河西灌區(qū)綠肥對(duì)春小麥化學(xué)氮肥的替代及增產(chǎn)潛力初探

張松茂，胡發(fā)龍，殷 文，樊志龍，柴 強(qiáng)

（甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

化肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要要素［1］，對(duì)促進(jìn)作物產(chǎn)量提高，解決人類溫飽問題發(fā)揮了不可替代的作用［2-3］。近年來，不合理的施用化肥導(dǎo)致了土壤退化、地下水污染、溫室氣體排放及病蟲害增加等諸多問題，已嚴(yán)重影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)性［4］，以化肥減量為目標(biāo)的施肥技術(shù)研究亟待加強(qiáng)。研究表明，氮肥施用超過一定用量，對(duì)作物產(chǎn)量的增產(chǎn)效果減弱，甚至出現(xiàn)減產(chǎn)的趨勢(shì)［5］。因此，在不增加化肥用量的前提下，如何挖掘化肥增產(chǎn)潛力是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的主要問題。

小麥?zhǔn)俏覈谌蠹Z食作物，在各種營養(yǎng)元素中對(duì)氮素需求量最大，氮肥管理決定小麥產(chǎn)量的高低［6］。研究表明，采用有機(jī)配合無機(jī)的施肥方法是降低小麥氮肥施用量可行有效的途徑［7-8］。綠肥是一種養(yǎng)分全面的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥源，在我國種植制度中是理想的輪作倒茬作物，同時(shí)也是替代化肥、培肥土壤、增強(qiáng)生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性的潛力作物［9］。大量研究表明，施用綠肥不僅顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，還可減少速效養(yǎng)分尤其是氮素的損失，可為后茬作物提供一定氮源，從而保證后茬作物的產(chǎn)量［10-12］。稻田綠肥紫云英翻壓后，減少20%～40%的氮肥施用量，不會(huì)降低稻谷和稻草產(chǎn)量，說明綠肥紫云英替代化肥具有可行性［13］。受主栽作物需肥特性、綠肥供肥能力及產(chǎn)量目標(biāo)等多要素的影響，厘清綠肥作物替代化肥閾值的潛力，是構(gòu)建綠肥配施化肥作物高效養(yǎng)分管理制度的重要基礎(chǔ)。已有學(xué)者在氮肥管理對(duì)小麥產(chǎn)量、品質(zhì)、氮肥利用率及土壤健康方面做了大量研究，但對(duì)高產(chǎn)目標(biāo)下綠肥替代化學(xué)氮肥、綠肥與化肥配施的增產(chǎn)潛力研究相對(duì)較少，使得生產(chǎn)實(shí)踐中缺乏綠肥與化肥相結(jié)合的小麥養(yǎng)分高效管理理論和技術(shù)。為此，本研究在河西灌區(qū)設(shè)置大田試驗(yàn)，在不同綠肥還田量下設(shè)置不施氮和施氮處理，探討綠肥替代化肥生產(chǎn)小麥的短期潛力，以期為試區(qū)建立基于綠肥與化肥配施的小麥綠色生產(chǎn)模式提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地進(jìn)行，地處河西走廊東端的武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)，為典型的大陸性荒漠氣候區(qū)，年均降水量150 mm、蒸發(fā)量約2400 mm，年均日照時(shí)數(shù)＞2945 h、年均溫7.2℃。試驗(yàn)地0～30 cm基礎(chǔ)土壤全氮0.68 g/kg、有機(jī)質(zhì)14.31 g/kg。小麥?zhǔn)窃撛噮^(qū)的主栽作物，且多以連作方式生產(chǎn)，麥后可進(jìn)行短期復(fù)種?；适侵饕试?，有機(jī)肥用量小。小麥于2019年4月21日基本全出苗，在其播種后30 d（苗期）第一次取樣，之后分別于分蘗期（5月12日，出苗后45 d）、拔節(jié)期（5月27日，出苗后60 d）、孕穗期（6月13日，出苗后75 d）、灌漿期（6月28日，出苗后90 d）取樣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)施氮和綠肥翻壓量2個(gè)因素。施氮設(shè)2個(gè)水平，即0（N0）和180 kg/hm2（N1）；綠 肥 翻 壓 量 設(shè)4個(gè) 水 平，即0（G0）、15000 kg/hm2（G1）、30000 kg/hm2（G2）、45000 kg/hm2（G3），共8個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，總計(jì)24個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積44.24 m2（7.9 m×5.6 m）。小麥生育期施P2O5113 kg/hm2，全作基肥。2018年為預(yù)備試驗(yàn)，在小麥?zhǔn)蘸笥?月28日復(fù)種毛葉苕子，播種量25 kg/hm2，10月20日翻壓還田，設(shè)置不同的綠肥還田量，2019年3月12日進(jìn)行小麥傳統(tǒng)條播，播種量675萬粒/hm2，于7月20日收獲。參試小麥（Triticum aestivumL.）品種為寧春4號(hào)，綠肥采用毛葉苕子（Vicia villosaRoth），品種為土庫曼苕子。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及計(jì)算方法

干物質(zhì)：自小麥出苗 20 d 開始，每隔15 d隨機(jī)取20株，在105℃烘箱內(nèi)殺青30 min，然后調(diào)至85℃烘至恒重，計(jì)量。

干物質(zhì)累積速率（CGR）=（W2-W1）/（T2-T1）

式中，T2和T1為相鄰測(cè)定時(shí)期，W2和W1分別為T2和T1時(shí)期的干重（kg/hm2）。

產(chǎn)量：以小區(qū)為單位，單打單收，自然風(fēng)干后測(cè)定其籽粒產(chǎn)量（GY）與生物產(chǎn)量（BY）。

收獲指數(shù)（HI）=GY/BY

產(chǎn)量構(gòu)成：按小區(qū)單獨(dú)收獲記產(chǎn)（除去取樣植株所占面積），隨機(jī)選取小麥20株，測(cè)定單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)。用PM-8188型谷物水分測(cè)定儀測(cè)定籽粒含水率，重復(fù)5次，取其平均值。另外，計(jì)算14%含水量下的千粒重。

氮肥替代潛力（NSP）用不同處理的籽粒產(chǎn)量計(jì)算，公式如下：

NSP＝（N0Gi-N0G0）/N1G0×100%，式中N0為不施氮，G0為綠肥不還田，N1為施氮180 kg/hm2，Gi為不同綠肥還田量，i＝1～3。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（Ducan′s multiple range tests）、相關(guān)性及通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮配合不同綠肥還田量下小麥干物質(zhì)累積特征

小麥全生育期干物質(zhì)累積如表1，綠肥還田利于小麥干物質(zhì)累積，與無綠肥還田相比，拔節(jié)期（5月27日，出苗后60 d）前，N1G2、N1G3小麥干物質(zhì)較N1處理分別提高20.0%、27.7%，且差異顯著；N0G2、N0G3較N0處理分別提高22.0%、29.3%，且差異顯著。拔節(jié)期至孕穗期（5月27日～6月13日，出苗后60～75 d），N0G2、N0G3小麥干物質(zhì)較N0處理分別提高8.4%、14.6%，N1G2、N1G3干物質(zhì)較N1處理分別提高10.0%、7.0%。灌漿期至成熟期（6月28日～7月19日，出苗后90～105 d），N0G1、N0G2、N0G3較N0處 理 分 別 提 高10.2%、11.0%、16.1%，施氮處理間N1G2較N1處理提高5.0%。

同一綠肥還田量下，拔節(jié)期（5月27日，出苗后60 d）前，N1G1、N1G2、N1G3小麥干物質(zhì)較N0G1、N0G2、N0G3處理分別提高22.0%、16.9%、18.2%，且差異顯著。拔節(jié)期至孕穗期（5月27日～6月13日，出苗后60～75 d），N1G2較N0G2處理提高8.4%。灌漿期至成熟期（6月28日～7月19日，出苗后90～105 d），N0G3較N1G3處理提高6.5%。以上結(jié)果說明，不施氮降低了小麥干 物質(zhì)累積量，而綠肥還田能弱化這種降低，說明綠肥有替代化肥的潛力。

表1 施氮配合不同綠肥還田量下小麥干物質(zhì)累積特征 （kg/hm2）

2.2 施氮配合不同綠肥還田量下小麥干物質(zhì)累積速率動(dòng)態(tài)

如表2表示，與無綠肥還田相比，拔節(jié)期（5月27日，出苗后60 d）前，N1G2、N1G3小麥干物質(zhì)累積速率較N1處理分別提高13.8%、24.2%；N0G2、N0G3較N0處理分別提高28.7%、18.4%，且差異顯著。拔節(jié)期至孕穗期（5月27日～6月13日，出苗后60～75 d），小麥干物質(zhì)累積速率迅速增長，至孕穗期達(dá)到最大，此時(shí)N0G1、N0G3干物質(zhì)累積速率較N0處理分別提高7.0%和8.8%。孕穗期至灌漿期（6月13日～6月28日，出苗后75～90 d），小麥干物質(zhì)累積速率迅速下降，N1G1、N1G2、N1G3較N1分 別 降 低5.9%、35.0%、11.8%；N0G2較N0處理降低29.0%，但N0G1、N0G3較N0處理分別提高9.7%、25.8%。灌漿期至成熟期（6月28日～7月19日，出苗后90～105 d），干物質(zhì)累積速率逐漸穩(wěn)定，N1G3較N1處理降低10.2%，N1G1、N1G2較N1處理分別提高21.7%和42.0%，N0G1、N0G2、N0G3較N0處理分別提高56.8%、87.0%、22.2%。

表2 施氮配合不同還田量下小麥干物質(zhì)累積速率動(dòng)態(tài) ［kg/（hm2·d）］

同一還田量下，拔節(jié)期（5月27日，出苗后60 d）前，N1G1、N1G2、N1G3小麥干物質(zhì)累積速率較N0G1、N0G2、N0G3處理分別提高27.1%、8.0%、28.1%。拔節(jié)期至孕穗期（5月27日～6月13日，出苗后60～75 d），N1G2較N0G2提高4.0%，N1G3較N0G3降低8.9%。孕穗期至灌漿期（6月13日～6月28日，出苗后75～90 d），N1G1、N1G3較N0G1、N0G3分別降低5.9%、23.0%。灌漿期至成熟期（6月28日～7月19日，出 苗 后90～105 d），N1G3較N0G3降低6.1%。就整個(gè)生育期來看，施氮配合綠肥還田30000 kg/hm2處理以及不施氮配合綠肥還田45000 kg/hm2處理能夠明顯加快小麥的干物質(zhì)累積速率，提高干物質(zhì)積累量，為小麥高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

2.3 施氮配合不同還田量對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)的影響

施氮對(duì)籽粒產(chǎn)量、收獲指數(shù)影響顯著，綠肥還田量對(duì)籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量、收獲指數(shù)影響顯著，施氮及綠肥還田量對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量存在顯著的互作效應(yīng)。施肥結(jié)合不同綠肥還田量顯著增加了小麥籽粒產(chǎn)量（表3）。同一施氮水平下，N1G2較N1G1、N1G3、N1籽粒產(chǎn)量分別提高15.9%、8.2%、18.4%，說明綠肥還田具有一定的增產(chǎn)潛力；不施氮處理下，N0G3較N0G1、N0G2、N0籽粒產(chǎn)量分別提高27.8%、18.4%、46.0%。同一綠肥還田量下，N1G1、N1G2、N0G3較N0G1、N0G2、N1G3處理分別提高12.8%、21.1%、5.7%。由氮肥替代潛力計(jì)算公式得出，N0G1、N0G2、N0G3處理的綠肥替代化肥比例分別為11.3%、18.5%、36.5%，說明不施氮處理下，綠肥還田量越多，替代效果越明顯。

施氮結(jié)合不同綠肥還田量增加了小麥生物產(chǎn)量。同一施氮水平下，N1G2較N1G1、N1G3、N1生物產(chǎn)量分別提高3.8%、5.6%、4.8%；不施氮處理下，N0G3較N0G1、N0G2、N0生物產(chǎn)量分別提高4.3%、4.5%、16.1%；同一綠肥還田量下，N1G2、N0G3較N0G2、N1G3處理生物產(chǎn)量分別提高6.5%、3.7%。進(jìn)一步比較不同處理小麥?zhǔn)斋@指數(shù)發(fā)現(xiàn)，同一施氮水平 下，N1G2較N1G1、N1分 別 提 高11.8%、13.0%；不施氮處理下，N0G3較N0G1、N0G2、N0分別提高22.8%、13.3%、25.9%；同一綠肥還田量下，N1G1、N1G2較N0G1、N0G2分別提高10.2%、13.7%。N0G3與N1G2、N1G3處理差異不顯著，說明綠肥還田能促進(jìn)光合產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)移。

2.4 施氮配合不同綠肥還田量對(duì)小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表4所示，施氮及綠肥還田對(duì)小麥有效穗數(shù)、穗粒數(shù)影響均顯著，施氮及綠肥還田兩因素間的互作效應(yīng)對(duì)小麥穗粒數(shù)影響顯著，對(duì)有效穗數(shù)和千粒重?zé)o顯著影響。同一施氮水平下，綠肥還田30000 kg/hm2較還田15000 kg/hm2的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別提高13.8%、18.7%、5.3%；較還田45000 kg/hm2的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別提高4.8%、14.2%、4.9%；較不還田的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別提高17.3%、26.8%、5.9%。

不施氮處理下，綠肥還田45000 kg/hm2較還田15000 kg/hm2的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別提高23.1%、20.6%、3.5%；較還田30000 kg/hm2的穗數(shù)、穗粒數(shù)分別提高15.9%、19.6%；較不還田的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別提高28.0%、34.2%、5.8%。

表3 不同施氮量及綠肥還田量下小麥的產(chǎn)量

同一綠肥還田量下，N1G1較N0G1的穗數(shù)、穗粒數(shù)分別提高11.2%、11.3%；N1G2較N0G2的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別提高19.2%、30.9%、6.4%。由此可以看出，綠肥還田通過增加小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重來實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。N1G2處理下小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均最高，說明施氮配合綠肥還田30000 kg/hm2時(shí)，主要通過優(yōu)化小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成來調(diào)控產(chǎn)量。

表4 不同處理下小麥的產(chǎn)量構(gòu)成

2.5 小麥產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的通徑分析

對(duì)所有處理的小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素與籽粒產(chǎn)量進(jìn)行通徑分析（表5），可以客觀評(píng)價(jià)各產(chǎn)量構(gòu)成因素對(duì)籽粒產(chǎn)量的相對(duì)重要性。由小麥籽粒產(chǎn)量與各產(chǎn)量構(gòu)成因素直接通徑系數(shù)大小可以看出，對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的影響順序依次為穗粒數(shù)（0.614）＞穗數(shù)（0.212）＞千粒重（0.11），表明對(duì)籽粒產(chǎn)量影響最大的是穗粒數(shù)，其次為穗數(shù)，千粒重影響最小。由小麥籽粒產(chǎn)量與各產(chǎn)量構(gòu)成因素的間接通徑系數(shù)大小可以看出，穗數(shù)通過穗粒數(shù)表現(xiàn)出對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最大（0.543），穗粒數(shù)通過穗數(shù)表現(xiàn)出對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最大（0.187），千粒重通過穗粒數(shù)表現(xiàn)出對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最大（0.405）。因此，綠肥和化肥配施改變了小麥產(chǎn)量構(gòu)成三要素，對(duì)籽粒產(chǎn)量的影響主要以直接作用為主，通過提高單位面積的有效穗數(shù)和穗粒數(shù)來提高產(chǎn)量。而通過提高千粒重來實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的效果并不明顯，主要是由于千粒重可能與作物的品種遺傳基因有關(guān)，變異程度相對(duì)較小。

表5 各產(chǎn)量構(gòu)成因素對(duì)籽粒產(chǎn)量的直接和間接效應(yīng)

通徑分析結(jié)合產(chǎn)量構(gòu)成進(jìn)一步表明，單施綠肥以及綠肥、化肥配施對(duì)穗粒數(shù)的影響作用最明顯，其次為穗數(shù)。其中單施綠肥處理下，綠肥還田量越大，小麥的穗粒數(shù)越大，通過穗粒數(shù)影響進(jìn)而提高小麥籽粒產(chǎn)量；施氮配合綠肥還田30000 kg/hm2時(shí)，小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)均為最大，通過增加穗數(shù)進(jìn)而影響穗粒數(shù)對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，最終利于高產(chǎn)。

3 討論

3.1 綠肥、化肥配施與作物干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的關(guān)系

干物質(zhì)是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，其積累和分配決定著作物最終產(chǎn)量［14］。隨氮肥用量的增加，小麥干物質(zhì)積累量增大［15］。研究表明，間套作、水肥管理等農(nóng)藝調(diào)控措施均能夠增加作物干物質(zhì)累積，進(jìn)而獲得高產(chǎn)［16］；適量增施氮肥能夠提高小麥的干物質(zhì)累積速率［17］。綠肥、化肥配施，避免了前期無機(jī)肥供應(yīng)過猛，中期在小麥需肥高峰階段提供充足肥源，協(xié)調(diào)養(yǎng)分供應(yīng)，促進(jìn)小麥生長和葉部光合作用，使干物質(zhì)積累量增加。在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上翻壓綠肥小麥干物質(zhì)積累量高于常規(guī)施肥，可能與綠肥翻壓后釋放養(yǎng)分或活化土壤養(yǎng)分，增加小麥對(duì)養(yǎng)分吸收有關(guān)。本研究表明，施氮配合綠肥還田30000 kg/hm2處理可保持較高的干物質(zhì)積累速率，維持生育期內(nèi)較長時(shí)間的干物質(zhì)持續(xù)期，延緩生育后期干物質(zhì)積累速率的降低，其主要原因在于施氮能夠增加葉片中超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的含量，延緩葉片中葉綠素含量的降低，改善作物生育期的光合特性［18-19］，延長生育后期葉片的光合作用持續(xù)期；綠肥還田能夠增加土壤中氮含量，在小麥生育后期隨著氣溫升高而快速釋放，滿足當(dāng)季小麥的生長需要［20］，最終利于高產(chǎn)。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，各處理下小麥的干物質(zhì)積累量逐漸增加，成熟期達(dá)到穩(wěn)定。綠肥還田30000 kg/hm2處理下成熟期群體干物質(zhì)積累量最大，綠肥不還田時(shí)群體干物質(zhì)積累量最小，這與姚鵬偉等［21］研究結(jié)果一致。

大量研究表明，適量施用氮肥能增加小麥的籽粒產(chǎn)量［22］。此外，綠肥有一定的養(yǎng)分供應(yīng)能力，能夠促進(jìn)作物生長，綠肥、化肥配施能促進(jìn)養(yǎng)分吸收，提高作物產(chǎn)量［23］。小麥生長后期，翻壓的綠肥仍能釋放較多的氮素，可以滿足小麥對(duì)氮素的需求，加快小麥生長，促使花后吸收更多的氮磷養(yǎng)分，促進(jìn)碳水化合物合成，進(jìn)而形成較高的籽粒產(chǎn)量。本研究表明，施氮配合綠肥還田30000 kg/hm2處理下，小麥的籽粒產(chǎn)量顯著高于其他處理。

3.2 綠肥替代氮肥研究

本研究中，N0G1、N0G2、N0G3處理的綠肥替代化肥比例分別為11.3%、18.5%、36.5%，說明不施氮處理下，綠肥還田量越多，替代效果越明顯。綠肥替代氮肥有利于提高小麥干物質(zhì)積累量，進(jìn)而提高有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率，最終利于小麥高產(chǎn)。這可能與綠肥中有機(jī)氮釋放較為緩慢，同時(shí)提高了土壤的有機(jī)質(zhì)含量和改善了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于小麥來說，產(chǎn)量構(gòu)成因素之間的協(xié)調(diào)發(fā)展是實(shí)現(xiàn)其高產(chǎn)的基礎(chǔ)。配施處理對(duì)作物產(chǎn)量的影響主要體現(xiàn)在對(duì)有效穗數(shù)、穗粒數(shù)以及千粒重的影響上。相關(guān)研究表明，綠肥、化肥配施可顯著提高小麥的穗粒數(shù)和千粒重，利于高產(chǎn)［24］。本研究發(fā)現(xiàn)，配施處理對(duì)小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響基本表現(xiàn)一致，即通過提高單位面積的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，從而提高籽粒產(chǎn)量。其中，綠肥還田30000 kg/hm2時(shí)小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均為最高，說明該處理下，主要通過優(yōu)化小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成來調(diào)控產(chǎn)量。

4 結(jié)論

河西綠洲灌區(qū)毛葉苕子還田后種植小麥，15000、30000、45000 kg/hm2綠 肥 可 分 別 替 代 化 學(xué) 氮 肥11.3%、18.5%、36.5%。施氮180 kg/hm2配合30000kg/hm2綠肥還田的干物質(zhì)累積量和累積速率明顯高于其他處理，該處理與不施氮配合綠肥還田45000 kg/hm2處理的籽粒產(chǎn)量差異不顯著，分別較施氮不復(fù)種綠肥增產(chǎn)18.4%和15.7%。施氮配合綠肥高產(chǎn)主要?dú)w因于優(yōu)化了小麥有效穗數(shù)、穗粒數(shù)。綜合來看，綠肥還田30000 kg/hm2結(jié)合施氮180 kg/hm2可作為河西灌區(qū)小麥高產(chǎn)的養(yǎng)分短期管理模式。