孫繼英 汝甲榮 邱廣偉 王懷鵬 劉玲玲 孫旭紅馬子竣 李 明 牛若超 王立春

（1黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬鈴薯生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江齊齊哈爾 161005；2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物資源研究所，黑龍江齊齊哈爾 150086）

黑龍江省是我國(guó)重要的商品糧基地，其種植模式和耕地質(zhì)量對(duì)保障國(guó)家糧食安全至關(guān)重要。近年來，由于生產(chǎn)上盲目擴(kuò)大玉米、大豆的種植面積和增加化肥、農(nóng)藥投入，造成部分區(qū)域農(nóng)作物的種植比例失調(diào)，耕地質(zhì)量退化，種植制度及品種單一化的問題日趨突出。長(zhǎng)期連作會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失調(diào)，土壤板結(jié)、耕層變淺、土壤微生物群落失調(diào)、病蟲害多發(fā)，作物養(yǎng)分吸收明顯缺乏、生長(zhǎng)不良、產(chǎn)量和品質(zhì)降低，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)自然災(zāi)害的抵御能力下降等問題[1-3]。大豆、玉米連作，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失調(diào)，病蟲害滋生，產(chǎn)量下降，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)自然災(zāi)害的抵御能力下降[4]。有研究表明，重、迎茬大豆均較正茬大豆減產(chǎn)，減產(chǎn)幅度隨重、迎茬年限增加而加劇，最嚴(yán)重者可減產(chǎn)70%～80%，給大豆生產(chǎn)帶來了巨大損失[5-6]。陳子明等[7]、Zuber 等[8]研究表明，玉米連作會(huì)導(dǎo)致病蟲害滋生、植物養(yǎng)分吸收明顯缺乏，產(chǎn)量降低，同時(shí)玉米連作的土壤出現(xiàn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)減少、保水保墑性能變差等問題。此外，長(zhǎng)期的小型農(nóng)機(jī)具作業(yè)，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)變劣，犁底層上升，耕層變淺，耕層土壤保水保肥能力急劇下降[9]。

輪作有助于改善土壤質(zhì)量，提高土壤中有機(jī)碳、全氮、有效磷、速效鉀和微生物含量，增強(qiáng)植株對(duì)病、蟲、草害的抵抗能力，平衡作物生長(zhǎng)發(fā)育的養(yǎng)分及周邊生態(tài)環(huán)境，對(duì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)和高產(chǎn)十分有利。本研究以黑龍江省西北部的克山縣為試驗(yàn)區(qū)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐姆N植業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，系統(tǒng)研究玉米、大豆、馬鈴薯、小麥不同作物組合的種植效應(yīng)，構(gòu)建新型的、具有區(qū)域特色的最佳輪作模式，為該區(qū)域合理輪作提供參考，以期為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)糧增收、提質(zhì)增效和保障國(guó)家糧食安全與農(nóng)產(chǎn)品有效供給提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院科研試驗(yàn)基地進(jìn)行，屬于黑龍江省西北部中厚黑土區(qū)，氣候類型為溫帶大陸季風(fēng)氣候，土壤類型為黑鈣土，前茬作物為大豆。試驗(yàn)地基礎(chǔ)肥力如下：全氮0.167%、全磷0.072%、全鉀3.200%、有機(jī)質(zhì)35.7 g/kg、堿解氮122.6 mg/kg、有效磷34.8 mg/kg、速效鉀302.0 mg/kg、pH 6.31。

1.2 試驗(yàn)材料

玉米品種瑞福爾1號(hào)、高粱品種克雜15號(hào)、大豆品種克山1號(hào)，小麥品種克春11號(hào)，馬鈴薯品種尤金。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)以玉米連作（T4）、大豆連作（T5）為對(duì)照，設(shè)置玉米—玉米—大豆（T1）、大豆—玉米—馬鈴薯（T2）和玉米—大豆—小麥（T3）3 種輪作模式。各輪作模式3 年為一個(gè)輪作周期，并劃分為3個(gè)大區(qū)，以保證每年都有玉米和大豆種植，每個(gè)大區(qū)300 m2。其中玉米和大豆行距65 cm，馬鈴薯行距80 cm，小麥行距15 cm。施肥：玉米為‘是壯’穩(wěn)定性復(fù)合肥（緩釋肥）600 kg/hm2；大豆、小麥、馬鈴薯均為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀混施，大豆尿素—磷酸二銨—硫酸鉀為45—180—30 kg/hm2，小麥尿素—磷酸二銨—硫酸鉀為135—165—37.5 kg/hm2，馬鈴薯尿素—磷酸二銨—硫酸鉀為225—180—345 kg/hm2。密度：大豆27 萬株/hm2，玉米7 萬株/hm2，小麥650 萬株/hm2，馬鈴薯6.2 萬株/hm2。其他田間管理同一般生產(chǎn)田。

1.3.2測(cè)定項(xiàng)目（1）產(chǎn)量調(diào)查。在各作物進(jìn)入成熟期進(jìn)行收獲、測(cè)產(chǎn)，采用3 點(diǎn)取樣法隨機(jī)取樣，每點(diǎn)取2 m2。其中，玉米測(cè)定收獲株數(shù)、籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量、穗粒數(shù)、籽粒水分、百粒重；大豆測(cè)定收獲株數(shù)、籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量、株莢數(shù)、莢粒數(shù)、百粒重；小麥測(cè)定收獲株穗數(shù)、籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量、穗粒數(shù)、千粒重；馬鈴薯測(cè)定收獲株數(shù)、塊莖產(chǎn)量，塊莖分大薯、中薯、小薯分別計(jì)算測(cè)產(chǎn)。

（2）投入成本調(diào)查。調(diào)查記錄不同作物在耕整地、播種、農(nóng)藥、收獲、運(yùn)輸?shù)雀鬓r(nóng)事活動(dòng)中所投入的農(nóng)資、人工、機(jī)械等費(fèi)用。

（3）經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)效益=總產(chǎn)值-總成本，其中總產(chǎn)值即作物籽粒（塊莖）銷售后的收益，總成本包括各輪作模式在一個(gè)輪作周期內(nèi)（3年）累計(jì)投入的成本。

（4）輪作周期效益。在本試驗(yàn)中，輪作周期效益是指各輪作模式在一個(gè)輪作周期內(nèi)（3年）累計(jì)創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3.3數(shù)據(jù)分析利用Excel 2007 工作表和DPS 9.05數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對(duì)當(dāng)季作物玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

由表1 可知，相比連作，玉米與大豆、馬鈴薯和小麥輪作后其產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素如穗粒均有所提高。與玉米連作相比，各輪作模式的單位面積收獲株數(shù)增加0.1萬～0.2萬株/hm2、百粒重增加0.2～0.5 g，生物產(chǎn)量提高2.7～5.2 t/hm2，但差異不顯著。各輪作模式的穗粒數(shù)以T3最高，為526.8粒/穗，極顯著高于T4和T1，但與T2差異不顯著。從籽粒產(chǎn)量看，3個(gè)輪作處理的籽粒產(chǎn)量均極顯著高于對(duì)照T4，產(chǎn)量增加幅度為1 224～1 567 kg/hm2。其中，以T2產(chǎn)量表現(xiàn)最佳，為10 581 kg/hm2，比對(duì)照增產(chǎn)17.25%；其次是T3，為10 401 kg/hm2，比對(duì)照增產(chǎn)15.2%；T1增產(chǎn)幅度最小，為13.56%。3 個(gè)輪作模式之間產(chǎn)量差異不顯著。

表1 不同輪作模式對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.2 不同輪作模式對(duì)當(dāng)季作物大豆產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

由表2 可知，大豆與玉米、小麥、馬鈴薯輪作后，其單株莢數(shù)、每莢粒數(shù)、百粒重、籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均有不同程度的增加。各輪作模式的每莢粒數(shù)和百粒重均略高于對(duì)照T5，每莢粒數(shù)增加幅度為0.1～0.2 粒，百粒重增加1.1～1.7 g，但均未達(dá)到顯著水平。3 個(gè)輪作模式的單株莢數(shù)、生物量和籽粒產(chǎn)量均極顯著高于對(duì)照T5，單株莢數(shù)增加2.4～3.4 莢，大豆籽粒產(chǎn)量以T1最高，為2 593.5 kg/hm2，比對(duì)照增產(chǎn)12.49%，其次是T3，比對(duì)照增產(chǎn)8.72%，T2增產(chǎn)最少，為5.92%，3 個(gè)輪作模式之間籽粒產(chǎn)量差異不明顯。大豆生物量的表現(xiàn)趨勢(shì)和籽粒產(chǎn)量相同：各輪作處理生物量均極顯著高于對(duì)照，增產(chǎn)幅度在12.86%～20.00%，輪作處理之間差異不顯著。

表2 不同輪作模式對(duì)大豆主要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的影響

2.3 不同輪作模式下土壤容重的變化

土壤容重反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力的高低，其數(shù)值大小表明土壤的密實(shí)程度，直接或間接地影響土壤水分狀況和作物根系的生長(zhǎng)。

從表3可以看出，3個(gè)種植模式經(jīng)過一個(gè)輪作周期（3年）后耕層土壤容重均有不同程度的降低，其中以T2輪作模式的效果最好，與初始年相比，0～15 cm耕層土壤容重降低0.11 g/cm3，15～30 cm耕層降低0.17 g/cm3。3個(gè)輪作模式0～15 cm、15～30 cm 2個(gè)耕層的土壤容重均低于對(duì)照玉米連作和大豆連作，其中0～15 cm 耕層土壤容重降低幅度為0.01～0.12 g/cm3，15～30 cm 耕層土壤容重降低0.05～0.15 g/cm3，對(duì)照T5的2個(gè)耕層的容重均高于對(duì)照T4。

表3 不同種植模式下土壤容重的變化單位：（g·cm-3）

2.4 不同輪作模式的效益分析

2.4.1成本投入成本主要包括耕整地、播種、植保、收獲、運(yùn)輸?shù)雀鬓r(nóng)事活動(dòng)中所投入的農(nóng)資、人工、機(jī)械以及土地租賃等費(fèi)用（見表4）。

表4 2017—2019年輪作模式投入成本情況單位：（元·hm-2）

由表4 可知，T2模式田間作業(yè)成本最高，為6 510元/hm2；T5大豆3年連作田間作業(yè)成本最低，為4 455 元/hm2；T1、T3、T4模式的田間作業(yè)總成本處于中間水平。T2田間作業(yè)成本高，一方面是因?yàn)轳R鈴薯播種、收獲和苗前悶耕機(jī)械費(fèi)用高于小麥和大豆，另一方面是因?yàn)轳R鈴薯易感疫病，需要提前噴藥預(yù)防，使用機(jī)械次數(shù)相對(duì)較多。T2模式農(nóng)資成本最高，為17 175 元/hm2；T5大豆3 年連作農(nóng)資成本最低，為3 915 元/hm2；T1、T3、T4輪作模式的農(nóng)資成本居于中間水平。T2模式的農(nóng)資成本高，是因?yàn)門2模式中馬鈴薯播種量大、需肥多、易感??；T2模式人工費(fèi)用最高，主要是因?yàn)楸緟^(qū)域土壤類型為黑土，土質(zhì)黏重，秋季雨水較多時(shí)，收獲的馬鈴薯塊莖會(huì)沾有大量的泥土，需要人工去泥后進(jìn)行挑選等級(jí)、裝袋。各種植模式中3 年累計(jì)總成本最高的是T2，為45 435 元/hm2，3 年累計(jì)總成本最低的是T5大豆連作模式，為24 120 元/hm2，T1、T3和T4的總成本處于中間水平。

2.4.2 經(jīng)濟(jì)效益玉米、大豆、小麥和馬鈴薯的價(jià)格均按當(dāng)?shù)氐氖袌?chǎng)價(jià)格。2017、2018、2019 年玉米單價(jià)分別為1.10、1.26、1.26 元/kg，大豆價(jià)格均為3.40 元/kg，小麥價(jià)格為2.00 元/kg，馬鈴薯平均價(jià)格為0.76元/kg。

由表5 可見，在一個(gè)輪作周期內(nèi)各輪作模式間的經(jīng)濟(jì)效益存在一定的差異，其中以T2（豆—玉—薯）創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益最高，為12 603 元/hm2，比對(duì)照T4、T5分別增效9 915 和12 340 元/hm2；其次是T1（玉—玉—豆）輪作模式，為4 004元/hm2，比T4、T5分別增效1 316 和3 741 元/hm2；T3模式的周期效益略低，為3 918 元/hm2，比T4、T5分別增加效益1 230 和3 655元/hm2。

表5 2017—2019年各種植模式經(jīng)濟(jì)效益分析單位：(元·hm-2)

3 結(jié)論與討論

目前，黑龍江省西北部黑土區(qū)種植模式表現(xiàn)為玉米連作、大豆連作、米豆“兩圃”輪作以及一些地區(qū)各種輪作共存的局面，制約了該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展和黑土資源的可持續(xù)利用，不利于黑龍江省的糧食穩(wěn)產(chǎn)和國(guó)家糧食安全。合理的作物輪作制度，可以很好地協(xié)調(diào)滿足不同輪作作物對(duì)養(yǎng)分的需求，均衡利用土壤養(yǎng)分使土壤保持較長(zhǎng)久的生產(chǎn)潛力[10]，是農(nóng)田用地與養(yǎng)地相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)持續(xù)增產(chǎn)和改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的一種行之有效的農(nóng)業(yè)措施[11]。

本研究結(jié)果表明，玉米—大豆—馬鈴薯、玉米—玉米—大豆和玉米—大豆—小麥輪作模式中玉米穗粒數(shù)和大豆莢數(shù)、莢粒數(shù)均較連作處理有所增加，玉米籽粒產(chǎn)量比連作玉米增加13.56%～17.25%，大豆籽粒產(chǎn)量比連作大豆增加5.92%～12.49%；玉米—大豆—馬鈴薯、玉米—玉米—大豆和玉米—大豆—小麥3輪作模式在一個(gè)輪作周期內(nèi)的收益比連作玉米分別增效9 915、1 316、1 230 元/hm2，比連作大豆分別增效12 043、3 741、3 655元/hm2。因此，基于本試驗(yàn)條件，黑龍江省西北部黑土區(qū)首選的輪作模式為玉米—大豆—馬鈴薯，其次是玉米—玉米—大豆和玉米—大豆—小麥輪作模式。但由于馬鈴薯容易受氣候、儲(chǔ)存和市場(chǎng)因素的影響，產(chǎn)量和投入成本波動(dòng)較大，價(jià)格不穩(wěn)，種植風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，農(nóng)戶種植時(shí)最好根據(jù)訂單或銷路制訂種植計(jì)劃，并提前做好馬鈴薯土傳病害和馬鈴薯早、晚疫病的防治措施。