玉米—大豆輪作對土壤肥力及其產量影響的研究進展

提俊陽，張玉芹，楊恒山，張明偉

（內蒙古民族大學 農學院，內蒙古 通遼 028043）

玉米為集糧、經、飼為一體的耐連作作物，其用途廣，產量高，在我國連年大面積種植。玉米種植中需水需肥較多，在農業生產中為達到高產目的，往往以施肥量定產量，大量施入化肥，并連年旋耕使土壤耕層逐年變淺，玉米長期連作下導致土壤有機質含量降低，物理性狀惡化，土壤養分失衡，同一耕層深度內的單一養分過度消耗，出現缺肥和偏肥現象［1-3］。與此同時，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，土傳病蟲害發生增多且逐年加劇，土壤緩沖和離子平衡能力減弱［4］。大豆為不耐連作作物，其連作會導致土壤內致病細菌以及蟲害加重，大豆植株生長緩慢，莖葉及根系生長均受到影響。有研究表明，大豆重茬減產15%～35%，迎茬減產8%～20%［5］。玉米—大豆輪作是解決玉米、大豆連作障礙的一項重要栽培措施，玉米—大豆輪作是指在同一塊耕地上，按季節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，主要表現為土壤容重降低、孔隙度提高、蓄水保墑能力增強［6］。有研究表明，玉米—大豆輪作下玉米、大豆產量顯著高于單一連作下玉米、大豆產量，其經濟效益也顯著提高［7］。玉米—大豆輪作對提高耕地質量、糧食產量作用明顯，開展玉米—大豆輪作研究對農業可持續發展具有重要意義。

1 玉米—大豆輪作對土壤理化特性的影響

1.1 玉米—大豆輪作對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構及其穩定性。研究表明，玉米和大豆輪作對土壤團聚體的形成及穩定性和土壤容重有著較大的影響［8］。楊德光等［9］利用玉米—大豆輪作長期定位試驗研究結果表明，玉米—大豆輪作能夠改善土壤物理結構，有利于團聚體結構的形成、土壤中水穩性團聚體的增加和土壤穩定性的提高，土壤容重下降10%左右，土壤孔隙度上升8%左右。趙思騰等［10］試驗表明，輪作與連作相比，土壤養分有一定程度的提高，玉米—大豆輪作可提高土壤團聚體平均重量直徑和幾何平均直徑的值，增加土壤的機械穩定性。揚陽［11］通過研究不同種植模式下土壤團聚體的形成和有機碳分布的影響，指出玉米—大豆輪作和間作能有效改善土壤團聚體的機械穩定性。土壤孔隙是土壤中水分參與生物循環和運儲的重要區域，是決定土壤滲透性、地表產流量和田間持水量的重要因素。玉米—大豆輪作主要通過影響土壤團聚體和其他土壤顆粒的排列情況、顆粒形狀及膠結程度進而影響土壤孔隙度［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度與孔隙度，促使玉米、大豆根系的發育，提高根系活躍度和固持能力，提高作物對土壤養分的吸收能力，對土壤蓄水能力和通氣性有所改善［15-18］。

1.2 玉米—大豆輪作對土壤化學性狀的影響

玉米—大豆輪作種植模式是目前東北玉米和大豆生產降低生產成本、減少環境污染的主要方式。禾谷類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分［19］。這2種作物輪作，使不同土層深度的養分能夠均衡利用，增產效果明顯。大豆可以通過根瘤固氮，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］。前人研究發現，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，糧豆輪作增長率最大。趙思騰等［21］在隴中旱作區不同玉米輪作模式對土壤碳、氮含量及土壤酶活性的影響試驗中表明，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碳的含量，有利于提高土壤肥力。

2 玉米—大豆輪作對土壤微生物及酶活性的影響

玉米—大豆輪作模式主要通過輪作作物不同、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構，對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、有機質合成和分解以及養分循環中起著重要作用，是評價土壤優劣的重要指標［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、Simpson指數、均勻度和Mcintosh指數，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基因相對豐度，玉米—大豆輪作增加了細菌群落多樣性并且改變了細菌群落結構，主要提高了細菌門水平上Acidobacteria相對豐度，在細菌科水平上Rhizobiaceae相對豐度有所上升，降低了Sphingomonadaceae相對豐度。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—大豆輪作土壤細菌多樣性、豐富度有所降低，而高氮處理對玉米—大豆輪作細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程的重要物質，能夠參與并促進土壤內的有機質分解、氮素的硝化反硝化、養分循環等過程，與土壤肥力的形成密切相關［32］。于鎮華等［33］研究發現，大豆—玉米輪作條件下，蔗糖酶、過氧化氫酶活性隨土層深度增加而降低，施化肥會導致各土層過氧化氫酶活性降低。張麗莉等［34］研究表明，輪作條件下土壤過氧化氫酶的催化能力強于連作處理，大豆、玉米和小麥連作土壤過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顯著差異。張廣娜等［36］在大豆連作與輪作對黑鈣土酶活性和動力學研究中發現，相較于大豆連作，大豆—玉米輪作對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田土壤脲酶活性變化差異不明顯，不同耕層厚度下，玉米農田土壤的根際土壤酶活性明顯高于非根際土壤。

3 玉米—大豆輪作對玉米、大豆產量及經濟效益的影響

目前，生產上均以化肥增產為主，施肥是保證玉米、大豆高產穩產的關鍵性措施，久而久之造成土壤腐殖質不斷下降，土壤板結，保水保肥能力下降。不利于玉米和大豆生長發育。通過怎樣的施肥方法來提高玉米、大豆的產量，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題。張陽等［38］研究發現，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%磷肥的調控模式可提高大豆、玉米單季產量，顯著增加輪作周年籽粒量，相較于常規的施肥模式，玉米—大豆輪作模式下周年產量增幅可達10.05%，玉米—玉米—大豆輪作模式下周年產量增幅可達13.40%。張明聰等［39］研究發現，玉米—大豆輪作模式下玉米實施增氮減磷處理與常規施肥相比，提高了玉米葉片SPAD值、葉片的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率，增加了乳熟期營養器官和穗干重，顯著提高了玉米產量。李蕊等［40］分析了在玉米—大豆輪作模式下，不同施肥措施對大豆根系特征及其產量的影響。施用廄肥可通過提高表土層根的重量以及深土層根的長度進而提高大豆產量。在有機肥施用較頻繁的地區，玉米收獲后秋施有機肥15 t·hm-2，是降低生產成本、減少化肥施用、提高大豆產量以及環境負面影響的重要手段。綜上，玉米—大豆輪作對提高土壤養分供給能力、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和葉綠素含量增大，地上部干物質積累增多，從而提高玉米產量，且玉米株高、千粒重、每穗粒數等均有一定程度的提高［41-42］。由于玉米、大豆對養分的吸收規律不同，會導致土壤的養分積累特點和產出有所差異，玉米—大豆輪作模式對其產量的影響各不相同［43］。合理有效的玉米—大豆輪作能夠使得農業產量增加5%～8%，陳海江等［44］對東北地區玉米—大豆輪作定位試驗和農戶調研分析結果表明，玉米—大豆輪作能有效提高玉米和大豆產量，減少玉米、大豆化肥農藥的施用。并且與連作相比，輪作的大豆產量提高325.65 kg·hm-2，玉米產量提高803.81 kg·hm-2，節省大豆農藥投入費用42元·hm-2，節省玉米化肥投入量117 kg·hm-2。還有研究指出，玉米—大豆輪作對產量以及收益的增加不多，甚至有所虧損，高盼等［14］在玉米、大豆輪連作試驗中對比得出，玉米連作產量為8 373 kg·hm-2，大豆輪作產量為2 881 kg·hm-2，以市面價格玉米1.4元·kg-1、大豆3.2元·kg-1進行計算，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—大豆種植模式的經濟效益除受到當地價格波動的影響外，還與生產資料的投入、田間栽培管理等眾多因素相關，玉米—大豆種植模式的經濟效益應從多方面考慮。

4 展望

玉米—大豆輪作作為我國兩大主糧可持續發展的重要種植模式，輪作中化肥利用效率問題也應作為輪作種植相關技術中的研究重點。化肥，特別是氮肥的施用對中國糧食的高產穩產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氮素的競爭以及協同作用，是提高化肥利用效率的重要途徑。繼續探究玉米—大豆輪作的潛力，對減少化肥投入、優化田間管理措施、減少成本、推進供給側結構性改革具有重要意義。隨著糧食需求不斷擴大，土地的逐年退化以及土傳病蟲害的逐年加劇，造成我國糧食生產的穩步增長面臨重大問題。對于我國主要糧食作物玉米和大豆連作生產中出現的一些重要問題，開展玉米—大豆輪作的長期定位實驗，用于探究玉米—大豆輪作中農田生態問題的一些形成機理，可以全面評價玉米—大豆輪作的單項效應、復合效應以及連續多年種植后的累加效應和平均效應，為響應國家的玉米—大豆輪作及推廣種植后面臨的各種技術問題以及生理機理方面的研究提供參考。