花生与绿肥轮作对土壤含水量和土壤肥力的影响

2024-04-24于淑慧朱国梁牟小翎董浩史桂芳郑铮张卫建

中国农学通报 2024年8期

于淑慧，朱国梁，牟小翎，董浩，史桂芳，郑铮，张卫建

（1泰安市农业科学院，山东泰安 271000；2中国农业科学院作物科学研究所/农业农村部作物生理生态重点实验室，北京 100081）

0 引言

花生是中国重要的油料作物和经济作物，山东省花生种植面积大，主要的种植方式是春花生单作栽培模式，即一年只种一茬春花生，花生收获后，土地裸露在表面，造成冬闲田光热资源浪费，风沙扬尘，土壤养分流失严重，有机质含量下降，土壤贫瘠，花生产量难以提升等问题[1-2]。绿肥是一种养分完全的优质、清洁生物有机肥源，具有减施化肥、培肥地力、改善土壤结构和微生物环境、提升农产品产量品质的重要作用，也是实现合理用养土地、缓解连作障碍的重要措施[3]。目前，绿肥在培肥地力、改善农田生态环境、提高作物产量品质等方面的作用已经得到了广泛认可，绿肥作为实现合理用养土地和可持续发展的关键一环，作用尤为凸显[4-7]。王怡针等[8]研究发现华北地区种植绿肥二月兰，还田后可适当替代化学肥料。张硕等[9]研究发现早稻收获后，翻耕绿肥可以显著增加土壤有机质、碱解氮和有效磷含量，早稻产量比对照也有显著的增产。熊静等[10]发现在二月兰春玉米轮作生产体系中，翻压二月兰可以增加0～180 cm 土层土壤硝态氮保蓄量。传统的春花生单作栽培模式留有大量的冬春裸地和丰富的光热资源，为种植冬绿肥提供了理想的时间和空间；一般春花生4月播种，9月收获，冬绿肥9月种植，来年4月收获翻压还田，为种植冬绿肥提供了适宜的岔口衔接，有利于冬绿肥的适期翻压。因此，利用春花生收获后至春播前的冬春裸地，种植一季冬绿肥作物，建立一种新的花生绿肥轮作栽培模式，既能保证不与主作物争地，又能实现合理用养土地，具有广阔的应用空间和发展潜力。本研究通过2 年的大田试验，研究了以冬闲田为对照，种植冬小麦、二月兰和毛叶苕子对土壤理化性质和花生养分含量等的影响，旨在为山东地区冬闲田建立一种合理的轮作方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验于2020—2022年，在泰安市岱岳区马庄镇泰安市农业科学院试验基地(117°0′27″E，35°59′55″N)进行，属暖温带大陆性季风气候，年平均气温12.8℃，年均降水量687.7 mm。供试土壤为褐土，土壤基础肥力为：碱解氮80.25 mg/kg，有效磷31.71 mg/kg，速效钾102.95 mg/kg，有机质17.71 g/kg，pH 7.30。

1.2 试验设计

试验共设4 个处理，分别为：（1）春花生—冬闲田（2）夏花生—冬小麦（3）春花生—二月兰（4）春花生—毛叶苕子4种轮作模式，二月兰和毛叶苕子属于冬绿肥作物，冬绿肥和冬小麦于每年的10月种植，绿肥在4月中旬盛花期翻压还田，春花生于每年5 月种植，夏花生6月中旬种植。为便于田间机械化操作，采用大区试验，每个大区长23.0 m，宽15.4 m（7 畦），面积354.2 m2，每处理重复3次。花生品种为‘山花106’，花生季施肥每公顷总施肥量（根据当地施肥量）：纯氮(N)105 kg、磷(P2O5)120 kg、钾(K2O)112.5 kg（施用复合肥14-16-15，用量750 kg/hm2）。灌水视春播时土壤墒情，保证玉米和花生出苗。冬季不进行额外水肥管理。

1.3 样品采集与测定

冬绿肥翻压前选取1 m2样方，采集地上植株，于105℃下杀青，70℃下烘干至恒定质量，测定生物量并粉碎，对其植株进行养分含量的测定，绿肥植株烘干磨碎后经浓H2SO4消解，采用半微量开氏法测定全氮含量，钼蓝比色法测定全磷含量，火焰光度计法测定全钾含量。花生收获时，每个处理取4 m2进行测产，测定花生荚果产量；同时每个处理取有代表性的5株花生，将花生秧、花生壳和花生籽粒分开，按照冬绿肥养分含量测定的方法测定其中的全氮、全磷、全钾的含量。

在绿肥翻压前和花生收获时，用土钻取0～60 cm的土样，每20 cm 一层，测定每层土壤水分和0～20 cm土层pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾，土壤酸碱度用pH计测定，有机质含量采用重铬酸钾容量法，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用醋酸铵浸提火焰光度法测定[11]。

1.4 数据处理

数据处理采用Excel 软件处理，统计分析用SPASS软件进行，LSD方法做多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同的轮作方式对绿肥生物量和养分积累量的影响

2年的结果显示（表1），二月兰和毛叶苕子的生物量平均为4848.62 kg/hm2和6335.25 kg/hm2，毛叶苕子生物量比二月兰高出1486.63 kg/hm2。养分含量中，毛叶苕子氮含量平均比二月兰高18.09%，钾含量平均高42.32%，磷含量两者相差不大。

表1 绿肥作物生物量和养分含量

2.2 不同的轮作方式对花生养分含量和产量的影响

由图1，2021 年和2022 年不同花生轮作种植方式下的花生籽粒氮磷钾养分含量均表现为：春花生—二月兰＞春花生—毛叶苕子＞春花生—冬闲田＞夏花生—冬小麦，其花生秧和壳的养分含量也表现出相似规律。2021 年，与春花生—冬闲田相比，春花生—二月兰、春花生—毛叶苕子2 种种植方式中花生粒含氮量分别升高了3.95%、3.02%，钾含量分别升高了4.05%、2.31%，而夏花生—冬小麦种植方式下花生粒氮、磷和钾量则分别显著降低16.05%、6.25%和12.14%。2022年与2021 年表现出相似规律，与春花生—冬闲田相比，春花生—二月兰、春花生—毛叶苕子花生粒氮磷钾含量升高幅度变大，夏花生—冬小麦降低幅度变大。

图1 不同的轮作方式对花生各部分养分含量的影响

从图2可以看出，与冬闲田相比，种植绿肥对花生产量影响差异不显著，种植冬小麦处理花生产量显著降低。

图2 2022年不同的轮作方式对花生荚果产量的影响

2.3 不同的轮作方式对土壤相对含水量的影响

由图3，绿肥翻压时，4 种花生轮作种植方式中，2年的结果显示，在0～60 cm土层中，土壤相对含水量都以春花生—冬闲田最高，其次是春花生—二月兰、春花生—毛叶苕子，以夏花生—冬小麦最低，春花生—二月兰、春花生—毛叶苕子2 个处理之间差异不显著。其中在0～20 cm 土层中，2021 年，与春花生—冬闲田相比，夏花生—冬小麦、春花生—二月兰、春花生—毛叶苕子分别降低了41.84%、30.51%、34.28%。2022 年与2021年相比，降低幅度变小。

图3 不同的轮作方式对土壤相对含水量的影响

春花生收获时，4 种花生轮作种植方式中，在0～60 cm 土层中，土壤相对含水量都以春花生—二月兰最高，其次是春花生—毛叶苕子、春花生—冬闲田和夏花生—冬小麦，同一种植方式下各土层之间相对含水量相互比较无显著规律。其中在0～20 cm 土层中，2021 年，与春花生—冬闲田相比，夏花生—冬小麦土壤相对含水量降低了12.97%，而春花生—二月兰、春花生—毛叶苕子则分别升高了4.70%、6.14%，在20～40 cm、40～60 cm 土层中也表现出相似的趋势。2022年与2021年相比，表现出相似规律。

2.4 不同的轮作方式对土壤养分含量的影响

从表2、3 可以看出，两年结果显示，绿肥收获时，与春花生—冬闲田相比，种植夏花生—冬小麦、春花生—二月兰和春花生—毛叶苕子的处理土壤的有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量均显著减少，其中夏花生—冬小麦下降最多。花生收获时，与春花生—冬闲田相比，夏花生—冬小麦处理土壤的有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量减少，而春花生—二月兰和春花生—毛叶苕子处理增加；春花生—二月兰处理有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量平均增加了5.71%、8.98%、7.22%和7.72%，差异达显著水平；春花生—毛叶苕子处理有机质、碱解氮含量平均增加了4.54%、14.91%，差异达显著水平，有效磷和速效钾含量处理效果不显著。与春花生—二月兰处理相比，春花生—毛叶苕子处理碱解氮含量显著增加。

表2 不同的轮作方式对绿肥收获时表层土壤养分含量的影响

3 讨论

利用春花生种植期间的冬春裸地种植冬绿肥不仅可以覆盖地面，防治风沙扬尘，而且能够改善土壤养分[1]。本研究得出种植的冬绿肥二月兰和毛叶苕子能很好适应该地域的生态环境，二月兰和毛叶苕子的生物量平均为4848.62 kg/hm2和6335.25 kg/hm2，毛叶苕子生物量比二月兰高出1486.63 kg/hm2。毛叶苕子由于是豆科作物，根部具有较多的根瘤，能将空气中的无机氮转化成土壤中有机氮，因此含氮量高于二月兰。本研究也得出毛叶苕子钾含量高于二月兰。

多个研究表明，种植翻压绿肥，可以提高作物养分吸收积累量和养分利用率，并且提高作物的产量[12-13]。向小等[14]研究表明，相同施肥量，小麦和玉米翻压绿肥的产量和氮磷钾养分积累量都显著高于单施化肥，植株氮磷钾养分积累量表现为随绿肥翻压量增加而增加的趋势。杨璐等[15]研究发现，种植翻压二月兰后，春玉米籽粒和秸秆氮磷钾养分积累量增加，同时养分利用率大幅度提高。本研究也得出，与冬闲田相比，种植二月兰和毛叶苕子绿肥，后茬作物花生氮磷钾养分含量增加，且二月兰比毛叶苕子增加程度高。但是与冬闲田相比，种植绿肥对花生产量影响差异不显著。

绿肥翻压时，在0～60 cm土层中，土壤相对含水量都以春花生—冬闲田最高，其次是春花生—二月兰、春花生—毛叶苕子，以夏花生—冬小麦最低，可能的原因是在冬闲期种植绿肥作物和冬小麦对土壤水分的吸收量大于蒸腾量，种植的冬小麦由于生物量大，土壤含水量最低。这与在美国的半干旱地区休闲期种植毛叶苕子消耗的土壤水分高于裸地相一致[16]，但也有研究发现绿肥作物在生长阶段，生物量大、覆盖性好，可以减少水分的蒸发，增加水分的入渗率，从而提高土壤的水分含量[17-18]。在花生收获时，在0～60 cm 土层中，土壤相对含水量都以春花生—二月兰最高，其次是春花生—毛叶苕子、春花生—冬闲田，以夏花生—冬小麦最低。可能是绿肥还田后，在花生生长期间，分解产生了大量的腐殖质，腐殖质是一种有机胶体，含有多糖和胡敏酸等水稳定性结构，从而提高土壤中的水稳定性团粒的数量，改善了土壤的蓄水保墒能力[19]。种植夏花生—冬小麦由于在冬闲期间种植冬小麦消耗了大量土壤水分，在花生种植期间又没有额外补充水分，所以在所有处理中土壤相对含水量最低。此研究结果和先前的很多报道相一致，例如包兴国等[20]在甘肃河西发现施用适量的磷肥同时翻压4500 kg/hm2的绿肥，比无绿肥处理的土壤含水量增加了18.2%，比增施化肥处理土壤含水量增加了18.3%。然而也有研究发现在陕西长武夏闲期种植豆科绿肥，冬小麦拨节前0～200 cm土壤蓄水量比冬闲田降低了78～93 mm[21]。休闲期种植和翻压绿肥提高或降低土壤的含水量主要与当地的气候条件有关[22]。

绿肥收获时，与冬闲田相比，种植冬小麦、二月兰和毛叶苕子处理土壤的有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量均减少，其中冬小麦下降最多。可能的原因是冬季种植绿肥作物和小麦吸收土壤中的速效养分，尤其冬小麦生物量大吸收速效养分多，所以导致土壤中的养分含量下降。花生收获时，与冬闲田相比，种植绿肥的土壤有机质、碱解氮含量都有不同程度的增加，种植二月兰的土壤有效磷和速效钾也显著增加，这与刘佳[19]、史桂芳等[23]、赵秋等[24]、李正等[25]的研究结果相一致，可能原因是绿肥翻压还田后，在保持水土的同时，减少了养分的淋溶流失，使得土壤肥力较未翻压绿肥有了一定的提升。另外，由于绿肥的翻压改变了土壤原有的区域生态环境，提高区域酶活性和微生物丰度及土壤呼吸强度，为土壤肥力的提升提供了生物学基础[24,26]。