47份箭筈豌豆品種（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，張久東，周國朋，孫小鳳*，曹衛(wèi)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(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，農業(yè)農村部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081；3.甘肅省農業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農業(yè)研究所，甘肅蘭州 730030）

綠肥是我國傳統(tǒng)農業(yè)的瑰寶，是實現(xiàn)耕地用養(yǎng)結合的重要措施。種植利用綠肥能夠培肥土壤、改善生態(tài)環(huán)境、提高作物產量，同時也可做優(yōu)質飼草利用［1-3］。箭筈豌豆（Vicia sativa），又名荒野豌豆、大巢菜，豆科野豌豆屬，一年生或越年生豆科草本植物，是我國栽培利用最廣的綠肥飼草作物之一［4］。在我國西北地區(qū)常見的利用方式是箭筈豌豆與小麥（Triticum aestivum）套復種，麥后復種可刈割鮮草做飼草［5］，根茬還田能增加后茬作物產量［6］。另外，箭筈豌豆常與禾本科作物混播來提高其產草量［7-8］并改善飼草品質［9］。近年來以供肥培肥，綠色發(fā)展為目的，西北地區(qū)開始發(fā)展豆科綠肥間作小麥、玉米（Zea mays）等新型間作模式。箭筈豌豆具有早生、速發(fā)的特點，間作模式下共生期間不僅可以提高土壤養(yǎng)分和土壤微生物數(shù)量［10］，還能將固定的氮素轉移給小麥，減少氮肥投入［11］，從而提高產量和品質［12］。

20世紀80年代以來綠肥生產利用停滯，優(yōu)質種質資源的選育栽培工作停止，使得地方綠肥種質資源存在混雜、退化以及產草量下降等問題［13-14］。近年來對箭筈豌豆種質資源的研究主要集中于農藝性狀［15-16］、表型性狀［17］、品質［18-20］、抗性［21-22］和遺傳多樣性［23］等方面，不同箭筈豌豆品種的農藝性狀、抗性等存在差異。目前對箭筈豌豆品種間產草量及養(yǎng)分吸收能力缺乏系統(tǒng)評價。產草量和養(yǎng)分累積量是用作綠肥及化肥替代潛力的重要指標［24-25］。箭筈豌豆生長期間不但可以與根瘤共生固氮增加土壤氮素［26］，其根系分泌物還能活化磷、鉀提高土壤中磷、鉀的有效性［27-28］，不同品種間固氮及活化磷、鉀能力不同，其養(yǎng)分積累能力也不同。箭筈豌豆是西北地區(qū)重要的綠肥作物，綜合篩選產草量高和養(yǎng)分吸收能力強的品種具有重要意義。本試驗測定了田間條件下47份箭筈豌豆品種（系）分枝期和初花期地上部生物量、氮磷鉀累積量及土壤速效養(yǎng)分含量變化。運用主成分分析和聚類分析對這些箭筈豌豆資源進行綜合評價，以期篩選出適宜青海地區(qū)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(fā)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為：有機質13.71 g·kg-1、全氮1.18 g·kg-1、無機氮39.77 mg·kg-1、有效磷40.55 mg·kg-1、速效鉀225 mg·kg-1、p H 8.15。

1.2 試驗材料

供試箭筈豌豆品種為各省主栽品種和種質資源庫保藏的品種（系），共47個（表1）。

表1 供試箭筈豌豆種質材料編號及名稱Table 1 The number and name of common vetch cultivars used in this study

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，每條2 m，左右各間隔1 m，每品種（系）設3次重復，播種量為120.0 kg·hm-2。

1.4 樣品采集與測定

采集兩次樣品，第一次于9月4日（播種后40 d，此時為分枝期）采取1 m的樣品，第二次于9月28日（播種后63 d，此時為初花期）取剩下1 m。

試驗采取樣品時記錄其鮮草產量，置于105℃烘箱內殺青30 min，并于70℃條件下烘干至恒重后，記錄干草產量。粉碎后的植株樣品采用H2SO4-H2O2法消化，利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［1］。鮮土按土水比1∶5加入2 mol·L-1KCl溶液，振蕩30 min后，通過流動分析儀（SEA 1 Auto Analyzer 3，德國）測定無機氮含量。風干土用0.5 mol·L-1NaHCO3提取-鉬銻抗比色法測定有效磷含量，用0.1 mol·L-1NH4Ac浸提-火焰光度法測定速效鉀含量［29］。

1.5 計算與分析

為了進一步評價47份箭筈豌豆品種對各養(yǎng)分吸收能力的強弱，通過初花期植株養(yǎng)分累積量和干草產量等計算花前植株養(yǎng)分累積增加量、花前植株養(yǎng)分累積增加量所占比例和花前植株養(yǎng)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：

花前N（P、K）累積增加量=初花期N（P、K）累積量-分枝期N（P、K）累積量

花前N（P、K）累積增加量所占比例=花前N（P、K）累積增加量/初花期N（P、K）累積量

花前N（P、K）吸收速率=花前N（P、K）累積增加量/分枝期到初花期的天數(shù)

上述各聚類因子數(shù)量級不同，分類結果無法達到預期的效果。因此，采用極差標準化方法進行數(shù)據(jù)處理，公式為：

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

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007軟件整理試驗數(shù)據(jù)。應用Origin 2018軟件進行主成分分析以及聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同箭筈豌豆品種（系）生物量及養(yǎng)分累積量

2.1.1 不同箭筈豌豆品種（系）生物量 不同箭筈豌豆品種（系）在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）。47份箭筈豌豆分枝期鮮草產量為3.39～7.18 t·hm-2，草原79-1最高；干草產量為0.62～1.25 t·hm-2，333/A最高。初花期鮮草產量為21.33～47.31 t·hm-2，干草產量為2.99～6.86 t·hm-2，匈牙利均最高，其鮮草產量較西牧333（29.77 t·hm-2）提高了58.92%，干草產量較西牧333（4.23 t·hm-2）提高了62.17%。

表2 不同箭筈豌豆品種的生物量Table 2 Biomass of different common vetch cultivars（t·hm-2）

箭筈豌豆的特點是早生、速發(fā)。分枝期與初花期鮮草差值顯示，匈牙利、黑皮741箭豌、清水河麻箭豌（麻色）較西牧333（24.81 t·hm-2）增長快，增長量為33.41～41.22 t·hm-2；751箭豌、蘇箭5號、S79-11較西牧333增長慢，增長量為16.85～19.61 t·hm-2。綜上，匈牙利表現(xiàn)最好，初花期鮮草產量和分枝期到初花期的增長量均最高。

2.1.2 不同箭筈豌豆品種（系）氮磷鉀累積量 不同箭筈豌豆品種（系）氮磷鉀累積量表現(xiàn)出較大差異（圖1～3）。供試47份箭筈豌豆品種中，分枝期植株氮累積量為22.15～40.97 kg·hm-2，草原79-1最高；磷累積量為2.37～4.88 kg·hm-2，754-1箭豌最高；鉀累積量為15.61～33.40 kg·hm-2，333/A最高。初花期植株氮累積量為100.34～212.51 kg·hm-2，磷累積量為10.31～25.25 kg·hm-2，鉀累積量為63.89～140.41 kg·hm-2，其中匈牙利氮、鉀累積量最高，分別較西牧333提高了44.78%和54.40%，7501磷累積量最高，較西牧333提高了27.78 %。

圖1 箭筈豌豆各品種植株氮素累積量Fig.1 Nitr ogen accumulation of common vetch cultivar s

續(xù)表Continued Table

花前氮累積增加量為71.84～176.86 kg·hm-2，與西牧333相比，匈牙利增加量最高，蘭箭3號增加量最低?；ㄇ傲桌鄯e增加量為7.18～21.53 kg·hm-2，7501增加量最高，紅旗頭增加量最低?；ㄇ扳浝鄯e增加量為39.96～111.43 kg·hm-2，匈牙利增加量最高，751箭豌增加量最低。匈牙利初花期氮、鉀素累積量和花前氮、鉀累積增加量均最高，7501初花期磷累積量和花前磷累積增加量均最高。綜上，匈牙利吸收氮、鉀的能力最強，7051吸收磷的能力最強。

圖2 箭筈豌豆各品種植株磷素累積量Fig.2 Phosphorus accumulation of common vetch cultivars

2.2 不同箭筈豌豆品種（系）氮磷鉀吸收能力的主成分分析

為了更客觀地評價不同箭筈豌豆品種（系）的氮磷鉀吸收能力，采用主成分得分法對分枝期和初花期植株鮮重和干重，以及植株氮、磷和鉀累積量10個指標數(shù)據(jù)進行主成分分析（表3）。按照特征值>1，且累積貢獻率>80%的原則，提取出2個主成分。主成分1和主成分2的方差貢獻率分別為49.84%和35.94%，累積貢獻率達到了85.78%，特征值之和為8.57，表明這2個主成分可以表征箭筈豌豆的10個指標所反映的信息。47份箭筈豌豆資源中排名前五的品種分別為匈牙利、草原79-1、清水河麻箭豌（麻色）、324和黑皮741箭豌，匈牙利得分最高，為6.84，751箭豌得分最低，為-3.87。

圖3 箭筈豌豆各品種植株鉀素累積量Fig.3 Potassium accumulation of common vetch cultivar s

表3 不同箭筈豌豆品種（系）的主成分得分Table 3 The principal component score of different common vetch cultivars

2.3 箭筈豌豆氮磷鉀吸收能力的聚類分析

2.3.1 不同箭筈豌豆品種（系）氮素吸收能力的聚類分析 基于不同箭筈豌豆品種（系）的主成分分析得分結果，采用組間聯(lián)接-平方歐式距離聚類法建立聚類樹狀圖，將47份箭筈豌豆品種（系）氮素吸收能力聚為3個類群（圖4）。類群Ⅰ有33份資源，占70.21%，這一類群中的品種對氮素的吸收能力居中，該類群分為2個亞類，亞類Ⅰ-1包括23份資源，亞類Ⅰ-2包括10份資源。類群Ⅱ有10份資源，占21.28%，這一類群中的品種對氮素的吸收能力最弱，此類群分為2個亞類，亞類Ⅱ-1包括4份資源，Ⅱ-2包括6份資源。類群Ⅲ有4份資源，占8.51%，這一類群的品種氮素吸收能力最強，平均吸氮量為200.62 kg·hm-2，此類群分為2個亞類，亞類Ⅲ-1包括324和清水河麻箭豌（麻色），Ⅲ-2包括草原79-1和匈牙利。

圖4 不同箭筈豌豆品種初花期氮素吸收能力的聚類分析Fig.4 The cluster analysis of nitrogen uptake capacity of differ ent common vetch cultivars at initial flower ing stage

2.3.2 不同箭筈豌豆品種（系）磷素吸收能力的聚類分析 47份箭筈豌豆品種（系）磷素吸收能力聚為3個類群（圖5）。類群Ⅰ有28份資源，占59.58%，這一類群中的品種磷素吸收能力居中，該類群分為2個亞類，亞類Ⅰ-1包括12份資源，亞類Ⅰ-2包括16份資源。類群Ⅱ有12份資源，占25.53%，這一類群中的品種磷素吸收能力最弱，此類群分為2個亞類，亞類Ⅱ-1包括4份資源，Ⅱ-2包括8份資源。類群Ⅲ有7份資源，占14.89%，這一類群中的品種磷素吸收能力最強，平均吸磷量為23.10 kg·hm-2，該類群分為2個亞類，亞類Ⅲ-1包括黑皮741箭豌、隴箭2號、匈牙利和粉紅色箭豌，Ⅲ-2包括S79-11、草原79-1和7501。

圖5 不同箭筈豌豆品種初花期磷素吸收能力的聚類分析Fig.5 The cluster analysis of phosphorus uptake capacity of different common vetch cultivars at initial flowering stage

2.3.3 不同箭筈豌豆品種（系）鉀素吸收能力的聚類分析 47份箭筈豌豆品種（系）鉀素吸收能力聚為3個類群（圖6）。類群Ⅰ有37份資源，占78.72%，這一類群中的品種鉀素吸收能力居中，此類群分為2個亞類，亞類Ⅰ-1包括21份資源，亞類Ⅰ-2包括16份資源。類群Ⅱ有2份資源，占4.26%，這一類群中的品種鉀素吸收能力最弱。類群Ⅲ有8份資源，占17.02%，這一類群中的品種鉀素吸收能力最強，平均吸鉀量為115.23 kg·hm-2，該類群分為2個亞類，亞類Ⅲ-1包括黑皮741箭豌、隴箭2號、蘇箭3號、324、清水河麻箭豌（麻色）、西牧820和草原79-1，Ⅲ-2包括匈牙利。

圖6 不同箭筈豌豆品種初花期鉀素吸收能力的聚類分析Fig.6 The cluster analysis of potassium uptake capacity of differ ent common vetch cultivars at initial flower ing stage

2.4 不同養(yǎng)分吸收能力的箭筈豌豆品種（系）對應的土壤速效養(yǎng)分含量變化

基于主成分得分結果，篩選出養(yǎng)分吸收能力強的箭筈豌豆品種（系）共7份（得分>2），養(yǎng)分吸收能力弱的品種（系）共6份（得分<-2）。由表4可知，種植箭筈豌豆顯著降低了土壤無機氮、有效磷和速效鉀含量，與基礎土相比，分枝期無機氮含量降低了50.31%～70.86%，初花期降低了71.56%～81.04%，分枝期到初花期降低了2.19%～24.11%；有效磷含量在分枝期降低了31.96%～56.18%，初花期降低了37.61%～60.62%，分枝期到初花期降低了1.90%～20.86%；速效鉀含量在分枝期降低了24.15%～50.67%，初花期降低了46.37%～57.63%，分枝期到初花期降低了0.74%～28.00%。以上結果說明箭筈豌豆具有較強的氮磷鉀吸收能力，種植箭筈豌豆可以充分利用土壤休閑期養(yǎng)分。

養(yǎng)分吸收能力強的品種草原79-1箭筈豌豆和養(yǎng)分吸收能力弱的品種蘭箭2號箭筈豌豆分枝期到初花期土壤有效磷含量均顯著升高，這說明隨生育期推進箭筈豌豆活化土壤難溶性磷的能力不斷增強，且品種間的磷素吸收能力不是決定土壤中有效磷含量的唯一因素，土壤中有效磷的含量是植物活化難溶性磷和植物吸收磷動態(tài)平衡的結果。

3 討論

箭筈豌豆品種多，品性差異大，生產利用中應當選擇適宜當?shù)貤l件的品種。西北地區(qū)用于麥田套復種應選早發(fā)速生、耐陰性好的品種。同時無論用作飼草還是綠肥，產量都是品種選育時的重要指標［30］。本試驗中不同箭筈豌豆品種在分枝期和初花期生物量均變異較大，初花期匈牙利、清水河麻箭豌（麻色）、蘇箭3號產草量較高，較當?shù)刂髟云贩N西牧333表現(xiàn)好，可以在生產實踐中驗證，篩選適合青海地區(qū)的優(yōu)異箭筈豌豆資源。本研究中箭筈豌豆屬于秋播，初花期匈牙利鮮草產量最高為47.31 t·hm-2。秦燕等［31］研究表明青海地區(qū)夏季復種箭筈豌豆，盛花期鮮草產量為49.17 t·hm-2，同一地區(qū)本研究產草量與該結果相當。王琳等［32］研究發(fā)現(xiàn)江蘇晚稻（Oryza sativa）套種箭筈豌豆，箭筈豌豆盛花期鮮草產量為23.88 t·hm-2，同為秋播本研究產草量高于該結果。吳興洪等［33］研究發(fā)現(xiàn)貴州果園春播箭筈豌豆，盛花期鮮草產量為32.38 t·hm-2，本研究結果同樣高于該結果。原因可能是與間作、套作模式相比，麥后復種的箭筈豌豆在生長過程中與其競爭的作物少，充足的養(yǎng)分和光照可保證其生長。

種植利用綠肥可減少化肥施用、促進后茬作物對養(yǎng)分吸收以及增加作物產量［34-36］。篩選養(yǎng)分累積能力強的品種可以最大限度地利用休閑期的養(yǎng)分，翻壓還田后可減少后茬作物化肥施用量。本試驗47份箭筈豌豆鉀素吸收能力較強的品種最多，吸收能力強的品種占17.02%、居中的占78.72%；氮素吸收能力較強的品種次之，吸收能力強的品種占8.51%、居中的占70.21%；磷素吸收能力較強的品種最少，吸收能力強的品種占14.89%、居中的占59.58%。生物量大、養(yǎng)分累積能力強的品種可以優(yōu)先用作綠肥。以表現(xiàn)最好的匈牙利箭筈豌豆為例，換算為每hm2吸收的養(yǎng)分翻壓還田后相當于461.98 kg尿素、234.02 kg氯化鉀和189.83 kg過磷酸鈣。

?

本試驗基礎土無機氮、有效磷、速效鉀含量均處于較高的水平，可能是小麥季常年過量施肥造成的。與基礎土相比，分枝期、初花期土壤無機氮、有效磷、速效鉀顯著降低，說明麥后復種箭筈豌豆可以利用休閑期的養(yǎng)分，能夠降低雨季氮磷的淋洗風險［37-38］。分枝期到初花期，土壤速效養(yǎng)分降幅較小，但分枝期到初花期植株氮、磷、鉀養(yǎng)分累積量遠大于分枝期。一方面是分枝期前箭筈豌豆根系不發(fā)達，主要以吸收耕層土壤養(yǎng)分為主，后期隨著箭筈豌豆的生長發(fā)育，根系逐漸發(fā)達，可以吸收深層土壤中養(yǎng)分，降低耕層土壤養(yǎng)分利用。另一方面是隨著箭筈豌豆的生長，根系活化土壤養(yǎng)分的能力增強，更多的難溶性養(yǎng)分被活化釋放到土壤中供其吸收［39-40］。

4 結論

47份箭筈豌豆品種（系）產草量和氮磷鉀吸收能力存在差異，主成分分析顯示排名前五的品種分別為匈牙利、草原79-1、清水河麻箭豌（麻色）、324和黑皮741箭豌，匈牙利得分最高，751箭豌得分最低。聚類分析顯示47份箭筈豌豆資源的氮磷鉀吸收能力表現(xiàn)出明顯的差異，氮、磷和鉀吸收能力強的資源分別有4、7和8份，這些資源平均吸氮量、吸磷量和吸鉀量分別達到200.62 kg·hm-2、23.10 kg·hm-2和115.23 kg·hm-2。匈牙利、草原79-1、清水河麻箭豌（麻色）和324表現(xiàn)出較強的氮、鉀吸收能力，草原79-1和匈牙利表現(xiàn)出較強的磷、鉀吸收能力，可作為青海省有潛力的箭筈豌豆品種（系）在生產中驗證。