綠洲灌區綠肥還田配施化學氮肥對小麥干物質積累及產量的影響

柴健 于愛忠 王玉瓏 蘇向向 李悅 王鵬飛 呂漢強

摘 要 針對西北干旱綠洲灌區小麥長期連作、生產過程中化學氮肥依賴程度高等問題，探討綠肥還田配施化學氮肥對小麥干物質積累特征及產量的影響，以期為區域小麥施氮制度優化及產量提升提供理論依據。2020至2021年，在河西綠洲灌區設置綠肥還田量和施氮水平的不同組合，即G1N1、G2N1、G3N1、G4N1、G1N2、G2N2、G3N2、G4N2，其中G1、G2、G3、G4分別代表綠肥還田7 500 kg/hm2、15 000 kg/hm2、22 500?? kg/hm2、30 000 kg/hm2，N1、N2分別代表傳統施氮減量15%（153 kg/hm2）、減量30%（126 kg/hm2），以傳統施氮不復種綠肥為對照（CK），研究了不同綠肥還田量結合化學氮肥減量條件下小麥干物質積累及產量表現。結果表明，綠肥還田量及減氮水平對干物質積累量、群體生長速率均有顯著影響，二者的互作效應顯著。N1較N2干物質積累量、群體生長速率分別提高8.9%、9.7%；G4較G3、G2、G1干物質積累量、群體生長速率分別提高7.4%～23.5%、10.6%～27.4%。綠肥還田量及減氮水平對小麥籽粒產量和生物產量均有顯著影響，N1較N2籽粒產量和生物產量分別提高8.7%、5.6%，G4較G3、G2、G1分別提高6.5%～23.8%、? 8.6%～20.6%。就綠肥還田量和減氮水平結合來看，G4N1處理有效提高了干物質最大增長速率（Vmax）并延緩了其出現的時間（t50），Vmax較其他處理平均提高12.4%～26.8%，t50較其他處理平均推遲了8～13 d；與傳統施氮不復種綠肥（CK）相比，G4N1處理的干物質積累量和產量兩年分別平均提高36.4%、32.7%，干物質最大增長速率出現的時間推遲了13 d；通徑分析結果表明，穗粒數增加是該處理下小麥籽粒產量提高的主要原因。綜上說明，綠肥還田30 000 kg/hm2 （G4）配合化學氮肥減量15%（N1）有利于小麥產量的提高，可作為干旱綠洲灌區小麥生產中適宜推廣的施氮及綠肥應用模式。

關鍵詞 小麥；氮肥；綠肥；干物質；產量

氮肥作為現代農業生產投入的重要因素，對小麥增產起著極其重要的作用［1］。通過增施氮肥來提高產量，在小麥生產中被廣泛應用。然而連續過量施氮加速了對生態環境的負面影響，同時也限制了增產潛力的進一步挖掘［2］。優化施氮制度，在不降低作物產量的前提下，減少化學氮肥的環境代價是作物生產中亟待解決的科學問題。研發氮肥減量增產技術是目前小麥生產中面臨的重大課題，目前的大量研究主要集中在密度調控［3］、水氮耦合［4-5］、有機物料還田等［6-8］，其中，綠肥在替代部分化學氮肥及提高作物產量上具有顯著效用。綠肥作為中國傳統農業生產中重要的有機肥源，其翻壓還田后具有增加土壤有機質、增加微生物數量、改良土壤結構、促進養分循環及防止土壤侵蝕等多種生態效益［9］。研究表明，綠肥替代部分化學氮肥改善了土壤氮素供應過程，促進作物養分吸收利用，最終提高主作物的干物質積累和產量［10］。麥后復種綠肥并減施氮肥夠促進小麥群體生長發育，優化產量構成，最終使小麥增產7.9%［11］；紫云英還田條件下，化肥氮減施40%仍能保證水稻增產［12］；綠肥全量還田使玉米有效增產14.0%［13］。因此，將綠肥納入主作物的種植系統中，在保障養分供應的同時能夠實現主栽作物增產。在熱量資源有限的一熟有余、兩季不足西北綠洲灌區，圍繞綠肥還田結合化學氮肥施用對小麥產量性能的研究不足，導致生產過程中施氮制度優化缺乏必要理論支撐。本研究針對西北干旱綠洲灌區小麥長期連作、生產過程中化學氮肥依賴程度高等問題，探討綠肥還田配施化學氮肥對小麥干物質積累特征及產量的影響，以期為區域小麥施氮制度優化及產量提升提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2020年3月至2021年11月在甘肅省武威市甘肅農業大學綠洲農業試驗站（103°5′E，37°31′N）進行，該站位于甘肅河西走廊東端，屬寒溫帶干旱氣候區，年平均氣溫7.2 ℃，年平均降雨量150 mm，年平均蒸發量2 400 mm。試驗地土壤質地為砂壤土，0～30 cm土壤有機質? 12.50 g/kg、全氮0.68 g/kg、全磷1.41 g/kg。春小麥是該區主栽作物之一，連作普遍，施氮量普遍偏高，氮肥利用率低。春小麥收獲后土地閑置，光熱資源、水氮資源浪費嚴重。2020和2021年度3月至10月份試驗站日降水量及日均溫變化見? 圖1。

1.2 試驗設計

試驗始于2019年，每年春小麥收獲后旋耕復種綠肥，綠肥盛花期對各小區生物量進行測定（按2 m×2 m樣方綠肥生物量推算該小區綠肥生物量），并根據各處理設定的還田量對各小區綠肥進行移出或添加（綠肥還田量換算為綠肥還田面積），用秸稈還田機粉碎之后翻壓，翌年播種春小麥。2019年綠肥翻壓前生物量平均為36 200 kg/hm2，2020年綠肥翻壓前生物量平均為? 35 800 kg/hm2，綠肥干基養分平均含量為 N?? 2.14%、P 0.42%、K 2.01%、C 35.64%。試驗共9個處理，每處理重復3次，小區面積52 m2? （8 m×6.5 m），設1.5 m保護行，隨機區組排列。具體試驗處理及代碼如表1。

春小麥播種日期分別為2020年3月12日、2021年3月17日，收獲日期分別為2020年7月13日、2021年7月18日；綠肥播種日期分別為2019年7月29日、2020年8月1日，翻壓日期分別為2019年10月22日、2020年10月19日。小麥品種為‘寧春4號（Triticum aestivum L.），綠肥作物采用‘毛葉苕子（Vicia villosa Roth），品種為土庫曼苕子。小麥播種密度為675? 萬粒/hm2，條播，行距15 cm；毛葉苕子播種量為225 kg/hm2，條播，行距15 cm。小麥生育期施磷肥（P2O5）90 kg/hm2，氮肥按CK（180 kg/hm2）、N1（153 kg/hm2）、N2（126 kg/hm2）施肥，全做基肥。春小麥在苗期、孕穗期和灌漿期各灌水一次，分別灌水750、900和750 m3/hm2，復種毛葉苕子灌水總量為300 m3/hm2，灌溉方式均為滴灌。

1.3 測定項目與方法

干物質積累量：從小麥苗期開始，每隔15 d左右取樣1次，各小區隨機取20株長勢一致的小麥，105 ℃下殺青0.5 h，然后在85 ℃下烘干至恒質量，測其干質量［14］。

作物群體生長速率：小麥兩個相鄰生育時期干物質積累量的差值除以間隔時間：

CGR=D2-D1∕T2-T1

式中，CGR表示小麥的群體生長速率? ［kg/（hm2·d）］；D1和D2分別為T1和T2時期小麥的干物質積累量。

產量及產量構成因素：小麥成熟期每小區取30株長勢一致、具有代表性的小麥測定穗粒數、千粒質量；每小區按（2×1） m2的樣方統計穗數，并將該樣方小麥收割脫粒，按14%籽粒含水量折合計算單位面積籽粒產量。

1.4 采用Logistics方程擬合

小麥地上干物質積累動態，并計算其最大干物質積累速率及最大積累速率出現的時間［15］。

1.5 數據分析

數據采用Microsoft Excel 2020分析處理數據、Sigmaplot 14.0作圖，使用SPSS 20.0統計分析軟件進行相關性分析、通徑分析并通過回歸分析擬合Logistic方程，運用Duncan法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同綠肥還田量及減氮水平對小麥產量及產量構成的影響

不同綠肥還田量及減氮水平對小麥產量及產量構成的影響如表2所示。綠肥還田量及減氮水平對小麥籽粒產量及生物產量影響顯著，二者的互作效應對籽粒產量影響顯著。2020和2021年，就不同減氮水平和綠肥還田量來看，N1水平下籽粒產量G4較G3、G2、G1平均提高2.8%～29.2%，生物產量平均提高10.4%～18.2%（P<0.05）；N2水平下籽粒產量G4較G3、G2、G1平均提高4.3%～17.4%，生物產量平均提高? 6.7%～23.2%（P<0.05）。說明綠肥還田量在30 000 kg/hm2時更有利于籽粒產量及生物產量的提高。2020和2021年，N1水平較N2水平籽粒產量平均提高8.7%，生物產量平均提高5.6%（P<0.05），說明減氮15%較減氮30%具有更好的促產效應。綜合綠肥還田量與施氮水平，G4N1處理較CK籽粒產量及生物產量分別提高? 32.7%、33.9%，說明綠肥還田30 000 kg/hm2配合化學氮肥減量15%較試區傳統種植模式能夠有效增產。

不同綠肥還田量及減氮水平對小麥產量構成影響顯著，二者的互作效應對穗數及千粒質量影響顯著。2020和2021年，N1水平下G4較G3、G2、G1穗粒數平均提高14.8%～34.7%，穗數平均提高2.8%～6.1%，千粒質量平均提高? 8.0%～15.3%（P<0.05）；N2水平下G4較G3、G2、G1穗粒數平均提高5.0%～23.7%，穗數平均提高1.6%～3.7%，千粒質量平均提高? 5.2%～11.2%（P<0.05）。2020和2021年，N1水平較N2水平穗數、穗粒數、千粒質量分別平均提高6.9%、9.8%、5.9%（P<0.05）。綜合綠肥還田量與施氮水平，G4N1處理較傳統施氮不復種綠肥（CK）穗數、穗粒數、千粒質量分別平均提高14.1%、43.5%、20.1%，說明綠肥還田30 000 kg/hm2配合化學氮肥減量15%具有更好的優化小麥產量構成進而促進產量提高的潛力。

2.2 不同綠肥還田量及減氮水平下的干物質積累特征

2.2.1 不同綠肥還田量及減氮水平對小麥干物質積累量的影響 綠肥還田量及減氮水平對小麥全生育期干物質積累影響顯著，二者的互作效應對拔節、灌漿、成熟期干物質積累影響顯著。從2020與2021年干物質積累動態來看（圖2），小麥出苗至拔節期各處理間差異不顯著，隨著生育進程的推進，各處理間干物質積累量的差異逐漸增大。小麥拔節至孕穗期，干物質積累量N1較N2平均高11.7%（P<0.05）；N1水平下干物質積累量G4較G3、G2、G1平均高12.5%～30.8%，N2水平下G4較G2、G1平均高6.2%～9.3%（P<0.05），與G3差異不顯著。小麥開花期，N1水平較N2水平平均高8.5%，N1水平下干物質積累量G4較G3、G2、G1平均高10.1%～? 27.3%，N2水平下G4較G3、G2、G1平均高? 2.2%～13.5%（P<0.05）。小麥灌漿至成熟期，N1水平較N2水平平均高9.0%，N1水平下干物質積累量G4較G3、G2、G1平均高10.7%～? 28.7%，N2水平下G4較G3、G2、G1平均高? 4.3%～? 20.0%（P<0.05）。綜合綠肥還田及施氮水平，G4N1處理較傳統施氮不復種綠肥（CK）全生育期干物質積累量平均提高36.4%，由此可見，綠肥還田30 000 kg/hm2（G4）配合化學氮肥減量15%（N1）顯著提高了小麥全生育期及花后干物質積累量，為籽粒灌漿奠定了物質基礎，而這也是獲得高產的生理基礎。

2.2.2 不同綠肥還田量及減氮水平對小麥群體生長速率的影響 綠肥還田量及減氮水平顯著影響了小麥群體生長速率。從2年平均結果來看（圖3），拔節期至孕穗期，綠肥還田量之間比較，N1水平下群體生長速率G4較G3、G2、G1平均高13.3%～31.9%，N2水平下G4較G3、G2、G1平均高19.2%～23.8%（P<0.05）；不同減氮水平之間比較，N1較N2平均提高15.7%（P

2.2.3 干物質最大增長速率及其出現的時間 小麥地上干物質積累量（Y）依據出苗后時間（t）的動態過程均可用Logistic方程Y=K/［1+exp（a-r×t）］加以回歸描述（決定系數R2>0.97，? P<0.01，表3）。從Logistic擬合結果來看，綠肥還田量及減氮水平的交互作用對干物質最大增長速率（Vmax）及其出現的時間（t50）影響顯著。G4N1處理Vmax較CK平均高29.6%，較G3N1、G2N1、G1N1分別平均高12.4%～27.7%，較G4N2、G3N2、G2N2、G1N2處理分別平均高? 15.8%～26.8%（P<0.01）。同時，G4N1處理延緩了最大增長速率出現的時間（t50），較CK平均推遲了19 d，較G1N1平均推遲了13 d，較G4N2處理平均推遲了8 d（P<0.01）。綜上說明綠肥還田30 000 kg/hm2配合化學氮肥減量15%增大了小麥干物質最大增長速率，維持了較長時期的干物質積累天數，增加了干物質積累量，由此提高產量。

2.3 產量形成機制分析

不同綠肥還田量及減氮水平下，小麥籽粒產量與穗數、穗粒數、千粒質量的相關分析及通徑分析結果表明，小麥籽粒產量與上述指標均呈顯著正相關（表4）。直接通徑系數表明，各因素對小麥籽粒產量的影響順序為：穗粒數數千粒質量；間接通徑系數表明，穗數通過穗粒數對產量的貢獻率最大，穗粒數通過穗數對產量的貢獻率最大，千粒質量通過穗粒數對產量的貢獻率最大。由此說明，綠肥還田配合氮肥減施主要是通過提高小麥穗粒數來提高籽粒產量。

3 討? 論

3.1 綠肥還田配施化學氮肥對小麥產量形成的影響

綠肥還田配施化學氮肥是農業生產中促進作物高產的重要措施［16］。傳統的施氮模式只能維持短期的土壤氮素供應，使得作物生育后期土壤

氮素供應不足，而綠肥作物的納入能夠改善土壤氮素供應過程，使土壤養分平穩釋放［21］。同時，綠肥作物提高了土壤微生物活性，促進了土壤有機氮礦化，使土壤有機質含量有效提升，為作物增產提供有利的養分保障［22］。本研究結果表明，綠肥還田30 000 kg/hm2（G4）配合化學氮肥減量15%（N1）表現出較高的籽粒產量和生物產量，較試區傳統施氮不復種綠肥（CK）有效增產? 32.7%。在同一減氮水平下，小麥籽粒產量及生物產量均隨著綠肥還田量的增加而顯著提高，在30 000 kg/hm2的還田量下達到最高，這主要是因為土壤肥力提升與綠肥生物量之間存在顯著的正相關關系［18］，而土壤肥力的提升則促進了作物生長發育，進而促進產量提高［39］。但是也有研究指出綠肥還田量在22 500 kg/hm2時水稻增產顯著［36］，因此針對不同的主栽作物及土壤氣候類型，綠肥還田量的選擇還有待進一步的研究；本研究中，同一綠肥還田量下減氮15%較減氮30%增產8.7%，而李含婷等［22］研究指出間作綠肥條件下減氮30%增產顯著，因此說明綠肥還田條件下氮肥減量范圍因種植模式而異，當氮肥減量超過一定程度時，綠肥為土壤提供的養分也不能完全滿足作物生長的需求。

禾谷類作物獲得高產是其產量構成因子相互協調發展的結果［27］，優化施氮方式通過提高群體生長速率，增加穗數、穗粒數、千粒質量，通過產量性能參數的差異補償機制實現小麥增產［31］。在本試驗條件下，穗粒數是影響小麥籽粒產量的主導因素，而穗數及千粒質量與籽粒產量的關聯度低，主要原因可能是在基本苗一致的情況下，穗數的調控不再是籽粒產量提高的有效途徑，而千粒質量遺傳力較大，通過農藝措施的調控不具有顯著效果［28］。綜合來看，綠肥還田30 000 kg/hm2（G4）配合化學氮肥減量15%（N1）促進小麥增產的主要原因在于產量三要素的協同提升，通過穗粒數、千粒質量與穗數三者相互協調發展而實現增產。

3.2 干物質積累特征對綠肥還田及減施氮肥的響應

干物質積累影響作物產量水平，小麥籽粒灌漿物質主要來源于花前同化物的再轉移及花后同化物的積累［30］，而干物質積累量的提高則直接或間接的促進生物產量和粒重的增加，為作物增產奠定基礎［31］。研究表明，通過農藝措施的調控能夠優化作物地上部干物質積累過程，是作物獲得高產的重要方式之一［32］。本研究結果表明，綠肥還田30 000 kg/hm2（G4）配合化學氮肥減量15%（N1）有效促進了小麥拔節至孕穗、孕穗至開花及花后干物質積累量的提高，達到了“擴源增庫”的調控目的，為籽粒灌漿奠定了物質基礎。這主要是因為：一方面，在適宜的土壤水分條件下，減少供氮可以增加營養器官氮素再轉運，降低花后葉片氮素輸出，延緩葉片衰老，維持較高光合速率，提高源生產能力從而促進灌漿［33］。另一方面，從綠肥的效用來看，綠肥作物來源的氮素在土壤中具有更長的滯留時間，有利于小麥生長后期土壤氮素的持續供應［34］。因此，在小麥生產中，可通過優化栽培措施，維持并增強關鍵生育時期的地上干物質積累，從而實現高產。

Logistic擬合方程準確描述了小麥地上部干物質積累的動態特征。在本試驗條件下，不同綠肥還田量及施氮水平對小麥地上干物質最大增長速率及其出現的天數均產生顯著影響，綠肥還田30 000 kg/hm2（G4）配合化學氮肥減量15%（N1）延緩了干物質最大增長速率出現的天數，從而獲得較其他處理更高的干物質積累量。趙姣等［35］通過Logistic曲線擬合小麥干物質積累過程，表明綠肥翻壓延緩了拔節中后期之前和花后20 d的干物質積累速率，這與本研究結果一致。這主要是因為，一方面減施氮肥有效降低了小麥最初生長速率，保證了營養器官較長時間的氮素積累，為灌漿期同化物的再轉移奠定基礎［36］；另一方面綠肥還田促進了土壤肥力水平的整體提升，尤其是豆科綠肥固氮作用豐富了土壤氮素含量，為小麥花后同化物的積累提供了持續的氮素供應［39］。總之，小麥干物質在源庫之間的合理分配利用對發揮最大產量潛力至關重要，應通過栽培措施的優化來改善源庫關系，從而協調干物質在源庫間的分配，實現小麥增產。

4 結? 論

綠肥還田30 000 kg/hm2（G4）配合化學氮肥減量15%（N1）較傳統施氮不復種綠肥（CK）有效增產32.7%，該處理在延緩了孕穗后群體生長速率下降的同時推遲了干物質最大增長速率出現的時間，從而獲得較高的地上部干物質積累量，為增產奠定了光合產物積累基礎；從產量構成因素的角度來講，該條件下小麥產量提升主要歸因于穗粒數、穗數及千粒質量協同提升。因此，綠肥還田30 000 kg/hm2（G4）配合化學氮肥減量15%（N1）是西北綠洲灌區小麥生產中推薦使用的節約化學氮肥提高小麥產量的施氮技術措施。

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Effect of Combined Green Manure Return and Chemical Nitrogen Fertilizer on Dry Matter Accumulation and Wheat Yield in Oasis Irrigated Area

CHAI Jian，YU Aizhong，WANG Yulong，SU Xiangxiang，LI Yue，WANG Pengfei and L Hanqiang

（College of Agronomy，Gansu Agricultural University/Gansu Provincial Key Laboratory

of Arid Land Crop Science 730070，China）

Abstract Focusing on the challenges associated with continuous cropping and excessive reliance on chemical nitrogen fertilizer in wheat production in an oasis irrigated area，this study investigated the effects of combining green manure return with chemical nitrogen fertilizer application on wheat yield. The aim is to provide a theoretical basis for optimizing regional wheat nitrogen application system and enhancing overall yield. In 2020 and 2021，different combinations of green manure return and nitrogen application levels were set in Hexi Oasis Irrigated Area，namely G1N1，G2N1，G3N1，G4N1，G1N2，G2N2，G3N2 and G4N2. Here，G1，G2，G3，G4 represent 7 500 kg/hm2，15 000 kg/hm2，22 500?? kg/hm2，30 000 kg/hm2 of green manure return，respectively. Additionally，N1 and N2 indicate 15% and 30% reduction of traditional nitrogen application，respectively. Compared with control group （CK），this study investigated the dry matter accumulation and yield performance of wheat under different treatment. The results showed that nitrogen fertilizer reduction level and green manure return?? amount had significant effect on dry matter accumulation and growth rate，with a significant interaction between the two factors. During the whole growth periods，N1 significantly increased dry matter accumulation and growth rate by 8.9% and 9.7% ，respectively，compared with N2.Similarly，G4 compared with G3，G2 and G1，significantly increased dry matter accumulation and growth rate by?? 7.4%-23.5% and 10.6%-27.4%，respectively.Both nitrogen reduction level and green manure return amount had significant effect on grain yield and biological yield. Compared with N2，N1 significantly increased grain yield and biological yield by 8.7% and 5.6%，respectively; Compared with G3，G2 and G1，G4 significantly increased grain yield and biological yield by 6.5%-23.8% and 8.6%-20.6%，respetively. G4N1 significantly increased the maximum dry matter growth rate （Vmax） and delayed its emergence time （t50），the Vmax increased by 12.4%-26.8% and the t50 delayed by 8-13 days on average. In terms of the combination of green manure return and nitrogen reduction，G4N1 significantly increased the dry matter and yield by 36.4% and 32.7%，respectively.The maximum growth rate of dry matter was delayed by 13 days compared with CK. The path analysis results showed that the increase of grain number per ear was the major factor contributing to the overall increase in grain yield under G4N1. In general，returning green manure at 30 000 kg/hm2 combined with a 15% reduction in nitrogen fertilizer can improve grain yield，which is a suitable method for nitrogen application and green manure incorporation in wheat production in oasis irrigated area.

Key words Wheat; Nitrogen fertilizer; Green manure; Dry matter; Yield

Received ?2022-11-13??? Returned 2023-03-06

Foundation item The National Natural Science Foundation of China （No.32160524）; National Green Manure Industry Technology System （No.CARS-22-G-12）; The Science and Technology Plan of Gansu Province （No.20JR5RA037）; Industry Support Project of Gansu Provincial Department of Education （No.2021CYZC-54）.

First author CHAI Jian，male，master student. Research area：dry land and oasis farming system.?? E-mail：chaijian0305@163.com

Corresponding?? author YU Aizhong，male，Ph.D，professor.Research area：dry land and oasis farming system. E-mail：yuaizh@gsau.edu.cn

（責任編輯：成 敏 Responsible editor：CHENG? Min）