華北平原兩熟區不同夏播作物對土壤養分和小麥籽粒產量及品質的影響

李春喜，翁正鵬，邵 云，李昊烊，馬守臣,2，馬冠群

(1.河南師范大學生命科學學院，河南新鄉 453007； 2.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南焦作 454000)

不同作物前茬給后茬作物生長帶來的影響是多方面的，主要通過影響后茬作物播種時間和土壤的理化性質，對后茬作物的生長產生不同的效應。在我國華北平原，長期以來主要的種植模式是冬小麥-夏玉米一年兩熟的復種輪作方式。但長期單一的玉米茬口對農田土壤狀況和小麥的影響較為單一，易造成土壤養分失衡、病原菌累積和結構性變差，不利于耕地的持續性生產[1-3]。如果更換合適的前茬作物，可能會對后茬小麥的生長和土壤的持續性利用有更積極的作用。有研究表明，前茬作物收獲的時間不同會造成后茬小麥的播期不同，使小麥的產量和品質性狀具有不同的表現，如隨著播種期推遲，小麥生物量、籽粒產量和收獲指數均顯著降低[4-5]，而適宜的播種期則能夠有效調節小麥品質[6-7]。不同前茬作物對土壤養分、微量元素和微生物等具有顯著影響，如大豆前茬在提高土壤養分、酶活性方面效果優于玉米和苕等其他前茬[8-9]；烤煙前茬和水稻前茬的土壤有效態鐵和錳等含量優于玉米前茬[10]；小麥前茬和大豆前茬均能夠顯著提高土壤微生物細菌、放線菌等有益菌的數量[11]。目前在施肥和灌水處理等條件下已有一些茬口效應的研究[12-14]。但同一地點、相同地力和種植條件下，不同前茬作物的種植對土壤養分和后茬小麥品質影響的研究還較少。本試驗以華北平原南部幾種主要夏播作物與小麥的輪作模式為研究對象，研究了不同夏播作物茬口下土壤養分的變化，以及對后茬小麥籽粒產量和品質產生的影響，以期為該區域一年兩熟種植制度的合理配置提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在河南省新鄉市獲嘉縣西彰儀村試驗地(經度：113.65°，緯度：35.27°)進行。試驗地土壤為潮土，試驗前供試基礎土壤耕作層土壤全氮含量為1.04 g·kg-1，堿解氮含量為122.15 mg·kg-1，速效磷含量為16.46 mg·kg-1，速效鉀含量為127.17 mg·kg-1，有機質含量為 34.30 g·kg-1。試驗田地力均勻，地勢平整。

1.2 試驗設計

試驗從2016年6月至2018年6月設置了玉米-小麥→玉米-小麥(T1)、大豆-小麥→大豆-小麥(T2)、花生-小麥→花生-小麥(T3)、甘薯-小麥→甘薯-小麥(T4)四組處理，連續兩年的兩熟種植模式。本研究選擇對第二年夏糧播前和收獲后土壤的養分和后茬小麥籽粒產量和品質進行測定。試驗采用對比設計，每小區面積225 m2(50 m×4.5 m)，3次重復。玉米供試品種為洛單248，大豆為駐豆11，花生為魯花10，甘薯為商薯19，小麥為豫農4023。

玉米于2017年6月11日播種，行距60 cm，播種密度為7萬株·hm-2；大豆于2017年6月13日播種，行距60 cm，播種密度為24萬 株·hm-2；花生于2017年6月13日播種，行距50 cm，播種密度為24萬株·hm-2；甘薯于2017年6月14日插秧，行距70 cm，播種密度為6萬 株·hm-2。玉米、花生和甘薯播種前底施純N 210 kg·hm-2、P2O545 kg·hm-2、K2O 45 kg·hm-2，大豆播種底施純N 105 kg·hm-2、P2O522.5 kg·hm-2、K2O 22.5 kg·hm-2，且玉米于播后25 d追施純N 276 kg·hm-2。同年，玉米于9月20日收獲，花生和大豆于10月9日收獲，甘薯于11月7日收獲。

玉米、大豆和花生收獲后，于2017年10月20日播種小麥，播種密度為375萬株·hm-2；甘薯收獲后，于2017年11月8日播種小麥，播種密度為525萬株·hm-2，行距均為20 cm。小麥播前底施純N 135 kg·hm-2、P2O5165 kg·hm-2、K2O 37.5 kg·hm-2，拔節期(2018年3月21日)追施純N 82.8 kg·hm-2。2018年6月2日統一進行小麥收獲。

1.3 測定項目

1.3.1 土壤養分指標的測定

于前茬作物收獲時，在各個小區中采用五點取樣法分別采集0～15 cm、15～30 cm、30～60 cm、60～100 cm土層的土壤樣品，5次重復，自然風干后過0.05 mm篩，測定土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質的含量。測定方法如下：采用NaOH-堿解擴散法測定土壤堿解氮含量；采用NaHCO3浸提-鉬銻抗吸光光度法測定土壤速效磷含量；采用NH4OAc浸提-火焰光度計法測定土壤速效鉀含量；采用總有機碳分析儀(Elementer，德國)測定土壤有機質含量。

1.3.2 小麥籽粒產量和養分含量的測定

于小麥成熟期，調查每個小區成穗數，隨機選取1 m2長勢均勻的小麥進行測產，3次重復。同時隨機采集小麥植株30株，進行室內考種，測定其地上部生物量、結實小穗數、穗粒數和千粒重；同時測定小麥籽粒中氮、磷、鉀含量。采用H2SO4-H2O2消解后經連續流動分析儀(SEAL，德國)進行植株氮、磷含量測定；采用NaOH熔融-火焰光度法進行植株鉀含量的測定。

1.3.3 小麥籽粒品質的測定

小麥籽粒曬干，隨機取500 g，采用近紅外谷物分析儀(FOSS，瑞士)[15-17]測量小麥籽粒品質。

1.4 數據處理

應用Excel 2010和SPSS 13.0軟件對試驗數據進行方差分析和相關分析，采用Duncan法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同前茬作物對土壤養分的影響

2.1.1 不同前茬作物對土壤堿解氮含量的影響

從圖1A可以看出，收獲后，不同前茬處理的土壤堿解氮含量在不同土層間有一定差異。在 0～15 cm土層，不同處理收獲后土壤堿解氮含量比播前均有所增加，T2處理收獲后土壤堿解氮含量最高，比播前增加 64.41%，T4處理變化最小，增加了1.45%。在15～30 cm土層， T1和T2處理收獲后土壤堿解氮含量較播前分別增加 10.93%和129.75%；T3和T4處理比播前分別降低了8.94%和7.59%。在30～60 cm和60～100 cm土層，T1處理收獲后土壤堿解氮含量均表現最高；與播前比， T4處理收獲后兩個土層土壤堿解氮含量，分別降低了49.25%和63.55%。

2.1.2 不同前茬作物對土壤速效磷含量的影響

從圖1B可以看出，與播前相比，除T3處理(0～15 cm土層)外，其他前茬處理收獲后在0～100 cm中土壤速效磷含量均不同程度增加。在 0～15 cm土層，T4處理收獲后土壤速效磷含量最高，與播前相比增加幅度最大，也為37.26%；T3處理土壤速效磷含量降低了1.51%。在15～30 cm土層，T2處理收獲后土壤速效磷含量最高；與播前相比，不同前茬處理收獲后土壤速效磷含量均有所增加，增加幅度大小表現為T2>T1>T4>T3，其中，T2處理增加了43.93%。在 30～60 cm土層，不同前茬處理中，T4處理收獲后增加幅度最大，為16.36%；T2處理增加幅度最小，為0.71%。在60～100 cm土層，各個處理收獲后土壤速效磷含量變化相對較小，且各個處理間在播前和收獲后的變化量相近。

2.1.3 不同前茬作物對土壤速效鉀含量的影響

從圖1C可知，與播前相比，不同前茬處理收獲后土壤速效鉀含量均不同程度增加。在0～15 cm土層，T3處理收獲后土壤速效鉀含量最高；不同處理間土壤速效鉀增加幅度大小為T2>T3>T4>T1，其中T2處理增加了 116.17%。在15～30 cm土層，T1處理收獲后土壤速效鉀含量最高，但與播前相比，T2處理土壤速效鉀含量增加幅度最大，為91.37%。在30～60 cm土層，與播前相比，T1處理收獲后土壤速效鉀含量變化量最大，增加了87.5%。在60～100 cm土層，收獲后不同處理土壤速效鉀含量均有所增加，其中T1處理增加幅度最小，為14.82%，而T2處理增加幅度最大，為119.61%。

2.1.4 不同前茬作物對土壤有機質含量的影響

從圖1D可以看出，與播前相比，不同前茬處理收獲后土壤有機質含量均有所增加。在0～15 cm土層，T4處理收獲后土壤有機質含量增加幅度最大，為48.17%。在15～30 cm土層，T2處理收獲后土壤有機質含量最高，但與播前相比，僅增加了15.68%；而T4處理增加幅度最大，為33.31%。在30～60 cm土層，T1、T2和T3處理收獲后土壤有機質含量差異不顯著，但均與T4處理間差異顯著；與播前相比，T4處理收獲后土壤有機質含量增加幅度最小，為15.4%，其他處理增加幅度均超過40%。在60～100 cm土層，與播前相比，不同前茬處理土壤有機質含量均有所增加。

圖柱上不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 不同前茬作物對小麥產量及產量構成因子的影響

從表1可以看出，不同前茬作物對小麥產量的影響達到顯著水平。不同前茬處理間小麥群體數和穗粒數均差異不顯著；小穗數在T2處理下最大，與T1、T3處理差異均不顯著，但與T4處理差異顯著，且T4處理的小穗數比T2處理減少16.30%；千粒重在T1處理下最大，與T2、T4處理差異均不顯著，但與T3處理差異顯著，T2與T3處理差異也不顯著。不同前茬對產量的影響不同，表現為T1>T3>T2>T4，其中，產量在T1和T3處理間差異不顯著，T4處理的小麥產量比T1處理降低27.62%。

2.3 不同前茬作物對小麥籽粒養分積累和品質的影響

從表2可以看出，不同前茬作物對小麥籽粒氮、磷、鉀元素積累量的影響均達到了極顯著水平。總體來看，不同處理下小麥對氮的吸收積累量遠高于對磷和鉀的積累量。不同處理下小麥籽粒氮素積累量大小表現為T1>T3>T4>T2，其中，T1處理與其他處理間均差異顯著，T2和T4處理間差異不顯著，T1處理下小麥籽粒氮素積累量分別比T2和T4處理分別增加30.42%和 27.11%；不同處理下小麥籽粒磷素積累量大小表現為T3>T1>T2>T4，四個處理間均達到了顯著水平；不同處理下小麥籽粒鉀素積累量大小表現為T1>T3>T2>T4，其中，T1處理與其他處理間均差異顯著，T2和T4處理間差異不顯著。不同前茬作物對小麥籽粒干基蛋白、濕面筋、干基淀粉含量和出粉率的影響也達到了極顯著水平，但對小麥籽粒容重影響不顯著，不同處理間品質性狀差異不同。T3處理的小麥籽粒干基蛋白含量均顯著高于其他處理，達到強筋小麥國家標準(蛋白含量≥14%)[18]；T1、T3處理的小麥籽粒濕面筋含量與T2和T4處理間差異顯著，且T1與T3處理間差異顯著，T2與T4處理間差異不顯著，T3處理的小麥濕面筋含量顯著高于其他處理；T2處理下小麥干基淀粉含量最高，且與T1、T4處理間差異均不顯著，與T3處理間差異顯著；T4處理下小麥籽粒出粉率最高，且與T1、T2處理間均差異不顯著，與T3處理間差異顯著；不同處理間容重差異均不顯著?？傮w來看，T3處理的干基蛋白、濕面筋含量和容重均最高，干基淀 粉含量和出粉率最低；T2處理干基淀粉含量 最高。

表1 不同前茬作物對小麥產量和產量構成因子的影響

2.4 小麥籽粒氮磷鉀積累量與籽粒品質的相關性分析

相關性分析結果(表3)表明，小麥籽粒產量與籽粒中氮和鉀積累量之間呈極顯著正相關，與籽粒中磷積累量和濕面筋含量呈顯著正相關，表明小麥籽粒對氮、磷、鉀元素的吸收能夠提高籽粒的產量；小麥籽粒中氮積累量與磷積累量呈顯著正相關，與鉀積累量極顯著正相關，說明小麥籽粒中氮、磷、鉀之間具有較強的相關性。小麥籽粒中氮積累量與磷積累量、干基蛋白和濕面筋含量均呈顯著正相關，與鉀積累量呈極顯著正相關；小麥籽粒中磷積累量與干基蛋白含量呈顯著正相關，與濕面筋含量呈極顯著正相關，與干基淀粉含量呈顯著負相關，與出粉率呈極顯著負相關；小麥籽粒中鉀積累量與濕面筋含量呈顯著正相關，說明小麥籽粒中氮、磷、鉀能夠顯著影響小麥籽粒部分品質指標。

表2 不同前茬作物對小麥籽粒元素積累量和品質性狀的影響

表3 小麥籽粒產量、養分積累量及品質性狀的相關性分析

3 討 論

3.1 不同前茬作物對土壤養分和小麥籽粒養分的影響

不同前茬作物的生物學特征對小麥籽粒養分和土壤養分的差異較大。本研究表明，種植大豆肥料成本比玉米、花生和甘薯低，且與播前相比，大豆前茬收獲后土壤堿解氮含量最高，這可能與豆科作物的生物固氮作用有關。大豆氮素來源主要是根瘤菌固氮作用，其次是吸收土壤氮素，對肥料中氮的攝入較少[19]；同時大豆前茬土壤磷和鉀均保持在一個相對較高的水平，表明大豆作為前茬有助于提高土壤中氮、磷、鉀養分含量[20-21]?；ㄉ扛鼍墓痰饔?，對施肥較為敏感，外源性肥料會顯著抑制花生根部根瘤菌的固氮作用[22]。本研究表明，花生前茬收獲后，土壤堿解氮含量與播前基本保持平衡，表明花生的固氮作用遠不能滿足自身需求，還需從土壤中和肥料中攝入一部分氮；同時花生對磷的需求量較大，本研究中施入的磷基本滿足花生的需求，所以花生前茬收獲后，土壤速效磷的含量較播前基本保持平衡。甘薯前期生長對氮的需求較大[23]，這是造成甘薯前茬收獲后深層土壤堿解氮含量低于播前的原因；不同前茬作物有機質含量的增加與上茬小麥的秸稈還田有關，甘薯的高密度覆蓋，更有利于土壤中秸稈的腐熟，從而增加土壤中的有機質，所以甘薯前茬收獲后，耕作層土壤有機質相較于播前增加幅度最大。

小麥籽粒氮磷鉀積累量的影響因素較多。有研究發現，不同的耕作方式和有機物料的還田會造成小麥籽粒氮積累量的差異[24]；王 蓉等[25]研究發現，施氮量在90～270 kg·hm-2之間時，均能夠有效促進油葵對氮、磷、鉀養分的吸收積累。本研究發現，不同前茬作物能夠顯著影響后茬小麥籽粒養分的積累，其中，玉米前茬能夠有效的促進小麥籽粒氮素和鉀素的積累，花生前茬能夠有效促進小麥籽粒磷素的積累，但前茬作物對小麥籽粒養分積累的影響并不是僅僅通過影響土壤養分產生作用。本研究中大豆前茬收獲后土壤養分含量較高，但后茬小麥籽粒養分積累量并不突出，說明土壤養分對小麥籽粒養分積累較為復雜，并不是單一的促進作用，這與趙俊曄等[26]的研究結果一致。

3.2 不同前茬作物對小麥籽粒產量和品質性狀的影響

不同前茬作物對小麥籽粒品質具有顯著影響，李 筠等[27]研究發現，旱茬與稻茬的小麥籽粒蛋白質含量和濕面筋含量均差異顯著；崔歡虎等[28]研究表明，小麥千粒重、容重、蛋白質含量、沉降值和濕面筋含量等品質性狀在大豆、玉米和油葵茬口間存在差異,其中以大豆茬口表現最佳。本研究表明，花生前茬能夠有效地提高后茬小麥籽粒干基蛋白含量、濕面筋含量和容重，大豆前茬能夠提高后茬小麥籽粒的干基淀粉含量，甘薯前茬能夠提高后茬小麥的出粉率，表明不同前茬對后茬小麥品質的影響機制不同。不同前茬作物還能通過影響小麥播期對后茬小麥產量和籽粒品質造成影響，甘薯前茬生育期長，推遲了小麥播期，可能是造成小麥產量和籽粒品質差異的原因之一。相關分析表明，小麥產量與小麥籽粒中氮積累量和鉀積累量極顯著正相關，與磷積累量顯著正相關，表明籽粒氮、磷、鉀的積累有利于提高小麥產量，這與劉 璐等[29]的研究結果一致。小麥籽粒中氮、磷、鉀積累量與干基蛋白含量、濕面筋含量和容重均存在不同程度的正相關，說明小麥籽粒中氮、磷、鉀積累量的提高有助于提升小麥籽粒中干基蛋白和濕面筋含量，從而增加小麥容重；而小麥籽粒中氮、磷、鉀積累量與干基淀粉含量和出粉率均呈負相關，表明小麥籽粒氮、磷、鉀在一定范圍內的積累會造成小麥籽粒中干基淀粉含量減少，出粉率降低。

總之，玉米前茬肥料投入較大，后茬小麥產量較高，但對后茬小麥品質的調節效果不明顯；大豆前茬肥料投入少，土壤養分含量有較大提高，有利于后茬小麥的生長，同時該茬口能夠提高小麥籽粒品質質量，但小麥產量相對較低；花生前茬土壤養分較為均衡，能夠顯著提高后茬小麥品質質量，且小麥產量較大豆和甘薯前茬處理下高；甘薯前茬處理下土壤養分沒有明顯變化，但能提高后茬小麥的出粉率。所以，該地區適宜選擇花生作為前茬作物進行種植。