耕作方式與接種根瘤菌對土壤肥力及豌豆產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

曾長立，劉 麗，田雪婷，戴希剛，寧婷婷，丁建軍

（1. 江漢大學(xué) a. 生命科學(xué)學(xué)院，b. 湖北省漢江流域特色生物資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心，c. 醫(yī)學(xué)院，d. 科研處，湖北 武漢 430056；2. 陜西省富平縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西 富平 711700）

0 引言

耕作方式是影響土壤質(zhì)量變化及耕地可持續(xù)利用的重要因素［1］。與傳統(tǒng)耕作方式相比，目前被廣泛推廣的保護(hù)性耕作則以減少土壤擾動和增加秸稈覆蓋為主要特征［2］。免耕屬于保護(hù)性耕作方式之一，當(dāng)前我國的免耕栽培技術(shù)取得蓬勃發(fā)展，已形成了十多種典型的免耕栽培模式，其種植方式的豐富程度走在世界前列［3］。研究表明，合理的免耕技術(shù)可有效控制水土流失、減少蒸發(fā)［4?5］；穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)與提高土壤地力［6?8］；促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量［9?10］；減少用工、降低勞動強(qiáng)度，提高作物綜合生產(chǎn)能力等。豌豆（Pisum sativumL.）是世界第二大食用豆類作物，我國是世界上第三大豌豆生產(chǎn)國和第二大青豌豆生產(chǎn)國。豌豆富含植物蛋白，可糧、飼兼用［11］；同時(shí)豌豆作為豆科植物具有共生根瘤固氮特性，因此種植豌豆可以用地養(yǎng)地結(jié)合，是采用輪作方式的重要供選作物之一［12］。研究表明，采用根瘤菌接種技術(shù)不僅是提高豌豆單產(chǎn)的重要途徑之一［13］，而且對其品質(zhì)提升具有顯著效果［14］。種植接種根瘤菌豌豆能顯著增加有機(jī)質(zhì)含量、土壤氮素含量與土壤速效磷含量等，從而達(dá)到提高土壤肥力及培肥地力目的［15?16］。此外，接種根瘤菌還可以顯著提高豌豆對鹽脅迫、水分脅迫環(huán)境下的適應(yīng)能力［17?18］。

稻田土壤肥力是水稻生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)資源，也是水稻產(chǎn)量的重要影響因素［19］。但由于化肥的過量使用，導(dǎo)致土壤容重增加、酸化板結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量下降等一系列問題［20］。研究表明，在化肥減量20%的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥能保證水稻穩(wěn)產(chǎn)并提高土壤肥力［21］。因此充分發(fā)揮豆科作物與根瘤菌共生產(chǎn)生的固氮作用，是減少化學(xué)氮肥用量，提高土壤肥力的有效措施之一［22］。目前我國南方廣大農(nóng)村的冬季稻田大多處于閑置狀況，而通過種植豌豆不僅能增肥促產(chǎn)，還可收獲豌豆嫩尖、嫩莢或豌豆米，增加額外經(jīng)濟(jì)收入。盡管在豌豆栽培技術(shù)、接種根瘤菌、不同耕作方式探究等方面已開展了諸多研究，但是針對冬閑稻田采用不同耕作方式與種植接種根瘤菌豌豆相結(jié)合，明晰其對土壤肥力、豌豆產(chǎn)量及品質(zhì)的影響等方面鮮見報(bào)道。為此，本研究選取‘中豌四號’豌豆品種為材料，探討免耕和翻耕下種植接種根瘤菌豌豆對冬閑稻田土壤肥力和豌豆產(chǎn)量及品質(zhì)的影響，為建立豌豆培肥冬閑稻田土壤肥力模式及城郊環(huán)保高效蔬菜生產(chǎn)模式提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 豌豆品種

基于前期從多個(gè)商用豌豆品種中篩選出固氮能力較強(qiáng)的‘中豌四號’豌豆品種為材料進(jìn)行試驗(yàn)，該材料接種根瘤菌后具有顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量與速效鉀含量，根瘤固氮酶活性高、顯著提高豌豆千粒重和籽粒粗蛋白含量等特點(diǎn)［23］。

1.2 試驗(yàn)地的選擇與實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)冬閑稻田地位于湖北云夢縣沙河鄉(xiāng)，地處湖北省中部偏東、江漢平原東北部，東經(jīng)113°40′，北緯30°53′，屬副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)過渡性氣候帶，四季分明。年均氣溫16 ℃，年均日照量1 993.6 h，年均降雨量為1 074.5 mm，無霜期年均為247 d。試驗(yàn)地土壤肥力水平為有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為10.22、0.83、95.15、6.83、88.26 mg/kg。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為免耕和翻耕兩個(gè)處理，免耕條件下設(shè)豌豆不接種根瘤菌（免耕?不接種）、豌豆接種根瘤菌（免耕?接種）和不種豌豆（免耕?CK）3 個(gè)處理。翻耕條件下也設(shè)豌豆不接種根瘤菌（翻耕?不接種）、豌豆接種根瘤菌（翻耕?接種）和不種植豌豆（翻耕?CK）3 個(gè)處理。各處理小區(qū)面積均為18 m2，設(shè)3 次重復(fù)，于2014 年和2015 年連續(xù)進(jìn)行兩年大田試驗(yàn)，兩年均于9 月20 日播種，行距為38 cm，株距為5 cm，采用條播方式，每667 m2的種植密度為6 萬株，播種量為12 kg。播種后在株間施入氮磷鉀復(fù)合肥25 kg/667m2。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

在2014 年播種前和2015 年豌豆收獲后，用專用土鉆分別在小區(qū)采取耕層土壤樣本（0 ～15 cm），每個(gè)小區(qū)采用土壤對角線采樣法取5 個(gè)樣本進(jìn)行充分混合，在通風(fēng)處風(fēng)干后磨碎，過0.25 mm 篩后裝瓶待用。分析其水分、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀含量，各指標(biāo)的具體測定方法參見文獻(xiàn)［24］。

供試菌種的制備與接種：根瘤菌購于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏中心，其編號為Accc16103。菌液的制備與接種參照郭麗琢等［25］的方法。根際微生物的培養(yǎng)與計(jì)數(shù)：真菌用馬丁氏孟加拉紅培養(yǎng)基，細(xì)菌用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，放線菌用改良高氏一號培養(yǎng)基。細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量用平板涂布法進(jìn)行測定，涂抹法計(jì)數(shù)方法［26］為菌落數(shù)量（CFU/g）= 菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù)×10/干土質(zhì)量。豌豆鮮嫩莢產(chǎn)量、成熟期產(chǎn)量構(gòu)成因素及品質(zhì)測定：在幼苗期，每個(gè)小區(qū)選取20 株長勢基本一致的幼苗，分別掛上標(biāo)簽，其中10 株用于測定嫩莢產(chǎn)量，另外10 株則在成熟期測定單株莢數(shù)、每株粒數(shù)、百粒質(zhì)量。同時(shí)取干籽粒測定粗蛋白和粗纖維含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

所得數(shù)據(jù)采用DPS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，文中所得數(shù)據(jù)是2014?2015 連續(xù)兩年的數(shù)據(jù)，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的3 次重復(fù)分別取平均數(shù)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)的雙因素中的重復(fù)LSD 法進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式與接種根瘤菌對土壤肥力的影響

從表1 中可知，免耕?接種處理的土壤有機(jī)含量最高，該處理與免耕?不接種處理間差異并不顯著，但與其他處理相比差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），充分表明免耕下種植接種或不接種豌豆均可顯著提高有機(jī)質(zhì)含量。翻耕?接種與翻耕?不接種、翻耕?CK 處理間土壤有機(jī)質(zhì)含量差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），說明在翻耕條件下接種根瘤菌可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。免耕?接種處理可顯著提高土壤全氮含量，與其他各處理間均差異顯著（P＜0.05）。免耕?CK與翻耕?CK 處理、免耕?不接種與翻耕?不接種處理間全氮含量差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），表明免耕可以顯著提高土壤全氮含量。而翻耕?接種與不接種處理間全氮含量差異也達(dá)到顯著水平（P＜0.05），說明在翻耕條件下接種處理也能顯著提高土壤全氮含量。就堿解氮而言，各處理間差異均未達(dá)到顯著水平。在對速效磷含量影響上，免耕?接種處理與免耕?不接種處理相比差異不顯著，翻耕?接種處理與翻耕?不接種處理相比亦同；但免耕?接種與翻耕?接種處理之間差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），而免耕?不接種與翻耕?不接種處理之間差異不顯著，表明免耕方式下種植接種根瘤菌豌豆對提高土壤速效磷含量效果顯著。就速效鉀而言，免耕?接種、免耕?不接種與免耕?CK 三者之間差異并不顯著，但與翻耕?接種、翻耕?不接種及翻耕?CK 處理相比，差異則達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。這充分說明，免耕方式可以顯著提高速效鉀的含量，與接種根瘤菌與否等因素影響不大。

表1 耕作方式與接種根瘤菌對土壤肥力的影響Tab.1 Effects of tillage management and rhizobia inoculation on soil fertility

2.2 耕作方式與接種根瘤菌對土壤微生物群落的影響

從表2 可知，免耕下種植接種根瘤菌或不接種的豌豆均可顯著提高細(xì)菌數(shù)量（P＜0.05）；翻耕?接種處理與翻耕?不接種處理間差異并不顯著，但兩者與翻耕?CK 相比差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。對放線菌數(shù)量而言，免耕?接種與免耕?不接種處理相比能顯著提高放線菌數(shù)量，而免耕?不接種處理與免耕?CK 相比差異則并不顯著。翻耕?接種處理與翻耕?CK 相比差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），但與翻耕?不接種處理之間差異不顯著。而翻耕?不接種與翻耕?CK 相比差異也未達(dá)到顯著水平，表明免耕方式提高放線菌數(shù)量上占主導(dǎo)作用，但在翻耕下，接種對提高放線菌數(shù)量也至關(guān)重要。從3 種微生物數(shù)量上看，真菌數(shù)量最小，免耕?接種、免耕?不接種處理與免耕?CK 相比，三者間真菌數(shù)量差異并未達(dá)到顯著水平，表明免耕條件下，種植接種根瘤菌豌豆并不能顯著提高放線菌數(shù)量。但免耕?接種與翻耕?接種處理，免耕?不接種與翻耕?不接種處理間差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），表明免耕與翻耕相比可顯著提高真菌數(shù)量。

表2 不同耕作方式下接種根瘤菌豌豆對土壤微生物數(shù)量的影響Tab.2 Effects of rhizobia inoculation on the number of soil microorganism under different tillage management

2.3 耕作方式與接種根瘤菌對豌豆產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

從表3 中可知，免耕?接種與免耕?不接種處理間其單株莢數(shù)的差異達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），但是翻耕?接種與翻耕?不接種處理相比差異則并不顯著，說明在免耕條件下，接種根瘤菌能顯著提高單株莢數(shù)。就豌豆單莢粒數(shù)和百粒重而言，免耕與翻耕、接種與不接種條件對其影響均不顯著。對嫩莢產(chǎn)量而言，免耕?接種與免耕?不接種處理間差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），同理在翻耕處理上亦然。另外，免耕?接種與翻耕?接種處理之間差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），而免耕?不接種與翻耕?不接種處理之間差異并不顯著，充分表明接種根瘤菌對提高嫩莢產(chǎn)量具有顯著作用，同時(shí)也暗示耕作方式與接種根瘤菌效應(yīng)之間存在明顯的交互作用。就干籽粒產(chǎn)量而言，免耕?接種與免耕?不接種處理間，翻耕?接種與翻耕?不接種處理間差異分別達(dá)到顯著水平（P＜0.05），而免耕?接種與翻耕?接種，免耕?不接種與翻耕?不接種處理間差異并不顯著，說明接種根瘤菌能顯著提高豌豆籽粒產(chǎn)量。

表3 耕作方式與接種根瘤菌對豌豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Tab.3 Effects of tillage management and rhizobia inoculation on the pea yield and its constituent elements

耕作方式與接種根瘤菌對豌豆籽粒中粗纖維與粗蛋白質(zhì)含量的影響見圖1。從圖1 中可以看出，不管是免耕還是翻耕條件下，接種根瘤菌后均可顯著提高豌豆中粗蛋白質(zhì)含量與粗纖維含量（P＜0.05）。免耕?接種與翻耕?接種處理間差異不顯著，免耕?不接種與翻耕?不接種間處理差異也未達(dá)到顯著水平。因此，接種根瘤菌可以提高粗蛋白和粗纖維含量，從而改善籽粒的食用價(jià)值和保健功能。

圖1 耕作方式與接種根瘤菌對豌豆干籽粒品質(zhì)的影響Fig.1 Effects of tillage management and rhizobia inoculation on the quality of dry seeds

2.4 耕作方式與接種根瘤菌在各指標(biāo)中的主效作用分析

將各指標(biāo)按2 因素（耕作方式和接種根瘤菌）完全隨機(jī)化模型進(jìn)行方差分析，進(jìn)而算出各指標(biāo)各變異分量的期望均方（表4）。各變異分量的期望均方比值大小可作為變異因子主導(dǎo)作用的衡量指標(biāo)，如果該變異分量與另一變異分量的比值大于1，表明該變異分量在某一指標(biāo)上起主導(dǎo)作用，反之亦然。就耕作方式與接種根瘤菌效應(yīng)對各指標(biāo)影響而言，從兩者的期望均方比值看，接種根瘤菌效應(yīng)占主導(dǎo)作用，而耕作方式則僅在全氮含量、有效磷含量、速效鉀含量、放線菌及真菌數(shù)量指標(biāo)上起主導(dǎo)作用。從耕作方式效應(yīng)、耕作方式?接種根瘤菌的互作效應(yīng)比較看，耕作方式效應(yīng)占主導(dǎo)地位，但值得注意的是，在嫩莢產(chǎn)量和干籽粒產(chǎn)量影響上，耕作方式與接種根瘤菌間存在明顯的互作效應(yīng)。另外，接種根瘤菌效應(yīng)對各指標(biāo)的影響明顯高于耕作方式?接種根瘤菌的互作效應(yīng)，占據(jù)了絕對主導(dǎo)作用。因此，接種根瘤菌對于顯著提高有機(jī)質(zhì)含量、細(xì)菌數(shù)量、豌豆產(chǎn)量與其構(gòu)成因素及豌豆籽粒品質(zhì)方面發(fā)揮了重大作用。

表4 各指標(biāo)變異分量的期望均方*Tab.4 The expected mean of variance components of each index

3 討論

研究表明，不同耕作措施對土壤產(chǎn)生的物理擾動差異，會直接影響土壤有機(jī)質(zhì)礦化以及水分、養(yǎng)分運(yùn)動，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分的分布［27?29］。免耕減少了耕作對土壤團(tuán)聚體的破壞，使得土壤團(tuán)聚體在數(shù)量上有了明顯的增加并且具有更好的穩(wěn)定性，避免了土壤團(tuán)聚體內(nèi)部有機(jī)質(zhì)的分解［30］。張英英等［31］的研究結(jié)果表明，4 種耕作方式中，免耕相比少耕、秋翻、深松有利于提高耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量。在本研究中，免耕?接種處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量與其他處理相比差異均達(dá)到顯著水平，充分表明免耕下種植接種根瘤菌豌豆可顯著提高有機(jī)質(zhì)含量，主效作用分析表明接種效應(yīng)大于耕作方式效應(yīng)。長期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，免耕或免耕結(jié)合其他耕作方式比連續(xù)翻耕有利于提高土壤氮儲量［8］，免耕與壟作和秋翻相比可顯著提高5 cm 內(nèi)表層土壤全氮含量，降低5 ～10 cm 亞表層土壤全氮含量［32］，而通過種植接種豌豆也可顯著提高土壤全氮含量和堿解氮含量［23］。本研究結(jié)果表明，免耕處理及翻耕?接種處理均可顯著提高土壤全氮含量，這與上述研究者的結(jié)果一致。主效作用分析結(jié)果表明，耕作方式效應(yīng)明顯起主導(dǎo)作用，耕作方式與接種間的交互作用并不明顯。另外本研究發(fā)現(xiàn)土壤堿解氮含量在各處理間差異并不顯著，與匡恩俊等［33］在研究免耕與有機(jī)肥配施對土壤堿解氮的影響中的結(jié)果一致。原因可能是由于免耕提高了有機(jī)質(zhì)含量，降低了有機(jī)質(zhì)礦質(zhì)化速度，導(dǎo)致無機(jī)氮含量減少［34］。因此，選擇免耕?接種方式對提高和維持冬閑稻田土壤全氮含量，保持土壤可持續(xù)利用效率、減氮增效和降低氮環(huán)境污染等意義重大。

不同耕作方式明顯影響土壤中不同土層的速效磷和有機(jī)磷含量，可能是通過影響土壤物理結(jié)構(gòu)和氧化還原電位，從而進(jìn)一步影響磷組分組成及磷的遷移轉(zhuǎn)化導(dǎo)致［35］。有研究表明，長期免耕處理的0 ～5 cm 土層中速效磷和全磷含量明顯提高，表現(xiàn)出土壤磷表層富集化現(xiàn)象［36］。種植接種根瘤菌的豆科植物亦可提高土壤中有效磷含量［23，37］。本研究中免耕?接種處理可顯著提高土壤中有效磷含量，進(jìn)一步的主效作用分析結(jié)果表明，耕作方式效應(yīng)明顯大于接種效應(yīng)。研究表明，豆科植物苜蓿接種根瘤菌后土壤中有效鉀含量顯著降低［38］，而長期的少免耕結(jié)合秸稈覆蓋等方式會致使表層土壤鉀養(yǎng)分聚集，有效提高土壤中鉀含量［1］。本研究中也發(fā)現(xiàn)接種根瘤菌并不能提高土壤速效鉀含量，但采用免耕方式則可顯著提高土壤速效鉀含量，這與主效作用分析結(jié)果相吻合，與前人的研究結(jié)果也保持一致［39?40］。

作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤微生物在有機(jī)質(zhì)形成與轉(zhuǎn)化、土壤養(yǎng)分循環(huán)等方面具有重大意義［41］，如參與氮循環(huán)的主要微生物種類就包括反硝化真菌、硝化古菌、好氧反硝化細(xì)菌和異氧硝化微生物等［42］。土壤微生物數(shù)量和種類受耕作制度、地理位置、土壤層次、植被、土壤肥力、氣候變化及土壤類型等諸多因素影響［43］。研究表明，免耕與常規(guī)耕作相比，土壤中微生物多樣性更豐富［44］，如顯著增加土壤原核微生物群落的多樣性［45］。本研究中，免耕下種植接種根瘤菌或不接種根瘤菌豌豆均可顯著提高細(xì)菌數(shù)量，但與翻耕?接種處理間差異并不顯著，表明耕作方式對細(xì)菌數(shù)量影響不明顯，這與進(jìn)一步的主效作用分析結(jié)果一致。免耕?接種處理均能顯著提高放線菌和真菌數(shù)量，這與前人研究結(jié)果一致［46?48］。主效作用分析結(jié)果亦表明，在對這兩種微生物數(shù)量影響上，耕作方式效應(yīng)明顯大于接種效應(yīng)。

已有的文獻(xiàn)充分表明，豌豆接種根瘤菌是提高其產(chǎn)量的重要技術(shù)途徑之一［25，49］。本研究結(jié)果表明，在免耕條件下，接種根瘤菌可顯著提高單株莢數(shù)，其中接種根瘤菌效應(yīng)明顯高于耕作方式效應(yīng)。耕作方式與接種根瘤菌對豌豆單莢粒數(shù)和百粒重?zé)o顯著影響。接種根瘤菌在對嫩莢產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量影響上具有顯著作用，同時(shí)耕作方式與接種根瘤菌效應(yīng)之間存在明顯的交互作用，主效作用分析結(jié)果也證明了此結(jié)果。此外，不管是免耕還是翻耕下，接種后均可顯著提高豌豆中粗蛋白質(zhì)含量與粗纖維含量，與Ahemad 等［46］和郭麗梅等［14］的研究結(jié)果一致。而免耕?接種與翻耕?接種處理間差異不顯著，免耕?不接種與翻耕?不接種間處理差異也未達(dá)到顯著水平，充分表明豌豆中粗蛋白質(zhì)含量與粗纖維含量與接種根瘤菌密切相關(guān)，而受耕作方式影響不明顯，這與進(jìn)一步的主效作用分析結(jié)果相一致。

本研究中，耕作方式效應(yīng)在對速效磷與速效鉀含量、放線菌與真菌數(shù)量上起主導(dǎo)作用；而接種效應(yīng)則在對有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、細(xì)菌數(shù)量、單株莢數(shù)、嫩莢和籽粒產(chǎn)量、粗蛋白與粗纖維含量上占主導(dǎo)作用；在對嫩莢和籽粒產(chǎn)量影響上，耕作方式與接種間存在明顯的交互效應(yīng)。