复种绿肥在不同灌水水平下对小麦籽粒品质和产量的影响

张刁亮 杨 昭 胡发龙 殷 文 柴 强 樊志龙

研究简报

复种绿肥在不同灌水水平下对小麦籽粒品质和产量的影响

张刁亮 杨 昭 胡发龙 殷 文 柴 强 樊志龙*

省部共建干旱生境作物学国家重点实验室/ 甘肃农业大学农学院, 甘肃兰州 730070

探明麦后复种绿肥在不同灌水水平下对小麦籽粒品质和产量的影响, 对构建干旱灌区基于绿肥的小麦稳产丰产与优质生产模式具有重要的理论和实践支撑作用。本研究采用裂区试验设计, 主区设2种种植模式: 麦后复种绿肥(W-G)和麦后休闲(W); 副区设小麦生育期3个灌水水平: 低灌水(I1: 190 mm)、中灌水(I2: 240 mm)、高灌水(I3: 290 mm), 于2020年和2021年测定分析了小麦籽粒蛋白质含量、淀粉含量、容重等品质指标, 产量表现及土壤有机质含量变化。结果表明: 在同一灌水水平下, W-G较W小麦籽粒蛋白质含量增加了5.8%～26.5%、湿面筋含量增加了9.3%～26.4%、容重增加了0.4%～2.1%; 同一种植模式不同灌水水平之间, 小麦籽粒蛋白质含量随灌水水平的降低呈增加趋势, 而籽粒淀粉含量和湿面筋含量随灌水水平的降低呈减少趋势, I2小麦籽粒容重显著大于I1和I3; 各组合处理之间, 麦后复种绿肥中灌水水平(W-GI2)的小麦籽粒蛋白质含量与麦后复种绿肥低灌水水平(W-GI1)之间差异不显著, 均高于其他处理, 较麦后休闲高灌水水平(WI3)增加了15.1%～35.0%, W-GI2的小麦籽粒淀粉含量、湿面筋含量均与麦后复种绿肥高灌水水平(W-GI3)差异不显著。W-G较W籽粒产量增加了7.0%～13.2%;小麦籽粒产量随灌水水平的降低呈减少趋势, 但W-GI2小麦籽粒产量与W-GI3差异不显著, 较WI3平均增加了6.0%。W-G较W使小麦播前土壤有机质含量增加了5.6%～31.5%, 但W-GI2土壤有机质含量在20～40 cm土层与W-GI3差异不显著, 较WI3平均增加了7.8%。总之, 麦后复种绿肥较麦后休闲处理能够显著增加麦田土壤有机质含量, 使小麦在中灌水条件下获得较高籽粒产量的同时, 改善籽粒蛋白质、淀粉、湿面筋含量等品质, 可作为干旱灌区限量灌溉条件下小麦持续稳产丰产与品质优化的推荐农艺措施。

绿肥; 灌水水平; 籽粒品质; 产量; 小麦

随着我国人民生活水平的不断提高, 人们对粮食的需求逐渐由“吃得饱”向“吃的好”转变[1]。现代集约化生产模式主要依赖化肥等化工产品的投入, 在很长一段时间内对保障粮食安全起到重要作用[2]。然而, 种植模式单一、有机物投入匮乏、化肥等资源过量投入, 造成作物产量和品质持续提升困难[3]。亟需构建作物多样化和绿色有机投入为主的生产模式, 以期在保障粮食安全的前提下满足人们对优质农产品的需求。

国内外研究者就轮作复种绿肥作物、覆盖作物、豆科经济作物等方面进行了大量研究[4-8], 以期通过优化小麦种植模式, 减少化肥投入、改善土壤质量而保障小麦持续高产。其中, 绿肥被广泛证实是一种优质有机肥源, 通过增加土壤有机质、优化土壤生物网结构、改善土壤理化性状、提升土壤质量, 对主栽作物稳产丰产具有显著作用[9]。然而, Meta分析结果表明, 在我国北方种植绿肥对小麦产量造成的影响表现不一, 其主要原因是种植绿肥减少了土壤含水量, 因此在不同水资源条件下对下季小麦产量造成的影响不尽相同[10]。在黄土高原10年的田间试验表明, 冬小麦轮作豆科绿肥体系0～200 cm土层干燥化程度较麦后休闲处理严重39.7%, 轮作绿肥在丰水年较麦后休闲处理可显著增加冬小麦相对产量和水分利用效率, 而在降雨量少于551 mm或绿肥对0～200 cm土壤水分消耗大于26.2 mm时, 会造成小麦减产的风险[11]。在西北绿洲灌区的田间试验表明, 在600 mm的灌溉定额下, 种植绿肥能提高作物产量和肥料效益[12]; 而在传统灌溉减量50 mm的条件下, 绿肥还田处理能够补偿减量灌水对小麦的叶面积指数、光合势和产量性能指标的负效应, 且补偿效应逐年累加[13]。复种绿肥对土壤的保水作用大于其对土壤水分的消耗作用, 绿肥能提供有机物质, 增进了土壤的胶结能力, 可提高土壤的水稳性团粒, 增大孔隙度, 从而使土壤的蓄水保墒能力增强[14]。合理的绿肥种植模式可在有限水资源条件下, 为小麦生长提供良好的土壤环境, 保障对小麦的养分、水分等生长资源的供应, 从而有利于籽粒产量的形成[13-14]。然而, 当前针对麦后复种绿肥的相关研究集中在绿肥还田对土壤理化性状、肥料利用效率、部分替代化学氮肥以及小麦产量等方面的影响[4,8,15-17], 而在水资源有限的干旱灌区, 应用绿肥同步保障甚至改善小麦籽粒品质和产量方面缺乏理论和实践依据。

西北绿洲灌区是传统优质小麦产区, 伴随着集约化生产水平的提高, 小麦过渡依赖于大肥大水的生产方式, 导致土壤质量和结构下降, 造成作物产品品质和产量同步提升困难。该区域光照资源丰富, 热量资源两季不足、一季有余, 适合发展小麦复种绿肥模式, 但是在限量灌水条件下, 绿肥对下季小麦籽粒品质和产量的影响尚不清楚, 利用绿肥技术构建小麦丰产优质生产模式缺乏理论支撑。因此, 本研究在不同灌水水平下, 探讨复种绿肥对下季小麦籽粒品质及产量的影响, 为应用绿肥技术持续保障小麦丰产优质提供理论支撑与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验在甘肃农业大学绿洲农业综合试验站(37°44′49′′N, 102°53′32′′E)进行, 该试验站位于河西走廊东端的武威市凉州区黄羊镇, 属寒温带干旱气候区, 海拔1506 m, 多年平均降雨量156 mm, 年蒸发量2400 mm, 日照时数2945 h, 太阳辐射总量6000 MJ m–2, 全年无霜期约155 d, 光资源充裕, 热量资源不足, 昼夜温差大, 适宜优质春小麦的生产。土壤类型为厚层灌漠土, 0～30 cm土壤全氮0.68 g kg–1, 全磷1.41 g kg–1, 速效磷29.2 g kg–1, 速效钾152.6 g kg–1, 硝态氮和铵态氮含量分别为12.51 mg kg–1和1.87 mg kg–1, 容重1.53g cm–3。2020年和2021年3月至7月(小麦季)月平均降雨量和月平均气温变化如图1。

图1 2020年和2021年试区小麦季月平均降雨量和月平均气温

1.2 试验设计

本研究田间定位试验开始于2017年, 在2020年和2021年开展了麦后复种绿肥对小麦籽粒品质与产量影响的相关研究。供试小麦品种为宁春4号, 箭筈豌豆为陇箭1号。试验采用裂区试验设计, 主区为2种种植模式, 分别为麦后复种绿肥(W-G)和麦后休闲(W), 副区为小麦生育期3个灌水水平, 分别为低灌水(I1: 190 mm)、中灌水(I2: 240 mm)、高灌水(I3: 290 mm); 共6个处理(各处理组合代码见表1), 各处理重复3次, 小区长宽为8 m×5 m。

绿肥播种日期分别为2019年7月29日、2020年8月1日, 粉碎后浅旋还田时间分别为2019年10月16日、2020年10月14日, 播量为225 kg hm–2, 条播, 行距15 cm。小麦播种日期分别为2020年3月23日、2021年3月21日, 收获期分别为2020年7月20日、2021年7月18日, 播量为450 kg hm–2, 条播, 行距15 cm。小麦施氮肥180 kg N hm–2、磷肥90 kg P2O5hm–2, 氮磷全作基肥, 绿肥季不施肥。各处理均进行冬储灌, 灌水量120 mm, 小麦生育期、绿肥播种后的灌溉制度见表2。

1.3 测定指标与计算方法

1.3.1 小麦籽粒品质 在小麦蜡熟期, 在每个小区随机选取40株小麦, 手工脱粒晒干后使用Foss多功能近红外分析仪(NIRS DS-2500)测定籽粒蛋白质、淀粉、湿面筋、灰分、容重等品质指标。

表1 不同处理代码及具体措施

表2 小麦复种绿肥的灌水定额及灌溉定额

1.3.2 产量 在小麦蜡熟期, 各小区除去1 m边行随机选择4 m×2 m的样方脱粒称重, 按照13%的含水量标准计算小麦籽粒产量。

1.3.3 产量构成因素 在小麦成熟期, 各小区采用五点取样法随机选取40株进行考种, 测定穗粒数、千粒重, 选择4 m×2 m样方测定穗数。

1.3.4 土壤有机质 播前在各小区采用五点取样法随机选取5个点, 各取0～20 cm和20～40 cm土样, 五点同层次土样混合均匀后自然风干, 磨细过0.149 mm筛取, 用重铬酸钾外加热法[18]测定土壤有机碳, 之后利用公式(土壤有机碳×1.724)计算出土壤有机质的含量。

1.4 数据统计分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016汇总、整理、绘图, 使用SPSS 26.0统计分析软件进行方差分析、采用邓肯(Duncan’s)法进行多重比较(<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式及灌水水平对小麦籽粒品质的影响

通过主效应分析可知, 种植模式和灌水水平均对小麦籽粒蛋白含量的影响显著(表3), 而二者对小麦籽粒蛋白含量交互作用不显著。麦后复种绿肥较麦后休闲处理能显著提高小麦籽粒蛋白含量, W-G分别在I1、I2、I3下较W于2020年增加了14.7%、12.3%和26.5%, 于2021年增加了10.6%、10.7%和5.8%。在不同灌水水平下, 小麦籽粒蛋白质含量随灌水水平的减少而增加。就处理组合而言, W-GI2与W-GI1的小麦籽粒蛋白含量可获得最大值,分别较WI3在2020年增加29.7%和35.0%、在2021年增加15.1%和19.5%。

种植模式对小麦籽粒灰分具有显著影响, 而灌水水平对小麦籽粒灰分含量无显著影响。不同种植模式下, W-G在I3较W小麦籽粒灰分含量于2020年和2021年分别增加了8.8%和6.0%, W-G在I2、I1较W在两个试验年度内均无显著差异。由于种植模式与灌水水平对小麦籽粒灰分含量存在交互作用, W-GI2 较W-GI3小麦籽粒灰分在2020年无显著差异、于2021年显著降低了3.8%。

种植模式、灌水水平以及二者间的互作效应均显著影响小麦籽粒容重。麦后复种绿肥较麦后休闲处理可显著增加小麦籽粒容重。而在不同灌水水平之间, 小麦籽粒容重表现为I2>I3>I1。就各处理组合而言, W-GI2小麦籽粒容重达最佳, 与W-GI3在2020年差异不显著, 较W-GI1在2020年和2021年分别增加了1.3%和3.4%, 较WI3在2020年和2021年分别增加了1.4%和2.7%。

表3 不同种植模式及灌水水平对小麦籽粒品质的影响

表中W-G表示麦后复种绿肥, W表示麦后休闲, I1、I2、I3分别表示低、中、高灌水水平。同列数值后的不同小写字母表示同一年不同处理间差异在0.05概率水平差异显著。**和*分别代表参试因子对指标的影响在0.01和0.05概率水平差异显著, NS表示参试因子对指标无显著影响。

W-G: wheat multiple cropping with green manure; W: wheat with autumn fallow. I1, I2, and I3 represents low, medium, and high irrigation quota, respectively. Different lowercase letters after the values in the same column indicate significant difference at the 0.05 probability level between different treatments in the same year. ** and * indicate that the effect of the factors on the index are significant difference at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively. NS indicates that the factors have no significant effect on the index.

2.2 不同种植模式及灌水水平对小麦产量及其构成的影响

2.2.1 不同种植模式及灌水水平对小麦籽粒产量的影响

主效应分析结果表明, 种植模式、灌水水平及二者间的交互作用对小麦籽粒产量均呈显著影响(<0.05)。不同种植模式之间, 麦后复种绿肥较麦后休闲处理能够显著增加小麦籽粒产量(图2), 在2020年和2021年, W-G与W小麦籽粒产量相比较, 在I1下增加了9.4%和13.2%、在I2下增加了7.3%和9.5%、在I3下增加了7.0%和9.8%。同一种植模式不同灌水水平之间相比较, 在麦后休闲处理中, 小麦籽粒产量随灌水量的减少而呈减少趋势, 其中在2020年和2021年, WI2处理较WI3处理减少了1.3%和3.2%, WI1处理较WI2处理减少了10.6%和9.5%; 而在麦后复种绿肥处理中, W-GI2处理与W-GI3处理之间的小麦籽粒产量在2020年无显著差异, 均显著大于W-GI1处理。就不同处理组合而言, W-GI2处理可在灌水量较少的条件下获得与W-GI3处理相当的小麦籽粒产量, 并较WI3处理在2020年和2021年增产5.9%和6.0%。该结果表明, 麦后复种绿肥可在中灌水水平下保障小麦的稳产丰产。

图2 不同种植模式及灌水水平下小麦籽粒产量表现

W-G: 麦后复种绿肥; W: 麦后休闲; I1、I2、I3分别表示低、中、高灌水水平。图柱上不同小写字母表示同一年不同处理间差异在0.05概率水平差异显著。

W-G: wheat multiple cropping with green manure; W: wheat with autumn fallow; I1, I2, and I3 represents low, medium, and high irrigation quota, respectively. Different lowercase letters on the bar indicate significant difference at the 0.05 probability level between the different treatments in the same year.

2.2.2 不同种植模式及灌水水平对小麦产量构成的影响

种植模式、灌水水平均对小麦的穗数、穗粒数及千粒重产生显著影响(<0.05), 且二者对小麦穗粒数的交互作用显著(<0.05), 而对小麦的穗数、千粒重的交互作用不显著(>0.05)。在同一灌水水平下, 麦后复种绿肥较麦后休闲处理能有效提高小麦的穗数、穗粒数及千粒重(图3)。W-G与W相比较, 在I1、I2和I3下小麦穗数于2020年分别增加了4.5%、13.4%和11.1%, 2021年分别增加了13.7%、12.5%和15.4%; 小麦穗粒数在I1、I2和I3下于2020年分别增加了5.6%、4.7%和12.7%, 2021年分别增加了6.3%、6.0%和8.8%; 小麦千粒重在I1、I2和I3下于2020年分别增加了11.5%、9.7%和7.6%, 2021年分别增加了13.6%、11.7%和9.5%。同一种植模式不同灌水水平之间相比较, 随着灌水水平的降低, 小麦的穗数呈减少趋势, 而小麦的穗粒数表现为增加趋势, 千粒重表现为I2>I1>I3。各处理组合之间相比较, W-GI2处理在2020年与W-GI1处理小麦穗粒数之间无显著差异, 而在2020年和2021年较WI3、WI2处理均有所增加。该结果表明, 麦后复种绿肥能够在中灌水水平下较麦后休闲处理增加小麦的穗粒数, 进而使小麦保持与高灌水水平处理相当的产量水平。

2.3 不同种植模式及灌水水平下小麦播前土壤有机质含量

主效应分析结果表明, 种植模式、灌水水平及二者的交互作用对小麦播前土壤有机质含量影响显著(<0.05)。麦后复种绿肥较麦后休闲处理显著提高小麦播前土壤有机质含(图4), 在同一灌水水平下与W相比, W-G的0～20 cm土壤有机质含量于2020年和2021年分别增加了19.9%～31.5%和7.3%～12.9%; 20～40 cm土壤有机质含量于2020年和2021年分别增加了6.7%～10.5%和5.6%～ 11.8%。在同一种植模式不同灌水水平下, W-G的0～20 cm土壤有机质含量表现为I3>I2=I1, 20～40 cm土壤有机质含量表现为I3=I2>I1, 而W的0～20 cm、20～40 cm土壤有机质含量不同灌水水平下均无显著差异。就处理组合而言, W-GI3的0～20 cm、20～40 cm土壤有机质含量均能获得较高值, W-GI2的20～40 cm土壤有机质含量与其差异不显著。

图3 不同种植模式及灌水水平下小麦产量构成

图上处理字母含义同图2。图柱上不同小写字母表示同一年不同处理间差异在0.05概率水平差异显著。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Fig. 2. Different lowercase letters on the bars indicate significant difference at the 0.05 probability level between the different treatments in the same year.

图4 不同种植模式及灌水水平下土壤有机质含量

图上处理字母含义同图2。图柱上不同小写字母表示同一年不同处理间差异在0.05概率水平差异显著。

Abbreviations of treatments are the same as those given in Fig. 2. Different lowercase letters on the bars indicate significant difference at the 0.05 probability level between the different treatments in the same year.

2.4 小麦籽粒品质和产量性状与土壤有机质的相关性分析

通过相关性分析可知(表5), 小麦产量及穗数与籽粒淀粉含量、湿面筋含量、容重均呈显著正相关, 穗粒数及千粒重与蛋白质含量呈显著正相关, 说明在增产的同时可以同步提高小麦籽粒淀粉含量、湿面筋含量及容重。而小麦产量及穗数与籽粒蛋白质含量、灰分之间无显著相关性, 因此如何在增加小麦籽粒产量的同时, 增加小麦籽粒蛋白质含量并降低其灰分, 是保障试区春小麦优质丰产的关键。籽粒品质各指标之间, 小麦籽粒蛋白质含量与湿面筋含量、灰分之间呈显著正相关关系, 而与籽粒淀粉含量、容重相关性不显著; 小麦籽粒淀粉含量与湿面筋含量、灰分、容重呈显著正相关关系。小麦产量、品质各指标与土壤有机质之间, 小麦产量、蛋白质含量、淀粉含量、湿面筋含量、容重均与土壤有机质呈显著正相关, 说明增加土壤有机质有利于小麦产量和籽粒品质的同步提升。

表5 不同种植模式及灌水水平下小麦籽粒品质、产量及其构成和土壤有机质的相关性

**和*分别表示在0.01和0.05概率水平相关性显著。

**and*indicate significant correlation at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

3 讨论

3.1 复种绿肥在限量灌水条件下对小麦籽粒品质的改善作用

种植绿肥主要通过改善土壤质量、增加土壤养分有效性和平衡, 改善主栽作物生长的土壤环境、促进其产品器官营养物质的积累, 从而起到优化籽粒营养品质的作用[19]。长期定位试验结果表明, 种植绿肥能够显著提高小麦籽粒的部分矿质营养元素, 在保障小麦籽粒产量不降低的前提下提高籽粒营养品质[20-21]。蛋白质是氮代谢的最终产物,也是评价小麦籽粒营养品质的重要指标, 关系到小麦面粉的加工特性[22-23]。但在不同灌水量下, 种植绿肥对小麦蛋白质含量的影响如何, 尚没有相关理论基础和实践依据。前人研究表明, 过量灌水稀释了土壤中的氮浓度, 减缓了作物根系吸收氮以及植株中氮素积累与转运, 进而降低籽粒蛋白质含量[23]; 另一方面, 小麦籽粒中的淀粉含量随灌水量的增加而增加, 淀粉的稀释作用使得籽粒蛋白质含量相对下降, 而干旱条件有利于小麦籽粒蛋白质含量的增加[24]。本研究结果表明, 随着灌水量的减少, 小麦籽粒蛋白质含量呈增加趋势, 而籽粒淀粉含量、湿面筋含量、容重和灰分均呈减少趋势。由于复种绿肥与灌水水平之间存在交互作用, 复种绿肥可使小麦在中灌水水平下同时保持较高的籽粒蛋白质、淀粉和湿面筋含量, 并有利于籽粒容重的增加, 对小麦籽粒各品质指标同时起到了正向调节作用。复种豆科绿肥可提高小麦的氮素吸收量, 以及开花期和成熟期叶片、茎秆中的氮素向籽粒的转运量[16]; 长期种植翻压绿肥能够增加土壤有机质含量, 增强土壤微生物和酶活性, 提高作物生育期内土壤速效养分的转化和供应, 促进主栽作物对N、P、K的吸收, 进而改善籽粒品质[25-26]。关于灌浆前碳、氮供应对小麦籽粒和蛋白质的影响研究表明, 协调灌浆过程中的碳氮供应比例, 亦能够有效调控小麦籽粒淀粉和蛋白质合成[27]。因此, 复种绿肥在限量灌水条件下对小麦籽粒品质正向调节作用的主要原因可能在于, 复种绿肥优化了小麦生长的土壤环境, 丰富了土壤中碳氮等养分含量, 进而协调了小麦籽粒形成过程中的碳氮供应。

3.2 复种绿肥在限量灌水条件下对小麦的增产效应

前人研究指出, 受水资源限制的农业生产区, 种植绿肥主要通过土壤水分对小麦籽粒产量产生影响[10]。在半干旱雨养农业区, 种植绿肥在水分匮缺年限使小麦籽粒产量减少, 而在丰水年限使小麦籽粒产量增加[11]。但是在干旱灌区的研究指出, 同一灌水水平下绿肥还田量30,000 kg hm–2配合施用化学氮肥180 kg hm–2可显著增加小麦籽粒产量[16], 种植绿肥虽然有降低土壤水分的风险, 但其同时可以改善土壤质量, 提高水分利用效率, 并不会导致下季小麦籽粒产量减少[28]。本研究中, 麦后复种绿肥较麦后休闲处理能够显著增加小麦籽粒产量, 且复种绿肥中灌水处理的小麦籽粒产量与复种绿肥高灌水处理无显著差异, 较麦后休闲高灌水处理小麦籽粒产量在2020年和2021年分别增加了5.9%和6.0%。麦后复种绿肥在减量灌水条件下使小麦保持较高的穗数、穗粒数和粒重, 实现减量灌水而不减产的目的, 其主要原因可能在于: (1) 豆科绿肥能够提高土壤肥力, 改善土壤理化及微生物特性, 增加春季硝态氮含量, 促进了小麦对氮素的吸收[26,29];同时协同化学氮肥提升土壤碳氮库容, 提高土壤有机质, 使得地上部单位面积穗数增多和千粒重增大, 促进产量增加[30]; (2) 长期绿肥翻压还田后, 分解产生大量的腐殖质, 显著提高土壤中的水稳定性团粒数量, 改善土壤的蓄水保墒能力, 从而改善小麦生长的土壤水分条件[14,31], 使得在限量灌溉情况下能够满足小麦生长所需水分, 进而达到稳产的效果[13]。

3.3 复种绿肥在限量灌水条件下对小麦籽粒品质和产量的同步保障作用

当产量水平达到一定阈值时, 禾谷类作物产量与蛋白质含量等品质指标呈负相关关系[32-33]。有研究表明, 绿肥种植能够有效增加小麦籽粒氮含量形成的氮生理效率, 使其籽粒氮含量显著提高, 因此休闲期种植绿肥具有土壤培肥、改善小麦籽粒营养品质的潜力, 但也存在因过量耗水造成小麦减产的风险[34]。本研究复种绿肥在中灌水水平下, 能够在保障小麦达到与高灌水处理相等产量水平的同时, 提高小麦籽粒蛋白质含量、降低灰分, 从而改善小麦籽粒的营养品质和加工品质。其主要原因在于, 绿肥能够提升土壤肥力, 改善作物生长的土壤养分和水分条件[9,13]。复种绿肥较麦后休闲处理使小麦播前0～40 cm土壤有机质增加了5.6%～31.5%。土壤有机质是衡量土壤肥力的重要指标, 其主成分是碳和氮的有机化合物, 也是土壤氮素主要存在形式, 约占土壤全氮的90%[35]。通常作物产量与土壤有机质呈显著正相关, 一定范围内增加1 g kg–1的土壤有机质可使作物年产量增加238 kg hm–2 [36]。由于绿肥根系发达、植株养分丰富, 翻压还田腐解后, 在提高土壤有机质的同时, 还不断更新有机质, 增强土壤通透性和保水性[37]。另一方面, 复种翻压绿肥显著增加土壤有机质, 提高土壤氮素等养分供应水平, 进而促进小麦对氮素的转运与积累, 使得籽粒蛋白质、湿面筋含量等品质指标进一步得到改善[16,28,38]。

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Effects of multiple cropping green manure on grain quality and yield of wheat with different irrigation levels

ZHANG Diao-Liang, YANG Zhao, HU Fa-Long, YIN Wen, CHAI Qiang, and FAN Zhi-Long*

State Key Laboratory of Arid Land Crop Science / College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China

It is proved that the effect of multiple cropping green manure after wheat harvest on wheat grain quality and yield with different irrigation levels has an important theoretical and practical supporting role in building a stable and high-yield and high-quality production mode of wheat based on green manure in arid irrigation areas. In this study, a split plot design was adopted. Two cropping patterns were set up in the main area: wheat with multiple cropping green manure (W-G) and wheat with autumn fallow (W). Three irrigation levels were set in the sub district during wheat growth period: low irrigation quota (I1: 190 mm), medium irrigation quota (I2: 240 mm), and high irrigation quota (I3: 290 mm). The quality indexes, such as protein content, starch content, unit weight, and other quality, and yield performance of wheat were measured and analyzed in 2020 and 2021. The results showed that with the same irrigation level, compared with W, the grain protein content of W-G wheat increased by 5.8%–26.5%, the wet gluten content increased by 9.3%–26.4%, and the unit weight increased by 0.4%–2.1%. Between different irrigation levels in the same cropping pattern, the protein content of wheat grains increased with the decrease of irrigation level, while the starch content and wet gluten content of wheat grains decreased with the decrease of irrigation level. The grain unit weight of I2 wheat was significantly greater than I1 and I3. Among the treatments of each combination, the protein content of wheat grain at the medium irrigation level of multiple cropping green manure (W-GI2) and the low irrigation level of multiple green manure (W-GI1) had no significant difference, which were higher than other treatments, increased by 15.1%–35.0% compared with the high irrigation level of wheat with autumn fallow (WI3), and the starch content and wet gluten content of wheat grain at W-GI2 had no significant difference compared with the high irrigation level of wheat with multiple cropping green manure (W-GI3), which were 3.2%–3.4% and 7.5%–12.9% higher than WI3, respectively. The unit weight of wheat grains was maximized. Compared with leisure after wheat harvest treatment, wheat grain yield of W-G increased by 7.0%–13.2%. The grain yield of wheat decreased with the decrease of irrigation level, but the grain yield of W-GI2 wheat was not significantly different from that of W-GI3, and increased by 6.0% on average compared with that of WI3. Compared with W, W-G increased the content of soil organic matter before wheat sowing by 5.6%–31.5%, but the content of soil organic matter of W-GI2 was not significantly different from that of W-GI3 in 20–40 cm soil layer, and increased by 7.8% on average compared with that of WI3. In conclusion, multiple cropping green manure after wheat harvest can significantly increase the content of soil organic matter in wheat field compared with leisure after wheat harvest treatment, enable wheat to obtain higher grain yield with medium irrigation conditions, and improve grain protein, starch, wet gluten content, and other qualities, which can be used as a recommended agronomic measure for sustainable and stable yield and high yield and quality optimization of wheat under limited irrigation in arid irrigation areas.

green manure; irrigation level; grain quality; yield; wheat

2022-10-13;

2023-02-21;

2023-03-06.

10.3724/SP.J.1006.2023.21067

通信作者(Corresponding author):樊志龙, E-mail: fanzl@gsau.edu.cn

E-mail: zhangdl0320@163.com

本研究由国家重点研发计划项目(2021YFD1700204-04)和甘肃省科技计划项目(22JR5RA860)资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2021YFD1700204-04) and the Gansu Provincial Science and Technology Program (22JR5RA860).

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20230306.0837.002.html

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).