50份毛葉苕子品種(系)在青海作秋綠肥的能力評價

陳子英，常單娜，韓 梅，李正鵬，嚴清彪，周國朋，孫小鳳*，曹衛東*

（1 青海大學農林科學院土壤肥料研究所，青海西寧 810016；2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部植物營養與肥料重點實驗室，北京 100081）

綠肥可培肥土壤、改善土壤生態環境、增產、提高作物品質等[1-2]，是提升耕地質量和實現化肥減施的重要措施[3]。青海地區作物生長存在一季有余、兩季不足。夏季麥收后至冬季臨凍前有近3個月的休閑期[4]。毛葉苕子 (Vicia villosaRoth.) 別名毛野豌豆、長柔毛野豌豆，豆科野豌豆屬，一年生或越年生攀援性豆科草本植物，是我國栽培利用較廣的肥飼兼用綠肥作物之一[5]。毛葉苕子具有早生速發、產草量大、養分含量高的特點[6-7]。在我國西北地區毛葉苕子常與小麥套種或復種，該模式下可減施氮肥20%～30%，保證后茬作物不減產且提高土壤肥力[8-10]。另外，毛葉苕子與小麥輪作，可提高土壤氮素供應及磷素生物有效性，提高小麥產量[11-13]。近年來，西北地區開始探索毛葉苕子等豆科綠肥間作小麥[14]、玉米[15]、果樹[16]等新型模式，該模式能利用共生期間豆科固氮作用轉移的氮素減少氮肥施用量。同時，間作模式可提高生物多樣性，改善土壤環境[16-17]。

毛葉苕子種質資源豐富，品種間差異大。20世紀80年代以來，隨著化肥生產施用量的劇增，綠肥種植利用面積降低，以致優質種質資源瀕臨消失，地方綠肥資源亦存在種性混雜、種質退化、產草量低等問題[18-19]。目前對毛葉苕子種質資源選育工作主要集中于農藝性狀[20-21]，而對其產草量及養分吸收能力缺乏綜合評價。毛葉苕子作為西北地區常見的豆科綠肥作物，通過與根瘤菌共生可增加土壤外源氮投入培育土壤氮庫。豆科綠肥作物根系發達，根系分泌的質子和有機酸 (主要是草酸) 可以活化土壤中難溶性磷、鉀[22-24]。不同毛葉苕子品種間固氮及活化磷、鉀能力不同，其養分吸收能力亦存在差異。作為綠肥作物，產草量和養分累積量是替代化肥實現種養結合的重要指標[25-27]，綜合篩選出產草量高和養分吸收能力強的毛葉苕子品種對其在青海地區生產利用具有重要意義。本試驗在秋季測定了田間條件下50份毛葉苕子品種 (系) 分枝期和初花期地上部生物量和N、P、K累積量以及土壤速效養分含量變化，并運用主成分分析和聚類分析進行系統評價，以期篩選出適宜青海地區作綠肥栽培利用的品種(系) 。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于青海省西寧市貴德縣紅柳灘村 (100°58′～101°47′ E，35°29′～36°23′ N)，海拔 2246 m，年平均氣溫為7.3℃，年降水量為252.5 mm，年平均蒸發量為1800 mm。試驗地土壤類型為栗鈣土，0—20 cm耕層土壤基礎理化性狀：pH 8.15、有機質13.7 g/kg、全氮1.18 g/kg、無機氮40.0 mg/kg、有效磷40.6 mg/kg、速效鉀225 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試毛葉苕子品種為各省主栽品種和種質資源庫保藏的品種 (系)，共50份 (表1)。

表1 參試毛葉苕子種質材料編號及品種名稱Table 1 The code and cultivar name of the tested hairy vetches

1.3 試驗設計

于2020年7月27日在西寧市貴德縣進行。試驗采用條播，南北朝向，每條2 m，行距1 m (其中0.3 m為過道，每個處理生長面積為2 m×0.7 m)，每個品種(系)設3次重復，播種量為60.0 kg/hm2。

1.4 樣品采集與測定

在青海，麥后7月下旬復種毛葉苕子，播種后40天進入分枝期(9月4日)，此時進行第一次采樣，采取靠南側1 m的樣品；第二次取樣于9月28日進行(播種后63 天)，此時為初花期，在翻壓前采靠北側1 m的樣品。

取樣時記錄全部鮮草產量，然后取部分鮮草記錄其產量并將其置于105℃烘箱內殺青30 min，于70℃條件下烘干至恒重，測部分干物質量，再通過比例換算得到全部干物質量。粉碎后的植株樣品采用H2SO4-H2O2法消化—用半微量凱氏法測定全氮含量，用鉬銻抗比色法測定全磷含量，用火焰光度計法測定全鉀含量[28]。鮮土按土水比1∶5加入2 mol/L KCl 溶液，振蕩30 min 后，通過流動分析儀 (SEA1 Auto Analyzer 3，德國) 測定無機氮含量。風干土用0.5 mol/L NaHCO3提取—鉬銻抗比色法測定有效磷含量，用1 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法測定速效鉀含量[29]。

1.5 計算與分析

計算花前植株養分累積增加量、花前植株養分累積增加量所占比例和花前植株養分吸收速率，并通過聚類分析對上述指標進行聚類。各指標具體計算公式如下：

各聚類因子數量級不同，采用極差標準化方法進行數據處理，計算公式為：

式中，yij為第i聚類單元第j聚類因子處理后的值，xij為第i聚類單元第j聚類因子的原始值，xmaxi為第i聚類單元中原始值的最大值，xmini為第i聚類單元中原始值的最小值。

1.6 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2007軟件進行整理。應用Origin 2018軟件進行主成分分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同毛葉苕子品種 (系) 生物量及養分累積量

2.1.1 不同毛葉苕子品種 (系) 生物量 不同毛葉苕子品種 (系)分枝期和初花期地上部鮮草和干草產量均存在較大的差異(表2)。50份毛葉苕子分枝期鮮草產量為1.58～6.15 t/hm2，山東早熟苕最高；干草產量為0.34～1.02 t/hm2，毛莢野苕子最高，較當地主栽品種青苕1號提高61.47%。初花期鮮草產量為18.35～46.94 t/hm2，平均鮮草產量為32.71 t/hm2，高于平均鮮草產量的品種 (系)有26份，包括毛莢野苕子、78-14、苕藤選等，毛莢野苕子最高；低于平均鮮草產量的品種 (系) 有24份，包括78-61毛苕、南陽早一、蘇聯苕子等，蘇聯苕子最低；干草產量為2.82～6.97 t/hm2，平均干草產量為4.60 t/hm2，高于平均干草產量的品種 (系) 有23份，包括78-14、毛莢野苕子、大馬野豌豆苕等，78-14 最高，較當地主栽品種青苕1號提高76.90%；低于平均干草產量的品種 (系) 有27份，包括1399毛苕、78-61毛苕、南陽早一等，南陽早一最低。

表2 不同品種(系)毛葉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)

續表2 Table 2 continued

毛葉苕子的特點是早生、速發。從分枝期與初花期鮮草差值可以看出，毛莢野苕子、78-14、苕藤選較青苕1號 (27.04 t/hm2) 增長快，增長量為39.86～42.03 t/hm2；蘇聯苕子、南陽早一、78-61 苕子增長慢，增長量為16.62～19.60 t/hm2。綜上，毛莢野苕子和 78-14 生物量表現較好，初花期產草量和增加量均較高。

2.1.2 不同毛葉苕子品種(系)養分累積量 不同毛葉苕子品種(系) N、P、K累積量表現出較大差異(表3)。供試50份毛葉苕子品種(系)中，分枝期N累積量為14.15～42.69 kg/hm2，苕藤選最高；P累積量為1.22～4.18 kg/hm2，苕藤選最高；K累積量為8.57～28.80 kg/hm2，78-14 最高。初花期植株N累積量為101.51～278.98 kg/hm2，平均N累積量為170.21 kg/hm2，高于平均N累積量的品種 (系) 有25份，包括78-14、毛莢野苕子、苕藤選等，78-14最高；低于平均N累積量的品種 (系) 有25份，包括78-61毛苕、1399毛苕、南陽早一等，南陽早一最低；P累積量為10.39～29.80 kg/hm2，平均P累積量為18.79 kg/hm2，高于平均P累積量的品種(系)有24份，包括78-14、苕藤選、毛莢野苕子等，78-14 最高；低于平均P累積量的品種(系)有26份，包括南陽早一、蘇聯苕子、1399毛苕等，1399毛苕最低；K累積量為59.33～157.54 kg/hm2，平均K累積量為101.14 kg/hm2，高于平均K累積量的品種 (系) 有24份，包括78-14、大馬野豌豆苕、毛莢野苕子等，78-14 最高；低于平均K累積量的品種(系)有24份，包括78-61毛苕、1399毛苕、南陽早一等，南陽早一最低。50份品種(系)中78-14 的N、P和K累積量最高，分別較當地主栽品種青苕1號提高了92.81%、67.51%和86.50%。

表3 不同品種(系)毛葉苕子分枝期到初花期的養分累積量 (kg/hm2)Table 3 Nutrient accumulation from branching to initial flowering stage of different hairy vetch cultivars (lines)

續表3 Table 3 continued

花前N累積增加量為85.14～236.87 kg/hm2，與當地主栽品種青苕1號比較，78-14 增加量最高，南陽早一增加量最低。花前P累積增加量為8.88～26.15 kg/hm2，78-14 增加最高，1399毛苕增加量最低。花前K累積增加量在49.12～128.73 kg/hm2，78-14 增加量最高，南陽早一增加量最低。78-14 初花期N、P、K累積量和花前N、P、K累積量均最高。綜上，78-14累積N、P和K的能力最強。

2.2 不同毛葉苕子品種 (系) N、P、K累積能力的主成分分析

為了更客觀地評價不同品種(系)毛葉苕子的N、P、K累積能力，采用主成分得分法對分枝期和初花期鮮重、干重和N、P、K累積量以及鮮重增長量和干重增長量進行主成分分析(表4)。按照特征值＞1，且累計貢獻率＞85%的原則，提取出2個主成分。主成分1 (初花期鮮重、干重和N、P、K累積量以及鮮重增長量和干重增長量)和主成分2 (分枝期干重和N、P、K累積量)的方差貢獻率分別為70.57%和23.98%，累積貢獻率達到了94.55%，特征值之和達到了11.34，表明這2個主成分可以表征毛葉苕子的12個指標所反映的信息。50份毛葉苕子資源中排名前5的品種(系)分別為78-14 (M-33)、苕藤選(M-44)、毛莢野苕子(M-25)、山東早熟苕(M-29)、78-171苕子 (M-31)，78-14 (M-33)得分最高，為4.85，蘇聯苕子(M-20)得分最低，為-5.06。

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

2.3 毛葉苕子N、P、K吸收能力的聚類分析

2.3.1 不同毛葉苕子品種 (系) 氮素吸收能力的聚類分析 基于不同毛葉苕子品種 (系) 的主成分分析得分結果，采用組間聯接-平方歐式距離聚類法建立聚類樹狀圖，將50份毛葉苕子品種 (系) 聚為4個類群(圖1)。類群Ⅰ有22份資源，占44.00%，這一類群中的品種對N素的吸收能力一般，平均吸N量最低，為139.55 kg/hm2，該類群分為2個亞類，亞類Ⅰ-1包括15份資源，亞類Ⅰ-2包括7份資源。類群Ⅱ有15份資源，占30.00%，此類群分為2個亞類，亞類Ⅱ-1包括3份資源，亞類Ⅱ-2包括12份資源。類群Ⅲ有12份資源，占24.00%，此類群分為2個亞類，亞類Ⅲ-1包括11份資源，亞類Ⅲ-2包括1份資源。類群Ⅳ僅有1份資源 (78-14)，占總資源的2.00%，這一類群對N素的吸收能力強，平均吸N量最高，為278.98 kg/hm2。

圖1 不同毛葉苕子品種(系)初花期氮素吸收能力的聚類分析Fig. 1 Cluster analysis of nitrogen uptake capacity of different hairy vetch cultivars (lines) at the initial flowering stage

2.3.2 不同毛葉苕子品種 (系) 磷素吸收能力的聚類分析 50份毛葉苕子品種 (系) 聚為4個類群 (圖2)。類群Ⅰ有16份資源，占32.00%，此類群分為2個亞類，亞類Ⅰ-1包括9份資源，亞類Ⅰ-2包括7份資源。類群Ⅱ有6份資源，占12.00%，這一類群對P素的吸收能力一般，平均吸P量最低，為13.62 kg/hm2，此類群分為2個亞類，亞類Ⅱ-1包括3份資源，亞類Ⅱ-2包括3份資源。類群Ⅲ有24份資源，占48.00%，此類群分為2個亞類，亞類Ⅲ-1包括14份資源，亞類Ⅲ-2包括10份資源。類群Ⅳ有4份資源，占8.00%，這一類群對P素的吸收能力強，平均吸P量最高，為27.94 kg/hm2，此類群分為2個亞類，亞類Ⅳ-1包括毛莢野苕子、苕藤選、78-14毛苕3份資源，亞類Ⅳ-2僅魯苕1號1份資源。

圖2 不同毛葉苕子品種(系)初花期磷素吸收能力聚類分析Fig. 2 The cluster analysis of phosphorus uptake capacity of different hairy vetch cultivars (lines) at the initial flowering stage

2.3.3 不同毛葉苕子品種 (系) 鉀素吸收能力的聚類分析 50份毛葉苕子品種 (系) 聚為4個類群 (圖3)。類群Ⅰ有15份資源，占30.00%，這一類群對K素的吸收能力一般，平均吸K量最低，為76.08 kg/hm2，此類群分為2個亞類，亞類Ⅰ-1包括14份資源，亞類Ⅰ-2包括1份資源。類群Ⅱ有19份資源，占38.00%，此類群分為2個亞類，亞類Ⅱ-1包括4份資源，亞類Ⅱ-2包括15份資源。類群Ⅲ有12份資源，占24.00%，此類群分為2個亞類，亞類Ⅲ-1包括3份資源，亞類Ⅲ-2包括9份資源。類群Ⅳ有4份資源，占8.00%，這一類群對K素的吸收能力強，平均吸K量最高，為145.91 kg/hm2，此類群分為2個亞類，亞類Ⅳ-1包括毛莢野苕子、大馬野豌豆苕、苕藤選3份資源，Ⅳ-2僅有78-14毛苕1份資源。

圖3 不同毛葉苕子品種(系)初花期鉀素吸收能力的聚類分析Fig. 3 Cluster analysis of potassium uptake capacity of different hairy vetch cultivars (lines) at the initial flowering stage

2.4 不同養分累積能力的毛葉苕子品種 (系) 對應的土壤速效養分含量變化

基于主成分得分結果，篩選出養分累積能力強的毛葉苕子品種 (系) 共6份 (得分＞3.5)，養分累積能力一般品種 (系) 共9份 (得分＜-4)。由表5可知，種植毛葉苕子顯著降低了土壤無機氮、有效磷和速效鉀含量，與播前相比，分枝期無機氮含量降低了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%；速效鉀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%。分枝期耕層土壤養分較播前土壤養分降低幅度較大的可能原因是前期毛葉苕子根系不發達，主要以吸收耕層土壤養分為主，后期隨著毛葉苕子的根系變發達，可以吸收活化深層土壤中養分，因此分枝期到初花期耕層土壤養分變化（無機氮降低10.11%～37.74%，有效磷降低1.4 1%～1 9.8 0%，速效鉀降低1.63%～26.22%）相較播前到分枝期耕層土壤養分變化（無機氮降低38.97%～61.80%，有效磷降低39.51%～72.55%，速效鉀降低29.03%～52.89%）幅度小。綜上，毛葉苕子對氮磷鉀的累積能力較強，麥后復種毛葉苕子能夠充分利用休閑期土壤養分資源。

表5 基于主成分分析篩選出的毛葉苕子品種(系)對應的土壤基礎養分含量(mg/kg)Table 5 Basic nutrient content of soil grown with the selected hairy vetch cultivars (lines) based on principal component analysis

3 討論

毛葉苕子種質資源豐富，種性差異大，應因地制宜選育適合當地生產利用的優質品種。無論用于飼草還是用于綠肥與麥田套復種，生物量都是品種選育工作的重要指標[30]。本試驗中不同毛葉苕子資源在分枝期和初花期生物量變異均較大，初花期不同品種(系)的鮮草產量為18.35～46.94 t/hm2，其中毛莢野苕子、78-14、大馬野豌豆苕和苕藤選產草量較高，均高于當地主栽品種青苕1號。主成分分析和聚類分析結果基本一致，78-14、苕藤選、毛莢野苕子在主成分分析中排名前五，以78-14得分最高，在聚類分析中78-14的N素吸收能力最強，毛莢野苕子、苕藤選、78-14的P素吸收能力最強，毛莢野苕子、大馬野豌豆苕、苕藤選、78-14的K素吸收能力最強。綜合以上分析結果，78-14表現出較強的N、P、K吸收能力，毛莢野苕子和苕藤選表現出較強的P、K吸收能力。同時，毛莢野苕子初花期鮮草產量最高，為46.94 t/hm2，高于適合作綠肥的鮮草產量標準22.50 t/hm2[31]，主要原因是本研究是麥后復種，沒有其他作物的競爭，且青海地區7月中旬麥田收獲后到10月初雨熱條件充分，充足的養分供應和光熱條件極大滿足毛葉苕子的生長，充分利用自然資源。

選育利用養分吸收能力強的綠肥能夠大幅度降低化肥施用量、促進后茬作物對養分的吸收并實現作物豐產性[32-34]。毛葉苕子生長過程中與根瘤菌共生進行生物固氮，增加外源氮投入，培育土壤氮庫[35-36]，毛葉苕子根系發達，通過提高根冠比和根表酸性磷酸酶的活性高效地獲取磷和鉀[37-39]。本試驗50份毛葉苕子的生物量與N、P和K累積量呈現相同的規律，初花期生物量和N、P、 K累積量均高的品種為78-14、毛莢野苕子、大馬野豌豆苕和苕藤選，均低的品種為1399毛苕、南陽早一、78-61毛苕和蘇聯苕子。N、P和K累積量受生物量的影響較大，整體上表現出一致的結果。以本研究中養分吸收能力最強的78-14 為例，1 hm2吸收的養分可替代606.47 kg尿素、262.57 kg氯化鉀和232.79 kg過磷酸鈣，其翻壓還田替代化肥潛力巨大。

近年來隨著集約型農業生產的發展，小麥季常年過量施肥使得本試驗毛葉苕子播前土壤中無機氮、有效磷、速效鉀含量均處于較高的水平。與播前相比，分枝期、初花期土壤無機氮、有效磷、速效鉀含量顯著降低，說明麥后復種毛葉苕子可以充分利用休閑期土壤養分，能夠提高養分有效性，降低氮淋洗和磷鉀固定風險[9,40]。本試驗分枝期土壤速效養分顯著降低，其原因可能是前期毛葉苕子根系不發達，主要吸收耕層土壤養分；而分枝期到初花期耕層土壤速效養分變化相較播前到分枝期耕層土壤速效養分變化幅度較小。其原因可能是隨著生育期推進，毛葉苕子的固氮能力增加，一般在初花期達到最高[31]。另外，養分累積能力強的品種羅馬尼亞分枝期到初花期土壤有效磷和速效鉀含量顯著升高，說明毛葉苕子可以通過發達的根系吸收利用深層土壤養分，并通過根系分泌有機酸和提高根表酸性磷酸酶的活性，促使難溶性磷鉀養分被活化釋放到土壤中供其吸收[41]。

4 結論

50份毛葉苕子品種(系)產草量和N、P、K吸收能力存在差異，吸收N能力強的資源有1份，吸收P、K能力強的資源均有4份，這些資源的平均吸N量、吸P量和吸K量分別達到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)，且聚類均被聚在N、P、K養分吸收能力強的類群，表現出較強的N、P、K吸收能力；毛莢野苕子和苕藤選在主成分分析中得分較高(4.69、4.54)，且聚類均被聚在P、K養分吸收能力強的類群，表現出較強的P、K吸收能力。綜上，以上3份資源可作為青海地區有潛力的毛葉苕子品種 (系) 在生產中驗證。