，，

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外觀測(cè)研究站，黑龍江 哈爾濱150081，2.黑龍江省農(nóng)墾科研育種中心，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引 言

中國(guó)是世界上最重要的大豆生產(chǎn)國(guó)家之一，根據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(www.agri.gov.cn))全國(guó)大約40%的大豆種植面積(2001年為9.485億hm2和0.154億t產(chǎn)量)分布在中國(guó)東北的黑龍江省(35%)和吉林省(5%)，占全國(guó)大豆總產(chǎn)量的39.4%。黑土是這兩個(gè)省的主要耕種土壤，分別占到了耕地面積的16.35%和3.77%[1]。黑土農(nóng)田土質(zhì)肥沃，耕層深厚富含氮和磷等養(yǎng)分。雖然黑土自開(kāi)墾以來(lái)一直被認(rèn)為土壤鉀素含量能夠滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育需要，但是隨著氮磷化肥的增施與糧食產(chǎn)量的提高以及大量的秸稈等被移出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致黑土的鉀素含量已經(jīng)不能滿足作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的需要而成為限制因子[2-3]。

在東北黑土區(qū)大豆籽粒產(chǎn)量的形成受到了施肥[4-5]、氣候條件[4,6]、作物種植順序[7-8]等諸多因素的影響。雖然在黑土區(qū)施用鉀肥能夠提高大豆產(chǎn)量[5]，然而在有限的研究中大豆對(duì)鉀肥施用的反應(yīng)仍有不確定性。一般情況下，東北黑土區(qū)正常降水年份中鉀肥的投入對(duì)大豆籽粒產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響；然而在非正常年份如生長(zhǎng)季節(jié)的干旱、病蟲害等條件下，鉀肥的投入對(duì)大豆籽粒產(chǎn)量具有顯著的影響[9]。同時(shí)輪作方式是影響大豆籽粒產(chǎn)量的另外一個(gè)重要因素[10]。因此，文章通過(guò)田間試驗(yàn)研究了東北黑土區(qū)不同輪作方式下大豆籽粒產(chǎn)量對(duì)鉀肥投入量及降水的響應(yīng)，旨在為研究區(qū)域內(nèi)大豆的栽培和施肥提供一定的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站內(nèi)進(jìn)行，海倫站地處黑土區(qū)中部，東經(jīng)125°38’，北緯47°26’，地勢(shì)平坦，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同季，年平均氣溫1.5℃，極端最高溫度為37℃，極端最低溫度為-39.5℃，年降水量為500 mm～600 mm，主要集中在7月份、8月份、9月份，年均有效積溫2 450℃，年均日照時(shí)數(shù)為2 600 h～2 800 h，無(wú)霜期為125 d。土壤類型為中厚層黑土，是在第四紀(jì)形成的黃土狀母質(zhì)上發(fā)育起來(lái)的地帶性土壤，質(zhì)地以粘性土為主，土壤物理性粘粒大于60%，土壤固相比大于50%，土壤膨脹性大于25%，土體結(jié)構(gòu)致密，滲透能力弱，毛管水運(yùn)移速率較慢，土壤持水能力和保水能力較強(qiáng)，儲(chǔ)水庫(kù)容較大。地下水埋深20 m～30 m。試驗(yàn)的初始土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選自中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站內(nèi)的不同輪作制定位試驗(yàn)，包括大豆連作、大豆-玉米輪作和大豆-玉米-小麥輪作，在試驗(yàn)的三年內(nèi)每個(gè)輪組制中設(shè)置了7個(gè)不同的鉀肥投入量，K2O的投入量分別是0，37.4 kg·hm-2·a-1，74.7 kg·hm-2·a-1，112.1 kg·hm-2·a-1，149.4 kg·hm-2·a-1，186.8 kg·hm-2·a-1，224.0 kg·hm-2·a-1，所用鉀肥為硫酸鉀；共21個(gè)處理，每個(gè)處理4次重復(fù)，小區(qū)面積為小區(qū)面積67.2 m2。在同一年里每個(gè)處理均接受(NH4)2HPO3的量為150 kg·hm-2。大豆品種為黑農(nóng)35，種植密度27萬(wàn)株·hm-2。大豆于5月中旬播種，9月底收獲。收取小區(qū)中央的4條完整的壟的籽粒來(lái)考種計(jì)算產(chǎn)量，按籽粒含水量為13%計(jì)算產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆產(chǎn)量的方差分析

表2為輪作、鉀肥和年份對(duì)大豆產(chǎn)量的影響的方差分析資料，由此可知，輪作方式、施鉀水平和種植年份對(duì)大豆籽粒產(chǎn)量的影響均達(dá)到了顯著水平(p < 0.001)，其中輪作方式、施鉀水平和種植年份之間均存在明顯的交互作用(p < 0.001)，說(shuō)明在研究區(qū)域內(nèi)大豆籽粒的產(chǎn)量受到了輪作方式、施鉀水平和種植年份的共同調(diào)控作用。

表2 輪作、鉀肥和年份對(duì)大豆產(chǎn)量的影響的方差分析Tab.2 Analysis of variance of the effect of rotation,K fertilizer,and year on soybean grain yield

2.2 不同輪作制度對(duì)大豆籽粒產(chǎn)量的影響

重茬大豆是指一年一季作物產(chǎn)區(qū)大豆種植過(guò)程中連續(xù)幾年均種植大豆。迎茬大豆是指一年一季作物產(chǎn)區(qū)大豆種植過(guò)程中，第1年種植大豆，第2年種植禾本科作物，第3年所種植的大豆為迎茬大豆。在東北黑土區(qū)的大部分地區(qū)大豆重迎茬現(xiàn)象比較普遍，因其土壤氣候條件，大豆重迎茬種植會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)。因此研究不同輪作方式對(duì)大豆籽粒產(chǎn)量的影響及其對(duì)不同降水年份的響應(yīng)是極其重要的。我們對(duì)不同輪作方式下的7個(gè)施鉀處理的大豆籽粒產(chǎn)量進(jìn)行平均得到了不同年份不同輪作處理下大豆籽粒產(chǎn)量，見(jiàn)表3。不同輪作方式對(duì)大豆的籽粒產(chǎn)量產(chǎn)生了顯著的影響(p < 0.05)，與大豆連作相比，兩年輪作(大豆-玉米)和三年輪作(大豆-玉米-小麥)，大豆的籽粒產(chǎn)量分別增加了5.9%和29.6%，說(shuō)明增加大豆與其他作物的輪作周期能夠增加其籽粒產(chǎn)量。這與該地區(qū)的已有的報(bào)到相一致，大豆連作，兩年輪作均較三年輪作減產(chǎn)，減產(chǎn)幅度隨著連作年限增加而加劇，以兩年輪作減產(chǎn)最少為6.1%，連作1年，2年和3年分別減產(chǎn)9.9%，13.8%和19%[11]。

表3 不同輪作制度下的大豆產(chǎn)量 (kg·hm-2)Tab.3 Grain yield of soybean under different rotation

試驗(yàn)期間第一年、第二年和第三年作物生長(zhǎng)季內(nèi)的降水分別為401 mm，504 mm和467 mm，與研究區(qū)域內(nèi)多年平均作物生長(zhǎng)季內(nèi)降水470 mm相比[12]，第一年和第二年分別屬于干旱年份和濕潤(rùn)年份。不同種植年份的降水條件也是影響大豆籽粒產(chǎn)量的重要因素。適宜的降水條件是大豆獲得較高籽粒產(chǎn)量的重要保障，見(jiàn)表3。過(guò)多的降水(第二年)顯著地限制了大豆的籽粒產(chǎn)量，與正常降水年份(第三年)相比，大豆籽粒產(chǎn)量下降了8.4%；在干旱年份(第一年)大豆的籽粒產(chǎn)量同樣受到了限制，與正常降水年份相比，大豆籽粒產(chǎn)量下降了2.6%。其研究結(jié)果與鄒文秀等一致[4]。濕潤(rùn)年份土壤水分過(guò)多時(shí)會(huì)引起根系缺氧，造成根部傷害，進(jìn)而限制植株高度，降低大豆產(chǎn)量[13]。研究發(fā)現(xiàn)分別在大豆的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、花期、莢期和鼓粒期出現(xiàn)水分過(guò)多，其產(chǎn)量分別下降了6.97%，14.91%%，13.71%和10.10%[14]。當(dāng)大豆開(kāi)花結(jié)莢期和鼓粒期出現(xiàn)干旱脅迫產(chǎn)量分別下降44%和29%[6]，而在大豆的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期出現(xiàn)干旱，大豆產(chǎn)量最高可下降21%[14]。

不同輪作方式對(duì)生長(zhǎng)季內(nèi)降水的響應(yīng)表現(xiàn)為在濕潤(rùn)年份，降水較多時(shí)(第二年)顯著地限制了連作大豆和大豆-玉米輪作下大豆籽粒產(chǎn)量的形成，見(jiàn)表3。與正常年份(第三年)相比，大豆的籽粒產(chǎn)量分別降低了12.6%和15.0%；而在大豆-玉米-小麥輪作條件下大豆籽粒產(chǎn)量?jī)H下降了3.0%，說(shuō)明增加大豆與禾本科作物的輪作周期能夠增強(qiáng)大豆抵抗降水變化對(duì)其籽粒產(chǎn)量的影響。

2.3 不同鉀肥投入量對(duì)大豆籽粒產(chǎn)量的影響

鉀是作物生長(zhǎng)發(fā)育所必須的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一，充分滿足作物需求是建立高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要措施。我們將三年不同輪作方式下大豆籽粒產(chǎn)量進(jìn)行平均得到了不同輪作方式下大豆籽粒產(chǎn)量對(duì)不同供鉀水平的響應(yīng)，見(jiàn)表4。

表4 不同種植處理中施鉀與大豆產(chǎn)量的關(guān)系 (kg·hm-2)Tab.4 Grain yield of soybean related to the rates of K application in different cropping treatments

總體上大豆的籽粒產(chǎn)量隨著鉀肥投入量的增加而增加，與不施鉀肥相比，當(dāng)鉀肥施入量從37.4 kg·hm-2增加到224.0 kg·hm-2時(shí)，大豆的籽粒產(chǎn)量增加了9.8%～28.2%。不同輪作方式對(duì)鉀肥的響應(yīng)存在一定的差異。將不同鉀肥投入量與大豆籽粒產(chǎn)量進(jìn)行線性回歸，得到3個(gè)線性方程，見(jiàn)圖1。

圖1 不同輪作方式下大豆籽粒產(chǎn)量對(duì)鉀肥投入量的響應(yīng)Fig.1 The response of soybean grain yield to K fertilizer application

從不同輪作方式下大豆籽粒產(chǎn)量對(duì)鉀肥投入量響應(yīng)的曲線斜率我們可以得出鉀肥的投入對(duì)連作大豆的產(chǎn)量起到了顯著的提高作用，說(shuō)明鉀肥能夠調(diào)節(jié)連作障礙對(duì)大豆產(chǎn)量的限制作用。施鉀對(duì)輪作大豆籽粒產(chǎn)量增產(chǎn)效果不明顯，但是在施用氮磷肥的基礎(chǔ)上施用鉀肥對(duì)連作大豆籽粒產(chǎn)量有顯著的增產(chǎn)效果，鉀能夠增加連作大豆的抗病抗倒伏能力，因?yàn)殁浥c莖部纖維素合成有關(guān)，鉀營(yíng)養(yǎng)充足時(shí)大豆莖葉中纖維素含量增加，促進(jìn)了大豆維管束的發(fā)育，厚角組織細(xì)胞加厚，莖稈強(qiáng)度增加，植株生長(zhǎng)健壯，不僅抗倒伏，也增加對(duì)病蟲害的抵抗能力[12]。而對(duì)于大豆-玉米-小麥輪作體系來(lái)說(shuō)，當(dāng)鉀肥投入量增加到149.0 kg·hm-2后，大豆籽粒產(chǎn)量并沒(méi)有表現(xiàn)出相應(yīng)的增加趨勢(shì)，說(shuō)明對(duì)于該輪作體系大量的鉀肥投入不僅會(huì)浪費(fèi)鉀肥資源同時(shí)還會(huì)限制大豆籽粒產(chǎn)量的提高。

3 結(jié) 論

以中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測(cè)研究站內(nèi)的輪作試驗(yàn)為基礎(chǔ)，我們研究了不同輪作制度下大豆籽粒產(chǎn)量對(duì)鉀肥投入量和降水的響應(yīng)，得到結(jié)果如下：在東北黑土區(qū)大豆的籽粒產(chǎn)量受到了輪作制度、鉀肥投入量和降水格局的綜合調(diào)控。與大豆連作相比，大豆-玉米輪作和大豆-玉米-小麥均能顯著地增加大豆的籽粒產(chǎn)量，說(shuō)明增加大豆與禾本科作物的輪作周期能夠增加大豆的籽粒產(chǎn)量。生長(zhǎng)季內(nèi)大氣降水是控制大豆籽粒產(chǎn)量的一個(gè)重要因素，正常年份降水條件下大豆的籽粒顯著高于濕潤(rùn)年份和干旱年份，鉀肥的投入能夠緩解濕潤(rùn)年份生長(zhǎng)季內(nèi)大氣降水偏多對(duì)大豆籽粒產(chǎn)量的限制，同時(shí)鉀肥的投入也能夠緩解大豆連作對(duì)大豆籽粒產(chǎn)量的影響，但是對(duì)大豆-玉米-小麥輪作區(qū)大豆籽粒產(chǎn)量并沒(méi)有表現(xiàn)為隨著鉀肥投入量的增加而增加。因此，在東北黑土區(qū)鉀肥的投入能夠有效地緩解降水較多和大豆連作對(duì)大豆籽粒產(chǎn)量的影響，是保障該地區(qū)大豆產(chǎn)量的有效措施之一。

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