小麥化肥減施與不同輪作方式的周年養分平衡及經濟效益分析

馬小艷，楊瑜，黃冬琳*，王朝輝,2*，高亞軍，李永剛，呂輝

小麥化肥減施與不同輪作方式的周年養分平衡及經濟效益分析

馬小艷1，楊瑜1，黃冬琳1*，王朝輝1,2*，高亞軍1，李永剛3，呂輝4

1西北農林科技大學資源環境學院/農業農村部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2西北農林科技大學/旱區作物逆境生物學 國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；3扶風縣農業技術推廣服務中心，陜西扶風 722200；4鳳翔縣農業技術推廣服務中心，陜西鳳翔 721400

【目的】研究小麥化肥減量條件下不同輪作方式土壤養分平衡及經濟效益差異，探索適宜陜西關中小麥玉米輪作區的小麥輪作方式，為減少化肥投入，提高農民經濟收入提供思路與科學依據?！痉椒ā坑?018—2020年在陜西武功鎮開展田間試驗，隨機區組設計。設玉米-小麥輪作農戶施肥（CWF）、玉米-小麥輪作推薦施肥（CWR）、綠肥-小麥輪作推薦施肥（GWR）、大豆-小麥輪作推薦施肥（BWR）4個處理，除農戶施肥處理外，其他3個處理的小麥季施肥均采用監控施肥技術推薦施肥。采集不同夏季作物及冬小麥的植物和土壤樣品進行分析。【結果】與農戶施肥相比，玉米-小麥輪作推薦施肥處理在氮、磷肥分別減量11.8%、41.7% 條件下，顯著增加了小麥產量，平均增幅為7.4%，顯著增加了小麥籽粒及地上部氮、磷素養分累積量，氮素累積量增幅分別為10.1%、8.9%，磷素累積量增幅分別為9.8%、6.4%；玉米-小麥輪作推薦施肥處理顯著降低了土壤氮、磷、鉀素盈余率，降幅分別為25.1%、72.3%和54.4%，顯著提高經濟收益36%。推薦施肥的3種輪作方式中，玉米-小麥輪作小麥產量最高，其次為大豆-小麥輪作。大豆-小麥輪作氮、磷、鉀盈余率均顯著低于玉米-小麥輪作和綠肥-小麥輪作，降低幅度分別為87.3%—92.0%、41.9%—67.7%、78.1%—85.3%，并獲得了最高的經濟收益。【結論】監控施肥的推薦施肥方法不僅能夠減少化肥投入，降低生產成本，同時能夠增加小麥產量，提高小麥籽粒及地上部養分累積量，減少氮、磷養分平衡的盈余率，提高經濟收益。相比玉米-小麥輪作方式，大豆-小麥輪作既減少了化肥的投入，大幅降低氮、磷、鉀養分盈余量，同時還取得較高的經濟效益。綜上，陜西關中地區傳統的玉米-小麥輪作可通過優化施肥減少化肥投入，降低生產成本；而綜合考慮土壤培肥、環境效益與經濟收益，優先推薦大豆-小麥輪作方式，減少土壤養分盈余，提高種糧農戶的經濟收益。

化肥減施；玉米-小麥輪作；綠肥-小麥輪作；大豆-小麥輪作；養分平衡；經濟效益；陜西關中

0 引言

【研究意義】陜西關中地區是中國重要的糧食生產基地之一，糧食產量占陜西省糧食產量的60%— 70%[1]。玉米-小麥輪作的一年兩熟制度是該地區的主要種植制度，由于玉米、小麥產量較陜西其他地區糧食作物高，農戶施肥的意愿較高，存在嚴重過量施肥現象[2]，因此亟需通過優化施肥方法減少化肥過量施用，促進糧食生產的節肥增效。同時，由于關中地區長期采用單一的玉米-小麥輪作制度，導致土壤下層緊實、耕層變薄、土壤蓄水能力下降、產量下降等問題[3]；此外，近些年來由于青壯年勞力減少以及玉米灌溉成本上升等原因，不少農戶選擇夏季土地棄耕閑置，只種植一季作物冬小麥，不僅浪費雨熱資源[4]，并且由于地面缺少覆蓋，夏季的集中降水導致表層土壤剝蝕、養分流失、面源污染等問題[5]。前人研究表明，茬口通過一些生物、非生物因子影響土壤性狀及后茬作物生長[6]，如采用豆科作物與小麥輪作，可以提高后茬小麥產量，這主要是因為大豆根瘤可固定空氣中的氮[7]。大豆植株經翻埋后易分解，有效提高土壤供氮水平[8]，進而提高作物產量，增加經濟收益[9]?！厩叭搜芯窟M展】監控施肥技術結合目標產量養分需求以及土壤養分含量，確定氮、磷、鉀肥用量，實現土壤養分平衡、穩產增產、環境友好等目標，是農業部主推的優化施肥技術之一[10-15]。章孜亮等[10-15]應用監控施肥技術在多地試驗結果表明，與傳統農戶施肥相比，監控施肥能夠兼顧土壤養分供給及產量需求，在保證小麥產量的同時減少肥料的施用量，進而實現節本增效與環境友好。研究表明[16-19]，在主栽作物休閑期間插播豆科作物可以有效促進后茬作物對氮、磷、鉀養分的吸收，提高后茬作物產量18.8%—20.0%，并且綠肥翻壓還田可以改善土壤氮素失衡狀況，提高土壤肥力[17,19]。與玉米-小麥輪作相比，大豆-小麥輪作可以提高土壤速效養分[6]，且周年土壤養分達到相對平衡或者虧缺最少[20]。付蓉[21]研究結果也表明，種植翻壓箭舌豌豆和毛葉苕子后，氮素盈虧率接近0，達到氮素平衡。但有關與豆科作物輪作對后茬作物產量及土壤養分平衡影響的結論并不統一。有研究發現，前茬種植大豆，后茬小麥或者玉米減產[22-24]且土壤養分呈下降趨勢[25]，農田養分平衡呈現出磷有余而鉀不足[24]或者氮素虧缺的現象[25]；楊寧等[26]的試驗結果表明，與綠豆輪作，小麥產量下降4.4%—19.2%，而與大豆輪作，小麥產量無明顯變化。因此，降雨等氣候條件[27]、豆科作物種類[25]、施肥水平等因素不同，都會使豆科作物對后茬作物產量、土壤養分含量和土壤養分平衡的影響不同?！颈狙芯壳腥朦c】目前，已有監控施肥技術在小麥生產中的應用效果以及豆科作物對小麥產量、土壤養分含量影響的研究，但推薦施肥條件下不同輪作方式對土壤養分平衡、經濟效益影響的研究較少，在關中小麥玉米輪作區進行的相關田間試驗研究也較少。【擬解決的關鍵問題】2018—2020年在陜西省武功鎮涼馬村開展田間試驗，利用監控施肥技術推薦施肥，通過比較分析玉米-小麥輪作、綠肥-小麥輪作、大豆-小麥輪作處理的夏季作物養分還田量、小麥產量、植物養分含量及關鍵時期的土壤養分含量，計算不同輪作模式的養分平衡、成本收益、明確優化施肥的節肥效果，評價不同輪作模式在養分平衡、經濟收益方面的差異，推薦適宜關中地區的輪作模式，為減少生產成本，提高該地區的種糧效益提供思路和依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年6月至2020年6月在陜西省武功鎮涼馬村（34°4' N，108°2' E）進行。試驗地位于關中平原典型小麥玉米輪作區，屬溫帶半濕潤性氣候，降水集中在7—9月，雨熱同季。研究區50年平均年降水量579 mm，其中7—9月平均降水量為305 mm，超過全年降水量50%。2018年6月至2019年6月降雨量為675.6 mm，2019年6月至2020年6月降雨量為841.9 mm（圖1）。年平均日照2 094.9 h，積溫4 184℃，無霜期315 d。該地區農作制度為夏作物-冬小麥輪作的一年兩熟制。試驗開始前表層（0—20 cm）土壤硝態氮含量6.25 mg·kg-1、銨態氮1.92 mg·kg-1、速效磷13.86 mg·kg-1、速效鉀 125.62 mg·kg-1、有機質14.77 g·kg-1、DTPA–Zn 0.57 mg·kg-1。

圖1 武功縣 2018—2020年及50年（1971—2020）平均降水量

1.2 試驗設計

田間試驗排列采用隨機區組設計，共設4個處理：玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）、玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）、綠肥-小麥輪作處理（GWR）、大豆-小麥輪作處理（BWR）。小區面積8 m×20 m=160 m2，3次重復。玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）的兩季作物施肥量是根據調研當地農戶習慣施肥數據確定，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）兩季作物施氮肥量均采用監控施肥技術[10]計算得出，綠肥-小麥輪作（GWR）、大豆-小麥輪作（BWR）夏季作物不施肥，小麥季施肥量同樣參考監控施肥計算得出。兩年具體施肥方案見表1。玉米、大豆播種在小麥收獲后硬茬播種，播種日期為每年6月20—25日。綠肥8月20日盛花期使用打草機粉碎翻壓還田；大豆收獲日期為9月25—30日，玉米收獲期為10月1—3日。玉米、大豆收獲后秸稈均粉碎還田。冬小麥每年10月中旬播種，次年6月上旬收獲。試驗期兩年，玉米品種分別為秦龍14和大唐8號，播量為70 000株/hm2。兩年綠肥均使用當地大豆品種黑麥豆，播量為150 kg·hm-2，由于第一年大豆-小麥輪作黑麥豆產量不高，第二年改種中黃13，播量為75 kg·hm-2。小麥兩年品種均為西農20，播量為187.5 kg·hm-2。玉米在拔節至抽雄時期灌水一次，小麥冬前灌水一次，其他田間管理措施和當地農民習慣保持一致。

表1 不同年份不同處理純養分施用量

CWF：玉米-小麥輪作農戶施肥處理，CWR：玉米-小麥輪作推薦施肥處理，GWR：綠肥-小麥輪作處理，BWR：大豆-小麥輪作處理。下同

CWF: Maize-wheat rotation farmer fertilization treatment, CWR: Maize-wheat rotation recommended fertilization treatment, GWR: Green manure-wheat rotation treatment, BWR: Soybean-wheat rotation treatment.The same as below

1.3 樣品采集與分析

土樣采集：分別于玉米、大豆、小麥收獲期和綠肥翻壓前每小區選取3個采樣點，每20 cm為一層，采集0—100 cm土層土樣，混合均勻，風干后，過2 mm篩備用。

植物樣品采集：玉米收獲時，避開邊際，選取10 m2地上的玉米穗并稱鮮重，隨機選取10穗稱鮮重并帶回實驗室分器官烘干稱重計算產量。隨機選取3株完整玉米植株，風干后分器官，烘干至恒重，球磨儀粉碎后待化學分析。綠肥及大豆收獲時采3個1 m2樣方計產。隨機采30株完整植株，分器官洗凈、烘干稱重，粉碎后待化學分析。小麥收獲時在小區內隨機選取3個1 m2樣方計產。每個小區隨機采100穗小麥植株，于根莖結合處剪掉小麥根系，將地上部分為籽粒、莖葉、穎殼三部分，烘干至恒重，用球磨儀粉碎后分作為化學分析樣品。

土壤硝態氮含量采用1 mol·L-1KCl 浸提法浸提，速效磷用 0.5 mol·L-1的NaHCO3浸提，均采用連續流動分析儀（德國 Seal，AA3）測定。土壤速效鉀用NH4Ac浸提，火焰光度計測定（Sherwood M410，英國）。籽粒、莖葉、穎殼采用H2SO4-H2O2消煮，AA3連續流動分析儀（SEAL公司，德國）測定全氮、全磷、全鉀含量。

1.4 計算方法與公式

地上部養分吸收量（kg·hm-2）=小麥籽粒產量（kg·hm-2）×籽粒養分含量（g·kg-1）/1000+穎殼生物量（kg·hm-2）×穎殼養分含量（g·kg-1）/1000+莖稈生物量（kg·hm-2）×莖稈養分含量（g·kg-1）/1000。

農田養分平衡主要包括養分投入、養分攜出和養分盈虧三方面，計算農田中養分平衡時一般以肥料投入和作物收獲物中的養分為主，對其進行宏觀統計和比較，來估算土壤中養分平衡的狀況[28]。養分投入僅包括化肥施入量和由秸稈帶入的養分含量，不考慮降水、灌溉、大氣沉降等帶入的養分。養分支出僅包括因作物收獲而帶出的養分，不考慮因淋洗、揮發和反硝化造成的養分損失。養分平衡采用表觀平衡法計算，即：養分平衡值 =養分投入量–作物攜出量；

養分盈余率（%）=（平衡值 /作物養分攜出量）×100。

總成本（元/hm2）=肥料成本（元/hm2）+種子成本（元/hm2）+機械成本（元/hm2）+其他開支（元/hm2），其他成本包括雇工費用、農藥成本、灌水成本等田間管理費用。

總收益（元/hm2）=前茬作物籽粒收益（元/hm2）+冬小麥籽粒收益（元/hm2）；

凈收益（元/hm2）=總成本（元/hm2）–總收益（元/hm2）。

試驗數據采用Excel 2010軟件進行整理計算， DPS 2005軟件進行統計分析，多重比較采用LSD（least significant different）法，差異顯著性水平為5%，用Origin 2018C進行作圖。

2 結果

2.1 夏季作物產量、生物量及養分還田量

玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）與玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）相比，玉米籽粒產量、地上部還田量及養分還田量雖有增加，但未達到顯著性差異（表2）。地上部還田量由高到低依次為玉米、綠肥、大豆。不同夏作物養分還田量均存在顯著差異，玉米、綠肥氮素還田相當，大豆秸稈氮素還田量為最低；磷素還田量綠肥最高，玉米次之，大豆為最低；鉀素還田量玉米最高，其次為綠肥，大豆最低。兩年結果一致。

2.2 化肥減施及不同輪作模式對冬小麥產量及養分累積量的影響

2.2.1 冬小麥產量、生物量、產量構成要素 從兩

個試驗年的平均值來看，與玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）相比，推薦施肥條件下的3種輪作處理中僅玉米-小麥輪作推薦施肥（CWR）能顯著提高小麥產量、地上部生物量、公頃穗數和穗粒數（表3）。而推薦施肥的3種輪作處理間小麥產量、地上部生物量、公頃穗數存在顯著差異，其中玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）顯著高于綠肥-小麥輪作處理（GWR）與大豆-小麥輪作處理（BWR），其他指標未達到顯著性差異。不同處理在試驗兩年間表現不同，第一年，除公頃穗數外，推薦施肥（CWR）處理小麥產量、生物量與農戶施肥處理（CWF）相比，均未達到顯著水平；不同輪作處理之間也得到與此一致的結果。試驗第二年，推薦施肥處理（CWR）與農戶施肥處理（CWF）相比，小麥產量、地上部生物量、公頃穗數分別顯著提高10.2%、16.0%、38.5%；推薦施肥條件下的3種輪作處理之間，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）與大豆-小麥輪作處理（BWR）小麥產量相當，綠肥-小麥輪作處理（GWR）最低。玉米-小麥推薦施肥處理（CWR）地上部生物量、公頃穗數均顯著高于其他兩個處理，綠肥-小麥輪作處理均為最低。其他指標3個處理間無顯著差異。

表2 不同夏季作物產量、還田生物量、養分還田量

同列小寫字母表示同一年份不同處理之間的顯著性差異（<0.05）。下同

Lowercase letters in the same column represent the significant difference between different treatments in the same year (<0.05).The same as below

表3 不同處理小麥地上部生物量及產量構成要素

2.2.2 小麥籽粒及地上部養分累積量 與玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）相比，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）可顯著增加小麥籽粒和地上部氮、磷累積量，鉀素累積量差異不顯著（圖2-A、2-B）。與玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）相比，推薦施肥條件下的3種輪作方式的小麥籽粒氮、磷素累積量均顯著增加，鉀素累積量均未達到顯著性差異；對于地上部養分累積量來說，3種輪作方式中，與玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）相比，除玉米-小麥輪作（CWR）的氮、磷累積量及大豆-小麥輪作（BWR）磷素累積量顯著提高外，其他處理及養分累積量均未達到顯著性差異。推薦施肥的3種輪作處理之間，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）與大豆-小麥輪作處理（BWR）小麥籽粒及地上部氮素累積量及磷素累積量相當；綠肥-小麥輪作處理（GWR）小麥籽粒及地上部氮磷累積量最低；小麥籽粒鉀、地上部鉀累積量沒有顯著差異。

圖中不同小寫字母表示不同處理小麥籽粒、地上部氮、磷、鉀養分累積之間的差異性檢驗顯著（P<0.05）

2.3 化肥減施及不同輪作模式對土壤周年養分平衡的影響

2.3.1 0—20 cm土層速效養分含量 試驗第一年小麥播前，推薦施肥條件下的3種輪作處理中，僅玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）速效磷含量顯著高于與玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF），土壤硝態氮和速效鉀含量均無顯著差異（表4）。3種不同輪作方式處理間，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）的土壤硝態氮含量與綠肥-小麥輪作處理（GWR）相當，顯著高于大豆-小麥輪作處理（BWR）；土壤速效磷、速效鉀均無顯著差異。收獲期玉米-小麥輪作兩種施肥模式處理的土壤硝態氮、速效磷、速效鉀含量趨勢與播前土壤速效養分含量趨勢一致。推薦施肥條件3種輪作處理間玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）與綠肥-小麥輪作處理（GWR）土壤硝態氮略高于大豆-小麥輪作處理（BWR）；而土壤速效鉀含量大豆-小麥輪作處理（BWR）最高，綠肥-小麥處理（GWR）最低，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）居中，土壤速效磷含量無顯著差異。試驗第二年小麥播前，與玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）相比，推薦施肥的3個處理硝態氮含量均顯著降低，其中大豆-小麥輪作（BWR）土壤硝態氮含量為最低；綠肥-小麥輪作處理土壤速效磷、速效鉀顯著低于農戶施肥處理，其余兩種輪作處理土壤速效磷、速效鉀含量無顯著差異。小麥收獲期，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）土壤硝態氮顯著高于玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF），其他兩種輪作處理無顯著差異；速效磷、速效鉀含量均無顯著差異。推薦施肥條件下3種輪作處理間，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）與綠肥-小麥輪作處理（GWR）土壤速效鉀含量相當，顯著高于大豆-小麥輪作處理（BWR）；土壤速效氮、速效磷含量無顯著差異。

表4 小麥播前期和收獲期0—20 cm土層速效養分含量

2.3.2 小麥季土壤養分平衡 兩個試驗年總養分平衡來看，與玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）相比，推薦施肥的3種輪作處理中，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）顯著降低了氮、磷素總平衡值和盈余率。玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）兩年氮素總平衡達204.1 kg·hm-2，盈余率達44.3%；磷素總平衡達223.0 kg·hm-2，盈余率達133.4%，說明農戶施肥處理氮素和磷素投入過量嚴重。而玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）鉀素總平衡值顯著低于玉米-小麥輪作推薦施肥（CWR）。綠肥-小麥輪作處理（GWR）氮、磷平衡值和盈余率為最高，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）次之、大豆-小麥輪作處理（BWR）氮、磷、鉀素總平衡值和養分盈余率均為最低。每一個試驗年度的養分平衡及盈余率趨勢與兩年總養分平衡趨勢一致（表5）。

2.4 化肥減施及不同輪作模式的經濟效益分析

總收益主要是由籽粒產量帶來的產值，成本主要

由肥料、種子、機械及其他費用組成，其中其他費用包括雇工、灌水、農藥支出。試驗第一年，與玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）相比，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）顯著增加凈收益，增幅為36.8%（表6）。推薦施肥3種輪作處理之間，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）收益為最高，大豆-小麥輪作處理（BWR）與綠肥-小麥輪作處理（GWR）收益相當。試驗第二年，玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）仍然顯著高于玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF），增幅為34.6%。3種輪作處理之間大豆-小麥輪作處理（BWR）經濟收益為最高，其次為玉米-小麥推薦施肥處理（CWR）。兩年平均經濟收益來看，與玉米-小麥輪作農戶施肥處理（CWF）相比，由于玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR）化肥投入減少，成本降低了0.23%，由于玉米、小麥增產，收益增加了10.7%，凈收益增加35.6%。大豆-小麥輪作（BWR）凈收益最高，其次為玉米-小麥輪作推薦施肥處理（CWR），但綠肥-小麥處理（GWR）夏季作物沒有經濟收益，因此其經濟收益為最低。與玉米-小麥輪作推薦施肥處理相比（CWR），由于大豆-小麥輪作（BWR）的化肥投入減少，成本降低了20.2%，大豆價格較高，使得凈收益增加3.3%。推薦施肥的3種輪作方式與農戶施肥處理相比，除綠肥-小麥輪作外，均顯著提高了凈收益。

表5 小麥季養分投入與產出平衡表

表6 各處理經濟效益分析表

不同小寫字母分別表示同一年不同處理之間凈收益的差異（<0.05）。小麥價格為2.2元/kg、玉米價格為2.02元/kg、黑麥豆價格為8元/kg、大豆價格為6元/kg。N、P2O5和K2O價格分別為4、5.2、9元/kg

Different lowercase letters represent the difference in net income between different treatments in the same year (<0.05).The price of wheat, maize, rye beans and soybean is 2.2 yuan/kg, 2.02 yuan/kg, 8 yuan/kg, and 6 yuan/kg respectively.The prices of N, P2O5and K2O are 4, 5.2 and 9 yuan/kg respectively

3 討論

3.1 化肥減量及不同輪作方式下的小麥產量及養分累積量

與農戶施肥相比，推薦施肥能夠減少氮素投入25.2%—41.2%，小麥增產3.1%—17%，氮素偏生產力增加130.1%—180.3%；節約磷肥32.9%；由于農民習慣鉀肥用量總體較低，增加鉀肥147%[10-11]。本試驗兩年結果也表明，與農戶施肥相比，玉米-小麥推薦施肥小麥季氮肥減量11.8%，磷肥減量41.7%，鉀肥增量50%，小麥產量提高了7.4%。小麥籽粒及地上部氮累積量分別增加10.1%、8.9%；小麥籽粒及地上部磷累積量分別增加9.7%、6.4%；小麥籽粒及地上部鉀累積量沒有顯著增加，這可能與前茬玉米秸稈鉀素還田量較高，可為后茬小麥提供鉀有關[29]。施肥量在一定范圍內時，作物氮、磷、鉀養分累積量隨產量的提高而增加，但當施肥量超過一定水平，作物養分累積量增加不明顯[30]。因此，本試驗結果說明，關中小麥玉米輪作區農戶氮、磷肥投入量已遠超過小麥對氮、磷養分需求量，不僅沒有達到小麥增產效果，還造成了養分資源的浪費[31]。

輪作體系中，不同前茬作物類型對后茬小麥生長、產量均有影響[23, 32-34]?；菅訹34]在華北平原進行的試驗結果表明，大豆-小麥輪作與傳統的玉米-小麥輪作相比，降低了小麥產量。美國蒙大拿地區及陜西的洛川、長武地區，由于降水量有限，夏閑季插播豆科作物會由于消耗了土壤水分，減少了小麥播前土壤貯水量，引起小麥減產[35-37]。而在小麥養分投入較低的非洲肯尼亞地區、意大利的試驗發現，小麥連作的種植體系中加入豆科植物，能夠通過生物固氮的作用，增加土壤養分，顯著提高后茬小麥的產量[38-39]。本試驗推薦施肥的3種輪作處理中，小麥季氮、磷、鉀養分投入量一致，由于前茬作物不同，小麥產量存在顯著差異，尤其在試驗第二年，玉米-小麥輪作與大豆-小麥輪作處理小麥產量最高，綠肥-小麥輪作處理小麥產量最低；小麥籽粒氮、磷及地上部氮、磷累積量與小麥產量趨勢相同。這可能是由于本試驗中3種輪作均為推薦施肥，氮、磷、鉀養分投入完全能夠滿足小麥生長和產量形成的需求，因此大豆固氮作用提供的養分對小麥產量的形成還未表現出顯著的促進作用。而在本試驗中，綠肥-小麥輪作處理小麥產量最低可能是由于第二年夏季降雨過多，降低了綠肥腐解養分釋放速率[40]，至小麥播種時還有大量綠肥殘體沒有腐解完全，微生物與小麥苗期出現了爭氮作用[41-42]，降低了小麥的公頃穗數，進而降低了小麥產量。3種輪作間，小麥籽粒及地上部鉀累積量不存在顯著差異，可能是由于當土壤鉀供應充分時，造成小麥奢侈吸收鉀[43-44]。通過對3種輪作和農戶施肥的結果分析比較，得出在化肥減量的情況下，依然可以提高小麥產量及籽粒養分累積量。

3.2 化肥減施與不同輪作方式下土壤養分平衡

試驗兩年，與農戶施肥處理相比，推薦施肥均有增加夏作物玉米產量、還田生物量、養分還田量的趨勢。試驗第二年，由于推薦施肥處理玉米產量顯著高于農戶施肥處理，高的養分攜出量降低了小麥播前土壤氮、磷含量。而推薦施肥處理的玉米氮、鉀養分還田量均高于農戶施肥處理，玉米秸稈通過腐解過程緩慢的釋放氮、鉀到土壤中[45]，因而，小麥收獲期土壤氮含量顯著高于農戶施肥處理，鉀含量略高于農戶施肥處理。盡管玉米-小麥推薦施肥處理的小麥籽粒吸鉀量較高，但該處理玉米季產量、鉀素還田量、小麥季鉀肥施用量均高于農戶施肥處理，因此其鉀盈余量及盈余率仍顯著高于農戶施肥處理。這說明在關中玉米-小麥輪作區，在玉米秸稈還田條件下可以少施鉀或不施鉀[46]。

氮素因其來源和去向多樣，循環復雜，導致氮表觀損失量通過各種途徑進入環境，由此帶來的氮面源污染環境問題不容小視[47]。王秀斌[48]發現，優化施氮能夠避免深層土壤中硝態氮的積累，減少氮盈余。曹寒冰等[10]也發現，利用推薦施肥方法科學施肥，可以減少盲目投入過量養分，降低成本，也減少了過量施肥帶來的環境污染風險。合理施用磷肥可促進作物磷素利用，降低土壤磷素殘留[49]。本研究結果中農戶施肥處理氮盈余率為 44.3%，磷盈余率133.4%，玉米-小麥推薦施肥處理比農戶施肥處理氮、磷肥投入量分別減少了11.8%、41.7%。盡管夏季玉米秸稈的氮、磷養分還田量均顯著高于農戶施肥處理，但由于玉米-小麥推薦施肥處理的小麥產量顯著高于農戶施肥處理，因此其土壤氮、磷養分平衡值與盈余率均顯著降低，尤其磷盈余率降至37%。

豆科作物能夠生物固氮，但在其根瘤未形成前，需要先利用土壤中的氮[50]，有效降低前季作物土壤硝態氮殘留，降低土壤氮盈余。且豆科作物生長過程中對磷的需求也較高[6]。本研究中大豆季沒有施氮、磷、鉀肥，因此大豆-小麥輪作處理的氮、磷、鉀盈余量均為最低。由于綠肥-小麥處理夏季作物沒有養分攜出，且豆科綠肥生長能通過生物固氮作用，在還田后增加土壤氮含量[23,51]，因此其氮、磷盈余量均為最高。但由于大豆秸稈鉀還田量遠低于玉米鉀還田量，因此玉米-小麥輪作處理鉀盈余量為最高。關中地區6—9月降雨集中，作物不能吸收的養分容易向深層土體淋洗至地下水，或者隨地表徑流至地表水，無論哪種途徑的損失均會導致氮、磷的面源污染問題[52]，因此考慮到養分盈虧問題，在陜西關中平原地區適宜進行大豆-小麥輪作來平衡土壤養分，提高地力，減少化肥的投入，保護環境，也利于土地綠色可持續利用。

3.3 經濟效益

章孜亮等[11]大田試驗發現，化肥減量后，可以降低成本，增加收益，提高冬小麥種植的經濟效益。本研究結果中推薦施肥處理因其化肥減少，成本降低，因此較農戶施肥處理小麥產量高，凈收益增加。氮投入過量會導致小麥貪青晚熟，莖稈汁液豐富，增加蟲害的發生率[53]；另一方面磷肥過量投入則會導致小麥分蘗數過多，小麥群體過大，在小麥開花期至灌漿期，極易發生倒伏，透光性差，以及在降水較多的年份，小麥白粉病、條銹病發生率增加，嚴重降低小麥產量[54-55]。而推薦施肥處理基于土壤養分及目標產量推薦施肥，減少氮、磷肥的過量施用，因此提升了小麥產量，增加了凈收益。

前人研究表明，大豆-小麥與玉米-小麥兩種輪作方式相比，在小麥季施肥一樣的情況下，雖然玉米產量遠高于大豆產量，但由于大豆價格遠高于玉米價格，且與大豆輪作時，小麥產量高于與玉米輪作處理，因此，在相同施肥水平下，大豆-小麥輪作處理的經濟收益高于玉米-小麥的經濟效益[56]。本試驗中盡管玉米-小麥輪作的小麥平均產量高于大豆-小麥輪作處理，且夏作物玉米籽粒產量也遠高于大豆籽粒產量，但是由于大豆價格是玉米價格的3倍，大幅提升了總收益。另外關中地區玉米的灌溉及肥料支出導致的成本增加，共同使大豆-小麥輪作處理的收益高于玉米-小麥輪作處理的收益。劉海濤等[57]對成都平原幾種糧油作物農田經濟效益試驗分析發現，小麥-大豆輪作收益要高于小麥-玉米輪作，與本試驗研究結果一致。此外，與禾本科作物輪作相比，大豆-小麥輪作不僅能夠減少病、蟲、草害的發生[58]，長期大豆秸稈還田也可增加土壤有機質，有利于土地的可持續發展[59-60]。本研究結果中，試驗第一年大豆-小麥輪作凈收益較低，原因是大豆產量極低，主要是由于使用的大豆品種黑麥豆是渭北旱地的當地品種，地上部生物量較高，但收獲指數較低，不適宜在關中地區種植，因此導致大豆-小麥輪作處理凈收益明顯低于玉米-小麥輪作，試驗第二年選擇了適宜生長的大豆品種，產量大幅提升，凈收益顯著增加，遠高于其他兩個處理。盡管綠肥-小麥輪作處理的總成本較低，但由于夏季作物無收益，因此使該輪作方式總收益為最低，考慮到種糧農戶的積極性，綠肥-小麥輪作方式在該地區不適宜推廣。

4 結論

與傳統農戶施肥相比，推薦施肥提高了玉米、小麥產量，降低了土壤氮、磷養分盈余，因此不僅減少了化肥投入，也降低了肥料過量施用帶來的面源污染風險。而大豆-小麥輪作既減少了化肥投入，大幅降低氮、磷、鉀養分盈余，同時還取得較高的經濟收益。綜上，陜西關中小麥玉米輪作區應根據作物養分需求優化施肥量，減少化肥投入成本，提高種糧農戶經濟收益。從用地與養地結合、優化經濟效益與環境效益考慮，大豆-小麥輪作可作為該地區的輪作推薦方式。

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Annual Nutrients Balance and Economic Return Analysis of Wheat with Fertilizers Reduction and Different Rotations

MA XiaoYan1, YANG Yu1, HUANG DongLin1*, WANG ZhaoHui1, 2*, GAO YaJun1, LI YongGang3, Lü Hui4

1College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agro-Environment in Northwest China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, Shaanxi;2Northwest A&F University/State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas, Yangling 712100, Shaanxi;3Fufeng Agriculture Technology Extension Service Center, Fufeng 722200, Shaanxi;4Fengxiang Agricultural Technology Extension Service Center, Fengxiang 721400, Shaanxi

【Objective】The present study aimed to investigate the soil nutrients balance and economic benefits of different rotations with optimal chemical fertilizer application for wheat production, with the purpose of selecting a proper rotation for wheat production with lower fertilizer application and improvement of economic return for local farmers.【Method】The field experiments with randomized block design were carried out in Wugong county from 2018 to 2020, including four treatments: maize-wheat rotation with farmer accustomed fertilization (CWF), maize-wheat rotation with recommended fertilization (CWR), green manure-wheat rotation (GWR), and soybean-wheat rotation (BWR).Except for treatment of CWF, the fertilizers of rest three treatments were calculated according to the method of soil testing and determining fertilizer recommendations (STDFR).The plants tissues and soil with different depth were sampled for nutrients analysis.【Result】Compared with CWF, with 11.8% reduction of nitrogen and 41.7% reduction of phosphorus, the CWR treatment significantly increased wheat yield, with an average increase of 7.4%, and significantly increased the nitrogen and phosphorus uptake of wheat grain and aboveground shoot, with the nitrogen increase of 10.1% and 8.9% respectively, and the phosphorus increase of 9.8% and 6.4%, respectively.CWR treatment decreased the surplus rate of soil N, P and K by 25.1%, 72.3% and 54.4%, respectively, and increased the economic benefit by 36%.Among three different rotation, CWR rotation had the highest wheat yield, followed by soybean wheat rotation and green manure wheat rotation.GWR rotation had the lowest surplus ratio of NPK among three treatment with optimal fertilizer application, which was significantly lower than that of CWR and GWR rotation, with the decrease range of 87.3%-92.0%, 41.9%-67.7%, and 78.1%-85.3%, respectively, and obtained the highest economic return.【Conclusion】Fertilization recommendation by monitoring soil nutrients techniques could not only decrease fertilizer input and production cost, but also increase wheat yield, increase nutrient uptake of wheat grain, reduce surplus rate of nitrogen and phosphorus nutrient balance, and thus improve economic benefits.Compared with maize-wheat rotation, the soybean-wheat rotation not only reduced the input of chemical fertilizer, significantly reduced the surplus of nitrogen, phosphorus and potassium, but also achieved higher economic benefits.In conclusion, it was recommended that the fertilizers application rates should be optimized for maize-wheat rotation in Guanzhong Plain.However, taking into account of economic return and ecological benefit, the soybean-wheat rotation was prior choice for the purpose of decreasing soil nutrients surplus and enhancing the economic return of farmers.

fertilizer reduction; maize-wheat rotation; green manure-wheat rotation; soybean-wheat rotation; nutrient balance; economic return; Guanzhong Plain, Shaanxi

2021-03-03；

2021-05-26

國家重點研發計劃子課題（2018YFD0200404-02）、中央高校基本科研業務費專項資金（2452020163）

馬小艷，E-mail：Maxiaoyan12201122@163.com。通信作者黃冬琳，E-mail：dlynnhuang@nwafu.edu.cn。通信作者王朝輝，E-mail：w-zhaohui@263.net

（責任編輯 李云霞）