黑土区大豆耕地土壤障碍及其对策研究进展*

王 蕾，姜 昭，王 磊，李凤兰，姜佰文，董守坤，曹 博，张 颖**

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.东北农业大学生命科学学院，哈尔滨 150030；3.东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

1 黑土区大豆产业现状

黑土是大自然赋予人们的一种极为珍贵的自然资源，其是在冻融交替条件下形成的，每形成1 cm厚黑土需200～400 a的时间，由于其有机质含量高、肥力强，黑土为全球粮食安全做出了巨大贡献。我国东北典型黑土区耕地面积约为1 853.34万hm2，其中黑龙江省约1 040万hm2，占到总面积的56.12%，为我国粮食安全方面做出了重要保障。东北地区是我国大豆的主要产区[1]，种植面积占全国种植面积30%以上，产量占全国大豆总产量的40%左右[2]。近年来，一方面伴随国家农作物种植结构调整以及大豆产业振兴计划实施，另一方面受气候和耕地面积等因素的制约，黑龙江省北部地区大豆主产区的连作已成为严重问题[3]。此外，由于多年来高强度的利用、水土流失，黑土区土地肥力逐年下降，导致黑土区大豆产量和质量受到影响。

2 黑土区大豆耕地土壤障碍问题研究的迫切性

2.1 黑土区大豆耕地概况

我国东北黑土区为全球四大黑土集中分布区之一，包括黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区东部的呼伦贝尔市、通辽市、赤峰市与兴安盟。东北黑土区面积达10 900.05万hm2，其中典型黑土区耕地约1 853.34万hm2。其原有的黑土层深厚，富含作物生长所需有机质（5%～8%，甚至＞10%），有机质含量约为黄土10倍[4-5]。地形起伏不大，大部分海拔在50～200 m。其中，东北黑土区组成成分为：黑土，黑钙土，草甸土，白浆土，部分沼泽土以及低含量的低层暗棕壤。黑土区分布于黑龙江省三江、松嫩、吉林松辽东北部三地的平原及周边山区。因其有机质含量较多，腐殖质层厚，已成为中国最为重要的粮食生产和商品粮出口基地[6]。近五年来，东北黑土区年平均粮食产量占全国总产量的四分之一，优势作物大豆、玉米以及水稻产量占总产量的19%～56%。与此同时，输出商品粮占据全国三分之一，排名我国前十位的产粮县皆位于此区之内。

2018年全国农作物播种面积达16 590.38万hm2，其中东三省农作物播种面积2 496.13万hm2，占全国农作物总播种面积的14.9%。2018年全国大豆播种面积为841.27万hm2，东三省大豆种植面积为391.97万hm2，在全国大豆种植面积中东北三省黑土区的大豆种植面积占据较高比例，且黑龙江省占据的东北大豆播种面积＞90%。2004—2018年，黑龙江省平均年大豆种植面积为353.80万hm2，占全国大豆种植面积的42.8%。其中，2010—2015年种植面积持续下降，达到2018年以来的最低点，直接影响了我国大豆的生产规模和产业发展[7-8]。2016年开始，由于国家和黑龙江省相继出台了压缩玉米和发展大豆的政策，黑龙江省大豆种植面积呈恢复性增长趋势，2017年达373.5万hm2，占全国大豆种植面积的47.6%，占全省农作物总面积的26.5%，而且有继续扩大的趋势。

2.2 黑土区大豆耕地地力和养分现状

近年来，在自然因素制约与人为高强度利用的影响下，黑土区域土地得不到回补，年流失的表层厚度达到0.3～1.0 cm，而原来较厚的黑土层现如今仅剩下20～30 cm，一些地方甚至暴露出黄土状母质，生产能力已基本丧失[9-10]。东北的黑土地区作为我国重要商品粮生产基地，其耕地质量直接影响作物产量，进而动荡我国粮食安全[11]。其中在开垦初期东北黑土有机质含量为60～80 g/kg，由于过度开发利用，20～30 a后的现在已经下降到20～30 g/kg，其中2014年平均东北黑土有机质含量为30.56 g/kg[4]。此外，长时间的耕作导致黑土地耕层土壤的pH下降，使得土壤酸化严重，这不但影响作物养分吸收及其根系发育，还会将土壤中的重金属污染物活化，阻碍作物生长。纵观整个东北黑土区土壤情况，46.89%的耕地pH在5.5～6.5，其中54.90%在黑龙江省内，酸化趋势明显。纵观大豆耕区的土壤类型，黑土平均pH在5.98，暗棕壤、棕壤、水稻土、白浆土、草甸土的pH在5.91～6.70，暗棕壤最低，草甸土最高[7]。

黑土耕地的土层变化主要原因是水蚀、风蚀和人类活动。为进一步评价和区分耕地质量，农业农村部依据《耕地质量调查监测与评价办法》与《耕地质量等级》国家标准选取立地条件、剖面特征、耕层理化特征、养分状况、土壤健康和土壤管理等指标对耕地质量进行了综合性评价，并对全国耕地质量等级进行了详细划分，其中东北地区耕地质量平均等级为3.84。东北地区耕地质量高等地（1～3等）的面积占比27.70%，为992.74万hm2；中等地（4～7等）面积占比60.33%，为2 161.88万hm2；低等地（8～10等）面积占比11.97%，为429.05万hm2。因此，综合来看中低等质量的东北耕地占比较大，高达72%[12]。从各个省来看，黑龙江省高产田面积比例为23.7%，蒙东四盟市仅为12.4%；吉林省和辽宁省高产田面积比例相对较高，分别为44.35%、41.24%[13]。

2.3 黑土区大豆土壤关键障碍因素

（1）土壤侵蚀导致水土流失严重

土壤侵蚀是威胁土壤健康的重要障碍因素。由于季节性冻融作用和漫川漫岗的地形地貌特点，黑土区遭受水蚀与风蚀的双重危害。加之由于长期以来的过度垦殖和掠夺式经营，水土流失日趋剧烈，黑土层的削减与土地的退化格外严峻。特别地，在长期高强度大豆连作的生产模式下，不仅破坏了土质结构，造成水土流失扩张以及侵蚀程度增加，甚至削减了土层厚度，在一些坡度较大的地方黑土层仅剩20 cm的厚度[14]。黑土区坡耕地表土年流失达到6～7 mm，仅黑龙江省的土壤年流失就高达2～3亿m2。仅2005年，黑龙江省坡耕地表层黑土流失104.7万km2，耕作能力永久性丧失[15]。黑土侵蚀导致的土壤理化性状恶化和肥力下降也对大豆的生长发育造成严重威胁。孟凯等[16]研究发现，侵蚀黑土更为紧实，耕性不良，养分供给能力后劲不足，特别是对大豆产量影响最大的土壤氮和钾含量也明显较低，表现出对大豆生长发育的障碍。因此，黑土侵蚀区亟需建立侵蚀区土壤控蚀增肥新技术和新模式。

（2）黑土理化性质退化

过去不科学的耕作方式加剧了土地荒漠化的进程，导致大豆田生产力下降，威胁着大豆的生长发育，甚至引起大豆减产。例如，传统的中小型农业机械在浅层工作，由于整地深度较浅，导致犁底层抬高上移，耕层土壤容易被农业机械压实，破坏土壤团聚体结构，孔隙细度降低，透气透水，容量降低，土壤变硬，储水和保湿能力降低，缓冲性能减弱。土壤的这些物理性质被破坏后，很容易造成土壤板结，犁底层渗透性变差。大豆根系难以利用深层土壤水分和养分，降低了土、水、肥、气、热之间的协调性，导致黑土耕地中固、液、气三相比例不合理加剧，造成大豆生长发育缓慢和产量降低等一系列不良后果[17-18]。据2014年黑龙江省13 249个调查数据显示，由于目前黑龙江省土壤耕层土壤微生物活性降低，土壤养分非均衡化、贫瘠化、酸化、次生盐碱化等问题凸显，土壤物理性质朝逆向发展，干旱时板结僵硬，洪涝时土壤黏朽，蓄水保墒能力大幅退化[19-21]。土壤供肥、供水能力减弱，肥力下降，养分库容降低，中低产田面积增大，昔日肥沃的黑土俨然变为了“生态脆弱区”，致使干旱范围不断扩大，洪涝灾害发生频繁，灾害持续时间延长，粮食生产能力相应下降。

（3）施肥制度不合理

土壤养分消耗过多，耕作管理上普遍存在重用地、轻养地的现象[22]。化肥施用量呈逐年增加趋势，有机肥用量逐年减少，导致土壤理化性状恶化，土壤板结，栽培性差，大豆扎根困难[23]。并且导致土壤有机胶体功能、保水保肥和供水施肥能力明显降低[24]。有机质消耗大但补充少，导致土壤酸度增强，有效氮、速效钾、硼、钼等微量元素严重缺乏，进而致使大豆产量与质量下降。

康殿科[25]发现，通过测土施肥的方法替代传统施肥，可以降低土壤容重、提高田间持水量，并且对土壤有机质有一定的提升作用，并且对大豆的生长发育具有明显的促进作用，产量明显提高。Gurpreet等[26]研究发现，有机肥使用过少或基本不用，会造成土壤结构变差，土地肥力下降，氮、磷、钾比例失调，化肥效率递减。焦晓光等[27]发现，有机肥和无机肥配施可以促进大豆生长以及根系微生物的活动。长期施用有机肥可通过为土壤提供有机碳源的方式显著增加土壤有机碳库，说明有机-无机肥的配施可益于土壤有机质含量的提高。

3 土壤障碍对大豆产量及关键性状的影响

3.1 土壤障碍因素对大豆产量的影响

（1）耕作方式对大豆产量的影响

连作是指在同年或者连年在相同地块上连续耕种一种作物的种植方式。大豆在长期连作条件下会致使病虫草害加重，其中，大豆根腐病、大豆菌核病、大豆胞囊线虫及大豆根潜蝇等土传病虫害最为严重[28-30]。大豆连作会致使根系的代谢产物发生变化，其分泌产物及其残渣可为侵染病原提供丰富的营养条件及宿主条件，为根病虫害的寄生提供赖以生存的繁殖场所，进而促进病原菌的持续繁殖，持续加重下一茬的大豆病虫害。此外，根茬腐解物的积累可改变根际土壤的微生态环境，促进有害微生物的生长繁殖，对有益微生物（如固氮菌、根瘤菌等）造成反向影响，进一步影响大豆根际土壤微生物区系组成，抑制大豆生长，诱发大豆的连作障碍[31]。大豆连作中根际的有益细菌数量均低于大豆轮作[32]，在美国南部有研究发现，连作下大豆与玉米、小麦等作物都会使得土壤中大豆胞囊线虫种群密度更高[33]。

（2）机械对大豆产量的影响

降低大豆种子质量的因素之一是机械损伤。大豆种子非常脆弱，容易受到收获、加工、干燥和处理过程中发生的机械损伤[34]。Gao等[35]通过分析大豆种子内部机械损伤机理及其对种子萌发的影响，表明大豆种子内部机械损伤的萌发率低于10%，主要的内部损伤形式分为子叶断裂、子叶裂纹、胚根裂和下胚轴断裂，对大豆生产具有显著的潜在危害。Moreano等[36]通过评估田间风化和收获时机械损伤水平对贮藏期间大豆种子的影响，发现风化和机械损伤在贮藏过程中显著增加，3个品种的种子活力在初始水平上呈线性增长。乔金友等[37]探讨农业机械压实对土壤坚实度和产量的影响规律，发现土壤坚实度随压实次数增加而逐渐递增，而拖拉机压实均导致大豆产量降低。因此，合适的管理措施不会影响大豆的生长和产量。

（3）施肥和农药对大豆产量的影响

大豆具有与根瘤菌形成共生关系并固定大气氮的能力，大豆所固定的氮量从65～180 kg/hm2不等，这取决于土壤环境、氮的供应和氮磷的供应[38]。据Kadlcek和Cervinka[39]报道，作物生产系统的间接能源需求占总消耗量的90%以上，其中大部分能源使用与化肥施用和农用化学品有关。与对照相比，大豆—鹰嘴豆的耕作顺序下的肥料处理会消耗更多的能量，增加养分水平会降低能量利用效率和生产力[40]。然而，在Hons和Saladino[41]的调查中发现，施用氮肥和除草剂对大豆产量无显著影响，但施用杀虫剂可使大豆平均产量提高29%，氮肥与杀虫剂、除草剂和杀虫剂互作对大豆产量影响显著。一般来说，农药含有对活细胞有潜在毒性的分子，在大豆的农业生产中，其通常用于植物的种子、土壤和叶片，以防治病虫害，根据其特殊性，农药可对微生物、动物和植物细胞产生毒性[42-43]，威胁农业生态安全，直接或间接影响大豆的产量及品质。例如，土壤微生物长期暴露于农药中，会改变土壤中微生物的群落构成，甚至会影响土壤的生态功能，Anupama等[44]、Fox等[45]和Ahemad[46]发现氮肥和杀虫剂都会减少豆科植物的结瘤，进而影响豆科作物的产量。

3.2 土壤障碍因素对大豆关键性状的影响

（1）耕作方式对大豆性状的影响

耕作方式是影响大豆关键性状的关键因素之一。李春杰等[47]研究发现，秋季旋耕起垄和秋季深松旋耕起垄，大豆田间出苗率高于春季旋耕起垄和春季顶浆打垄，并且大豆生育后期地上地下干重、叶面积指数和根瘤重均好于春季整地。然而，耕作方式对大豆性状的影响很大程度上依赖于连作造成的土壤障碍。连作可以降低土壤的pH，使土壤从中性变为酸性，这有利于真菌的生长并抑制细菌和放线菌的繁殖，从而形成以真菌为主的土壤微生物群落，进而损害大豆根部[48]。大豆连作土壤中速效锰含量较高，但大豆植株对锰的吸收和积累在不同大豆连作年限和不同生育阶段均低于轮作。植物锰营养与植物不同生育阶段氮磷营养呈显著相关，植物锰营养与分枝期多酚氧化酶活性呈显著相关，植物的锰营养与盛花期和结荚期的产量显著相关[49]。

（2）肥料对大豆性状的影响

不同气候环境条件下肥料的配比模式对大豆的形成过程具有综合效应。其中，豆类的固氮作用和氮钾肥的协同作用非常重要。合理使用下，东北黑土区大豆单株荚数和单株种子数随着土壤中磷肥用量的增加而增加[50]。合理的有机—无机肥料配施能够对作物植株的茎、叶碳水化合物积累起到促进作用[51]，然而化肥的过量投入导致土壤环境恶化和土壤养分淋溶损失，仍会对大豆性状产生负面影响[50-51]。此外，不同肥料对大豆性状影响也有差异，Dong等[52]研究表明，施化肥和秸秆还田pH的下降幅度大于不施肥和施有机肥，进而影响大豆产量。

（3）其他因素对大豆性状的影响

大豆根系及地上部分的形态特征和生理活动会受到土壤含水量影响，干旱胁迫可通过影响植株体内的代谢过程导致大豆产量和品质的降低[53-54]。根系作为植株代谢重要器官，其形态和活性的变化很大程度影响作物对水分的吸收，进而影响整个植株的生长和发育。花荚期是大豆的关键需水期，干旱也会抑制花期的光合和生长，影响花荚的脱落，最终导致了产量下降[55-56]。土壤温度也是大豆发育的敏感因子之一，全球温度的持续攀升同样威胁农作物的生长，进而影响其产量以及品质[57]。此外，外源物质的添加也可能影响大豆的性状。比如，施加生物炭处理后大豆的干物质重可显著提升，但施加过量则会反向抑制大豆的生长[58]。Sheykhbaglou等[59]研究发现，纳米氧化铁在0.75 g/L的浓度下能提高叶片和荚果的干重，在用量为0.5 g/L时，籽粒产量最高，较对照增产48%，其他测量的性状不受铁纳米颗粒的影响。

4 黑土区大豆田土壤障碍消减及地力提升调控对策

近年来，有关大豆土壤障碍消减以及黑土地力提升的调控对策已成为黑土区农业生产上迫切需求的热点问题之一，阻碍了粮食生产和经济发展，目前生产上主要通过以下途径来达到缓解土壤障碍作用、提升黑土地力的目的。

4.1 注意品种选择，合理轮作间作

大豆在生长过程中，根系能够分泌出化感物质，这些化感物质可能会对大豆本身产生危害，造成土壤微生物区系失衡，抑制大豆生长，最终导致大豆产量降低[60]。此外，不同地区气候及地理条件往往会对大豆的产量造成影响。近年来，随着现代育种技术的发展，通过抗性品种克服大豆连作障碍导致的减产已成为一项重要措施。通过育种途径选择优良抗性品种，提高其对于化感物质的抗性、环境胁迫耐受性以及抗病能力，从整体上提高大豆的品质和产量[61-62]。

大豆的重茬增加了土壤土传病害的发生，降低了土壤中有效养分的转化，造成土壤肥力下降，是影响大豆产量和品质的最主要原因。在农业生产过程中合理的种植制度能够改善土壤环境质量，降低土壤病虫害发生程度，进而提高作物产量和品质[63-64]。轮作是指在同一块田地上，按照季节间或年间轮换种植不同品种作物的一种种植方式，是目前最为有效的防治大豆连作障碍的方式之一[65]。刘金波等[66]通过研究发现，长期连作导致大豆生长发育状态与轮作相比较差。有研究发现大豆—玉米轮作显著提高了土壤酶活性。此外，轮作还有助于提高土壤有机质含量、降低土壤病害发生概率、减少农药使用量，进而促进土地良性循环，减少甚至消除土壤障碍，促进作物生长。

除了可以采用轮作方式外，还可以采用间作方式消减土壤障碍。间作是指在同一地块同一时期内，按照不同的种植比例，分行或分带种植不同种类农作物的种植方式。通过间种套作，不仅能有效提高土壤的利用率，还能改善土壤的理化性质和渗透性，提高土壤肥力，增加作物抗性，减少土壤病虫害的发生，降低由于连作造成的土壤障碍问题，增加作物产量[67]。胡国彬等[68]通过田间小区试验研究发现，蚕豆与小麦间作能够增加蚕豆根际土壤中真菌群落多样性，显著降低土壤中致病菌数量，增加土壤酶活性，改变微生态环境，并最终提高了蚕豆产量，缓解了由于蚕豆连作产生的障碍问题。赵德强等[69]通过对比玉米—大豆间作系统与玉米单作模式下干物质量和产量的差异情况，发现间作提高了作物的干物质量，提高了土地利用率。

4.2 合理施用有机肥，促进障碍土壤地力提升

长期施用结构单一的化学肥料会导致土壤有机质含量下降、酸化土壤、破坏土壤结构、改变土壤团粒体结构稳定性，造成土壤障碍[70]。有机肥含有丰富的营养成分，不仅可以提高土壤的有机质含量，同时对于土壤理化性质、土壤肥力以及土壤微生物群落结构都具有改善和优化作用[71-73]。王笃超等[74]通过向长期连作大豆田中施用有机物料考察土壤养分变化情况，发现有机肥的添加提高了养分水平，降低了土传病害，维持了土壤健康。Wang等[75]研究发现，有机肥的使用能够改变土壤中真菌和细菌的群落组成，非致病性镰刀菌占据优势，而致病性尖孢镰刀菌、禾孢镰刀菌、黄萎病镰刀菌和红土镰刀菌的数量相对较少，表明有机肥的使用能够通过改变微生物群落组成从而抑制根腐病发生。通过盆栽实验，张静等[73]研究发现，向土壤中投加含有生防菌的生物有机肥，能够明显提高大豆红冠腐病的防治效果，土壤酶活性明显提高，大豆促生效果明显。长期定位试验研究结果表明，连续13 a施用有机肥，土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量显著增加，土壤容重改良效果明显，作物产量与化肥处理相比无明显差异。有机肥施用可以作为缓解东北黑土退化、研发肥沃耕层构建及侵蚀区土壤控蚀增肥理论、技术体系和示范应用模式基础，是提升土壤肥力的重要技术措施、实现大豆高产稳产的核心[76]。

4.3 科学使用菌剂和农药，综合防治土传病虫害

多年连续种植大豆可能会导致土壤中细菌数量下降、真菌数量增多，病原微生物能够分泌一些有毒物质，多年连作大豆根系也会向土壤中释放一些有害物质，抑制大豆生长[77]。这是大豆土壤连作障碍的又一主要原因[78]。生物防治是利用一种深生物（微生物）或其衍生物防治病虫害的方法。由于其成本低、效率高、无二次污染等特点而成为近年来研究领域的热点方向，同时也是治理连作障碍的有效措施之一。在防治过程中一方面可以加入拮抗微生物或通过添加化学药剂提高拮抗微生物活性，从而降低病原微生物数量；或者接种微生物分解土壤中的有害物质或通过竞争性抑制降低有害病原菌对植物根系的侵害，从而减少病虫害的发生。位小丫等[79]利用两株促生细菌（Bacillus subtilis和Burkholderia）研制微生物菌肥，考察田间条件下植物促生细菌缓解太子参连作障碍的效果。结果发现，生物菌剂的添加能够显著提高重茬太子参的产量，改善土壤真菌群落结构，提高土壤质量，减小连作病害对于作物产量和品质的影响。大豆根腐病是一种严重影响大豆产量和品质的土传病害。尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）是导致大豆根腐病的病原微生物之一，从大豆根际土壤分离得到的枯草芽孢杆菌HSY21能够显著抑制尖孢镰杆菌，减少大豆根腐病[80]。朱文静等[81]将生防菌 LSSC3（B.atrophaeus）和 SYST2（B.subtilis）作为种衣剂接种于具有病原菌的土壤中，发现两种处理能够明显提高大豆的发芽率以及株高、鲜重和根长。

此外还可以通过使用农药控制大豆病虫害，但农药的选择应尽量选择毒性小、残留期短、针对性强、对后茬作物无影响的。

4.4 农机农艺结合，提高土壤肥力，修复土壤侵蚀

土壤耕作制度是指围绕作物轮作制度所采取的一整套耕作措施，科学合理的土壤耕作能够为作物生长创造出良好的土壤环境。在耕作的过程中通常需要根据种植物的特点使用农业机器来建立良好的土壤耕层构造。把农机农艺相融合技术运用到大豆生产上，能够有效地控制大豆土壤障碍导致的减产问题。通过机械深翻等方法，以打破大豆根际原生长环境为目的，通过土壤耕作，形成新的根际生长环境，降低病虫害危害。通过减肥减药和大力发展有机农业技术等推动农业绿色生产，可以充分利用农业有机物料，创新性的黑土耕作层深松耕控蚀固土、节水保肥、科学节水灌溉等多项技术集成，构建土壤控蚀增肥技术体系。同时结合秸秆还田和有机肥施用等农艺措施，可以有效改善黑土耕层的气相和液相比例，提高土壤的透气性和持水性，改善土壤三相比例，促进大豆生长，改善土壤环境，提高土壤肥力，实现肥沃耕层构建目的[82]。

5 展望

大豆的连续重茬种植改变了土壤的物理化学性质、土壤酶活性以及土壤微生物群落结构，造成土壤中营养元素失衡、根系分泌化感自毒物质和土壤病虫害发生概率增加，最终导致土壤障碍和地力下降等问题。面对这些难题，相关专业的研究学者已经开展了一系列的研究，发现了产生土壤障碍和导致地力下降的各种因素，开发出一些对应的研究措施。但单一的应用或者简单地将集中措施叠加使用，并不能够彻底地克服土壤障碍，提升土壤地力。土壤障碍和地力下降是各种因素相互作用所导致的，应当进一步研究障碍因素之间的相互作用关系，识别出主要因素，结合大豆的品种、生长条件以及土壤性质的差异，将各项措施综合应用，互相搭配，相互完善，才能更有效地解决黑土区大豆田土壤障碍问题，恢复东北黑土区土壤质量，保障我国粮食安全，为可持续发展的实现提供重要支撑。