秸稈覆蓋下油菜間作紫云英的土壤微環(huán)境效應(yīng)

周 泉，陳 嬌，石 超，邢 毅，馬淑敏，張小短，王龍昌

(1.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，重慶 400716；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心/作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045)

土壤是作物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，改善土壤微環(huán)境是調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物產(chǎn)量的重要措施。土壤微環(huán)境包括土壤物理性狀、養(yǎng)分含量、土壤微生物數(shù)量等指標(biāo)[1]，通過對(duì)土壤的水、肥、氣、熱及其物理、化學(xué)和生物學(xué)過程等因素的調(diào)控，進(jìn)而影響植物對(duì)養(yǎng)分吸收和植株的生長(zhǎng)發(fā)育，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)[2-3]。

研究表明，間作可以促進(jìn)作物利用深層土壤水分，增強(qiáng)土壤保水性，對(duì)土壤水分的年際平衡沒有負(fù)影響，同時(shí)還可降低高溫期的土壤溫度[4-5]，而對(duì)于土壤養(yǎng)分，間作則可以改善當(dāng)季土壤速效養(yǎng)分變化情況及提高植物養(yǎng)分吸收性能[6]。秸稈覆蓋條件下土壤溫度的季、日變化均趨向緩和，在低溫時(shí)具有“增溫效應(yīng)”，而高溫時(shí)則有“低溫效應(yīng)”，兩種效應(yīng)在作物不同生育時(shí)期，對(duì)其生長(zhǎng)均十分有利，可有效地減緩地溫劇變對(duì)作物造成的傷害[7-8]。總體而言，秸稈覆蓋的“低溫效應(yīng)”更受研究者關(guān)注。而對(duì)土壤水分的影響則主要是促進(jìn)降水入滲、減少土壤水分蒸發(fā)、提高土壤含水率、增加土壤貯水量等。對(duì)土壤養(yǎng)分的影響則主要是來自農(nóng)作物秸稈自身的有機(jī)質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)元素，也是土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)的重要補(bǔ)充來源，同時(shí)還會(huì)影響作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用[9]。

目前，學(xué)者對(duì)種植紫云英和秸稈覆蓋條件下的土壤微生物和土壤呼吸特征已進(jìn)行了探討[10-11]，但對(duì)影響土壤微生物和土壤呼吸較大的土壤微環(huán)境因子(土壤水熱因子和土壤養(yǎng)分)還未進(jìn)行深入分析。實(shí)際上，土壤微生物受環(huán)境影響敏感，土壤營(yíng)養(yǎng)狀況、pH值、溫度、水分等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，環(huán)境變化會(huì)導(dǎo)致土壤微生物多樣性及其生態(tài)功能的變化[12]；土壤呼吸與土壤微環(huán)境的關(guān)系同樣是土壤呼吸研究的重點(diǎn)，主要集中在溫度和水分對(duì)土壤呼吸的影響，例如土壤溫度與土壤呼吸的關(guān)系常采用Q10值表示，是呼吸速率對(duì)溫度變化的敏感性指標(biāo)[13]。因此，本研究在前期研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析種植紫云英和秸稈覆蓋對(duì)油菜田間土壤微環(huán)境的影響，以期為我國(guó)西南旱地種植紫云英的可行性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年10月至2016年9月在重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅? 156.8 mm，其中春、夏、秋、冬降雨量分別為全年的25.3%、46.8%、22.5%和5.4%(試驗(yàn)期間降水量如圖1)，年蒸發(fā)量1 181.1 mm，年日照時(shí)數(shù)888.5～1 539.6 h，日照百分率僅為25%～35%，冬季日照更少，僅占全年的10%左右。試驗(yàn)所用土壤為西南旱地紫色土，地力相對(duì)均勻。試驗(yàn)前土壤pH值6.3，土壤有機(jī)碳8.6 g·kg-1，堿解氮80.4 mg·kg-1，速效磷41.1 mg·kg-1，速效鉀106.2 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采取大田試驗(yàn)，隨機(jī)區(qū)組排列，2×3雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)2種覆蓋方式：無秸稈覆蓋(T)，作物生長(zhǎng)期內(nèi)均不進(jìn)行秸稈覆蓋；秸稈覆蓋(S)，于作物播種期將3 750 kg·hm-2玉米秸稈均勻覆蓋(11.25 kg·30m-2)。設(shè)3種種植方式：油菜單作(R)，采用寬窄行穴播方式，株距20.0 cm，寬行距80.0 cm，窄行距20.0 cm；紫云英單作(A)，紫云英單作，采用撒播方式，播種量為45 kg·hm-2；紫云英間作油菜(AR)，紫云英撒播在寬行內(nèi)，播種量為45 kg·hm-2，油菜穴播。共6個(gè)處理：TR(油菜單作+無秸稈覆蓋)、TA(紫云英單作+無秸稈覆蓋)、TAR(紫云英油菜間作+無秸稈覆蓋)、SR(油菜單作+秸稈覆蓋)、SA(紫云英單作+無秸稈覆蓋)、SAR(紫云英油菜間作+秸稈覆蓋)。

圖1 試驗(yàn)期間降水量概況Fig.1 Precipitation during the test period

大田小區(qū)試驗(yàn)為3次重復(fù)，小區(qū)面積3.5 m×7.8 m，施肥、播種(移栽)等其他田間管理均按豐產(chǎn)栽培要求設(shè)計(jì)。施氮肥(N)180 kg·hm-2，磷肥(P2O5)180 kg·hm-2，鉀肥(K2O)180 kg·hm-2，復(fù)合肥為三洋牌16-16-16三元素復(fù)合肥，所有肥料均于播種前一次施入。紫云英和油菜播種時(shí)間為2015年10月，收獲時(shí)間為2016年5月；玉米播種時(shí)間為2016年5月，收獲時(shí)間為2016年8月。紫云英于開花期收割還田，翻耕于寬行內(nèi)，油菜收獲后于寬行內(nèi)種植玉米，玉米穴播。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤水熱因子的測(cè)定：于油菜生育期從2015年11月1日起，每隔15 d在9∶00—11∶00測(cè)定一次。用LI6400-09自帶的溫度探針測(cè)定深度10 cm處的土壤溫度，用ProCheck手持式多功能讀表(Decagon公司)連接的GS3傳感器測(cè)定土層深度0～5 cm的體積含水量和電導(dǎo)率，每個(gè)處理每個(gè)重復(fù)均測(cè)定5個(gè)原始值。

土壤樣品采集：于油菜收獲季和玉米收獲季采用五點(diǎn)法采集耕層土壤樣品，并將取得的土樣弄碎混勻，按4分法取樣，用無菌塑料袋包好，帶回實(shí)驗(yàn)室后，自然晾干過篩后用于油菜季和玉米季土壤養(yǎng)分的測(cè)定。

土壤養(yǎng)分的測(cè)定：土壤pH值用pH計(jì)測(cè)定；土壤全氮用半微量開氏法，使用全自動(dòng)凱氏定氮儀(KjeltecTM2300, FOSS)進(jìn)行分析測(cè)定；土壤全磷用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全鉀用NaOH熔融-原子分光光度法測(cè)定；土壤堿解氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤有效磷用Black法(HCl-NH4F)測(cè)定；土壤速效鉀用NH4Ac浸提-原子分光光度法測(cè)定。

土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)值(Nutrient comprehensive evaluation value, NCEV)計(jì)算公式如下：

Ri=Ai/Ai0

式中，NCEV是土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀7個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)值；Ri是某處理第i個(gè)指標(biāo)的相對(duì)值；Ai是某處理第i個(gè)指標(biāo)的測(cè)定值；Ai0是對(duì)照處理第i個(gè)指標(biāo)的測(cè)定值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Excel 2010和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、分析，采用General Linear Model進(jìn)行單變量雙因素方差分析，多重比較采用Duncan’s新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈覆蓋下油菜間作紫云英對(duì)土壤水熱因子的影響

2.1.1 土壤溫度 由表1可知，間作紫云英和秸稈覆蓋對(duì)農(nóng)田土壤溫度影響顯著，尤其是秸稈覆蓋的影響更為明顯。在油菜整個(gè)生育期，主要表現(xiàn)為秸稈覆蓋提高了農(nóng)田土壤溫度。在油菜苗期前期(2015年11月)，秸稈覆蓋可顯著提高10 cm處的土壤溫度，而在苗期中期(2015年12月)紫云英油菜間作可顯著提高土壤溫度。在油菜蕾薹期(2016年2月)，處于油菜生育期的最低溫，仍表現(xiàn)為秸稈覆蓋可顯著提高10 cm處的土壤溫度。在油菜開花期(2016年3月)，紫云英和秸稈覆蓋對(duì)10 cm處的土壤溫度無顯著影響。在油菜角果期(2016年4-5月)，秸稈覆蓋下紫云英油菜間作可顯著提高10 cm處的農(nóng)田土壤溫度?？偟膩砜矗筒嘶ㄆ谥?，秸稈覆蓋可顯著提高其他各生育期10 cm處的土壤溫度，而紫云英油菜間作對(duì)土壤溫度的影響較小。

表1 間作紫云英和秸稈覆蓋對(duì)土壤溫度的影響/℃

注：TR為油菜單作+無秸稈覆蓋；TA為紫云英單作+無秸稈覆蓋；TAR為紫云英油菜間作+無秸稈覆蓋；SR為油菜單作+秸稈覆蓋；SA為紫云英單作+秸稈覆蓋；SAR為紫云英油菜間作+秸稈覆蓋。不同字母表示差異顯著(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 由圖2可知，油菜生育期內(nèi)0～5 cm土層土壤水分含量出現(xiàn)4個(gè)峰值，其中最高值出現(xiàn)在2016年1月1日，最低值出現(xiàn)在2015年12月15日，不同處理之間土壤含水量的差異性主要表現(xiàn)在2015年11月-2016年1月，集中在油菜苗期?？偟膩砜?，紫云英單作處理的土壤水分含量處在較高水平，紫云英油菜間作處理的土壤水分含量處在較低水平。

2.1.3 土壤電導(dǎo)率 由圖3可知，不同處理間0～5 cm土層土壤電導(dǎo)率的差異主要體現(xiàn)在2015年11月-2016年1月，集中在油菜苗期，整個(gè)生育期呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，僅在2016年1月1日出現(xiàn)一個(gè)峰值?？偟膩砜矗瑔巫魈幚淼耐寥离妼?dǎo)率要顯著高于間作處理，同時(shí)與土壤水分含量之間呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。

圖2 間作紫云英和秸稈覆蓋對(duì)土壤水分的影響Fig.2 Effects of intercropping Chinese milk vetch and straw mulching on soil moisture

圖3 間作紫云英和秸稈覆蓋對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響Fig.3 Effects of intercropping Chinese milk vetch and straw mulching on soil electrical conductivity

2.2 秸稈覆蓋下油菜間作紫云英對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

2.2.1 油菜季土壤養(yǎng)分 由圖4可知，不同處理對(duì)油菜季土壤養(yǎng)分的影響較小，對(duì)土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀的影響均不顯著，僅對(duì)土壤全氮含量的影響差異顯著(P<0.05)。對(duì)土壤pH值，紫云英單作時(shí)有所降低，但差異并不顯著；對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)，各處理間也無顯著差異；對(duì)土壤全氮，紫云英單作顯著提高了土壤全氮含量；對(duì)土壤全磷，無秸稈覆蓋時(shí)紫云英單作最低，秸稈覆蓋時(shí)則最高，但差異也不顯著；對(duì)土壤全鉀、堿解氮和速效鉀，則表現(xiàn)為紫云英單作時(shí)最高；對(duì)土壤有效磷，則是在紫云英油菜間作時(shí)表現(xiàn)最低。

2.2.2 玉米季土壤養(yǎng)分 由圖5可知，不同處理之間對(duì)玉米季土壤養(yǎng)分的影響不同，除了對(duì)土壤pH值和全鉀影響不顯著之外，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀的影響均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)，秸稈覆蓋處理的表現(xiàn)高于無秸稈覆蓋，同時(shí)紫云英單作表現(xiàn)較高，且差異顯著；對(duì)土壤全氮，紫云英單作顯著提高了土壤全氮含量，而且在無秸稈覆蓋時(shí)表現(xiàn)更明顯；對(duì)土壤全磷，則是秸稈覆蓋下紫云英油菜間作顯著降低了其含量；對(duì)土壤堿解氮、有效磷和速效鉀，同樣是紫云英單作顯著提高了其含量。

總的來看，紫云英和秸稈覆蓋對(duì)土壤養(yǎng)分的影響在油菜季影響較小，其影響在玉米季表現(xiàn)的更為明顯。紫云英單作在年內(nèi)就可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量，但秸稈覆蓋和紫云英油菜間作在年內(nèi)對(duì)土壤養(yǎng)分的影響有限。

2.2.3 土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià) 由表2可知，不同處理油菜季土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)排列次序?yàn)? SA>TA>SR>SAR>TAR>TR，說明不同處理與油菜單作相比，均提高了油菜季土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)值，綜合效果均優(yōu)于油菜單作，其中紫云英單作最好。不同處理玉米季土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)排列次序?yàn)椋篠A>TA>SR>SAR>TR>TAR，說明除無秸稈覆蓋下的紫云英油菜間作之外，其他處理均提高了玉米季土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)值，綜合效果均優(yōu)于油菜單作，紫云英單作效果最好。由此可見，從土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)的角度來講，不同處理對(duì)油菜季和玉米季的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)較好，其中紫云英單作評(píng)價(jià)值最高，效果最優(yōu)。

圖4 間作紫云英和秸稈覆蓋對(duì)油菜季土壤養(yǎng)分的影響Fig.4 Effects of intercropping Chinese milk vetch and straw mulching on soil nutrients in rape season

圖5 間作紫云英和秸稈覆蓋對(duì)玉米季土壤養(yǎng)分的影響Fig.5 Effects of intercropping Chinese milk vetch and straw mulching on soil nutrients in maize season

表2 不同處理的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋可提高冬季農(nóng)田土壤溫度，而綠肥間作在一定程度上削弱了秸稈覆蓋的增溫效應(yīng)。一般來講，秸稈覆蓋在低溫下具有保溫作用，在高溫下具有降溫作用[14]，目前，在小麥、棉花、玉米、大豆等作物上發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋與無覆蓋相比，都會(huì)出現(xiàn)前期低溫季節(jié)增溫、后期高溫季節(jié)降溫的雙重效應(yīng)，并能平抑地溫在季節(jié)間和晝夜間的劇烈變化，這種雙重效應(yīng)被認(rèn)為是覆蓋增產(chǎn)的重要機(jī)制[15-18]。本研究得出的秸稈覆蓋在冬季低溫下可提高土壤溫度的結(jié)果與一般研究結(jié)果一致[15-18]。另外，目前對(duì)果麥、林草等農(nóng)林間作系統(tǒng)的研究結(jié)果表明，間作能夠降低土壤溫度[19-21]，這與本研究中綠肥間作對(duì)土壤增溫有削弱作用一致。因此，當(dāng)綠肥間作與秸稈覆蓋相結(jié)合，可以平穩(wěn)地抑制土壤溫度在季節(jié)間和晝夜間的劇烈變化，增強(qiáng)了土壤溫度的穩(wěn)定性。

單作紫云英還提高了農(nóng)田土壤含水量，并在秸稈覆蓋下保水效應(yīng)更加明顯，這主要是因?yàn)樽显朴⒆鳛橐环N農(nóng)田綠色覆蓋措施增加了農(nóng)田地表覆蓋率，減少了水分流失。但研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紫云英與油菜混作時(shí)反而降低了土壤含水量，這主要是因?yàn)樽显朴⒋龠M(jìn)了油菜生長(zhǎng)，兩者共同作用增加了對(duì)水分的吸收利用。另外，各處理土壤電導(dǎo)率變化特征與土壤含水量的變化特征基本一致，主要是因?yàn)橥寥离妼?dǎo)率與土壤含水量之間有一定的正相關(guān)關(guān)系[22]。秸稈覆蓋條件下種植紫云英的土壤電導(dǎo)率較高，說明土壤總鹽量升高，這主要是由于季節(jié)性覆蓋(秸稈覆蓋、綠色覆蓋)改變了土壤自然狀態(tài)下的水熱平衡，土壤得不到雨水充分淋洗，致使鹽分在土壤表層上聚集。

目前，對(duì)農(nóng)田綠肥的研究發(fā)現(xiàn)，種植綠肥可以提高農(nóng)田土壤養(yǎng)分[23]，這與本研究中發(fā)現(xiàn)種植紫云英可提高玉米季的土壤養(yǎng)分含量一致。之所以沒有顯著提高油菜季的土壤養(yǎng)分，主要是因?yàn)楸驹囼?yàn)是紫云英與油菜間作，在油菜季并沒有進(jìn)行綠肥還田?？偟膩砜?，種植紫云英提高了農(nóng)田土壤養(yǎng)分的綜合評(píng)價(jià)值。

4 結(jié) 論

秸稈覆蓋可顯著提高10 cm處的土壤溫度，而間作紫云英對(duì)土壤溫度影響較?。唤斩捀采w對(duì)0～5 cm土層的土壤含水量和土壤電導(dǎo)率的影響較小，紫云英單作提高了土壤含水量，而紫云英油菜間作則降低了土壤含水量和土壤電導(dǎo)率。不同種植模式對(duì)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的影響主要體現(xiàn)在玉米季，而且種植紫云英對(duì)油菜季和玉米季的土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)均較好，其中紫云英單作評(píng)價(jià)值最高，效果最優(yōu)。