50份毛叶苕子品种(系)在青海作秋绿肥的能力评价

陈子英，常单娜，韩 梅，李正鹏，严清彪，周国朋，孙小凤*，曹卫东*

（1 青海大学农林科学院土壤肥料研究所，青海西宁 810016；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081）

绿肥可培肥土壤、改善土壤生态环境、增产、提高作物品质等[1-2]，是提升耕地质量和实现化肥减施的重要措施[3]。青海地区作物生长存在一季有余、两季不足。夏季麦收后至冬季临冻前有近3个月的休闲期[4]。毛叶苕子 (Vicia villosaRoth.) 别名毛野豌豆、长柔毛野豌豆，豆科野豌豆属，一年生或越年生攀援性豆科草本植物，是我国栽培利用较广的肥饲兼用绿肥作物之一[5]。毛叶苕子具有早生速发、产草量大、养分含量高的特点[6-7]。在我国西北地区毛叶苕子常与小麦套种或复种，该模式下可减施氮肥20%～30%，保证后茬作物不减产且提高土壤肥力[8-10]。另外，毛叶苕子与小麦轮作，可提高土壤氮素供应及磷素生物有效性，提高小麦产量[11-13]。近年来，西北地区开始探索毛叶苕子等豆科绿肥间作小麦[14]、玉米[15]、果树[16]等新型模式，该模式能利用共生期间豆科固氮作用转移的氮素减少氮肥施用量。同时，间作模式可提高生物多样性，改善土壤环境[16-17]。

毛叶苕子种质资源丰富，品种间差异大。20世纪80年代以来，随着化肥生产施用量的剧增，绿肥种植利用面积降低，以致优质种质资源濒临消失，地方绿肥资源亦存在种性混杂、种质退化、产草量低等问题[18-19]。目前对毛叶苕子种质资源选育工作主要集中于农艺性状[20-21]，而对其产草量及养分吸收能力缺乏综合评价。毛叶苕子作为西北地区常见的豆科绿肥作物，通过与根瘤菌共生可增加土壤外源氮投入培育土壤氮库。豆科绿肥作物根系发达，根系分泌的质子和有机酸 (主要是草酸) 可以活化土壤中难溶性磷、钾[22-24]。不同毛叶苕子品种间固氮及活化磷、钾能力不同，其养分吸收能力亦存在差异。作为绿肥作物，产草量和养分累积量是替代化肥实现种养结合的重要指标[25-27]，综合筛选出产草量高和养分吸收能力强的毛叶苕子品种对其在青海地区生产利用具有重要意义。本试验在秋季测定了田间条件下50份毛叶苕子品种 (系) 分枝期和初花期地上部生物量和N、P、K累积量以及土壤速效养分含量变化，并运用主成分分析和聚类分析进行系统评价，以期筛选出适宜青海地区作绿肥栽培利用的品种(系) 。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于青海省西宁市贵德县红柳滩村 (100°58′～101°47′ E，35°29′～36°23′ N)，海拔 2246 m，年平均气温为7.3℃，年降水量为252.5 mm，年平均蒸发量为1800 mm。试验地土壤类型为栗钙土，0—20 cm耕层土壤基础理化性状：pH 8.15、有机质13.7 g/kg、全氮1.18 g/kg、无机氮40.0 mg/kg、有效磷40.6 mg/kg、速效钾225 mg/kg。

1.2 试验材料

供试毛叶苕子品种为各省主栽品种和种质资源库保藏的品种 (系)，共50份 (表1)。

表1 参试毛叶苕子种质材料编号及品种名称Table 1 The code and cultivar name of the tested hairy vetches

1.3 试验设计

于2020年7月27日在西宁市贵德县进行。试验采用条播，南北朝向，每条2 m，行距1 m (其中0.3 m为过道，每个处理生长面积为2 m×0.7 m)，每个品种(系)设3次重复，播种量为60.0 kg/hm2。

1.4 样品采集与测定

在青海，麦后7月下旬复种毛叶苕子，播种后40天进入分枝期(9月4日)，此时进行第一次采样，采取靠南侧1 m的样品；第二次取样于9月28日进行(播种后63 天)，此时为初花期，在翻压前采靠北侧1 m的样品。

取样时记录全部鲜草产量，然后取部分鲜草记录其产量并将其置于105℃烘箱内杀青30 min，于70℃条件下烘干至恒重，测部分干物质量，再通过比例换算得到全部干物质量。粉碎后的植株样品采用H2SO4-H2O2法消化—用半微量凯氏法测定全氮含量，用钼锑抗比色法测定全磷含量，用火焰光度计法测定全钾含量[28]。鲜土按土水比1∶5加入2 mol/L KCl 溶液，振荡30 min 后，通过流动分析仪 (SEA1 Auto Analyzer 3，德国) 测定无机氮含量。风干土用0.5 mol/L NaHCO3提取—钼锑抗比色法测定有效磷含量，用1 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法测定速效钾含量[29]。

1.5 计算与分析

计算花前植株养分累积增加量、花前植株养分累积增加量所占比例和花前植株养分吸收速率，并通过聚类分析对上述指标进行聚类。各指标具体计算公式如下：

各聚类因子数量级不同，采用极差标准化方法进行数据处理，计算公式为：

式中，yij为第i聚类单元第j聚类因子处理后的值，xij为第i聚类单元第j聚类因子的原始值，xmaxi为第i聚类单元中原始值的最大值，xmini为第i聚类单元中原始值的最小值。

1.6 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2007软件进行整理。应用Origin 2018软件进行主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同毛叶苕子品种 (系) 生物量及养分累积量

2.1.1 不同毛叶苕子品种 (系) 生物量 不同毛叶苕子品种 (系)分枝期和初花期地上部鲜草和干草产量均存在较大的差异(表2)。50份毛叶苕子分枝期鲜草产量为1.58～6.15 t/hm2，山东早熟苕最高；干草产量为0.34～1.02 t/hm2，毛荚野苕子最高，较当地主栽品种青苕1号提高61.47%。初花期鲜草产量为18.35～46.94 t/hm2，平均鲜草产量为32.71 t/hm2，高于平均鲜草产量的品种 (系)有26份，包括毛荚野苕子、78-14、苕藤选等，毛荚野苕子最高；低于平均鲜草产量的品种 (系) 有24份，包括78-61毛苕、南阳早一、苏联苕子等，苏联苕子最低；干草产量为2.82～6.97 t/hm2，平均干草产量为4.60 t/hm2，高于平均干草产量的品种 (系) 有23份，包括78-14、毛荚野苕子、大马野豌豆苕等，78-14 最高，较当地主栽品种青苕1号提高76.90%；低于平均干草产量的品种 (系) 有27份，包括1399毛苕、78-61毛苕、南阳早一等，南阳早一最低。

表2 不同品种(系)毛叶苕子分枝期和初花期的生物量 (t/hm2)Table 2 Biomass of branching and initial flowering stage of different hairy vetch cultivars (lines)

续表2 Table 2 continued

毛叶苕子的特点是早生、速发。从分枝期与初花期鲜草差值可以看出，毛荚野苕子、78-14、苕藤选较青苕1号 (27.04 t/hm2) 增长快，增长量为39.86～42.03 t/hm2；苏联苕子、南阳早一、78-61 苕子增长慢，增长量为16.62～19.60 t/hm2。综上，毛荚野苕子和 78-14 生物量表现较好，初花期产草量和增加量均较高。

2.1.2 不同毛叶苕子品种(系)养分累积量 不同毛叶苕子品种(系) N、P、K累积量表现出较大差异(表3)。供试50份毛叶苕子品种(系)中，分枝期N累积量为14.15～42.69 kg/hm2，苕藤选最高；P累积量为1.22～4.18 kg/hm2，苕藤选最高；K累积量为8.57～28.80 kg/hm2，78-14 最高。初花期植株N累积量为101.51～278.98 kg/hm2，平均N累积量为170.21 kg/hm2，高于平均N累积量的品种 (系) 有25份，包括78-14、毛荚野苕子、苕藤选等，78-14最高；低于平均N累积量的品种 (系) 有25份，包括78-61毛苕、1399毛苕、南阳早一等，南阳早一最低；P累积量为10.39～29.80 kg/hm2，平均P累积量为18.79 kg/hm2，高于平均P累积量的品种(系)有24份，包括78-14、苕藤选、毛荚野苕子等，78-14 最高；低于平均P累积量的品种(系)有26份，包括南阳早一、苏联苕子、1399毛苕等，1399毛苕最低；K累积量为59.33～157.54 kg/hm2，平均K累积量为101.14 kg/hm2，高于平均K累积量的品种 (系) 有24份，包括78-14、大马野豌豆苕、毛荚野苕子等，78-14 最高；低于平均K累积量的品种(系)有24份，包括78-61毛苕、1399毛苕、南阳早一等，南阳早一最低。50份品种(系)中78-14 的N、P和K累积量最高，分别较当地主栽品种青苕1号提高了92.81%、67.51%和86.50%。

表3 不同品种(系)毛叶苕子分枝期到初花期的养分累积量 (kg/hm2)Table 3 Nutrient accumulation from branching to initial flowering stage of different hairy vetch cultivars (lines)

续表3 Table 3 continued

花前N累积增加量为85.14～236.87 kg/hm2，与当地主栽品种青苕1号比较，78-14 增加量最高，南阳早一增加量最低。花前P累积增加量为8.88～26.15 kg/hm2，78-14 增加最高，1399毛苕增加量最低。花前K累积增加量在49.12～128.73 kg/hm2，78-14 增加量最高，南阳早一增加量最低。78-14 初花期N、P、K累积量和花前N、P、K累积量均最高。综上，78-14累积N、P和K的能力最强。

2.2 不同毛叶苕子品种 (系) N、P、K累积能力的主成分分析

为了更客观地评价不同品种(系)毛叶苕子的N、P、K累积能力，采用主成分得分法对分枝期和初花期鲜重、干重和N、P、K累积量以及鲜重增长量和干重增长量进行主成分分析(表4)。按照特征值＞1，且累计贡献率＞85%的原则，提取出2个主成分。主成分1 (初花期鲜重、干重和N、P、K累积量以及鲜重增长量和干重增长量)和主成分2 (分枝期干重和N、P、K累积量)的方差贡献率分别为70.57%和23.98%，累积贡献率达到了94.55%，特征值之和达到了11.34，表明这2个主成分可以表征毛叶苕子的12个指标所反映的信息。50份毛叶苕子资源中排名前5的品种(系)分别为78-14 (M-33)、苕藤选(M-44)、毛荚野苕子(M-25)、山东早熟苕(M-29)、78-171苕子 (M-31)，78-14 (M-33)得分最高，为4.85，苏联苕子(M-20)得分最低，为-5.06。

表4 主成分得分Table 4 The principal components score

2.3 毛叶苕子N、P、K吸收能力的聚类分析

2.3.1 不同毛叶苕子品种 (系) 氮素吸收能力的聚类分析 基于不同毛叶苕子品种 (系) 的主成分分析得分结果，采用组间联接-平方欧式距离聚类法建立聚类树状图，将50份毛叶苕子品种 (系) 聚为4个类群(图1)。类群Ⅰ有22份资源，占44.00%，这一类群中的品种对N素的吸收能力一般，平均吸N量最低，为139.55 kg/hm2，该类群分为2个亚类，亚类Ⅰ-1包括15份资源，亚类Ⅰ-2包括7份资源。类群Ⅱ有15份资源，占30.00%，此类群分为2个亚类，亚类Ⅱ-1包括3份资源，亚类Ⅱ-2包括12份资源。类群Ⅲ有12份资源，占24.00%，此类群分为2个亚类，亚类Ⅲ-1包括11份资源，亚类Ⅲ-2包括1份资源。类群Ⅳ仅有1份资源 (78-14)，占总资源的2.00%，这一类群对N素的吸收能力强，平均吸N量最高，为278.98 kg/hm2。

图1 不同毛叶苕子品种(系)初花期氮素吸收能力的聚类分析Fig. 1 Cluster analysis of nitrogen uptake capacity of different hairy vetch cultivars (lines) at the initial flowering stage

2.3.2 不同毛叶苕子品种 (系) 磷素吸收能力的聚类分析 50份毛叶苕子品种 (系) 聚为4个类群 (图2)。类群Ⅰ有16份资源，占32.00%，此类群分为2个亚类，亚类Ⅰ-1包括9份资源，亚类Ⅰ-2包括7份资源。类群Ⅱ有6份资源，占12.00%，这一类群对P素的吸收能力一般，平均吸P量最低，为13.62 kg/hm2，此类群分为2个亚类，亚类Ⅱ-1包括3份资源，亚类Ⅱ-2包括3份资源。类群Ⅲ有24份资源，占48.00%，此类群分为2个亚类，亚类Ⅲ-1包括14份资源，亚类Ⅲ-2包括10份资源。类群Ⅳ有4份资源，占8.00%，这一类群对P素的吸收能力强，平均吸P量最高，为27.94 kg/hm2，此类群分为2个亚类，亚类Ⅳ-1包括毛荚野苕子、苕藤选、78-14毛苕3份资源，亚类Ⅳ-2仅鲁苕1号1份资源。

图2 不同毛叶苕子品种(系)初花期磷素吸收能力聚类分析Fig. 2 The cluster analysis of phosphorus uptake capacity of different hairy vetch cultivars (lines) at the initial flowering stage

2.3.3 不同毛叶苕子品种 (系) 钾素吸收能力的聚类分析 50份毛叶苕子品种 (系) 聚为4个类群 (图3)。类群Ⅰ有15份资源，占30.00%，这一类群对K素的吸收能力一般，平均吸K量最低，为76.08 kg/hm2，此类群分为2个亚类，亚类Ⅰ-1包括14份资源，亚类Ⅰ-2包括1份资源。类群Ⅱ有19份资源，占38.00%，此类群分为2个亚类，亚类Ⅱ-1包括4份资源，亚类Ⅱ-2包括15份资源。类群Ⅲ有12份资源，占24.00%，此类群分为2个亚类，亚类Ⅲ-1包括3份资源，亚类Ⅲ-2包括9份资源。类群Ⅳ有4份资源，占8.00%，这一类群对K素的吸收能力强，平均吸K量最高，为145.91 kg/hm2，此类群分为2个亚类，亚类Ⅳ-1包括毛荚野苕子、大马野豌豆苕、苕藤选3份资源，Ⅳ-2仅有78-14毛苕1份资源。

图3 不同毛叶苕子品种(系)初花期钾素吸收能力的聚类分析Fig. 3 Cluster analysis of potassium uptake capacity of different hairy vetch cultivars (lines) at the initial flowering stage

2.4 不同养分累积能力的毛叶苕子品种 (系) 对应的土壤速效养分含量变化

基于主成分得分结果，筛选出养分累积能力强的毛叶苕子品种 (系) 共6份 (得分＞3.5)，养分累积能力一般品种 (系) 共9份 (得分＜-4)。由表5可知，种植毛叶苕子显著降低了土壤无机氮、有效磷和速效钾含量，与播前相比，分枝期无机氮含量降低了38.97%～61.80%，初花期降低了57.28～78.80%，分枝期到初花期降低了10.11%～37.74%；有效磷含量在分枝期降低了39.51%～72.55%，初花期降低了48.63%～71.3 9%，分枝期到初花期降低了1.41%～19.80%；速效钾含量在分枝期降低了29.03%～52.89%，初花期降低了31.85%～58.07%，分枝期到初花期降低了1.63%～26.22%。分枝期耕层土壤养分较播前土壤养分降低幅度较大的可能原因是前期毛叶苕子根系不发达，主要以吸收耕层土壤养分为主，后期随着毛叶苕子的根系变发达，可以吸收活化深层土壤中养分，因此分枝期到初花期耕层土壤养分变化（无机氮降低10.11%～37.74%，有效磷降低1.4 1%～1 9.8 0%，速效钾降低1.63%～26.22%）相较播前到分枝期耕层土壤养分变化（无机氮降低38.97%～61.80%，有效磷降低39.51%～72.55%，速效钾降低29.03%～52.89%）幅度小。综上，毛叶苕子对氮磷钾的累积能力较强，麦后复种毛叶苕子能够充分利用休闲期土壤养分资源。

表5 基于主成分分析筛选出的毛叶苕子品种(系)对应的土壤基础养分含量(mg/kg)Table 5 Basic nutrient content of soil grown with the selected hairy vetch cultivars (lines) based on principal component analysis

3 讨论

毛叶苕子种质资源丰富，种性差异大，应因地制宜选育适合当地生产利用的优质品种。无论用于饲草还是用于绿肥与麦田套复种，生物量都是品种选育工作的重要指标[30]。本试验中不同毛叶苕子资源在分枝期和初花期生物量变异均较大，初花期不同品种(系)的鲜草产量为18.35～46.94 t/hm2，其中毛荚野苕子、78-14、大马野豌豆苕和苕藤选产草量较高，均高于当地主栽品种青苕1号。主成分分析和聚类分析结果基本一致，78-14、苕藤选、毛荚野苕子在主成分分析中排名前五，以78-14得分最高，在聚类分析中78-14的N素吸收能力最强，毛荚野苕子、苕藤选、78-14的P素吸收能力最强，毛荚野苕子、大马野豌豆苕、苕藤选、78-14的K素吸收能力最强。综合以上分析结果，78-14表现出较强的N、P、K吸收能力，毛荚野苕子和苕藤选表现出较强的P、K吸收能力。同时，毛荚野苕子初花期鲜草产量最高，为46.94 t/hm2，高于适合作绿肥的鲜草产量标准22.50 t/hm2[31]，主要原因是本研究是麦后复种，没有其他作物的竞争，且青海地区7月中旬麦田收获后到10月初雨热条件充分，充足的养分供应和光热条件极大满足毛叶苕子的生长，充分利用自然资源。

选育利用养分吸收能力强的绿肥能够大幅度降低化肥施用量、促进后茬作物对养分的吸收并实现作物丰产性[32-34]。毛叶苕子生长过程中与根瘤菌共生进行生物固氮，增加外源氮投入，培育土壤氮库[35-36]，毛叶苕子根系发达，通过提高根冠比和根表酸性磷酸酶的活性高效地获取磷和钾[37-39]。本试验50份毛叶苕子的生物量与N、P和K累积量呈现相同的规律，初花期生物量和N、P、 K累积量均高的品种为78-14、毛荚野苕子、大马野豌豆苕和苕藤选，均低的品种为1399毛苕、南阳早一、78-61毛苕和苏联苕子。N、P和K累积量受生物量的影响较大，整体上表现出一致的结果。以本研究中养分吸收能力最强的78-14 为例，1 hm2吸收的养分可替代606.47 kg尿素、262.57 kg氯化钾和232.79 kg过磷酸钙，其翻压还田替代化肥潜力巨大。

近年来随着集约型农业生产的发展，小麦季常年过量施肥使得本试验毛叶苕子播前土壤中无机氮、有效磷、速效钾含量均处于较高的水平。与播前相比，分枝期、初花期土壤无机氮、有效磷、速效钾含量显著降低，说明麦后复种毛叶苕子可以充分利用休闲期土壤养分，能够提高养分有效性，降低氮淋洗和磷钾固定风险[9,40]。本试验分枝期土壤速效养分显著降低，其原因可能是前期毛叶苕子根系不发达，主要吸收耕层土壤养分；而分枝期到初花期耕层土壤速效养分变化相较播前到分枝期耕层土壤速效养分变化幅度较小。其原因可能是随着生育期推进，毛叶苕子的固氮能力增加，一般在初花期达到最高[31]。另外，养分累积能力强的品种罗马尼亚分枝期到初花期土壤有效磷和速效钾含量显著升高，说明毛叶苕子可以通过发达的根系吸收利用深层土壤养分，并通过根系分泌有机酸和提高根表酸性磷酸酶的活性，促使难溶性磷钾养分被活化释放到土壤中供其吸收[41]。

4 结论

50份毛叶苕子品种(系)产草量和N、P、K吸收能力存在差异，吸收N能力强的资源有1份，吸收P、K能力强的资源均有4份，这些资源的平均吸N量、吸P量和吸K量分别达到278.98、27.94和145.91 kg/hm2。其中78-14在主成分分析中得分最高(4.85)，且聚类均被聚在N、P、K养分吸收能力强的类群，表现出较强的N、P、K吸收能力；毛荚野苕子和苕藤选在主成分分析中得分较高(4.69、4.54)，且聚类均被聚在P、K养分吸收能力强的类群，表现出较强的P、K吸收能力。综上，以上3份资源可作为青海地区有潜力的毛叶苕子品种 (系) 在生产中验证。