不同茬口对小麦养分利用和产量的影响

邵 云，李昊烊，翁正鹏，王 璐，李斯斯，刘 晴

(河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007)

华北平原是我国主要粮食作物的生产地区，其小麦、玉米的产量分别占全国总产量的76.2%和29.3%[1]。目前，小麦-玉米一年两熟制是当地农业生产中较为稳定的种植模式。但长期在同一块农田上种植同一种属的作物，很容易造成土壤中某些营养元素的失衡，从而使作物生长受抑、抗性下降，甚至引发一些元素缺乏症，导致粮食产量和品质的降低[2-4]，同时还会造成病虫草害加重、生物多样性下降等负面效应[5]，严重影响当地小麦的稳产和高产，阻碍农业生产的可持续发展步伐。有资料显示，2013-2016年河南省小麦-玉米连作造成的小麦茎基腐病愈来愈严重，患病植株茎高降低14.0%～55.8%，穗粒数减少22.7%～54.5%，千粒重减少3.2%～73.2%，严重者产量损失达51.6%[6]。茬口通过一系列生物因子和非生物因子的作用，对土壤性状产生影响，直接或间接影响后茬作物的生长状况[7]。有研究表明，改变茬口能够有效控制甘薯农田病虫草害，提高农田生物多样性[8]；豆科作物茬口能够有效改善土壤氮素失衡状况，提高小麦氮素利用效率[9]；不同茬口对土壤微生物的种类和数量产生不同影响，间接影响下茬作物的生长[10]。所以，适当改变单一的种植模式、调整茬口作物的种类、增强农田作物的多样性，能使农田生态系统中光、水、土、气、热以及各种营养元素等自然资源得到充分协调和利用[11]，从而改善农田的持续生产力。本研究以华北平原主要粮食作物小麦的生产为出发点，选择不同前茬作物，探究不同茬口对土壤养分及小麦植株营养元素积累和籽粒产量的影响，筛选冬小麦生产的适宜前茬作物，以期为丰富华北平原一年两熟制种植模式提供一些理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点选在河南省获嘉县西彰仪村。获嘉县是河南省重要的粮食基地，位于新乡市西部，地处黄河、沁河冲积平原，属暖温带大陆性季风气候，年均气温14.6 ℃，年均降雨量557.2 mm。全县耕地总面积为38 441.0 hm2。试验地前期常年为小麦-玉米复种模式，其耕层土壤为潮土，有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷和速效钾含量分别为34.55 g·kg-1、1.04 g·kg-1、0.66 g·kg-1、1.85 g·kg-1、122.15 mg·kg-1、16.46 mg·kg-1和127.17 mg·kg-1。

试验于2016年6月至2017年6月实施玉米-小麦、大豆-小麦、花生-小麦、甘薯-小麦4种种植模式，采用随机区组设计，小区面积约为200 m2，3次重复。甘薯采用人工栽秧，其余各作物采用机械条播。作物生长期间进行正常的灌水、除草、防虫等田间管理。

前茬玉米品种为洛单248，播种时间是2016年6月10日，播量37.5 kg·hm-2，行距60 cm；大豆品种为驻豆11，播种时间是2016年6月15日，播量75 kg·hm-2，行距60 cm；花生品种为鲁花10，播种时间是2016年6月15日，播量225 kg·hm-2，行距50 cm；甘薯品种为商薯19，栽秧时间是2016年6月17日，行距70 cm。播种时玉米、花生、甘薯基施N 210 kg·hm-2、P2O545 kg·hm-2、K2O 45 kg·hm-2，大豆基施N 105 kg·hm-2、P2O522.5 kg·hm-2、K2O 22.5 kg·hm-2，播后30 d花生和甘薯追施N 37.5 kg·hm-2、P2O537.5 kg·hm-2、K2O 37.5 kg·hm-2。玉米、大豆和花生于2016年10月4日收获，甘薯于2016年11月4日收获。前茬作物玉米、大豆、花生、甘薯处理分别用C、S、P、SP表示。

小麦品种均为豫农4023，前茬为玉米、大豆和花生的小区于2016年10月12日播种，播量均为187.5 kg·hm-2，行距20 cm；前茬为甘薯的小区于2016年11月5日播种，播量为262.5 kg·hm-2。播种前基施N 135 kg·hm-2、P2O5165 kg·hm-2、K2O 37.5 kg·hm-2，拔节期(2017年3月10日)追施N 69 kg·hm-2。2017年6月5日统一进行小麦收获。

1.2 试验方法

1.2.1 土壤养分测定

于前茬作物收获时，采用五点取样法在各小区中用土钻采集0～30 cm和30～60 cm土层的土壤样品，同一小区的土壤样品混合均匀。土壤样品自然风干后过0.5 mm筛，测定土壤养分含量。采用锡纸包裹-灼烧法经总有机碳分析仪(TOC，德国Elementar)进行土壤有机质含量测定；采用NaOH-碱解扩散法测定速效氮含量；采用NaHCO3溶液(0.5 mol·L-1)浸提-钼锑抗比色法用分光光度计(UV-2600，日本Shimadzu)进行速效磷含量测定；采用1 mol·L-1中性NH4OAc溶液浸提，震荡30 min后用火焰光度计(ATS 200S，瑞士ATS)进行速效钾含量测定。

1.2.2 植株生物量及养分测定

于小麦收获时，在每个小区内随机选取长势均匀且完整的20株小麦植株，3次重复。将取回的麦株地上部分分离为茎叶(除籽粒外的地上部)和籽粒，经105 ℃杀青0.5 h，85 ℃烘干至恒重，然后将其粉碎后测定氮、磷、钾含量。采用H2SO4-H2O2消解后经连续流动分析仪(AA3，德国SEAL Analytical)进行植株氮、磷含量测定；采用NaOH熔融冷却后，加HCl和H2SO4用火焰光度计进行钾含量测定。

1.2.3 小麦考种与测产

在小麦成熟期，在每个小区内随机采集长势均匀的植株20株，进行室内考种，测定其结实小穗数、不孕小穗数、穗粒数和千粒重；同时随机取1 m2的小麦进行成穗数的调查及测产，3次重复。

1.3 参数计算方法

植株养分利用指标的计算[12]如下：

植株养分积累量=植株干物质量×植株养分含量；

养分吸收效率=植株地上部养分积累量/施入养分量；

养分收获指数=籽粒养分积累量/植株地上部养分积累量；

养分利用效率=籽粒产量/植株地上部养分积累量。

1.4 数据处理

应用Excel 2010和SPSS 13.0软件对试验数据进行处理分析，多重比较均为Duncan法。

2 结果与分析

2.1 不同茬口对土壤养分的影响

不同作物的施肥数量、比列和方式及植株对养分的吸收有别，使得前茬收获后残留在土壤中的养分存在差异(图1)。测定结果表明，在0～30 cm土层中，玉米茬的土壤有机质含量最高(49.13 g·kg-1)，甘薯茬的土壤有机质含量最低，较玉米茬减少了9.9%，差异达到显著水平，大豆和花生茬则与其他茬口差异均不显著；在30～60 cm土层中，相比于玉米茬，甘薯和花生茬的土壤有机质含量显著提高。不同茬口的0～30 cm土层速效氮含量表现为大豆茬>花生茬>玉米茬>甘薯茬，且茬口间差异均达显著水平；在30～60 cm土层中，花生和大豆茬的土壤速效氮含量显著高于玉米茬，甘薯茬则反之。在0～30 cm土层中，花生和甘薯茬较玉米茬都能显著提升土壤速效磷含量；在30～60 cm土层中，速效磷含量表现为大豆茬<甘薯茬<玉米茬<花生茬，茬口间差异均达到显著水平。甘薯茬0～30和30～60 cm土层的

图柱上不同小写字母表示同一土层的不同处理间差异显著(P<0.05)。

速效钾含量均显著低于其他茬口；30～60 cm土层中，大豆茬土壤速效钾含量显著高于玉米茬和花生茬。总之，与玉米茬相比，大豆茬的土壤有机质和速效磷含量较低，而土壤速效氮和速效钾含量较高；花生茬的土壤速效氮和速效磷含量增加；甘薯茬的土壤速效氮和速效钾含量较低。

2.2 不同茬口对小麦植株生长及养分利用的影响

2.2.1 小麦地上部分干物质积累量及养分含量

由图2可看出，不同茬口下小麦干物质积累量和植株氮、磷、钾含量存在差异。甘薯茬的小麦干物质积累量显著高于其余茬口，其中甘薯茬的小麦茎叶干物质积累量较玉米、大豆和花生茬分别提高了37.2%、32.5%、30.8%，籽粒的干物质积累量分别提高了29.2%、31.3%、31.5%。甘薯茬的小麦茎叶和籽粒氮含量也显著高于其余茬口，而玉米茬的小麦籽粒氮含量在4个茬口中最低。大豆和甘薯茬的小麦茎叶和籽粒磷含量显著高于玉米茬，其中大豆茬最高。相比于玉米茬，大豆茬的小麦茎叶钾含量显著提高，甘薯茬则相反；而甘薯茬的小麦籽粒钾含量显著高于其他茬口，大豆茬次之，玉米茬和花生茬较低。

图柱上不同小写字母的表示同一部位的不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.2.2 小麦植株地上部分的养分积累量

不同茬口下小麦植株的养分积累存在差异(表1)。玉米茬的小麦籽粒和茎叶氮素积累量显著低于其余茬口；甘薯、花生和大豆茬的小麦地上部氮素积累量较玉米茬分别提高25.8%、12.9%和8.4%，差异均显著。甘薯茬的小麦茎叶磷素积累量显著高于玉米茬；大豆和甘薯茬的小麦籽粒磷素积累量显著高于玉米茬；甘薯和大豆茬的小麦地上部磷素积累量较玉米茬分别提高10.2%和8.2%。大豆和花生茬的小麦茎叶及地上部钾素积累量均显著高于玉米茬；甘薯茬的小麦籽粒钾素积累量较其余茬口升高24.9%～28.8%，且差异均显著。综上，相比于玉米茬，大豆、花生和甘薯茬显著促进了小麦植株的氮素积累，大豆和甘薯茬能显著提高小麦植株的磷素积累量，大豆和花生茬则有利于小麦植株对钾素的积累。

表1 不同茬口的小麦各部位养分积累量Table 1 Nutrient accumulation amounts in different organs of wheat with different preceding crops kg·hm-2

同列数据后不同小写字母表示不同同处理间差异显著(P<0.05)。下表同。

Different lowercase letters following data represent significant differences among different treatments in the same column at 0.05 level.The same in table 2 and 3.

2.2.3 小麦植株对养分的吸收与利用

相比于玉米茬，大豆、花生和甘薯茬都能使小麦的养分吸收效率在一定程度上有所提升(表2)。其中，氮素吸收效率表现为甘薯茬>花生茬>大豆茬>玉米茬，且茬口间差异均达显著水平；甘薯和大豆茬的小麦植株磷素吸收效率显著高于玉米和大豆茬；大豆和花生茬的小麦钾素吸收效率显著高于玉米和甘薯茬。玉米茬的小麦氮素收获指数最高，与甘薯茬差异显著；玉米和花生茬的小麦磷素收获指数较高，显著高于大豆和甘薯茬；而甘薯茬的钾素收获指数显著高于其他茬口，玉米茬次之，大豆和花生茬最低。玉米茬的小麦氮素和钾素利用效率显著高于大豆、花生和甘薯茬；玉米和花生茬的磷素利用效率显著高于大豆和甘薯茬；甘薯茬的3种养分利用效率均较低。综上，大豆茬的磷钾吸收效率较高，但玉米茬的氮磷收获指数最高，钾素收获指数较高，故其养分利用效率在4种前茬处理中最高。

表2 不同茬口的小麦养分利用效率Table 2 Nutrient utilization efficiency of wheat with different preceding crops

表3 不同茬口的小麦产量及其构成因素Table 3 Yield and its components of wheat with different preceding autumn crops

2.3 不同茬口对小麦产量性状的影响

由表3可知，甘薯茬的小麦成穗数显著低于其余茬口，原因归结于甘薯收获期较晚，延迟了后茬小麦的播期，致使其成穗数大幅降低。大豆茬的小麦结实小穗数最少，甘薯茬的小麦不孕小穗数最少。而穗粒数则以甘薯茬最多。与玉米茬相比，大豆、花生和甘薯茬的小麦千粒重显著提高。玉米、大豆、花生茬的小麦产量显著高于甘薯茬，这主要因为甘薯茬成穗数最低。

3 讨 论

3.1 不同茬口土壤养分的差异

由于不同前茬作物在生物学特性、产量水平和养分消耗强度上的差异，不同茬口残留在土壤中的养分量不同。玉米拥有较大的生物量，并且具有强大的须根系，主根系约有40 cm长，能充分利用耕层土壤中的水分和养分，对氮、磷、钾元素需求量较多，同时也会吸收一些微量元素[13-14]。有研究表明，玉米在不同时期的需肥量有所差异，主要是在拔节期到开花期对养分需求量最大，在此期间对氮、磷的吸收量相近，而对钾的需求量是前者的2倍，并从开花期到成熟期，吸收较多的氮、磷元素[15]，这与本研究中玉米茬的土壤中速效氮、磷含量处于较低水平的结论相一致。大豆和花生属于豆科植物，它们进行正常生长时对氮的吸收主要来源于土壤中存留的氮、无机化肥中的氮以及自身根瘤菌从大气中固定的氮，它们较玉米多了一个生物固氮的来源，能将大气中分子态的氮转化为氨供作物吸收，对提高土壤氮含量起着重要作用[16-17]；本研究结果中，大豆茬和花生茬土壤速效氮含量处于较高水平，体现出其生物固氮的作用。也有研究表明，如果土壤中氮含量过高，就会抑制固氮系统作用，使土壤中氮含量处在一个相对平衡水平[18]。大豆对磷的需求极大，且其需求量在整个生长时期是不断增长的[19]，故而大豆茬土壤中速效磷含量较低；花生对养分的需求量较为均衡，残留在土壤中的养分元素也相对稳定，对后茬作物的生长有促进作用[20]。甘薯是喜钾型作物，并且对养分的需求量较大[21]。前人研究认为，甘薯在生长前期阶段对氮的需求量极大，中后期阶段对磷需求较多，而在整个生育期都需求大量钾，对氮、磷、钾的吸收比例约为1.00∶0.34∶1.51[22-23]。与玉米茬相比，甘薯茬土壤中养分亏缺，对后茬作物生长带来一些负面影响，因而需要通过人工施肥进行调节。

3.2 不同茬口的小麦植株养分吸收的差异

小麦对养分的需求量极高[24]，不同前茬作物通过改变土壤肥力水平、土壤物理特征和微生物活性等特征，影响了小麦的茎秆生长状况及灌浆水平，从而使小麦茎叶和籽粒中的养分积累产生差异。有研究表明，适量地提高土壤氮水平对改善小麦品质有积极的作用[25-26]。在灌浆期，小麦根部从土壤中吸收大量氮素，并将茎叶中的氮转移到籽粒中去，对磷和钾的需求量较少[27]，因而本研究中小麦籽粒中的氮积累量远多于磷和钾。前茬大豆和花生的种植使小麦土壤氮含量有所提升，使小麦植株中的养分积累量较玉米前茬都有所提升。而甘薯前茬吸收了土壤中大量的氮、磷、钾，但其收获期比其余3种作物晚1个月，造成后茬小麦播期推迟，尽管增大了其小麦播量，还是对后茬小麦的成穗率和产量造成负面效应，这与徐晖等的结论相似[28]。此外，前茬作物释放在土壤中的根系分泌物不同也会对后茬作物土壤养分的吸收造成影响[29-30]，进而造成后茬小麦养分积累的差异。不同作物的根系布局及须根生长状况会在一定程度上改变土壤的质地、容重、紧实度和孔隙度等[31]，可能使后茬作物对土壤中养分的吸收速率产生差异。另一方面，不同前茬作物的生长会对土壤微生物群落带来影响，土壤肥力和生产能力也会随之增加[32]。此外，微生物群落的变化在一定程度上也反映了土壤有机质的矿化速率及养分的存在形式[10，33]，对后茬作物的养分吸收造成极大的影响。总之，相比于玉米茬，豆科作物因其本身已经在一定程度上降低了氮肥的投入量，虽未能明显提高后茬作物产量，但能有效地提高茬口养分含量，并使后茬小麦植株氮、磷、钾元素积累量增多，以维持土壤养分平衡，可作为小麦良好的前茬作物。