品种演替和土壤肥力对小麦产量和磷生理效率的影响

宋 晓，黄绍敏*，郭斗斗，张水清，张珂珂，宋阿琳，岳 克，张玉亭

(1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

小麦是我国重要的粮食作物之一，小麦产业的发展影响我国的粮食安全和社会稳定。小麦产量的提高受品种、栽培措施、病虫草害及自然条件的影响，其中品种改良和化肥投入起重要作用[1]。中外研究结果也表明，品种类型在小麦产量提高过程中起重要作用[2-3]。Austin等通过对英国20世纪以来的小麦品种进行试验对比，发现随着小麦品种演替，株高降低，产量增加，收获指数提高了15%[4]。韩晓宇等以陕西关中地区20世纪80年代和90年代小麦品种为试验材料比较分析，结果显示，随着年代更替，小麦籽粒产量及收获指数均增加[5]。黄芳、田中伟等研究结果也证实，随着品种改良进程，小麦穗粒数和千粒重显著增加，单位面积穗数相对稳定[6-7]。钱曼懋、耿志训等试验证明，随品种演替，小麦产量逐步提高，单株成穗数、每穗粒数由少到多[8-9]。因此，随着生产的发展，小麦品种改良的需求愈来愈大。但是，在考虑品种对小麦产量贡献的同时，对品种演替的增长作用在不同肥力下的表现研究较少。

小麦产量的提高不仅较大程度的依赖品种，对肥料的依赖性也较大。土壤肥力和施肥措施是影响作物产量的重要因素。研究证明化肥是农作物增产的基础，化肥投入是增产的快速、有效的措施[10]。多年来大面积的研究结果证实，化肥对粮食作物产量的贡献率约50%[11-12]。在相同施肥措施下，中、高肥力地块的周年作物产量高于低肥力[13]。例如磷肥，磷是构成植物生命活动的重要元素之一，参与植物体内的生理生化反应，在植物生长发育中起关键作用[14-16]。20世纪80年代以前，磷是土壤中利用效率最低的一种营养元素，大多数土壤含磷量较低，影响作物产量[17-18]。80年代以后，为了提高作物产量，大量施用磷肥，缓解了土壤磷素供应不足。然而，过度施用磷肥，不仅导致土壤磷素过剩，还破坏了水体生态系统，引起水体富营养化等问题[17-19]。另外，研究表明，由于植物遗传变异的多样性，导致植物磷素利用效率不仅在品种间存在显著差异，而且同一植物不同品种间及不同品种同一肥力水平下也有差异[20-21]。例如：小麦、玉米、水稻等作物磷吸收利用方面存在较大差异，由于所选指标不同，或生育时期选择不一致,或施磷量不同，导致已有研究或评价磷吸收利用差异的结果各异[22-27]。

近年来，关于小麦产量和磷素吸收利用效率的研究受到科研工作者的较多关注，但主要是通过改良栽培措施、磷肥管理或筛选磷高效基因型品种等提高磷素吸收利用效率，而对于品种演替在不同土壤肥力水平下的作物产量及磷效率的变化研究甚少。本研究在长期肥料定位试验的基础上，通过分析品种演替在不同土壤肥力水平下小麦产量、磷肥效率等的差别，了解品种演替对土壤肥力水平的响应效应，以期为育种工作者提供资源高效利用的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于黄淮海平原国家潮土土壤肥力与肥料效益郑州长期监测站(34°47′N，113°40′E)，该地区年平均降水量646 mm，年平均温度为14.8°C，无霜期为224 d。该试验站于1987年建立，经过两年匀地种植，于1990年开始不同施肥方式的作物产量与肥料效益长期定位监测试验，土壤类型为潮土，成土母质为黄河冲积物，土壤pH 值8.1，全氮、全磷、全钾和有机质分别为1.01、0.65、16.90 和10.60 g·kg-1，碱解氮、有效磷和交换性钾分别为76.60、21.20 和71.70 mg·kg-1。

1.2 试验设计

长期定位施肥试验小区为完全随机排列，本研究选取1991～2015年连续25年的5个处理：(1)空白(低肥力，不施肥)；(2)NPK(施氮磷钾肥)；(3)MNPK(M指有机肥，有机肥+NPK化肥)；(4)1.5MNPK(各肥料用量是MNPK的1.5倍，高肥力 )；(5)SNPK(S指玉米秸秆)，有机肥和秸秆在小麦季使用。这几种施肥方式基本涵盖了河南粮食种植区农民的施肥方式。氮肥为尿素(N 46%)；磷肥为过磷酸钙(P2O512.5%)；钾肥为硫酸钾(K2O 50%)，具体施肥量见表1。全部作为底肥施入土壤表层，然后机耕犁耙，其他管理措施按照当地小麦高产田标准。

表1 冬小麦长期肥料定位试验处理与年施磷量 (kg·hm-2)

本试验选用5个小麦品种，其中一个是中筋小麦，其他是强筋小麦，如表2所示。这些小麦品种均是河南省具有代表性的小麦品种，其推广时产量潜力分别为6 300 kg·hm-2(豫麦13)、6 600 kg·hm-2(郑麦941)、6 750 kg·hm-2(郑麦9023)、7 500 kg·hm-2(郑麦7698)和8 250 kg·hm-2(郑麦0856)。各品种种植面积较大，尤其是郑麦9023，种植面积超过200万hm2 [25]。

表2 1991～2015年试验小麦品种

1.3 测定指标及方法

小麦籽粒产量：每小区于成熟期取1 m2代表样段，人工收割脱粒，自然晒干称重，计算每公顷籽粒产量；

生物量：每个处理取小麦植株的面积为0.20 m2(0.5 m，2行)，每个取样点均从地面水平割取，在105 ℃下杀青 30 min，并在70℃烘干，直到达到恒重(每隔2 h称重，前后2次测量的数值<0.000 5 g)，称干重，然后折算成单位土地面积干物重(g·m-2DW)，干燥后的样品被储存在塑料袋中，供后续分析。

植株吸磷量、籽粒磷浓度采用钒钼黄比色法测定。

小麦磷生理效率、生产 100 kg 小麦需磷量及农学效率计算公式如下：

磷生理效率(kg·kg-1)=(施磷区产量-不施肥区产量)/(施磷区地上部植株吸磷量-不施肥区地上部植株吸磷量)

小麦吸磷量(kg·hm-2)= 秸秆生物量×秸秆磷浓度+ 籽粒产量×籽粒磷浓度

100 kg小麦籽粒需磷量(kg)= 植株吸磷量/产量×100

磷肥农学效率(kg·kg-1)=(施磷区产量-对照区产量)/施磷量

数据采用Excel 2007、SPSS 20.0软件进行统计分析，用LSD 法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 品种演替和土壤肥力水平对小麦产量的影响

考虑到不同年份小麦品种对研究的影响，依据品种把25年的小麦产量划分为5个阶段(表3)，分别是第一阶段(1991～1995年)、第二阶段(1996～2000年)、第三阶段(2001～2005年)、第四阶段(2006～2010年)和第五阶段(2011～2015年)。比较各处理的平均值可以看出，郑麦0856的产量最高(8 157.34 kg·hm-2)，郑麦7698次之，豫麦13的产量最低(5 915.39 kg·hm-2)，增产幅度分别为37.90%和8.40%；郑麦9023的产量高于豫麦13和郑麦941，但差异不明显。表3的结果表明，不考虑施肥效应，品种之间平均产量差异显著(表3)。

表3 1991～2015年不同肥力下不同小麦品种的籽粒产量 (kg·hm-2)

注：平均值数据后大、小写字母不同分别表示品种间差异达0.01、0.05显著水平，其他同列数据后大、小写字母不同分别表示处理间差异达0.01、0.05显著水平。下同。

施肥对不同小麦产量也有明显影响(表3)，从表3还可以看出，所有施肥处理的小麦平均产量均明显高于不施肥处理(CK)。随着土壤肥力水平的提高，豫麦13、郑麦941、郑麦9023、郑麦7698和郑麦0856的产量表现分别为:SNPK>1.5MNPK>NPK>MNPK、1.5MNPK>NPK>SNPK>MNPK、NPK>1.5MNPK>SNPK>MNPK、NPK>1.5MNPK>MNPK>SNPK、1.5MNPK>SNPK>NPK>MNPK，其中豫麦13在SNPK处理产量最高，但与其他施肥处理之间差异不显著；郑麦941和郑麦0856在1.5MNPK处理产量最高，其中郑麦941在1.5MNPK处理显著高于MNPK和SNPK处理，而郑麦0856施肥处理间差异不显著；郑麦9023和郑麦7698在NPK处理达到最大值，其中郑麦9023产量NPK显著高于MNPK，而郑麦7698产量在NPK处理显著高于MNPK和SNPK。小麦品种不同产量增幅不同，平均产量增幅分别为48.61%～50.36%、149.05%～184.34%、171.58%～209.22%、185.41%～225.45%和216.96%～272.68%，郑麦0856的产量增幅最大。因此，小麦品种和土壤肥力均显著影响小麦籽粒产量。

2.2 品种演替和土壤肥力水平对小麦磷生理效率的影响

从表4可以看出，不同品种间磷肥生理效率有一定差别，郑麦941(172.48 kg·kg-1)的磷生理效率最高，显著高于其他品种，郑麦9023(145.79 kg·kg-1)、郑麦7698(130.51 kg·kg-1)和郑麦0856(147.65 kg·kg-1)次之，三者之间差异不明显，豫麦13(66.71 kg·kg-1)的磷生理效率最低，显著低于其他4个品种，见图1。

表4 不同土壤肥力条件下不同小麦的磷生理效率 (kg·kg-1)

图1 不同小麦品种磷生理效率(各肥力平均)

在不考虑品种的情况下，不同施肥处理的磷素生理效率范围为16.60～202.18 kg·kg-1。 而从不同品种对土壤肥力的响应可以看出，1.5MNPK处理(除郑麦0856外)磷素生理效率达到最低值，NPK处理(豫麦13除外)最高。 郑麦941、郑麦9023和郑麦7698的磷生理效率均表现为NPK>NPKS>NPKM>1.5NPKM。同一品种在不同肥力水平下的磷生理效率也有差别(表4)。不同处理而言，单施NPK处理小麦磷生理效率显著高于其他施肥处理(豫麦13除外)；秸秆还田配施化肥处理次之(郑麦0856除外)；有机无机配施处理中，MNPK处理小麦磷生理效率高于1.5MNPK处理(其中郑麦0856两个处理之间基本持平)，但差异不明显。整体来说，小麦磷生理效率随土壤肥力水平的提高呈降低的趋势。

2.3 品种演替和土壤肥力水平对100 kg小麦籽粒需磷量的影响

随着品种演替，100 kg小麦需磷量呈增加的趋势，但品种之间差异显著(表5)。从表5看出，郑麦7698每生产100 kg小麦籽粒所需磷量最高(0.62 kg)，郑麦0856次之(0.57 kg)，豫麦13需磷量最低，增幅达到58.97%。进一步比较不同施肥处理，施肥处理的各小麦品种的100 kg籽粒需磷量均极显著高于不施肥处理(CK)，5个小麦品种豫麦13、郑麦941、郑麦9023、郑麦7698和郑麦0856增加的幅度分别为33.33%～43.33%、57.69%～88.46%、51.43%～82.86%、39.53%～69.77%和31.26%～54.34%；随土壤肥力水平的提高和养分投入增加，所有品种的100 kg小麦籽粒需磷量增加，在1.5MNPK处理达到最大值，1.5MNPK和MNPK处理之间差异不明显；另外，小麦品种在NPKS比NPK处理显著提高了100 kg小麦籽粒需磷量(豫麦13除外)。

表5 不同土壤肥力条件下不同小麦的百千克小麦需磷量 (kg)

2.4 品种演替和土壤肥力水平对农学效率的影响

根据各处理的平均值(图2)可以看出，随着品种演替，磷肥的农学效率呈增加的趋势，豫麦13的农学效率显著低于其他4个品种；郑麦0856的农学效率最高(70 kg·kg-1),差异达到极显著水平(P<0.01)；另外，郑麦941、郑麦9023和郑麦0856品种之间磷肥农学效率差异不显著。而就土壤肥力及施肥来说，豫麦13、郑麦941、郑麦9023和郑麦7698在各个施肥处理农学效率表现为NPK>NPKS>NPKM>1.5NPKM，郑麦0856则表现为1.5NPKM>NPKS>NPK>NPKM(图3)。显然，单施化肥处理豫麦13、郑麦941、郑麦9023和郑麦7698的农学效率高于其他无机有机配施处理，其中郑麦941、郑麦9023和郑麦7698达到显著差异水平。比较豫麦13、郑麦941、郑麦9023和郑麦7698的MNPK和1.5MNPK处理，随着土壤肥力提高农学效率降低。而郑麦0856在1.5MNPK处理农学效率最高，显著高于其他施肥处理，这种差异可能与品种的基因型有关。

图2 不同小麦品种磷肥农学效率(各肥力平均)注：不同大、小写字母分别表示品种间差异达0.01、0.05显著水平。

图3 不同肥力水平下小麦品种的磷肥农学效率(各品种平均)注：同一品种柱上大、小写字母不同分别表示处理间差异达0.01、0.05显著水平。

3 讨论

3.1 品种演替和土壤肥力水平对小麦产量的影响

随着育种技术和农业信息化的发展，品种多样化是现代农业的一大特征[26-29]。众多研究表明，品种演替是提高作物单产的重要措施[30-32]，这在本试验中也得到证实。本研究表明，随着小麦品种的演替，小麦产量呈增加的趋势(不施肥处理CK除外)，郑麦0856的籽粒产量最高，且极显著高于早期的其它小麦品种；郑麦7698次之，豫麦13产量最低；且郑麦0856的增产幅度为37.9%。但品种演替在不同土壤肥力条件下的表现不同，施肥条件下平均增产幅度显示豫麦13<郑麦941<郑麦9023<郑麦7698<郑麦0856，而不施肥处理随品种演替呈降低趋势。这说明高产品种对养分输入的敏感性显著高于低产品种[5，33]。这可能是现代育种一般是在养分充足条件下进行的，从而使得新育出品种在低肥力或营养缺乏的土壤适应性较弱。考虑到我国中低产田较多，育种工作者应充分挖掘品种潜力，结合土壤肥力和施肥条件，培育出适合不同肥力水平的小麦品种。

3.2 品种演替和土壤肥力水平对小麦磷生理效率的影响

小麦磷生理效率是指小麦吸收1 kg外源磷生产小麦的公斤数[6]，其高低与小麦品种、土壤、栽培和气候条件等有关[34-35]。本试验中，随着品种演替，磷生理效率呈现抛物线形式，先升高后降低，豫麦13磷生理效率值最低，郑麦941磷生理效率值最高。不同基因型小麦的磷效率存在显著差异[36-37]。例如，Yaseen通过分析15个小麦基因型的养分吸收和利用效率确定植物的遗传性差异[38]。另外，不同肥力水平土壤养分供应的磷生理效率不同。本试验中不同小麦品种磷生理效率最低值出现在1.5NPKM高肥力土壤(郑麦0856除外)，最大值均出现在NPK处理。这与Wang 等人研究结果一致[21]。这说明，无论施用有机肥还是秸秆还田都会增加磷的含量，如果土壤和其他营养物质中的磷含量能够满足作物的需要，磷的额外施用并不能提高磷的生理效率。

3.3 品种演替和土壤肥力水平对100 kg小麦籽粒需磷量的影响

100 kg小麦籽粒需磷量在一定程度上反映了品种利用土壤养分的能力或体现品种对养分的依赖程度[27]。本试验中，无论在长期不施肥处理还是施肥处理中，随品种的演替，100 kg小麦籽粒需磷量均呈增加的趋势，其中郑麦7698达到最大值，郑麦0856次之，豫麦13最低，品种之间差异显著。这说明，品种演替改善了土壤中磷素利用率。本试验中还发现，施肥处理100 kg小麦需磷量显著高于长期不施肥处理(CK)；随肥力及养分投入的增加，100 kg小麦籽粒需磷量增加，在高肥力土壤1.5MNPK处理达到最大值。昝亚玲等的试验也证明，小麦品种小偃22号100 kg籽粒需磷量在一定氮水平下随施磷量的增加而增加[33]。但从试验结果(表5)可以看出，1.5MNPK与MNPK处理之间100 kg籽粒需磷量差异不明显，这表明无论原来的品种还是当前品种均不存在磷素奢侈吸收积累[6]。

3.4 品种演替和土壤肥力水平对磷肥农学效率的影响

与各处理的平均值相比，随着品种的演替，磷肥的农学效率有所提高，郑麦0856的值最大，且与其它品种差异明显。从养分利用的指标来看，这可能是高产品种对养分投入的敏感程度高于低产品种[33]。品种演替在不同土壤肥力水平的农学效率的变化不尽相同，豫麦13、郑麦941、郑麦9023和郑麦7698农学效率最大值出现在1.5MNPK处理，20年长期定位试验后，郑麦0856的最大值则出现在NPK处理。这可能与小麦品种及土壤磷素含量有关，需要进一步深入研究。因此，合理的养分管理对任一品种养分高效利用均至关重要。

4 结论

土壤肥力与品种对小麦籽粒产量、100 kg小麦籽粒需磷量、磷生理效率及农学效率均有显著影响。随着小麦品种演替，小麦产量呈上升趋势，高肥力土壤产量显著增加，且新品种产量增加幅度大于老品种。低肥力条件下，籽粒产量随着品种的发展表现出下降趋势。小麦品种的演替有利于提高磷的生理效率和农学效率，磷肥生理效率呈抛物线趋势(图1)。同时，100 kg粮食对磷的需求也随着品种的发展而增加。另一方面，随着土壤肥力和施肥量的增加，小麦磷肥生理效率下降；豫麦13、郑麦941、郑麦7698和郑麦9023的磷肥农学效率也下降；而郑麦0856磷肥农学效率呈抛物线趋势(图3)。这说明，黄淮海区域小麦品种演替在高肥力以及养分投入充足时，不仅表现出单产不断提高，而且磷生理效率也呈逐步增加的趋势，但在低肥力土壤上没有上述优势体现。因此，土壤培肥以及定向育种的有机结合是实现我国黄淮海区域小麦高产高效、可持续发展的有效方略。