河西灌区减氮条件下小麦复种绿肥的水分利用及经济效益

2024-03-08麻碧娇陈桂平苟志文殷文樊志龙胡发龙范虹何蔚

中国农业科学 2024年4期

麻碧娇，陈桂平，苟志文，殷文，樊志龙，胡发龙，范虹，何蔚

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

【目的】针对河西绿洲灌区作物生产中氮肥施用过量、水资源利用效率与经济效益较低等问题，探讨麦后复种绿肥及适量减施化学氮肥对小麦农田耗水特性及经济效益的影响。【方法】2019—2020年在甘肃省河西绿洲灌区进行裂区试验，主区设置麦后复种绿肥（W-G）和单作小麦（W）两种种植模式；副区为5个施氮水平，分别为不施氮肥（N0）、常规施氮（180 kg·hm-2，N4）、减施45%氮肥（N1）、减施30%氮肥（N2）和减施15%氮肥（N3）。测定不同处理下小麦绿肥体系产量、水资源利用效率及经济效益。【结果】麦后复种绿肥以及适量减施化学氮肥显著提高小麦籽粒产量和系统生物热能产，2019和2020年，W-G较W处理籽粒产量分别提高10.8%和12.4%，系统生物热能产分别提高37.8%和40.3%；麦后复种绿肥结合减氮15%（W-G-N3）较单作小麦结合减氮15%（W-N3）和单作小麦传统施氮（W-N4）处理小麦分别增产6.9%—16.7%和7.9%—13.6%，生物热能产提高52.0%—62.2%和27.1%—58.9%。W-G较W小麦生育阶段耗水量降低6.3%—16.0%，W-G-N3较W-N3和W-N4小麦季耗水量分别降低13.4%—20.5%和20.8%—29.0%，W-G由于绿肥生长季消耗水分，总耗水量显著高于W。W-G较W小麦水分利用效率分别提高7.9%和19.2%；2019年度 W-G-N3较W-N3和W-N4小麦水分利用效率分别提高23.5%和5.1%，差异显著。W-G-N3可有效提高系统单位耗水生物热能产，较W-N3和W-N4分别提高2.7%—14.5%和9.3%—17.5%。W-G较W增加了成本投入，总产值也随之提高；2019年度W-G-N3较W-N3和W-N4纯收益分别提高9.8%和9.5%，2020年度W-G-N3较W-N3和W-N4纯收益则分别降低了15.6%和15.7%；2019和2020年W-G较W产投比分别降低20.7%和23.1%，W-G-N3较W-N3和W-N4产投比降低比例均为14.8%—23.1%，W-G因较多的资源投入降低了系统单方水效益。【结论】在河西绿洲灌区，麦后复种绿肥结合适量减施化学氮肥能够提高作物产量和经济效益，水资源利用效率也随之提高，其中麦后复种绿肥结合减量15%施氮处理的综合效果最好，可作为提高水资源利用及农民收益的理想种植模式及施氮水平。

绿肥；小麦；复种；减量施氮；产量；水分利用效率；经济效益

0 引言

【研究意义】农田作物的生长发育受到光、温、水、肥等生态因子的综合调控[1]，在各种生态因子中，影响作物稳定生长与产量形成的主要限制因素为土壤水分[2]，其对维持农业可持续发展具有至关重要的作用[3]。水资源短缺则是制约干旱和半干旱地区农业生产的主要因素，在现有的供水条件下，有效利用水资源、节约成本和增加收入的基础上发展可持续农业尤为重要。【前人研究进展】土壤水分环境受到灌溉制度[4]、种植模式[5]、耕作措施[6]以及施肥制度[7]等措施的综合调控，其中种植模式和施肥制度因具有可操作性强、简易等优点备受重视[8]。研究表明，合理的田间种植模式可以改善农田土壤的蓄水供肥能力，不仅可以促进作物高效用水，而且可以降低农业生产成本，有助于作物高产和农民获益[9]；合理的施肥技术搭配适宜的种植模式有助于土壤蓄水保墒，亦可提高作物对土壤水分的利用效率，从而减少由于干旱对农作物造成的产量损失，提高旱地作物水资源利用效率[9]。然而，农业生产具有地域差异性，不同地区同一种植模式及施肥水平产生的综合效益有所差异，并且近年来人们为追求作物高产过度依赖化学肥料而造成的经济、生态环境问题日趋突出[10]。因此，探究适宜于某一特定区域作物生长、水资源高效利用及提高经济效益的栽培技术亟需进行。种植绿肥是目前符合绿色农业发展的重要方法之一，与传统裸地休闲相比，复种绿肥作物可有效减少土壤水分的无效蒸发[11-12]，其翻压还田之后还可增加土壤有机物，改善土壤物理性质[13]，进而达到一定的保水效果。夏季休闲期复种豆科绿肥可以为作物生长提供稳定的氮素来源，同时改善土壤中微生物特性，有利于小麦根系生长与养分吸收，从而促进主栽作物生长发育获得高产[14]，同时氮肥施用量的减少在一定程度上缩减了成本投入[15]。另有研究表明，将绿肥作物纳入到由禾本科作物组成的轮作系统中，不但可以提高土壤肥力，还可增加轮作制度的经济效益[16]。由此可见，种植绿肥在提高作物产量、水资源利用效率及经济效益方面有诸多益处。【本研究切入点】春小麦为西北绿洲灌区主要栽培作物之一，小麦单作是该区主要的种植模式，普遍采用连作，并且小麦收获后夏季休闲期较长，严重浪费光热、水以及土地等资源。因此，在传统种植模式中引种绿肥作物是否会造成土壤水分消耗增加，是否会进一步提高种植系统的资源利用效率以及经济效益？【拟解决的关键问题】本研究通过田间定位试验，在传统施氮水平及单作小麦的基础上，设置复种绿肥模式和不同减量施氮水平，通过测算与分析不同模式下作物产量、耗水特性和成本投入差异，明确小麦复种绿肥在减氮条件下水分利用特征及经济效益表现，以期为河西绿洲灌区小麦生产模式的优化及农业生产节本增效提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019—2020年在甘肃农业大学武威黄羊镇绿洲农业综合试验站进行。该试验站地处甘肃河西走廊东端，属温带大陆性干旱气候，平均海拔1 776 m，年平均气温7.3 ℃，光照充足，干旱少雨，常年降水量低于200 mm，降水量年际变化小，但季节变化较大，主要集中在每年7—9月，年蒸发量大于2 000 mm。该区春播小麦生产过程中热量表现为一熟有余、两熟不足，因此该区可考虑发展短生育期作物（填闲作物）组成的复种模式，水资源短缺是限制作物生产的主要因子。春播小麦为该地区适宜于种植农作物之一，春播小麦收获后冬春季大量农田裸露休闲，光、热、水、氮等资源浪费严重，农田生态问题日益加剧。试验地土壤质地为砂壤土，类型为厚层灌漠土。土壤pH 8.2、有机质12.5 g·kg-1、全氮0.68 g·kg-1、全磷（P2O5）1.41 g·kg-1，容重1.57 g·cm-3。两个试验年中，3—10月气温及降水情况如图1所示。

图1 2019—2020年作物全生育期内降水量及气温变化

1.2 试验设计

2018年开始布置预试验。本研究采用2019—2020年试验数据。采用裂区设计，主区设麦后复种绿肥（W-G）和单作小麦（W）两种不同种植模式；副区包括5个施氮水平，即常规施氮180 kg·hm-2（N4）及减氮15%（N3）、30%（N2）、45%（N1）和不施氮（N0），共10个处理，每处理设3次重复。小区面积44 m2（8 m×5.5 m），设1.5 m保护行。

供试春小麦（L.）品种为宁春4号，播种量为450 kg·hm-2，条播，行距15 cm；供试绿肥为毛叶苕子（Roth），品种为土库曼苕子，播种量为25 kg·hm-2，条播，行距15 cm。小麦收割后机播绿肥。春小麦播种日期为2019年3月18日、2020年3月20日，收获日期分别为2019年7月18日、2020年7月23日；绿肥播种日期分别为2019年8月1日、2020年7月31日，翻压日期分别为2019年10月19日、2020年10月21日。绿肥在盛花期时采用秸秆还田机全量粉碎翻压还田。

灌水制度为冬储灌1 200 m3·hm-2，春小麦在苗期、孕穗期、灌浆期分别灌水750、900、750 m3·hm-2，复种绿肥在苗期、分枝期、现蕾前期分别灌水500、500、600 m3·hm-2，灌水方式为滴灌。施肥制度为小麦生育期施磷肥（P2O5）90 kg·hm-2，氮肥和磷肥全做基肥一次性施入，施用时间分别为2019年3月17日、2020年3月19日，其他田间管理方式与当地高产田一致。

1.3 测定指标与计算方法

1.3.1 小麦和绿肥产量小麦成熟后按每个小区单独收割，取4 m×1.5 m的样方进行测产，并按13%籽粒含水量折合计产。小麦和绿肥秸秆风干后称量，测定秸秆生物量，并计算系统生物热能产、单位耗水生物热能产量[14]。

生物热能产：EY=Yg×Eg+Ys×Es（1）

式中，Yg为作物籽粒产量，Ys为作物秸秆生物产量，Eg和Es分别为能量产值。其中小麦的籽粒产出能量为16.3 MJ·kg-1，小麦和绿肥秸秆产出能量为14.6 MJ·kg-1。

1.3.2 土壤含水量春小麦播前、收获后以及绿肥翻压后测定每个小区0—120 cm土层土壤含水量。其中，0—30 cm土层含水量采用烘干法测定，30—60、60—90、90—120 cm土层采用水分中子仪法（NMM503DR, CA, USA），每个土层测3次重复，3次平均值即为每个处理的土壤含水量，并用其结果计算土壤贮水量[14]。

土壤贮水量：SWS = θ×h×r×10 （2）

式中，θ为土壤含水量（%），h为土层深度（cm），r为土壤容重（g·cm-3），10为单位换算系数，并用其结果计算作物耗水量[15]。

作物耗水量（ET）、阶段耗水量：ETi=Pi+Ii-∆Si（3）

式中，ETi为i 时段作物耗水量，Pi为i 时段降水量，Ii为i时段灌水量，∆Si为 i 时段末与初的土壤贮水量之差，单位为 mm。本研究中，由于试区地下水位较深，不存在向上的水分通量，并且试区水资源短缺，灌水量相对较小，因此渗漏量和径流量可忽略不计。

1.3.3 水分利用效率（WUE）

WUE=Y/ET （4）

式中，Y为小麦籽粒产量（kg·hm-2），ET为小麦全生育期内总耗水量（mm）。

1.3.4 单位耗水生物热能产（WUEEY）

WUEEY= EY/ET （5）

式中，EY为系统生物热能产（MJ·hm-2）、ET为小麦、绿肥全生育期内总耗水量（mm）。

1.3.5 经济效益及单方水效益分别详细记录两个试验年度中不同栽培措施下的劳动力以及机械和农资投入，春小麦收获后测定每个裂区籽粒和秸秆产量，并计算不同种植模式以及施氮水平下的生产成本及产值，各种农资费用以及劳动力价格等按当年市价计算，总产值中小麦籽粒和秸秆单位产品价格按当年的市场收购价计算，本试验中绿肥全量粉碎翻压还田，纯收益的计算中不涉及绿肥作物。纯收益、产投比及单方水效益计算方法如下式[16]：

产值=单位产品价格×产量（6）

纯收益=总产值-总投入（7）

产投比=总产值/总投入（8）

单方水效益=纯收益/作物全生育期耗水量（9）

1.4 数据统计与分析

本试验采用Microsoft Excel 2019进行数据整理和作图，利用SPSS 26.0软件进行显著性分析（Duncan’s multiple range tests，=0.05）、主效应检验、互作效应分析。

2 结果

2.1 小麦复种绿肥籽粒产量与系统生物热能产

复种绿肥和不同施氮梯度对小麦籽粒产量影响显著，二者互作对其无显著影响（表1）。2019与2020年度，麦后复种绿肥（W-G）较单作小麦（W）籽粒产量分别提高10.8%和12.4%；减氮15%（N3）较减氮30%（N2）和减氮45%（N1）小麦籽粒产量分别提高15.8%—16.5%和22.4%—25.4%；W-G-N3较W-N3和W-N4籽粒产量分别提高6.9%—16.7%和7.9%— 13.6%。2020年度，麦后复种毛叶苕子较单作小麦秸秆产量提高13.4%，2019年度差异不显著；两个试验年份内，N3较N1、N2和N4小麦秸秆产量分别降低17.1%—26.8%、11.2%—11.9%和20.9%—22.2%。2019年度，W-G-N3较W-N4小麦秸秆产量降低23.3%，2020年差异不显著；两年内W-G-N3较W-N3处理的小麦秸秆产量差异不显著。

两个试验年份内，不同施氮处理下绿肥生物量无显著差异（表1）。种植模式显著影响系统生物热能产，施氮梯度和种植模式互作对系统生物热能产无显著影响。两个试验年份中，W-G较W处理生物热能产分别提高37.8%和40.3%；N3较N1和N2系统生物热能产分别降低4.4%—17.1%和2.8%—9.5%。综合不同种植模式和施氮水平，W-G-N3较W-N3和W-N4提高了系统生物热能产分别为52.0%—62.2%和27.1%—58.9%，差异显著。

表1 复种绿肥及不同施氮水平下系统产量

W-G：小麦复种毛叶苕子；W：单作小麦；N0：不施氮；N1、N2、N3、N4处理依次为减少常规施氮量（N 180 kg·hm-2）的45%、30%、15%、0；同列数据后不同小写字母表示同一年度中处理间在0.05水平差异显著；**与*分别表示在0.01和0.05概率水平下显著；NS表示差异不显著。下同

W-G: Multiple cropping hairy vetch after wheat harvest; W: Sole wheat; N0: No nitrogen application; The N reduction rates in treatments N1, N2, N3and N4were 45% N, 30% N, 15% N and 0 of the conventional N rate 180 kg·hm-2; Values followed by different small letters in a column indicate different within the same year among the treatments at the 0.05 probability level; “**” and “*” indicate significant differences at the probability levels of 0.01 and 0.05, respectively; “NS” indicates that the difference is not significant. The same as below

由此可知，种植翻压绿肥和适量减施化学氮肥能够在保证作物稳产的前提下提高小麦-绿肥系统的生物热能产，其中以麦后复种绿肥结合减施化学氮肥15%（W-G-N3）处理效果最显著。

2.2 小麦复种绿肥各作物生长季的耗水量差异

不同处理下小麦和绿肥作物的全生育期耗水量如（表2）所示。2019与2020年度，小麦播前至收获期阶段不同种植模式和施氮水平的耗水量较大，占总耗水量的80.0%—93.8%。W-G较W降低了小麦播前至收获期耗水量，降低幅度为6.3%—16.0%；N3较N2和N4耗水量分别降低14.8%—17.4%和4.0%—18.5%。综合种植模式和施氮水平处理，W-G-N3较W-N3和W-N4处理小麦生育阶段耗水量分别降低13.4%—20.5%和20.8%—29.0%，差异显著。小麦收获至绿肥翻压阶段，2019年度不同施氮水平下，N3较N1和N2耗水量分别提高57.8%和85.2%；2020年度各施氮水平间差异不显著。

作物全生育期，W-G较W耗水量显著提高，其提高幅度分别为42.1%和25.6%；N3较N2和N4全生育期耗水量分别降低4.0%—11.3%和3.8%—13.9%；W-G-N3较W-G-N4总耗水量降低6.7%—11.0%；2019年度，W-G-N3较W-N3和W-N4全生育期耗水量分别提高49.0%和22.2%，差异显著。由此可见，小麦-绿肥系统中由于绿肥生长季需要消耗一定量的水分，使得总耗水量显著高于单作小麦处理，但减氮可降低小麦复种绿肥系统耗水量。

2.3 复种绿肥后小麦水分利用效率与单位耗水系统生物热能产

2.3.1 小麦水分利用效率主效应分析表明，种植模式、施氮水平以及二者交互作用显著影响小麦水分利用效率（图2）。两个试验年份内，W-G具有较高的水分利用效率，较W分别提高7.9%和19.2%；不同施氮水平中，N3较N2和N4小麦水分利用效率分别提高38.8%—40.6%和6.3%—25.7%。综合种植模式和施氮水平，2019年度 W-G-N3较W-N3和W-N4小麦水分利用效率分别提高23.5%和5.1%，差异显著；2020年度 W-G-N3与W-N3和W-N4差异不显著。以上结果分析说明麦后复种毛叶苕子结合适量减施化学氮肥具有提高小麦水分利用效率的作用，以麦后复种毛叶苕子结合减量15%施氮处理提高效果较好。

图2 复种绿肥及不同施氮水平下小麦水分利用效率

2.3.2 系统单位耗水生物热能产主效应分析显示，施氮水平和种植模式互作显著影响系统WUEEY（图3）。2020年度，W-G较W系统单位耗水生物热能产提高5.2%，2019年不同种植模式差异不显著；2019年度，N3较N4处理系统单位耗水生物热能产提高8.9%，较N1和N2处理分别降低19.3%和5.5%，2020年度，N3较N2系统单位耗水生物热能产提高23.1%，较N1降低11.7%，与N4处理间差异不显著。综合种植模式和施氮水平处理，W-G-N3较W-N3和W-N4系统单位耗水生物热能产显著提高，其提高幅度分别为2.7%—14.5%和9.3%—17.5%。由此可见，小麦-绿肥体系中单位耗水生物热能产的提高得益于绿肥作物的引入，相较于其他处理，当绿肥还田结合氮肥减量15%时系统单位耗水生物热能产较高，说明该处理具有较好的水分生产潜力。

2.4 小麦复种绿肥模式经济效益分析

2.4.1 成本投入两个试验年份内，与W相比，W-G提高了成本投入，其总投入提高幅度分别为50.4%和49.7%（图4），主要表现为W-G较W在人工机械、灌溉和种子投入方面分别提高了26.6%—29.3%、75%—77.4%和44.2%—45.9%。不同施氮水平中，N3较N1和N2的总投入分别提高了17.0%—17.3%和7.8%—8.0%，较N4总投入降低了6.8%—6.9%，这主要体现在随着施氮梯度的提高，小麦播种时氮肥施用量也逐渐增加，N4达到了当地农户施氮水平（180 kg·hm-2），其余农资投入基本相同。种植模式和施氮水平的集成应用模式中，W-G-N3较W-N3和W-N4总投入分别提高了44.7%—45.0%和43.9%—44.2%。由此可见，当绿肥作物引入种植系统中时，种植和翻压绿肥再结合不同施氮量由于增加了种子、人工机械和灌溉等各方面的投入，进而在一定程度上增加了生产总成本。然而，相较于传统施氮处理，麦后复种绿肥模式由于减少化肥投入从而降低了生产成本。

图3 复种绿肥及不同施氮水平下单位耗水生物热能产

图4 复种绿肥及不同施氮水平下成本投入组成

2.4.2 纯收益麦后复种毛叶苕子和适量减施化学氮肥对作物总产值以及纯收益具有显著影响（表3）。两个试验年度中，W-G较W总产值分别提高了14.8%和8.6%，5个不同施氮梯度内，N3较N1和N2总产值分别提高了2.5%—5.1%和3.2%—18.5%；2020年度，N3较N4总产值提高了6.9%，2019年度 N3和N4处理间总产值无显著差异；种植模式和施氮水平相结合，W-G-N3较W-N3和W-N4处理总产值均显著提高，分别提高了7.3%—23.0%和7.0%—22.5%，2019和2020年度W-G-N3和W-G-N4的总产值无显著差异。与总产值不同，2019与2020年度W-G较W降低了纯收益，分别降低了3.2%和16.6%；适量减施化学氮肥显著影响纯收益，N3较N1和N2纯收益分别提高了4.0%—8.2%和5.2%—33.6%，2020年N3较N4纯收益提高15.2%；种植模式与施氮水平的集成模式中，2019年度W-G-N3处理较W-N3和W-N4纯收益分别提高9.8%和9.5%，差异显著，2020年度W-G-N3较W-N3和W-N4纯收益则有所降低，分别降低了15.6%和15.7%。与纯收益相似，W-G较W降低了产投比，两个试验年份内分别降低了20.7%和23.1%，N3较N1、N2和N4产投比则分别提高了2.2%—4.2%、2.0%—17.9%和2.0%—7.0%；W-G-N3较W-N3和W-N4处理显著降低了产投比为14.8%—23.1%。由此可以说明麦后复种绿肥和适量减施化学氮肥在一定程度上可以提高总产值和纯收益，但是在常规种植模式中集成应用绿肥作物在一定程度上也降低了产投比。

表3 复种绿肥及不同施氮水平对经济效益的影响

2.4.3 单方水效益麦后复种绿肥较单作小麦降低了生产系统单方水效益，适量减施氮肥可有效提高复种模式单方水效益（图5）。2019与2020年度，W-G较W显著降低了系统单方水效益，分别为32.4%和38.2%；N3较N2以及N4系统单方水效益分别提高了11.25%—62.0%和19.2%—21.0%，较N1差异不显著；W-G-N3较W-N3系统单方水效益降低26.1%— 48.5%，较W-G-N4提高16.0%—40.8%，差异显著，W-G-N3较W-N4系统单方水效益在2020年度降低41.9%。由此可以得出，绿肥翻压还田因提高灌水投入而降低了小麦-绿肥系统单方水效益，复种绿肥结合减量施氮应用于小麦种植时，在一定程度上可以弱化因复种绿肥而增加灌溉水的投入，最终提高系统单方水效益。

图5 复种绿肥及不同施氮水平下系统单方水效益

3 讨论

3.1 复种绿肥及不同施氮水平对小麦产量的影响

氮素是小麦生长发育和器官建成的重要营养元素之一[17]。合理的氮肥施用量以及氮肥管理措施对提高作物产量有一定促进作用，从而可以实现增产增效的目标[18]。有研究发现，当农田中过多投入化学氮肥用量后，造成资源浪费的同时还会增加成本，亦可使植株早期营养生长过剩[19]，降低生长前期积累的营养物质向籽粒转运速率，推迟作物成熟期[20]，扰乱作物“源库”关系协调性，从而影响作物产量[21]。同时，众多研究表明，绿肥作为一种清洁的有机肥源，种植翻压还田后替代部分化学氮肥的同时促进了后茬作物产量的提高[22-24]，这与本研究结果一致。本研究两个试验年度中，麦后复种豆科绿肥时不仅没有降低小麦籽粒产量，反而较单作小麦模式分别增产了10.8%和12.4%。并且由于绿肥秸秆的投入，小麦-绿肥系统的生物热能产也显著增加。可见，复种在截获光能并转化固定为生物热能方面具有显著优势。这主要由于种植绿肥可有效覆盖土壤表面，并依靠自身生物固氮能力为下茬作物的生长提供可观的氮素和易腐解的有机物质[25]；同时，翻压绿肥可使土壤中的磷、钾等养分有效化[26]，再配合适宜的土壤含水量，小麦能够在一个水分和养分高效的环境中生长，从而产量提高。此外，有研究证实，通过长期种植翻压紫云英绿肥可保证稻谷具有相对较高产量的同时，化学氮肥用量降低15%—40%[27]，这与本研究结果相似。本研究发现，麦后复种绿肥结合氮肥减施15%（W-G-N3）较单作小麦传统施氮（W-N4）和单作小麦减氮30%（W-N3）增加籽粒产量分别达7.9%—13.6%和6.9%—16.7%，并且小麦-绿肥系统的生物热能产与籽粒产量增加趋势一致。小麦增产的主要原因是：第一，翻压绿肥以及施入适量外源氮肥可补充土壤中氮素含量，改善土壤中的碳氮库，提高土壤氮素有效性[28]，与单一化肥只能在短时间内维持对作物的氮素供应相比，其能够使作物利用的土壤养分持续增加，地上部分则表现为作物单位面积穗数增多和千粒重增大，收获指数提高，进而获得高产[29]；第二，绿肥根系固氮作用较强，其种植后根系越长越密，并且植株含有丰富的氮磷钾等营养元素[30]，翻压还田后的植株残体经过微生物作用，可提高土壤酶活性，进而改善土壤肥力，为植株地上部分的生长提供养分，提高小麦光合叶面积指数，从而维持后期较高的光截获率，为籽粒灌浆提供更多的光合产物，从而使作物获得高产[31-32]。可见，绿肥还田结合适量氮肥减施能够为下茬主栽作物的生长提供充足的养分，使得作物叶面积指数及产量构成因素的协同提高，进而使作物高产，其中以绿肥翻压还田结合氮肥减施15%的处理生产模式效果最好，能使春小麦保持稳产甚至高产，因此该模式可作为区域高产的一项栽培技术。

3.2 复种绿肥及不同施氮水平对小麦的水资源利用的影响

作物耗水量在不同栽培技术或不同年际间具有显著的差异[33]。本研究中，种植系统中引入豆科绿肥时显著降低了小麦生育阶段耗水量，氮肥减施则可促进复种模式水分利用优势的充分发挥，与单作小麦传统施肥处理相比，绿肥翻压还田结合氮肥减施15%处理的小麦生育阶段耗水量降低了20.8%— 29.0%，这主要是由于是绿肥还田后有效改善了土壤理化性质、促进了土壤持续供水能力，从而优化了作物的耗水结构[34]；两个试验年份中，小麦收获至绿肥翻压阶段W-G-N1和W-G-N2处理的耗水量较其他处理降低，与生物量并未呈现出协同增加效应，这主要是由于：第一，绿肥作物虽然通常以消耗土壤水分作为其生物量积累的代价，但同时增加的地表覆盖面积能起到保水抑蒸、遮阴的效果，进而减少土壤表面水分无效蒸发[35]；第二，种植翻压绿肥为土壤提供了额外的有机物输入，能够显著改善土壤水分相关的物理指标（增加土壤孔隙度、提高土壤容重和增加土壤团聚体的稳定性）利于水分入渗，这种保水作用可能需要更长年限才能得以实现[13]；第三，不同地区气候条件相差各异，河西地区春小麦休闲期相对集中的降水量一方面会限制绿肥作物对土壤水分的过度消耗，另一方面也有利于绿肥作物的生长，进而提高其地上生物量，进一步有效减缓对土壤水分的负面效应[35]。小麦-绿肥系统中由于豆科绿肥的引入，在其生长过程中也消耗了一定的土壤水分[36]，因此总耗水量显著高于单作小麦。

农业生产中，农田水分高效利用通常通过提高作物产量和降低耗水量来实现，种植翻压绿肥和施用化学氮肥均会影响旱地小麦水分利用效率[37]。本研究结果表明，两年度麦后复种绿肥较单作小麦水分利用效率分别提高7.9%和19.2%。将施氮量和绿肥还田集成应用于农田生产中时，2019年度，W-G-N3较W-N3和W-N4小麦水分利用效率分别提高了23.5%和5.1%。对于小麦-绿肥系统的水分利用，只能通过将小麦籽粒产量与绿肥生物量换算成生物热能产来测算，基于系统能量产量的水分利用效率也有相似的结果差异。产生这种结果的主要原因是：第一，翻压绿肥后土壤孔隙度和大团聚体含量增加，有效提升土壤对水分和养分储存能力；同时，还田后的绿肥能有效阻隔土壤与大气层之间的水分交换，可有效降低土壤水分蒸发[38]；第二，绿肥还田后土壤团聚体的稳定性增强，土壤含水量提高，作物耗水量降低[14]，有利于提高水分利用效率；第三，农田中适量施氮后使得小麦植株根系活力增加，根系可以更高效的利用土壤水分，达到“以肥促水”的效果[39]，进而提高作物的水分利用效率。然而，对基于系统能量产量的水分利用效率而言，过量施氮并没有使其提高。本研究表明，2019年度，N3较N1和N2处理单位耗水生物热能产分别降低了9.3%和5.5%；2020年度，N3较N1处理单位耗水生物热能产降低了11.7%，这主要是对于施肥量而言，过高的氮肥用量反而会抑制小麦的根系生长发育，并且会降低土壤的总水势，使作物根系难以吸收水分[29]，进而导致了小麦单位耗水生物热能产的降低。

3.3 复种绿肥及不同施氮水平对经济效益的影响

农业生产因受到作物种类、种植方式以及相应的田间管理措施等各种差异而表现不同，农业生产者在实现提高农业生产纯收益目标的同时，应协调好资源、环境与技术之间的关系。因此，大田生产中经常采用适宜的种植模式以及配以相适应的施肥措施使作物获得高产，同时还可提高资源利用效率和农业生产者收入[40]。农业生产中种植翻压绿肥在一定程度上可以减少对外源化肥的施用量，改善土壤肥力，有利于提高作物产量，是提高农业生产中经济效益的有效途径[16,41]。本研究结果显示，W-G-N3较W-N3和W-N4处理总产值分别提高了7.3%—23.0%和7.0%— 22.5%。然而，当绿肥作物引入传统种植模式中时，种子、人工机械以及灌溉等成本投入也随之增加，其中以灌溉投入最多，麦后复种绿肥模式较单作小麦增加比例达到了75%—77.4%；其次，麦后复种绿肥较单作小麦的总投入也增加，这正是复种绿肥后具有低产投比的原因所在。

提高经济效益和降低系统总耗水量可有效提高单方水效益[42]，当农业生产中化学氮肥的投入量超过一定阈值时，农田土壤水分的有效利用率则会降低，同时也可能会造成磷、钾等元素短缺[43]，影响作物正常生长发育，降低经济效益，从而使系统单方水效益降低[44]。此外，小麦生产过程中引入豆科绿肥不可避免地增加了小麦-绿肥系统的总耗水量，也会导致单方水效益的降低。本研究结果显示，两年度麦后复种绿肥较单作小麦单方水效益分别降低了32.4%和38.2%，由此可以得出，只有通过种植模式、施氮量以及田间管理措施等协同调控小麦的生长发育，才有可能增加系统单方水效益，最终实现水分的高效利用。

4 结论

麦后复种绿肥及适量减施化学氮肥具有提高小麦籽粒产量和系统生物热能产的优势，其中以麦后复种绿肥结合氮肥减量15%（施氮为153 kg·hm-2）最为突出，较单作小麦传统施氮处理增产7.9%—13.6%，有效弥补了因复种绿肥增加成本的不足，在一定程度上具有增加经济效益的潜势。特别是麦后复种绿肥结合氮肥减量15%能够显著提高系统单位耗水生物热能产和小麦水分利用效率，从而有效利用了当地有限的水资源。综上，在河西绿洲灌区，麦后复种绿肥结合氮肥减量15%在保证小麦稳产的同时，具有较高的水分生产力，是实现水资源高效利用和农民增收的可行栽培模式。

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Water Utilization and Economic Benefit of Wheat Multiple Cropping with Green Manure Under Nitrogen Reduction in Hexi Irrigation Area of Northwest China

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

【Objective】 In view of the problems of excessive application of nitrogen fertilizer and lower water resource utilization efficiency and economic benefits in crop production in the irrigation area of Hexi Oasis, the aim of this study was to explore the effects of multiple green manures after wheat and moderate reduction of chemical nitrogen fertilizer on the water consumption characteristics and economic benefit of wheat field. 【Method】From 2019 to 2020, a split plot experiment was conducted in the oasis irrigation area of Hexi, Gansu province. Two planting patterns were set up in the main area, namely, multiple cropping of green manure after wheat harvest(W-G) and single cropping of wheat (W). In the sub-plot, there were five nitrogen application levels, namely no nitrogen application (N0), conventional nitrogen application level 180 kg·hm-2(N4), reduced 45%nitrogen application(N1), reduced 30%nitrogen application(N2), and reduced 15% nitrogen application(N3).【Result】Grain yield of wheat and systematic biothermal energy were significantly increased by multiple green manure after wheat (W-G) and the moderate reduction of chemical nitrogen fertilizer, in 2019 and 2020, which increased by 10.8% and 12.4%, respectively, and the yield of systematic biothermal energy increased by 37.8% and 40.3%, respectively. Compared with nitrogen reduction of 15% (W-G-N3) in sole wheat and traditional nitrogen application (W-N4) in sole wheat, the grain yield increased by 6.9%-16.7% and 7.9%-13.6%, respectively, and the biothermal energy yield increased by 52.0%-62.2% and 27.1%-58.9%, respectively. The water consumption of W-G decreased by 6.3%-16.0% compared with that of W wheat growing stage, and W-G-N3decreased the seasonal water consumption of W-N3and W-N4by 13.4%-20.5% and 20.8%-29.0%, respectively. Repeated planting of green manure could improve the water use efficiency of wheat, and W-G increased by 7.9% and 19.2%, respectively. In 2019, compared with W-N3and W-N4, the WUE of W-G-N3increased by 23.5% and 5.1%, respectively. Compared with W-N3and W-N4, W-G-N3could improve the energy yield of per unit water efficiency of the system, which was increased by 2.7%-14.5% and 9.3%-17.5%, respectively. Compared with the W and W-G increased the cost input, and the gross output also increased. In 2019, the net return of W-G-N3increased by 9.8% and 9.5% compared with W-N3and W-N4, respectively; in 2020, the net return of W-G-N3decreased by 15.6% and 15.7% compared with W-N3and W-N4, respectively. In 2019 and 2020, the output/input of multiple cropping green manure after wheat harvest reduced by 20.7% and 23.1% compared with sole wheat, and the output/input of W-G-N3was 14.8%-23.1% compared with W-N3and W-N4, and W-G reduced the benefit per cubic meter water of the system due to more resources input. 【Conclusion】In the Hexi oasis irrigation areas, multiple green manure after wheat combined with moderate reduction of chemical nitrogen fertilizer could improve crop yield and economic benefit, as well as water resource utilization efficiency, among which the comprehensive effect of multiple green manure after wheat combined with 15% nitrogen treatment is outstanding, which could be used as an ideal planting pattern and nitrogen application level to improve water resource utilization and farmers' income.

green manure; wheat; multiple cropping；reduce nitrogen application; yield; water use efficiency; economic benefit