内蒙古河套灌区是我国重要的优质春小麦生产基地^[1]，近年来小麦年播种面积在 13.3 万 hm² 左右，年产优质商品麦 90 万 t。但多年来，该区域化肥过量等不合理使用，导致施肥效果下降、肥料利用率降低、农业生产成本增加等问题较为突出^[2]，严重破坏了土壤养分平衡与土壤生态环境^[3]，过量施用氮肥造成的环境污染压力日益突出^[4]。土壤有机质含量低、化肥投入高、土壤肥力下降等问题成为当地春小麦产业发展的限制性因素^[5]。因此，在保证春小麦增产稳产的前提下，减少农田氮肥投入是实现河套灌区农业可持续发展的重要途径。春小麦单作是河套灌区主要种植模式之一，收获后耕地闲置期长达 90 d 左右，使得光、热等自然资源利用不足。提高春小麦后茬复种指数，增加农民收入，成为河套灌区农业生产中亟需解决的问题。绿肥对我国传统农业生产起到举足轻重的作用^[6-8]，相关研究表明，利用夏季空闲茬口种植一季绿肥作物，既能充分利用光热资源^[9]，增加地面覆盖，保持水土^[10]，绿肥翻压后还可以促进土壤养分循环、提升土壤肥力^[6-12]，提高作物产量和品质^[13]，降低化肥投入^[14]，同时绿肥也是一种良好的饲料^[3]。

豆科绿肥毛叶苕子（Vicia villosa Roth）是内蒙古河套灌区麦后复种常用的绿肥作物，在该地区农业生产中适应性较强。将豆科毛叶苕子纳入主栽作物轮作体系中，能够起到替代部分化学氮肥、减少化学氮肥投入的作用。有研究发现^[4，14]，在禾本科作物组成的轮作体系中引入豆科绿肥，能够提高土壤肥力，增加轮作系统的经济收益。但是，春小麦复种毛叶苕子较春小麦单作投入增加，一定程度上不利于农业生产的经济效益，这也使得农民在选择麦后复种绿肥模式上的积极性不高^[13，15]。而将毛叶苕子一半作为饲草，剩余还田，既提高了农民种植的积极性，也实现了经济效益与土壤培肥、作物增产的统一。目前，西北地区农业生产中种植绿肥促进主栽作物增产、增效的研究已有报道^{[7，13-14，16-17]}，但对于河套灌区麦后复种绿肥条件下，绿肥 50% 还田结合氮肥减量对春小麦复种绿肥体系周年产量及土壤肥力、经济效益的影响鲜见报道。为此，本研究基于 2 年大田试验，旨在探讨麦后复种绿肥翻压替代部分氮肥对下茬春小麦产量、土壤肥力及周年经济效益指标的影响，以期为该区建立春小麦绿色生产模式提供科学依据和技术支持，落实国家“化肥减量”行动。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

2018—2020 年在河套灌区巴彦淖尔市农牧业科学研究所园子渠试验站（40°90′N，107°17′E）进行大田试验。该试验区海拔 1035 m，属典型中温带大陆性季风气候，多年平均气温 7.7℃，降水量 160 mm、潜在蒸发量 2030 mm，日照时数 3263 h，≥ 10℃积温 3362.5℃，无霜期 117～136 d。2018—2020 年小麦生育期平均气温分别为 17.8、16.8 和 16.6℃，降水量分别为 34.9、65.4 和 92.5 mm；2018—2020 年绿肥生育期平均气温分别为 18.4、19.8、20.6℃，降水量分别为 76.9、26.7、91.5 mm（图1）。试验地土壤为壤土，前茬为春小麦，地势平坦，排灌方便。0～20 cm土壤基础地力：有机质 15.8 g/kg，全氮 0.91 g/kg，碱解氮 73.1 mg/kg，有效磷 32.5 mg/kg，速效钾 140 mg/kg，pH 值 8.9，全盐 0.26 g/kg。试验土壤肥力中等，地力均匀。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，以麦后夏休闲 + 小麦常规施氮为对照（CK），毛叶苕子 50% 还田为处理，设置 3 个氮水平：减氮 10%（GN₉₀）、减氮 20% （GN₈₀）和减氮 30%（GN₇₀），共 4 个处理，各 3 次重复，小区面积 6 m×12 m=72 m²。供试小麦品种为当地主推的“永良 4 号”，播种量 375 kg/hm² ，条播，行距 13.5 cm；毛叶苕子品种为“土库曼毛叶苕子”，播种量 75 kg/hm²，条播，行距 13.5 cm，盛花期鲜草翻压还田。小麦季统一施基肥磷酸二铵（N 18%，P₂O₅ 46%）391 kg/hm²，即 N 70.4 kg/hm²，P₂O₅ 180 kg/hm²； 追肥用尿素（N 46%），CK、GN₉₀、 GN₈₀、GN₇₀ 用量分别为 336.1、287.2、238.3、 189.3 kg/hm²，即 N 154.6、132.1、109.6、87.1 kg/hm²； 不施钾肥。麦后复种绿肥季除 CK 外，统一施基肥磷酸二铵（N 18%，P₂O₅ 46%）150 kg/hm²，即 N 27 kg/hm²，P₂O₅ 69 kg/hm²。绿肥还田量为当年折合干草产量的 50%，2018 年为 2465 kg/hm²，2019 年 3508 kg/hm²，2020 年 1963 kg/hm²。试验各处理及春小麦、绿肥化肥投入量等如表1 所示。

1.3 田间管理

2018 年为预备试验，探究种植绿肥及还田和氮肥减施对春小麦产量及肥力指标的调控效应，本文采用 2019 与 2020 年的试验数据。本试验为田间定位试验，即在同一地块连续种植 3 年。试验年度作物播种、收获及绿肥翻压时间、灌溉量如表2 所示，小麦季分别于分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期灌水 4 次，每次灌水 450 m³ /hm²，其他管理措施按当地常规进行。春小麦收割后机播绿肥，并在毛叶苕子盛花期时用秸秆还田机粉碎，按 50% 翻压还田并移除多余的部分。

1.4 测定内容和方法

产量：春小麦于收获期每小区选取 3 个代表性样点，每个样点 3.14 m²，自然风干后脱粒测定产量，产量按含水量 13% 折合计算。绿肥毛叶苕子于盛花期收获进行全区测定鲜草产量，绿肥翻压前另取 20 株绿肥植株，测定其植株含水量，根据含水量换算绿肥干草重。

春小麦农艺性状：于收获期随机取 20 株小麦进行考种，测定小麦穗长、小穗数、结实小穗数、不孕小穗数、穗粒数，穗粒重、千粒重等指标。

注：时间为月-日。

土壤化学性质：采用 5 点取样法在各小区内取 0～20 cm 耕层土壤样品，剔除石砾和植物残体等杂物，经风干过筛后测定土壤化学指标。土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定，有效磷采用 Olsen 法测定，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，土壤 pH 值采用 5∶1 水土比，电位法测定，其他参数采用常规分析方法测定^[18]。

1.5 数据处理与分析

数据采用 Excel2019 进行整理、汇总，SPSS 21.0 进行皮尔森相关性分析，SigmaPlot 14.0 进行制图，DPS 18.10 进行方差分析^[19]。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对春小麦产量及复种毛叶苕子鲜草产量的影响

年度和施氮水平对春小麦籽粒产量均有显著影响（图2），二者交互作用对春小麦籽粒产量无显著影响（图2A）。相较于 CK，麦后复种绿肥模式下常规施氮及不同减氮水平的春小麦产量均有所增加。其中，2019 年 GN₈₀ 处理增加春小麦产量 12%（P<0.05），2020 年 GN₉₀、GN₈₀ 处理增加了春小麦产量 13%～16%（P<0.05）。这说明麦后复种绿肥还田结合氮肥减量 20%（GN₈₀）可以增加春小麦产量，氮肥减量 30%（GN₇₀）下仍能维持产量不下降。

不同试验年份对复种绿肥产量影响显著，施氮水平、二者交互作用对复种绿肥产量无显著影响（图2B）。2019—2020 年春小麦季减氮量对麦后复种绿肥产量均没有影响。2020 年绿肥产量显著低于 2019 年（P<0.001），仅为 2019 年的 52%。这主要是因为 2020 年补种绿肥导致毛叶苕子播期较晚，生育期较往年减少 15 d 左右。2018 年绿肥季无试验处理，2018 年 8 月 6 日（影响出苗）和 9 月 1 日降水（高达 51.2 mm）导致产量较低，仅为 4930 kg/hm²。

2.2 不同施肥处理对春小麦产量构成因子的影响

年度对小麦千粒重、结实率影响显著，而对小麦穗长、穗粒数、穗粒重影响不显著；施氮水平及二者的交互效应对以上 5 个指标均无显著作用 （表3）。相较于小麦单作处理 CK，2019 年麦后复种绿肥下减氮 10%～30%（GN₉₀、GN₈₀、GN₇₀）处理显著提高了小麦穗粒数，增幅分别为 8.9%、10.6%、 7.9%；2020 年麦后复种绿肥下减氮 10%～30% （GN₉₀、GN₈₀、GN₇₀）显著提高了千粒重和穗粒数，分别增幅 9.4%、12.7%、5.9% 和 18.3%、20.1%、 9.6%。由此可见，麦后复种绿肥及绿肥替代部分追施化肥有利于后茬小麦光合产物向穗部转运，增加了千粒重、穗粒数，使春小麦在氮肥总量减少的条件下实现了稳产，其中以 GN₈₀（减氮 20%）处理表现较好。

注：P 值是年份（Y）和施氮处理（N）的双因素方差分析结果；其中不同小写字母表示同一年份不同施氮处理之间差异显著（P<0.05），下同。

注：表中数据为平均值 ± 标准差（n=3）。不同小写字母表示同一年份不同施氮处理之间差异显著（P<0.05）；NS 表示影响不显著，^*、^** 分别表示影响达到 P<0.05、P<0.01 显著水平。下同。

2.3 不同施肥处理对耕层土壤化学性质的影响

耕层（0～20 cm）土壤有机质、有效磷、pH、全盐在不同试验年份间无显著差异，而土壤全氮、速效钾有显著、极显著差异；施氮量对土壤有机质有极显著影响，对其他 5 个指标无显著影响；年份和施氮量 2 个因素的交互效应对速效钾、pH 值、全盐无显著作用，而对土壤有机质、全氮、有效磷含量有极显著影响（表4）。2019 年各处理间土壤全量养分及有效磷含量均无显著差异，表明不同施肥处理在试验初始年对土壤多数养分指标的影响不明显；2020 年各处理间土壤全氮含量均表现为麦后复种绿肥结合氮肥减量显著高于 CK，规律为 GN₉₀>GN₈₀>GN₇₀，3 个处理较 CK 增幅为 40.2%、 23.0%、17.4%。土壤有效磷表现为 GN₉₀、GN₈₀ 显著高于 CK 处理，增幅为 20.5%、22.8%。土壤有机质仅 GN₉₀ 处理显著提高，较 CK 增幅 36.8%。这表明麦后复种绿肥对于河套灌区土壤地力提升效果明显，并且绿肥翻压还田后在第二年即可明显提升土壤全氮、有效磷和有机质含量。此外，2 个试验年份各处理间的土壤 pH 值与全盐含量均无显著差异。

2.4 不同施肥处理对麦田经济效益的影响

不同施肥处理对麦田经济效益影响较大 （表5），2019 年麦后复种绿肥体系的纯增收益由高到低依次为 GN₉₀>GN₈₀>GN₇₀，分别较麦后夏休闲常规施氮 CK 增值 3602、3053、2709 元 /hm²； 2020 年除 GN₉₀ 外，GN₈₀、GN₇₀ 的纯增收益均低于 CK，这是由于 2020 年毛叶苕子产量下降，仅为 2019 年的 52%，因而其作为牧草的收益显著降低。从产投比数据看，由于投入的不同各处理的产投比也存在一定的差异。2019 年绿肥体系 GN₉₀、GN₈₀、GN₇₀ 的产投比与 CK 比较分别降低了 3.3%、 1.3%、0.6%；2020 年 GN₉₀、GN₈₀、GN₇₀ 的产投比降低了 15.2%、2.2%、0.3%。综合 2 年的经济效益结果表明，麦后复种绿肥体系在减少氮肥用量 10%～30% 条件下的经济效益仍高于小麦单作，虽然其产投比与 CK 有一定差异，但麦后复种绿肥体系向土壤提供大量的有机物质，其生态效应不可忽视。总之，在该地区合理种植绿肥不仅有利于氮肥减施从而控制小麦生产引发的环境问题，还能提升经济效益。

注：根据当地市场销售的肥料价格尿素、磷酸二铵分别为 4.0、3.7 元 /kg；小麦、毛叶苕子（干草）价格按照 2.6、1.2 元 /kg 计算；用工成本指麦后复种绿肥毛叶苕子的劳动力成本，按照 4425 元 /hm² 计算；CK 处理用工成本指种植一季春小麦的劳动力成本，按照 2925 元 /hm² 计算；水费指种植两季作物灌溉费用，按照 1800 元 /hm² 计算；CK 处理水费指种植一季春小麦的灌溉费用，按照 1500 元 /hm² 计算；其他成本包括小麦季农药成本（300 元 /hm²），小麦和绿肥种子成本（1875、1500 元 /hm²）。

2.5 不同施肥处理耕层土壤化学性质与产量及产量构成因素的相关性

2019 年（图3a），春小麦产量与土壤有机质呈显著正相关（r = 0.58，P<0.05），与土壤速效钾呈极显著的负相关（r =-0.72，P<0.01）；在 2020 年（图3 b），春小麦产量与产量构成因子[千粒重 （r = 0.79，P<0.01）、穗粒数（r = 0.88，P<0.001）、穗粒重（r = 0.67，P<0.05）]、有机质（r = 0.81， P<0.01）、全氮（r = 0.86，P<0.001）、有效磷（r =0.78，P<0.01）呈显著或极显著正相关。麦后复种绿肥体系对春小麦产量及土壤肥力的提升效果可能具有年际间的累加效应，在试验的初始年仅产量与有机质显著相关，而到第 2 年即 2020 年春小麦产量与产量构成因素 3 个指标（千粒重、穗粒数、穗粒重）、土壤肥力 3 个指标（土壤全氮、有效磷和有机质含量）均显著相关。以上结果说明麦后复种毛叶苕子结合适宜氮肥减量有利于提高穗粒数、千粒重以及穗粒重，进而在稳产的基础上实现高产。

注：GY―籽粒产量；TKW―千粒重；EL―穗长；SE―结实穗；KNS―穗粒数；KW―穗粒重；SOM―土壤有机质；TN―土壤全氮；AP―土壤有效磷； AK―土壤速效钾；pH―pH 值；TS―全盐。^*、^** 分别表示影响达到 P<0.05、P<0.01 显著水平。

3 讨论

3.1 麦后复种毛叶苕子与氮肥减量对春小麦产量及产量构成的影响

较高水平的土壤养分含量是实现春小麦高产的基础和保障，在绿肥替代部分基施化学氮肥条件下，如果能保持春小麦不减产甚至增产，对减少化肥使用和提高土壤地力具有重要意义。国外有研究表明，在不降低作物产量的前提下绿肥通常能替代 50% 以上的氮肥^[19]。我国不同地区种植绿肥通常可以在替代 15%～60% 氮肥的同时维持作物高产，但多数研究的氮肥替代量在 30% 左右^[17，20-24]。张松茂等^[17]研究表明，化肥配施绿肥能够提高单位面积的有效穗数和穗粒数，从而增加小麦产量；也有研究初步证实了麦后复种绿肥结合氮肥减量 15% 可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和氮肥替代潜力^[23]。本研究结果显示，麦后复种绿肥结合氮肥减量与夏休闲常规施肥的小麦穗长、结实率无显著差异，但有利于提高春小麦千粒重和穗粒数，进而促进春小麦产量增加。在西北地区毛叶苕子配合化肥减量对小麦产量的影响研究中，苟志文等^[23]研究表明，麦后复种绿肥模式下减氮 15% 较单作小麦传统施氮能够增产 7.9%；麻碧娇等^[24]进行 2 年试验表明，麦后复种绿肥及适量减施氮肥通过提高小麦单位面积穗数、穗粒数、千粒重等增加小麦籽粒产量 12.4%。这可能是因为豆科绿肥还田结合减量施氮提升了土壤碳氮库容^[25]，促进土壤磷素活化，改善了土壤团粒结构^[26]；其次，绿肥中有机氮释放较为缓慢，氮肥与绿肥配施提高了土壤有机质、碱解氮、全氮及铵态氮含量^[27-28]，提升土壤肥力水平，为氮肥减量下的作物高产提供了可能性。本研究通过连续 2 年田间定位试验发现在绿肥还田量 50% 条件下，可实现氮肥减量 10%～20% 仍能增加春小麦产量，减量 30% 仍能维持产量不减，说明河套灌区春小麦在复种毛叶苕子后对于小麦化肥减量有很大的潜力。

3.2 麦后复种毛叶苕子与氮肥减量对土壤化学性质的影响

绿肥作物在农业生产系统中具有良好的土壤培肥效果，在其生长过程积累氮、磷、钾等养分，翻压还田后可矿化释放供主栽作物利用；同时利于土壤有机质形成，对土壤碳库增长有着较大贡献^[15]。本研究在试验第二年麦后复种毛叶苕子结合后茬小麦氮肥减量能够显著提升土壤有机质、全氮和有效磷含量。这是因为绿肥对土壤肥力的提升效果可能具有年际间的累加效应，在某些地区需要经过长时间的积累才能显现^[29]。此外，毛叶苕子在生长过程中会有效覆盖地面，依靠自身的生物固氮作用，为下茬作物的生长提供可观的氮素与宜腐解的有机物质，这也是该模式能提升土壤肥力，从而增加小麦产量的原因之一。在本研究中相较于麦后夏休闲，毛叶苕子翻压还田不仅带入了大量的氮素，在其生长季根系伸长吸收上茬作物生长后土壤中盈余的磷、钾也随之进入田间。在河西绿洲灌区的研究结果显示^[30]，长期减施 30% 化肥结合复种毛叶苕子，土壤有机质和碱解氮含量分别提高了 1.8 g/kg 和 10.5 mg/kg，并且在施用绿肥后氮素损失率远低于化学氮肥，从而能更大程度地维持土壤肥力水平^[31]。

本研究中春小麦收获后土壤速效钾、全盐含量与麦后夏休闲常规施肥一致，而全氮在 2019 年毛叶苕子 50% 还田结合氮肥减量与之相近，2020 年度呈现随着毛叶苕子翻压量的累积而出现增长的规律，土壤有机质及有效磷也有着相似的累积特征。土壤全氮、有机质、有效磷含量对春小麦产量有着极显著相关性（图3b），即投入的养分在较大程度地增加土壤全氮、有机质及有效磷含量的同时，小麦产量也可获得一定程度提升，表明毛叶苕子主要通过增加土壤全氮及有机质、有效磷含量进而影响作物产量。土壤有效磷的增加也可能与麦后复种绿肥在播种时施入磷肥有关。本研究中，在绿肥作为氮源输入情况下，土壤整体肥力得到了较好的维持，尤其是对土壤有机质及氮、磷养分的提升作用明显，且试验第二年绿肥作用更佳，表明绿肥连续种植翻压具有稳定提升土壤养分库存的潜力^[29，32]。

3.3 麦后复种毛叶苕子与氮肥减量对麦田经济效益的影响

种植翻压豆科绿肥能够降低农业生产对外源化肥的依耐性^[33]，一定程度可实现节本增效，既降低了生产成本的投入，又有利于作物增产，是提高农业生产经济效益的有效途径。河套灌区麦后复种毛叶苕子体系在减少氮肥用量 10%～30% 条件下的经济效益仍高于小麦单作，其中以减氮 10% 的经济效益最高。这表明麦后复种毛叶苕子可以有效减少小麦季化肥施用，弥补土壤有机物料的不足，促进养分资源高效利用^[23]。在小麦-玉米轮作体系中应用豆科绿肥，可降低化学氮肥投入，最终有利于提高轮作系统的纯收益^[34-35]。但是，常规种植模式中应用绿肥作物，播种及翻压导致种子及人工等其他成本投入增加，一定程度上不利于农业生产的经济效益^[25]。

本研究结果显示，与夏休闲相比，麦后复种毛叶苕子结合氮肥减量的总投入增加了 31.6%～34.0%，但纯增收益和产投比并没有因此而降低，主要原因是小麦籽粒产量及毛叶苕子产量之间存在差异（表3）。有研究表明，在一个种植模式中包含多种作物时，某一作物的产量往往高于其单一种植时的产量^[36]。因此，在本研究条件下，春小麦后复种毛叶苕子及翻压还田虽然增加了生产成本，但小麦收后复种毛叶苕子较传统小麦单作模式的优势也随之提高，一定程度上弥补了成本增加的不足，对麦后复种毛叶苕子模式的纯增收益和产投比影响较低。春小麦复种毛叶苕子较单作春小麦的人工机械、种子、农资以及灌溉投入均有增加，这也使得农民在选择麦后复种绿肥模式上的积极性不高^[13，25]，但是将麦后复种绿肥与小麦氮肥减量结合，在增强了麦后复种绿肥体系产量以及经济效益的同时，弱化了因复种绿肥而提高的种子、人工等的投入，有利于经济效益的提高。

4 结论

河套灌区麦后复种毛叶苕子是减少春小麦季氮肥投入、提高春小麦产量与周年经济效益，提升土壤肥力水平的重要措施。麦后复种毛叶苕子结合氮肥减量具有显著的增产增收效果，且随着试验年限的增加，麦后复种毛叶苕子结合氮肥减量 10% 较春小麦单作的籽粒产量在 2020 年提高了 13.7%。麦后复种毛叶苕子结合氮肥减量具有提高产量优势，弥补了复种绿肥导致成本增加的不足。综合 2 年试验结果，春小麦后复种毛叶苕子结合氮肥减量 10% 具有较高的产量、经济效益等优势，且能够显著提高土壤全氮、有效磷含量。因此，麦后复种毛叶苕子结合春小麦季减氮 10% 能够达到粮食增产与经济效益提高的协调统一，可作为河套灌区一种粮草共生的高效生态种植模式推广应用。

参考文献