红壤旱地不同复种方式养地效果

2014-12-22黄国勤周丽华杨滨娟王淑彬赵其国

生态学报 2014年18期

黄国勤，周丽华，杨滨娟，王淑彬，赵其国

(1．江西农业大学生态科学研究中心，南昌 330045;2．中国科学院南京土壤研究所，南京 210008)

红壤旱地是红壤区的主要组成部分，由于受热带、亚热带气候条件的影响，无霜期长，水、光、热资源丰富，自然条件优越，生产潜力巨大，是我国重要的粮、油、棉和水果生产基地。然而，长期强烈的淋溶和风化致使红壤自然肥力低下，另外加上长期不合理的开发利用，加快了土壤肥力的贫瘠化及养分流失过程，而且旱地土壤肥力的贫瘠程度相对于水田更严重［1-3］，科学合理地对土地用养结合，改善土壤结构，提高土壤肥力，有利于农田生态系统的可持续发展，也是农田生态系统的价值体现。孔宏敏等［1］研究表明，红壤旱地土壤中 N、P2O5、K2O 养分盈余l kg/hm2时，可以使土壤中碱解氮、有效磷、速效钾含量分别提高0．6—6．26、0．20—0．28 和 1．1—8.5mg/kg2;红壤旱地每年可固定磷43．5 kg/hm2，每年通过自身风化作用可提供氮和钾分别48．1 kg/hm2、40．5 kg/hm2，以满足作物生长所需。傅庆林等［4］对复种制农田生态系统的养分循环研究表明，复种制 Ca、Mg 养分有盈余，Fe、Mn、N、P、K 养分则表现亏缺，N素养分有较大的浪费。陈长青等［5］通过连续7年定位监测研究，旱地不同种植模式养分平衡存在一定差异，养分循环速率以“花生-绿肥-花生”模式为最高;整个旱地种植系统的氮、磷、钾养分均出现积累，以磷的累积量最大。因此，本文以传统复种方式为对照，从土壤理化性状、微生物及酶活性等多方面分析比较不同复种方式对土壤的养地效果，旨在为提出适宜南方红壤区旱地质量提升的持续高效种植模式提供理论依据。

1 材料与方法

1．1 试验地点

本试验在江西农业大学科技园进行，试验地属于中亚热带季风气候，年平均温度为16．6℃，日平均温度≥10℃的活动积温达5532℃，持续天数约为255 d。年平均日照总辐射量 101．76×4．18 kJ/cm2，年平均日照时数为1601．9 h，无霜期约272 d，年降水1712．9 mm。试验地属低岗地，其成土母质为第四纪红色粘土，无灌溉条件，试验前耕翻整地，使土壤肥力基本一致。土壤理化性状:土壤容重1．304 g/cm3，总孔隙度 52．98%，毛管孔隙度 41．55%，pH值4．75，有机质 29．78 g/kg，全氮 1．34 g/kg，碱解氮90．00 mg/kg，全磷 1.18 g/kg，有效磷 76.35 mg/kg，全钾55.38 g/kg，速效钾107.5 mg/kg。

1．2 试验设计

本试验设4个处理4次重复，共16个小区，小区面积为33．3 m2，东西向随机区组排列。

(1)处理 A(CK):小麦/大豆-芝麻(“∕”为套作;“-”为接茬)

小麦于2011年11月2日播种，条播，行距35 cm，施钙镁磷肥350 kg/hm2作基肥，尿素270 kg/hm2(追肥)。2012年4月10日在小麦行间播种大豆，每公顷施钙镁磷肥350 kg(基肥)，氯化钾200 kg(基肥∶苗肥∶孕穗肥 =3∶3∶4)，尿素 300 kg(基肥∶苗肥∶孕穗肥 =2∶3∶5)。7月4日播种芝麻，每公顷施钙镁磷肥350 kg(基肥)，氯化钾225 kg(基肥∶苗肥∶孕穗肥 =3∶3∶4)，尿素 80 kg(基肥∶苗肥∶孕穗肥=2 ∶3 ∶5)。

(2)处理 B:混播绿肥(油菜、紫云英、肥田萝卜)-大豆‖玉米-绿豆‖芝麻(“‖”为间作)

混播绿肥(油菜×紫云英×肥田萝卜)(“×”混播)于2011年11月2日播种，撒播，播种量为50 kg/hm2，2012年4月1日收割绿肥并砍碎后一部分将其压翻还田，一部分覆盖还田。2012年4月9日开沟播种玉米和大豆，玉米间作大豆行比为2∶4，间距35 cm，带宽190 cm;每公顷施钙镁磷肥350 kg(基肥)，氯化钾 200 kg(基肥∶苗肥∶孕穗肥=3∶3∶4)，尿素 300 kg(基肥∶苗肥∶孕穗肥=2∶3∶5)。6 月 29 日在收获大豆的地里接茬芝麻，施肥水平如处理A。7月9日在收获了玉米的地里种植绿豆，每公顷施钙镁磷肥350 kg(基肥)，氯化钾 225 kg(基肥∶苗肥∶孕穗肥=3∶3∶4)，尿素 400 kg(基肥∶苗肥∶孕穗肥=2∶3∶5)。

(3)处理C:黑麦草-花生‖玉米-粟‖荞麦

黑麦草于2011年11月2日播种，条播，行距45cm，播种量为45 kg/hm2。每当株高达50 cm左右时刈割，砍碎后还田，到2012年4月1日共刈割3次，收割绿肥并砍碎后一部分将其压翻还田，一部分覆盖还田。2012年4月9日播种玉米和花生，玉米间作花生行比为2∶4，间距35 cm，带宽190 cm;每公顷施钙镁磷肥350 kg(基肥)，氯化钾200 kg(基肥∶苗肥∶孕穗肥 =3∶3∶4)，尿素 300 kg(基肥∶苗肥∶孕穗肥=2∶3∶5)。7月9日，玉米收获后接茬粟，每公顷施钙镁磷肥325 kg(基肥)，氯化钾220 kg(基肥∶苗肥∶孕穗肥=3∶3∶4)，尿素 320 kg(基肥∶苗肥∶孕穗肥=2∶3∶5);8月30日收获花生后翌日在空行播种荞麦，每公顷施钙镁磷肥220 kg(基肥)，氯化钾200 kg(基肥∶花肥=3∶1)，尿素 150 kg(基肥∶花肥=2∶3)。

(4)处理D:油菜-绿豆‖甘薯

油菜于2011年11月2日条播，行距40cm，播种量为20 kg/hm2，施钙镁磷肥150 kg/hm2作基肥，氯化钾250 kg/hm2，尿素80 kg/hm2(追肥)。2012年5月15日接茬绿豆，施钙镁磷肥200 kg/hm2(基肥)，氯化钾 100 kg/hm2(基肥∶苗肥∶孕穗肥 =3∶3∶4)，尿素 200 kg/hm2(基肥∶苗肥∶孕穗肥 =2∶3∶5)。5 月25日在绿豆行间开沟扦插甘薯2行，施钙镁磷肥375 kg/hm2(基肥)，氯化钾80 kg/hm2(基肥)，尿素80 kg/hm2(基肥∶追肥 =1∶2)。

1．3 测定项目与方法

1．3．1 土壤理化性状测定

(1)土壤容重、孔隙度测定，于作物种植前和收获当日用五点法采集土样，用环刀法测定。

(2)土壤化学性质测定，于作物种植前及作物收获时取土样，五点法，测定项目如下［6-7］:

pH采用pH计测定法;阳离子交换(CEC)采用1 mol/L乙酸铵交换法;有效阳离子交换(ECEC)采用用加和法(交换性酸用KCl中和滴定法，交换性钾、钠用火焰光度法，交换性钙、镁用原子吸收分光光度法);有机质采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法;全氮采用半自动开氏定氮蒸馏法;全磷采用酸溶-钼锑抗比色法;全钾采用NaOH熔融-火焰光度法;碱解氮采用碱解蒸馏法;有效磷采用氟化铵-盐酸浸提-钼锑抗比色法;速效钾采用NH4AC浸提-火焰光度法。

1．3．2 土壤微生物和酶活性测定

(1)土壤微生物数量的测定［8］

细菌(牛肉膏蛋白胨琼脂)、放线菌(高氏1号琼脂培养基)、真菌(马丁-孟加拉红琼脂)、氨氧化细菌(蛋白胨氨化培养基)和好气性自生固氮菌(瓦克斯曼氏77号培养基)采用固体平板培养计数法测定;亚硝酸细菌(改良的斯蒂芬逊培养基A)、磷细菌(有机磷(卵黄培养基)和好气性纤维素分解菌(依姆歇涅茨基纤维素分解菌培养基)采用液体稀释法测定。

(2)土壤酶活性指标的测定［9］

过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法;脲酶采用奈氏比色法;转化酶采用3，5-1二硝基水杨酸比色法。

1．4 统计分析

采用Excel2003进行数据整理及制图，DPS7．05统计软件进行最小显著差异性检验(LSD)进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2．1 土壤容重和孔隙度

由图1可知，各复种方式土壤容重为1．296—1.302 g/cm3，处理B对土壤容重的影响最大，其次是处理C，处理B的土壤容重相对于处理A(CK)、处理 C、处理 D 分别低3．08%、1．54%、4．61%，各处理之间差异不显著;土壤总孔隙度为51%—56%，以处理B最大，其次为处理C，处理B较处理C高3．7%，差异不显著，处理B较处理A、处理D分别高7．7%、9.8%且差异显著，处理A、处理D之间差异不显著。毛管孔隙度以处理B最大，且与其他处理差异显著，处理A、处理C和处理D之间差异不显著;所以相对的非毛管孔隙度以处理B最大，其次为处理C，处理B较处理A、处理C、处理D分别高46．9%、22．7%、31.9%，且与其他处理之间差异显著。

图1 不同复种方式的土壤物理性状Fig．1 Soil physical properties w ith differentmultiple cropping patterns柱状图上不同小写字母代表不同处理间差异达到显著水平(P＜0．05)，不同大写字母代表不同处理间差异达到极显著水平(P＜0．01)

2．2 土壤 pH、CEC、ECEC

土壤酸碱性涉及到土壤中各种物理和化学反应以及微生物的活动等，对作物生长影响巨大。由表1可知，各处理的土壤pH值都低于4．6，土壤酸化比较严重，其中处理B的pH值较高，相比处理A、处理C、处理 D 分别高 4．6%、0．9%、1．3%，处理 A 与其他处理之间差异显著;阳离子交换量(CEC)的大小反映土壤所拥有的永久电荷和可变电荷的总量，是土壤缓冲性能的重要来源，可作为评价土壤保肥能力的指标，主要受土壤质地、pH值和土壤胶体类型的影响。有效阳离子交换量(ECEC)反映土壤的天然保肥能力，主要与成土母质有关。由表1可知，处理C的CEC最高，为9．76 cmol/kg，相较于处理 A、处理 B、处理 D 分别高 18．7%、8．2%、13．6%，并且与处理A、处理D差异极显著，处理B、处理C之间差异不显著;土壤的ECEC含量各处理之间差异不显著，以处理C最高，其次为处理B，处理C土壤的ECEC含量相较于处理A、处理B、处理D分别高6．8%、3．3%、6.4%;ECEC/CEC 在 73．6%—81．8% 之间，因其成土母质是第四纪红色粘土。

表1 不同复种方式土壤的pH、CEC、ECECTable 1 The soil pH、CEC、ECEC w ith differentmultip le cropping patterns

2．3 土壤有机质和大量养分变化

由图2可知，由于种植前翻田整地，土壤有机质和氮、磷、钾等大量养分含量各处理之间差异不显著。

(1)土壤有机质是土壤营养元素(特别是氮、磷)的重要来源，还能使土壤疏松，改善土壤物理性状，而且它还是土壤微生物的重要碳源和能源。处理A和处理B土壤有机质含量比种植前有所降低，分别降低了6．8%和14．2%;处理C和处理D土壤有机质含量则比种植前有所增加，分别增加了4．3%和3．0%。种植后，各处理土壤有机质含量以处理C最高，为31．4g/kg，分别较处理A、处理B、处理D高13.8%、22．0%、3．6%，处理C与处理A、处理D之间差异不显著，与处理B之间差异显著。

图2 不同复种方式土壤有机质和大量养分变化Fig．2 Changes in soil organic matter and soil nutrients w ith differentmultiple cropping patterns柱状图上不同小写字母代表不同处理间差异达到显著水平(P＜0．05)，不同大写字母代表不同处理间差异达到极显著水平(P＜0．01)

(2)氮作为作物生长的必需元素之一，是限制作物生长和产量的重要因素，它对改善农产品品质也有重要作用。各处理种植后土壤中全氮含量均比种植前有所降低，处理A、处理B、处理C、处理D的全氮含量分别比种植前降低了 16．4%、11．1%、23．2%、0．8%。种植后土壤全氮含量以处理D最高，为1.29g/kg，分别比处理A、处理B、处理C高15．2%、7.5%、21．7%，处理D与处理C之间差异显著，与处理A、处理B之间差异不显著。

(3)碱解氮是表现土壤氮素供应强度的指标。各处理种植后土壤中碱解氮含量均比种植前有所增加，分别比种植前增加了 5．8%、4．6%、27．8%、23.8%。种植后土壤中碱解氮含量以处理C最高，为117．63 mg/kg，处理D其次，处理C分别比处理A、处理 B、处理 D 高 26．3%、26．3%、4．4%，处理 C与处理A、处理B之间差异极显著，与处理D之间差异不显著。

(4)土壤中全磷含量的多少主要取决于成土母质，还受气候条件、土壤pH值、土壤有机质含量及人为耕作和施肥的影响。通常情况下，土壤中全磷的含量只是反映土壤磷素的储备状况，并不能反映植物的实际可利用状况。处理A和处理B土壤全磷含量比种植前有所降低，分别降低了3．6%和11．7%;处理C和处理D土壤全磷含量则比种植前有所增加，分别增加了0．8%和4．7%。种植后，各处理土壤全磷含量以处理D和处理C较高，为1．22 g/kg和1．21 g/kg;处理 B 全磷含量最低，为1．06 g/kg，且与其他处理之间差异显著，处理A、处理C、处理D之间差异不显著。

(5)土壤有效磷是土壤磷素养分供应水平的指标。各处理种植后土壤中有效磷含量均比种植前明显增加，处理A、处理B、处理C、处理D分别比种植前增加了 46．7%、40．4%、17．9%、6．8%。种植后土壤中有效磷含量以处理A、B较高，分别为109．99 mg/kg和108．08 mg/kg，处理A分别比处理B、处理C、处理 D 高 1．8%、19．6%、36．6%，处理 A 与处理D之间差异极显著，与处理C之间差异显著，与处理B之间差异不显著。

(6)钾不仅是植物生长所必需的营养元素，在植物体内的含量仅次于氮，而且是肥料三要素之一。许多作物需钾量很大，钾不仅在生物物理和生物化学方面有重要作用，而且与植物体内同化产物的运输、能量转化、酶促反应等关系密切，可以明显改善农作物产品品质。各处理种植后全钾含量比种植前有所增加，处理A、处理B、处理C、处理D分别增加了 7．2%、7．5%、7．3%、2．3%，种植后各处理全钾含量以处理D最低，但各处理之间差异不显著。

(7)土壤速效钾是表现土壤钾素供应强度的指标。各处理种植后土壤中速效钾含量均比种植前明显增加，处理A、处理B、处理C、处理D分别比种植前增加了 41．0%、80．3%、31．5%、26．9%。种植后土壤中速效钾含量以处理B最高，为198．33mg/kg，处理B分别比处理 A、处理 C、处理 D高34．0%、50.8%、35．8%，且差异极显著，处理 A、处理 C、处理D之间差异不显著。

根据土壤养分分级标准［10］，种植后各处理土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量较适宜，全磷、全钾和有效磷含量丰富，在下季作物种植时可以适当减少磷素和钾素的施肥量。

2．4 土壤微生物数量

由表2可知，红壤旱地不同复种种植系统的土壤微生物数量不同，细菌、放线菌和氨氧化细菌数量以处理B最多，真菌、亚硝酸细菌、磷细菌和好气性纤维素分解菌数量以处理C最多，好气性自生固氮菌数量则以处理D最多。氨氧化细菌和好气性自生固氮菌数量各处理之间差异不显著。细菌数量处理B分别比处理A、处理 C、处理 D多45．4%、5．2%、20.3%，处理B与处理C差异不显著，与处理A、处理D差异极显著，处理A细菌数量最低，且与其他处理之间差异极显著;放线菌数量处理B比处理A、处理 C、处理 D 分别高 18．5%、5．8%、11．2%，处理 B与处理A之间差异显著，与处理C、处理D差异不显著;真菌数量处理C比处理A、处理B、处理D分别高 105．7%、2．4%、58．1%，处理 C 与处理 A、处理 D差异极显著，与处理B差异不显著;亚硝酸细菌处理C比处理 A、处理 B、处理 D分别高 106．9%、96．7%、110.5%，且差异显著，处理A、处理B、处理D之间差异不显著;磷细菌处理C比处理A、处理B、处理D分别高16．2%、7．1%、9．7%，处理 C与处理 A差异显著，与处理B、处理D差异不显著;好气性纤维素分解菌数量处理C比处理A、处理B、处理D分别高 119.7%、30．5%、140．2%，处理 C 与处理 A、处理D差异极显著，与处理B之间差异显著。

表2 不同复种方式下土壤微生物数量及组成Table 2 The quantity and com position of soilm icro-organism s w ith differentmultip le cropping patterns

2．5 土壤酶活性

由图3可知，过氧化氢酶活性以处理A最高，脲酶活性和转化酶活性则以处理C最高，3种酶活性都以处理D最低。过氧化氢酶活性处理A分别比处理 B、处理 C、处理 D 高 27．8%、43．8%、46．0%，处理A与处理C、处理D差异显著，与处理B差异不显著;脲酶活性处理C分别比处理A、处理B、处理D高 28．6%、22．7%、50．0%，处理 C 与处理 A、处理 D差异极显著，与处理B差异显著;转化酶活性处理C分别比处理 A、处理 B、处理 D 高 11．4%、7．3%、15．8%，各处理之间差异不显著。

图3 不同复种方式下土壤酶活性Fig．3 Soil enzyme activities w ith differentmultip le cropping patterns柱状图上不同小写字母代表不同处理间差异达到显著水平(P＜0．05)，不同大写字母代表不同处理间差异达到极显著水平(P＜0．01)

2．6 养地效果比较

由表3可知，处理A具有较高的土壤有效磷含量和过氧化氢酶活性;处理B土壤具有较高的孔隙度、毛管孔隙度，全钾、速效钾含量，较多的细菌、放线菌和氨氧化细菌数量;处理C具有较低的土壤容重，较高的ECE、有机质、碱解氮含量，较多的真菌、亚硝酸细菌、磷细菌、好气性纤维素分解菌数量，以及较高的脲酶和转化酶活性;而处理D具有较高的pH、全氮、全磷含量和较多的好气性自生固氮菌数量。相对的处理C的养地效果最好，其次为处理B，处理C分别较处理 A、处理 B、处理 D高13．3%、3.7%、11．4%。这说明种植绿肥和绿肥还田具有明显的养地效果。

3 小结

近年来由于大量使用化肥导致稻田土壤有机质不断降低，从保持和积累有机质长远角度来看，必须要加强冬季农业的地位。各复种方式中“混播绿肥—大豆‖玉米—绿豆‖芝麻”对土地的用养结合程度高于其他模式，更有利于农田生态系统的持续稳定发展。而且处理B还对降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤pH值、全氮、有效磷、全钾和速效钾含量具有明显效果。处理C“黑麦草—花生‖玉米—粟‖荞麦”具有较高的土壤阳离子交换量、有机质、碱解氮、全磷含量和较多的土壤微生物数量以及较高的土壤酶活性。这说明，种植绿肥和绿肥压翻还田对土壤具有明显养地效益。高菊生等［11-13］均有同样的观点。

表3 各指标的无量纲化值Table 3 Non-dimension treatment of original data of different indexes

相对于种植前，各复种方式土壤肥力均有提升，处理A、处理B、处理C、处理D的全氮含量均有所下降，处理A和处理B的有机质和全磷含量也有所下降，其他指标均有提高，对全氮而言，虽然处理A和处理B有种植一季春大豆，其生物固氮量非常可观，但如果不注意氮营养元素的输入，氮素也会出现亏损。因此，在搭配有豆科植物的复种种植系统中也必须重视氮营养元素的输入，以保持农田土壤生态系统的氮素平衡。

绿肥—粮—经作物组合结构，冬季利用绿肥养地，并结合间作高效种植，引入芝麻等经济作物，是稳定提高作物产量、增加经济效益和合理利用土地资源的新型种植方式，生态经济效益最好，对今后红壤旱作区实际生产和农业可持续发展具有积极意义。

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