小麦化肥减施与不同轮作方式的周年养分平衡及经济效益分析

马小艳，杨瑜，黄冬琳*，王朝辉,2*，高亚军，李永刚，吕辉

小麦化肥减施与不同轮作方式的周年养分平衡及经济效益分析

马小艳1，杨瑜1，黄冬琳1*，王朝辉1,2*，高亚军1，李永刚3，吕辉4

1西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；2西北农林科技大学/旱区作物逆境生物学 国家重点实验室，陕西杨凌 712100；3扶风县农业技术推广服务中心，陕西扶风 722200；4凤翔县农业技术推广服务中心，陕西凤翔 721400

【目的】研究小麦化肥减量条件下不同轮作方式土壤养分平衡及经济效益差异，探索适宜陕西关中小麦玉米轮作区的小麦轮作方式，为减少化肥投入，提高农民经济收入提供思路与科学依据。【方法】于2018—2020年在陕西武功镇开展田间试验，随机区组设计。设玉米-小麦轮作农户施肥（CWF）、玉米-小麦轮作推荐施肥（CWR）、绿肥-小麦轮作推荐施肥（GWR）、大豆-小麦轮作推荐施肥（BWR）4个处理，除农户施肥处理外，其他3个处理的小麦季施肥均采用监控施肥技术推荐施肥。采集不同夏季作物及冬小麦的植物和土壤样品进行分析。【结果】与农户施肥相比，玉米-小麦轮作推荐施肥处理在氮、磷肥分别减量11.8%、41.7% 条件下，显著增加了小麦产量，平均增幅为7.4%，显著增加了小麦籽粒及地上部氮、磷素养分累积量，氮素累积量增幅分别为10.1%、8.9%，磷素累积量增幅分别为9.8%、6.4%；玉米-小麦轮作推荐施肥处理显著降低了土壤氮、磷、钾素盈余率，降幅分别为25.1%、72.3%和54.4%，显著提高经济收益36%。推荐施肥的3种轮作方式中，玉米-小麦轮作小麦产量最高，其次为大豆-小麦轮作。大豆-小麦轮作氮、磷、钾盈余率均显著低于玉米-小麦轮作和绿肥-小麦轮作，降低幅度分别为87.3%—92.0%、41.9%—67.7%、78.1%—85.3%，并获得了最高的经济收益。【结论】监控施肥的推荐施肥方法不仅能够减少化肥投入，降低生产成本，同时能够增加小麦产量，提高小麦籽粒及地上部养分累积量，减少氮、磷养分平衡的盈余率，提高经济收益。相比玉米-小麦轮作方式，大豆-小麦轮作既减少了化肥的投入，大幅降低氮、磷、钾养分盈余量，同时还取得较高的经济效益。综上，陕西关中地区传统的玉米-小麦轮作可通过优化施肥减少化肥投入，降低生产成本；而综合考虑土壤培肥、环境效益与经济收益，优先推荐大豆-小麦轮作方式，减少土壤养分盈余，提高种粮农户的经济收益。

化肥减施；玉米-小麦轮作；绿肥-小麦轮作；大豆-小麦轮作；养分平衡；经济效益；陕西关中

0 引言

【研究意义】陕西关中地区是中国重要的粮食生产基地之一，粮食产量占陕西省粮食产量的60%— 70%[1]。玉米-小麦轮作的一年两熟制度是该地区的主要种植制度，由于玉米、小麦产量较陕西其他地区粮食作物高，农户施肥的意愿较高，存在严重过量施肥现象[2]，因此亟需通过优化施肥方法减少化肥过量施用，促进粮食生产的节肥增效。同时，由于关中地区长期采用单一的玉米-小麦轮作制度，导致土壤下层紧实、耕层变薄、土壤蓄水能力下降、产量下降等问题[3]；此外，近些年来由于青壮年劳力减少以及玉米灌溉成本上升等原因，不少农户选择夏季土地弃耕闲置，只种植一季作物冬小麦，不仅浪费雨热资源[4]，并且由于地面缺少覆盖，夏季的集中降水导致表层土壤剥蚀、养分流失、面源污染等问题[5]。前人研究表明，茬口通过一些生物、非生物因子影响土壤性状及后茬作物生长[6]，如采用豆科作物与小麦轮作，可以提高后茬小麦产量，这主要是因为大豆根瘤可固定空气中的氮[7]。大豆植株经翻埋后易分解，有效提高土壤供氮水平[8]，进而提高作物产量，增加经济收益[9]。【前人研究进展】监控施肥技术结合目标产量养分需求以及土壤养分含量，确定氮、磷、钾肥用量，实现土壤养分平衡、稳产增产、环境友好等目标，是农业部主推的优化施肥技术之一[10-15]。章孜亮等[10-15]应用监控施肥技术在多地试验结果表明，与传统农户施肥相比，监控施肥能够兼顾土壤养分供给及产量需求，在保证小麦产量的同时减少肥料的施用量，进而实现节本增效与环境友好。研究表明[16-19]，在主栽作物休闲期间插播豆科作物可以有效促进后茬作物对氮、磷、钾养分的吸收，提高后茬作物产量18.8%—20.0%，并且绿肥翻压还田可以改善土壤氮素失衡状况，提高土壤肥力[17,19]。与玉米-小麦轮作相比，大豆-小麦轮作可以提高土壤速效养分[6]，且周年土壤养分达到相对平衡或者亏缺最少[20]。付蓉[21]研究结果也表明，种植翻压箭舌豌豆和毛叶苕子后，氮素盈亏率接近0，达到氮素平衡。但有关与豆科作物轮作对后茬作物产量及土壤养分平衡影响的结论并不统一。有研究发现，前茬种植大豆，后茬小麦或者玉米减产[22-24]且土壤养分呈下降趋势[25]，农田养分平衡呈现出磷有余而钾不足[24]或者氮素亏缺的现象[25]；杨宁等[26]的试验结果表明，与绿豆轮作，小麦产量下降4.4%—19.2%，而与大豆轮作，小麦产量无明显变化。因此，降雨等气候条件[27]、豆科作物种类[25]、施肥水平等因素不同，都会使豆科作物对后茬作物产量、土壤养分含量和土壤养分平衡的影响不同。【本研究切入点】目前，已有监控施肥技术在小麦生产中的应用效果以及豆科作物对小麦产量、土壤养分含量影响的研究，但推荐施肥条件下不同轮作方式对土壤养分平衡、经济效益影响的研究较少，在关中小麦玉米轮作区进行的相关田间试验研究也较少。【拟解决的关键问题】2018—2020年在陕西省武功镇凉马村开展田间试验，利用监控施肥技术推荐施肥，通过比较分析玉米-小麦轮作、绿肥-小麦轮作、大豆-小麦轮作处理的夏季作物养分还田量、小麦产量、植物养分含量及关键时期的土壤养分含量，计算不同轮作模式的养分平衡、成本收益、明确优化施肥的节肥效果，评价不同轮作模式在养分平衡、经济收益方面的差异，推荐适宜关中地区的轮作模式，为减少生产成本，提高该地区的种粮效益提供思路和依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年6月至2020年6月在陕西省武功镇凉马村（34°4' N，108°2' E）进行。试验地位于关中平原典型小麦玉米轮作区，属温带半湿润性气候，降水集中在7—9月，雨热同季。研究区50年平均年降水量579 mm，其中7—9月平均降水量为305 mm，超过全年降水量50%。2018年6月至2019年6月降雨量为675.6 mm，2019年6月至2020年6月降雨量为841.9 mm（图1）。年平均日照2 094.9 h，积温4 184℃，无霜期315 d。该地区农作制度为夏作物-冬小麦轮作的一年两熟制。试验开始前表层（0—20 cm）土壤硝态氮含量6.25 mg·kg-1、铵态氮1.92 mg·kg-1、速效磷13.86 mg·kg-1、速效钾 125.62 mg·kg-1、有机质14.77 g·kg-1、DTPA–Zn 0.57 mg·kg-1。

图1 武功县 2018—2020年及50年（1971—2020）平均降水量

1.2 试验设计

田间试验排列采用随机区组设计，共设4个处理：玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）、玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）、绿肥-小麦轮作处理（GWR）、大豆-小麦轮作处理（BWR）。小区面积8 m×20 m=160 m2，3次重复。玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）的两季作物施肥量是根据调研当地农户习惯施肥数据确定，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）两季作物施氮肥量均采用监控施肥技术[10]计算得出，绿肥-小麦轮作（GWR）、大豆-小麦轮作（BWR）夏季作物不施肥，小麦季施肥量同样参考监控施肥计算得出。两年具体施肥方案见表1。玉米、大豆播种在小麦收获后硬茬播种，播种日期为每年6月20—25日。绿肥8月20日盛花期使用打草机粉碎翻压还田；大豆收获日期为9月25—30日，玉米收获期为10月1—3日。玉米、大豆收获后秸秆均粉碎还田。冬小麦每年10月中旬播种，次年6月上旬收获。试验期两年，玉米品种分别为秦龙14和大唐8号，播量为70 000株/hm2。两年绿肥均使用当地大豆品种黑麦豆，播量为150 kg·hm-2，由于第一年大豆-小麦轮作黑麦豆产量不高，第二年改种中黄13，播量为75 kg·hm-2。小麦两年品种均为西农20，播量为187.5 kg·hm-2。玉米在拔节至抽雄时期灌水一次，小麦冬前灌水一次，其他田间管理措施和当地农民习惯保持一致。

表1 不同年份不同处理纯养分施用量

CWF：玉米-小麦轮作农户施肥处理，CWR：玉米-小麦轮作推荐施肥处理，GWR：绿肥-小麦轮作处理，BWR：大豆-小麦轮作处理。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 样品采集与分析

土样采集：分别于玉米、大豆、小麦收获期和绿肥翻压前每小区选取3个采样点，每20 cm为一层，采集0—100 cm土层土样，混合均匀，风干后，过2 mm筛备用。

植物样品采集：玉米收获时，避开边际，选取10 m2地上的玉米穗并称鲜重，随机选取10穗称鲜重并带回实验室分器官烘干称重计算产量。随机选取3株完整玉米植株，风干后分器官，烘干至恒重，球磨仪粉碎后待化学分析。绿肥及大豆收获时采3个1 m2样方计产。随机采30株完整植株，分器官洗净、烘干称重，粉碎后待化学分析。小麦收获时在小区内随机选取3个1 m2样方计产。每个小区随机采100穗小麦植株，于根茎结合处剪掉小麦根系，将地上部分为籽粒、茎叶、颖壳三部分，烘干至恒重，用球磨仪粉碎后分作为化学分析样品。

土壤硝态氮含量采用1 mol·L-1KCl 浸提法浸提，速效磷用 0.5 mol·L-1的NaHCO3浸提，均采用连续流动分析仪（德国 Seal，AA3）测定。土壤速效钾用NH4Ac浸提，火焰光度计测定（Sherwood M410，英国）。籽粒、茎叶、颖壳采用H2SO4-H2O2消煮，AA3连续流动分析仪（SEAL公司，德国）测定全氮、全磷、全钾含量。

1.4 计算方法与公式

地上部养分吸收量（kg·hm-2）=小麦籽粒产量（kg·hm-2）×籽粒养分含量（g·kg-1）/1000+颖壳生物量（kg·hm-2）×颖壳养分含量（g·kg-1）/1000+茎秆生物量（kg·hm-2）×茎秆养分含量（g·kg-1）/1000。

农田养分平衡主要包括养分投入、养分携出和养分盈亏三方面，计算农田中养分平衡时一般以肥料投入和作物收获物中的养分为主，对其进行宏观统计和比较，来估算土壤中养分平衡的状况[28]。养分投入仅包括化肥施入量和由秸秆带入的养分含量，不考虑降水、灌溉、大气沉降等带入的养分。养分支出仅包括因作物收获而带出的养分，不考虑因淋洗、挥发和反硝化造成的养分损失。养分平衡采用表观平衡法计算，即：养分平衡值 =养分投入量–作物携出量；

养分盈余率（%）=（平衡值 /作物养分携出量）×100。

总成本（元/hm2）=肥料成本（元/hm2）+种子成本（元/hm2）+机械成本（元/hm2）+其他开支（元/hm2），其他成本包括雇工费用、农药成本、灌水成本等田间管理费用。

总收益（元/hm2）=前茬作物籽粒收益（元/hm2）+冬小麦籽粒收益（元/hm2）；

净收益（元/hm2）=总成本（元/hm2）–总收益（元/hm2）。

试验数据采用Excel 2010软件进行整理计算， DPS 2005软件进行统计分析，多重比较采用LSD（least significant different）法，差异显著性水平为5%，用Origin 2018C进行作图。

2 结果

2.1 夏季作物产量、生物量及养分还田量

玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）与玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）相比，玉米籽粒产量、地上部还田量及养分还田量虽有增加，但未达到显著性差异（表2）。地上部还田量由高到低依次为玉米、绿肥、大豆。不同夏作物养分还田量均存在显著差异，玉米、绿肥氮素还田相当，大豆秸秆氮素还田量为最低；磷素还田量绿肥最高，玉米次之，大豆为最低；钾素还田量玉米最高，其次为绿肥，大豆最低。两年结果一致。

2.2 化肥减施及不同轮作模式对冬小麦产量及养分累积量的影响

2.2.1 冬小麦产量、生物量、产量构成要素 从两

个试验年的平均值来看，与玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）相比，推荐施肥条件下的3种轮作处理中仅玉米-小麦轮作推荐施肥（CWR）能显著提高小麦产量、地上部生物量、公顷穗数和穗粒数（表3）。而推荐施肥的3种轮作处理间小麦产量、地上部生物量、公顷穗数存在显著差异，其中玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）显著高于绿肥-小麦轮作处理（GWR）与大豆-小麦轮作处理（BWR），其他指标未达到显著性差异。不同处理在试验两年间表现不同，第一年，除公顷穗数外，推荐施肥（CWR）处理小麦产量、生物量与农户施肥处理（CWF）相比，均未达到显著水平；不同轮作处理之间也得到与此一致的结果。试验第二年，推荐施肥处理（CWR）与农户施肥处理（CWF）相比，小麦产量、地上部生物量、公顷穗数分别显著提高10.2%、16.0%、38.5%；推荐施肥条件下的3种轮作处理之间，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）与大豆-小麦轮作处理（BWR）小麦产量相当，绿肥-小麦轮作处理（GWR）最低。玉米-小麦推荐施肥处理（CWR）地上部生物量、公顷穗数均显著高于其他两个处理，绿肥-小麦轮作处理均为最低。其他指标3个处理间无显著差异。

表2 不同夏季作物产量、还田生物量、养分还田量

同列小写字母表示同一年份不同处理之间的显著性差异（<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 不同处理小麦地上部生物量及产量构成要素

2.2.2 小麦籽粒及地上部养分累积量 与玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）相比，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）可显著增加小麦籽粒和地上部氮、磷累积量，钾素累积量差异不显著（图2-A、2-B）。与玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）相比，推荐施肥条件下的3种轮作方式的小麦籽粒氮、磷素累积量均显著增加，钾素累积量均未达到显著性差异；对于地上部养分累积量来说，3种轮作方式中，与玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）相比，除玉米-小麦轮作（CWR）的氮、磷累积量及大豆-小麦轮作（BWR）磷素累积量显著提高外，其他处理及养分累积量均未达到显著性差异。推荐施肥的3种轮作处理之间，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）与大豆-小麦轮作处理（BWR）小麦籽粒及地上部氮素累积量及磷素累积量相当；绿肥-小麦轮作处理（GWR）小麦籽粒及地上部氮磷累积量最低；小麦籽粒钾、地上部钾累积量没有显著差异。

图中不同小写字母表示不同处理小麦籽粒、地上部氮、磷、钾养分累积之间的差异性检验显著（P<0.05）

2.3 化肥减施及不同轮作模式对土壤周年养分平衡的影响

2.3.1 0—20 cm土层速效养分含量 试验第一年小麦播前，推荐施肥条件下的3种轮作处理中，仅玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）速效磷含量显著高于与玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF），土壤硝态氮和速效钾含量均无显著差异（表4）。3种不同轮作方式处理间，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）的土壤硝态氮含量与绿肥-小麦轮作处理（GWR）相当，显著高于大豆-小麦轮作处理（BWR）；土壤速效磷、速效钾均无显著差异。收获期玉米-小麦轮作两种施肥模式处理的土壤硝态氮、速效磷、速效钾含量趋势与播前土壤速效养分含量趋势一致。推荐施肥条件3种轮作处理间玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）与绿肥-小麦轮作处理（GWR）土壤硝态氮略高于大豆-小麦轮作处理（BWR）；而土壤速效钾含量大豆-小麦轮作处理（BWR）最高，绿肥-小麦处理（GWR）最低，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）居中，土壤速效磷含量无显著差异。试验第二年小麦播前，与玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）相比，推荐施肥的3个处理硝态氮含量均显著降低，其中大豆-小麦轮作（BWR）土壤硝态氮含量为最低；绿肥-小麦轮作处理土壤速效磷、速效钾显著低于农户施肥处理，其余两种轮作处理土壤速效磷、速效钾含量无显著差异。小麦收获期，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）土壤硝态氮显著高于玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF），其他两种轮作处理无显著差异；速效磷、速效钾含量均无显著差异。推荐施肥条件下3种轮作处理间，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）与绿肥-小麦轮作处理（GWR）土壤速效钾含量相当，显著高于大豆-小麦轮作处理（BWR）；土壤速效氮、速效磷含量无显著差异。

表4 小麦播前期和收获期0—20 cm土层速效养分含量

2.3.2 小麦季土壤养分平衡 两个试验年总养分平衡来看，与玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）相比，推荐施肥的3种轮作处理中，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）显著降低了氮、磷素总平衡值和盈余率。玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）两年氮素总平衡达204.1 kg·hm-2，盈余率达44.3%；磷素总平衡达223.0 kg·hm-2，盈余率达133.4%，说明农户施肥处理氮素和磷素投入过量严重。而玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）钾素总平衡值显著低于玉米-小麦轮作推荐施肥（CWR）。绿肥-小麦轮作处理（GWR）氮、磷平衡值和盈余率为最高，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）次之、大豆-小麦轮作处理（BWR）氮、磷、钾素总平衡值和养分盈余率均为最低。每一个试验年度的养分平衡及盈余率趋势与两年总养分平衡趋势一致（表5）。

2.4 化肥减施及不同轮作模式的经济效益分析

总收益主要是由籽粒产量带来的产值，成本主要

由肥料、种子、机械及其他费用组成，其中其他费用包括雇工、灌水、农药支出。试验第一年，与玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）相比，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）显著增加净收益，增幅为36.8%（表6）。推荐施肥3种轮作处理之间，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）收益为最高，大豆-小麦轮作处理（BWR）与绿肥-小麦轮作处理（GWR）收益相当。试验第二年，玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）仍然显著高于玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF），增幅为34.6%。3种轮作处理之间大豆-小麦轮作处理（BWR）经济收益为最高，其次为玉米-小麦推荐施肥处理（CWR）。两年平均经济收益来看，与玉米-小麦轮作农户施肥处理（CWF）相比，由于玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR）化肥投入减少，成本降低了0.23%，由于玉米、小麦增产，收益增加了10.7%，净收益增加35.6%。大豆-小麦轮作（BWR）净收益最高，其次为玉米-小麦轮作推荐施肥处理（CWR），但绿肥-小麦处理（GWR）夏季作物没有经济收益，因此其经济收益为最低。与玉米-小麦轮作推荐施肥处理相比（CWR），由于大豆-小麦轮作（BWR）的化肥投入减少，成本降低了20.2%，大豆价格较高，使得净收益增加3.3%。推荐施肥的3种轮作方式与农户施肥处理相比，除绿肥-小麦轮作外，均显著提高了净收益。

表5 小麦季养分投入与产出平衡表

表6 各处理经济效益分析表

不同小写字母分别表示同一年不同处理之间净收益的差异（<0.05）。小麦价格为2.2元/kg、玉米价格为2.02元/kg、黑麦豆价格为8元/kg、大豆价格为6元/kg。N、P2O5和K2O价格分别为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 讨论

3.1 化肥减量及不同轮作方式下的小麦产量及养分累积量

与农户施肥相比，推荐施肥能够减少氮素投入25.2%—41.2%，小麦增产3.1%—17%，氮素偏生产力增加130.1%—180.3%；节约磷肥32.9%；由于农民习惯钾肥用量总体较低，增加钾肥147%[10-11]。本试验两年结果也表明，与农户施肥相比，玉米-小麦推荐施肥小麦季氮肥减量11.8%，磷肥减量41.7%，钾肥增量50%，小麦产量提高了7.4%。小麦籽粒及地上部氮累积量分别增加10.1%、8.9%；小麦籽粒及地上部磷累积量分别增加9.7%、6.4%；小麦籽粒及地上部钾累积量没有显著增加，这可能与前茬玉米秸秆钾素还田量较高，可为后茬小麦提供钾有关[29]。施肥量在一定范围内时，作物氮、磷、钾养分累积量随产量的提高而增加，但当施肥量超过一定水平，作物养分累积量增加不明显[30]。因此，本试验结果说明，关中小麦玉米轮作区农户氮、磷肥投入量已远超过小麦对氮、磷养分需求量，不仅没有达到小麦增产效果，还造成了养分资源的浪费[31]。

轮作体系中，不同前茬作物类型对后茬小麦生长、产量均有影响[23, 32-34]。惠言[34]在华北平原进行的试验结果表明，大豆-小麦轮作与传统的玉米-小麦轮作相比，降低了小麦产量。美国蒙大拿地区及陕西的洛川、长武地区，由于降水量有限，夏闲季插播豆科作物会由于消耗了土壤水分，减少了小麦播前土壤贮水量，引起小麦减产[35-37]。而在小麦养分投入较低的非洲肯尼亚地区、意大利的试验发现，小麦连作的种植体系中加入豆科植物，能够通过生物固氮的作用，增加土壤养分，显著提高后茬小麦的产量[38-39]。本试验推荐施肥的3种轮作处理中，小麦季氮、磷、钾养分投入量一致，由于前茬作物不同，小麦产量存在显著差异，尤其在试验第二年，玉米-小麦轮作与大豆-小麦轮作处理小麦产量最高，绿肥-小麦轮作处理小麦产量最低；小麦籽粒氮、磷及地上部氮、磷累积量与小麦产量趋势相同。这可能是由于本试验中3种轮作均为推荐施肥，氮、磷、钾养分投入完全能够满足小麦生长和产量形成的需求，因此大豆固氮作用提供的养分对小麦产量的形成还未表现出显著的促进作用。而在本试验中，绿肥-小麦轮作处理小麦产量最低可能是由于第二年夏季降雨过多，降低了绿肥腐解养分释放速率[40]，至小麦播种时还有大量绿肥残体没有腐解完全，微生物与小麦苗期出现了争氮作用[41-42]，降低了小麦的公顷穗数，进而降低了小麦产量。3种轮作间，小麦籽粒及地上部钾累积量不存在显著差异，可能是由于当土壤钾供应充分时，造成小麦奢侈吸收钾[43-44]。通过对3种轮作和农户施肥的结果分析比较，得出在化肥减量的情况下，依然可以提高小麦产量及籽粒养分累积量。

3.2 化肥减施与不同轮作方式下土壤养分平衡

试验两年，与农户施肥处理相比，推荐施肥均有增加夏作物玉米产量、还田生物量、养分还田量的趋势。试验第二年，由于推荐施肥处理玉米产量显著高于农户施肥处理，高的养分携出量降低了小麦播前土壤氮、磷含量。而推荐施肥处理的玉米氮、钾养分还田量均高于农户施肥处理，玉米秸秆通过腐解过程缓慢的释放氮、钾到土壤中[45]，因而，小麦收获期土壤氮含量显著高于农户施肥处理，钾含量略高于农户施肥处理。尽管玉米-小麦推荐施肥处理的小麦籽粒吸钾量较高，但该处理玉米季产量、钾素还田量、小麦季钾肥施用量均高于农户施肥处理，因此其钾盈余量及盈余率仍显著高于农户施肥处理。这说明在关中玉米-小麦轮作区，在玉米秸秆还田条件下可以少施钾或不施钾[46]。

氮素因其来源和去向多样，循环复杂，导致氮表观损失量通过各种途径进入环境，由此带来的氮面源污染环境问题不容小视[47]。王秀斌[48]发现，优化施氮能够避免深层土壤中硝态氮的积累，减少氮盈余。曹寒冰等[10]也发现，利用推荐施肥方法科学施肥，可以减少盲目投入过量养分，降低成本，也减少了过量施肥带来的环境污染风险。合理施用磷肥可促进作物磷素利用，降低土壤磷素残留[49]。本研究结果中农户施肥处理氮盈余率为 44.3%，磷盈余率133.4%，玉米-小麦推荐施肥处理比农户施肥处理氮、磷肥投入量分别减少了11.8%、41.7%。尽管夏季玉米秸秆的氮、磷养分还田量均显著高于农户施肥处理，但由于玉米-小麦推荐施肥处理的小麦产量显著高于农户施肥处理，因此其土壤氮、磷养分平衡值与盈余率均显著降低，尤其磷盈余率降至37%。

豆科作物能够生物固氮，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态氮残留，降低土壤氮盈余。且豆科作物生长过程中对磷的需求也较高[6]。本研究中大豆季没有施氮、磷、钾肥，因此大豆-小麦轮作处理的氮、磷、钾盈余量均为最低。由于绿肥-小麦处理夏季作物没有养分携出，且豆科绿肥生长能通过生物固氮作用，在还田后增加土壤氮含量[23,51]，因此其氮、磷盈余量均为最高。但由于大豆秸秆钾还田量远低于玉米钾还田量，因此玉米-小麦轮作处理钾盈余量为最高。关中地区6—9月降雨集中，作物不能吸收的养分容易向深层土体淋洗至地下水，或者随地表径流至地表水，无论哪种途径的损失均会导致氮、磷的面源污染问题[52]，因此考虑到养分盈亏问题，在陕西关中平原地区适宜进行大豆-小麦轮作来平衡土壤养分，提高地力，减少化肥的投入，保护环境，也利于土地绿色可持续利用。

3.3 经济效益

章孜亮等[11]大田试验发现，化肥减量后，可以降低成本，增加收益，提高冬小麦种植的经济效益。本研究结果中推荐施肥处理因其化肥减少，成本降低，因此较农户施肥处理小麦产量高，净收益增加。氮投入过量会导致小麦贪青晚熟，茎秆汁液丰富，增加虫害的发生率[53]；另一方面磷肥过量投入则会导致小麦分蘖数过多，小麦群体过大，在小麦开花期至灌浆期，极易发生倒伏，透光性差，以及在降水较多的年份，小麦白粉病、条锈病发生率增加，严重降低小麦产量[54-55]。而推荐施肥处理基于土壤养分及目标产量推荐施肥，减少氮、磷肥的过量施用，因此提升了小麦产量，增加了净收益。

前人研究表明，大豆-小麦与玉米-小麦两种轮作方式相比，在小麦季施肥一样的情况下，虽然玉米产量远高于大豆产量，但由于大豆价格远高于玉米价格，且与大豆轮作时，小麦产量高于与玉米轮作处理，因此，在相同施肥水平下，大豆-小麦轮作处理的经济收益高于玉米-小麦的经济效益[56]。本试验中尽管玉米-小麦轮作的小麦平均产量高于大豆-小麦轮作处理，且夏作物玉米籽粒产量也远高于大豆籽粒产量，但是由于大豆价格是玉米价格的3倍，大幅提升了总收益。另外关中地区玉米的灌溉及肥料支出导致的成本增加，共同使大豆-小麦轮作处理的收益高于玉米-小麦轮作处理的收益。刘海涛等[57]对成都平原几种粮油作物农田经济效益试验分析发现，小麦-大豆轮作收益要高于小麦-玉米轮作，与本试验研究结果一致。此外，与禾本科作物轮作相比，大豆-小麦轮作不仅能够减少病、虫、草害的发生[58]，长期大豆秸秆还田也可增加土壤有机质，有利于土地的可持续发展[59-60]。本研究结果中，试验第一年大豆-小麦轮作净收益较低，原因是大豆产量极低，主要是由于使用的大豆品种黑麦豆是渭北旱地的当地品种，地上部生物量较高，但收获指数较低，不适宜在关中地区种植，因此导致大豆-小麦轮作处理净收益明显低于玉米-小麦轮作，试验第二年选择了适宜生长的大豆品种，产量大幅提升，净收益显著增加，远高于其他两个处理。尽管绿肥-小麦轮作处理的总成本较低，但由于夏季作物无收益，因此使该轮作方式总收益为最低，考虑到种粮农户的积极性，绿肥-小麦轮作方式在该地区不适宜推广。

4 结论

与传统农户施肥相比，推荐施肥提高了玉米、小麦产量，降低了土壤氮、磷养分盈余，因此不仅减少了化肥投入，也降低了肥料过量施用带来的面源污染风险。而大豆-小麦轮作既减少了化肥投入，大幅降低氮、磷、钾养分盈余，同时还取得较高的经济收益。综上，陕西关中小麦玉米轮作区应根据作物养分需求优化施肥量，减少化肥投入成本，提高种粮农户经济收益。从用地与养地结合、优化经济效益与环境效益考虑，大豆-小麦轮作可作为该地区的轮作推荐方式。

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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

国家重点研发计划子课题（2018YFD0200404-02）、中央高校基本科研业务费专项资金（2452020163）

马小艳，E-mail：Maxiaoyan12201122@163.com。通信作者黄冬琳，E-mail：dlynnhuang@nwafu.edu.cn。通信作者王朝辉，E-mail：w-zhaohui@263.net

（责任编辑 李云霞）