长期绿肥配施化学氮肥协同提升小麦产量稳定性与籽粒品质

作物高产与品质提升之间存在长期权衡，实现二者协同增强是现代农业生产面临的关键挑战。绿肥虽被证实可提升作物产量或品质，但其能否同时改善二者仍不明确。研究人员在中国西北旱作灌溉区开展了为期6年的田间试验，探究绿肥是否可通过增加矿质氮供应与植株氮同化能力，同步提升小麦产量与品质。试验设置两个施氮水平（N1：180 kg ha−1，N0：不施氮）与四个绿肥处理，分别为小麦收获后休闲（G0）、复种绿肥并分别以15,000 kg ha−1（G1）、30,000 kg ha−1（G2）和45,000 kg ha−1（G3）翻压还田。结果表明，绿肥强化了化学氮肥的增产稳产效应，同时弥补了单施氮肥的局限并提升了小麦籽粒综合品质，且随绿肥施用年限延长效应逐渐增强。与N1G0相比，N1G2处理小麦籽粒产量、产量稳定性指数及综合评价指标分别提高20.7%、278.5%和86.1%，这主要归因于该处理土壤硝态氮和铵态氮含量分别增加24.4%和22.4%。此外，N1G2处理促进花前氮素向籽粒转运与分配，增幅分别为12.4%和9.5%，并提高了籽粒硝酸还原酶（NR）与谷氨酰胺合成酶（GS）活性，增强了籽粒氮同化能力。研究表明，在西北旱作灌溉区，于180 kg ha−1化学氮肥基础上配施30,000 kg ha−1绿肥，是实现小麦高产、稳产与优质协同提升的可行策略。

该研究由甘肃农业大学省部共建干旱生境作物学国家重点实验室团队完成，论文发表于《The Crop Journal》。针对全球耕地减少与粮食需求增长背景下，传统单作与过量施肥导致的小麦产量波动大、高产与优质矛盾突出及环境压力加剧等问题，研究人员提出绿肥配施化学氮肥可能打破这一权衡，并在中国西北旱作灌溉区开展长期定位试验验证该假设。

研究采用双因素随机区组设计，以春小麦宁春4号为供试作物，绿肥为土库曼毛叶苕子（Vicia villosaRoth.），设置施氮水平（180 kg ha⁻¹与0 kg ha⁻¹）与绿肥翻压量（0、15,000、30,000、45,000 kg ha⁻¹）共8个处理，连续监测2018–2023年产量与稳定性。通过近红外谷物分析仪测定籽粒营养与加工品质，结合主成分分析与模糊综合评价构建品质综合评价指标（QEI）。采用连续流动分析仪测定土壤矿质氮，通过植株器官氮积累量计算氮素转运与分配参数，利用酶活试剂盒检测籽粒氮同化关键酶（NR、GS）活性，最终通过线性混合效应模型与偏最小二乘路径模型（PLS-PM）解析调控机制。

3.1 绿肥与化学氮肥配施下的小麦籽粒产量

研究结果显示，绿肥与化学氮肥均显著提高小麦产量，且二者存在协同效应。2018–2023年，化学氮肥平均增产17.5%，绿肥G1、G2、G3较G0分别增产10.4%、20.8%、24.1%，其中N1G2处理较N1G0增产20.7%。随绿肥施用年限延长，其对产量的贡献率从8.1%（2018年）升至26.4%（2023年），并增强化学氮肥的增产效应，N1G2处理贡献率最高。

3.2 绿肥与化学氮肥配施下的小麦产量稳定性

绿肥与化学氮肥均提升产量稳定性，且配施效应更强。N1处理产量稳定性指数（YSI）较N0提高186.9%，G1、G2、G3较G0分别提高102.6%、143.7%、143.7%，N1G2较N1G0提高278.5%。分阶段分析表明，2018–2020年化学氮肥对YSI贡献率为102.1%–123.0%，绿肥为137.2%–206.2%，后期绿肥成为更关键的稳定因子。

3.3 绿肥与化学氮肥配施对小麦籽粒品质的响应

3.3.1 营养品质：绿肥与化学氮肥均提高籽粒蛋白质含量，N1G2较N1G0提高22.1%；绿肥显著提升淀粉含量（6.6%）。二者协同增加必需与非必需游离氨基酸含量，N1G2处理分别提高21.9%与22.5%，其中赖氨酸、色氨酸等关键氨基酸增幅达14.7%–36.4%。

3.3.2 加工品质：配施处理显著提高容重与硬度，N1G2较N1G0分别提高2.9%与10.4%；湿面筋含量、沉降值与降落数值分别提高12.8%、20.1%与12.0%，灰分含量与软化度降低6.5%与20.2%。

3.3.3 籽粒品质综合评价：主成分分析显示前两主成分解释89.8%变异，N1G2处理的QEI较N1G0提高86.1%。随时间推移，化学氮肥对品质的贡献下降，绿肥贡献上升，尤其在营养品质方面绿肥贡献率达62.9%。

3.4 绿肥与化学氮肥配施下的土壤矿质氮供应与植株氮同化

3.4.1 土壤矿质氮含量：N1G2处理较N1G0显著提高土壤硝态氮（24.4%）与铵态氮（22.4%）含量。

3.4.2 氮素转运：N1G2处理花前氮素转运量与转运率分别提高18.5%与12.4%。

3.4.3 氮素分配：N1G2处理籽粒氮积累量与氮收获指数（NHI）分别提高22.0%与9.5%。

3.4.4 籽粒氮同化：N1G2处理灌浆期NR与GS活性持续高于对照，花后30天NR活性提高17.8%，GS活性提高18.2%。

3.5 绿肥与化学氮肥对小麦生产的互作效应

线性回归显示产量与YSI、QEI呈显著正相关。混合效应模型表明，绿肥与化学氮肥的互作对产量、YSI与QEI的贡献率分别为26.3%、27.6%与31.3%，证实二者协同增效。

3.6 土壤矿质氮供应与植株氮同化对籽粒品质的路径分析

PLS-PM模型解释91%的品质变异，化学氮肥主要通过提升土壤矿质氮与氮同化酶活性影响品质，绿肥则主要通过调控氮素转运与分配发挥作用。随机森林模型确认土壤矿质氮、氮转运、籽粒氮积累与氮同化酶活性是关键驱动因子。

讨论部分指出，绿肥通过生物固氮与改善土壤结构提升氮素有效性，短期通过矿质氮同步释放提高氮效率，长期通过土壤团聚体与持水性增强缓冲气候风险，从而分阶段强化稳产效应。绿肥并非单纯氮源，而是调节氮素获取、再分配与代谢转化的枢纽，缓解了高产下的蛋白稀释效应。研究局限在于仅考虑地上部绿肥还田，未来需纳入地下部贡献。

结论表明，在180 kg ha⁻¹化学氮肥基础上配施30,000 kg ha⁻¹绿肥，可使小麦产量、YSI与QEI分别提升20.7%、278.5%与86.1%，通过增强土壤矿质氮供应、氮素转运分配与籽粒氮同化，实现西北旱作灌溉区小麦高产、稳产与优质的协同提升。