豆科綠肥及施氮量對旱地麥田土壤主要肥力性狀的影響

張達斌，姚鵬偉，李 婧，趙 娜，王 崢，魚昌為，曹群虎，曹衛(wèi)東，高亞軍，4，*

(1.西北農林科技大學資源環(huán)境學院，楊凌 712100;2.陜西省長武縣農業(yè)技術推廣中心，長武 713600;3.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081;4.農業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農業(yè)環(huán)境重點實驗室，楊凌 712100)

隨著我國各地城市化進程飛速發(fā)展以及各種土地退化問題日益嚴重，如何在現(xiàn)有耕地的基礎上合理培肥土壤，已成為提高土地資源可持續(xù)利用的技術核心。我國干旱和半干旱地區(qū)的總面積約占全國陸地總面積的50%以上［1］，因此科學提高這些地區(qū)的土壤肥力水平，保證土壤健康狀況對我國現(xiàn)代農業(yè)生產具有深遠意義。研究發(fā)現(xiàn)［2-3］，將有機肥源施入土壤中能有效提高土壤微生物和土壤酶的活性，并在它們共同作用下順利完成腐殖化過程，逐漸形成促進土壤保肥保墑、改良土壤結構、提高土壤有機質含量的腐殖質。有機肥源中，以種植并翻壓豆科綠肥所取得的環(huán)境和社會效益最佳［4-5］。種植翻壓豆科綠肥可以有效提高土壤肥力［6-10］，改善土壤通氣性和保水性［6，9］，減少病蟲害發(fā)生幾率［9-10］，保證后茬作物產量與品質［11-13］。

渭北旱塬地區(qū)是典型的傳統(tǒng)旱作農業(yè)區(qū)，降水偏少、土壤貧瘠、土地生產力低是該地區(qū)特有的氣候和生態(tài)特點。據統(tǒng)計，該地區(qū)夏季休閑地面積200多萬公頃，夏閑期長達70—100 d，正值雨熱同季，不僅光熱資源白白浪費，而且由于缺乏植被覆蓋而不利于土壤水分保蓄。能否通過在夏閑期種植并翻壓短期豆科綠肥實現(xiàn)培肥土壤、提高土地和氣候資源利用率的目標?目前，關于種植翻壓不同豆科綠肥對渭北旱塬土壤肥力以及水分利用效率的研究報道尚不多見。本研究試圖通過田間定位試驗，探索在傳統(tǒng)的夏閑期連續(xù)種植并翻壓不同豆科綠肥對旱地土壤肥力狀況和水分生產效率的影響，以期為我國旱區(qū)耕地質量保育和農業(yè)增產增收提供理論依據和技術保障。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于黃土高原中南部的陜西省長武縣丁家鎮(zhèn)十里鋪村農技中心試驗基地(107°44'703″E，35°12'787″N)，海拔1 220 m，該地區(qū)地勢平坦，屬西北內陸暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季冷暖干濕分明，農業(yè)生產全部依賴天然降水，年均氣溫9.1℃，無霜期171 d。熱量豐富，年平均日照2 226.5 h，積溫2 994℃，多年平均降水588 mm，且季節(jié)性分布不均，多集中于夏秋季節(jié)，雨熱同季。

試驗地土壤為黃蓋粘黑壚土，母質為中壤質馬蘭黃土，土層深厚，全剖面土質均勻疏松，通透性好，肥力中等，基本理化性狀詳見表1。試驗區(qū)大部分耕層土壤貧氮少磷，鉀素豐富。研究區(qū)農業(yè)生產主要依賴生育期的天然降水和前期土壤蓄水，屬于典型的旱作農業(yè)區(qū)，且種植制度為典型的一年一熟或2a三熟。

表1 供試土壤基本性狀Table 1 Soil basic properties

1.2 試驗設計

試驗包括3種豆科綠肥:綠豆、大豆和長武懷豆(大豆的當?shù)仄贩N)，以夏季裸地休閑為對照;冬小麥生長季施氮量設4個水平:不施氮肥、當?shù)爻Ｒ?guī)施氮量80%(108 kg/hm2)、當?shù)爻Ｒ?guī)施氮量(135 kg/hm2)和當?shù)爻Ｒ?guī)施氮量120%(162 kg/hm2)。完全方案，共16個處理，田間排列采取裂區(qū)設計，以豆科綠肥為主區(qū)，施氮量為副區(qū)，重復3次，副區(qū)面積5 m×6 m=30 m2，小區(qū)間寬30 cm。

本試驗為定位試驗，自2008年以來每年的6月底收獲完小麥并立即播種綠肥，9月上旬至中旬收獲并將綠肥切碎翻壓于土壤中，翻壓深度20 cm，9月下旬至10月初繼續(xù)播種冬小麥。氮肥在冬小麥播前一次施入，同時施用P2O5120 kg/hm2;綠肥種植前不施氮肥，只施用P2O540 kg/hm2。2008年7月至2010年6月兩年間夏閑期(綠肥生長季)和小麥生長季降水量詳見表2。

表2 2008年7月—2010年6月夏閑期(綠肥生長季)和冬小麥生長季降水量Table 2 Rainfall during summer fallow(green manure growth)period and winter wheat growth period from July in 2008 to June in 2010

1.3 測定項目及方法

在綠肥盛花期(即綠肥翻壓前)、綠肥翻壓2—4周后(即小麥播種前)以及小麥收獲時分別采集各處理土壤0—200 cm剖面樣品，20 cm為一個樣品，測定土壤水分及礦質氮含量;留下0—20 cm土樣風干、研磨過篩后用于其它項目測定。礦質氮用1 mol/L KCl浸提-連續(xù)流動分析法測定，有機質用外加熱法，活性有機質采用的是0.2 mol/L(1/6 K2Cr2O7-1∶3H2SO4，水∶酸=3∶1)加熱法［14］，全氮用凱氏法，速效鉀用 1 mol/L 中性NH4OAC浸提-火焰光度計法，土壤水分用烘干法進行測定［15］，并測得以下指標:

土壤貯水量(Dw，mm)=∑θv×h，θv=θm × ρ，其中 θv為容積含水量(%)，h為土層厚度(cm)，θm為質量含水量(%)，ρ為土壤容重［16］;耗水量(mm)=小麥播前土壤貯水量(mm)+小麥生長季降雨量(mm)―小麥收獲時土壤貯水量(mm);水分生產效率(WUE，kg·mm－1·hm－2)=小麥籽粒產量(kg/hm2)/耗水量(mm)。

土壤C庫管理指數(shù)CPMI計算方法［17］:首先，計算土壤碳庫指數(shù)(CPI)= 樣品總碳含量(mg/g)/原始土樣總碳含量(mg/g);然后，計算土壤碳庫活度指數(shù)(AI)=樣品碳庫活度(A)/原始土樣碳庫活度(A)，其中，碳庫活度(A)=土壤活性有機碳含量(mg/g)/土壤非活性有機碳含量(mg/g);最后，土壤C庫管理指數(shù)(CPMI，%)=土壤碳庫指數(shù)(CPI)×碳庫活度指數(shù)(AI)×100。原始土樣指田間試驗開始前采集的土壤多點混合樣品。

數(shù)據采用SAS軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 豆科綠肥生物量及養(yǎng)分還田量

連續(xù)兩年試驗研究表明(表3)，綠肥產量以及養(yǎng)分還田量因品種和年份時間不同而有所差異。2008—2009年3種豆科綠肥間，大豆和懷豆地上部鮮重高于綠豆14.9%和19.0%，懷豆干重分別高于綠豆和大豆22.4%、22.0%，綠豆和大豆間差異不顯著;而2009—2010年綠豆無論是鮮重還是干重均顯著高于大豆和懷豆，大豆和懷豆差異不顯著。從養(yǎng)分還田量的角度來分析，2008—2009年，3種綠肥的磷、鉀養(yǎng)分還田量無顯著差異，懷豆氮還田量顯著高于大豆和綠豆，同時大豆氮還田量又顯著高于綠豆;2009—2010年，3種綠肥氮磷鉀養(yǎng)分還田量存在顯著性差異，綠豆最高，懷豆次之，大豆最低，綠豆還田量較高的原因主要與其較高的生物量有關。兩年合計，綠豆處理生物量鮮重和干重均最高，大豆處理干重最低;長武懷豆處理的氮素還田量最高，大豆處理的磷素還田量最低，三種綠肥處理的鉀素還田量差異不大。

表3 2008—2010年不同豆科綠肥生物量及養(yǎng)分還田量Table 3 Green manure biomass and nutrient returned into soil from 2008 to 2010

2.2 夏閑期種植并翻壓豆科綠肥對土壤肥力的影響

夏閑期綠肥-冬小麥輪作2a后，對各處理表層土壤的測定結果表明(表4):種植翻壓2a豆科綠肥能顯著提高土壤肥力，同時3種豆科綠肥處理的效果存在差異。

與休閑相比，種植并翻壓豆科綠肥的土壤有機質、活性有機質、土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)以及全氮含量分別增加 3.9%—11.7%、3.2%—7.6%、2.7%—7.6%和 4.5%—10.8%;與試驗前的土壤相比，豆科綠肥處理的土壤有機質、活性有機質、CPMI以及全氮含量分別提高－1.4%—6.0%、3.2%—7.6%、5.1%—10.1%和7.1%—13.6%。3種綠肥間，種植翻壓懷豆和大豆的培肥效果較好，其中懷豆處理的土壤活性有機質、CPMI和全氮含量以及大豆的土壤有機質、活性有機質含量均顯著高于綠豆處理，同時懷豆的土壤全氮含量比大豆處理高出6.0%—6.1%。

不施氮肥時，3種豆科綠肥處理土壤有機質含量比休閑處理增加8.3%—16.4%(平均12.8%);施氮108 kg/hm2時，綠肥處理比休閑增加4.7%—8.4%(平均6.0%);施氮135 kg/hm2時，綠肥處理比休閑增加－1.8%—7.9%(平均2.9%);施氮 162 kg/hm2時，綠肥處理比休閑增加 4.5%—14.8%(平均 9.5%)?？梢?，小麥生長季不施氮肥時，翻壓豆科綠肥對土壤有機質的提升作用更明顯。

翻壓綠肥處理的土壤速效鉀與休閑處理沒有顯著差異。

2008—2009年小麥播種前，種植翻壓長武懷豆的土壤礦質氮累積量顯著高于休閑處理，而2009—2010年小麥播前，綠豆處理顯著高于休閑處理(表5)。這與2a綠肥氮素還田量的高低規(guī)律一致:即2008—2009年長武懷豆處理的氮素還田量最高，而2009—2010年綠豆處理的氮素還田量最高(表3)。2008—2009年大豆和綠豆處理土壤礦質氮累積量與休閑處理相當，2009—2010年長武懷豆和大豆處理與休閑處理無顯著差異。這意味著缺乏有機物料施入時，休閑處理土壤有機氮礦化較明顯。

表4 2010年小麥收獲后土壤有機質、活性有機質、碳庫管理指數(shù)、速效鉀和全氮含量Table 4 Soil TOM，AOM，CPMI，available K and total N content after wheat harvest in 2010

表5 2008—2010年小麥播種前0—200cm土壤礦質氮累積量Table 5 Mineral N accumulation in soil of 0—200 cm depth before wheat sowing from 2008 to 2010

2.3 夏閑期種植并翻壓豆科綠肥對土壤水分的影響

不同時期土壤水分結果表明，夏閑期種植豆科綠肥消耗了較多的土壤水分。綠肥盛花期種植豆科綠肥處理的土壤0—200 cm貯水量比休閑處理低39.2—51.4 mm，隨著降水的進行其水分差異有所減小，但一直存在至小麥收獲時。3種豆科綠肥間，大豆處理的土壤貯水量最低(表6)。

表6 2009—2010年不同處理0—200 cm土壤貯水量Table 6 Soil water storage in 0—200 cm depth of different treatments from 2009 to 2010

小麥播前，種植綠肥處理與休閑處理土壤含水量的差異主要表現(xiàn)在60—120 cm土層。小麥播前，種植大豆處理與懷豆和綠豆處理土壤含水量的差異主要表現(xiàn)在80—120 cm土層;到小麥收獲時，差異則擴展至40—140 cm土層(圖1)。

圖1 2009—2010年小麥播種和收獲時0—200 cm土壤含水量Fig.1 Soil moisture of 0—200 cm depth before wheat sowing and after harvest from 2009 to 2010

2.4 夏閑期種植并翻壓綠肥對小麥產量、耗水量與水分生產效率的影響

2009—2010年試驗結果發(fā)現(xiàn)，夏閑期種植翻壓綠肥不僅有效增加了小麥籽粒產量，也顯著提高了土壤水分生產效率(表7)。

與休閑相比，懷豆和大豆處理的小麥籽粒產量顯著提高，分別增產9.5%和7.1%，綠豆處理的小麥籽粒產量增加6.3%。不施氮肥時，綠豆處理的小麥產量顯著低于懷豆和大豆處理;施氮肥時，三種綠肥處理之間產量差異并不顯著。夏季休閑時，連續(xù)2年不施氮肥顯著降低冬小麥產量;然而，夏閑期種植并翻壓長武懷豆和大豆時，連續(xù)2年不施氮肥卻沒有造成小麥的減產，這表明翻壓懷豆和大豆顯著提高了土壤供氮能力，可大大減少冬小麥對化肥氮的需求。

與夏休閑相比，豆科綠肥處理的小麥生長季耗水量沒有顯著差異。夏季休閑和種植翻壓綠豆時，連續(xù)2年不施氮肥顯著降低耗水量，這應該與其小麥產量的降低有關。懷豆和大豆處理施氮量對小麥生育期耗水量沒有顯著影響。

夏閑期種植并翻壓豆科綠肥的水分生產效率比休閑處理提高6.5%—8.8%，差異顯著，這與豆科綠肥處理較高的小麥產量有直接關系。不施氮肥時，懷豆和大豆處理的水分生產效率顯著高于休閑，而綠豆與休閑無顯著性差異;施用氮肥時，懷豆和大豆處理的水分生產效率與休閑無顯著差異，而綠豆處理的水分生產效率顯著高于休閑，表明施用氮肥能提高小麥水分生產效率，其中休閑和綠豆施用氮肥時的水分生產效率顯著高于其不施肥處理。

表7 2009—2010年小麥收獲時不同處理水分生產效率Table7 Water use efficiency(WUE)of different treatments after wheat harvest from 2009 to 2010

3 結論與討論

黃土高原地區(qū)三分之二的農田其表層(0—10 cm)土壤有機質含量低于10 g/kg，另三分之一面積的土壤有機質也僅有10—15 g/kg［18］，其中黃土高原丘陵溝壑區(qū)以南的渭北旱塬土壤有機質含量為8—12 g/kg［19］。土壤瘠薄與干旱少雨是限制這一地區(qū)農業(yè)生產的兩個幾乎同等重要的因素，水分匱缺和侵蝕嚴重是造成土壤肥力不足的主要原因，有機肥投入不足和培肥不力也影響了土壤肥力提高。大量研究證明，種植并翻壓豆科綠肥不僅能顯著提高土壤有機質含量［19-22］，增加土壤氮素供應［23-24］，還能改善土壤物理性狀［20-21］和生物學性狀［21］。冬小麥—夏休閑是渭北旱塬地區(qū)的主要種植制度之一，夏季休閑期正值雨熱同季，如果裸地休閑不僅會影響土壤水分的保蓄以及光熱資源的白白浪費，更能由于缺乏植被覆蓋而引發(fā)水土流失。盡管夏季的降水條件并不能滿足大部分地區(qū)復種一茬作物［25］，如果填閑種植短期豆科綠肥并在冬小麥播種之前提前翻壓入土，這樣不僅能充分利用該地區(qū)夏閑期降水和光溫資源，而且對提高土壤肥力具有重要的意義。該地區(qū)有多年種植豆類作物的歷史，一般當?shù)剞r民僅用于倒茬和收獲豆子，兼有養(yǎng)地作用［26-27］。但由于還田的根茬生物量有限，因此對土壤有機質含量的貢獻并不大［28-29］。如果將豆類作為綠肥全部翻壓還田會不會有顯著培肥效果呢?本研究發(fā)現(xiàn)，與休閑處理(不種綠肥)相比，連續(xù)2a夏季種植并翻壓豆科綠肥后耕層土壤有機質含量能夠增加3.9%—11.8%，全氮含量提高4.5%—10.8%;表明在渭北旱塬一年一熟地區(qū)，利用夏閑期插播短期豆科綠肥具有明顯培肥效果，這也與前人的報道規(guī)律一致［19］。

土壤有機質含量是表征土壤肥力高低的一個重要指標，而活性有機質在指示土壤質量和土壤肥力變化方面比有機質總量更靈敏［30］。還有研究指出，土壤C庫管理指數(shù)CPMI一方面反映了外界條件對土壤有機質數(shù)量的影響變化，另一方面反映了土壤活性有機質數(shù)量的變化情況，所以能夠較全面和動態(tài)地反映外界條件對土壤有機質性質的影響。CPMI上升，表明該措施對土壤有培肥作用，土壤性能向良性發(fā)展;CPMI下降，則表明土壤肥力下降，土壤性質向不良方向發(fā)展，其管理和施肥是不科學的［31］。研究發(fā)現(xiàn)［17］，長期施用有機肥能夠促進土壤有機質形成，增加土壤活性有機質和CPMI。本研究也發(fā)現(xiàn)，與休閑處理相比，連續(xù)2年種植并翻壓綠豆、大豆和懷豆后土壤的活性有機質含量能夠提高3.2%—7.6%，CPMI增加2.7%—7.6%，表明種植翻壓豆科綠肥能有效保證土壤肥力的穩(wěn)定與提高。

綠肥的培肥效果也會因綠肥種類的差異而不同。例如，李銀平［32］等發(fā)現(xiàn)，在新疆連作8a的棉田種植并翻壓4種不同綠肥后對土壤有機質含量有顯著不同的效果:與不種綠肥相比，草木樨使土壤有機質含量提高1.44 g/kg，大豆使有機質含量提高0.17 g/kg;而油菜和油葵則使土壤有機質含量分別降低1.58和0.17 g/kg。本試驗結果表明，雖然連續(xù)兩年種植長武懷豆和大豆的總生物量低于綠豆，然而其相應處理下的土壤有機質含量和活性有機質含量卻均高于綠豆處理，原因可能在于長武懷豆和大豆的碳含量明顯高于綠豆，而碳氮比顯著低于綠豆，更利于微生物分解轉化為腐殖類物質［33］。

夏閑期種植翻壓綠肥明顯消耗了土壤水分，尤其種植豆科綠肥后的60—120 cm土層水分含量要顯著低于休閑處理。盡管如此，種植綠肥處理小麥生長期間土壤耗水量與休閑處理沒有明顯差異，同時夏閑期利用綠肥顯著增加后茬小麥籽粒產量，最終顯著提高土壤水分生產效率，這應該主要歸功于種植并翻壓豆科綠肥后明顯的培肥效果。

在渭北旱塬夏閑期插播一季豆科綠肥，既有利于改善麥田土壤肥力，又顯著提高土壤水分生產效率，然而綠肥培肥地力的長期效應還有待于進一步研究;本試驗中3種豆科綠肥間，以當?shù)仄贩N——長武懷豆培肥效果最佳。

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