耕作方式与秸秆还田对麦后复种花生水分利用及籽仁品质的影响

赵继浩，李颖，赖华江，潘小怡，李向东，杨东清

（山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室，山东 泰安 271018）

黄淮海地区是我国重要的粮食和油料作物产区，由于该地区多实行浅翻耕，造成土壤耕层变浅、紧实度增加、养分失衡等，严重限制了粮油产量的提高，再加上我国人口数量的增加和人民生活水平的提高，对粮油的需求量逐渐增大，粮油供给面临着巨大挑战［1，2］。因此，通过改变农业种植模式、改善土壤结构、培肥地力提高粮油产量，对缓解粮油争地矛盾、实现粮油自给具有极其重要的意义。

合理的土壤耕作和秸秆还田是农业生产中两项重要的土壤改良和增产措施［3］。土壤耕作是通过影响土壤水、肥、气、热等的变化影响作物产量，耕作方式不同其影响不同［4］。已有研究发现，免耕对土壤结构的扰动较小，在土壤保水、保墒等方面具有积极作用［5，6］；但免耕会增大土壤紧实度［7］，不利于养分到达下层，影响作物根系对土壤养分的吸收，从而造成产量的降低［8］；而赵财等［9］的研究发现，与玉米茬传统耕作相比，玉米茬免耕直播能促进小麦地上部干物质积累，提高产量。深耕有利于打破犁底层，降低土壤紧实度［10］，促进根系对土壤养分的吸收，提高产量［11］。

小麦-花生一年两熟的种植模式是缓解粮油争地矛盾的重要途径。秸秆作为前茬小麦收获后的主要废弃物，将其还田不仅可以减少土壤蒸发耗水，提高土壤含水量［12］，还可以提高产量［13］。

前人围绕耕作方式与秸秆还田对土壤性质的影响已做了大量研究，但关于土壤水分利用的报道较少。因此，本试验研究了小麦-花生一年两熟模式下耕作方式与秸秆还田对土壤水分利用以及花生产量和品质的影响，以期为改善该地区冬小麦-夏花生一年两熟生产技术提供一定的理论参考和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验材料

试验于2017年10月—2018年10月在山东省泰安市山东农业大学农学试验站（116°20′E，35°38′N）进行，属温带季风性气候。花生生育期内平均气温25.6℃，降雨量512.7 mm，6—10月的平均气温和降雨量见图1。试验地为砂壤土，花生种植前测土壤理化性质：耕层（0～20 cm）土壤有机质含量13.18 g·kg-1，全氮含量1.03 g·kg-1，速效磷含量32.69 mg·kg-1，速效钾含量81.80 mg·kg-1。

供试花生品种为大花生品种“山花108”，小麦品种为“山农20”。

图1 研究区花生生育期内平均气温和降雨量

1.2 试验设计

采用冬小麦-夏花生周年定位试验，裂区设计，主区为耕作方式，设置深耕（DT）、旋耕（RT）、免耕（NT）3个处理，其中深耕作业深度为30 cm，旋耕作业深度为15 cm；副区为秸秆还田，设置秸秆全量还田（S）和秸秆不还田2个处理。每个处理3次重复，小区面积20 m×6 m＝120 m2。具体试验设计见表1。

表1 试验设计

冬小麦于2017年10月13日播种，2018年6月7日收获；夏花生于2018年6月14日播种，2018年10月7日收获。夏花生采用畦种，畦宽1.5 m，每畦种5行，每公顷种植密度为15万穴（行距30 cm，株距20 cm），每穴播种2粒。花生播种前基施化肥纯N 110 kg·hm-2、P2O5110 kg·hm-2、K2O 110 kg·hm-2，其它管理措施同一般高产田。小麦采用畦种，畦宽3 m，机械播种，每公顷种植225万株；小麦种植前基施化肥纯N 110 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2，于拔节期追施纯N 110 kg·hm-2，其它管理措施同一般高产田。

参照Boote［14］的方法，按照植株及荚果的发育形态学特征，将花生生长发育阶段划分为：R1（苗期）、R3（花针期）、R5（结荚期）、R7（饱果期）和R8（成熟期）。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤紧实度的测定 于花生生长季R8时期取样，采用“S”形取样法随机选取每小区5个样点，每个样点3次重复；利用托普TJSD-750-Ⅱ土壤紧实度测定仪每5 cm一层，测定0～30 cm土层土壤紧实度。

1.3.2 土壤含水量的测定 于花生生长季R8时期取样，采用“S”形取样法随机选取每小区5个样点，每个样点3次重复；用土钻取0～100 cm土层土样，每20 cm一层，分层取土，置于铝盒中，采用烘干法测定土壤含水量，其公式为：土壤含水量＝（鲜土质量-烘干质量）/干土质量×100%。

土壤贮水量的测定［15］：W ＝h×s×c×10。式中：W 为土壤贮水量（mm）；h为土层深度（cm）；s为土壤容重（g·cm-3）；c为土壤水分含量（%）。

作物耗水量的测定：ET＝W1-W2+P+K。其中，ET为作物耗水量（mm），W1为播前土壤贮水量（mm）；W2为收获后土壤贮水量（mm）；P为生育期降雨量（mm）；K为生育期内的地下水补给量（mm），当地下水埋深大于2.5 m时，K值可以不计，本试验的地下水埋深在4 m以下，因此K忽略不计。

水分利用效率的测定［15］：WUE＝Y/ET。式中：WUE为水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；Y为作物产量（kg·hm-2）。

1.3.3 花生主茎高和侧枝长的测定 分别于花生R1、R3、R5、R7和R8时期取样，采用“S”形取样法随机选取每小区5个样点，每个样点3次重复，每个重复一穴，测量花生主茎高和侧枝长。

1.3.4 籽仁品质 于R8花生成熟期收获，自然晒干，随机选取饱满一致的籽仁进行品质指标测定。凯氏定氮法测定蛋白质含量；索氏提取法测定粗脂肪含量；日本岛津GC-2010气相色谱仪分析脂肪酸组分。

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2016整理数据，用SPSS Statistics 23.0进行多因素方差分析，用DPS 7.05进行统计分析，LSD法进行多重比较，SigmaPlot 12.5作图。

2 结果与分析

2.1 耕作方式与秸秆还田对土壤紧实度的影响

由表2可知，耕作方式与秸秆还田影响了0～30 cm土层的土壤紧实度，表现为DTS＜RTS＜NTS＜DT＜RT＜NT，即秸秆还田处理的土壤紧实度明显低于不还田的，深耕处理各土层的土壤紧实度明显低于旋耕和免耕处理的。方差分析结果表明，秸秆还田极显著降低了各土层的土壤紧实度；耕作方式显著影响0～5、5～10、10～15、20～25 cm土层的土壤紧实度，但对15～20、25～30 cm土层的土壤紧实度影响不显著；两者互作对各土层土壤紧实度的影响不显著。

表2 耕作方式与秸秆还田对土壤紧实度的影响

2.2 耕作方式与秸秆还田对土壤含水量的影响

由图2可知，耕作方式、秸秆还田及两者的交互作用均显著影响0～100 cm土层的土壤含水量。相比秸秆不还田处理，秸秆还田处理增加了各土层的土壤含水量。不同耕作方式对不同土层土壤含水量的影响不同。在0～20 cm土层，土壤含水量为免耕处理＞深耕处理＞旋耕处理，表现为NTS＞DTS＞RTS＞NT＞DT＞RT。在20～80 cm土层，DTS和NTS处理的土壤含水量较高，其次为RTS和DT处理，RT和NT处理的土壤含水量较低；但各土层DTS和NTS处理的表现略有差异，20～40、40～60 cm土层DTS处理的土壤含水量高于NTS处理，而60～80 cm土层则为NTS处理的高于DTS处理。说明在秸秆还田条件下深耕和免耕处理更有利于提高20～80 cm土层的土壤含水量，而在秸秆不还田条件下深耕更有利于提高20～80 cm土层的土壤含水量。在80～100 cm土层，各处理间土壤含水量差异较小，以DTS处理的土壤含水量最高，NT处理的最低。

图2 耕作方式与秸秆还田对土壤含水量的影响

2.3 耕作方式与秸秆还田对土壤水分利用的影响

由表3可知，耕作方式、秸秆还田及两者的交互作用均极显著影响花生对土壤水分的利用。在秸秆还田条件下，免耕处理0～100 cm土层的土壤贮水量高于深耕处理，两者间差异不显著，但显著高于旋耕处理；花生生长季耗水量则以旋耕处理的最高，显著高于深耕和免耕处理，免耕处理的最低；水分利用效率三种耕作方式间差异显著，DTS处理的最高，旋耕处理的最低。在秸秆不还田条件下，DT处理0～100 cm土层的土壤贮水量显著高于RT和NT处理，而花生生长季耗水量显著低于RT和NT处理，水分利用效率显著高于其他两种耕作方式。在相同耕作方式下，秸秆还田相比秸秆不还田显著增加0～100 cm土层土壤贮水量，显著降低花生生长季耗水量，从而显著提高了土壤水分利用效率。说明，秸秆还田能显著提高小麦-花生一年两熟制花生对土壤水分的利用效率，其中尤以深耕处理的效果最好。

2.4 耕作方式与秸秆还田对花生主茎高和侧枝长的影响

由图3可知，耕作方式、秸秆还田均显著影响花生的主茎高和侧枝长，但两者的交互作用影响不显著。与旋耕和免耕处理相比，深耕处理增加了花生的主茎高和侧枝长；相同耕作方式下，与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理增加了花生的主茎高和侧枝长。

表3 耕作方式与秸秆还田对土壤水分利用的影响

图3 耕作方式与秸秆还田对花生主茎高和侧枝长的影响

2.5 耕作方式与秸秆还田对花生籽仁品质的影响

由表4可知，与旋耕和免耕处理相比，深耕处理提高了花生粗脂肪和蛋白质含量，提高了O/L值。在相同耕作方式下，与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理显著提高了粗脂肪和蛋白质含量，提高了O/L。

表4 耕作方式与秸秆还田对花生籽仁品质的影响

3 讨论与结论

土壤紧实度又叫土壤硬度，对土壤水分入渗以及土壤通透性有直接影响，并间接影响土壤养分转化、运输等指标［16］。耕作方式直接影响土壤紧实度、水分含量等性质。有研究表明，免耕增加了土壤紧实度，有助于形成良好的土壤结构，从而减少对土壤的侵蚀，利于蓄水和保水；与传统耕作相比，免耕或少耕可以提高表层土壤的含水量，提高水分利用率［17］。然而也有研究发现，与免耕相比，传统耕作减小了土壤紧实度，有利于水分的下渗，可以提高土壤的贮水能力，提高水分利用率［18，19］。本研究结果表明，免耕处理增加了0～30 cm土层的土壤紧实度，增加了0～20 cm土层的土壤含水量；但深耕处理增加了20～100 cm土层的土壤含水量，减少了花生生长季耗水量，提高了水分利用率。主要原因是，免耕处理下，土壤自身下沉引起土壤颗粒之间排列比较紧密，增加了土壤紧实度，增强了储水和抗水蚀能力，从而增加了0～20 cm土层的土壤含水量。而深耕处理打破了犁底层，土壤比较疏松，减小了土壤紧实度［15］，有利于水分的下渗并且减少了水分的蒸发，从而增加土壤含水量和贮水量，提高水分利用率［20］。

秸秆还田对土壤紧实度和土壤水分利用也有较大影响。大量研究表明，秸秆还田可以降低土壤紧实度，增加土壤含水量，提高水分利用率［16］。本研究结果表明，秸秆还田处理降低了0～30 cm土层的土壤紧实度，提高了0～80 cm土层的土壤含水量，减少了花生生长季耗水量，提高了水分利用率。主要原因是，秸秆还田减小了土壤紧实度，有利于水分的下渗，从而可以储蓄更多的水分；而且秸秆还田还减少了土壤水分的蒸发，减少了地表水分径流量，降低了土壤水分的无效损失，从而提高水分利用率［21］。

主茎高与侧枝长是花生最易于观测的形态指标，能直观反映花生形态发育状况与内部的生理生化水平。花生籽仁品质受品种、种植环境等多种因素的影响，栽培因素对花生籽仁品质的影响也不可忽视，脂肪和蛋白质含量是花生重要的品质指标。大量研究表明，深耕能降低土壤紧实度，提高土壤渗透性，促进根系的生长发育，改善光合性能，延缓叶片衰老，提高作物产量和品质［18，22］。本研究结果表明，深耕处理增加了花生的主茎高和侧枝长，提高了籽仁蛋白质和粗脂肪含量。

不同耕作方式与秸秆还田方式影响土壤紧实度、水分利用以及花生籽仁品质。其中，深耕+秸秆还田（DTS）处理，不仅改良了土壤性质，降低了土壤紧实度，提高了土壤水分含量和水分利用率，还提高了花生籽仁品质。因此，在小麦-花生一年两熟制中，花生季采用深耕+秸秆还田（DTS）处理不仅能够缓解粮油争地矛盾，而且还能够改良土壤性质，实现耕地资源的用养结合，促进耕地资源的可持续利用。