玉米—大豆輪作對(duì)土壤肥力及其產(chǎn)量影響的研究進(jìn)展

提俊陽(yáng)，張玉芹，楊恒山，張明偉

（內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043）

玉米為集糧、經(jīng)、飼為一體的耐連作作物，其用途廣，產(chǎn)量高，在我國(guó)連年大面積種植。玉米種植中需水需肥較多，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為達(dá)到高產(chǎn)目的，往往以施肥量定產(chǎn)量，大量施入化肥，并連年旋耕使土壤耕層逐年變淺，玉米長(zhǎng)期連作下導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，物理性狀?lèi)夯?，土壤養(yǎng)分失衡，同一耕層深度內(nèi)的單一養(yǎng)分過(guò)度消耗，出現(xiàn)缺肥和偏肥現(xiàn)象［1-3］。與此同時(shí)，土壤微生物自然平衡也遭到破壞，土壤酶活性降低，有害微生物迅速繁殖，土傳病蟲(chóng)害發(fā)生增多且逐年加劇，土壤緩沖和離子平衡能力減弱［4］。大豆為不耐連作作物，其連作會(huì)導(dǎo)致土壤內(nèi)致病細(xì)菌以及蟲(chóng)害加重，大豆植株生長(zhǎng)緩慢，莖葉及根系生長(zhǎng)均受到影響。有研究表明，大豆重茬減產(chǎn)15%～35%，迎茬減產(chǎn)8%～20%［5］。玉米—大豆輪作是解決玉米、大豆連作障礙的一項(xiàng)重要栽培措施，玉米—大豆輪作是指在同一塊耕地上，按季節(jié)有序地輪換種植玉米與大豆的一種種植模式，其普遍為大豆—玉米和大豆—玉米—玉米2種輪作種植模式。有研究表明，玉米—大豆輪作下土壤物理性狀得到明顯改善，主要表現(xiàn)為土壤容重降低、孔隙度提高、蓄水保墑能力增強(qiáng)［6］。有研究表明，玉米—大豆輪作下玉米、大豆產(chǎn)量顯著高于單一連作下玉米、大豆產(chǎn)量，其經(jīng)濟(jì)效益也顯著提高［7］。玉米—大豆輪作對(duì)提高耕地質(zhì)量、糧食產(chǎn)量作用明顯，開(kāi)展玉米—大豆輪作研究對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 玉米—大豆輪作對(duì)土壤理化特性的影響

1.1 玉米—大豆輪作對(duì)土壤物理性狀的影響

施肥方式、種植制度、輪作方式等都直接影響著土壤結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性。研究表明，玉米和大豆輪作對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定性和土壤容重有著較大的影響［8］。楊德光等［9］利用玉米—大豆輪作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究結(jié)果表明，玉米—大豆輪作能夠改善土壤物理結(jié)構(gòu)，有利于團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成、土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體的增加和土壤穩(wěn)定性的提高，土壤容重下降10%左右，土壤孔隙度上升8%左右。趙思騰等［10］試驗(yàn)表明，輪作與連作相比，土壤養(yǎng)分有一定程度的提高，玉米—大豆輪作可提高土壤團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何平均直徑的值，增加土壤的機(jī)械穩(wěn)定性。揚(yáng)陽(yáng)［11］通過(guò)研究不同種植模式下土壤團(tuán)聚體的形成和有機(jī)碳分布的影響，指出玉米—大豆輪作和間作能有效改善土壤團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性。土壤孔隙是土壤中水分參與生物循環(huán)和運(yùn)儲(chǔ)的重要區(qū)域，是決定土壤滲透性、地表產(chǎn)流量和田間持水量的重要因素。玉米—大豆輪作主要通過(guò)影響土壤團(tuán)聚體和其他土壤顆粒的排列情況、顆粒形狀及膠結(jié)程度進(jìn)而影響土壤孔隙度［12］。郭金瑞等［13］研究表明，相較于玉米連作，玉米—大豆輪作和大豆連作能顯著降低土壤容重，增加土壤總孔隙度（P＜0.05）；高盼等［14］研究表明，在0～10、20～30、30～40 cm土層玉米—大豆輪作處理土壤固相比相較于春玉米連作低5.28%、25.59%和10.26%，氣相比例在20～30 cm土層深度上升了16.52%，且液相占比也有所上升。相較于玉米連作處理，春玉米—大豆輪作處理土壤孔隙度在0～10 cm土層也有增加；大量研究表明，玉米—大豆輪作能夠改善土壤的緊實(shí)度與孔隙度，促使玉米、大豆根系的發(fā)育，提高根系活躍度和固持能力，提高作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收能力，對(duì)土壤蓄水能力和通氣性有所改善［15-18］。

1.2 玉米—大豆輪作對(duì)土壤化學(xué)性狀的影響

玉米—大豆輪作種植模式是目前東北玉米和大豆生產(chǎn)降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染的主要方式。禾谷類(lèi)作物玉米是虛根系作物，入土淺，大豆是直根系作物，入土深，能吸收土壤較深層的養(yǎng)分［19］。這2種作物輪作，使不同土層深度的養(yǎng)分能夠均衡利用，增產(chǎn)效果明顯。大豆可以通過(guò)根瘤固氮，增加土壤中的氮含量，部分遺留在土壤中供給后茬作物利用，從而減少下一季作物氮肥的施用量［20］。前人研究發(fā)現(xiàn)，玉米連作與玉米—大豆輪作處理在不同土層土壤有效磷差異不顯著，相較于玉米連作，0～10 cm土層玉米—大豆輪作的堿解氮含量提高21.68%［6］，不同種植方式下單施磷肥土壤全磷含量較不施肥顯著增加10.95%～61.76%、速效磷含量顯著增加3.42～12.65倍，其中，糧豆輪作增長(zhǎng)率最大。趙思騰等［21］在隴中旱作區(qū)不同玉米輪作模式對(duì)土壤碳、氮含量及土壤酶活性的影響試驗(yàn)中表明，相較于玉米連作，輪作下土壤全氮、堿解氮含量分別提高7.08%～20.35%和9.89%～37.52%，土壤有效磷、速效鉀含量有所提升，土壤有機(jī)碳含量提高13.14%～27.52%。臧逸飛等［22］研究表明，相較于連作，玉米與大豆輪作能夠增加作物殘茬的還田量，并提高表層土壤有機(jī)碳的含量，有利于提高土壤肥力。

2 玉米—大豆輪作對(duì)土壤微生物及酶活性的影響

玉米—大豆輪作模式主要通過(guò)輪作作物不同、根系分泌物及其殘茬不同、不同茬口相互交替改變了土壤的通透性和土壤結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤微生物的多樣性和酶活性有著顯著的影響［23-25］。土壤微生物群落及其多樣性在土壤呼吸、有機(jī)質(zhì)合成和分解以及養(yǎng)分循環(huán)中起著重要作用，是評(píng)價(jià)土壤優(yōu)劣的重要指標(biāo)［26-27］。有研究表明，在0～40 cm土層玉米—大豆輪作相較于大豆連作，土壤微生物總量、細(xì)菌占微生物總量均顯著提高，α-變形菌中根瘤菌和γ-變形菌群落豐度明顯增加［28］。丁俊男等［29］研究表明，玉米—大豆—大豆輪作顯著提高土壤微生物群落Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)、均勻度和Mcintosh指數(shù)，與玉米連作相比，土壤中β-葡萄糖苷酶、纖維素酶和脲酶活性顯著提高，硝酸還原酶活性提高42.11%。高洪軍等［30］研究表明，玉米—大豆輪作與玉米連作相比，提高了土壤中固氮酶nifB基因相對(duì)豐度，玉米—大豆輪作增加了細(xì)菌群落多樣性并且改變了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，主要提高了細(xì)菌門(mén)水平上Acidobacteria相對(duì)豐度，在細(xì)菌科水平上Rhizobiaceae相對(duì)豐度有所上升，降低了Sphingomonadaceae相對(duì)豐度。周嵐等［31］研究表明，高氮肥處理（100 kg·hm-2）下大豆連作及玉米—大豆輪作土壤細(xì)菌多樣性、豐富度有所降低，而高氮處理對(duì)玉米—大豆輪作細(xì)菌豐富度和多樣性變化影響較小。

土壤酶作為土壤中催化生理生化過(guò)程的重要物質(zhì)，能夠參與并促進(jìn)土壤內(nèi)的有機(jī)質(zhì)分解、氮素的硝化反硝化、養(yǎng)分循環(huán)等過(guò)程，與土壤肥力的形成密切相關(guān)［32］。于鎮(zhèn)華等［33］研究發(fā)現(xiàn)，大豆—玉米輪作條件下，蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶活性隨土層深度增加而降低，施化肥會(huì)導(dǎo)致各土層過(guò)氧化氫酶活性降低。張麗莉等［34］研究表明，輪作條件下土壤過(guò)氧化氫酶的催化能力強(qiáng)于連作處理，大豆、玉米和小麥連作土壤過(guò)氧化氫酶活性低于玉米—大豆輪作。戴建軍等［35］研究表明，玉米—大豆輪作相較于大豆連作降低了根際土壤多酚氧化酶和脲酶活性，玉米連作提高了過(guò)氧化氫酶活性而脲酶活性降低，大豆連作和玉米連作下土壤微生物量碳、氮均高于大豆—玉米輪作，3種種植方式下蔗糖酶活性無(wú)顯著差異。張廣娜等［36］在大豆連作與輪作對(duì)黑鈣土酶活性和動(dòng)力學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，相較于大豆連作，大豆—玉米輪作對(duì)酶活性的提高作用較大，大豆—玉米輪作全硫量降低幅度最大，顯著提高了土壤β-半乳糖苷酶、蛋白酶和β-葡糖苷酶的活性；大豆—玉米輪作β-葡糖苷酶和磷酸二酯酶的Km值顯著降低，蛋白酶、磷酸單酯酶和芳基硫酸酯酶的Vmax值顯著提高，并且磷酸單酯酶和磷酸二酯酶的Vmax·Km-1值也有所上升。趙月等［37］研究表明，不同生育期不同耕層厚度的玉米農(nóng)田土壤脲酶活性變化差異不明顯，不同耕層厚度下，玉米農(nóng)田土壤的根際土壤酶活性明顯高于非根際土壤。

3 玉米—大豆輪作對(duì)玉米、大豆產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響

目前，生產(chǎn)上均以化肥增產(chǎn)為主，施肥是保證玉米、大豆高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵性措施，久而久之造成土壤腐殖質(zhì)不斷下降，土壤板結(jié)，保水保肥能力下降。不利于玉米和大豆生長(zhǎng)發(fā)育。通過(guò)怎樣的施肥方法來(lái)提高玉米、大豆的產(chǎn)量，增加玉米—大豆輪作模式下肥料的綜合利用率，是輪作模式中需要解決的問(wèn)題。張陽(yáng)等［38］研究發(fā)現(xiàn)，在玉米—大豆輪作模式下，大豆茬減施50%氮肥和磷肥、在玉米茬增施50%大豆氮肥、減施50%磷肥的調(diào)控模式可提高大豆、玉米單季產(chǎn)量，顯著增加輪作周年籽粒量，相較于常規(guī)的施肥模式，玉米—大豆輪作模式下周年產(chǎn)量增幅可達(dá)10.05%，玉米—玉米—大豆輪作模式下周年產(chǎn)量增幅可達(dá)13.40%。張明聰?shù)龋?9］研究發(fā)現(xiàn)，玉米—大豆輪作模式下玉米實(shí)施增氮減磷處理與常規(guī)施肥相比，提高了玉米葉片SPAD值、葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，增加了乳熟期營(yíng)養(yǎng)器官和穗干重，顯著提高了玉米產(chǎn)量。李蕊等［40］分析了在玉米—大豆輪作模式下，不同施肥措施對(duì)大豆根系特征及其產(chǎn)量的影響。施用廄肥可通過(guò)提高表土層根的重量以及深土層根的長(zhǎng)度進(jìn)而提高大豆產(chǎn)量。在有機(jī)肥施用較頻繁的地區(qū)，玉米收獲后秋施有機(jī)肥15 t·hm-2，是降低生產(chǎn)成本、減少化肥施用、提高大豆產(chǎn)量以及環(huán)境負(fù)面影響的重要手段。綜上，玉米—大豆輪作對(duì)提高土壤養(yǎng)分供給能力、提高水肥利用效率作用明顯。

玉米—大豆輪作能夠使玉米的葉面積指數(shù)和葉綠素含量增大，地上部干物質(zhì)積累增多，從而提高玉米產(chǎn)量，且玉米株高、千粒重、每穗粒數(shù)等均有一定程度的提高［41-42］。由于玉米、大豆對(duì)養(yǎng)分的吸收規(guī)律不同，會(huì)導(dǎo)致土壤的養(yǎng)分積累特點(diǎn)和產(chǎn)出有所差異，玉米—大豆輪作模式對(duì)其產(chǎn)量的影響各不相同［43］。合理有效的玉米—大豆輪作能夠使得農(nóng)業(yè)產(chǎn)量增加5%～8%，陳海江等［44］對(duì)東北地區(qū)玉米—大豆輪作定位試驗(yàn)和農(nóng)戶調(diào)研分析結(jié)果表明，玉米—大豆輪作能有效提高玉米和大豆產(chǎn)量，減少玉米、大豆化肥農(nóng)藥的施用。并且與連作相比，輪作的大豆產(chǎn)量提高325.65 kg·hm-2，玉米產(chǎn)量提高803.81 kg·hm-2，節(jié)省大豆農(nóng)藥投入費(fèi)用42元·hm-2，節(jié)省玉米化肥投入量117 kg·hm-2。還有研究指出，玉米—大豆輪作對(duì)產(chǎn)量以及收益的增加不多，甚至有所虧損，高盼等［14］在玉米、大豆輪連作試驗(yàn)中對(duì)比得出，玉米連作產(chǎn)量為8 373 kg·hm-2，大豆輪作產(chǎn)量為2 881 kg·hm-2，以市面價(jià)格玉米1.4元·kg-1、大豆3.2元·kg-1進(jìn)行計(jì)算，玉米收益11 722.2元·hm-2，大豆收益9 219.2元·hm-2，連作收入明顯高于輪作。并且，玉米—大豆種植模式的經(jīng)濟(jì)效益除受到當(dāng)?shù)貎r(jià)格波動(dòng)的影響外，還與生產(chǎn)資料的投入、田間栽培管理等眾多因素相關(guān)，玉米—大豆種植模式的經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)從多方面考慮。

4 展望

玉米—大豆輪作作為我國(guó)兩大主糧可持續(xù)發(fā)展的重要種植模式，輪作中化肥利用效率問(wèn)題也應(yīng)作為輪作種植相關(guān)技術(shù)中的研究重點(diǎn)?；?，特別是氮肥的施用對(duì)中國(guó)糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有著舉足輕重的作用。在玉米—大豆輪作大豆根瘤固氮減少氮肥施用的前提下，進(jìn)一步提高氮肥的利用效率，深入研究2種作物前后茬之間根系對(duì)氮素的競(jìng)爭(zhēng)以及協(xié)同作用，是提高化肥利用效率的重要途徑。繼續(xù)探究玉米—大豆輪作的潛力，對(duì)減少化肥投入、優(yōu)化田間管理措施、減少成本、推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革具有重要意義。隨著糧食需求不斷擴(kuò)大，土地的逐年退化以及土傳病蟲(chóng)害的逐年加劇，造成我國(guó)糧食生產(chǎn)的穩(wěn)步增長(zhǎng)面臨重大問(wèn)題。對(duì)于我國(guó)主要糧食作物玉米和大豆連作生產(chǎn)中出現(xiàn)的一些重要問(wèn)題，開(kāi)展玉米—大豆輪作的長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)，用于探究玉米—大豆輪作中農(nóng)田生態(tài)問(wèn)題的一些形成機(jī)理，可以全面評(píng)價(jià)玉米—大豆輪作的單項(xiàng)效應(yīng)、復(fù)合效應(yīng)以及連續(xù)多年種植后的累加效應(yīng)和平均效應(yīng)，為響應(yīng)國(guó)家的玉米—大豆輪作及推廣種植后面臨的各種技術(shù)問(wèn)題以及生理機(jī)理方面的研究提供參考。