基于長(zhǎng)期定位的無機(jī)有機(jī)肥配施對(duì)土壤養(yǎng)分和小麥籽粒產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

邵云,李靜雅,馬冠群,李春喜,張杰,許雙

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

黃淮海平原是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，其主要栽培模式是小麥-玉米一年兩熟制，糧食產(chǎn)量占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的30%左右[1-2].通過對(duì)傳統(tǒng)施肥、灌溉以及耕地方式的變革，我國(guó)小麥平均單產(chǎn)量已從1949年的641.85 kg/hm2上升至2015年的5 392.65 kg/hm2，小麥單產(chǎn)大幅度提高的同時(shí)也產(chǎn)生了化肥投入過高的問題[3].據(jù)調(diào)查，黃淮海地區(qū)化肥投入量高達(dá)300～350 kg/hm2，但化肥利用率僅為29.1%～39.0%[4].化肥的過量施用破壞了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，因此科學(xué)提高肥料的利用效率才是節(jié)能增產(chǎn)的主要措施[5-6].已有研究發(fā)現(xiàn)小麥籽粒品質(zhì)的形成與其吸收的氮素有顯著關(guān)系[7-10].當(dāng)?shù)叵虏刻幱谌钡獥l件，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，影響小麥根系的生長(zhǎng)，進(jìn)而抑制小麥生長(zhǎng)，造成產(chǎn)量和品質(zhì)下降.但施用過多的氮肥，也會(huì)對(duì)產(chǎn)量以及品質(zhì)產(chǎn)生影響.研究發(fā)現(xiàn)施氮量為0～180 kg/hm2時(shí)，施氮量越高小麥產(chǎn)量越高，籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間等品質(zhì)指標(biāo)顯著提升；當(dāng)施氮量大于240 kg/hm2時(shí)，小麥產(chǎn)量和品質(zhì)均出現(xiàn)不同程度的下降[11].在黃淮海平原如何合理的施加肥料，使其在確保作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的同時(shí)提高籽粒品質(zhì)是目前亟須解決的關(guān)鍵問題.本研究在長(zhǎng)期培肥定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在原有常規(guī)化肥(+F)、化肥+秸稈配施(+FS)、化肥+牛糞配施(+FM)3個(gè)處理的同時(shí)，平行增加了不施肥的處理，對(duì)小麥產(chǎn)量以及籽粒品質(zhì)進(jìn)行分析，旨在為黃淮海平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中調(diào)整培肥措施、優(yōu)化小麥品質(zhì)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省獲嘉縣照鏡鎮(zhèn)前李村小麥-玉米兩熟高產(chǎn)田(35°11′N，113°41′E)，小麥的供試品種為矮抗58.在2007-2018年，試驗(yàn)設(shè)置常規(guī)化肥(+F)、化肥+秸稈配施(+FS)和化肥+牛糞配施(+FM)3種長(zhǎng)期培肥處理，具體情況見表1.

表1 前期試驗(yàn)處理(2007-2018年)

試驗(yàn)于2018年10月至2020年6月開展，在2018-2019年和2019-2020年小麥生育時(shí)期總降水量分別為93.6 mm和174.7 mm，試驗(yàn)期間日均氣溫和日降水量如圖1.播前土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示.試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為肥料水平，即施加肥料(+)和不施加肥料(-)2個(gè)水平；副區(qū)為施肥類型，即常規(guī)化肥(F)、化肥+秸稈配施(FS)和化肥+牛糞配施(FM)3個(gè)水平(表3).每個(gè)處理面積為17.5 m2，3個(gè)重復(fù).試驗(yàn)期間，具體灌水時(shí)間為2018年10月8日、2019年3月15日、2019年5月7日、2019年10月15日、2020年3月20日和2020年5月10日，灌水方式為漫灌.整個(gè)生育期內(nèi)視雜草生長(zhǎng)情況采用人工除草方式和化學(xué)除草方式，其余田間管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理措施.

表2 播前土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表3 試驗(yàn)處理設(shè)置

在小麥成熟期(2019年6月1日和2020年6月3日)用土鉆取0～30 cm深度土壤，風(fēng)干過篩，用于測(cè)定土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),調(diào)查成穗數(shù),并隨機(jī)選取1 m2長(zhǎng)勢(shì)均勻的小麥進(jìn)行測(cè)產(chǎn),隨機(jī)采集小麥植株30株，進(jìn)行室內(nèi)考種，調(diào)查穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量.

1.2 土壤養(yǎng)分與籽粒品質(zhì)測(cè)定

土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用總有機(jī)碳分析儀(Elementer,德國(guó))測(cè)定[12].小麥籽粒品質(zhì)(籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、濕面筋質(zhì)量分?jǐn)?shù)、淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、面團(tuán)形成時(shí)間)采用近紅外谷物分析儀(FOSS,瑞士)測(cè)定[13].

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019和SPSS 22.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用軟件Graphpad prism 8.0.1進(jìn)行分析及作圖，用Duncan法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).

2 結(jié)果分析

2.1 不同施肥處理對(duì)土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖2為不同施肥處理下土壤堿解氮質(zhì)量比變化.在不同肥料水平下，在2018-2019年和2019-2020年，不施肥的-F,-FS,-FM處理土壤堿解氮質(zhì)量比均顯著低于+F,+FS,+FM處理(P<0.05).與+F,+FS,+FM處理相比，-F,-FS,-FM處理土壤堿解氮質(zhì)量比在2018-2019年分別下降20%、22%、25%，在2019-2020年分別下降32.5%、29.2%、33.9%，3種施肥類型的下降幅度相差不大.在不同肥料類型下，在2018-2019年，持續(xù)施肥處理土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小表現(xiàn)為：+FM,+FS,+F，其中+F處理下土壤堿解氮質(zhì)量比極顯著低于+FS,+FM處理(P<0.01)，+FS處理顯著低于+FM(P<0.05)；在2019-2020年，持續(xù)施肥處理土壤堿解氮質(zhì)量比由大到小為：+FS,+FM,+F，+F處理下土壤堿解氮質(zhì)量比顯著低于+FS,+FM處理(P<0.05).在2018-2019年和2019-2020年，不施肥處理土壤堿解氮質(zhì)量比由大到小為：-FM,-FS,-F，-F處理下土壤堿解氮質(zhì)量比顯著低于-FS,-FM處理(P<0.05).

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在不同肥料水平下(圖3)，在2018-2019年和2019-2020年，-F,-FS,-FM處理土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于+F,+FS,+FM處理(P<0.05).與+F,+FS,+FM處理相比，-F,-FS,-FM處理土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2018-2019年分別下降14.7%、7.7%、4.5%，在2019-2020年分別下降22%、15%、16%，可見前期無機(jī)有機(jī)肥配施的處理下降幅度相對(duì)較小.在不同肥料類型下，在2018-2019年，持續(xù)施肥處理土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小表現(xiàn)為：+FM,+FS,+F，其中+F處理下下土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于+FS和+FM處理(P<0.05)；在2019-2020年，持續(xù)施肥處理土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小表現(xiàn)為：+FM,+FS,+F，其中+F處理下下土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于+FS和+FM處理(P<0.05)，+FS處理土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于+FM處理(P<0.05).在2018-2019年和2019-2020年，不施肥處理下土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小表現(xiàn)為：-FM,-FS,-F，-F處理下土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于-FS,-FM處理(P<0.05).

2.3 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

不同肥料水平下(圖4)，在2018-2019年，-F土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于+F(P<0.05)，-FS處理和-FM處理與+FS和+FM處理之間無顯著差異；在2019-2020年，-F,-FS,-FM處理土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于+F,+FS,+FM處理.與+F,+FS,+FM處理相比，-F,-FS,-FM處理土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2018-2019年分別下降20.0%、4.5%、8.7%.在2019-2020年分別下降28.7%、9.3%、9.9%，可見前期無機(jī)有機(jī)肥配施的處理下降幅度相對(duì)較小.不同肥料類型下，在2018-2019年和2019-2020年，持續(xù)施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小表現(xiàn)為：+FM,+FS,+F，+F處理下土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)極顯著低于+FS,+FM處理(P<0.01)；在2019和2020年，不施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小表現(xiàn)為-FM,-FS,-F，-F處理下土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于-FS,-FM處理(P<0.05).

2.4 不同施肥處理對(duì)小麥產(chǎn)量以及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

表4為2019年和2020年小麥產(chǎn)量以及產(chǎn)量構(gòu)成因素.在2019年，不同肥料水平對(duì)公頃穗數(shù)和產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對(duì)穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)；與+F,+FS,+FM處理相比，-F,-FS,-FM處理的產(chǎn)量分別降低12%、2.3%、3.8%，可見前期無機(jī)有機(jī)肥配施處理產(chǎn)量下降幅度小于前期常規(guī)化肥處理.不同肥料類型對(duì)公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)：具體來說，在持續(xù)施肥條件下，+FS和+FM處理的公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量均顯著大于+F處理，+FM處理的千粒質(zhì)量和產(chǎn)量顯著大于+FS處理；在不施肥處理下，-FS和-FM處理下，以上指標(biāo)均顯著大于-F處理，-FM處理下的產(chǎn)量顯著大于-FS處理(P<0.05).肥料水平×肥料類型互作對(duì)公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01).

表4 不同施肥處理下小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

在2020年，不同肥料水平對(duì)公頃穗數(shù)和產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對(duì)小穗數(shù)的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)；與+F,+FS,+FM處理相比，-F,-FS,-FM處理的產(chǎn)量分別降低9.7%、3.4%、4.2%，可見前期無機(jī)有機(jī)肥配施處理產(chǎn)量下降的幅度小于前期常規(guī)化肥處理.不同肥料類型對(duì)公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)：具體來說，在持續(xù)施肥條件下，+FS和+FM處理下公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量均顯著大于+F處理，+FM處理的公頃穗數(shù)和產(chǎn)量顯著大于+FS處理；在不施肥條件下，-FS和-FM處理下以上指標(biāo)均顯著大于-F處理，-FM處理下的公頃穗數(shù)和產(chǎn)量顯著大于-FS處理(P<0.05).肥料水平×肥料類型互作對(duì)公頃穗數(shù)和產(chǎn)量的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05).

2.5 不同施肥處理對(duì)小麥籽粒品質(zhì)的影響

在2019年，不同肥料水平對(duì)籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)和淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)(表5)，對(duì)面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01).不同肥料類型對(duì)籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對(duì)籽粒淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響達(dá)到顯著水平.具體來說，在持續(xù)施肥條件下，+FS,+FM處理下蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著大于+F處理，+FS處理下面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間顯著大于+F和+FM處理；在不施肥條件下，-FS和-FM處理下籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、濕面筋質(zhì)量分?jǐn)?shù)和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間均顯著大于-F處理，與+F,+FS,+FM處理相比，籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別下降了13.8%、1.6%、2.4%.與+FM處理相比，-FM處理籽粒淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高了2.7%.肥料水平×肥料類型互作對(duì)面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對(duì)籽粒淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05).

表5 不同施肥處理下小麥籽粒品質(zhì)

在2019-2020年，不同肥料水平對(duì)籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、濕面筋質(zhì)量分?jǐn)?shù)、淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01).不同肥料類型對(duì)籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、濕面筋質(zhì)量分?jǐn)?shù)、淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01).具體來說，在持續(xù)施肥條件下，+FS,+FM處理下籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間均顯著大于+F處理，+FS處理下濕面筋質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著大于+F和+FM處理；在不施肥條件下，-FS和-FM處理下籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間均顯著大于-F處理，與+F,+FS,+FM處理相比，-F,-FS,-FM處理籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別下降了12.5%、1.7%、3.4%.肥料水平×肥料類型互作對(duì)籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)和淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對(duì)濕面筋質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05).

3 討論與結(jié)論

結(jié)果表明，在長(zhǎng)期培肥的基礎(chǔ)上，不施肥處理下土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和產(chǎn)量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中前期為無機(jī)有機(jī)配施處理在連續(xù)兩年不施肥后的土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和產(chǎn)量下降幅度小于不施加化肥處理.-F處理速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和產(chǎn)量下降較快的原因可能是：化肥一般多為無機(jī)化合物，其中有效成分較高[14]，不需要經(jīng)過土壤內(nèi)微生物的轉(zhuǎn)化便可被作物快速吸收，肥效快[15]，合理施加化肥可以提高土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及作物產(chǎn)量，但是長(zhǎng)期單施化肥也會(huì)使土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，使土壤內(nèi)有效養(yǎng)分流失；連續(xù)兩年不施加化肥后加速土壤養(yǎng)分的耗竭，加快土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化速率，影響作物根系的生長(zhǎng)，導(dǎo)致作物產(chǎn)量穩(wěn)定性下降[16].-FS和-FM處理下降緩慢的原因可能是：秸稈中含有豐富的大量和微量元素，在秸稈還田后可以增加土壤內(nèi)無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，增加土壤孔隙度以及促進(jìn)微生物氮循環(huán)[17]；此外糞肥內(nèi)含有豐富的鈣、鎂、鋅等微量元素，有益微生物的數(shù)量和種類都較多，可以促進(jìn)土壤內(nèi)微生物活性，同時(shí)減少土壤水分散失，提高肥料利用率[18].秸稈或糞肥與化肥配施后，既緩解了單施化肥對(duì)土壤造成的危害，又彌補(bǔ)了秸稈、有機(jī)肥腐熟過程慢的缺點(diǎn)，兩者結(jié)合可以改善土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使土壤內(nèi)各種微生物活性增強(qiáng)，使其中的氮肥更多地被固定，在之后的小麥生長(zhǎng)發(fā)育中釋放出來，滿足小麥生長(zhǎng)發(fā)育的需求，促進(jìn)小麥對(duì)有效養(yǎng)分的吸收[19].同時(shí)秸稈和牛糞分解速度較為緩慢，使得土壤肥力具有長(zhǎng)效性，增加土壤自身的緩沖作用[20].

+F處理下籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間均顯著低于+FS和+FM處理，-F處理的籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、濕面筋質(zhì)量分?jǐn)?shù)、淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間均顯著低于-FS和-FM處理，表明采用無機(jī)有機(jī)配施可以提高小麥籽粒品質(zhì).馬愛平等[21]研究發(fā)現(xiàn)兩種有機(jī)肥(牛糞和羊糞)施用對(duì)籽粒的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、濕面筋質(zhì)量分?jǐn)?shù)和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間等均有顯著影響.李占等[22]研究發(fā)現(xiàn)采用不同比例的無機(jī)有機(jī)配施均可以提高小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)，當(dāng)有機(jī)肥與化肥配施質(zhì)量比例為3:1時(shí)，其蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)相較于不施肥處理相比提高了1.29倍.本研究結(jié)果表明，與+FS和+FM處理相比，-FS和-FM處理籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、濕面筋質(zhì)量分?jǐn)?shù)和淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)下降，但無顯著差異，這可能是因?yàn)闊o機(jī)有機(jī)配施后土壤內(nèi)養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，加強(qiáng)了根系的生長(zhǎng)以及對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)和速效磷的吸收，進(jìn)而促進(jìn)作物籽粒品質(zhì)的提高，而合理的肥料減施對(duì)小麥的產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)有一定的調(diào)節(jié)作用[23].房靜靜等[24]研究發(fā)現(xiàn)不同的比例減施氮肥后均能提高各土層養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但對(duì)籽粒蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、濕面筋質(zhì)量分?jǐn)?shù)，延伸度等籽粒品質(zhì)指標(biāo)的影響均不顯著.

綜上所述，在長(zhǎng)期培肥的基礎(chǔ)上，前期為無機(jī)有機(jī)配施處理在連續(xù)兩年不施肥后的土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和產(chǎn)量下降幅度小于不施加化肥處理，且其籽粒產(chǎn)量以及品質(zhì)與對(duì)應(yīng)的持續(xù)施肥相比下降幅度并不顯著.因此在長(zhǎng)期培肥基礎(chǔ)上，無機(jī)有機(jī)肥配施的土壤-小麥系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高.但因本研究時(shí)間還較短，不進(jìn)行無機(jī)有機(jī)配施的小麥的品質(zhì)并未出現(xiàn)大幅度下降.如果持續(xù)不施肥的時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，小麥籽粒品質(zhì)是否會(huì)出現(xiàn)明顯改變?nèi)孕柽M(jìn)一步驗(yàn)證.