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绿洲灌区复种豆科绿肥小麦稳产的减氮潜力

苟志文 殷文 徐龙龙 何小七 王琦明 柴强

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绿洲灌区复种豆科绿肥小麦稳产的减氮潜力

    作者简介: 苟志文 E-mail:gouzhiw@163.com;; †殷文为共同第一作者 E-mail:yinwen@gsau.edu.cn;
    通讯作者: 柴强, E-mail:chaiq@gsau.edu.cn
  • 基金项目: 国家绿肥产业技术体系建设专项资金 (CARS-22-G-12);甘肃省科技计划项目 (20JR5RA037,20JR5RA025);甘肃省科学技术协会青年人才托举工程项目 (2020-12);甘肃省高等学校科研项目 (2020B-126)

Potential of nitrogen reduction for maintaining wheat grain yield under multiple cropping with leguminous green manure in irrigated oasis

    Corresponding author: CHAI Qiang, E-mail:chaiq@gsau.edu.cn
  • 摘要:   【目的】  通过大田试验,探讨麦后复种豆科绿肥在维持次年小麦稳产前提下的氮减量潜力及产量形成机制,为建立基于绿肥替代氮肥的小麦氮减量生产模式提供理论和实践依据。  【方法】  2018—2019年,于甘肃武威进行了小麦复种豆科绿肥与田间裂区试验。主区为麦后复种豆科绿肥毛叶苕子 (Viciavillosa Roth) (W-G) 和单作小麦 (W) 两种种植模式;副区设传统施氮量 (180 kg/hm2,N4),传统施氮减量15% (153 kg/hm2,N3)、减量30% (126 kg/hm2,N2)、减量45% (99 kg/hm2,N1) 以及不施氮肥 (N0) 5个水平。测定了小麦全生育期干物质积累量以及小麦籽粒产量及构成因素。基于小麦籽粒产量,采用逐次分析插值法量化麦后复种绿肥模式下的氮减量潜力。  【结果】  麦后复种绿肥 (W-G) 处理较单作小麦 (W) 平均增产10.8%。W-G-N3处理的籽粒产量与W-G-N4处理无显著差异,比W-N3和W-N4处理分别增产6.9%和8.0%,收获指数分别显著提高了28.3%和18.9%。W-G-N3处理的氮肥替代潜力较W-G-N2和W-G-N1处理分别提高了27.5%和39.0%。W-G-N3处理的生物量较W-N4处理提高了18.2%。W-G-N3处理的小麦最大生长速率较W-G-N4处理提高了13.2%,较W-N3和W-N4处理分别提高了23.0%和19.7%。W-G-N3处理能提高小麦的穗数、穗粒数以及千粒重。通过灰色关联分析进一步表明,与小麦产量关联度由高到低依次为千粒重、最大生长速率、穗粒数和穗数。W-G-N3处理使得小麦的营养生长高效进行,促进了光合同化物向籽粒的转运,提高了小麦的粒重,进而促进增产,氮肥替代潜力也随之提高。  【结论】  连续2年的试验结果证明,甘肃绿洲灌区麦后复种豆科绿肥可有效提高小麦的最大生长速率,增加千粒重。复种绿肥后,减少15%的施氮量可获得最高的小麦生长速率和千粒重,因而可以维持甚至提高小麦产量和收获指数。与绿肥复种条件相比,单作小麦下减少常规氮量的30%或者45%则显著降低小麦产量。因此,甘肃绿洲灌区麦后复种豆科绿肥的减氮潜力是常规施氮量的15%。
  • 图 1  2018、2019年作物全生育期内降水量及气温

    Figure 1.  Temperature and precipitations during crops growing period in 2018–2019

    图 2  不同种植模式及施氮水平下小麦全生育期干物质积累动态

    Figure 2.  Dynamic of dry matter accumulation of wheat in different cropping patterns and N fertilizer levels

    图 3  不同种植模式及施氮水平下小麦群体生长率动态

    Figure 3.  Dynamic of growth rate of wheat under different cropping patterns and N fertilizer levels

    表 1  不同种植模式及施氮水平下小麦产量、产量构成、收获指数及氮肥减施潜力

    Table 1.  Wheat grain yield,yield component,harvest index and potential of nitrogen reduction under different cropping patterns and N fertilizer levels

    种植模式
    Cropping pattern
    施氮水平
    N level
    产量构成 Yield component籽粒产量
    Grain yield
    (kg/hm2)
    收获指数
    Harvest index
    氮肥替代潜力
    Reducing potential
    (%)
    穗数 ( × 104/hm2)
    No. of ears
    穗粒数
    Grains per ear
    千粒重
    1000-grain weight
    W-GN0817.4 b 27.9 ef 48.2 fg 7363.0 cd0.36 b19.9 a
    N1827.8 b 30.8 de 49.9 de7455.0 c0.35 b10.0 c
    N2884.8 a 32.1 cd51.4 c8132.3 b0.35 b10.9 c
    N3895.8 a40.5 a56.3 a9186.5 a0.42 a13.9 b
    N4903.4 a 35.8 bc54.7 b 8810.2 ab0.41 a
    W N0766.2 c25.1 f47.0 g5922.5 e0.28 d
    N1774.9 c 31.1 de49.4 ef6722.1 d 0.29 cd
    N2871.4 a 34.1 cd48.0 g 7223.7 cd 0.32 bc
    N3882.6 a 38.8 ab 51.2 cd 8591.7 ab 0.33 bc
    N4892.6 a 35.0 bcd54.3 b 8511.6 ab0.36 b
    显著性 Significance
    种植模式 Cropping pattern (C)0.0000.4860.0000.0000.000
    施氮水平 N application rate (N)0.0000.0000.0000.0000.000
    C × N0.0780.4290.0000.1500.156
    注(Note):W-G—小麦复种毛叶苕子 Planting hairy vetch after wheat harvest; W—小麦收获后夏休闲 Fallow after wheat harvest; N0—不施氮 No N application; N1、N2、N3、N4 处理依次为减少常规施氮量 (N 180 kg/hm2) 的 45%、30%、15%、0% The N reduction rate in treatment N1, N2, N3 and N4 were 45%, 30%, 15% and 0% of the conventional N rate 180 kg/hm2; 数据后不同小写字母表示处理之间差异显著 Values followed by different small letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).
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    表 2  小麦最大生长速率以及产量构成因素与籽粒产量的关联矩阵及排序

    Table 2.  The incidence matrix and ranking among grain yield and growth rate and yield components of wheat

    项目
    Item
    籽粒产量
    Grain yield
    排序
    Ranking
    最大生长速率 (CGRMAX)
    Maximum growth rate
    0.70282
    穗数 Spike number (SN)0.69214
    穗粒数 Kernel number per spike (KNS)0.69683
    千粒重 Thousand kernel weight (TKW)0.70881
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    [17] 李玉影金继运刘双全黄绍文 . 钾对春小麦生理特性、产量及品质的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2005.0404
    [18] 孙传范戴廷波曹卫星 . 不同施氮水平下增铵营养对小麦生长和氮素利用的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2003.0106
    [19] 张岁岐山仑薛青武 . 氮磷营养对小麦水分关系的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2000.0204
    [20] 李志宏张福锁王兴仁 . 我国北方地区几种主要作物氮营养诊断及追肥推荐研究 Ⅲ.春小麦氮营养诊断及追肥推荐体系的研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.1997.0410
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-10

绿洲灌区复种豆科绿肥小麦稳产的减氮潜力

    作者简介:苟志文 E-mail:gouzhiw@163.com
    作者简介:; †殷文为共同第一作者 E-mail:yinwen@gsau.edu.cn
    通讯作者: 柴强, chaiq@gsau.edu.cn
  • 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
  • 基金项目: 国家绿肥产业技术体系建设专项资金 (CARS-22-G-12);甘肃省科技计划项目 (20JR5RA037,20JR5RA025);甘肃省科学技术协会青年人才托举工程项目 (2020-12);甘肃省高等学校科研项目 (2020B-126)
  • 摘要:   【目的】  通过大田试验,探讨麦后复种豆科绿肥在维持次年小麦稳产前提下的氮减量潜力及产量形成机制,为建立基于绿肥替代氮肥的小麦氮减量生产模式提供理论和实践依据。  【方法】  2018—2019年,于甘肃武威进行了小麦复种豆科绿肥与田间裂区试验。主区为麦后复种豆科绿肥毛叶苕子 (Viciavillosa Roth) (W-G) 和单作小麦 (W) 两种种植模式;副区设传统施氮量 (180 kg/hm2,N4),传统施氮减量15% (153 kg/hm2,N3)、减量30% (126 kg/hm2,N2)、减量45% (99 kg/hm2,N1) 以及不施氮肥 (N0) 5个水平。测定了小麦全生育期干物质积累量以及小麦籽粒产量及构成因素。基于小麦籽粒产量,采用逐次分析插值法量化麦后复种绿肥模式下的氮减量潜力。  【结果】  麦后复种绿肥 (W-G) 处理较单作小麦 (W) 平均增产10.8%。W-G-N3处理的籽粒产量与W-G-N4处理无显著差异,比W-N3和W-N4处理分别增产6.9%和8.0%,收获指数分别显著提高了28.3%和18.9%。W-G-N3处理的氮肥替代潜力较W-G-N2和W-G-N1处理分别提高了27.5%和39.0%。W-G-N3处理的生物量较W-N4处理提高了18.2%。W-G-N3处理的小麦最大生长速率较W-G-N4处理提高了13.2%,较W-N3和W-N4处理分别提高了23.0%和19.7%。W-G-N3处理能提高小麦的穗数、穗粒数以及千粒重。通过灰色关联分析进一步表明,与小麦产量关联度由高到低依次为千粒重、最大生长速率、穗粒数和穗数。W-G-N3处理使得小麦的营养生长高效进行,促进了光合同化物向籽粒的转运,提高了小麦的粒重,进而促进增产,氮肥替代潜力也随之提高。  【结论】  连续2年的试验结果证明,甘肃绿洲灌区麦后复种豆科绿肥可有效提高小麦的最大生长速率,增加千粒重。复种绿肥后,减少15%的施氮量可获得最高的小麦生长速率和千粒重,因而可以维持甚至提高小麦产量和收获指数。与绿肥复种条件相比,单作小麦下减少常规氮量的30%或者45%则显著降低小麦产量。因此,甘肃绿洲灌区麦后复种豆科绿肥的减氮潜力是常规施氮量的15%。

    English Abstract

    • 施用化学氮肥是作物增产的重要保证,但是近年来农业生产中为单纯追求作物高产,氮肥的投入量盲目增大[1],同时氮肥管理措施的不当也使得肥料的利用效率降低,不利于作物增产[2-3]。另一方面,长期单一施用化学肥料增大了土壤中的氮素盈余,土壤残留氮素会通过一系列化学反应进入水体和大气,在造成资源浪费的同时也严重降低土壤质量和增加生态环境压力[4]。因此,在保证粮食产量的前提下,如何减少化学肥料的投入,对于促进农业生产与生态环境的协调优化至关重要[5-6]

      春小麦作为我国主要的粮食作物之一,其产量的提高与施氮密切相关[7],众多研究已经证实,随施氮量的增加小麦产量随之提高,适宜的施氮量能有效促进地上部的氮素积累,进而提高小麦的籽粒产量,但在施氮量过高时,则会降低其对氮素的吸收利用,最终影响小麦的产量[8-9]。因此,春小麦生产中的氮肥减量施用对节约资源以及增产具有重要意义[10]。豆科绿肥是农业生产中非常重要的有机肥源,绿肥在翻压后可通过微生物的作用释放养分供作物吸收利用[11];研究表明,复种翻压绿肥使得土壤中腐殖质含量增加,显著提高土壤微生物数量、酶活性以及有机质含量[12],此外,豆科绿肥的固氮作用可显著提高土壤中的氮含量[13]。因此,在传统单作种植模式的基础上,夏季休闲期复种豆科绿肥,能有效保障下茬作物的养分补给,增辟肥源,在保持农田原有生产力的前提下,减少化学肥料的施用量[11]

      以往在化学氮肥配施绿肥的研究中,主要关注了作物生产力、品质以及农田土壤质量等方面的表现[11, 14],较少研究在作物生产中配施豆科绿肥能否替代部分化肥以及绿肥替代化肥的潜力,此外,生产实践中基于主栽作物籽粒产量替代的农学机制尚未明确[15],使得小麦生产中缺乏豆科绿肥替代化学肥料的理论依据。绿洲灌区种植春小麦在其收获之后土地闲置,夏季休闲期较长,严重浪费光、热、水以及土地等自然资源,因此,夏季休闲期复种绿肥作物,在充分利用自然资源的同时,能够培肥土壤,为次年小麦种植提供一定的养分[14]。本研究在绿洲灌区传统单作春小麦的基础上,设置了麦后复种豆科绿肥和夏季休闲两种种植模式,以毛叶苕子作为绿肥作物,研究了不同施氮水平下的小麦干物质积累特征以及产量表现。利用小麦籽粒产量量化麦后复种绿肥的氮肥替代潜力,通过分析小麦干物质积累特征以及产量构成等因素进一步明确绿肥替代氮肥的农学机制,为构建基于麦后复种绿肥的氮减量小麦生产技术体系提供理论和实践依据。

      • 试验于2018年3月至2019年11月在甘肃省武威市甘肃农业大学绿洲农业试验站进行,该站位于甘肃河西走廊东端,属温带干旱区大陆性气候,太阳辐射总量6000 MJ/m2,日照时数2945 h,年平均气温7.2℃,常年平均降雨量156 mm。作物生产中热量两季不足,一季有余,因此该区适宜采用生育期内复种的种植模式。春小麦是当地主要种植作物之一,小麦多采用单作生产模式,收获后大量土地闲置,水氮等资源浪费较为严重,且生产中施氮量普遍偏高且氮肥管理制度粗放、利用率低,浪费严重。试验地土壤质地为沙壤土,类型为厚层灌漠土。土壤pH 8.2、有机质12.5 g/kg、全氮0.68 g/kg、全磷 (P2O5) 1.41g/kg,容重 1.57 g/cm3。2018和2019年度3到11月份试验站气温及降水情况如图1

        图  1  2018、2019年作物全生育期内降水量及气温

        Figure 1.  Temperature and precipitations during crops growing period in 2018–2019

      • 试验采用裂区设计,主区为两种不同的种植模式,即麦后复种绿肥处理 (W-G) 与单作小麦处理 (W)。副区为5个施氮水平:农户传统春小麦施氮水平180 kg/hm2 (N4);在农户传统春小麦施氮水平的基础上,设置不施氮肥 (N0)、氮肥减量45% (N1)、30% (N2)、15% (N3)。共计10个处理,3次重复,即30个小区,小区面积为64 m2 (8 m × 8 m)。小麦品种为宁春4号 (Triticum aestivum L.),绿肥作物采用毛叶苕子 (Viciavillosa Roth),品种为土库曼苕子。

        小麦播种日期为2018年3月12日、2019年3月17日,收获日期为2018年7月13日、2019年7月18日;绿肥播种日期为2018年7月29日、2019年8月1日,翻压日期为2018年10月22日、2019年10月19日。其中,2018年为预备试验。绿肥采用秸秆还田机粉碎之后再用小型旋耕机对其进行旋耕还田,绿肥植株全量还田。小麦播种密度为675万粒/hm2,条播,行距15 cm;毛叶苕子播种量为25 kg/hm2,条播,行距15 cm。小麦生育期施P2O5 113 kg/hm2,与氮肥全作基肥,麦后复种绿肥不再施用化肥。采用统一灌水水平,春小麦生育期内灌水总量为2400 m3/hm2,复种毛叶苕子灌水总量为1600 m3/hm2,灌溉方式均为滴灌。

      • 为了减少每个时期取样对收获期测产的影响,故将每个试验小区分成两部分,一部分用于小麦每个生育时期的干物质测定以及考种取样,另一部分用于小麦收获期的测产取样。

      • 小麦出苗20天后,每15~20天测定小麦的地上干物质重。随机取20株小麦在105℃烘箱内杀青30 min,再在85℃下烘干至恒重,测其干重。

      • 小麦某个时期的干物质积累量与上一时期的干物质积累量的差值除以间隔天数:

        ${\rm{CGR}} = ({{\rm{D}}_2} - {{\rm{D}}_1})/({{\rm{T}}_2} - {{\rm{T}}_1})$

        式中:CGR表示小麦的群体生长速率[kg/(hm2·d)];D1和D2分别为T1和T2时期小麦的干物质积累量。

      • 小麦成熟期每小区随机取30株考种,测定穗粒数、千粒重;取4 m × 1.5 m的样方面积统计穗数,计算成穗数;并脱粒称重,按14%籽粒含水量折合计算单位面积籽粒产量。

      • 量化基于小麦实测籽粒产量,采用逐次线性插值法计算两种种植模式下各施氮水平的小麦理论籽粒产量,再采用上述得出的值,以单作小麦模式下传统施氮量的理论籽粒产量为对照,计算复种绿肥模式下的理论氮肥替代潜力,计算公式如下:

        ${\rm{PRN}} = ({\rm{W}} - {{\rm{G}}_{\rm{i}}} - {\rm{W}}{{\rm{N}}_{\rm{i}}})/{\rm{W}}{{\rm{N}}_4}\;\left( {{\rm{i}} = 0,{\rm{ }}1,{\rm{ }}2,{\rm{ }}3,{\rm{ }}4} \right)$

        式中:PRN为复种绿肥可替代的氮肥潜力;W-Gi为麦后复种绿肥模式下某一施氮水平的小麦理论籽粒产量;WN4为单作小麦下传统施氮量小麦理论籽粒产量。

      • 通过灰色关联分析法来确定作物生长以及产量构成因素对小麦籽粒产量的贡献程度,灰色关联度的确定主要有以下三个步骤[16]

        1) 无量纲化处理参考数列和比较数列

        ${{\rm{X}}_{{\rm{ij}}}} = \frac{{{{\rm{x}}_{{\rm{ij}}}}}}{{{{\rm{X}}_{{\rm{avg}}}}}}\left( {\begin{aligned} & {{\rm{1,2,3,4,5}}}\\ & {{\rm{1,2,3, \ldots ,10}}} \end{aligned}} \right)$

        式中:xij为籽粒产量、小麦最大生长速率、穗数、穗粒数以及千粒重组成的矩阵中的每个数除以各自对应的平均值得到的新矩阵;xavg为参考数列以及每个比较数列的平均值。

        2) 求参考数列与比较数列的灰色关联系数

        ${{\rm{\xi }}_{\left( {{\rm{Xi}}} \right)}} = \frac{{{\rm{Min + 0}}{\rm{.5Max}}}}{{{\rm{ABS(Xr}} - {\rm{Xc) + 0}}{\rm{.5Max}}}}$

        式中:ξ(Xi)为每一个比较数列的灰色关联度系数;ABS (Xr−Xc) 为无量纲化后的参考数列与每一个比较数列之差的绝对值;Max和Min分别为所有绝对值中的最大值和最小值。

        3) 求每个比较数列对应的关联度:

        ${{\rm{\xi }}_{\rm{i}}} = {{\rm{\bar \xi }}_{({\rm{Xi}})}}\left( {{\rm{i = 1,2,3,4}}} \right)$

        式中:ξi为每个比较数列与参考数列间的关联度,某一比较数列的关联度越大说明该比较数列对参考数列的贡献程度越高,本研究中参考数列为小麦籽粒产量,比较数列有小麦最大生长速率、穗数、穗粒数以及千粒重。

      • 数据采用EXCEL 2016进行整理汇总及图表绘制和籽粒产量与各因素间的灰色关联分析,用SPSS 20.0软件进行显著性检验 (Duncan法,P = 0.05)。本研究中2018年为预试验处理,前期只涉及到小麦的不同施氮水平处理,不包含种植模式的差异,因此,数据分析只在2019年度进行。

      • 种植模式及施氮水平对小麦籽粒产量均有显著影响,二者对小麦籽粒产量无显著的交互作用 (表1)。麦后复种绿肥 (W-G) 平均较单作小麦模式 (W) 增产10.8%,减量15%施氮 (N3) 处理较不施氮肥、减量45% (N1) 和减量30% (N2) 处理分别增产33.8%、25.3%和15.2%,相比传统施氮水平 (N4) 处理籽粒产量无显著差异。W-G-N3较W-N3及W-N4分别显著增产6.9%和8.0% (P < 0.05)。麦后复种绿肥处理较单作小麦模式处理的小麦收获指数提高了17.6%,N3处理较N1和N2处理的收获指数分别提高了18.2%和12.3% (P < 0.05),与N4处理之间无显著差异。W-G-N3较W-N3和W-N4收获指数显著提高,分别提高了28.3%和18.9% (P < 0.05)。W-G-N3处理较W-G-N2和W-G-N1处理氮肥替代潜力显著提高27.5%和39.0%,而W-G-N2和W-G-N1处理的氮肥替代潜力无显著差异。

        表 1  不同种植模式及施氮水平下小麦产量、产量构成、收获指数及氮肥减施潜力

        Table 1.  Wheat grain yield,yield component,harvest index and potential of nitrogen reduction under different cropping patterns and N fertilizer levels

        种植模式
        Cropping pattern
        施氮水平
        N level
        产量构成 Yield component籽粒产量
        Grain yield
        (kg/hm2)
        收获指数
        Harvest index
        氮肥替代潜力
        Reducing potential
        (%)
        穗数 ( × 104/hm2)
        No. of ears
        穗粒数
        Grains per ear
        千粒重
        1000-grain weight
        W-GN0817.4 b 27.9 ef 48.2 fg 7363.0 cd0.36 b19.9 a
        N1827.8 b 30.8 de 49.9 de7455.0 c0.35 b10.0 c
        N2884.8 a 32.1 cd51.4 c8132.3 b0.35 b10.9 c
        N3895.8 a40.5 a56.3 a9186.5 a0.42 a13.9 b
        N4903.4 a 35.8 bc54.7 b 8810.2 ab0.41 a
        W N0766.2 c25.1 f47.0 g5922.5 e0.28 d
        N1774.9 c 31.1 de49.4 ef6722.1 d 0.29 cd
        N2871.4 a 34.1 cd48.0 g 7223.7 cd 0.32 bc
        N3882.6 a 38.8 ab 51.2 cd 8591.7 ab 0.33 bc
        N4892.6 a 35.0 bcd54.3 b 8511.6 ab0.36 b
        显著性 Significance
        种植模式 Cropping pattern (C)0.0000.4860.0000.0000.000
        施氮水平 N application rate (N)0.0000.0000.0000.0000.000
        C × N0.0780.4290.0000.1500.156
        注(Note):W-G—小麦复种毛叶苕子 Planting hairy vetch after wheat harvest; W—小麦收获后夏休闲 Fallow after wheat harvest; N0—不施氮 No N application; N1、N2、N3、N4 处理依次为减少常规施氮量 (N 180 kg/hm2) 的 45%、30%、15%、0% The N reduction rate in treatment N1, N2, N3 and N4 were 45%, 30%, 15% and 0% of the conventional N rate 180 kg/hm2; 数据后不同小写字母表示处理之间差异显著 Values followed by different small letters indicate significant differences among treatments (P < 0.05).
      • 种植模式对小麦穗粒数无显著作用,而对小麦穗数、千粒重均有显著影响;施氮水平对上述三个指标均有显著影响;种植模式和施氮量两个因素的交互效应只对小麦千粒重起到显著作用 (表1)。麦后复种绿肥较单作小麦单位面积穗数平均提高了6.5%;单位面积穗数随施氮水平的提高而提高,N3处理较N1处理穗数提高了10.9%,N2、N3和N4处理之间无显著差异。N3处理较N1和N2处理分别显著提高小麦穗粒数27.3%和19.7%,而较N4处理无显著差异。W-G-N3处理的穗粒数较W-G-N4处理提高了13.1%,较W-N4处理提高了15.8% (P < 0.05)。麦后复种绿肥模式较单作小麦模式的千粒重提高了4.6%,其中N3处理较N1和N2处理分别提高了8.2%和7.6%,W-G-N3处理较W-G-N4处理显著提高了4.5%;W-G-N3处理较W-N3和W-N4处理的千粒重分别提高了10.0%和4.8%。

      • 麦后复种绿肥较单作小麦模式能显著提高小麦全生育期干物质积累量,施氮水平对小麦全生育期干物质积累量有显著影响 (图2)。麦后复种绿肥小麦全生育期干物质积累量较单作小麦模式平均提高了9.2%,小麦拔节期至成熟期麦后复种绿肥较夏季休闲小麦的干物质积累量提高了5.8%~15.1%。小麦灌浆期以前 (6月18日),各施氮处理间的小麦干物质积累速率无显著差异,各施氮水平间的小麦全生育期的干物质积累趋势基本一致。小麦灌浆中期N3处理具有最高的干物质积累量,较N1、N2和N4处理分别提高了12.5%、13.5和6.6%;小麦成熟期N3处理较N1和N2处理的干物质积累量分别增加了6.6%和4.0%,N3和N4处理小麦成熟期干物质积累量无显著差异。W-G-N3处理小麦成熟期干物质积累量较W-N3和W-N4处理的干物质积累量显著提高,分别提高了15.4%和18.2%。

        图  2  不同种植模式及施氮水平下小麦全生育期干物质积累动态

        Figure 2.  Dynamic of dry matter accumulation of wheat in different cropping patterns and N fertilizer levels

      • 不同种植模式以及施氮水平下小麦的群体生长率的变化趋势基本一致,最大生长速率均出现在小麦拔节至孕穗期。种植模式以及施氮水平对小麦的最大生长速率均有显著影响,且二者对其有显著的交互作用 (图3)。麦后复种绿肥较夏季休闲模式能显著提高小麦拔节至孕穗、孕穗至灌浆以及灌浆至成熟期的小麦生长速率,分别提高了6.0%、20.9%和48.8%。与干物质积累量相似,N3处理施氮水平较N1、N2及N4处理的最大生长速率分别提高了26.6%、17.9%和5.5%。灌浆初期至灌浆中期小麦的生长速率各施氮水平间差异显著,N3处理较N4处理提高了17.1%。W-G-N3处理的最大作物生长速率较W-G-N4处理提高了13.2%;与W-N3和W-N4处理的最大生长速率相比,W-G-N3处理的最大生长速率分别提高了23.0%和19.7%,差异显著。与之相似,在小麦灌浆初至小麦灌浆中期,W-G-N3较W-G-N4处理小麦的生长速率提高了23.8%,较W-N3和W-N4处理的生长速率分别提高了35.7%和30.2%。

        图  3  不同种植模式及施氮水平下小麦群体生长率动态

        Figure 3.  Dynamic of growth rate of wheat under different cropping patterns and N fertilizer levels

      • 为探究作物生长以及产量构成对小麦籽粒产量影响程度的大小,对小麦生育期内的最大生长速率以及产量构成因素与小麦籽粒产量之间进行灰色关联分析 (表2),结果表明,4个因素中小麦千粒重是影响小麦籽粒产量的主导因素,其次为小麦的最大生长速率,再次为小麦的穗粒数和穗数。以上结果说明,通过麦后复种绿肥结合适宜的氮肥施用量提高小麦的千粒重,充分保证小麦前期营养生长的高效进行,是提高小麦籽粒产量的主要途径。小麦籽粒产量与穗粒数和穗数较生长速率和千粒重的关联度低,表明在本研究的条件下,小麦的穗数和穗粒数的变化对其籽粒产量的影响较小,主要原因是各处理小麦的基本苗趋于一致的情况下,小麦穗数以及穗粒数的调控不再是小麦籽粒产量提高的主导因素。

        表 2  小麦最大生长速率以及产量构成因素与籽粒产量的关联矩阵及排序

        Table 2.  The incidence matrix and ranking among grain yield and growth rate and yield components of wheat

        项目
        Item
        籽粒产量
        Grain yield
        排序
        Ranking
        最大生长速率 (CGRMAX)
        Maximum growth rate
        0.70282
        穗数 Spike number (SN)0.69214
        穗粒数 Kernel number per spike (KNS)0.69683
        千粒重 Thousand kernel weight (TKW)0.70881
      • 土壤中的氮素含量对作物的生长发育起到决定性作用,施用氮肥是保证作物生长以及增产的必要措施之一[17],但当无机氮的供应超过了作物自身需求时,则会导致土壤中氮素通过淋失以及氨挥发等途径发生损失,因此,合理的氮肥施用量以及管理措施对减少化肥用量和作物增产具有重要意义[18-19]。本研究显示,与夏季休闲模式相比,麦后复种绿肥能显著提高小麦干物质积累量,小麦灌浆期干物质积累量随施氮量的提高而提高,减量15%施氮对小麦成熟期的生物量无显著影响。与之相似,麦后复种绿肥较夏季休闲模式能显著提高小麦各生育阶段的生长速率,麦后复种绿肥条件下减量15%施氮较单作小麦下的传统施氮的最大生长速率提高了19.7%。说明在麦后复种绿肥的种植模式下,结合减量15%的施氮水平能有效促进小麦的干物质积累量的提高,该处理较其他处理提高了小麦旺盛生长阶段的生长速率,其次,麦后复种绿肥较单作小麦优化了小麦群体的生长发育动态,小麦前期的营养生长较为旺盛,为生长后期的干物质积累提供了物质基础。导致这种差异的主要原因:一,适宜的施氮量有利于小麦根系活力的提高,进而促进植株地上部的生长,使得小麦茎叶等营养器官的功能期延长,增强了作物的光合作用时间,进而提高了光合同化产物[20-21];二,就绿肥的作用而言,复种翻压豆科绿肥作物能提高土壤氮库,有效促进土壤氮素的有效性,而单一的施用化学氮肥只能在较短时间内维持土壤的氮素的供应,使得小麦生长后期的土壤氮素供应不足[22-23]。基于以上原因,本研究在麦后复种豆科绿肥的条件下,减量15%施氮并没有因为化学肥料的减少而影响小麦植株的生长发育,相反,由于豆科绿肥作物对土壤养分供应的有效性,在化肥减量的情况下绿肥为小麦的干物质积累提供了有效的氮素供应,优化了小麦各个阶段的生长发育进程,为小麦高产奠定了物质基础。

      • 适宜的施氮量和氮肥管理措施能有效提高作物产量,实现增产增效的目标[17],但当氮肥投入量过大时,造成资源浪费的同时也会导致植株营养生长旺盛,前期积累的营养物质向籽粒转移的效率降低,成熟期延迟,一定程度上破坏了作物“源库”关系的协调性,进而影响籽粒产量[20-24]。另有研究指出,与单一施用尿素相比,尿素与豆科绿肥配施能有效提高土壤中碱解氮、全氮以及氨态氮的含量[23];单施化肥的土壤有机质矿化损失较化肥与绿肥配施显著提高,减量施氮与绿肥配施能有效提高土壤有机质含量[17, 25],这是因为绿肥作物可以为土壤中的微生物提供丰富的碳源和氮源,有效增强土壤微生物的活性,有利于土壤中有机氮的矿化,为作物增产提供有利的养分保障[13, 26]。本研究显示,麦后复种绿肥较单作小麦增产10.8%,麦后复种绿肥模式下减量15%施氮较传统施氮的籽粒产量无显著差异,且较单作小麦下的传统施氮增产8%;麦后复种绿肥下减量15%施氮较传统施氮水平的收获指数提高了18.9%;麦后复种绿肥下减量30%施氮较减量45%和减量15%施氮氮肥替代潜力显著提高,而减量施氮30%和减量15%施氮的氮肥替代潜力无显著差异。麦后复种豆科绿肥模式之所以能提高下茬小麦的产量,主要原因:第一,豆科作物的生物固氮作用可以固定空气中的气体氮至土壤中,种植豆科绿肥能显著提高土壤中的有效氮含量[13-14];第二,豆科作物因其生物固氮作用,植株含氮量较高,其作为绿肥翻压至土壤后,经过微生物的作用,使得土壤土壤酶活性显著提高,活化了土壤中的有机物质,提高土壤有机质含量,有效改善了土壤肥力[11, 27]。因此,复种翻压豆科绿肥结合适量的化学氮肥能为下茬小麦的生长提供充足的养分供给。当绿肥作物与化学肥料配施尤其在化肥减量的条件下,绿肥作物的养分供给速率较为缓慢,使得绿肥和无机氮对小麦养分供给的时间上发生一定的错位,协调了土壤养分供给和小麦需求的关系,有利于小麦产量的提高[27]。就氮肥替代潜力而言,氮肥减量在一定范围内,种植翻压绿肥替代氮肥的潜力较大,但当氮肥减量超过一定程度时,绿肥为土壤提供的养分也不能完全满足作物生长的需求[14, 28]

        小麦产量构成因素之间的协调促进是获得高产的基础,研究表明,施用氮肥提高小麦籽粒产量主要体现在单位面积穗数、穗粒数以及千粒重方面[29]。本研究结果表明,种植模式对小麦的单位面积穗数和千粒重有显著影响,施氮水平对小麦的产量构成因素均有显著的影响,二者的交互作用只对小麦千粒重有明显作用。麦后复种绿肥模式结合减量施氮15%较单作小麦的传统施氮量能显著提高小麦的穗粒数和千粒重,这与麦后复种绿肥结合减量施氮提高了土壤养分持续供应能力密切相关,因为小麦生长后期土壤氮素的有效供应能显著提高小麦的穗粒数和千粒重[29-30]。通过小麦籽粒产量与小麦最大生长速率以及产量构成因素间的灰色关联分析表明,小麦粒重的提高是小麦增产的主导因素,其次为小麦的最大生长速率,说明绿洲灌区麦后复种绿肥结合减氮15%可以维持小麦高产的主要原因是保证了小麦营养生长的高效进行,使得对籽粒的光合产物输入量增大,提高了小麦的千粒重。因此,在甘肃绿洲灌区麦后复种豆科绿肥结合减量15%施氮能够较好的协调小麦的生长发育以及产量构成之间的相互关系,能够维持甚至提高小麦籽粒产量,进而达到节氮增效的作用。

      • 基于两年的田间试验,麦后复种绿肥结合减量15%施氮 (153 kg/hm2) 通过提高小麦的最大生长速率和千粒重,最终获得较高的籽粒产量与氮肥替代潜力。与夏季休闲模式下的传统施氮量相比,麦后复种绿肥结合减量15%施氮 (153 kg/hm2) 较单作小麦下传统施氮量增产8.0%,且麦后复种绿肥模式下减量15%具有最高的氮肥替代潜力,因此,甘肃绿洲灌区复种豆科绿肥较单作小麦传统施氮量可减少15%的施氮。

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