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大豆重迎茬减产的原因及农艺对策研究* 第四报 重迎茬大豆的土壤养分与养分吸收 （公开发表于大豆科学2003年2期）
何志鸿1 刘忠堂2 韩晓增3 许艳丽3 徐永华4 （1．黑龙江省科技厅 2．国家大豆工程技术研究中心 3．中国科学院东北地理农业生态研究所 4．黑龙江省农业科学院大豆研究所） 摘要 通过连续8年在全省6个生态区9个9区固定轮作场圃综合试验，试验区专项研究，框区、盆栽试验，实验室分析，以及大量的大面积生产调查，发现大豆重迎茬种植，根际土壤养分虽然在理论计算时，会出现氮素营养亏缺，但是生产实际中，由于施肥的缘故，大豆重迎茬并没有造成养分的明显偏耗，不仅氮磷钾三元素如此，硼、钼、锰、锌等微量元素也是不同轮作方式间没有明显的差异；在不施肥的盆栽条件下，大豆以及玉米、小麦重茬种植都比正茬轮作多消耗了土壤中的主要营养元素，其中重茬大豆对全磷和速效钾的消耗高于重茬玉米、重茬小麦；大豆重迎茬种植，植株对营养的吸收能力发生了变化，对于大多数营养元素、特别是对于氮磷钾三要素的吸收能力下降，但是，对于钙、镁、铁等微量元素的吸收量增加；增施钾肥能显著地提高重迎茬大豆的产量。这一切都说明根际土壤养分的变化以及根对养分吸收能力减弱对重迎茬大豆的生长发育和产量有一定的影响，但并不是大豆重迎茬减产的主要原因。 关键词 大豆；重迎茬；土壤养分；吸收能力 重迎茬是我国大豆主产区、特别是黑龙江省愈来愈严重的一个问题。重迎茬大豆产量降低、品质变差，引起了各级领导机关和科研单位的极大重视。在黑龙江省政府和国家科技部的支持下，从1993年开始，先后确立为省和国家重点课题、重大课题、重中之重科技攻关项目，分三个阶段、组织省属和中直科研单位，进行多学科、多部门的联合攻关。经过8年的共同努力，已经基本探明大豆重迎茬减产的原因、提出了减缓产量损失的7条农艺对策。在生产上大面积推广应用这些研究成果，取得了显著的经济效益和社会效益。 本文为其中关于大豆重迎茬与土壤养分和植株对养分的吸收部分，旨在探讨营养元素与重迎茬大豆的关系，及其在造成重迎茬大豆减产的诸多原因中的地位与作用。 1. 研究方法
同前报。 2 结果与分析
2.1 不同轮作体系土壤养分的收支平衡 据已有的实验室分析结果，不同作物体内所含有的氮磷钾等元素不同。这说明不同作物从土壤中吸取的营养元素数量不同。据此，我们计算了原中科院黑龙江农业现代化研究所海伦试验站固定轮作场圃一个轮作周期不同轮作方式土壤三元素的盈亏。 轮作试验采取贴近当前生产实际的栽培管理方式，按大田生产常用量施入氮肥和磷肥。根据所施用的化肥中氮磷钾的含量计算三元素的投入量，再根据作物的生物产量计算从田间取走量，从而计算出三种营养元素的盈亏。结果如表1。 表1 不同轮作体系三年中土壤主要营养元素循环概算 Table 1 Budgetary estimation of major nutrition elements of soil in different rotation system kg/ha2
摘自G94B- 括弧内的数字为去掉共生固氮量之后氮素的纯投入和带走的数量 S=soybean, W=wheat, C=corn。 + means surplus, - means wane. 由表1可以看出，由于在生产实践中种植不同的作物，施用不同种类和不同数量的化肥，再加上各种作物的收获量也不相同，所以，不同轮作方式土壤中氮磷钾三种主要元素的盈亏情况有明显的差异。其中大豆重迎茬土壤氮素亏缺量最大，磷素都有盈余，钾素的普遍亏缺是由于施用的肥料之中没有钾元素的缘故。在氮素的亏缺中以重茬大豆最为严重，迎茬大豆次之，小麦—玉米—大豆轮作基本持平。 从表1还可以看到，都是重茬种植，大豆带走的氮最多、玉米次之、小麦最少。但是大豆有独特的共生固氮体系，可提供其需氮量的三分之二，因此真正自土壤中带走的氮素只有167.1kg/hm2，在三种重茬种植的作物中耗氮量最少。 如果不施肥，重茬种植玉米、小麦、大豆都会出现氮素营养亏缺。由于大豆有独特的共生固氮能力，可以提供其需氮量的2/3，所以重茬大豆氮的亏缺量最少（三种作物分别为349.5、199.2和165.4kg/hm2）。生产实践以及模拟生产条件下的轮作试验中，重茬大豆氮素亏缺量最大，原因在于氮肥的施用数量偏低：虽然从表1结果看到，带走和投入的氮的数量都是大豆最多，但是，大豆的氮的投入量中算入了共生固氮量（按带走氮量的2/3计算为335.9kg），如果将其扣除，三年中通过施肥投入的氮只有81.0kg/hm2（实际上每年施用磷铵150kg/hm2，折合纯氮27kg/hm2），远小于对重茬玉米（每年施用磷铵150kg/hm2和尿素225 kg/hm2，折合纯氮130.5kg/hm2）、重茬小麦的氮的投入量（每年施用磷铵84kg/hm2和尿素168kg/hm2）。即在氮的投入量上，玉米、小麦是过量投入，大豆是缺口投入。取走量大、投入量不足，连年种植大豆(重迎茬)必然会造成土壤氮素亏缺。 我们对上述试验场圃不同轮作方式各处理三年后土壤氮磷钾三要素的实际状况进行了分析测定。结果与上述的理论计算不同：与试验前相比，各处理土壤的全氮、速效氮、速效钾都有所下降，但速效钾的下降幅度远远小于理论计算值，全磷、全钾没有降低，速效磷反倒有所增加，与表1的结果相差很大。这表明土壤并不是一个简单、孤立的营养存储器，而是一个作物—土壤—微生物的有机体系。简单的加减所得到的结果，没有考虑到作物对微生物的影响，微生物对养分的转化和活化作用以及在环境因素的作用下、不同土壤层次之间养分的移动，不同作物以及同一作物不同轮作方式下对于肥料的利用率，未能反映不同轮作体系土壤养分动态变化的实际情况，只表明一种趋势和可能。 表2的结果中，尤为重要的是全氮和速效氮降低的幅度，不同轮作方式（正茬轮作、迎茬、重茬）之间无明显的差异。也就是说，虽然在理论计算时，连续种植大豆会造成养分偏耗、出现土壤养分亏缺，但是实际上，重迎茬大豆并没有造成养分的严重偏耗。不仅氮磷钾三元素如此，硼、钼、锰、锌等微量元素也是不同轮作方式间没有明显的差异。 进一步分析表2的结果可知，豆麦豆、豆米豆和豆豆豆三种轮作方式的区别在于第二年种植的作物不同，第一、第三年的作物是相同的、都是大豆。因此，表2所反映出的速效氮的差异，主要的应当是第二年种植不同作物及其对后作的影响所造成的，而不应当认为主要是由于第三年重迎茬种植大豆所造成的。由于玉米耗氮最多、大豆次之、小麦最少，所以才出现土壤速效氮含量豆米豆轮作最低、豆麦豆轮作最高、豆豆豆重茬种植居二者之间。豆米豆和豆麦豆两种迎茬种植方式土壤速效氮平均值为205.3mg/kg，与麦米豆正茬轮作（199.6mg/kg）、豆豆豆重茬种植（200.4mg/kg）极为接近，它们之间的差值分别为+4.9 mg/kg和-0.8mg/kg，远小于米豆、麦豆两种迎茬方式之间的差值（20.2 mg/kg），可见大豆重迎茬种植并没有比大豆正茬轮作多消耗土壤中的速效氮。至于表1在三年的一个轮作周期中大豆重迎茬的种植方式较麦米豆正茬轮作多取走了土壤的氮素，造成了明显的氮素亏缺，主要是由于第一年的大豆生长发育好、产量高，取走的氮素多的缘故，至于第三年，无论是重茬还是迎茬，大豆的生长发育都不如正茬，产量也不如正茬，所以从土壤中取走的氮素不如正茬大豆那样多。比较不同作物重茬种植对土壤中速效氮的消耗，从表2也可以看出，耗氮最多的不是重茬大豆而是重茬玉米，对速效磷、速效钾的消耗亦是如此。 表2 不同轮作体系三年后土壤主要营养元素状况 Table 2 Status of major elements of soil after different rotation circle
G94B- S=soybean, W=wheat, C=corn 为了精确地求得种植不同作物土壤养分的实际消耗，我们设计了不施肥的盆栽试验。结果表明种植大豆、玉米、小麦三种作物土壤中的氮磷钾含量都降低。如果把这种降低视为被种植的作物所消耗，则其中对全氮的消耗量三种作物几乎相同，大豆对全磷的消耗量高于玉米、小麦。从对速效养分的消耗看，大豆对速效氮磷的消耗量高于小麦、低于玉米，其中对速效氮的消耗量接近而略高于小麦，对速效磷的消耗量接近而略高于玉米；对速效钾的消耗量比玉米、小麦都高（表3）。 综合表1、表2、表3的结果可以得知，就理论计算而言，重迎茬种植大豆有养分偏耗，但这并不是大豆重迎茬所特有的现象，玉米、小麦重迎茬同样会出现养分偏耗。在生产实践中，由于采取了施用农肥或化肥等项措施，可以在一定程度上对消耗的养分予以补偿，所以没有表现出养分的偏耗。现在，施肥已经是主产区大豆生产的常规措施，所以，养分偏耗已经不是重迎茬大豆减产的主要原因了。 表3 不同作物对土壤主要营养元素的消耗 Table 3 The expense of major nutrition elements of soil for different crops
据G94B- 2.2重迎茬大豆对土壤养分的吸收 植物体内的营养元素来自于根从土壤中的吸收。因此，测量植株体内营养元素的含量，可以反映出作物对土壤养分的吸收情况。大豆重迎茬种植与正茬相比较，体内氮、磷、钾、硼、铜、锌、锰的含量降低，而且重茬较迎茬严重，其中收获期氮素含量迎茬较正茬减少0.61个百分点，下降了21.03%，重茬较正茬减少0.70个百分点，下降了24.28%；体内的钙、镁、铁含量增加，而且重茬较迎茬增加得更多（表4）。即重迎茬种植的大豆对于大多数营养元素、特别是对于氮磷钾三要素的吸收能力下降，但是，对于钙、镁、铁等微量元素的吸收增加。可见大豆重迎茬种植，植株对营养的吸收能力发生了变化，体内氮磷钾等多种元素的含量下降。 表4 不同茬口大豆植株体内主要营养元素的含量 Table 4 The content of nutrition elements in soybean plants of different stubble
据G94B- 由于重迎茬大豆生长发育较正茬大豆差、产量低，再加上植株对土壤中的营养元素的吸收能力降低，所以，单位面积上重茬大豆吸收的各种营养元素的数量明显地低于正茬。即使是在体内所占的比例较正茬有所增加的钙、镁、铁等元素，吸收的总量也没有比正茬大豆明显的增加。虽然开花期迎茬大豆单位面积上吸收的氮、磷、钾等元素的数量高于正茬大豆，但这只是开花期的暂时现象，到了成熟收获期，仍然低于正茬（表5）。 表5 不同茬口大豆植株体对主要营养元素的吸收量 Table 5 The content of nutrition elements in soybean plants of different stubble
据G94B- 开花期为全株干重及吸收的各种元素的全量，收获期为籽粒重量，吸收量为籽粒中各元素的重量。 2.3 重迎茬大豆的施肥效果 大豆重迎茬种植，在满足磷的需求的前提下，再施入氮肥，无论重茬还是迎茬，各种施氮量均有增产效果。满足氮的需求再增施磷肥和满足氮、磷的需要再增施钾肥，也都有明显的增产效果（表6、表7）。 由于子实中高含蛋白质，大豆理应较玉米、小麦等作物需求的氮素更多。但实际上，种植大豆、乃至连续种植大豆，并没有过多地消耗土壤里的氮素（表2、表3）。这主要是由于大豆具有根瘤，根瘤菌能够固定空气中的氮，而且其中的一部分可以为大豆植株当年利用，同时也与植株中氮的含量降低等原因有关。在重迎茬种植的情况下，根际的微生态环境发生了变化、共生固氮能力明显下降（另文报道），此时增施氮肥，有利于向根提供充足而又方便吸收的氮源，促进植株的生长发育，因此，重迎茬大豆施用氮肥有明显的增产效果。 由表3可见大豆吸收的磷较玉米、小麦多，表4又显示出重迎茬种植大豆的吸磷能力有所下降，因此，在有充足的氮素供应的情况下，增施磷肥有明显的增产效果。 我们的研究结果表明，不仅对重迎茬大豆施用氮肥有增产效果，而且，使用方法不同，增产效果也有不同。同样施氮54kg/ha，种肥和追肥各半，增产效果明显优于追肥占2/3或全部追施。可见重迎茬大豆对氮素的需求较早，而且如果不补充氮素，在早期就开始出现氮素营养不足。 表6 重迎茬大豆施肥的增产效果（%） Table 6 The effect of fertilizing of soybeans planted continuously and alternatively
据G94B- *各处理均施入重过磷酸钙 通常，黑龙江省、特别是黑土地，钾的含量丰富，供钾能力也较强，在正常情况下，向正茬大豆增施钾肥效果不明显。在干旱的情况下，向正茬大豆施用钾肥有良好的效果。试验结果表明，干旱处理（水量减少1/3）的正茬大豆产量较正常水分条件下减产16.48%，而同样干旱处理，但施用了钾肥（0.15gK2O/kg土），仅减产3.40%，且差异不显著。在重迎茬的情况下增施钾肥，迎茬大豆增产10.5-22.6%，重茬大豆增产11.6-23.8%，效果显著（表7）。 表7 大豆增施钾肥的增产效果（%） Table 7 The effect of potassium to soybeans
据G94B- 由表7可见钾的特殊功能。即使是在土壤钾含量丰富、供应能力较强的地区，遇到某种胁迫或失衡情况，大豆对钾的需求增加，此时增施钾肥也会有增产效果。 在重迎茬条件下，为抵抗所出现的逆境胁迫，大豆根系有选择性地多吸收钙。由于细胞内高浓度的Ca2+，使膜的流动性减小，影响根的吸收能力。磷素营养吸收不足，细胞原生质细胞液的缓冲能力下降，细胞膜对逆境的抗性降低；缺钾易使原生质膜失去具有保护作用的水合层，破坏膜结构，使根系受损，易感染病虫害；重迎茬种植的大豆对硼的吸收量降低，影响了根尖细胞的木质化，使根系易被病原菌和害虫侵染、危害，加重病虫害的发生。可见根对营养元素吸收能力的变化是造成重迎茬大豆减产的一个原因。重迎茬大豆较正茬多消耗了土壤中的速效钾（表3），增施钾肥，能够及时补充前茬大豆所消耗的钾元素，为重迎茬大豆提供足够的钾，对根、茎的纤维素合成有促进作用，有利于维管束的发育、厚角组织细胞的加厚，促使植株健壮生长发育、增强对病虫害的抵抗能力，从而使重迎茬大豆产量增加。 3 讨论
3.1 以往的研究指出每生产 3.2 在2.1不同轮作体系土壤养分的收支平衡一节中，包括一个计算结果（表1）和两个试验结果（表2、表3）。三个结果不仅不一致，而且有很大的差别。这是因为表1是按同一比例计算不同轮作体系、不同茬口的大豆从土壤中取走某一元素数量的。由表4可知，重迎茬大豆植株对氮素等营养元素的吸收能力降低、吸收量减少，因此表1中重迎茬大豆对于氮素取走量的计算偏高；又由于共生固氮能力的变化，土壤微生物对氮素的硝化、反硝化、氨化作用，以及施肥对营养元素的补充等因素，影响了氮素等营养元素投入量和盈亏量计算的准确性，所以，表1的理论计算得出的氮素亏缺只是一种推测，表示一种趋势和可能性，表2和表3的结果才真实地反映了重迎茬大豆等作物对土壤中主要营养元素的实际消耗情况。 3.3 研究大豆重迎茬问题，应当遵循如下三条原则：一是试验、研究条件尽量与生产实际相接近，以便研究结果对于生产实践更具有较强的指导意义、参考价值。因此，我们的主试验和许多辅助试验、特别是9圃固定轮作区是施肥的，施用的肥料的种类和数量、方法基本上与当前生产施肥水平相同。二是把重迎茬大豆放在轮作体系中来研究，不仅考虑种植大豆的当年，也考虑了其前茬，考虑了一个轮作周期的变化与结果。三是将大豆重迎茬的结果与其它作物重迎茬相比较，判定哪一种作物重茬后果更为严重。基于上述的原则，根据试验结果，我们认为，土壤养分的变化以及根对土壤养分的吸收能力减弱，对重迎茬大豆产生了不良的影响，但不是造成重迎茬大豆减产的主要原因。 参考文献
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