作黑麦豆；

2)平水年种植油菜和垄覆沟播均可以提高小麦的水分利用效率；干旱年种植绿肥+垄覆沟播模式显著降低了冬小麦的水分利用效率。

综上所述，我国渭北旱塬地区在平水年种植油菜+垄覆沟播可以在保证冬小麦不减产的前提下提高其水分利用效率。由于本试验周期较短，缺少丰水年的试验研究，因此建议开展长期定位试验来明确不同降水年型种植油菜+垄覆沟播对冬小麦产量及水分利用效率的影响规律，综合评价种植绿肥+垄覆沟播种植模式的适用性和带来的环境、社会及经济效益。