邵 云，李昊烊，翁正鵬，王 璐，李斯斯，劉 晴

(河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453007)

華北平原是我國主要糧食作物的生產(chǎn)地區(qū)，其小麥、玉米的產(chǎn)量分別占全國總產(chǎn)量的76.2%和29.3%[1]。目前，小麥-玉米一年兩熟制是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為穩(wěn)定的種植模式。但長期在同一塊農(nóng)田上種植同一種屬的作物，很容易造成土壤中某些營養(yǎng)元素的失衡，從而使作物生長受抑、抗性下降，甚至引發(fā)一些元素缺乏癥，導(dǎo)致糧食產(chǎn)量和品質(zhì)的降低[2-4]，同時還會造成病蟲草害加重、生物多樣性下降等負(fù)面效應(yīng)[5]，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)匦←湹姆€(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)，阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展步伐。有資料顯示，2013-2016年河南省小麥-玉米連作造成的小麥莖基腐病愈來愈嚴(yán)重，患病植株莖高降低14.0%～55.8%，穗粒數(shù)減少22.7%～54.5%，千粒重減少3.2%～73.2%，嚴(yán)重者產(chǎn)量損失達(dá)51.6%[6]。茬口通過一系列生物因子和非生物因子的作用，對土壤性狀產(chǎn)生影響，直接或間接影響后茬作物的生長狀況[7]。有研究表明，改變茬口能夠有效控制甘薯農(nóng)田病蟲草害，提高農(nóng)田生物多樣性[8]；豆科作物茬口能夠有效改善土壤氮素失衡狀況，提高小麥氮素利用效率[9]；不同茬口對土壤微生物的種類和數(shù)量產(chǎn)生不同影響，間接影響下茬作物的生長[10]。所以，適當(dāng)改變單一的種植模式、調(diào)整茬口作物的種類、增強(qiáng)農(nóng)田作物的多樣性，能使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中光、水、土、氣、熱以及各種營養(yǎng)元素等自然資源得到充分協(xié)調(diào)和利用[11]，從而改善農(nóng)田的持續(xù)生產(chǎn)力。本研究以華北平原主要糧食作物小麥的生產(chǎn)為出發(fā)點(diǎn)，選擇不同前茬作物，探究不同茬口對土壤養(yǎng)分及小麥植株營養(yǎng)元素積累和籽粒產(chǎn)量的影響，篩選冬小麥生產(chǎn)的適宜前茬作物，以期為豐富華北平原一年兩熟制種植模式提供一些理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗地點(diǎn)選在河南省獲嘉縣西彰儀村。獲嘉縣是河南省重要的糧食基地，位于新鄉(xiāng)市西部，地處黃河、沁河沖積平原，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫14.6 ℃，年均降雨量557.2 mm。全縣耕地總面積為38 441.0 hm2。試驗地前期常年為小麥-玉米復(fù)種模式，其耕層土壤為潮土，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀含量分別為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。

試驗于2016年6月至2017年6月實(shí)施玉米-小麥、大豆-小麥、花生-小麥、甘薯-小麥4種種植模式，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積約為200 m2，3次重復(fù)。甘薯采用人工栽秧，其余各作物采用機(jī)械條播。作物生長期間進(jìn)行正常的灌水、除草、防蟲等田間管理。

前茬玉米品種為洛單248，播種時間是2016年6月10日，播量37.5 kg·hm-2，行距60 cm；大豆品種為駐豆11，播種時間是2016年6月15日，播量75 kg·hm-2，行距60 cm；花生品種為魯花10，播種時間是2016年6月15日，播量225 kg·hm-2，行距50 cm；甘薯品種為商薯19，栽秧時間是2016年6月17日，行距70 cm。播種時玉米、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日收獲，甘薯于2016年11月4日收獲。前茬作物玉米、大豆、花生、甘薯處理分別用C、S、P、SP表示。

小麥品種均為豫農(nóng)4023，前茬為玉米、大豆和花生的小區(qū)于2016年10月12日播種，播量均為187.5 kg·hm-2，行距20 cm；前茬為甘薯的小區(qū)于2016年11月5日播種，播量為262.5 kg·hm-2。播種前基施N 135 kg·hm-2、P2O5165 kg·hm-2、K2O 37.5 kg·hm-2，拔節(jié)期(2017年3月10日)追施N 69 kg·hm-2。2017年6月5日統(tǒng)一進(jìn)行小麥?zhǔn)斋@。

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤養(yǎng)分測定

于前茬作物收獲時，采用五點(diǎn)取樣法在各小區(qū)中用土鉆采集0～30 cm和30～60 cm土層的土壤樣品，同一小區(qū)的土壤樣品混合均勻。土壤樣品自然風(fēng)干后過0.5 mm篩，測定土壤養(yǎng)分含量。采用錫紙包裹-灼燒法經(jīng)總有機(jī)碳分析儀(TOC，德國Elementar)進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)含量測定；采用NaOH-堿解擴(kuò)散法測定速效氮含量；采用NaHCO3溶液(0.5 mol·L-1)浸提-鉬銻抗比色法用分光光度計(UV-2600，日本Shimadzu)進(jìn)行速效磷含量測定；采用1 mol·L-1中性NH4OAc溶液浸提，震蕩30 min后用火焰光度計(ATS 200S，瑞士ATS)進(jìn)行速效鉀含量測定。

1.2.2 植株生物量及養(yǎng)分測定

于小麥?zhǔn)斋@時，在每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取長勢均勻且完整的20株小麥植株，3次重復(fù)。將取回的麥株地上部分分離為莖葉(除籽粒外的地上部)和籽粒，經(jīng)105 ℃殺青0.5 h，85 ℃烘干至恒重，然后將其粉碎后測定氮、磷、鉀含量。采用H2SO4-H2O2消解后經(jīng)連續(xù)流動分析儀(AA3，德國SEAL Analytical)進(jìn)行植株氮、磷含量測定；采用NaOH熔融冷卻后，加HCl和H2SO4用火焰光度計進(jìn)行鉀含量測定。

1.2.3 小麥考種與測產(chǎn)

在小麥成熟期，在每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)采集長勢均勻的植株20株，進(jìn)行室內(nèi)考種，測定其結(jié)實(shí)小穗數(shù)、不孕小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重；同時隨機(jī)取1 m2的小麥進(jìn)行成穗數(shù)的調(diào)查及測產(chǎn)，3次重復(fù)。

1.3 參數(shù)計算方法

植株養(yǎng)分利用指標(biāo)的計算[12]如下：

植株養(yǎng)分積累量=植株干物質(zhì)量×植株養(yǎng)分含量；

養(yǎng)分吸收效率=植株地上部養(yǎng)分積累量/施入養(yǎng)分量；

養(yǎng)分收獲指數(shù)=籽粒養(yǎng)分積累量/植株地上部養(yǎng)分積累量；

養(yǎng)分利用效率=籽粒產(chǎn)量/植株地上部養(yǎng)分積累量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2010和SPSS 13.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，多重比較均為Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同茬口對土壤養(yǎng)分的影響

不同作物的施肥數(shù)量、比列和方式及植株對養(yǎng)分的吸收有別，使得前茬收獲后殘留在土壤中的養(yǎng)分存在差異(圖1)。測定結(jié)果表明，在0～30 cm土層中，玉米茬的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高(49.13 g·kg-1)，甘薯茬的土壤有機(jī)質(zhì)含量最低，較玉米茬減少了9.9%，差異達(dá)到顯著水平，大豆和花生茬則與其他茬口差異均不顯著；在30～60 cm土層中，相比于玉米茬，甘薯和花生茬的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提高。不同茬口的0～30 cm土層速效氮含量表現(xiàn)為大豆茬>花生茬>玉米茬>甘薯茬，且茬口間差異均達(dá)顯著水平；在30～60 cm土層中，花生和大豆茬的土壤速效氮含量顯著高于玉米茬，甘薯茬則反之。在0～30 cm土層中，花生和甘薯茬較玉米茬都能顯著提升土壤速效磷含量；在30～60 cm土層中，速效磷含量表現(xiàn)為大豆茬<甘薯茬<玉米茬<花生茬，茬口間差異均達(dá)到顯著水平。甘薯茬0～30和30～60 cm土層的

圖柱上不同小寫字母表示同一土層的不同處理間差異顯著(P<0.05)。

速效鉀含量均顯著低于其他茬口；30～60 cm土層中，大豆茬土壤速效鉀含量顯著高于玉米茬和花生茬?？傊?，與玉米茬相比，大豆茬的土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷含量較低，而土壤速效氮和速效鉀含量較高；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鉀含量較低。

2.2 不同茬口對小麥植株生長及養(yǎng)分利用的影響

2.2.1 小麥地上部分干物質(zhì)積累量及養(yǎng)分含量

由圖2可看出，不同茬口下小麥干物質(zhì)積累量和植株氮、磷、鉀含量存在差異。甘薯茬的小麥干物質(zhì)積累量顯著高于其余茬口，其中甘薯茬的小麥莖葉干物質(zhì)積累量較玉米、大豆和花生茬分別提高了37.2%、32.5%、30.8%，籽粒的干物質(zhì)積累量分別提高了29.2%、31.3%、31.5%。甘薯茬的小麥莖葉和籽粒氮含量也顯著高于其余茬口，而玉米茬的小麥籽粒氮含量在4個茬口中最低。大豆和甘薯茬的小麥莖葉和籽粒磷含量顯著高于玉米茬，其中大豆茬最高。相比于玉米茬，大豆茬的小麥莖葉鉀含量顯著提高，甘薯茬則相反；而甘薯茬的小麥籽粒鉀含量顯著高于其他茬口，大豆茬次之，玉米茬和花生茬較低。

圖柱上不同小寫字母的表示同一部位的不同處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2.2 小麥植株地上部分的養(yǎng)分積累量

不同茬口下小麥植株的養(yǎng)分積累存在差異(表1)。玉米茬的小麥籽粒和莖葉氮素積累量顯著低于其余茬口；甘薯、花生和大豆茬的小麥地上部氮素積累量較玉米茬分別提高25.8%、12.9%和8.4%，差異均顯著。甘薯茬的小麥莖葉磷素積累量顯著高于玉米茬；大豆和甘薯茬的小麥籽粒磷素積累量顯著高于玉米茬；甘薯和大豆茬的小麥地上部磷素積累量較玉米茬分別提高10.2%和8.2%。大豆和花生茬的小麥莖葉及地上部鉀素積累量均顯著高于玉米茬；甘薯茬的小麥籽粒鉀素積累量較其余茬口升高24.9%～28.8%，且差異均顯著。綜上，相比于玉米茬，大豆、花生和甘薯茬顯著促進(jìn)了小麥植株的氮素積累，大豆和甘薯茬能顯著提高小麥植株的磷素積累量，大豆和花生茬則有利于小麥植株對鉀素的積累。

表1 不同茬口的小麥各部位養(yǎng)分積累量Table 1 Nutrient accumulation amounts in different organs of wheat with different preceding crops kg·hm-2

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同同處理間差異顯著(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 小麥植株對養(yǎng)分的吸收與利用

相比于玉米茬，大豆、花生和甘薯茬都能使小麥的養(yǎng)分吸收效率在一定程度上有所提升(表2)。其中，氮素吸收效率表現(xiàn)為甘薯茬>花生茬>大豆茬>玉米茬，且茬口間差異均達(dá)顯著水平；甘薯和大豆茬的小麥植株磷素吸收效率顯著高于玉米和大豆茬；大豆和花生茬的小麥鉀素吸收效率顯著高于玉米和甘薯茬。玉米茬的小麥氮素收獲指數(shù)最高，與甘薯茬差異顯著；玉米和花生茬的小麥磷素收獲指數(shù)較高，顯著高于大豆和甘薯茬；而甘薯茬的鉀素收獲指數(shù)顯著高于其他茬口，玉米茬次之，大豆和花生茬最低。玉米茬的小麥氮素和鉀素利用效率顯著高于大豆、花生和甘薯茬；玉米和花生茬的磷素利用效率顯著高于大豆和甘薯茬；甘薯茬的3種養(yǎng)分利用效率均較低。綜上，大豆茬的磷鉀吸收效率較高，但玉米茬的氮磷收獲指數(shù)最高，鉀素收獲指數(shù)較高，故其養(yǎng)分利用效率在4種前茬處理中最高。

表2 不同茬口的小麥養(yǎng)分利用效率Table 2 Nutrient utilization efficiency of wheat with different preceding crops

表3 不同茬口的小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 3 Yield and its components of wheat with different preceding autumn crops

2.3 不同茬口對小麥產(chǎn)量性狀的影響

由表3可知，甘薯茬的小麥成穗數(shù)顯著低于其余茬口，原因歸結(jié)于甘薯收獲期較晚，延遲了后茬小麥的播期，致使其成穗數(shù)大幅降低。大豆茬的小麥結(jié)實(shí)小穗數(shù)最少，甘薯茬的小麥不孕小穗數(shù)最少。而穗粒數(shù)則以甘薯茬最多。與玉米茬相比，大豆、花生和甘薯茬的小麥千粒重顯著提高。玉米、大豆、花生茬的小麥產(chǎn)量顯著高于甘薯茬，這主要因為甘薯茬成穗數(shù)最低。

3 討 論

3.1 不同茬口土壤養(yǎng)分的差異

由于不同前茬作物在生物學(xué)特性、產(chǎn)量水平和養(yǎng)分消耗強(qiáng)度上的差異，不同茬口殘留在土壤中的養(yǎng)分量不同。玉米擁有較大的生物量，并且具有強(qiáng)大的須根系，主根系約有40 cm長，能充分利用耕層土壤中的水分和養(yǎng)分，對氮、磷、鉀元素需求量較多，同時也會吸收一些微量元素[13-14]。有研究表明，玉米在不同時期的需肥量有所差異，主要是在拔節(jié)期到開花期對養(yǎng)分需求量最大，在此期間對氮、磷的吸收量相近，而對鉀的需求量是前者的2倍，并從開花期到成熟期，吸收較多的氮、磷元素[15]，這與本研究中玉米茬的土壤中速效氮、磷含量處于較低水平的結(jié)論相一致。大豆和花生屬于豆科植物，它們進(jìn)行正常生長時對氮的吸收主要來源于土壤中存留的氮、無機(jī)化肥中的氮以及自身根瘤菌從大氣中固定的氮，它們較玉米多了一個生物固氮的來源，能將大氣中分子態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為氨供作物吸收，對提高土壤氮含量起著重要作用[16-17]；本研究結(jié)果中，大豆茬和花生茬土壤速效氮含量處于較高水平，體現(xiàn)出其生物固氮的作用。也有研究表明，如果土壤中氮含量過高，就會抑制固氮系統(tǒng)作用，使土壤中氮含量處在一個相對平衡水平[18]。大豆對磷的需求極大，且其需求量在整個生長時期是不斷增長的[19]，故而大豆茬土壤中速效磷含量較低；花生對養(yǎng)分的需求量較為均衡，殘留在土壤中的養(yǎng)分元素也相對穩(wěn)定，對后茬作物的生長有促進(jìn)作用[20]。甘薯是喜鉀型作物，并且對養(yǎng)分的需求量較大[21]。前人研究認(rèn)為，甘薯在生長前期階段對氮的需求量極大，中后期階段對磷需求較多，而在整個生育期都需求大量鉀，對氮、磷、鉀的吸收比例約為1.00∶0.34∶1.51[22-23]。與玉米茬相比，甘薯茬土壤中養(yǎng)分虧缺，對后茬作物生長帶來一些負(fù)面影響，因而需要通過人工施肥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 不同茬口的小麥植株養(yǎng)分吸收的差異

小麥對養(yǎng)分的需求量極高[24]，不同前茬作物通過改變土壤肥力水平、土壤物理特征和微生物活性等特征，影響了小麥的莖稈生長狀況及灌漿水平，從而使小麥莖葉和籽粒中的養(yǎng)分積累產(chǎn)生差異。有研究表明，適量地提高土壤氮水平對改善小麥品質(zhì)有積極的作用[25-26]。在灌漿期，小麥根部從土壤中吸收大量氮素，并將莖葉中的氮轉(zhuǎn)移到籽粒中去，對磷和鉀的需求量較少[27]，因而本研究中小麥籽粒中的氮積累量遠(yuǎn)多于磷和鉀。前茬大豆和花生的種植使小麥土壤氮含量有所提升，使小麥植株中的養(yǎng)分積累量較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、鉀，但其收獲期比其余3種作物晚1個月，造成后茬小麥播期推遲，盡管增大了其小麥播量，還是對后茬小麥的成穗率和產(chǎn)量造成負(fù)面效應(yīng)，這與徐暉等的結(jié)論相似[28]。此外，前茬作物釋放在土壤中的根系分泌物不同也會對后茬作物土壤養(yǎng)分的吸收造成影響[29-30]，進(jìn)而造成后茬小麥養(yǎng)分積累的差異。不同作物的根系布局及須根生長狀況會在一定程度上改變土壤的質(zhì)地、容重、緊實(shí)度和孔隙度等[31]，可能使后茬作物對土壤中養(yǎng)分的吸收速率產(chǎn)生差異。另一方面，不同前茬作物的生長會對土壤微生物群落帶來影響，土壤肥力和生產(chǎn)能力也會隨之增加[32]。此外，微生物群落的變化在一定程度上也反映了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速率及養(yǎng)分的存在形式[10，33]，對后茬作物的養(yǎng)分吸收造成極大的影響。總之，相比于玉米茬，豆科作物因其本身已經(jīng)在一定程度上降低了氮肥的投入量，雖未能明顯提高后茬作物產(chǎn)量，但能有效地提高茬口養(yǎng)分含量，并使后茬小麥植株氮、磷、鉀元素積累量增多，以維持土壤養(yǎng)分平衡，可作為小麥良好的前茬作物。