秸秆覆盖下油菜间作紫云英的土壤微环境效应

周 泉，陈 娇，石 超，邢 毅，马淑敏，张小短，王龙昌

(1.西南大学农学与生物科技学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室/南方山地农业教育部工程研究中心，重庆 400716；2.江西农业大学生态科学研究中心/作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，江西 南昌 330045)

土壤是作物生长发育的基础，改善土壤微环境是调控作物生长发育，提高作物产量的重要措施。土壤微环境包括土壤物理性状、养分含量、土壤微生物数量等指标[1]，通过对土壤的水、肥、气、热及其物理、化学和生物学过程等因素的调控，进而影响植物对养分吸收和植株的生长发育，实现作物高产[2-3]。

研究表明，间作可以促进作物利用深层土壤水分，增强土壤保水性，对土壤水分的年际平衡没有负影响，同时还可降低高温期的土壤温度[4-5]，而对于土壤养分，间作则可以改善当季土壤速效养分变化情况及提高植物养分吸收性能[6]。秸秆覆盖条件下土壤温度的季、日变化均趋向缓和，在低温时具有“增温效应”，而高温时则有“低温效应”，两种效应在作物不同生育时期，对其生长均十分有利，可有效地减缓地温剧变对作物造成的伤害[7-8]。总体而言，秸秆覆盖的“低温效应”更受研究者关注。而对土壤水分的影响则主要是促进降水入渗、减少土壤水分蒸发、提高土壤含水率、增加土壤贮水量等。对土壤养分的影响则主要是来自农作物秸秆自身的有机质及营养元素，也是土壤养分及有机质的重要补充来源，同时还会影响作物对土壤养分的吸收利用[9]。

目前，学者对种植紫云英和秸秆覆盖条件下的土壤微生物和土壤呼吸特征已进行了探讨[10-11]，但对影响土壤微生物和土壤呼吸较大的土壤微环境因子(土壤水热因子和土壤养分)还未进行深入分析。实际上，土壤微生物受环境影响敏感，土壤营养状况、pH值、温度、水分等都会对其产生影响，环境变化会导致土壤微生物多样性及其生态功能的变化[12]；土壤呼吸与土壤微环境的关系同样是土壤呼吸研究的重点，主要集中在温度和水分对土壤呼吸的影响，例如土壤温度与土壤呼吸的关系常采用Q10值表示，是呼吸速率对温度变化的敏感性指标[13]。因此，本研究在前期研究的基础上，进一步分析种植紫云英和秸秆覆盖对油菜田间土壤微环境的影响，以期为我国西南旱地种植紫云英的可行性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年10月至2016年9月在重庆市北碚区西南大学教学试验农场进行。当地多年平均降雨量1 156.8 mm，其中春、夏、秋、冬降雨量分别为全年的25.3%、46.8%、22.5%和5.4%(试验期间降水量如图1)，年蒸发量1 181.1 mm，年日照时数888.5～1 539.6 h，日照百分率仅为25%～35%，冬季日照更少，仅占全年的10%左右。试验所用土壤为西南旱地紫色土，地力相对均匀。试验前土壤pH值6.3，土壤有机碳8.6 g·kg-1，碱解氮80.4 mg·kg-1，速效磷41.1 mg·kg-1，速效钾106.2 mg·kg-1。

1.2 试验设计

采取大田试验，随机区组排列，2×3双因素试验设计，设2种覆盖方式：无秸秆覆盖(T)，作物生长期内均不进行秸秆覆盖；秸秆覆盖(S)，于作物播种期将3 750 kg·hm-2玉米秸秆均匀覆盖(11.25 kg·30m-2)。设3种种植方式：油菜单作(R)，采用宽窄行穴播方式，株距20.0 cm，宽行距80.0 cm，窄行距20.0 cm；紫云英单作(A)，紫云英单作，采用撒播方式，播种量为45 kg·hm-2；紫云英间作油菜(AR)，紫云英撒播在宽行内，播种量为45 kg·hm-2，油菜穴播。共6个处理：TR(油菜单作+无秸秆覆盖)、TA(紫云英单作+无秸秆覆盖)、TAR(紫云英油菜间作+无秸秆覆盖)、SR(油菜单作+秸秆覆盖)、SA(紫云英单作+无秸秆覆盖)、SAR(紫云英油菜间作+秸秆覆盖)。

图1 试验期间降水量概况Fig.1 Precipitation during the test period

大田小区试验为3次重复，小区面积3.5 m×7.8 m，施肥、播种(移栽)等其他田间管理均按丰产栽培要求设计。施氮肥(N)180 kg·hm-2，磷肥(P2O5)180 kg·hm-2，钾肥(K2O)180 kg·hm-2，复合肥为三洋牌16-16-16三元素复合肥，所有肥料均于播种前一次施入。紫云英和油菜播种时间为2015年10月，收获时间为2016年5月；玉米播种时间为2016年5月，收获时间为2016年8月。紫云英于开花期收割还田，翻耕于宽行内，油菜收获后于宽行内种植玉米，玉米穴播。

1.3 测定指标与方法

土壤水热因子的测定：于油菜生育期从2015年11月1日起，每隔15 d在9∶00—11∶00测定一次。用LI6400-09自带的温度探针测定深度10 cm处的土壤温度，用ProCheck手持式多功能读表(Decagon公司)连接的GS3传感器测定土层深度0～5 cm的体积含水量和电导率，每个处理每个重复均测定5个原始值。

土壤样品采集：于油菜收获季和玉米收获季采用五点法采集耕层土壤样品，并将取得的土样弄碎混匀，按4分法取样，用无菌塑料袋包好，带回实验室后，自然晾干过筛后用于油菜季和玉米季土壤养分的测定。

土壤养分的测定：土壤pH值用pH计测定；土壤全氮用半微量开氏法，使用全自动凯氏定氮仪(KjeltecTM2300, FOSS)进行分析测定；土壤全磷用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；土壤全钾用NaOH熔融-原子分光光度法测定；土壤碱解氮用碱解扩散法测定；土壤有效磷用Black法(HCl-NH4F)测定；土壤速效钾用NH4Ac浸提-原子分光光度法测定。

土壤养分综合评价值(Nutrient comprehensive evaluation value, NCEV)计算公式如下：

Ri=Ai/Ai0

式中，NCEV是土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾7个指标的综合评价值；Ri是某处理第i个指标的相对值；Ai是某处理第i个指标的测定值；Ai0是对照处理第i个指标的测定值。

1.4 数据统计与分析

用Excel 2010和SPSS 17.0软件进行数据整理、分析，采用General Linear Model进行单变量双因素方差分析，多重比较采用Duncan’s新复极差法。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖下油菜间作紫云英对土壤水热因子的影响

2.1.1 土壤温度 由表1可知，间作紫云英和秸秆覆盖对农田土壤温度影响显著，尤其是秸秆覆盖的影响更为明显。在油菜整个生育期，主要表现为秸秆覆盖提高了农田土壤温度。在油菜苗期前期(2015年11月)，秸秆覆盖可显著提高10 cm处的土壤温度，而在苗期中期(2015年12月)紫云英油菜间作可显著提高土壤温度。在油菜蕾薹期(2016年2月)，处于油菜生育期的最低温，仍表现为秸秆覆盖可显著提高10 cm处的土壤温度。在油菜开花期(2016年3月)，紫云英和秸秆覆盖对10 cm处的土壤温度无显著影响。在油菜角果期(2016年4-5月)，秸秆覆盖下紫云英油菜间作可显著提高10 cm处的农田土壤温度。总的来看，除油菜花期之外，秸秆覆盖可显著提高其他各生育期10 cm处的土壤温度，而紫云英油菜间作对土壤温度的影响较小。

表1 间作紫云英和秸秆覆盖对土壤温度的影响/℃

注：TR为油菜单作+无秸秆覆盖；TA为紫云英单作+无秸秆覆盖；TAR为紫云英油菜间作+无秸秆覆盖；SR为油菜单作+秸秆覆盖；SA为紫云英单作+秸秆覆盖；SAR为紫云英油菜间作+秸秆覆盖。不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note: TR: rape monoculture + no straw mulching; TA: Chinese milk vetch monoculture + no straw mulching; TAR: rape intercropped with Chinese milk vetch + no straw mulching; SR: rape monoculture + straw mulching; SA: Chinese milk vetch monoculture + straw mulching; SAR: rape intercropped with Chinese milk vetch + straw mulching. Different letters indicate significant difference at 0.05 level. The same below.

2.1.2 土壤水分 由图2可知，油菜生育期内0～5 cm土层土壤水分含量出现4个峰值，其中最高值出现在2016年1月1日，最低值出现在2015年12月15日，不同处理之间土壤含水量的差异性主要表现在2015年11月-2016年1月，集中在油菜苗期。总的来看，紫云英单作处理的土壤水分含量处在较高水平，紫云英油菜间作处理的土壤水分含量处在较低水平。

2.1.3 土壤电导率 由图3可知，不同处理间0～5 cm土层土壤电导率的差异主要体现在2015年11月-2016年1月，集中在油菜苗期，整个生育期呈现不断下降的趋势，仅在2016年1月1日出现一个峰值。总的来看，单作处理的土壤电导率要显著高于间作处理，同时与土壤水分含量之间呈现出一定的相关性。

图2 间作紫云英和秸秆覆盖对土壤水分的影响Fig.2 Effects of intercropping Chinese milk vetch and straw mulching on soil moisture

图3 间作紫云英和秸秆覆盖对土壤电导率的影响Fig.3 Effects of intercropping Chinese milk vetch and straw mulching on soil electrical conductivity

2.2 秸秆覆盖下油菜间作紫云英对土壤养分的影响

2.2.1 油菜季土壤养分 由图4可知，不同处理对油菜季土壤养分的影响较小，对土壤pH值、有机质、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾的影响均不显著，仅对土壤全氮含量的影响差异显著(P<0.05)。对土壤pH值，紫云英单作时有所降低，但差异并不显著；对土壤有机质，各处理间也无显著差异；对土壤全氮，紫云英单作显著提高了土壤全氮含量；对土壤全磷，无秸秆覆盖时紫云英单作最低，秸秆覆盖时则最高，但差异也不显著；对土壤全钾、碱解氮和速效钾，则表现为紫云英单作时最高；对土壤有效磷，则是在紫云英油菜间作时表现最低。

2.2.2 玉米季土壤养分 由图5可知，不同处理之间对玉米季土壤养分的影响不同，除了对土壤pH值和全钾影响不显著之外，对土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾的影响均达到显著水平(P<0.05)。对土壤有机质，秸秆覆盖处理的表现高于无秸秆覆盖，同时紫云英单作表现较高，且差异显著；对土壤全氮，紫云英单作显著提高了土壤全氮含量，而且在无秸秆覆盖时表现更明显；对土壤全磷，则是秸秆覆盖下紫云英油菜间作显著降低了其含量；对土壤碱解氮、有效磷和速效钾，同样是紫云英单作显著提高了其含量。

总的来看，紫云英和秸秆覆盖对土壤养分的影响在油菜季影响较小，其影响在玉米季表现的更为明显。紫云英单作在年内就可显著提高土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾的含量，但秸秆覆盖和紫云英油菜间作在年内对土壤养分的影响有限。

2.2.3 土壤养分综合评价 由表2可知，不同处理油菜季土壤养分综合评价排列次序为: SA>TA>SR>SAR>TAR>TR，说明不同处理与油菜单作相比，均提高了油菜季土壤养分综合评价值，综合效果均优于油菜单作，其中紫云英单作最好。不同处理玉米季土壤养分综合评价排列次序为：SA>TA>SR>SAR>TR>TAR，说明除无秸秆覆盖下的紫云英油菜间作之外，其他处理均提高了玉米季土壤养分综合评价值，综合效果均优于油菜单作，紫云英单作效果最好。由此可见，从土壤养分综合评价的角度来讲，不同处理对油菜季和玉米季的土壤养分综合评价较好，其中紫云英单作评价值最高，效果最优。

图4 间作紫云英和秸秆覆盖对油菜季土壤养分的影响Fig.4 Effects of intercropping Chinese milk vetch and straw mulching on soil nutrients in rape season

图5 间作紫云英和秸秆覆盖对玉米季土壤养分的影响Fig.5 Effects of intercropping Chinese milk vetch and straw mulching on soil nutrients in maize season

表2 不同处理的土壤养分综合评价

3 讨 论

本研究发现，秸秆覆盖可提高冬季农田土壤温度，而绿肥间作在一定程度上削弱了秸秆覆盖的增温效应。一般来讲，秸秆覆盖在低温下具有保温作用，在高温下具有降温作用[14]，目前，在小麦、棉花、玉米、大豆等作物上发现，秸秆覆盖与无覆盖相比，都会出现前期低温季节增温、后期高温季节降温的双重效应，并能平抑地温在季节间和昼夜间的剧烈变化，这种双重效应被认为是覆盖增产的重要机制[15-18]。本研究得出的秸秆覆盖在冬季低温下可提高土壤温度的结果与一般研究结果一致[15-18]。另外，目前对果麦、林草等农林间作系统的研究结果表明，间作能够降低土壤温度[19-21]，这与本研究中绿肥间作对土壤增温有削弱作用一致。因此，当绿肥间作与秸秆覆盖相结合，可以平稳地抑制土壤温度在季节间和昼夜间的剧烈变化，增强了土壤温度的稳定性。

单作紫云英还提高了农田土壤含水量，并在秸秆覆盖下保水效应更加明显，这主要是因为紫云英作为一种农田绿色覆盖措施增加了农田地表覆盖率，减少了水分流失。但研究同时发现，当紫云英与油菜混作时反而降低了土壤含水量，这主要是因为紫云英促进了油菜生长，两者共同作用增加了对水分的吸收利用。另外，各处理土壤电导率变化特征与土壤含水量的变化特征基本一致，主要是因为土壤电导率与土壤含水量之间有一定的正相关关系[22]。秸秆覆盖条件下种植紫云英的土壤电导率较高，说明土壤总盐量升高，这主要是由于季节性覆盖(秸秆覆盖、绿色覆盖)改变了土壤自然状态下的水热平衡，土壤得不到雨水充分淋洗，致使盐分在土壤表层上聚集。

目前，对农田绿肥的研究发现，种植绿肥可以提高农田土壤养分[23]，这与本研究中发现种植紫云英可提高玉米季的土壤养分含量一致。之所以没有显著提高油菜季的土壤养分，主要是因为本试验是紫云英与油菜间作，在油菜季并没有进行绿肥还田。总的来看，种植紫云英提高了农田土壤养分的综合评价值。

4 结 论

秸秆覆盖可显著提高10 cm处的土壤温度，而间作紫云英对土壤温度影响较小；秸秆覆盖对0～5 cm土层的土壤含水量和土壤电导率的影响较小，紫云英单作提高了土壤含水量，而紫云英油菜间作则降低了土壤含水量和土壤电导率。不同种植模式对农田土壤养分的影响主要体现在玉米季，而且种植紫云英对油菜季和玉米季的土壤养分综合评价均较好，其中紫云英单作评价值最高，效果最优。