不同輪作年限對甜菜幼苗生長和土壤理化性質的影響

宋守杰,李炳辰,徐 瑤,劉佳慧,耿 貴

(黑龍江大學現代農業與生態環境學院,哈爾濱 150080)

0 前言

甜菜是中國重要的制糖原料之一,其地上部分還可用于飼養牲畜,具有極高的經濟價值。甜菜作為忌連作的直根系深根作物[1],健康的土壤環境是其正常生長的關鍵因素,也是其高糖高產的先決條件[2]。輪作meta分析研究中也表明,塊根作物相較于其他作物,對輪作積極效應更加敏感[3]。

土壤健康和質量的概念是針對過度使用肥料所引起的環境問題而提出的。土壤健康被定義為“土壤長期以持續的方式生產安全和有營養的作物以增進人類和動物健康而不損害自然資源基礎或損害環境的能力”[4]?；仡欈r業歷史,作物輪作是最早的可持續農業實踐之一,作物輪作通過利用生態位互補性提高產量,優化養分利用,減少病蟲害和病原體負荷[5]。在過去的半個世紀里,農業集約化迅猛發展,連作在農藥和化肥的幫助下,農作物產量在短期內激增。例如,中國谷物產量增加了3.5倍,從1.2 t·hm-2增產到5.4 t·hm-2。但這是在化學肥料施用量增加5倍的情況下推動的。在這種耕作模式下不僅增加了農業的經濟成本,造成環境污染,而且長期依賴甚至導致產量停滯和生態失衡[6,7]。輪作被認為是保護土壤資源、提高植物抗性、穩定作物產量和恢復農業生態系統的關鍵戰略[8,9]。具體而言,輪作有助于:(1)控制雜草數量[10,11];(2)減少病蟲害[12-14];(3)通過發展不同的根系系統來改善土壤結構,從而更有效地利用土壤,減少土壤的壓實和退化,從而提高植物的營養,增加碳固存[15,16];(4)各種作物殘留物提高了土壤養分的含量[17,18];(5)防止地下水污染[19];(6)促進生物多樣性[20-22];(7)提高作物對脅迫的抗逆性[23];(8)提高作物產質量;(9)與集約化單一栽培系統相比,減少至少30%的土壤侵蝕。

作物輪作主要由四個要素決定。(1)同一種作物之間的最小回收期,或者在某些情況下,種植同一種作物的最長周期[24]。(2)前茬作物對后茬作物種植的影響,總體的收益和風險。增加氮素供應、土壤有機質或水分供應、改善土壤結構以及減少病蟲害或雜草競爭可能帶來好處[25,26]。(3)播種和收獲的時間取決于作物和氣候之間的相互作用,前茬通常必須在播種后茬作物之前收獲,減少對后茬收獲的影響[27,28]。(4)在一塊田地或一組田地上種植的作物的總體比例[5,29]。

目前,針對甜菜輪作年限的研究尚十分缺乏,對土壤理化性質和植株生長機理尚不明確。本研究通過長期定位實驗,以“土壤-植物”為研究核心,探究甜菜苗期生長及其土壤肥力情況對輪作年限的響應。它可以帶來對輪作新的思考和對輪作設計的調整,將有助于為預測產量提供基礎數據,為作物及土壤健康指標提供科學參考,這對農業健康可持續發展是必要的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為大豆Heinong 35、向日葵Gankui 1、馬鈴薯Youjing 885、玉米Xianfeng 335和甜菜KWS 1176。

1.2 試驗場地和設計

研究試驗在黑龍江省哈爾濱市呼蘭區(126°38,N;46°00,E)建立。呼蘭區位于中緯度地區,屬于北溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫4.0℃,年平均降水量505.4 mm。本試驗站土壤為黑土,2017年開始進行甜菜輪作長期定位試驗。

試驗以輪作年限設置了五個處理:甜菜連作(CK:大豆-向日葵-馬鈴薯-玉米-甜菜-甜菜)、兩年輪作(R2:向日葵-馬鈴薯-玉米-甜菜-大豆-甜菜)、三年輪作(R3:馬鈴薯-玉米-甜菜-大豆-大豆-甜菜)、四年輪作(R4:玉米-甜菜-大豆-馬鈴薯-大豆-甜菜)和五年輪作(R5:甜菜-大豆-向日葵-馬鈴薯-大豆-甜菜)。所有處理采用隨機完全區組設計,4次重復,每個小區面積為40 m2,2022年4月10日進行播種,播種方法是直接播種。每年施用125 kg/hm2N2P2O5,不施用K肥。在甜菜苗期進行取樣,每個重復取四株植株樣品,并取出以甜菜為圓心半徑0.5～5厘米的土壤。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 甜菜生長指標測定

用直尺測定甜菜的株高,即甜菜生長點至最長葉尖的高度。用分析天平測定地上部和地下部鮮重,再使用葉面積儀測定單株葉面積。鮮樣放入烘箱中105℃殺青0.5 h,75℃烘至恒重后測定干重。

1.3.2 植株養分測定

運用H2SO4-H2O2-擴散法對烘干的植株樣品進行消煮,利用自動定氮儀法(NYT 2419-2013)測定植株全氮;鉬銻抗比色法(NY/T 2421-2013)測定全磷含量;通過火焰光度計法(NY/T2420-2013)測定全鉀含量。使用硝酸對植株干樣進行消煮,火焰光度計測定植株鐵、錳、鋅和銅離子含量。

1.3.3 土壤理化性質和酶活性測定

用pH計測定土壤pH (水土比為5∶1)。土壤營養元素測定方法參照《土壤農業化學分析方法》。脲酶活性用靛酚藍比色法測定,二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶活性。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel2019與SPSS 24.0分析整理,利用單因素試驗統計分析方法進行差異顯著性分析(P<0.05為顯著差異)。

2 結果與分析

2.1 不同輪作年限對甜菜幼苗生長的影響

2.1.1 不同輪作年限對植株表型的影響

由圖1所示,在不同輪作周期處理下,甜菜的生長發育情況表現出了顯著的差異。CK與輪作處理相比生長勢更弱,葉片更狹窄,根系更短,輪作處理中R4生長勢最強。由圖2可知,隨輪作周期的增加,甜菜株高和葉面積逐漸提高,以R4值最高。CK與R1的株高和葉面積無顯著差異,R4的株高顯著大于CK、R1和R2,葉面積顯著大于CK、R1、R2和R3。

圖1 連作與不同輪作年限甜菜幼苗期表型差異Fig.1 Phenotypic differences in sugar beet seedling stage between continuous cropping and different rotation years

圖2 連作與不同輪作年限對甜菜幼苗株高(A)和葉面積(B)的影響Fig.2 Effects of continuous cropping and different rotation years on plant height (A) and leaf area (B) of sugar beet seedlings

2.1.2 不同輪作土壤對甜菜幼苗地上、地下干鮮重的影響

由表1可知,在不同輪作年限的處理下,甜菜幼苗地上部和地下部的干鮮重隨輪作年限的增加而增加,除地上鮮重外,輪作處理均大于CK,并在R4時達到最大值。地上鮮重生物量表現為CK

表1 連作與不同輪作年限對甜菜幼苗各部分干重和鮮重的影響Tab.1 Effects of continuous cropping and different rotation years on dry weight and fresh weight of sugar beet seedlings

2.2 不同輪作年限對土壤化學性質的影響

2.2.1 不同輪作年限對土壤pH的影響

土壤pH隨輪作年限的變化如圖3所示,輪作處理的土壤pH均高于CK,且隨輪作年限的提高而提高,pH逐漸接近中性,在R4時達到最大值。各處理之間存在顯著差異,R4的pH顯著大于其他各處理。

圖3 連作與不同輪作年限對土壤pH的影響Fig.3 Effects of continuous cropping and different rotation years on soil pH

2.2.2 不同輪作年限對土壤大量元素的影響

由圖4可知,土壤有效氮含量隨著輪作年限的增加表現出先下降后增加的趨勢,以R4含量最高,為48.53 mg·kg-1,R2含量最低,為38.27 mg·kg-1。土壤有效磷CK和R1、R2差異不顯著,R3、R4均大于CK并逐漸升高。在R4時達到79.20 mg·kg-1,相較于CK提高22.46%。土壤有效鉀含量隨輪作年限的增加而遞增,R4處理時含量達到最高,為355.95 mg·kg-1。進行輪作的土壤有效鉀含量相對于CK顯著提高,相較于氮、磷元素增長幅度最大,提高23.23%～54.86% mg·kg-1以上結果表明,甜菜種植的輪作年限延長對土壤有效磷和有效鉀有不同程度的提高,以輪作5年效果最好,輪作4、3年次之,輪作2年變化最小。土壤速效氮隨著輪作年限的增加表現為先下降后增加,在R4時表現為顯著提高,均高于其他處理。

圖4 連作與不同輪作年限對土壤有效N(A)、P(B)和K(C)含量的影響Fig.4 Effects of continuous cropping and different rotation years on soil effective N(A), P(B) and K(C) content

2.2.3 不同輪作年限對土壤微量元素的影響

由圖5對土壤的Fe、Mn、Zn、Cu 4種元素的分析可知,隨著輪作年限的增加,土壤微量元素含量整體呈遞增趨勢。Fe、Mn、Cu含量以R4處理最高,分別為90.75 mg·kg-1、50.78 mg·kg-1和2.81 mg·kg-1,Zn含量以R3最高,為4.8 mg·kg-1。R1至R4處理Mn、Zn、Cu元素含量均高于CK,分別提高17.52%～37.81%、3.82%～14.48%和37.31%～40.96%。R2至R4處理Fe元素含量均高于CK,相比提高3.29%～17.87%。以上結果表明,甜菜吸收養分全面,種植后需要多年輪作恢復地力。短期輪作要注意施肥量和肥料種類的補充。

圖5 連作與不同輪作年限對土壤有效Fe(A)、Mn(B),Zn(C)和Cu(D)含量的影響Fig.5 Effects of continuous cropping and different rotation years on soil effective Fe(A)、 Mn(B), Zn(C) and Cu(D) content

2.3.4 不同輪作年限對土壤酶活的影響

由圖6可知,脲酶活性表現為隨輪作年限先下降后上升的趨勢,CK與R1,R2差異不顯著,R4顯著大于CK。以R4處理最高,為562.25 μg·g-1·d-1,相較于CK處理提高8.59%。R1與CK處理蔗糖酶活性差異不顯著。R2至R4處理蔗糖酶顯著提高,提升效果隨輪作年限的提高而增加,以R4處理效果最好,為179.38 mg·g-1·d-1,相較于CK處理6.31%～35.62%。

圖6 連作與不同輪作年限對土壤脲酶(A)和蔗糖酶(B)活性的影響Fig.6 Effects of continuous cropping and different rotation years on soil urease (A) and sucrase (B) activities

2.4 各營養指標間相關性分析

通過分析各指標之間的相關性關系,如表2和表3所示。幼苗地上部干、鮮重與輪作年限、土壤有效磷、有效鉀、蔗糖酶和pH之間存在極顯著(P<0.01)正相關關系,與土壤脲酶活性呈顯著(P<0.05)正相關關系。土壤有效氮與地上鮮重無顯著(P>0.05)相關性,與地上干重存在極顯著(P<0.01)正相關關系。幼苗地下部干、鮮重與輪作年限、有效鉀、蔗糖酶和pH之間存在極顯著(P<0.01)正相關關系,與土壤有效氮和脲酶活性無顯著(P>0.05)相關性。地下鮮重與土壤有效磷呈極顯著(P<0.01)正相關關系,與土壤有效氮呈顯著(P<0.05)正相關關系。地下干重與土壤有效磷存在顯著(P<0.05)正相關關系。此外,輪作年限與土壤有效氮、有效磷、有效鉀、蔗糖酶和pH之間存在極顯著(P<0.01)正相關關系,與土壤脲酶活性呈顯著(P<0.05)正相關關系。

表2 甜菜幼苗地上部分各指標相關性分析Tab.2 Correlation analysis of aerial indicators of sugar beet seedlings

表3 甜菜幼苗地下部分各指標相關性分析Tab.3 Correlation analysis of indicators in underground part of sugar beet seedlings

3 討論

作物輪作改善土壤理化性質,提高土壤養分的有效性,有利于作物生長發育[30]。甜菜農藝性狀實時反映其生長發育狀況,也是影響甜菜產質量的物質基礎[31];幼苗生長的好壞也影響著全年的發育。通過對連作與不同輪作年限甜菜生長指標研究發現,輪作后的甜菜幼苗在鮮重、干重、株高、葉面積和葉片養分均高于連作甜菜。輪作年限越長,生長勢越好。吳曉玲等[32]研究發現,輪作與連作的辣椒相比,辣椒的根系活力提高,葉片葉綠素含量增加。王人民等[33]報道指出,稻田經過6年水旱輪作后,不僅可以改善土壤物理性狀,還提高了植株葉片葉面積和葉綠素含量。

植株生長所需的營養來自土壤,植株生長狀況與土壤的理化性質息息相關[34]。土壤pH影響土壤理化性質、養分有效性,進而影響植株生長[35]。本試驗研究表明,與連作相比,輪作處理提高了土壤pH,降低了酸堿度,更加接近中性。Partrick研究發現,作物殘體在土壤中分解會產生抑制作物生長作用的酚酸類物質[36]。劉來等研究發現,連作會誘導辣椒分泌有機酸,土壤pH下降[37]。楊繼權等報道指出,土壤pH值越接近中性越有利于甜菜生長[38]。農田土壤養分含量不僅與水肥管理、植株種類和土壤類型有關,還與耕作方式關系密切[39]。本試驗通過研究不同輪作年限和連作土壤的土壤肥力狀況,發現土壤有效氮、磷、鉀、鐵、錳、鋅和銅較土壤連作有不同程度的提高,并且隨輪作周期的延長而上升。但R1,R2的土壤有效氮與CK無顯著差異,可能是由于連作的氮輸入量較大,幼苗生長性能較差,吸收的氮較少,導致土壤中氮留存較多[40,41]。

土壤中酶活性是土壤肥力和肥效的主要評價標準之一。土壤脲酶可催化尿素氮肥的水解,可以在一定程度上反映土壤對無機氨的轉運能力。有效氮含量高的土壤可以供給脲酶充足的底物,可以在一定程度上會促進其活性;脲酶活性也會在一定程度上影響土壤有效氮含量[42]。本試驗中,在幼苗期,R3,R4土壤脲酶活性高于連作,R1,R2短期輪作的土壤脲酶活性與連作差異不顯著。相關性分析顯示土壤脲酶活性與土壤有效氮含量相關性小,與輪作年限有顯著正相關關系。說明在本試驗中土壤脲酶活性不能對土壤有效氮含量造成明顯影響,輪作年限是造成土壤速效N含量變化的主要因素。蔗糖酶可以分解蔗糖分子,生成可被植物和土壤微生物吸收和利用的葡萄糖和果糖,從而為土壤微生物提供能量,對于提升土壤中易溶性養分的含量具有重要作用[43]。本試驗中,輪作的土壤蔗糖酶活性顯著高于連作,多年輪作提升更高。陳先茂等[44]對不同種植模式下土壤酶活性的研究表明,與比單一連作相比輪作土壤酶活性更高。臧逸飛[45]報道,糧草27年長周期輪作馬鈴薯茬和小麥茬的蔗糖酶活性較輪作15年時增強。Wang等[46]報道表明,多次輪作的蘋果,其幼苗期土壤脲酶,蔗糖酶相較于連作顯著提高,輪作次數越多,提升越明顯。說明甜菜多年輪作有利于提高土壤蔗糖酶活性,提高土壤肥力,使作物更好地獲取有效養分。

4 結論

通過研究連作與不同輪作年限條件下甜菜幼苗的生長和土壤理化性質,試驗得出甜菜輪作有利于甜菜植株農藝性狀改良和養分積累、土壤理化性質改善和酶活性提高。隨著輪作年限的延長,土壤肥力逐漸提高,甜菜幼苗生長勢更好,以輪作五年效果最佳。