王 聰 孫繼英 劉玲玲 邱廣偉 汝甲榮 王懷鵬 孫旭紅 唐春雙

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院 黑龍江齊齊哈爾 161000；2.黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)作物開(kāi)發(fā)研究所 黑龍江佳木斯 154007）

黑土土壤肥沃， 具有有機(jī)質(zhì)含量高、 腐殖質(zhì)深厚、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)好、結(jié)構(gòu)疏松等特點(diǎn)，適合作物生長(zhǎng)[1]。克山縣位于黑龍江省西北部， 地處世界三大黑土帶之一的松嫩平原腹地。 近年來(lái)由于連作及不合理施肥方式等原因使黑土區(qū)在一定程度上發(fā)生了改變，出現(xiàn)了土壤有機(jī)質(zhì)下降、 黑土層變薄和質(zhì)量下降等問(wèn)題[2]。 連作會(huì)降低農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，破壞土壤環(huán)境、降低土壤肥力[3]。 同時(shí)長(zhǎng)期單施化肥會(huì)使土壤環(huán)境出現(xiàn)養(yǎng)分偏耗的現(xiàn)象， 有機(jī)肥中含有大量的有機(jī)碳，可以彌補(bǔ)長(zhǎng)期單施化肥的不足[4-5]。 研究表明，進(jìn)行玉米—大豆輪作， 作物產(chǎn)量平均每年比常年連作處理產(chǎn)量提高0.8%～4.5%[6-7]。 采用有機(jī)肥替代部分化肥的施肥方式， 能夠協(xié)調(diào)肥料在土壤中的養(yǎng)分釋放，滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育各時(shí)期養(yǎng)分的均衡供給[8]。 本文作者通過(guò)探討輪作體系中不同施肥方式下輪作對(duì)土壤理化性狀的影響， 目的在于解決黑土土壤有機(jī)質(zhì)含量下降、 土壤理化性狀惡化等黑土質(zhì)量退化問(wèn)題，探索總結(jié)出適合本區(qū)域的作物施肥方式。 通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，確定合理的作物輪作施肥方式，在保證產(chǎn)量的同時(shí)，有效遏制黑土質(zhì)量退化，實(shí)現(xiàn)黑土耕地資源可持續(xù)利用，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020-2021年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院試驗(yàn)地進(jìn)行。 該試驗(yàn)區(qū)屬于寒溫帶大陸性氣候，年降水量634 mm，年平均氣溫2.9℃，年日照時(shí)數(shù)達(dá)1 774 h，無(wú)霜期163 d。 試驗(yàn)田土壤類型為黑土，弱酸性，其0～20 cm 土壤的基本理化性狀見(jiàn)表1。

表1 供試土壤理化性狀

1.2 試驗(yàn)材料

供試大豆品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N克山1號(hào)， 玉米品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N克玉23。 供試肥料： 商品有機(jī)肥，養(yǎng)分含量為碳含量28.36%、氮含量1.8%、磷含量0.43%、鉀含量 1.22%；復(fù)合肥，養(yǎng)分含量 N、P2O5、K2O比例為26∶11∶11。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置9個(gè)處理： 玉米—大豆輪作， 不施肥（CK）；玉米—大豆輪作，1/3 有機(jī)肥替代（T1）；玉米—大豆輪作，常規(guī)施肥（T2）；大豆連作，不施肥（T3）；大豆連作，1/3 有機(jī)肥替代 （T4）； 大豆連作， 常規(guī)肥（T5）；玉米連作，不施肥（T6）；玉米連作，1/3 有機(jī)肥替代（T7）；玉米連作，常規(guī)肥（T8）。 具體種植及施肥情況見(jiàn)表2。 試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理3 次重復(fù)，小區(qū)面積 78 m2（長(zhǎng) 15 m，壟寬 0.65 m，每小區(qū)8 壟）。 玉米保苗密度 9 萬(wàn)株/hm2， 大豆保苗密度35 萬(wàn)株/hm2。 其他田間管理同生產(chǎn)田。

表2 試驗(yàn)處理

1.4 樣品采集

每年于各作物收獲后進(jìn)行0～20 cm 土樣采集，清除地表枯枝落葉后按每小區(qū)5個(gè)采樣點(diǎn)法（“S”形布點(diǎn)）用土鉆取土，將同一處理小區(qū)的土樣去除根系殘?bào)w及其他侵入體后混勻裝袋， 經(jīng)自然風(fēng)干后研磨過(guò)篩備用。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.5.1 土壤指標(biāo) 堿解氮采用堿解擴(kuò)散法進(jìn)行測(cè)定[9]；速效磷采用NaHCO3浸提-鉬睇抗吸光光度法進(jìn)行測(cè)定[9]；速效鉀采用NH4OAC 浸提-火焰光度法進(jìn)行測(cè)定[9]；pH 采用電位法測(cè)定[9]；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[10]。

1.5.2 產(chǎn)量指標(biāo) 作物成熟后， 大豆試驗(yàn)區(qū)每個(gè)處理選取2 m2的大豆進(jìn)行測(cè)產(chǎn)； 玉米試驗(yàn)區(qū)每個(gè)處理選取4 m2的玉米進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 22.0 進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥方式對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

由圖1 可知，輪作體系中，在大豆種植年T1 處理較玉米種植年有機(jī)質(zhì)含量上升了0.42 g/kg，CK 和T2 處理分 1 別下降了 0.04 g/kg、0.11 g/kg，這是由于施用有機(jī)肥可以提高土壤有機(jī)碳含量， 增加土壤有機(jī)質(zhì)。在T1 處理?xiàng)l件下，2年試驗(yàn)土壤的有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于CK 和T2 處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量。

圖1 施肥方式對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

2.2 施肥方式對(duì)土壤pH 的影響

由圖2 可知，輪作體系中，在玉米種植年T1 處理 pH 顯著高于 CK 和 T2。 大豆種植年在 CK、T1 和T2 處理?xiàng)l件下， 土壤pH 較玉米種植年均呈下降趨勢(shì)，這是由于大豆根系分泌酸性物質(zhì)，增加了土壤的酸性。 不同處理下降程度不同，CK、T1 和 T2 豆茬土壤 pH 較玉米茬分別下降了 0.06、0.02 和 0.05；T1 處理?xiàng)l件下，下降程度較小。 說(shuō)明有機(jī)肥替代化肥可以緩解土壤酸化，調(diào)節(jié)土壤酸堿平衡。

圖2 施肥方式對(duì)土壤pH 的影響

2.3 施肥方式對(duì)土壤堿解氮的影響

由圖3 可知，輪作體系中，大豆種植年較玉米種植年在CK、T1 和T2 處理下，堿解氮均呈下降趨勢(shì)，但不同處理下降程度不同， 各處理分別下降了16.6%、13.5%、15.7%。其中，T1 條件下，下降程度最小。在T1條件下，大豆種植年堿解氮含量較高，分別高出CK、T2 的土壤堿解氮含量 4.80 mg/kg、6.16 mg/kg。 有機(jī)肥替代氮肥促進(jìn)了豆科植物根瘤生長(zhǎng)，使大豆根瘤數(shù)增加，導(dǎo)致大豆根瘤對(duì)土壤氮素的固定效果增強(qiáng)，因此大豆種植年的T1 處理堿解氮含量高于CK 和T2。

圖3 施肥方式對(duì)土壤堿解氮的影響

2.4 施肥方式對(duì)土壤速效鉀的影響

由圖4 可知，輪作體系中，大豆種植年較玉米種植年在CK、T1 和T2 處理?xiàng)l件下，速效鉀均呈下降趨勢(shì)。其中，T2 處理下降最少，為 13.9%。CK 和 T1 處理分別下降了21.5%和19.6%。 T1 處理的玉米種植年，較CK、T2 處理的玉米種植年土壤速效鉀含量高， 分別高 12.66 mg/kg、 4.44 mg/kg。 T1 處理的大豆種植年， 較 CK、 T2 的土壤速效鉀分別高 15.33 mg/kg、6.11 mg/kg。

圖4 施肥方式對(duì)土壤速效鉀的影響

2.5 施肥方式對(duì)土壤速效磷的影響

由圖5 可知，輪作體系中，在大豆種植年CK、T1和T2 處理?xiàng)l件下，較玉米種植年速效磷均呈下降趨勢(shì)， 不同處理下降程度不同， 分別下降了28.8%、11.6%、14.8%。 大豆種植年土壤速效磷含量表現(xiàn)為T1＞T2＞CK， 玉米種植年土壤速效磷含量表現(xiàn)為T2＞T1＞CK。 大豆種植年在 T1 處理?xiàng)l件下，較 CK、T2 土壤速效磷含量較高，分別高7.6 mg/kg、0.69 mg/kg。

圖5 施肥方式對(duì)土壤速效磷的影響

2.6 施肥方式對(duì)不同種植方式土壤理化性狀的影響

由表3 可知，輪作體系中大豆種植年T1 土壤中堿解氮含量高于大豆連作的T3、T4、T5 三個(gè)肥料處理的土壤堿解氮含量。 大豆連作在T4 及T5 條件下，種植第2年土壤中速效磷含量顯著高于其他處理，這是由于連作使有效磷的固定增大， 同時(shí)又增加肥料共同作用形成的結(jié)果。 玉米—大豆輪作，大豆種植年T1 和T2 處理?xiàng)l件下， 土壤中速效鉀的含量顯著高于其他處理。玉米—大豆輪作的CK、T1、T2 三個(gè)肥料處理，種植第2年土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于玉米連作的T6、T7、T8 三個(gè)肥料處理，原因是大豆生育期有根瘤菌作用，可以固定空氣中游離的氮素，有恢復(fù)和提高地力的作用。 在玉米連作T7 和T8 處理?xiàng)l件下，種植第2年土壤pH 顯著高于其他處理；在大豆連作T5 處理?xiàng)l件下，種植第2年土壤pH 顯著低于其他處理， 這是由于大豆連作吸收了土壤中的鹽基性營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)大豆根系產(chǎn)生酸性物質(zhì)，造成土壤酸度提高。

表3 施肥方式對(duì)土壤理化性狀的影響

2.7 施肥方式對(duì)作物產(chǎn)量的影響

由圖6 可知，在輪作體系中，大豆種植年T1 處理產(chǎn)量高于其他2個(gè)處理，分別高于CK 333.6 kg/hm2、高于T2 150.2 kg/hm2。在連作條件下，大豆種植年T4 處理產(chǎn)量分別高于T3 317.8 kg/hm2、高于T5 178.8 kg/hm2。在2種種植方式下， 用有機(jī)肥替代部分化肥均能提高作物產(chǎn)量。 在施肥條件相同的條件下，CK、T1、T2產(chǎn)量分別高于 T3、T4、T5。 其中，T1 顯著高于其他處理。 輪作可均衡利用土壤中的各種元素，防止養(yǎng)分片面消耗，同時(shí)有機(jī)肥的增加提高了土壤中的養(yǎng)分，二者共同促進(jìn)產(chǎn)量的提高。

圖6 施肥方式對(duì)輪作、連作產(chǎn)量的影響

2.8 產(chǎn)量及土壤理化性狀相關(guān)性分析

對(duì)輪作2年作物產(chǎn)量及土壤理化性狀指標(biāo)平均值進(jìn)行相關(guān)性分析。 由表4 可知， 作物產(chǎn)量與堿解氮、速效鉀呈極顯著正相關(guān)，與速效磷、有機(jī)質(zhì)和pH均呈正相關(guān)。 通過(guò)土壤指標(biāo)之間的相關(guān)性分析顯示，有機(jī)質(zhì)和pH 呈顯著正相關(guān)，堿解氮與速效鉀呈極顯著正相關(guān)，速效磷與速效鉀呈顯著正相關(guān)，有效鉀與有機(jī)質(zhì)、pH 均呈正相關(guān)。 試驗(yàn)中土壤pH 均小于7，且pH 與產(chǎn)量呈正相關(guān)，說(shuō)明偏中性的土壤較酸性土壤更有利于作物產(chǎn)量的提高。

表4 產(chǎn)量及土壤理化性狀相關(guān)性分析

3 結(jié)論

本試驗(yàn)研究表明，在相同施肥條件下，大豆種植年輪作的各處理產(chǎn)量分別高于對(duì)應(yīng)連作大豆種植年的各處理產(chǎn)量； 進(jìn)行玉米—大豆輪作的土壤中堿解氮和速效鉀含量高于玉米連作和大豆連作， 有機(jī)質(zhì)含量高于玉米連作。 大豆連作體系中，種植第2年常規(guī)施肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)、 堿解氮及速效磷顯著高于連作中其他處理；土壤pH 顯著小于連作中其他處理。 玉米連作體系中，種植第2年常規(guī)施肥處理的土壤堿解氮和速效磷均高于連作中其他處理。

玉米—大豆輪作體系中，用1/3 有機(jī)肥替代部分化肥的處理，在玉米和大豆種植年土壤中pH 均高于施用全復(fù)合肥的處理，更趨近于中性；大豆種植年產(chǎn)量顯著高于其他處理；大豆種植年土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于施用全復(fù)合肥的處理且土壤中堿解氮、速效鉀、速效磷含量均高于施用常規(guī)肥的處理。 綜上可知，在輪作中施用有機(jī)肥替代部分化肥可使作物產(chǎn)量顯著提高，同時(shí)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，緩解土壤酸化，使土壤酸堿度保持平衡。 有機(jī)肥和化肥配施較單施化肥可增加土壤中堿解氮、速效鉀和有效磷的含量，使土壤肥力保持較高水平，達(dá)到用地養(yǎng)地相結(jié)合的目的，以養(yǎng)地水平促進(jìn)用地程度的增加，使作物不斷增產(chǎn)。

4 討論

施用有機(jī)肥能夠改善土壤的理化性狀， 前人研究表明，施用有機(jī)肥后，土壤中的速效磷、速效鉀、堿解氮等土壤養(yǎng)分的含量會(huì)明顯提升[11]，此結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)果相同。 土壤pH 是土壤的一項(xiàng)重要物理指標(biāo)，施用有機(jī)肥可以改善土壤酸堿度， 在酸性土壤中使用有機(jī)肥可以提高土壤的pH，有機(jī)肥的使用能夠使土壤的pH 趨向于中性，有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育[12-13]。本試驗(yàn)輪作體系中，在有機(jī)肥替代部分化肥條件下，玉米種植年和大豆種植年中的土壤pH 較其他處理均更趨近于中性，與前人研究結(jié)果相同。 土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力的一項(xiàng)重要指標(biāo)， 本試驗(yàn)輪作體系中，大豆種植年土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他處理，施用有機(jī)肥能夠提高土壤中的有機(jī)質(zhì)含量， 這與朱龍飛等[14]的研究結(jié)果相同，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥還會(huì)使土壤中的有機(jī)質(zhì)維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平， 提高土壤質(zhì)量。 在產(chǎn)量方面，試驗(yàn)中有機(jī)肥替代部分化肥條件下，大豆種植年產(chǎn)量顯著高于其他處理，與孫煒等的研究結(jié)果相同[15]。 本試驗(yàn)中，大豆種植年較玉米種植年土壤中NPK 含量均有所下降，可能原因如下：①有機(jī)肥改善土壤肥力是長(zhǎng)期過(guò)程，試驗(yàn)僅2年，時(shí)間太短，效果不明顯；②2021年由于多雨的影響，土壤淋溶加大，養(yǎng)分流失較大；③玉米需肥量大，為保障產(chǎn)量，肥料用量遠(yuǎn)大于大豆用量。

綜上所述，使用部分有機(jī)肥對(duì)無(wú)機(jī)肥進(jìn)行替代，能夠提供更加全面的養(yǎng)分，促進(jìn)作物增產(chǎn)，同時(shí)改善土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和pH 等理化性狀，維持土壤養(yǎng)分的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。 探究有機(jī)肥對(duì)土壤和作物產(chǎn)量的影響是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程， 后續(xù)需增加不同有機(jī)肥用量的試驗(yàn)來(lái)確定適合本地區(qū)的最佳施肥方式。