西北黃土區(qū)主要作物茬口對土壤理化性質(zhì)和冬油菜農(nóng)藝性狀的影響

李學(xué)才，馬 驪，武軍艷，劉麗君，蒲媛媛,方 彥，孫萬倉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

油菜是重要的油料作物，我國油菜種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一位，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年我國油菜籽產(chǎn)量達(dá)1.3×107t，占世界油菜籽產(chǎn)量的22.2%[1]，但長期以來我國油菜籽自給率僅約35%[2]，因此發(fā)展油菜產(chǎn)業(yè)對保證國家食用油安全具有重要意義。冬油菜北移是油菜種植面積增加和國產(chǎn)食用油供應(yīng)能力提升的主要措施之一。我國北方冬油菜種植具有很大潛力，其潛在面積達(dá)3 226.95萬hm2以上，可有效緩解我國食用油短缺問題；另一方面，種植冬油菜可在地表形成植被覆蓋層，冬春季可有效減少沙塵天氣形成頻率，農(nóng)田生態(tài)效益顯著[3]。強(qiáng)抗寒白菜型冬油菜品種可解決其抗寒問題[4-8]，北方地區(qū)白菜型冬油菜的種植面積不斷擴(kuò)大，白菜型冬油菜已經(jīng)成功北移至甘肅河西走廊、新疆、青海、寧夏、山西、河北、北京等地，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益[9-14]。

在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，雖然施肥制度對作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)較大，但不同耕作茬口對作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響也不容忽視。不同作物由于其生物學(xué)特性、生長發(fā)育對營養(yǎng)元素需求的種類和數(shù)量各有不同，其生育期內(nèi)從土壤中吸收的養(yǎng)分存在差異，有些作物在其生長發(fā)育過程中，可能對某一元素吸收利用具有明顯的偏好性，若長期種植該種類型作物，則會造成土壤中該元素回補(bǔ)短缺和單一元素貧乏，造成土壤營養(yǎng)元素的不均衡；與之相反，也可能由于長期種植單一類型作物而造成某一元素在土壤中富集而使后茬作物“中毒”。不同茬口作物根系分泌物、伴生雜草、病原菌積累等存在明顯差異，作物收獲后殘留在土壤中的枝、葉、根及有效養(yǎng)分也不盡相同，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)、營養(yǎng)元素種類與數(shù)量、微生物種群結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，對后茬作物生長發(fā)育及品質(zhì)與產(chǎn)量形成產(chǎn)生重要影響[15]。近年來關(guān)于不同間作套方式及不同茬口對后茬小麥、烤煙、棉花、大豆等作物土壤環(huán)境及產(chǎn)量影響的研究已有較多報(bào)道，許多研究表明，不同茬口會直接影響下茬作物的土壤養(yǎng)分、酶活性、微生物群落，進(jìn)而影響后茬作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。范倩玉等[16]研究表明，不同作物秸稈還田可降低0～60 cm土層土壤容重，增加毛管孔隙度和田間持水量。陳小容等[17]研究了不同種植模式下茬口對小麥季土壤養(yǎng)分和酶活性的影響，結(jié)果顯示豆茬在土壤養(yǎng)分、酶活性方面優(yōu)于苕茬，但不同間套作條件下土壤肥力存在顯著差異。崔歡虎等[18]研究表明不同茬口對后茬小麥的千粒重、容重、蛋白質(zhì)含量、沉降值及濕面筋品質(zhì)等性狀具有顯著影響，大豆茬口有利于后茬小麥形成較好的品質(zhì)性狀。雍太文等[19]研究表明冬小麥/春玉米/夏大豆套作模式有利于提高根際細(xì)菌群落多樣性，增強(qiáng)植株對氮素的吸收能力。彭云等[20]發(fā)現(xiàn)不同茬口對煙株的生長、產(chǎn)量、品質(zhì)、產(chǎn)值和評級質(zhì)量具有顯著影響，且因生態(tài)區(qū)不同而有差異。徐文修等[21]研究了作物茬口對連作棉田土壤環(huán)境及棉花產(chǎn)量的影響，表明不同作物茬口的土壤有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分含量及棉花產(chǎn)量均高于連作棉田，其中加工番茄茬口可顯著提升土壤速效磷含量，而小麥、玉米茬口可顯著提升土壤速效鉀含量，各作物茬口土壤微生物總量均比連作棉田有明顯增加，表現(xiàn)為細(xì)菌和放線菌數(shù)量增加而真菌減少。盡管前人圍繞多種作物茬口及間套作體系中土壤養(yǎng)分環(huán)境及對后茬作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響進(jìn)行了大量研究，但對白菜型冬油菜茬口土壤肥力效應(yīng)及不同作物茬口對后茬白菜型冬油菜產(chǎn)量的影響還未見較為系統(tǒng)的研究報(bào)道。白菜型冬油菜在我國北方大部分地區(qū)屬新型越冬作物，一般在8月中下旬至9月上旬播種，播種前茬通常為小麥、玉米、馬鈴薯、蠶豆等主要農(nóng)作物，因不同作物水肥需求、根際分泌物及微生物種群變化、收獲后殘留物還田等均有差異，最終影響土壤肥力及后茬作物生長發(fā)育與產(chǎn)量形成。合理的作物輪作模式和茬口銜接，不僅可以獲得較高的作物產(chǎn)量和種植效益，還可實(shí)現(xiàn)土壤營養(yǎng)元素收支均衡、土地用養(yǎng)結(jié)合及可持續(xù)利用。本文結(jié)合我國北方輪作現(xiàn)狀，擬研究不同作物茬口對土壤肥力、土壤結(jié)構(gòu)、土壤微生物及后茬白菜型冬油菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，研究成果可望為合理輪作倒茬，提高白菜型冬油菜產(chǎn)量和品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和試點(diǎn)情況

1.1.1 試驗(yàn)材料 白菜型冬油菜品種為‘隴油7號’，由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供；馬鈴薯品種為‘莊薯3號’，由莊浪縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心提供；冬小麥品種為‘蘭天19號’，由甘肅省農(nóng)科院小麥研究所提供；春小麥品種為‘臨農(nóng)14號’，玉米品種為‘鄭單958’，均由甘肅省臨洮縣農(nóng)業(yè)技術(shù)中心提供；蠶豆品種為‘臨蠶8號’，由臨夏州農(nóng)科所提供。

1.1.2 試點(diǎn)情況 試驗(yàn)設(shè)在甘肅省定西市臨洮縣玉井鎮(zhèn)嵐觀坪村，海拔1 935 m，年均氣溫6.7℃，≥10℃有效積溫2 346.7℃，無霜期140 d，年降雨量598.4 mm。土質(zhì)為黑麻土，肥力中等，土壤有機(jī)質(zhì)含量16.12 g·kg-1，堿解氮56.31 mg·kg-1，速效磷28.11 mg·kg-1，速效鉀228.02 mg·kg-1，pH 值8.35。試點(diǎn)前茬作物為冬小麥，收獲后及時(shí)翻耕耙耱，納雨蓄墑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)7種前茬處理，分別種植白菜型冬油菜、馬鈴薯、玉米、冬小麥、春小麥、蠶豆和休閑田(CK)，所有前茬處理均在同一田塊進(jìn)行并劃區(qū)種植，每小區(qū)面積36 m2，隨機(jī)排列。于2018年9月初播種冬油菜和冬小麥，2019年3月中旬分別播種春小麥、蠶豆、馬鈴薯、玉米。2019年9月5日前茬作物全部收獲后立即翻耕整地，為充分體現(xiàn)茬口的肥力效應(yīng)，均不施肥。2019年9月8日播種冬油菜，每個前茬設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積12 m2，行距20 cm，株距8 cm，保苗60萬株·hm-2，出苗后按照白菜型冬油菜栽培技術(shù)規(guī)程進(jìn)行管理，于2020年6月21日收獲。

1.3 取樣方法及樣品分析

1.3.1 取樣方法 2020年6月21日前茬作物收獲后，在每小區(qū)采用交叉線5點(diǎn)取樣法，取樣深度為60 cm，間隔20 cm，測定土壤容重、孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量；采集0～20 cm耕層混合土樣，用于測定土壤養(yǎng)分和土壤微生物。2020年6月21日，按小區(qū)收獲冬油菜，單收單打，測定產(chǎn)量和品質(zhì)。

1.3.2 土壤容重、孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量測定 采用環(huán)刀法測定土壤容重、孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量，計(jì)算公式分別如式(1)～(4)所示：

土壤容重(g·cm-3)=(W3-W0)/V

(1)

土壤總孔隙度(%)=(W1-W3)/V×100%

(2)

土壤毛管孔隙度(%)=(W2-W3)/V ×100%

(3)

土壤田間持水量(%)=(W2-W3)/(W3-W0)×100%

(4)

式中,W0為環(huán)刀重(g)，W1為環(huán)刀樣品飽和重量(g)，W2為環(huán)刀內(nèi)土壤吸水至飽和排出重力水后的重量(g)(環(huán)刀內(nèi)土壤充分吸水至飽和后靜置12 h)，W3為烘干土和環(huán)刀總重(g)；V 為環(huán)刀體積(cm3)。

1.3.3 土壤養(yǎng)分及微生物測定 采用重鉻酸鉀-氧化油溶加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量；采用氮微量開氏法測定全氮含量；采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定全磷含量；采用堿熔-火焰光度法測定全鉀含量；采用堿解擴(kuò)散法測定水解氮含量；采用磷酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用乙酸銨提取-火焰光度法測定速效鉀含量；采用玻璃電極法測定pH；采用平板菌落計(jì)數(shù)法測定微生物數(shù)量。

1.3.4 冬油菜農(nóng)藝性狀及品質(zhì)測定 待后茬冬油菜成熟收獲時(shí)測定各小區(qū)產(chǎn)量，每小區(qū)隨機(jī)選取10株進(jìn)行考種，測定其株高、分枝部位、有效分枝數(shù)、全株有效角果數(shù)、角果粒數(shù)、千粒重，以小區(qū)為單位計(jì)產(chǎn)。用FOSS(NIRSystemTR3750)近紅外品質(zhì)分析儀測定各小區(qū)冬油菜籽粒的含油率、芥酸和硫甙等含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同茬口對土壤耕層養(yǎng)分含量的影響

由表1可以看出，不同作物茬口土壤耕層養(yǎng)分存在明顯差異，總體表現(xiàn)為越冬作物>休閑田>春播作物。有機(jī)質(zhì)含量以冬油菜、冬小麥、馬鈴薯茬口較高，分別比對照處理增加32.6%、8.5%、7.9%，春小麥茬口最低；全氮含量以冬油菜和蠶豆茬口較高，分別比對照處理增加12.1%和11.2%；堿解氮含量則以蠶豆茬口和冬油菜茬口較高，分別比對照增加20.7%和11.6%，春小麥茬口最低，其它茬口與對照則相差不大；全磷、速效磷、全鉀、速效鉀均以冬油菜茬口最高，分別較對照處理增加5.9%、99.8%、7.2%、44.2%，冬小麥茬口分別較對照處理增加1.0%、20.9%、3.4%、20.9%，玉米和春小麥茬口速效磷含量最低，分別比對照處理下降55.0%和53.1%，速效鉀含量則以馬鈴薯茬口最低，比對照處理下降67.1%。

2.2 不同茬口對土壤結(jié)構(gòu)的影響

由表2可以看出，不同茬口對不同土層土壤容重、孔隙度和田間持水量均有不同程度的影響。具體表現(xiàn)為：相同茬口不同土層間，隨著土層深度增加,土壤容重均呈先升高后降低趨勢，總孔隙度、毛管孔隙度均呈逐漸下降趨勢，土壤田間持水量則呈先降低后升高趨勢；不同茬口對耕作層(0～20 cm)土壤結(jié)構(gòu)影響最為顯著，其中冬油菜茬口土壤容重比對照處理減小10.14%，冬小麥和蠶豆茬口比對照處理減小5.80%，其它茬口土壤容重均比對照處理有所增加，但差異不顯著；冬油菜茬口總孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量與對照處理相比均有顯著升高，分別提高7.33%、4.12%和5.65%，而馬鈴薯、玉米、春小麥茬口均比對照處理有不同程度下降，冬小麥和蠶豆茬口與對照處理相當(dāng)；不同茬口對20～40 cm土層影響不明顯，對40～60 cm土層基本沒有影響。

2.3 不同茬口對土壤微生物種群結(jié)構(gòu)的影響

土壤中細(xì)菌、放線菌、真菌三大類群微生物區(qū)系比例是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一，土壤中細(xì)菌、放線菌密度高，表明土壤肥力較高[22]，而真菌密度高則是土壤肥力惡化的標(biāo)志[23]。因此，細(xì)菌、放線菌與真菌數(shù)量的比值是表征土壤肥力的一個潛在指標(biāo)。研究表明，不同茬口土壤微生物數(shù)量存在明顯差異(表3)，土壤中細(xì)菌與真菌數(shù)量的比值以冬油菜茬口最高，其次為蠶豆、冬小麥及春小麥茬口，分別較對照處理增加11.48%、10.74%、4.44%、0.37%。放線菌與真菌的比值以冬油菜和蠶豆茬口最高，分別較對照處理增加43.19%、10.74%。因此，單從土壤微生物種群結(jié)構(gòu)看，冬油菜和蠶豆茬口表現(xiàn)最優(yōu)。

表1 不同茬口對耕層土壤養(yǎng)分含量的影響Table 1 Effect of different preceding crops on soil nutrient contents

表2 不同茬口對土壤物理性質(zhì)及田間持水量的影響Table 2 Effect of different preceding crops on soil physical properties and field water holding capacity

2.4 不同茬口對后茬冬油菜品質(zhì)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，不同茬口對白菜型冬油菜品質(zhì)具有一定影響(表4)，主要表現(xiàn)為蠶豆、休閑田和冬小麥茬口冬油菜含油率較高，玉米茬口冬油菜含油率最低；蠶豆茬口白菜型冬油菜的油酸、亞油酸、蛋白質(zhì)含量均較高，但影響油菜品質(zhì)的硫代葡萄糖苷、芥酸含量也相對較高，其它茬口對白菜型冬油菜品質(zhì)的影響沒有明顯規(guī)律性變化。

2.5 不同茬口對白菜型冬油菜農(nóng)藝性狀的影響

不同茬口對白菜型冬油菜農(nóng)藝性狀產(chǎn)生明顯影響(表5)，從植株形態(tài)而言，與休閑田相比，各茬口冬油菜分枝部位降低且分枝數(shù)減少，除蠶豆茬口外，其它茬口處理株高也明顯降低；根部生長量以冬小麥茬口最大，其次是蠶豆茬口和休閑田，其它茬口明顯低于對照處理。從產(chǎn)量構(gòu)成因素而言，蠶豆、休閑田、馬鈴薯茬口的單株角果數(shù)較多，其對應(yīng)的角粒數(shù)也較多，而冬油菜、春小麥和玉米茬口的單株角果數(shù)和角果粒數(shù)明顯較少；千粒重則以冬小麥和玉米茬口較高而冬油菜茬口和春小麥茬口較低。從產(chǎn)量表現(xiàn)看，蠶豆茬口種植的白菜型冬油菜產(chǎn)量最高，比休閑田增產(chǎn)4.50%，冬小麥茬口與休閑田無顯著差異，而馬鈴薯、玉米、春小麥和冬油菜茬口分別比對照處理減產(chǎn)11.05%、15.04%、16.27%和21.14%。

表3 不同茬口對土壤微生物種群結(jié)構(gòu)的影響Table 3 Effects of different preceding crops on soil microbial population structure

表5 不同茬口對白菜型冬油菜農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響Table 5 Effect of different preceding crops on agronomic traits and yield of winter rape

3 討 論

3.1 不同作物茬口對耕作層土壤養(yǎng)分的影響

科學(xué)合理的輪作倒茬可有效平衡土壤養(yǎng)分狀況，改善農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)和微生物種群結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)意義上豆類是較好的養(yǎng)地作物，休閑田因無養(yǎng)分消耗，也是較好的前茬，研究發(fā)現(xiàn)除蠶豆茬口土壤堿解氮含量較高外，越冬作物冬油菜和冬小麥茬口耕作層(0～20 cm)土壤有機(jī)質(zhì)及N、P、K含量均高于其它茬口，其次為休閑田和蠶豆茬口，而春小麥、玉米茬口相對較低。特別是冬油菜茬口，其有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量極顯著高于其它作物茬口，其主要原因一方面是由于越冬作物特別是冬油菜密度大約60株·m-2，單位面積生物量較大，且有較為龐大而易腐解的肉質(zhì)根，整個生長發(fā)育過程中積累的碳及吸收的N、P、K等大量回補(bǔ)還田(包括越冬期枯葉)，不但增加了土壤有機(jī)質(zhì)，疏松了土壤，也是土壤養(yǎng)分的來源之一；同時(shí)越冬作物在北方冬、春季對農(nóng)田形成覆蓋，一定程度上削弱了表層土壤的風(fēng)蝕作用，減少了土壤養(yǎng)分流失。另一方面單就磷素而言，不同植物種類甚至是同一物種的不同基因型，其根際土壤中不同形態(tài)磷素的含量存在顯著差異[24-25]，在低磷條件下，油菜吸收磷量與根際酸性磷酸酶活性有顯著的正相關(guān)關(guān)系，植物根系和微生物分泌的酸性磷酸酶可礦化有機(jī)磷成為無機(jī)磷[26]。在施磷和不施磷處理?xiàng)l件下，磷高效甘藍(lán)型油菜品種的吸磷量和生物量均高于磷低效品種[27]。顧熾明等[28]研究認(rèn)為，油菜作綠肥對土壤中難溶性磷的活化效果明顯，能顯著提高土壤速效磷含量，高菊生等[29]通過26 a的長期定位試驗(yàn)表明，與冬閑對照相比，雙季稻-油菜綠肥輪作土壤有效磷含量提高16.3%。本研究中白菜型冬油菜茬口土壤速效磷含量顯著高于其它作物茬口，說明除了根葉還田回補(bǔ)外，白菜型冬油菜根際分泌的有機(jī)酸等物質(zhì)也可以解離被土壤膠團(tuán)吸附的磷元素，使被固定的磷元素釋放到土壤中，從而提高了耕層土壤中速效磷的含量；就速效鉀而言，不同物種種類甚至是同一物種的不同基因型之間根系分泌物和根際微生物的種類和數(shù)量均存在差異[30]，富鉀基因型烤煙品種根系分泌物活化能力強(qiáng)，不同品種根際細(xì)菌數(shù)量差異大，烤煙的鉀吸收利用與根系分泌物和根際微生物的差異有關(guān)[31-32]。研究發(fā)現(xiàn)冬油菜茬口土壤速效鉀含量明顯高于其它作物茬口，可能是由于白菜型冬油菜茬口土壤pH值下降，對土壤礦物鉀會產(chǎn)生活化作用，其中成土母質(zhì)的蛭石化過程及根系分泌的有機(jī)酸類物質(zhì)是產(chǎn)生這種直接活化作用的重要原因[33-34]。

3.2 不同作物茬口對耕作層土壤微生物種群結(jié)構(gòu)及土壤物理性狀的影響

土壤微生物種群結(jié)構(gòu)看，冬油菜茬口最優(yōu)，其次是蠶豆和冬小麥茬口，三種茬口的土壤容重、土壤孔隙度及田間持水量等指標(biāo)優(yōu)于其它茬口，其主要原因是由于冬油菜自然還田的枯葉及龐大肉質(zhì)根系腐解后疏松了土壤，增加了有機(jī)質(zhì)，改善了土壤結(jié)構(gòu)，從而使土壤容重降低、孔隙度和田間持水量增加，進(jìn)而改善了微生物種群結(jié)構(gòu)，這也進(jìn)一步說明越冬作物特別是冬油菜具有較好的養(yǎng)地效果，是西北黃土區(qū)的優(yōu)質(zhì)前茬作物。

3.3 不同作物茬口對白菜型冬油菜產(chǎn)量性狀及品質(zhì)的影響

土壤營養(yǎng)元素的種類和數(shù)量、理化性質(zhì)決定著作物生長發(fā)育的健康水平及最終產(chǎn)量的形成。前茬作物通過影響土壤營養(yǎng)、土壤結(jié)構(gòu)、土壤微生物種群等從而影響后茬作物的產(chǎn)量及品質(zhì)。本研究表明：蠶豆后茬種植的冬油菜，其株高、根量、單株角果數(shù)、角果粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量最高，其次為休閑田和冬小麥茬口，而養(yǎng)分狀況較好的冬油菜茬口繼續(xù)種植冬油菜，其各項(xiàng)產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)及最終產(chǎn)量卻最低，這可能與白菜型冬油菜連作產(chǎn)生的自毒作用、微量元素(如硼等)平衡失調(diào)及病害加重有關(guān)。不同作物茬口對后茬油菜品質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在含油率的變化上，與對產(chǎn)量的影響效應(yīng)基本相同。

4 結(jié) 論

西北黃土區(qū)主要農(nóng)作物茬口土壤營養(yǎng)狀況總體表現(xiàn)為越冬作物>休閑田>春播作物。6種作物茬口中，以冬油菜茬口最優(yōu)，是北方黃土區(qū)合理輪作倒茬的優(yōu)選作物種類，也是優(yōu)良的冬春季覆蓋作物和綠肥作物，蠶豆、冬小麥茬口及休閑田也是較好的前茬作物，玉米和春小麥茬口較差。

綜合考慮不同作物茬口對油菜品質(zhì)及產(chǎn)量的影響，種植油菜的最佳前茬作物為豆類作物，其次為休閑田、冬小麥，再次是馬鈴薯和玉米茬口，應(yīng)盡量避免持續(xù)連作。