王 聪 孙继英 刘玲玲 邱广伟 汝甲荣 王怀鹏 孙旭红 唐春双

(1.黑龙江省农业科学院克山分院 黑龙江齐齐哈尔 161000；2.黑龙江省农垦科学院农作物开发研究所 黑龙江佳木斯 154007）

黑土土壤肥沃， 具有有机质含量高、 腐殖质深厚、团粒结构好、结构疏松等特点，适合作物生长[1]。克山县位于黑龙江省西北部， 地处世界三大黑土带之一的松嫩平原腹地。 近年来由于连作及不合理施肥方式等原因使黑土区在一定程度上发生了改变，出现了土壤有机质下降、 黑土层变薄和质量下降等问题[2]。 连作会降低农作物产量和品质，破坏土壤环境、降低土壤肥力[3]。 同时长期单施化肥会使土壤环境出现养分偏耗的现象， 有机肥中含有大量的有机碳，可以弥补长期单施化肥的不足[4-5]。 研究表明，进行玉米—大豆轮作， 作物产量平均每年比常年连作处理产量提高0.8%～4.5%[6-7]。 采用有机肥替代部分化肥的施肥方式， 能够协调肥料在土壤中的养分释放，满足作物生长发育各时期养分的均衡供给[8]。 本文作者通过探讨轮作体系中不同施肥方式下轮作对土壤理化性状的影响， 目的在于解决黑土土壤有机质含量下降、 土壤理化性状恶化等黑土质量退化问题，探索总结出适合本区域的作物施肥方式。 通过项目实施，确定合理的作物轮作施肥方式，在保证产量的同时，有效遏制黑土质量退化，实现黑土耕地资源可持续利用，为生产实践提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020-2021年在黑龙江省农业科学院克山分院试验地进行。 该试验区属于寒温带大陆性气候，年降水量634 mm，年平均气温2.9℃，年日照时数达1 774 h，无霜期163 d。 试验田土壤类型为黑土，弱酸性，其0～20 cm 土壤的基本理化性状见表1。

表1 供试土壤理化性状

1.2 试验材料

供试大豆品种为当地主栽品种克山1号， 玉米品种为当地主栽品种克玉23。 供试肥料： 商品有机肥，养分含量为碳含量28.36%、氮含量1.8%、磷含量0.43%、钾含量 1.22%；复合肥，养分含量 N、P2O5、K2O比例为26∶11∶11。

1.3 试验设计

试验设置9个处理： 玉米—大豆轮作， 不施肥（CK）；玉米—大豆轮作，1/3 有机肥替代（T1）；玉米—大豆轮作，常规施肥（T2）；大豆连作，不施肥（T3）；大豆连作，1/3 有机肥替代 （T4）； 大豆连作， 常规肥（T5）；玉米连作，不施肥（T6）；玉米连作，1/3 有机肥替代（T7）；玉米连作，常规肥（T8）。 具体种植及施肥情况见表2。 试验采取随机区组设计，每处理3 次重复，小区面积 78 m2（长 15 m，垄宽 0.65 m，每小区8 垄）。 玉米保苗密度 9 万株/hm2， 大豆保苗密度35 万株/hm2。 其他田间管理同生产田。

表2 试验处理

1.4 样品采集

每年于各作物收获后进行0～20 cm 土样采集，清除地表枯枝落叶后按每小区5个采样点法（“S”形布点）用土钻取土，将同一处理小区的土样去除根系残体及其他侵入体后混匀装袋， 经自然风干后研磨过筛备用。

1.5 测定项目及方法

1.5.1 土壤指标 碱解氮采用碱解扩散法进行测定[9]；速效磷采用NaHCO3浸提-钼睇抗吸光光度法进行测定[9]；速效钾采用NH4OAC 浸提-火焰光度法进行测定[9]；pH 采用电位法测定[9]；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定[10]。

1.5.2 产量指标 作物成熟后， 大豆试验区每个处理选取2 m2的大豆进行测产； 玉米试验区每个处理选取4 m2的玉米进行测产。

1.6 数据处理与分析

所得数据采用Microsoft Excel 2010 进行数据整理，采用SPSS 22.0 进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 施肥方式对土壤有机质含量的影响

由图1 可知，轮作体系中，在大豆种植年T1 处理较玉米种植年有机质含量上升了0.42 g/kg，CK 和T2 处理分 1 别下降了 0.04 g/kg、0.11 g/kg，这是由于施用有机肥可以提高土壤有机碳含量， 增加土壤有机质。在T1 处理条件下，2年试验土壤的有机质含量均显著高于CK 和T2 处理的土壤有机质含量。

图1 施肥方式对土壤有机质含量的影响

2.2 施肥方式对土壤pH 的影响

由图2 可知，轮作体系中，在玉米种植年T1 处理 pH 显著高于 CK 和 T2。 大豆种植年在 CK、T1 和T2 处理条件下， 土壤pH 较玉米种植年均呈下降趋势，这是由于大豆根系分泌酸性物质，增加了土壤的酸性。 不同处理下降程度不同，CK、T1 和 T2 豆茬土壤 pH 较玉米茬分别下降了 0.06、0.02 和 0.05；T1 处理条件下，下降程度较小。 说明有机肥替代化肥可以缓解土壤酸化，调节土壤酸碱平衡。

图2 施肥方式对土壤pH 的影响

2.3 施肥方式对土壤碱解氮的影响

由图3 可知，轮作体系中，大豆种植年较玉米种植年在CK、T1 和T2 处理下，碱解氮均呈下降趋势，但不同处理下降程度不同， 各处理分别下降了16.6%、13.5%、15.7%。其中，T1 条件下，下降程度最小。在T1条件下，大豆种植年碱解氮含量较高，分别高出CK、T2 的土壤碱解氮含量 4.80 mg/kg、6.16 mg/kg。 有机肥替代氮肥促进了豆科植物根瘤生长，使大豆根瘤数增加，导致大豆根瘤对土壤氮素的固定效果增强，因此大豆种植年的T1 处理碱解氮含量高于CK 和T2。

图3 施肥方式对土壤碱解氮的影响

2.4 施肥方式对土壤速效钾的影响

由图4 可知，轮作体系中，大豆种植年较玉米种植年在CK、T1 和T2 处理条件下，速效钾均呈下降趋势。其中，T2 处理下降最少，为 13.9%。CK 和 T1 处理分别下降了21.5%和19.6%。 T1 处理的玉米种植年，较CK、T2 处理的玉米种植年土壤速效钾含量高， 分别高 12.66 mg/kg、 4.44 mg/kg。 T1 处理的大豆种植年， 较 CK、 T2 的土壤速效钾分别高 15.33 mg/kg、6.11 mg/kg。

图4 施肥方式对土壤速效钾的影响

2.5 施肥方式对土壤速效磷的影响

由图5 可知，轮作体系中，在大豆种植年CK、T1和T2 处理条件下，较玉米种植年速效磷均呈下降趋势， 不同处理下降程度不同， 分别下降了28.8%、11.6%、14.8%。 大豆种植年土壤速效磷含量表现为T1＞T2＞CK， 玉米种植年土壤速效磷含量表现为T2＞T1＞CK。 大豆种植年在 T1 处理条件下，较 CK、T2 土壤速效磷含量较高，分别高7.6 mg/kg、0.69 mg/kg。

图5 施肥方式对土壤速效磷的影响

2.6 施肥方式对不同种植方式土壤理化性状的影响

由表3 可知，轮作体系中大豆种植年T1 土壤中碱解氮含量高于大豆连作的T3、T4、T5 三个肥料处理的土壤碱解氮含量。 大豆连作在T4 及T5 条件下，种植第2年土壤中速效磷含量显著高于其他处理，这是由于连作使有效磷的固定增大， 同时又增加肥料共同作用形成的结果。 玉米—大豆轮作，大豆种植年T1 和T2 处理条件下， 土壤中速效钾的含量显著高于其他处理。玉米—大豆轮作的CK、T1、T2 三个肥料处理，种植第2年土壤有机质含量均高于玉米连作的T6、T7、T8 三个肥料处理，原因是大豆生育期有根瘤菌作用，可以固定空气中游离的氮素，有恢复和提高地力的作用。 在玉米连作T7 和T8 处理条件下，种植第2年土壤pH 显著高于其他处理；在大豆连作T5 处理条件下，种植第2年土壤pH 显著低于其他处理， 这是由于大豆连作吸收了土壤中的盐基性营养元素，同时大豆根系产生酸性物质，造成土壤酸度提高。

表3 施肥方式对土壤理化性状的影响

2.7 施肥方式对作物产量的影响

由图6 可知，在轮作体系中，大豆种植年T1 处理产量高于其他2个处理，分别高于CK 333.6 kg/hm2、高于T2 150.2 kg/hm2。在连作条件下，大豆种植年T4 处理产量分别高于T3 317.8 kg/hm2、高于T5 178.8 kg/hm2。在2种种植方式下， 用有机肥替代部分化肥均能提高作物产量。 在施肥条件相同的条件下，CK、T1、T2产量分别高于 T3、T4、T5。 其中，T1 显著高于其他处理。 轮作可均衡利用土壤中的各种元素，防止养分片面消耗，同时有机肥的增加提高了土壤中的养分，二者共同促进产量的提高。

图6 施肥方式对轮作、连作产量的影响

2.8 产量及土壤理化性状相关性分析

对轮作2年作物产量及土壤理化性状指标平均值进行相关性分析。 由表4 可知， 作物产量与碱解氮、速效钾呈极显著正相关，与速效磷、有机质和pH均呈正相关。 通过土壤指标之间的相关性分析显示，有机质和pH 呈显著正相关，碱解氮与速效钾呈极显著正相关，速效磷与速效钾呈显著正相关，有效钾与有机质、pH 均呈正相关。 试验中土壤pH 均小于7，且pH 与产量呈正相关，说明偏中性的土壤较酸性土壤更有利于作物产量的提高。

表4 产量及土壤理化性状相关性分析

3 结论

本试验研究表明，在相同施肥条件下，大豆种植年轮作的各处理产量分别高于对应连作大豆种植年的各处理产量； 进行玉米—大豆轮作的土壤中碱解氮和速效钾含量高于玉米连作和大豆连作， 有机质含量高于玉米连作。 大豆连作体系中，种植第2年常规施肥处理的土壤有机质、 碱解氮及速效磷显著高于连作中其他处理；土壤pH 显著小于连作中其他处理。 玉米连作体系中，种植第2年常规施肥处理的土壤碱解氮和速效磷均高于连作中其他处理。

玉米—大豆轮作体系中，用1/3 有机肥替代部分化肥的处理，在玉米和大豆种植年土壤中pH 均高于施用全复合肥的处理，更趋近于中性；大豆种植年产量显著高于其他处理；大豆种植年土壤有机质含量显著高于施用全复合肥的处理且土壤中碱解氮、速效钾、速效磷含量均高于施用常规肥的处理。 综上可知，在轮作中施用有机肥替代部分化肥可使作物产量显著提高，同时提高土壤有机质含量，缓解土壤酸化，使土壤酸碱度保持平衡。 有机肥和化肥配施较单施化肥可增加土壤中碱解氮、速效钾和有效磷的含量，使土壤肥力保持较高水平，达到用地养地相结合的目的，以养地水平促进用地程度的增加，使作物不断增产。

4 讨论

施用有机肥能够改善土壤的理化性状， 前人研究表明，施用有机肥后，土壤中的速效磷、速效钾、碱解氮等土壤养分的含量会明显提升[11]，此结论与本试验结果相同。 土壤pH 是土壤的一项重要物理指标，施用有机肥可以改善土壤酸碱度， 在酸性土壤中使用有机肥可以提高土壤的pH，有机肥的使用能够使土壤的pH 趋向于中性，有利于植物的生长发育[12-13]。本试验轮作体系中，在有机肥替代部分化肥条件下，玉米种植年和大豆种植年中的土壤pH 较其他处理均更趋近于中性，与前人研究结果相同。 土壤有机质是衡量土壤肥力的一项重要指标， 本试验轮作体系中，大豆种植年土壤有机质含量显著高于其他处理，施用有机肥能够提高土壤中的有机质含量， 这与朱龙飞等[14]的研究结果相同，长期施用有机肥还会使土壤中的有机质维持在一个相对稳定的水平， 提高土壤质量。 在产量方面，试验中有机肥替代部分化肥条件下，大豆种植年产量显著高于其他处理，与孙炜等的研究结果相同[15]。 本试验中，大豆种植年较玉米种植年土壤中NPK 含量均有所下降，可能原因如下：①有机肥改善土壤肥力是长期过程，试验仅2年，时间太短，效果不明显；②2021年由于多雨的影响，土壤淋溶加大，养分流失较大；③玉米需肥量大，为保障产量，肥料用量远大于大豆用量。

综上所述，使用部分有机肥对无机肥进行替代，能够提供更加全面的养分，促进作物增产，同时改善土壤中碱解氮、速效磷、速效钾、有机质和pH 等理化性状，维持土壤养分的长期稳定发展。 探究有机肥对土壤和作物产量的影响是一个长期过程， 后续需增加不同有机肥用量的试验来确定适合本地区的最佳施肥方式。