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(yǎng)分平衡及經(jīng)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(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學/旱區(qū)作物逆境生物學 國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；3扶風縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，陜西扶風 722200；4鳳翔縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)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(yǎng)分平衡及經(jīng)濟效益差異，探索適宜陜西關(guān)中小麥玉米輪作區(qū)的小麥輪作方式，為減少化肥投入，提高農(nóng)民經(jīng)濟收入提供思路與科學依據(jù)?！痉椒ā坑?018—2020年在陜西武功鎮(zhèn)開展田間試驗，隨機區(qū)組設(shè)計。設(shè)玉米-小麥輪作農(nóng)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(nóng)戶施肥處理外，其他3個處理的小麥季施肥均采用監(jiān)控施肥技術(shù)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(jié)果】與農(nóng)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(chǎn)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(yǎng)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(jīng)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(chǎn)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(jīng)濟收益。【結(jié)論】監(jiān)控施肥的推薦施肥方法不僅能夠減少化肥投入，降低生產(chǎn)成本，同時能夠增加小麥產(chǎn)量，提高小麥籽粒及地上部養(yǎng)分累積量，減少氮、磷養(yǎng)分平衡的盈余率，提高經(jīng)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(yǎng)分盈余量，同時還取得較高的經(jīng)濟效益。綜上，陜西關(guān)中地區(qū)傳統(tǒng)的玉米-小麥輪作可通過優(yōu)化施肥減少化肥投入，降低生產(chǎn)成本；而綜合考慮土壤培肥、環(huán)境效益與經(jīng)濟收益，優(yōu)先推薦大豆-小麥輪作方式，減少土壤養(yǎng)分盈余，提高種糧農(nóng)戶的經(jīng)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(yǎng)分平衡；經(jīng)濟效益；陜西關(guān)中

0 引言

【研究意義】陜西關(guān)中地區(qū)是中國重要的糧食生產(chǎn)基地之一，糧食產(chǎn)量占陜西省糧食產(chǎn)量的60%— 70%[1]。玉米-小麥輪作的一年兩熟制度是該地區(qū)的主要種植制度，由于玉米、小麥產(chǎn)量較陜西其他地區(qū)糧食作物高，農(nóng)戶施肥的意愿較高，存在嚴重過量施肥現(xiàn)象[2]，因此亟需通過優(yōu)化施肥方法減少化肥過量施用，促進糧食生產(chǎn)的節(jié)肥增效。同時，由于關(guān)中地區(qū)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(chǎn)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(nóng)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(yǎng)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(chǎn)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(jīng)翻埋后易分解，有效提高土壤供氮水平[8]，進而提高作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟收益[9]?！厩叭搜芯窟M展】監(jiān)控施肥技術(shù)結(jié)合目標產(chǎn)量養(yǎng)分需求以及土壤養(yǎng)分含量，確定氮、磷、鉀肥用量，實現(xiàn)土壤養(yǎng)分平衡、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、環(huán)境友好等目標，是農(nóng)業(yè)部主推的優(yōu)化施肥技術(shù)之一[10-15]。章孜亮等[10-15]應用監(jiān)控施肥技術(shù)在多地試驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥相比，監(jiān)控施肥能夠兼顧土壤養(yǎng)分供給及產(chǎn)量需求，在保證小麥產(chǎn)量的同時減少肥料的施用量，進而實現(xiàn)節(jié)本增效與環(huán)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(yǎng)分的吸收，提高后茬作物產(chǎn)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(yǎng)分[6]，且周年土壤養(yǎng)分達到相對平衡或者虧缺最少[20]。付蓉[21]研究結(jié)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(guān)與豆科作物輪作對后茬作物產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分平衡影響的結(jié)論并不統(tǒng)一。有研究發(fā)現(xiàn)，前茬種植大豆，后茬小麥或者玉米減產(chǎn)[22-24]且土壤養(yǎng)分呈下降趨勢[25]，農(nóng)田養(yǎng)分平衡呈現(xiàn)出磷有余而鉀不足[24]或者氮素虧缺的現(xiàn)象[25]；楊寧等[26]的試驗結(jié)果表明，與綠豆輪作，小麥產(chǎn)量下降4.4%—19.2%，而與大豆輪作，小麥產(chǎn)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(chǎn)量、土壤養(yǎng)分含量和土壤養(yǎng)分平衡的影響不同?！颈狙芯壳腥朦c】目前，已有監(jiān)控施肥技術(shù)在小麥生產(chǎn)中的應用效果以及豆科作物對小麥產(chǎn)量、土壤養(yǎng)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(yǎng)分平衡、經(jīng)濟效益影響的研究較少，在關(guān)中小麥玉米輪作區(qū)進行的相關(guān)田間試驗研究也較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】2018—2020年在陜西省武功鎮(zhèn)涼馬村開展田間試驗，利用監(jiān)控施肥技術(shù)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(yǎng)分還田量、小麥產(chǎn)量、植物養(yǎng)分含量及關(guān)鍵時期的土壤養(yǎng)分含量，計算不同輪作模式的養(yǎng)分平衡、成本收益、明確優(yōu)化施肥的節(jié)肥效果，評價不同輪作模式在養(yǎng)分平衡、經(jīng)濟收益方面的差異，推薦適宜關(guān)中地區(qū)的輪作模式，為減少生產(chǎn)成本，提高該地區(qū)的種糧效益提供思路和依據(jù)。

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(zhèn)涼馬村（34°4' N，108°2' E）進行。試驗地位于關(guān)中平原典型小麥玉米輪作區(qū)，屬溫帶半濕潤性氣候，降水集中在7—9月，雨熱同季。研究區(qū)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(qū)農(nóng)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(tài)氮含量6.25 mg·kg-1、銨態(tài)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(zhì)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(shè)計

田間試驗排列采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)4個處理：玉米-小麥輪作農(nóng)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(qū)面積8 m×20 m=160 m2，3次重復。玉米-小麥輪作農(nóng)戶施肥處理（CWF）的兩季作物施肥量是根據(jù)調(diào)研當?shù)剞r(nóng)戶習慣施肥數(shù)據(jù)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(jiān)控施肥技術(shù)[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(jiān)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?shù)卮蠖蛊贩N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(chǎn)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(nóng)20，播量為187.5 kg·hm-2。玉米在拔節(jié)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?shù)剞r(nóng)民習慣保持一致。

表1 不同年份不同處理純養(yǎng)分施用量

CWF：玉米-小麥輪作農(nóng)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(qū)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(chǎn)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(chǎn)。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(qū)內(nèi)隨機選取3個1 m2樣方計產(chǎn)。每個小區(qū)隨機采100穗小麥植株，于根莖結(jié)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(tài)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(xù)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(xù)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(yǎng)分吸收量（kg·hm-2）=小麥籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）×籽粒養(yǎng)分含量（g·kg-1）/1000+穎殼生物量（kg·hm-2）×穎殼養(yǎng)分含量（g·kg-1）/1000+莖稈生物量（kg·hm-2）×莖稈養(yǎng)分含量（g·kg-1）/1000。

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

養(yǎng)分盈余率（%）=（平衡值 /作物養(yǎng)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(nóng)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(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件進行整理計算， DPS 2005軟件進行統(tǒng)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(jié)果

2.1 夏季作物產(chǎn)量、生物量及養(yǎng)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(nóng)戶施肥處理（CWF）相比，玉米籽粒產(chǎn)量、地上部還田量及養(yǎng)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(yǎng)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(jié)果一致。

2.2 化肥減施及不同輪作模式對冬小麥產(chǎn)量及養(yǎng)分累積量的影響

2.2.1 冬小麥產(chǎn)量、生物量、產(chǎn)量構(gòu)成要素 從兩

個試驗年的平均值來看，與玉米-小麥輪作農(nóng)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(chǎn)量、地上部生物量、公頃穗數(shù)和穗粒數(shù)（表3）。而推薦施肥的3種輪作處理間小麥產(chǎn)量、地上部生物量、公頃穗數(shù)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(xiàn)不同，第一年，除公頃穗數(shù)外，推薦施肥（CWR）處理小麥產(chǎn)量、生物量與農(nóng)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(jié)果。試驗第二年，推薦施肥處理（CWR）與農(nóng)戶施肥處理（CWF）相比，小麥產(chǎn)量、地上部生物量、公頃穗數(shù)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(chǎn)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(shù)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(chǎn)量、還田生物量、養(yǎng)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(chǎn)量構(gòu)成要素

2.2.2 小麥籽粒及地上部養(yǎng)分累積量 與玉米-小麥輪作農(nóng)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(nóng)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(yǎng)分累積量來說，3種輪作方式中，與玉米-小麥輪作農(nóng)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)分平衡的影響

2.3.1 0—20 cm土層速效養(yǎng)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(nóng)戶施肥處理（CWF），土壤硝態(tài)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(tài)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(tài)氮、速效磷、速效鉀含量趨勢與播前土壤速效養(yǎng)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(tài)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(nóng)戶施肥處理（CWF）相比，推薦施肥的3個處理硝態(tài)氮含量均顯著降低，其中大豆-小麥輪作（BWR）土壤硝態(tài)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(nóng)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(tài)氮顯著高于玉米-小麥輪作農(nóng)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(yǎng)分含量

2.3.2 小麥季土壤養(yǎng)分平衡 兩個試驗年總養(yǎng)分平衡來看，與玉米-小麥輪作農(nóng)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(nóng)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(nóng)戶施肥處理氮素和磷素投入過量嚴重。而玉米-小麥輪作農(nóng)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(yǎng)分盈余率均為最低。每一個試驗年度的養(yǎng)分平衡及盈余率趨勢與兩年總養(yǎng)分平衡趨勢一致（表5）。

2.4 化肥減施及不同輪作模式的經(jīng)濟效益分析

總收益主要是由籽粒產(chǎn)量帶來的產(chǎn)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(nóng)藥支出。試驗第一年，與玉米-小麥輪作農(nóng)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(nóng)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(jīng)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(jīng)濟收益來看，與玉米-小麥輪作農(nóng)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(chǎn)，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(jīng)濟收益，因此其經(jīng)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(nóng)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(yǎng)分投入與產(chǎn)出平衡表

表6 各處理經(jīng)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(chǎn)量及養(yǎng)分累積量

與農(nóng)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(chǎn)3.1%—17%，氮素偏生產(chǎn)力增加130.1%—180.3%；節(jié)約磷肥32.9%；由于農(nóng)民習慣鉀肥用量總體較低，增加鉀肥147%[10-11]。本試驗兩年結(jié)果也表明，與農(nóng)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(chǎn)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(guān)[29]。施肥量在一定范圍內(nèi)時，作物氮、磷、鉀養(yǎng)分累積量隨產(chǎn)量的提高而增加，但當施肥量超過一定水平，作物養(yǎng)分累積量增加不明顯[30]。因此，本試驗結(jié)果說明，關(guān)中小麥玉米輪作區(qū)農(nóng)戶氮、磷肥投入量已遠超過小麥對氮、磷養(yǎng)分需求量，不僅沒有達到小麥增產(chǎn)效果，還造成了養(yǎng)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(chǎn)量均有影響[23, 32-34]?；菅訹34]在華北平原進行的試驗結(jié)果表明，大豆-小麥輪作與傳統(tǒng)的玉米-小麥輪作相比，降低了小麥產(chǎn)量。美國蒙大拿地區(qū)及陜西的洛川、長武地區(qū)，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(chǎn)[35-37]。而在小麥養(yǎng)分投入較低的非洲肯尼亞地區(qū)、意大利的試驗發(fā)現(xiàn)，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(yǎng)分，顯著提高后茬小麥的產(chǎn)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(yǎng)分投入量一致，由于前茬作物不同，小麥產(chǎn)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(chǎn)量最高，綠肥-小麥輪作處理小麥產(chǎn)量最低；小麥籽粒氮、磷及地上部氮、磷累積量與小麥產(chǎn)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(yǎng)分投入完全能夠滿足小麥生長和產(chǎn)量形成的需求，因此大豆固氮作用提供的養(yǎng)分對小麥產(chǎn)量的形成還未表現(xiàn)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(chǎn)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(yǎng)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(xiàn)了爭氮作用[41-42]，降低了小麥的公頃穗數(shù)，進而降低了小麥產(chǎn)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(nóng)戶施肥的結(jié)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(chǎn)量及籽粒養(yǎng)分累積量。

3.2 化肥減施與不同輪作方式下土壤養(yǎng)分平衡

試驗兩年，與農(nóng)戶施肥處理相比，推薦施肥均有增加夏作物玉米產(chǎn)量、還田生物量、養(yǎng)分還田量的趨勢。試驗第二年，由于推薦施肥處理玉米產(chǎn)量顯著高于農(nóng)戶施肥處理，高的養(yǎng)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(yǎng)分還田量均高于農(nóng)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(nóng)戶施肥處理，鉀含量略高于農(nóng)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(chǎn)量、鉀素還田量、小麥季鉀肥施用量均高于農(nóng)戶施肥處理，因此其鉀盈余量及盈余率仍顯著高于農(nóng)戶施肥處理。這說明在關(guān)中玉米-小麥輪作區(qū)，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(huán)復雜，導致氮表觀損失量通過各種途徑進入環(huán)境，由此帶來的氮面源污染環(huán)境問題不容小視[47]。王秀斌[48]發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化施氮能夠避免深層土壤中硝態(tài)氮的積累，減少氮盈余。曹寒冰等[10]也發(fā)現(xiàn)，利用推薦施肥方法科學施肥，可以減少盲目投入過量養(yǎng)分，降低成本，也減少了過量施肥帶來的環(huán)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(jié)果中農(nóng)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(nóng)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(yǎng)分還田量均顯著高于農(nóng)戶施肥處理，但由于玉米-小麥推薦施肥處理的小麥產(chǎn)量顯著高于農(nóng)戶施肥處理，因此其土壤氮、磷養(yǎng)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(tài)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(yǎng)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(guān)中地區(qū)6—9月降雨集中，作物不能吸收的養(yǎng)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(yǎng)分盈虧問題，在陜西關(guān)中平原地區(qū)適宜進行大豆-小麥輪作來平衡土壤養(yǎng)分，提高地力，減少化肥的投入，保護環(huán)境，也利于土地綠色可持續(xù)利用。

3.3 經(jīng)濟效益

章孜亮等[11]大田試驗發(fā)現(xiàn)，化肥減量后，可以降低成本，增加收益，提高冬小麥種植的經(jīng)濟效益。本研究結(jié)果中推薦施肥處理因其化肥減少，成本降低，因此較農(nóng)戶施肥處理小麥產(chǎn)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(fā)生率[53]；另一方面磷肥過量投入則會導致小麥分蘗數(shù)過多，小麥群體過大，在小麥開花期至灌漿期，極易發(fā)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(fā)生率增加，嚴重降低小麥產(chǎn)量[54-55]。而推薦施肥處理基于土壤養(yǎng)分及目標產(chǎn)量推薦施肥，減少氮、磷肥的過量施用，因此提升了小麥產(chǎn)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(chǎn)量遠高于大豆產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)濟收益高于玉米-小麥的經(jīng)濟效益[56]。本試驗中盡管玉米-小麥輪作的小麥平均產(chǎn)量高于大豆-小麥輪作處理，且夏作物玉米籽粒產(chǎn)量也遠高于大豆籽粒產(chǎn)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(guān)中地區(qū)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(nóng)田經(jīng)濟效益試驗分析發(fā)現(xiàn)，小麥-大豆輪作收益要高于小麥-玉米輪作，與本試驗研究結(jié)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(fā)生[58]，長期大豆秸稈還田也可增加土壤有機質(zhì)，有利于土地的可持續(xù)發(fā)展[59-60]。本研究結(jié)果中，試驗第一年大豆-小麥輪作凈收益較低，原因是大豆產(chǎn)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?shù)仄贩N，地上部生物量較高，但收獲指數(shù)較低，不適宜在關(guān)中地區(qū)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(chǎn)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(nóng)戶的積極性，綠肥-小麥輪作方式在該地區(qū)不適宜推廣。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥相比，推薦施肥提高了玉米、小麥產(chǎn)量，降低了土壤氮、磷養(yǎng)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(yǎng)分盈余，同時還取得較高的經(jīng)濟收益。綜上，陜西關(guān)中小麥玉米輪作區(qū)應根據(jù)作物養(yǎng)分需求優(yōu)化施肥量，減少化肥投入成本，提高種糧農(nóng)戶經(jīng)濟收益。從用地與養(yǎng)地結(jié)合、優(yōu)化經(jīng)濟效益與環(huán)境效益考慮，大豆-小麥輪作可作為該地區(qū)的輪作推薦方式。

[1] 劉妍妮.陜西省糧食播種面積及其產(chǎn)量動態(tài)與預測.江西農(nóng)業(yè)學報, 2018, 30(10): 142-146.doi:10.19386/j.cnki.jxnyxb.2018.10.28.

LIU Y N.Dynamics and prediction of grain sown area and yield in Shaanxi Province.Acta Agriculturae Jiangxi, 2018, 30(10): 142-146.doi:10.19386/j.cnki.jxnyxb.2018.10.28.(in Chinese)

[2] 戴相林.關(guān)中中西部地區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分平衡狀況演變研究[D].楊凌: 西北農(nóng)林科技大學, 2012.

DAI X L.Changes of nutrient balances in soil in Midwest region of Guanzhong plain[D].Yangling: Northwest A & F University, 2012.(in Chinese)

[3] 王群, 王建, 張學林, 趙亞麗, 李潮海.不同耕作模式下小麥玉米周年生產(chǎn)及土壤養(yǎng)分變化特征.河南農(nóng)業(yè)大學學報, 2015, 49(4): 429-437.doi:10.16445/j.cnki.1000-2340.2015.04.001.

WANG Q, WANG J, ZHANG X L, ZHAO Y L, LI C H.Change characteristics of wheat and maize anniversary production and soil nutrient content under different rotation tillage patterns.Journal of Henan Agricultural University, 2015, 49(4): 429-437.doi:10.16445/j.cnki.1000-2340.2015.04.001.(in Chinese)

[4] 李露, 楊玲, 廖允成, 溫曉霞.黃土高原半濕潤區(qū)旱地一年兩熟復種模式土壤水分效應.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2010, 28(4): 145-151.

LI L, YANG L, LIAO Y C, WEN X X.Study on soil moisture effect of double cropping in the dryland of subhumid areas of the Loess Plateau.Agricultural Research in the Arid Areas, 2010, 28(4): 145-151.(in Chinese)

[5] 于亞莉, 史東梅, 蔣平.不同土壤管理措施對坡耕地土壤氮磷養(yǎng)分流失的控制效應.水土保持學報, 2017, 31(1): 30-36, 42.doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2017.01.006.

YU Y L, SHI D M, JIANG P.Effect of different soil management measures on controlling soil nitrogen and phosphorus loss from slop farmland.Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(1): 30-36, 42.doi:10.13870/j.cnki.stbcxb.2017.01.006.(in Chinese)

[6] 邵云, 李昊烊, 翁正鵬, 王璐, 李斯斯, 劉晴.不同茬口對小麥養(yǎng)分利用和產(chǎn)量的影響.麥類作物學報, 2019, 39(3): 356-363.

SHAO Y, LI H Y, WENG Z P, WANG L, LI S S, LIU Q.Effects of different previous crops on nutrient utilization and yield of wheat.Journal of Triticeae Crops, 2019, 39(3): 356-363.(in Chinese)

[7] SANTACHIARA G, SALVAGIOTTI F, ROTUNDO J L.Nutritional and environmental effects on biological nitrogen fixation in soybean: a meta-analysis.Field Crops Research, 2019, 240: 106-115.doi:10.1016/j.fcr.2019.05.006.

[8] 喬俊, 顏廷梅, 薛峰, 楊林章, 盧萍.太湖地區(qū)稻田不同輪作制度下的氮肥減量研究.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2011, 19(1): 24-31.

QIAO J, YAN T M, XUE F, YANG L Z, LU P.Reduction of nitrogen fertilizer application under different crop rotation systems in paddy fields of Taihu Area.Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(1): 24-31.(in Chinese)

[9] HUANG M B, SHAO M G, ZHANG L, LI Y S.Water use efficiency and sustainability of different long-term crop rotation systems in the Loess Plateau of China.Soil and Tillage Research, 2003, 72(1): 95-104.doi:10.1016/S0167-1987(03)00065-5.

[10] 曹寒冰, 王朝輝, 師淵超, 杜明葉, 雷小青, 張文忠, 張璐, 蒲岳建.渭北旱地冬小麥監(jiān)控施氮技術(shù)的優(yōu)化.中國農(nóng)業(yè)科學, 2014, 47(19): 3826-3838.

CAO H B, WANG Z H, SHI Y C, DU M Y, LEI X Q, ZHANG W Z, ZHANG L, PU Y J.Optimization of nitrogen fertilizer recommendation technology based on soil test for winter wheat on Weibei dryland.Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(19): 3826-3838.(in Chinese)

[11] 章孜亮, 劉金山, 王朝輝, 趙護兵, 楊寧, 楊榮, 曹寒冰.基于土壤氮素平衡的旱地冬小麥監(jiān)控施氮.植物營養(yǎng)與肥料學報, 2012, 18(6): 1387-1396.

ZHANG Z L, LIU J S, WANG Z H, ZHAO H B, YANG N, YANG R, CAO H B.Nitrogen recommendation for dryland winter wheat by monitoring nitrate in 1 m soil and based on nitrogen balance.Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(6): 1387-1396.(in Chinese)

[12] 黃明.基于收獲期土壤測試和施肥位置優(yōu)化的旱地小麥減肥增效研究[D].楊凌: 西北農(nóng)林科技大學, 2017.

HUANG M.Optimized fertilization for cutting down fertilizers and increasing efficiency of wheat production based on soil test at harvest and regulating fertilizer placement in dryland[D].Yangling: Northwest A & F University, 2017.(in Chinese)

[13] 中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳關(guān)于推介發(fā)布2018年農(nóng)業(yè)主推技術(shù)的通知.北京: 農(nóng)辦科(2018) 12號, 2018年5月4日發(fā)布.

The Ministry of Agriculture and Rural Affairs of the People's Republic of China.Notice of the General Office of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs on the promotion and release of the main agricultural technologies in 2018.Beijing: Agriculture Office [2018] No.12, issued on May 4, 2018.(in Chinese)

[14] 黃倩楠, 王朝輝, 黃婷苗, 侯賽賓, 張翔, 馬清霞, 張欣欣.中國主要麥區(qū)農(nóng)戶小麥氮磷鉀養(yǎng)分需求與產(chǎn)量的關(guān)系.中國農(nóng)業(yè)科學, 2018, 51(14): 2722-2734.

HUANG Q N, WANG Z H, HUANG T M, HOU S B, ZHANG X, MA Q X, ZHANG X X.Relationships of N, P and K requirement to wheat grain yield of farmers in major wheat production regions of China.Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(14): 2722-2734.(in Chinese)

[15] 黃倩楠, 黨海燕, 黃婷苗, 侯賽賓, 王朝輝.我國主要麥區(qū)農(nóng)戶施肥評價及減肥潛力分析.中國農(nóng)業(yè)科學, 2020, 53(23): 4816-4834.

HUANG Q N, DANG H Y, HUANG T M, HOU S B, WANG Z H.Evaluation of farmers' fertilizer application and fertilizer reduction potentials in major wheat production regions of China.Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(23): 4816-4834.(in Chinese)

[16] 袁家富, 徐祥玉, 趙書軍, 彭成林, 熊又升, 曹衛(wèi)東, 魯劍巍.綠肥翻壓和減氮對烤煙養(yǎng)分累積、產(chǎn)量及質(zhì)量的影響.湖北農(nóng)業(yè)科學, 2009, 48(9): 2106-2109.

YUAN J F, XU X Y, ZHAO S J, PENG C L, XIONG Y S, CAO W D, LU J W.Effect of green manure and nitrogen level on nutrient accumulation, yield and quality of flue-cured tobacco.Hubei Agricultural Sciences, 2009, 48(9): 2106-2109.(in Chinese)

[17] 王瑞寶, 閆芳芳, 夏開寶, 殷壽安, 李祖紅, 張瑞勤, 楊冀, 強繼業(yè), 楊虹.不同苕子綠肥翻壓模式對烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的影響.安徽農(nóng)業(yè)科學, 2010, 38(12): 6183-6188.doi:10.13989/j.cnki.0517-6611.2010.12.106.

WANG R B, YAN F F, XIA K B, YIN S A, LI Z H, ZHANG R Q, YANG J, QIANG J Y, YANG H.Effects of different model of common vetch green manure turning under on yield and quality of flue-cured tobacco.Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2010, 38(12): 6183-6188.doi:10.13989/j.cnki.0517-6611.2010.12.106.(in Chinese)

[18] 黃平娜, 秦道珠, 龍懷玉, 尹三寶, 張認連, 雷秋良, 楊全柳.綠肥還田對煙田土壤培肥和烤煙產(chǎn)量品質(zhì)的作用.土壤通報, 2010, 41(2): 379-382.doi:10.19336/j.cnki.trtb.2010.02.024.

HUANG P N, QIN D Z, LONG H Y, YIN S B, ZHANG R L, LEI Q L, YANG Q L.Effect of green manure return to field on soil fertility of tobacco fields and the yield and quality of tobacco.Chinese Journal of Soil Science, 2010, 41(2): 379-382.doi:10.19336/j.cnki.trtb.2010.02.024.(in Chinese)

[19] 郭云周, 尹小懷, 王勁松, 雷素芬, 戴茨華, 溫三明, 杜東英, 劉建香.翻壓等量綠肥和化肥減量對紅壤旱地烤煙產(chǎn)量產(chǎn)值的影響.云南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版), 2010, 25(6): 811-816.doi:10.16211/j.issn.1004-390x(n).2010.06.013.

GUO Y Z, YIN X H, WANG J S, LEI S F, DAI C H, WEN S M, DU D Y, LIU J X.Effects of equal quantity green manure application and different fertilizer rates on yield and output value of flue-cured tobacco in red soil of upland in Yunnan.Journal of Yunnan Agricultural University (Natural Science), 2010, 25(6): 811-816.doi:10.16211/j.issn.1004-390x(n).2010.06.013.(in Chinese)

[20] 李昊烊.華北平原南部兩熟區(qū)不同種植模式周年養(yǎng)分利用效率及土壤肥力質(zhì)量評價[D].新鄉(xiāng): 河南師范大學, 2018.

LI H Y.Evaluation of nutrient utilization efficiency and soil fertility quality in different planting patterns of double-cropping region in southern part of North China plain[D].Xinxiang: Henan Normal University, 2018.(in Chinese)

[21] 付蓉.春油菜區(qū)綠肥替代氮肥的效應及潛力研究[D].楊凌: 西北農(nóng)林科技大學, 2020.

FU R.Effects and potential of nitrogen fertilizer replacement by green manure in spring rapeseed area[D].Yangling: Northwest A & F University, 2020.(in Chinese)

[22] 靖華, 崔歡虎, 王裕智, 馬愛平, 亢秀麗.茬口和施氮水平對不同基因型小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響.陜西農(nóng)業(yè)科學, 2007, 53(4): 3-5, 42.

JING H, CUI H H, WANG Y Z, MA A P, KANG X L.Effects of stubble and nitrogen application level on yield and yield structure of wheat with different genotypes.Shaanxi Journal of Agricultural Sciences, 2007, 53(4): 3-5, 42.(in Chinese)

[23] 張達斌.黃土高原地區(qū)種植豆科綠肥協(xié)調(diào)土壤水分和氮素供應的效應及機理[D].楊凌: 西北農(nóng)林科技大學, 2016.

ZHANG D B.Effects of leguminous green manure on soil water and nitrogen supply and its mechanism in the loess plateau[D].Yangling: Northwest A & F University, 2016.(in Chinese)

[24] 王蓉芳, 黃德明, 崔勇.我國不同地區(qū)土壤肥力監(jiān)測報告(1988—1997)一東北區(qū)土壤肥力變化趨勢及原因分析.土壤肥料, 2000(6): 8-13.

WANG R F, HUANG D M, CUI Y.The report of soil fertility monitoring in different areas of China(1988-1997).Soils and Fertilizers, 2000(6): 8-13.(in Chinese)

[25] SINGH A, CARSKY R J, LUCAS E O, DASHIELL K.Soil N balance as affected by soybean maturity class in the Guinea savanna of Nigeria.Agriculture, Ecosystems & Environment, 2003, 100(2/3): 231-240.doi:10.1016/S0167-8809(03)00193-2.

[26] 楊寧, 趙護兵, 王朝輝, 張達斌, 高亞軍.豆科作物-小麥輪作方式下旱地小麥花后干物質(zhì)及養(yǎng)分累積、轉(zhuǎn)移與產(chǎn)量的關(guān)系.生態(tài)學報, 2012, 32(15): 4827-4835.doi:10.5846/stxb201107221085.

YANG N, ZHAO H B, WANG Z H, ZHANG D B, GAO Y J.Accumulation and translocation of dry matter and nutrients of wheat rotated with legumes and its relation to grain yield in a dryland area.Chinese Journal of Plant Ecology, 2012, 32(15): 4827-4835.doi:10.5846/stxb201107221085.(in Chinese)

[27] ZHANG D, YAO P, NA Z, CAO W, ZHANG S, LI Y, GAO Y.Soil water balance and water use efficiency of dryland wheat in different precipitation years in response to green manure approach.Scientific Reports, 2016, 6: 26856.doi:10.1038/srep26856.

[28] 攝曉燕, 謝永生, 郝明德, 趙云英, 張義, 鞠艷.黃土旱塬長期施肥對小麥產(chǎn)量及養(yǎng)分平衡的影響.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2009, 27(6): 27-32.

SHE X Y, XIE Y S, HAO M D, ZHAO Y Y, ZHANG Y, JU Y.Effect of long-term fertilization on wheat yield and nutrient balance in dryland of the Loess Plateau.Agricultural Research in the Arid Areas, 2009, 27(6): 27-32.(in Chinese)

[29] 李繼福, 魯劍巍, 任濤, 叢日環(huán), 李小坤, 周鸝, 楊文兵, 戴志剛.稻田不同供鉀能力條件下秸稈還田替代鉀肥效果.中國農(nóng)業(yè)科學, 2014, 47(2): 292-302.

LI J F, LU J W, REN T, CONG R H, LI X K, ZHOU L, YANG W B, DAI Z G.Effect of straw incorporation substitute for K-fertilizer under different paddy soil K supply capacities.Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(2): 292-302.(in Chinese)

[30] 張鵬.關(guān)中西部灌區(qū)冬小麥合理施肥技術(shù)研究[D].楊凌: 西北農(nóng)林科技大學, 2010.

ZHANG P.Study on balance fertilization in irrigation area of western Guanzhong plain[D].Yangling: Northwest A & F University, 2010.(in Chinese)

[31] 秦雪超, 潘君廷, 郭樹芳, 翟麗梅, 王洪媛, 武淑霞, 劉宏斌.化肥減量替代對華北平原小麥-玉米輪作產(chǎn)量及氮流失影響.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2020, 39(7): 1558-1567.

QIN X C, PAN J T, GUO S F, ZHAI L M, WANG H Y, WU S X, LIU H B.Effects of chemical fertilizer reduction combined with biogas fertilizer on crop yield of wheat–maize rotation and soil nitrogen loss in North China Plain.Journal of Agro-Environment Science, 2020, 39(7): 1558-1567.(in Chinese)

[32] 楊琳.不同耕作方式下冬小麥—夏作物復種模式的相關(guān)研究[D].太谷: 山西農(nóng)業(yè)大學, 2017.

YANG L.Study on multiple cropping patterns of winter wheat and summer crops under different tillage methods[D].Taigu: Shanxi Agricultural University, 2017.(in Chinese)

[33] 彭云, 趙正雄, 李忠環(huán), 董艷, 陳榮平, 王胱霖, 王永, 楊自控.不同前茬對烤煙生長、產(chǎn)量和質(zhì)量的影響.作物學報, 2010, 36(2): 335-340.

PENG Y, ZHAO Z X, LI Z H, DONG Y, CHEN R P, WANG G L, WANG Y, YANG Z K.Effects of different preceding crops on growth, yield and quality of flue-cured tobacco plant.Acta Agronomica Sinica, 2010, 36(2): 335-340.(in Chinese)

[34] 惠言.華北平原以豆科為基礎(chǔ)的輪作方式對農(nóng)作物產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的影響[D].開封: 河南大學, 2017.

HUI Y.Crop yields and soil physiochemical properties in response to legume-based cropping rotation in North China plain[D].Kaifeng: Henan University, 2017.(in Chinese)

[35] LENSSEN A W, JOHNSON G D, CARLSON G R.Cropping sequence and tillage system influences annual crop production and water use in semiarid Montana, USA.Field Crops Research, 2007, 100(1): 32-43.doi:10.1016/j.fcr.2006.05.004.

[36] ZHANG M K, FANG L P.Effect of tillage, fertilizer and green manure cropping on soil quality at an abandoned brick making site.Soil and Tillage Research, 2007, 93(1): 87-93.doi:10.1016/j.still.2006.03.016.

[37] 李可懿, 王朝輝, 趙護兵, 趙娜, 高亞軍, Graham Lyons.黃土高原旱地小麥與豆科綠肥輪作及施氮對小麥產(chǎn)量和籽粒養(yǎng)分的影響.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2011, 29(2): 110-116, 123.

LI K Y, WANG Z H, ZHAO H B, ZHAO N, GAO Y J, LYONS G.Effect of rotation with legumes and N fertilization on yield and grain nutrient contents of wheat in dryland of the Loess Plateau.Agricultural Research in the Arid Areas, 2011, 29(2): 110-116, 123.(in Chinese)

[38] DANGA B O, OUMA J P, WAKINDIKI I I C, BAR-TAL A.Chapter 5 legume-wheat rotation effects on residual soil moisture, nitrogen and wheat yield in tropical regions.Advances in Agronomy, 2009, 101: 315-349.doi:10.1016/S0065-2113(08)00805-5.

[39] MARTINIELLO P.Cereal-forage rotations effect on biochemical characteristics of topsoil and productivity of the crops in Mediterranean environment.European Journal of Agronomy, 2011, 35(4): 193-204.doi:10.1016/j.eja.2011.06.002.

[40] TIAN G, BADEJO M A, OKOH A I, ISHIDA F, KOLAWOLE G O, HAYASHI Y, SALAKO F K.Effects of residue quality and climate on plant residue decomposition and nutrient release along the transect from humid forest to Sahel of West Africa.Biogeochemistry, 2007, 86(2): 217-229.doi:10.1007/s10533-007-9158-3.

[41] 許廣領(lǐng).麥秸還田配施氮肥對增加土壤有機質(zhì)和提高夏大豆產(chǎn)量的效應.江蘇農(nóng)業(yè)科學, 1997, 25(1): 49-51.

XU G L.Effects of wheat straw returning combined with nitrogen fertilizer on increasing soil organic matter and increasing summer soybean yield.Jiangsu Agricultural Sciences, 1997, 25(1): 49-51.(in Chinese)

[42] 楊云馬, 孫彥銘, 賈良良, 黃少輝, 楊軍芳, 遲吉娜.解決還田秸稈腐解爭氮的秸稈處理方法: CN201710182526.X.2017-06-30 [2021-3-1].

YANG Y M, SUN Y M, JIA L L, HUANG S H, YANG J F, CHI J N.The straw treatment method to solve the decomposition of straw returning to the field for nitrogen: CN201710182526.X.2017-06-30 [2021-3-1].(in Chinese)

[43] 孫斌, 曹雯梅, 王應君, 王喜枝, 斐瑞杰, 晁建立, 王立秋, 劉松濤, 王立河.不同土壤鉀素對強筋小麥產(chǎn)量形成因子的影響.中國農(nóng)學通報, 2009, 25(16): 146-149.

SUN B, CAO W M, WANG Y J, WANG X Z, PEI R J, CHAO J L, WANG L Q, LIU S T, WANG L H.Effects of potassium in the different soil types on the factors of yields formation of the strong gluten flour wheat.Chinese Agricultural Science Bulletin, 2009, 25(16): 146-149.(in Chinese)

[44] 王偉, 孫幗妹, 李榮, 廖文強, 郭九信, 馮緒猛, 郭世偉.枸溶性鉀肥在盆栽稻麥輪作條件下的肥效研究.南京農(nóng)業(yè)大學學報, 2014, 37(6): 75-82.

WANG W, SUN G M, LI R, LIAO W Q, GUO J X, FENG X M, GUO S W.Study on the effects of citrate acid-soluble potassium fertilizer in rice-wheat rotation system by pot experiment.Journal of Nanjing Agricultural University, 2014, 37(6): 75-82.(in Chinese)

[45] 黃婷苗, 鄭險峰, 王朝輝.還田玉米秸稈氮釋放對關(guān)中黃土供氮和冬小麥氮吸收的影響.中國農(nóng)業(yè)科學, 2015, 48(14): 2785-2795.

HUANG T M, ZHENG X F, WANG Z H.Nitrogen release of returned maize straw and its effects on loess N supply and nitrogen uptake by winter wheat in Guanzhong plain.Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(14): 2785-2795.(in Chinese)

[46] 葛瑋健, 常艷麗, 劉俊梅, 張樹蘭, 孫本華, 楊學云.土區(qū)長期施肥對小麥-玉米輪作體系鉀素平衡與鉀庫容量的影響.植物營養(yǎng)與肥料學報, 2012, 18(3): 629-636.

GE W J, CHANG Y L, LIU J M, ZHANG S L, SUN B H, YANG X Y.Potassium balance and pool as influenced by long-term fertilization under continuous winter wheat-summer maize cropping system in a manural loess soil.Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(3): 629-636.(in Chinese)

[47] 蘇成國, 尹斌, 朱兆良, 沈其榮.農(nóng)田氮素的氣態(tài)損失與大氣氮濕沉降及其環(huán)境效應.土壤, 2005, 37(2): 113-120.

SU C G, YIN B, ZHU Z L, SHEN Q R.Gaseous loss of nitrogen from fields and wet deposition of atmospheric nitrogen and their environmental effects.Soils, 2005, 37(2): 113-120.(in Chinese)

[48] 王秀斌.優(yōu)化施氮下冬小麥/夏玉米輪作農(nóng)田氮素循環(huán)與平衡研究[D].北京: 中國農(nóng)業(yè)科學院, 2009.

WANG X B.Nitrogen cycling and balance in winter wheat-summer corn rotation system under optimized nitrogen management[D].Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2009.(in Chinese)

[49] 郭鑫年, 孫嬌, 梁錦繡, 周濤, 田旭東, 陳剛.栽培方式與施磷量對水稻養(yǎng)分累積、分配及磷素平衡的影響.中國土壤與肥料, 2017(4): 104-111.

GUO X N, SUN J, LIANG J X, ZHOU T, TIAN X D, CHEN G.Cultivation way and phosphorus fertilizer on rice nutrient accumulation, distribution and soil phosphorus balance.Soil and Fertilizer Sciences in China, 2017(4): 104-111.(in Chinese)

[50] HARDARSON G.植物基因型和氮肥對栽培大豆共生固氮的影響.李淑嫻, 譯.核農(nóng)學通報, 1986(2): 42-44.

HARDARSON G.Effects of plant genotype and nitrogen fertilizer on symbiotic nitrogen fixation in cultivated soybean.LI S X, translate.Bulletin of Nuclear Agronomy, 1986(2): 42-44.(in Chinese)

[51] LABERGE G, HAUSSMANN B, AMBUS P, H?GH-JENSEN H.Cowpea N rhizodeposition and its below-ground transfer to a co-existing and to a subsequent millet crop on a sandy soil of the Sudano-Sahelian eco-zone.Plant and Soil, 2011, 340(1/2): 369-382.doi:10.1007/s11104-010-0609-6.

[52] 譚德水, 江麗華, 譚淑櫻, 徐鈺, 鄭福麗, 李國生, 劉兆輝.湖區(qū)小麥-玉米輪作模式下不同施肥措施調(diào)控氮磷養(yǎng)分流失研究.土壤學報, 2015, 52(1): 128-137.

TAN D S, JIANG L H, TAN S Y, XU Y, ZHENG F L, LI G S, LIU Z H.Effects of fertilization controlling nitrogen and phosphorus loss from farmland under wheat-maize rotation in nansi lake region.Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(1): 128-137.(in Chinese)

[53] 趙忠, 佟立杰, 劉向陽.怎樣預防小麥倒伏.農(nóng)家參謀, 2007(9): 10.

ZHAO Z, TONG L J, LIU X Y.How to prevent wheat lodging.The Farmers Consultant, 2007(9): 10.(in Chinese)

[54] 董秀春, 韓偉, 楊洪賓.倒伏對冬小麥病害發(fā)生情況和產(chǎn)量的影響.河南農(nóng)業(yè)科學, 2016, 45(4): 27-30.doi:10.15933/j.cnki.1004-3268.2016.04.006.

DONG X C, HAN W, YANG H B.Effects of lodging on winter wheat diseases occurrence and yield.Journal of Henan Agricultural Sciences, 2016, 45(4): 27-30.doi:10.15933/j.cnki.1004-3268.2016.04.006.(in Chinese)

[55] 李淑鵬, 郭群鵬.小麥倒伏原因與預防措施.種子科技, 2010, 28(1): 49.

LI S P, GUO Q P.Lodging reasons and preventive measures of wheat.Seed Science & Technology, 2010, 28(1): 49.(in Chinese)

[56] 徐佰彪.單季低氮投入條件下周年麥豆、麥玉氮肥運籌及利用差異[D].泰安: 山東農(nóng)業(yè)大學, 2020.

XU B B.Nitrogen fertilizer operation and utilization difference of annual soybean-wheat and maize-wheat under low nitrogen input of single season[D].Taian: Shandong Agricultural University, 2020.(in Chinese)

[57] 劉海濤, 陳一兵, 田靜, 林超文.成都平原不同種植模式下重金屬鎘污染風險和經(jīng)濟效益評價.農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學報, 2019, 36(2): 184-191.doi:10.13254/j.jare.2018.0164.

LIU H T, CHEN Y B, TIAN J, LIN C W.Evaluation of economic benefits and cadmium pollution risk in different cropping system in Chengdu Plain, China.Journal of Agricultural Resources and Environment, 2019, 36(2): 184-191.doi:10.13254/j.jare.2018.0164.(in Chinese)

[58] 徐英.大豆病蟲草害發(fā)生規(guī)律及綜合防治技術(shù).農(nóng)業(yè)工程技術(shù), 2018, 38(5): 25-26.doi:10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.05.020.

XU Y.Occurrence regularity and integrated control technology of soybean diseases, insect pests and weeds.Agricultural Engineering Technology, 2018, 38(5): 25-26.doi:10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.05.020.(in Chinese)

[59] 王敬國, 林杉, 李保國.氮循環(huán)與中國農(nóng)業(yè)氮管理.中國農(nóng)業(yè)科學, 2016, 49(3): 503-517.

WANG J G, LIN S, LI B G.Nitrogen cycling and management strategies in Chinese agriculture.Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(3): 503-517.(in Chinese)

[60] 劉巽浩, 王愛玲, 高旺盛.實行作物秸稈還田促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展.作物雜志, 1998(5): 2-6.

LIU X H, WANG A L, GAO W S.Returning crop straw to field promotes agricultural sustainable development.Crops, 1998(5): 2-6.(in Chinese)

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(fā)計劃子課題（2018YFD0200404-02）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)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）