黃土高原溝壑區(qū)果園綠肥油菜翻壓對(duì)土壤水肥的影響

王春麗，楊建利，王周禮，張 智，陳文杰

(陜西省雜交油菜研究中心，陜西楊陵 712100)

中國(guó)黃土高原溝壑區(qū)海拔800～1500m，具有北方旱寒區(qū)的典型氣候特點(diǎn)，土地資源豐富，光照充足，晝夜溫差大，干旱寒冷，溫度和降雨量從東南到西北遞減。當(dāng)?shù)啬杲邓?50mm左右,主要集中于6—9月，而且分布不勻,風(fēng)沙干旱年時(shí)有發(fā)生；夏季溫涼，平均極端最高溫度37.9℃，冬季寒冷，極端最低溫度可達(dá)-20℃以下。當(dāng)?shù)刂饕屈S綿土，土層厚而松，由于長(zhǎng)期以來受到強(qiáng)烈的土壤侵蝕，土壤中的養(yǎng)分嚴(yán)重?fù)p失，有機(jī)質(zhì)含量很低，土壤理化性質(zhì)惡化，土壤板結(jié)，通氣透水性能降低，土壤肥力和質(zhì)量較差。當(dāng)?shù)睾岛臍夂蛱攸c(diǎn)及瘠薄的土壤條件嚴(yán)重影響作物的生長(zhǎng)。

黃土高原溝壑區(qū)是世界公認(rèn)的蘋果最佳適生區(qū)，蘋果種植面積巨大，僅延安地區(qū)蘋果面積已超過20萬(wàn)hm2，是陜西省蘋果主要產(chǎn)區(qū)之一。干旱和土壤瘠薄嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)靥O果產(chǎn)量和品質(zhì)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)毓麍@土壤有機(jī)質(zhì)平均含量普遍不足1%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家4%～8%的平均水平[1]；當(dāng)?shù)靥O果園養(yǎng)分投入量偏低，其中化肥提供的N、P2O5和K2O占養(yǎng)分總投入量的80%以上，有機(jī)肥投入嚴(yán)重不足[2]。

果園施用有機(jī)質(zhì)可提高土壤保水保肥能力，促進(jìn)果樹根系生長(zhǎng)，增加根系在深層土壤中的分布，提高根系活力，促進(jìn)根系對(duì)養(yǎng)分的吸收和向果實(shí)中的轉(zhuǎn)移，顯著增加蘋果產(chǎn)量，并可增加果實(shí)可溶性糖、維生素C、可溶性固形物含量，提高糖酸比，改善蘋果品質(zhì)，使蘋果果面光潔、個(gè)大、優(yōu)果率較高[3-5]。大量的研究表明，種植綠肥可以改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，降低土壤的體積質(zhì)量，增加土壤孔隙度和含水量，改良土壤沙、黏、酸、堿、鹽等障礙因子，調(diào)節(jié)土壤氮、磷、鉀庫(kù)，促使土壤中固定的營(yíng)養(yǎng)元素的釋放，促進(jìn)土壤微生物和酶的活性，逐步提高土壤肥力水平[6]。田間長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與不翻壓綠肥地塊相比，種植、翻壓綠肥的田塊土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀及速效磷含量顯著增加，土壤微生物活性、土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性顯著提高[7-9]。

為了改善土壤瘠薄的狀態(tài)和增加土壤有機(jī)質(zhì)，黃土高原地區(qū)從上世紀(jì)90年代就開始推廣果園套種并翻壓豆科綠肥如苜宿、沙打旺、黃豆等，但沒有取得突破性進(jìn)展。紫花苜宿、沙打旺是多年生牧草，可在土壤中形成密集的根系層，引起土壤水分的過度消耗；黃豆種植成本較高、產(chǎn)草量少；黃豆和牧草的耗水高峰均在6—8月份，正值蘋果膨大、生長(zhǎng)和需水需肥的關(guān)鍵時(shí)期，易與果樹爭(zhēng)水爭(zhēng)肥。

油菜是1a生養(yǎng)地作物，種質(zhì)資源豐富，可分為白菜型、甘藍(lán)型、芥菜型等類型以及冬性、春性等品種。油菜具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗逆性,耐寒、耐旱，對(duì)土壤肥力要求不高，坡地、低洼地都可很好地生長(zhǎng)，是北方旱寒區(qū)新型油料作物和生態(tài)作物。油菜春、夏、秋三季都可播種，在雨季播種的油菜可迅速形成較大生物量，且不會(huì)象多年生牧草那樣形成密集厚實(shí)的根系層，避免和果樹爭(zhēng)水爭(zhēng)肥。油菜植株中營(yíng)養(yǎng)元素含量豐富，莖葉易于腐爛，種子廉價(jià)，種植成本低，因而比其他綠肥更具有推廣優(yōu)勢(shì)。

本研究針對(duì)黃土高原溝壑區(qū)果園春季干旱缺水、土壤瘠薄以及當(dāng)?shù)貝毫拥纳鷳B(tài)環(huán)境，利用當(dāng)?shù)厍锛径嘤甑臍夂蛱攸c(diǎn)，于夏末秋初在山地蘋果園行間套種不同類型不同品種的油菜，入冬前翻壓還田，檢測(cè)其對(duì)土壤水分、養(yǎng)分含量的影響，以篩選宜作綠肥的油菜類型，探討在耗水較少的條件下能有效培肥土壤的綠肥還田技術(shù)模式，解決黃土溝壑區(qū)果園土壤瘠薄的現(xiàn)實(shí)問題，以促進(jìn)蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于陜西省延安市寶塔區(qū)河莊坪鎮(zhèn)余家溝村(36°11′～37°09′N，109°21′～110°03′E)的山地果園內(nèi)，海拔1 300 m；研究區(qū)域冬春干旱、秋季多雨，年平均降雨量500 mm 左右，年均氣溫9.4 ℃，無(wú)霜期170～186 d。該區(qū)域土壤質(zhì)地為黃綿土，土質(zhì)疏松，土層深厚。試驗(yàn)地為地勢(shì)平坦的臺(tái)田，蘋果主栽品種為4 a生雨養(yǎng)紅富士(MaluspumilaMill)，八棱海棠作砧木，種植密度為5 m×4 m，平均樹干直徑為17.8 cm，平均樹高為2.6 m，平均冠幅直徑為2.3 m。套種油菜為：‘2002’(V1)、‘春陜2B’(V2)、‘2013’(V3)、‘1721-1B’(V4)、‘浩油11’(V5)、‘09鑒8’(V6)、‘延油2號(hào)’(V7)、‘天油7號(hào)’(V8)、‘天油10號(hào)’(V9)、‘天油8號(hào)’(V10)和‘隴油8號(hào)’(V11)11個(gè)品種；其中V1、V2、V3、V4為甘藍(lán)型(BrassicanapusL.)冬性品種，V5為白菜型(BrassicacampestrisL.)春性品種，V6、V7、V8、V9、V10、V11為白菜型(BrassicacampestrisL.)冬性 品種。

在果園行間距果樹主桿1.2 m套種油菜，油菜行距0.40 m、株距0.10 m、種植密度約25 萬(wàn)株·hm-2，播種時(shí)間為2018-08-14，油菜出苗時(shí)間8月22日前后。統(tǒng)一耕作、統(tǒng)一施肥管理、全程無(wú)灌溉。記載各油菜品種生長(zhǎng)情況。

試驗(yàn)設(shè)置果園套種并翻壓不同品種油菜的處理、以及不種油菜免耕空白(Blank)處理，以不種油菜并用旋耕機(jī)淺耕田為對(duì)照(Control)。秋季雨季來臨前在果樹行間套種不同品種油菜，秋末(10月30日)用旋耕機(jī)將油菜淺耕還田。每個(gè)油菜品種設(shè)3個(gè)小區(qū)的重復(fù)，重復(fù)內(nèi)各油菜品種隨機(jī)排列，小區(qū)面積12 m2(3.0 m×4.0 m)。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.2.1 油菜地上(莖葉)、地下部分(根)生物學(xué)產(chǎn)量、地上部分干質(zhì)量、主根長(zhǎng)度 每小區(qū)選取生長(zhǎng)均勻有代表性區(qū)域，用0.8×1.0 m2取樣框取樣，割取油菜地上部分，稱鮮質(zhì)量并換算，計(jì)為地上生物學(xué)產(chǎn)量(S)；統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)油菜株數(shù)并挖出油菜的根系部分，抖凈泥土，稱量并換算，計(jì)為地下生物學(xué)產(chǎn)量(R)；3次重復(fù)。測(cè)量單株主根長(zhǎng)度， 5次重復(fù)。

將樣方內(nèi)油菜地上部分在105 ℃殺青30 min，然后在60 ℃下烘至恒量，稱量干質(zhì)量，換算成單位面積油菜地上部分干質(zhì)量。3次重復(fù)。

1.2.2 土壤水分含量 分別于油菜生長(zhǎng)旺盛期(10月8日)、翌年春季(3月18日，4月18日)用土鉆分段取0～20、20～40、40～60 cm土層的土壤，裝入鋁盒，土壤水分含量測(cè)定采用烘干稱重法。3次重復(fù)。

1.2.3 單位面積耗水量及單位耗水生物學(xué)產(chǎn)量(干質(zhì)量) 采用環(huán)刀法分別測(cè)量土壤剖面上0～20、20～40、40～60土層土壤體積質(zhì)量 (g·cm-3)，5次重復(fù)。

根據(jù)各層土壤體積質(zhì)量分別計(jì)算0～20、 20～40、40～60土層單位面積的土壤體積質(zhì)量[W，(g·m-3)]；與對(duì)照相比，計(jì)算各土層土壤水分含量的減少值(D，%)；再根據(jù)Cn=W×D，分別計(jì)算0～20、20～40、40～60土層單位面積土壤水分的減少量[Cn，(g·m-3)]，各層土壤水分減少量的總和作為單位面積0～60 cm 土層土壤的耗水量[即單位面積耗水量，(g·m-3)]。

根據(jù)單位面積上油菜地上部分干質(zhì)量及單位面積耗水量，換算單位耗水地上部分的生物學(xué) 產(chǎn)量。

1.2.4 土壤養(yǎng)分含量 油菜翻壓當(dāng)天于還田前(Before soil-returning,BR)(10月29日)和還田后(After soil-returning,AR)的次年春季(3月17日)，分別采集耕層0～20 cm土壤，測(cè)定其養(yǎng)分含量。土壤有效磷含量的測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀含量的測(cè)定采用醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)比色法，堿解氮含量的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及圖表制作，采用 DPS V 7.55進(jìn)行方差分析，應(yīng)用Duncan’s新復(fù)極差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 果園行間套種并翻壓油菜對(duì)土壤水分含量的影響

在油菜生長(zhǎng)旺盛期，如圖1所示，淺耕空白(Blank)與對(duì)照相比無(wú)顯著差異；甘藍(lán)型冬性品種V1、V2、V3、V4處理的0～20 cm和V3處理的20～40、40～60 cm土層土壤水分含量均顯著低于對(duì)照，而V1、V2、V4處理20～40、40～60 cm土層土壤水分含量與對(duì)照相比差異不顯著；白菜型冬性品種V8、V9、V10處理的0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤水分含量均顯著低于對(duì)照，而品種V6、V7、V11處理的0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤水分含量沒有顯著變化；白菜型春性品種V5處理的0～20 cm土層水分含量顯著低于對(duì)照。即在油菜生長(zhǎng)過程中、甘藍(lán)型冬性品種和白菜型春性品種主要消耗并影響0～20 cm土層的土壤水分，而白菜型冬性品種會(huì)導(dǎo)致0～60 cm土層的土壤水分含量降低。

如圖2所示，與對(duì)照相比，油菜翻壓還田后翌年3月份，甘藍(lán)型品種V1、V3處理的0～20 cm、V2處理的40～60 cm土層土壤水分含量顯著降低；白菜型春性品種V5及白菜型冬性品種V8、V9、V10處理的0～20、20～40、40～60 cm、V7處理的20～40 cm 、V11處理的40～60 cm土層土壤水分含量均顯著低于對(duì)照；其余處理(包括淺耕空白Blank)各層次土壤水分含量與對(duì)照相比差異不顯著。可見，秋季種植并翻壓甘藍(lán)型冬性品種油菜主要引起翌年春季3月份0～20 cm土層土壤水分含量的降低，而白菜型春性及其冬性品種會(huì)導(dǎo)致翌年3月份0～60 cm土層土壤水分含量的降低,秋末淺耕對(duì)翌年3月份土壤水分含量無(wú)顯著影響。

如圖3所示，油菜翻壓還田后翌年4月份，甘藍(lán)型品種V3、V4處理的0～20 cm土層、V2處理的0～20、40～60 cm土層土壤水分含量顯著低于對(duì)照，白菜型春性品種V5及其冬性品種V6、V11處理的0～20 cm土層、V7處理的0～20、40～60 cm土層、V7、V8、V9處理的0～20、20～40、40～60 cm土層土壤水分含量均顯著低于對(duì)照，其余處理(包括淺耕空白Blank)各層次土壤水分含量與對(duì)照相比差異不顯著。顯然，秋季種植并翻壓甘藍(lán)型冬性及白菜型春性油菜主要使翌年4月份0～20 cm土層土壤水分含量降低，而白菜型冬性油菜可使翌年4月份0～60 cm土層土壤水分含量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，秋末淺耕對(duì)翌年4月份土壤水分含量無(wú)顯著影響。

2.2 不同品種油菜單位面積耗水量及單位耗水地上部分生物學(xué)產(chǎn)量的比較

比較不同品種油菜在生長(zhǎng)季節(jié)單位面積0～60 cm土層的耗水量(圖4-A)，可以看出，甘藍(lán)型冬性品種V3及白菜型冬性品種V8、V9、V10耗水較多，甘藍(lán)型冬性品種V1、V2、V4及白菜型春性品種V5、白菜型冬性品種V6、V7、V11耗水較少。反之，單位耗水地上部分生物學(xué)產(chǎn)量(干質(zhì)量)較大的有品種V1、V11，其次是V2、V4、V5、V6、V7，而品種V3及V8、V9、V10單位耗水的生物學(xué)產(chǎn)量最小(圖4-B)。即大多數(shù)甘藍(lán)型冬性品種及部分白菜型(春性和冬性品種)油菜秋季單位面積的耗水量較少、且單位耗水的生物學(xué)產(chǎn)量 較大。

2.3 不同品種油菜地上及地下部分生物學(xué)產(chǎn)量的比較

如表1所示，參試品種油菜秋末地上部分鮮質(zhì)量由大到小依次是V10>V5>V3>V11> V2>V8>V9>V7>V4>V1>V6，白菜型品種V10、V5最大，其次是甘藍(lán)型品種V3(V5與V3間無(wú)顯著差異)，再次是甘藍(lán)型品種V2與白菜型品種V11、V8、V9(這幾個(gè)品種間無(wú)顯著差異)，甘藍(lán)型品種V1、V4及白菜型品種V6、V7的地上部分鮮質(zhì)量相對(duì)較小。品種間比較，秋季甘藍(lán)型油菜與白菜型油菜形成的地上部分莖葉鮮質(zhì)量未呈有規(guī)律的變化。

根部鮮質(zhì)量由大到小依次是V11>V10> V6>V7>V8>V3>V9>V5>V2>V1>V4，白菜型冬性品種V10、V11的根鮮質(zhì)量最大，顯著高于其他品種，其次是白菜型品種V6、V7、V8、V9及甘藍(lán)型品種V3，白菜型春性品種V5及甘藍(lán)型品種V2、V1、V4根鮮質(zhì)量顯著低于其他品種(表1)。甘藍(lán)型冬性品種的根與莖葉鮮質(zhì)量的比值(根/莖葉)為0.102～0.131，白菜型春性品種為0.087，白菜型冬性品種為0.150～0.258，白菜型冬性品種植株根與莖葉鮮質(zhì)量的比值明顯大于甘藍(lán)型冬性和白菜型春性品種(表1)。冬前主根長(zhǎng)以白菜型冬性品種V6最大，其次是V11、V10及V7、V8、V9，這些品種的冬前主根長(zhǎng)均顯著大于甘藍(lán)型冬性品種V1、V2、V3、V4，白菜型春性品種V5與甘藍(lán)型品種間無(wú)顯著差異(表1)。顯然，品種間比較油菜植株冬前形成的根系生物量、根與莖葉鮮質(zhì)量的比值、根系深度，白菜型冬性品種顯著大于甘藍(lán)型冬性品種，白菜型春性品種的根系生物量及主根深度與甘藍(lán)型冬性品種間無(wú)顯著差異。

表1 不同品種油菜地上及地下部分生物學(xué)產(chǎn)量

2.4 油菜翻壓還田對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

和翻壓前相比較，甘藍(lán)型冬性品種V1、V2及白菜型冬性品種V7翻壓還田后顯著提高土壤速效磷含量，白菜型春性品種V5翻壓后土壤速效磷含量顯著降低，其余的甘藍(lán)型冬性品種V3、V4和白菜型冬性品種V6翻壓對(duì)土壤速效磷含量影響不顯著(圖5-A)。品種V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7翻壓還田均顯著提高土壤速效鉀 (圖5-B)、對(duì)土壤堿解氮含量均無(wú)顯著影響(圖5-C)。品種V1、V5還田顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，V7還田后土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著降低(圖5-D)?？傊?，甘藍(lán)型及白菜型油菜秋季翻壓均顯著增加翌年春季土壤速效鉀含量，翻壓甘藍(lán)型冬性油菜的土壤速效磷含量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，白菜型春性品種翻壓有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累，但土壤速效磷含量顯著降低。

3 討論與結(jié)論

夏閑地種植綠肥可使綠肥翻壓前、小麥播前、開花期直至收獲后0～200 cm土層土壤貯水量和剖面水分含量顯著降低[10-12]。和清耕相比，果園種植白三葉和鴨茅降低0～120 cm土層土壤水分含量[13]。草木棲生長(zhǎng)頭1 a對(duì)土壤水分的影響深度至少可達(dá)50 cm以上,2 a生草木棲返青后如果繼續(xù)生長(zhǎng),到第2年雨季前土壤含水量( 特別是下層土壤)顯著低于休閑地[14]。本研究結(jié)果顯示，秋末淺耕對(duì)果園行間土壤水分含量影響不顯著；不同類型油菜生長(zhǎng)過程中耗水不同，甘藍(lán)型冬性品種普遍耗水量較少，單位耗水地上部分生物學(xué)產(chǎn)量較高，種植翻壓后可降低生長(zhǎng)當(dāng)季及翌年3、4月份0～20 cm土層土壤水分含量；而白菜型油菜品種間差異較大，有些品種單位面積耗水量較少，而有些品種單位面積耗水量較多且單位耗水地上生物學(xué)產(chǎn)量較??；種植翻壓后，白菜型冬性及春性品種可使當(dāng)季及翌年3、4月份0～60 cm土層土壤水分含量顯著降低，且這種降低趨勢(shì)4月份大于3月份。

不同種類的綠肥對(duì)土壤水分的影響與其生物量大小及其根系的深度密切相關(guān)，生物量過大、根系較深都會(huì)引起土壤水分的過度消耗。本研究中，白菜型春性品種地上莖葉的生物量大，甘藍(lán)型及白菜型冬性油菜地上莖葉的鮮質(zhì)量呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的變化，而白菜型冬性品種根鮮質(zhì)量、根與莖葉鮮質(zhì)量的比值(根/莖葉)以及主根長(zhǎng)度均顯著大于甘藍(lán)型品種，故白菜型春性及冬性品種通過吸收消耗均使秋季及翌年春季較深層的土壤水分含量明顯減少，而甘藍(lán)型冬性油菜秋季形成的根系生物量較少、分布較淺，通過吸收消耗主要影響秋季及翌年春季較淺層的土壤水分含量。

綠肥翻壓是改良土壤的有效途徑。種植豆科綠肥能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，顯著提高水分生產(chǎn)效率[12]。夏閑期翻壓綠肥顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀及硝態(tài)氮含量，并顯著增加后茬小麥開花期、收獲期土壤有效磷含量[10,15]。油菜植株干草含氮量可達(dá)到 2.52%、含磷量(P2O5)約為1.53%、含鉀量(K2O)約為2.57%，油菜作綠肥壓青顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、堿解氮、速效鉀、速效磷等的含量，降低土壤體積質(zhì)量，增加土壤毛管孔隙度，抑制病原菌，還可以調(diào)整土壤pH；稻田油菜綠肥不僅能顯著增加早稻產(chǎn)量，且后效明顯、顯著增加晚稻產(chǎn)量[16-18]。本研究中，秋末翻壓甘藍(lán)型冬性油菜使翌年春季土壤中速效鉀含量顯著增加，土壤速效磷含量有明顯的增加趨勢(shì)；白菜型春性品種由于其地上生物量較大，翻壓還田顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)及速效鉀含量；白菜型冬性品種翻壓還田顯著增加土壤速效鉀含量，而對(duì)其他土壤養(yǎng)分的影響存在品種間差異。

總之，黃土高原溝壑區(qū)秋雨季節(jié)果園套種油菜可迅速形成較大的生物量，油菜植株水分含量高，易于腐爛，翻壓還田后能明顯提高土壤肥力。其中甘藍(lán)型冬性油菜在生長(zhǎng)季節(jié)單位面積耗水量較少，單位耗水的地上生物學(xué)產(chǎn)量較大，植株根系較小、分布淺，種植后主要影響秋季到翌年春季20 cm以內(nèi)淺層土壤的水分含量，翻壓還田顯著增加土壤速效鉀含量，速效磷含量亦有明顯的增加趨勢(shì)，因此更適宜作為綠肥在黃土高原區(qū)種植。另外，油菜還田增加土壤速效鉀含量的效果顯著，可能是由于油菜腐解過程中要釋放出較多的有機(jī)酸，使土壤中一部分固定態(tài)的鉀釋放出來，這有待于進(jìn)一步研究。