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农田土地裸露导致土壤质量下降及土壤侵蚀等问题日益严重，而覆盖作物被广泛用于增加土壤团聚体及土壤碳固存[1]、减少土壤养分淋溶和土壤侵蚀[2-3]。新疆春小麦麦后夏季休闲期长达 3 个月。同时，目前新疆小麦生产普遍存在化肥投入过量的现象[4]，导致产量和农民经济收益下降、土壤退化、环境污染等问题，这不适应农业提质增效的需求，不利于农业绿色可持续发展。绿肥填闲在时间和空间层面上可以有效提高夏休闲期自然资源及化肥残效的利用，是提升滴灌麦田土壤肥力的有效措施；并且基于主要作物优化施肥结构的基础上进行绿肥填闲，能够有效地改善种植体系。
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新疆天山北坡盆地内水平分布的土壤有机质含量低，盐分在土体表层聚集现象明显[5]，夏休闲期土地裸露带来土壤质量下降风险，滴灌农田复播大豆、油葵兼顾经济效益、生态效益、社会效益且符合气候适宜性[6]。豆科作物由于其根系的结瘤固氮特性，被广泛用于培肥土壤。研究表明，绿肥翻压后通过保持较低的碳氮比（C/N）或较高的氮含量，促进了绿肥残渣腐解及养分释放[7]，进而显著影响土壤全氮（TN）、有机碳（SOC）含量[8-9]。也有研究表明，有机肥替代处理下复种豆科绿肥可使氮素利用效率提高 1.3～2.0 倍[10]。油葵绿肥具有生物量大以及富磷、钾的特点，是农田填闲及培肥土壤，减少土壤盐分的较优选择[11-13]。前人通过对绿肥翻压后的腐解及养分释放特性进行了深入研究，阐明了绿肥压青对新疆地区棉田的培肥效应，但麦后复播绿肥的绿肥生育期土壤养分变化，绿肥作物对化肥残效利用效果和年际间的短期效应却鲜有研究。
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因此，本文通过两年大田定位试验，在 3 种不同施肥处理的麦田土壤上复种大豆、油葵绿肥，通过结合两种绿肥年际间的养分积累情况及土壤养分指标的响应，评价两种绿肥对土壤的培肥效果，进而明确该管理措施的短期效应，以期为天山北麓麦田土壤-作物互作的绿色高效生产模式提供一定的数据支持。
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1 材料与方法
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1.1 研究区概况
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试验区位于新疆石河子大学农学院试验场 （44°32′N，85°91′E，海拔 450 m），该地位于天山北麓中段，准噶尔盆地南部，属于温带大陆性气候，冬季漫长而寒冷，夏季干旱少雨，光温资源丰富，日照时间为 2700～3000 h，日照百分率为 60 %～70 %，年均温 7.5～8.2℃，年最高气温 38℃，年降水量 180～270 mm，年蒸发量 1500～2000 mm，无霜期 168～171 d。试验区土壤类型为草甸土，2020 年试验开始前耕层（0～20 cm）土壤基础理化性质见表1。
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注：CK、CF、OF 分别代表绿肥播种前（2018—2020 年）小麦生育期施肥情况。其中，CK：小麦生育期内不施肥；CF：常规施 N 300 kg·hm-2， P2O5 133 kg·hm-2；OF：有机肥替代 20% 化肥。
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1.2 试验设计
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本试验在连续 3 年（2018—2020 年）滴灌条件下春小麦（新春 38）不同施肥处理的基础上开展麦后复播绿肥试验，采用两因素裂区试验设计，包括 3 个主区：不施肥（CK）、常规施用氮、磷肥（CF）、有机肥替代 20 % 化肥（OF），副区设置两种绿肥和休闲（XX）处理，绿肥分别为大豆（Glycine max L.，代码 DD，品种为贺豆 9 号），油葵（Helianthus annuus L.，代码 YK，品种为新葵 20 号），每个处理 3 次重复。小麦生育期内常规施肥和有机肥替代化肥处理氮、磷养分保持一致，分别为 300、133 kg·hm-2。OF 处理中，有机肥作为基肥在小麦播种前施入土壤，其 N 和 P2O5 的含量分别占 CF 处理总养分的 20%，追肥策略与 CF 处理保持一致。供试有机肥为商品有机肥，其养分含量为有机质≥45.00%、 N≥1.78%、P2O5≥1.96%、K2O≥0.53%。试验地总面积为 2983.5 m2，于 2020 年 7—10 月和 2021 年 7—10 月进行复播绿肥试验，以不复播绿肥为休闲对照（XX），绿肥处理各小区面积为 19.5 m2 （6.5 m×3 m），麦田其余部分均为休闲对照，采用 1 管 2 行滴灌，行距均为 30 cm 种植模式，大豆种植密度为 66.7×104 株·hm-2，油葵种植密度为 10.0×104 株·hm-2，总灌水量为 3000 m3，分 3 次（出苗水，20、40 d）滴灌，绿肥生育期内均不进行施肥，其他田间管理措施各处理保持一致。
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1.3 样品采集
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2020 年 7 月 20 日大豆、油葵绿肥播种，7 月 27 日出苗，10 月 1 日绿肥翻压；2021 年 7 月 24 日播种，7 月 31 日出苗，10 月 1 日绿肥翻压。分别于出苗后 20、40、60 d 进行取样，在每个小区随机取完整植株样品 10 株用于测定植株鲜重、干物质及植株 N、P、K 养分积累量。使用直径为 5 cm 的不锈钢土钻于各小区随机选择 3 个样点取土壤耕层（0～20 cm）样品，土样混合均匀去除杂物、风干后用于测定土壤全量养分及速效养分。
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1.4 样品测定
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植株样品分为茎、叶测定鲜重，鲜样在烘箱 105℃杀青 30 min 后 75℃烘干 72 h，用于测定植株干物质，干样各器官粉碎后过 0.15 mm 筛用于测定植株全 N、P、K 含量。植株样经 H2SO4-H2O2 消煮后，消煮液用于测定 N、P、K 浓度，植株 N 采用奈氏比色法、植株 P 采用钒钼黄比色法、植株 K 采用火焰光度法测定。绿肥产量根据各小区实际产量及各小区面积折算为 kg·hm-2，干物质量根据密度折算为 kg·hm-2。
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植株养分积累量（kg·hm-2）= 单株干物质量 × 种植密度 × 植株养分含量
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土壤 pH 值测定采用电位计法（水土比 2.5∶1） 测定；土壤含水量采用烘干法测定；土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法测定；土壤全氮采用半微量开氏法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定[14]。
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1.5 数据处理与分析
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使用 SPSS 22.0 软件进行方差分析；采用三因素方差分析研究年际、施肥处理、绿肥处理及其交互作用对地上部及地下部的影响；同一施肥处理下不同绿肥处理之间采用单因素方差分析，Duncan 新复极差法（P<0.05）进行多重比较。使用 Excel2016 进行图表制作。
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2 结果与分析
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2.1 不同施肥处理对麦后绿肥地上部生长的影响
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两种绿肥作物产量、干物质积累量变化如图1 所示。绿肥整个生育期内，不同施肥处理显著影响绿肥干物质及养分积累，两种绿肥在不同时期总体趋势表现为 OF>CF>CK。2020 年及 2021 年大豆、油葵盛花期（60 d）产量均表现为 YK>DD，两年中 OF 施肥下 YK 产量最高，分别为 75492.3 和 68213.9 kg·hm-2；大豆产量较低，分别为 16733.2 和 15011.4 kg·hm-2；OF 处理下 YK 产量 2020 年较 CK 处理增加 287.6%，较 CF 处理增加 44.0%，2021 年较 CK 处理增加 275.8%，较 CF 处理增加 44.1%（P<0.05）。干物质积累与产量形成规律一致，表现为不同施肥下同一绿肥干物质积累 OF>CF>CK，同一施肥处理两种绿肥干物质积累表现为 YK>DD。
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图1 各时期绿肥地上部产量及干物质积累变化
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注：柱上方不同小写字母表示各时期不同施肥处理间差异显著（P<0.05）。下同。
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图2 显示，绿肥地上部氮、磷、钾养分积累规律与干物质积累规律相似，两年均表现为同一绿肥处理下 N、P、K 积累量 OF>CF>CK，同一施肥处理下表现为 YK>DD；OF-YK 处理 2020 年 N、P、K 积累量最高，分别为 143.6、82.7、397.7 kg·hm-2，2021 年分别为 200.6、64.5、340.9 kg·hm-2；OF-DD 处理 2020 年 N、 P、K 积累量分别为 107.0、39.1、69.2 kg·hm-2，2021 年分别为 158.0、37.7、86.0 kg·hm-2。
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三因素方差分析（表2）表明，年际（Y）显著影响 N 积累量、干物质积累量、鲜草产量；绿肥种类（GM）及 GM×T（施肥处理）均显著影响各指标；T 显著影响 K 积累量、干物质及鲜草产量； Y×GM 仅对 N 积累量有显著影响；Y×GM×T 显著影响 N、P、K 积累量。
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2.2 土壤养分变化
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2.2.1 有机替代对绿肥各时期土壤速效养分的影响
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连续两年研究结果均为 OF 处理的绿肥干物质和养分积累量最高，因此进行 OF 施肥下复种不同绿肥及夏休闲处理的速效养分变化分析。结果表明，两年均存在相同趋势，即土壤养分随着两种绿肥的生长呈现逐渐降低的趋势，休闲处理的土壤养分表现为缓慢降低的趋势（图3）；2020 年和2021 年 DD、YK 各时期土壤碱解氮含量整体表现为 DD 显著高于 YK、XX，并且 DD 收获期 2021 年较 2020 年土壤碱解氮显著增加了 15.1%（P<0.05）； 2020 和 2021 年各时期土壤有效磷含量差异不显著；两年各时期土壤有效钾含量整体表现为 YK 显著高于 DD，而 XX 土壤速效钾含量显著高于 DD； 2021 年 YK 收获期土壤速效钾含量较 2020 年显著增加了 6.5%（P<0.05）。
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图2 各时期绿肥地上部 N、P、K 积累量
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注：表中为 F 值，其中，*、** 分别代表差异性显著且 P<0.05、P<0.01，ns 代表差异不显著。
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图3 2020-2021 年各处理不同时期土壤养分变化
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注：不同字母表示 OF 处理下各时期两种绿肥及休闲处理土壤养分含量差异达显著水平（P <0.05）。
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2.2.2 年际间绿肥处理 60 d 土壤物理化学指标响应
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2020 年和 2021 年绿肥 60 d 土壤物理及化学指标对不同施肥处理的响应如表3 所示，土壤 pH 各处理年际间 2021 年较 2020 年有显著降低，其中 CF 和 OF 施肥下各处理均显著低于 CK 处理； 土壤含水量总体呈现绿肥处理显著高于休闲处理，2021 年 DD 显著高于 YK； 土壤容重（BD） 处理间均无显著差异。不同施肥处理土壤有机碳 （SOC）含量表现为 OF>CF>CK 且均存在显著性差异（P<0.05），不同绿肥处理表现为 YK>DD>XX （P<0.05）；2021 年较 2020 年相比 XX 处理有机碳减少了 0.85%～4.30%；DD、YK 的 SOC 含量分别增加了 0.93%～6.65%、0.28%～14.56%。不同施肥处理下土壤全氮（TN）含量均体现为 OF>CF>CK （P<0.05），2021 年所有施肥处理中两种绿肥处理 TN 含量均显著高于 XX 处理（P<0.05），OF 处理间表现为 DD 显著高于 YK（P<0.05）；2021 与 2020 年相比，XX 处理 TN 含量减少了 6.9%（P<0.05）； DD、YK 的 TN 含量分别增加了 0.19%～5.14%、 0.54%～1.22%；土壤碳氮比（C/N）2021 年显著高于 2020 年（P<0.05），不同施肥处理之间 OF 显著高于 CF、CK 处理（P<0.05）。
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三因素方差分析表明，除土壤 TN 含量外，其余指标均受年际因素影响显著；施肥处理显著影响土壤 pH、含水量、SOC、TN、C/N。绿肥处理显著影响除土壤 BD 外的其余指标。Y×T 仅显著影响 SOC 含量（P<0.05）；Y×GM 显著影响 SOC（P<0.01）、土壤 TN（P<0.05）；T×GM 仅显著影响土壤含水量（P<0.05），Y×T×GM 显著影响土壤 pH（P<0.05）、 C/N（P<0.01）。
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3 讨论
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3.1 施肥处理中两种绿肥干物质及养分积累量的变化
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连续 3 年施肥处理的滴灌麦田土壤养分已产生显著变化（表1）。两种绿肥产量及干物质积累量两年均表现为 OF>CF>CK，YK>DD，且差异显著。已有研究表明，不同土壤类型下土壤养分有效性不同，导致有机替代培肥效率差异大[15]，但仍然要优于常规施用化肥[16-17]，这与本研究结果相同。一方面是因为 OF 处理中有机肥养分长效释放的优势得以被绿肥作物有效利用；另一方面因为有机肥含有大量微生物，且增加了土壤有机质含量，影响了土壤微生物的群落组成，进而影响土壤养分循环和植物生长[18-19]。具体表现为 OF 处理中土壤有效养分含量显著高于 CF 处理，从而导致 OF 处理中的绿肥干物质积累量显著高于 CF 处理。然而，同一施肥处理下两种绿肥相比，油葵有更大的生物量，物种的差异是其生物量差异的主要原因。不同绿肥的养分积累量与地上部干物质积累量呈正相关，且油葵显著高于大豆。因此，其养分还田量不同，这将会对地力产生直接影响。在基于减施化肥的基础上进行等 N、P 有机替代，在保证主要作物产量及经济效益的基础上[17]，能够为复种作物提供盈余的养分，一方面降低了土壤养分损失，另一方面提高了农田土地利用率。
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注；表中为 F 值；同列数据后不同大写字母表示不同施肥处理间差异水平（P<0.05），小写字母表示不同绿肥处理间差异水平（P<0.05）；其中，*、** 分别代表差异性显著且 P<0.05、P<0.01，ns 代表差异不显著。
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3.2 有机替代下两种绿肥及休闲处理土壤速效养分的变化
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绿肥填闲期间通过利用农田的化肥残效进行养分固持及涵养水分，由于目前新疆小麦生产仍处于过量施用化肥的情况，种植绿肥并检测土壤养分动态变化有重要意义，能够为进一步优化北疆麦区施肥策略提供一定理论依据。
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本研究表明 2020—2021 年，DD、YK 均显著增加土壤碱解氮（图3），这与还田后减少土壤裸露时间，降低土壤有效氮的损失，进而有效改善主要作物 + 填闲作物的种植体系密切相关，同时，也有研究通过对肥料进行 15N 标记发现 YK 根系菌株 YAS34 能够提高油葵生育期内对氮素的吸收，进而提高肥料的利用效率[20]。DD 土壤碱解氮含量显著高于 YK，这可能与 DD 的根系特性有关。前人研究表明，豆科植物可以从大气中固定氮，富氮残基的快速矿化可以丰富土壤无机氮，满足后续作物对氮的需求[21]；相较于非豆科作物，豆科作物的根系结瘤固氮能够为植物提供额外数量的有效氮[22]，并且随着有机替代年际积累，DD 的引入能够显著影响土壤氮素循环进而影响碱解氮含量。
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两种绿肥生育期内土壤有效磷含量均逐渐降低，且两年均在第 60 d 时 DD 高于 YK，这可能因为 YK 生物量远远高于 DD，对磷的需求量更多；2021 年 YK 土壤速效钾含量较 2020 年显著增加，且年际间绿肥生育期内 YK 速效钾含量始终高于 DD；这可能与菊科作物油葵活化土壤钾素有关[11]，有研究表明，油葵根系分泌物生育期内能够显著改善根系周围的土壤结构，抵消水分亏缺对生长的负面影响[20]。由于供试麦田土壤钾含量较高（表1），进而导致年际间 YK 根系活化后的土壤速效钾含量显著增加。
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3.3 绿肥填闲并还田对土壤理化性质的影响
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本研究表明，土壤 pH、BD 年际间各处理差异不显著（表3），这说明 2 种绿肥还田的短期效应尚不能显著影响土壤 pH、BD，这是因为绿肥种植时间较短（两年）；土壤耕作带来的土壤扰动导致绿肥处理对耕层土壤的影响效果并不显著可能是另一个原因[23]。前人研究表明，15 年的长期填闲试验下施氮处理耕层 BD 较休闲处理降低 4%[24]。干旱年份玉米-大豆轮作系统下引入黑麦草填闲，其改善表层土壤水分条件的作用远大于休闲土壤[25]，这与本研究结果相同，即种植绿肥较休闲土地能够有效降低耕层土壤水分散失（表3），进而有效抵御土壤质量下降，也有研究认为，秋耕加快土壤的冻结和融化速度[26]，结合本研究结果，可推测北疆秋季进行绿肥翻压相较于休闲土地，有更显著的涵养水分及养分能力，为春播提供较优条件。
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SOC 是土壤碳库的重要组成部分，它可以提高土壤质量，而施用有机肥被认为是增加 SOC 的重要措施之一[27]。本研究发现，不同施肥处理的 SOC 表现为 OF>CF>CK，从施肥策略上讲，尽管有机替代与常规施肥的总氮磷养分含量一致，但是有机肥的投入意味着土壤中外源 SOC 的引入， 这是不同施肥处理间 SOC 产生显著差异的外在原因；其次，施用有机肥通过增加土壤活性 SOC 的含量，改变土壤碳周转速率[28]，进而达到碳固存的目的，这可能是内在原因。与常规施肥相比，有机替代能够显著影响土壤微生物群落环境[29]，本研究的结果表现为碳氮比的显著差异（表 3）。保持氮投入相同的有机替代策略影响了土壤 TN 在施肥处理水平上的差异，土壤微生物群落环境的变化可能是主要原因，因为微生物介导的碳氮协同效应[30]，由于 SOC 含量的差异引起了土壤 TN 的变化。从麦后复种绿肥的种植体系上讲，休闲期土地裸露会降低 SOC 含量和微生物活性，而基于优化施肥策略的基础上进行复种绿肥，可能会强化土壤中碳的周转和碳氮的协同变化。本研究中，有机替代下大豆绿肥翻压后土壤中较低的 C/N （表 3）和较高的氮含量可能是土壤 TN 含量显著高于油葵绿肥的主要原因；值得注意的是，为了明确不同绿肥种类间 SOC 产生差异的原因，应该在常规施肥下进行讨论，油葵和大豆相比有更大的生物量，其对氮素的需求要大于大豆，而高生物量意味着更多的新鲜有机物料投入，生物量的差异是油葵绿肥翻压后 SOC 产生显著差异的主要原因。
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4 结论
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有机肥替代 20% 化肥施肥的滴灌麦田土壤能够有效促进两种绿肥填闲期间的干物质积累，并显著提高绿肥产量。麦后休闲处理土壤速效养分显著降低，且土壤含水量、SOC 及土壤 TN 均显著低于绿肥处理，滴灌麦田夏季休闲存在土壤质量下降风险。大豆、油葵填闲并还田有利于土壤碱解氮、有效磷、速效钾的积累；大豆绿肥有利于提供额外数量的有效氮，进而显著提高年际间土壤 TN 含量； 油葵绿肥有利于活化土壤钾素且由于较大的生物量进而显著提高年际间 SOC 含量。因此，大豆及油葵绿肥填闲均能短期有效培肥土壤从而有利于改善土壤-作物-生态-环境互作的生产模式，是适宜天山北麓滴灌小麦高效绿色栽培的种植模式。
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摘要
明确夏休闲期种植并翻压不同绿肥对不同施肥处理麦田土壤主要肥力性状的影响，为提高滴灌麦田土壤质量提供理论及数据支持。通过两年的田间定位试验，在 3 种施肥方式（CK：不施肥、CF：常规施用氮磷肥、 OF：有机肥替代 20% 化肥，均已连续 3 年）下设置两个绿肥处理（DD：大豆，YK：油葵）及休闲对照（XX），分别在绿肥生育期 20、40、60 d 测定绿肥植株干物质、养分积累及土壤理化性质。结果表明，2020 年和 2021 年不同施肥处理的绿肥产量均为 OF 最高，两种绿肥生物量均表现为 YK>DD；绿肥翻压第二年，OF-YK 生物量为 68213.9 kg·hm-2，其地上部 N、P、K 积累量分别为 200.6、64.5、340.9 kg·hm-2；OF-DD 收获期土壤碱解氮增加了 15.1%，OF-YK 收获期土壤速效钾含量增加了 6.5%。不同绿肥处理土壤含水量 2 年均表现为绿肥 > 休闲；不同施肥处理土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）含量均表现为 OF>CF>CK，不同绿肥处理 SOC 表现为 YK>DD>XX， TN 表现为 DD>YK>XX。2021 年与 2020 年相比，XX 处理 SOC 减少了 2.6%，TN 减少了 6.9%；OF 处理 2021 年与 2020 年相比，YK 的 SOC 增加了 5.9%，DD 的 TN 增加了 1.22%。综上，大豆、油葵填闲并还田能够有效改善土壤水分条件，提高土壤 TN、SOC、碱解氮、速效钾含量；具有培肥土壤、提高土壤 SOC 含量的作用；大豆绿肥填闲具有结合减量施用氮肥进而改善农田生态的潜能，有机替代 20 % 化肥结合油葵绿肥能够增碳培肥土壤。
Abstract
In order to provide a theoretical and data support for improving the soil quality of drip irrigation wheat field，a 2-year field experiment was conducted in the northern piedmonts of Tianshan area to investigate the effect of different green manures on the main fertility properties of wheat field soil．Two green manure treatments and fallow control（DD：soybean， YK：sunflower，XX：fallow control）were set up under three fertilization methods（CK：no fertilizers，CF：conventional application of nitrogen and phosphorus fertilizers，OF：20% mineral fertilizers replaced by organic fertilizers．These treatments had been going on for 3 years），the plant dry matter，nutrient accumulation and soil physical and chemical properties were measured at 20，40 and 60 days of the green manure growth．The results showed that the yield of green manure in different treatments in 2020 and 2021 was the highest in OF treatment，and the biomass of the two green manures showed YK>DD．In 2021，the biomass of OF-YK was 68.2 t·hm-2，and the accumulation of N，P and K in shoot was 200.6，64.5 and 340.9 kg·hm-2，respectively．Soil available nitrogen content increased by 15.1% at OF-DD harvest stage，and soil available potassium content increased by 6.5% at OF-YK harvest stage．The soil water content of different green manure treatments showed green manure>fallow for both years；the organic carbon（SOC）and total nitrogen（TN） contents of different fertilization treatments all showed OF>CF>CK，and the SOC of different green manure treatments showed YK>DD>XX ，TN performance was：DD>YK>XX．Compared with 2020，the SOC of XX treatment in 2021 reduced by 2.6%， and the TN reduced by 6.9%．Compared with 2020，the SOC of OF treatment in 2021 increased by 5.9%，and the TN of DD increased by 1.22%．In conclusion，Soybean and sunflower returning to the field can effectively improve soil moisture conditions，increase soil total nitrogen，organic carbon，soil available nitrogen，and available potassium content；it has the function of fertilizing the soil and increasing the soil organic carbon content；multiple cropping of soybean has the potential to improve farmland ecology by reducing nitrogen application．20% of mineral fertilizer replaced by organic fertilizer combined with sunflower green fertilizer can increase soil carbon content and improve soil fertility.
Keywords
wheat field with drip irrigation ； catch crop ； soybean ； sunflower ； soil fertility improvement