旱地大豆全膜微垄沟播技术的肥料效应

陈书珍，刘广才，周德录，李城德，王锡平 ，李耀辉

(1.甘肃省岷县农业技术推广站，甘肃 岷县 748400； 2.甘肃省农业技术推广总站，甘肃 兰州 730020；3.甘肃省会宁县农业技术推广中心 甘肃 会宁 730799)

大豆(Glycinemax)通称黄豆,起源于中国，中国各地均有栽培，亦广泛栽培于世界各地[1]。美国、巴西、阿根廷、中国、印度是世界上大豆主产国[1]。大豆是世界上优质饲草饲料作物、高蛋白作物、油料作物、食品加工原料以及工业原料的重要来源[1-2]。大豆蛋白质含量一般为40%，高者达50%；大豆含油量一般20%，高者达24%，大豆为世界提供了30%的脂肪和60%的植物蛋白质[1]。世界80%以上大豆用于榨油，榨油后的大豆饼粕含有50%左右的蛋白质，是优质的饲料来源[1-2]。大豆脱粒后的秸秆和荚壳也含有较高的蛋白质和矿物质，是很好的饲草来源，其营养成分高于麦秸、稻草、谷糠等粗饲料[3-6]。同时，大豆亦是重要的轮作[7]、间作[8]作物，其对培肥地力、提高间作作物水分、养分利用效率具有重要的生态经济效益。

目前，我国大豆面临着面积减少、总产不足、单产低、种豆效益低、豆农种豆积极性严重受挫的现状[9-10]，全国大豆面积600万hm2，总产1 200万 t，而进口大豆突破8 000万t，自给率不足13%。而大豆面积减少、总产不足的直接原因在于品种退化、耕作管理粗放、栽培技术落后，特别是旱地大豆面积比重大(约占总面积的70%)、土壤水分利用率和肥料利用率低，导致产量低而不稳[9-10]。大豆是关系国计民生的基础性、战略性物资，又是最具经济效益的作物，其延长的产业链和价值链在农产品贸易领域扮演着举足轻重的角色。稳定面积、提高单产、增加总产是我国大豆产业发展的迫切需要。在耕地资源日趋紧张的情况下，振兴我国大豆产业，提高大豆生产能力依靠增加面积是不现实的，必须改进栽培技术水平，提高土壤水分利用率和肥料利用率，增加单产，从而实现大豆增产。旱地大豆面积大、单产低，但增产潜力巨大，以往关于旱地大豆的研究主要集中在露地栽培和半膜覆盖栽培上，而缺乏对旱地大豆全膜覆盖下的集雨保墒和肥料高效利用研究。“全膜微垄沟播技术”是由甘肃省农业技术推广总站在多年研究的基础上提出的一项旱作大豆等中等密植作物抗旱高产栽培新技术[11]，其技术要点是地表微垄集雨、全地面地膜覆盖保墒、沟播雨水富集叠加利用[11]，能够实现旱地大豆农田降水和土壤养分的高效利用和大幅度增产。本研究于2013—2015年连续3年开展田间试验研究，以期揭示旱地大豆全膜微垄沟播技术增产的肥料效应。

1　材料与方法

1.1　试验区概况及供试土壤

试验于2013-2015年在甘肃旱作农业区的会宁县中川乡、镇原县孟坝镇、岷县马坞乡(年平均降水量分别为350、450和550 mm)进行，分别代表半干旱偏旱、半干旱、半湿润偏旱3个降水区域。试验区域海拔1 420-1 982 m，无霜期112～175 d，年平均气温6.1～9.2 ℃，日照时数2 580～3 325 h，≥10 ℃的有效积温为2 150～3 207 ℃·d，年降水量352～554 mm。土壤类型为黑垆土、黄绵土，土地类型为旱川地、旱塬条田、梯田，前茬作物为玉米(Zeamays)、马铃薯(Solanumtuberosum)，耕层土壤有机质10.5～15.8 g·kg-1、全氮0.67～0.98 g·kg-1、碱解氮38.1～45.6 mg·kg-1、速效磷14.6～19.9 mg·kg-1、速效钾129.5～150.1 mg·kg-1。

1.2　试验设计

采用栽培模式与施肥水平二因素随机区组设计，设两种栽培模式：露地条播(M1)、全膜微垄沟播(M2)，5个施肥水平：N0P0K0、N0P1K1、N1P0K1、N1P1K0、N1P1K1，N0、P0、K0分别表示不施氮、磷、钾肥，N1、P1、K1分别表示按标准用量施用氮、磷、钾肥(即：3个试验点N1分别为90、120、150 kg·hm-2，P1分别为90、120、150 kg·hm-2，K1分别为30、45、60 kg·hm-2)，共10个处理(表1)。小区面积6 m×4.5 m，3次重复，随机区组排列。

表1　大豆肥料效应试验处理Table 1　Treatments of fertilizer effect applied to soybean cultivation

1.3　测定项目及数据分析

1.3.1肥料利用率与缺肥区相对产量计算公式

肥料利用率=(完肥区养分吸收量-缺素区养分吸收量)/肥料施用量×100%=[(完肥区产量-缺素区产量)/100×100 kg产量吸收养分量]/肥料施用量×100%。

每生产100 kg大豆籽粒及其相应的茎、叶、荚壳等，从土壤中需要吸收的N、P2O5、K2O量按8.71、2.10、3.49 kg[12]计算。缺素区相对产量=缺素区产量/完肥区产量×100%。

施肥依从度=100%-缺素区相对产量。

1.3.2料利用效率计算公式

肥料利用效率=(完肥区产量-缺素区产量)/施肥量。

1.3.3产投比计算公式

运用巩固：通过布置新的课堂作业等形式，要求学生对所学习的新内容进行运用巩固。例如通过课堂作业，让学生了解汽车儿童安全座椅的种类和作用。

产投比=产出/投入=(籽粒产量×籽粒价格+秸秆产量×秸秆价格)/(种子成本+化肥成本+农膜成本+农药成本+物化劳动费用)。

1.3.4测产及考种按小区单收单打，测定生物产量和籽粒产量，每小区取5株考种。

1.3.5数据处理与分析采用Excel 2007软件处理基础数据，利用SPSS 17.0软件进行双因子方差分析。

2　结果与分析

2.1　全膜微垄沟播大豆的氮、磷、钾肥料利用率

全膜微垄沟播大豆氮肥利用率为38.0%～43.9%，平均为41.1%，较露地条播平均提高了7.3个百分点，增长了21.6%；大豆磷肥利用率为23.1%～26.8%，平均为25.0%，较露地条播平均提高了6.7个百分点，增长了36.6%；大豆钾肥利用率为21.7%～25.7%，平均为23.9%，较露地条播平均提高了4.9个百分点，增长了25.7%(表2)。较露地条播，全膜微垄沟播模式能显著提高大豆氮、磷、钾肥料利用率(P<0.05)，特别是在3种肥料中磷肥利用率增幅最高。

从降水区域看，降水量越少，全膜微垄沟播大豆氮、磷、钾肥料利用率越高。3个试验区年降水量由高到低降低约200 mm，大豆氮肥利用率平均增加了5.9个百分点、磷肥利用率增加3.7个百分点、钾肥利用率增加了4.0个百分点。表明降水量越少，全膜微垄沟播技术的水肥耦合效应越强，使大豆对土壤养分吸收效果更显著，肥料利用率更高。

2.2　全膜微垄沟播大豆的氮、磷、钾肥料利用效率

全膜微垄沟播大豆氮肥利用效率为4.4～5.0 kg·kg-1，平均为4.7 kg·kg-1，较露地条播增加0.8 kg·kg-1，增长了20.5%；大豆磷肥利用效率为11.0～12.8 kg·kg-1，平均为11.9 kg·kg-1，较露地条播增加3.2 kg·kg-1，增长了36.8%；大豆钾肥利用效率为6.2～7.4 kg·kg-1，平均为6.8 kg·kg-1，较露地条播增加1.3 kg·kg-1，增长的23.6%(表2)。

表2　大豆肥料利用率与肥料利用效率Table 2　Fertilizer use rate and use efficiency of soybean

表中数据为2013-2015年的平均值，下表同；表中同列数字后不同字母表示在相同地点不同处理间差异显著(P<0.05)，下表同.

The data are means of every treatment in 2013-2015; Different lowercase letters in the same site indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level, similarly for the following tables.

不同降水区域降水量越少，全膜微垄沟播大豆氮、磷、钾肥料利用效率越高。3个试验区年降水量由高到低降低约200 mm，大豆氮肥利用效率增加0.6 kg·kg-1、磷肥利用效率增加1.8 kg·kg-1、钾肥利用效率增加1.2 kg·kg-1。说明降水量较少情况下，水肥耦合效应促进大豆对土壤养分吸收效果更显著，氮、磷、钾肥料利用效率提高。

2.3　全膜微垄沟播大豆的产量

不论是完肥区还是缺素区，全膜微垄沟播大豆产量均显著地高于露地条播。3个降水区域产量平均结果，完全施肥区、缺氮区、缺磷区、缺钾区分别高出露地条播867.1、771.0、555.4、804.0 kg·hm-2，分别增产了47.9%、57.1%、75.0%、51.1%(表3)。

2.4　全膜微垄沟播大豆缺素区相对产量

全膜微垄沟播大豆缺氮区相对产量为78.2%～80.3%，平均为79.1%，较露地条播增加4.6个百分点，增长了6.2%；缺磷区相对产量为45.0%～50.1%，平均为47.3%，较露地条播增加4.3个百分点，增长了10.0%；缺钾区相对产量为87.6%～90.4%，平均为88.7%，较露地条播增加1.9个百分点，增长了2.2%(表3)。全膜微垄沟播模式大豆氮、磷、钾缺素区相对产量明显高于露地条播大豆。

不同降水区域氮、磷、钾缺素区相对产量均表现为全膜微垄沟播大豆>露地条播大豆。另外，无论全膜微垄沟播大豆，还是露地条播大豆，均表现为缺钾区相对产量>缺氮区相对产量>缺磷区相对产量(缺钾区相对产量超过85%，缺氮区相对产量超过70%)。这表明，磷养分是限制大豆生产的最主要因子。

2.5　全膜微垄沟播大豆施肥依从度

全膜微垄沟播大豆氮肥依从度为19.7%～21.8%，平均为20.9%，较露地条播平均减少4.6个百分点，降低了18.0%；磷肥依从度为49.9%～55.0%，平均为52.7%，较露地条播平均减少4.3个百分点，降低了7.5%；钾肥依从度为9.6%～12.4%，平均为11.3%，较露地条播平均减少1.9个百分点，降低了14.4%(表3)。表明，全膜微垄沟播大豆氮、磷、钾施肥依从度明显低于露地条播。

表3　大豆缺素区相对产量及施肥依从度分析Table 3　Analysis of relative yield and fertilization adherence of soybean on nutrient deficient plots

不同降水区域氮、磷、钾施肥依从度均表现为全膜微垄沟播大豆<露地条播大豆；同一栽培模式则表现为：钾肥依从度<氮肥依从度<磷肥依从度。可见，大豆对磷肥的依赖程度最高，氮肥次之，生产上应把重施磷肥作为提高旱地大豆产量的重要措施。

2.6　全膜微垄沟播大豆的经济效益

按照2017年初价格，对全膜微垄沟播、露地条播全肥处理(N1P1K1)大豆进行经济效益分析得出(表4)，3个降水区域全膜微垄沟播大豆产值平均为18 003.3元·hm-2，较露地条播大豆产值平均增加5 826.4元·hm-2；投入平均为7 661.7元·hm-2，较露地条播大豆平均新增生产费用870.0元·hm-2，纯收入平均为10 341.6元·hm-2，较露地条播大豆平均增加4 956.5元·hm-2；产投比平均为2.35，较露地条播大豆增加0.56。进一步分析得出，全膜微垄沟播大豆新增产投比(新增产出/新增投入)平均为6.7。这表明，与露地条播技术相比，全膜微垄沟播大豆经济效益明显，而露地条播大豆经济效益较低。

3　讨论

大豆根瘤有共生固氮作用，根瘤菌能够将空气中的分子态氮经固氮酶作用转化为铵态氮供大豆生长[13]。大豆的氮素营养主要有3个来源，即根瘤菌所固定的氮、土壤中的氮素和施入的氮肥[13]。研究认为，每667 m2大豆根瘤能从空气中固定3～12 kg的氮素，平均可固氮8 kg左右，相当于施用18 kg尿素，其中有2/3左右被大豆当季利用，剩余养分可有效供给间作、后茬轮作作物[13]。研究还认为，根瘤菌固定供给大豆的氮素占大豆需氮总量的50%～60%。这就决定了大豆氮素养分来源、施氮量、氮肥效应不同于其他作物[14]。

表4　不同区域不同栽培模式大豆经济效益Table 4　Economic benefits of soybean under different planting modes in different experiment spots

大豆籽粒6.0元·kg-1，秸秆0.60元·kg-1，地膜13.33元·kg-1，纯氮4.51元·kg-1，五氧化二磷 6.25元·kg-1，大豆种子7.0元·kg-1，农药20.00元·kg-1，人工费60.0元·天-1。

Soybean grain 6.0 CNY·kg-1, stalk 0.60 CNY·kg-1, plastic film 13.33 CNY·kg-1, pure N 4.51 CNY·kg-1, pure P2O56.25 CNY·kg-1, soybean seeds 7.0 CNY·kg-1, pesticide 20.00 CNY·kg-1, labor cost 60.0 CNY·d-1.

关于大豆肥料效应已有大量研究，以往的研究主要集中在露地栽培。马庶晗[15]采用“3414”最优回归设计研究了大豆氮磷钾肥最佳施用量，结果得出，大豆最适宜的氮、磷、钾施用量分别为N 46.41 kg·hm-2、P2O558.42 kg·hm-2、K2O 66.66 kg·hm-2，N∶P2O5∶K2O=1∶1.26∶1.44，最佳经济产量为4 129.45 kg·hm-2。孙广林等[16]采用大量田间肥料回归试验研究得出，当大豆氮素施用量为30～90 kg·hm-2时，利用率为54.1%～30.4%；当大豆磷素施用量为45～135 kg·hm-2时，利用率为20.0%～12.0%；当大豆钾素施用量为45～135 kg·hm-2时，利用率为53.0%～32.0%，表明大豆氮、磷、钾肥料利用率均随施肥水平的提高而明显降低。杨勇和张春芝[17]采用“3414””肥料效应试验研究得出，大豆经济最佳施肥量为N 93.0 kg·hm-2、P2O5147.0 kg·hm-2、K2O 99.0 kg·hm-2，N∶P2O5∶K2O=1∶1.58∶1.06。邵彦宾等[18]采用“3414”最优回归设计研究得出，大豆最适宜的氮、磷、钾施用量分别为N 55.8、P2O568.08和K2O 34.65 kg·hm-2，N∶P2O5∶K2O=1∶1.22∶0.62。可见，不同区域不同栽培方式大豆的最适宜施肥量、氮磷钾配比差异是比较明显的，肥料利用率和利用效率等土壤肥料效应也差异较大。近年来，由于北方干旱范围扩大、干旱程度加重，大豆地膜覆盖栽培技术特别是全膜覆盖技术研究和应用不断兴起，全膜覆盖模式在不断改进和完善。范荣等[19]采用“3414”回归设计研究了旱地全膜覆土穴播大豆肥料效应，结果得出，大豆最适宜的氮、磷、钾施用量分别为N 98.7、P2O599.71和K2O 82.05 kg·hm-2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.99∶0.83，最佳经济产量为2 652.0 kg·hm-2。任亮和任稳江[20]采用 “3414”回归设计开展了旱地全膜覆土平作穴播大豆田间肥效试验，结果表明，大豆最适宜的氮、磷、钾施用量分别为N 67.05、P2O537.8 和K2O 28.65 kg·hm-2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.56∶0.43，经济最佳产量为1 843.5 kg·hm-2。陈其鲜[21]在甘肃陇东旱作区通过氮、磷、钾不同配比试验结果得出，大豆全膜双垄沟播最适宜的氮、磷、钾施用量为每667 m2施N 4.6、P2O54.2和K2O 2.5 kg，N∶P2O5∶K2O=1∶0.91∶0.54。但实践中发现，“全膜双垄沟播”和“全膜覆土穴播”两种全膜覆盖模式都有其优点和缺点，“全膜双垄沟播”技术采用大小双垄集雨、沟播种植，优点是双垄面集雨效果好、宽窄行种植通风透光、采光条件好，适宜玉米等稀植作物[22-24]；缺点是大垄太宽，密度小，不适宜密植作物。“全膜覆土穴播技术”优点是地膜平铺有利于密植，适宜小麦等密植作物[25-26]；缺点是集雨保墒效果较差，在稀植作物上应用较少。

全膜微垄沟播技术集雨保墒效果好、通风透光，又利于增加密度，适宜大豆、谷子、蔬菜等中等密植作物[11]。关于大豆“全膜微垄沟播技术”的增产效果已有研究报道[27-29]。史志峰等[27]研究了覆膜方式对陇东旱地大豆的影响，结果表明，全膜微垄沟播栽培产量达到3 364.7 kg·hm-2，较露地条播增产47.5%：全膜双垄沟播、全膜覆土穴播、全膜平铺穴播产量分别为3 323.0、3 208.4和3 010.5 kg·hm-2，较露地条播分别增产45.7%、40.6%和32.0%。王闯等[28]研究大豆全膜覆盖覆膜模式的产量效应，结果得出，全膜微垄沟播、全膜双垄沟播、全膜覆土穴播大豆产量分别为167.7、165.7和154.3 kg·667 m-2，分别较露地条播增产39.2%、38.1%和28.6%。邓晓奋[29]开展旱地大豆不同起垄覆膜方式试验研究，结果表明，全膜微垄沟播栽培方式保墒效果最好，产量达到3 096.9 kg·hm-2，较露地条播增产27.4%：全膜双垄沟播产量为3 028.1 kg·hm-2，较露地条播增产24.5%。这些研究说明大豆全膜微垄沟播较全膜双垄沟播、全膜覆土穴播具有明显的增产效果。但到目前为止，关于大豆全膜微垄沟播技术的增产机理特别是肥料效应仍未见研究报道。本研究在3个不同降水区域连续3年试验得出，旱地全膜微垄沟播大豆氮、磷、钾肥料利用率较露地条播分别提高7.3、6.7、4.9个百分点，氮、磷、钾肥料利用效率较露地条播分别增长了20.5%、36.8%、23.6%，氮、磷、钾施肥依从度较露地条播分别降低了18.0%、7.5%、14.4%。该技术能够大幅度提高大豆肥料利用率和利用效率，实现旱地大豆肥料的高效利用。

4　结论

1)全膜微垄沟播技术具有垄面集流、覆盖保墒和显著的增温功能，能有效促进大豆生长发育，显著提高旱地大豆氮、磷、钾肥料利用率。大豆氮、磷、钾肥料利用率分别达到41.1%、25.0%和23.9%，较露地条播分别提高7.3、6.7和4.9个百分点。2)全膜微垄沟播技术大豆单位施肥量的增产量大幅度增加，能显著提高旱地大豆肥料利用效率。全膜微垄沟播大豆氮、磷、钾肥料利用效率分别达到4.7、11.9和6.8 kg·kg-1，较露地条播分别增长了20.5%、36.8%和23.6%。3)全膜微垄沟播技术能促进大豆对土壤养分的吸收利用，显著提高氮、磷、钾缺素区大豆的相对产量。大豆氮、磷、钾缺素区相对产量分别达到79.1%、47.3%和88.7%，较露地条播分别增加4.6、4.3和1.9个百分点。4)全膜微垄沟播技术水肥互促效应促进了大豆养分的吸收利用，从而降低了氮、磷、钾施肥依从度。全膜微垄沟播大豆氮、磷、钾施肥依从度分别为20.9%、52.7%和11.3%，较露地条播分别降低了18.0%、7.5%和14.4%。5)全膜微垄沟播技术能使旱地大豆大幅度增产，显著提高大豆的经济效益。全膜微垄沟播大豆产值、纯收益分别较露地条播增加5 826.4、4 956.4元·hm-2，产投比达到2.35元·元-1，经济效益显著。