豆科绿肥及施氮量对旱地麦田土壤主要肥力性状的影响

2013-12-21张达斌姚鹏伟鱼昌为曹群虎曹卫东高亚军

生态学报 2013年7期

张达斌，姚鹏伟，李婧，赵娜，王峥，鱼昌为，曹群虎，曹卫东，高亚军，4，*

(1.西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100;2.陕西省长武县农业技术推广中心，长武 713600;3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081;4.农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，杨凌 712100)

随着我国各地城市化进程飞速发展以及各种土地退化问题日益严重，如何在现有耕地的基础上合理培肥土壤，已成为提高土地资源可持续利用的技术核心。我国干旱和半干旱地区的总面积约占全国陆地总面积的50%以上［1］，因此科学提高这些地区的土壤肥力水平，保证土壤健康状况对我国现代农业生产具有深远意义。研究发现［2-3］，将有机肥源施入土壤中能有效提高土壤微生物和土壤酶的活性，并在它们共同作用下顺利完成腐殖化过程，逐渐形成促进土壤保肥保墒、改良土壤结构、提高土壤有机质含量的腐殖质。有机肥源中，以种植并翻压豆科绿肥所取得的环境和社会效益最佳［4-5］。种植翻压豆科绿肥可以有效提高土壤肥力［6-10］，改善土壤通气性和保水性［6，9］，减少病虫害发生几率［9-10］，保证后茬作物产量与品质［11-13］。

渭北旱塬地区是典型的传统旱作农业区，降水偏少、土壤贫瘠、土地生产力低是该地区特有的气候和生态特点。据统计，该地区夏季休闲地面积200多万公顷，夏闲期长达70—100 d，正值雨热同季，不仅光热资源白白浪费，而且由于缺乏植被覆盖而不利于土壤水分保蓄。能否通过在夏闲期种植并翻压短期豆科绿肥实现培肥土壤、提高土地和气候资源利用率的目标?目前，关于种植翻压不同豆科绿肥对渭北旱塬土壤肥力以及水分利用效率的研究报道尚不多见。本研究试图通过田间定位试验，探索在传统的夏闲期连续种植并翻压不同豆科绿肥对旱地土壤肥力状况和水分生产效率的影响，以期为我国旱区耕地质量保育和农业增产增收提供理论依据和技术保障。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于黄土高原中南部的陕西省长武县丁家镇十里铺村农技中心试验基地(107°44'703″E，35°12'787″N)，海拔1 220 m，该地区地势平坦，属西北内陆暖温带半湿润大陆性季风气候，四季冷暖干湿分明，农业生产全部依赖天然降水，年均气温9.1℃，无霜期171 d。热量丰富，年平均日照2 226.5 h，积温2 994℃，多年平均降水588 mm，且季节性分布不均，多集中于夏秋季节，雨热同季。

试验地土壤为黄盖粘黑垆土，母质为中壤质马兰黄土，土层深厚，全剖面土质均匀疏松，通透性好，肥力中等，基本理化性状详见表1。试验区大部分耕层土壤贫氮少磷，钾素丰富。研究区农业生产主要依赖生育期的天然降水和前期土壤蓄水，属于典型的旱作农业区，且种植制度为典型的一年一熟或2a三熟。

表1 供试土壤基本性状Table 1 Soil basic properties

1.2 试验设计

试验包括3种豆科绿肥:绿豆、大豆和长武怀豆(大豆的当地品种)，以夏季裸地休闲为对照;冬小麦生长季施氮量设4个水平:不施氮肥、当地常规施氮量80%(108 kg/hm2)、当地常规施氮量(135 kg/hm2)和当地常规施氮量120%(162 kg/hm2)。完全方案，共16个处理，田间排列采取裂区设计，以豆科绿肥为主区，施氮量为副区，重复3次，副区面积5 m×6 m=30 m2，小区间宽30 cm。

本试验为定位试验，自2008年以来每年的6月底收获完小麦并立即播种绿肥，9月上旬至中旬收获并将绿肥切碎翻压于土壤中，翻压深度20 cm，9月下旬至10月初继续播种冬小麦。氮肥在冬小麦播前一次施入，同时施用P2O5120 kg/hm2;绿肥种植前不施氮肥，只施用P2O540 kg/hm2。2008年7月至2010年6月两年间夏闲期(绿肥生长季)和小麦生长季降水量详见表2。

表2 2008年7月—2010年6月夏闲期(绿肥生长季)和冬小麦生长季降水量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 测定项目及方法

在绿肥盛花期(即绿肥翻压前)、绿肥翻压2—4周后(即小麦播种前)以及小麦收获时分别采集各处理土壤0—200 cm剖面样品，20 cm为一个样品，测定土壤水分及矿质氮含量;留下0—20 cm土样风干、研磨过筛后用于其它项目测定。矿质氮用1 mol/L KCl浸提-连续流动分析法测定，有机质用外加热法，活性有机质采用的是0.2 mol/L(1/6 K2Cr2O7-1∶3H2SO4，水∶酸=3∶1)加热法［14］，全氮用凯氏法，速效钾用 1 mol/L 中性NH4OAC浸提-火焰光度计法，土壤水分用烘干法进行测定［15］，并测得以下指标:

土壤贮水量(Dw，mm)=∑θv×h，θv=θm × ρ，其中 θv为容积含水量(%)，h为土层厚度(cm)，θm为质量含水量(%)，ρ为土壤容重［16］;耗水量(mm)=小麦播前土壤贮水量(mm)+小麦生长季降雨量(mm)―小麦收获时土壤贮水量(mm);水分生产效率(WUE，kg·mm－1·hm－2)=小麦籽粒产量(kg/hm2)/耗水量(mm)。

土壤C库管理指数CPMI计算方法［17］:首先，计算土壤碳库指数(CPI)= 样品总碳含量(mg/g)/原始土样总碳含量(mg/g);然后，计算土壤碳库活度指数(AI)=样品碳库活度(A)/原始土样碳库活度(A)，其中，碳库活度(A)=土壤活性有机碳含量(mg/g)/土壤非活性有机碳含量(mg/g);最后，土壤C库管理指数(CPMI，%)=土壤碳库指数(CPI)×碳库活度指数(AI)×100。原始土样指田间试验开始前采集的土壤多点混合样品。

数据采用SAS软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 豆科绿肥生物量及养分还田量

连续两年试验研究表明(表3)，绿肥产量以及养分还田量因品种和年份时间不同而有所差异。2008—2009年3种豆科绿肥间，大豆和怀豆地上部鲜重高于绿豆14.9%和19.0%，怀豆干重分别高于绿豆和大豆22.4%、22.0%，绿豆和大豆间差异不显著;而2009—2010年绿豆无论是鲜重还是干重均显著高于大豆和怀豆，大豆和怀豆差异不显著。从养分还田量的角度来分析，2008—2009年，3种绿肥的磷、钾养分还田量无显著差异，怀豆氮还田量显著高于大豆和绿豆，同时大豆氮还田量又显著高于绿豆;2009—2010年，3种绿肥氮磷钾养分还田量存在显著性差异，绿豆最高，怀豆次之，大豆最低，绿豆还田量较高的原因主要与其较高的生物量有关。两年合计，绿豆处理生物量鲜重和干重均最高，大豆处理干重最低;长武怀豆处理的氮素还田量最高，大豆处理的磷素还田量最低，三种绿肥处理的钾素还田量差异不大。

表3 2008—2010年不同豆科绿肥生物量及养分还田量Table 3 Green manure biomass and nutrient returned into soil from 2008 to 2010

2.2 夏闲期种植并翻压豆科绿肥对土壤肥力的影响

夏闲期绿肥-冬小麦轮作2a后，对各处理表层土壤的测定结果表明(表4):种植翻压2a豆科绿肥能显著提高土壤肥力，同时3种豆科绿肥处理的效果存在差异。

与休闲相比，种植并翻压豆科绿肥的土壤有机质、活性有机质、土壤碳库管理指数(CPMI)以及全氮含量分别增加 3.9%—11.7%、3.2%—7.6%、2.7%—7.6%和 4.5%—10.8%;与试验前的土壤相比，豆科绿肥处理的土壤有机质、活性有机质、CPMI以及全氮含量分别提高－1.4%—6.0%、3.2%—7.6%、5.1%—10.1%和7.1%—13.6%。3种绿肥间，种植翻压怀豆和大豆的培肥效果较好，其中怀豆处理的土壤活性有机质、CPMI和全氮含量以及大豆的土壤有机质、活性有机质含量均显著高于绿豆处理，同时怀豆的土壤全氮含量比大豆处理高出6.0%—6.1%。

不施氮肥时，3种豆科绿肥处理土壤有机质含量比休闲处理增加8.3%—16.4%(平均12.8%);施氮108 kg/hm2时，绿肥处理比休闲增加4.7%—8.4%(平均6.0%);施氮135 kg/hm2时，绿肥处理比休闲增加－1.8%—7.9%(平均2.9%);施氮 162 kg/hm2时，绿肥处理比休闲增加 4.5%—14.8%(平均 9.5%)。可见，小麦生长季不施氮肥时，翻压豆科绿肥对土壤有机质的提升作用更明显。

翻压绿肥处理的土壤速效钾与休闲处理没有显著差异。

2008—2009年小麦播种前，种植翻压长武怀豆的土壤矿质氮累积量显著高于休闲处理，而2009—2010年小麦播前，绿豆处理显著高于休闲处理(表5)。这与2a绿肥氮素还田量的高低规律一致:即2008—2009年长武怀豆处理的氮素还田量最高，而2009—2010年绿豆处理的氮素还田量最高(表3)。2008—2009年大豆和绿豆处理土壤矿质氮累积量与休闲处理相当，2009—2010年长武怀豆和大豆处理与休闲处理无显著差异。这意味着缺乏有机物料施入时，休闲处理土壤有机氮矿化较明显。

表4 2010年小麦收获后土壤有机质、活性有机质、碳库管理指数、速效钾和全氮含量Table 4 Soil TOM，AOM，CPMI，available K and total N content after wheat harvest in 2010

表5 2008—2010年小麦播种前0—200cm土壤矿质氮累积量Table 5 Mineral N accumulation in soil of 0—200 cm depth before wheat sowing from 2008 to 2010

2.3 夏闲期种植并翻压豆科绿肥对土壤水分的影响

不同时期土壤水分结果表明，夏闲期种植豆科绿肥消耗了较多的土壤水分。绿肥盛花期种植豆科绿肥处理的土壤0—200 cm贮水量比休闲处理低39.2—51.4 mm，随着降水的进行其水分差异有所减小，但一直存在至小麦收获时。3种豆科绿肥间，大豆处理的土壤贮水量最低(表6)。

表6 2009—2010年不同处理0—200 cm土壤贮水量Table 6 Soil water storage in 0—200 cm depth of different treatments from 2009 to 2010

小麦播前，种植绿肥处理与休闲处理土壤含水量的差异主要表现在60—120 cm土层。小麦播前，种植大豆处理与怀豆和绿豆处理土壤含水量的差异主要表现在80—120 cm土层;到小麦收获时，差异则扩展至40—140 cm土层(图1)。

图1 2009—2010年小麦播种和收获时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 夏闲期种植并翻压绿肥对小麦产量、耗水量与水分生产效率的影响

2009—2010年试验结果发现，夏闲期种植翻压绿肥不仅有效增加了小麦籽粒产量，也显著提高了土壤水分生产效率(表7)。

与休闲相比，怀豆和大豆处理的小麦籽粒产量显著提高，分别增产9.5%和7.1%，绿豆处理的小麦籽粒产量增加6.3%。不施氮肥时，绿豆处理的小麦产量显著低于怀豆和大豆处理;施氮肥时，三种绿肥处理之间产量差异并不显著。夏季休闲时，连续2年不施氮肥显著降低冬小麦产量;然而，夏闲期种植并翻压长武怀豆和大豆时，连续2年不施氮肥却没有造成小麦的减产，这表明翻压怀豆和大豆显著提高了土壤供氮能力，可大大减少冬小麦对化肥氮的需求。

与夏休闲相比，豆科绿肥处理的小麦生长季耗水量没有显著差异。夏季休闲和种植翻压绿豆时，连续2年不施氮肥显著降低耗水量，这应该与其小麦产量的降低有关。怀豆和大豆处理施氮量对小麦生育期耗水量没有显著影响。

夏闲期种植并翻压豆科绿肥的水分生产效率比休闲处理提高6.5%—8.8%，差异显著，这与豆科绿肥处理较高的小麦产量有直接关系。不施氮肥时，怀豆和大豆处理的水分生产效率显著高于休闲，而绿豆与休闲无显著性差异;施用氮肥时，怀豆和大豆处理的水分生产效率与休闲无显著差异，而绿豆处理的水分生产效率显著高于休闲，表明施用氮肥能提高小麦水分生产效率，其中休闲和绿豆施用氮肥时的水分生产效率显著高于其不施肥处理。

表7 2009—2010年小麦收获时不同处理水分生产效率Table7 Water use efficiency(WUE)of different treatments after wheat harvest from 2009 to 2010

3 结论与讨论

黄土高原地区三分之二的农田其表层(0—10 cm)土壤有机质含量低于10 g/kg，另三分之一面积的土壤有机质也仅有10—15 g/kg［18］，其中黄土高原丘陵沟壑区以南的渭北旱塬土壤有机质含量为8—12 g/kg［19］。土壤瘠薄与干旱少雨是限制这一地区农业生产的两个几乎同等重要的因素，水分匮缺和侵蚀严重是造成土壤肥力不足的主要原因，有机肥投入不足和培肥不力也影响了土壤肥力提高。大量研究证明，种植并翻压豆科绿肥不仅能显著提高土壤有机质含量［19-22］，增加土壤氮素供应［23-24］，还能改善土壤物理性状［20-21］和生物学性状［21］。冬小麦—夏休闲是渭北旱塬地区的主要种植制度之一，夏季休闲期正值雨热同季，如果裸地休闲不仅会影响土壤水分的保蓄以及光热资源的白白浪费，更能由于缺乏植被覆盖而引发水土流失。尽管夏季的降水条件并不能满足大部分地区复种一茬作物［25］，如果填闲种植短期豆科绿肥并在冬小麦播种之前提前翻压入土，这样不仅能充分利用该地区夏闲期降水和光温资源，而且对提高土壤肥力具有重要的意义。该地区有多年种植豆类作物的历史，一般当地农民仅用于倒茬和收获豆子，兼有养地作用［26-27］。但由于还田的根茬生物量有限，因此对土壤有机质含量的贡献并不大［28-29］。如果将豆类作为绿肥全部翻压还田会不会有显著培肥效果呢?本研究发现，与休闲处理(不种绿肥)相比，连续2a夏季种植并翻压豆科绿肥后耕层土壤有机质含量能够增加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区，利用夏闲期插播短期豆科绿肥具有明显培肥效果，这也与前人的报道规律一致［19］。

土壤有机质含量是表征土壤肥力高低的一个重要指标，而活性有机质在指示土壤质量和土壤肥力变化方面比有机质总量更灵敏［30］。还有研究指出，土壤C库管理指数CPMI一方面反映了外界条件对土壤有机质数量的影响变化，另一方面反映了土壤活性有机质数量的变化情况，所以能够较全面和动态地反映外界条件对土壤有机质性质的影响。CPMI上升，表明该措施对土壤有培肥作用，土壤性能向良性发展;CPMI下降，则表明土壤肥力下降，土壤性质向不良方向发展，其管理和施肥是不科学的［31］。研究发现［17］，长期施用有机肥能够促进土壤有机质形成，增加土壤活性有机质和CPMI。本研究也发现，与休闲处理相比，连续2年种植并翻压绿豆、大豆和怀豆后土壤的活性有机质含量能够提高3.2%—7.6%，CPMI增加2.7%—7.6%，表明种植翻压豆科绿肥能有效保证土壤肥力的稳定与提高。

绿肥的培肥效果也会因绿肥种类的差异而不同。例如，李银平［32］等发现，在新疆连作8a的棉田种植并翻压4种不同绿肥后对土壤有机质含量有显著不同的效果:与不种绿肥相比，草木樨使土壤有机质含量提高1.44 g/kg，大豆使有机质含量提高0.17 g/kg;而油菜和油葵则使土壤有机质含量分别降低1.58和0.17 g/kg。本试验结果表明，虽然连续两年种植长武怀豆和大豆的总生物量低于绿豆，然而其相应处理下的土壤有机质含量和活性有机质含量却均高于绿豆处理，原因可能在于长武怀豆和大豆的碳含量明显高于绿豆，而碳氮比显著低于绿豆，更利于微生物分解转化为腐殖类物质［33］。

夏闲期种植翻压绿肥明显消耗了土壤水分，尤其种植豆科绿肥后的60—120 cm土层水分含量要显著低于休闲处理。尽管如此，种植绿肥处理小麦生长期间土壤耗水量与休闲处理没有明显差异，同时夏闲期利用绿肥显著增加后茬小麦籽粒产量，最终显著提高土壤水分生产效率，这应该主要归功于种植并翻压豆科绿肥后明显的培肥效果。

在渭北旱塬夏闲期插播一季豆科绿肥，既有利于改善麦田土壤肥力，又显著提高土壤水分生产效率，然而绿肥培肥地力的长期效应还有待于进一步研究;本试验中3种豆科绿肥间，以当地品种——长武怀豆培肥效果最佳。

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