黑龍江大豆-玉米輪作體系氮磷調控的產量效應與養(yǎng)分平衡

張 陽，張春宇，張明聰，金喜軍，王孟雪，張玉先

（黑龍江八一農墾大學農學院，黑龍江 大慶 163319）

黑龍江省是我國大豆和玉米的主要供應基地，大豆和玉米種植面積分別為274.5萬和662萬hm2左右，年均總產分別達448.4萬和2888萬t［1-2］。輪作是充分利用土地資源，降低生產成本，提高農民收入的重要途徑，特別是豆科作物與禾本科作物輪作［3］。據(jù)研究報道［4］，相比非輪作種植制度，糧豆輪作可增加大豆和玉米單產且減少農藥和化肥的施用量。郭耀東等［5］研究表明，豆科作物有提高土壤肥力和顯著提高后作玉米產量等優(yōu)點。大豆-玉米輪作是黑龍江省大豆主要輪作模式之一，隨著2016年中央一號文件“探索實行耕地輪作休耕制度試點”的發(fā)布以及輪作補貼的實施，大豆-玉米輪作種植面積呈逐漸擴增的趨勢。但由于農戶種植生產中作物施肥方案仍按照傳統(tǒng)單作大豆、玉米施肥模式，未統(tǒng)籌考慮大豆-玉米輪作體系整體的施肥需求，造成肥料損失、環(huán)境污染等現(xiàn)象。對此，本文從降低肥料損失，改善土壤環(huán)境的角度出發(fā)，制定一個輪作周期內總施肥量不變，大豆茬口減氮增磷和玉米茬口增氮減磷的一體化施肥模式，以期尋找一種最優(yōu)的肥料運籌模式。本研究以黑龍江省九三管局鶴山農場大豆-玉米輪作體系下氮、磷分配特征為切入點，根據(jù)該區(qū)域同期的農戶肥料施用狀況調查［6-7］、大豆和玉米養(yǎng)分需求規(guī)律及適宜的肥料用量［8-9］等研究結果，結合氮、磷肥料的產量效應、作物吸收氮磷鉀養(yǎng)分特征、氮磷調控下土壤養(yǎng)分實際平衡及經(jīng)濟效益，探討了大豆-玉米輪作制中氮、磷的合理分配問題，為黑龍江墾區(qū)合理的養(yǎng)分管理提供理論指導和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017～2019年在黑龍江省九三管局鶴山農場科技園區(qū)進行。該試驗區(qū)屬于寒溫帶大陸性氣候，年降水量538.3 mm，年平均氣溫1.6℃，年日照時數(shù)達2429.3 h，無霜期119 d。試驗田土壤類型為黑土，弱酸性，其0～20 cm土壤的基本理化性質：pH 6.3，有機質含量13.4 g/kg，全氮含量0.78 g/kg，全磷含量0.71 g/kg，全鉀含量17.55 g/kg，堿解氮含量141.8 mg/kg，有效磷含量40.6 mg/kg，速效鉀含量180 mg/kg。本研究作物生長期間氣象數(shù)據(jù)由本試驗點農場小型氣象站測定獲得，具體氣象數(shù)據(jù)如圖1所示。

供試肥料：尿素（N 46%）；磷酸二銨（N 18%，P2O546%）；硫酸鉀（K2O 50%）；供試大豆品種為當?shù)刂髟云贩N黑河“43”，玉米品種為當?shù)刂髟云贩N德美亞一號。

1.2 試驗處理及設計

種植方式為大豆-玉米輪作。2017年種植大豆，2018年種植玉米，2019年種植大豆。為保證一個輪作周期總施肥量不變，每個作物分別設置4種氮磷調控處理，各處理設置如下：

（1）大豆季。SCK：當?shù)爻Ｒ?guī)施肥；S1：在常規(guī)施肥基礎上，減施1/3氮肥，增施1/3玉米磷肥；S2：在常規(guī)施肥基礎上，減施1/2氮肥，增施1/2玉米磷肥；S3：在常規(guī)施肥基礎上，減施2/3氮肥，增施2/3玉米磷肥。

（2）玉米季。MCK：當?shù)爻Ｒ?guī)施肥；M1：在常規(guī)施肥基礎上，增施1/3大豆氮肥，減施1/3磷肥；M2：在常規(guī)施肥基礎上，增施1/2大豆氮肥，減施1/2磷肥；M3：在常規(guī)施肥基礎上，增施2/3大豆氮肥，減施2/3磷肥。

大豆-玉米輪作周年各處理表示為SCK-MCK、S1-M1、S2-M2、S3-M3。

試驗采取隨機區(qū)組設計，3次重復。小區(qū)面積78 m2（15 m長，0.65 m壟寬，8壟）。大豆所有氮、磷、鉀肥均做底肥施入土壤；玉米1/2氮肥做底肥施入土壤、剩余1/2于最后一次中耕時施入，磷和鉀肥均做底肥施入。大豆保苗密度40萬株/hm2，玉米保苗密度10萬株/hm2。全生育期無灌水。其它田間管理同當?shù)卮筇铩?/p>

大豆和玉米具體施肥方案見表1。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質量的測定

大豆茬口鼓粒期、成熟期和玉米茬口大喇叭口期、灌漿期、完熟期隨機采取具有代表性的植株5株，大豆按葉片、葉柄、莢皮、莖和籽粒5部分器官分樣，玉米按葉片、莖稈、苞葉、穗軸和籽粒5部分器官分樣，均在105℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重，測定干物質量。后用粉樣機將烘干植株樣品粉碎，密封保存，以備植株氮磷鉀養(yǎng)分含量測定。

1.3.2 氮磷鉀養(yǎng)分含量測定

將粉碎好的植株樣品用H2SO4-H2O2消煮法制備待測液，全氮含量用凱氏定氮法測定，全磷含量用釩鉬黃比色法測定，全鉀含量用火焰光度法測定。

1.3.3 測產

作物成熟后，大豆試驗區(qū)每個處理選取1 m2的大豆進行考種測產，并測定單株粒數(shù)、單株莢數(shù)及百粒重等產量構成因素；玉米試驗區(qū)每個處理選取2 m2的玉米進行考種測產，并測定穗行數(shù)、穗粒數(shù)及百粒重等產量構成因素（大豆試驗區(qū)和玉米試驗區(qū)均測定不施氮處理、不施磷處理及不施鉀處理的產量，以計算土壤的供肥量）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 養(yǎng)分利用率計算

植株氮（磷、鉀）素總積累量（kg/hm2）=

Σ植株各器官干重×氮（磷、鉀）含量

表觀平衡（%）=（輸入量-輸出量）/輸出量×100；

盈（或虧）（%）=（輸入量+土壤供給量-輸出量）/輸出量×100。輸入量僅包括化肥投入量；輸出量僅包括作物收獲而帶出的養(yǎng)分含量［10］。

1.4.2 經(jīng)濟效益計算

肥料價格和作物單價均按當?shù)厥袌鰞r進行計算。由于本試驗僅探討施肥對輪作作物經(jīng)濟效益的影響，因此計算時未將種子成本和人工成本考慮在內。

采用Excel 2010對所有數(shù)據(jù)進行處理和計算，通過SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，用LSD法檢測處理間P＜0.05水平的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 氮磷調控對大豆、玉米生長的影響

2.1.1 對大豆地上部干物質的影響

干物質量積累量的增加是作物獲得高產的基礎［11-12］。圖2結果顯示，鼓粒期，S2處理的營養(yǎng)器官干物質積累量顯著高于SCK處理；莢果干物質積累量以S2處理最高；成熟期，地上部干物質積累量以S2處理最高，相比其它各處理增幅分別達29.0%、20.3%和48.2%（P＜0.05）。表明大豆季減施1/2氮肥，增施1/2玉米磷肥（S2）的調控處理有利于提高大豆地上部干物質的積累量，為高產提供物質基礎。

2.1.2 對玉米地上部干物質的影響

圖3結果顯示，不同氮磷調控處理對玉米喇叭口期后的干物質積累量有影響。灌漿期和完熟期各處理的干物質積累量均以M2處理最高，與MCK處理相比，增幅分別達8.8%和15.0%。表明玉米茬口增施1/2大豆氮肥、減施1/2磷肥（M2）的調控處理可促進生育后期玉米對土壤養(yǎng)分的吸收，提高生育后期干物質的積累。

2.1.3 對大豆產量構成因素的影響

表2結果顯示，不同氮磷調控處理的無效莢、單株莢數(shù)和百粒重在處理間無顯著差異。各處理的株高、單株粒數(shù)和產量均以S2處理最高，與SCK處理相比，增幅分別達13.9%、7.5%和5.9%。說明，大豆茬口減施1/2氮肥、增施1/2玉米磷肥（S2）的調控處理更有利于提高大豆產量因子，從而獲得較高產量。注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平。下同。

本課題組以擠出-滾圓技術制備枸櫞酸莫沙比利胃漂浮緩釋微丸[13]，通過單因素試驗考察不同種類助漂劑、黏合劑、泡騰劑對微丸8 h漂浮率的影響，并通過正交試驗考察上述輔料的最優(yōu)用量。試驗結果顯示，助漂劑、黏合劑、泡騰劑的種類和用量會影響微丸的8 h漂浮率、圓整度以及收率。本課題組以優(yōu)化的輔料處方（13.0 g十八醇、3.7 g HPMC、3.4 g碳酸氫鈉）成功制備了5批枸櫞酸莫沙比利胃漂浮緩釋微丸，所得微丸成形較好，且該制備工藝簡單，易于擴大生產。

表2 大豆產量構成因素

2.1.4 對玉米產量構成因素的影響

表3結果顯示，前茬大豆實施減氮增磷方案對后茬玉米的穗行數(shù)、禿尖長和百粒重無顯著影響。玉米行粒數(shù)除M3處理外，其余氮磷調控處理均顯著高于MCK處理。玉米產量以M2處理最高，顯著高于MCK處理，增幅達11.2%。表明玉米茬口增施1/2大豆氮肥、減施1/2磷肥（M2）的調控處理有利于提高玉米行粒數(shù)，從而提高產量。

表3 玉米產量構成因素

2.2 氮磷調控對大豆、玉米植株養(yǎng)分吸收的影響

2.2.1 對大豆植株養(yǎng)分吸收的影響

表4結果顯示，大豆不同生育時期各處理的氮素累積量、磷素累積量和鉀素累積量均以S3處理最低。鼓粒期，與SCK相比，S2處理的氮素累積量顯著增加，增幅達18.2%，磷素累積量和鉀素累積量均無顯著差異；成熟期，與SCK相比，S2處理的氮素累積量和鉀素累積量顯著增加，增幅分別達35.0%和42.6%。說明，大豆茬口減施1/2氮肥、增施1/2玉米磷肥（S2）的調控處理更有利于大豆對氮素和鉀素的吸收。

表4 不同處理對大豆植株氮、磷、鉀素累積量的影響 （kg/hm2）

2.2.2 對玉米植株養(yǎng)分吸收的影響

表5結果顯示，玉米植株氮素累積量、磷素累積量和鉀素累積量隨生育期的推進呈逐漸增加的趨勢，其中M2處理表現(xiàn)較強優(yōu)勢。在大喇叭口期，與MCK相比，M2處理的氮素累積量和磷素累積量顯著增加，增幅分別達39.8%、38.1%；灌漿期，與MCK相比，M2處理的氮素累積量和鉀素累積量顯著增加，增幅分別達42.0%、20.4%；成熟期，與MCK相比，M2處理的氮素累積量和鉀素累積量顯著增加，增幅分別達12.2%、11.6%。說明，玉米茬口增施1/2氮肥、減施1/2玉米磷肥（M2）的調控處理有利于促進玉米生育后期對氮素和鉀素的吸收，使植株對于氮、鉀元素的吸收達到最大化。

表5 不同處理對玉米植株氮、磷、鉀素累積量的影響 （kg/hm2）

2.3 氮磷調控對大豆-玉米輪作體系土壤養(yǎng)分收支平衡的影響

土壤養(yǎng)分收支平衡是衡量土壤養(yǎng)分殘留及作物吸收利用的重要指標。表6結果顯示，在大豆莖稈還田，玉米莖稈不還田的情況下，氮、磷、鉀素表觀平衡中，各處理的表觀平衡均為負值，盈余率均為正值；其中S2-M2處理的氮（N）施入量為192 kg/hm2，作物輸出氮464.70 kg/hm2，氮素虧缺58.68%，如考慮土壤供氮量（288.68 kg/hm2），氮素盈余3.44%；磷（P）施入量為75.32 kg/hm2（相當于P2O5172.5 kg/hm2），作物輸出磷107.92 kg/hm2，磷素虧缺30.21%，如考慮土壤供磷量，磷素盈余62.69%；鉀（K）施入量為62.23 kg/hm2（相當于K2O 75 kg/hm2），作物輸出鉀364.66 kg/hm2，鉀素虧缺82.93%，如考慮土壤供鉀量，鉀素盈余0.21%。除S1-M1處理的鉀素盈余率外，其余氮磷調控處理的氮、磷和鉀素盈余率均比SCK-MCK處理高。說明3種氮磷調控模式中S2-M2處理的調控模式有利于作物對土壤營養(yǎng)元素的吸收，從而改善肥料殘留對土壤環(huán)境的不利影響。

表6 不同處理對大豆-玉米輪作土壤氮、磷、鉀素表觀平衡的影響

2.4 相關性分析

2.4.1 大豆干物質量、養(yǎng)分含量、養(yǎng)分平衡值與產量的相關性分析

由表7相關性分析可知，大豆產量與土壤氮素表觀平衡值和鉀素表觀平衡值分別呈極顯著（P＜0.01）和顯著（P＜0.05）負相關關系，與植株干物質積累量和氮、磷、鉀素累積量呈極顯著的正相關關系（P＜0.01），與土壤磷素表觀平衡值呈中等相關。說明，大豆茬口合理的氮磷調控可促進植株對養(yǎng)分的吸收，從而積累較多的干物質量，為產量的提高提供物質基礎。

2.4.2 玉米干物質量、養(yǎng)分含量、養(yǎng)分平衡值與產量的相關性分析

表8結果顯示，玉米產量與土壤養(yǎng)分表觀平衡值各指標均呈負相關，與其余各項指標均呈正相關，其中植株氮素累積量與產量呈顯著正相關（P＜0.05）。說明玉米植株氮素含量的累積是影響玉米產量的一個重要因素。

2.5 氮磷調控對大豆、玉米經(jīng)濟效益的影響

表9結果顯示，與SCK處理相比，大豆茬口S2處理的產值相對較高，利潤和產投比相對較低；與MCK處理相比，玉米茬口M2處理的產值、利潤和產投比均較高，且利潤高達19605元/hm2。從輪作周年經(jīng)濟效益來看，S2-M2處理的產值和利潤均達最高，與常規(guī)施肥相比，增幅分別為9.8%和8.6%，產投比雖與常規(guī)施肥處理相比較低，但差異不大。由此可見，S2-M2的調控處理模式能獲得相對較高的經(jīng)濟效益。

表7 不同處理大豆植株干物質積累、養(yǎng)分累積量、養(yǎng)分平衡值與產量的相關性

表8 不同處理玉米植株干物質量、養(yǎng)分累積量、養(yǎng)分平衡值與產量的相關性

表9 不同處理的大豆、玉米經(jīng)濟效益

3 討論

輪作有利于產量的增加和氮素等養(yǎng)分的吸收，尤其是豆科作物與禾本科作物輪作。有研究報道，豆科與禾本科作物輪作體系中，禾本科作物氮吸收量的5%～34%來自于前茬豆科作物根際沉積氮［13-15］。但輪作過程中不合理的施肥會造成作物減產，肥料利用率降低等現(xiàn)象。對此，本文根據(jù)作物的需肥特征，提出了大豆茬口減氮增磷和玉米茬口增氮減磷的一體化施肥模式，期望通過大豆茬口以磷促氮，充分挖掘大豆的根瘤固氮功能，以提高大豆-玉米輪作系統(tǒng)的產量和養(yǎng)分利用效率，實現(xiàn)系統(tǒng)高產、高效。本研究中，大豆茬口S2處理不僅能增加大豆的干物質積累量，而且提高大豆株高和單株粒數(shù)，使大豆增產5.9%；玉米茬口M2處理不僅能增加玉米干物質積累量，而且提高玉米行粒數(shù)，顯著增加玉米產量，使玉米增產11.2%，明顯優(yōu)于常規(guī)施肥處理。同時，大豆茬口和玉米茬口生育后期的氮、磷、鉀累積量均以S2和M2處理最高，說明該調控模式下，氮、磷、鉀養(yǎng)分分配較為合理，可促進作物對養(yǎng)分的吸收，為增產創(chuàng)造條件［16-18］。但大豆季S3處理的氮、磷、鉀累積量均比其它處理相對低，可能是由于氮磷施用比例失調，對植株的養(yǎng)分吸收產生負面的影響［19］。

土壤養(yǎng)分收支平衡反映了農田土壤養(yǎng)分需求和平衡狀況，對后期養(yǎng)分資源管理和肥料的科學分配與施用起到重要作用［20］。當前我國主要農作物的施肥量并非完全依賴于測土配方施肥，可根據(jù)作物相應產量的養(yǎng)分消耗量來定。本研究中，按照農田土壤養(yǎng)分表觀平衡（%）=（輸入-輸出）/輸出×100來計算養(yǎng)分投入量［21-22］，各處理的氮、磷、鉀素表觀平衡率均為負值。考慮到該試驗區(qū)位于黑土區(qū)，土壤中養(yǎng)分含量較高，若利用此表觀平衡率來反映土壤養(yǎng)分盈余量誤差相對較大，不能完全符合實際需要。因此，本研究根據(jù)劉建玲等［23］所提出的土壤養(yǎng)分盈余（虧缺）（%）=（輸入養(yǎng)分-輸出養(yǎng)分+土壤供養(yǎng)分）/輸出養(yǎng)分×100來反映土壤養(yǎng)分的實際“盈或虧”程度，并為科學施肥提供理論參數(shù)。本研究中，考慮土壤養(yǎng)分貢獻后，大豆-玉米輪作體系下氮、磷、鉀素盈余率均為正值，且S2-M2調控處理的氮、磷、鉀素盈余率均比SCK-MCK處理較低，分別為3.44%、62.69%、0.21%。王火焰等［24］研究提出，在輪作制條件下，由于輪作作物對養(yǎng)分的需求存在差異，養(yǎng)分分配應向需求較高的作物傾斜，周年總養(yǎng)分補給與消耗大致平衡即可。這樣既不會導致土壤養(yǎng)分庫消耗太多，也不會導致土壤養(yǎng)分庫積累過高。魯如坤等［25-26］研究提出，若農田氮素盈余率超過20%時，可能引起氮素對環(huán)境的潛在威脅；若磷肥增產率為10%～25%時，磷素盈余率應保持在20%以下；若農田缺鉀顯著的情況下，鉀素平衡盈余30%～50%尚可接受。由此分析本研究中，S2-M2調控處理的氮、鉀素盈余率均正常，磷素盈余率結果偏高，說明大豆-玉米輪作體系下S2-M2調控處理的氮、鉀素收支基本平衡，磷素仍有盈余，需進一步完善施肥模式，特別是對磷肥的調控。實際上，作物生物量、養(yǎng)分含量、土壤表觀平衡值與產量并不是孤立存在的，它們之間構成了一個有機整體，因此本研究對上述3方面進行相關分析，以期為進一步解釋作物高產的深層機制提供參考。結果表明，大豆產量與氮素累積量呈顯著正相關，玉米產量與氮素累積量呈顯著正相關，說明植株氮素累積量的增加是作物獲得高產的重要途徑，這與魏琛琛等［27］的研究結果相似。

豆科作物輪作下合理的施肥是保證作物高產，增加農民收益的有效措施。本研究中，與常規(guī)施肥相比，大豆茬口S2處理雖提高了大豆產量，增加了經(jīng)濟收益，但因肥料成本增加，經(jīng)濟利潤相對較低；玉米茬口M2處理不僅增加了經(jīng)濟收益，且肥料成本相對較低，經(jīng)濟利潤顯著增加。從輪作周年經(jīng)濟效益來看，S1-M1和S2-M2處理的經(jīng)濟利潤均比常規(guī)施肥較高，其中S2-M2處理的利潤最高，高達25351元/hm2。

4 結論

2017～2019年實施大豆-玉米輪作調控施肥，大豆茬口S2處理可促進大豆植株對養(yǎng)分的吸收利用，提高干物質量積累，增加大豆產量，增產幅度達5.9%，玉米茬口M2處理可促進玉米植株對養(yǎng)分的吸收利用，提高干物質量的積累，顯著增加玉米產量，增產幅度達11.2%。

大豆-玉米輪作體系下各處理的氮、磷、鉀素表觀平衡率均為負值，考慮土壤養(yǎng)分貢獻后，各處理的氮、磷、鉀盈余率均為正值。其中S2-M2處理的調控模式較其它處理可降低土壤養(yǎng)分盈余，氮、磷、鉀盈余率分別為3.44%、62.69%、0.21%。通過相關性分析可知，植株對氮素的吸收累積是作物獲得高產的重要途徑。

本試驗條件下，S2-M2的調控處理雖降低了大豆的利潤，但提高了玉米的利潤，輪作周年利潤也相對較高，達25351元/hm2。

綜上所述，在保證輪作周年施肥總量不變的條件下，大豆-玉米輪作體系下大豆茬口減施1/2氮肥，增施1/2玉米磷肥（S2）和玉米茬口增施1/2大豆氮肥，減施1/2磷肥（M2）的調控處理在保證作物增產的同時，降低了土壤養(yǎng)分的盈余，對于緩解化肥浪費和環(huán)境污染起到積極的作用。該調控模式可作為黑龍江墾區(qū)大豆-玉米高效施肥的優(yōu)選模式。