华北平原不同前茬作物在磷匮乏下对土壤养分和小麦产量的影响

邵 云，马玥莹，侯 盟，杨俊华，马冠群

(河南师范大学 生命科学学院，河南 新乡 453007)

小麦是我国主要的粮食作物之一，其总产量和种植面积约占我国粮食作物总产量和面积的1/5和1/4。华北平原是我国重要的农业主产区，耕地面积占全国23%[1]，主要采用一年两熟制的种植模式，冬季以小麦、油菜为主，其中小麦种植面积为22 711 hm2，占绝对主导地位；夏播作物主要有玉米、大豆、花生和甘薯等，主要耕种面积达26 172 hm2[2]。磷素是小麦生产所必需的大量元素之一[3]。目前，我国已经成为世界上最大的磷肥生产国和消费国[4-6]。有研究表明，当前我国农田耕地的磷盈余量为0.029 t/hm2[7]，由于磷资源的不可再生性，磷资源的耗竭日益成为我国面临的严峻挑战[6，8]。适量施磷能提高作物产量和品质，提高作物水分利用率，但过量施磷却无显著的效果，反而会造成磷资源的浪费，同时也会造成生态环境的污染[9-11]。有研究表明，施磷不足50 kg/hm2或高于150 kg/hm2时，小麦生长和产量均会受到抑制[12]。华北地区磷肥施用量最高达273.8 kg/hm2，且在供磷能力较强的土壤中，施磷的增产效果并不佳，磷肥利用率也会降低，磷肥施用过量是导致我国主要粮食作物磷肥利用效率低的重要原因之一[13-15]。有研究表明，磷肥当季利用率只有10%～25%[16-17]，由于作物的当季磷肥利用率低，因此，磷肥施用量普遍高于作物吸磷量[18-19]。基于以上矛盾，利用不同作物对磷素吸收利用效率不同的特性，选择适宜该区域的作物搭配种植模式，对保持土壤养分平衡，减少磷肥投入和环境污染，维持作物高产优质的生产能力具有显著的意义。为此，本研究以华北平原南部两熟作物的搭配为研究对象，探究在常规施肥和不施磷肥2个磷水平下玉米、大豆和花生3种前茬作物收获后的土壤养分含量及对冬小麦籽粒产量和养分累积量影响的差异，旨在为提高华北平原作物养分利用率、合理搭配两熟作物提供一些理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验从2019年6月至2021年6月于河南省获嘉县东彰仪村(35°27′N，113°65′E)进行。该试验地前期为玉米-小麦复种模式，土壤质地为潮土，灌溉条件为井灌，2019年夏播作物播前基础土壤养分含量：全磷0.96 g/kg，速效磷7.96 mg/kg，硝态氮18.40 mg/kg，氨态氮13.98 mg/kg。

1.2 试验设计

试验种植模式为一年两熟种植模式，供试品种夏播作物玉米为郑单958，大豆为驻豆19，花生为罗汉果，冬季小麦均选用新麦26。采用二因素设计进行连续2 a的试验，一个因素为不同复种模式，分别为玉米-小麦、大豆-小麦和花生-小麦；另一个因素为不同磷肥水平，即不施磷肥和常规施肥。不施磷肥处理的玉米-小麦记为M-P、大豆-小麦记为S-P、花生-小麦记为P-P，常规施肥处理则分别记为MCK、SCK和PCK。每个处理小区面积均为133 m2(14.0 m×9.5 m)，3次重复。田间管理情况见表1。

表1 田间管理措施Tab.1 Field management measures

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤养分指标的测定 于2020年10月夏播作物收获时采用五点取样法在各个小区中分别采集0～15，15～30，30～60，60～100 cm的土壤样品，土样过2 mm筛，测定土壤硝态氮、铵态氮含量；剩余土样自然风干，过0.25 mm筛，测定土壤速效磷及全磷含量。测定方法如下：使用连续流动分析仪(AA3，德国SEAL Analytical公司)测定土壤全磷含量；采用NaHCO3浸提-钼锑抗吸光光度法测定土壤速效磷含量；采用2 mol/L KCl浸提法，通过紫外可见分光光度计(UV-2600)测定硝态氮和铵态氮含量。

1.3.2 小麦植株生物产量、籽粒产量和养分含量的测定 于2021年6月1日小麦成熟期，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，并随机采集30穗小麦进行室内考种，调查其小穗数、穗粒数和千粒质量等指标；同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，105 ℃杀青0.5 h，85 ℃烘干至恒质量，测定小麦单株干物质量，籽粒中氮、磷含量测定方法均与土壤全磷测定方法一致。

1.4 参数计算方法

籽粒氮累积量(Grain Nitrogen Accumulation，GNA，kg/hm2)=籽粒氮含量(g/kg)×产量(kg/hm2)/1 000；籽粒磷累积量(Grain Phosphorus Accumulation，GPA，kg/hm2)=籽粒磷含量(g/kg)×产量(kg/hm2)/1 000；氮肥偏生产力(Partial factor productivity from applied N，PFPN，kg/kg)=施氮区小麦籽粒产量(kg/hm2)/施氮量(kg/hm2)；磷肥偏生产力(Partial factor productivity from applied P，PFPP，kg/kg)=施磷区小麦籽粒产量(kg/hm2)/施磷量(kg/hm2)。

1.5 数据处理

采用Excel、Graph Pad等软件进行数据处理和作图，用SPSS 21.0软件进行统计分析，用Duncan′s法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同前茬作物及施磷处理对土壤养分的影响

2.1.1 土壤全磷含量的变化 由图1可知，3种前茬下土壤全磷含量在垂直方向上随土层增加呈现先低后高的趋势，0～15 cm土层的土壤全磷含量高于其他土层。不同处理下的土壤全磷含量在不同土层间的变化有一定差异，除不施磷肥处理下15～30 cm土层中3种前茬作物土壤全磷含量差异不显著外，2个磷水平下土壤全磷含量在4个土层中均表现为大豆前茬处理显著高于花生和玉米前茬(P<0.05)，其中以0～15 cm土层SCK处理最高，达1.35 g/kg。在0～15 cm土层，常规施肥下3种前茬土壤全磷含量表现为SCK>MCK>PCK，土壤全磷含量变化范围为0.87～1.35 g/kg；不施磷肥处理全磷含量表现为S-P>P-P>M-P，变化范围为0.86～0.91 g/kg；且在花生前茬下常规施肥与不施磷肥的土壤全磷含量差异不显著，玉米和大豆前茬下常规施肥与不施磷肥存在显著差异(P<0.05)。在15～30 cm土层，常规施肥下3种前茬作物收获后土壤全磷含量表现为SCK>PCK>MCK，不施磷肥下土壤全磷含量表现为S-P>M-P>P-P，且在不施磷肥处理下3个前茬之间差异均不显著，但大豆和花生前茬常规施肥显著高于不施磷肥下的土壤全磷含量(P<0.05)。在30～60 cm土层，3种前茬下的土壤全磷含量在2个磷水平之间均有显著差异(P<0.05)。60～100 cm土层，2个磷水平下土壤全磷含量在不同前茬下均表现为大豆>花生>玉米，且玉米和花生前茬常规施肥与不施磷肥处理间无显著差异。

图柱上不同小写字母表示同一土层同一磷水平下不同前茬处理间差异显著(P<0.05)。图2—4同。

经二因素方差分析(表2)，不同前茬作物、磷肥水平及二者的交互作用对不同土层的土壤全磷含量影响均达到极显著水平(P<0.01)。整体来看，不施磷肥处理的花生前茬和玉米前茬土壤全磷含量较常规施肥处理降幅不大，而大豆前茬各层土壤全磷含量降幅都较大。

2.1.2 土壤速效磷含量的变化 由图2可知，土壤速效磷含量在0～60 cm垂直方向上均呈现随土层深度的增加而降低的趋势。不同磷肥水平下不同前茬作物土壤速效磷含量在不同土层间表现不同。在0～15 cm土层，常规施肥下3种前茬土壤速效磷含量表现为MCK>SCK>PCK，土壤速效磷含量变化范围为10.98～15.03 mg/kg；不施磷肥下表现为P-P>S-P>M-P，土壤速效磷含量变化范围为9.54～12.15 mg/kg；在玉米和大豆前茬下常规施肥与不施磷肥的土壤速效磷含量存在显著差异(P<0.05)，在花生前茬中表现为P-P>PCK，但二者差异不显著。在15～30 cm土层，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个磷水平下土壤速效磷含量在不同前茬中均表现为花生>玉米>大豆，且在花生前茬常规施肥下的土壤速效磷含量显著高于不施磷肥处理(P<0.05)。30～60 cm和60～100 cm土层，土壤速效磷均表现为PCK处理最高，在花生和大豆前茬下常规施肥和不施磷肥差异显著(P<0.05)，30～60 cm中玉米前茬在2个磷水平下差异不显著。从整体看，在不施磷肥处理下花生前茬土壤速效磷含量较高，但在60～100 cm处又低于玉米和大豆前茬。

表2 不同处理下土壤养分含量的方差分析(F值)Tab.2 ANOVA of soil total phosphorus concentration under different treatments(F value)

图2 不同处理下土壤速效磷含量Fig.2 The concentration of available phosphorus in soil under different treatments

经二因素方差分析(表2)，磷肥水平对前2层土壤速效磷含量的影响达到极显著水平(P<0.01)，但对后2层土壤速效磷含量的影响未达显著水平，不同前茬作物及两者的交互作用对不同土层土壤速效磷含量的影响均达到极显著水平(P<0.01)。整体来看，常规施肥处理下，花生前茬表层土壤(0～15 cm)速效磷含量较低，而表层以下土层的土壤速效磷含量均最高；玉米前茬表层土壤速效磷最高，表层以下的土层含量迅速下降；大豆表层速效磷含量居中，但后3层土层中土壤速效磷含量最低。不施磷肥处理下，花生前茬在前3层土壤中速效磷含量均高于其他2个前茬，且与常规施肥下的速效磷含量相比总体未见显著下降；玉米前茬下土壤速效磷含量较常规施肥处理下降幅度明显；大豆前茬表层土壤速效磷含量降幅较大。

2.1.3 土壤硝态氮含量的变化 由图3可知，不同处理下土壤硝态氮含量有一定差异。玉米和大豆前茬土壤硝态氮含量在垂直方向上均呈现随土层深度的增加而降低的趋势，而花生前茬处理在15～30 cm土层土壤硝态氮有明显升高的趋势，之后下降迅速，常规施肥处理60～100 cm土层最低，但在不施磷肥处理下60～100 cm土层有最大值。在0～15 cm土层，2个磷水平下土壤硝态氮含量大小在不同前茬下均表现为大豆>玉米>花生，SCK处理土壤硝态氮含量最高(21.65 mg/kg)，与S-P差异不显著，P-P处理土壤硝态氮含量最低(4.73 mg/kg)，与PCK差异不显著。在15～30 cm土层，M-P处理土壤硝态氮含量最高，与常规施肥处理MCK差异不显著；常规施肥下3种前茬土壤硝态氮含量表现为MCK>PCK>SCK，不施磷肥处理为M-P>S-P>P-P，且花生前茬下常规施肥的土壤硝态氮含量显著高于不施磷肥处理(P<0.05)。在30～60 cm土层，2个磷水平下土壤硝态氮含量在不同前茬中均表现为玉米>大豆>花生，大豆和花生前茬中常规施肥处理的土壤硝态氮与不施磷肥处理差异不显著。在60～100 cm土层，P-P处理土壤硝态氮含量最高(6.89 mg/kg)，显著高于PCK(P<0.05)，玉米和大豆前茬下常规施肥与不施磷肥的土壤硝态氮差异不显著。

图3 不同处理下土壤硝态氮含量Fig.3 The concentration of nitrate nitrogen in soil under different treatments

经二因素方差分析(表2)，不同前茬作物对前3层土壤硝态氮含量的影响达到极显著水平(P<0.01)，对60～100 cm的影响达显著水平(P<0.05)；磷肥水平对0～15 cm土壤硝态氮含量的影响达显著水平(P<0.05)，对60～100 cm的影响达到极显著水平(P<0.01)；前茬作物、磷肥水平二者的交互作用对0～15 cm，15～30 cm，60～100 cm土壤硝态氮含量的影响均达极显著水平(P<0.01)。

2.1.4 土壤铵态氮含量的变化 由图4可知，铵态氮含量在土壤垂直方向上表现为先降低后略微升高。在0～15 cm土层，SCK处理土壤铵态氮含量最高(9.97 mg/kg)，3种前茬作物在常规施肥与不施磷肥处理下土壤铵态氮含量均表现为大豆>花生>玉米，玉米前茬下2个磷水平之间的土壤铵态氮含量差异不显著。在15～30 cm土层，3种前茬作物在常规施肥与不施磷肥处理下土壤铵态氮含量均表现为大豆>玉米>花生，SCK处理土壤铵态氮含量最高(8.89 mg/kg)，与S-P差异不显著。在30～60 cm和60～100 cm土层，2个磷水平下土壤铵态氮含量在不同前茬中均表现为大豆>玉米>花生，土壤铵态氮含量均表现为SCK最高，均显著高于S-P处理(P<0.05)。

图4 不同处理下土壤铵态氮含量Fig.4 The concentration of ammonium nitrogen in soil under different treatments

经二因素方差分析(表2)，不同前茬作物及其与磷肥水平的交互作用对不同土层土壤铵态氮含量的影响均达极显著水平(P<0.01)，磷肥水平对0～15 cm，15～30 cm，60～100 cm土壤铵态氮含量的影响达极显著水平(P<0.01)，对30～60 cm土壤铵态氮含量的影响达到显著水平(P<0.05)。从整体来看，土壤铵态氮含量在常规施肥和不施磷肥处理下均表现为大豆前茬最高。

2.2 不同前茬作物及施磷处理对小麦产量及养分利用的影响

2.2.1 小麦产量及产量构成因素的变化 由表3可以看出，不同处理的小麦产量及产量构成因素存在差异。常规施肥处理下不同前茬的小麦穗数差异不显著，不施磷肥处理下玉米和花生前茬的小麦穗数显著高于大豆前茬(P<0.05)；小穗数在MCK处理下最大，常规施肥处理下3种前茬处理间均有显著差异(P<0.05)，而在不施磷肥处理下玉米前茬的小麦小穗数显著低于大豆和花生前茬(P<0.05)，在花生前茬处理下2个磷肥水平之间小麦小穗数差异不显著；穗粒数在PCK处理下最大，不施磷肥下的玉米、花生和大豆前茬小麦穗粒数差异不显著，且与常规施肥下相应的3种前茬差异均不显著；千粒质量在PCK处理下最大，2个磷水平在不同前茬下小麦千粒质量均表现为花生>玉米>大豆，其中不施磷肥处理下P-P的千粒质量比M-P、S-P处理增加0.60%，2.18%，表明在磷肥匮乏下花生前茬更有利于提高小麦穗粒数和千粒质量；不同处理下小麦生物产量有所不同，2个磷水平下小麦生物产量大小在不同前茬中均表现为大豆>花生>玉米，S-P的小麦生物产量最大(50.70 g/株)，但与SCK差异不显著，MCK的小麦生物产量最小(41.90 g/株)；不同处理对小麦产量的影响不同，其中，不施磷肥下以花生为前茬的小麦产量显著高于玉米和大豆前茬(P<0.05)，且P-P与PCK二者不存在显著差异，表明在花生前茬下减施磷肥依旧可以得到可观的产量。

表3 不同处理下小麦产量及产量构成因素Tab.3 Yield and yield components of wheat under different treatments(mean±s)

经方差分析(表3)可知，前茬作物对小麦小穗数、千粒质量、生物产量和小麦籽粒产量的影响达到极显著水平(P<0.01)，对穗粒数的影响达显著水平(P<0.05)，对穗数没有显著影响；磷肥水平对穗数、小穗数、千粒质量和小麦籽粒产量的影响达到极显著水平(P<0.01)，对穗粒数和生物产量没有显著影响；前茬作物、磷肥水平二者的交互作用仅对小穗数的影响达到极显著水平(P<0.01)，对千粒质量的影响达到显著水平(P<0.05)。

总的来说，对后茬小麦而言，小麦千粒质量和产量在不施磷肥下均表现为花生前茬处理较高，分别较玉米前茬处理提高0.60%，6.19%，较大豆前茬处理提高2.18%，7.30%。花生前茬处理的小麦在不施磷肥处理下穗粒数稳定，千粒质量较高，从而产量较高；大豆前茬处理的小麦虽然生物产量高，但因千粒质量低，故而产量不高。在磷匮乏下，籽粒产量下降原因主要是产量构成三因素中的穗数和千粒质量下降，花生前茬处理的小麦因维持较高的千粒质量，所以产量降幅较小，而大豆前茬下的小麦虽有较大的生物产量，但千粒质量小，所以产量下降幅度较大。

2.2.2 小麦籽粒养分累积及利用的变化 不同处理下小麦籽粒的养分累积量差异如表4所示。小麦籽粒氮累积量在2个磷水平的不同前茬处理下均表现为花生>玉米>大豆。在不施磷肥处理下P-P的小麦籽粒氮累积量较M-P、S-P分别提高了15.46%，17.66%；常规施肥下3种前茬处理之间的小麦籽粒磷累积量差异不显著，在不施磷肥处理下P-P的小麦籽粒磷累积量较S-P、M-P分别提高了13.40%，18.11%。花生前茬有利于氮、磷在小麦籽粒中累积，不施磷肥处理与常规施肥处理的累积量相当，差异不显著。方差分析结果表明，不同前茬作物对小麦籽粒氮、磷累积量均有极显著影响(P<0.01)。小麦对养分的吸收与利用情况也不同，不同前茬作物下氮肥偏生产力在常规施肥3种前茬作物下均无显著差异；在不施磷肥下，花生前茬的氮肥偏生产力显著高于玉米和大豆前茬(P<0.05)，且PCK与P-P之间差异不显著。常规施肥下磷肥偏生产力表现为玉米>花生>大豆，差异不显著。经方差分析可知，仅氮肥偏生产力在常规施肥与不施磷肥之间差异显著(P<0.05)。综上所述，对后茬小麦而言，小麦籽粒氮、磷累积量和氮肥偏生产力在不施磷肥下均表现为花生前茬处理较高，分别较玉米前茬处理提高15.46%，18.11%和6.21%，较大豆前茬处理提高17.66%，13.40%和7.30%。在不施磷肥处理下，以花生为前茬更有利于促进小麦籽粒氮、磷的累积。

表4 不同处理下小麦籽粒养分累积与利用情况Tab.4 Nutrient accumulation and utilization of wheat under different treatments(mean±s)

3 结论与讨论

3.1 不同前茬作物对土壤养分含量的影响

本研究发现，不同的前茬作物和磷肥处理对土壤养分的影响较为明显。大豆前茬处理的土壤无机氮(硝态氮+铵态氮)含量比玉米和花生前茬高，这是由于大豆本身根际有固氮能力，使土壤氮含量增加。玉米具有庞大的根系系统，季青等[20]、张辉等[21]、夏玄等[22]研究表明，主根系约有40 cm长，对耕层土壤中的水分及养分利用充分，且对养分的需求较多，从而导致对下茬作物养分供给减少。本研究在不施磷肥处理下，玉米前茬土壤中的速效磷含量与花生和大豆前茬相比较低。由此推断，若在不给予土壤足量磷素的情况下前茬作物种植玉米不利于为后茬小麦提供土壤磷素。

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，随着施磷量增加土壤中可利用的速效磷含量会增加，但随着施磷量的不断增加，可利用的磷含量又逐渐变低，呈现先增加后降低的趋势。本研究中，大豆前茬常规施肥下土壤全磷含量最高，但速效磷含量却较低，且在常规施磷下花生前茬表层土壤(0～15 cm)速效磷含量略低于不施磷肥处理，说明增施磷并不一定会提高土壤可利用的速效磷含量。

3.2 不同前茬作物对小麦肥料偏生产力及其产量的影响

2001—2005年，我国小麦氮、磷肥偏生产力分别为43.0，63.7 kg/kg左右[18]。本研究中，小麦氮肥偏生产力为30.29～33.49 kg/kg，磷肥偏生产力为51.08～53.58 kg/kg，说明研究区的小麦肥料偏生产力低于2005年之前全国平均水平。本研究中，常规施肥与不施磷肥处理对氮肥偏生产力的影响达到显著水平(F=21.08*)；不同前茬作物对二者的影响没有达到显著水平。单旭东等[27]、张少民等[28]、刘建玲等[29]研究发现，磷肥能提高冬小麦的穗粒数和千粒质量，从而提高小麦产量，但磷肥施用超过一定范围后，会导致产量下降。邢丹等[30]研究表明，施磷提高了小麦穗数和穗粒数，籽粒产量增大，但超过一定阈值后千粒质量会降低。史燕捷等[26]研究发现，在磷肥减量处理条件下，穗粒数和千粒质量差异均未达到显著水平。本研究中，不施磷肥下小麦穗粒数与常规施肥差异不显著，这与史燕捷[26]的研究结果相似。李春喜等[31]研究表明，花生前茬下的小麦籽粒干基蛋白质含量和磷积累量均显著高于其他前茬，与本研究中花生前茬的穗粒数和产量高于玉米和大豆前茬较一致。

3.3 不同前茬土壤养分与小麦产量及养分累积量的相关性

本研究表明，3种前茬下以花生为前茬种植小麦最有利于提高小麦籽粒氮磷累积量。刘璐等[32]研究表明，氮吸收量与籽粒产量呈显著正相关关系，但马小龙等[33]研究结果显示，小麦籽粒氮、磷需求量与产量之间存在负相关关系，作物对磷的吸收利用相对稳定，因此籽粒的磷含量也相对稳定。说明小麦籽粒中氮磷元素累积量及籽粒产量之间具有较强的相关性。

玉米对土壤中养分需求和利用较多，本研究结果显示，在常规施肥下，玉米前茬的小麦产量达到最高；大豆前茬对土壤中的无机氮有调节作用，但在2种磷水平下大豆前茬的小麦产量与玉米和花生前茬相比均较少；花生前茬土壤养分较为均衡，在不施磷肥情况下，小麦产量较玉米和大豆前茬处理高。综上，在不施磷肥的条件下，采用以花生为前茬种植冬小麦更有利于调节土壤养分平衡，能得到可观的小麦籽粒氮磷累积量和穗粒数，从而维持较高产量，其次是玉米前茬。因此，在低磷水平下，选择花生作为小麦前茬作物是华北平原南部两熟区作物搭配的较优模式。