品種演替和土壤肥力對小麥產(chǎn)量和磷生理效率的影響

宋 曉，黃紹敏*，郭斗斗，張水清，張珂珂，宋阿琳，岳 克，張玉亭

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

小麥?zhǔn)俏覈匾募Z食作物之一，小麥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展影響我國的糧食安全和社會穩(wěn)定。小麥產(chǎn)量的提高受品種、栽培措施、病蟲草害及自然條件的影響，其中品種改良和化肥投入起重要作用[1]。中外研究結(jié)果也表明，品種類型在小麥產(chǎn)量提高過程中起重要作用[2-3]。Austin等通過對英國20世紀(jì)以來的小麥品種進(jìn)行試驗對比，發(fā)現(xiàn)隨著小麥品種演替，株高降低，產(chǎn)量增加，收獲指數(shù)提高了15%[4]。韓曉宇等以陜西關(guān)中地區(qū)20世紀(jì)80年代和90年代小麥品種為試驗材料比較分析，結(jié)果顯示，隨著年代更替，小麥籽粒產(chǎn)量及收獲指數(shù)均增加[5]。黃芳、田中偉等研究結(jié)果也證實，隨著品種改良進(jìn)程，小麥穗粒數(shù)和千粒重顯著增加，單位面積穗數(shù)相對穩(wěn)定[6-7]。錢曼懋、耿志訓(xùn)等試驗證明，隨品種演替，小麥產(chǎn)量逐步提高，單株成穗數(shù)、每穗粒數(shù)由少到多[8-9]。因此，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，小麥品種改良的需求愈來愈大。但是，在考慮品種對小麥產(chǎn)量貢獻(xiàn)的同時，對品種演替的增長作用在不同肥力下的表現(xiàn)研究較少。

小麥產(chǎn)量的提高不僅較大程度的依賴品種，對肥料的依賴性也較大。土壤肥力和施肥措施是影響作物產(chǎn)量的重要因素。研究證明化肥是農(nóng)作物增產(chǎn)的基礎(chǔ)，化肥投入是增產(chǎn)的快速、有效的措施[10]。多年來大面積的研究結(jié)果證實，化肥對糧食作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率約50%[11-12]。在相同施肥措施下，中、高肥力地塊的周年作物產(chǎn)量高于低肥力[13]。例如磷肥，磷是構(gòu)成植物生命活動的重要元素之一，參與植物體內(nèi)的生理生化反應(yīng)，在植物生長發(fā)育中起關(guān)鍵作用[14-16]。20世紀(jì)80年代以前，磷是土壤中利用效率最低的一種營養(yǎng)元素，大多數(shù)土壤含磷量較低，影響作物產(chǎn)量[17-18]。80年代以后，為了提高作物產(chǎn)量，大量施用磷肥，緩解了土壤磷素供應(yīng)不足。然而，過度施用磷肥，不僅導(dǎo)致土壤磷素過剩，還破壞了水體生態(tài)系統(tǒng)，引起水體富營養(yǎng)化等問題[17-19]。另外，研究表明，由于植物遺傳變異的多樣性，導(dǎo)致植物磷素利用效率不僅在品種間存在顯著差異，而且同一植物不同品種間及不同品種同一肥力水平下也有差異[20-21]。例如：小麥、玉米、水稻等作物磷吸收利用方面存在較大差異，由于所選指標(biāo)不同，或生育時期選擇不一致,或施磷量不同，導(dǎo)致已有研究或評價磷吸收利用差異的結(jié)果各異[22-27]。

近年來，關(guān)于小麥產(chǎn)量和磷素吸收利用效率的研究受到科研工作者的較多關(guān)注，但主要是通過改良栽培措施、磷肥管理或篩選磷高效基因型品種等提高磷素吸收利用效率，而對于品種演替在不同土壤肥力水平下的作物產(chǎn)量及磷效率的變化研究甚少。本研究在長期肥料定位試驗的基礎(chǔ)上，通過分析品種演替在不同土壤肥力水平下小麥產(chǎn)量、磷肥效率等的差別，了解品種演替對土壤肥力水平的響應(yīng)效應(yīng)，以期為育種工作者提供資源高效利用的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于黃淮海平原國家潮土土壤肥力與肥料效益鄭州長期監(jiān)測站(34°47′N，113°40′E)，該地區(qū)年平均降水量646 mm，年平均溫度為14.8°C，無霜期為224 d。該試驗站于1987年建立，經(jīng)過兩年勻地種植，于1990年開始不同施肥方式的作物產(chǎn)量與肥料效益長期定位監(jiān)測試驗，土壤類型為潮土，成土母質(zhì)為黃河沖積物，土壤pH 值8.1，全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)分別為1.01、0.65、16.90 和10.60 g·kg-1，堿解氮、有效磷和交換性鉀分別為76.60、21.20 和71.70 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

長期定位施肥試驗小區(qū)為完全隨機(jī)排列，本研究選取1991～2015年連續(xù)25年的5個處理：(1)空白(低肥力，不施肥)；(2)NPK(施氮磷鉀肥)；(3)MNPK(M指有機(jī)肥，有機(jī)肥+NPK化肥)；(4)1.5MNPK(各肥料用量是MNPK的1.5倍，高肥力 )；(5)SNPK(S指玉米秸稈)，有機(jī)肥和秸稈在小麥季使用。這幾種施肥方式基本涵蓋了河南糧食種植區(qū)農(nóng)民的施肥方式。氮肥為尿素(N 46%)；磷肥為過磷酸鈣(P2O512.5%)；鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)，具體施肥量見表1。全部作為底肥施入土壤表層，然后機(jī)耕犁耙，其他管理措施按照當(dāng)?shù)匦←湼弋a(chǎn)田標(biāo)準(zhǔn)。

表1 冬小麥長期肥料定位試驗處理與年施磷量 (kg·hm-2)

本試驗選用5個小麥品種，其中一個是中筋小麥，其他是強(qiáng)筋小麥，如表2所示。這些小麥品種均是河南省具有代表性的小麥品種，其推廣時產(chǎn)量潛力分別為6 300 kg·hm-2(豫麥13)、6 600 kg·hm-2(鄭麥941)、6 750 kg·hm-2(鄭麥9023)、7 500 kg·hm-2(鄭麥7698)和8 250 kg·hm-2(鄭麥0856)。各品種種植面積較大，尤其是鄭麥9023，種植面積超過200萬hm2 [25]。

表2 1991～2015年試驗小麥品種

1.3 測定指標(biāo)及方法

小麥籽粒產(chǎn)量：每小區(qū)于成熟期取1 m2代表樣段，人工收割脫粒，自然曬干稱重，計算每公頃籽粒產(chǎn)量；

生物量：每個處理取小麥植株的面積為0.20 m2(0.5 m，2行)，每個取樣點均從地面水平割取，在105 ℃下殺青 30 min，并在70℃烘干，直到達(dá)到恒重(每隔2 h稱重，前后2次測量的數(shù)值<0.000 5 g)，稱干重，然后折算成單位土地面積干物重(g·m-2DW)，干燥后的樣品被儲存在塑料袋中，供后續(xù)分析。

植株吸磷量、籽粒磷濃度采用釩鉬黃比色法測定。

小麥磷生理效率、生產(chǎn) 100 kg 小麥需磷量及農(nóng)學(xué)效率計算公式如下：

磷生理效率(kg·kg-1)=(施磷區(qū)產(chǎn)量-不施肥區(qū)產(chǎn)量)/(施磷區(qū)地上部植株吸磷量-不施肥區(qū)地上部植株吸磷量)

小麥吸磷量(kg·hm-2)= 秸稈生物量×秸稈磷濃度+ 籽粒產(chǎn)量×籽粒磷濃度

100 kg小麥籽粒需磷量(kg)= 植株吸磷量/產(chǎn)量×100

磷肥農(nóng)學(xué)效率(kg·kg-1)=(施磷區(qū)產(chǎn)量-對照區(qū)產(chǎn)量)/施磷量

數(shù)據(jù)采用Excel 2007、SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，用LSD 法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 品種演替和土壤肥力水平對小麥產(chǎn)量的影響

考慮到不同年份小麥品種對研究的影響，依據(jù)品種把25年的小麥產(chǎn)量劃分為5個階段(表3)，分別是第一階段(1991～1995年)、第二階段(1996～2000年)、第三階段(2001～2005年)、第四階段(2006～2010年)和第五階段(2011～2015年)。比較各處理的平均值可以看出，鄭麥0856的產(chǎn)量最高(8 157.34 kg·hm-2)，鄭麥7698次之，豫麥13的產(chǎn)量最低(5 915.39 kg·hm-2)，增產(chǎn)幅度分別為37.90%和8.40%；鄭麥9023的產(chǎn)量高于豫麥13和鄭麥941，但差異不明顯。表3的結(jié)果表明，不考慮施肥效應(yīng)，品種之間平均產(chǎn)量差異顯著(表3)。

表3 1991～2015年不同肥力下不同小麥品種的籽粒產(chǎn)量 (kg·hm-2)

注：平均值數(shù)據(jù)后大、小寫字母不同分別表示品種間差異達(dá)0.01、0.05顯著水平，其他同列數(shù)據(jù)后大、小寫字母不同分別表示處理間差異達(dá)0.01、0.05顯著水平。下同。

施肥對不同小麥產(chǎn)量也有明顯影響(表3)，從表3還可以看出，所有施肥處理的小麥平均產(chǎn)量均明顯高于不施肥處理(CK)。隨著土壤肥力水平的提高，豫麥13、鄭麥941、鄭麥9023、鄭麥7698和鄭麥0856的產(chǎn)量表現(xiàn)分別為:SNPK>1.5MNPK>NPK>MNPK、1.5MNPK>NPK>SNPK>MNPK、NPK>1.5MNPK>SNPK>MNPK、NPK>1.5MNPK>MNPK>SNPK、1.5MNPK>SNPK>NPK>MNPK，其中豫麥13在SNPK處理產(chǎn)量最高，但與其他施肥處理之間差異不顯著；鄭麥941和鄭麥0856在1.5MNPK處理產(chǎn)量最高，其中鄭麥941在1.5MNPK處理顯著高于MNPK和SNPK處理，而鄭麥0856施肥處理間差異不顯著；鄭麥9023和鄭麥7698在NPK處理達(dá)到最大值，其中鄭麥9023產(chǎn)量NPK顯著高于MNPK，而鄭麥7698產(chǎn)量在NPK處理顯著高于MNPK和SNPK。小麥品種不同產(chǎn)量增幅不同，平均產(chǎn)量增幅分別為48.61%～50.36%、149.05%～184.34%、171.58%～209.22%、185.41%～225.45%和216.96%～272.68%，鄭麥0856的產(chǎn)量增幅最大。因此，小麥品種和土壤肥力均顯著影響小麥籽粒產(chǎn)量。

2.2 品種演替和土壤肥力水平對小麥磷生理效率的影響

從表4可以看出，不同品種間磷肥生理效率有一定差別，鄭麥941(172.48 kg·kg-1)的磷生理效率最高，顯著高于其他品種，鄭麥9023(145.79 kg·kg-1)、鄭麥7698(130.51 kg·kg-1)和鄭麥0856(147.65 kg·kg-1)次之，三者之間差異不明顯，豫麥13(66.71 kg·kg-1)的磷生理效率最低，顯著低于其他4個品種，見圖1。

表4 不同土壤肥力條件下不同小麥的磷生理效率 (kg·kg-1)

圖1 不同小麥品種磷生理效率(各肥力平均)

在不考慮品種的情況下，不同施肥處理的磷素生理效率范圍為16.60～202.18 kg·kg-1。 而從不同品種對土壤肥力的響應(yīng)可以看出，1.5MNPK處理(除鄭麥0856外)磷素生理效率達(dá)到最低值，NPK處理(豫麥13除外)最高。 鄭麥941、鄭麥9023和鄭麥7698的磷生理效率均表現(xiàn)為NPK>NPKS>NPKM>1.5NPKM。同一品種在不同肥力水平下的磷生理效率也有差別(表4)。不同處理而言，單施NPK處理小麥磷生理效率顯著高于其他施肥處理(豫麥13除外)；秸稈還田配施化肥處理次之(鄭麥0856除外)；有機(jī)無機(jī)配施處理中，MNPK處理小麥磷生理效率高于1.5MNPK處理(其中鄭麥0856兩個處理之間基本持平)，但差異不明顯。整體來說，小麥磷生理效率隨土壤肥力水平的提高呈降低的趨勢。

2.3 品種演替和土壤肥力水平對100 kg小麥籽粒需磷量的影響

隨著品種演替，100 kg小麥需磷量呈增加的趨勢，但品種之間差異顯著(表5)。從表5看出，鄭麥7698每生產(chǎn)100 kg小麥籽粒所需磷量最高(0.62 kg)，鄭麥0856次之(0.57 kg)，豫麥13需磷量最低，增幅達(dá)到58.97%。進(jìn)一步比較不同施肥處理，施肥處理的各小麥品種的100 kg籽粒需磷量均極顯著高于不施肥處理(CK)，5個小麥品種豫麥13、鄭麥941、鄭麥9023、鄭麥7698和鄭麥0856增加的幅度分別為33.33%～43.33%、57.69%～88.46%、51.43%～82.86%、39.53%～69.77%和31.26%～54.34%；隨土壤肥力水平的提高和養(yǎng)分投入增加，所有品種的100 kg小麥籽粒需磷量增加，在1.5MNPK處理達(dá)到最大值，1.5MNPK和MNPK處理之間差異不明顯；另外，小麥品種在NPKS比NPK處理顯著提高了100 kg小麥籽粒需磷量(豫麥13除外)。

表5 不同土壤肥力條件下不同小麥的百千克小麥需磷量 (kg)

2.4 品種演替和土壤肥力水平對農(nóng)學(xué)效率的影響

根據(jù)各處理的平均值(圖2)可以看出，隨著品種演替，磷肥的農(nóng)學(xué)效率呈增加的趨勢，豫麥13的農(nóng)學(xué)效率顯著低于其他4個品種；鄭麥0856的農(nóng)學(xué)效率最高(70 kg·kg-1),差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)；另外，鄭麥941、鄭麥9023和鄭麥0856品種之間磷肥農(nóng)學(xué)效率差異不顯著。而就土壤肥力及施肥來說，豫麥13、鄭麥941、鄭麥9023和鄭麥7698在各個施肥處理農(nóng)學(xué)效率表現(xiàn)為NPK>NPKS>NPKM>1.5NPKM，鄭麥0856則表現(xiàn)為1.5NPKM>NPKS>NPK>NPKM(圖3)。顯然，單施化肥處理豫麥13、鄭麥941、鄭麥9023和鄭麥7698的農(nóng)學(xué)效率高于其他無機(jī)有機(jī)配施處理，其中鄭麥941、鄭麥9023和鄭麥7698達(dá)到顯著差異水平。比較豫麥13、鄭麥941、鄭麥9023和鄭麥7698的MNPK和1.5MNPK處理，隨著土壤肥力提高農(nóng)學(xué)效率降低。而鄭麥0856在1.5MNPK處理農(nóng)學(xué)效率最高，顯著高于其他施肥處理，這種差異可能與品種的基因型有關(guān)。

圖2 不同小麥品種磷肥農(nóng)學(xué)效率(各肥力平均)注：不同大、小寫字母分別表示品種間差異達(dá)0.01、0.05顯著水平。

圖3 不同肥力水平下小麥品種的磷肥農(nóng)學(xué)效率(各品種平均)注：同一品種柱上大、小寫字母不同分別表示處理間差異達(dá)0.01、0.05顯著水平。

3 討論

3.1 品種演替和土壤肥力水平對小麥產(chǎn)量的影響

隨著育種技術(shù)和農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，品種多樣化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一大特征[26-29]。眾多研究表明，品種演替是提高作物單產(chǎn)的重要措施[30-32]，這在本試驗中也得到證實。本研究表明，隨著小麥品種的演替，小麥產(chǎn)量呈增加的趨勢(不施肥處理CK除外)，鄭麥0856的籽粒產(chǎn)量最高，且極顯著高于早期的其它小麥品種；鄭麥7698次之，豫麥13產(chǎn)量最低；且鄭麥0856的增產(chǎn)幅度為37.9%。但品種演替在不同土壤肥力條件下的表現(xiàn)不同，施肥條件下平均增產(chǎn)幅度顯示豫麥13<鄭麥941<鄭麥9023<鄭麥7698<鄭麥0856，而不施肥處理隨品種演替呈降低趨勢。這說明高產(chǎn)品種對養(yǎng)分輸入的敏感性顯著高于低產(chǎn)品種[5，33]。這可能是現(xiàn)代育種一般是在養(yǎng)分充足條件下進(jìn)行的，從而使得新育出品種在低肥力或營養(yǎng)缺乏的土壤適應(yīng)性較弱?？紤]到我國中低產(chǎn)田較多，育種工作者應(yīng)充分挖掘品種潛力，結(jié)合土壤肥力和施肥條件，培育出適合不同肥力水平的小麥品種。

3.2 品種演替和土壤肥力水平對小麥磷生理效率的影響

小麥磷生理效率是指小麥吸收1 kg外源磷生產(chǎn)小麥的公斤數(shù)[6]，其高低與小麥品種、土壤、栽培和氣候條件等有關(guān)[34-35]。本試驗中，隨著品種演替，磷生理效率呈現(xiàn)拋物線形式，先升高后降低，豫麥13磷生理效率值最低，鄭麥941磷生理效率值最高。不同基因型小麥的磷效率存在顯著差異[36-37]。例如，Yaseen通過分析15個小麥基因型的養(yǎng)分吸收和利用效率確定植物的遺傳性差異[38]。另外，不同肥力水平土壤養(yǎng)分供應(yīng)的磷生理效率不同。本試驗中不同小麥品種磷生理效率最低值出現(xiàn)在1.5NPKM高肥力土壤(鄭麥0856除外)，最大值均出現(xiàn)在NPK處理。這與Wang 等人研究結(jié)果一致[21]。這說明，無論施用有機(jī)肥還是秸稈還田都會增加磷的含量，如果土壤和其他營養(yǎng)物質(zhì)中的磷含量能夠滿足作物的需要，磷的額外施用并不能提高磷的生理效率。

3.3 品種演替和土壤肥力水平對100 kg小麥籽粒需磷量的影響

100 kg小麥籽粒需磷量在一定程度上反映了品種利用土壤養(yǎng)分的能力或體現(xiàn)品種對養(yǎng)分的依賴程度[27]。本試驗中，無論在長期不施肥處理還是施肥處理中，隨品種的演替，100 kg小麥籽粒需磷量均呈增加的趨勢，其中鄭麥7698達(dá)到最大值，鄭麥0856次之，豫麥13最低，品種之間差異顯著。這說明，品種演替改善了土壤中磷素利用率。本試驗中還發(fā)現(xiàn)，施肥處理100 kg小麥需磷量顯著高于長期不施肥處理(CK)；隨肥力及養(yǎng)分投入的增加，100 kg小麥籽粒需磷量增加，在高肥力土壤1.5MNPK處理達(dá)到最大值。昝亞玲等的試驗也證明，小麥品種小偃22號100 kg籽粒需磷量在一定氮水平下隨施磷量的增加而增加[33]。但從試驗結(jié)果(表5)可以看出，1.5MNPK與MNPK處理之間100 kg籽粒需磷量差異不明顯，這表明無論原來的品種還是當(dāng)前品種均不存在磷素奢侈吸收積累[6]。

3.4 品種演替和土壤肥力水平對磷肥農(nóng)學(xué)效率的影響

與各處理的平均值相比，隨著品種的演替，磷肥的農(nóng)學(xué)效率有所提高，鄭麥0856的值最大，且與其它品種差異明顯。從養(yǎng)分利用的指標(biāo)來看，這可能是高產(chǎn)品種對養(yǎng)分投入的敏感程度高于低產(chǎn)品種[33]。品種演替在不同土壤肥力水平的農(nóng)學(xué)效率的變化不盡相同，豫麥13、鄭麥941、鄭麥9023和鄭麥7698農(nóng)學(xué)效率最大值出現(xiàn)在1.5MNPK處理，20年長期定位試驗后，鄭麥0856的最大值則出現(xiàn)在NPK處理。這可能與小麥品種及土壤磷素含量有關(guān)，需要進(jìn)一步深入研究。因此，合理的養(yǎng)分管理對任一品種養(yǎng)分高效利用均至關(guān)重要。

4 結(jié)論

土壤肥力與品種對小麥籽粒產(chǎn)量、100 kg小麥籽粒需磷量、磷生理效率及農(nóng)學(xué)效率均有顯著影響。隨著小麥品種演替，小麥產(chǎn)量呈上升趨勢，高肥力土壤產(chǎn)量顯著增加，且新品種產(chǎn)量增加幅度大于老品種。低肥力條件下，籽粒產(chǎn)量隨著品種的發(fā)展表現(xiàn)出下降趨勢。小麥品種的演替有利于提高磷的生理效率和農(nóng)學(xué)效率，磷肥生理效率呈拋物線趨勢(圖1)。同時，100 kg糧食對磷的需求也隨著品種的發(fā)展而增加。另一方面，隨著土壤肥力和施肥量的增加，小麥磷肥生理效率下降；豫麥13、鄭麥941、鄭麥7698和鄭麥9023的磷肥農(nóng)學(xué)效率也下降；而鄭麥0856磷肥農(nóng)學(xué)效率呈拋物線趨勢(圖3)。這說明，黃淮海區(qū)域小麥品種演替在高肥力以及養(yǎng)分投入充足時，不僅表現(xiàn)出單產(chǎn)不斷提高，而且磷生理效率也呈逐步增加的趨勢，但在低肥力土壤上沒有上述優(yōu)勢體現(xiàn)。因此，土壤培肥以及定向育種的有機(jī)結(jié)合是實現(xiàn)我國黃淮海區(qū)域小麥高產(chǎn)高效、可持續(xù)發(fā)展的有效方略。