我國(guó)大豆最佳施肥量和種植密度評(píng)價(jià)

呂繼龍，何 萍，徐新朋，魏 丹，仇少君，趙士誠(chéng)*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 北京 100081；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所，北京 100097）

大豆是優(yōu)質(zhì)植物蛋白質(zhì)和植物油的重要來源，由于其具有生物固氮能力，大豆也是輪作制度中培肥土壤的一種重要作物［1］。以大豆為原料的食品如豆腐、豆?jié){、醬油等已被開發(fā)出來供人類食用［2］，而榨油后的豆粕被用作動(dòng)物飼料。除作為食品外，大豆在醫(yī)藥、塑料、紙張、油墨、油漆、農(nóng)藥和化妝品生產(chǎn)等行業(yè)也有廣泛的用途［3］。

目前世界大豆總產(chǎn)量約為3.63億t［4］，但仍不能滿足世界日益增長(zhǎng)的人口的需求。影響大豆高產(chǎn)的因素包括氣候條件、土壤特征、大豆品種、養(yǎng)分管理和栽培措施等［5］。不同氣候條件（如最低和最高溫度、有效積溫，日照時(shí)間和降雨等）影響作物的播種期、灌漿期和總生育期等，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量［6-7］。土壤特征能決定土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，因?yàn)樽魑锷谖盏酿B(yǎng)分僅1/3來自肥料，其余2/3源自土壤［8］。氮磷鉀是作物生長(zhǎng)和高產(chǎn)必需的營(yíng)養(yǎng)元素［9-11］，平衡施肥在提高作物產(chǎn)量方面發(fā)揮了重要作用［12］。高的籽粒蛋白質(zhì)含量導(dǎo)致大豆對(duì)氮素需求較大，適宜的氮肥用量能增強(qiáng)大豆的光合作用，提高單位面積大豆蛋白質(zhì)、油分的產(chǎn)出量，進(jìn)而提高大豆的產(chǎn)量。磷素參與大豆新器官的形成及籽粒蛋白質(zhì)合成過程，也是大豆脂肪合成所必需的，同時(shí)在大豆植株內(nèi)有機(jī)質(zhì)的運(yùn)輸與轉(zhuǎn)化中起重要作用［13］。磷素參與根瘤菌與大豆的結(jié)瘤共生過程，并直接參與共生過程中信號(hào)物質(zhì)的生成和傳遞，施磷能夠有效提高豆科植物-根瘤菌結(jié)瘤共生［14-15］，同時(shí)能提高根瘤固氮酶的活性和根瘤固氮能力［16］。鉀素主要參與大豆植株內(nèi)碳水化合物的運(yùn)轉(zhuǎn)和增加莖稈強(qiáng)度，缺鉀會(huì)延長(zhǎng)大豆的成熟期，降低大豆的品質(zhì)和產(chǎn)量［17］。種植密度對(duì)大豆的高產(chǎn)至關(guān)重要，適宜的種植密度有利于提高大豆葉片的光能利用率，促進(jìn)大豆對(duì)養(yǎng)分的吸收，提高大豆群體干物質(zhì)的積累，進(jìn)而提高大豆的產(chǎn)量［18］。

我國(guó)是世界上主要的大豆生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，但其大豆產(chǎn)量遠(yuǎn)不能滿足本國(guó)的需求，每年需進(jìn)口大豆（8～10）×107t［19］。大豆根據(jù)播種時(shí)期可分為春大豆和夏大豆，種植方式分為單作和輪作。春大豆種植主要集中在東北三省，主要是大豆單作；夏大豆的種植區(qū)域主要為華北平原和華南地區(qū)，主要為小麥-大豆輪作［20］。由于中國(guó)大豆單產(chǎn)較低（平均 1 773 kg/hm2）［20］，農(nóng)民對(duì)大豆生產(chǎn)不夠重視，同時(shí)認(rèn)為大豆能通過根瘤固氮，不需要再施用肥料。但是，生物固氮不能滿足大豆生育期的全部氮需求，特別在高產(chǎn)條件下。以往通過田間試驗(yàn)對(duì)大豆施肥和種植密度進(jìn)行大量研究，在土壤肥力和產(chǎn)量指標(biāo)的基礎(chǔ)上提出了提高作物產(chǎn)量的施肥和栽培措施［21-22］。然而，這些試驗(yàn)在單個(gè)田塊進(jìn)行，其結(jié)果僅能反映此田塊最佳養(yǎng)分管理或密度，由于中國(guó)大豆產(chǎn)區(qū)氣候和土壤條件的變異較大，這些單個(gè)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于區(qū)域推廣應(yīng)用不具有普遍性，需要根據(jù)這些零碎的研究結(jié)果歸納出適用于大區(qū)域范圍的管理措施，以便于推廣應(yīng)用。因此，本研究收集了1998～2017年不同產(chǎn)區(qū)大豆的施肥量、種植密度、籽粒產(chǎn)量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了我國(guó)大豆主產(chǎn)區(qū)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的最佳氮、磷、鉀肥用量和種植密度，以期為區(qū)域范圍內(nèi)的大豆生產(chǎn)管理提供科學(xué) 依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于國(guó)際植物營(yíng)養(yǎng)研究所（IPNI）數(shù)據(jù)庫(kù)、大豆產(chǎn)業(yè)體系研究數(shù)據(jù)庫(kù)，以及中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）期刊1998年至2017年發(fā)表的論文。使用以下關(guān)鍵詞查閱文獻(xiàn)：大豆、產(chǎn)量、密度、施肥量。本研究共包括748個(gè)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)中所涉及的試驗(yàn)處理包括：“3414”平衡施肥、密度和施肥量、施氮量、施磷量、施鉀量試驗(yàn)（表1）。試驗(yàn)地點(diǎn)分布在我國(guó)大豆主產(chǎn)區(qū)（圖1），所有收集的數(shù)據(jù)均來自田間試驗(yàn)，有明確的施肥量、密度以及產(chǎn)量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)所涉用大豆品種都是當(dāng)?shù)仄毡榉N植的。

表1 收集大豆試驗(yàn)的類型與數(shù)量

1.2 數(shù)據(jù)分析

圖1 所有大豆試驗(yàn)點(diǎn)分布

根據(jù)播期將所收集的大豆數(shù)據(jù)分為夏大豆和春大豆（夏大豆6月初播種，春大豆4月末或5月初播種）進(jìn)一步分析。研究排除了收獲指數(shù)小于0.4 kg/kg的數(shù)據(jù)［1］，以排除作物在生長(zhǎng)季節(jié)受到非營(yíng)養(yǎng)缺乏以外的非生物或生物脅迫。并采用各試驗(yàn)中的最佳施肥處理（氮、磷、鉀用量根據(jù)推薦施用）的產(chǎn)量來研究20年內(nèi)我國(guó)大豆的產(chǎn)量變化。大豆籽粒含水量校定為135 g/kg。用Excel軟件擬合不同氮、磷、鉀肥施用量和種植密度與產(chǎn)量的二次函數(shù)，確定最佳施肥量和種植密度。利用SPSS 19.0對(duì)影響產(chǎn)量的因素進(jìn)行逐步回歸分析 （P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同大豆產(chǎn)區(qū)的土壤養(yǎng)分和種植密度

在東北春大豆產(chǎn)區(qū)，不同省份間土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均從小到大表現(xiàn)為遼寧<吉林<黑龍江（表2）。在夏大豆產(chǎn)區(qū)，土壤養(yǎng)分含量在不同省市沒有一致的變化趨勢(shì)，而且夏大豆產(chǎn)區(qū)的平均養(yǎng)分含量低于春大豆產(chǎn)區(qū)。

春大豆產(chǎn)區(qū)不同省份間的種植密度變化與土壤養(yǎng)分含量相似（表3）。在夏大豆產(chǎn)區(qū)，河南和山西省的種植密度高于其他省市。春大豆產(chǎn)區(qū)的平均密度（26.5萬株/hm2）高于夏大豆（21.1萬 株/hm2）。

2.2 大豆產(chǎn)量變化

從1998至2017年，春大豆和夏大豆的單位面積產(chǎn)量均逐步增加，且夏大豆產(chǎn)量的增加速率高于春大豆。在2009年以前，夏大豆的平均產(chǎn)量低于春大豆，而此后高于春大豆。夏大豆20年的平均產(chǎn)量（2 724 kg/hm2）高于春大豆（2 610 kg/hm2）（圖2）。夏大豆和春大豆的產(chǎn)量都主要集中在2 000～3 000 kg/hm2，分別占產(chǎn)量數(shù)據(jù)的46.4%和59.8%。其次是3 000～4 000 kg/hm2，分別占產(chǎn)量數(shù)據(jù)的31.4%和23.1%（圖 3）。

表2 不同大豆產(chǎn)區(qū)的土壤肥力（1998～2017年）

表3 不同區(qū)域的大豆種植密度 （萬株/hm2）

圖2 不同產(chǎn)區(qū)1998～2017年大豆產(chǎn)量變化

圖3 大豆產(chǎn)量數(shù)據(jù)在不同產(chǎn)量范圍的分布

2.3 大豆產(chǎn)量與施肥量關(guān)系

春、夏大豆的產(chǎn)量均隨施肥量的增加呈現(xiàn)先增加后下降趨勢(shì)（圖4）。根據(jù)施肥量和大豆產(chǎn)量擬合的二次方程，夏大豆在獲得最高產(chǎn)量時(shí)氮、磷、鉀肥用量分別為N 96 kg/hm2、P2O580 kg/hm2和 K2O 126 kg/hm2，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量分別為3 038、2 801和2 305 kg/hm2。春大豆在獲得最高產(chǎn)量時(shí)氮、磷、鉀肥用量分別為N 71 kg/hm2、P2O5108 kg/hm2和 K2O 74 kg/hm2，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量分別為2 932、2 834和2 678 kg/hm2。

2.4 密度與產(chǎn)量的關(guān)系

我國(guó)大豆生產(chǎn)中種植密度變化范圍較大 （8萬～80萬株/hm2），大豆產(chǎn)量隨著密度的增加呈先增加后減少趨勢(shì)（圖 5）。根據(jù)曲線可知，夏、春大豆的產(chǎn)量分別在27萬和34萬株/hm2時(shí)達(dá)最高，對(duì)應(yīng)產(chǎn)量分別為2 936和2 791 kg/hm2。隨著種植密度的逐步增加，夏大豆的增產(chǎn)或減產(chǎn)速率高于春大豆，說明群體密度對(duì)夏大豆產(chǎn)量的影響高于春大豆。

圖4 大豆產(chǎn)量與氮磷鉀肥用量的關(guān)系

圖5 大豆種植密度與產(chǎn)量的關(guān)系

2.5 肥料用量、種植密度對(duì)大豆產(chǎn)量的影響

逐步回歸分析表明，密度對(duì)夏大豆產(chǎn)量的影響最大，其次是施磷量（表4）。對(duì)春大豆來說，施磷量對(duì)產(chǎn)量的影響最大，其次是施鉀量、施氮量和種植密度。然而，回歸曲線中密度的引入表明，在春大豆產(chǎn)區(qū)，磷肥和鉀肥在大豆高產(chǎn)方面起著重要作用，其次是種植密度。

表4 大豆產(chǎn)量與密度和施肥量的逐步回歸分析

3 討論

自1998年以來，由于大豆的品種改良、平衡施肥等農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣，中國(guó)春、夏大豆產(chǎn)量均逐年增加。一般來說，同區(qū)域內(nèi)作物產(chǎn)量與土壤肥力成正相關(guān)。夏大豆產(chǎn)區(qū)的土壤養(yǎng)分含量和種植密度均低于春大豆，而平均產(chǎn)量高于春大豆，說明不同區(qū)域間大豆產(chǎn)量的差異可能主要受氣候條件、種植密度和肥料投入等影響。大豆是短日照喜溫作物，對(duì)光溫反應(yīng)比較敏感［23-24］。我國(guó)春大豆主要在東北地區(qū)，在大豆生長(zhǎng)的早期和晚期溫度和降雨較低，而夏大豆產(chǎn)區(qū)生育期溫度和降雨量均較高，更加有利于大豆的生長(zhǎng)和高產(chǎn)。各區(qū)種植的品種均在本地育成，適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，能充分利用本地氣候資源而實(shí)現(xiàn)高的產(chǎn)量。同時(shí)，華北和華南地區(qū)農(nóng)田的化肥投入量顯著高于東北地區(qū)［25］，高的養(yǎng)分投入可彌補(bǔ)土壤養(yǎng)分的不足。本研究中的平均產(chǎn)量數(shù)據(jù)可能被高估，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)均來自大豆主產(chǎn)區(qū)試驗(yàn)田，試驗(yàn)田的肥料施用配比合理，密度適宜，田間管理也較精細(xì)，有利于作物高產(chǎn)，而實(shí)際大豆生產(chǎn)中肥料施用不足及養(yǎng)分不平衡、種植密度過低、管理粗放等問題廣泛存在。

氮磷鉀的合理配施是決定大豆高產(chǎn)的關(guān)鍵因 素［26-27］。本研究表明，實(shí)現(xiàn)夏大豆高產(chǎn)的最佳氮、磷、鉀施用量分別為N 96 kg/hm2、P2O580 kg/hm2、K2O 126 kg/hm2，春大豆的最佳氮、磷、鉀施用量分別為N 71 kg/hm2、P2O5108 kg/hm2、K2O 74 kg/hm2。最高產(chǎn)量下夏大豆的最佳氮肥、鉀肥用量均高于春大豆，因?yàn)橄拇蠖公@得高產(chǎn)對(duì)養(yǎng)分需求更多，低的土壤養(yǎng)分供應(yīng)下需要較多的肥料投入才可滿足其養(yǎng)分需求。我國(guó)大部分地區(qū)土壤磷盈余，且東北地區(qū)土壤磷含量高于中北部［28-29］，但由于東北地區(qū)春季氣溫低，降低了土壤磷有效性，不能滿足大豆早期生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)磷的需求。為滿足大豆磷素需求，人們?cè)黾恿肆追视昧?，因而?dǎo)致計(jì)算的春大豆最佳磷肥施用量高于夏大 豆［30-31］。因此在東北地區(qū)早春季如何激活和充分利用土壤磷也是一個(gè)重要的節(jié)肥增效的研究方向。春大豆的最佳密度高于夏大豆，因?yàn)樽魑锏淖罴衙芏仁怯善贩N、當(dāng)?shù)貧夂蚝铜h(huán)境條件等因素決定的。大豆密植可以提高光能的截留和利用，提高大豆產(chǎn)量。東北地區(qū)春季氣溫和年有效積溫較低，要提高種植密度，充分利用光熱資源，才能獲得高產(chǎn)。

回歸分析顯示，磷肥和密度對(duì)春、夏大豆的高產(chǎn)影響較大，同時(shí)鉀肥對(duì)春大豆產(chǎn)量影響較顯著。因?yàn)榱资呛铣纱蠖棺蚜５鞍踪|(zhì)和脂肪的重要元素，并且磷素可以促進(jìn)根瘤的形成、發(fā)育和對(duì)大氣氮的固定、氨的轉(zhuǎn)化以及氨基酸的形成［32-33］，磷肥還能促進(jìn)大豆對(duì)氮和鉀肥的吸收［34］。在春大豆區(qū)，低溫影響土壤磷活性也是重要原因。東北地區(qū)土壤鉀素含量高于華北地區(qū)，而鉀肥用量與春大豆產(chǎn)量的相關(guān)性高于華北夏大豆。因?yàn)槿A北夏大豆區(qū)多為石灰性土壤，土壤鉀豐富，同時(shí)已普及的作物秸稈還田可返回土壤大量的鉀素。而東北地區(qū)溫度低，秸稈降解慢，秸稈還田很難推廣，大豆吸收的鉀主要依靠肥料投入。適宜的密度能增加單位面積內(nèi)大豆光合量，養(yǎng)分的吸收量，進(jìn)而提高大豆產(chǎn)量［35］。華北地區(qū)大豆多為小麥后直播，全量小麥秸稈還田會(huì)影響大豆播種質(zhì)量和出苗率，實(shí)際生產(chǎn)中存在密度過低現(xiàn)象［36］，因此種植密度對(duì)大豆產(chǎn)量影響顯著。在春、夏大豆產(chǎn)區(qū)，回歸方程中均沒有引入氮肥，可能因?yàn)橥寥赖毓?yīng)較高，大豆生物固氮提供了大部分氮素供應(yīng)，降低了對(duì)肥料氮的依賴。

中國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要以分散的家庭生產(chǎn)為主，田塊間的土壤質(zhì)地和肥力變異較大，一個(gè)固定的施肥量和種植密度不一定能在所有區(qū)域全部適合，根據(jù)單個(gè)田塊確定適宜的施肥量和種植密度更不現(xiàn)實(shí)。我們可以參照“大配方，小調(diào)整”［37-38］的思路結(jié)合不同區(qū)域的特征對(duì)施肥量和種植密度進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)大豆的高產(chǎn)高效。

4 結(jié)論

我國(guó)的大豆產(chǎn)量自1998年以來逐年增加，夏大豆平均產(chǎn)量高于春大豆。實(shí)現(xiàn)夏大豆高產(chǎn)的最佳氮、磷、鉀肥用量分別為N 96 kg/hm2、P2O580 kg/hm2、K2O 126 kg/hm2，春大豆高產(chǎn)的最佳氮、磷、鉀肥用量分別為N 71 kg/hm2、P2O5108 kg/hm2、K2O 74 kg/hm2。夏、春大豆高產(chǎn)的最適密度分別為 27萬和34萬株/hm2。種植密度是大豆高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，春、夏大豆區(qū)域均需要增加種植密度去實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，同時(shí)應(yīng)該注重磷肥施用。