冬小麦-绿豆轮作下密度对绿豆产量及土壤理化性质的影响

郑海泽,曲运琴,张红芳

(山西农业大学小麦研究所,山西临汾 041000)

绿豆在全国各地广泛种植,主要产区集中在黄河、淮河流域及东北地区[1]。栽培密度、生态环境、土壤特性等通过影响株高、群体叶面积指数、光合特性等植株生理指标的动态变化,进而影响绿豆群体干物质积累和产量[2]。其中,栽培密度是影响群体结构和产量的最主要栽培措施之一。合理密植能保证作物最大限度地利用光能、水分和养分等资源,充分发挥品种的增产潜力[3],是协调群体和个体间生长发育的重要措施。种植密度过低时,植株的通风、透光性较好,可充分发挥个体的优良特性,但个体效应并不能补充群体优势;种植密度过高时,个体发育变弱,导致产量降低[4]。增加绿豆种植密度不仅影响其产量及效益,还增加土壤耗水量,降低冬小麦播前土壤储水量,进而影响后茬冬小麦产量[5]。

绿豆为一年生草本植物,是一种优质的粮肥兼用型作物。绿豆盛花期粉碎还田能有效提高后茬麦田土壤微生物群落结构,改善土壤理化性质[6]。收获种子后,茎秆也可翻压作绿肥。虽然绿豆结荚后作为绿肥的生物量严重降低,但随着种植密度的改变,绿豆的群体干物质量及根系分泌物等会产生变化,从而影响土壤理化性质[7]。鉴于此,笔者以不同绿豆种植密度为研究内容,分析种植密度对土壤养分收支平衡的影响,以期为绿豆产量和后茬小麦土壤养分平衡提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况试验在山西农业大学小麦研究所韩村试验基地(36°19′N,111°49′E)进行。该区地处半干旱、半湿润季风气候区,年平均气温9.0～12.9 ℃,降水量420.1～550.6 mm,无霜期127～280 d,多年平均降水494.19 mm,土壤类型为石灰性褐土。试验前耕层(0～20 cm)土壤基础肥力分布为有机质18.3 g/kg、全氮1.1 g/kg、碱解氮56.7 mg/kg、有效磷6.445 mg/kg、速效钾98.7 mg/kg、pH 8.76。

1.2 试验材料供试材料为“安绿07-2”,由山西省农业科学院作物科学研究所提供,河南省安阳市农业科学院选育,于2013年通过山西省农作物品种审定委员会审定。

1.3 试验设计试验于2018和2019年在绿豆—冬小麦一年两熟区进行,冬小麦于10月初播种,次年6月收获。冬小麦收获后抢墒播种绿豆,采用单因素随机区组试验设计,小区面积10 m2(2 m×5 m),3次重复。绿豆播种行距50 cm,每小区4行。于绿豆1和2片复叶时分别进行间苗和定苗,设置4个密度处理:D1 (8万株/hm2)、D2 (12万株/hm2)、D3 (16万株/hm2)、D4 (20万株/hm2),于8月下旬绿豆黑荚率达90 %时进行人工收获。

1.4 测定项目与方法

1.4.1绿豆植株农艺性状的测定。绿豆籽粒成熟时,每小区内选择连续的 10 株进行产量性状测定,分别记录株高(plant height,PH)、主茎节数(stem node number,SNN)、主茎分枝数(number of branches on main stem,BRN)、单株荚数(pods number per plant,PNP)、荚长(length of straight pod,PDL)、单荚粒数(number of seeds per pod,NSP)、千粒重(1 000 seed-weight,TSW)、地上部干物质量等,结果取平均值。小区产量实产实收。

1.4.2茎秆木质素和纤维素含量的测定。在绿豆成熟期,每个处理选取30 cm 长度的植株样点,将地上部收割,剪取基部3个节间的茎秆,105 ℃杀青60 min后70 ℃烘干至恒重,粉碎并过筛,参照McKenzie等[8]的方法测定茎秆纤维素及木质素含量。

1.4.3植株和籽粒养分含量的测定。将植株和籽粒分别置于烘箱105 ℃杀青,65 ℃烘干至恒重,称重。采用H2SO4-H2O2法消煮;凯氏定氮法测定氮(N)含量;紫外-可见分光光度法测定磷(P)含量;火焰光度法测定钾(K)含量。

1.4.4土壤理化性质的测定。绿豆收获后分层采集0～20和20～40 cm土壤,测定土壤含水量。自然风干,研磨过筛2 mm,测定土壤pH、有机质(organic matter,OM)、EC值、碱解氮(alkaline hydrolysis nitrogen,AN)、速效磷(available phosphorus,AP)和速效钾(available potassium,AK)含量。测定方法参照鲍士旦[9]方法进行。

1.5 数据处理采用 Excel 2003和SPSS软件对数据进行统计分析。

2 结果和分析

2.1 种植密度对绿豆农艺性状的影响由表1 可知,随着密度的增加,绿豆的株高呈逐渐增加趋势,在D4处理(密度为20 万株/hm2)时达到最大值;D3和D4处理下绿豆株高显著高于D1和D2处理,其中D1和D2处理、D3和D4处理间差异不显著。绿豆的主茎分枝数(2018年除外)和主茎节数随密度的增加基本上呈逐渐降低的趋势;D1和D2处理下主茎分枝数和主茎节数显著高于D4处理。随着绿豆密度的增加,其地上部干物质量表现为先增加后降低的变化趋势,在D3处理(密度为18万株/hm2)时达到最大值;其中D2和D3处理下绿豆的地上部干物质量显著高于D4处理,而D1和D4处理间差异不显著。此外,绿豆地上干物质量与产量呈显著正相关。

表1 种植密度对绿豆农艺性状的影响

2.2 种植密度对绿豆茎秆木质素和纤维素含量的影响由表2可知,不同种植密度下绿豆茎秆中木质素含量为8.77%～10.11%,纤维素含量为26.2%～32.5%。随着种植密度增加,绿豆茎秆中木质素含量和纤维素含量均呈下降趋势。其中D3和D4处理的木质素含量较D1和D2处理显著降低了3.58%～10.78%,而D1和D2间、D3和D4间差异不显著。绿豆茎秆中纤维素含量D4处理较D1和D2处理显著降低3.53%～12.37%,D1和D2处理间差异不显著。

表2 种植密度对绿豆茎秆木质素和纤维素含量的影响

2.3 种植密度对绿豆产量的影响从表3可以看出,不同种植密度下绿豆的荚长为8.7～10.8 cm、单株荚数为24.2～29.1个、单荚粒数为9.0～10.5个、籽粒千粒重为57.6～67.8 g、籽粒产量为1 367.4～1 977.5 kg/hm2。随着种植密度的增加,绿豆的荚长呈先升高后降低的趋势,在D3处理下达到最大值;单株荚数、单荚粒数和籽粒千粒重均随着种植密度增加而呈降低趋势。D1和D2处理下单株荚数、单荚粒数分别较D3和D4分别显著提高了8.71%～17.36%、5.21%～16.67%,D1和D2处理间均差异不显著。此外,D1和D2处理下籽粒千粒重较D4处理显著提高了3.07%～6.59%。绿豆籽粒产量随着种植密度的提高表现为先增加后降低的趋势,在D3处理下达到最大值;D2和D3处理的产量较D1和D4处理显著提高了5.48%～44.62%。

表3 种植密度对绿豆产量及其构成因素的影响

2.4 种植密度对绿豆植株和籽粒养分含量的影响从表4可以看出,不同密度条件下绿豆籽粒和茎秆对氮、磷、钾的吸收之间存在差异。D1处理下,籽粒的氮、磷、钾含量较高;D2处理下,茎秆的氮、磷、钾含量较高。随着种植密度的增加,绿豆茎秆对氮、磷和钾(2018年钾除外)的吸收出现先升高后降低趋势,在D2处理下茎秆养分含量最高;绿豆籽粒的养分含量(2018年磷、钾除外)则随着种植密度的增加而呈下降的趋势,在D1处理下氮、磷、钾养分含量均较高。茎秆和籽粒对氮的吸收量较多,但对磷肥吸收量最少。

表4 种植密度对绿豆不同组织氮、磷和钾含量影响

2.5 种植密度还田对土壤理化性质的影响从表5可以看出,随着绿豆种植密度增加,收获后土壤含水量有所降低,尤其D1处理0～20和20～40 cm土壤含水量较D4处理分别显著提高了11.8%～20.0%和9.1%～13.8%。土壤pH随着绿豆种植密度的增加没有发生显著变化。随绿豆密度的增加,收获后土壤有机质含量均呈先增加后降低的变化趋势,以D3处理的有机质含量最高,D1处理0～20和20～40 cm土层分别较D3处理显著降低了7.4%～14.6%和4.3%～5.1%。随着绿豆种植密度增加,土壤碱解氮、有效磷(2019年20～40 cm土层处理除外)和速效钾(2018年20～40 cm土层处理除外)含量基本呈逐渐降低趋势,尤其在0～20 cm土层降幅较大。

表5 种植密度对绿豆收获后土壤基本理化性质的影响

3 结论与讨论

种植密度对绿豆群体结构和产量影响较大。研究结果表明,随着种植密度的增加,株高呈增加趋势,而主茎节数和分枝数表现为先增加后降低,这与赵阳等[10]研究结果一致;然而薛鑫等[11]研究发现,随种植密度增加,其主茎节数呈增加趋势,与该研究结果有差异,这可能与不同研究中土壤肥力、种植制度、气候条件等差异有关。另外该研究发现,绿豆地上部生物量与产量呈显著正相关(r=0.672*)。从产量构成要素来看,种植密度增加不利于结荚质量形成,造成单株荚数减少、籽粒千粒重降低。此外,荚长与产量呈显著正相关关系(r=0.675*),说明促进荚长对于产量形成有一定的积极作用。

该研究表明,当绿豆种植密度在12万和16万株/hm2时,绿豆的产量均处于较高水平,而密度在20万株/hm2时产量出现下降趋势。殷丽丽等[12]研究指出,晋北地区绿豆的适宜密度是12万～18万株/hm2,该密度范围内绿豆的产量最高,而密度在21万～24万株/hm2时产量开始降低。薛鑫等[11]研究指出,种植密度为 16 万株/hm2时,绿豆产量最高,为 2 070 kg/hm2。而该研究中,在种植密度为16万株/hm2时,绿豆产量最高,达到1 878.23 kg/hm2。赵阳等[10]研究指出,对于直立型绿豆品种辽绿 8 号在沈阳地区最适宜的播种密度是15万株/hm2。王桂梅等[13]在晋北地区研究得出,同绿1号的最佳种植密度是18万株/hm2,该密度下绿豆产量达到最高。这些研究结果与该研究结果基本一致,只是产量最大值不同,这与不同研究中选用的绿豆品种有关[14-15],也与生态环境、土壤质量和管理条件等差异有关。在不同种植密度条件下,绿豆单株之间对光照、水分和营养物质产生竞争吸收差异;密度过大时,环境条件无法满足单株光合作用及生长的需求,使得个体营养生长和生殖生长难以平衡发展,产量反而会下降[16-17]。

除了考虑绿豆产量和群体结构外,也要考虑绿豆种植对后茬小麦的影响。在冬小麦-绿豆轮作区,夏作物常对土壤产生耗水,该研究结果显示,随着种植密度增加,绿豆收获期土壤含水量呈下降趋势,较大的生物量造成蒸腾作用增加[18],易导致冬小麦播前土壤含水量过低,进而可能影响冬小麦出苗。因此,过高的种植密度可能会对后茬作物生长产生负面影响[19],这需要做进一步研究。此外,茎秆和籽粒对氮的吸收量最多,其次是钾,对磷肥吸收量最少。因此,绿豆收获后种植小麦前要注重对土壤中氮磷钾元素的有效补充。此外,过高的密度也会推迟绿豆的成熟时间[20],降低茎秆中木质素和纤维素含量,容易在结荚成熟期遇多雨天气而出现倒伏甚至发生籽粒霉烂。

综上所述,过大的种植密度不利于绿豆结荚和产量提高,会导致过多消耗土壤水分和养分,影响后茬冬小麦播种[21]。在合理的密度范围不仅可提高绿豆经济效益,还能起到养地和培肥的效果。因此,在晋南绿豆-冬小麦轮作区选择适宜的绿豆种植密度(12万～16万株/hm2)时,可以起到综合提升绿豆经济效益与土壤肥力的效果。