黑龙江大豆-玉米轮作体系氮磷调控的产量效应与养分平衡

张 阳，张春宇，张明聪，金喜军，王孟雪，张玉先

（黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江 大庆 163319）

黑龙江省是我国大豆和玉米的主要供应基地，大豆和玉米种植面积分别为274.5万和662万hm2左右，年均总产分别达448.4万和2888万t［1-2］。轮作是充分利用土地资源，降低生产成本，提高农民收入的重要途径，特别是豆科作物与禾本科作物轮作［3］。据研究报道［4］，相比非轮作种植制度，粮豆轮作可增加大豆和玉米单产且减少农药和化肥的施用量。郭耀东等［5］研究表明，豆科作物有提高土壤肥力和显著提高后作玉米产量等优点。大豆-玉米轮作是黑龙江省大豆主要轮作模式之一，随着2016年中央一号文件“探索实行耕地轮作休耕制度试点”的发布以及轮作补贴的实施，大豆-玉米轮作种植面积呈逐渐扩增的趋势。但由于农户种植生产中作物施肥方案仍按照传统单作大豆、玉米施肥模式，未统筹考虑大豆-玉米轮作体系整体的施肥需求，造成肥料损失、环境污染等现象。对此，本文从降低肥料损失，改善土壤环境的角度出发，制定一个轮作周期内总施肥量不变，大豆茬口减氮增磷和玉米茬口增氮减磷的一体化施肥模式，以期寻找一种最优的肥料运筹模式。本研究以黑龙江省九三管局鹤山农场大豆-玉米轮作体系下氮、磷分配特征为切入点，根据该区域同期的农户肥料施用状况调查［6-7］、大豆和玉米养分需求规律及适宜的肥料用量［8-9］等研究结果，结合氮、磷肥料的产量效应、作物吸收氮磷钾养分特征、氮磷调控下土壤养分实际平衡及经济效益，探讨了大豆-玉米轮作制中氮、磷的合理分配问题，为黑龙江垦区合理的养分管理提供理论指导和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017～2019年在黑龙江省九三管局鹤山农场科技园区进行。该试验区属于寒温带大陆性气候，年降水量538.3 mm，年平均气温1.6℃，年日照时数达2429.3 h，无霜期119 d。试验田土壤类型为黑土，弱酸性，其0～20 cm土壤的基本理化性质：pH 6.3，有机质含量13.4 g/kg，全氮含量0.78 g/kg，全磷含量0.71 g/kg，全钾含量17.55 g/kg，碱解氮含量141.8 mg/kg，有效磷含量40.6 mg/kg，速效钾含量180 mg/kg。本研究作物生长期间气象数据由本试验点农场小型气象站测定获得，具体气象数据如图1所示。

供试肥料：尿素（N 46%）；磷酸二铵（N 18%，P2O546%）；硫酸钾（K2O 50%）；供试大豆品种为当地主栽品种黑河“43”，玉米品种为当地主栽品种德美亚一号。

1.2 试验处理及设计

种植方式为大豆-玉米轮作。2017年种植大豆，2018年种植玉米，2019年种植大豆。为保证一个轮作周期总施肥量不变，每个作物分别设置4种氮磷调控处理，各处理设置如下：

（1）大豆季。SCK：当地常规施肥；S1：在常规施肥基础上，减施1/3氮肥，增施1/3玉米磷肥；S2：在常规施肥基础上，减施1/2氮肥，增施1/2玉米磷肥；S3：在常规施肥基础上，减施2/3氮肥，增施2/3玉米磷肥。

（2）玉米季。MCK：当地常规施肥；M1：在常规施肥基础上，增施1/3大豆氮肥，减施1/3磷肥；M2：在常规施肥基础上，增施1/2大豆氮肥，减施1/2磷肥；M3：在常规施肥基础上，增施2/3大豆氮肥，减施2/3磷肥。

大豆-玉米轮作周年各处理表示为SCK-MCK、S1-M1、S2-M2、S3-M3。

试验采取随机区组设计，3次重复。小区面积78 m2（15 m长，0.65 m垄宽，8垄）。大豆所有氮、磷、钾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于最后一次中耕时施入，磷和钾肥均做底肥施入。大豆保苗密度40万株/hm2，玉米保苗密度10万株/hm2。全生育期无灌水。其它田间管理同当地大田。

大豆和玉米具体施肥方案见表1。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质量的测定

大豆茬口鼓粒期、成熟期和玉米茬口大喇叭口期、灌浆期、完熟期随机采取具有代表性的植株5株，大豆按叶片、叶柄、荚皮、茎和籽粒5部分器官分样，玉米按叶片、茎秆、苞叶、穗轴和籽粒5部分器官分样，均在105℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重，测定干物质量。后用粉样机将烘干植株样品粉碎，密封保存，以备植株氮磷钾养分含量测定。

1.3.2 氮磷钾养分含量测定

将粉碎好的植株样品用H2SO4-H2O2消煮法制备待测液，全氮含量用凯氏定氮法测定，全磷含量用钒钼黄比色法测定，全钾含量用火焰光度法测定。

1.3.3 测产

作物成熟后，大豆试验区每个处理选取1 m2的大豆进行考种测产，并测定单株粒数、单株荚数及百粒重等产量构成因素；玉米试验区每个处理选取2 m2的玉米进行考种测产，并测定穗行数、穗粒数及百粒重等产量构成因素（大豆试验区和玉米试验区均测定不施氮处理、不施磷处理及不施钾处理的产量，以计算土壤的供肥量）。

1.4 数据处理

1.4.1 养分利用率计算

植株氮（磷、钾）素总积累量（kg/hm2）=

Σ植株各器官干重×氮（磷、钾）含量

表观平衡（%）=（输入量-输出量）/输出量×100；

盈（或亏）（%）=（输入量+土壤供给量-输出量）/输出量×100。输入量仅包括化肥投入量；输出量仅包括作物收获而带出的养分含量［10］。

1.4.2 经济效益计算

肥料价格和作物单价均按当地市场价进行计算。由于本试验仅探讨施肥对轮作作物经济效益的影响，因此计算时未将种子成本和人工成本考虑在内。

采用Excel 2010对所有数据进行处理和计算，通过SPSS 17.0软件进行统计分析，用LSD法检测处理间P＜0.05水平的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 氮磷调控对大豆、玉米生长的影响

2.1.1 对大豆地上部干物质的影响

干物质量积累量的增加是作物获得高产的基础［11-12］。图2结果显示，鼓粒期，S2处理的营养器官干物质积累量显著高于SCK处理；荚果干物质积累量以S2处理最高；成熟期，地上部干物质积累量以S2处理最高，相比其它各处理增幅分别达29.0%、20.3%和48.2%（P＜0.05）。表明大豆季减施1/2氮肥，增施1/2玉米磷肥（S2）的调控处理有利于提高大豆地上部干物质的积累量，为高产提供物质基础。

2.1.2 对玉米地上部干物质的影响

图3结果显示，不同氮磷调控处理对玉米喇叭口期后的干物质积累量有影响。灌浆期和完熟期各处理的干物质积累量均以M2处理最高，与MCK处理相比，增幅分别达8.8%和15.0%。表明玉米茬口增施1/2大豆氮肥、减施1/2磷肥（M2）的调控处理可促进生育后期玉米对土壤养分的吸收，提高生育后期干物质的积累。

2.1.3 对大豆产量构成因素的影响

表2结果显示，不同氮磷调控处理的无效荚、单株荚数和百粒重在处理间无显著差异。各处理的株高、单株粒数和产量均以S2处理最高，与SCK处理相比，增幅分别达13.9%、7.5%和5.9%。说明，大豆茬口减施1/2氮肥、增施1/2玉米磷肥（S2）的调控处理更有利于提高大豆产量因子，从而获得较高产量。注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平。下同。

本课题组以挤出-滚圆技术制备枸橼酸莫沙比利胃漂浮缓释微丸[13]，通过单因素试验考察不同种类助漂剂、黏合剂、泡腾剂对微丸8 h漂浮率的影响，并通过正交试验考察上述辅料的最优用量。试验结果显示，助漂剂、黏合剂、泡腾剂的种类和用量会影响微丸的8 h漂浮率、圆整度以及收率。本课题组以优化的辅料处方（13.0 g十八醇、3.7 g HPMC、3.4 g碳酸氢钠）成功制备了5批枸橼酸莫沙比利胃漂浮缓释微丸，所得微丸成形较好，且该制备工艺简单，易于扩大生产。

表2 大豆产量构成因素

2.1.4 对玉米产量构成因素的影响

表3结果显示，前茬大豆实施减氮增磷方案对后茬玉米的穗行数、秃尖长和百粒重无显著影响。玉米行粒数除M3处理外，其余氮磷调控处理均显著高于MCK处理。玉米产量以M2处理最高，显著高于MCK处理，增幅达11.2%。表明玉米茬口增施1/2大豆氮肥、减施1/2磷肥（M2）的调控处理有利于提高玉米行粒数，从而提高产量。

表3 玉米产量构成因素

2.2 氮磷调控对大豆、玉米植株养分吸收的影响

2.2.1 对大豆植株养分吸收的影响

表4结果显示，大豆不同生育时期各处理的氮素累积量、磷素累积量和钾素累积量均以S3处理最低。鼓粒期，与SCK相比，S2处理的氮素累积量显著增加，增幅达18.2%，磷素累积量和钾素累积量均无显著差异；成熟期，与SCK相比，S2处理的氮素累积量和钾素累积量显著增加，增幅分别达35.0%和42.6%。说明，大豆茬口减施1/2氮肥、增施1/2玉米磷肥（S2）的调控处理更有利于大豆对氮素和钾素的吸收。

表4 不同处理对大豆植株氮、磷、钾素累积量的影响 （kg/hm2）

2.2.2 对玉米植株养分吸收的影响

表5结果显示，玉米植株氮素累积量、磷素累积量和钾素累积量随生育期的推进呈逐渐增加的趋势，其中M2处理表现较强优势。在大喇叭口期，与MCK相比，M2处理的氮素累积量和磷素累积量显著增加，增幅分别达39.8%、38.1%；灌浆期，与MCK相比，M2处理的氮素累积量和钾素累积量显著增加，增幅分别达42.0%、20.4%；成熟期，与MCK相比，M2处理的氮素累积量和钾素累积量显著增加，增幅分别达12.2%、11.6%。说明，玉米茬口增施1/2氮肥、减施1/2玉米磷肥（M2）的调控处理有利于促进玉米生育后期对氮素和钾素的吸收，使植株对于氮、钾元素的吸收达到最大化。

表5 不同处理对玉米植株氮、磷、钾素累积量的影响 （kg/hm2）

2.3 氮磷调控对大豆-玉米轮作体系土壤养分收支平衡的影响

土壤养分收支平衡是衡量土壤养分残留及作物吸收利用的重要指标。表6结果显示，在大豆茎秆还田，玉米茎秆不还田的情况下，氮、磷、钾素表观平衡中，各处理的表观平衡均为负值，盈余率均为正值；其中S2-M2处理的氮（N）施入量为192 kg/hm2，作物输出氮464.70 kg/hm2，氮素亏缺58.68%，如考虑土壤供氮量（288.68 kg/hm2），氮素盈余3.44%；磷（P）施入量为75.32 kg/hm2（相当于P2O5172.5 kg/hm2），作物输出磷107.92 kg/hm2，磷素亏缺30.21%，如考虑土壤供磷量，磷素盈余62.69%；钾（K）施入量为62.23 kg/hm2（相当于K2O 75 kg/hm2），作物输出钾364.66 kg/hm2，钾素亏缺82.93%，如考虑土壤供钾量，钾素盈余0.21%。除S1-M1处理的钾素盈余率外，其余氮磷调控处理的氮、磷和钾素盈余率均比SCK-MCK处理高。说明3种氮磷调控模式中S2-M2处理的调控模式有利于作物对土壤营养元素的吸收，从而改善肥料残留对土壤环境的不利影响。

表6 不同处理对大豆-玉米轮作土壤氮、磷、钾素表观平衡的影响

2.4 相关性分析

2.4.1 大豆干物质量、养分含量、养分平衡值与产量的相关性分析

由表7相关性分析可知，大豆产量与土壤氮素表观平衡值和钾素表观平衡值分别呈极显著（P＜0.01）和显著（P＜0.05）负相关关系，与植株干物质积累量和氮、磷、钾素累积量呈极显著的正相关关系（P＜0.01），与土壤磷素表观平衡值呈中等相关。说明，大豆茬口合理的氮磷调控可促进植株对养分的吸收，从而积累较多的干物质量，为产量的提高提供物质基础。

2.4.2 玉米干物质量、养分含量、养分平衡值与产量的相关性分析

表8结果显示，玉米产量与土壤养分表观平衡值各指标均呈负相关，与其余各项指标均呈正相关，其中植株氮素累积量与产量呈显著正相关（P＜0.05）。说明玉米植株氮素含量的累积是影响玉米产量的一个重要因素。

2.5 氮磷调控对大豆、玉米经济效益的影响

表9结果显示，与SCK处理相比，大豆茬口S2处理的产值相对较高，利润和产投比相对较低；与MCK处理相比，玉米茬口M2处理的产值、利润和产投比均较高，且利润高达19605元/hm2。从轮作周年经济效益来看，S2-M2处理的产值和利润均达最高，与常规施肥相比，增幅分别为9.8%和8.6%，产投比虽与常规施肥处理相比较低，但差异不大。由此可见，S2-M2的调控处理模式能获得相对较高的经济效益。

表7 不同处理大豆植株干物质积累、养分累积量、养分平衡值与产量的相关性

表8 不同处理玉米植株干物质量、养分累积量、养分平衡值与产量的相关性

表9 不同处理的大豆、玉米经济效益

3 讨论

轮作有利于产量的增加和氮素等养分的吸收，尤其是豆科作物与禾本科作物轮作。有研究报道，豆科与禾本科作物轮作体系中，禾本科作物氮吸收量的5%～34%来自于前茬豆科作物根际沉积氮［13-15］。但轮作过程中不合理的施肥会造成作物减产，肥料利用率降低等现象。对此，本文根据作物的需肥特征，提出了大豆茬口减氮增磷和玉米茬口增氮减磷的一体化施肥模式，期望通过大豆茬口以磷促氮，充分挖掘大豆的根瘤固氮功能，以提高大豆-玉米轮作系统的产量和养分利用效率，实现系统高产、高效。本研究中，大豆茬口S2处理不仅能增加大豆的干物质积累量，而且提高大豆株高和单株粒数，使大豆增产5.9%；玉米茬口M2处理不仅能增加玉米干物质积累量，而且提高玉米行粒数，显著增加玉米产量，使玉米增产11.2%，明显优于常规施肥处理。同时，大豆茬口和玉米茬口生育后期的氮、磷、钾累积量均以S2和M2处理最高，说明该调控模式下，氮、磷、钾养分分配较为合理，可促进作物对养分的吸收，为增产创造条件［16-18］。但大豆季S3处理的氮、磷、钾累积量均比其它处理相对低，可能是由于氮磷施用比例失调，对植株的养分吸收产生负面的影响［19］。

土壤养分收支平衡反映了农田土壤养分需求和平衡状况，对后期养分资源管理和肥料的科学分配与施用起到重要作用［20］。当前我国主要农作物的施肥量并非完全依赖于测土配方施肥，可根据作物相应产量的养分消耗量来定。本研究中，按照农田土壤养分表观平衡（%）=（输入-输出）/输出×100来计算养分投入量［21-22］，各处理的氮、磷、钾素表观平衡率均为负值。考虑到该试验区位于黑土区，土壤中养分含量较高，若利用此表观平衡率来反映土壤养分盈余量误差相对较大，不能完全符合实际需要。因此，本研究根据刘建玲等［23］所提出的土壤养分盈余（亏缺）（%）=（输入养分-输出养分+土壤供养分）/输出养分×100来反映土壤养分的实际“盈或亏”程度，并为科学施肥提供理论参数。本研究中，考虑土壤养分贡献后，大豆-玉米轮作体系下氮、磷、钾素盈余率均为正值，且S2-M2调控处理的氮、磷、钾素盈余率均比SCK-MCK处理较低，分别为3.44%、62.69%、0.21%。王火焰等［24］研究提出，在轮作制条件下，由于轮作作物对养分的需求存在差异，养分分配应向需求较高的作物倾斜，周年总养分补给与消耗大致平衡即可。这样既不会导致土壤养分库消耗太多，也不会导致土壤养分库积累过高。鲁如坤等［25-26］研究提出，若农田氮素盈余率超过20%时，可能引起氮素对环境的潜在威胁；若磷肥增产率为10%～25%时，磷素盈余率应保持在20%以下；若农田缺钾显著的情况下，钾素平衡盈余30%～50%尚可接受。由此分析本研究中，S2-M2调控处理的氮、钾素盈余率均正常，磷素盈余率结果偏高，说明大豆-玉米轮作体系下S2-M2调控处理的氮、钾素收支基本平衡，磷素仍有盈余，需进一步完善施肥模式，特别是对磷肥的调控。实际上，作物生物量、养分含量、土壤表观平衡值与产量并不是孤立存在的，它们之间构成了一个有机整体，因此本研究对上述3方面进行相关分析，以期为进一步解释作物高产的深层机制提供参考。结果表明，大豆产量与氮素累积量呈显著正相关，玉米产量与氮素累积量呈显著正相关，说明植株氮素累积量的增加是作物获得高产的重要途径，这与魏琛琛等［27］的研究结果相似。

豆科作物轮作下合理的施肥是保证作物高产，增加农民收益的有效措施。本研究中，与常规施肥相比，大豆茬口S2处理虽提高了大豆产量，增加了经济收益，但因肥料成本增加，经济利润相对较低；玉米茬口M2处理不仅增加了经济收益，且肥料成本相对较低，经济利润显著增加。从轮作周年经济效益来看，S1-M1和S2-M2处理的经济利润均比常规施肥较高，其中S2-M2处理的利润最高，高达25351元/hm2。

4 结论

2017～2019年实施大豆-玉米轮作调控施肥，大豆茬口S2处理可促进大豆植株对养分的吸收利用，提高干物质量积累，增加大豆产量，增产幅度达5.9%，玉米茬口M2处理可促进玉米植株对养分的吸收利用，提高干物质量的积累，显著增加玉米产量，增产幅度达11.2%。

大豆-玉米轮作体系下各处理的氮、磷、钾素表观平衡率均为负值，考虑土壤养分贡献后，各处理的氮、磷、钾盈余率均为正值。其中S2-M2处理的调控模式较其它处理可降低土壤养分盈余，氮、磷、钾盈余率分别为3.44%、62.69%、0.21%。通过相关性分析可知，植株对氮素的吸收累积是作物获得高产的重要途径。

本试验条件下，S2-M2的调控处理虽降低了大豆的利润，但提高了玉米的利润，轮作周年利润也相对较高，达25351元/hm2。

综上所述，在保证轮作周年施肥总量不变的条件下，大豆-玉米轮作体系下大豆茬口减施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，减施1/2磷肥（M2）的调控处理在保证作物增产的同时，降低了土壤养分的盈余，对于缓解化肥浪费和环境污染起到积极的作用。该调控模式可作为黑龙江垦区大豆-玉米高效施肥的优选模式。