耕作方式與秸稈還田對麥后復種花生水分利用及籽仁品質的影響

趙繼浩，李穎，賴華江，潘小怡，李向東，楊東清

（山東農業大學農學院/作物生物學國家重點實驗室，山東 泰安 271018）

黃淮海地區是我國重要的糧食和油料作物產區，由于該地區多實行淺翻耕，造成土壤耕層變淺、緊實度增加、養分失衡等，嚴重限制了糧油產量的提高，再加上我國人口數量的增加和人民生活水平的提高，對糧油的需求量逐漸增大，糧油供給面臨著巨大挑戰［1，2］。因此，通過改變農業種植模式、改善土壤結構、培肥地力提高糧油產量，對緩解糧油爭地矛盾、實現糧油自給具有極其重要的意義。

合理的土壤耕作和秸稈還田是農業生產中兩項重要的土壤改良和增產措施［3］。土壤耕作是通過影響土壤水、肥、氣、熱等的變化影響作物產量，耕作方式不同其影響不同［4］。已有研究發現，免耕對土壤結構的擾動較小，在土壤保水、保墑等方面具有積極作用［5，6］；但免耕會增大土壤緊實度［7］，不利于養分到達下層，影響作物根系對土壤養分的吸收，從而造成產量的降低［8］；而趙財等［9］的研究發現，與玉米茬傳統耕作相比，玉米茬免耕直播能促進小麥地上部干物質積累，提高產量。深耕有利于打破犁底層，降低土壤緊實度［10］，促進根系對土壤養分的吸收，提高產量［11］。

小麥-花生一年兩熟的種植模式是緩解糧油爭地矛盾的重要途徑。秸稈作為前茬小麥收獲后的主要廢棄物，將其還田不僅可以減少土壤蒸發耗水，提高土壤含水量［12］，還可以提高產量［13］。

前人圍繞耕作方式與秸稈還田對土壤性質的影響已做了大量研究，但關于土壤水分利用的報道較少。因此，本試驗研究了小麥-花生一年兩熟模式下耕作方式與秸稈還田對土壤水分利用以及花生產量和品質的影響，以期為改善該地區冬小麥-夏花生一年兩熟生產技術提供一定的理論參考和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗材料

試驗于2017年10月—2018年10月在山東省泰安市山東農業大學農學試驗站（116°20′E，35°38′N）進行，屬溫帶季風性氣候。花生生育期內平均氣溫25.6℃，降雨量512.7 mm，6—10月的平均氣溫和降雨量見圖1。試驗地為砂壤土，花生種植前測土壤理化性質：耕層（0～20 cm）土壤有機質含量13.18 g·kg-1，全氮含量1.03 g·kg-1，速效磷含量32.69 mg·kg-1，速效鉀含量81.80 mg·kg-1。

供試花生品種為大花生品種“山花108”，小麥品種為“山農20”。

圖1 研究區花生生育期內平均氣溫和降雨量

1.2 試驗設計

采用冬小麥-夏花生周年定位試驗，裂區設計，主區為耕作方式，設置深耕（DT）、旋耕（RT）、免耕（NT）3個處理，其中深耕作業深度為30 cm，旋耕作業深度為15 cm；副區為秸稈還田，設置秸稈全量還田（S）和秸稈不還田2個處理。每個處理3次重復，小區面積20 m×6 m＝120 m2。具體試驗設計見表1。

表1 試驗設計

冬小麥于2017年10月13日播種，2018年6月7日收獲；夏花生于2018年6月14日播種，2018年10月7日收獲。夏花生采用畦種，畦寬1.5 m，每畦種5行，每公頃種植密度為15萬穴（行距30 cm，株距20 cm），每穴播種2粒。花生播種前基施化肥純N 110 kg·hm-2、P2O5110 kg·hm-2、K2O 110 kg·hm-2，其它管理措施同一般高產田。小麥采用畦種，畦寬3 m，機械播種，每公頃種植225萬株；小麥種植前基施化肥純N 110 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2，于拔節期追施純N 110 kg·hm-2，其它管理措施同一般高產田。

參照Boote［14］的方法，按照植株及莢果的發育形態學特征，將花生生長發育階段劃分為：R1（苗期）、R3（花針期）、R5（結莢期）、R7（飽果期）和R8（成熟期）。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤緊實度的測定 于花生生長季R8時期取樣，采用“S”形取樣法隨機選取每小區5個樣點，每個樣點3次重復；利用托普TJSD-750-Ⅱ土壤緊實度測定儀每5 cm一層，測定0～30 cm土層土壤緊實度。

1.3.2 土壤含水量的測定 于花生生長季R8時期取樣，采用“S”形取樣法隨機選取每小區5個樣點，每個樣點3次重復；用土鉆取0～100 cm土層土樣，每20 cm一層，分層取土，置于鋁盒中，采用烘干法測定土壤含水量，其公式為：土壤含水量＝（鮮土質量-烘干質量）/干土質量×100%。

土壤貯水量的測定［15］：W ＝h×s×c×10。式中：W 為土壤貯水量（mm）；h為土層深度（cm）；s為土壤容重（g·cm-3）；c為土壤水分含量（%）。

作物耗水量的測定：ET＝W1-W2+P+K。其中，ET為作物耗水量（mm），W1為播前土壤貯水量（mm）；W2為收獲后土壤貯水量（mm）；P為生育期降雨量（mm）；K為生育期內的地下水補給量（mm），當地下水埋深大于2.5 m時，K值可以不計，本試驗的地下水埋深在4 m以下，因此K忽略不計。

水分利用效率的測定［15］：WUE＝Y/ET。式中：WUE為水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；Y為作物產量（kg·hm-2）。

1.3.3 花生主莖高和側枝長的測定 分別于花生R1、R3、R5、R7和R8時期取樣，采用“S”形取樣法隨機選取每小區5個樣點，每個樣點3次重復，每個重復一穴，測量花生主莖高和側枝長。

1.3.4 籽仁品質 于R8花生成熟期收獲，自然曬干，隨機選取飽滿一致的籽仁進行品質指標測定。凱氏定氮法測定蛋白質含量；索氏提取法測定粗脂肪含量；日本島津GC-2010氣相色譜儀分析脂肪酸組分。

1.4 數據處理與統計分析

采用Microsoft Excel 2016整理數據，用SPSS Statistics 23.0進行多因素方差分析，用DPS 7.05進行統計分析，LSD法進行多重比較，SigmaPlot 12.5作圖。

2 結果與分析

2.1 耕作方式與秸稈還田對土壤緊實度的影響

由表2可知，耕作方式與秸稈還田影響了0～30 cm土層的土壤緊實度，表現為DTS＜RTS＜NTS＜DT＜RT＜NT，即秸稈還田處理的土壤緊實度明顯低于不還田的，深耕處理各土層的土壤緊實度明顯低于旋耕和免耕處理的。方差分析結果表明，秸稈還田極顯著降低了各土層的土壤緊實度；耕作方式顯著影響0～5、5～10、10～15、20～25 cm土層的土壤緊實度，但對15～20、25～30 cm土層的土壤緊實度影響不顯著；兩者互作對各土層土壤緊實度的影響不顯著。

表2 耕作方式與秸稈還田對土壤緊實度的影響

2.2 耕作方式與秸稈還田對土壤含水量的影響

由圖2可知，耕作方式、秸稈還田及兩者的交互作用均顯著影響0～100 cm土層的土壤含水量。相比秸稈不還田處理，秸稈還田處理增加了各土層的土壤含水量。不同耕作方式對不同土層土壤含水量的影響不同。在0～20 cm土層，土壤含水量為免耕處理＞深耕處理＞旋耕處理，表現為NTS＞DTS＞RTS＞NT＞DT＞RT。在20～80 cm土層，DTS和NTS處理的土壤含水量較高，其次為RTS和DT處理，RT和NT處理的土壤含水量較低；但各土層DTS和NTS處理的表現略有差異，20～40、40～60 cm土層DTS處理的土壤含水量高于NTS處理，而60～80 cm土層則為NTS處理的高于DTS處理。說明在秸稈還田條件下深耕和免耕處理更有利于提高20～80 cm土層的土壤含水量，而在秸稈不還田條件下深耕更有利于提高20～80 cm土層的土壤含水量。在80～100 cm土層，各處理間土壤含水量差異較小，以DTS處理的土壤含水量最高，NT處理的最低。

圖2 耕作方式與秸稈還田對土壤含水量的影響

2.3 耕作方式與秸稈還田對土壤水分利用的影響

由表3可知，耕作方式、秸稈還田及兩者的交互作用均極顯著影響花生對土壤水分的利用。在秸稈還田條件下，免耕處理0～100 cm土層的土壤貯水量高于深耕處理，兩者間差異不顯著，但顯著高于旋耕處理；花生生長季耗水量則以旋耕處理的最高，顯著高于深耕和免耕處理，免耕處理的最低；水分利用效率三種耕作方式間差異顯著，DTS處理的最高，旋耕處理的最低。在秸稈不還田條件下，DT處理0～100 cm土層的土壤貯水量顯著高于RT和NT處理，而花生生長季耗水量顯著低于RT和NT處理，水分利用效率顯著高于其他兩種耕作方式。在相同耕作方式下，秸稈還田相比秸稈不還田顯著增加0～100 cm土層土壤貯水量，顯著降低花生生長季耗水量，從而顯著提高了土壤水分利用效率。說明，秸稈還田能顯著提高小麥-花生一年兩熟制花生對土壤水分的利用效率，其中尤以深耕處理的效果最好。

2.4 耕作方式與秸稈還田對花生主莖高和側枝長的影響

由圖3可知，耕作方式、秸稈還田均顯著影響花生的主莖高和側枝長，但兩者的交互作用影響不顯著。與旋耕和免耕處理相比，深耕處理增加了花生的主莖高和側枝長；相同耕作方式下，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理增加了花生的主莖高和側枝長。

表3 耕作方式與秸稈還田對土壤水分利用的影響

圖3 耕作方式與秸稈還田對花生主莖高和側枝長的影響

2.5 耕作方式與秸稈還田對花生籽仁品質的影響

由表4可知，與旋耕和免耕處理相比，深耕處理提高了花生粗脂肪和蛋白質含量，提高了O/L值。在相同耕作方式下，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理顯著提高了粗脂肪和蛋白質含量，提高了O/L。

表4 耕作方式與秸稈還田對花生籽仁品質的影響

3 討論與結論

土壤緊實度又叫土壤硬度，對土壤水分入滲以及土壤通透性有直接影響，并間接影響土壤養分轉化、運輸等指標［16］。耕作方式直接影響土壤緊實度、水分含量等性質。有研究表明，免耕增加了土壤緊實度，有助于形成良好的土壤結構，從而減少對土壤的侵蝕，利于蓄水和保水；與傳統耕作相比，免耕或少耕可以提高表層土壤的含水量，提高水分利用率［17］。然而也有研究發現，與免耕相比，傳統耕作減小了土壤緊實度，有利于水分的下滲，可以提高土壤的貯水能力，提高水分利用率［18，19］。本研究結果表明，免耕處理增加了0～30 cm土層的土壤緊實度，增加了0～20 cm土層的土壤含水量；但深耕處理增加了20～100 cm土層的土壤含水量，減少了花生生長季耗水量，提高了水分利用率。主要原因是，免耕處理下，土壤自身下沉引起土壤顆粒之間排列比較緊密，增加了土壤緊實度，增強了儲水和抗水蝕能力，從而增加了0～20 cm土層的土壤含水量。而深耕處理打破了犁底層，土壤比較疏松，減小了土壤緊實度［15］，有利于水分的下滲并且減少了水分的蒸發，從而增加土壤含水量和貯水量，提高水分利用率［20］。

秸稈還田對土壤緊實度和土壤水分利用也有較大影響。大量研究表明，秸稈還田可以降低土壤緊實度，增加土壤含水量，提高水分利用率［16］。本研究結果表明，秸稈還田處理降低了0～30 cm土層的土壤緊實度，提高了0～80 cm土層的土壤含水量，減少了花生生長季耗水量，提高了水分利用率。主要原因是，秸稈還田減小了土壤緊實度，有利于水分的下滲，從而可以儲蓄更多的水分；而且秸稈還田還減少了土壤水分的蒸發，減少了地表水分徑流量，降低了土壤水分的無效損失，從而提高水分利用率［21］。

主莖高與側枝長是花生最易于觀測的形態指標，能直觀反映花生形態發育狀況與內部的生理生化水平。花生籽仁品質受品種、種植環境等多種因素的影響，栽培因素對花生籽仁品質的影響也不可忽視，脂肪和蛋白質含量是花生重要的品質指標。大量研究表明，深耕能降低土壤緊實度，提高土壤滲透性，促進根系的生長發育，改善光合性能，延緩葉片衰老，提高作物產量和品質［18，22］。本研究結果表明，深耕處理增加了花生的主莖高和側枝長，提高了籽仁蛋白質和粗脂肪含量。

不同耕作方式與秸稈還田方式影響土壤緊實度、水分利用以及花生籽仁品質。其中，深耕+秸稈還田（DTS）處理，不僅改良了土壤性質，降低了土壤緊實度，提高了土壤水分含量和水分利用率，還提高了花生籽仁品質。因此，在小麥-花生一年兩熟制中，花生季采用深耕+秸稈還田（DTS）處理不僅能夠緩解糧油爭地矛盾，而且還能夠改良土壤性質，實現耕地資源的用養結合，促進耕地資源的可持續利用。