黑龍江省西北部黑土區不同輪作模式效益分析

孫繼英 汝甲榮 邱廣偉 王懷鵬 劉玲玲 孫旭紅馬子竣 李 明 牛若超 王立春

（1黑龍江省農業科學院克山分院/農業農村部馬鈴薯生物學與遺傳育種重點實驗室，黑龍江齊齊哈爾 161005；2黑龍江省農業科學院作物資源研究所，黑龍江齊齊哈爾 150086）

黑龍江省是我國重要的商品糧基地，其種植模式和耕地質量對保障國家糧食安全至關重要。近年來，由于生產上盲目擴大玉米、大豆的種植面積和增加化肥、農藥投入，造成部分區域農作物的種植比例失調，耕地質量退化，種植制度及品種單一化的問題日趨突出。長期連作會導致土壤養分失調，土壤板結、耕層變淺、土壤微生物群落失調、病蟲害多發，作物養分吸收明顯缺乏、生長不良、產量和品質降低，農田生態系統對自然災害的抵御能力下降等問題[1-3]。大豆、玉米連作，導致土壤養分失調，病蟲害滋生，產量下降，農田生態系統對自然災害的抵御能力下降[4]。有研究表明，重、迎茬大豆均較正茬大豆減產，減產幅度隨重、迎茬年限增加而加劇，最嚴重者可減產70%～80%，給大豆生產帶來了巨大損失[5-6]。陳子明等[7]、Zuber 等[8]研究表明，玉米連作會導致病蟲害滋生、植物養分吸收明顯缺乏，產量降低，同時玉米連作的土壤出現團粒結構減少、保水保墑性能變差等問題。此外，長期的小型農機具作業，導致土壤理化性質變劣，犁底層上升，耕層變淺，耕層土壤保水保肥能力急劇下降[9]。

輪作有助于改善土壤質量，提高土壤中有機碳、全氮、有效磷、速效鉀和微生物含量，增強植株對病、蟲、草害的抵抗能力，平衡作物生長發育的養分及周邊生態環境，對促進作物生長和高產十分有利。本研究以黑龍江省西北部的克山縣為試驗區，結合當地的種植業生產特點，系統研究玉米、大豆、馬鈴薯、小麥不同作物組合的種植效應，構建新型的、具有區域特色的最佳輪作模式，為該區域合理輪作提供參考，以期為實現穩糧增收、提質增效和保障國家糧食安全與農產品有效供給提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在黑龍江省農業科學院克山分院科研試驗基地進行，屬于黑龍江省西北部中厚黑土區，氣候類型為溫帶大陸季風氣候，土壤類型為黑鈣土，前茬作物為大豆。試驗地基礎肥力如下：全氮0.167%、全磷0.072%、全鉀3.200%、有機質35.7 g/kg、堿解氮122.6 mg/kg、有效磷34.8 mg/kg、速效鉀302.0 mg/kg、pH 6.31。

1.2 試驗材料

玉米品種瑞福爾1號、高粱品種克雜15號、大豆品種克山1號，小麥品種克春11號，馬鈴薯品種尤金。

1.3 試驗方法

1.3.1試驗設計試驗以玉米連作（T4）、大豆連作（T5）為對照，設置玉米—玉米—大豆（T1）、大豆—玉米—馬鈴薯（T2）和玉米—大豆—小麥（T3）3 種輪作模式。各輪作模式3 年為一個輪作周期，并劃分為3個大區，以保證每年都有玉米和大豆種植，每個大區300 m2。其中玉米和大豆行距65 cm，馬鈴薯行距80 cm，小麥行距15 cm。施肥：玉米為‘是壯’穩定性復合肥（緩釋肥）600 kg/hm2；大豆、小麥、馬鈴薯均為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀混施，大豆尿素—磷酸二銨—硫酸鉀為45—180—30 kg/hm2，小麥尿素—磷酸二銨—硫酸鉀為135—165—37.5 kg/hm2，馬鈴薯尿素—磷酸二銨—硫酸鉀為225—180—345 kg/hm2。密度：大豆27 萬株/hm2，玉米7 萬株/hm2，小麥650 萬株/hm2，馬鈴薯6.2 萬株/hm2。其他田間管理同一般生產田。

1.3.2測定項目（1）產量調查。在各作物進入成熟期進行收獲、測產，采用3 點取樣法隨機取樣，每點取2 m2。其中，玉米測定收獲株數、籽粒產量、生物產量、穗粒數、籽粒水分、百粒重；大豆測定收獲株數、籽粒產量、生物產量、株莢數、莢粒數、百粒重；小麥測定收獲株穗數、籽粒產量、生物產量、穗粒數、千粒重；馬鈴薯測定收獲株數、塊莖產量，塊莖分大薯、中薯、小薯分別計算測產。

（2）投入成本調查。調查記錄不同作物在耕整地、播種、農藥、收獲、運輸等各農事活動中所投入的農資、人工、機械等費用。

（3）經濟效益。經濟效益=總產值-總成本，其中總產值即作物籽粒（塊莖）銷售后的收益，總成本包括各輪作模式在一個輪作周期內（3年）累計投入的成本。

（4）輪作周期效益。在本試驗中，輪作周期效益是指各輪作模式在一個輪作周期內（3年）累計創造的經濟效益。

1.3.3數據分析利用Excel 2007 工作表和DPS 9.05數據處理軟件對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同輪作模式對當季作物玉米產量及構成因素的影響

由表1 可知，相比連作，玉米與大豆、馬鈴薯和小麥輪作后其產量和產量構成因素如穗粒均有所提高。與玉米連作相比，各輪作模式的單位面積收獲株數增加0.1萬～0.2萬株/hm2、百粒重增加0.2～0.5 g，生物產量提高2.7～5.2 t/hm2，但差異不顯著。各輪作模式的穗粒數以T3最高，為526.8粒/穗，極顯著高于T4和T1，但與T2差異不顯著。從籽粒產量看，3個輪作處理的籽粒產量均極顯著高于對照T4，產量增加幅度為1 224～1 567 kg/hm2。其中，以T2產量表現最佳，為10 581 kg/hm2，比對照增產17.25%；其次是T3，為10 401 kg/hm2，比對照增產15.2%；T1增產幅度最小，為13.56%。3 個輪作模式之間產量差異不顯著。

表1 不同輪作模式對玉米產量及產量構成因素的影響

2.2 不同輪作模式對當季作物大豆產量及構成因素的影響

由表2 可知，大豆與玉米、小麥、馬鈴薯輪作后，其單株莢數、每莢粒數、百粒重、籽粒產量和生物產量均有不同程度的增加。各輪作模式的每莢粒數和百粒重均略高于對照T5，每莢粒數增加幅度為0.1～0.2 粒，百粒重增加1.1～1.7 g，但均未達到顯著水平。3 個輪作模式的單株莢數、生物量和籽粒產量均極顯著高于對照T5，單株莢數增加2.4～3.4 莢，大豆籽粒產量以T1最高，為2 593.5 kg/hm2，比對照增產12.49%，其次是T3，比對照增產8.72%，T2增產最少，為5.92%，3 個輪作模式之間籽粒產量差異不明顯。大豆生物量的表現趨勢和籽粒產量相同：各輪作處理生物量均極顯著高于對照，增產幅度在12.86%～20.00%，輪作處理之間差異不顯著。

表2 不同輪作模式對大豆主要農藝性狀和產量的影響

2.3 不同輪作模式下土壤容重的變化

土壤容重反映土壤結構、透氣性、透水性能以及保水能力的高低，其數值大小表明土壤的密實程度，直接或間接地影響土壤水分狀況和作物根系的生長。

從表3可以看出，3個種植模式經過一個輪作周期（3年）后耕層土壤容重均有不同程度的降低，其中以T2輪作模式的效果最好，與初始年相比，0～15 cm耕層土壤容重降低0.11 g/cm3，15～30 cm耕層降低0.17 g/cm3。3個輪作模式0～15 cm、15～30 cm 2個耕層的土壤容重均低于對照玉米連作和大豆連作，其中0～15 cm 耕層土壤容重降低幅度為0.01～0.12 g/cm3，15～30 cm 耕層土壤容重降低0.05～0.15 g/cm3，對照T5的2個耕層的容重均高于對照T4。

表3 不同種植模式下土壤容重的變化單位：（g·cm-3）

2.4 不同輪作模式的效益分析

2.4.1成本投入成本主要包括耕整地、播種、植保、收獲、運輸等各農事活動中所投入的農資、人工、機械以及土地租賃等費用（見表4）。

表4 2017—2019年輪作模式投入成本情況單位：（元·hm-2）

由表4 可知，T2模式田間作業成本最高，為6 510元/hm2；T5大豆3年連作田間作業成本最低，為4 455 元/hm2；T1、T3、T4模式的田間作業總成本處于中間水平。T2田間作業成本高，一方面是因為馬鈴薯播種、收獲和苗前悶耕機械費用高于小麥和大豆，另一方面是因為馬鈴薯易感疫病，需要提前噴藥預防，使用機械次數相對較多。T2模式農資成本最高，為17 175 元/hm2；T5大豆3 年連作農資成本最低，為3 915 元/hm2；T1、T3、T4輪作模式的農資成本居于中間水平。T2模式的農資成本高，是因為T2模式中馬鈴薯播種量大、需肥多、易感?。籘2模式人工費用最高，主要是因為本區域土壤類型為黑土，土質黏重，秋季雨水較多時，收獲的馬鈴薯塊莖會沾有大量的泥土，需要人工去泥后進行挑選等級、裝袋。各種植模式中3 年累計總成本最高的是T2，為45 435 元/hm2，3 年累計總成本最低的是T5大豆連作模式，為24 120 元/hm2，T1、T3和T4的總成本處于中間水平。

2.4.2 經濟效益玉米、大豆、小麥和馬鈴薯的價格均按當地的市場價格。2017、2018、2019 年玉米單價分別為1.10、1.26、1.26 元/kg，大豆價格均為3.40 元/kg，小麥價格為2.00 元/kg，馬鈴薯平均價格為0.76元/kg。

由表5 可見，在一個輪作周期內各輪作模式間的經濟效益存在一定的差異，其中以T2（豆—玉—薯）創造的經濟效益最高，為12 603 元/hm2，比對照T4、T5分別增效9 915 和12 340 元/hm2；其次是T1（玉—玉—豆）輪作模式，為4 004元/hm2，比T4、T5分別增效1 316 和3 741 元/hm2；T3模式的周期效益略低，為3 918 元/hm2，比T4、T5分別增加效益1 230 和3 655元/hm2。

表5 2017—2019年各種植模式經濟效益分析單位：(元·hm-2)

3 結論與討論

目前，黑龍江省西北部黑土區種植模式表現為玉米連作、大豆連作、米豆“兩圃”輪作以及一些地區各種輪作共存的局面，制約了該地區農業發展和黑土資源的可持續利用，不利于黑龍江省的糧食穩產和國家糧食安全。合理的作物輪作制度，可以很好地協調滿足不同輪作作物對養分的需求，均衡利用土壤養分使土壤保持較長久的生產潛力[10]，是農田用地與養地相結合，實現持續增產和改善農田生態環境的一種行之有效的農業措施[11]。

本研究結果表明，玉米—大豆—馬鈴薯、玉米—玉米—大豆和玉米—大豆—小麥輪作模式中玉米穗粒數和大豆莢數、莢粒數均較連作處理有所增加，玉米籽粒產量比連作玉米增加13.56%～17.25%，大豆籽粒產量比連作大豆增加5.92%～12.49%；玉米—大豆—馬鈴薯、玉米—玉米—大豆和玉米—大豆—小麥3輪作模式在一個輪作周期內的收益比連作玉米分別增效9 915、1 316、1 230 元/hm2，比連作大豆分別增效12 043、3 741、3 655元/hm2。因此，基于本試驗條件，黑龍江省西北部黑土區首選的輪作模式為玉米—大豆—馬鈴薯，其次是玉米—玉米—大豆和玉米—大豆—小麥輪作模式。但由于馬鈴薯容易受氣候、儲存和市場因素的影響，產量和投入成本波動較大，價格不穩，種植風險相對較高，農戶種植時最好根據訂單或銷路制訂種植計劃，并提前做好馬鈴薯土傳病害和馬鈴薯早、晚疫病的防治措施。