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  • ISSN 1008-505X
  • CN 11-3996/S

长期翻压绿肥河西绿洲灌区小麦的化肥减施潜力

崔恒, 车宗贤, 张久东, 包兴国, 卢秉林, 吴科生, 杨蕊菊, 樊志龙, 曹卫东

崔恒, 车宗贤, 张久东, 包兴国, 卢秉林, 吴科生, 杨蕊菊, 樊志龙, 曹卫东. 长期翻压绿肥河西绿洲灌区小麦的化肥减施潜力[J]. 植物营养与肥料学报, 2023, 29(3): 403-413. DOI: 10.11674/zwyf.2022351
引用本文: 崔恒, 车宗贤, 张久东, 包兴国, 卢秉林, 吴科生, 杨蕊菊, 樊志龙, 曹卫东. 长期翻压绿肥河西绿洲灌区小麦的化肥减施潜力[J]. 植物营养与肥料学报, 2023, 29(3): 403-413. DOI: 10.11674/zwyf.2022351
CUI Heng, CHE Zong-xian, ZHANG Jiu-dong, BAO Xing-guo, LU Bing-lin, WU Ke-sheng, YANG Rui-ju, FAN Zhi-long, CAO Wei-dong. Potentials of chemical fertilizer reduction for wheat production in Hexi oasis irrigation area under long-term application of green manure[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2023, 29(3): 403-413. DOI: 10.11674/zwyf.2022351
Citation: CUI Heng, CHE Zong-xian, ZHANG Jiu-dong, BAO Xing-guo, LU Bing-lin, WU Ke-sheng, YANG Rui-ju, FAN Zhi-long, CAO Wei-dong. Potentials of chemical fertilizer reduction for wheat production in Hexi oasis irrigation area under long-term application of green manure[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2023, 29(3): 403-413. DOI: 10.11674/zwyf.2022351

长期翻压绿肥河西绿洲灌区小麦的化肥减施潜力

基金项目: 国家重点研发计划项目(2021YFD1700204); 国家现代农业产业技术体系项目(CARS-22)。
详细信息
    作者简介:

    崔恒 E-mail: 249966314@qq.com

    通讯作者:

    车宗贤 E-mail: chezongxian@163.com

    张久东 E-mail: 365122769@qq.com

Potentials of chemical fertilizer reduction for wheat production in Hexi oasis irrigation area under long-term application of green manure

  • 摘要:
    目的 

    研究长期翻压绿肥条件下减施化肥对小麦产量稳定性以及地力贡献的影响,为甘肃省河西绿洲灌区高效施肥和可持续发展提供理论依据。

    方法 

    2009—2020年在河西绿洲灌区开展了12年的定位试验,供试作物为春小麦。试验处理包括不施肥对照(CK)、100%化肥(CF)以及翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。根据历年小麦产量,计算累积增产率、产量可持续性指数和变异系数;构建一元灰色线性模型,计算不同施肥长期趋势产量;计算累积土壤地力贡献率以及不同处理累积肥料贡献率。

    结果 

    随着试验年限延长,除减施100%化肥处理外,各翻压绿肥处理肥料对小麦产量的累积贡献率均呈现增加的趋势,且处理间肥料对产量的贡献率无显著差异,2020年均达到60%左右。不施肥处理(CK)土壤地力对小麦产量的累积贡献率不断下降,从2009年的57.41%下降至2020年的34.24%。翻压绿肥基础上化肥减量40%以内,小麦12年平均产量高于100%化肥处理(CF)。一元灰色线性模型显示化肥减量40%以内,小麦产量变异系数随着化肥减施量的升高而不断升高,产量可持续指数则不断下降。化肥减量40%处理的小麦产量于第9年开始低于CF处理。化肥减施量(x)与小麦产量(y)的回归方程为:y=−0.292x2+11.917x+6667.34,达到理论最高产量的化肥减施比例为20.41%。相关性分析发现,不同施肥处理通过影响株高、穗长、小穗数以及穗粒数影响产量。

    结论 

    在翻压绿肥30000 kg/hm2基础上,将农民习惯化肥施用量减少20%~30%,不仅可以提高小麦的产量,维持长期高产趋势,还可以提升土壤地力对小麦产量的贡献率,因而是甘肃农业可持续发展的有效措施。

    Abstract:
    Objectives 

    We studied the effects of decreasing different ratios of chemical fertilizer on yield stability of wheat, and the changes in soil fertility contribution to crop yield under long-term application of green manure, to provide a scientific basis for the efficient and sustainable development of wheat production in Hexi oasis irrigation area in Gansu Province of China.

    Methods 

    Field experiments were conducted consecutively for 12 years in Hexi oasis irrigation area from 2009 to 2020, the tested crop was spring wheat. The experimental treatments were composed of no fertilizer (CK), 100% chemical fertilizer (CF), and reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure 30000 kg/hm2 per year. The cumulative yield, sustainable yield index (SYI) and its coefficient of variation (CV) were investigated. A grey linear model was used to quantitatively analyze the dynamics of yield and soil fertility contribution rate to yield under green manure application.

    Results 

    As the experiment progressed, the cumulative contribution rate of fertilizer to wheat yield exhibited an increasing trend under green manure application except for 100% reduction of fertilizer application, and there was no significant difference between treatments in the contribution rate of fertilizer to wheat yield, reaching about 60% in 2020. The cumulative soil fertility contribution rate of CK decreased from 57.41% in 2009 to 34.24% in 2020. Reducing less than 40% of chemical fertilizer did not decrease the average yield of entire 12 years, compared to 100% chemical fertilizer treatment (CF). However, higher chemical fertilizer reduction rate exhibited rising yield CVs and declining SYIs. The grey linear model revealed that the yield dynamics of chemical fertilizer reduction less than 40% was significantly higher than CF treatment. The 40% fertilizer reduction treatment recorded lower yield than CF from the ninth experimental year. Wheat yield (y) and chemical fertilizer reduction rate (x) had the regression relationship of y=−0.292x2+11.917x+6667.34, with the theoretical maximum yield at the reduction rate of 20.41%. The yield was mainly correlated positively with plant height, spike length, fertile spikelet number, and grain number per spike.

    Conclusions 

    On the basis of continuous application of green manure at 30000 kg/hm2 per year, reducing 20%~30% of local chemical fertilizer input will increase wheat yield, enhance the yield stability, and the soil fertility contribution to yield, that will increase the chemical fertilizer efficiency and the sustainability of wheat production in Hexi oasis area of Gansu.

  • 化肥是农业生产的基础,在粮食增产和农业发展过程中起到至关重要的作用[1-2],这也导致化肥的施用量急剧增加,已有研究表明我国化肥用量为531.9 kg/hm2,是世界平均水平的3.9倍[3]。化肥的不合理施用不仅会导致养分的浪费及肥料的增产效应降低[4],也会造成土壤酸化、养分失调、养分淋失以及大气污染等一系列环境问题[5-6]。甘肃河西绿洲灌区是小麦的高产区,该区域小麦种植面积占全省的18%,但其产量占全省的30%,过分追求产量导致该区域化肥过量施用现象严重[7]

    绿肥是我国传统农业的精华,作为一种优质、清洁成本又相对低廉的有机肥源养分含量全面,除大量元素外还具有丰富的中微量元素,同时还具有无抗生素、重金属等次生环境威胁的优点[8-10];此外,翻压绿肥还可以培肥土壤,改善土壤理化性状及土壤微生态环境,进而提高作物的产量[11-15]。近年来将其作为有机肥还田减少化肥用量的研究不断增多,廖育林等[16]的研究表明翻压紫云英后化肥减量20%及40%均能提高早稻产量;杨璐等[17]研究发现,翻压二月兰化肥减量15%产量有提高趋势,减量30%能基本维持产量。研究结果会因主作物及绿肥作物等因素存在一定的差异。且前人研究多集中在短期田间试验上[18],而化肥当季利用率较低,前季肥料的后效以及年际气候变异对作物产量影响显著[19],而长期定位试验同时具备时间上的长期性和气候上的代表性,具有克服这些不稳定因素的优势。

    为此,本研究选取北方地区广为种植的豆科绿肥箭筈豌豆(Vicia sativa L.)及毛叶苕子(Vicia villosa L.),通过始于2009年的长期定位试验,综合分析翻压绿肥后不同的化肥减施量下小麦的产量及其稳定性和可持续性、土壤养分含量等指标,以期为该地区绿肥资源的利用以及翻压绿肥后化肥的合理减量提供理论依据。

    定位试验设置于甘肃省武威市凉州区永昌镇白云村武威绿洲农业综合试验站(38°04′ N, 102°35′E),试验区位于河西走廊东段,属于温带大陆性干旱气候,海拔1504 m,一年内无霜期150天左右。年降雨量150 mm,年蒸发量2021 mm,年平均气温7.7℃,≥10℃的有效积温为3016℃。年太阳辐射总量140~158 kJ/cm2,麦收后 ≥10℃ 有效积温为 1350℃,属于典型的两季不足、一季有余的自然生态区。土壤为灌漠土,试验开始时,0—20 cm耕层土壤基本理化性状为:有机质19.1 g/kg,速效氮 74.3 mg/kg,速效磷 9.9 mg/kg,速效钾 169.7 mg/kg,pH 8.31。

    定位试验始于2009年,至2020年已有12年。试验共设置8个处理,不同处理的施肥量如表1所示,每个处理设置3次重复,小区之间打宽50 cm、高30 cm的地埂,小区面积为20 m2 (4 m×5 m)。100%化肥处理(CF)的施肥量是根据农户常年的施肥习惯确定。各处理中化学氮肥70%作为底肥施入,30%作为苗期追肥;磷肥作为底肥一次性施入。绿肥为小麦收割前套种混播的箭筈豌豆和毛叶苕子于盛花期收割的混合样,其含水率为75%,风干样含氮 35 g/kg、磷 8.2 g/kg、钾 33 g/kg,绿肥于小麦播种前翻入土壤作为底肥。小麦品种每5年更换1次,分别为‘陇春26’、‘陇春30’、‘宁春53’,于每年3月中下旬播种,7月上中旬收获,播种量为450 kg/hm2。毛叶苕子品种为‘土库曼毛叶苕子’,播种量为30 kg/hm2;箭筈豌豆为‘陇箭一号’,播种量为60 kg/hm2。氮肥为尿素(含N 46%),磷肥为过磷酸钙(含P2O5 43%)。

    表  1  不同处理化肥减施比例及养分和绿肥施用量
    Table  1.  Chemical fertilizer reduction rate, and nutrient and green manure input in different treatments
    处理
    Treatment
    减施比例 (%)
    Reduction rate
    投入量 Input (kg/hm2)绿肥 (kg/hm2)
    Green manure
    NP2O5
    CK000
    CF2251500
    T−0022515030000
    T−1010202.513530000
    T−202018012030000
    T−3030157.510530000
    T−40401359030000
    T−1001000030000
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20, T−30, T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure.
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    小麦成熟后,避开边行以及测产带,均匀选取整株小麦20株用于小麦考种。各小区小麦收获后通风阴干称重,然后用脱粒机脱粒,分别计算小麦籽粒产量。

    小麦收获后,各小区按照5点取样法采集0—20 cm耕层土壤样品,通风阴干、过筛后用于理化性状的分析。土壤样品通风阴干后磨细过1 mm筛用于速效养分指标的测定,过0.149 mm筛用于测定土壤有机质含量。土壤速效氮含量采用碱解—扩散法测定;土壤速效磷含量采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定;土壤速效钾含量采用醋酸铵浸提—火焰光度法测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化—外加热法测定。

    累积增产率(%)=(减施化肥处理产量–CF处理产量)/CF处理产量×100[20]

    累积土壤地力贡献率(%)=(CK产量/施肥处理最高产量)×100[21]

    累积肥料贡献率(%)=(施肥处理产量–CK产量)/施肥处理产量×100[21]

    式中:CF为当地化肥施用量处理,CK为不施肥处理。

    产量可持续性指数(sustainable yield index,SYI)是衡量系统是否能持续生产的重要参数,SYI越大,系统的可维持性越好,计算方法为:

    {\rm{SYI=(\overline{Y}–\sigma)/Y_{max}}} (1)

    以统计学上的变异系数(coefficient of variation,CV)来衡量年际间产量的变异程度,CV值越大则说明产量的稳定性越低。计算方法为:

    {\rm{CV=\sigma/\overline{Y}\times 100\% }} (2)

    式(1)和式(2)中, {\rm{ \overline{Y}}}表示某一处理的平均产量,σ是标准差,Ymax是该试验点的最高产量[22-23]

    产量变化趋势是根据产量随着时间(年)的变化做成散点图,依据散点图拟合的直线作为其趋势线(一元一次方程),并依据其斜率(年际变化值)大小来评定产量随着时间的变化情况[23]。但产量的诸多不可控因子的影响导致产量的年际变化出现较大的波动,因此将年际作物产量看成灰色量,应用灰色系统理论[24]的一次累加生成理论建立一元灰色线性趋势线。假设Y是一次累加生成的作物产量(kg/hm2),t为对应试验的时间,建立一元线性回归模型:

    y=a+bt (3)

    根据微积分的原理,式中b的倒数为年际趋势产量均值,通过对其置信区间的计算,可以对不同施肥模式的作物趋势产量进行定量评价[25]

    采用Microsoft Excel 2016软件对数据进行汇总整理,采用SPSS 25.0统计分析软件对测得的数据进行差异显著性检验,采用origin 2018进行绘图。

    由历年小麦产量(图1)可以看出,翻压绿肥后,不同化肥减施量处理小麦产量随着试验年限增加整体表现为波动下降的趋势。不施肥处理(CK)在2~3年内产量快速下降,然后基本稳定在最低水平。除不施肥处理,翻压绿肥后不施用化肥处理(T−100)产量快速下降,其余处理多年来变化趋势较为一致。且从图1可以明显看出,产量年际变化较大,因此选择3年滑动平均的方法进行比较,可以更好的研究产量的变化规律[26]

    图  1  2009—2020年不同处理小麦产量年际变化
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%
    Figure  1.  Dynamics of annual wheat yield in different treatments from 2009 to 2020
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20, T−30, T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure

    多年平均产量以及累积增产率结果(表2)显示,T−0、T−10、T−20、T−30处理的小麦12年平均产量均高于CF处理,提高幅度分别为6.28%、6.65%、6.51%、8.13%。而T−40的平均产量为6683 kg/hm2,仍高于CF处理5.93%。从3年的滑动平均产量来看,在2009—2011及2012—2014年小麦的平均产量以及累积增产率T−40处理高于CF处理,但从第2015—2017年开始,两处理产量已基本持平,2018年后T−40处理产量要低于CF处理。

    表  2  不同处理3 年期的平均产量及累积增产率
    Table  2.  Average yield of 3-year-period and cumulative yield increase under different treatments from 2009 to 2020
    指标 Index处理 Treatment2009—20112012—20142015—20172018—20202009—2020
    产量 Yield
    (kg/hm2)
    CK3353±1190 c3426±599.3 b3363±374.6 b2347±477.8 c3122±517.9 c
    CF7168±541.8 ab5624±1054 a6501±972.2 a5942±605.1 a6309±677.7 a
    T−07509±347.5 ab6299±1154 a6573±994.3 a6437±647.9 a6705±547.9 a
    T−107608±641.3 a6469±865.5 a6709±949.5 a6126±585.1 a6728±633.3 a
    T−207912±474.1 a6352±1056 a6550±1087 a6064±634.9 a6719±819.3 a
    T−308046±598.2 a6459±907.1 a6771±1170 a6009±796.2 a6821±874.5 a
    T−407884±427.4 a6413±710.5 a6527±1219 a5906±816.6 a6683±845.4 a
    T−1006402±432.9 b4725±652.3 ab4853±1370 ab3768±595.9 b4937±1090 b
    相比于CF的累积增产率
    Cumulative yield increase
    rate over CF (%)
    CK−53.23−39.08−48.26−60.50−50.51
    T−04.7612.001.128.336.28
    T−106.1415.033.213.096.65
    T−2010.3812.940.762.056.51
    T−3012.2614.844.161.138.13
    T−4010.0014.020.40−0.605.93
    T−100−10.68−15.98−25.35−36.59−21.74
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer;T−0, T−10, T−20, T−30, T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure. Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P<0.05).
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    小麦产量的变异系数(CV)和可持续性指数(SYI)结果(表3)显示,CK处理以及翻压绿肥后化肥减量100%处理(T−100)的变异系数较高,分别为25.00%和24.72%;T−0、T−10处理的产量变异系数均小于CF处理。选择翻压绿肥的6个处理进行回归,化肥减施量与变异系数的回归方程为:y=0.1191x+12.37 (R2=0.962),说明变异系数随着化肥减施量的提高不断增大,当化肥减施量为20.23%时,产量变异系数和CF处理的持平。SYI与CV相反,其与化肥减施量比例之间的回归方程为:y=−0.0026x+0.7174 (R2=0.899),两者呈负相关关系。根据方程计算可得,化肥减量34.38%时的SYI与CF处理持平。

    表  3  不同处理小麦产量变异系数(CV)和可持续性指数(SYI)
    Table  3.  Coefficient of variation (CV) and sustainable index (SYI) of wheat yield under different treatments
    处理 Treatment变异系数 CV (%)产量可持续性指数 SYI
    CK25.000.273
    CF14.780.628
    T−013.050.681
    T−1013.000.683
    T−2015.480.663
    T−3016.090.668
    T−4015.700.658
    T−10024.720.434
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20. T−30,T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure.
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    高产稳产是农业生产追求的目标,产量变化趋势是用产量随着时间(年)做成散点图,依据散点图拟合的简单的直线作为其趋势线(一元一次方程),并依据其斜率(年际变化值)大小来评定产量随着时间的变化情况[23]。但产量的诸多不可控因子的影响导致产量的年际变化出现较大的波动,因此将年际作物产量看成灰色量,应用灰色系统理论的一次累加生成理论建立一元灰色线性趋势线[24-25],表明产量与试验年限存在的典型的关系,应用式(3)模型对种植年限与产量进行一元线性回归分析。回归分析结果(表4)表明,小麦累加产量的回归模型F值均达到极显著的水平。且其拟合度R2均在0.995以上,表明拟合效果极佳。一元回归模型中,b表示年际趋势产量,从表4可以看出其大小为T−30 (6644.51 kg/hm2)>T−10 (6619.57 kg/hm2)>T−0 (6572.26 kg/hm2)>T−20 (6540.24 kg/hm2)>T−40 (6504.47 kg/hm2)>CF (6184.30 kg/hm2)>T−100 (4736.55 kg/hm2)>CK (3101.18 kg/hm2),而从b值95%置信区间我们可以看到,T−0、T−10、T−20、T−30、T−40处理均与CF处理不重叠,说明以上处理其趋势产量均显著高于CF处理,而T−100以及CK处理的趋势产量显著低于CF处理。

    表  4  2009—2020年不同处理小麦产量趋势灰色线性模型
    Table  4.  Linear grey model of wheat yield trends as affected by different treatments from 2009 to 2020
    处理
    Treatment
    y=a+btF
    F-value
    R2b的95%置信区间
    95% confidence interval of b
    CKy=1624.49+3101.18t3164.70**0.9973046.05~3156.31
    CFy=1876.12+6184.30t8339.83**0.9996116.58~6252.02
    T−0y=2120.21+6572.26t10991.98**0.9996509.57~6634.95
    T−10y=2423.34+6619.57t9173.61**0.9996550.46~6688.68
    T−20y=3315.46+6540.24t6780.90**0.9996460.81~6619.66
    T−30y=3465.46+6644.51t7301.78**0.9996566.75~6722.27
    T−40y=3506.76+6504.47t6333.11**0.9986422.74~6586.21
    T−100y=4358.45+4736.55t2137.46**0.9954634.10~4839.00
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。y是一次累加生成的作物产量,t为对应试验的时间。**—P<0.01。
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20, T−30, T−40; T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure. y is accumulated generating operation of crop yield, t is the corresponding time of the experiment. **—P<0.01.
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    翻压绿肥后小麦12年平均产量随着化肥减施量的增加而改变。选择翻压绿肥后不同化肥减施量的T−0~T−100处理,以不同处理化肥减施比例为横坐标,以12年平均产量为纵坐标可以得到(0,6704.64)、(10,6727.93)、(20,6719.36)、(30,6821.39)、(40,6682.55)、(100,4936.92) 6个坐标点,构建回归方程,分析结果表明:两者之间回归方程达到统计学极显著水平(P<0.01),两者的回归方程为:y=−0.292x2+11.917x+6667.34 (4672.21~6998.32),描述产量变异方差解释能力的拟合度R2达0.996。根据二次方程的特性,我们可以求出翻压绿肥后化肥减施量为20.41%情况下,产量达到多年平均产量的理论最高值。

    2020年不同处理下小麦农艺性状的统计结果(表5)表明,不同施肥处理主要通过影响小麦的株高、穗长、结实小穗数以及穗粒数,进而影响作物产量。本研究还发现,翻压绿肥后在化肥减量低于30%的情况下,各指标基本保持稳定,当化肥减量40%,小麦株高、穗长以及结实小穗数均有下降趋势,但差异未达到显著水平。当翻压绿肥后化肥减量100%,无论是株高、穗长还是结实小穗数均显著降低。各项指标相关性分析结果(表6)也表明,小麦产量与株高、穗长、结实小穗数以及穗粒数表现为极显著的正相关关系,小麦株高、穗长、结实小穗数以及穗粒数之间也存在极显著的正相关关系。

    表  5  2020年不同处理小麦农艺性状
    Table  5.  Agronomic properties of wheat under different treatments in 2020
    处理
    Treatment
    株高 (cm)
    Plant height
    穗长 (cm)
    Spike length
    结实小穗数
    Fertile spikelet number
    穗粒数
    Grain number per spike
    千粒重 (g)
    1000-grain weight
    CK50.15±3.11 c5.81±0.48 c8.28±1.01 c9.12±1.94 c55.90±5.22 a
    CF66.17±1.36 a8.64±0.32 ab13.55±1.15 ab28.95±1.62 a52.04±2.76 a
    T−069.82±0.55 a9.13±0.07 a15.53±0.03 a28.73±1.53 a51.68±2.64 a
    T−1069.37±1.23 a9.16±0.23 a15.30±0.58 a29.87±3.32 a51.91±0.59 a
    T−2068.90±0.43 a9.02±0.39 a15.78±0.71 a31.55±3.61 a52.99±2.16 a
    T−3068.30±0.74 a8.60±0.09 ab14.27±0.39 ab27.45±0.38 a57.74±0.49 a
    T−4066.22±1.81 a8.99±0.15 a13.92±0.94 ab28.47±0.96 a54.89±2.00 a
    T−10060.17±1.86 b7.83±0.51 b12.30±1.22 b18.93±1.28 b53.33±1.20 a
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20, T−30. T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure. Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P<0.05).
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    表  6  不同指标间的相关系数
    Table  6.  Correlation coefficients among different indexes
    指标
    Index
    株高
    Plant height
    穗长
    Spike length
    结实小穗数
    Fertile spikelet number
    穗粒数
    Grain number per spike
    千粒重
    1000-grain weight
    产量
    Yield
    株高 Plant height1
    穗长 Spike length0.950**1
    结实小穗数 Fertile spikelet number0.945**0.942**1
    穗粒数 Grain number per spike0.919**0.921**0.874**1
    千粒重 1000-grain weight−0.037−0.091−0.059−0.0611
    产量 Yield0.898**0.828**0.809**0.885**−0.1661
    Note: **—P<0.01.
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    土壤地力贡献率是土壤肥力的重要指示指标,值越高说明土壤养分供应能力越强。累积土壤地力贡献率变化曲线(图2)显示,累积土壤地力贡献率前期波动幅度较大,整体表现为波动下降的趋势, 由2009年的57.41%下降至2020年的34.24%。肥料贡献率则反映施肥在作物增产中作用的大小。不同处理累积肥料贡献率变化曲线(图3)显示,随着试验年限的增加,累积肥料贡献率整体表现为波动上升的趋势,至2020年达60%左右。且翻压绿肥后化肥减量40%以内,累积肥料贡献率与CF处理基本持平。T−100处理累积肥料贡献率自2014年起明显低于其他处理,至2020年仅为36.95%。

    图  2  2009—2020年累积土壤地力贡献率变化
    Figure  2.  Cumulative soil fertility contribution rate in different treatments from 2009 to 2020
    图  3  2009—2020年不同处理累积肥料贡献率
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%
    Figure  3.  Cumulative fertilizer contribution rate in different treatments from 2009 to 2020
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20, T−30, T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure

    对2020年对不同处理土壤养分含量(表7)进行测定,结果表明,相较于未翻压绿肥处理,长期翻压绿肥可以显著提高土壤中的有机质含量以及土壤速效氮含量,且翻压绿肥后土壤有机质含量基本不受化肥减施量的影响,仅翻压绿肥处理土壤有机质含量与翻压绿肥后化肥不减量土壤有机质含量基本持平,这也为翻压绿肥后土壤地力贡献率相对较高提供了佐证。但土壤速效磷含量则随着化肥减施量的提高整体呈现下降的趋势,以不施肥处理以及仅施用绿肥处理含量最低;土壤速效钾含量除不施肥处理显著降低外,其他处理之间均无显著差异。

    表  7  2020年不同处理土壤养分含量
    Table  7.  Soil nutrient contents in different treatments in 2020
    处理
    Treatment
    有机质 (g/kg)
    Organic matter
    速效氮 (mg/kg)
    Available N
    速效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    CK21.90±0.17 b86.87±5.44 c7.10±2.86 e134.3±5.77 b
    CF23.00±0.61 b93.40±2.75 c38.13±5.24 ab169.3±14.43 a
    T−027.63±2.07 a120.2±11.48 ab37.17±3.07 ab173.3±17.79 a
    T−1029.73±2.32 a126.2±5.44 a42.53±3.76 a162.7±15.28 a
    T−2030.07±3.22 a122.0±3.75 ab33.30±9.29 bc157.7±2.89 a
    T−3028.30±1.74 a110.7±6.18 b28.13±3.91 c159.3±7.64 a
    T−4028.27±0.46 a114.0±5.50 b19.43±3.36 d156.0±5.00 a
    T−10028.27±1.08 a121.4±6.18 ab6.53±0.64 e156.0±8.66 a
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20, T−30, T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure. Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P<0.05).
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    绿肥作为一种优质、清洁同时成本又相对较为低廉的有机肥源,相较于化肥提供的养分更为全面,同时又能够改土培肥。相较于牛羊粪等有机肥源没有重金属以及抗生素等二次污染的风险。豆科绿肥又以其独特的根瘤固氮作用,碳氮比较低,施入土壤后养分释放速度快等特点使其成为减肥试验中经常选用的一种绿肥。刘思超等[27]通过两年的田间试验发现,与习惯施肥相比,翻压紫云英后化肥氮减量28.98% ~ 39.68%仍能提高水稻产量。张璐等[18]的研究发现,翻压绿肥紫云英后化肥减量20%水稻产量还有提高的趋势,化肥减量40%水稻依然可以基本维持产量[28]。这与本研究结果相似,翻压绿肥后化肥减量40%,前期产量高于仅施用化肥处理。但随着试验年限的增加,该处理产量与仅施用化肥处理逐渐持平,最终低于仅施用化肥处理。这可能与前期土壤养分含量较高,可保证当年作物需求,而绿肥翻埋入土后改善土壤理化性状,提高了有机质含量,进而提高了产量;而定位7年后产量与单施化肥基本持平,至第9年产量低于单施化肥,这可能与土壤中磷元素的消耗有关,从2020年土壤养分含量可以看出,土壤速效磷含量随着化肥减施比例的提高不断下降,当化肥减施量超过一定限度时会导致磷的消耗量大于投入量,土壤中的磷素就会被不断消耗,导致试验后期产量随着年限的增加表现为下降的趋势。这也进一步体现了化肥减施试验长期定位的必要性。但在本试验条件下,翻压绿肥后化肥减量在30%以内处理的产量相较于单施化肥处理一直处于优势地位。而从12年小麦整体的趋势可以发现,小麦产量随着试验年限增加整体表现为波动下降的趋势,这可能是由于试验长期单一种植小麦,导致作物产生连作障碍,小麦生长期病虫害随连作年限的增加逐渐严重,最终导致产量下降。本研究还发现,小麦的产量与株高、穗长、结实小穗数、穗粒数呈显著正相关,说明本研究中不同的处理主要是通过提高株高以及穗长,进而提高小麦穗粒数,最终提高产量,这与王璐等[29]的研究结果基本一致。

    产量的稳定性以及可持续性指数(SYI)是农田生态系统质量以及不同养分管理系统可持续性的重要评价标准[30-31],而产量可持续性指数则是不同养分管理系统可持续性的重要评价指标。与前人研究结果一致,不同处理中长期不施肥变异系数(CV)最大,产量可持续性指数最低,这可能与施肥可以提高小麦的抗逆性,降低外界环境、人为等因素对产量的影响有关[32]。且大量研究证明施用化肥后翻压绿肥效果更佳,张帆[33]发现施用绿肥黑麦草促进早、晚稻产量的稳定性与可持续性提高。且由于绿肥作为一种优质的有机肥源,本身就含有大量植物生长所需养分,翻压绿肥后适量减施化肥依然可以提高作物产量。张璐等[18]为期9年的定位试验发现,翻压绿肥后化肥减量20%~40%不仅可以提高作物产量,且产量变异系数降低,可持续指数升高,这与本研究结果一致。本研究还发现,翻压绿肥后随着化肥减少量的提升产量可持续性指数表现为先升高后降低的趋势,翻压绿肥后化肥减量20%效果最佳,减施量高于该比例变异系数开始增大,产量可持续性指数降低。

    土壤地力贡献率是反映土壤肥力的重要指标,随着种植年限的变化反映了不同时间土壤养分的供应情况,地力贡献率越低,种植作物对施肥的依赖作用越强[21]。陈欢等[21]的研究结果显示,随着试验年限的增加,土壤的养分的供应能力不断下降,相应的累积地力贡献率不断降低,这与本研究结果一致。这是由于土壤养分在作物种植过程中不断被带走,长期处于消耗状态[34]。本研究中定位12年后,累积土壤地力贡献率下降至30%左右,而陈欢等[21]通过30多年的定位试验发现,累积地力贡献率最终降至10%后趋于稳定,这可能与试验年限不同,土壤类型及降水、农事等因素不同有关。但相关研究均表明,土壤基础地力贡献率下降到一定程度后会维持在较稳定的水平,该水平与灌水等农事因素的养分携入有关[34]。肥料贡献率则反映施肥对小麦增产作用的大小[30]。按照养分来源可将作物产量分为基础地力产量和施肥产量[34]。本研究中随着种植年限的增长,基础地力不断下降,基础地力产量相应降低,施肥在增产中的作用不断增强,最终导致累积肥料贡献率随着种植年限的增加不断提高。但基于累积土壤基础贡献率会在下降到一定程度后维持稳定,相应的累积肥料贡献率最终也会稳定在某一水平,该水平与累积土壤地力贡献率高度相关。

    随着小麦种植年限的增加,土壤地力对小麦产量的累积贡献率不断下降,而连续翻压绿肥30000 kg/hm2可有效提高土壤地力贡献率。在翻压绿肥基础上,将农民习惯化肥用量减少20%~30%,可以提高小麦的产量,维持高产趋势,是甘肃农业可持续发展的有效措施。

  • 图  1   2009—2020年不同处理小麦产量年际变化

    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%

    Figure  1.   Dynamics of annual wheat yield in different treatments from 2009 to 2020

    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20, T−30, T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure

    图  2   2009—2020年累积土壤地力贡献率变化

    Figure  2.   Cumulative soil fertility contribution rate in different treatments from 2009 to 2020

    图  3   2009—2020年不同处理累积肥料贡献率

    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%

    Figure  3.   Cumulative fertilizer contribution rate in different treatments from 2009 to 2020

    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20, T−30, T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure

    表  1   不同处理化肥减施比例及养分和绿肥施用量

    Table  1   Chemical fertilizer reduction rate, and nutrient and green manure input in different treatments

    处理
    Treatment
    减施比例 (%)
    Reduction rate
    投入量 Input (kg/hm2)绿肥 (kg/hm2)
    Green manure
    NP2O5
    CK000
    CF2251500
    T−0022515030000
    T−1010202.513530000
    T−202018012030000
    T−3030157.510530000
    T−40401359030000
    T−1001000030000
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20, T−30, T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure.
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    表  2   不同处理3 年期的平均产量及累积增产率

    Table  2   Average yield of 3-year-period and cumulative yield increase under different treatments from 2009 to 2020

    指标 Index处理 Treatment2009—20112012—20142015—20172018—20202009—2020
    产量 Yield
    (kg/hm2)
    CK3353±1190 c3426±599.3 b3363±374.6 b2347±477.8 c3122±517.9 c
    CF7168±541.8 ab5624±1054 a6501±972.2 a5942±605.1 a6309±677.7 a
    T−07509±347.5 ab6299±1154 a6573±994.3 a6437±647.9 a6705±547.9 a
    T−107608±641.3 a6469±865.5 a6709±949.5 a6126±585.1 a6728±633.3 a
    T−207912±474.1 a6352±1056 a6550±1087 a6064±634.9 a6719±819.3 a
    T−308046±598.2 a6459±907.1 a6771±1170 a6009±796.2 a6821±874.5 a
    T−407884±427.4 a6413±710.5 a6527±1219 a5906±816.6 a6683±845.4 a
    T−1006402±432.9 b4725±652.3 ab4853±1370 ab3768±595.9 b4937±1090 b
    相比于CF的累积增产率
    Cumulative yield increase
    rate over CF (%)
    CK−53.23−39.08−48.26−60.50−50.51
    T−04.7612.001.128.336.28
    T−106.1415.033.213.096.65
    T−2010.3812.940.762.056.51
    T−3012.2614.844.161.138.13
    T−4010.0014.020.40−0.605.93
    T−100−10.68−15.98−25.35−36.59−21.74
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer;T−0, T−10, T−20, T−30, T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure. Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P<0.05).
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    表  3   不同处理小麦产量变异系数(CV)和可持续性指数(SYI)

    Table  3   Coefficient of variation (CV) and sustainable index (SYI) of wheat yield under different treatments

    处理 Treatment变异系数 CV (%)产量可持续性指数 SYI
    CK25.000.273
    CF14.780.628
    T−013.050.681
    T−1013.000.683
    T−2015.480.663
    T−3016.090.668
    T−4015.700.658
    T−10024.720.434
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20. T−30,T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure.
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    表  4   2009—2020年不同处理小麦产量趋势灰色线性模型

    Table  4   Linear grey model of wheat yield trends as affected by different treatments from 2009 to 2020

    处理
    Treatment
    y=a+btF
    F-value
    R2b的95%置信区间
    95% confidence interval of b
    CKy=1624.49+3101.18t3164.70**0.9973046.05~3156.31
    CFy=1876.12+6184.30t8339.83**0.9996116.58~6252.02
    T−0y=2120.21+6572.26t10991.98**0.9996509.57~6634.95
    T−10y=2423.34+6619.57t9173.61**0.9996550.46~6688.68
    T−20y=3315.46+6540.24t6780.90**0.9996460.81~6619.66
    T−30y=3465.46+6644.51t7301.78**0.9996566.75~6722.27
    T−40y=3506.76+6504.47t6333.11**0.9986422.74~6586.21
    T−100y=4358.45+4736.55t2137.46**0.9954634.10~4839.00
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。y是一次累加生成的作物产量,t为对应试验的时间。**—P<0.01。
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20, T−30, T−40; T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure. y is accumulated generating operation of crop yield, t is the corresponding time of the experiment. **—P<0.01.
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    表  5   2020年不同处理小麦农艺性状

    Table  5   Agronomic properties of wheat under different treatments in 2020

    处理
    Treatment
    株高 (cm)
    Plant height
    穗长 (cm)
    Spike length
    结实小穗数
    Fertile spikelet number
    穗粒数
    Grain number per spike
    千粒重 (g)
    1000-grain weight
    CK50.15±3.11 c5.81±0.48 c8.28±1.01 c9.12±1.94 c55.90±5.22 a
    CF66.17±1.36 a8.64±0.32 ab13.55±1.15 ab28.95±1.62 a52.04±2.76 a
    T−069.82±0.55 a9.13±0.07 a15.53±0.03 a28.73±1.53 a51.68±2.64 a
    T−1069.37±1.23 a9.16±0.23 a15.30±0.58 a29.87±3.32 a51.91±0.59 a
    T−2068.90±0.43 a9.02±0.39 a15.78±0.71 a31.55±3.61 a52.99±2.16 a
    T−3068.30±0.74 a8.60±0.09 ab14.27±0.39 ab27.45±0.38 a57.74±0.49 a
    T−4066.22±1.81 a8.99±0.15 a13.92±0.94 ab28.47±0.96 a54.89±2.00 a
    T−10060.17±1.86 b7.83±0.51 b12.30±1.22 b18.93±1.28 b53.33±1.20 a
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20, T−30. T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure. Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P<0.05).
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    表  6   不同指标间的相关系数

    Table  6   Correlation coefficients among different indexes

    指标
    Index
    株高
    Plant height
    穗长
    Spike length
    结实小穗数
    Fertile spikelet number
    穗粒数
    Grain number per spike
    千粒重
    1000-grain weight
    产量
    Yield
    株高 Plant height1
    穗长 Spike length0.950**1
    结实小穗数 Fertile spikelet number0.945**0.942**1
    穗粒数 Grain number per spike0.919**0.921**0.874**1
    千粒重 1000-grain weight−0.037−0.091−0.059−0.0611
    产量 Yield0.898**0.828**0.809**0.885**−0.1661
    Note: **—P<0.01.
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    表  7   2020年不同处理土壤养分含量

    Table  7   Soil nutrient contents in different treatments in 2020

    处理
    Treatment
    有机质 (g/kg)
    Organic matter
    速效氮 (mg/kg)
    Available N
    速效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    CK21.90±0.17 b86.87±5.44 c7.10±2.86 e134.3±5.77 b
    CF23.00±0.61 b93.40±2.75 c38.13±5.24 ab169.3±14.43 a
    T−027.63±2.07 a120.2±11.48 ab37.17±3.07 ab173.3±17.79 a
    T−1029.73±2.32 a126.2±5.44 a42.53±3.76 a162.7±15.28 a
    T−2030.07±3.22 a122.0±3.75 ab33.30±9.29 bc157.7±2.89 a
    T−3028.30±1.74 a110.7±6.18 b28.13±3.91 c159.3±7.64 a
    T−4028.27±0.46 a114.0±5.50 b19.43±3.36 d156.0±5.00 a
    T−10028.27±1.08 a121.4±6.18 ab6.53±0.64 e156.0±8.66 a
    注:CK为不施肥对照;CF为100%化肥;T−0、T−10、T−20、T−30、T−40、T−100代表翻压绿肥后化肥分别减量0%、10%、20%、30%、40%、100%。同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。
    Note: CK is no fertilizer control; CF is 100% chemical fertilizer; T−0, T−10, T−20, T−30, T−40, T−100 are reducing the chemical fertilizer rate by 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 100% respectively at the base of applying green manure. Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P<0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-06
  • 录用日期:  2022-10-29
  • 网络出版日期:  2023-03-12
  • 刊出日期:  2023-03-24

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