小麦/玉米/大豆间套作体系中小麦施磷后效对大豆产量、营养状况的影响

陈远学，周 涛，黄 蔚，陈新平，唐义琴，刘 静，陈晓辉，徐开未*

(1四川农业大学资源环境学院，四川成都611130;2中国农业大学资源与环境学院，北京100193)

间套作是我国传统精细农业的重要组成部分，对促进农业可持续发展具有重要作用。间套作模式利用不同物种在空间分布和养分需求等方面的优势互补，使间套作系统能更有效地利用各种生长因子(光、水分、各种养分等)来获得产量优势［1］。中国南方以其特有的农业种植制度使得大豆生产以间套作为主，近年来旱地新三熟“小麦/玉米/大豆”模式在西南地区迅猛发展［2－3］。合适的间套作品种、施肥方式和种植密度使间套作作物在生长资源的需求上具有互补性，互利大于竞争。大豆作为该模式中增效和改善土壤环境的核心作物，对其已做了大量的研究工作。

前人对四川“小麦/玉米/大豆”体系中大豆的研究从合理的种植规格，发展到施肥对其自身养分分配，营养特征的影响，进一步深入到与其他作物间的相互影响、养分运移。如向达兵等［4－5］认为，适量施磷、钾提高了套作大豆茎杆的抗倒指数，降低倒伏率，同时调节钾素平衡;刘增禹等［6］从玉米株型对大豆氮素积累方面的研究着手发现，紧凑型玉米下的大豆花后氮素积累速率大、积累量多，从而有利于提高大豆地上部氮素的总积累量;在“小麦/玉米/大豆”间作体系中大豆通过自身的生物固氮促进了玉米对氮素的吸收，使玉米处于优势生态位，而传统的“小麦/玉米/甘薯”体系中玉米、甘薯争夺土壤无机氮使二者相对小麦而言都处于弱势生态位［1］。然而对该体系养分高效管理的研究较少，特别是对大豆的研究还少见报道。由于磷肥的当季利用率低、肥效长，小麦与大豆相比对施用磷肥更敏感，对磷肥的依赖性高于大豆。对于小麦/玉米/大豆间作体系中小麦和大豆前后茬的种植关系，是否可以考虑后作大豆仅依靠前作小麦施磷肥后残留于土壤中的磷素，以减少磷肥的施用，提高磷素利用率?为此本研究在该体系下种植小麦时，设置不施磷和4个不同施磷水平处理，种植大豆时不施肥，以期通过对小麦施肥量的调节，使在不影响小麦和大豆产量和品质的前提下，提高土壤磷肥利用率，达到降低生产成本、提高收益的目的。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2010年11月至2011年10月在四川农业大学雅安试验农场进行，土壤为紫色湿润雏形土(紫色大土)，0—20 cm耕层土壤 pH 6.27，有机质含量 29.8 g/kg、全氮 1.28 g/kg、碱解氮 178 mg/kg、有效磷36 mg/kg、速效钾71 mg/kg。

大豆选用四川应用面积最大的秋豆品种“贡选1号”，由四川省自贡市农科所选育。小麦为高抗优质品种“川麦37”，由四川省农科院作物所选育。玉米选用四川省和农业部主推优良品种“川单418”，由四川农业大学玉米研究所“川单种业”选育。

1.2 试验设计与方法

1.2.1试验设计 试验在四川小麦/玉米/大豆周年间套作体系中进行，小麦设5个磷水平，分别为P2O50、45、90、135、180 kg/hm2(以 WP0、WP1、WP2、WP3、WP4表示)，氮、钾用量一致，为 N 120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2;玉米同样设5个磷水平，分别为P2O50、37.5、75、112.5、150 kg/hm2(记为MP0、MP1、MP2、MP3、MP4)，氮、钾施用量一致，为N 195 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2;大豆作为小麦的后作，试验设计为大豆不施氮、磷、钾肥。小麦播种前土壤有效磷含量为36 mg/kg，经过5个磷水平处理(P2O50、45、90、135、180 kg/hm2)种植小麦，小麦收获后大豆播种前各处理的土壤有效磷含量分别为19、22、51、57和62 mg/kg，作为大豆的不同磷营养条件，记为 SP0、SP1、SP2、SP3、SP4。

1.2.2试验实施 田间裂区设计，5个磷水平为大区，大区内设3个小区作为3次重复，重复间无田间间隔，大区间间隔2 m。小区面积2 m×9 m=18 m2，小区幅宽2 m，其中1 m种4行小麦，另1 m为套作玉米预留行(隙地)，即小麦/玉米采用1 m/1 m的田间配置(图1)。小麦于2010年11月11日条播，行距0.25 m，用种量180 kg/hm2，密度为2.4×106plant/hm2;待小麦扬花时，在隙地中种2行玉米，玉米实行育苗移栽，2011年4月6日采用肥团育苗，2011年4月16日移栽，玉米窄行距60 cm(宽行距140 cm)，窝距40 cm(图1)，每窝栽壮苗2株，密度5.0×104plant/hm2。小麦于2011年5月25日收获(此时玉米处于6片展开叶期)，20 d后，即6月15日(此时玉米处于大喇叭口期)在小麦茬地上点播2行大豆，大豆行距40 cm，窝距33cm(图1)，每穴留 2株，密度6.22×104plant/hm2。玉米于2011年8月10日收获(此时大豆处于初花期)，大豆于2011年10月27日收获。

图1 套作小麦、玉米、大豆的田间试验布置图Fig．1 Diagram showing the arrangement of the rows of wheat，maize，soybean in the field experiment

1.2.3施肥方法 小麦播种时开深5 cm左右的沟，50%的氮和全部磷、钾肥撒于沟内，然后播种回土;另于分蘖期追施20%的氮，于拔节期追施30%的氮，均在遇小雨天撒施。玉米打塘施底肥，窝深15 cm左右，30%的氮和全部磷、钾肥作底肥施于窝内，然后覆土移栽玉米苗;再于玉米拔节期追施30%的氮，于大喇叭口期追施40%的氮，均采用兑清水冲施于株旁。大豆整个生育期间不施肥。其他田间管理措施同当地高产田。

1.2.4测定项目与方法 整个试验地在小麦播种前多点采集0—20 cm耕层土样，混合，分析基础肥力特征。小麦收获后大豆播种前在小麦茬各小区分别多点采集0—20 cm耕层混合土样，测定土壤有效磷含量(NH4F－HCI法)［7］。小麦、玉米收获时分别计产，采样并测定氮、磷、钾含量;大豆实收计产，每小区随机采6株考种，测定饱荚数、瘪荚数、计算饱瘪比(饱瘪比=饱荚数/瘪荚数)、千粒重，分茎杆、豆粒称重制样(收获时大豆叶子基本掉完，故不计叶)，样品粉碎过0.25 mm筛，分析氮、磷、钾含量［7］。

2 结果与分析

2.1 磷对大豆产量的影响

2.1.1磷对大豆结荚的影响 在5个磷水平处理中，大豆结荚总量随土壤有效磷含量增加而增加(表1)，SP3和SP4的总荚数比SP0有极显著增加;从SP1到SP4有增加趋势，但之间差异不显著。施磷处理的饱荚数比对照处理都有显著或极显著增加，施磷处理间饱荚数总体上变化不明显，SP1～SP4处理分别高出 SP013.9%、6.9%、13.2%、12.8%。瘪荚数随着土壤有效磷含量增加而先减少后增加，SP1最少，SP4最多，SP0次之。从饱荚瘪荚的比值可以看出随着土壤有效磷含量的增加大豆饱瘪比先增加后减少，但均高于SP0处理。

综上，随着土壤有效磷含量的增加大豆结荚数随之增加，但是当土壤有效磷含量达到较高值时(本试验为57 mg/kg，SP3处理)其增长幅度减小或者趋于零增长。SP1～SP4各处理饱荚数占总荚数的89.5%、87.2%、86.2%、84.7%，可见只有土壤有效磷含量在一定范围内才对大豆结荚最有利，可以提高大豆饱荚数，降低瘪荚数。本试验以SP1处理饱瘪比最大。

表1 磷对大豆结荚的影响Table 1 The impact of phosphorus on soybean pods

2.1.2磷对大豆产量的影响 植株茎生物量随着土壤有效磷含量的增加有增加趋势(表2)，从SP1～SP4分别比 SP0增加了10.4%、22.4%、28.5%、31.5%，但后3个处理间无显著差异。大豆籽粒产量随着土壤有效磷含量呈先增加后减少趋势，SP1产量最高且显著高于SP011.6%，但与其他几个施磷处理相比无显著差异。大豆总生物量(籽粒+茎)后4个处理分别比SP0增加了11.1%、11.2%、13.5%、14.5%，由于土壤有效磷含量处于中等或较高水平，后4个处理中大豆的产量和生物量均未有显著差异。不同磷水平的土壤中，大豆籽粒和茎秆的增长对总生物量的贡献不同，SP4的总生物量最大但籽粒仅占总量的0.57，而SP0为0.62。表明过高的土壤磷含量可能造成植株徒长，而只有在合适的土壤磷水平下才有利于大豆结荚和鼓粒。

2.2 磷对大豆营养状况的影响

2.2.1磷对大豆籽粒氮、磷、钾含量的影响 大豆籽粒全氮、磷含量随着土壤有效磷含量增加先增加后减少，全钾含量依次上升(表3)。籽粒全氮含量各处理间并没有显著差异，全磷以SP2最高，SP1次之，且二者分别比 SP0、SP4高出2.6%、1.2%和2.2%、0.8%。全钾含量SP0、SP1间无显著差异，后三个处理极显著高于SP0。

2.2.2磷对大豆茎氮、磷、钾含量的影响 大豆茎秆全氮、磷、钾的含量随土壤有效磷含量增加的变化趋势与籽粒变化趋势一致(表3)，但不同处理间氮、磷的差异更加明显。SP1到SP2处理茎全氮增长幅度最大，随着土壤有效磷含量增加缓慢下降，SP2依次比其他处理高出9.0%、7.3%、5.3%、7.0%。SP2处理的全磷含量最高，显著高于其他处理35.3%、25.5%、6.3%、7.1%;SP1到SP2的增长幅度最大，但随着土壤有效磷含量的继续增加茎磷含量不再增加。总体上，植株茎磷含量与土壤有效磷含量呈极显著正相关(r=0.862＊＊，n=15)。茎全钾含量和籽粒全钾含量有相似规律，均随土壤有效磷含量增加而逐渐增加，且茎全钾含量的增长幅度远大于籽粒的增长幅度。籽粒、茎全氮、磷、钾含量均比SP0处理有所提高，氮、磷、钾含量增长最大幅度均出现在SP1、SP2处理间，而后随着土壤有效磷含量增加其增长速率减缓。同时籽粒中氮、磷、钾含量各处理间的差异小于茎中的差异，说明适宜的土壤有效磷含量有利于植株吸收的氮、磷、钾更多地向籽粒分配。

表2 磷对大豆产量的影响Table 2 The impact of phosphorus on soybean yield and biomass

表3 收获期大豆籽粒、茎全氮、磷、钾含量(%)Table 3 The total N，P and K contents of soybean seeds and stems in harvest stage

2.2.3磷对周年作物氮、磷、钾养分积累量的影响小麦三种养分的积累量均随施磷量的增加而增加(表4)，氮积累量在WP1→WP2→WP3处理间有较大提升，其后增速减缓，WP3、WP4处理间无显著差异。施磷处理磷积累量显著高于未施磷处理，WP4显著高于WP119.0%、WP216.8%。玉米氮、钾积累量随施磷量的增加而增加，磷积累量随施磷量的增加呈单峰曲线。玉米磷积累量最高的为MP2处理，其分别比 MP0、MP1、MP4高 46.9%、35.8%、26.0%。大豆氮、磷积累量从SP0～SP4处理先增加后减少，最高点均出现在SP1处理，其极显著高于SP0处理，但与后几个处理间无显著差异。三种作物的钾积累量均随施磷量或土壤有效磷含量的增加而有所增加，但最大增量点不在同一处理，说明磷素有利于作物对钾的吸收，但不同磷浓度下作物对钾的敏感点不同。

表4 小麦/玉米/大豆间套作周年体系作物氮、磷、钾养分积累量(kg/hm2)Table 4 The total N，P，K accumulation of wheat，maize，soybean in relay-cropping system one year

小麦和大豆的氮积累总量远大于当季该种植条带上土壤的施氮总量，说明利用小麦后效养分种植大豆有利于提高土壤氮肥利用效率。

2.3 土壤有效磷含量与各指标的相关性分析

通过对上述大豆各项指标的分析，套作大豆利用前作小麦吸收剩余在土壤中的养分是可行的，但要使其产量和营养状况达到最佳还需调节前作小麦的施肥量。相关分析(表5)显示，在本试验条件下，土壤有效磷含量和大豆产量无显著相关性，但与茎干重以及与茎的磷、钾含量和氮、磷、钾积累量呈极显著正相关，相关系数分别为0.816、0.862、0.879、0.811、0.898、0.861。大豆茎、籽粒钾含量和钾积累量均与土壤有效磷含量呈极好的相关性，大豆产量与大豆籽粒、茎的氮、磷、钾养分含量没有明显相关性。随着土壤有效磷含量的增加，茎的生物量、养分含量和积累量都在上升，但大豆产量并非在随着增加，说明土壤中残留过多的磷只是促进了大豆茎叶的徒长而并不能促进大豆结荚和鼓粒。磷能促进大豆植株对钾的吸收。

3 讨论

程凤娴等［8］认为土壤有效磷含量是影响大豆生物量、吸磷量和产量的主要因素。本研究中，试验后4个处理大豆产量显著高于SP0处理，生物量随着土壤有效磷含量增加有所增加，但SP1～SP4间并无显著差异，籽粒、茎全磷、全氮含量SP2处理最高，全钾含量SP0～SP4逐渐上升;最高产量处理土壤有效磷含量为22 mg/kg(SP1)，植株养分含量最大处理土壤有效磷含量为51 mg/kg(SP2)，同样也表明合适的土壤有效磷含量可以提高大豆的产量和生物量，促进植株对养分的吸收。尹秀英［9］、孙世超［10］、蔡柏岩等［11］认为适宜的施磷有利于提高大豆的产量。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)的三种条件下对大豆进行磷肥试验，低磷土壤施磷对大豆产量和生物量影响较大，中等磷含量土壤影响较小，高磷土壤产量降低。本试验的结论也映证了这点，即合适的土壤磷含量可以提高大豆产量和生物量，试验中SP1～SP4处理土壤有效磷含量为22～62 mg/kg，跨度40 mg/kg，由于供试土壤有效磷含量总体处于中等或较高水平，其产量和生物量之间并未有显著差异。说明在较高磷含量土壤上继续施磷对提高大豆产量是无益的。

郭庆元［12］，Andrask 等［13］认为适宜的施磷量有利于大豆籽粒蛋白质的积累。但本试验中籽粒蛋白质含量(表3)处理间并没有显著差异，这可能是因为前作小麦吸收了大量的无机氮(99.3～124.1 kg/hm2)，降低了土壤中肥料氮的残留，从而各处理间差异不显著。肖焱波等［14］在研究“小麦+蚕豆”系统时发现，小麦可以吸收大比例土壤无机氮，从而降低土壤无机氮的残留。雍太文等［15］在研究“麦/玉/豆”间套作体系指出， 3种作物间氮素的竞争互利作用并存，小麦、玉米为优势作物，大豆为弱势作物，大豆氮源主要通过自身根瘤固定N2，并促进玉米对氮素的吸收。可见，在“麦/玉/豆”间套作体系中大豆不施氮确实存在供氮不足的问题。本试验大豆收获时叶子全部凋落，据雷婷等［16］、刘增禹等［6］对套作大豆(贡选1号)的研究，同时结合本研究中大豆养分含量、生物量估测凋落大豆叶占总生物量的14.5%左右，叶氮积累量为16 kg/hm2左右。据此，小麦、大豆氮的总积累量在242～284 kg/hm2左右，远高于施氮量120 kg/hm2。为了解决大豆氮不足的问题，可以对大豆接种高效共生固氮大豆根瘤菌，相关研究表明，单作大豆接种高效大豆根瘤菌可提高产量33.5%、植株含氮量提高26.9%［17］。在“麦/玉/豆”体系中接种大豆根瘤菌的效果有待后续研究。同时该种植模式为解决高效大豆根瘤菌在生产应用中的氮阻遏问题提供了新思路。

表5 土壤有效磷含量、产量、茎干重与大豆茎、籽粒的氮、磷、钾养分含量和积累量之间的相关性Table 5 The relationship between soil available phosphorus content，yield，stem biomass and soybean stem，grain N，P，K nutrient content and accumulation

大豆茎磷积累量 SP1、SP2、SP3、SP4处理是SP0处理的1.2、1.7、1.6、1.7倍，但其生物量仅为SP0处理的1.1、1.2、1.3、1.3倍。据吴冬婷等［18］对不同磷浓度处理大豆茎、叶、籽粒的磷含量研究，结合本试验大豆籽粒、茎磷含量估测凋落叶磷积累量在0.9～3.4 kg/hm2左右，因此大豆地上部磷积累量和其生物量的比值将进一步扩大。可见当土壤有效磷含量大于或等于51 mg/kg时施磷已不能增加大豆产量，大豆茎对土壤磷存在了“奢侈吸收”。当土壤有效磷低于其临界值时，作物产量随土壤有效磷含量的增加而显著提高，但是当土壤有效磷较高时，施磷肥对作物产量几乎没有影响，表明此时磷素不是限制作物产量增长的主要影响因子，进一步施磷肥是不合理的［19］。在小麦－玉米轮作体系中［19］，发现小麦对磷的反应大于玉米，对土壤自然供磷能力的反应则是玉米高于小麦，主要原因是在小麦生长初期外界温度低，磷的矿化速率慢不利于作物的吸收［20］，而玉米生长的季节水热条件好，磷的矿化速率提高，土壤供磷能力强从而有利于作物的吸收。结合以上两点，在“麦/玉/豆”体系中，大豆完全可以利用小麦吸收后残余在土壤中和土壤自身矿化的磷来满足整个生育期的需要。但本试验中大豆最高产量和最大养分含量并非同一个处理，最高产量在土壤有效磷含量为22 mg/kg(SP1)，植株养分含量最大则在土壤有效磷含量为51 mg/kg(SP2)，在“麦/玉/豆”体系中要达到产量与养分含量二者具佳，还有待设置更多的肥料处理做进一步的研究。

综上，在四川紫色土区“麦/玉/豆”间套作体系中，可将小麦－大豆所需肥料在小麦种植时合理施用，特别是磷肥，在大豆种植时可少施或不施。这样可以不降低产量，还可节约劳动力成本，提高磷肥利用率，从而有利于种植效益的提高和环境保护。

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