不同轮作模式对黄淮平原潮土区土壤养分及作物产量的影响

李 洋，石 柯，朱长伟，姜桂英，罗 澜，孟威威，申凤敏，刘 芳，魏芳芳，刘世亮

(1.河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002；2.河南省气象服务中心，郑州 450003)

小麦和玉米是我国主要的粮食作物，但这2种作物均是耗水耗肥的作物，对于资源浪费严重，尤其对于水肥的消耗量占比极大。而豆科作物本身可以固氮，可以减少氮肥的投入，另外豆科作物也耐旱，可以减少灌溉水的投入。因此，豆科作物与禾本科作物轮作是一种可以节本增效的轮作模式。符小文等利用改变轮作方式减少氮肥投入；陈昱利等利用豆科作物的固氮作用与小麦轮作来提高土壤氮素养分，减少化肥的施入，提高小麦产量。因此，研究小麦与豆科作物轮作来提高土壤速效养分以及产量具有重要意义。周春来研究表明，在0—20 cm耕层，豆科作物与麦类作物3年轮作后土壤速效氮和有效磷含量与3年前保持一致，这表明土壤速效氮和有效磷在土壤中有所提高，与豆科作物轮作有一定关系，豆科作物对于提高土壤肥力有一定作用。Feiziene等研究发现，0—20 cm土层，通过谷类作物与豆科作物轮作，提高土壤氮素及钾素的供应；李军贤研究表明，在半干旱地区，小麦—豆科作物轮作体系中，耕层的速效氮含量会增加，并且豆科作物收获后，碎屑和腐烂作物的根释放出有机氮化物，供下一季的植物吸收，也提高耕层土壤速效养分含量；严君等研究表明，玉米—大豆—小麦轮作处理的根瘤菌丰度最高，大豆与小麦轮作的种植制度，能提高土壤肥力，起到增产作用；Tamm等和杨宁等研究表明，豆科作物前茬对于后季作物小麦有增产效果。此外，Zhao等研究发现，轮作具有较高的产量效益，豆科作物与小麦轮作的增产幅度比无豆科作物与小麦的轮作高14.0%；Ma等试验表明，与200 kg/hmN的施氮量下禾本科连续种植体系相比，100 kg/hmN的施氮量禾本科作物与豆类作物轮作也可以保持较高产量；Gan等研究指出，与小麦—免种轮作方式相比，多年的小麦—豆科作物轮作模式下，可以提高小麦籽粒产量和氮肥利用率。前人对豆科作物轮作体系下，土壤速效养分和后茬小麦产量已有大量研究，但多集中对耕层养分的研究，对不同土层养分变化及该体系下速效养分与产量和品质之间关系，鲜见报道。本研究通过在豫北潮土区3年的大田试验，探究小麦与豆科作物轮作模式下不同土层土壤养分变化特征及对作物产量和品质的影响，为该区域合理的农业轮种模式提出理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验地概况见石柯等，2016年10月至2019年10月的逐月气温和降水量见图1。

图1 2016-2019年月均气温和月降水量

1.2 试验设计

试验开展于2016年10月至2020年10月，试验设5个轮作处理：(1)连续小麦—玉米(WM-WM-WM)；(2)1周期小麦—玉米+1周期小麦—大豆(WM-WS-WM)；(3)1周期小麦—玉米+1周期小麦—夏花生(WM-WP-WM)；(4)连续小麦—夏花生(WP-WP-WP)；(5)连续小麦—大豆(WS-WS-WS)。试验采用随机区组排列，每个处理设3个重复，小区面积为68.75 m(12.5 m×5.5 m)。小麦季氮素按基追比7∶3施用，每年3月15日左右进行追肥；磷肥与钾肥作为基肥一次性施用；秋季作物施肥因作物类型不同施用量具体见表1。小麦每年10月13日左右播种，播种前玉米秸秆粉碎后还田，大豆和夏花生秸秆不还田，耕作均采用旋耕，深度为13～15 cm。秋季作物每年6月10日左右播种，玉米采用免耕铁茬播种，种肥同播；夏花生和大豆采用人工播种和施肥。各小区田间管理措施，例如除草、防病虫害、灌水等措施均保持一致。各作物播量及施肥量见表1。

表1 不同作物播种量和施肥量

1.3 样品采集与测定

在2017年10月至2019年10月，玉米等秋季作物收获期，利用五点取样法取土，分别采取0—30 cm土壤样品，每10 cm取1个样，去除植物根系和坚硬石块，风干，过0.85，0.25 mm筛，测定土壤速效氮、磷、钾。铵态氮、硝态氮、碱解氮、有效磷和速效钾测定具体测定方法见鲍士旦的《土壤农化分析法》。小麦籽粒蛋白质采用近红外光谱测定。

于2018—2020年小麦收获期，各小区选择生长一致的小麦个体，分别取3个重复测产，每个重复取1 m的小麦，随机选择10穗小麦计算亩穗数、穗粒数和千粒重。

产量(kg/hm)=穗粒数(粒)×千粒重(g)×公顷穗数(×10/hm)

小麦成熟期生物量=产量(kg/hm)/收获指数(HI)

地上部氮素吸收量(kg/hm)=籽粒生物量(kg/hm)×籽粒全氮含量(g/kg)/1000+秸秆生物量(kg/hm)×秸秆全氮含量(g/kg)/1000

氮收获指数(NHI)=籽粒生物量(kg/hm)×籽粒全氮含量(g/kg)/地上部氮素吸收量×100

收获指数(HI)=籽粒产量/地上部总干物质重

1.4 数据处理与分析

数据的计算和统计分析采用SPSS 25.0、Microsoft Office 2010软件，数据处理和绘图使用Origin 2018软件，处理间差异显著性利用单因素方差分析LSD法检验，显著性差异水平为≤0.05；处理间和土层间的交互效应采用双因素方差分析比较，显著性差异水平为≤0.05和≤0.01。

2 结果与分析

2.1 不同轮作对土壤碱解氮的影响

由图2可知，0—30 cm土层中，土壤碱解氮含量在0—20 cm耕层土壤中高于20—30 cm土壤，随试验周期的增加，在不同土层各处理之间差异增加。2017年10—30 cm土层中，WS-WS-WS处理的碱解氮含量较WM-WM-WM处理显著高17.6%和26.5%；2018年0—20 cm土层中，均以WS-WS-WS处理碱解氮含量显著高于WM-WM-WM和WM-WS-WM处理；2019年各处理的碱解氮含量相较前2年略有降低。0—10 cm土层，各处理碱解氮含量显著高于WM-WS-WM处理；10—30 cm土层，WM-WP-WM土壤碱解氮含量较高，分别为69.94，32.85 mg/kg，WM-WP-WM和WP-WP-WP处理土壤碱解氮含量显著高于其他处理。整体上看，WP-WP-WP、WS-WS-WS处理明显提高土壤碱解氮含量。从双因素分析数据可知，2017年和2018年不同轮作方式和土层深度对土壤碱解氮含量有极显著影响，但交互作用不显著；2019年不同轮作方式和土层深度都使得碱解氮含量有变化，且有极强的叠加作用。表明随着种植年限的增加，豆科作物的轮作方式提高0—20 cm土层土壤碱解氮含量，即不同轮作方式和土层深度共同影响土壤碱解氮含量。

注：不同小写字母表示同一土层不同处理之间差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 不同轮作对土壤硝态氮的影响

由图3可知，0—30 cm土层中，土壤硝态氮含量各处理间差异显著，且随试验周期增加，各处理硝态氮含量均呈增加趋势。2017年，0—10 cm土层WP-WP-WP处理硝态氮含量显著高于其他处理；10—20 cm土层，WP-WP-WP和WS-WS-WS处理的硝态氮含量较高；20—30 cm土层，WS-WS-WS处理硝态氮含量显著高于其他处理。2018年，总体上，相对2017年处理间差异稍有缩小，但处理间硝态氮含量均大于WM-WM-WM处理。0—10 cm土层，其他各处理显著高于WM-WM-WM处理；10—20 cm土层，WM-WP-WM、WP-WP-WP和WS-WS-WS处理高于其他处理；20—30 cm土层，WP-WP-WP处理硝态氮含量显著高于其他处理。2019年，各处理的硝态氮含量均有增加。处理间的趋势与2018年类似，0—10 cm土层，WM-WS-WM、WM-WP-WM和WS-WS-WS处理硝态氮含量显著高于其他处理；10—20 cm土层，WM-WP-WM和WP-WP-WP处理硝态氮含量显著高于其他处理；20—30 cm土层，WP-WP-WP处理的硝态氮含量最高，为31.28 mg/kg，且显著高于其他处理。整体上看，WP-WP-WP、WS-WS-WS处理能明显提高土壤硝态氮含量。从双因素分析数据可知，2017—2019年，不同轮作方式和土层深度对土壤硝态氮含量有极显著影响，并且它们的交互作用极显著。表明随着种植年限的增加，豆科作物轮作方式提高0—30 cm土层硝态氮含量，即不同轮作方式和土层深度共同影响土壤硝态氮含量。

图3 不同处理不同土层土壤硝态氮含量

2.3 不同轮作对土壤铵态氮的影响

由图4可知，在不同轮作方式下，0—30 cm土层土壤铵态氮含量在0—20 cm耕层土壤中高于20—30 cm土壤，且随着试验周期增加，各处理在各土层差异较低。2017年，0—10 cm土层WP-WP-WP和WS-WS-WS处理铵态氮含量最高；10—20 cm土层WM-WS-WM和WM-WP-WM处理铵态氮含量显著高于其他处理；20—30 cm土层其他处理都优于WM-WM-WM处理。2018年，0—10 cm土层WM-WS-WM、WM-WP-WM和WP-WP-WP处理间铵态氮含量显著高于其他处理；10—20 cm土层各处理铵态氮含量均显著高于WM-WM-WM处理。2019年，0—10 cm土层与2017年差异相同；10—20 cm土层各处理铵态氮含量都高于WM-WP-WM处理；20—30 cm土层与2018年各处理差异相似。整体上，WP-WP-WP和WS-WS-WS处理铵态氮含量较高，说明这2种处理可明显提高土壤铵态氮含量。从双因素分析数据可知，2017—2019年，不同轮作方式和土层深度对土壤铵态氮含量有极显著影响，且它们的交互作用也极显著。表明豆科作物轮作模式提高耕层土壤铵态氮含量，即不同轮作方式和土层深度均可影响土壤铵态氮含量。

图4 不同处理不同土层土壤铵态氮含量

2.4 不同轮作对土壤有效磷的影响

由图5可知，土壤有效磷含量在0—20 cm耕层土壤中高于20—30 cm土壤，且随试验周期增加，差异更加明显。2017年，0—10 cm土层WM-WS-WM、WP-WP-WP和WS-WS-WS处理间有效磷含量均较高；10—20 cm土层各处理土壤有效磷含量均表现为高于WM-WS-WM处理；20—30 cm土层WM-WP-WM和WS-WS-WS处理有效磷含量显著高于其他处理。2018年，0—20 cm土层WM-WM-WM、WM-WP-WM和WP-WP-WP处理有效磷含量均高于其他处理。2019年，0—20 cm土层WM-WM-WM、WM-WS-WM和WP-WP-WP处理间有效磷含量均显著高于其他处理；20—30 cm土层WM-WS-WM处理土壤有效磷含量最高，达到8.02 mg/kg。整体上，WP-WP-WP处理有效磷含量最高，该处理能明显提高土壤有效磷含量。从双因素分析数据可知，2017年轮作方式对土壤有效磷含量影响不显著，土层深度及轮作方式和土层深度的交互作用极显著；2018—2019年，不同轮作方式和土层深度对土壤有效磷含量有极显著影响，并且它们的交互作用极显著。表明随着种植年限增加，豆科作物轮作模式下，表层土微生物较多提高土壤有效磷含量，而深层土则因土壤有机质和微生物较少，未提高甚至降低深层土壤有效磷含量，因此土层深度影响土壤有效磷含量。

图5 不同处理不同土层土壤有效磷含量

2.5 不同轮作对土壤速效钾的影响

由图6可知，土壤速效钾含量在0—10 cm土层中高于10—20 cm土层，且随试验周期增加，不同处理在各个土层中差异增加。2017年，0—10 cm土层WS-WS-WS处理土壤速效钾含量最高，达到170.98 mg/kg；20—30 cm土层WP-WP-WP和WS-WS-WS处理速效钾含量显著高于其他处理。2018年，0—10 cm土层WP-WP-WP处理土壤速效钾含量最高，达到172.80 mg/kg；10—20 cm土层WM-WM-WM、WM-WS-WM和WM-WP-WM处理间速效钾含量都显著高于其他处理；20—30 cm土层WM-WS-WM和WP-WP-WP处理速效钾含量高于其他处理。2019年，0—10 cm土层WM-WS-WM和WM-WP-WM处理间速效钾含量都显著高于其他处理；10—20 cm土层WM-WS-WM、WM-WP-WM和WP-WP-WP处理速效钾含量显著高于其他处理；20—30 cm土层各处理均显著高于WM-WM-WM处理。整体上，WM-WP-WM和WP-WP-WP处理速效钾含量最高，这2种轮作模式下，有助于提高土壤速效钾含量。从双因素分析数据中可知，2017—2019年中，不同轮作方式和土层深度对土壤速效钾含量有极显著影响，而且它们的交互作用也极显著。表明随着种植年限增加，不同轮作方式和土层深度共同影响土壤速效钾含量。

图6 不同处理不同土层土壤速效钾含量

2.6 不同轮作对地小麦籽粒蛋白质含量的影响

由图7可知，整体上小麦籽粒蛋白质含量随种植年限增加，各处理间差异逐渐减小。2018年，WM-WS-WM和WP-WP-WP处理小麦籽粒蛋白质含量显著高于其他处理，分别达到17.0%和17.8%。2019年，WM-WS-WM和WM-WP-WM处理小麦籽粒蛋白质含量最高，分别达到14.4%和15.0%。2020年，WP-WP-WP处理小麦籽粒蛋白质含量显著高于其他处理。从3年各处理小麦籽粒蛋白质含量平均值来看，表现为WP-WP-WP>WM-WS-WM>WM-WP-WM>WS-WS-WS>WM-WM-WM，说明采用连续小麦—夏花生轮作模式可以显著提高小麦籽粒蛋白质含量。

图7 不同年份小麦籽粒蛋白质含量

2.7 不同轮作对小麦成熟期生物量的影响

由图8可知，整体上小麦成熟期生物量随着种植年限增加各处理生物量逐渐增加，不同处理间差异增加。2018年，WS-WS-WS处理小麦成熟期生物量显著高于其他处理，最高达到15 543 kg/km，且其他处理间差异不显著；2019年各处理都显著高于WM-WP-WM处理；2020年，WM-WS-WM、WP-WP-WP和WS-WS-WS处理小麦成熟期生物量最高。

图8 不同处理不同年份小麦成熟期生物量

2.8 不同轮作对小麦收获指数和氮收获指数的影响

由图9可知，3年间小麦的氮收获指数(nitrogen harvest index, NHI)与收获指数(harvest index, HI)呈正相关关系，HI随着小麦NHI增加而升高。

图9 小麦氮收获指数与收获指数的关系

2.9 不同轮作对小麦产量及后续作物经济效益的影响

由表2可知，2018年，WP-WP-WP处理小麦产量最高，达到6 341 kg/hm，比WM-WS-WM处理提高13.6%。2019年，WM-WS-WM处理小麦产量显著高于其他处理，达到6 001 kg/hm，比WS-WS-WS处理提高25.8%。2020年，WP-WP-WP和WS-WS-WS处理小麦产量显著高于其他处理，分别达到6 956 kg/hm和6 777 kg/hm；从产量构成因素可知，2018—2019年，各处理的穗粒数差异较小且亩穗数和千粒重无明显差异。2020年，WS-WS-WS处理的亩穗数显著高于其他处理。WP-WP-WP处理的穗粒数显著高于其他处理。WM-WS-WM和WM-WP-WM处理间的千粒重显著高于其他处理。

表2 2018-2020年不同轮作模式下小麦产量及产量构成因素

综上可知，WP-WP-WP处理通过提高穗粒数来提高产量，WS-WS-WS处理通过提高小麦亩穗数来提高小麦产量。

从表3～表5可以看出，2018—2020年小麦季，WM-WM-WM、WP-WP-WP和WS-WS-WS处理轮作周期内总经济效益最高。2018—2020年秋季作物收获季，WP-WP-WP处理3年轮作周期内收益最高，达到125 400元/hm。2018—2020年总经济效益以WP-WP-WP处理最高，达到167 486元/hm。

表3 2018-2020年不同轮作模式下小麦经济效益

表4 2018-2020年不同轮作模式下秋季作物经济效益

表5 2018-2020年不同轮作模式下轮作周期内作物经济效益 单位：元/hm2

从不同处理3年各轮作周期内可知，WP-WP-WP处理的各轮作周期内经济效益最高。不同处理3年各轮作周期内经济效益均表现为WP-WP-WP>WM-WP-WM>WS-WS-WS>WM-WS-WM>WM-WM-WM。

3 讨 论

3.1 不同轮作对麦田后季作物土壤养分的影响

小麦与豆科作物轮作模式对于土壤养分含量积累有着重要的作用。前人研究表明，小麦—豆科作物轮作体系下，减少氮肥投入，土壤碱解氮含量仍能保持较高水平，这与本研究的结果相同。由于豆科作物具有自身固氮的作用，可以将空气中的氮转化为作物所需的氮素，所以对于提高土壤碱解氮含量起着重要作用。从双因素分析可知，轮作模式和土层深度共同影响碱解氮含量。本研究发现，连续的小麦—夏花生和大豆轮作模式下比非豆科作物轮作更能提高土壤碱解氮含量，这对于豆科作物提高土壤氮素有一定借鉴意义；同时，与豆科作物轮作的小麦深层的土壤碱解氮含量也高于与玉米轮作的土壤碱解氮含量，这是因为豆科作物根系较长，可以提高深层土壤碱解氮含量，对于培肥土壤具有一定作用。

土壤硝态氮、铵态氮是供给作物氮素的重要途径之一。李娟等研究表明，在胶原土壤上种植9种豆科作物对于土壤硝态氮和铵态氮含量提高有促进作用，这与本研究结果类似。本研究中发现，连续小麦—大豆和花生轮作模式下，土壤硝铵态氮含量明显高于小麦与玉米轮作模式下土硝铵态氮含量，但是1个周期小麦—玉米+1个周期小麦—豆科作物轮作模式下土壤硝铵态氮含量并没有提高，或者提高较少，这可能是由于豆科作物没有连年种植，土壤中很难富集空气中的氮源，进而导致土壤氮素提高不明显。

土壤有效磷含量提高对于促进作物生长发育具有重要作用。Feiziene等研究表明，豆科作物在有机轮作模式中，可以有效提高土壤有效磷含量。本试验中，采用连续小麦—夏花生轮作模式下土壤有效磷含量最高，这可能是由于花生相对于禾本科植物更能吸收磷素养分，而花生相对于大豆能分泌更多的有机酸，并且吸收钙能力强，因此吸收磷能力也强。从双因素分析可知，土层深度可以单独影响土壤有效磷含量，随土层深度增加，有效磷含量逐渐降低，不同处理也间接影响土壤有效磷含量，这可能是由于豆科作物根系附着有根瘤菌，根瘤菌以磷固氮作用使得土壤磷素都聚集在豆科作物根系周围，进而使得深层土壤有效磷含量较低。

土壤速效钾含量对于作物生长发育及提高小麦等作物的抗逆性具有重要作用。翁颖等和庞泰春研究表明，豆科作物对于钾素养分的需求较高；韩晓增等研究表明，豆科作物对于钾素需求较高，并且从土壤胶体中析出大量的钾素养分。本研究发现，与豆科作物轮作的小麦土壤钾素养分高于与玉米轮作模式下的土壤钾素养分。由于豆科作物根瘤菌固氮作用，对于钾素养分需求较高，将土壤中钾素解离出来，提高土壤速效钾含量。从双因素分析可知，轮作方式和土层深度共同影响土壤速效钾含量，这也说明豆科作物对于钾素养分的需求较高，使得土壤速效钾含量较高。由于豆科作物在固定土壤氮素养分时，需要吸收土壤钾素，可能使得深层土壤速效钾含量较低。

3.2 不同轮作对小麦生物量及产量与效益的影响

豆科作物与小麦轮作被看做是一种促进小麦生长发育以及提高产量的重要轮作方式。张积攀研究认为，合理化的小麦—花生轮作模式下可以提高花生和小麦的产量，推动农业的现代化发展；董士刚研究表明，小麦—夏花生和小麦—大豆处理提高后茬作物小麦的产量，达到增产效果。本研究中也有类似的结果。Varvel研究发现，多作物轮作相对于单一作物轮作下更能降低产量波动，有利于农民稳产稳收，这与本研究结果相同。本研究中发现，与豆科作物轮作后年季间小麦产量的波动明显降低。从小麦产量构成因素分析，3年数据表明麦季通过亩穗数和穗粒数影响最终产量。穗粒数以WP-WP-WP处理最高，亩穗数以WS-WS-WS处理达到最高，表明小麦与豆科作物轮作可通过增加亩穗数和穗粒数来提高产量。而亩穗数又取决于分蘖数的多少，氮素含量直接影响小麦分蘖数的多少，因为豆科作物能够提高土壤氮素含量，所以可以使小麦增产。因此，豆科作物与小麦轮作可以通过提高小麦分蘖数来实现产量提高。

小麦与豆科作物轮作可以通过提高小麦季作物产量的方式提高轮作周期内的经济效益。Cheng等研究发现，小麦连作体系下，增加豆科作物轮作后可以提高小麦产量，进而增加小麦季经济效益。本研究也发现，豆麦轮作可以提高土壤氮素养分供给小麦吸收，从而提高小麦产量，使得小麦季经济效益提高。从玉米季各处理的经济效益可知，与夏花生轮作条件下的收益最高，分析可知，夏花生的收购价高于其他作物，对于农民增加收入具有良好的促进作用。

3.3 不同轮作对小麦蛋白质含量的影响

小麦蛋白质含量主要受氮素养分供应的影响。郭兴凤等研究表明，小麦籽粒蛋白质含量受到各种环境认为因素的影响，其中栽培管理措施成为改变小麦籽粒蛋白质含量的重要方法之一。采用与豆科作物轮作的方法可以提高土壤氮素养分，这是提高小麦籽粒蛋白质含量的方法之一。Smith等研究表明，利用豆科作物与小麦的轮作方式下，豆科作物绿肥施入土壤与其他休耕轮作方式相比可显著提高小麦蛋白质含量。蔡艳等研究表明，小麦—豆科作物轮作体系下，通过测定小麦籽粒蛋白质品质可知，与豆科作物轮作的后茬小麦，蛋白质含量较高，且与土壤变化水平趋于一致。本研究中也得到相同的结果，尤其是连续小麦—夏花生轮作模式可以显著提高小麦籽粒蛋白质含量，这也是由于豆科作物的固氮作用，使得后茬小麦可以从土壤吸收更多的氮素养分，供给籽粒形成，提高小麦品质。

4 结 论

(1)小麦与豆科作物轮作促进土壤中速效养分的积累，增加土壤氮素的积累，进而提高氮素利用效率，实现小麦季的增产增收。

(2)3年秋季作物成熟期土壤速效养分测定结果以连续小麦—夏花生轮作模式最高；小麦季产量以连续的小麦—夏花生和连续的小麦—大豆轮作模式最高。

(3)从产量及产量构成因素分析可知，连续小麦—夏花生和连续小麦—大豆轮作模式可以通过提高亩穗数和穗粒数来提高小麦产量。

综上所述，以夏花生、大豆等豆科作物与小麦轮作的模式可以显著提高土壤速效养分含量，并能实现增产。