基于长期定位的无机有机肥配施对土壤养分和小麦籽粒产量及品质的影响

邵云,李静雅,马冠群,李春喜,张杰,许双

(河南师范大学 生命科学学院，河南 新乡 453007)

黄淮海平原是我国重要的粮食生产基地，其主要栽培模式是小麦-玉米一年两熟制，粮食产量占全国粮食总产量的30%左右[1-2].通过对传统施肥、灌溉以及耕地方式的变革，我国小麦平均单产量已从1949年的641.85 kg/hm2上升至2015年的5 392.65 kg/hm2，小麦单产大幅度提高的同时也产生了化肥投入过高的问题[3].据调查，黄淮海地区化肥投入量高达300～350 kg/hm2，但化肥利用率仅为29.1%～39.0%[4].化肥的过量施用破坏了农田生态系统的可持续性，因此科学提高肥料的利用效率才是节能增产的主要措施[5-6].已有研究发现小麦籽粒品质的形成与其吸收的氮素有显著关系[7-10].当地下部处于缺氮条件，土壤养分质量分数下降，影响小麦根系的生长，进而抑制小麦生长，造成产量和品质下降.但施用过多的氮肥，也会对产量以及品质产生影响.研究发现施氮量为0～180 kg/hm2时，施氮量越高小麦产量越高，籽粒蛋白质量分数、淀粉质量分数、面团稳定时间等品质指标显著提升；当施氮量大于240 kg/hm2时，小麦产量和品质均出现不同程度的下降[11].在黄淮海平原如何合理的施加肥料，使其在确保作物稳产高产的同时提高籽粒品质是目前亟须解决的关键问题.本研究在长期培肥定位试验的基础上，在原有常规化肥(+F)、化肥+秸秆配施(+FS)、化肥+牛粪配施(+FM)3个处理的同时，平行增加了不施肥的处理，对小麦产量以及籽粒品质进行分析，旨在为黄淮海平原农业生产中调整培肥措施、优化小麦品质提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

试验地点位于河南省获嘉县照镜镇前李村小麦-玉米两熟高产田(35°11′N，113°41′E)，小麦的供试品种为矮抗58.在2007-2018年，试验设置常规化肥(+F)、化肥+秸秆配施(+FS)和化肥+牛粪配施(+FM)3种长期培肥处理，具体情况见表1.

表1 前期试验处理(2007-2018年)

试验于2018年10月至2020年6月开展，在2018-2019年和2019-2020年小麦生育时期总降水量分别为93.6 mm和174.7 mm，试验期间日均气温和日降水量如图1.播前土壤养分质量分数如表2所示.试验采用裂区设计，主区为肥料水平，即施加肥料(+)和不施加肥料(-)2个水平；副区为施肥类型，即常规化肥(F)、化肥+秸秆配施(FS)和化肥+牛粪配施(FM)3个水平(表3).每个处理面积为17.5 m2，3个重复.试验期间，具体灌水时间为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，灌水方式为漫灌.整个生育期内视杂草生长情况采用人工除草方式和化学除草方式，其余田间管理措施同当地常规管理措施.

表2 播前土壤养分质量分数

表3 试验处理设置

在小麦成熟期(2019年6月1日和2020年6月3日)用土钻取0～30 cm深度土壤，风干过筛，用于测定土壤碱解氮质量分数、速效磷质量分数和有机质质量分数,调查成穗数,并随机选取1 m2长势均匀的小麦进行测产,随机采集小麦植株30株，进行室内考种，调查穗粒数和千粒质量.

1.2 土壤养分与籽粒品质测定

土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤速效磷质量分数采用钼锑抗比色法测定；土壤有机质质量分数采用总有机碳分析仪(Elementer,德国)测定[12].小麦籽粒品质(籽粒蛋白质量分数、湿面筋质量分数、淀粉质量分数、面团形成时间)采用近红外谷物分析仪(FOSS,瑞士)测定[13].

1.3 数据处理

采用Excel 2019和SPSS 22.0对试验数据进行整理，用软件Graphpad prism 8.0.1进行分析及作图，用Duncan法进行显著性检验.

2 结果分析

2.1 不同施肥处理对土壤碱解氮质量分数的影响

图2为不同施肥处理下土壤碱解氮质量比变化.在不同肥料水平下，在2018-2019年和2019-2020年，不施肥的-F,-FS,-FM处理土壤碱解氮质量比均显著低于+F,+FS,+FM处理(P<0.05).与+F,+FS,+FM处理相比，-F,-FS,-FM处理土壤碱解氮质量比在2018-2019年分别下降20%、22%、25%，在2019-2020年分别下降32.5%、29.2%、33.9%，3种施肥类型的下降幅度相差不大.在不同肥料类型下，在2018-2019年，持续施肥处理土壤碱解氮质量分数由大到小表现为：+FM,+FS,+F，其中+F处理下土壤碱解氮质量比极显著低于+FS,+FM处理(P<0.01)，+FS处理显著低于+FM(P<0.05)；在2019-2020年，持续施肥处理土壤碱解氮质量比由大到小为：+FS,+FM,+F，+F处理下土壤碱解氮质量比显著低于+FS,+FM处理(P<0.05).在2018-2019年和2019-2020年，不施肥处理土壤碱解氮质量比由大到小为：-FM,-FS,-F，-F处理下土壤碱解氮质量比显著低于-FS,-FM处理(P<0.05).

2.2 不同施肥处理对土壤速效磷质量分数的影响

在不同肥料水平下(图3)，在2018-2019年和2019-2020年，-F,-FS,-FM处理土壤速效磷质量分数均显著低于+F,+FS,+FM处理(P<0.05).与+F,+FS,+FM处理相比，-F,-FS,-FM处理土壤速效磷质量分数在2018-2019年分别下降14.7%、7.7%、4.5%，在2019-2020年分别下降22%、15%、16%，可见前期无机有机肥配施的处理下降幅度相对较小.在不同肥料类型下，在2018-2019年，持续施肥处理土壤速效磷质量分数由大到小表现为：+FM,+FS,+F，其中+F处理下下土壤速效磷质量分数显著低于+FS和+FM处理(P<0.05)；在2019-2020年，持续施肥处理土壤速效磷质量分数由大到小表现为：+FM,+FS,+F，其中+F处理下下土壤速效磷质量分数显著低于+FS和+FM处理(P<0.05)，+FS处理土壤速效磷质量分数显著低于+FM处理(P<0.05).在2018-2019年和2019-2020年，不施肥处理下土壤速效磷质量分数由大到小表现为：-FM,-FS,-F，-F处理下土壤速效磷质量分数显著低于-FS,-FM处理(P<0.05).

2.3 不同施肥处理对土壤有机质质量分数的影响

不同肥料水平下(图4)，在2018-2019年，-F土壤有机质质量分数显著低于+F(P<0.05)，-FS处理和-FM处理与+FS和+FM处理之间无显著差异；在2019-2020年，-F,-FS,-FM处理土壤有机质质量分数均显著低于+F,+FS,+FM处理.与+F,+FS,+FM处理相比，-F,-FS,-FM处理土壤有机质质量分数在2018-2019年分别下降20.0%、4.5%、8.7%.在2019-2020年分别下降28.7%、9.3%、9.9%，可见前期无机有机肥配施的处理下降幅度相对较小.不同肥料类型下，在2018-2019年和2019-2020年，持续施肥处理土壤有机质质量分数由大到小表现为：+FM,+FS,+F，+F处理下土壤有机质质量分数极显著低于+FS,+FM处理(P<0.01)；在2019和2020年，不施肥处理土壤有机质质量分数由大到小表现为-FM,-FS,-F，-F处理下土壤有机质质量分数显著低于-FS,-FM处理(P<0.05).

2.4 不同施肥处理对小麦产量以及产量构成的影响

表4为2019年和2020年小麦产量以及产量构成因素.在2019年，不同肥料水平对公顷穗数和产量的影响达到极显著水平(P<0.01)，对穗粒数和千粒质量的影响达到显著水平(P<0.05)；与+F,+FS,+FM处理相比，-F,-FS,-FM处理的产量分别降低12%、2.3%、3.8%，可见前期无机有机肥配施处理产量下降幅度小于前期常规化肥处理.不同肥料类型对公顷穗数、穗粒数、千粒质量和产量的影响均达到极显著水平(P<0.01)：具体来说，在持续施肥条件下，+FS和+FM处理的公顷穗数、穗粒数、千粒质量和产量均显著大于+F处理，+FM处理的千粒质量和产量显著大于+FS处理；在不施肥处理下，-FS和-FM处理下，以上指标均显著大于-F处理，-FM处理下的产量显著大于-FS处理(P<0.05).肥料水平×肥料类型互作对公顷穗数、穗粒数和产量的影响达到极显著水平(P<0.01).

表4 不同施肥处理下小麦产量及产量构成因素

在2020年，不同肥料水平对公顷穗数和产量的影响达到极显著水平(P<0.01)，对小穗数的影响达到显著水平(P<0.05)；与+F,+FS,+FM处理相比，-F,-FS,-FM处理的产量分别降低9.7%、3.4%、4.2%，可见前期无机有机肥配施处理产量下降的幅度小于前期常规化肥处理.不同肥料类型对公顷穗数、穗粒数、千粒质量和产量的影响均达到极显著水平(P<0.01)：具体来说，在持续施肥条件下，+FS和+FM处理下公顷穗数、穗粒数、千粒质量和产量均显著大于+F处理，+FM处理的公顷穗数和产量显著大于+FS处理；在不施肥条件下，-FS和-FM处理下以上指标均显著大于-F处理，-FM处理下的公顷穗数和产量显著大于-FS处理(P<0.05).肥料水平×肥料类型互作对公顷穗数和产量的影响达到显著水平(P<0.05).

2.5 不同施肥处理对小麦籽粒品质的影响

在2019年，不同肥料水平对籽粒蛋白质量分数和淀粉质量分数的影响达到显著水平(P<0.05)(表5)，对面团稳定时间的影响达到极显著水平(P<0.01).不同肥料类型对籽粒蛋白质量分数和面团稳定时间的影响达到极显著水平(P<0.01)，对籽粒淀粉质量分数的影响达到显著水平.具体来说，在持续施肥条件下，+FS,+FM处理下蛋白质量分数均显著大于+F处理，+FS处理下面团稳定时间显著大于+F和+FM处理；在不施肥条件下，-FS和-FM处理下籽粒蛋白质量分数、湿面筋质量分数和面团稳定时间均显著大于-F处理，与+F,+FS,+FM处理相比，籽粒蛋白质量分数分别下降了13.8%、1.6%、2.4%.与+FM处理相比，-FM处理籽粒淀粉质量分数升高了2.7%.肥料水平×肥料类型互作对面团稳定时间的影响达到极显著水平(P<0.01)，对籽粒淀粉质量分数的影响达到显著水平(P<0.05).

表5 不同施肥处理下小麦籽粒品质

在2019-2020年，不同肥料水平对籽粒蛋白质量分数、湿面筋质量分数、淀粉质量分数和面团稳定时间的影响达到极显著水平(P<0.01).不同肥料类型对籽粒蛋白质量分数、湿面筋质量分数、淀粉质量分数和面团稳定时间的影响达到极显著水平(P<0.01).具体来说，在持续施肥条件下，+FS,+FM处理下籽粒蛋白质量分数和面团稳定时间均显著大于+F处理，+FS处理下湿面筋质量分数显著大于+F和+FM处理；在不施肥条件下，-FS和-FM处理下籽粒蛋白质量分数、淀粉质量分数和面团稳定时间均显著大于-F处理，与+F,+FS,+FM处理相比，-F,-FS,-FM处理籽粒蛋白质量分数分别下降了12.5%、1.7%、3.4%.肥料水平×肥料类型互作对籽粒蛋白质量分数和淀粉质量分数的影响达到极显著水平(P<0.01)，对湿面筋质量分数的影响达到显著水平(P<0.05).

3 讨论与结论

结果表明，在长期培肥的基础上，不施肥处理下土壤碱解氮质量分数、速效磷质量分数、有机质质量分数和产量均呈现下降趋势，其中前期为无机有机配施处理在连续两年不施肥后的土壤速效磷质量分数、有机碳质量分数和产量下降幅度小于不施加化肥处理.-F处理速效磷质量分数、有机碳质量分数和产量下降较快的原因可能是：化肥一般多为无机化合物，其中有效成分较高[14]，不需要经过土壤内微生物的转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养分质量分数以及作物产量，但是长期单施化肥也会使土壤内部结构破坏，使土壤内有效养分流失；连续两年不施加化肥后加速土壤养分的耗竭，加快土壤中有机质的矿化速率，影响作物根系的生长，导致作物产量稳定性下降[16].-FS和-FM处理下降缓慢的原因可能是：秸秆中含有丰富的大量和微量元素，在秸秆还田后可以增加土壤内无机氮质量分数，增加土壤孔隙度以及促进微生物氮循环[17]；此外粪肥内含有丰富的钙、镁、锌等微量元素，有益微生物的数量和种类都较多，可以促进土壤内微生物活性，同时减少土壤水分散失，提高肥料利用率[18].秸秆或粪肥与化肥配施后，既缓解了单施化肥对土壤造成的危害，又弥补了秸秆、有机肥腐熟过程慢的缺点，两者结合可以改善土壤内部结构，使土壤内各种微生物活性增强，使其中的氮肥更多地被固定，在之后的小麦生长发育中释放出来，满足小麦生长发育的需求，促进小麦对有效养分的吸收[19].同时秸秆和牛粪分解速度较为缓慢，使得土壤肥力具有长效性，增加土壤自身的缓冲作用[20].

+F处理下籽粒蛋白质量分数和面团稳定时间均显著低于+FS和+FM处理，-F处理的籽粒蛋白质量分数、湿面筋质量分数、淀粉质量分数和和面团稳定时间均显著低于-FS和-FM处理，表明采用无机有机配施可以提高小麦籽粒品质.马爱平等[21]研究发现两种有机肥(牛粪和羊粪)施用对籽粒的蛋白质量分数、湿面筋质量分数和面团稳定时间等均有显著影响.李占等[22]研究发现采用不同比例的无机有机配施均可以提高小麦产量和籽粒蛋白质量分数，当有机肥与化肥配施质量比例为3:1时，其蛋白质量分数相较于不施肥处理相比提高了1.29倍.本研究结果表明，与+FS和+FM处理相比，-FS和-FM处理籽粒蛋白质量分数、湿面筋质量分数和淀粉质量分数均出现下降，但无显著差异，这可能是因为无机有机配施后土壤内养分质量分数增加，加强了根系的生长以及对土壤中有机质和速效磷的吸收，进而促进作物籽粒品质的提高，而合理的肥料减施对小麦的产量和籽粒品质有一定的调节作用[23].房静静等[24]研究发现不同的比例减施氮肥后均能提高各土层养分质量分数，但对籽粒蛋白质量分数、湿面筋质量分数，延伸度等籽粒品质指标的影响均不显著.

综上所述，在长期培肥的基础上，前期为无机有机配施处理在连续两年不施肥后的土壤速效磷质量分数、有机碳质量分数和产量下降幅度小于不施加化肥处理，且其籽粒产量以及品质与对应的持续施肥相比下降幅度并不显著.因此在长期培肥基础上，无机有机肥配施的土壤-小麦系统的稳定性更高.但因本研究时间还较短，不进行无机有机配施的小麦的品质并未出现大幅度下降.如果持续不施肥的时间继续延长，小麦籽粒品质是否会出现明显改变仍需进一步验证.