麦后复种绿肥模式与施氮制度对土壤氮素及小麦产量的互作效应

Interaction effects of wheat multiple cropping green manure model and nitrogen application system on soil nitrogen and wheat yield

摘要

目的 为充分利用青藏高原光热资源，优化麦后复种绿肥栽培模式及施氮制度，提高绿肥培肥效果。 方法 试验设春小麦-箭筈豌豆（W-V），春小麦-油菜（W-R），春小麦-箭筈豌豆×油菜（W-VR，箭筈豌豆与油菜混播，播量比8∶1）3种复种模式，小麦和绿肥的施氮量按总施氮量的100%和0%（N₁）、80%和20%（N₂）两种施氮制度分配。研究小麦复种绿肥模式和施氮制度对小麦农田土壤氮素特征和小麦产量的互作效应。 结果 研究结果表明绿肥种植模式和施氮制度互作对小麦农田土壤氮素影响有显著差异（P<0.05），在0~30 cm土层施氮制度N₂与N₁差异显著（P<0.05），N₂处理较N₁处理土壤硝态氮、铵态氮、全氮含量和脲酶活性分别提高了5.38%~17.96%、12.58%~17.31%、4.72%~8.94%和4.55%~20.51%，小麦籽粒产量增加了10.85%~13.06%。在N₂处理下，在0~30 cm土层W-VR模式较W-V和W-R土壤硝态氮含量分别提高7.30%和18.85%，土壤铵态氮含量提高10.89%和28.78%，土壤全氮含量提高2.89%和11.36%，土壤脲酶活性提高7.76%和22.39%；且W-VR较W-R籽粒产量增加10.80%。 结论 在青藏高原地区，麦后混播箭筈豌豆和油菜，且小麦和绿肥的施氮量按总施氮量的80%和20%分配可显著提高小麦农田土壤氮素含量，增加小麦籽粒产量，是该区域较为理想的麦后复种绿肥模式和施氮制度。

Abstract

Objective In order to make full use of the light and heat resources of the Qinghai-Tibet Plateau,to optimize the green manure cultivation mode and nitrogen application system, and to improve fertilizer effect. Method The experiment included spring wheat multiple cropping common vetch (W-V), spring wheat multiple cropping rape (W-R), and spring wheat multiple cropping mixed green manure of the common vetch and rape (W-VR, seeding rate 8∶1) three green manure cultivation modes. And the nitrogen application rate of wheat and green manure was 100% and 0% (N₁), 80% and 20% (N₂) of the total nitrogen application rate. By comparing soil nitrate nitrogen, soil ammonium nitrogen, soil total nitrogen and soil urease activity in 0~30 cm soil layer and wheat yield, the interaction effects were studied on different green manure cultivation modes and nitrogen application systems on soil nitrogen and wheat yield. Result The interaction of green manure planting pattern and nitrogen application system had a significant difference in soil nitrogen (P<0.05), and the difference between N₂ treatment and N₁ treatment in the 0~30 cm soil layer was significant (P<0.05). Compared with N1 treatment, soil nitrate nitrogen, soil ammonium nitrogen, soil total nitrogen and soil urease activity increased 5.38%~17.96%,12.58%~17.31%, 4.72%~8.94% and 4.55%~20.51%,respectively. The wheat grains production increased 10.85% to 13.06%. Under N₂ treatment, compared with W-V and W-R, the W-VR model in the 0~30 cm soil layer increased the soil nitrate nitrogen content 7.30% and 18.85%, the soil ammonium nitrogen content 10.89% and 28.78%,and the soil total nitrogen content 2.89% and 11.36%, soil urease activity increased 7.76% and 22.39%,respectively.W-VR increased 10.80% of grain yield compared with W-R(P<0.05). Conclusion In the Qinghai-Tibet Plateau, multiple cropping mixed green manure of the common vetch and rape after wheat, and the distribution of the nitrogen application rate of wheat and green manure at 80% and 20% of the total nitrogen application rate can significantly increase soil nitrogen content and increase wheat grain yield,which is an ideal multiple cropping green manure model after wheat in this area.

Graphical abstract

关键词

混播绿肥 / 硝态氮 / 铵态氮 / 土壤全氮 / 土壤脲酶活性

Key words

mixed sowing green manure / nitrate nitrogen / ammonium nitrogen / soil total nitrogen / soil urease activity

单一的小麦（Triticum aestivum L）连作模式，造成土壤养分偏耗，土地退化，致使小麦产量降低，品质变劣^［1-2］。绿肥具有培肥土壤，改善土壤微生物结构，增强生产系统稳定性的作用，不仅是克服连作障碍的理想作物，而且还能促进作物提质增效^［3-4］，因此麦后复种绿肥对小麦生产具有重要意义。研究表明豆科与非豆科绿肥混合还田可以利用其在腐解速率和养分释放速率上形成的时间差，最大限度地发挥绿肥肥效，满足后茬作物对养分的需求，提高后茬作物产量，改善土壤肥力^［5］。同时在绿肥种植时适量施氮可提高产量，增加土壤氮素和有机质含量^［6］。因此，通过优化绿肥种植模式和施氮制度挖掘绿肥改良土壤效果，是实现提质增效的重要研究方向。

绿肥种类繁多，主要有豆科绿肥、禾本科绿肥以及十字花科绿肥等^［7-8］。豆科绿肥具有发达且穿透力较强的根系，可以疏松土壤，培肥地力；同时，其根瘤菌有固定空气中氮素的作用，把不能直接被植物吸收利用的氮气转化为可利用的有机态氮，通过矿化作用提高土壤中氮素含量，是强大的生物肥源^［9-10］。十字花科绿肥以油菜（Brassica napus L）为主，油菜作绿肥还田可活化土壤中的难溶性磷，其碳氮比利于后茬作物养分吸收及其干物质积累^［11］；此外，油菜体内硫甙等物质可有效杀死有害菌、虫卵、杂草等，利于克服连作障碍，提高后茬作物抗性、产量和品质等^［12］。豆科绿肥与油菜各有优势，将其混播可充分利用不同绿肥腐解速率上的时间差和生长上的空间差，做到优势互补，既可最大限度地发挥绿肥生产整体效益，又能使土壤中氮磷互补，为后茬作物高产奠定基础^［5］。也有研究表明复种绿肥时给绿肥施少量肥料会提高绿肥的生物量，为后茬作物增加有机肥源，提高后茬作物的产量^［13］。然而，前人对于绿肥的研究多集中于绿肥翻压量替代后茬作物的施肥量方面，而对不同绿肥种植模式与施氮制度的耦合作用研究相对较少，因此，麦后复种绿肥模式与施氮制度对小麦农田土壤氮素及小麦产量的互作效应有待进一步研究。

青海省西宁市处于高寒冷凉地区，光热资源丰富，是典型的两熟不足，一熟有余地区^［14］，当地麦后复种绿肥是小麦生产中较为普遍的生产方式，但是当地绿肥种植模式单一，多采用小麦复种箭筈豌豆（Vicia sativa L）模式，且传统施氮制度是小麦施氮，而绿肥不施氮，利用不同绿肥提高土壤氮素含量和小麦产量的潜力有待进一步发掘。因此，2018年开始，在青海省农林科学院试验站进行了田间定位试验，通过测定在不同施氮制度下复种不同绿肥对小麦农田土壤氮素以及小麦产量等指标，探讨绿肥种植模式和施氮制度对小麦农田土壤氮素和小麦产量的互作效应，旨在为通过优化绿肥种植模式和施氮制度，提高绿肥培肥效果和后茬作物产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试区概况

试验地点在青海省西宁市青海省农林科学院（N 36°62′，E 101°77′，海拔2 300 m），大陆性半干旱气候，年平均日照为2 044.1 h，年辐射总量≥5 860 MJ/m²，作物生长期为220.2 d，年平均气温5.9 ℃，年平均降水量367.5 mm，多集中于夏季，占全年降水量的70%左右，年平均蒸发量1 729.8 mm。土壤类型为栗钙土。土壤有机碳、全氮和速效氮分别为9.67 g/kg、1.11 g/kg、和98 mg/kg，土壤pH为8.31。

1.2 供试材料

小麦为青春38号，油菜为浩油11号，箭筈豌豆为西牧333。

1.3 试验设计

试验采用裂区设计。主区为设3种种植模式：春小麦-箭筈豌豆（W-V），春小麦-油菜（W-R），春小麦-箭舌豌豆×油菜（W-VR，箭筈豌豆与油菜混播，播量比8∶1）。副区2种施氮制度，总施氮量（180 kg/hm²）不变，小麦和绿肥的施氮量按100%和0%（N₁）、80%和20%（N₂）分配；本试验是开始于2018年的田间定位试验，于每年3月中旬播种小麦，播种前将肥料作为底肥均匀撒施，旋耕。在7月下旬小麦收获后复种绿肥，10月下旬对绿肥进行切碎翻压。其他农艺措施同当地大田生产，试验共设6个处理，每处理3个重复，共18个小区。试验处理及代码如表1所列。

1.4 测定指标与方法

在2020年和2021年小麦成熟期利用土钻采集0~10，10~30 cm土层土壤样品。在小区内随机选择3个样点，混合均匀，自然风干后用100目的筛子过筛装袋，用于测定土壤硝态氮、铵态氮、全氮、碳氮比和土壤脲酶活性等指标。

土壤硝、铵态氮：采用Smart Chem 450全自动间断化学分析仪测定，测定时称取5 g样品，用2 mol/L KCl溶液浸提。

土壤全氮含量以及碳氮比：采用Elemantar元素分析仪进行测定，测定时称取120 mg样品。

土壤脲酶活性的测定^［15］：采用比色法进行测定。以尿素为基质，根据酶促产物氨与苯酚⁃次氯酸钠作用生成蓝色的靛酚，来分析脲酶活性。578 nm比色测定酶促反应后蓝色靛酚的量，来表征脲酶的活性，酶活性单位以mg/g/d计。

小麦产量：在小麦成熟期，在每小区取长2 m，宽取6行小麦测产，收获穗全部脱粒后自然风干，用水分仪测定水分后，按13%含水量折合成公顷产量，籽粒产量与生物产量只涉及小麦，不涉及绿肥。

1.5 数据统计

采用 Microsoft Excel 2010整理、汇总数据，用SPSS 22.0软件进行方差分析，Duncan法进行多重比较（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 麦后复种绿肥及施氮制度对小麦农田土壤硝态氮、铵态氮的影响

绿肥种植模式和施氮制度对小麦农田土壤0~10 cm和10~30 cm土层硝态氮、铵态氮含量的影响存极显著差异（P<0.01），且两者的互作效应差异显著（P<0.05）（表2）。在0~10 cm土层和10~30 cm土层，施氮制度N₂处理与N₁处理间差异显著，N₂处理较N₁处理土壤硝态氮含量分别提高了5.38%~11.47%和7.40%~17.96%，土壤铵态氮含量分别提高了13.37%~16.90%和12.58%~17.31%。在施氮制度N₂处理下，0~10 cm土层和10~30 cm土层W-VR处理较W-V和W-R处理可显著提高土壤硝态氮、铵态氮含量， 硝态氮含量W-VR较W-V和W-R分别提高7.28%、7.31%和20.48%、17.21%，铵态氮含量分别提高11.02%、10.84%和29.74%、27.82%；且土壤硝态氮、铵态氮含量在W-V与W-R间存显著差异，硝态氮含量在0~10 cm土层和10~30 cm土层W-V处理较W-R分别提高了12.30%和9.23%，铵态氮含量分别提高了16.79%和15.27%。因此，在施氮制度N₂处理下麦后混播箭筈豌豆和油菜绿肥可显著提高小麦农田土壤0~30 cm土层硝、铵态氮含量。

2.2 麦后复种绿肥及施氮制度对小麦农田土壤全氮以及碳氮比的影响

小麦农田土壤全氮以及其碳氮比受绿肥种植模式和施氮制度以及它们的互作效应的影响如表3所示，绿肥种植模式和施氮制度对土壤0~10 cm和10~30 cm土层全氮含量有极显著影响（P<0.01），且两者的互作效应差异显著（P<0.05）。在0~10 cm土层和10~30 cm土层，施氮制度N₂处理与N₁处理间差异显著，N₂处理的土壤全氮含量较N₁处理分别提高了4.72%~7.52%和5.13%~8.94%。在施氮制度N₂处理下，在0~10 cm和10~30 cm土层，复种模式W-VR对土壤全氮含量的影响与W-V和W-R间差异显著，W-VR处理的全氮含量较W-V和W-R分别提高2.80%、2.99%和10.53%、12.20%；且W-V与W-R间差异显著，各土层土壤全氮含量W-V较W-R分别提高了7.52%和8.94%。因此，在施氮制度N2处理下麦后混播箭筈豌豆和油菜绿肥可显著提高小麦农田土壤0~30 cm土层全氮含量。

绿肥种植模式对小麦农田土壤0~10 cm和10~30 cm土层碳氮比的影响极显著（P<0.01），而施氮制度以及两者的互作效应对其无显著影响。在0~10 cm土层和10~30 cm土层，绿肥种植模式W-R的C/N最高，较W-V和W-VR分别提高了13.14%、18.01%和20.61%、26.90%。

2.3 麦后复种绿肥及施氮制度对小麦农田土壤脲酶活性的影响

绿肥种植模式和施氮制度对小麦农田土壤0~10 cm和10~30 cm土层脲酶活性有极显著影响（P<0.01）（图1），且两者的互作效应显著（P<0.05）。在0~10 cm土层和10~30 cm土层，施氮制度N₂处理与N₁处理间差异显著，N₂处理的土壤脲酶活性较N₁处理分别提高了4.55%~13.59%和8.30%~20.51%。在施氮制度N₂处理下，0~10 cm和10~30 cm土层土壤脲酶活性在W-VR与W-V和W-R间差异显著，W-VR处理脲酶活性较W-V和W-R分别提高4.45%、11.06%和14.23%、30.55%；且W-V与W-R间差异显著，在各土层W-V较W-R分别提高了土壤脲酶活性9.38%和17.55%。因此，在施氮制度N₂处理下麦后混播箭筈豌豆和油菜绿肥可显著提高小麦农田土壤0~30 cm土层脲酶活性。

2.4 麦后复种绿肥及施氮制度对小麦产量的影响

绿肥种植模式和施氮制度对籽粒产量、生物产量以及收获指数都存在显著影响（P<0.05），而两者的互作效应不显著（表4）。籽粒产量、生物产量和收获指数在N₂处理与N₁处理间差异显著，N₂处理较N₁处理籽粒产量提高10.85%~13.06%，生物产量提高4.43%~8.09%，收获指数提高2.53%~8.07%。在施氮制度N₂处理下，W-VR和W-V处理的籽粒产量和收获指数显著高于W-R，而W-VR与W-V间差异不显著；W-VR和W-V处理的籽粒产量较W-R分别提高10.80%和6.42%，收获指数分别提高3.29%和3.21%。因此，在施氮制度N₂处理下复种混播绿肥有显著的增产效果。

3 讨论

3.1 麦后复种绿肥模式及施氮制度对小麦季氮素特征的影响

土壤供氮量的高低制约着氮肥的增效和产量的增加幅度^［16］，旱地土壤获取的氮，大部分是以硝态氮进入作物，但亦能吸收铵态氮，而支配作物氮吸收过程的土壤因素主要是全氮含量、碳氮比值以及有机质含量的多少^［17］，并且土壤脲酶活性能够提高尿素氮肥的利用率，其酶促产物铵离子是植物重要的氮素来源^［18］。绿肥能够提高土壤供氮量，改善土壤理化性质主要是因为将绿肥翻压，通过腐化分解以提升土壤养分、微生物数量和土壤有机质含量^［19-20］，绿肥作物的生物量和养分特性是其用作绿肥的重要指标，绿肥的还田量决定着土壤养分含量、有机质含量和土壤的培肥效果^［21］。本研究发现，在总施氮量不变的情况下，绿肥分施20%的氮肥较绿肥不施氮种植显著提高了小麦农田0~30 cm土层的土壤氮素含量和土壤脲酶活性，其原因是给绿肥施氮增加了绿肥翻压量。研究发现，施氮肥可使豆科绿肥紫云英鲜草生物量增加51.1%^［22］；通过增加绿肥翻压量可提高土壤氮素含量，刘阳等^［23］研究表明在一定范围内，蚕豆绿肥在相同的利用方式下土壤的全氮、矿化氮、硝态氮含量均会随着蚕豆翻压量的增加而增加。同时本研究还发现箭筈豌豆和油菜混播还田有助于提升小麦农田0~30 cm土层的土壤氮素含量和土壤脲酶活性。这是因为箭筈豌豆与油菜混播既可以保证绿肥的生物量，又可以利用其在腐解速率和养分释放速率上形成的时间差，最大限度地发挥绿肥肥效，满足后茬作物对养分的需求，提高后茬作物产量，改善土壤肥力^［5，24］。Antoine等^［25］研究表明十字花科和豆科绿肥单种、混播均可显著降低了土壤硝态氮的流失，并以混播处理降低效果最好，其中混播鲜样含氮量显著高于单一种植十字花科绿肥。因此利用箭筈豌豆和油菜混播，可以更大程度的挖掘绿肥的增肥潜力，提升青海地区土壤肥力，改善土壤环境，为后茬作物高产优质奠定基础。

3.2 麦后复种绿肥模式及施氮制度对小麦季土壤碳氮比的影响

诸多研究表明，种植绿肥并将其翻压还田能够通过改变土壤生态环境和提供碳氮养分而影响土壤微生物的活性，增加土壤微生物多样性，改变其群落组成和功能，从而影响微生物对碳源的利用情况^［26-27］。适当的碳氮比，有助于微生物发酵分解，但碳氮比过高，由于微生物生命活动对氮的争夺，会使植物本身缺氮，影响其发育^［28］。本研究表明，相较于复种箭筈豌豆和混播绿肥，复种油菜具有较高的土壤碳氮比。这是因为虽然油菜绿肥具有较大的生物量，但豆科绿肥本身的固氮作用更为显著^［29］；王丹英等^［30］经过田间定位试验表明，油菜作绿肥对土壤中有机质、全氮、碱解氮和全磷含量均有明显提高，其中有机质和全磷的提高程度明显高于豆科绿肥紫云英。也有研究表明，豆科绿肥对于土壤碳源的增加高于其他绿肥，但豆科绿肥对土壤氮素的增加也显著高于其他绿肥^［31-32］，而且土壤中碳氮的形成和转化是具有一致性的，且是显著的线性相关关系^［33］，所以豆科绿肥与混播绿肥的碳氮比反而低于复种油菜绿肥的碳氮比。因此，绿肥作物对土壤中碳氮关系的协调具有重要作用，而平衡土壤碳氮关系对提高土壤质量具有重要意义，且研究绿肥协调土壤中的碳氮关系对环境友好型农业和农业可持续发展具有重要意义。

3.3 麦后复种绿肥模式和施氮制度对小麦产量的影响

种植翻压绿肥能有效改善土壤理化性状，提高土壤肥力水平，并最终提高作物产量^［34］。本研究发现绿肥种植模式和施氮制度对小麦籽粒产量有显著影响，氮肥分施（N₂）和箭筈豌豆与油菜混播对小麦产量的互作效应最大。研究表明，不同绿肥种类对小麦产量的影响不同，豆科绿肥具有固氮能力^［35］，而油菜能够活化土壤中的难溶性磷^［36］，所以将豆科绿肥与油菜混播既给后茬小麦提供较高的氮素，还提供了较高的磷，所以豆科绿肥与油菜混播增产效果最明显。同时，绿肥种植时施氮可显著提高其生物量^［22］，翻压量增加可提高土壤的氮素含量和有机质含量^［37］。张久东等^［38］研究结果表明，与常规施肥相比，在增加毛叶苕子翻压量且减少30%施氮量时，小麦的产量提高10.7%~22.9%。也有研究发现随着翻压绿肥量的增加，烟叶的产量呈抛物线的变化趋势，当翻压量达到22 500 kg/hm²时达到最大，随后降低^［39］。而宋莉等^［40］研究表明混合豆科绿肥紫云英有助于油菜秸秆的腐解，这可为本研究中箭筈豌豆与油菜混播可有效提高土壤氮素和小麦产量提高理论支撑。因此利用箭筈豌豆和油菜混播，可以提升青海地区土壤肥力，为作物生长提供N、P等生长必需元素，可以更大程度的挖掘绿肥的增产提质潜力，为青海地区小麦生产提供理论依据。

4 结论

与传统施氮制度下小麦复种箭筈豌豆相比，小麦收获后混播箭筈豌豆和油菜，施氮制度采用小麦和绿肥的施氮量按总施氮量的80%和20%配施，可显著提高小麦农田0~30 cm土层土壤氮素含量、脲酶活性和小麦产量。综合来看，在光热资源一熟有余两熟不足的青藏高原地区，麦后混播箭筈豌豆和油菜绿肥结合绿肥施氮20%是一种改良土壤和提高作物产量的有效方式。

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[33] 下转第 74 页）

基金资助

甘肃省高校创新基金项目(2020B-127)

国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-22-G-12)