小麥/玉米/大豆間套作體系中小麥施磷后效對大豆產量、營養狀況的影響

陳遠學，周 濤，黃 蔚，陳新平，唐義琴，劉 靜，陳曉輝，徐開未*

(1四川農業大學資源環境學院，四川成都611130;2中國農業大學資源與環境學院，北京100193)

間套作是我國傳統精細農業的重要組成部分，對促進農業可持續發展具有重要作用。間套作模式利用不同物種在空間分布和養分需求等方面的優勢互補，使間套作系統能更有效地利用各種生長因子(光、水分、各種養分等)來獲得產量優勢［1］。中國南方以其特有的農業種植制度使得大豆生產以間套作為主，近年來旱地新三熟“小麥/玉米/大豆”模式在西南地區迅猛發展［2－3］。合適的間套作品種、施肥方式和種植密度使間套作作物在生長資源的需求上具有互補性，互利大于競爭。大豆作為該模式中增效和改善土壤環境的核心作物，對其已做了大量的研究工作。

前人對四川“小麥/玉米/大豆”體系中大豆的研究從合理的種植規格，發展到施肥對其自身養分分配，營養特征的影響，進一步深入到與其他作物間的相互影響、養分運移。如向達兵等［4－5］認為，適量施磷、鉀提高了套作大豆莖桿的抗倒指數，降低倒伏率，同時調節鉀素平衡;劉增禹等［6］從玉米株型對大豆氮素積累方面的研究著手發現，緊湊型玉米下的大豆花后氮素積累速率大、積累量多，從而有利于提高大豆地上部氮素的總積累量;在“小麥/玉米/大豆”間作體系中大豆通過自身的生物固氮促進了玉米對氮素的吸收，使玉米處于優勢生態位，而傳統的“小麥/玉米/甘薯”體系中玉米、甘薯爭奪土壤無機氮使二者相對小麥而言都處于弱勢生態位［1］。然而對該體系養分高效管理的研究較少，特別是對大豆的研究還少見報道。由于磷肥的當季利用率低、肥效長，小麥與大豆相比對施用磷肥更敏感，對磷肥的依賴性高于大豆。對于小麥/玉米/大豆間作體系中小麥和大豆前后茬的種植關系，是否可以考慮后作大豆僅依靠前作小麥施磷肥后殘留于土壤中的磷素，以減少磷肥的施用，提高磷素利用率?為此本研究在該體系下種植小麥時，設置不施磷和4個不同施磷水平處理，種植大豆時不施肥，以期通過對小麥施肥量的調節，使在不影響小麥和大豆產量和品質的前提下，提高土壤磷肥利用率，達到降低生產成本、提高收益的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2010年11月至2011年10月在四川農業大學雅安試驗農場進行，土壤為紫色濕潤雛形土(紫色大土)，0—20 cm耕層土壤 pH 6.27，有機質含量 29.8 g/kg、全氮 1.28 g/kg、堿解氮 178 mg/kg、有效磷36 mg/kg、速效鉀71 mg/kg。

大豆選用四川應用面積最大的秋豆品種“貢選1號”，由四川省自貢市農科所選育。小麥為高抗優質品種“川麥37”，由四川省農科院作物所選育。玉米選用四川省和農業部主推優良品種“川單418”，由四川農業大學玉米研究所“川單種業”選育。

1.2 試驗設計與方法

1.2.1試驗設計 試驗在四川小麥/玉米/大豆周年間套作體系中進行，小麥設5個磷水平，分別為P2O50、45、90、135、180 kg/hm2(以 WP0、WP1、WP2、WP3、WP4表示)，氮、鉀用量一致，為 N 120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2;玉米同樣設5個磷水平，分別為P2O50、37.5、75、112.5、150 kg/hm2(記為MP0、MP1、MP2、MP3、MP4)，氮、鉀施用量一致，為N 195 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2;大豆作為小麥的后作，試驗設計為大豆不施氮、磷、鉀肥。小麥播種前土壤有效磷含量為36 mg/kg，經過5個磷水平處理(P2O50、45、90、135、180 kg/hm2)種植小麥，小麥收獲后大豆播種前各處理的土壤有效磷含量分別為19、22、51、57和62 mg/kg，作為大豆的不同磷營養條件，記為 SP0、SP1、SP2、SP3、SP4。

1.2.2試驗實施 田間裂區設計，5個磷水平為大區，大區內設3個小區作為3次重復，重復間無田間間隔，大區間間隔2 m。小區面積2 m×9 m=18 m2，小區幅寬2 m，其中1 m種4行小麥，另1 m為套作玉米預留行(隙地)，即小麥/玉米采用1 m/1 m的田間配置(圖1)。小麥于2010年11月11日條播，行距0.25 m，用種量180 kg/hm2，密度為2.4×106plant/hm2;待小麥揚花時，在隙地中種2行玉米，玉米實行育苗移栽，2011年4月6日采用肥團育苗，2011年4月16日移栽，玉米窄行距60 cm(寬行距140 cm)，窩距40 cm(圖1)，每窩栽壯苗2株，密度5.0×104plant/hm2。小麥于2011年5月25日收獲(此時玉米處于6片展開葉期)，20 d后，即6月15日(此時玉米處于大喇叭口期)在小麥茬地上點播2行大豆，大豆行距40 cm，窩距33cm(圖1)，每穴留 2株，密度6.22×104plant/hm2。玉米于2011年8月10日收獲(此時大豆處于初花期)，大豆于2011年10月27日收獲。

圖1 套作小麥、玉米、大豆的田間試驗布置圖Fig．1 Diagram showing the arrangement of the rows of wheat，maize，soybean in the field experiment

1.2.3施肥方法 小麥播種時開深5 cm左右的溝，50%的氮和全部磷、鉀肥撒于溝內，然后播種回土;另于分蘗期追施20%的氮，于拔節期追施30%的氮，均在遇小雨天撒施。玉米打塘施底肥，窩深15 cm左右，30%的氮和全部磷、鉀肥作底肥施于窩內，然后覆土移栽玉米苗;再于玉米拔節期追施30%的氮，于大喇叭口期追施40%的氮，均采用兌清水沖施于株旁。大豆整個生育期間不施肥。其他田間管理措施同當地高產田。

1.2.4測定項目與方法 整個試驗地在小麥播種前多點采集0—20 cm耕層土樣，混合，分析基礎肥力特征。小麥收獲后大豆播種前在小麥茬各小區分別多點采集0—20 cm耕層混合土樣，測定土壤有效磷含量(NH4F－HCI法)［7］。小麥、玉米收獲時分別計產，采樣并測定氮、磷、鉀含量;大豆實收計產，每小區隨機采6株考種，測定飽莢數、癟莢數、計算飽癟比(飽癟比=飽莢數/癟莢數)、千粒重，分莖桿、豆粒稱重制樣(收獲時大豆葉子基本掉完，故不計葉)，樣品粉碎過0.25 mm篩，分析氮、磷、鉀含量［7］。

2 結果與分析

2.1 磷對大豆產量的影響

2.1.1磷對大豆結莢的影響 在5個磷水平處理中，大豆結莢總量隨土壤有效磷含量增加而增加(表1)，SP3和SP4的總莢數比SP0有極顯著增加;從SP1到SP4有增加趨勢，但之間差異不顯著。施磷處理的飽莢數比對照處理都有顯著或極顯著增加，施磷處理間飽莢數總體上變化不明顯，SP1～SP4處理分別高出 SP013.9%、6.9%、13.2%、12.8%。癟莢數隨著土壤有效磷含量增加而先減少后增加，SP1最少，SP4最多，SP0次之。從飽莢癟莢的比值可以看出隨著土壤有效磷含量的增加大豆飽癟比先增加后減少，但均高于SP0處理。

綜上，隨著土壤有效磷含量的增加大豆結莢數隨之增加，但是當土壤有效磷含量達到較高值時(本試驗為57 mg/kg，SP3處理)其增長幅度減小或者趨于零增長。SP1～SP4各處理飽莢數占總莢數的89.5%、87.2%、86.2%、84.7%，可見只有土壤有效磷含量在一定范圍內才對大豆結莢最有利，可以提高大豆飽莢數，降低癟莢數。本試驗以SP1處理飽癟比最大。

表1 磷對大豆結莢的影響Table 1 The impact of phosphorus on soybean pods

2.1.2磷對大豆產量的影響 植株莖生物量隨著土壤有效磷含量的增加有增加趨勢(表2)，從SP1～SP4分別比 SP0增加了10.4%、22.4%、28.5%、31.5%，但后3個處理間無顯著差異。大豆籽粒產量隨著土壤有效磷含量呈先增加后減少趨勢，SP1產量最高且顯著高于SP011.6%，但與其他幾個施磷處理相比無顯著差異。大豆總生物量(籽粒+莖)后4個處理分別比SP0增加了11.1%、11.2%、13.5%、14.5%，由于土壤有效磷含量處于中等或較高水平，后4個處理中大豆的產量和生物量均未有顯著差異。不同磷水平的土壤中，大豆籽粒和莖稈的增長對總生物量的貢獻不同，SP4的總生物量最大但籽粒僅占總量的0.57，而SP0為0.62。表明過高的土壤磷含量可能造成植株徒長，而只有在合適的土壤磷水平下才有利于大豆結莢和鼓粒。

2.2 磷對大豆營養狀況的影響

2.2.1磷對大豆籽粒氮、磷、鉀含量的影響 大豆籽粒全氮、磷含量隨著土壤有效磷含量增加先增加后減少，全鉀含量依次上升(表3)。籽粒全氮含量各處理間并沒有顯著差異，全磷以SP2最高，SP1次之，且二者分別比 SP0、SP4高出2.6%、1.2%和2.2%、0.8%。全鉀含量SP0、SP1間無顯著差異，后三個處理極顯著高于SP0。

2.2.2磷對大豆莖氮、磷、鉀含量的影響 大豆莖稈全氮、磷、鉀的含量隨土壤有效磷含量增加的變化趨勢與籽粒變化趨勢一致(表3)，但不同處理間氮、磷的差異更加明顯。SP1到SP2處理莖全氮增長幅度最大，隨著土壤有效磷含量增加緩慢下降，SP2依次比其他處理高出9.0%、7.3%、5.3%、7.0%。SP2處理的全磷含量最高，顯著高于其他處理35.3%、25.5%、6.3%、7.1%;SP1到SP2的增長幅度最大，但隨著土壤有效磷含量的繼續增加莖磷含量不再增加。總體上，植株莖磷含量與土壤有效磷含量呈極顯著正相關(r=0.862＊＊，n=15)。莖全鉀含量和籽粒全鉀含量有相似規律，均隨土壤有效磷含量增加而逐漸增加，且莖全鉀含量的增長幅度遠大于籽粒的增長幅度。籽粒、莖全氮、磷、鉀含量均比SP0處理有所提高，氮、磷、鉀含量增長最大幅度均出現在SP1、SP2處理間，而后隨著土壤有效磷含量增加其增長速率減緩。同時籽粒中氮、磷、鉀含量各處理間的差異小于莖中的差異，說明適宜的土壤有效磷含量有利于植株吸收的氮、磷、鉀更多地向籽粒分配。

表2 磷對大豆產量的影響Table 2 The impact of phosphorus on soybean yield and biomass

表3 收獲期大豆籽粒、莖全氮、磷、鉀含量(%)Table 3 The total N，P and K contents of soybean seeds and stems in harvest stage

2.2.3磷對周年作物氮、磷、鉀養分積累量的影響小麥三種養分的積累量均隨施磷量的增加而增加(表4)，氮積累量在WP1→WP2→WP3處理間有較大提升，其后增速減緩，WP3、WP4處理間無顯著差異。施磷處理磷積累量顯著高于未施磷處理，WP4顯著高于WP119.0%、WP216.8%。玉米氮、鉀積累量隨施磷量的增加而增加，磷積累量隨施磷量的增加呈單峰曲線。玉米磷積累量最高的為MP2處理，其分別比 MP0、MP1、MP4高 46.9%、35.8%、26.0%。大豆氮、磷積累量從SP0～SP4處理先增加后減少，最高點均出現在SP1處理，其極顯著高于SP0處理，但與后幾個處理間無顯著差異。三種作物的鉀積累量均隨施磷量或土壤有效磷含量的增加而有所增加，但最大增量點不在同一處理，說明磷素有利于作物對鉀的吸收，但不同磷濃度下作物對鉀的敏感點不同。

表4 小麥/玉米/大豆間套作周年體系作物氮、磷、鉀養分積累量(kg/hm2)Table 4 The total N，P，K accumulation of wheat，maize，soybean in relay-cropping system one year

小麥和大豆的氮積累總量遠大于當季該種植條帶上土壤的施氮總量，說明利用小麥后效養分種植大豆有利于提高土壤氮肥利用效率。

2.3 土壤有效磷含量與各指標的相關性分析

通過對上述大豆各項指標的分析，套作大豆利用前作小麥吸收剩余在土壤中的養分是可行的，但要使其產量和營養狀況達到最佳還需調節前作小麥的施肥量。相關分析(表5)顯示，在本試驗條件下，土壤有效磷含量和大豆產量無顯著相關性，但與莖干重以及與莖的磷、鉀含量和氮、磷、鉀積累量呈極顯著正相關，相關系數分別為0.816、0.862、0.879、0.811、0.898、0.861。大豆莖、籽粒鉀含量和鉀積累量均與土壤有效磷含量呈極好的相關性，大豆產量與大豆籽粒、莖的氮、磷、鉀養分含量沒有明顯相關性。隨著土壤有效磷含量的增加，莖的生物量、養分含量和積累量都在上升，但大豆產量并非在隨著增加，說明土壤中殘留過多的磷只是促進了大豆莖葉的徒長而并不能促進大豆結莢和鼓粒。磷能促進大豆植株對鉀的吸收。

3 討論

程鳳嫻等［8］認為土壤有效磷含量是影響大豆生物量、吸磷量和產量的主要因素。本研究中，試驗后4個處理大豆產量顯著高于SP0處理，生物量隨著土壤有效磷含量增加有所增加，但SP1～SP4間并無顯著差異，籽粒、莖全磷、全氮含量SP2處理最高，全鉀含量SP0～SP4逐漸上升;最高產量處理土壤有效磷含量為22 mg/kg(SP1)，植株養分含量最大處理土壤有效磷含量為51 mg/kg(SP2)，同樣也表明合適的土壤有效磷含量可以提高大豆的產量和生物量，促進植株對養分的吸收。尹秀英［9］、孫世超［10］、蔡柏巖等［11］認為適宜的施磷有利于提高大豆的產量。也有研究［8］表明，在土壤有效磷(Olsen-P)含量低 (4 mg/kg)、中 (15 mg/kg)、高(70 mg/kg)的三種條件下對大豆進行磷肥試驗，低磷土壤施磷對大豆產量和生物量影響較大，中等磷含量土壤影響較小，高磷土壤產量降低。本試驗的結論也映證了這點，即合適的土壤磷含量可以提高大豆產量和生物量，試驗中SP1～SP4處理土壤有效磷含量為22～62 mg/kg，跨度40 mg/kg，由于供試土壤有效磷含量總體處于中等或較高水平，其產量和生物量之間并未有顯著差異。說明在較高磷含量土壤上繼續施磷對提高大豆產量是無益的。

郭慶元［12］，Andrask 等［13］認為適宜的施磷量有利于大豆籽粒蛋白質的積累。但本試驗中籽粒蛋白質含量(表3)處理間并沒有顯著差異，這可能是因為前作小麥吸收了大量的無機氮(99.3～124.1 kg/hm2)，降低了土壤中肥料氮的殘留，從而各處理間差異不顯著。肖焱波等［14］在研究“小麥+蠶豆”系統時發現，小麥可以吸收大比例土壤無機氮，從而降低土壤無機氮的殘留。雍太文等［15］在研究“麥/玉/豆”間套作體系指出， 3種作物間氮素的競爭互利作用并存，小麥、玉米為優勢作物，大豆為弱勢作物，大豆氮源主要通過自身根瘤固定N2，并促進玉米對氮素的吸收?？梢?，在“麥/玉/豆”間套作體系中大豆不施氮確實存在供氮不足的問題。本試驗大豆收獲時葉子全部凋落，據雷婷等［16］、劉增禹等［6］對套作大豆(貢選1號)的研究，同時結合本研究中大豆養分含量、生物量估測凋落大豆葉占總生物量的14.5%左右，葉氮積累量為16 kg/hm2左右。據此，小麥、大豆氮的總積累量在242～284 kg/hm2左右，遠高于施氮量120 kg/hm2。為了解決大豆氮不足的問題，可以對大豆接種高效共生固氮大豆根瘤菌，相關研究表明，單作大豆接種高效大豆根瘤菌可提高產量33.5%、植株含氮量提高26.9%［17］。在“麥/玉/豆”體系中接種大豆根瘤菌的效果有待后續研究。同時該種植模式為解決高效大豆根瘤菌在生產應用中的氮阻遏問題提供了新思路。

表5 土壤有效磷含量、產量、莖干重與大豆莖、籽粒的氮、磷、鉀養分含量和積累量之間的相關性Table 5 The relationship between soil available phosphorus content，yield，stem biomass and soybean stem，grain N，P，K nutrient content and accumulation

大豆莖磷積累量 SP1、SP2、SP3、SP4處理是SP0處理的1.2、1.7、1.6、1.7倍，但其生物量僅為SP0處理的1.1、1.2、1.3、1.3倍。據吳冬婷等［18］對不同磷濃度處理大豆莖、葉、籽粒的磷含量研究，結合本試驗大豆籽粒、莖磷含量估測凋落葉磷積累量在0.9～3.4 kg/hm2左右，因此大豆地上部磷積累量和其生物量的比值將進一步擴大?？梢姰斖寥烙行Я缀看笥诨虻扔?1 mg/kg時施磷已不能增加大豆產量，大豆莖對土壤磷存在了“奢侈吸收”。當土壤有效磷低于其臨界值時，作物產量隨土壤有效磷含量的增加而顯著提高，但是當土壤有效磷較高時，施磷肥對作物產量幾乎沒有影響，表明此時磷素不是限制作物產量增長的主要影響因子，進一步施磷肥是不合理的［19］。在小麥－玉米輪作體系中［19］，發現小麥對磷的反應大于玉米，對土壤自然供磷能力的反應則是玉米高于小麥，主要原因是在小麥生長初期外界溫度低，磷的礦化速率慢不利于作物的吸收［20］，而玉米生長的季節水熱條件好，磷的礦化速率提高，土壤供磷能力強從而有利于作物的吸收。結合以上兩點，在“麥/玉/豆”體系中，大豆完全可以利用小麥吸收后殘余在土壤中和土壤自身礦化的磷來滿足整個生育期的需要。但本試驗中大豆最高產量和最大養分含量并非同一個處理，最高產量在土壤有效磷含量為22 mg/kg(SP1)，植株養分含量最大則在土壤有效磷含量為51 mg/kg(SP2)，在“麥/玉/豆”體系中要達到產量與養分含量二者具佳，還有待設置更多的肥料處理做進一步的研究。

綜上，在四川紫色土區“麥/玉/豆”間套作體系中，可將小麥－大豆所需肥料在小麥種植時合理施用，特別是磷肥，在大豆種植時可少施或不施。這樣可以不降低產量，還可節約勞動力成本，提高磷肥利用率，從而有利于種植效益的提高和環境保護。

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