东北地区不同轮作方式下大豆产量对施钾的响应

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(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态院重点实验室，海伦农田生态系统国家野外观测研究站，黑龙江 哈尔滨150081，2.黑龙江省农垦科研育种中心，黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引 言

中国是世界上最重要的大豆生产国家之一，根据农业部统计数据(www.agri.gov.cn))全国大约40%的大豆种植面积(2001年为9.485亿hm2和0.154亿t产量)分布在中国东北的黑龙江省(35%)和吉林省(5%)，占全国大豆总产量的39.4%。黑土是这两个省的主要耕种土壤，分别占到了耕地面积的16.35%和3.77%[1]。黑土农田土质肥沃，耕层深厚富含氮和磷等养分。虽然黑土自开垦以来一直被认为土壤钾素含量能够满足作物生长发育需要，但是随着氮磷化肥的增施与粮食产量的提高以及大量的秸秆等被移出农业生态系统，导致黑土的钾素含量已经不能满足作物优质高产的需要而成为限制因子[2-3]。

在东北黑土区大豆籽粒产量的形成受到了施肥[4-5]、气候条件[4,6]、作物种植顺序[7-8]等诸多因素的影响。虽然在黑土区施用钾肥能够提高大豆产量[5]，然而在有限的研究中大豆对钾肥施用的反应仍有不确定性。一般情况下，东北黑土区正常降水年份中钾肥的投入对大豆籽粒产量没有显著影响；然而在非正常年份如生长季节的干旱、病虫害等条件下，钾肥的投入对大豆籽粒产量具有显著的影响[9]。同时轮作方式是影响大豆籽粒产量的另外一个重要因素[10]。因此，文章通过田间试验研究了东北黑土区不同轮作方式下大豆籽粒产量对钾肥投入量及降水的响应，旨在为研究区域内大豆的栽培和施肥提供一定的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站内进行，海伦站地处黑土区中部，东经125°38’，北纬47°26’，地势平坦，属于温带大陆性季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，雨热同季，年平均气温1.5℃，极端最高温度为37℃，极端最低温度为-39.5℃，年降水量为500 mm～600 mm，主要集中在7月份、8月份、9月份，年均有效积温2 450℃，年均日照时数为2 600 h～2 800 h，无霜期为125 d。土壤类型为中厚层黑土，是在第四纪形成的黄土状母质上发育起来的地带性土壤，质地以粘性土为主，土壤物理性粘粒大于60%，土壤固相比大于50%，土壤膨胀性大于25%，土体结构致密，渗透能力弱，毛管水运移速率较慢，土壤持水能力和保水能力较强，储水库容较大。地下水埋深20 m～30 m。试验的初始土壤理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验选自中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站内的不同轮作制定位试验，包括大豆连作、大豆-玉米轮作和大豆-玉米-小麦轮作，在试验的三年内每个轮组制中设置了7个不同的钾肥投入量，K2O的投入量分别是0，37.4 kg·hm-2·a-1，74.7 kg·hm-2·a-1，112.1 kg·hm-2·a-1，149.4 kg·hm-2·a-1，186.8 kg·hm-2·a-1，224.0 kg·hm-2·a-1，所用钾肥为硫酸钾；共21个处理，每个处理4次重复，小区面积为小区面积67.2 m2。在同一年里每个处理均接受(NH4)2HPO3的量为150 kg·hm-2。大豆品种为黑农35，种植密度27万株·hm-2。大豆于5月中旬播种，9月底收获。收取小区中央的4条完整的垄的籽粒来考种计算产量，按籽粒含水量为13%计算产量。

2 结果与分析

2.1 大豆产量的方差分析

表2为轮作、钾肥和年份对大豆产量的影响的方差分析资料，由此可知，轮作方式、施钾水平和种植年份对大豆籽粒产量的影响均达到了显著水平(p < 0.001)，其中轮作方式、施钾水平和种植年份之间均存在明显的交互作用(p < 0.001)，说明在研究区域内大豆籽粒的产量受到了轮作方式、施钾水平和种植年份的共同调控作用。

表2 轮作、钾肥和年份对大豆产量的影响的方差分析Tab.2 Analysis of variance of the effect of rotation,K fertilizer,and year on soybean grain yield

2.2 不同轮作制度对大豆籽粒产量的影响

重茬大豆是指一年一季作物产区大豆种植过程中连续几年均种植大豆。迎茬大豆是指一年一季作物产区大豆种植过程中，第1年种植大豆，第2年种植禾本科作物，第3年所种植的大豆为迎茬大豆。在东北黑土区的大部分地区大豆重迎茬现象比较普遍，因其土壤气候条件，大豆重迎茬种植会导致减产。因此研究不同轮作方式对大豆籽粒产量的影响及其对不同降水年份的响应是极其重要的。我们对不同轮作方式下的7个施钾处理的大豆籽粒产量进行平均得到了不同年份不同轮作处理下大豆籽粒产量，见表3。不同轮作方式对大豆的籽粒产量产生了显著的影响(p < 0.05)，与大豆连作相比，两年轮作(大豆-玉米)和三年轮作(大豆-玉米-小麦)，大豆的籽粒产量分别增加了5.9%和29.6%，说明增加大豆与其他作物的轮作周期能够增加其籽粒产量。这与该地区的已有的报到相一致，大豆连作，两年轮作均较三年轮作减产，减产幅度随着连作年限增加而加剧，以两年轮作减产最少为6.1%，连作1年，2年和3年分别减产9.9%，13.8%和19%[11]。

表3 不同轮作制度下的大豆产量 (kg·hm-2)Tab.3 Grain yield of soybean under different rotation

试验期间第一年、第二年和第三年作物生长季内的降水分别为401 mm，504 mm和467 mm，与研究区域内多年平均作物生长季内降水470 mm相比[12]，第一年和第二年分别属于干旱年份和湿润年份。不同种植年份的降水条件也是影响大豆籽粒产量的重要因素。适宜的降水条件是大豆获得较高籽粒产量的重要保障，见表3。过多的降水(第二年)显著地限制了大豆的籽粒产量，与正常降水年份(第三年)相比，大豆籽粒产量下降了8.4%；在干旱年份(第一年)大豆的籽粒产量同样受到了限制，与正常降水年份相比，大豆籽粒产量下降了2.6%。其研究结果与邹文秀等一致[4]。湿润年份土壤水分过多时会引起根系缺氧，造成根部伤害，进而限制植株高度，降低大豆产量[13]。研究发现分别在大豆的营养生长期、花期、荚期和鼓粒期出现水分过多，其产量分别下降了6.97%，14.91%%，13.71%和10.10%[14]。当大豆开花结荚期和鼓粒期出现干旱胁迫产量分别下降44%和29%[6]，而在大豆的营养生长期出现干旱，大豆产量最高可下降21%[14]。

不同轮作方式对生长季内降水的响应表现为在湿润年份，降水较多时(第二年)显著地限制了连作大豆和大豆-玉米轮作下大豆籽粒产量的形成，见表3。与正常年份(第三年)相比，大豆的籽粒产量分别降低了12.6%和15.0%；而在大豆-玉米-小麦轮作条件下大豆籽粒产量仅下降了3.0%，说明增加大豆与禾本科作物的轮作周期能够增强大豆抵抗降水变化对其籽粒产量的影响。

2.3 不同钾肥投入量对大豆籽粒产量的影响

钾是作物生长发育所必须的三大营养元素之一，充分满足作物需求是建立高产稳产农田生态系统的重要措施。我们将三年不同轮作方式下大豆籽粒产量进行平均得到了不同轮作方式下大豆籽粒产量对不同供钾水平的响应，见表4。

表4 不同种植处理中施钾与大豆产量的关系 (kg·hm-2)Tab.4 Grain yield of soybean related to the rates of K application in different cropping treatments

总体上大豆的籽粒产量随着钾肥投入量的增加而增加，与不施钾肥相比，当钾肥施入量从37.4 kg·hm-2增加到224.0 kg·hm-2时，大豆的籽粒产量增加了9.8%～28.2%。不同轮作方式对钾肥的响应存在一定的差异。将不同钾肥投入量与大豆籽粒产量进行线性回归，得到3个线性方程，见图1。

图1 不同轮作方式下大豆籽粒产量对钾肥投入量的响应Fig.1 The response of soybean grain yield to K fertilizer application

从不同轮作方式下大豆籽粒产量对钾肥投入量响应的曲线斜率我们可以得出钾肥的投入对连作大豆的产量起到了显著的提高作用，说明钾肥能够调节连作障碍对大豆产量的限制作用。施钾对轮作大豆籽粒产量增产效果不明显，但是在施用氮磷肥的基础上施用钾肥对连作大豆籽粒产量有显著的增产效果，钾能够增加连作大豆的抗病抗倒伏能力，因为钾与茎部纤维素合成有关，钾营养充足时大豆茎叶中纤维素含量增加，促进了大豆维管束的发育，厚角组织细胞加厚，茎秆强度增加，植株生长健壮，不仅抗倒伏，也增加对病虫害的抵抗能力[12]。而对于大豆-玉米-小麦轮作体系来说，当钾肥投入量增加到149.0 kg·hm-2后，大豆籽粒产量并没有表现出相应的增加趋势，说明对于该轮作体系大量的钾肥投入不仅会浪费钾肥资源同时还会限制大豆籽粒产量的提高。

3 结 论

以中国科学院海伦农田生态系统野外科学观测研究站内的轮作试验为基础，我们研究了不同轮作制度下大豆籽粒产量对钾肥投入量和降水的响应，得到结果如下：在东北黑土区大豆的籽粒产量受到了轮作制度、钾肥投入量和降水格局的综合调控。与大豆连作相比，大豆-玉米轮作和大豆-玉米-小麦均能显著地增加大豆的籽粒产量，说明增加大豆与禾本科作物的轮作周期能够增加大豆的籽粒产量。生长季内大气降水是控制大豆籽粒产量的一个重要因素，正常年份降水条件下大豆的籽粒显著高于湿润年份和干旱年份，钾肥的投入能够缓解湿润年份生长季内大气降水偏多对大豆籽粒产量的限制，同时钾肥的投入也能够缓解大豆连作对大豆籽粒产量的影响，但是对大豆-玉米-小麦轮作区大豆籽粒产量并没有表现为随着钾肥投入量的增加而增加。因此，在东北黑土区钾肥的投入能够有效地缓解降水较多和大豆连作对大豆籽粒产量的影响，是保障该地区大豆产量的有效措施之一。

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