河西灌区绿肥对春小麦化学氮肥的替代及增产潜力初探

张松茂，胡发龙，殷 文，樊志龙，柴 强

（甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070）

化肥是农业生产的重要要素［1］，对促进作物产量提高，解决人类温饱问题发挥了不可替代的作用［2-3］。近年来，不合理的施用化肥导致了土壤退化、地下水污染、温室气体排放及病虫害增加等诸多问题，已严重影响到农业生产的持续性［4］，以化肥减量为目标的施肥技术研究亟待加强。研究表明，氮肥施用超过一定用量，对作物产量的增产效果减弱，甚至出现减产的趋势［5］。因此，在不增加化肥用量的前提下，如何挖掘化肥增产潜力是目前农业生产中面临的主要问题。

小麦是我国第三大粮食作物，在各种营养元素中对氮素需求量最大，氮肥管理决定小麦产量的高低［6］。研究表明，采用有机配合无机的施肥方法是降低小麦氮肥施用量可行有效的途径［7-8］。绿肥是一种养分全面的优质有机肥源，在我国种植制度中是理想的轮作倒茬作物，同时也是替代化肥、培肥土壤、增强生产系统稳定性的潜力作物［9］。大量研究表明，施用绿肥不仅显著增加了土壤有机质含量，还可减少速效养分尤其是氮素的损失，可为后茬作物提供一定氮源，从而保证后茬作物的产量［10-12］。稻田绿肥紫云英翻压后，减少20%～40%的氮肥施用量，不会降低稻谷和稻草产量，说明绿肥紫云英替代化肥具有可行性［13］。受主栽作物需肥特性、绿肥供肥能力及产量目标等多要素的影响，厘清绿肥作物替代化肥阈值的潜力，是构建绿肥配施化肥作物高效养分管理制度的重要基础。已有学者在氮肥管理对小麦产量、品质、氮肥利用率及土壤健康方面做了大量研究，但对高产目标下绿肥替代化学氮肥、绿肥与化肥配施的增产潜力研究相对较少，使得生产实践中缺乏绿肥与化肥相结合的小麦养分高效管理理论和技术。为此，本研究在河西灌区设置大田试验，在不同绿肥还田量下设置不施氮和施氮处理，探讨绿肥替代化肥生产小麦的短期潜力，以期为试区建立基于绿肥与化肥配施的小麦绿色生产模式提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地进行，地处河西走廊东端的武威市凉州区黄羊镇，为典型的大陆性荒漠气候区，年均降水量150 mm、蒸发量约2400 mm，年均日照时数＞2945 h、年均温7.2℃。试验地0～30 cm基础土壤全氮0.68 g/kg、有机质14.31 g/kg。小麦是该试区的主栽作物，且多以连作方式生产，麦后可进行短期复种。化肥是主要肥源，有机肥用量小。小麦于2019年4月21日基本全出苗，在其播种后30 d（苗期）第一次取样，之后分别于分蘖期（5月12日，出苗后45 d）、拔节期（5月27日，出苗后60 d）、孕穗期（6月13日，出苗后75 d）、灌浆期（6月28日，出苗后90 d）取样。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设施氮和绿肥翻压量2个因素。施氮设2个水平，即0（N0）和180 kg/hm2（N1）；绿 肥 翻 压 量 设4个 水 平，即0（G0）、15000 kg/hm2（G1）、30000 kg/hm2（G2）、45000 kg/hm2（G3），共8个处理，每个处理重复3次，总计24个小区，小区面积44.24 m2（7.9 m×5.6 m）。小麦生育期施P2O5113 kg/hm2，全作基肥。2018年为预备试验，在小麦收后于7月28日复种毛叶苕子，播种量25 kg/hm2，10月20日翻压还田，设置不同的绿肥还田量，2019年3月12日进行小麦传统条播，播种量675万粒/hm2，于7月20日收获。参试小麦（Triticum aestivumL.）品种为宁春4号，绿肥采用毛叶苕子（Vicia villosaRoth），品种为土库曼苕子。

1.3 测定指标及计算方法

干物质：自小麦出苗 20 d 开始，每隔15 d随机取20株，在105℃烘箱内杀青30 min，然后调至85℃烘至恒重，计量。

干物质累积速率（CGR）=（W2-W1）/（T2-T1）

式中，T2和T1为相邻测定时期，W2和W1分别为T2和T1时期的干重（kg/hm2）。

产量：以小区为单位，单打单收，自然风干后测定其籽粒产量（GY）与生物产量（BY）。

收获指数（HI）=GY/BY

产量构成：按小区单独收获记产（除去取样植株所占面积），随机选取小麦20株，测定单位面积穗数、穗粒数。用PM-8188型谷物水分测定仪测定籽粒含水率，重复5次，取其平均值。另外，计算14%含水量下的千粒重。

氮肥替代潜力（NSP）用不同处理的籽粒产量计算，公式如下：

NSP＝（N0Gi-N0G0）/N1G0×100%，式中N0为不施氮，G0为绿肥不还田，N1为施氮180 kg/hm2，Gi为不同绿肥还田量，i＝1～3。

1.4 数据统计分析

使用Excel 2013进行数据处理，利用SPSS 17.0统计分析软件进行显著性检验（Ducan′s multiple range tests）、相关性及通径分析。

2 结果与分析

2.1 施氮配合不同绿肥还田量下小麦干物质累积特征

小麦全生育期干物质累积如表1，绿肥还田利于小麦干物质累积，与无绿肥还田相比，拔节期（5月27日，出苗后60 d）前，N1G2、N1G3小麦干物质较N1处理分别提高20.0%、27.7%，且差异显著；N0G2、N0G3较N0处理分别提高22.0%、29.3%，且差异显著。拔节期至孕穗期（5月27日～6月13日，出苗后60～75 d），N0G2、N0G3小麦干物质较N0处理分别提高8.4%、14.6%，N1G2、N1G3干物质较N1处理分别提高10.0%、7.0%。灌浆期至成熟期（6月28日～7月19日，出苗后90～105 d），N0G1、N0G2、N0G3较N0处 理 分 别 提 高10.2%、11.0%、16.1%，施氮处理间N1G2较N1处理提高5.0%。

同一绿肥还田量下，拔节期（5月27日，出苗后60 d）前，N1G1、N1G2、N1G3小麦干物质较N0G1、N0G2、N0G3处理分别提高22.0%、16.9%、18.2%，且差异显著。拔节期至孕穗期（5月27日～6月13日，出苗后60～75 d），N1G2较N0G2处理提高8.4%。灌浆期至成熟期（6月28日～7月19日，出苗后90～105 d），N0G3较N1G3处理提高6.5%。以上结果说明，不施氮降低了小麦干 物质累积量，而绿肥还田能弱化这种降低，说明绿肥有替代化肥的潜力。

表1 施氮配合不同绿肥还田量下小麦干物质累积特征 （kg/hm2）

2.2 施氮配合不同绿肥还田量下小麦干物质累积速率动态

如表2表示，与无绿肥还田相比，拔节期（5月27日，出苗后60 d）前，N1G2、N1G3小麦干物质累积速率较N1处理分别提高13.8%、24.2%；N0G2、N0G3较N0处理分别提高28.7%、18.4%，且差异显著。拔节期至孕穗期（5月27日～6月13日，出苗后60～75 d），小麦干物质累积速率迅速增长，至孕穗期达到最大，此时N0G1、N0G3干物质累积速率较N0处理分别提高7.0%和8.8%。孕穗期至灌浆期（6月13日～6月28日，出苗后75～90 d），小麦干物质累积速率迅速下降，N1G1、N1G2、N1G3较N1分 别 降 低5.9%、35.0%、11.8%；N0G2较N0处理降低29.0%，但N0G1、N0G3较N0处理分别提高9.7%、25.8%。灌浆期至成熟期（6月28日～7月19日，出苗后90～105 d），干物质累积速率逐渐稳定，N1G3较N1处理降低10.2%，N1G1、N1G2较N1处理分别提高21.7%和42.0%，N0G1、N0G2、N0G3较N0处理分别提高56.8%、87.0%、22.2%。

表2 施氮配合不同还田量下小麦干物质累积速率动态 ［kg/（hm2·d）］

同一还田量下，拔节期（5月27日，出苗后60 d）前，N1G1、N1G2、N1G3小麦干物质累积速率较N0G1、N0G2、N0G3处理分别提高27.1%、8.0%、28.1%。拔节期至孕穗期（5月27日～6月13日，出苗后60～75 d），N1G2较N0G2提高4.0%，N1G3较N0G3降低8.9%。孕穗期至灌浆期（6月13日～6月28日，出苗后75～90 d），N1G1、N1G3较N0G1、N0G3分别降低5.9%、23.0%。灌浆期至成熟期（6月28日～7月19日，出 苗 后90～105 d），N1G3较N0G3降低6.1%。就整个生育期来看，施氮配合绿肥还田30000 kg/hm2处理以及不施氮配合绿肥还田45000 kg/hm2处理能够明显加快小麦的干物质累积速率，提高干物质积累量，为小麦高产奠定基础。

2.3 施氮配合不同还田量对小麦籽粒产量、生物产量和收获指数的影响

施氮对籽粒产量、收获指数影响显著，绿肥还田量对籽粒产量、生物产量、收获指数影响显著，施氮及绿肥还田量对小麦籽粒产量存在显著的互作效应。施肥结合不同绿肥还田量显著增加了小麦籽粒产量（表3）。同一施氮水平下，N1G2较N1G1、N1G3、N1籽粒产量分别提高15.9%、8.2%、18.4%，说明绿肥还田具有一定的增产潜力；不施氮处理下，N0G3较N0G1、N0G2、N0籽粒产量分别提高27.8%、18.4%、46.0%。同一绿肥还田量下，N1G1、N1G2、N0G3较N0G1、N0G2、N1G3处理分别提高12.8%、21.1%、5.7%。由氮肥替代潜力计算公式得出，N0G1、N0G2、N0G3处理的绿肥替代化肥比例分别为11.3%、18.5%、36.5%，说明不施氮处理下，绿肥还田量越多，替代效果越明显。

施氮结合不同绿肥还田量增加了小麦生物产量。同一施氮水平下，N1G2较N1G1、N1G3、N1生物产量分别提高3.8%、5.6%、4.8%；不施氮处理下，N0G3较N0G1、N0G2、N0生物产量分别提高4.3%、4.5%、16.1%；同一绿肥还田量下，N1G2、N0G3较N0G2、N1G3处理生物产量分别提高6.5%、3.7%。进一步比较不同处理小麦收获指数发现，同一施氮水平 下，N1G2较N1G1、N1分 别 提 高11.8%、13.0%；不施氮处理下，N0G3较N0G1、N0G2、N0分别提高22.8%、13.3%、25.9%；同一绿肥还田量下，N1G1、N1G2较N0G1、N0G2分别提高10.2%、13.7%。N0G3与N1G2、N1G3处理差异不显著，说明绿肥还田能促进光合产物向籽粒的转移。

2.4 施氮配合不同绿肥还田量对小麦产量构成因素的影响

由表4所示，施氮及绿肥还田对小麦有效穗数、穗粒数影响均显著，施氮及绿肥还田两因素间的互作效应对小麦穗粒数影响显著，对有效穗数和千粒重无显著影响。同一施氮水平下，绿肥还田30000 kg/hm2较还田15000 kg/hm2的穗数、穗粒数、千粒重分别提高13.8%、18.7%、5.3%；较还田45000 kg/hm2的穗数、穗粒数、千粒重分别提高4.8%、14.2%、4.9%；较不还田的穗数、穗粒数、千粒重分别提高17.3%、26.8%、5.9%。

不施氮处理下，绿肥还田45000 kg/hm2较还田15000 kg/hm2的穗数、穗粒数、千粒重分别提高23.1%、20.6%、3.5%；较还田30000 kg/hm2的穗数、穗粒数分别提高15.9%、19.6%；较不还田的穗数、穗粒数、千粒重分别提高28.0%、34.2%、5.8%。

表3 不同施氮量及绿肥还田量下小麦的产量

同一绿肥还田量下，N1G1较N0G1的穗数、穗粒数分别提高11.2%、11.3%；N1G2较N0G2的穗数、穗粒数、千粒重分别提高19.2%、30.9%、6.4%。由此可以看出，绿肥还田通过增加小麦的穗数、穗粒数和千粒重来实现增产。N1G2处理下小麦的穗数、穗粒数和千粒重均最高，说明施氮配合绿肥还田30000 kg/hm2时，主要通过优化小麦穗数、穗粒数和千粒重等产量构成来调控产量。

表4 不同处理下小麦的产量构成

2.5 小麦产量与产量构成因素的通径分析

对所有处理的小麦产量构成因素与籽粒产量进行通径分析（表5），可以客观评价各产量构成因素对籽粒产量的相对重要性。由小麦籽粒产量与各产量构成因素直接通径系数大小可以看出，对小麦籽粒产量的影响顺序依次为穗粒数（0.614）＞穗数（0.212）＞千粒重（0.11），表明对籽粒产量影响最大的是穗粒数，其次为穗数，千粒重影响最小。由小麦籽粒产量与各产量构成因素的间接通径系数大小可以看出，穗数通过穗粒数表现出对产量的贡献率最大（0.543），穗粒数通过穗数表现出对产量的贡献率最大（0.187），千粒重通过穗粒数表现出对产量的贡献率最大（0.405）。因此，绿肥和化肥配施改变了小麦产量构成三要素，对籽粒产量的影响主要以直接作用为主，通过提高单位面积的有效穗数和穗粒数来提高产量。而通过提高千粒重来实现增产的效果并不明显，主要是由于千粒重可能与作物的品种遗传基因有关，变异程度相对较小。

表5 各产量构成因素对籽粒产量的直接和间接效应

通径分析结合产量构成进一步表明，单施绿肥以及绿肥、化肥配施对穗粒数的影响作用最明显，其次为穗数。其中单施绿肥处理下，绿肥还田量越大，小麦的穗粒数越大，通过穗粒数影响进而提高小麦籽粒产量；施氮配合绿肥还田30000 kg/hm2时，小麦的穗数、穗粒数均为最大，通过增加穗数进而影响穗粒数对籽粒产量的贡献率，最终利于高产。

3 讨论

3.1 绿肥、化肥配施与作物干物质积累及产量的关系

干物质是产量形成的基础，其积累和分配决定着作物最终产量［14］。随氮肥用量的增加，小麦干物质积累量增大［15］。研究表明，间套作、水肥管理等农艺调控措施均能够增加作物干物质累积，进而获得高产［16］；适量增施氮肥能够提高小麦的干物质累积速率［17］。绿肥、化肥配施，避免了前期无机肥供应过猛，中期在小麦需肥高峰阶段提供充足肥源，协调养分供应，促进小麦生长和叶部光合作用，使干物质积累量增加。在常规施肥基础上翻压绿肥小麦干物质积累量高于常规施肥，可能与绿肥翻压后释放养分或活化土壤养分，增加小麦对养分吸收有关。本研究表明，施氮配合绿肥还田30000 kg/hm2处理可保持较高的干物质积累速率，维持生育期内较长时间的干物质持续期，延缓生育后期干物质积累速率的降低，其主要原因在于施氮能够增加叶片中超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的含量，延缓叶片中叶绿素含量的降低，改善作物生育期的光合特性［18-19］，延长生育后期叶片的光合作用持续期；绿肥还田能够增加土壤中氮含量，在小麦生育后期随着气温升高而快速释放，满足当季小麦的生长需要［20］，最终利于高产。本研究还发现，随着生育进程的推进，各处理下小麦的干物质积累量逐渐增加，成熟期达到稳定。绿肥还田30000 kg/hm2处理下成熟期群体干物质积累量最大，绿肥不还田时群体干物质积累量最小，这与姚鹏伟等［21］研究结果一致。

大量研究表明，适量施用氮肥能增加小麦的籽粒产量［22］。此外，绿肥有一定的养分供应能力，能够促进作物生长，绿肥、化肥配施能促进养分吸收，提高作物产量［23］。小麦生长后期，翻压的绿肥仍能释放较多的氮素，可以满足小麦对氮素的需求，加快小麦生长，促使花后吸收更多的氮磷养分，促进碳水化合物合成，进而形成较高的籽粒产量。本研究表明，施氮配合绿肥还田30000 kg/hm2处理下，小麦的籽粒产量显著高于其他处理。

3.2 绿肥替代氮肥研究

本研究中，N0G1、N0G2、N0G3处理的绿肥替代化肥比例分别为11.3%、18.5%、36.5%，说明不施氮处理下，绿肥还田量越多，替代效果越明显。绿肥替代氮肥有利于提高小麦干物质积累量，进而提高有效穗数和结实率，最终利于小麦高产。这可能与绿肥中有机氮释放较为缓慢，同时提高了土壤的有机质含量和改善了土壤团粒结构有关。对于小麦来说，产量构成因素之间的协调发展是实现其高产的基础。配施处理对作物产量的影响主要体现在对有效穗数、穗粒数以及千粒重的影响上。相关研究表明，绿肥、化肥配施可显著提高小麦的穗粒数和千粒重，利于高产［24］。本研究发现，配施处理对小麦产量构成要素的影响基本表现一致，即通过提高单位面积的有效穗数、穗粒数和千粒重，从而提高籽粒产量。其中，绿肥还田30000 kg/hm2时小麦的穗数、穗粒数和千粒重均为最高，说明该处理下，主要通过优化小麦的穗数、穗粒数和千粒重等产量构成来调控产量。

4 结论

河西绿洲灌区毛叶苕子还田后种植小麦，15000、30000、45000 kg/hm2绿 肥 可 分 别 替 代 化 学 氮 肥11.3%、18.5%、36.5%。施氮180 kg/hm2配合30000kg/hm2绿肥还田的干物质累积量和累积速率明显高于其他处理，该处理与不施氮配合绿肥还田45000 kg/hm2处理的籽粒产量差异不显著，分别较施氮不复种绿肥增产18.4%和15.7%。施氮配合绿肥高产主要归因于优化了小麦有效穗数、穗粒数。综合来看，绿肥还田30000 kg/hm2结合施氮180 kg/hm2可作为河西灌区小麦高产的养分短期管理模式。