不同作物生态种植模式对砂质土壤培肥与产量的影响

邢素丽+李会龙+杨军芳+王鹏飞+孙世友+贾良良+韩宝文+茹淑华

摘要：该文根据试验数据研究了不同作物种植模式对低肥力砂地土壤有机质和速效钾含量的影响。结果显示，在低肥砂质土壤上大豆单作、豇豆单作、绿豆-玉米一年两熟、小麦-玉米-大豆两年三熟、花生单作两年能提高土壤有机质含量10.6%-33.8%，大豆单作、豇豆单作、绿豆-玉米一年两熟、小麦-玉米-大豆两年三熟、甘薯单作、马铃薯-玉米轮作两年提高土壤速效钾含量22.9%-31.7%。相反，小麦-玉米一年两熟、玉米单作和谷子单作，连续种植两年后，降低了土壤有机质和速效钾含量，不利于砂质农田培肥。该文还提出砂质农田培肥的具体生态种植模式和技术建议，为砂地土壤改良提供理论依据。

关键词：生态种植模式；砂质农田；土壤培肥；土壤有机质，土壤速效钾

北方平原砂质农田多分布于河流故道两侧，主要是由于河流多次泛滥、改道及近代河流洪积、冲积而成[1-2]。砂质土壤包含较高比例砂粒和较低比例粘粒，具疏松、耕性和通透性良好等优点，但同时具有低阳离子交换量、弱保肥性、弱结构发育、易漏水和漏肥、土壤肥力水平低下的缺点[3]。因此，砂质土壤需采用科学的农业生态种植模式进行培肥改良，且是沙地培肥的长期艰巨历史任务。本文根据试验数据，研究分析不同作物与种植模式对砂质土壤化学性质及作物产量和效益的影响，为平原沙区农田土壤培肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区简况

研究区位于藁城区兴安镇东里村，滹沱河故道西南河漫滩。该区域属暖温带季风气候区，年平均气温12.5℃，年均降水量498 mm，无霜期198天，≥10℃积温4181℃，日照时数2486.8 h， 光热资源丰富，有良好的水浇条件，土壤类型为砂质风沙土。

1.2 研究方法

采用田间试验研究方法。试验时间在2013年10月-2015年11月。在地力均匀区域布设12个处理，分别为：处理1为“大豆单作”、处理2为“豇豆单作”、处理3为“花生单作”、处理4为“玉米单作”、处理5为“谷子单作”、处理6为“西瓜单作”、处理7为“棉花单作”、处理8为“甘薯单作”、处理9为“绿豆-玉米一年两熟”、处理10为“马铃薯-玉米一年两熟”、处理11为“小麦-玉米-大豆两年三熟”、处理12为“小麦玉米一年两熟”，每处理面积120 m2，随机排列，重复三次。

参试作物品种分列如下：小麦品种为“石新828”、玉米品种为“郑单958”、谷子为“冀谷19号”、花生品种为“冀花4号”、大豆品种为“冀豆9号”、甘薯品种为“冀薯19”、棉花品种为“冀棉228”、绿豆品种“中绿5号”、豇豆品种为“花豇豆”、马铃薯品种为“中薯5号”、西瓜品种为“星研7号”。

试验前和种植两年后各处理采取0-20 cm混合土样，测定土壤有机质、速效钾含量状况，分析不同作物种植模式对土壤的培肥效果；每季作物收获后按实际收获产量记录各种农作物产量，依据各类作物农产品价格和不同作物种植成本计算分析经济效益。

供试肥料采用通用配方N：P2O5：K2O为15：15：15型缓释型复混肥为底肥，46%含量尿素为追肥。各作物肥料供应原则均根据优化平衡施肥足量供给，其中小麦底肥用量每季750 kg/hm2，春季追施尿素300 kg/hm2；甘薯、马铃薯、西瓜底肥用量每季750 kg/hm2，追肥用量600 kg/hm2，分2-3次追施；大豆、豇豆、绿豆和谷子施肥量每季450 kg/hm2，底肥施入，不追肥；花生、玉米、棉花施肥量每季600 kg/hm2，底肥施入，不追肥。其它管理同常规管理，作物生长期间长势良好，均没有后期脱肥症状。

1.3 分析测定方法

土壤有机质采用高温外热K2Cr2O7氧化容量法测定、土壤速效钾采用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法[4]。

1.4 數据处理分析

采用Micro Excel和DPS 7.05进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同作物种植模式对土壤有机质含量的影响

从表1可以看出，种植作物两年后，不同种类的作物种植模式土壤有机质含量差异较大。处理1-处理12土壤有机质含量分别为：9.5 g/kg、9.4 g/kg、7.6 g/kg、5.4 g/kg、5.5 g/kg、7.2 g/kg、 6.9 g/kg、7.1 g/kg、9.0 g/kg、6.4 g/kg、8.6 g/kg和5.3 g/kg，与种植前土壤相比，土壤有机质分别增加2.4 g/kg、2.1 g/kg、0.7 g/kg、-0.9 g/kg、 -0.7 g/kg、0.1 g/kg、0.2 g/kg、0.1 g/kg、1.8 g/kg、 -0.1 g/kg、1.7 g/kg、-1.0 g/kg，增加百分比分别为：33.8%、28.3%、10.6%、-13.8%、-11.3%、1.4%、2.5%、1.4%、24.5%、 -1.5%、24.2%和-15.9%。不同作物种植模式土壤有机质变异较大，变异幅度从-10 g/kg-2.4 g/kg， 变异百分比从-15.9% -33.8%。其中，处理1（大豆单作）土壤有机质增加量最大，其它处理模式土壤有机质增量依次为处理2（豇豆单作）>处理9（绿豆-玉米一年两熟）>处理11（小麦-玉米-大豆两年三熟）>处理3（花生单作）>处理7（棉花单作）>处理8（甘薯单作）>处理6（西瓜单作）>处理10（马铃薯-玉米一年两熟）>处理5（谷子单作）>处理4（玉米单作）>处理12（小麦-玉米一年两熟）。

从增量幅度看，处理1、2、9、11、3比种植前土壤有机质含量增加幅度在10.6%-33.8%，且与其它模式差异达显著或极显著水平，由此说明豆科作物与禾本科作物轮作以及花生单作模式，都是沙地有机质培肥的较好选择；处理7、8、6比种植前土壤有机质增加量很小，仅1.4-2.5%，说明种植薯类、西瓜、棉花对沙地土壤有机质影响较小；处理10、5、4、12种植两年后引起土壤有机质下降，不利于沙地有机质培肥，其中小麦-玉米一年两熟、谷子单作、玉米单作土壤有机质降幅达11.3%-15.8%，不利于沙地有机质积累。几种模式中小麦-玉米轮作对土壤有机质耗费最大。

2.2 不同作物和种植模式对土壤速效钾含量的影响

种植作物两年后，不同类型的作物及种植模式，土壤速效钾含量差异较大。处理1-处理12土壤速效钾含量分别为：192.3 mg/kg、177.7 mg/kg、107 mg/kg、106 mg/kg、115 mg/kg、125 mg/kg、107 mg/kg、167 mg/kg、182 mg/kg、164.7 mg/kg、190 mg/kg和97.3 mg/kg，与种植前土壤速效钾含量相比，土壤速效钾分别增加46.3 mg/kg、42.7 mg/kg、4.0 mg/kg、-3.0 mg/kg、-6.0 mg/kg、4.0 mg/kg、-3.0 mg/kg、32.0 mg/kg、39.7 mg/kg、30.7 mg/kg、44.0 mg/kg和-11.7 mg/kg，增加百分比分别为：31.7%、31.6%、3.9%、-2.8%、-5.0%、3.3%、-2.7%、23.7%、27.7%、22.9%、30.1%和-10.7%。不同种植模式土壤速效钾变异较大，变异幅度从-11.7 mg/kg-46.3 mg/kg，变异百分比从-10.7% -31.7%。其中，处理1土壤速效钾变化差异最大，其它处理模式土壤速效钾变化量从高到低依次为处理2>处理11>处理9>处理8>处理10>处理3>处理6>处理7>处理4>处理5>处理12。

从增量幅度看，处理1、2、11、9、8、10比种植前土壤速效钾含量增加幅度在22.9%-31.7%，这6个处理间差异不显著。其中，大豆单作增加最多达31.7%，其次为豇豆单作达31.6%，小麦、玉米大豆两年三熟达30.1%，与其它模式差异达极显著水平，由此说明豆科作物与禾本科作物轮作模式，适宜于沙地速效钾培肥；处理3、6比种植前土壤速效钾增加量较小，分别为3.9%和3.3%，说明种植花生和西瓜沙地土壤速效钾有一定促进作用；处理7、4、5、12也就是棉花单作、谷子单作、玉米单作以及小麦-玉米一年两熟模式种植两年后会造成土壤速效钾积累量显著下降，引起土壤速效钾下降，其中小麦-玉米一年两熟模式会使土壤速效钾含量较大幅度下降，幅达10.7%，对土壤肥力影响最大。

2.3 不同种植模式对产量和经济效益的影响

由于作物种类和栽培模式不同，不同种植模式间产量和效益差异较大。处理1-处理12作物年均产量分别为2657.5 kg/hm2、2765 kg/hm2、3430 kg/hm2、6382.5 kg/hm2、2922.5 kg/hm2、42190 kg/hm2、3085 kg/hm2、33177.5 kg/hm2、8065 kg/hm2、38992.5 kg/hm2、7640 kg/hm2和12695 kg/hm2。受市场价格和生产成本影响，年均效益分别为3990.8元/hm2、6990元/hm2、8023.5元/hm2、4339.5元/hm2、6022.5元/hm2、11777元/hm2、733元/hm2、8956.5元/hm2、12736元/hm2、9819.5元/hm2、5590元/hm2和7550元/hm2。年均效益按从高到低排序依次为绿豆-玉米一年两熟、西瓜单作、马铃薯-玉米一年两熟、甘薯单作、花生单作、小麦-玉米一年两熟、豇豆单作、谷子单作、小麦-玉米-大豆两年三熟、玉米单作、大豆单作、棉花单作，其中，处理“绿豆-玉米一年两熟”和“西瓜单作”处理效益相对较高，分别为12736元/hm2和11777元/hm2， 且與其他处理间差异显著；棉花单作效益最低，为733元/hm2，与其他处理间差异达显著水平（表2）；其它9种生产模式效益应用较多的主要有甘薯单作、花生单作、小麦-玉米一年两熟、马铃薯-玉米一年两熟。

价格参考：小麦2.3元/kg、玉米2.2元/kg、大豆4.5元/kg、豇豆6元/kg、棉花7元/kg、花生7元/kg、甘薯0.6元/kg、马铃薯0.6元/kg、西瓜0.8元/kg、绿豆10元/kg、谷子6元/kg。

成本参考：小麦753.5元/季·亩、玉米646.8元/季·亩、大豆531.2元/季·亩、豇豆640元/季·亩、棉花1390.8元/季·亩、花生1065.8元/季·亩、甘薯730元/季·亩、马铃薯850元/季·亩、西瓜1465元/季·亩、绿豆610元/季·亩、谷子767.5元/季·亩 [5]。

3 讨论

3.1 大豆单作、花生单作、小麦-玉米-大豆轮作、绿豆-玉米轮作能较快提升沙地土壤有机质含量

土壤有机质是土壤中最活跃的成分，是衡量土壤肥力的重要指标，也是土壤退化的重要指标，决定着土壤肥力水平和作物的产出及效益的高低[6]。研究表明，多种作物对土壤有机质有促进作用。如大豆单作比大豆-玉米间作显著提高土壤有机质含量[7，8]。资料也显示，如果只是供给常量NPK化肥，小麦-玉米轮作模式的土壤易氧化，有机质含量明显下降，氧化稳定系数（Kos）升高，土壤腐殖质组成及其性质均有所恶化，土壤供肥能力降低[9]。

本研究结果表明，小麦-玉米一年两熟、玉米单作和谷子单作，施用常量施肥量，连续种植两年后，不同程度降低了土壤有机质含量，相比试验前分别降低18.5%、15.9%、10.8%，显著降低了土壤肥力。相反，大豆单作、花生单作、小麦-玉米-大豆轮作、绿豆-玉米轮作，土壤有机质提升较快，种植后土壤有机质含量快速增长10.6% -33.8%，相比其它处理模式差异达显著水平。

3.2 种植豆科作物、薯类作物增加沙地土壤速效钾含量

土壤速效钾包括土壤水溶性钾和交换性钾。土壤水溶性钾和交换性钾是土壤钾库中最活跃的组分，缓效性钾和矿物钾则转化较慢[10，11]。土壤钾素的转化是一个可逆过程，其反应方向依赖于土壤交换性钾和水溶性钾的浓度和环境条件。当钾浓度提高以后，反应就由交换性钾向非交换性钾方向进行，使部分交换性钾进入2∶1型粘土矿物的复三方网孔中，成为非交换性钾，同时也将导致矿物晶层收缩。钾的固定和释放是2∶1型粘土矿物层间钾与交换性钾和水溶性钾之间动态平衡控制的物理化学过程，与粘土矿物类型、土壤水分状况、铵离子浓度有密切关系，而土壤培肥与耕作方式是影响这一过程的主要因素[12]。不同作物对养分需求量的差异，是土壤养分变异的原因之一。

本研究显示，大豆单作、豇豆单作、小麦-玉米-大豆两年三熟、绿豆-玉米一年两熟、甘薯单作、马铃薯-玉米一年两熟作物及模式能显著促进速效钾积累，相比种植前增加22.9%-31.7%；花生单作、西瓜单作能小幅度提升速效钾含量，相比种植前增加3.3-3.9%。但是，根据资料花生连作3年导致土壤微生物总量下降、土壤酶活性降低、土壤有效磷和速效钾含量下降[13，14]。结合本研究花生对土壤有机质的贡献，建议花生与小麦-玉米轮作倒茬促进沙地土壤培肥。小麦-玉米一年两熟、玉米单作、谷子单作，引起土壤速效钾含量下降。不建议在沙质土壤长期应用。

4 结论

在低肥砂质土壤上大豆单作、豇豆单作、绿豆-玉米一年两熟、小麦-玉米-大豆两年三熟、花生单作两年能提高土壤有机质含量10.6%-33.8%，大豆单作、豇豆单作、绿豆-玉米一年两熟、小麦-玉米-大豆两年三熟、甘薯单作、马铃薯-玉米轮作两年提高土壤速效钾含量22.9%-31.7%；受市场价格影响，几种经济效益较好的模式排序为绿豆-玉米一年两熟>西瓜单作>马铃薯-玉米一年两熟>甘薯单作>花生单作>小麦-玉米一年两熟>豇豆单作。从生态培肥的角度出发，小麦-玉米一年两熟、玉米单作和谷子单作，连续种植两年后，降低了土壤有机质和速效钾含量，不利于砂质农田培肥。

砂质农田培肥应以生态培肥为原则，因地制宜，合理轮作倒茬。低有机质地块，选择豆科与禾本科作物轮作模式，可以使土壤有机质得到快速提升；对钾含量低的沙地农田，采用豆科作物、薯类作物与禾本科作物轮作等方式，可以兼顾土壤有机质的提升和土壤钾的快速补充，同时获得较好的经济效益，达到科学合理利用沙地，逐步实现沙地培肥的目的。

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