我國大豆最佳施肥量和種植密度評價

呂繼龍，何 萍，徐新朋，魏 丹，仇少君，趙士誠*

（1.農業農村部植物營養與肥料重點實驗室，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所， 北京 100081；2.北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京 100097）

大豆是優質植物蛋白質和植物油的重要來源，由于其具有生物固氮能力，大豆也是輪作制度中培肥土壤的一種重要作物［1］。以大豆為原料的食品如豆腐、豆漿、醬油等已被開發出來供人類食用［2］，而榨油后的豆粕被用作動物飼料。除作為食品外，大豆在醫藥、塑料、紙張、油墨、油漆、農藥和化妝品生產等行業也有廣泛的用途［3］。

目前世界大豆總產量約為3.63億t［4］，但仍不能滿足世界日益增長的人口的需求。影響大豆高產的因素包括氣候條件、土壤特征、大豆品種、養分管理和栽培措施等［5］。不同氣候條件（如最低和最高溫度、有效積溫，日照時間和降雨等）影響作物的播種期、灌漿期和總生育期等，進而影響作物產量［6-7］。土壤特征能決定土壤養分供應能力，進而影響作物的生長和產量，因為作物生育期吸收的養分僅1/3來自肥料，其余2/3源自土壤［8］。氮磷鉀是作物生長和高產必需的營養元素［9-11］，平衡施肥在提高作物產量方面發揮了重要作用［12］。高的籽粒蛋白質含量導致大豆對氮素需求較大，適宜的氮肥用量能增強大豆的光合作用，提高單位面積大豆蛋白質、油分的產出量，進而提高大豆的產量。磷素參與大豆新器官的形成及籽粒蛋白質合成過程，也是大豆脂肪合成所必需的，同時在大豆植株內有機質的運輸與轉化中起重要作用［13］。磷素參與根瘤菌與大豆的結瘤共生過程，并直接參與共生過程中信號物質的生成和傳遞，施磷能夠有效提高豆科植物-根瘤菌結瘤共生［14-15］，同時能提高根瘤固氮酶的活性和根瘤固氮能力［16］。鉀素主要參與大豆植株內碳水化合物的運轉和增加莖稈強度，缺鉀會延長大豆的成熟期，降低大豆的品質和產量［17］。種植密度對大豆的高產至關重要，適宜的種植密度有利于提高大豆葉片的光能利用率，促進大豆對養分的吸收，提高大豆群體干物質的積累，進而提高大豆的產量［18］。

我國是世界上主要的大豆生產和消費國，但其大豆產量遠不能滿足本國的需求，每年需進口大豆（8～10）×107t［19］。大豆根據播種時期可分為春大豆和夏大豆，種植方式分為單作和輪作。春大豆種植主要集中在東北三省，主要是大豆單作；夏大豆的種植區域主要為華北平原和華南地區，主要為小麥-大豆輪作［20］。由于中國大豆單產較低（平均 1 773 kg/hm2）［20］，農民對大豆生產不夠重視，同時認為大豆能通過根瘤固氮，不需要再施用肥料。但是，生物固氮不能滿足大豆生育期的全部氮需求，特別在高產條件下。以往通過田間試驗對大豆施肥和種植密度進行大量研究，在土壤肥力和產量指標的基礎上提出了提高作物產量的施肥和栽培措施［21-22］。然而，這些試驗在單個田塊進行，其結果僅能反映此田塊最佳養分管理或密度，由于中國大豆產區氣候和土壤條件的變異較大，這些單個的試驗結果對于區域推廣應用不具有普遍性，需要根據這些零碎的研究結果歸納出適用于大區域范圍的管理措施，以便于推廣應用。因此，本研究收集了1998～2017年不同產區大豆的施肥量、種植密度、籽粒產量等試驗數據，分析了我國大豆主產區實現高產的最佳氮、磷、鉀肥用量和種植密度，以期為區域范圍內的大豆生產管理提供科學 依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究數據來源于國際植物營養研究所（IPNI）數據庫、大豆產業體系研究數據庫，以及中國知網（CNKI）期刊1998年至2017年發表的論文。使用以下關鍵詞查閱文獻：大豆、產量、密度、施肥量。本研究共包括748個試驗，數據中所涉及的試驗處理包括：“3414”平衡施肥、密度和施肥量、施氮量、施磷量、施鉀量試驗（表1）。試驗地點分布在我國大豆主產區（圖1），所有收集的數據均來自田間試驗，有明確的施肥量、密度以及產量數據，試驗所涉用大豆品種都是當地普遍種植的。

表1 收集大豆試驗的類型與數量

1.2 數據分析

圖1 所有大豆試驗點分布

根據播期將所收集的大豆數據分為夏大豆和春大豆（夏大豆6月初播種，春大豆4月末或5月初播種）進一步分析。研究排除了收獲指數小于0.4 kg/kg的數據［1］，以排除作物在生長季節受到非營養缺乏以外的非生物或生物脅迫。并采用各試驗中的最佳施肥處理（氮、磷、鉀用量根據推薦施用）的產量來研究20年內我國大豆的產量變化。大豆籽粒含水量校定為135 g/kg。用Excel軟件擬合不同氮、磷、鉀肥施用量和種植密度與產量的二次函數，確定最佳施肥量和種植密度。利用SPSS 19.0對影響產量的因素進行逐步回歸分析 （P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同大豆產區的土壤養分和種植密度

在東北春大豆產區，不同省份間土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均從小到大表現為遼寧<吉林<黑龍江（表2）。在夏大豆產區，土壤養分含量在不同省市沒有一致的變化趨勢，而且夏大豆產區的平均養分含量低于春大豆產區。

春大豆產區不同省份間的種植密度變化與土壤養分含量相似（表3）。在夏大豆產區，河南和山西省的種植密度高于其他省市。春大豆產區的平均密度（26.5萬株/hm2）高于夏大豆（21.1萬 株/hm2）。

2.2 大豆產量變化

從1998至2017年，春大豆和夏大豆的單位面積產量均逐步增加，且夏大豆產量的增加速率高于春大豆。在2009年以前，夏大豆的平均產量低于春大豆，而此后高于春大豆。夏大豆20年的平均產量（2 724 kg/hm2）高于春大豆（2 610 kg/hm2）（圖2）。夏大豆和春大豆的產量都主要集中在2 000～3 000 kg/hm2，分別占產量數據的46.4%和59.8%。其次是3 000～4 000 kg/hm2，分別占產量數據的31.4%和23.1%（圖 3）。

表2 不同大豆產區的土壤肥力（1998～2017年）

表3 不同區域的大豆種植密度 （萬株/hm2）

圖2 不同產區1998～2017年大豆產量變化

圖3 大豆產量數據在不同產量范圍的分布

2.3 大豆產量與施肥量關系

春、夏大豆的產量均隨施肥量的增加呈現先增加后下降趨勢（圖4）。根據施肥量和大豆產量擬合的二次方程，夏大豆在獲得最高產量時氮、磷、鉀肥用量分別為N 96 kg/hm2、P2O580 kg/hm2和 K2O 126 kg/hm2，對應的產量分別為3 038、2 801和2 305 kg/hm2。春大豆在獲得最高產量時氮、磷、鉀肥用量分別為N 71 kg/hm2、P2O5108 kg/hm2和 K2O 74 kg/hm2，對應的產量分別為2 932、2 834和2 678 kg/hm2。

2.4 密度與產量的關系

我國大豆生產中種植密度變化范圍較大 （8萬～80萬株/hm2），大豆產量隨著密度的增加呈先增加后減少趨勢（圖 5）。根據曲線可知，夏、春大豆的產量分別在27萬和34萬株/hm2時達最高，對應產量分別為2 936和2 791 kg/hm2。隨著種植密度的逐步增加，夏大豆的增產或減產速率高于春大豆，說明群體密度對夏大豆產量的影響高于春大豆。

圖4 大豆產量與氮磷鉀肥用量的關系

圖5 大豆種植密度與產量的關系

2.5 肥料用量、種植密度對大豆產量的影響

逐步回歸分析表明，密度對夏大豆產量的影響最大，其次是施磷量（表4）。對春大豆來說，施磷量對產量的影響最大，其次是施鉀量、施氮量和種植密度。然而，回歸曲線中密度的引入表明，在春大豆產區，磷肥和鉀肥在大豆高產方面起著重要作用，其次是種植密度。

表4 大豆產量與密度和施肥量的逐步回歸分析

3 討論

自1998年以來，由于大豆的品種改良、平衡施肥等農業技術的推廣，中國春、夏大豆產量均逐年增加。一般來說，同區域內作物產量與土壤肥力成正相關。夏大豆產區的土壤養分含量和種植密度均低于春大豆，而平均產量高于春大豆，說明不同區域間大豆產量的差異可能主要受氣候條件、種植密度和肥料投入等影響。大豆是短日照喜溫作物，對光溫反應比較敏感［23-24］。我國春大豆主要在東北地區，在大豆生長的早期和晚期溫度和降雨較低，而夏大豆產區生育期溫度和降雨量均較高，更加有利于大豆的生長和高產。各區種植的品種均在本地育成，適應當地的氣候條件，能充分利用本地氣候資源而實現高的產量。同時，華北和華南地區農田的化肥投入量顯著高于東北地區［25］，高的養分投入可彌補土壤養分的不足。本研究中的平均產量數據可能被高估，因為這些數據均來自大豆主產區試驗田，試驗田的肥料施用配比合理，密度適宜，田間管理也較精細，有利于作物高產，而實際大豆生產中肥料施用不足及養分不平衡、種植密度過低、管理粗放等問題廣泛存在。

氮磷鉀的合理配施是決定大豆高產的關鍵因 素［26-27］。本研究表明，實現夏大豆高產的最佳氮、磷、鉀施用量分別為N 96 kg/hm2、P2O580 kg/hm2、K2O 126 kg/hm2，春大豆的最佳氮、磷、鉀施用量分別為N 71 kg/hm2、P2O5108 kg/hm2、K2O 74 kg/hm2。最高產量下夏大豆的最佳氮肥、鉀肥用量均高于春大豆，因為夏大豆獲得高產對養分需求更多，低的土壤養分供應下需要較多的肥料投入才可滿足其養分需求。我國大部分地區土壤磷盈余，且東北地區土壤磷含量高于中北部［28-29］，但由于東北地區春季氣溫低，降低了土壤磷有效性，不能滿足大豆早期生長發育對磷的需求。為滿足大豆磷素需求，人們增加了磷肥用量，因而導致計算的春大豆最佳磷肥施用量高于夏大 豆［30-31］。因此在東北地區早春季如何激活和充分利用土壤磷也是一個重要的節肥增效的研究方向。春大豆的最佳密度高于夏大豆，因為作物的最佳密度是由品種、當地氣候和環境條件等因素決定的。大豆密植可以提高光能的截留和利用，提高大豆產量。東北地區春季氣溫和年有效積溫較低，要提高種植密度，充分利用光熱資源，才能獲得高產。

回歸分析顯示，磷肥和密度對春、夏大豆的高產影響較大，同時鉀肥對春大豆產量影響較顯著。因為磷是合成大豆籽粒蛋白質和脂肪的重要元素，并且磷素可以促進根瘤的形成、發育和對大氣氮的固定、氨的轉化以及氨基酸的形成［32-33］，磷肥還能促進大豆對氮和鉀肥的吸收［34］。在春大豆區，低溫影響土壤磷活性也是重要原因。東北地區土壤鉀素含量高于華北地區，而鉀肥用量與春大豆產量的相關性高于華北夏大豆。因為華北夏大豆區多為石灰性土壤，土壤鉀豐富，同時已普及的作物秸稈還田可返回土壤大量的鉀素。而東北地區溫度低，秸稈降解慢，秸稈還田很難推廣，大豆吸收的鉀主要依靠肥料投入。適宜的密度能增加單位面積內大豆光合量，養分的吸收量，進而提高大豆產量［35］。華北地區大豆多為小麥后直播，全量小麥秸稈還田會影響大豆播種質量和出苗率，實際生產中存在密度過低現象［36］，因此種植密度對大豆產量影響顯著。在春、夏大豆產區，回歸方程中均沒有引入氮肥，可能因為土壤氮素供應較高，大豆生物固氮提供了大部分氮素供應，降低了對肥料氮的依賴。

中國的農業生產主要以分散的家庭生產為主，田塊間的土壤質地和肥力變異較大，一個固定的施肥量和種植密度不一定能在所有區域全部適合，根據單個田塊確定適宜的施肥量和種植密度更不現實。我們可以參照“大配方，小調整”［37-38］的思路結合不同區域的特征對施肥量和種植密度進行微調，以實現大豆的高產高效。

4 結論

我國的大豆產量自1998年以來逐年增加，夏大豆平均產量高于春大豆。實現夏大豆高產的最佳氮、磷、鉀肥用量分別為N 96 kg/hm2、P2O580 kg/hm2、K2O 126 kg/hm2，春大豆高產的最佳氮、磷、鉀肥用量分別為N 71 kg/hm2、P2O5108 kg/hm2、K2O 74 kg/hm2。夏、春大豆高產的最適密度分別為 27萬和34萬株/hm2。種植密度是大豆高產的關鍵因素，春、夏大豆區域均需要增加種植密度去實現高產，同時應該注重磷肥施用。