青海高原麦后复种毛叶苕子对小麦体内养分积累、转运和分配的影响

毛小红，李正鹏，严清彪，韩 梅

(青海大学农林科学院，青海 西宁 810016)

在环境保护和农业可持续发展的背景下，明晰作物对养分的积累、分配和转运规律，对于响应国家化肥减施相关政策措施具有重要意义。在肥料养分综合管理条件下，绿肥养分与化肥养分对作物吸收而言是等效的[1]，作物吸收的养分有50%左右来自于土壤[2]，绿肥养分在土壤中具有更长的滞留时间[3]，使得作物能从土壤中吸收更多的养分，有效提高作物对养分的吸收利用效率。同时，绿肥根茬生长有利于土壤碳氮库的培育和养分的固定[4]，养分固定是影响养分循环的重要机制，有机来源养分比化肥来源养分的微生物固定和库替代作用更为明显[5]，养分库的再循环可以减少下季作物的肥料需求[6]。翻压绿肥减施化肥有利于提高玉米[7]、花生[8]等作物产量，此外，绿肥翻压还田对土壤肥力提升效果明显[9-10]，但关于绿肥替代部分化肥对作物的影响主要集中在南方地区，而在“寒、旱”的青海高原地区，土壤养分难以被作物吸收利用，研究绿肥替代一定比例化肥影响作物体内养分累积、分配和迁移转运规律显得尤其重要。鉴于此，本试验在青海高海拔地区通过翻压毛叶苕子替代一定比例化肥，对小麦体内养分的累积与分配规律的影响进行研究，探究小麦不同生育期各个器官养分积累、分配、养分吸收利用与翻压毛叶苕子的内在联系，以期明确适宜的绿肥替代化肥比例，为青海高原地区土壤培肥、作物增产以及肥料资源高效利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况 本试验在青海省西宁市城北区莫家泉湾(101°45′E、36°43′N)进行，海拔2 300 m，属高原大陆性半干旱气候。年均气温5.9 ℃，作物生长期为220 d。年均降水量367.5 mm，年均蒸发量为 1 729.8 mm。试验区土壤类型为栗钙土。试验前土壤养分含量如表1所示。在整个试验期内，试验地月均温和土壤含水量情况如图1所示。

表1 供试土壤养分含量Tab.1 Nutrient content of experimental soil

图1 试验地土壤含水量和月均温的动态变化Fig.1 Dynamic variations of soil moisture content and average monthly temperature in the test site

1.2 试验材料 供试小麦品种为青春38号，毛叶苕子采用土库曼毛苕。

1.3 试验设计 本试验采用裂区设计，主处理为翻压绿肥和不翻压绿肥，副处理为5个化肥施用梯度，田间采用随机区组排列，小区面积为20 m2(4 m×5 m)，共设10个处理，4次重复，如表2所示。

表2 翻压绿肥减施化肥试验方案Tab.2 Experimental scheme of turning over green manure and reducing chemical fertilizer

1.4 试验方法 毛叶苕子于2019年8月5日播种，播种量为105 kg/hm2，当年10月初花期翻压入土，毛叶苕子鲜草翻压量30 000 kg/hm2。翻压后来年播种小麦，小麦播种量为30 g/m2，小麦于2020年 3月12日播种，2020年7月30日收获。小麦生育期间100%化肥用量为N 225 kg/hm2、P2O5112 kg/hm2，氮肥分2次施肥，基追比为7∶3，分别在小麦播种前和四叶期施用，磷肥于播种前结合翻地一次性底施。

1.5 样品采集及测定方法 分别在小麦苗期、扬花期及成熟期采集植株样品，扬花期分茎、叶、穗，成熟期分茎、叶、颖壳、籽粒。用凯氏定氮法测定全氮，用氢氧化钠碱熔钼锑抗比色法测定全磷，用火焰光度法测定全钾。月均温和土壤含水量通过土壤墒情监测仪获得。

植株养分累积量=取样时期植株干重×取样时期植株养分含量

养分吸收利用率(%)=[(施肥区地上部分养分累积量-不施肥地区养分累积量)/施氮量]×100

养分转运量=开花期植株营养器官养分累积量-成熟期植株营养器官养分累积量

养分转运效率(%)=(养分转运量/开花期植株营养器官养分累积量)×100

养分生产效率(%)=(籽粒产量/施氮量)×100

养分收获指数(%)=(籽粒氮素吸收量/植株氮素吸收量)×100

1.6 数据处理 本试验采用Microsoft Excel 2010整理数据，用SPSS(version 20.0)数据分析软件对数据进行多重比较及方差分析。

2 结果与分析

2.1 翻压绿肥替代不同比例化肥对小麦不同生育期各个器官氮素累积量的影响 表3为不同处理下小麦不同生育期各个器官氮素累积量的变化。在苗期，F70+G与F100处理间无显著差异，但显著高于其他处理。在扬花期，F100+G、F100、F85+G、F70+G和F55处理间无显著差异，最大值为F70+G。两个时期氮素累积量最大的处理为F70+G，该处理下氮素累积量比CK处理高139.46%～231.73%，比F100处理高2.54%～36.37%。在成熟期，氮素在茎秆中的积累特征表现为F100+G、F85+G、F85、F70+G、F70和F55处理间无显著差异,均显著高于CK处理，最大值为F85，比CK处理高215.41%，比F100高90.62%。小麦叶片部氮素累积量F55处理与F100+G、F85处理无显著差异,但显著高于其他处理，F85处理比CK和F100分别高197.56%、100.44%。各个处理颖壳氮素累积量表现为F0+G、CK、F100处理间无显著差异，且显著低于F85处理，最大值为F85,比CK处理高96.79%，比F100处理高113.43%。籽粒氮素累积量在各个处理间表现为F0+G和CK处理无显著差异且显著低于F85+G、F70和F55处理，最大值为F70处理。综上所述，F70+G和F85对氮素的累积量表现出一定的优势且籽粒累积量比CK分别高59.91%、78.51%。

表3 不同处理下小麦不同生育期各个器官氮素累积量Tab.3 Nitrogen accumulation amount in different organs of wheat at different growth stages under different treatments

2.2 翻压绿肥替代不同比例化肥对小麦不同生育期各个器官磷素累积的影响 不同处理下磷素在小麦不同生育期各个器官中的吸收和分配情况如表4所示。在苗期，F70+G与F100处理间无显著差异，但显著高于其他处理，F70+G处理比CK高71.32%，比F100高23.05%；在扬花期，CK和F70处理条件下植株体内的磷素累积量较小，显著低于F100处理，其他处理间无显著差异，最大值为F100处理，其次为F70+G处理；至小麦成熟期，在茎和叶器官中，F100+G处理条件下磷素的累积量最大，其次为F85+G处理；在颖壳器官中各个处理间磷素的累积量无显著差异，最大为F55+G，其次为F85；F0+G处理下籽粒磷素累积量显著低于其他处理，其他处理间无显著差异，籽粒磷素累积量最高的处理为F70，比CK和F100分别高57.01%、45.63%。综上表明,减施化肥有助于磷素在各个器官中累积,且F70+G处理下小麦苗期、扬花期磷素累积量较其他处理高。

表4 不同处理下小麦不同生育期各个器官磷素累积量Tab.4 Phosphorus accumulation amount in different organs of wheat at different growth stages under different treatments

2.3 翻压绿肥替代不同比例化肥对氮素和磷素在小麦体内吸收利用及转运效率的影响 由表5可知，施肥量的增加对氮素吸收利用率的提高无促进作用。F55处理下，氮素的吸收利用率最大，为0.88，显著高于其他处理，而处理F100仅为0.11。比较单施化肥和翻压绿肥替代部分化肥处理发现，除了F100和F100+G处理，其他处理均表现为翻压绿肥替代部分化肥处理能提高氮素的转运效率，且在F70+G、F70处理间差异显著，F70+G处理的转运效率达91%。氮素的生产效率与吸收利用效率有一致的表现趋势，施肥量的增加不利于生产效率的增加，F55+G处理下存在最大值，且显著高于其他处理。收获指数在CK处理下有最大值，与F100和F70处理无显著差异，显著高于其他处理。

表5 不同处理下氮素和磷素在小麦体内吸收利用及转运效率Tab.5 Absorption，utilization and transport efficiency of nitrogen and phosphorus in wheat under different treatments

翻压绿肥替代部分化肥能提高磷素吸收利用率。磷素的转运效率在F70+G处理下最大(92%)，显著高于F55+G和F100+G处理，与其他处理无显著差异；磷素的生产效率随着施肥量的增加有降低的趋势，F100+G处理下存在最小值。施肥量的增加对磷素收获指数的增加无正向调控作用，F100+G处理下最低，F70处理下存在最大值。

2.4 翻压绿肥替代不同比例化肥对小麦不同生育期各个器官钾素累积量的影响 由表6可知，苗期、扬花期以及成熟期茎、叶和颖壳在F70+G处理下钾素累积量最大，且与F100无显著差异。苗期F70+G显著高于其他处理，比CK和F100处理分别高90.95%、36.85%。扬花期F100+G、F85+G、F55、F0+G、F70+G以及F100处理间无显著差异，F70+G处理比CK和F100处理分别高112.05%、17.66%。成熟期茎部钾素累积量表现为F70+G与F100处理间无显著差异，且显著高于其他处理，比CK和F100处理分别高90.91%、36.86%；叶片中钾素累积量在F85、F70和CK处理间无显著差异，显著低于F70+G处理，F70+G处理比CK和F100处理分别高111.25%、17.20%；颖壳中钾素的累积情况为CK显著低于F85、F70、F70+G处理，其他处理间无显著差异，F70+G最大，比CK和F100处理分别高83.38%、42.24%。成熟期籽粒中钾素的累积量在各处理间无显著差异，最大值为F55，其次为F85+G处理，这两个处理相较于CK和F100，钾素累积量能提高30.13%～51.06%。绿肥翻压处理对钾素的转运效率无显著影响，各处理间无显著差异，且F70+G处理的转运效率为71%。除了F100、F100+G处理，翻压绿肥的处理转运效率高于不翻压绿肥处理；收获指数在各处理间无显著差异。

表6 不同处理下小麦不同生育期各个器官钾素累积量Tab.6 Potassium accumulation amount in different organs of wheat at different growth stages under different treatments

2.5 翻压绿肥替代不同比例化肥处理下小麦苗期和扬花期干物质分配转运特征 不同处理下小麦植株各个生育期干物质累积量的特征如表7所示。在苗期，总干重在各个处理间表现为F70+G下最大，与处理F100+G无显著差异，但显著高于其他处理；F70+G较F70处理干物质量提高51.15%，干物质比例表现为F100和F70+G处理间无显著差异且低于其他处理。在扬花期，F70+G处理下总干重有最大值，显著高于F85、CK和F70处理，同时与其他处理无显著差异；扬花期干物质比例在各处理间无显著差异，F0+G、F55+G和CK处理条件下存在最大值。至成熟期，干物质积累量在各处理间差异不显著，随着施肥量的增加，干物质量有一定程度的增加，但在全施化肥情况下对干物质累积量没有增加作用，在F70+G处理时存在最大值(89.27 g)。

表7 不同处理下小麦苗期和扬花期干物质分配转运特征Tab.7 Distribution and transportation characteristics of dry matter in wheat seedling stage and flowering stage under different treatments

3 讨论与结论

小麦扬花期后干物质的积累是决定产量的基础[11]。在农业生产中，可通过农艺措施来调节干物质的积累及分配，从而提高养分的转运效率[12-14]。本研究中，在苗期，干物质的积累以绿肥配施氮素157.5 kg/hm2、磷素78.75 kg/hm2处理条件下最高(7.86 g)，且与常规全量施肥有显著差异，施肥量的过度增加对干物质的积累无积极效应，这与马瑞琦等[15]的研究结果一致。而较不翻压绿肥处理，翻压绿肥处理能提高小麦干物质量51.15%，这与黄柯铭等[16]研究秸杆还田对小麦产量影响时得出的结果一致。小麦籽粒中的干物质有2/3的物质来自扬花期后功能叶片的光合作用积累[14]，因此，提高扬花期后干物质的积累量对产量的贡献巨大。本试验结果表明，绿肥配施氮素157.5 kg/hm2、磷素78.75 kg/hm2处理能有效促进扬花期后干物质向籽粒转移。

养分运筹对作物养分的吸收、累积和转运尤为重要，是提高肥料利用效率的关键[17]。化肥配施有机肥能促进养分在各个器官中的合理分配[18]。本试验中，小麦成熟期各个器官氮素累积量基本表现为籽粒>茎>叶>颖壳，这与赵小星等[19]的研究结果一致。磷素累积量多表现为籽粒>叶>茎>颖壳，另外，成熟期翻压绿肥处理籽粒中磷素累积量均低于未翻压绿肥处理，可能是翻入田间的绿肥吸收并富集了部分磷素。钾素在各个器官中的分配以叶片中最高，养分没有向生殖器官转移，可能是本试验中没有配施钾肥，钾素比较匮乏，小麦吸收的养分用于叶、茎等营养器官的生长。前人利用15N标记技术也证明过，描述小麦最大的养分“源”是叶[20]。养分的吸收利用效率、生产效率、转运效率与养分收获指数，都体现了肥料与收益之间的效益关系，施肥量过度增加，各指标有变小的趋势，过度施肥不利于绿肥减肥增效功能的发挥，较高的施肥量促进了作物的营养生长而抑制了生殖生长[22]，化肥与绿肥之间的耦合效应使得在全施化肥条件下翻压绿肥反而降低氮素的收获指数。在本试验中全施化肥时氮素的利用率仅为11%，而在绿肥配施氮素157.5 kg/hm2、磷素78.75 kg/hm2时氮肥的利用效率保持在50%左右，较单施化肥处理，配施绿肥还能提高磷素的利用效率，实现了环境与经济效益的有机统一。另外，翻压绿肥对养分的合理运筹有正向的调控作用，有助于养分转运效率的增加，源于翻压绿肥能增加肥料在土壤中的滞留时间[24]，增加作物对养分的吸收量，提高肥料利用效率[25]。综上可知，绿肥配施氮素157.5 kg/hm2、磷素78.75 kg/hm2时能显著提高小麦的干物质累积量，能有效促进养分物质的大量积累，同时征调养分从营养器官向生殖器官转移，进而提升了养分利用效率、转运效率、生产效率和收获指数。在此条件下，氮素和磷素的吸收利用率分别为48%、11%，氮、磷、钾素的养分转运效率分别为91%、92%、71%。