華北平原不同前茬作物在磷匱乏下對土壤養分和小麥產量的影響

邵 云，馬玥瑩，侯 盟，楊俊華，馬冠群

(河南師范大學 生命科學學院，河南 新鄉 453007)

小麥是我國主要的糧食作物之一，其總產量和種植面積約占我國糧食作物總產量和面積的1/5和1/4。華北平原是我國重要的農業主產區，耕地面積占全國23%[1]，主要采用一年兩熟制的種植模式，冬季以小麥、油菜為主，其中小麥種植面積為22 711 hm2，占絕對主導地位；夏播作物主要有玉米、大豆、花生和甘薯等，主要耕種面積達26 172 hm2[2]。磷素是小麥生產所必需的大量元素之一[3]。目前，我國已經成為世界上最大的磷肥生產國和消費國[4-6]。有研究表明，當前我國農田耕地的磷盈余量為0.029 t/hm2[7]，由于磷資源的不可再生性，磷資源的耗竭日益成為我國面臨的嚴峻挑戰[6，8]。適量施磷能提高作物產量和品質，提高作物水分利用率，但過量施磷卻無顯著的效果，反而會造成磷資源的浪費，同時也會造成生態環境的污染[9-11]。有研究表明，施磷不足50 kg/hm2或高于150 kg/hm2時，小麥生長和產量均會受到抑制[12]。華北地區磷肥施用量最高達273.8 kg/hm2，且在供磷能力較強的土壤中，施磷的增產效果并不佳，磷肥利用率也會降低，磷肥施用過量是導致我國主要糧食作物磷肥利用效率低的重要原因之一[13-15]。有研究表明，磷肥當季利用率只有10%～25%[16-17]，由于作物的當季磷肥利用率低，因此，磷肥施用量普遍高于作物吸磷量[18-19]。基于以上矛盾，利用不同作物對磷素吸收利用效率不同的特性，選擇適宜該區域的作物搭配種植模式，對保持土壤養分平衡，減少磷肥投入和環境污染，維持作物高產優質的生產能力具有顯著的意義。為此，本研究以華北平原南部兩熟作物的搭配為研究對象，探究在常規施肥和不施磷肥2個磷水平下玉米、大豆和花生3種前茬作物收獲后的土壤養分含量及對冬小麥籽粒產量和養分累積量影響的差異，旨在為提高華北平原作物養分利用率、合理搭配兩熟作物提供一些理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗從2019年6月至2021年6月于河南省獲嘉縣東彰儀村(35°27′N，113°65′E)進行。該試驗地前期為玉米-小麥復種模式，土壤質地為潮土，灌溉條件為井灌，2019年夏播作物播前基礎土壤養分含量：全磷0.96 g/kg，速效磷7.96 mg/kg，硝態氮18.40 mg/kg，氨態氮13.98 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗種植模式為一年兩熟種植模式，供試品種夏播作物玉米為鄭單958，大豆為駐豆19，花生為羅漢果，冬季小麥均選用新麥26。采用二因素設計進行連續2 a的試驗，一個因素為不同復種模式，分別為玉米-小麥、大豆-小麥和花生-小麥；另一個因素為不同磷肥水平，即不施磷肥和常規施肥。不施磷肥處理的玉米-小麥記為M-P、大豆-小麥記為S-P、花生-小麥記為P-P，常規施肥處理則分別記為MCK、SCK和PCK。每個處理小區面積均為133 m2(14.0 m×9.5 m)，3次重復。田間管理情況見表1。

表1 田間管理措施Tab.1 Field management measures

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤養分指標的測定 于2020年10月夏播作物收獲時采用五點取樣法在各個小區中分別采集0～15，15～30，30～60，60～100 cm的土壤樣品，土樣過2 mm篩，測定土壤硝態氮、銨態氮含量；剩余土樣自然風干，過0.25 mm篩，測定土壤速效磷及全磷含量。測定方法如下：使用連續流動分析儀(AA3，德國SEAL Analytical公司)測定土壤全磷含量；采用NaHCO3浸提-鉬銻抗吸光光度法測定土壤速效磷含量；采用2 mol/L KCl浸提法，通過紫外可見分光光度計(UV-2600)測定硝態氮和銨態氮含量。

1.3.2 小麥植株生物產量、籽粒產量和養分含量的測定 于2021年6月1日小麥成熟期，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，并隨機采集30穗小麥進行室內考種，調查其小穗數、穗粒數和千粒質量等指標；同時在每個小區內隨機選取長勢均勻且完整的20株小麥植株，105 ℃殺青0.5 h，85 ℃烘干至恒質量，測定小麥單株干物質量，籽粒中氮、磷含量測定方法均與土壤全磷測定方法一致。

1.4 參數計算方法

籽粒氮累積量(Grain Nitrogen Accumulation，GNA，kg/hm2)=籽粒氮含量(g/kg)×產量(kg/hm2)/1 000；籽粒磷累積量(Grain Phosphorus Accumulation，GPA，kg/hm2)=籽粒磷含量(g/kg)×產量(kg/hm2)/1 000；氮肥偏生產力(Partial factor productivity from applied N，PFPN，kg/kg)=施氮區小麥籽粒產量(kg/hm2)/施氮量(kg/hm2)；磷肥偏生產力(Partial factor productivity from applied P，PFPP，kg/kg)=施磷區小麥籽粒產量(kg/hm2)/施磷量(kg/hm2)。

1.5 數據處理

采用Excel、Graph Pad等軟件進行數據處理和作圖，用SPSS 21.0軟件進行統計分析，用Duncan′s法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同前茬作物及施磷處理對土壤養分的影響

2.1.1 土壤全磷含量的變化 由圖1可知，3種前茬下土壤全磷含量在垂直方向上隨土層增加呈現先低后高的趨勢，0～15 cm土層的土壤全磷含量高于其他土層。不同處理下的土壤全磷含量在不同土層間的變化有一定差異，除不施磷肥處理下15～30 cm土層中3種前茬作物土壤全磷含量差異不顯著外，2個磷水平下土壤全磷含量在4個土層中均表現為大豆前茬處理顯著高于花生和玉米前茬(P<0.05)，其中以0～15 cm土層SCK處理最高，達1.35 g/kg。在0～15 cm土層，常規施肥下3種前茬土壤全磷含量表現為SCK>MCK>PCK，土壤全磷含量變化范圍為0.87～1.35 g/kg；不施磷肥處理全磷含量表現為S-P>P-P>M-P，變化范圍為0.86～0.91 g/kg；且在花生前茬下常規施肥與不施磷肥的土壤全磷含量差異不顯著，玉米和大豆前茬下常規施肥與不施磷肥存在顯著差異(P<0.05)。在15～30 cm土層，常規施肥下3種前茬作物收獲后土壤全磷含量表現為SCK>PCK>MCK，不施磷肥下土壤全磷含量表現為S-P>M-P>P-P，且在不施磷肥處理下3個前茬之間差異均不顯著，但大豆和花生前茬常規施肥顯著高于不施磷肥下的土壤全磷含量(P<0.05)。在30～60 cm土層，3種前茬下的土壤全磷含量在2個磷水平之間均有顯著差異(P<0.05)。60～100 cm土層，2個磷水平下土壤全磷含量在不同前茬下均表現為大豆>花生>玉米，且玉米和花生前茬常規施肥與不施磷肥處理間無顯著差異。

圖柱上不同小寫字母表示同一土層同一磷水平下不同前茬處理間差異顯著(P<0.05)。圖2—4同。

經二因素方差分析(表2)，不同前茬作物、磷肥水平及二者的交互作用對不同土層的土壤全磷含量影響均達到極顯著水平(P<0.01)。整體來看，不施磷肥處理的花生前茬和玉米前茬土壤全磷含量較常規施肥處理降幅不大，而大豆前茬各層土壤全磷含量降幅都較大。

2.1.2 土壤速效磷含量的變化 由圖2可知，土壤速效磷含量在0～60 cm垂直方向上均呈現隨土層深度的增加而降低的趨勢。不同磷肥水平下不同前茬作物土壤速效磷含量在不同土層間表現不同。在0～15 cm土層，常規施肥下3種前茬土壤速效磷含量表現為MCK>SCK>PCK，土壤速效磷含量變化范圍為10.98～15.03 mg/kg；不施磷肥下表現為P-P>S-P>M-P，土壤速效磷含量變化范圍為9.54～12.15 mg/kg；在玉米和大豆前茬下常規施肥與不施磷肥的土壤速效磷含量存在顯著差異(P<0.05)，在花生前茬中表現為P-P>PCK，但二者差異不顯著。在15～30 cm土層，PCK土壤速效磷含量最高(8.94 mg/kg)，SCK土壤速效磷含量最低(1.08 mg/kg)，2個磷水平下土壤速效磷含量在不同前茬中均表現為花生>玉米>大豆，且在花生前茬常規施肥下的土壤速效磷含量顯著高于不施磷肥處理(P<0.05)。30～60 cm和60～100 cm土層，土壤速效磷均表現為PCK處理最高，在花生和大豆前茬下常規施肥和不施磷肥差異顯著(P<0.05)，30～60 cm中玉米前茬在2個磷水平下差異不顯著。從整體看，在不施磷肥處理下花生前茬土壤速效磷含量較高，但在60～100 cm處又低于玉米和大豆前茬。

表2 不同處理下土壤養分含量的方差分析(F值)Tab.2 ANOVA of soil total phosphorus concentration under different treatments(F value)

圖2 不同處理下土壤速效磷含量Fig.2 The concentration of available phosphorus in soil under different treatments

經二因素方差分析(表2)，磷肥水平對前2層土壤速效磷含量的影響達到極顯著水平(P<0.01)，但對后2層土壤速效磷含量的影響未達顯著水平，不同前茬作物及兩者的交互作用對不同土層土壤速效磷含量的影響均達到極顯著水平(P<0.01)。整體來看，常規施肥處理下，花生前茬表層土壤(0～15 cm)速效磷含量較低，而表層以下土層的土壤速效磷含量均最高；玉米前茬表層土壤速效磷最高，表層以下的土層含量迅速下降；大豆表層速效磷含量居中，但后3層土層中土壤速效磷含量最低。不施磷肥處理下，花生前茬在前3層土壤中速效磷含量均高于其他2個前茬，且與常規施肥下的速效磷含量相比總體未見顯著下降；玉米前茬下土壤速效磷含量較常規施肥處理下降幅度明顯；大豆前茬表層土壤速效磷含量降幅較大。

2.1.3 土壤硝態氮含量的變化 由圖3可知，不同處理下土壤硝態氮含量有一定差異。玉米和大豆前茬土壤硝態氮含量在垂直方向上均呈現隨土層深度的增加而降低的趨勢，而花生前茬處理在15～30 cm土層土壤硝態氮有明顯升高的趨勢，之后下降迅速，常規施肥處理60～100 cm土層最低，但在不施磷肥處理下60～100 cm土層有最大值。在0～15 cm土層，2個磷水平下土壤硝態氮含量大小在不同前茬下均表現為大豆>玉米>花生，SCK處理土壤硝態氮含量最高(21.65 mg/kg)，與S-P差異不顯著，P-P處理土壤硝態氮含量最低(4.73 mg/kg)，與PCK差異不顯著。在15～30 cm土層，M-P處理土壤硝態氮含量最高，與常規施肥處理MCK差異不顯著；常規施肥下3種前茬土壤硝態氮含量表現為MCK>PCK>SCK，不施磷肥處理為M-P>S-P>P-P，且花生前茬下常規施肥的土壤硝態氮含量顯著高于不施磷肥處理(P<0.05)。在30～60 cm土層，2個磷水平下土壤硝態氮含量在不同前茬中均表現為玉米>大豆>花生，大豆和花生前茬中常規施肥處理的土壤硝態氮與不施磷肥處理差異不顯著。在60～100 cm土層，P-P處理土壤硝態氮含量最高(6.89 mg/kg)，顯著高于PCK(P<0.05)，玉米和大豆前茬下常規施肥與不施磷肥的土壤硝態氮差異不顯著。

圖3 不同處理下土壤硝態氮含量Fig.3 The concentration of nitrate nitrogen in soil under different treatments

經二因素方差分析(表2)，不同前茬作物對前3層土壤硝態氮含量的影響達到極顯著水平(P<0.01)，對60～100 cm的影響達顯著水平(P<0.05)；磷肥水平對0～15 cm土壤硝態氮含量的影響達顯著水平(P<0.05)，對60～100 cm的影響達到極顯著水平(P<0.01)；前茬作物、磷肥水平二者的交互作用對0～15 cm，15～30 cm，60～100 cm土壤硝態氮含量的影響均達極顯著水平(P<0.01)。

2.1.4 土壤銨態氮含量的變化 由圖4可知，銨態氮含量在土壤垂直方向上表現為先降低后略微升高。在0～15 cm土層，SCK處理土壤銨態氮含量最高(9.97 mg/kg)，3種前茬作物在常規施肥與不施磷肥處理下土壤銨態氮含量均表現為大豆>花生>玉米，玉米前茬下2個磷水平之間的土壤銨態氮含量差異不顯著。在15～30 cm土層，3種前茬作物在常規施肥與不施磷肥處理下土壤銨態氮含量均表現為大豆>玉米>花生，SCK處理土壤銨態氮含量最高(8.89 mg/kg)，與S-P差異不顯著。在30～60 cm和60～100 cm土層，2個磷水平下土壤銨態氮含量在不同前茬中均表現為大豆>玉米>花生，土壤銨態氮含量均表現為SCK最高，均顯著高于S-P處理(P<0.05)。

圖4 不同處理下土壤銨態氮含量Fig.4 The concentration of ammonium nitrogen in soil under different treatments

經二因素方差分析(表2)，不同前茬作物及其與磷肥水平的交互作用對不同土層土壤銨態氮含量的影響均達極顯著水平(P<0.01)，磷肥水平對0～15 cm，15～30 cm，60～100 cm土壤銨態氮含量的影響達極顯著水平(P<0.01)，對30～60 cm土壤銨態氮含量的影響達到顯著水平(P<0.05)。從整體來看，土壤銨態氮含量在常規施肥和不施磷肥處理下均表現為大豆前茬最高。

2.2 不同前茬作物及施磷處理對小麥產量及養分利用的影響

2.2.1 小麥產量及產量構成因素的變化 由表3可以看出，不同處理的小麥產量及產量構成因素存在差異。常規施肥處理下不同前茬的小麥穗數差異不顯著，不施磷肥處理下玉米和花生前茬的小麥穗數顯著高于大豆前茬(P<0.05)；小穗數在MCK處理下最大，常規施肥處理下3種前茬處理間均有顯著差異(P<0.05)，而在不施磷肥處理下玉米前茬的小麥小穗數顯著低于大豆和花生前茬(P<0.05)，在花生前茬處理下2個磷肥水平之間小麥小穗數差異不顯著；穗粒數在PCK處理下最大，不施磷肥下的玉米、花生和大豆前茬小麥穗粒數差異不顯著，且與常規施肥下相應的3種前茬差異均不顯著；千粒質量在PCK處理下最大，2個磷水平在不同前茬下小麥千粒質量均表現為花生>玉米>大豆，其中不施磷肥處理下P-P的千粒質量比M-P、S-P處理增加0.60%，2.18%，表明在磷肥匱乏下花生前茬更有利于提高小麥穗粒數和千粒質量；不同處理下小麥生物產量有所不同，2個磷水平下小麥生物產量大小在不同前茬中均表現為大豆>花生>玉米，S-P的小麥生物產量最大(50.70 g/株)，但與SCK差異不顯著，MCK的小麥生物產量最小(41.90 g/株)；不同處理對小麥產量的影響不同，其中，不施磷肥下以花生為前茬的小麥產量顯著高于玉米和大豆前茬(P<0.05)，且P-P與PCK二者不存在顯著差異，表明在花生前茬下減施磷肥依舊可以得到可觀的產量。

表3 不同處理下小麥產量及產量構成因素Tab.3 Yield and yield components of wheat under different treatments(mean±s)

經方差分析(表3)可知，前茬作物對小麥小穗數、千粒質量、生物產量和小麥籽粒產量的影響達到極顯著水平(P<0.01)，對穗粒數的影響達顯著水平(P<0.05)，對穗數沒有顯著影響；磷肥水平對穗數、小穗數、千粒質量和小麥籽粒產量的影響達到極顯著水平(P<0.01)，對穗粒數和生物產量沒有顯著影響；前茬作物、磷肥水平二者的交互作用僅對小穗數的影響達到極顯著水平(P<0.01)，對千粒質量的影響達到顯著水平(P<0.05)。

總的來說，對后茬小麥而言，小麥千粒質量和產量在不施磷肥下均表現為花生前茬處理較高，分別較玉米前茬處理提高0.60%，6.19%，較大豆前茬處理提高2.18%，7.30%。花生前茬處理的小麥在不施磷肥處理下穗粒數穩定，千粒質量較高，從而產量較高；大豆前茬處理的小麥雖然生物產量高，但因千粒質量低，故而產量不高。在磷匱乏下，籽粒產量下降原因主要是產量構成三因素中的穗數和千粒質量下降，花生前茬處理的小麥因維持較高的千粒質量，所以產量降幅較小，而大豆前茬下的小麥雖有較大的生物產量，但千粒質量小，所以產量下降幅度較大。

2.2.2 小麥籽粒養分累積及利用的變化 不同處理下小麥籽粒的養分累積量差異如表4所示。小麥籽粒氮累積量在2個磷水平的不同前茬處理下均表現為花生>玉米>大豆。在不施磷肥處理下P-P的小麥籽粒氮累積量較M-P、S-P分別提高了15.46%，17.66%；常規施肥下3種前茬處理之間的小麥籽粒磷累積量差異不顯著，在不施磷肥處理下P-P的小麥籽粒磷累積量較S-P、M-P分別提高了13.40%，18.11%。花生前茬有利于氮、磷在小麥籽粒中累積，不施磷肥處理與常規施肥處理的累積量相當，差異不顯著。方差分析結果表明，不同前茬作物對小麥籽粒氮、磷累積量均有極顯著影響(P<0.01)。小麥對養分的吸收與利用情況也不同，不同前茬作物下氮肥偏生產力在常規施肥3種前茬作物下均無顯著差異；在不施磷肥下，花生前茬的氮肥偏生產力顯著高于玉米和大豆前茬(P<0.05)，且PCK與P-P之間差異不顯著。常規施肥下磷肥偏生產力表現為玉米>花生>大豆，差異不顯著。經方差分析可知，僅氮肥偏生產力在常規施肥與不施磷肥之間差異顯著(P<0.05)。綜上所述，對后茬小麥而言，小麥籽粒氮、磷累積量和氮肥偏生產力在不施磷肥下均表現為花生前茬處理較高，分別較玉米前茬處理提高15.46%，18.11%和6.21%，較大豆前茬處理提高17.66%，13.40%和7.30%。在不施磷肥處理下，以花生為前茬更有利于促進小麥籽粒氮、磷的累積。

表4 不同處理下小麥籽粒養分累積與利用情況Tab.4 Nutrient accumulation and utilization of wheat under different treatments(mean±s)

3 結論與討論

3.1 不同前茬作物對土壤養分含量的影響

本研究發現，不同的前茬作物和磷肥處理對土壤養分的影響較為明顯。大豆前茬處理的土壤無機氮(硝態氮+銨態氮)含量比玉米和花生前茬高，這是由于大豆本身根際有固氮能力，使土壤氮含量增加。玉米具有龐大的根系系統，季青等[20]、張輝等[21]、夏玄等[22]研究表明，主根系約有40 cm長，對耕層土壤中的水分及養分利用充分，且對養分的需求較多，從而導致對下茬作物養分供給減少。本研究在不施磷肥處理下，玉米前茬土壤中的速效磷含量與花生和大豆前茬相比較低。由此推斷，若在不給予土壤足量磷素的情況下前茬作物種植玉米不利于為后茬小麥提供土壤磷素。

土壤缺磷并非真正缺磷，而是缺少植物可利用的速效磷[23-25]。史燕捷等[26]研究表明，隨著施磷量增加土壤中可利用的速效磷含量會增加，但隨著施磷量的不斷增加，可利用的磷含量又逐漸變低，呈現先增加后降低的趨勢。本研究中，大豆前茬常規施肥下土壤全磷含量最高，但速效磷含量卻較低，且在常規施磷下花生前茬表層土壤(0～15 cm)速效磷含量略低于不施磷肥處理，說明增施磷并不一定會提高土壤可利用的速效磷含量。

3.2 不同前茬作物對小麥肥料偏生產力及其產量的影響

2001—2005年，我國小麥氮、磷肥偏生產力分別為43.0，63.7 kg/kg左右[18]。本研究中，小麥氮肥偏生產力為30.29～33.49 kg/kg，磷肥偏生產力為51.08～53.58 kg/kg，說明研究區的小麥肥料偏生產力低于2005年之前全國平均水平。本研究中，常規施肥與不施磷肥處理對氮肥偏生產力的影響達到顯著水平(F=21.08*)；不同前茬作物對二者的影響沒有達到顯著水平。單旭東等[27]、張少民等[28]、劉建玲等[29]研究發現，磷肥能提高冬小麥的穗粒數和千粒質量，從而提高小麥產量，但磷肥施用超過一定范圍后，會導致產量下降。邢丹等[30]研究表明，施磷提高了小麥穗數和穗粒數，籽粒產量增大，但超過一定閾值后千粒質量會降低。史燕捷等[26]研究發現，在磷肥減量處理條件下，穗粒數和千粒質量差異均未達到顯著水平。本研究中，不施磷肥下小麥穗粒數與常規施肥差異不顯著，這與史燕捷[26]的研究結果相似。李春喜等[31]研究表明，花生前茬下的小麥籽粒干基蛋白質含量和磷積累量均顯著高于其他前茬，與本研究中花生前茬的穗粒數和產量高于玉米和大豆前茬較一致。

3.3 不同前茬土壤養分與小麥產量及養分累積量的相關性

本研究表明，3種前茬下以花生為前茬種植小麥最有利于提高小麥籽粒氮磷累積量。劉璐等[32]研究表明，氮吸收量與籽粒產量呈顯著正相關關系，但馬小龍等[33]研究結果顯示，小麥籽粒氮、磷需求量與產量之間存在負相關關系，作物對磷的吸收利用相對穩定，因此籽粒的磷含量也相對穩定。說明小麥籽粒中氮磷元素累積量及籽粒產量之間具有較強的相關性。

玉米對土壤中養分需求和利用較多，本研究結果顯示，在常規施肥下，玉米前茬的小麥產量達到最高；大豆前茬對土壤中的無機氮有調節作用，但在2種磷水平下大豆前茬的小麥產量與玉米和花生前茬相比均較少；花生前茬土壤養分較為均衡，在不施磷肥情況下，小麥產量較玉米和大豆前茬處理高。綜上，在不施磷肥的條件下，采用以花生為前茬種植冬小麥更有利于調節土壤養分平衡，能得到可觀的小麥籽粒氮磷累積量和穗粒數，從而維持較高產量，其次是玉米前茬。因此，在低磷水平下，選擇花生作為小麥前茬作物是華北平原南部兩熟區作物搭配的較優模式。