晉中市玉米/高粱-小麥-大豆高產模式下的土壤創建技術研究

楊婷婷 張海生 古曉紅 李方舟 王軍

摘? ? 要：玉米/高粱-小麥-大豆兩年三熟是山西省晉中盆地主要的傳統農作制度。近年來，該地的旋耕面積不斷增大，隨著深耕次數的減少，土壤上松下緊、容重增加、孔隙度下降，嚴重阻礙了作物根系的生長，影響作物水分與養分的吸收與利用，最終導致產量下降。因此，通過在晉中盆地玉米/高粱-小麥-大豆兩年三熟區進行種植模式培肥土壤試驗，分析不同種植模式對土壤養分及作物產量的影響，探求能夠快速培肥土壤、提高作物產量的種植模式，為該地區實現土壤肥力培育、探尋合理的種植模式提供理論依據和技術支撐。

關鍵詞：晉中;玉米;高粱;小麥;大豆;高產;土壤創建

文章編號： 1005-2690（2020）20-0002-04? ? ? ?中圖分類號： S565.1;S514;S512.1? ? ? ?文獻標志碼： B

土壤是一切作物生長的根本，土壤質量的高低直接影響作物的生長發育。近年來，由于大田農業單純追求產出利益，農民輕投入、重產出，導致農業生產中的農田土壤質量持續降低，主要表現在農民缺乏科學合理的土壤耕作制度作指導。山西省晉中兩年三熟區大田作物種植多采用“燒秸稈-旋耕-播種”和“秸稈粉碎還田-旋耕播種一體化”的耕種方式，使得大面積的耕地存在耕層變淺、犁底層上升、土壤理化性狀變差、保水保肥能力降低等一系列土壤生產能力降低的問題，嚴重阻礙糧食作物產量潛力的正常發揮。因此，如何建立適合農民生產需要的土壤耕作制度，達到改善土壤結構、增強土壤保水保肥能力、實現土壤持續高產穩產的目標，是當前面臨的主要問題。

良好的農田耕層結構可以協調土壤中的水分和養分狀況，為作物高產奠定良好的基礎[1];而適宜的耕作措施可以建立良好的農田耕層結構，有利于作物的生長發育和產量形成。土壤輪耕技術通過對翻耕、深松與免耕等土壤耕作措施的有機組合，可以揚長避短、有效改善土壤孔隙度和容重等重要理化性狀，調節土壤肥力，克服單一耕作方式帶來的不利影響，是用地養地相結合的農田生產技術[2]。通過對土壤耕作、秸稈粉碎還田、增施畜禽糞肥等技術相結合，研究出“高粱-小麥-大豆”的輪作模式，可以顯著提高耕層深度達23.65 cm，同時，0～20 cm土壤的有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均有顯著提高。研究結果證明，在生土農田上結合深耕、有機無機配施，種植高粱、大豆等先鋒作物可以達到快速培肥土壤的效果。

1? ?材料與方法

1.1? ?試驗地概況

試驗于2018—2019年進行，試驗地設在山西省農業科學院東陽基地，該地區屬于二年三熟區，平均日照時數2 662 h，年均氣溫10.1 ℃，極端最低氣溫-21.2 ℃，極端高溫37 ℃，>0 ℃積溫3 990 ℃;無霜期158 d;年均降水量395.8 mm，降水變率27%，6—9月份降水占全年降水的71%～75%;試驗地為石灰性褐土，質地中壤，pH值為6.9。

1.2? ?供試材料

供試大豆品種為晉豆19，高粱品種為晉雜12號，玉米品種為鑫豐盛966號，小麥品種為山農129號。

1.3? ?試驗設計

于2018年4月26日播種第一茬作物玉米，5月13日播種第一茬作物高粱，撒施腐熟有機肥（牛糞）4 m3/667 m2，隨播種條施硝酸磷復合肥600 kg/hm2，種植高粱密度120 000株/hm2、玉米密度67 500株/hm2。9月10日收獲第一茬作物，進行全田秸稈還田（玉米秸稈還田量為637.03 kg/667 m2，高粱秸稈還田量為1 097.94 kg/ 667 m2），分別撒施腐熟有機肥（牛糞）4 m3/ 667 m2，再進行分區深耕30 cm和旋耕15 cm作業，10月8日播種小麥，隨播種條施硝酸磷復合肥600 kg/hm2，小麥播量300 kg/hm2。6月2日收獲小麥后，小麥秸稈全部粉碎還田，深耕20～30 cm。于6月10日復播大豆，10月10日收獲測產。

1.4? ?樣品采集及分析方法

在小麥播種前、大豆復播前和大豆收獲后，分別在每個試驗處理區采集0～20 cm土樣，每處理采集3個樣品，分別裝袋并作標記，帶回室內分析其土壤有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀。同時在等距離采樣點附近采集3 m2小麥樣品（地上部），每處理采集10個樣方，分析小麥的產量。種植大豆的試驗處理，與小麥的采集方法相同。

有機質采用H2SO4- K2Cr2O7 外加熱法測定[3]，土壤全氮采用開氏定氮法測定[4]，堿解氮采用堿解擴散法測定[5-6]，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定[7-8]，速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定[9-10]。

2? ?結果與分析

2.1? ?不同耕作輪作模式對生土農田耕層的影響

不同耕作輪作模式對生土農田土壤耕層深度的影響見圖1。圖1顯示：第一茬玉米、高粱收獲后深耕和旋耕處理均較農民習慣耕層深度小，分別為20.5 cm和15.0 cm，兩者差異達顯著水平，這與生土農田耕層質地堅硬有關，也與實際田間操作相符，導致犁深達不到設計深度;第二茬小麥收獲后深耕和旋耕處理均較農民習慣耕層深度大，設計深耕深度為30 cm，旋耕深度為20 cm，田間調查深耕后耕層深度可達23.65 cm，旋耕后耕層深度可達16.35 cm。

2.2? ?不同耕作輪作模式對生土農田土壤養分的影響

（1）有機質：不同耕作輪作模式對生土農田0～20 cm土壤有機質的影響見圖2。圖2顯示：有機質的變化趨勢與全氮的變化趨勢一致。“玉米-小麥-大豆”模式和“高粱-小麥-大豆”模式均高于CK，0～20 cm土壤有機質含量增加幅度分別為13.45%和14.30%。

（2）全氮：不同耕作輪作模式對生土農田0～20 cm土壤全氮的影響見圖3。從圖3可以看出：無論是“玉米-小麥-大豆”模式還是“高粱-小麥-大豆”模式，表層土壤的全氮變化幅度均不明顯，統計分析顯示“玉米-小麥-大豆”模式和“高粱-小麥-大豆”模式的試驗處理與對照裸地處理比較，差異均達到顯著水平（P>0.05），但后者在一個輪作周期后，對0～20 cm耕層全氮的提高幅度大于前者，從而說明在該區域選用高粱為先鋒作物輪作，能明顯提高生土農田0～20 cm土壤的全氮含量，其中“高粱-小麥-大豆”模式0～20 cm土壤全氮含量增加幅度最高，為34.62%。

（3）堿解氮：不同耕作輪作模式對生土農田0～20 cm土壤堿解氮的影響見圖4。從圖4可以看出：“玉米-小麥-大豆”模式和“高粱-小麥-大豆”模式的試驗處理后二茬的堿解氮變化幅度小，但較第一茬的堿解氮增加幅度達8.70%。從而說明，在該區域選用“玉米-小麥-大豆”模式和“高粱-小麥-大豆”模式，均能明顯提高生土農田0～20 cm土壤堿解氮。其中“高粱-小麥-大豆”模式0～20 cm土壤堿解氮含量增加幅度最高，為18.64%。

（4）速效磷：不同耕作輪作模式對生土農田0～20 cm土壤速效磷的影響見圖5。圖5顯示：該區域的基礎耕層土壤速效磷含量較低，“玉米-小麥-大豆”模式和“高粱-小麥-大豆”模式的試驗處理后均比對照裸地處理的土壤速效磷含量高，統計分析顯示，差異達到顯著水平（P>0.05）。同時，“高粱-小麥-大豆”模式的試驗處理和“玉米-小麥-大豆”模式速效磷平均增幅分別為55.90%和70.50%。說明“高粱-小麥-大豆”模式較“玉米-小麥-大豆”模式提高生土農田耕層土壤速效磷的含量幅度大，“高粱-小麥-大豆”模式0～20 cm土壤速效磷含量增加幅度最高，為181.54%。

（5）速效鉀：不同耕作輪作模式對生土農田0～20 cm土壤速效鉀的影響見圖6。從圖6可以看出：“高粱-小麥-大豆”模式和“玉米-小麥-大豆”模式均能提高生土農田表層土壤速效鉀的含量，但“玉米-小麥-大豆”模式增加不顯著，“高粱-小麥-大豆”模式對土壤速效鉀含量的提高達顯著水平。說明“高粱-小麥-大豆”模式能顯著提高生土農田耕層土壤速效鉀的含量，“高粱-小麥-大豆”模式0～20 cm土壤速效鉀含量增加幅度最高，為29.36%。

2.3? ?不同耕作輪作模式對生土農田作物產量的影響

不同耕作輪作模式對生土農田小麥、大豆產量的影響見圖7。從圖7可以看出：“玉米-小麥-大豆”模式和“高粱-小麥-大豆”模式農田的小麥產量低于農民正常農田的產量，統計分析差異達顯著水平。但“高粱-小麥-大豆”模式的大豆產量與農民正常農田的產量差異不顯著，均高于“玉米-小麥-大豆”模式的大豆產量。

2.3? ?不同耕作輪作模式對生土農田的經濟效益分析

不同耕作輪作模式對生土農田的經濟效益分析見表1。表1顯示：“高粱-小麥-大豆”模式中高粱茬投入成本為835.00元/667 m2，產出效益為1 380.00元/667 m2，凈效益為545.00元/667 m2;小麥茬投入成本為880.00元/667 m2，產出效益為1 049.40元/667 m2，凈效益為169.40元/667 m2;大豆茬投入成本為450.00元/667 m2，產出效益為312.80元/667 m2，凈效益為-137.20元/667 m2;合計凈收益577.20元/667 m2。“玉米-小麥-大豆”模式中玉米茬的投入成本為890.00元/667 m2，產出效益為1 040.60元/667 m2，凈效益150.60元/667 m2;小麥茬投入成本900.00元/667 m2，產出效益994.40元/667 m2，凈效益94.40元/667 m2;大豆茬投入成本為450.00元/667 m2，產出效益為271.40元/667 m2，凈效益為-178.60元/667 m2;合計凈收益66.40元/667 m2。農民習慣“玉米+玉米”模式中第一茬玉米投入成本為665.00元/667 m2，產出效益為545.60元/667 m2，凈效益為-119.40元/667 m2;第二茬玉米投入成本525.00元/667 m2，產出效益為690.80元/667 m2，凈效益為165.80元/667 m2;合計凈收益46.40元/667 m2。

不同耕作輪作模式試驗處理的經濟效益相對農民習慣處理，“高粱-小麥-大豆”模式和“玉米-小麥-大豆”模式分別增收475.80元/667 m2、20.00元/667 m2。其中，以高粱茬的凈收益最高，達545.00元/667 m2，大豆茬的凈收益為負值，但考慮大豆是綠肥作物，可通過固氮機制有效提高土壤氮素。就其經濟效益而言，選用“高粱-小麥-大豆”模式可以達到快速培肥土壤的效果，又能滿足經濟收益提升的需求。

3? ?結論與討論

晉中盆地位于山西省中部，適合兩年三熟區大田作物種植，但是農作物連作的問題日益嚴重，長期連作使土壤的有機質含量下降、微生物活性降低，作物生長勢減弱、病害嚴重、產量下降，一定程度上影響了山西省農業的可持續發展。同時隨著農業機械化的不斷發展和人們環保意識的增強，秸稈直接還田技術的應用范圍也越來越廣，導致大面積耕地存在耕層變淺、犁底層上升、土壤理化性狀變差、保水保肥能力降低等一系列土壤生產能力降低問題，嚴重阻礙糧食作物產量潛力的正常發揮。

合理輪作可以有效改善土壤的耕層結構、調節土壤肥力，促進作物生長、實現高產，克服單一耕作方式帶來的不利影響。本研究結果顯示：采用“高粱/玉米-小麥-大豆”的種植模式，深耕后耕層深度可達23.65 cm，旋耕后耕層深度可達16.35 cm，能夠有效改善土壤的耕層結構，為作物的高產提供一定的有利條件，“高粱-小麥-大豆”種植模式下，0～20 cm土壤的有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均有顯著提高。因其基地土壤肥力低下，導致經過一個輪作周期后，耕層土壤的肥力指標增加幅度較大，增幅最小的是有機質，達14.30%;增幅最大的是速效磷，達181.54%，表明“高粱-小麥-大豆”種植模式比“玉米-小麥-大豆”種植模式和連作模式更加有利于土壤養分的積累。對于農民而言，產生更大的經濟效益是確定是否輪作的決定性因素，本研究表明，“高粱-小麥-大豆”模式和“玉米-小麥-大豆”模式分別增收475.80元/667 m2、20.00元/667 m2。可見，“高粱-小麥-大豆”模式在生土農田上結合深耕、有機無機配施，可以達到快速培肥土壤的目的，同時還能提升一定的經濟收益。若與山西省農業產業結構調整相結合，建立合理的農業種植結構，增強農民抵御風險的能力，可有效促進農民增收。

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