47份箭筈豌豆品种（系）在青海作秋绿肥的能力评价

陈子英，常单娜，韩梅，李正鹏，严清彪，张久东，周国朋，孙小凤*，曹卫东*

（1.青海大学农林科学院土壤肥料研究所，青海西宁 810016；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；3.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃兰州 730030）

绿肥是我国传统农业的瑰宝，是实现耕地用养结合的重要措施。种植利用绿肥能够培肥土壤、改善生态环境、提高作物产量，同时也可做优质饲草利用［1-3］。箭筈豌豆（Vicia sativa），又名荒野豌豆、大巢菜，豆科野豌豆属，一年生或越年生豆科草本植物，是我国栽培利用最广的绿肥饲草作物之一［4］。在我国西北地区常见的利用方式是箭筈豌豆与小麦（Triticum aestivum）套复种，麦后复种可刈割鲜草做饲草［5］，根茬还田能增加后茬作物产量［6］。另外，箭筈豌豆常与禾本科作物混播来提高其产草量［7-8］并改善饲草品质［9］。近年来以供肥培肥，绿色发展为目的，西北地区开始发展豆科绿肥间作小麦、玉米（Zea mays）等新型间作模式。箭筈豌豆具有早生、速发的特点，间作模式下共生期间不仅可以提高土壤养分和土壤微生物数量［10］，还能将固定的氮素转移给小麦，减少氮肥投入［11］，从而提高产量和品质［12］。

20世纪80年代以来绿肥生产利用停滞，优质种质资源的选育栽培工作停止，使得地方绿肥种质资源存在混杂、退化以及产草量下降等问题［13-14］。近年来对箭筈豌豆种质资源的研究主要集中于农艺性状［15-16］、表型性状［17］、品质［18-20］、抗性［21-22］和遗传多样性［23］等方面，不同箭筈豌豆品种的农艺性状、抗性等存在差异。目前对箭筈豌豆品种间产草量及养分吸收能力缺乏系统评价。产草量和养分累积量是用作绿肥及化肥替代潜力的重要指标［24-25］。箭筈豌豆生长期间不但可以与根瘤共生固氮增加土壤氮素［26］，其根系分泌物还能活化磷、钾提高土壤中磷、钾的有效性［27-28］，不同品种间固氮及活化磷、钾能力不同，其养分积累能力也不同。箭筈豌豆是西北地区重要的绿肥作物，综合筛选产草量高和养分吸收能力强的品种具有重要意义。本试验测定了田间条件下47份箭筈豌豆品种（系）分枝期和初花期地上部生物量、氮磷钾累积量及土壤速效养分含量变化。运用主成分分析和聚类分析对这些箭筈豌豆资源进行综合评价，以期筛选出适宜青海地区作绿肥栽培利用的品种（系）。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于青海省西宁市贵德县红柳滩村（100°58′-101°47′E，35°29′-36°23′N），海拔2246 m，年平均气温为7.3℃，年降水量为252.5 mm，年平均蒸发量为1800 mm。试验地土壤类型为栗钙土，0～20 cm耕层土壤基础理化性状为：有机质13.71 g·kg-1、全氮1.18 g·kg-1、无机氮39.77 mg·kg-1、有效磷40.55 mg·kg-1、速效钾225 mg·kg-1、p H 8.15。

1.2 试验材料

供试箭筈豌豆品种为各省主栽品种和种质资源库保藏的品种（系），共47个（表1）。

表1 供试箭筈豌豆种质材料编号及名称Table 1 The number and name of common vetch cultivars used in this study

1.3 试验设计

于2020年7月27日在西宁市贵德县进行。试验采用条播，每条2 m，左右各间隔1 m，每品种（系）设3次重复，播种量为120.0 kg·hm-2。

1.4 样品采集与测定

采集两次样品，第一次于9月4日（播种后40 d，此时为分枝期）采取1 m的样品，第二次于9月28日（播种后63 d，此时为初花期）取剩下1 m。

试验采取样品时记录其鲜草产量，置于105℃烘箱内杀青30 min，并于70℃条件下烘干至恒重后，记录干草产量。粉碎后的植株样品采用H2SO4-H2O2法消化，利用半微量凯氏法测定全氮含量，用钼锑抗比色法测定全磷含量，用火焰光度计法测定全钾含量［1］。鲜土按土水比1∶5加入2 mol·L-1KCl溶液，振荡30 min后，通过流动分析仪（SEA 1 Auto Analyzer 3，德国）测定无机氮含量。风干土用0.5 mol·L-1NaHCO3提取-钼锑抗比色法测定有效磷含量，用0.1 mol·L-1NH4Ac浸提-火焰光度法测定速效钾含量［29］。

1.5 计算与分析

为了进一步评价47份箭筈豌豆品种对各养分吸收能力的强弱，通过初花期植株养分累积量和干草产量等计算花前植株养分累积增加量、花前植株养分累积增加量所占比例和花前植株养分吸收速率，并通过聚类分析对上述指标进行聚类。各指标具体计算公式如下：

花前N（P、K）累积增加量=初花期N（P、K）累积量-分枝期N（P、K）累积量

花前N（P、K）累积增加量所占比例=花前N（P、K）累积增加量/初花期N（P、K）累积量

花前N（P、K）吸收速率=花前N（P、K）累积增加量/分枝期到初花期的天数

上述各聚类因子数量级不同，分类结果无法达到预期的效果。因此，采用极差标准化方法进行数据处理，公式为：

式中：yij为第i各聚类单元第j各聚类因子处理后的值，xij为第i各聚类单元第j各聚类因子的原始值，xmaxi为各聚类单元中原始值的最大值，xmini为各聚类单元中原始值的最小值。

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2007软件整理试验数据。应用Origin 2018软件进行主成分分析以及聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同箭筈豌豆品种（系）生物量及养分累积量

2.1.1 不同箭筈豌豆品种（系）生物量 不同箭筈豌豆品种（系）在分枝期和初花期地上部鲜草和干草产量均存在较大的差异（表2）。47份箭筈豌豆分枝期鲜草产量为3.39～7.18 t·hm-2，草原79-1最高；干草产量为0.62～1.25 t·hm-2，333/A最高。初花期鲜草产量为21.33～47.31 t·hm-2，干草产量为2.99～6.86 t·hm-2，匈牙利均最高，其鲜草产量较西牧333（29.77 t·hm-2）提高了58.92%，干草产量较西牧333（4.23 t·hm-2）提高了62.17%。

表2 不同箭筈豌豆品种的生物量Table 2 Biomass of different common vetch cultivars（t·hm-2）

箭筈豌豆的特点是早生、速发。分枝期与初花期鲜草差值显示，匈牙利、黑皮741箭豌、清水河麻箭豌（麻色）较西牧333（24.81 t·hm-2）增长快，增长量为33.41～41.22 t·hm-2；751箭豌、苏箭5号、S79-11较西牧333增长慢，增长量为16.85～19.61 t·hm-2。综上，匈牙利表现最好，初花期鲜草产量和分枝期到初花期的增长量均最高。

2.1.2 不同箭筈豌豆品种（系）氮磷钾累积量 不同箭筈豌豆品种（系）氮磷钾累积量表现出较大差异（图1～3）。供试47份箭筈豌豆品种中，分枝期植株氮累积量为22.15～40.97 kg·hm-2，草原79-1最高；磷累积量为2.37～4.88 kg·hm-2，754-1箭豌最高；钾累积量为15.61～33.40 kg·hm-2，333/A最高。初花期植株氮累积量为100.34～212.51 kg·hm-2，磷累积量为10.31～25.25 kg·hm-2，钾累积量为63.89～140.41 kg·hm-2，其中匈牙利氮、钾累积量最高，分别较西牧333提高了44.78%和54.40%，7501磷累积量最高，较西牧333提高了27.78 %。

图1 箭筈豌豆各品种植株氮素累积量Fig.1 Nitr ogen accumulation of common vetch cultivar s

续表Continued Table

花前氮累积增加量为71.84～176.86 kg·hm-2，与西牧333相比，匈牙利增加量最高，兰箭3号增加量最低。花前磷累积增加量为7.18～21.53 kg·hm-2，7501增加量最高，红旗头增加量最低。花前钾累积增加量为39.96～111.43 kg·hm-2，匈牙利增加量最高，751箭豌增加量最低。匈牙利初花期氮、钾素累积量和花前氮、钾累积增加量均最高，7501初花期磷累积量和花前磷累积增加量均最高。综上，匈牙利吸收氮、钾的能力最强，7051吸收磷的能力最强。

图2 箭筈豌豆各品种植株磷素累积量Fig.2 Phosphorus accumulation of common vetch cultivars

2.2 不同箭筈豌豆品种（系）氮磷钾吸收能力的主成分分析

为了更客观地评价不同箭筈豌豆品种（系）的氮磷钾吸收能力，采用主成分得分法对分枝期和初花期植株鲜重和干重，以及植株氮、磷和钾累积量10个指标数据进行主成分分析（表3）。按照特征值>1，且累积贡献率>80%的原则，提取出2个主成分。主成分1和主成分2的方差贡献率分别为49.84%和35.94%，累积贡献率达到了85.78%，特征值之和为8.57，表明这2个主成分可以表征箭筈豌豆的10个指标所反映的信息。47份箭筈豌豆资源中排名前五的品种分别为匈牙利、草原79-1、清水河麻箭豌（麻色）、324和黑皮741箭豌，匈牙利得分最高，为6.84，751箭豌得分最低，为-3.87。

图3 箭筈豌豆各品种植株钾素累积量Fig.3 Potassium accumulation of common vetch cultivar s

表3 不同箭筈豌豆品种（系）的主成分得分Table 3 The principal component score of different common vetch cultivars

2.3 箭筈豌豆氮磷钾吸收能力的聚类分析

2.3.1 不同箭筈豌豆品种（系）氮素吸收能力的聚类分析 基于不同箭筈豌豆品种（系）的主成分分析得分结果，采用组间联接-平方欧式距离聚类法建立聚类树状图，将47份箭筈豌豆品种（系）氮素吸收能力聚为3个类群（图4）。类群Ⅰ有33份资源，占70.21%，这一类群中的品种对氮素的吸收能力居中，该类群分为2个亚类，亚类Ⅰ-1包括23份资源，亚类Ⅰ-2包括10份资源。类群Ⅱ有10份资源，占21.28%，这一类群中的品种对氮素的吸收能力最弱，此类群分为2个亚类，亚类Ⅱ-1包括4份资源，Ⅱ-2包括6份资源。类群Ⅲ有4份资源，占8.51%，这一类群的品种氮素吸收能力最强，平均吸氮量为200.62 kg·hm-2，此类群分为2个亚类，亚类Ⅲ-1包括324和清水河麻箭豌（麻色），Ⅲ-2包括草原79-1和匈牙利。

图4 不同箭筈豌豆品种初花期氮素吸收能力的聚类分析Fig.4 The cluster analysis of nitrogen uptake capacity of differ ent common vetch cultivars at initial flower ing stage

2.3.2 不同箭筈豌豆品种（系）磷素吸收能力的聚类分析 47份箭筈豌豆品种（系）磷素吸收能力聚为3个类群（图5）。类群Ⅰ有28份资源，占59.58%，这一类群中的品种磷素吸收能力居中，该类群分为2个亚类，亚类Ⅰ-1包括12份资源，亚类Ⅰ-2包括16份资源。类群Ⅱ有12份资源，占25.53%，这一类群中的品种磷素吸收能力最弱，此类群分为2个亚类，亚类Ⅱ-1包括4份资源，Ⅱ-2包括8份资源。类群Ⅲ有7份资源，占14.89%，这一类群中的品种磷素吸收能力最强，平均吸磷量为23.10 kg·hm-2，该类群分为2个亚类，亚类Ⅲ-1包括黑皮741箭豌、陇箭2号、匈牙利和粉红色箭豌，Ⅲ-2包括S79-11、草原79-1和7501。

图5 不同箭筈豌豆品种初花期磷素吸收能力的聚类分析Fig.5 The cluster analysis of phosphorus uptake capacity of different common vetch cultivars at initial flowering stage

2.3.3 不同箭筈豌豆品种（系）钾素吸收能力的聚类分析 47份箭筈豌豆品种（系）钾素吸收能力聚为3个类群（图6）。类群Ⅰ有37份资源，占78.72%，这一类群中的品种钾素吸收能力居中，此类群分为2个亚类，亚类Ⅰ-1包括21份资源，亚类Ⅰ-2包括16份资源。类群Ⅱ有2份资源，占4.26%，这一类群中的品种钾素吸收能力最弱。类群Ⅲ有8份资源，占17.02%，这一类群中的品种钾素吸收能力最强，平均吸钾量为115.23 kg·hm-2，该类群分为2个亚类，亚类Ⅲ-1包括黑皮741箭豌、陇箭2号、苏箭3号、324、清水河麻箭豌（麻色）、西牧820和草原79-1，Ⅲ-2包括匈牙利。

图6 不同箭筈豌豆品种初花期钾素吸收能力的聚类分析Fig.6 The cluster analysis of potassium uptake capacity of differ ent common vetch cultivars at initial flower ing stage

2.4 不同养分吸收能力的箭筈豌豆品种（系）对应的土壤速效养分含量变化

基于主成分得分结果，筛选出养分吸收能力强的箭筈豌豆品种（系）共7份（得分>2），养分吸收能力弱的品种（系）共6份（得分<-2）。由表4可知，种植箭筈豌豆显著降低了土壤无机氮、有效磷和速效钾含量，与基础土相比，分枝期无机氮含量降低了50.31%～70.86%，初花期降低了71.56%～81.04%，分枝期到初花期降低了2.19%～24.11%；有效磷含量在分枝期降低了31.96%～56.18%，初花期降低了37.61%～60.62%，分枝期到初花期降低了1.90%～20.86%；速效钾含量在分枝期降低了24.15%～50.67%，初花期降低了46.37%～57.63%，分枝期到初花期降低了0.74%～28.00%。以上结果说明箭筈豌豆具有较强的氮磷钾吸收能力，种植箭筈豌豆可以充分利用土壤休闲期养分。

养分吸收能力强的品种草原79-1箭筈豌豆和养分吸收能力弱的品种兰箭2号箭筈豌豆分枝期到初花期土壤有效磷含量均显著升高，这说明随生育期推进箭筈豌豆活化土壤难溶性磷的能力不断增强，且品种间的磷素吸收能力不是决定土壤中有效磷含量的唯一因素，土壤中有效磷的含量是植物活化难溶性磷和植物吸收磷动态平衡的结果。

3 讨论

箭筈豌豆品种多，品性差异大，生产利用中应当选择适宜当地条件的品种。西北地区用于麦田套复种应选早发速生、耐阴性好的品种。同时无论用作饲草还是绿肥，产量都是品种选育时的重要指标［30］。本试验中不同箭筈豌豆品种在分枝期和初花期生物量均变异较大，初花期匈牙利、清水河麻箭豌（麻色）、苏箭3号产草量较高，较当地主栽品种西牧333表现好，可以在生产实践中验证，筛选适合青海地区的优异箭筈豌豆资源。本研究中箭筈豌豆属于秋播，初花期匈牙利鲜草产量最高为47.31 t·hm-2。秦燕等［31］研究表明青海地区夏季复种箭筈豌豆，盛花期鲜草产量为49.17 t·hm-2，同一地区本研究产草量与该结果相当。王琳等［32］研究发现江苏晚稻（Oryza sativa）套种箭筈豌豆，箭筈豌豆盛花期鲜草产量为23.88 t·hm-2，同为秋播本研究产草量高于该结果。吴兴洪等［33］研究发现贵州果园春播箭筈豌豆，盛花期鲜草产量为32.38 t·hm-2，本研究结果同样高于该结果。原因可能是与间作、套作模式相比，麦后复种的箭筈豌豆在生长过程中与其竞争的作物少，充足的养分和光照可保证其生长。

种植利用绿肥可减少化肥施用、促进后茬作物对养分吸收以及增加作物产量［34-36］。筛选养分累积能力强的品种可以最大限度地利用休闲期的养分，翻压还田后可减少后茬作物化肥施用量。本试验47份箭筈豌豆钾素吸收能力较强的品种最多，吸收能力强的品种占17.02%、居中的占78.72%；氮素吸收能力较强的品种次之，吸收能力强的品种占8.51%、居中的占70.21%；磷素吸收能力较强的品种最少，吸收能力强的品种占14.89%、居中的占59.58%。生物量大、养分累积能力强的品种可以优先用作绿肥。以表现最好的匈牙利箭筈豌豆为例，换算为每hm2吸收的养分翻压还田后相当于461.98 kg尿素、234.02 kg氯化钾和189.83 kg过磷酸钙。

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本试验基础土无机氮、有效磷、速效钾含量均处于较高的水平，可能是小麦季常年过量施肥造成的。与基础土相比，分枝期、初花期土壤无机氮、有效磷、速效钾显著降低，说明麦后复种箭筈豌豆可以利用休闲期的养分，能够降低雨季氮磷的淋洗风险［37-38］。分枝期到初花期，土壤速效养分降幅较小，但分枝期到初花期植株氮、磷、钾养分累积量远大于分枝期。一方面是分枝期前箭筈豌豆根系不发达，主要以吸收耕层土壤养分为主，后期随着箭筈豌豆的生长发育，根系逐渐发达，可以吸收深层土壤中养分，降低耕层土壤养分利用。另一方面是随着箭筈豌豆的生长，根系活化土壤养分的能力增强，更多的难溶性养分被活化释放到土壤中供其吸收［39-40］。

4 结论

47份箭筈豌豆品种（系）产草量和氮磷钾吸收能力存在差异，主成分分析显示排名前五的品种分别为匈牙利、草原79-1、清水河麻箭豌（麻色）、324和黑皮741箭豌，匈牙利得分最高，751箭豌得分最低。聚类分析显示47份箭筈豌豆资源的氮磷钾吸收能力表现出明显的差异，氮、磷和钾吸收能力强的资源分别有4、7和8份，这些资源平均吸氮量、吸磷量和吸钾量分别达到200.62 kg·hm-2、23.10 kg·hm-2和115.23 kg·hm-2。匈牙利、草原79-1、清水河麻箭豌（麻色）和324表现出较强的氮、钾吸收能力，草原79-1和匈牙利表现出较强的磷、钾吸收能力，可作为青海省有潜力的箭筈豌豆品种（系）在生产中验证。