杨婷婷 张海生 古晓红 李方舟 王军

摘    要：玉米/高粱-小麦-大豆两年三熟是山西省晋中盆地主要的传统农作制度。近年来，该地的旋耕面积不断增大，随着深耕次数的减少，土壤上松下紧、容重增加、孔隙度下降，严重阻碍了作物根系的生长，影响作物水分与养分的吸收与利用，最终导致产量下降。因此，通过在晋中盆地玉米/高粱-小麦-大豆两年三熟区进行种植模式培肥土壤试验，分析不同种植模式对土壤养分及作物产量的影响，探求能够快速培肥土壤、提高作物产量的种植模式，为该地区实现土壤肥力培育、探寻合理的种植模式提供理论依据和技术支撑。

关键词：晋中;玉米;高粱;小麦;大豆;高产;土壤创建

文章编号： 1005-2690（2020）20-0002-04       中图分类号： S565.1;S514;S512.1       文献标志码： B

土壤是一切作物生长的根本，土壤质量的高低直接影响作物的生长发育。近年来，由于大田农业单纯追求产出利益，农民轻投入、重产出，导致农业生产中的农田土壤质量持续降低，主要表现在农民缺乏科学合理的土壤耕作制度作指导。山西省晋中两年三熟区大田作物种植多采用“烧秸秆-旋耕-播种”和“秸秆粉碎还田-旋耕播种一体化”的耕种方式，使得大面积的耕地存在耕层变浅、犁底层上升、土壤理化性状变差、保水保肥能力降低等一系列土壤生产能力降低的问题，严重阻碍粮食作物产量潜力的正常发挥。因此，如何建立适合农民生产需要的土壤耕作制度，达到改善土壤结构、增强土壤保水保肥能力、实现土壤持续高产稳产的目标，是当前面临的主要问题。

良好的农田耕层结构可以协调土壤中的水分和养分状况，为作物高产奠定良好的基础[1];而适宜的耕作措施可以建立良好的农田耕层结构，有利于作物的生长发育和产量形成。土壤轮耕技术通过对翻耕、深松与免耕等土壤耕作措施的有机组合，可以扬长避短、有效改善土壤孔隙度和容重等重要理化性状，调节土壤肥力，克服单一耕作方式带来的不利影响，是用地养地相结合的农田生产技术[2]。通过对土壤耕作、秸秆粉碎还田、增施畜禽粪肥等技术相结合，研究出“高粱-小麦-大豆”的轮作模式，可以显著提高耕层深度达23.65 cm，同时，0～20 cm土壤的有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量均有显著提高。研究结果证明，在生土农田上结合深耕、有机无机配施，种植高粱、大豆等先锋作物可以达到快速培肥土壤的效果。

1   材料与方法

1.1   试验地概况

试验于2018—2019年进行，试验地设在山西省农业科学院东阳基地，该地区属于二年三熟区，平均日照时数2 662 h，年均气温10.1 ℃，极端最低气温-21.2 ℃，极端高温37 ℃，>0 ℃积温3 990 ℃;无霜期158 d;年均降水量395.8 mm，降水变率27%，6—9月份降水占全年降水的71%～75%;试验地为石灰性褐土，质地中壤，pH值为6.9。

1.2   供试材料

供试大豆品种为晋豆19，高粱品种为晋杂12号，玉米品种为鑫丰盛966号，小麦品种为山农129号。

1.3   试验设计

于2018年4月26日播种第一茬作物玉米，5月13日播种第一茬作物高粱，撒施腐熟有机肥（牛粪）4 m3/667 m2，随播种条施硝酸磷复合肥600 kg/hm2，种植高粱密度120 000株/hm2、玉米密度67 500株/hm2。9月10日收获第一茬作物，进行全田秸秆还田（玉米秸秆还田量为637.03 kg/667 m2，高粱秸秆还田量为1 097.94 kg/ 667 m2），分别撒施腐熟有机肥（牛粪）4 m3/ 667 m2，再进行分区深耕30 cm和旋耕15 cm作业，10月8日播种小麦，随播种条施硝酸磷复合肥600 kg/hm2，小麦播量300 kg/hm2。6月2日收获小麦后，小麦秸秆全部粉碎还田，深耕20～30 cm。于6月10日复播大豆，10月10日收获测产。

1.4   样品采集及分析方法

在小麦播种前、大豆复播前和大豆收获后，分别在每个试验处理区采集0～20 cm土样，每处理采集3个样品，分别装袋并作标记，带回室内分析其土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾。同时在等距离采样点附近采集3 m2小麦样品（地上部），每处理采集10个样方，分析小麦的产量。种植大豆的试验处理，与小麦的采集方法相同。

有机质采用H2SO4- K2Cr2O7 外加熱法测定[3]，土壤全氮采用开氏定氮法测定[4]，碱解氮采用碱解扩散法测定[5-6]，速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定[7-8]，速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定[9-10]。

2   结果与分析

2.1   不同耕作轮作模式对生土农田耕层的影响

不同耕作轮作模式对生土农田土壤耕层深度的影响见图1。图1显示：第一茬玉米、高粱收获后深耕和旋耕处理均较农民习惯耕层深度小，分别为20.5 cm和15.0 cm，两者差异达显著水平，这与生土农田耕层质地坚硬有关，也与实际田间操作相符，导致犁深达不到设计深度;第二茬小麦收获后深耕和旋耕处理均较农民习惯耕层深度大，设计深耕深度为30 cm，旋耕深度为20 cm，田间调查深耕后耕层深度可达23.65 cm，旋耕后耕层深度可达16.35 cm。

2.2   不同耕作轮作模式对生土农田土壤养分的影响

（1）有机质：不同耕作轮作模式对生土农田0～20 cm土壤有机质的影响见图2。图2显示：有机质的变化趋势与全氮的变化趋势一致。“玉米-小麦-大豆”模式和“高粱-小麦-大豆”模式均高于CK，0～20 cm土壤有机质含量增加幅度分别为13.45%和14.30%。

（2）全氮：不同耕作轮作模式对生土农田0～20 cm土壤全氮的影响见图3。从图3可以看出：无论是“玉米-小麦-大豆”模式还是“高粱-小麦-大豆”模式，表层土壤的全氮变化幅度均不明显，统计分析显示“玉米-小麦-大豆”模式和“高粱-小麦-大豆”模式的试验处理与对照裸地处理比较，差异均达到显著水平（P>0.05），但后者在一个轮作周期后，对0～20 cm耕层全氮的提高幅度大于前者，从而说明在该区域选用高粱为先锋作物轮作，能明显提高生土农田0～20 cm土壤的全氮含量，其中“高粱-小麦-大豆”模式0～20 cm土壤全氮含量增加幅度最高，为34.62%。

（3）碱解氮：不同耕作轮作模式对生土农田0～20 cm土壤碱解氮的影响见图4。从图4可以看出：“玉米-小麦-大豆”模式和“高粱-小麦-大豆”模式的试验处理后二茬的碱解氮变化幅度小，但较第一茬的碱解氮增加幅度达8.70%。从而说明，在该区域选用“玉米-小麦-大豆”模式和“高粱-小麦-大豆”模式，均能明显提高生土农田0～20 cm土壤碱解氮。其中“高粱-小麦-大豆”模式0～20 cm土壤碱解氮含量增加幅度最高，为18.64%。

（4）速效磷：不同耕作轮作模式对生土农田0～20 cm土壤速效磷的影响见图5。图5显示：该区域的基础耕层土壤速效磷含量较低，“玉米-小麦-大豆”模式和“高粱-小麦-大豆”模式的试验处理后均比对照裸地处理的土壤速效磷含量高，统计分析显示，差异达到显著水平（P>0.05）。同时，“高粱-小麦-大豆”模式的试验处理和“玉米-小麦-大豆”模式速效磷平均增幅分别为55.90%和70.50%。说明“高粱-小麦-大豆”模式较“玉米-小麦-大豆”模式提高生土农田耕层土壤速效磷的含量幅度大，“高粱-小麦-大豆”模式0～20 cm土壤速效磷含量增加幅度最高，为181.54%。

（5）速效钾：不同耕作轮作模式对生土农田0～20 cm土壤速效钾的影响见图6。从图6可以看出：“高粱-小麦-大豆”模式和“玉米-小麦-大豆”模式均能提高生土农田表层土壤速效钾的含量，但“玉米-小麦-大豆”模式增加不显著，“高粱-小麦-大豆”模式对土壤速效钾含量的提高达显著水平。说明“高粱-小麦-大豆”模式能显著提高生土农田耕层土壤速效钾的含量，“高粱-小麦-大豆”模式0～20 cm土壤速效钾含量增加幅度最高，为29.36%。

2.3   不同耕作轮作模式对生土农田作物产量的影响

不同耕作轮作模式对生土农田小麦、大豆产量的影响见图7。从图7可以看出：“玉米-小麦-大豆”模式和“高粱-小麦-大豆”模式农田的小麦产量低于农民正常农田的产量，统计分析差异达显著水平。但“高粱-小麦-大豆”模式的大豆产量与农民正常农田的产量差异不显著，均高于“玉米-小麦-大豆”模式的大豆产量。

2.3   不同耕作轮作模式对生土农田的经济效益分析

不同耕作轮作模式对生土农田的经济效益分析见表1。表1显示：“高粱-小麦-大豆”模式中高粱茬投入成本为835.00元/667 m2，产出效益为1 380.00元/667 m2，净效益为545.00元/667 m2;小麦茬投入成本为880.00元/667 m2，产出效益为1 049.40元/667 m2，净效益为169.40元/667 m2;大豆茬投入成本为450.00元/667 m2，产出效益为312.80元/667 m2，净效益为-137.20元/667 m2;合计净收益577.20元/667 m2。“玉米-小麦-大豆”模式中玉米茬的投入成本为890.00元/667 m2，产出效益为1 040.60元/667 m2，净效益150.60元/667 m2;小麦茬投入成本900.00元/667 m2，产出效益994.40元/667 m2，净效益94.40元/667 m2;大豆茬投入成本为450.00元/667 m2，产出效益为271.40元/667 m2，净效益为-178.60元/667 m2;合计净收益66.40元/667 m2。农民习惯“玉米+玉米”模式中第一茬玉米投入成本为665.00元/667 m2，产出效益为545.60元/667 m2，净效益为-119.40元/667 m2;第二茬玉米投入成本525.00元/667 m2，产出效益为690.80元/667 m2，净效益为165.80元/667 m2;合计净收益46.40元/667 m2。

不同耕作轮作模式试验处理的经济效益相对农民习惯处理，“高粱-小麦-大豆”模式和“玉米-小麦-大豆”模式分别增收475.80元/667 m2、20.00元/667 m2。其中，以高粱茬的净收益最高，达545.00元/667 m2，大豆茬的净收益为负值，但考虑大豆是绿肥作物，可通过固氮机制有效提高土壤氮素。就其经济效益而言，选用“高粱-小麦-大豆”模式可以达到快速培肥土壤的效果，又能满足经济收益提升的需求。

3   结论与讨论

晋中盆地位于山西省中部，适合两年三熟区大田作物种植，但是农作物连作的问题日益严重，长期连作使土壤的有机质含量下降、微生物活性降低，作物生长势减弱、病害严重、产量下降，一定程度上影响了山西省农业的可持续发展。同时随着农业机械化的不断发展和人们环保意识的增强，秸秆直接还田技术的应用范围也越来越广，导致大面积耕地存在耕层变浅、犁底层上升、土壤理化性状变差、保水保肥能力降低等一系列土壤生产能力降低问题，严重阻碍粮食作物产量潜力的正常发挥。

合理轮作可以有效改善土壤的耕层结构、调节土壤肥力，促进作物生长、实现高产，克服单一耕作方式带来的不利影响。本研究结果显示：采用“高粱/玉米-小麦-大豆”的种植模式，深耕后耕层深度可达23.65 cm，旋耕后耕层深度可达16.35 cm，能够有效改善土壤的耕层结构，为作物的高产提供一定的有利条件，“高粱-小麦-大豆”种植模式下，0～20 cm土壤的有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量均有显著提高。因其基地土壤肥力低下，导致经过一个轮作周期后，耕层土壤的肥力指标增加幅度较大，增幅最小的是有机质，达14.30%;增幅最大的是速效磷，达181.54%，表明“高粱-小麦-大豆”种植模式比“玉米-小麦-大豆”种植模式和连作模式更加有利于土壤养分的积累。对于农民而言，产生更大的经济效益是确定是否轮作的决定性因素，本研究表明，“高粱-小麥-大豆”模式和“玉米-小麦-大豆”模式分别增收475.80元/667 m2、20.00元/667 m2。可见，“高粱-小麦-大豆”模式在生土农田上结合深耕、有机无机配施，可以达到快速培肥土壤的目的，同时还能提升一定的经济收益。若与山西省农业产业结构调整相结合，建立合理的农业种植结构，增强农民抵御风险的能力，可有效促进农民增收。

参考文献：

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