黄土高原沟壑区果园绿肥油菜翻压对土壤水肥的影响

王春丽，杨建利，王周礼，张 智，陈文杰

(陕西省杂交油菜研究中心，陕西杨陵 712100)

中国黄土高原沟壑区海拔800～1500m，具有北方旱寒区的典型气候特点，土地资源丰富，光照充足，昼夜温差大，干旱寒冷，温度和降雨量从东南到西北递减。当地年降水量450mm左右,主要集中于6—9月，而且分布不匀,风沙干旱年时有发生；夏季温凉，平均极端最高温度37.9℃，冬季寒冷，极端最低温度可达-20℃以下。当地主要是黄绵土，土层厚而松，由于长期以来受到强烈的土壤侵蚀，土壤中的养分严重损失，有机质含量很低，土壤理化性质恶化，土壤板结，通气透水性能降低，土壤肥力和质量较差。当地旱寒的气候特点及瘠薄的土壤条件严重影响作物的生长。

黄土高原沟壑区是世界公认的苹果最佳适生区，苹果种植面积巨大，仅延安地区苹果面积已超过20万hm2，是陕西省苹果主要产区之一。干旱和土壤瘠薄严重影响当地苹果产量和品质。调查发现，当地果园土壤有机质平均含量普遍不足1%，远低于发达国家4%～8%的平均水平[1]；当地苹果园养分投入量偏低，其中化肥提供的N、P2O5和K2O占养分总投入量的80%以上，有机肥投入严重不足[2]。

果园施用有机质可提高土壤保水保肥能力，促进果树根系生长，增加根系在深层土壤中的分布，提高根系活力，促进根系对养分的吸收和向果实中的转移，显著增加苹果产量，并可增加果实可溶性糖、维生素C、可溶性固形物含量，提高糖酸比，改善苹果品质，使苹果果面光洁、个大、优果率较高[3-5]。大量的研究表明，种植绿肥可以改善土壤团粒结构，降低土壤的体积质量，增加土壤孔隙度和含水量，改良土壤沙、黏、酸、碱、盐等障碍因子，调节土壤氮、磷、钾库，促使土壤中固定的营养元素的释放，促进土壤微生物和酶的活性，逐步提高土壤肥力水平[6]。田间长期定位试验发现，与不翻压绿肥地块相比，种植、翻压绿肥的田块土壤中有机质、全氮、碱解氮、速效钾及速效磷含量显著增加，土壤微生物活性、土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性显著提高[7-9]。

为了改善土壤瘠薄的状态和增加土壤有机质，黄土高原地区从上世纪90年代就开始推广果园套种并翻压豆科绿肥如苜宿、沙打旺、黄豆等，但没有取得突破性进展。紫花苜宿、沙打旺是多年生牧草，可在土壤中形成密集的根系层，引起土壤水分的过度消耗；黄豆种植成本较高、产草量少；黄豆和牧草的耗水高峰均在6—8月份，正值苹果膨大、生长和需水需肥的关键时期，易与果树争水争肥。

油菜是1a生养地作物，种质资源丰富，可分为白菜型、甘蓝型、芥菜型等类型以及冬性、春性等品种。油菜具有较强的适应性和抗逆性,耐寒、耐旱，对土壤肥力要求不高，坡地、低洼地都可很好地生长，是北方旱寒区新型油料作物和生态作物。油菜春、夏、秋三季都可播种，在雨季播种的油菜可迅速形成较大生物量，且不会象多年生牧草那样形成密集厚实的根系层，避免和果树争水争肥。油菜植株中营养元素含量丰富，茎叶易于腐烂，种子廉价，种植成本低，因而比其他绿肥更具有推广优势。

本研究针对黄土高原沟壑区果园春季干旱缺水、土壤瘠薄以及当地恶劣的生态环境，利用当地秋季多雨的气候特点，于夏末秋初在山地苹果园行间套种不同类型不同品种的油菜，入冬前翻压还田，检测其对土壤水分、养分含量的影响，以筛选宜作绿肥的油菜类型，探讨在耗水较少的条件下能有效培肥土壤的绿肥还田技术模式，解决黄土沟壑区果园土壤瘠薄的现实问题，以促进苹果产量和品质的提高。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验设计

试验地位于陕西省延安市宝塔区河庄坪镇余家沟村(36°11′～37°09′N，109°21′～110°03′E)的山地果园内，海拔1 300 m；研究区域冬春干旱、秋季多雨，年平均降雨量500 mm 左右，年均气温9.4 ℃，无霜期170～186 d。该区域土壤质地为黄绵土，土质疏松，土层深厚。试验地为地势平坦的台田，苹果主栽品种为4 a生雨养红富士(MaluspumilaMill)，八棱海棠作砧木，种植密度为5 m×4 m，平均树干直径为17.8 cm，平均树高为2.6 m，平均冠幅直径为2.3 m。套种油菜为：‘2002’(V1)、‘春陕2B’(V2)、‘2013’(V3)、‘1721-1B’(V4)、‘浩油11’(V5)、‘09鉴8’(V6)、‘延油2号’(V7)、‘天油7号’(V8)、‘天油10号’(V9)、‘天油8号’(V10)和‘陇油8号’(V11)11个品种；其中V1、V2、V3、V4为甘蓝型(BrassicanapusL.)冬性品种，V5为白菜型(BrassicacampestrisL.)春性品种，V6、V7、V8、V9、V10、V11为白菜型(BrassicacampestrisL.)冬性 品种。

在果园行间距果树主杆1.2 m套种油菜，油菜行距0.40 m、株距0.10 m、种植密度约25 万株·hm-2，播种时间为2018-08-14，油菜出苗时间8月22日前后。统一耕作、统一施肥管理、全程无灌溉。记载各油菜品种生长情况。

试验设置果园套种并翻压不同品种油菜的处理、以及不种油菜免耕空白(Blank)处理，以不种油菜并用旋耕机浅耕田为对照(Control)。秋季雨季来临前在果树行间套种不同品种油菜，秋末(10月30日)用旋耕机将油菜浅耕还田。每个油菜品种设3个小区的重复，重复内各油菜品种随机排列，小区面积12 m2(3.0 m×4.0 m)。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 油菜地上(茎叶)、地下部分(根)生物学产量、地上部分干质量、主根长度 每小区选取生长均匀有代表性区域，用0.8×1.0 m2取样框取样，割取油菜地上部分，称鲜质量并换算，计为地上生物学产量(S)；统计样方内油菜株数并挖出油菜的根系部分，抖净泥土，称量并换算，计为地下生物学产量(R)；3次重复。测量单株主根长度， 5次重复。

将样方内油菜地上部分在105 ℃杀青30 min，然后在60 ℃下烘至恒量，称量干质量，换算成单位面积油菜地上部分干质量。3次重复。

1.2.2 土壤水分含量 分别于油菜生长旺盛期(10月8日)、翌年春季(3月18日，4月18日)用土钻分段取0～20、20～40、40～60 cm土层的土壤，装入铝盒，土壤水分含量测定采用烘干称重法。3次重复。

1.2.3 单位面积耗水量及单位耗水生物学产量(干质量) 采用环刀法分别测量土壤剖面上0～20、20～40、40～60土层土壤体积质量 (g·cm-3)，5次重复。

根据各层土壤体积质量分别计算0～20、 20～40、40～60土层单位面积的土壤体积质量[W，(g·m-3)]；与对照相比，计算各土层土壤水分含量的减少值(D，%)；再根据Cn=W×D，分别计算0～20、20～40、40～60土层单位面积土壤水分的减少量[Cn，(g·m-3)]，各层土壤水分减少量的总和作为单位面积0～60 cm 土层土壤的耗水量[即单位面积耗水量，(g·m-3)]。

根据单位面积上油菜地上部分干质量及单位面积耗水量，换算单位耗水地上部分的生物学 产量。

1.2.4 土壤养分含量 油菜翻压当天于还田前(Before soil-returning,BR)(10月29日)和还田后(After soil-returning,AR)的次年春季(3月17日)，分别采集耕层0～20 cm土壤，测定其养分含量。土壤有效磷含量的测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾含量的测定采用醋酸铵浸提-火焰光度计比色法，碱解氮含量的测定采用碱解扩散法，有机质含量的测定采用重铬酸钾外加热法。

1.3 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理及图表制作，采用 DPS V 7.55进行方差分析，应用Duncan’s新复极差法对数据进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 果园行间套种并翻压油菜对土壤水分含量的影响

在油菜生长旺盛期，如图1所示，浅耕空白(Blank)与对照相比无显著差异；甘蓝型冬性品种V1、V2、V3、V4处理的0～20 cm和V3处理的20～40、40～60 cm土层土壤水分含量均显著低于对照，而V1、V2、V4处理20～40、40～60 cm土层土壤水分含量与对照相比差异不显著；白菜型冬性品种V8、V9、V10处理的0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤水分含量均显著低于对照，而品种V6、V7、V11处理的0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤水分含量没有显著变化；白菜型春性品种V5处理的0～20 cm土层水分含量显著低于对照。即在油菜生长过程中、甘蓝型冬性品种和白菜型春性品种主要消耗并影响0～20 cm土层的土壤水分，而白菜型冬性品种会导致0～60 cm土层的土壤水分含量降低。

如图2所示，与对照相比，油菜翻压还田后翌年3月份，甘蓝型品种V1、V3处理的0～20 cm、V2处理的40～60 cm土层土壤水分含量显著降低；白菜型春性品种V5及白菜型冬性品种V8、V9、V10处理的0～20、20～40、40～60 cm、V7处理的20～40 cm 、V11处理的40～60 cm土层土壤水分含量均显著低于对照；其余处理(包括浅耕空白Blank)各层次土壤水分含量与对照相比差异不显著。可见，秋季种植并翻压甘蓝型冬性品种油菜主要引起翌年春季3月份0～20 cm土层土壤水分含量的降低，而白菜型春性及其冬性品种会导致翌年3月份0～60 cm土层土壤水分含量的降低,秋末浅耕对翌年3月份土壤水分含量无显著影响。

如图3所示，油菜翻压还田后翌年4月份，甘蓝型品种V3、V4处理的0～20 cm土层、V2处理的0～20、40～60 cm土层土壤水分含量显著低于对照，白菜型春性品种V5及其冬性品种V6、V11处理的0～20 cm土层、V7处理的0～20、40～60 cm土层、V7、V8、V9处理的0～20、20～40、40～60 cm土层土壤水分含量均显著低于对照，其余处理(包括浅耕空白Blank)各层次土壤水分含量与对照相比差异不显著。显然，秋季种植并翻压甘蓝型冬性及白菜型春性油菜主要使翌年4月份0～20 cm土层土壤水分含量降低，而白菜型冬性油菜可使翌年4月份0～60 cm土层土壤水分含量呈现降低趋势，秋末浅耕对翌年4月份土壤水分含量无显著影响。

2.2 不同品种油菜单位面积耗水量及单位耗水地上部分生物学产量的比较

比较不同品种油菜在生长季节单位面积0～60 cm土层的耗水量(图4-A)，可以看出，甘蓝型冬性品种V3及白菜型冬性品种V8、V9、V10耗水较多，甘蓝型冬性品种V1、V2、V4及白菜型春性品种V5、白菜型冬性品种V6、V7、V11耗水较少。反之，单位耗水地上部分生物学产量(干质量)较大的有品种V1、V11，其次是V2、V4、V5、V6、V7，而品种V3及V8、V9、V10单位耗水的生物学产量最小(图4-B)。即大多数甘蓝型冬性品种及部分白菜型(春性和冬性品种)油菜秋季单位面积的耗水量较少、且单位耗水的生物学产量 较大。

2.3 不同品种油菜地上及地下部分生物学产量的比较

如表1所示，参试品种油菜秋末地上部分鲜质量由大到小依次是V10>V5>V3>V11> V2>V8>V9>V7>V4>V1>V6，白菜型品种V10、V5最大，其次是甘蓝型品种V3(V5与V3间无显著差异)，再次是甘蓝型品种V2与白菜型品种V11、V8、V9(这几个品种间无显著差异)，甘蓝型品种V1、V4及白菜型品种V6、V7的地上部分鲜质量相对较小。品种间比较，秋季甘蓝型油菜与白菜型油菜形成的地上部分茎叶鲜质量未呈有规律的变化。

根部鲜质量由大到小依次是V11>V10> V6>V7>V8>V3>V9>V5>V2>V1>V4，白菜型冬性品种V10、V11的根鲜质量最大，显著高于其他品种，其次是白菜型品种V6、V7、V8、V9及甘蓝型品种V3，白菜型春性品种V5及甘蓝型品种V2、V1、V4根鲜质量显著低于其他品种(表1)。甘蓝型冬性品种的根与茎叶鲜质量的比值(根/茎叶)为0.102～0.131，白菜型春性品种为0.087，白菜型冬性品种为0.150～0.258，白菜型冬性品种植株根与茎叶鲜质量的比值明显大于甘蓝型冬性和白菜型春性品种(表1)。冬前主根长以白菜型冬性品种V6最大，其次是V11、V10及V7、V8、V9，这些品种的冬前主根长均显著大于甘蓝型冬性品种V1、V2、V3、V4，白菜型春性品种V5与甘蓝型品种间无显著差异(表1)。显然，品种间比较油菜植株冬前形成的根系生物量、根与茎叶鲜质量的比值、根系深度，白菜型冬性品种显著大于甘蓝型冬性品种，白菜型春性品种的根系生物量及主根深度与甘蓝型冬性品种间无显著差异。

表1 不同品种油菜地上及地下部分生物学产量

2.4 油菜翻压还田对土壤养分含量的影响

和翻压前相比较，甘蓝型冬性品种V1、V2及白菜型冬性品种V7翻压还田后显著提高土壤速效磷含量，白菜型春性品种V5翻压后土壤速效磷含量显著降低，其余的甘蓝型冬性品种V3、V4和白菜型冬性品种V6翻压对土壤速效磷含量影响不显著(图5-A)。品种V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7翻压还田均显著提高土壤速效钾 (图5-B)、对土壤碱解氮含量均无显著影响(图5-C)。品种V1、V5还田显著提高土壤有机质含量，V7还田后土壤有机质含量显著降低(图5-D)。总之，甘蓝型及白菜型油菜秋季翻压均显著增加翌年春季土壤速效钾含量，翻压甘蓝型冬性油菜的土壤速效磷含量呈现增加趋势，白菜型春性品种翻压有利于土壤有机质的积累，但土壤速效磷含量显著降低。

3 讨论与结论

夏闲地种植绿肥可使绿肥翻压前、小麦播前、开花期直至收获后0～200 cm土层土壤贮水量和剖面水分含量显著降低[10-12]。和清耕相比，果园种植白三叶和鸭茅降低0～120 cm土层土壤水分含量[13]。草木栖生长头1 a对土壤水分的影响深度至少可达50 cm以上,2 a生草木栖返青后如果继续生长,到第2年雨季前土壤含水量( 特别是下层土壤)显著低于休闲地[14]。本研究结果显示，秋末浅耕对果园行间土壤水分含量影响不显著；不同类型油菜生长过程中耗水不同，甘蓝型冬性品种普遍耗水量较少，单位耗水地上部分生物学产量较高，种植翻压后可降低生长当季及翌年3、4月份0～20 cm土层土壤水分含量；而白菜型油菜品种间差异较大，有些品种单位面积耗水量较少，而有些品种单位面积耗水量较多且单位耗水地上生物学产量较小；种植翻压后，白菜型冬性及春性品种可使当季及翌年3、4月份0～60 cm土层土壤水分含量显著降低，且这种降低趋势4月份大于3月份。

不同种类的绿肥对土壤水分的影响与其生物量大小及其根系的深度密切相关，生物量过大、根系较深都会引起土壤水分的过度消耗。本研究中，白菜型春性品种地上茎叶的生物量大，甘蓝型及白菜型冬性油菜地上茎叶的鲜质量呈现无规律的变化，而白菜型冬性品种根鲜质量、根与茎叶鲜质量的比值(根/茎叶)以及主根长度均显著大于甘蓝型品种，故白菜型春性及冬性品种通过吸收消耗均使秋季及翌年春季较深层的土壤水分含量明显减少，而甘蓝型冬性油菜秋季形成的根系生物量较少、分布较浅，通过吸收消耗主要影响秋季及翌年春季较浅层的土壤水分含量。

绿肥翻压是改良土壤的有效途径。种植豆科绿肥能显著提高土壤有机质和全氮含量，显著提高水分生产效率[12]。夏闲期翻压绿肥显著提高土壤有机质、活性有机质、全氮、速效钾及硝态氮含量，并显著增加后茬小麦开花期、收获期土壤有效磷含量[10,15]。油菜植株干草含氮量可达到 2.52%、含磷量(P2O5)约为1.53%、含钾量(K2O)约为2.57%，油菜作绿肥压青显著增加土壤有机质、土壤全氮、碱解氮、速效钾、速效磷等的含量，降低土壤体积质量，增加土壤毛管孔隙度，抑制病原菌，还可以调整土壤pH；稻田油菜绿肥不仅能显著增加早稻产量，且后效明显、显著增加晚稻产量[16-18]。本研究中，秋末翻压甘蓝型冬性油菜使翌年春季土壤中速效钾含量显著增加，土壤速效磷含量有明显的增加趋势；白菜型春性品种由于其地上生物量较大，翻压还田显著增加土壤有机质及速效钾含量；白菜型冬性品种翻压还田显著增加土壤速效钾含量，而对其他土壤养分的影响存在品种间差异。

总之，黄土高原沟壑区秋雨季节果园套种油菜可迅速形成较大的生物量，油菜植株水分含量高，易于腐烂，翻压还田后能明显提高土壤肥力。其中甘蓝型冬性油菜在生长季节单位面积耗水量较少，单位耗水的地上生物学产量较大，植株根系较小、分布浅，种植后主要影响秋季到翌年春季20 cm以内浅层土壤的水分含量，翻压还田显著增加土壤速效钾含量，速效磷含量亦有明显的增加趋势，因此更适宜作为绿肥在黄土高原区种植。另外，油菜还田增加土壤速效钾含量的效果显著，可能是由于油菜腐解过程中要释放出较多的有机酸，使土壤中一部分固定态的钾释放出来，这有待于进一步研究。