河西灌區綠肥對春小麥化學氮肥的替代及增產潛力初探

張松茂，胡發龍，殷 文，樊志龍，柴 強

（甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070）

化肥是農業生產的重要要素［1］，對促進作物產量提高，解決人類溫飽問題發揮了不可替代的作用［2-3］。近年來，不合理的施用化肥導致了土壤退化、地下水污染、溫室氣體排放及病蟲害增加等諸多問題，已嚴重影響到農業生產的持續性［4］，以化肥減量為目標的施肥技術研究亟待加強。研究表明，氮肥施用超過一定用量，對作物產量的增產效果減弱，甚至出現減產的趨勢［5］。因此，在不增加化肥用量的前提下，如何挖掘化肥增產潛力是目前農業生產中面臨的主要問題。

小麥是我國第三大糧食作物，在各種營養元素中對氮素需求量最大，氮肥管理決定小麥產量的高低［6］。研究表明，采用有機配合無機的施肥方法是降低小麥氮肥施用量可行有效的途徑［7-8］。綠肥是一種養分全面的優質有機肥源，在我國種植制度中是理想的輪作倒茬作物，同時也是替代化肥、培肥土壤、增強生產系統穩定性的潛力作物［9］。大量研究表明，施用綠肥不僅顯著增加了土壤有機質含量，還可減少速效養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，不會降低稻谷和稻草產量，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、綠肥供肥能力及產量目標等多要素的影響，厘清綠肥作物替代化肥閾值的潛力，是構建綠肥配施化肥作物高效養分管理制度的重要基礎。已有學者在氮肥管理對小麥產量、品質、氮肥利用率及土壤健康方面做了大量研究，但對高產目標下綠肥替代化學氮肥、綠肥與化肥配施的增產潛力研究相對較少，使得生產實踐中缺乏綠肥與化肥相結合的小麥養分高效管理理論和技術。為此，本研究在河西灌區設置大田試驗，在不同綠肥還田量下設置不施氮和施氮處理，探討綠肥替代化肥生產小麥的短期潛力，以期為試區建立基于綠肥與化肥配施的小麥綠色生產模式提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在甘肅農業大學綠洲農業科研教學基地進行，地處河西走廊東端的武威市涼州區黃羊鎮，為典型的大陸性荒漠氣候區，年均降水量150 mm、蒸發量約2400 mm，年均日照時數＞2945 h、年均溫7.2℃。試驗地0～30 cm基礎土壤全氮0.68 g/kg、有機質14.31 g/kg。小麥是該試區的主栽作物，且多以連作方式生產，麥后可進行短期復種。化肥是主要肥源，有機肥用量小。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 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，設施氮和綠肥翻壓量2個因素。施氮設2個水平，即0（N0）和180 kg/hm2（N1）；綠 肥 翻 壓 量 設4個 水 平，即0（G0）、15000 kg/hm2（G1）、30000 kg/hm2（G2）、45000 kg/hm2（G3），共8個處理，每個處理重復3次，總計24個小區，小區面積44.24 m2（7.9 m×5.6 m）。小麥生育期施P2O5113 kg/hm2，全作基肥。2018年為預備試驗，在小麥收后于7月28日復種毛葉苕子，播種量25 kg/hm2，10月20日翻壓還田，設置不同的綠肥還田量，2019年3月12日進行小麥傳統條播，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，綠肥采用毛葉苕子（Vicia villosaRoth），品種為土庫曼苕子。

1.3 測定指標及計算方法

干物質：自小麥出苗 20 d 開始，每隔15 d隨機取20株，在105℃烘箱內殺青30 min，然后調至85℃烘至恒重，計量。

干物質累積速率（CGR）=（W2-W1）/（T2-T1）

式中，T2和T1為相鄰測定時期，W2和W1分別為T2和T1時期的干重（kg/hm2）。

產量：以小區為單位，單打單收，自然風干后測定其籽粒產量（GY）與生物產量（BY）。

收獲指數（HI）=GY/BY

產量構成：按小區單獨收獲記產（除去取樣植株所占面積），隨機選取小麥20株，測定單位面積穗數、穗粒數。用PM-8188型谷物水分測定儀測定籽粒含水率，重復5次，取其平均值。另外，計算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量計算，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 數據統計分析

使用Excel 2013進行數據處理，利用SPSS 17.0統計分析軟件進行顯著性檢驗（Ducan′s multiple range tests）、相關性及通徑分析。

2 結果與分析

2.1 施氮配合不同綠肥還田量下小麥干物質累積特征

小麥全生育期干物質累積如表1，綠肥還田利于小麥干物質累積，與無綠肥還田相比，拔節期（5月27日，出苗后60 d）前，N1G2、N1G3小麥干物質較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小麥干物質較N0處理分別提高8.4%、14.6%，N1G2、N1G3干物質較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，拔節期（5月27日，出苗后60 d）前，N1G1、N1G2、N1G3小麥干物質較N0G1、N0G2、N0G3處理分別提高22.0%、16.9%、18.2%，且差異顯著。拔節期至孕穗期（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%。以上結果說明，不施氮降低了小麥干 物質累積量，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累積速率動態

如表2表示，與無綠肥還田相比，拔節期（5月27日，出苗后60 d）前，N1G2、N1G3小麥干物質累積速率較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。拔節期至孕穗期（5月27日～6月13日，出苗后60～75 d），小麥干物質累積速率迅速增長，至孕穗期達到最大，此時N0G1、N0G3干物質累積速率較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），干物質累積速率逐漸穩定，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累積速率動態 ［kg/（hm2·d）］

同一還田量下，拔節期（5月27日，出苗后60 d）前，N1G1、N1G2、N1G3小麥干物質累積速率較N0G1、N0G2、N0G3處理分別提高27.1%、8.0%、28.1%。拔節期至孕穗期（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累積速率，提高干物質積累量，為小麥高產奠定基礎。

2.3 施氮配合不同還田量對小麥籽粒產量、生物產量和收獲指數的影響

施氮對籽粒產量、收獲指數影響顯著，綠肥還田量對籽粒產量、生物產量、收獲指數影響顯著，施氮及綠肥還田量對小麥籽粒產量存在顯著的互作效應。施肥結合不同綠肥還田量顯著增加了小麥籽粒產量（表3）。同一施氮水平下，N1G2較N1G1、N1G3、N1籽粒產量分別提高15.9%、8.2%、18.4%，說明綠肥還田具有一定的增產潛力；不施氮處理下，N0G3較N0G1、N0G2、N0籽粒產量分別提高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。

施氮結合不同綠肥還田量增加了小麥生物產量。同一施氮水平下，N1G2較N1G1、N1G3、N1生物產量分別提高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處理生物產量分別提高6.5%、3.7%。進一步比較不同處理小麥收獲指數發現，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光合產物向籽粒的轉移。

2.4 施氮配合不同綠肥還田量對小麥產量構成因素的影響

由表4所示，施氮及綠肥還田對小麥有效穗數、穗粒數影響均顯著，施氮及綠肥還田兩因素間的互作效應對小麥穗粒數影響顯著，對有效穗數和千粒重無顯著影響。同一施氮水平下，綠肥還田30000 kg/hm2較還田15000 kg/hm2的穗數、穗粒數、千粒重分別提高13.8%、18.7%、5.3%；較還田45000 kg/hm2的穗數、穗粒數、千粒重分別提高4.8%、14.2%、4.9%；較不還田的穗數、穗粒數、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、穗粒數、千粒重分別提高23.1%、20.6%、3.5%；較還田30000 kg/hm2的穗數、穗粒數分別提高15.9%、19.6%；較不還田的穗數、穗粒數、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量

同一綠肥還田量下，N1G1較N0G1的穗數、穗粒數分別提高11.2%、11.3%；N1G2較N0G2的穗數、穗粒數、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、穗粒數和千粒重來實現增產。N1G2處理下小麥的穗數、穗粒數和千粒重均最高，說明施氮配合綠肥還田30000 kg/hm2時，主要通過優化小麥穗數、穗粒數和千粒重等產量構成來調控產量。

表4 不同處理下小麥的產量構成

2.5 小麥產量與產量構成因素的通徑分析

對所有處理的小麥產量構成因素與籽粒產量進行通徑分析（表5），可以客觀評價各產量構成因素對籽粒產量的相對重要性。由小麥籽粒產量與各產量構成因素直接通徑系數大小可以看出，對小麥籽粒產量的影響順序依次為穗粒數（0.614）＞穗數（0.212）＞千粒重（0.11），表明對籽粒產量影響最大的是穗粒數，其次為穗數，千粒重影響最小。由小麥籽粒產量與各產量構成因素的間接通徑系數大小可以看出，穗數通過穗粒數表現出對產量的貢獻率最大（0.543），穗粒數通過穗數表現出對產量的貢獻率最大（0.187），千粒重通過穗粒數表現出對產量的貢獻率最大（0.405）。因此，綠肥和化肥配施改變了小麥產量構成三要素，對籽粒產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和穗粒數來提高產量。而通過提高千粒重來實現增產的效果并不明顯，主要是由于千粒重可能與作物的品種遺傳基因有關，變異程度相對較小。

表5 各產量構成因素對籽粒產量的直接和間接效應

通徑分析結合產量構成進一步表明，單施綠肥以及綠肥、化肥配施對穗粒數的影響作用最明顯，其次為穗數。其中單施綠肥處理下，綠肥還田量越大，小麥的穗粒數越大，通過穗粒數影響進而提高小麥籽粒產量；施氮配合綠肥還田30000 kg/hm2時，小麥的穗數、穗粒數均為最大，通過增加穗數進而影響穗粒數對籽粒產量的貢獻率，最終利于高產。

3 討論

3.1 綠肥、化肥配施與作物干物質積累及產量的關系

干物質是產量形成的基礎，其積累和分配決定著作物最終產量［14］。隨氮肥用量的增加，小麥干物質積累量增大［15］。研究表明，間套作、水肥管理等農藝調控措施均能夠增加作物干物質累積，進而獲得高產［16］；適量增施氮肥能夠提高小麥的干物質累積速率［17］。綠肥、化肥配施，避免了前期無機肥供應過猛，中期在小麥需肥高峰階段提供充足肥源，協調養分供應，促進小麥生長和葉部光合作用，使干物質積累量增加。在常規施肥基礎上翻壓綠肥小麥干物質積累量高于常規施肥，可能與綠肥翻壓后釋放養分或活化土壤養分，增加小麥對養分吸收有關。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積累速率，維持生育期內較長時間的干物質持續期，延緩生育后期干物質積累速率的降低，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，滿足當季小麥的生長需要［20］，最終利于高產。本研究還發現，隨著生育進程的推進，各處理下小麥的干物質積累量逐漸增加，成熟期達到穩定。綠肥還田30000 kg/hm2處理下成熟期群體干物質積累量最大，綠肥不還田時群體干物質積累量最小，這與姚鵬偉等［21］研究結果一致。

大量研究表明，適量施用氮肥能增加小麥的籽粒產量［22］。此外，綠肥有一定的養分供應能力，能夠促進作物生長，綠肥、化肥配施能促進養分吸收，提高作物產量［23］。小麥生長后期，翻壓的綠肥仍能釋放較多的氮素，可以滿足小麥對氮素的需求，加快小麥生長，促使花后吸收更多的氮磷養分，促進碳水化合物合成，進而形成較高的籽粒產量。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積累量，進而提高有效穗數和結實率，最終利于小麥高產。這可能與綠肥中有機氮釋放較為緩慢，同時提高了土壤的有機質含量和改善了土壤團粒結構有關。對于小麥來說，產量構成因素之間的協調發展是實現其高產的基礎。配施處理對作物產量的影響主要體現在對有效穗數、穗粒數以及千粒重的影響上。相關研究表明，綠肥、化肥配施可顯著提高小麥的穗粒數和千粒重，利于高產［24］。本研究發現，配施處理對小麥產量構成要素的影響基本表現一致，即通過提高單位面積的有效穗數、穗粒數和千粒重，從而提高籽粒產量。其中，綠肥還田30000 kg/hm2時小麥的穗數、穗粒數和千粒重均為最高，說明該處理下，主要通過優化小麥的穗數、穗粒數和千粒重等產量構成來調控產量。

4 結論

河西綠洲灌區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 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處理的籽粒產量差異不顯著，分別較施氮不復種綠肥增產18.4%和15.7%。施氮配合綠肥高產主要歸因于優化了小麥有效穗數、穗粒數。綜合來看，綠肥還田30000 kg/hm2結合施氮180 kg/hm2可作為河西灌區小麥高產的養分短期管理模式。