华北平原两熟区不同夏播作物对土壤养分和小麦籽粒产量及品质的影响

李春喜，翁正鹏，邵 云，李昊烊，马守臣,2，马冠群

(1.河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007； 2.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454000)

不同作物前茬给后茬作物生长带来的影响是多方面的，主要通过影响后茬作物播种时间和土壤的理化性质，对后茬作物的生长产生不同的效应。在我国华北平原，长期以来主要的种植模式是冬小麦-夏玉米一年两熟的复种轮作方式。但长期单一的玉米茬口对农田土壤状况和小麦的影响较为单一，易造成土壤养分失衡、病原菌累积和结构性变差，不利于耕地的持续性生产[1-3]。如果更换合适的前茬作物，可能会对后茬小麦的生长和土壤的持续性利用有更积极的作用。有研究表明，前茬作物收获的时间不同会造成后茬小麦的播期不同，使小麦的产量和品质性状具有不同的表现，如随着播种期推迟，小麦生物量、籽粒产量和收获指数均显著降低[4-5]，而适宜的播种期则能够有效调节小麦品质[6-7]。不同前茬作物对土壤养分、微量元素和微生物等具有显著影响，如大豆前茬在提高土壤养分、酶活性方面效果优于玉米和苕等其他前茬[8-9]；烤烟前茬和水稻前茬的土壤有效态铁和锰等含量优于玉米前茬[10]；小麦前茬和大豆前茬均能够显著提高土壤微生物细菌、放线菌等有益菌的数量[11]。目前在施肥和灌水处理等条件下已有一些茬口效应的研究[12-14]。但同一地点、相同地力和种植条件下，不同前茬作物的种植对土壤养分和后茬小麦品质影响的研究还较少。本试验以华北平原南部几种主要夏播作物与小麦的轮作模式为研究对象，研究了不同夏播作物茬口下土壤养分的变化，以及对后茬小麦籽粒产量和品质产生的影响，以期为该区域一年两熟种植制度的合理配置提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在河南省新乡市获嘉县西彰仪村试验地(经度：113.65°，纬度：35.27°)进行。试验地土壤为潮土，试验前供试基础土壤耕作层土壤全氮含量为1.04 g·kg-1，碱解氮含量为122.15 mg·kg-1，速效磷含量为16.46 mg·kg-1，速效钾含量为127.17 mg·kg-1，有机质含量为 34.30 g·kg-1。试验田地力均匀，地势平整。

1.2 试验设计

试验从2016年6月至2018年6月设置了玉米-小麦→玉米-小麦(T1)、大豆-小麦→大豆-小麦(T2)、花生-小麦→花生-小麦(T3)、甘薯-小麦→甘薯-小麦(T4)四组处理，连续两年的两熟种植模式。本研究选择对第二年夏粮播前和收获后土壤的养分和后茬小麦籽粒产量和品质进行测定。试验采用对比设计，每小区面积225 m2(50 m×4.5 m)，3次重复。玉米供试品种为洛单248，大豆为驻豆11，花生为鲁花10，甘薯为商薯19，小麦为豫农4023。

玉米于2017年6月11日播种，行距60 cm，播种密度为7万株·hm-2；大豆于2017年6月13日播种，行距60 cm，播种密度为24万 株·hm-2；花生于2017年6月13日播种，行距50 cm，播种密度为24万株·hm-2；甘薯于2017年6月14日插秧，行距70 cm，播种密度为6万 株·hm-2。玉米、花生和甘薯播种前底施纯N 210 kg·hm-2、P2O545 kg·hm-2、K2O 45 kg·hm-2，大豆播种底施纯N 105 kg·hm-2、P2O522.5 kg·hm-2、K2O 22.5 kg·hm-2，且玉米于播后25 d追施纯N 276 kg·hm-2。同年，玉米于9月20日收获，花生和大豆于10月9日收获，甘薯于11月7日收获。

玉米、大豆和花生收获后，于2017年10月20日播种小麦，播种密度为375万株·hm-2；甘薯收获后，于2017年11月8日播种小麦，播种密度为525万株·hm-2，行距均为20 cm。小麦播前底施纯N 135 kg·hm-2、P2O5165 kg·hm-2、K2O 37.5 kg·hm-2，拔节期(2018年3月21日)追施纯N 82.8 kg·hm-2。2018年6月2日统一进行小麦收获。

1.3 测定项目

1.3.1 土壤养分指标的测定

于前茬作物收获时，在各个小区中采用五点取样法分别采集0～15 cm、15～30 cm、30～60 cm、60～100 cm土层的土壤样品，5次重复，自然风干后过0.05 mm筛，测定土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质的含量。测定方法如下：采用NaOH-碱解扩散法测定土壤碱解氮含量；采用NaHCO3浸提-钼锑抗吸光光度法测定土壤速效磷含量；采用NH4OAc浸提-火焰光度计法测定土壤速效钾含量；采用总有机碳分析仪(Elementer，德国)测定土壤有机质含量。

1.3.2 小麦籽粒产量和养分含量的测定

于小麦成熟期，调查每个小区成穗数，随机选取1 m2长势均匀的小麦进行测产，3次重复。同时随机采集小麦植株30株，进行室内考种，测定其地上部生物量、结实小穗数、穗粒数和千粒重；同时测定小麦籽粒中氮、磷、钾含量。采用H2SO4-H2O2消解后经连续流动分析仪(SEAL，德国)进行植株氮、磷含量测定；采用NaOH熔融-火焰光度法进行植株钾含量的测定。

1.3.3 小麦籽粒品质的测定

小麦籽粒晒干，随机取500 g，采用近红外谷物分析仪(FOSS，瑞士)[15-17]测量小麦籽粒品质。

1.4 数据处理

应用Excel 2010和SPSS 13.0软件对试验数据进行方差分析和相关分析，采用Duncan法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同前茬作物对土壤养分的影响

2.1.1 不同前茬作物对土壤碱解氮含量的影响

从图1A可以看出，收获后，不同前茬处理的土壤碱解氮含量在不同土层间有一定差异。在 0～15 cm土层，不同处理收获后土壤碱解氮含量比播前均有所增加，T2处理收获后土壤碱解氮含量最高，比播前增加 64.41%，T4处理变化最小，增加了1.45%。在15～30 cm土层， T1和T2处理收获后土壤碱解氮含量较播前分别增加 10.93%和129.75%；T3和T4处理比播前分别降低了8.94%和7.59%。在30～60 cm和60～100 cm土层，T1处理收获后土壤碱解氮含量均表现最高；与播前比， T4处理收获后两个土层土壤碱解氮含量，分别降低了49.25%和63.55%。

2.1.2 不同前茬作物对土壤速效磷含量的影响

从图1B可以看出，与播前相比，除T3处理(0～15 cm土层)外，其他前茬处理收获后在0～100 cm中土壤速效磷含量均不同程度增加。在 0～15 cm土层，T4处理收获后土壤速效磷含量最高，与播前相比增加幅度最大，也为37.26%；T3处理土壤速效磷含量降低了1.51%。在15～30 cm土层，T2处理收获后土壤速效磷含量最高；与播前相比，不同前茬处理收获后土壤速效磷含量均有所增加，增加幅度大小表现为T2>T1>T4>T3，其中，T2处理增加了43.93%。在 30～60 cm土层，不同前茬处理中，T4处理收获后增加幅度最大，为16.36%；T2处理增加幅度最小，为0.71%。在60～100 cm土层，各个处理收获后土壤速效磷含量变化相对较小，且各个处理间在播前和收获后的变化量相近。

2.1.3 不同前茬作物对土壤速效钾含量的影响

从图1C可知，与播前相比，不同前茬处理收获后土壤速效钾含量均不同程度增加。在0～15 cm土层，T3处理收获后土壤速效钾含量最高；不同处理间土壤速效钾增加幅度大小为T2>T3>T4>T1，其中T2处理增加了 116.17%。在15～30 cm土层，T1处理收获后土壤速效钾含量最高，但与播前相比，T2处理土壤速效钾含量增加幅度最大，为91.37%。在30～60 cm土层，与播前相比，T1处理收获后土壤速效钾含量变化量最大，增加了87.5%。在60～100 cm土层，收获后不同处理土壤速效钾含量均有所增加，其中T1处理增加幅度最小，为14.82%，而T2处理增加幅度最大，为119.61%。

2.1.4 不同前茬作物对土壤有机质含量的影响

从图1D可以看出，与播前相比，不同前茬处理收获后土壤有机质含量均有所增加。在0～15 cm土层，T4处理收获后土壤有机质含量增加幅度最大，为48.17%。在15～30 cm土层，T2处理收获后土壤有机质含量最高，但与播前相比，仅增加了15.68%；而T4处理增加幅度最大，为33.31%。在30～60 cm土层，T1、T2和T3处理收获后土壤有机质含量差异不显著，但均与T4处理间差异显著；与播前相比，T4处理收获后土壤有机质含量增加幅度最小，为15.4%，其他处理增加幅度均超过40%。在60～100 cm土层，与播前相比，不同前茬处理土壤有机质含量均有所增加。

图柱上不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.2 不同前茬作物对小麦产量及产量构成因子的影响

从表1可以看出，不同前茬作物对小麦产量的影响达到显著水平。不同前茬处理间小麦群体数和穗粒数均差异不显著；小穗数在T2处理下最大，与T1、T3处理差异均不显著，但与T4处理差异显著，且T4处理的小穗数比T2处理减少16.30%；千粒重在T1处理下最大，与T2、T4处理差异均不显著，但与T3处理差异显著，T2与T3处理差异也不显著。不同前茬对产量的影响不同，表现为T1>T3>T2>T4，其中，产量在T1和T3处理间差异不显著，T4处理的小麦产量比T1处理降低27.62%。

2.3 不同前茬作物对小麦籽粒养分积累和品质的影响

从表2可以看出，不同前茬作物对小麦籽粒氮、磷、钾元素积累量的影响均达到了极显著水平。总体来看，不同处理下小麦对氮的吸收积累量远高于对磷和钾的积累量。不同处理下小麦籽粒氮素积累量大小表现为T1>T3>T4>T2，其中，T1处理与其他处理间均差异显著，T2和T4处理间差异不显著，T1处理下小麦籽粒氮素积累量分别比T2和T4处理分别增加30.42%和 27.11%；不同处理下小麦籽粒磷素积累量大小表现为T3>T1>T2>T4，四个处理间均达到了显著水平；不同处理下小麦籽粒钾素积累量大小表现为T1>T3>T2>T4，其中，T1处理与其他处理间均差异显著，T2和T4处理间差异不显著。不同前茬作物对小麦籽粒干基蛋白、湿面筋、干基淀粉含量和出粉率的影响也达到了极显著水平，但对小麦籽粒容重影响不显著，不同处理间品质性状差异不同。T3处理的小麦籽粒干基蛋白含量均显著高于其他处理，达到强筋小麦国家标准(蛋白含量≥14%)[18]；T1、T3处理的小麦籽粒湿面筋含量与T2和T4处理间差异显著，且T1与T3处理间差异显著，T2与T4处理间差异不显著，T3处理的小麦湿面筋含量显著高于其他处理；T2处理下小麦干基淀粉含量最高，且与T1、T4处理间差异均不显著，与T3处理间差异显著；T4处理下小麦籽粒出粉率最高，且与T1、T2处理间均差异不显著，与T3处理间差异显著；不同处理间容重差异均不显著。总体来看，T3处理的干基蛋白、湿面筋含量和容重均最高，干基淀 粉含量和出粉率最低；T2处理干基淀粉含量 最高。

表1 不同前茬作物对小麦产量和产量构成因子的影响

2.4 小麦籽粒氮磷钾积累量与籽粒品质的相关性分析

相关性分析结果(表3)表明，小麦籽粒产量与籽粒中氮和钾积累量之间呈极显著正相关，与籽粒中磷积累量和湿面筋含量呈显著正相关，表明小麦籽粒对氮、磷、钾元素的吸收能够提高籽粒的产量；小麦籽粒中氮积累量与磷积累量呈显著正相关，与钾积累量极显著正相关，说明小麦籽粒中氮、磷、钾之间具有较强的相关性。小麦籽粒中氮积累量与磷积累量、干基蛋白和湿面筋含量均呈显著正相关，与钾积累量呈极显著正相关；小麦籽粒中磷积累量与干基蛋白含量呈显著正相关，与湿面筋含量呈极显著正相关，与干基淀粉含量呈显著负相关，与出粉率呈极显著负相关；小麦籽粒中钾积累量与湿面筋含量呈显著正相关，说明小麦籽粒中氮、磷、钾能够显著影响小麦籽粒部分品质指标。

表2 不同前茬作物对小麦籽粒元素积累量和品质性状的影响

表3 小麦籽粒产量、养分积累量及品质性状的相关性分析

3 讨 论

3.1 不同前茬作物对土壤养分和小麦籽粒养分的影响

不同前茬作物的生物学特征对小麦籽粒养分和土壤养分的差异较大。本研究表明，种植大豆肥料成本比玉米、花生和甘薯低，且与播前相比，大豆前茬收获后土壤碱解氮含量最高，这可能与豆科作物的生物固氮作用有关。大豆氮素来源主要是根瘤菌固氮作用，其次是吸收土壤氮素，对肥料中氮的摄入较少[19]；同时大豆前茬土壤磷和钾均保持在一个相对较高的水平，表明大豆作为前茬有助于提高土壤中氮、磷、钾养分含量[20-21]。花生根部根瘤菌的固氮作用，对施肥较为敏感，外源性肥料会显著抑制花生根部根瘤菌的固氮作用[22]。本研究表明，花生前茬收获后，土壤碱解氮含量与播前基本保持平衡，表明花生的固氮作用远不能满足自身需求，还需从土壤中和肥料中摄入一部分氮；同时花生对磷的需求量较大，本研究中施入的磷基本满足花生的需求，所以花生前茬收获后，土壤速效磷的含量较播前基本保持平衡。甘薯前期生长对氮的需求较大[23]，这是造成甘薯前茬收获后深层土壤碱解氮含量低于播前的原因；不同前茬作物有机质含量的增加与上茬小麦的秸秆还田有关，甘薯的高密度覆盖，更有利于土壤中秸秆的腐熟，从而增加土壤中的有机质，所以甘薯前茬收获后，耕作层土壤有机质相较于播前增加幅度最大。

小麦籽粒氮磷钾积累量的影响因素较多。有研究发现，不同的耕作方式和有机物料的还田会造成小麦籽粒氮积累量的差异[24]；王 蓉等[25]研究发现，施氮量在90～270 kg·hm-2之间时，均能够有效促进油葵对氮、磷、钾养分的吸收积累。本研究发现，不同前茬作物能够显著影响后茬小麦籽粒养分的积累，其中，玉米前茬能够有效的促进小麦籽粒氮素和钾素的积累，花生前茬能够有效促进小麦籽粒磷素的积累，但前茬作物对小麦籽粒养分积累的影响并不是仅仅通过影响土壤养分产生作用。本研究中大豆前茬收获后土壤养分含量较高，但后茬小麦籽粒养分积累量并不突出，说明土壤养分对小麦籽粒养分积累较为复杂，并不是单一的促进作用，这与赵俊晔等[26]的研究结果一致。

3.2 不同前茬作物对小麦籽粒产量和品质性状的影响

不同前茬作物对小麦籽粒品质具有显著影响，李 筠等[27]研究发现，旱茬与稻茬的小麦籽粒蛋白质含量和湿面筋含量均差异显著；崔欢虎等[28]研究表明，小麦千粒重、容重、蛋白质含量、沉降值和湿面筋含量等品质性状在大豆、玉米和油葵茬口间存在差异,其中以大豆茬口表现最佳。本研究表明，花生前茬能够有效地提高后茬小麦籽粒干基蛋白含量、湿面筋含量和容重，大豆前茬能够提高后茬小麦籽粒的干基淀粉含量，甘薯前茬能够提高后茬小麦的出粉率，表明不同前茬对后茬小麦品质的影响机制不同。不同前茬作物还能通过影响小麦播期对后茬小麦产量和籽粒品质造成影响，甘薯前茬生育期长，推迟了小麦播期，可能是造成小麦产量和籽粒品质差异的原因之一。相关分析表明，小麦产量与小麦籽粒中氮积累量和钾积累量极显著正相关，与磷积累量显著正相关，表明籽粒氮、磷、钾的积累有利于提高小麦产量，这与刘 璐等[29]的研究结果一致。小麦籽粒中氮、磷、钾积累量与干基蛋白含量、湿面筋含量和容重均存在不同程度的正相关，说明小麦籽粒中氮、磷、钾积累量的提高有助于提升小麦籽粒中干基蛋白和湿面筋含量，从而增加小麦容重；而小麦籽粒中氮、磷、钾积累量与干基淀粉含量和出粉率均呈负相关，表明小麦籽粒氮、磷、钾在一定范围内的积累会造成小麦籽粒中干基淀粉含量减少，出粉率降低。

总之，玉米前茬肥料投入较大，后茬小麦产量较高，但对后茬小麦品质的调节效果不明显；大豆前茬肥料投入少，土壤养分含量有较大提高，有利于后茬小麦的生长，同时该茬口能够提高小麦籽粒品质质量，但小麦产量相对较低；花生前茬土壤养分较为均衡，能够显著提高后茬小麦品质质量，且小麦产量较大豆和甘薯前茬处理下高；甘薯前茬处理下土壤养分没有明显变化，但能提高后茬小麦的出粉率。所以，该地区适宜选择花生作为前茬作物进行种植。