黑龙江省西北部黑土区不同轮作模式效益分析

孙继英 汝甲荣 邱广伟 王怀鹏 刘玲玲 孙旭红马子竣 李 明 牛若超 王立春

（1黑龙江省农业科学院克山分院/农业农村部马铃薯生物学与遗传育种重点实验室，黑龙江齐齐哈尔 161005；2黑龙江省农业科学院作物资源研究所，黑龙江齐齐哈尔 150086）

黑龙江省是我国重要的商品粮基地，其种植模式和耕地质量对保障国家粮食安全至关重要。近年来，由于生产上盲目扩大玉米、大豆的种植面积和增加化肥、农药投入，造成部分区域农作物的种植比例失调，耕地质量退化，种植制度及品种单一化的问题日趋突出。长期连作会导致土壤养分失调，土壤板结、耕层变浅、土壤微生物群落失调、病虫害多发，作物养分吸收明显缺乏、生长不良、产量和品质降低，农田生态系统对自然灾害的抵御能力下降等问题[1-3]。大豆、玉米连作，导致土壤养分失调，病虫害滋生，产量下降，农田生态系统对自然灾害的抵御能力下降[4]。有研究表明，重、迎茬大豆均较正茬大豆减产，减产幅度随重、迎茬年限增加而加剧，最严重者可减产70%～80%，给大豆生产带来了巨大损失[5-6]。陈子明等[7]、Zuber 等[8]研究表明，玉米连作会导致病虫害滋生、植物养分吸收明显缺乏，产量降低，同时玉米连作的土壤出现团粒结构减少、保水保墒性能变差等问题。此外，长期的小型农机具作业，导致土壤理化性质变劣，犁底层上升，耕层变浅，耕层土壤保水保肥能力急剧下降[9]。

轮作有助于改善土壤质量，提高土壤中有机碳、全氮、有效磷、速效钾和微生物含量，增强植株对病、虫、草害的抵抗能力，平衡作物生长发育的养分及周边生态环境，对促进作物生长和高产十分有利。本研究以黑龙江省西北部的克山县为试验区，结合当地的种植业生产特点，系统研究玉米、大豆、马铃薯、小麦不同作物组合的种植效应，构建新型的、具有区域特色的最佳轮作模式，为该区域合理轮作提供参考，以期为实现稳粮增收、提质增效和保障国家粮食安全与农产品有效供给提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在黑龙江省农业科学院克山分院科研试验基地进行，属于黑龙江省西北部中厚黑土区，气候类型为温带大陆季风气候，土壤类型为黑钙土，前茬作物为大豆。试验地基础肥力如下：全氮0.167%、全磷0.072%、全钾3.200%、有机质35.7 g/kg、碱解氮122.6 mg/kg、有效磷34.8 mg/kg、速效钾302.0 mg/kg、pH 6.31。

1.2 试验材料

玉米品种瑞福尔1号、高粱品种克杂15号、大豆品种克山1号，小麦品种克春11号，马铃薯品种尤金。

1.3 试验方法

1.3.1试验设计试验以玉米连作（T4）、大豆连作（T5）为对照，设置玉米—玉米—大豆（T1）、大豆—玉米—马铃薯（T2）和玉米—大豆—小麦（T3）3 种轮作模式。各轮作模式3 年为一个轮作周期，并划分为3个大区，以保证每年都有玉米和大豆种植，每个大区300 m2。其中玉米和大豆行距65 cm，马铃薯行距80 cm，小麦行距15 cm。施肥：玉米为‘是壮’稳定性复合肥（缓释肥）600 kg/hm2；大豆、小麦、马铃薯均为尿素、磷酸二铵和硫酸钾混施，大豆尿素—磷酸二铵—硫酸钾为45—180—30 kg/hm2，小麦尿素—磷酸二铵—硫酸钾为135—165—37.5 kg/hm2，马铃薯尿素—磷酸二铵—硫酸钾为225—180—345 kg/hm2。密度：大豆27 万株/hm2，玉米7 万株/hm2，小麦650 万株/hm2，马铃薯6.2 万株/hm2。其他田间管理同一般生产田。

1.3.2测定项目（1）产量调查。在各作物进入成熟期进行收获、测产，采用3 点取样法随机取样，每点取2 m2。其中，玉米测定收获株数、籽粒产量、生物产量、穗粒数、籽粒水分、百粒重；大豆测定收获株数、籽粒产量、生物产量、株荚数、荚粒数、百粒重；小麦测定收获株穗数、籽粒产量、生物产量、穗粒数、千粒重；马铃薯测定收获株数、块茎产量，块茎分大薯、中薯、小薯分别计算测产。

（2）投入成本调查。调查记录不同作物在耕整地、播种、农药、收获、运输等各农事活动中所投入的农资、人工、机械等费用。

（3）经济效益。经济效益=总产值-总成本，其中总产值即作物籽粒（块茎）销售后的收益，总成本包括各轮作模式在一个轮作周期内（3年）累计投入的成本。

（4）轮作周期效益。在本试验中，轮作周期效益是指各轮作模式在一个轮作周期内（3年）累计创造的经济效益。

1.3.3数据分析利用Excel 2007 工作表和DPS 9.05数据处理软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式对当季作物玉米产量及构成因素的影响

由表1 可知，相比连作，玉米与大豆、马铃薯和小麦轮作后其产量和产量构成因素如穗粒均有所提高。与玉米连作相比，各轮作模式的单位面积收获株数增加0.1万～0.2万株/hm2、百粒重增加0.2～0.5 g，生物产量提高2.7～5.2 t/hm2，但差异不显著。各轮作模式的穗粒数以T3最高，为526.8粒/穗，极显著高于T4和T1，但与T2差异不显著。从籽粒产量看，3个轮作处理的籽粒产量均极显著高于对照T4，产量增加幅度为1 224～1 567 kg/hm2。其中，以T2产量表现最佳，为10 581 kg/hm2，比对照增产17.25%；其次是T3，为10 401 kg/hm2，比对照增产15.2%；T1增产幅度最小，为13.56%。3 个轮作模式之间产量差异不显著。

表1 不同轮作模式对玉米产量及产量构成因素的影响

2.2 不同轮作模式对当季作物大豆产量及构成因素的影响

由表2 可知，大豆与玉米、小麦、马铃薯轮作后，其单株荚数、每荚粒数、百粒重、籽粒产量和生物产量均有不同程度的增加。各轮作模式的每荚粒数和百粒重均略高于对照T5，每荚粒数增加幅度为0.1～0.2 粒，百粒重增加1.1～1.7 g，但均未达到显著水平。3 个轮作模式的单株荚数、生物量和籽粒产量均极显著高于对照T5，单株荚数增加2.4～3.4 荚，大豆籽粒产量以T1最高，为2 593.5 kg/hm2，比对照增产12.49%，其次是T3，比对照增产8.72%，T2增产最少，为5.92%，3 个轮作模式之间籽粒产量差异不明显。大豆生物量的表现趋势和籽粒产量相同：各轮作处理生物量均极显著高于对照，增产幅度在12.86%～20.00%，轮作处理之间差异不显著。

表2 不同轮作模式对大豆主要农艺性状和产量的影响

2.3 不同轮作模式下土壤容重的变化

土壤容重反映土壤结构、透气性、透水性能以及保水能力的高低，其数值大小表明土壤的密实程度，直接或间接地影响土壤水分状况和作物根系的生长。

从表3可以看出，3个种植模式经过一个轮作周期（3年）后耕层土壤容重均有不同程度的降低，其中以T2轮作模式的效果最好，与初始年相比，0～15 cm耕层土壤容重降低0.11 g/cm3，15～30 cm耕层降低0.17 g/cm3。3个轮作模式0～15 cm、15～30 cm 2个耕层的土壤容重均低于对照玉米连作和大豆连作，其中0～15 cm 耕层土壤容重降低幅度为0.01～0.12 g/cm3，15～30 cm 耕层土壤容重降低0.05～0.15 g/cm3，对照T5的2个耕层的容重均高于对照T4。

表3 不同种植模式下土壤容重的变化单位：（g·cm-3）

2.4 不同轮作模式的效益分析

2.4.1成本投入成本主要包括耕整地、播种、植保、收获、运输等各农事活动中所投入的农资、人工、机械以及土地租赁等费用（见表4）。

表4 2017—2019年轮作模式投入成本情况单位：（元·hm-2）

由表4 可知，T2模式田间作业成本最高，为6 510元/hm2；T5大豆3年连作田间作业成本最低，为4 455 元/hm2；T1、T3、T4模式的田间作业总成本处于中间水平。T2田间作业成本高，一方面是因为马铃薯播种、收获和苗前闷耕机械费用高于小麦和大豆，另一方面是因为马铃薯易感疫病，需要提前喷药预防，使用机械次数相对较多。T2模式农资成本最高，为17 175 元/hm2；T5大豆3 年连作农资成本最低，为3 915 元/hm2；T1、T3、T4轮作模式的农资成本居于中间水平。T2模式的农资成本高，是因为T2模式中马铃薯播种量大、需肥多、易感病；T2模式人工费用最高，主要是因为本区域土壤类型为黑土，土质黏重，秋季雨水较多时，收获的马铃薯块茎会沾有大量的泥土，需要人工去泥后进行挑选等级、装袋。各种植模式中3 年累计总成本最高的是T2，为45 435 元/hm2，3 年累计总成本最低的是T5大豆连作模式，为24 120 元/hm2，T1、T3和T4的总成本处于中间水平。

2.4.2 经济效益玉米、大豆、小麦和马铃薯的价格均按当地的市场价格。2017、2018、2019 年玉米单价分别为1.10、1.26、1.26 元/kg，大豆价格均为3.40 元/kg，小麦价格为2.00 元/kg，马铃薯平均价格为0.76元/kg。

由表5 可见，在一个轮作周期内各轮作模式间的经济效益存在一定的差异，其中以T2（豆—玉—薯）创造的经济效益最高，为12 603 元/hm2，比对照T4、T5分别增效9 915 和12 340 元/hm2；其次是T1（玉—玉—豆）轮作模式，为4 004元/hm2，比T4、T5分别增效1 316 和3 741 元/hm2；T3模式的周期效益略低，为3 918 元/hm2，比T4、T5分别增加效益1 230 和3 655元/hm2。

表5 2017—2019年各种植模式经济效益分析单位：(元·hm-2)

3 结论与讨论

目前，黑龙江省西北部黑土区种植模式表现为玉米连作、大豆连作、米豆“两圃”轮作以及一些地区各种轮作共存的局面，制约了该地区农业发展和黑土资源的可持续利用，不利于黑龙江省的粮食稳产和国家粮食安全。合理的作物轮作制度，可以很好地协调满足不同轮作作物对养分的需求，均衡利用土壤养分使土壤保持较长久的生产潜力[10]，是农田用地与养地相结合，实现持续增产和改善农田生态环境的一种行之有效的农业措施[11]。

本研究结果表明，玉米—大豆—马铃薯、玉米—玉米—大豆和玉米—大豆—小麦轮作模式中玉米穗粒数和大豆荚数、荚粒数均较连作处理有所增加，玉米籽粒产量比连作玉米增加13.56%～17.25%，大豆籽粒产量比连作大豆增加5.92%～12.49%；玉米—大豆—马铃薯、玉米—玉米—大豆和玉米—大豆—小麦3轮作模式在一个轮作周期内的收益比连作玉米分别增效9 915、1 316、1 230 元/hm2，比连作大豆分别增效12 043、3 741、3 655元/hm2。因此，基于本试验条件，黑龙江省西北部黑土区首选的轮作模式为玉米—大豆—马铃薯，其次是玉米—玉米—大豆和玉米—大豆—小麦轮作模式。但由于马铃薯容易受气候、储存和市场因素的影响，产量和投入成本波动较大，价格不稳，种植风险相对较高，农户种植时最好根据订单或销路制订种植计划，并提前做好马铃薯土传病害和马铃薯早、晚疫病的防治措施。