不同轮作模式和施氮水平对春小麦产量和品质的影响

葛丽丽，赵财，程宝钰，殷民兴

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

0 引言

中国人口众多、农田资源稀缺，通过实施周年轮作措施[1]，对保障粮食安全具有重要的意义。在西北内陆灌区，采用一年一熟的种植模式，以春小麦和玉米为主要作物，以此来满足当地的农业需求，提高农作物产量。而连续单一的种植制度也造成了作物种类减少，同时也对作物生长的环境条件产生了不良作用，如造成了土地质量下降、粮食产量潜力减少、品质下降等[2]。轮作是与用地养地相结合的一项农业生物学方法，各种作物轮作不但产生了可观的农业产出价值，而且产生了良好的生态效益、经济效益和社会效益[3]。研究表明，作物轮作能高效地协同作物之间对营养吸取的限制性，进而提升土壤中营养物质的利用率；此外，通过调节植物根部分泌物的变化，能够降低自毒水平，改变土壤微生物群落结构，降低土传病虫害的发生，增强土壤酶的活性[4-7]，从而达到增产增收的目的；另外，利用各种作物间的时序与空间选择，可以提高水分利用效率、提高土壤储水量以及土壤肥力[8-10]，改善土壤中生物种群结构，有效减缓土壤病虫害的发生[11-13]，进而有效地提升粮食作物的生产能力和品质。因此，科学合理的安排作物轮作顺序，以确定适合于当地条件的最佳轮作方式，对维持土壤养分平衡保持水肥协调，保证作物高产、稳产、优质，提高农民经济收益具有重要意义。

为了充分利用冬闲田，经过大量的科学研究证实，通过种植冬季覆盖作物不但能够降低耕地土壤裸露的程度，同时也能够使土壤物理、化学性质和生物学特征获得不同程度的变化，有助于后茬作物的增产增收和改善后茬作物的品质，对保护生态环境也有一定作用。这既提高了耕地生态的多样性，使耕地生态系统的结构与功能更加完备，又提高了农业自然灾害的对抗能力[14]。绿肥作物是一项重要的生态肥源，它富含大量的有机质，以充足的氮、钾、磷等营养物质，为作物生长发育创造了良好的养分条件[15]。研究发现，种植绿肥既可以提高土壤中的细菌数量和酶活性，改变土壤理化特性，进而提高土壤肥力；又能取代部分肥料、节能降耗等，因此，绿肥和冬季覆盖作物对提高作物产量和品质具有重要意义[16]。

以往研究表明，虽然通过不同轮作模式提高了土壤肥力，并通过调控土壤养分供给达到了作物高产和优质，但对于通过种植绿肥和冬季覆盖作物优化种植模式，促进作物对土壤养分的吸收和利用达到作物优质高产的研究却少之有少。河西绿洲灌区的光资源十分丰富，但是由于种植模式单一，致使冬季闲置时大量耕地处在暴露阶段，从而形成了土壤、光热等资源的损失，使得当地的经济发展受到了严重的影响；而且河西地区冬春干燥多风，极易造成土壤风蚀、表土流失和土壤水分损失等因素导致耕地土壤生态环境进一步恶化。因此，本研究以河西绿洲灌区春小麦生产为基础轮作冬季覆盖作物和豆科绿肥，探究不同轮作模式和施氮水平对春小麦干物质累积、产量及籽粒品质的影响，以期为绿洲灌区建立新的高产、优质、高效的小麦种植体系提供理论与生产实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

在甘肃省武威市凉州区甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地“甘肃农业大学绿洲农业试验站”开展本次试验。地处河西走廊东端，属于北温带大陆性气候，该区气候干燥、降雨量低、光热资源充足、土壤风蚀严重等特点。平均海拔高度1506 m，无霜期约156 d，平均气温7.2℃，≥0℃和≥10℃的积温分别为3513.4℃和2985.4℃，日照时数为2945 h，以灌漠土为主，土壤容重(0～110 cm)1.44 g/cm3，土壤全氮(0～30 cm)含量0.94 g/kg，有机碳含量11.3 g/kg。

1.2 试验设计

于2018年布置的田间定位试验，采取完全随机区组试验设计。设4种种植模式，分别为春小麦-休闲-春小麦-休闲（传统一年一熟制春小麦种植方式W）、春小麦-箭筈豌豆-春小麦-箭筈豌豆（春小麦复种绿肥WV）、春小麦-冬小麦-箭筈豌豆(WWV)、春小麦-冬油菜-箭筈豌豆(WRV）；两年轮作周期内设置3种施氮水平，分别为不施氮(N0)、减量25%270 kg/hm2(N1)和传统施氮360 kg/hm2(N2)。处理共12个，重复3次，每个小区30 m2。

春小麦为‘宁春4号’，冬油菜为‘陇油7号’，冬小麦为‘宁冬2号’，箭筈豌豆为‘兰箭2号’。春小麦分别施氮肥为180 kg/hm2(N2)、135 kg/hm2(N1)、0 kg/hm2(N0)，冬小麦和冬油菜施肥制度和春小麦一致全作基肥，箭筈豌豆不施肥。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 干物质累积从出苗开始，15 d进行一次取样，每个小区随机取样20 株，然后放入烘箱中，温度调至为105℃进行杀青，30 min 后将温度降至80℃，待烘干后称重。

1.3.2 产量及产量构成因素小麦成熟期，采用五点取样法，在每个小区随机选取30 株小麦进行考种，测定穗粒数、千粒重等产量性状；取4 m×1.5 m 的样方面积，统计穗数、计算成穗数并脱粒称重；单位面积籽粒产量按14%籽粒含水量进行折算。

1.3.3 小麦籽粒品质采用FOSS 近红外品质分析仪NIRS DS 2500 进行小麦籽粒硬度、降落数值、蛋白质含量、淀粉含量、容重、灰分、沉降值以及湿面筋等指标的测定。

1.4 数据统计

采取Microsoft Office Excel 2019软件进行数据的处理与绘图；通过SPSS 26.0进行数据的方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式和施氮水平对小麦全生育期干物质积累量的影响

在不同轮作模式和施氮水平下，干物质积累量的变化，伴随生育期的推进呈“S”型，拔节期之前，处理间变化不显著，在拔节至灌浆期增长快速，灌浆至成熟期增长缓慢（图1）。两年试验中，不同施氮水平下，在拔节至灌浆期间，小麦干物质积累量增长迅速，开花期时，N2处理具有最高的干物质积累量，N1较N2处理降低了10.1%和10.6%。说明施氮量的减少对小麦干物质累积量产生了负效应。不同种植模式中，与连作模式相比，WRV、WWV和WV提高了小麦整个生育阶段内干物质积累量，平均提高幅度为14.9%和15.7%、10.9%和11.75%、8.6%和8.1%；在小麦拔节至孕穗期时，WRV、WWV和WV模式较连作模式小麦干物质积累量提高幅度为27.8%和29.6%、18.9%和20.6%、14.8%和16.4%；孕穗至开花期干物质积累量提高幅度为21.7%和21.5%、17.7%和18.1%、13.9%和14.3%；开花至灌浆期时干物质积累量提高幅度为12.8%和13.2%、9.8%和10.1%、7.6%和7.7%，差异显著。综合轮作模式和施氮水平，与WN2处理比较，WRV可以补偿N1水平造成的干物质积累量负效应，在小麦拔节至孕穗期、孕穗至开花期、开花至灌浆期、灌浆至成熟期，WRVN1较WN2处理分别提高2.9%和3.6%、8.9%和7.9%、3.4%和3.7%、4.2%和4.3%，苗期至拔节期WRVN1与WN2之间无显著差异。

图1 不同轮作模式和施氮水平下小麦干物质积累量动态

2.2 不同轮作模式和施氮水平对小麦产量及产量构成因素的影响

不同轮作模式和施氮水平对小麦籽粒产量均有显著影响，二者的交互效应对小麦籽粒产量影响不显著（表1）。两年试验中，与N2处理相比，N1产量分别降低15.1%和12.5%，可见，减量施氮对产量存在负效应。不同轮作模式中，与连作模式相比，WRV、WWV 和WV 籽粒产量分别提高29.82%和23.8%、19.55%和16.1%、13.51%和11.5%，差异显著。综合轮作模式和施氮水平，与WN2处理比较，WRV可以补偿N1施氮水平造成的产量负效应，其中WRVN1较WN2处理产量提高16.7%和19.4%，WWVN1和WVN1与WN2处理无显著差异。

表1 不同轮作模式和施氮水平下小麦产量及产量构成因素

轮作模式和施氮水平显著影响小麦的单位面积穗数、穗粒数和千粒重，二者交互作用对小麦穗粒数、千粒重和单位面积穗数有显著影响（表1）。两年试验中，不同施氮处理下，与N2处理相比，N1处理的单位面积穗数、穗粒数和千粒重有所降低，分别降低3.1%和3.3%、8.7%和8.6%和7.1%和5.8%，说明，减量施氮对产量构成因素存在负效应。不同轮作模式中，与连作模式相比，WRV、WWV和WV单位面积穗数分别提高4.8%和5.7%、4.3%和4.9%、3.2%和3.6%，穗粒数分别提高8.7%和12.0%、6.9%和10.0%、6.1%和8.3%，千粒重分别提高6.8%和7.6%、4.8%和5.5%、4.0%和4.4%。综合轮作模式和施氮水平，与WN2处理相比，WRVN1处理提高了单位面积穗数、穗粒数和千粒重，提高幅度分别3.0%和3.4%、1.0%和3.2%、1.0%和2.6% ，WWVN1和WVN1与WN2处理无显著差异，可见，复种绿肥替代部分化肥可为小麦稳产甚至高产奠定基础。

2.3 不同轮作模式和施氮水平对小麦籽粒品质的影响

主效应分析表明，施氮水平对所测得的小麦籽粒品质具有显著影响，轮作模式只对小麦籽粒蛋白、湿面筋含量和沉降值具有显著影响，二者交互作用对籽粒蛋白、湿面筋含量和沉降值有显著影响。由表2，两年试验中，不同施氮水平下，与N2处理相比，N1处理蛋白、湿面筋含量和沉降值分别降低了4.4%和6.4%、4.8%和5.5%、8.4%和9.1%，说明，减量施氮对籽粒品质存在负效应。不同轮作模式中，与连作模式相比，WRV、WWV 和WV 蛋白含量分别提高13.5%和13.1%、5.7%和5.8%、4.4和2.3%，湿面筋含量分别提高7.3%和8.3%、4.4%和6.7%、3.2%和4.1%，沉降值分别提高12.1%和11.1%、7.7%和7.4%、6.2%和8.1%。轮作模式对小麦灰分、淀粉、降落数值、容重和硬度均无显著影响，而在不同施氮处理中，表现为N2＞N1＞N0。综合轮作模式和施氮水平，不同轮作模式可以补偿N1施氮水平造成的籽粒品质负效应，在N1水平下，WRV模式中蛋白、湿面筋含量和沉降值达到最大，且WRVN1、WWVN1和WVN1处理的蛋白、湿面筋含量和沉降值与WN2处理无显著差异。

表2 不同轮作模式和施氮水平下对小麦籽粒品质表现

2.4 不同轮作模式及施氮水平小麦籽粒产量与产量构成因素的相关性分析

由不同产量性能指标与其籽粒产量的相关性分析（表3）可知，不同轮作模式和施氮水平下小麦籽粒产量与其穗粒数、单位面积穗数、千粒重呈极显著正相关，通过优化种植模式并施用氮肥，可以协调同步提升穗粒数、千粒重和单元面积穗数，从而实现稳定的产量，并达到更高的收益。

表3 不同轮作模式和施氮水平下籽粒产量与产量构成因素的相关性分析

3 结论

2 个轮作周期的田间试验结果表明，WRV、WWV和WV 3种轮作模式可有效提高后茬作物春小麦干物质积累量、产量和籽粒品质，其中WRV轮作模式提升效果最好。在N1水平下，春小麦-冬油菜-箭筈豌豆轮作模式小麦籽粒产量提高程度最大，较春小麦连作提高16.7%和19.4%，说明，绿肥可以替代一部分化学肥料，具有增加产量的潜力。因此，该集成技术可作为河西灌区生态绿色稳产的生产方式。

4 讨论

干物质累积与分配是作物获得高产的直接决定因素，通常认为营养生长过程中干物质的积累和向籽粒的转运是小麦产量形成的重要基础[17]。本研究显示，与春小麦连作模式相比，不同轮作农田种植绿肥能显著提高小麦全生育期干物质积累量，其中在小麦拔节期至灌浆期时积累的干物质量最多。这些结果的原因在于：一方面，适当的施氮量可以增强小麦作物根部活性，促使根茎的繁殖，加快小麦作物茎叶等营养器官发育的功能期，延长了作物的光合作用时间，进而大幅度提高了光合同化产物[18]；另一方面，绿肥的施用可以有效地改良土壤肥力，增强小麦作物的防逆性，进而提高小麦的产量与品质。翻压豆科绿肥能够显著提高土壤氮库的效率，而单纯施用化学氮肥可以在短时间内保证土壤氮素的供给，但会造成小麦后期土壤氮素供应不足[19-20]；此外，农田冬季覆盖作物的种植，不仅可以降低土壤表层水分的蒸发，提升土壤表层温度，而且由于其根系穿透能力较强，可以更深入地植入土层，更好地刺激作物的生长。通过调整土壤的水、肥、气、热的协调力量，大大提升了土壤的透过性和耕性，促使土壤内部结构疏松，质量也得到了显著提升，为经济作物的生长创造了一个良好的环境，因而实现了粮食作物的高产、优良、有效[21]。研究表明，采用小麦+复播饲养油菜-棉花-小麦种植方式，可以有效地减少小麦和棉花长期连作带来的不利影响[22]。研究发现，各处理小麦干物质积累量，随生育期的推进呈增加趋势，直至成熟期达到稳定状态；在绿肥还田30000 kg/hm2处理下，小麦成熟期的干物质积累量最高，而在绿肥不还田时，干物质积累量最低[23]。本研究与前人研究结果相似，通过施用氮肥并种植豆科绿肥作物，可以有效地提供小麦干物质积累所需的氮素，为小麦的高产提供了坚实的物质基础。

高产作物的形成是由多个指标协调发展的结果[24-25]，其中氮素是小麦生长发育和器官建成的关键因素，施用氮肥可以有效地调节植株的光合作用、蒸腾作用、呼吸作用及其抗氧化体系，从而提高小麦的产量性能指标，进而影响籽粒产量的形成[26]。本研究结果显示，WRV、WWV和WRV 3种轮作模式均有助于提高小麦单位面积穗数、穗粒数、千粒重以及小麦产量。这可能是因为施用氮肥和绿肥结合有助于增大土地碳氮库容，促使磷素活化，从而提升土壤有机质含量，在地上部表现为粮食作物单位平均面积穗数增大和千粒重增大[27]。小麦增产可能是由于绿肥与根瘤菌共生固氮，大大减少了化学氮肥的投入量，同时也显著提升了土壤中有机质含量，有机氮肥中的细菌和生物酶还能促使和调节土壤养分的溶解与释放作用，使得土壤有效养分不断增多，满足植株全生育阶段对营养的需要[28-30]，从而大幅度提高粮食作物的生产。连续2年的试验结果表明，麦后复种豆科绿肥可有效提高小麦的最大生长速率，增加千粒重；复种绿肥后，减氮15%可获得最高的小麦生长速率和千粒重，进而维持甚至提高小麦产量[31]。在非洲克尼亚和意大利这些麦子营养投资较低的地方，研究人员认为，在小麦连作的种植体系中加入豆科作物，可以通生物固氮的影响，有效提升土壤养分[32-33]，从而显著提高后茬小麦的产量。在江汉平原区域，稻麦轮作优化施肥处理的小麦群体结构合理，干物质积累量较高，产量增加显著[34]，这与本实验研究结果相似。由此可见，通过优化种植模式并结合施氮可为春小麦的生长提供足够的养分，以便发挥增产潜力。

氮肥是小麦籽粒品质的关键因素，通过施用氮肥可以显著提升小麦的营养价值和加工性能[35]，从而改善小麦的品质。当氮肥施用量不足时，植物的生长会受到影响，籽粒的发育也会受到影响；而过量施用氮肥则会造成植物贪青晚熟[36]，从而降低籽粒的品质，因此，合理的氮肥施用量是保证小麦籽粒品质的关键。研究结果表明，种植翻压绿肥可以显著提升小麦籽粒蛋白质含量和沉降值，与对照组比较，分别提升了5.7%和20.3%[36]；此外，这种施肥方式还可以有效改善面粉的沉降值、湿面筋含量以及面团吸湿率，从而达到更好的农作物品质[37]。研究发现，作物籽粒中的湿面筋、沉降值和稳定时间可以随着氮肥施用量的增加而逐渐呈增加的趋势[38]。这与本试验结果相似，种植翻压绿肥并施用氮肥对小麦籽粒蛋白含量、沉降值、湿面筋含量及容重具有提高作用。在现实生活中，越来越多的人追求高质量的面粉及面制品口感，合理的种植模式和适宜的氮肥施用量可作为实现该目标的重要保证。因此，农业生产中，应该使小麦保持较高的容重和淀粉含量，降低小麦灰分，才能使所制得的面更白，面粉质量更高。