低山丘陵区土壤肥力梯度及其指标对小麦产量、品质性状的影响

马爱平，靖华，亢秀丽，赵玉坤，崔欢虎，黄学芳，席吉龙

（1山西农业大学小麦研究所，山西临汾 041000；2山西农业大学省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹），太原 030006；3山西农业大学山西有机旱作农业研究院，太原 030006；4山西农业大学棉花研究所，山西运城 044000）

0 引言

随着关键气象因子气温升高[1-2]、降水量减少[3-4]的耦合，旱地小麦生产系统的稳定性受到了严峻挑战。较多研究表明，提升土壤肥力是有效应对气候变化的关键措施，是促进粮食生产和农业可持续发展的迫切需要[5]。为此，提升土壤肥力成为广大科技工作者的研究重点，并形成了较多研究成果。在秸秆还田条件下，氮磷配合可保障小麦产量和提升（或维持）土壤肥力[6-7]，氮、磷、钾配施是提高黄土高原小麦产量和土壤肥力的有效措施[8-9]，夏闲期复种饲料油菜并且全量还田可以提高小麦产量，改良土壤有机质含量和土壤酶活性[10]，豆类绿肥—春玉米—冬小麦轮作体系中豆类收获籽粒后茎杆地表覆盖方式可稳定产量、培肥土壤[11]，低肥力田块通过提高施氮量增加的产量低于高肥力田块下的产量[12]。与此同时，在提升土壤肥力与品质性状方面也开展了较多研究。增施农家有机肥可显著改善蛋白质、湿面筋含量、形成时间、稳定时间等品质性状[13]，适量氮肥有利于蛋白质含量、沉降值和湿面筋含量品质性状的提升[14]，施加适量氮肥可增加籽粒蛋白质含量[15]。以上研究成果，在不同生态环境、立地条件下明确了单一措施土壤肥力与产量、品质性状的关系，提升土壤肥力的综合指标对产量、品质性状研究的较多，而有关在同一生态环境、立地条件下的土壤肥力梯度及其指标对产量、品质性状的研究较少。本研究通过在同一生态环境、立地条件背景下选取不同土壤肥力样点获取土壤肥力梯度，测定不同肥力指标，同时进行产量及产量三因素及相关品质性状的调查与测定，开展土壤肥力梯度及其指标对产量、品质性状的差异性及相关性研究，探明不同土壤肥力指标与产量、品质性状的相关性，以期为进一步提升土壤肥力及各项指标、产量及改善品质提供理论依据。

1 研究区概况

研究于2019—2020 年在低山丘陵区山西省乡宁县万福特有机农业有限公司有机小麦种植基地（双鹤乡红凹村，35.556°N、110.102°E）实施。海拔998.00 m，常年平均降水515.00 mm，年平均气温10.48℃。试验年度夏闲期（6—9 月）降雨量为373.4 mm，较常年多14.2 mm，小麦生育期间降水196.6 mm，较常年多40.80 mm。该研究基地为乡宁县2015—2016 年农田高标准建设项目，实施了大规模的土地平整，由此形成了不同肥力等级的农田，其土壤质地均为轻粘土质。在2017—2018、2018—2019、2019—2020 年度施肥均为播种前底施当地生产的牛粪45 t/hm2，均未施入无机氮、磷、钾肥料（从事有机小麦生产不施任何无机肥料）。研究基地选用小麦品种为‘晋麦47 号’，于2019年10月3日采用旋耕播种镇压一体机播种，平均行距22.5 cm，播种量225 kg/hm2。

2 数据采集与处理

2.1 土样采集与处理

在2020年3月10日依据小麦田间长势，从中选取11块麦田0～20 cm土样，作为11个处理。各土样测定土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、硝态氮5个土壤理化指标。土壤有机质的测定依据NY/T 1121.6—2006，土壤全氮的测定依据NY/T 1121.24—2012 自动定氮仪法，土壤有效磷的测定依据NY/T 1121.7—2014，土壤速效钾的测定依据NY/T 889—2004，硝态氮采用森林土壤氮的测定方法(LY/T 1228—2015)。各项指标测定均委托四川华标测检测技术有限公司完成。

11 个处理（样点）的土壤肥力及其指标基本参数（表1）分析表明，有机质、全氮、有效磷、速效钾、硝态氮的变幅分别为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，其中变异系数由大到小为速效钾、硝态氮、有效磷、有机质、全氮。所取样点的各土壤肥力指标存在一定梯度，所取样点形成了土壤肥力梯度。

表1 土壤样品描述性统计

2.2 产量及产量三因素取样与处理

2020年6月11日对所取土样的样点取样10 m2，实收实打计产，换算为公顷产量。2020年5月25日对各处理随机采取3个样点（作为3次重复），每样点取样面积1.35 m2，数取穗数换算。在收获样品中随机取样3次（作为3 次重复），每次取50 穗参照文献[16]测定穗粒数。在各处理收获籽粒中，随机取样3次（作为3次重复），每次500粒称重，换算为千粒重。

2.3 品质性状取样与处理

将收获的各处理籽粒混匀，随机取样3 次（作为3次重复），于2020年8月27日对所取样品采用DA7200二极管阵列近红外光谱仪（瑞典Perten）进行品质分析[17]，测定蛋白质含量、湿面筋含量、延展性、形成时间、稳定时间等品质性状。

2.4 数据处理

资料数据用Excel 2003和DPS平台操作系统进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 土壤肥力梯度及其指标对产量及其构成因素的影响

3.1.1 土壤肥力梯度与产量及产量三因素相关性土壤肥力梯度对产量及构成三因素的影响不同（表2）。不同土壤肥力梯度间产量、穗数、穗粒数、千粒重的变化范围分别为1043.1～5720.8 kg/hm2、288.4～762.5 万穗/hm2、15.0～27.3 粒、36.9～43.4 g，肥力梯度间穗数、穗粒数和千粒重差异极显著。产量、穗数、穗粒数、千粒重性状在不同肥力梯度下的稳定性由大到小为千粒重、穗粒数、穗数和产量。

表2 土壤肥力梯度对产量及产量三因素的影响

对所有样点产量与产量三因素的相关分析（表3）发现，小麦产量与穗数、千粒重的相关系数均存在极显著差异且为正相关，而与穗粒数的相关系数不存在差异。

表3 产量与产量三因素相关性

3.1.2 不同土壤肥力指标与产量及其构成因素的相关性不同土壤肥力指标与产量及其构成因素的相关分析（表4）表明，硝态氮、全氮、有机质、速效钾、有效磷与产量、穗数和千粒重呈显著或极显著正相关，其中有效磷与千粒重的相关性不显著；土壤肥力指标与穗粒数相关性不显著。

表4 不同土壤肥力指标与产量、产量三因素的相关性

不同肥力指标与产量的相关系数表现为硝态氮＞全氮＞有机质＞速效钾＞有效磷，与穗数的相关系数表现为硝态氮＞全氮＞速效钾＞有机质＞有效磷，与千粒重的相关系数表现为硝态氮＞有机质＞速效钾＞全氮＞有效磷。总体不同土肥力指标与产量、产量三因素的相关程度表现为硝态氮＞全氮＞有机质＞速效钾＞有效磷。

3.2 土壤肥力梯度及其指标对小麦籽粒品质性状的影响

3.2.1 土壤肥力梯度对籽粒品质性状的影响不同土壤肥力梯度下蛋白质含量、湿面筋含量、延展性、稳定时间和形成时间分别为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），且土壤肥力梯度间存在极显著差异。蛋白质含量、湿面筋含量、延展性、稳定时间、形成时间在肥力梯度下的稳定性形成时间最差，其次为稳定时间，蛋白质含量、湿面筋含量、延展性较为稳定。

表5 土壤肥力梯度对小麦籽粒品质性状的影响

3.2.2 土壤肥力梯度下蛋白质含量与其他籽粒品质性状的相关性蛋白质含量与湿面筋含量、延展性、稳定时间、形成时间4个品质性状相关程度不同（表6）。蛋白质含量与湿面筋含量、延展性、形成时间的相关系数均存在极显著差异且为正相关，蛋白质含量与稳定时间的相关系数不存在差异。

表6 土壤肥力梯度下蛋白质含量与其他品质性状的相关性

3.2.3 不同土壤肥力指标与品质性状的相关性不同土壤肥力指标与品质性状的相关系数的差异较大（表7）。全氮、速效钾、硝态氮与蛋白质含量、湿面筋含量、延展性、稳定时间、形成时间的相关系数呈显著或极显著正相关，有机质除与延展性正相关，与其他品质性状的相关性都不显著，有效磷与品质指标的相关性不显著。

表7 不同土壤肥力指标与品质性状的相关性

籽粒蛋白质含量和延展性与不同土壤肥力指标的相关系数均表现为硝态氮＞全氮＞速效钾＞有机质＞有效磷（表7），湿面筋含量和形成时间与不同土壤肥力指标的相关系数表现为硝态氮＞速效钾＞全氮＞有机质＞有效磷，稳定时间与不同土壤肥力指标的相关系数表现为速效钾＞硝态氮＞全氮＞有效磷＞有机质。不同肥力指标与品质性状的相关程度总体表现为硝态氮＞速效钾＞全氮＞有机质＞有效磷。

3.3 土壤肥力梯度的产量与品质的相关性

不同土壤肥力梯度下籽粒产量(y)与各品质性状(x)的相关系数不同（表8）。产量与蛋白质含量、湿面筋含量、延展性、形成时间的相关系数均存在极显著正相关，而与稳定时间的相关不显著。

表8 不同土壤肥力梯度下产量与品质性状的相关性

4 讨论

4.1 土壤肥力与小麦产量

本研究表明，土壤肥力梯度与产量、穗数、千粒重均呈线性正相关。王立红等[18]研究表明，提高土壤肥力可以促进小麦植株地上部生长，进而提高小麦产量。张晶晶等[19]通过不同土壤肥力麦田小麦干物质生产和产量的差异研究表明，超高产农田通过增加单位面积的穗数和千粒重，实现小麦高产，且研究表明穗数、穗粒数、千粒重与超高产土壤肥力与高产肥力均存在显著相关，其均与本研究结果相同。因为高肥力农田充足的养分，在拔节期至孕穗期分蘖两极分化过程中可提高分蘖成穗，在拔节期穗分化处于药隔期至四分体时期可提高小花结实率，在灌浆期可保持功能叶有较高的光合作用水平而不早衰，提高千粒重。而有关土壤肥力梯度下不同土壤肥力指标与产量及产量三因素的相关性研究较少。本研究中不同土壤肥力指标与穗粒数的相关性不存在差异，可能是本研究所取样本区域的播种密度整体过大，且生育期降雨较常年偏多造成收获群体偏大所致。

本研究表明，硝态氮、全氮、有机质、速效钾与产量显著或极显著正相关，有效磷与产量的相关性不显著。结果与宋春雨等[20]、王乐等[21]和段英华等[22]的土壤有机质、全氮与产量呈极显著正相关，小麦增产率与土壤全氮含量呈显著正相关相同。陈延华等[23]通过耕地质量的演变及对生产力的影响表明，小麦产量随有效磷和钾的提高呈上升趋势，其与本研究的速效钾与产量呈现显著正相关结果相近，但与本研究的有效磷与产量关系不同，可能是由于耕作制度及不同环境降雨、灌溉、施肥不同，也与本研究的无无机氮施用（2018、2019、2020年连续3个年度）背景而直接影响有效磷的吸收与利用有关，因较多研究表明，无机氮磷配施两者肥效才能较好发挥[24-25]，亦有可能是该区域土壤偏粘降低了磷素空间有效性向生物有效性的转化[26]。马悦等[27]研究表明，硝态氮残留量低于55 kg/hm2时，小麦产量最低为4252 kg/hm2，硝态氮残留量在55～100 kg/hm2，产量最高为7186 kg/hm2，表明适宜的硝态氮是维持小麦高产的基础，其与本项研究结果硝态氮含量与产量呈正相关结果相近。

4.2 土壤肥力指标与品质性状

本研究表明，全氮、速效钾、硝态氮与蛋白质含量、湿面筋含量、延展性、稳定时间、形成时间均存在显著或极显著正相关，有机质与延展性的相关系数存在显著正相关。马悦等[27]研究认为，土壤硝态氮残留大于300 kg/hm2时，小麦籽粒的蛋白质含量达到最高，平均为146.93 g/kg，当土壤硝态氮残留量小于200 kg/hm2时，会显著降低籽粒蛋白质含量；戴健等[28]研究认为，当0～300 cm土壤剖面硝态氮残留量减少，小麦籽粒蛋白质含量显著降低，其两者均与本项研究结果相近。王月福等[29]研究表明，在有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量较高的土壤栽培的小麦比低肥力土壤栽培的小麦籽粒蛋白质及各组分含量都显著提高，高肥力土壤小麦湿面筋含量、形成时间、稳定时间均显著或极显著高于低肥力土壤，其全氮、速效钾含量对品质性状的影响与本研究结果相近，但其并未研究各土壤肥力指标与相关小麦品质性状的关系。杨丽珍等[30]开展了高有机质土壤下施氮对强筋小麦产量及品质的影响，认为高有机质条件下施用氮肥可显著提高籽粒蛋白质含量。本研究中土壤有机质与籽粒蛋白质不存在显著线性正相关，可能是有机质高的麦田土壤贮水量高[31]导致土壤有机质与蛋白质含量的相关系数不显著，因为较多研究表明，干旱显著提高了各品种籽粒蛋白质含量[32]，高水分对小麦品质有稀释效应，如籽粒蛋白质含量、干面筋和湿面筋含量、沉降值等均随灌水量的增加而呈递减趋势[33]。

4.3 不同土壤肥力梯度下产量与品质性状

本研究表明，土壤肥力梯度的产量与蛋白质含量、湿面筋含量、延展性、形成时间的相关系数均存在极显著正相关，而与稳定时间相关性不显著。李玉发等[34]研究表明，籽粒产量与蛋白质、湿面筋含量等营养品质性状呈极显著负相关；曹莉等[35]研究认为，产量与蛋白质含量和沉淀值多呈显著或极显著负相关性，提高产量可能会导致这些品质性状变劣，但在某些试验点和在某些品种中，它们无显著负相关性，甚至还表现出一定的正相关性。本研究结果与上述部分研究结果相同，而与部分结果不一致，其可能是品种、降雨、灌水、肥力等栽培环境因子不同所致，因为品种特性影响小麦籽粒产量及其品质[36]；降雨和灌水均影响土壤水分，而土壤水分既影响小麦产量，也影响其籽粒品质[32]；不同土壤肥力水平对品质性状的影响不同[37]，对产量的影响也不相同[19]。

5 结论

本研究表明，土壤肥力梯度影响产量三因素及品质性状蛋白质含量、湿面筋含量、延展性、稳定时间、形成时间。土壤硝态氮、全氮、有机质、速效钾与产量、穗数、千粒重均呈线性正相关，土肥力指标与产量、产量三因素的相关程度总体表现为硝态氮＞全氮＞有机质＞速效钾＞有效磷。土壤全氮、速效钾、硝态氮与籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、延展性、稳定时间、形成时间均呈线性正相关，有机质与延展性呈现线性正相关，不同肥力指标与品质性状的相关程度总体表现为硝态氮＞速效钾＞全氮＞有机质＞有效磷。不同土壤肥力梯度下，小麦产量与蛋白质含量、湿面筋含量、延展性、形成时间呈现正相关。