冬小麥-綠豆輪作下密度對(duì)綠豆產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響

鄭海澤,曲運(yùn)琴,張紅芳

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所,山西臨汾 041000)

綠豆在全國(guó)各地廣泛種植,主要產(chǎn)區(qū)集中在黃河、淮河流域及東北地區(qū)[1]。栽培密度、生態(tài)環(huán)境、土壤特性等通過(guò)影響株高、群體葉面積指數(shù)、光合特性等植株生理指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化,進(jìn)而影響綠豆群體干物質(zhì)積累和產(chǎn)量[2]。其中,栽培密度是影響群體結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量的最主要栽培措施之一。合理密植能保證作物最大限度地利用光能、水分和養(yǎng)分等資源,充分發(fā)揮品種的增產(chǎn)潛力[3],是協(xié)調(diào)群體和個(gè)體間生長(zhǎng)發(fā)育的重要措施。種植密度過(guò)低時(shí),植株的通風(fēng)、透光性較好,可充分發(fā)揮個(gè)體的優(yōu)良特性,但個(gè)體效應(yīng)并不能補(bǔ)充群體優(yōu)勢(shì);種植密度過(guò)高時(shí),個(gè)體發(fā)育變?nèi)?導(dǎo)致產(chǎn)量降低[4]。增加綠豆種植密度不僅影響其產(chǎn)量及效益,還增加土壤耗水量,降低冬小麥播前土壤儲(chǔ)水量,進(jìn)而影響后茬冬小麥產(chǎn)量[5]。

綠豆為一年生草本植物,是一種優(yōu)質(zhì)的糧肥兼用型作物。綠豆盛花期粉碎還田能有效提高后茬麥田土壤微生物群落結(jié)構(gòu),改善土壤理化性質(zhì)[6]。收獲種子后,莖稈也可翻壓作綠肥。雖然綠豆結(jié)莢后作為綠肥的生物量嚴(yán)重降低,但隨著種植密度的改變,綠豆的群體干物質(zhì)量及根系分泌物等會(huì)產(chǎn)生變化,從而影響土壤理化性質(zhì)[7]。鑒于此,筆者以不同綠豆種植密度為研究?jī)?nèi)容,分析種植密度對(duì)土壤養(yǎng)分收支平衡的影響,以期為綠豆產(chǎn)量和后茬小麥土壤養(yǎng)分平衡提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所韓村試驗(yàn)基地(36°19′N,111°49′E)進(jìn)行。該區(qū)地處半干旱、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫9.0～12.9 ℃,降水量420.1～550.6 mm,無(wú)霜期127～280 d,多年平均降水494.19 mm,土壤類型為石灰性褐土。試驗(yàn)前耕層(0～20 cm)土壤基礎(chǔ)肥力分布為有機(jī)質(zhì)18.3 g/kg、全氮1.1 g/kg、堿解氮56.7 mg/kg、有效磷6.445 mg/kg、速效鉀98.7 mg/kg、pH 8.76。

1.2 試驗(yàn)材料供試材料為“安綠07-2”,由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供,河南省安陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育,于2013年通過(guò)山西省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)于2018和2019年在綠豆—冬小麥一年兩熟區(qū)進(jìn)行,冬小麥于10月初播種,次年6月收獲。冬小麥?zhǔn)斋@后搶墑播種綠豆,采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),小區(qū)面積10 m2(2 m×5 m),3次重復(fù)。綠豆播種行距50 cm,每小區(qū)4行。于綠豆1和2片復(fù)葉時(shí)分別進(jìn)行間苗和定苗,設(shè)置4個(gè)密度處理:D1 (8萬(wàn)株/hm2)、D2 (12萬(wàn)株/hm2)、D3 (16萬(wàn)株/hm2)、D4 (20萬(wàn)株/hm2),于8月下旬綠豆黑莢率達(dá)90 %時(shí)進(jìn)行人工收獲。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1綠豆植株農(nóng)藝性狀的測(cè)定。綠豆籽粒成熟時(shí),每小區(qū)內(nèi)選擇連續(xù)的 10 株進(jìn)行產(chǎn)量性狀測(cè)定,分別記錄株高(plant height,PH)、主莖節(jié)數(shù)(stem node number,SNN)、主莖分枝數(shù)(number of branches on main stem,BRN)、單株莢數(shù)(pods number per plant,PNP)、莢長(zhǎng)(length of straight pod,PDL)、單莢粒數(shù)(number of seeds per pod,NSP)、千粒重(1 000 seed-weight,TSW)、地上部干物質(zhì)量等,結(jié)果取平均值。小區(qū)產(chǎn)量實(shí)產(chǎn)實(shí)收。

1.4.2莖稈木質(zhì)素和纖維素含量的測(cè)定。在綠豆成熟期,每個(gè)處理選取30 cm 長(zhǎng)度的植株樣點(diǎn),將地上部收割,剪取基部3個(gè)節(jié)間的莖稈,105 ℃殺青60 min后70 ℃烘干至恒重,粉碎并過(guò)篩,參照McKenzie等[8]的方法測(cè)定莖稈纖維素及木質(zhì)素含量。

1.4.3植株和籽粒養(yǎng)分含量的測(cè)定。將植株和籽粒分別置于烘箱105 ℃殺青,65 ℃烘干至恒重,稱重。采用H2SO4-H2O2法消煮;凱氏定氮法測(cè)定氮(N)含量;紫外-可見(jiàn)分光光度法測(cè)定磷(P)含量;火焰光度法測(cè)定鉀(K)含量。

1.4.4土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。綠豆收獲后分層采集0～20和20～40 cm土壤,測(cè)定土壤含水量。自然風(fēng)干,研磨過(guò)篩2 mm,測(cè)定土壤pH、有機(jī)質(zhì)(organic matter,OM)、EC值、堿解氮(alkaline hydrolysis nitrogen,AN)、速效磷(available phosphorus,AP)和速效鉀(available potassium,AK)含量。測(cè)定方法參照鮑士旦[9]方法進(jìn)行。

1.5 數(shù)據(jù)處理采用 Excel 2003和SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 種植密度對(duì)綠豆農(nóng)藝性狀的影響由表1 可知,隨著密度的增加,綠豆的株高呈逐漸增加趨勢(shì),在D4處理(密度為20 萬(wàn)株/hm2)時(shí)達(dá)到最大值;D3和D4處理下綠豆株高顯著高于D1和D2處理,其中D1和D2處理、D3和D4處理間差異不顯著。綠豆的主莖分枝數(shù)(2018年除外)和主莖節(jié)數(shù)隨密度的增加基本上呈逐漸降低的趨勢(shì);D1和D2處理下主莖分枝數(shù)和主莖節(jié)數(shù)顯著高于D4處理。隨著綠豆密度的增加,其地上部干物質(zhì)量表現(xiàn)為先增加后降低的變化趨勢(shì),在D3處理(密度為18萬(wàn)株/hm2)時(shí)達(dá)到最大值;其中D2和D3處理下綠豆的地上部干物質(zhì)量顯著高于D4處理,而D1和D4處理間差異不顯著。此外,綠豆地上干物質(zhì)量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。

表1 種植密度對(duì)綠豆農(nóng)藝性狀的影響

2.2 種植密度對(duì)綠豆莖稈木質(zhì)素和纖維素含量的影響由表2可知,不同種植密度下綠豆莖稈中木質(zhì)素含量為8.77%～10.11%,纖維素含量為26.2%～32.5%。隨著種植密度增加,綠豆莖稈中木質(zhì)素含量和纖維素含量均呈下降趨勢(shì)。其中D3和D4處理的木質(zhì)素含量較D1和D2處理顯著降低了3.58%～10.78%,而D1和D2間、D3和D4間差異不顯著。綠豆莖稈中纖維素含量D4處理較D1和D2處理顯著降低3.53%～12.37%,D1和D2處理間差異不顯著。

表2 種植密度對(duì)綠豆莖稈木質(zhì)素和纖維素含量的影響

2.3 種植密度對(duì)綠豆產(chǎn)量的影響從表3可以看出,不同種植密度下綠豆的莢長(zhǎng)為8.7～10.8 cm、單株莢數(shù)為24.2～29.1個(gè)、單莢粒數(shù)為9.0～10.5個(gè)、籽粒千粒重為57.6～67.8 g、籽粒產(chǎn)量為1 367.4～1 977.5 kg/hm2。隨著種植密度的增加,綠豆的莢長(zhǎng)呈先升高后降低的趨勢(shì),在D3處理下達(dá)到最大值;單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)和籽粒千粒重均隨著種植密度增加而呈降低趨勢(shì)。D1和D2處理下單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)分別較D3和D4分別顯著提高了8.71%～17.36%、5.21%～16.67%,D1和D2處理間均差異不顯著。此外,D1和D2處理下籽粒千粒重較D4處理顯著提高了3.07%～6.59%。綠豆籽粒產(chǎn)量隨著種植密度的提高表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì),在D3處理下達(dá)到最大值;D2和D3處理的產(chǎn)量較D1和D4處理顯著提高了5.48%～44.62%。

表3 種植密度對(duì)綠豆產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.4 種植密度對(duì)綠豆植株和籽粒養(yǎng)分含量的影響從表4可以看出,不同密度條件下綠豆籽粒和莖稈對(duì)氮、磷、鉀的吸收之間存在差異。D1處理下,籽粒的氮、磷、鉀含量較高;D2處理下,莖稈的氮、磷、鉀含量較高。隨著種植密度的增加,綠豆莖稈對(duì)氮、磷和鉀(2018年鉀除外)的吸收出現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì),在D2處理下莖稈養(yǎng)分含量最高;綠豆籽粒的養(yǎng)分含量(2018年磷、鉀除外)則隨著種植密度的增加而呈下降的趨勢(shì),在D1處理下氮、磷、鉀養(yǎng)分含量均較高。莖稈和籽粒對(duì)氮的吸收量較多,但對(duì)磷肥吸收量最少。

表4 種植密度對(duì)綠豆不同組織氮、磷和鉀含量影響

2.5 種植密度還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響從表5可以看出,隨著綠豆種植密度增加,收獲后土壤含水量有所降低,尤其D1處理0～20和20～40 cm土壤含水量較D4處理分別顯著提高了11.8%～20.0%和9.1%～13.8%。土壤pH隨著綠豆種植密度的增加沒(méi)有發(fā)生顯著變化。隨綠豆密度的增加,收獲后土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈先增加后降低的變化趨勢(shì),以D3處理的有機(jī)質(zhì)含量最高,D1處理0～20和20～40 cm土層分別較D3處理顯著降低了7.4%～14.6%和4.3%～5.1%。隨著綠豆種植密度增加,土壤堿解氮、有效磷(2019年20～40 cm土層處理除外)和速效鉀(2018年20～40 cm土層處理除外)含量基本呈逐漸降低趨勢(shì),尤其在0～20 cm土層降幅較大。

表5 種植密度對(duì)綠豆收獲后土壤基本理化性質(zhì)的影響

3 結(jié)論與討論

種植密度對(duì)綠豆群體結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量影響較大。研究結(jié)果表明,隨著種植密度的增加,株高呈增加趨勢(shì),而主莖節(jié)數(shù)和分枝數(shù)表現(xiàn)為先增加后降低,這與趙陽(yáng)等[10]研究結(jié)果一致;然而薛鑫等[11]研究發(fā)現(xiàn),隨種植密度增加,其主莖節(jié)數(shù)呈增加趨勢(shì),與該研究結(jié)果有差異,這可能與不同研究中土壤肥力、種植制度、氣候條件等差異有關(guān)。另外該研究發(fā)現(xiàn),綠豆地上部生物量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(r=0.672*)。從產(chǎn)量構(gòu)成要素來(lái)看,種植密度增加不利于結(jié)莢質(zhì)量形成,造成單株莢數(shù)減少、籽粒千粒重降低。此外,莢長(zhǎng)與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.675*),說(shuō)明促進(jìn)莢長(zhǎng)對(duì)于產(chǎn)量形成有一定的積極作用。

該研究表明,當(dāng)綠豆種植密度在12萬(wàn)和16萬(wàn)株/hm2時(shí),綠豆的產(chǎn)量均處于較高水平,而密度在20萬(wàn)株/hm2時(shí)產(chǎn)量出現(xiàn)下降趨勢(shì)。殷麗麗等[12]研究指出,晉北地區(qū)綠豆的適宜密度是12萬(wàn)～18萬(wàn)株/hm2,該密度范圍內(nèi)綠豆的產(chǎn)量最高,而密度在21萬(wàn)～24萬(wàn)株/hm2時(shí)產(chǎn)量開(kāi)始降低。薛鑫等[11]研究指出,種植密度為 16 萬(wàn)株/hm2時(shí),綠豆產(chǎn)量最高,為 2 070 kg/hm2。而該研究中,在種植密度為16萬(wàn)株/hm2時(shí),綠豆產(chǎn)量最高,達(dá)到1 878.23 kg/hm2。趙陽(yáng)等[10]研究指出,對(duì)于直立型綠豆品種遼綠 8 號(hào)在沈陽(yáng)地區(qū)最適宜的播種密度是15萬(wàn)株/hm2。王桂梅等[13]在晉北地區(qū)研究得出,同綠1號(hào)的最佳種植密度是18萬(wàn)株/hm2,該密度下綠豆產(chǎn)量達(dá)到最高。這些研究結(jié)果與該研究結(jié)果基本一致,只是產(chǎn)量最大值不同,這與不同研究中選用的綠豆品種有關(guān)[14-15],也與生態(tài)環(huán)境、土壤質(zhì)量和管理?xiàng)l件等差異有關(guān)。在不同種植密度條件下,綠豆單株之間對(duì)光照、水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸收差異;密度過(guò)大時(shí),環(huán)境條件無(wú)法滿足單株光合作用及生長(zhǎng)的需求,使得個(gè)體營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)難以平衡發(fā)展,產(chǎn)量反而會(huì)下降[16-17]。

除了考慮綠豆產(chǎn)量和群體結(jié)構(gòu)外,也要考慮綠豆種植對(duì)后茬小麥的影響。在冬小麥-綠豆輪作區(qū),夏作物常對(duì)土壤產(chǎn)生耗水,該研究結(jié)果顯示,隨著種植密度增加,綠豆收獲期土壤含水量呈下降趨勢(shì),較大的生物量造成蒸騰作用增加[18],易導(dǎo)致冬小麥播前土壤含水量過(guò)低,進(jìn)而可能影響冬小麥出苗。因此,過(guò)高的種植密度可能會(huì)對(duì)后茬作物生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響[19],這需要做進(jìn)一步研究。此外,莖稈和籽粒對(duì)氮的吸收量最多,其次是鉀,對(duì)磷肥吸收量最少。因此,綠豆收獲后種植小麥前要注重對(duì)土壤中氮磷鉀元素的有效補(bǔ)充。此外,過(guò)高的密度也會(huì)推遲綠豆的成熟時(shí)間[20],降低莖稈中木質(zhì)素和纖維素含量,容易在結(jié)莢成熟期遇多雨天氣而出現(xiàn)倒伏甚至發(fā)生籽粒霉?fàn)€。

綜上所述,過(guò)大的種植密度不利于綠豆結(jié)莢和產(chǎn)量提高,會(huì)導(dǎo)致過(guò)多消耗土壤水分和養(yǎng)分,影響后茬冬小麥播種[21]。在合理的密度范圍不僅可提高綠豆經(jīng)濟(jì)效益,還能起到養(yǎng)地和培肥的效果。因此,在晉南綠豆-冬小麥輪作區(qū)選擇適宜的綠豆種植密度(12萬(wàn)～16萬(wàn)株/hm2)時(shí),可以起到綜合提升綠豆經(jīng)濟(jì)效益與土壤肥力的效果。