不同作物生態(tài)種植模式對砂質(zhì)土壤培肥與產(chǎn)量的影響

邢素麗+李會龍+楊軍芳+王鵬飛+孫世友+賈良良+韓寶文+茹淑華

摘要：該文根據(jù)試驗數(shù)據(jù)研究了不同作物種植模式對低肥力砂地土壤有機質(zhì)和速效鉀含量的影響。結(jié)果顯示，在低肥砂質(zhì)土壤上大豆單作、豇豆單作、綠豆-玉米一年兩熟、小麥-玉米-大豆兩年三熟、花生單作兩年能提高土壤有機質(zhì)含量10.6%-33.8%，大豆單作、豇豆單作、綠豆-玉米一年兩熟、小麥-玉米-大豆兩年三熟、甘薯單作、馬鈴薯-玉米輪作兩年提高土壤速效鉀含量22.9%-31.7%。相反，小麥-玉米一年兩熟、玉米單作和谷子單作，連續(xù)種植兩年后，降低了土壤有機質(zhì)和速效鉀含量，不利于砂質(zhì)農(nóng)田培肥。該文還提出砂質(zhì)農(nóng)田培肥的具體生態(tài)種植模式和技術(shù)建議，為砂地土壤改良提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)種植模式；砂質(zhì)農(nóng)田；土壤培肥；土壤有機質(zhì)，土壤速效鉀

北方平原砂質(zhì)農(nóng)田多分布于河流故道兩側(cè)，主要是由于河流多次泛濫、改道及近代河流洪積、沖積而成[1-2]。砂質(zhì)土壤包含較高比例砂粒和較低比例粘粒，具疏松、耕性和通透性良好等優(yōu)點，但同時具有低陽離子交換量、弱保肥性、弱結(jié)構(gòu)發(fā)育、易漏水和漏肥、土壤肥力水平低下的缺點[3]。因此，砂質(zhì)土壤需采用科學(xué)的農(nóng)業(yè)生態(tài)種植模式進行培肥改良，且是沙地培肥的長期艱巨歷史任務(wù)。本文根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，研究分析不同作物與種植模式對砂質(zhì)土壤化學(xué)性質(zhì)及作物產(chǎn)量和效益的影響，為平原沙區(qū)農(nóng)田土壤培肥技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)簡況

研究區(qū)位于藁城區(qū)興安鎮(zhèn)東里村，滹沱河故道西南河漫灘。該區(qū)域?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫12.5℃，年均降水量498 mm，無霜期198天，≥10℃積溫4181℃，日照時數(shù)2486.8 h， 光熱資源豐富，有良好的水澆條件，土壤類型為砂質(zhì)風(fēng)沙土。

1.2 研究方法

采用田間試驗研究方法。試驗時間在2013年10月-2015年11月。在地力均勻區(qū)域布設(shè)12個處理，分別為：處理1為“大豆單作”、處理2為“豇豆單作”、處理3為“花生單作”、處理4為“玉米單作”、處理5為“谷子單作”、處理6為“西瓜單作”、處理7為“棉花單作”、處理8為“甘薯單作”、處理9為“綠豆-玉米一年兩熟”、處理10為“馬鈴薯-玉米一年兩熟”、處理11為“小麥-玉米-大豆兩年三熟”、處理12為“小麥玉米一年兩熟”，每處理面積120 m2，隨機排列，重復(fù)三次。

參試作物品種分列如下：小麥品種為“石新828”、玉米品種為“鄭單958”、谷子為“冀谷19號”、花生品種為“冀花4號”、大豆品種為“冀豆9號”、甘薯品種為“冀薯19”、棉花品種為“冀棉228”、綠豆品種“中綠5號”、豇豆品種為“花豇豆”、馬鈴薯品種為“中薯5號”、西瓜品種為“星研7號”。

試驗前和種植兩年后各處理采取0-20 cm混合土樣，測定土壤有機質(zhì)、速效鉀含量狀況，分析不同作物種植模式對土壤的培肥效果；每季作物收獲后按實際收獲產(chǎn)量記錄各種農(nóng)作物產(chǎn)量，依據(jù)各類作物農(nóng)產(chǎn)品價格和不同作物種植成本計算分析經(jīng)濟效益。

供試肥料采用通用配方N：P2O5：K2O為15：15：15型緩釋型復(fù)混肥為底肥，46%含量尿素為追肥。各作物肥料供應(yīng)原則均根據(jù)優(yōu)化平衡施肥足量供給，其中小麥底肥用量每季750 kg/hm2，春季追施尿素300 kg/hm2；甘薯、馬鈴薯、西瓜底肥用量每季750 kg/hm2，追肥用量600 kg/hm2，分2-3次追施；大豆、豇豆、綠豆和谷子施肥量每季450 kg/hm2，底肥施入，不追肥；花生、玉米、棉花施肥量每季600 kg/hm2，底肥施入，不追肥。其它管理同常規(guī)管理，作物生長期間長勢良好，均沒有后期脫肥癥狀。

1.3 分析測定方法

土壤有機質(zhì)采用高溫外熱K2Cr2O7氧化容量法測定、土壤速效鉀采用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法[4]。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

采用Micro Excel和DPS 7.05進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同作物種植模式對土壤有機質(zhì)含量的影響

從表1可以看出，種植作物兩年后，不同種類的作物種植模式土壤有機質(zhì)含量差異較大。處理1-處理12土壤有機質(zhì)含量分別為：9.5 g/kg、9.4 g/kg、7.6 g/kg、5.4 g/kg、5.5 g/kg、7.2 g/kg、 6.9 g/kg、7.1 g/kg、9.0 g/kg、6.4 g/kg、8.6 g/kg和5.3 g/kg，與種植前土壤相比，土壤有機質(zhì)分別增加2.4 g/kg、2.1 g/kg、0.7 g/kg、-0.9 g/kg、 -0.7 g/kg、0.1 g/kg、0.2 g/kg、0.1 g/kg、1.8 g/kg、 -0.1 g/kg、1.7 g/kg、-1.0 g/kg，增加百分比分別為：33.8%、28.3%、10.6%、-13.8%、-11.3%、1.4%、2.5%、1.4%、24.5%、 -1.5%、24.2%和-15.9%。不同作物種植模式土壤有機質(zhì)變異較大，變異幅度從-10 g/kg-2.4 g/kg， 變異百分比從-15.9% -33.8%。其中，處理1（大豆單作）土壤有機質(zhì)增加量最大，其它處理模式土壤有機質(zhì)增量依次為處理2（豇豆單作）>處理9（綠豆-玉米一年兩熟）>處理11（小麥-玉米-大豆兩年三熟）>處理3（花生單作）>處理7（棉花單作）>處理8（甘薯單作）>處理6（西瓜單作）>處理10（馬鈴薯-玉米一年兩熟）>處理5（谷子單作）>處理4（玉米單作）>處理12（小麥-玉米一年兩熟）。

從增量幅度看，處理1、2、9、11、3比種植前土壤有機質(zhì)含量增加幅度在10.6%-33.8%，且與其它模式差異達顯著或極顯著水平，由此說明豆科作物與禾本科作物輪作以及花生單作模式，都是沙地有機質(zhì)培肥的較好選擇；處理7、8、6比種植前土壤有機質(zhì)增加量很小，僅1.4-2.5%，說明種植薯類、西瓜、棉花對沙地土壤有機質(zhì)影響較??；處理10、5、4、12種植兩年后引起土壤有機質(zhì)下降，不利于沙地有機質(zhì)培肥，其中小麥-玉米一年兩熟、谷子單作、玉米單作土壤有機質(zhì)降幅達11.3%-15.8%，不利于沙地有機質(zhì)積累。幾種模式中小麥-玉米輪作對土壤有機質(zhì)耗費最大。

2.2 不同作物和種植模式對土壤速效鉀含量的影響

種植作物兩年后，不同類型的作物及種植模式，土壤速效鉀含量差異較大。處理1-處理12土壤速效鉀含量分別為：192.3 mg/kg、177.7 mg/kg、107 mg/kg、106 mg/kg、115 mg/kg、125 mg/kg、107 mg/kg、167 mg/kg、182 mg/kg、164.7 mg/kg、190 mg/kg和97.3 mg/kg，與種植前土壤速效鉀含量相比，土壤速效鉀分別增加46.3 mg/kg、42.7 mg/kg、4.0 mg/kg、-3.0 mg/kg、-6.0 mg/kg、4.0 mg/kg、-3.0 mg/kg、32.0 mg/kg、39.7 mg/kg、30.7 mg/kg、44.0 mg/kg和-11.7 mg/kg，增加百分比分別為：31.7%、31.6%、3.9%、-2.8%、-5.0%、3.3%、-2.7%、23.7%、27.7%、22.9%、30.1%和-10.7%。不同種植模式土壤速效鉀變異較大，變異幅度從-11.7 mg/kg-46.3 mg/kg，變異百分比從-10.7% -31.7%。其中，處理1土壤速效鉀變化差異最大，其它處理模式土壤速效鉀變化量從高到低依次為處理2>處理11>處理9>處理8>處理10>處理3>處理6>處理7>處理4>處理5>處理12。

從增量幅度看，處理1、2、11、9、8、10比種植前土壤速效鉀含量增加幅度在22.9%-31.7%，這6個處理間差異不顯著。其中，大豆單作增加最多達31.7%，其次為豇豆單作達31.6%，小麥、玉米大豆兩年三熟達30.1%，與其它模式差異達極顯著水平，由此說明豆科作物與禾本科作物輪作模式，適宜于沙地速效鉀培肥；處理3、6比種植前土壤速效鉀增加量較小，分別為3.9%和3.3%，說明種植花生和西瓜沙地土壤速效鉀有一定促進作用；處理7、4、5、12也就是棉花單作、谷子單作、玉米單作以及小麥-玉米一年兩熟模式種植兩年后會造成土壤速效鉀積累量顯著下降，引起土壤速效鉀下降，其中小麥-玉米一年兩熟模式會使土壤速效鉀含量較大幅度下降，幅達10.7%，對土壤肥力影響最大。

2.3 不同種植模式對產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的影響

由于作物種類和栽培模式不同，不同種植模式間產(chǎn)量和效益差異較大。處理1-處理12作物年均產(chǎn)量分別為2657.5 kg/hm2、2765 kg/hm2、3430 kg/hm2、6382.5 kg/hm2、2922.5 kg/hm2、42190 kg/hm2、3085 kg/hm2、33177.5 kg/hm2、8065 kg/hm2、38992.5 kg/hm2、7640 kg/hm2和12695 kg/hm2。受市場價格和生產(chǎn)成本影響，年均效益分別為3990.8元/hm2、6990元/hm2、8023.5元/hm2、4339.5元/hm2、6022.5元/hm2、11777元/hm2、733元/hm2、8956.5元/hm2、12736元/hm2、9819.5元/hm2、5590元/hm2和7550元/hm2。年均效益按從高到低排序依次為綠豆-玉米一年兩熟、西瓜單作、馬鈴薯-玉米一年兩熟、甘薯單作、花生單作、小麥-玉米一年兩熟、豇豆單作、谷子單作、小麥-玉米-大豆兩年三熟、玉米單作、大豆單作、棉花單作，其中，處理“綠豆-玉米一年兩熟”和“西瓜單作”處理效益相對較高，分別為12736元/hm2和11777元/hm2， 且與其他處理間差異顯著；棉花單作效益最低，為733元/hm2，與其他處理間差異達顯著水平（表2）；其它9種生產(chǎn)模式效益應(yīng)用較多的主要有甘薯單作、花生單作、小麥-玉米一年兩熟、馬鈴薯-玉米一年兩熟。

價格參考：小麥2.3元/kg、玉米2.2元/kg、大豆4.5元/kg、豇豆6元/kg、棉花7元/kg、花生7元/kg、甘薯0.6元/kg、馬鈴薯0.6元/kg、西瓜0.8元/kg、綠豆10元/kg、谷子6元/kg。

成本參考：小麥753.5元/季·畝、玉米646.8元/季·畝、大豆531.2元/季·畝、豇豆640元/季·畝、棉花1390.8元/季·畝、花生1065.8元/季·畝、甘薯730元/季·畝、馬鈴薯850元/季·畝、西瓜1465元/季·畝、綠豆610元/季·畝、谷子767.5元/季·畝 [5]。

3 討論

3.1 大豆單作、花生單作、小麥-玉米-大豆輪作、綠豆-玉米輪作能較快提升沙地土壤有機質(zhì)含量

土壤有機質(zhì)是土壤中最活躍的成分，是衡量土壤肥力的重要指標，也是土壤退化的重要指標，決定著土壤肥力水平和作物的產(chǎn)出及效益的高低[6]。研究表明，多種作物對土壤有機質(zhì)有促進作用。如大豆單作比大豆-玉米間作顯著提高土壤有機質(zhì)含量[7，8]。資料也顯示，如果只是供給常量NPK化肥，小麥-玉米輪作模式的土壤易氧化，有機質(zhì)含量明顯下降，氧化穩(wěn)定系數(shù)（Kos）升高，土壤腐殖質(zhì)組成及其性質(zhì)均有所惡化，土壤供肥能力降低[9]。

本研究結(jié)果表明，小麥-玉米一年兩熟、玉米單作和谷子單作，施用常量施肥量，連續(xù)種植兩年后，不同程度降低了土壤有機質(zhì)含量，相比試驗前分別降低18.5%、15.9%、10.8%，顯著降低了土壤肥力。相反，大豆單作、花生單作、小麥-玉米-大豆輪作、綠豆-玉米輪作，土壤有機質(zhì)提升較快，種植后土壤有機質(zhì)含量快速增長10.6% -33.8%，相比其它處理模式差異達顯著水平。

3.2 種植豆科作物、薯類作物增加沙地土壤速效鉀含量

土壤速效鉀包括土壤水溶性鉀和交換性鉀。土壤水溶性鉀和交換性鉀是土壤鉀庫中最活躍的組分，緩效性鉀和礦物鉀則轉(zhuǎn)化較慢[10，11]。土壤鉀素的轉(zhuǎn)化是一個可逆過程，其反應(yīng)方向依賴于土壤交換性鉀和水溶性鉀的濃度和環(huán)境條件。當鉀濃度提高以后，反應(yīng)就由交換性鉀向非交換性鉀方向進行，使部分交換性鉀進入2∶1型粘土礦物的復(fù)三方網(wǎng)孔中，成為非交換性鉀，同時也將導(dǎo)致礦物晶層收縮。鉀的固定和釋放是2∶1型粘土礦物層間鉀與交換性鉀和水溶性鉀之間動態(tài)平衡控制的物理化學(xué)過程，與粘土礦物類型、土壤水分狀況、銨離子濃度有密切關(guān)系，而土壤培肥與耕作方式是影響這一過程的主要因素[12]。不同作物對養(yǎng)分需求量的差異，是土壤養(yǎng)分變異的原因之一。

本研究顯示，大豆單作、豇豆單作、小麥-玉米-大豆兩年三熟、綠豆-玉米一年兩熟、甘薯單作、馬鈴薯-玉米一年兩熟作物及模式能顯著促進速效鉀積累，相比種植前增加22.9%-31.7%；花生單作、西瓜單作能小幅度提升速效鉀含量，相比種植前增加3.3-3.9%。但是，根據(jù)資料花生連作3年導(dǎo)致土壤微生物總量下降、土壤酶活性降低、土壤有效磷和速效鉀含量下降[13，14]。結(jié)合本研究花生對土壤有機質(zhì)的貢獻，建議花生與小麥-玉米輪作倒茬促進沙地土壤培肥。小麥-玉米一年兩熟、玉米單作、谷子單作，引起土壤速效鉀含量下降。不建議在沙質(zhì)土壤長期應(yīng)用。

4 結(jié)論

在低肥砂質(zhì)土壤上大豆單作、豇豆單作、綠豆-玉米一年兩熟、小麥-玉米-大豆兩年三熟、花生單作兩年能提高土壤有機質(zhì)含量10.6%-33.8%，大豆單作、豇豆單作、綠豆-玉米一年兩熟、小麥-玉米-大豆兩年三熟、甘薯單作、馬鈴薯-玉米輪作兩年提高土壤速效鉀含量22.9%-31.7%；受市場價格影響，幾種經(jīng)濟效益較好的模式排序為綠豆-玉米一年兩熟>西瓜單作>馬鈴薯-玉米一年兩熟>甘薯單作>花生單作>小麥-玉米一年兩熟>豇豆單作。從生態(tài)培肥的角度出發(fā)，小麥-玉米一年兩熟、玉米單作和谷子單作，連續(xù)種植兩年后，降低了土壤有機質(zhì)和速效鉀含量，不利于砂質(zhì)農(nóng)田培肥。

砂質(zhì)農(nóng)田培肥應(yīng)以生態(tài)培肥為原則，因地制宜，合理輪作倒茬。低有機質(zhì)地塊，選擇豆科與禾本科作物輪作模式，可以使土壤有機質(zhì)得到快速提升；對鉀含量低的沙地農(nóng)田，采用豆科作物、薯類作物與禾本科作物輪作等方式，可以兼顧土壤有機質(zhì)的提升和土壤鉀的快速補充，同時獲得較好的經(jīng)濟效益，達到科學(xué)合理利用沙地，逐步實現(xiàn)沙地培肥的目的。

參考文獻

[1]耿鳳梅. 河北省沙化現(xiàn)狀及治理對策[J]. 河北林業(yè)科技，2007，7月增刊.

[2] 張麗榮，趙京獻，李夕軍. 河北省土地沙化和荒漠化現(xiàn)狀分析及綜合治理措施[J]. 河北林業(yè)科技，2009（05）：41-45.

[3] 章明奎，方利平. 砂質(zhì)農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分積累和遷移特點的研究[J]. 水土保持學(xué)報，2004，20（2）：46-49.

[4] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000：107-109，147-149，150-152，166-168，179-181，191-195.

[5] 河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒[M]. 石家莊：中國統(tǒng)計出版社，2013：260-269.

[6] 勞秀榮，吳子一，高燕春. 長期秸稈還田改土培肥效應(yīng)的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002，18（2）：49-52，

[7] 張智暉. 玉米/大豆間作模式對土壤酶活性及土壤養(yǎng)分的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（16）：9706-9707.

[8] 劉建國，張 偉，李彥斌，等. 新疆綠洲棉花長期連作對土壤理化性狀與土壤酶活性的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42（2）：725-733.

[9] 韓志卿，張電學(xué)，陳洪斌，等. 長期定位施肥小麥-玉米輪作制定下土壤有機質(zhì)質(zhì)量演變規(guī)律[J]. 河北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2003，17（4）：10-14.

[10] 張 浩，王正銀，董 燕，等. 砂質(zhì)土壤pH對中性緩釋復(fù)合肥養(yǎng)分釋放特性的影響研究[J]. 水土保持學(xué)報，2006，20（2）：46-49.

[11] 徐 穎. 污泥用作農(nóng)肥處置及其環(huán)境影響[J]. 環(huán)境污染與防治，1993，15（4）：24-27.

[12] 梁成華，魏麗萍，羅 磊. 土壤固鉀與釋鉀機制研究進展[J]. 地球科學(xué)進展，2002，17（5）：679-683.

[13] 鄭亞萍，王才斌，黃順之，等. 花生連作障礙及其緩解措施研究進展. 中國油料作物學(xué)報，2008，30（3）：384-388.

[14] 徐瑞富，王小龍. 花生連作土壤微生物群落動態(tài)與土壤養(yǎng)分關(guān)系研究[J]. 花生學(xué)報，2003，32（3）：19-24.