摘要
揭示绿肥不同利用方式对土壤培肥效益的影响，为青海省东部农业区提升土壤肥力和增加经济收益提供技术支撑和理论依据。本研究采用随机区组设计，试验处理为小麦收获后复种绿肥（箭筈豌豆-小麦）设置的 4 种还田方式，即绿肥全量还田、绿肥根茬还田、绿肥过腹还田及不种植绿肥对照（CK），在小麦收获期采集样品测定小麦养分、农艺性状指标和土壤肥力指标。结果表明：绿肥过腹还田、根茬还田与 CK 相比小麦产量、地上部吸氮量显著增加，过腹还田处理小麦产量、地上部吸氮量最高，分别为 3482.90、106.85 kg/hm2 ，相比根茬还田、全量还田处理无显著性差异。全量还田穗粒数相比 CK 显著提升 55.62%，且其茎粗、穗长均达最大值，分别为 3.92 mm、8.09 cm。根茬还田土壤有机质、全氮、碱解氮含量相较 CK 分别显著增加 20.66%、24.04%、12.62%，全量还田有机质、速效钾含量最大，与根茬还田、过腹还田相比无显著性差异。各还田处理使土壤综合肥力指数提升 10.01% ～ 21.52%，其中全量还田土壤综合肥力指数值最大。全量还田土壤微生物碳、氮含量相较 CK 分别显著增加 18.37%、41.39%，微生物量碳氮比均在 10 左右，微生物群落中以真菌为主。全量还田纯收益为 8731.37 元 /hm2 ，与 CK 相比显著增收 303.14%，各处理间无显著性差异。综上所述，绿肥全量还田处理效果最佳，不仅可以提升小麦产量及农艺性状，还可以培肥土壤提升土壤综合肥力，以及提高农户经济收益。
Abstract
The study aimed to reveal the effects of different utilization methods of green manure on soil fertility improvement， and to provide technical support and theoretical basis for enhancing soil fertility and increasing economic returns in the eastern agricultural areas of Qinghai province. A randomized block design was adopted，and the experimental treatments included four types of green manure（arrow end pea-wheat）return methods，i.e.，green manure returned to the field totally （GM），root stubble of green manure returned to the field（GR），feeding sheep with the aboveground green manure and sprinkling sheep feces back to the field（GRS），and no green manure planted as the control（CK）. The samples were collected during the harvesting period to determine the nutrients，agronomic traits of the wheat，and soil fertility indexes. The results showed that，compared with CK，the wheat yield and nitrogen uptake in GR and GRS treatments were significant increased. The wheat yield and nitrogen uptake in GRS treatment were the highest，which were 3482.90 kg/hm2 and 106.85 kg/hm2 ，respectively，with no significant difference compared to GR and GM treatments. Compared with CK，GM treatment significantly increased the number of grains in spikes by 55.62%，and its stem thickness and spike length reached the maximum value of 3.92 mm and 8.09 cm，respectively. The content of organic matter，total nitrogen and alkaline dissolved nitrogen of GR treatment was significantly increased by 20.66%，24.04%，and 12.62%，compared with that of CK. The contents of soil organic matter and available potassium in GM treatment were the highest，and there was no significant difference with GR and GRS treatments. All treatments with green manure returning increased the integrated fertility index of the soil by 10.01% 21.52%，with the GM treatment having the highest integrated fertility index value. The soil microbial carbon and nitrogen content of GM treatment increased significantly by 18.37% and 41.39%，respectively，compared with CK，and the microbial carbon and nitrogen ratios were all about 10，with the microbial community dominated by fungi. The net income of GM treatment was 8731.37 yuan/hm2 ，which was significantly increased by 303.14% compared with CK，and there was no significant difference between treatments. In summary，the effect of green manure full return treatment was the best，which could not only improve wheat yield and agronomic traits，but also fertilize the soil to enhance the comprehensive soil fertility，as well as improve the economic income of farmers.
Keywords
小麦是青海省东部的主要农作物，种植面积占该地区作物总面积的 30%[1]。该地区属高原干旱区，土壤肥力退化问题突出，影响作物产量[2-3]。该地区小麦收获后到入冬，有 2～3 个月的农闲期，大量土地地表裸露造成土壤侵蚀及资源浪费[4]。此时期雨热同季，农作物存在一季有余、两季不足的问题，这时期却是发展绿肥作物的良好时期。箭筈豌豆是我国肥饲兼用型绿肥作物，在麦后复种作为饲料养殖家畜过腹还田或直接翻压还田，均可达到提高土壤肥力，增加小麦产量[5]，提高经济效益的效果[6]。
目前关于绿肥还田的研究多关注于下茬作物产量，对土壤肥力评价和作物经济效益影响的报道相对较少。为此，本研究通过探讨 4 种不同绿肥还田方式对小麦产量经济效益和土壤肥力的影响，以期为土壤肥力提升、作物增产及增加经济收益提供技术支撑和理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地位于青海省海南藏族自治州贵德县黄河谷地，所在地区属高原大陆性气候，年均气温 7.2℃，年均降水量 252 mm，全年无霜期 166 d，作物生长期 223 d，年日照时间 2928 h，有效积温 2930℃，光热资源丰富，水利条件优越。试验前各小区土壤肥力均匀一致，表层 0～15 cm 土壤肥力状况：有机质含量 13.80 g/kg，全氮含量 0.81 g/ kg，碱解氮含量 60.20 mg/kg，有效磷含量 43.89 mg/ kg，速效钾含量 199.65 mg/kg。
1.2 试验设计
以小麦收获后复种绿肥（ 箭筈豌豆-小麦）的 4 种还田方式为试验处理，即绿肥全量还田（GM）、绿肥根茬还田（GR）、绿肥过腹还田（GRS）、不种绿肥对照（CK），3 次重复，共 12 个小区，采用随机区组设计排列小区，小区面积 20.16 m2 （4.2 m×4.8 m）。绿肥收割后，残留 5 cm 根茬利用旋耕机翻压还田为 GR 处理；地上部分作饲草喂养羊，待其消化后产生的粪便均匀混撒还田为 GRS 处理，羊粪还田量为 6646.83 kg/hm2；利用铡刀将绿肥平均铡成 10 cm 绿肥段混撒全部还田则是 GM 处理，绿肥鲜草还田量为 39880.98 kg/hm2。见表1。本试验于 2023 年 7 月 29 日种植箭筈豌豆，播种密度为 248 kg/hm2，根茬还田、过腹还田、全量还田于 2023 年 10 月 26 日进行。春小麦于 2024 年 3 月 21 日采用条播方式种植，行距 15 cm，播种量 300 kg/hm2，分别在小麦播前、拔节期灌水 2 次，2024 年 7 月 20 日收获小麦，其他田间管理措施同农户常规习惯。
表1不同还田方式施肥量和养分含量
注：—表示绿肥收割后，残留 5 cm 根茬量。鲜羊粪量 = 干草量 ×0.75（粪便比例）/0.9（粪便干鲜比），干草量 = 鲜草量 ×20%（干鲜比），鲜草量为 39880.98 kg/hm2[7]。
1.3 样品采集与指标测定
1.3.1 植株样品
2024 年小麦成熟后，各小区样品先通风阴干称重，然后均匀选取整株小麦 10 株用于小麦考种、脱粒，分别计算小麦农艺性状；采集各小区秸秆与籽粒样品，于 105℃杀青 15 min，65℃烘干 24 h 至恒重后磨碎，用于测定养分含量。植株采用硫酸-双氧水消解，流动分析仪测定全氮[8]。
1.3.2 土壤样品
2024 年小麦收获后在各小区通过五点取样法采集耕层土壤（0～20 cm）样品，放置于阴凉处风干后研磨并过筛（2 mm）以待测。主要指标的测定方法：土壤含水量采用烘干法测定；土壤容重采用环刀法测定；有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定；全氮含量采用硫酸-加速剂消解，全自动凯氏定氮仪测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用醋酸铵浸提，原子吸收法测定。土壤微生物量碳（SMBC）采用氯仿熏蒸，水土比 4∶1，硫酸钾浸提，气相色谱法测定；土壤微生物量氮（SMBN）采用氯仿熏蒸，水土比 4∶1，硫酸钾浸提，流动分析仪测定[9]。
1.4 数据处理与统计分析
1.4.1 植株氮素吸收及利用计算
植株地上部氮素吸收量（kg/hm2）= 植株地上部干物质重 × 植株含氮量；
氮素收获指数（%）= 籽粒氮积累量 / 植株总氮积累量；
氮肥表观利用率（kg/kg）=（施肥区吸氮量-不施肥区吸氮量）/ 施氮量[10]。
1.4.2 土壤养分肥力计算
本研究选取 5 项土壤指标（有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾）来进行土壤综合肥力指数 （IFI）的计算评价。土壤分肥力指数的计算公式：
式中，IFIi 是土壤单一指标土壤分肥力指数，x 为土壤养分指标值，xa、xc、xp 分别为土壤养分指标标准化中第三级、第二级、第一级分级的阈值，主要参考第二次全国土壤普查标准[11] （表2）。
表2土壤属性分级标准的阈值
通过得到的土壤分肥力指数计算土壤 IFI：
式中，IFIi 平均和 IFIi 最小为所有土壤分肥力指数的均值和最小值；n 为参与计算土壤养分指标的个数。
1.4.3 数据分析
所有数据均使用 Excel 2010 进行整理并计算数据均值和标准误差；使用 SPSS 20.0 进行统计分析，使用最小显著差异法检验不同处理间差异的显著性；采用 Origin 2021 绘图。
2 结果与分析
2.1 绿肥不同还田方式对小麦产量和农艺性状的影响
由表3可知，绿肥不同还田方式与 CK 相比均增加小麦产量，其中 GRS、GM 处理增加显著（P<0.05）。GRS、GR、GM 处理小麦产量分别为 3482.90、3212.42、3440.36 kg/hm2，与 CK 相比分别增加 28.46%、18.48%、26.89%，其中 GRS 处理小麦产量最高，相比 GR、GM 处理分别增加 8.42%、1.24%，但无显著性差异。各还田处理对有效穗数无显著性差异，GRS、GR 处理的千粒重分别为 32.40、35.29 g，与 CK 相比分别增加 7.36%、 16.93%，而与 GM 处理相比差异不显著。GRS、GM 处理穗粒数分别为 23.88、23.81，相较 CK 分别显著提升 56.08%、55.62%，与 GR 处理相比无显著性差异。各还田方式小麦茎粗、穗长相比 CK 分别显著提升了 14.50%～25.69%、20.24%～25.82%，其中 GM 处理茎粗、穗长均达最大值，与 GRS、 GR 处理相比无显著差异。
表3不同处理小麦产量和农艺性状
注：表中各数据后小写字母不同表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。
2.2 绿肥不同还田方式对小麦氮素吸收利用的影响
由图1可知，GRS、GR、GM 处理小麦地上部吸氮量分别为 106.85、105.14、106.42 kg/hm2，与 CK 相比分别显著提升 70.75%、68.02%、70.06%。其中 GRS 处理地上部吸氮量最大，与 GM 处理相比无显著差异。在 GRS 处理下氮素收获指数为 21.48%，相较 CK 显著升高 22.53%，GM 处理氮素收获指数为 22.63%，与 GR 处理无显著性差异，说明 GM 处理可增加土壤氮素含量，提升土壤肥力。
图1小麦氮素吸收量、收获指数
注：柱上小写字母不同表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。
2.3 绿肥不同还田方式对土壤含水量、容重的影响
由表4可知，绿肥不同还田方式还田，不同处理间含水量无显著性影响（P>0.05）。GRS、GR、 GM 处理容重分别为 1.31、1.30、1.28 g/cm3，与 CK 相比下降了 3.68%～5.88%，且在 GM 处理下达显著水平，相较 CK 降低 5.88%。其中 CK 处理容重最大，与 GRS、GR 处理相比无显著差异。
表4不同处理下土壤容重、含水量的变化
2.4 绿肥不同还田方式对土壤化学性质的影响
由图2可知，GR、GM 处理的土壤有机质含量分别为 16.75、16.81 g/kg，与 CK 相比分别显著增加 20.66%、21.07%。还田处理间 GM 处理有机质含量最大，与 GRS、GR 处理无显著性差异。 GR 处理相比 CK 土壤全氮、碱解氮含量分别显著提升 24.04、12.62%，其中 GM 处理全氮为 0.91 g/ kg、碱解氮为 66.15 mg/kg，与 GRS、GR 处理相比无显著差异。各还田处理对有效磷含量无显著性差异，GM 处理相较 CK 土壤速效钾含量显著增加 40.83%。GM 处理速效钾含量最大，为 218.68 mg/ kg，与 GR 处理相比无显著性差异。综合来看，GM 处理大幅提升土壤养分。
图2不同处理对土壤养分的影响
2.5 绿肥不同还田方式对土壤微生物量碳、氮的影响
由图3可知，土壤微生物量的高低反映了土壤同化和矿化能力的大小，GM 处理 SMBC 含量为 102.37 mg/kg，与 CK、GRS 处理相比分别显著增加 18.37%、14.86%，而与 GR 处理相比无显著性差异。GRS、GM 处理 SMBN 含量分别为 9.64、8.32 mg/kg，与 CK 相比显著提升 63.76%、 41.39%。其中 GRS 处理的 SMBN 达最大值，为 9.64 mg/kg，与 GM 处理相比无显著差异。SMBN 与 SMBC 的变化趋势相同，不施绿肥降低了 SMBN，GM 处理可以提高 SMBN。土壤微生物量碳氮比（SMBC/SMBN）可反映微生物群落结构变化的差异，一般细菌的 SMBC/SMBN 在 5∶1 左右，放线菌在 6∶1 左右，而真菌在 10∶1 左右[12]。 GRS 处理 SMBC/SMBN 为 9.35，与 CK 相比显著降低 37.14%。GR、GM、CK 处理间无显著性差异，本试验的 SMBC/SMBN 均在 10 左右，不同还田方式微生物群落中以真菌为主。SMBC 占土壤有机碳含量的百分比称为微生物熵，充分反映了土壤中活性有机碳所占的比例，一般土壤中的微生物熵值为 1%～4%，绿肥不同利用方式微生物熵值介于 0.98%～1.05% 之间，与 CK 相比均差异不显著。
图3不同处理对土壤微生物量碳、氮的影响
2.6 绿肥不同还田方式对土壤综合肥力指数的影响
根据前人研究成果，选取有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾 5 个指标进行土壤 IFI 的计算[13]。本研究中的 IFI 在 1.17～1.42 范围内变化，试验土壤处于中等肥力水平（图4）。GR、GM 处理土壤 IFI 分别为 1.38、1.42，与 CK 相比分别增加18.56%、21.52%。在各还田处理中 GM 处理的 IFI 最大，且与 GRS、GR 处理相比无显著性差异。说明绿肥不同还田方式可大幅提升土壤综合肥力，其中 GM 处理的 IFI 值最大，提升效果最为明显。
图4不同处理对土壤综合肥力指数影响
2.7 绿肥不同还田方式对作物经济效益的影响
GRS、GR、GM 处理总收益分别为 16697.37、 15617.74、15962.17 元 /hm2，与 CK 相比分别显著增加 77.69%、66.21%、69.87%。其中总收益最高的是 GRS 处理，与 GR、GM 处理相比无显著差异。 GRS、GR 处理的纯收益分别为 7121.33、7636.94 元 /hm2，与 CK 相比分别显著提升 228.80%、 252.61%。GM 处理纯收益最大，为 8731.37 元 / hm2，与 GRS、GR 处理相比无显著性差异。GRS 产投比较低，这可能是因为 GRS 增加了有机肥投入，纯收益就有所下降，从而导致产投比下降。试验表明，在保证作物产量稳定和考虑成本投入，以及提高农民收入的前提下，GM 处理效果最佳。
表5不同处理作物生产成本和经济收益
注：农产品价格参照 2021 年国家收购指导价，肥料价格：尿素 2.35 元 /kg，过磷酸钙 0.80 元 /kg；种子价格：绿肥 19.6 元 /kg，小麦 2.4 元 /kg； 人工机械成本：收绿肥 750 元 /hm2，收小麦 750 元 /hm2，耕地 900 元 /hm2；作物收购价格：小麦 3.6 元 /kg，绿肥鲜草 0.1 元 /kg。
3 讨论
3.1 绿肥不同还田方式对小麦产量、氮素吸收及农艺性状的影响
研究表明，绿肥不同利用方式不仅能提高小麦产量，还可提高作物对氮素的吸收利用。李燕青等[14]研究表明，全量绿肥对作物氮、磷和钾素的吸收效果显著，农作物产量比不全量增长 30% 左右。大量绿肥残体集中在还田前期腐解，腐解热量提高了土壤温度，促进了作物出苗[15]。根茬还田拓宽了绿肥的利用方式，其地上部作青饲料，牛羊等通过投喂或放牧的方式利用绿肥，而后消化产生的粪便也可还田肥地。地下部用作根茬还田作有机肥，既可培肥地力，又可解决草食动物青饲料短缺矛盾和提高作物产量[16]。但值得注意的是，过高的根茬会影响下一茬作物的生长，过低的根茬导致还田量少，还田效果不好[17]。方勇等[18]研究表明，未开垦红壤上连续种值黑麦草并根茬还田，能够增加土壤团粒结构，有利于提高土壤保水、保肥的功能。绿肥作物是农业生态系统中氮素循环的重要环节，绿肥植物体中的氮素以过腹还田的方式回归到土壤中，能够全面提高土壤中氮素的储量并改善土壤的供氮能力[19]。
本研究表明，过腹还田、绿肥根茬还田、绿肥全量还田的绿肥不同利用方式，与不种植绿肥对照相比小麦产量、地上部吸氮量分别显著增加 18.48%~28.46%、68.02%~70.75%，说明绿肥还田有利于提高小麦产量，促进小麦对氮素的吸收利用，这与前人研究结果相同。本研究还发现绿肥不同利用方式小麦茎粗、穗长与不种植绿肥对照相比分别增加 14.50%~25.69%、20.24%~25.82%，与小麦产量呈相同趋势，说明本研究中不同的处理主要是通过提高穗长、茎粗来提高籽粒产量，这与王璐等[20]的研究结果基本一致。绿肥不同利用方式对小麦的有效穗数、千粒重无显著影响，可能是由于绿肥生长期间通过生物固氮及吸收利用土壤残留氮，全量还田后显著提高了土壤氮素含量，促进了后茬小麦穗部的形成[21]。
3.2 绿肥不同还田方式对土壤理化性质的影响
绿肥还田对提升土壤有机质含量、改善土壤理化和生物学性质等方面具有重要的作用。
全量还田作为绿肥最主要的还田方式，在培肥土壤方面有一定优势。绿肥全量还田后能通过增加土壤有机质，提高土壤孔隙度、导水率和团聚作用，来增强土壤保水持水，改善土壤水分状况[22-23]。绿肥全量入土后不但增加了土壤养分，也为微生物提供了充足的碳源，土壤微生物种群数量高于冬闲处理[24]。土壤微生物生物量是土壤有机库的活性组分，参与土壤动植物残体的分解和矿化，是评价土壤肥力和质量的重要生物学指标之一。我国麦田在长期冬种紫云英并全量还田的情况下，土壤耕层（0～20 cm）全氮和碱解氮含量较冬闲处理均显著提高，分别提高了 8.9% 和 15.8%[25]。绿肥根茬连续留田使土壤有机质净积累，土壤腐殖质得到改善，胡敏酸和富里酸比提高[26]。赵秀兰等[27]研究表明根茬连续还田使土壤有机质含量大幅度提高，并且与根茬还田量成正比，根茬还田提高了土壤养分，物理性状得到改善，土壤微生物量增加，酶活性提高，最终提高作物产量。施用有机肥可促进氮素养分向土壤下层迁移，加速土壤有效磷的累积，促进土壤中的物质转化，还能提高土壤的保水保肥能力，促进土壤团粒结构的形成，从而改善土壤物理性质，提高土壤肥力[4]。此外，绿肥根系对土壤磷和钾表现出富集作用，能够将深层土壤的磷、钾素富集到表层，丰富耕层土壤的磷、钾含量[28]，可以提高土壤中的速效钾含量[29]。 SMBC/SMBN 可反映微生物群落结构变化的差异，本试验中 SMBC/SMBN 均在 10 左右，说明绿肥不同还田方式微生物群落中以真菌为主[12]。土壤 IFI 是基于土壤理化性质指标对土壤肥力的隶属度值和权重计算的土壤肥力综合评价指数值，相比于单因子评价，更能准确反映土壤肥力的真实水平[30]。陈检锋等[31]研究表明，绿肥还田土壤碱解氮、速效钾、全氮及有机质含量等显著增加，培肥土壤效益显著。
本研究中绿肥全量还田土壤有机质、全氮、碱解氮含量与不种植绿肥对照相比分别显著增加 21.07%、16.92%、13.51%，并且全量还田 IFI 最高，说明绿肥不同还田方式可大幅提升土壤综合肥力，其中绿肥全量还田的 IFI 值最大，提升效果最为明显。
3.3 绿肥不同还田方式对经济效益的影响
绿肥是一种传统的有机肥，其地上部可作饲草，地下部根茬可还田作有机肥，具有培肥土壤、增收效益等作用[32-33]，全量还田、根茬还田、过腹还田是该地区常用的绿肥利用方式[34]。马忠明等[35]在研究适量有机肥与氮肥配施方可提高作物生产效益中的研究发现，全量还田与有机肥还田相比不施肥对照净收益显著提高了 127.15%、 42.45%，与本研究结果相符合。陈正刚等[36] 研究表明，在施用绿肥的条件下，与化肥处理相比，减少化肥用量 30%～45%，玉米纯收入未达到显著增收水平，减少化肥用量 15% 时，农作物纯收入达到最高值，增收 695 元 /hm2，达到显著增收水平。另有研究表明，过腹还田不仅能增加作物产量，还能改善土壤性质等，比如宿庆瑞[37]通过对过腹还田肥饲效益研究发现，玉米产量提高 16.9%，与对照相比经济效益增长了 37.9%。
本研究中绿肥全量还田纯收益为 8731.37 元 /hm2，与不种绿肥对照相比显著增收 303.14%，绿肥全量还田产投比较低是因为绿肥全量还田增加了绿肥投入，纯收益就有所下降，从而导致产投比下降。结果表明：在保证作物产量稳定和考虑成本投入以及提高农民收入前提下，绿肥全量还田处理效果最佳。
4 结论
在绿肥不同利用方式还田条件下，大幅提升了小麦农艺性状、氮素吸收利用效率，可保证小麦产量稳中有升。绿肥全量还田不仅通过提升土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量提高土壤综合肥力，而且通过增加 SMBC、SMBN 含量提高微生物活性，达到绿肥培肥土壤的目的。小麦产量和培肥效益俱佳的绿肥还田方式绿肥全量还田，绿肥全量还田可为农户纯增收 8731.37 元 /hm2，是青海省东部农业区绿肥高效利用的有效途径。