低山丘陵區(qū)土壤肥力梯度及其指標(biāo)對小麥產(chǎn)量、品質(zhì)性狀的影響

馬愛平，靖華，亢秀麗，趙玉坤，崔歡虎，黃學(xué)芳，席吉龍

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所，山西臨汾 041000；2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)省部共建有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），太原 030006；3山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，太原 030006；4山西農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花研究所，山西運(yùn)城 044000）

0 引言

隨著關(guān)鍵氣象因子氣溫升高[1-2]、降水量減少[3-4]的耦合，旱地小麥生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。較多研究表明，提升土壤肥力是有效應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵措施，是促進(jìn)糧食生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要[5]。為此，提升土壤肥力成為廣大科技工作者的研究重點(diǎn)，并形成了較多研究成果。在秸稈還田條件下，氮磷配合可保障小麥產(chǎn)量和提升（或維持）土壤肥力[6-7]，氮、磷、鉀配施是提高黃土高原小麥產(chǎn)量和土壤肥力的有效措施[8-9]，夏閑期復(fù)種飼料油菜并且全量還田可以提高小麥產(chǎn)量，改良土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤酶活性[10]，豆類綠肥—春玉米—冬小麥輪作體系中豆類收獲籽粒后莖桿地表覆蓋方式可穩(wěn)定產(chǎn)量、培肥土壤[11]，低肥力田塊通過提高施氮量增加的產(chǎn)量低于高肥力田塊下的產(chǎn)量[12]。與此同時(shí)，在提升土壤肥力與品質(zhì)性狀方面也開展了較多研究。增施農(nóng)家有機(jī)肥可顯著改善蛋白質(zhì)、濕面筋含量、形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間等品質(zhì)性狀[13]，適量氮肥有利于蛋白質(zhì)含量、沉降值和濕面筋含量品質(zhì)性狀的提升[14]，施加適量氮肥可增加籽粒蛋白質(zhì)含量[15]。以上研究成果，在不同生態(tài)環(huán)境、立地條件下明確了單一措施土壤肥力與產(chǎn)量、品質(zhì)性狀的關(guān)系，提升土壤肥力的綜合指標(biāo)對產(chǎn)量、品質(zhì)性狀研究的較多，而有關(guān)在同一生態(tài)環(huán)境、立地條件下的土壤肥力梯度及其指標(biāo)對產(chǎn)量、品質(zhì)性狀的研究較少。本研究通過在同一生態(tài)環(huán)境、立地條件背景下選取不同土壤肥力樣點(diǎn)獲取土壤肥力梯度，測定不同肥力指標(biāo)，同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)量及產(chǎn)量三因素及相關(guān)品質(zhì)性狀的調(diào)查與測定，開展土壤肥力梯度及其指標(biāo)對產(chǎn)量、品質(zhì)性狀的差異性及相關(guān)性研究，探明不同土壤肥力指標(biāo)與產(chǎn)量、品質(zhì)性狀的相關(guān)性，以期為進(jìn)一步提升土壤肥力及各項(xiàng)指標(biāo)、產(chǎn)量及改善品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究于2019—2020 年在低山丘陵區(qū)山西省鄉(xiāng)寧縣萬福特有機(jī)農(nóng)業(yè)有限公司有機(jī)小麥種植基地（雙鶴鄉(xiāng)紅凹村，35.556°N、110.102°E）實(shí)施。海拔998.00 m，常年平均降水515.00 mm，年平均氣溫10.48℃。試驗(yàn)?zāi)甓认拈e期（6—9 月）降雨量為373.4 mm，較常年多14.2 mm，小麥生育期間降水196.6 mm，較常年多40.80 mm。該研究基地為鄉(xiāng)寧縣2015—2016 年農(nóng)田高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)項(xiàng)目，實(shí)施了大規(guī)模的土地平整，由此形成了不同肥力等級的農(nóng)田，其土壤質(zhì)地均為輕粘土質(zhì)。在2017—2018、2018—2019、2019—2020 年度施肥均為播種前底施當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的牛糞45 t/hm2，均未施入無機(jī)氮、磷、鉀肥料（從事有機(jī)小麥生產(chǎn)不施任何無機(jī)肥料）。研究基地選用小麥品種為‘晉麥47 號’，于2019年10月3日采用旋耕播種鎮(zhèn)壓一體機(jī)播種，平均行距22.5 cm，播種量225 kg/hm2。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 土樣采集與處理

在2020年3月10日依據(jù)小麥田間長勢，從中選取11塊麥田0～20 cm土樣，作為11個(gè)處理。各土樣測定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮5個(gè)土壤理化指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)的測定依據(jù)NY/T 1121.6—2006，土壤全氮的測定依據(jù)NY/T 1121.24—2012 自動(dòng)定氮儀法，土壤有效磷的測定依據(jù)NY/T 1121.7—2014，土壤速效鉀的測定依據(jù)NY/T 889—2004，硝態(tài)氮采用森林土壤氮的測定方法(LY/T 1228—2015)。各項(xiàng)指標(biāo)測定均委托四川華標(biāo)測檢測技術(shù)有限公司完成。

11 個(gè)處理（樣點(diǎn)）的土壤肥力及其指標(biāo)基本參數(shù)（表1）分析表明，有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮的變幅分別為5.43～23.20 g/kg、0.05%～0.11%、15.30～99.40 mg/kg、97.00～951.0 mg/kg、0.45～3.28 mg/kg，其中變異系數(shù)由大到小為速效鉀、硝態(tài)氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)、全氮。所取樣點(diǎn)的各土壤肥力指標(biāo)存在一定梯度，所取樣點(diǎn)形成了土壤肥力梯度。

表1 土壤樣品描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量三因素取樣與處理

2020年6月11日對所取土樣的樣點(diǎn)取樣10 m2，實(shí)收實(shí)打計(jì)產(chǎn)，換算為公頃產(chǎn)量。2020年5月25日對各處理隨機(jī)采取3個(gè)樣點(diǎn)（作為3次重復(fù)），每樣點(diǎn)取樣面積1.35 m2，數(shù)取穗數(shù)換算。在收獲樣品中隨機(jī)取樣3次（作為3 次重復(fù)），每次取50 穗?yún)⒄瘴墨I(xiàn)[16]測定穗粒數(shù)。在各處理收獲籽粒中，隨機(jī)取樣3次（作為3次重復(fù)），每次500粒稱重，換算為千粒重。

2.3 品質(zhì)性狀取樣與處理

將收獲的各處理籽?；靹?，隨機(jī)取樣3 次（作為3次重復(fù)），于2020年8月27日對所取樣品采用DA7200二極管陣列近紅外光譜儀（瑞典Perten）進(jìn)行品質(zhì)分析[17]，測定蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、延展性、形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間等品質(zhì)性狀。

2.4 數(shù)據(jù)處理

資料數(shù)據(jù)用Excel 2003和DPS平臺操作系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤肥力梯度及其指標(biāo)對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

3.1.1 土壤肥力梯度與產(chǎn)量及產(chǎn)量三因素相關(guān)性土壤肥力梯度對產(chǎn)量及構(gòu)成三因素的影響不同（表2）。不同土壤肥力梯度間產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重的變化范圍分別為1043.1～5720.8 kg/hm2、288.4～762.5 萬穗/hm2、15.0～27.3 粒、36.9～43.4 g，肥力梯度間穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重差異極顯著。產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重性狀在不同肥力梯度下的穩(wěn)定性由大到小為千粒重、穗粒數(shù)、穗數(shù)和產(chǎn)量。

表2 土壤肥力梯度對產(chǎn)量及產(chǎn)量三因素的影響

對所有樣點(diǎn)產(chǎn)量與產(chǎn)量三因素的相關(guān)分析（表3）發(fā)現(xiàn)，小麥產(chǎn)量與穗數(shù)、千粒重的相關(guān)系數(shù)均存在極顯著差異且為正相關(guān)，而與穗粒數(shù)的相關(guān)系數(shù)不存在差異。

表3 產(chǎn)量與產(chǎn)量三因素相關(guān)性

3.1.2 不同土壤肥力指標(biāo)與產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的相關(guān)性不同土壤肥力指標(biāo)與產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的相關(guān)分析（表4）表明，硝態(tài)氮、全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、有效磷與產(chǎn)量、穗數(shù)和千粒重呈顯著或極顯著正相關(guān)，其中有效磷與千粒重的相關(guān)性不顯著；土壤肥力指標(biāo)與穗粒數(shù)相關(guān)性不顯著。

表4 不同土壤肥力指標(biāo)與產(chǎn)量、產(chǎn)量三因素的相關(guān)性

不同肥力指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為硝態(tài)氮＞全氮＞有機(jī)質(zhì)＞速效鉀＞有效磷，與穗數(shù)的相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為硝態(tài)氮＞全氮＞速效鉀＞有機(jī)質(zhì)＞有效磷，與千粒重的相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為硝態(tài)氮＞有機(jī)質(zhì)＞速效鉀＞全氮＞有效磷?？傮w不同土肥力指標(biāo)與產(chǎn)量、產(chǎn)量三因素的相關(guān)程度表現(xiàn)為硝態(tài)氮＞全氮＞有機(jī)質(zhì)＞速效鉀＞有效磷。

3.2 土壤肥力梯度及其指標(biāo)對小麥籽粒品質(zhì)性狀的影響

3.2.1 土壤肥力梯度對籽粒品質(zhì)性狀的影響不同土壤肥力梯度下蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、延展性、穩(wěn)定時(shí)間和形成時(shí)間分別為6.3%～13.3%、12.1%～28.9%、64.1～164.5 mm、1.8～7.4 min、0.1～4.7 min（表5），且土壤肥力梯度間存在極顯著差異。蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、延展性、穩(wěn)定時(shí)間、形成時(shí)間在肥力梯度下的穩(wěn)定性形成時(shí)間最差，其次為穩(wěn)定時(shí)間，蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、延展性較為穩(wěn)定。

表5 土壤肥力梯度對小麥籽粒品質(zhì)性狀的影響

3.2.2 土壤肥力梯度下蛋白質(zhì)含量與其他籽粒品質(zhì)性狀的相關(guān)性蛋白質(zhì)含量與濕面筋含量、延展性、穩(wěn)定時(shí)間、形成時(shí)間4個(gè)品質(zhì)性狀相關(guān)程度不同（表6）。蛋白質(zhì)含量與濕面筋含量、延展性、形成時(shí)間的相關(guān)系數(shù)均存在極顯著差異且為正相關(guān)，蛋白質(zhì)含量與穩(wěn)定時(shí)間的相關(guān)系數(shù)不存在差異。

表6 土壤肥力梯度下蛋白質(zhì)含量與其他品質(zhì)性狀的相關(guān)性

3.2.3 不同土壤肥力指標(biāo)與品質(zhì)性狀的相關(guān)性不同土壤肥力指標(biāo)與品質(zhì)性狀的相關(guān)系數(shù)的差異較大（表7）。全氮、速效鉀、硝態(tài)氮與蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、延展性、穩(wěn)定時(shí)間、形成時(shí)間的相關(guān)系數(shù)呈顯著或極顯著正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)除與延展性正相關(guān)，與其他品質(zhì)性狀的相關(guān)性都不顯著，有效磷與品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性不顯著。

表7 不同土壤肥力指標(biāo)與品質(zhì)性狀的相關(guān)性

籽粒蛋白質(zhì)含量和延展性與不同土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)均表現(xiàn)為硝態(tài)氮＞全氮＞速效鉀＞有機(jī)質(zhì)＞有效磷（表7），濕面筋含量和形成時(shí)間與不同土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為硝態(tài)氮＞速效鉀＞全氮＞有機(jī)質(zhì)＞有效磷，穩(wěn)定時(shí)間與不同土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為速效鉀＞硝態(tài)氮＞全氮＞有效磷＞有機(jī)質(zhì)。不同肥力指標(biāo)與品質(zhì)性狀的相關(guān)程度總體表現(xiàn)為硝態(tài)氮＞速效鉀＞全氮＞有機(jī)質(zhì)＞有效磷。

3.3 土壤肥力梯度的產(chǎn)量與品質(zhì)的相關(guān)性

不同土壤肥力梯度下籽粒產(chǎn)量(y)與各品質(zhì)性狀(x)的相關(guān)系數(shù)不同（表8）。產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、延展性、形成時(shí)間的相關(guān)系數(shù)均存在極顯著正相關(guān)，而與穩(wěn)定時(shí)間的相關(guān)不顯著。

表8 不同土壤肥力梯度下產(chǎn)量與品質(zhì)性狀的相關(guān)性

4 討論

4.1 土壤肥力與小麥產(chǎn)量

本研究表明，土壤肥力梯度與產(chǎn)量、穗數(shù)、千粒重均呈線性正相關(guān)。王立紅等[18]研究表明，提高土壤肥力可以促進(jìn)小麥植株地上部生長，進(jìn)而提高小麥產(chǎn)量。張晶晶等[19]通過不同土壤肥力麥田小麥干物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量的差異研究表明，超高產(chǎn)農(nóng)田通過增加單位面積的穗數(shù)和千粒重，實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)，且研究表明穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重與超高產(chǎn)土壤肥力與高產(chǎn)肥力均存在顯著相關(guān)，其均與本研究結(jié)果相同。因?yàn)楦叻柿r(nóng)田充足的養(yǎng)分，在拔節(jié)期至孕穗期分蘗兩極分化過程中可提高分蘗成穗，在拔節(jié)期穗分化處于藥隔期至四分體時(shí)期可提高小花結(jié)實(shí)率，在灌漿期可保持功能葉有較高的光合作用水平而不早衰，提高千粒重。而有關(guān)土壤肥力梯度下不同土壤肥力指標(biāo)與產(chǎn)量及產(chǎn)量三因素的相關(guān)性研究較少。本研究中不同土壤肥力指標(biāo)與穗粒數(shù)的相關(guān)性不存在差異，可能是本研究所取樣本區(qū)域的播種密度整體過大，且生育期降雨較常年偏多造成收獲群體偏大所致。

本研究表明，硝態(tài)氮、全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀與產(chǎn)量顯著或極顯著正相關(guān)，有效磷與產(chǎn)量的相關(guān)性不顯著。結(jié)果與宋春雨等[20]、王樂等[21]和段英華等[22]的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，小麥增產(chǎn)率與土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)相同。陳延華等[23]通過耕地質(zhì)量的演變及對生產(chǎn)力的影響表明，小麥產(chǎn)量隨有效磷和鉀的提高呈上升趨勢，其與本研究的速效鉀與產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)結(jié)果相近，但與本研究的有效磷與產(chǎn)量關(guān)系不同，可能是由于耕作制度及不同環(huán)境降雨、灌溉、施肥不同，也與本研究的無無機(jī)氮施用（2018、2019、2020年連續(xù)3個(gè)年度）背景而直接影響有效磷的吸收與利用有關(guān)，因較多研究表明，無機(jī)氮磷配施兩者肥效才能較好發(fā)揮[24-25]，亦有可能是該區(qū)域土壤偏粘降低了磷素空間有效性向生物有效性的轉(zhuǎn)化[26]。馬悅等[27]研究表明，硝態(tài)氮?dú)埩袅康陀?5 kg/hm2時(shí)，小麥產(chǎn)量最低為4252 kg/hm2，硝態(tài)氮?dú)埩袅吭?5～100 kg/hm2，產(chǎn)量最高為7186 kg/hm2，表明適宜的硝態(tài)氮是維持小麥高產(chǎn)的基礎(chǔ)，其與本項(xiàng)研究結(jié)果硝態(tài)氮含量與產(chǎn)量呈正相關(guān)結(jié)果相近。

4.2 土壤肥力指標(biāo)與品質(zhì)性狀

本研究表明，全氮、速效鉀、硝態(tài)氮與蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、延展性、穩(wěn)定時(shí)間、形成時(shí)間均存在顯著或極顯著正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)與延展性的相關(guān)系數(shù)存在顯著正相關(guān)。馬悅等[27]研究認(rèn)為，土壤硝態(tài)氮?dú)埩舸笥?00 kg/hm2時(shí)，小麥籽粒的蛋白質(zhì)含量達(dá)到最高，平均為146.93 g/kg，當(dāng)土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅啃∮?00 kg/hm2時(shí)，會(huì)顯著降低籽粒蛋白質(zhì)含量；戴健等[28]研究認(rèn)為，當(dāng)0～300 cm土壤剖面硝態(tài)氮?dú)埩袅繙p少，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量顯著降低，其兩者均與本項(xiàng)研究結(jié)果相近。王月福等[29]研究表明，在有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量較高的土壤栽培的小麥比低肥力土壤栽培的小麥籽粒蛋白質(zhì)及各組分含量都顯著提高，高肥力土壤小麥濕面筋含量、形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間均顯著或極顯著高于低肥力土壤，其全氮、速效鉀含量對品質(zhì)性狀的影響與本研究結(jié)果相近，但其并未研究各土壤肥力指標(biāo)與相關(guān)小麥品質(zhì)性狀的關(guān)系。楊麗珍等[30]開展了高有機(jī)質(zhì)土壤下施氮對強(qiáng)筋小麥產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，認(rèn)為高有機(jī)質(zhì)條件下施用氮肥可顯著提高籽粒蛋白質(zhì)含量。本研究中土壤有機(jī)質(zhì)與籽粒蛋白質(zhì)不存在顯著線性正相關(guān)，可能是有機(jī)質(zhì)高的麥田土壤貯水量高[31]導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)與蛋白質(zhì)含量的相關(guān)系數(shù)不顯著，因?yàn)檩^多研究表明，干旱顯著提高了各品種籽粒蛋白質(zhì)含量[32]，高水分對小麥品質(zhì)有稀釋效應(yīng)，如籽粒蛋白質(zhì)含量、干面筋和濕面筋含量、沉降值等均隨灌水量的增加而呈遞減趨勢[33]。

4.3 不同土壤肥力梯度下產(chǎn)量與品質(zhì)性狀

本研究表明，土壤肥力梯度的產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、延展性、形成時(shí)間的相關(guān)系數(shù)均存在極顯著正相關(guān)，而與穩(wěn)定時(shí)間相關(guān)性不顯著。李玉發(fā)等[34]研究表明，籽粒產(chǎn)量與蛋白質(zhì)、濕面筋含量等營養(yǎng)品質(zhì)性狀呈極顯著負(fù)相關(guān)；曹莉等[35]研究認(rèn)為，產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量和沉淀值多呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性，提高產(chǎn)量可能會(huì)導(dǎo)致這些品質(zhì)性狀變劣，但在某些試驗(yàn)點(diǎn)和在某些品種中，它們無顯著負(fù)相關(guān)性，甚至還表現(xiàn)出一定的正相關(guān)性。本研究結(jié)果與上述部分研究結(jié)果相同，而與部分結(jié)果不一致，其可能是品種、降雨、灌水、肥力等栽培環(huán)境因子不同所致，因?yàn)槠贩N特性影響小麥籽粒產(chǎn)量及其品質(zhì)[36]；降雨和灌水均影響土壤水分，而土壤水分既影響小麥產(chǎn)量，也影響其籽粒品質(zhì)[32]；不同土壤肥力水平對品質(zhì)性狀的影響不同[37]，對產(chǎn)量的影響也不相同[19]。

5 結(jié)論

本研究表明，土壤肥力梯度影響產(chǎn)量三因素及品質(zhì)性狀蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、延展性、穩(wěn)定時(shí)間、形成時(shí)間。土壤硝態(tài)氮、全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀與產(chǎn)量、穗數(shù)、千粒重均呈線性正相關(guān)，土肥力指標(biāo)與產(chǎn)量、產(chǎn)量三因素的相關(guān)程度總體表現(xiàn)為硝態(tài)氮＞全氮＞有機(jī)質(zhì)＞速效鉀＞有效磷。土壤全氮、速效鉀、硝態(tài)氮與籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、延展性、穩(wěn)定時(shí)間、形成時(shí)間均呈線性正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)與延展性呈現(xiàn)線性正相關(guān)，不同肥力指標(biāo)與品質(zhì)性狀的相關(guān)程度總體表現(xiàn)為硝態(tài)氮＞速效鉀＞全氮＞有機(jī)質(zhì)＞有效磷。不同土壤肥力梯度下，小麥產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、延展性、形成時(shí)間呈現(xiàn)正相關(guān)。