旱地麦田夏闲期复种绿肥对后茬冬小麦产量、植株养分和土壤养分的影响

薛乃雯，高志强，杨珍平

（1.山西大同大学 生命科学学院，山西 大同 037009；2.山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801）

小麦是我国三大粮食作物之一，在粮食产业中发挥着至关重要的作用[1]；冬小麦是黄土高原旱塬区的主要粮食作物，其生产对保障晋南地区的粮食安全具有重要意义[2-3]。严重的风蚀和水蚀、不适当的耕作制度以及有机肥料的严重缺乏导致黄土高原正逐渐面临土壤质量退化的严峻挑战[4]。绿肥是用新鲜的绿色植物作为肥料，直接或间接地将植物体翻压到土壤中，利用植物体腐解后的养分来供应主要作物的生长，有提高土壤质量、培肥优良的耕层土壤、提高肥料利用率和促进作物生长的作用[5]。其中，豆科绿肥可以固定大气中的氮，减少杂草，提高土壤物理和生物特性，改善土壤碳和氮循环[6]；非豆科绿肥主要用于防止土壤侵蚀、积累养分、减少养分淋失和提高土壤有机碳储量[7]。王丹英等[8]研究表明，在水稻田中种植并翻压紫云英和油菜绿肥，显著提高了土壤中全氮、碱解氮以及有机质的含量。在水田种植绿肥的研究还表明，绿肥作为有机肥通过对磷素的吸收和分解，将土壤中难以被作物吸收利用的无机磷转化成容易被作物吸收利用的有机磷，从而提高了土壤中磷素的利用率[9]。罗玲等[10]研究结果表明，夏闲期种植油菜可以显著提高旱地土壤中的速效钾含量。晋南黄土高原旱塬麦区为雨养农业，年降水量400 mm左右，不足以支持一年两熟，一般麦收后的7—9月农田土壤休闲裸露，而此期的降雨充足，约为全年降水量的60%～70%。为此，引入绿肥作物于休闲期复种、压青还田，以充分利用此期充足的光热水资源并培肥土壤具有重要的实践意义。

本研究以华中农业大学育成的“菜、花、饲、油、肥”多用途油菜品种——华油杂62号和山西农业大学育成品种晋大78号（夏大豆，生育期短）为供试绿肥作物，以旱地小麦典型对照品种晋麦47号为供试小麦品种，比较分析旱地冬小麦夏闲期种植翻压不同绿肥作物对后茬小麦产量、养分及土壤养分的影响，以期为该区旱地小麦的高产稳产和土壤培肥提供一定的理论和实践依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2015年7月至2016年6月在山西省闻喜县邱家岭村进行。该试验地位于北纬35°09′，东经110°59′，属黄土高原丘陵地带，具有大陆性季风气候，每年7—9月降水量大，10月至次年6月降水偏少。近10 a平均降雨量和年平均气温分别为478.81 mm和13.44℃，试验期间的月平均气温和降水如图1所示。试验地没有灌溉设施，种植制度包括一个夏季休闲期，从小麦收获后一直持续到下一个小麦生长季前（6月中旬至9月底），在此期间，农田是裸地状态。试验田0～20 cm土壤基本理化性质为：p H值8.6，速效氮含量36.47 mg/kg，全氮含量0.91 g/kg，速效磷含量1.42 mg/kg，全磷含量1.00 g/kg，速效钾含量206.14 mg/kg，有机质含量4.09 g/kg。

1.2 试验材料

供试小麦品种为晋麦47号，绿肥覆盖作物为油菜和大豆，品种分别为华油杂6号和晋大78号，均由山西农业大学农学院提供。

1.3 试验设计

试验采用双因素随机区组设计，主区为3个不同的油菜播量（7.5、15.0、22.5 kg/hm2）和大豆播量（105 kg/hm2），在上茬小麦收获后于2015年7月3日播种。副区为不同的绿肥翻压处理，即将绿肥作物全部翻压入土和仅将绿肥作物的地下部翻压入土。对照为裸地，不种植任何绿肥作物，在上茬小麦收获后进行机械深松，深松深度为35～40 cm。试验共设8个处理，分别为：油菜播量7.5（G1）、15.0（G3）、22.5 kg/hm2（G5）和大豆播量105 kg/hm2（G7）为绿肥全量还田处理，油菜播量7.5（G2）、15.0（G4）、22.5 kg/hm2（G6）和大豆播量105 kg/hm2（G8）为绿肥仅地下部还田处理。试验小区的面积为11.5 m×3.0 m，每个处理重复3次。在2015年7月1日施入了“沃丰”生物有机肥（含活菌2×108个/g，有机质含量≥25%，N+P2O5+K2O含量≥65%），施入量为1 500 kg/hm2。小麦收获后留茬25 cm和生物有机肥使用深翻机进行翻耕，翻耕深度为25～30 cm。在7月28日基施尿素、P2O5和K2O，施肥量均为150 kg/hm2。绿肥作物于9月27日粉碎并使用旋耕机翻压入土，在10月1日采用垄膜沟播的方式种植后茬冬小麦，垄上覆膜，沟内播种，垄宽35 cm，沟宽30 cm。

1.4 测定指标及方法

在成熟期，每个小区收获16 m2小麦计算每公顷穗数、每穗粒数、千粒质量以及产量。收获指数（HI）是小麦籽粒产量与地上部生物量之比。

在每个小区选定15株具有代表性的小麦，将小麦植株各部分用剪刀分为茎、叶、籽粒，放入烘箱105°C杀青1 h，然后80°C烘干至恒质量，用小型粉碎机粉碎，采用浓H2SO4-H2O2消煮制备待测液，采用AA 3流动注射分析仪测定各部分全氮含量，采用钼黄比色法测定各部分全磷含量，采用火焰光度计法测定各部分全钾含量[11]。

用直径4 cm的土钻以20 cm为一个土层，取深至60 cm的土壤，每个小区取土3次，所有土样装入有记号笔标记的自封袋中，自然风干后测定土样的总氮、总磷、速效氮、速效磷、速效钾、有机质的含量。采用烘干法测定土壤相对含水量。采用硫酸消化法和凯氏蒸馏法测定总氮含量，采用碱扩散法测定土壤速效氮含量，采用硫酸-高氯酸消化法测定总磷含量，采用0.5 mol/L NaHCO3萃取法测定速效磷含量，采用1.0 mol/L NH4OA提取法测定速效钾含量，采用浓硫酸消煮法测定有机质含量[11]。

1.5 数据分析

试验采用SAS 8.0软件（LSR法）对各项指标不同处理的差异显著性进行比较，并进行Pearson简单相关性分析；采用Excel 2010制表。

2 结果与分析

2.1 夏闲期种植翻压绿肥对冬小麦产量及其构成因子的影响

从表1可以看出，夏闲期种植并翻压绿肥不能提高后茬冬小麦的穗数、穗粒数和千粒质量，反而有降低穗数、穗粒数和千粒质量的趋势。CK的千粒质量比G1、G7和G8处理分别显著高36.87%、30.72%和30.81%（P＜0.05），但是与其他绿肥处理的千粒质量间差异不显著。CK的产量显著最高，比其他处理平均高出45.13%。在小麦收获时，CK和G8处理的地上部生物量显著较高，高于其他翻压油菜的处理。在所有处理中，G5处理的收获指数显著最高，G8处理的收获指数显著最低。

表1 不同绿肥翻压处理对冬小麦产量及其构成因子的影响Tab.1 Effects of differ ent gr een manure turning treatments on winter wheat yield and its components

2.2 夏闲期种植翻压绿肥对成熟期冬小麦植株养分的影响

从表2可以看出，G6处理的叶片含氮率和含磷率最高，G4处理的叶片含钾率最高。

表2 小麦成熟期叶片氮磷钾含量分析Tab.2 Contents of nitrogen，phosphorus and potassium in leaves at the mature stage of wheat %

由表3可知，G6处理的茎秆含氮率最高；G7处理的茎秆含磷率最高，G2处理的茎秆含钾率显著最高。

表3 小麦成熟期茎秆氮磷钾含量分析Tab.3 Contents of nitrogen，phosphorus and potassium in stems at the mature stage of wheat %

从表4可以看出，G6处理的籽粒含氮率最高，G7处理的籽粒含磷率最高，G8处理的籽粒含钾率显著最高，比CK高出11.30%。

表4 小麦成熟期籽粒氮磷钾含量分析Tab.4 Contents of nitr ogen，phosphor us and potassium in gr ains at the matur e stage of wheat %

2.3 夏闲期种植翻压绿肥对小麦成熟期0～60 cm土壤养分的影响

由表5可知，在小麦收获时，G7处理显著提高了表层土壤的速效氮含量和全氮含量，速效氮含量比其他处理提高了20.45%～51.40%，全氮含量比其他处理提高了95.12%～135.29%。G7处理的表层土壤速效磷含量最高，但是与处理G1、G3和CK间差异不显著。G5处理的表层土壤全磷含量显著最高，比其他处理提高了25.00%～45.83%。CK的土壤速效钾含量最低，但是仅显著低于G2处理，与其他处理间差异不显著。G7处理的有机质含量最高，但与处理G5、G3和CK间差异不显著。

表5 小麦收获时0～20 cm土壤养分含量分析Tab.5 Soil nutrient content at 0-20 cm at har vest time of wheat

由表6可知，G1处理在20～40 cm土层的速效氮含量最高，但是与G2处理间差异不显著。G5处理在20～40 cm土层的全氮含量显著最高，比其他处理高出了6.94%～42.59%。G1处理在20～40 cm土层的速效磷含量显著最高，比其他处理高出了79.00%～477.42%。G5处理的全磷含量最高。CK的速效钾含量显著最低，比其他处理降低了20.77%～41.67%。G5处理的有机质含量最高，且显著高于G1、G2和G8处理。

表6 小麦收获时20～40 cm土壤养分含量分析Tab.6 Soil nutrient content at 20-40 cm at harvest time of wheat

从表7可以看出，G7处理在40～60 cm土层的速效氮含量最高，但与G1、G2、G4和G5处理间差异不显著。G3和G5处理的土壤全氮含量最高，但与G1和G2处理间差异不显著。G1和G3处理显著提高了40～60 cm的土壤速效磷含量。CK在40～60 cm的全磷含量显著最低，比其他处理降低12.50%～26.79%。G8处理的速效钾含量最低，但与G1、G3、G4、G6和G7处理间差异不显著。G5处理的有机质含量最高，且显著高于G6处理。

表7 小麦收获时40～60 cm土壤养分含量分析Tab.7 Soil nutrient content at 40-60 cm at harvest time of wheat

2.4 0～20 cm土壤养分与小麦成熟期植株叶片、茎秆以及籽粒养分之间的相关性分析

从表8可以看出，表层土壤的速效氮含量与茎秆含氮率呈显著正相关，与籽粒含氮率呈极显著正相关；表层土壤的有机质含量与籽粒含钾率呈极显著正相关。小麦成熟期叶片含磷率与茎秆含氮率和籽粒含氮率均呈显著负相关；茎秆含氮率与籽粒含氮率呈显著正相关。

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3 结论与讨论

本试验表明，夏闲期种植翻压大豆和饲料油菜有降低后茬冬小麦穗数、穗粒数和千粒质量的趋势，从而降低了冬小麦产量。姚致远等[12]研究表明，在不同的年份，绿肥作物对小麦产量的影响不同，有些年份可能会减少小麦的产量。ZHANG等[13]研究发现，在黄土旱塬降水相对较少的地区，绿肥作物通常在丰水年可以增加后茬冬小麦的产量，而在干旱年可能降低后茬小麦的产量。本研究与姚致远等[12]和ZHANG等[13]的研究结果一致，可能是种植年份遇到了干旱年，绿肥处理在夏闲期消耗了比对照更多的土壤水分，使小麦播前土壤贮水量降低，导致水分供应不足，从而减产。

本试验表明，绿肥翻压还田有提高后茬冬小麦叶片氮素和磷素含量，茎秆氮素含量、磷素含量以及籽粒氮素、磷素和钾素含量的趋势。陈正刚等[14]研究表明，翻压绿肥显著增加了玉米植株氮磷钾养分的吸收量，植株全氮、全磷和全钾的吸收量与对照相比分别增加了22.1%、7.7%、19.2%。有研究发现，与豆科作物进行轮作，能够增加土壤的氮素含量，从而促进下茬作物对土壤氮素的吸收利用[15-16]。在低磷土壤上，绿肥作为前茬作物可以增加下茬小麦的磷素吸收，种植白羽扇豆，后茬小麦磷素效率提高最显著，种植鹰嘴豆并将其残茬还田可以提高小麦磷素的吸收[17]。杨宁等[18]研究发现，小麦与秋豆轮作可以提高花后氮磷养分的积累，减少花后钾素的损失，收获期籽粒氮、磷和钾累积量分别增加了40.3%、34.8%和17.1%。本研究与前人的研究结果一致，但是对于这一结果的影响机制，仍需深入研究。

本试验表明，在小麦成熟期，绿肥种植翻压能够提高0～20 cm土壤的速效氮和全氮含量，增加20～40 cm的速效钾含量和40～60 cm的全磷含量，改善0～60 cm的有机质含量。在烟土上3 a的田间定位试验发现，连年翻压绿肥可以增加土壤碳、氮以及微生物量碳、氮含量，土壤有机碳、全氮、碱解氮分别提高了27.8%～53.8%、8.9%～40.9%和11.6%～20.9%，随着翻压年限的增加效果越明显[19]。绿肥与化肥配施，土壤全氮和碱解氮最多分别增加了22.2%和15.4%[20]。张达斌等[21]研究表明，渭北旱塬夏季休闲期种植翻压豆科绿肥，有机质、全氮含量分别提高了3.9%～11.7%、4.5%～10.8%。长期进行冬季绿肥的翻压，可以显著增加土壤无机磷的总量[22]。在湘南红壤稻田土壤上30 a的长期定位试验表明，冬季种植绿肥，土壤有机质随年份的增加出现增长的趋势，有机质年均增加量为0.26～0.31 g/kg，土壤有效磷增加16.3%～20.3%[23]。曹卫东等[24]研究发现，绿肥种植5 a以后，可以提高土壤有机质0.1%～0.2%。本研究与前人的研究结果基本一致，种植翻压绿肥作物可以增加土壤中的氮磷钾养分和有机质，可能是绿肥作物本身具有吸收土壤中氮磷钾的特性，但是对土壤养分和有机质的改善需要长期的定位研究来验证，由于本试验的研究年限较短，所以对土壤养分和有机质的提高效果不显著。

本研究结果表明，夏闲期种植并翻压绿肥有降低后茬冬小麦穗数、穗粒数和千粒质量的趋势，产量比CK平均显著降低了45.13%。小麦收获时，绿肥翻压处理的叶片、茎秆和籽粒的氮素、磷素和钾素含量比CK都有升高的趋势。在小麦成熟期，G7处理显著提高了0～20 cm土壤的速效氮含量和全氮含量；G5处理在20～40 cm的全氮含量显著最高；G1处理在20～40 cm土层的速效磷含量显著最高；所有绿肥处理在20～40 cm的速效钾含量和40～60 cm的全磷含量显著高于对照，G7处理在0～20 cm的有机质含量以及G5处理在20～40、40～60 cm的有机质含量有升高的趋势。0～20 cm土壤的速效氮含量与籽粒含氮率呈极显著正相关；土壤的有机质含量与籽粒含钾率呈极显著正相关。综上，夏闲期种植翻压绿肥显著降低了后茬冬小麦的产量，有提高植株叶片、茎秆和籽粒氮素、磷素和钾素含量的趋势，能够在一定程度上改善土壤的养分，黄土旱塬在丰水年推荐采用G5（油菜播量22.5 kg/hm2全量还田）的绿肥种植方式来培肥土壤。