农茬口对土壤特性及熟地当归育苗的调控效应*

白 刚, 郭凤霞**, 陈 垣, 袁洪超, 姜小凤, 甄世伟

农茬口对土壤特性及熟地当归育苗的调控效应*

白 刚1, 郭凤霞1**, 陈 垣2,3**, 袁洪超1, 姜小凤1, 甄世伟1

(1. 甘肃农业大学生命科学技术学院/甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室/甘肃省干旱生境作物学重点实验室 兰州 730070; 2. 甘肃农业大学农学院/甘肃省中药材规范化生产技术创新重点实验室/甘肃省药用植物栽培育种工程研究中心 兰州 730070; 3. 甘肃中天药业有限责任公司/甘肃省特色药用植物资源保护与利用工程实验室/甘肃省特色药材规范化可追溯栽培工程技术研究中心 定西 748100)

利用高寒草甸生荒地进行当归育苗的传统方式造成严重的水土流失。为了探讨农茬口调控土壤特性继而影响后茬当归育苗的效应, 在道地产区甘肃省卓尼县熟地培育农作物茬口后进行当归育苗, 测定育苗期土壤特性、成苗数和产量。结果表明, 农茬口对后茬当归育苗田土壤特性具有显著影响, 与休耕茬田比较, 马铃薯、油菜、蚕豆茬田土壤电导率极显著降低, pH显著提高, 青稞茬田土壤pH和电导率均降低, 农茬口极显著提高了后茬土壤阳离子含量, 降低了阴离子含量。各茬口土壤K+含量依次为青稞>蚕豆>油菜>马铃薯>休耕, Na+含量为马铃薯>青稞>蚕豆>油菜和休耕, Cl-含量为休耕>马铃薯>青稞>油菜>蚕豆。随土层加深, 紧实度增加, 孔隙度减少, 含水量随土层和茬口而异。0~15 cm土层的土质疏松且含水量高则有利于保苗。当归成苗数和苗产量与土壤电导率、Cl-含量均呈显著负相关; 苗产量与pH、K+含量呈显著正相关, 与5~10 cm土层容重呈显著负相关; 苗数与0~5 cm土层总孔隙度呈显著正相关。各茬口育成苗产量排序与综合评价指数顺序一致, 综合评价指数依次为蚕豆(0.986)>油菜(0.682)>青稞(0.668)>马铃薯(0.297)>休耕(0.159)。因此, 优异的茬口特性可优化当归幼苗赖以生存的农田土壤环境, 改善土壤性质, 富集营养, 促生保苗, 蚕豆茬口更为优异。

农茬口; 熟地; 当归; 育苗; 土壤特性

当归[(Oliv.) Diels]为伞形科(Apiaceae Lindl.)多年生草本药用植物, 以干燥根入药, 具活血补血等多种功效[1]。当归根中的有机酸、邻苯二甲酸等生物有效成分经口服后可在血液中观察到[2]。当归提取液对甜菜夜蛾生长发育和繁殖均有亚致死效应[3], 具有防控病虫害潜力。野生当归极其稀有地分布在甘肃省西南部人迹罕至的高寒阴湿灌木林, 现市售当归为栽培品[4]。生态环境是形成当归道地性的主导因子, 我国西北地区的甘肃省岷县、漳县、渭源、宕昌和甘南州卓尼、临潭一带是当归的优质道地产区, 岷县土壤综合因子最佳[5]。当归栽培期为3年, 分为育苗期、成药栽培期和繁种期。当归育苗期对气候和土壤条件的要求更为严格, 要求气候冷凉, 排水良好, 中性或微碱性、有机质含量高的黑土类和褐土类土壤[6]。当归极不耐连作, 传统上在岷县和漳县海拔2 800 m及以上高寒草甸区育苗, 即在草甸区开挖草皮播种, 种苗移栽熟地生产药材, 育苗区地势陡险, 生境脆弱, 土地资源极其有限[7]。

然而, 生荒地育苗引发土壤侵蚀, 降低了土壤调蓄能力。随着全球气候变暖, 适宜当归育苗区域迅速缩减, 拓荒育苗向高海拔延伸, 造成严重的水土流失, 2012年以岷县为中心的当归育苗区发生严重的泥石流灾害, 生境更为脆弱, 探寻熟地育苗成为促进当归可持续化发展的唯一出路[6-7]。土壤作为植物生长的介质载体, 对植物生长有着重要的影响[8]。土壤环境的恶化可导致土壤资源的重复利用受到制约, 农田土壤生态平衡失调[9], 严重限制植物的生长和生产力的提高[10-11]。盐渍化是土壤恶化的主要因素, 以Na+为主要盐分的碱胁迫、渗透胁迫、离子胁迫及高pH胁迫均将直接导致植物根细胞结构受损, 甚至功能丧失[12-13]。Pan等[14]研究认为土壤盐渍化导致土壤养分和营养离子散失加剧, 进而引起植被显著变化, 土壤电导率主要通过间接影响土壤质地和含水量而影响土壤有机碳含量。Zhang等[15]研究发现, 土壤电导率、pH、Na+、K+和盐离子总量主要受人为影响, 土地利用类型显著影响土壤盐度。

茬口是指种植上茬作物对土壤环境的综合影响, 茬口形成过程中包括生物和非生物因素及耕作栽培措施对土壤的影响等, 并对后茬作物产生持续影响, 茬口特性的好坏最终体现在后茬作物的生长发育和产量上[13]。有关茬口对当归成药栽培影响的研究较为深入。连茬栽培显著降低当归叶绿素含量[16], 其药材产量、挥发油和浸出物显著低于正茬[16-17]。王华丽[18]研究评价了卓尼县8种作物茬口特性; 梁伟等[19]研究发现马铃薯(L.)茬和当归重茬田毒性杂草危害性大, 油菜(L.)茬田块危害轻; 袁洪超等[20]发现秦艽(Maxim.)茬对土壤水分具有季节调控作用。上述研究说明茬口是引起后茬当归生产性能差异的主要因素, 但这些研究是采用生荒地育成种苗研究的结果。目前熟地当归育苗也已引起关注。金彦博等[7]研究提出岷县蒙古黄芪[(Fisch.) Bge. var.(Bge.) Hsiao]和小麦(L.)正茬最适宜当归熟地育苗。白刚等[21]研究揭示岷县熟地豌豆(L.)-黄芪双豆轮作后再行当归育苗可减轻根际自毒作用, 但大多数当归熟地育苗的研究还仅停留在设施育苗阶段[6], 不能代表农田综合环境条件。卓尼县是当归道地栽培产区, 当归种苗从岷县和漳县生荒地育苗区调运, 产区熟地农田生态系统中当归苗生长发育受茬口调控的机理尚不明确。综合评判是将主成分与隶属函数和权重相结合, 利用多性状指标对处理效果综合评价的一种方法[7,20]。因此, 本研究在卓尼县地势平坦的熟地农田有计划种植当地农作物, 培育农茬口基础上探寻茬口造成的土壤异质性与当归苗产出性能的内在联系具有重要意义,为筛选适宜高寒区当归熟地育苗的优异农茬口土壤资源提供科学及技术依据, 拓展熟地育苗区域, 以改变当归生荒地育苗的传统格局, 保护道地产区生态环境及野生资源, 促进地道药材当归生产的可持续生态发展。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

不同茬口当归熟地育苗试验在甘肃省甘南州卓尼县扎古录镇(34°39′23.32″N, 103°30′49.04″E)进行, 位于甘南藏族自治州东南部, 东接岷县、漳县, 北靠渭源。境内海拔2 600~4 900 m, 属季风气候, 年均温4.9 ℃, 年降水量624.2 mm, 年均日照时数2 180 h, 平均无霜期100 d左右, 气候冷凉, 属于典型高寒阴湿区, 土壤类型为黑褐土[18-19,22]。适宜栽培喜凉农作物马铃薯、油菜、青稞(L. var.Hook. f.)、蚕豆(L.)和药用植物柴胡(DC.)、当归等[18-19]。

1.2 农茬口培育试验及当归育苗试验

首先选择前茬一致的农田, 通过种植不同作物以培育不同农茬口土壤环境。茬口培育试验采用单因素随机区组试验, 3次重复, 前茬为柴胡。2014年5月将试验地整地后划分为3个区组, 每个区组随机划分为5个小区, 小区面积1 m×3 m, 小区间距0.5 m。分别随机种植油菜、马铃薯、青稞和蚕豆, 以培育各作物茬口, 以休耕茬口为对照[22], 作物成熟收获后, 严防人畜扰动, 以维持茬口原有特性, 备用于次年当归育苗试验。

熟地不同农茬口当归育苗试验在上述培育的农茬口对应小区进行, 育苗试验采用随机区组设计, 3次重复。育苗区号与茬口培育区号一致, 小区面积1 m×3 m, 小区间距0.5 m。2015年4月21日采用大小饱满度均匀一致的当归种子, 每小区播种量50 g, 每茬口3个小区, 撒播后用细筛覆土, 覆土厚度0.3 cm左右。播种后覆盖遮阳网, 育苗期田间管理均控制在一致的水平, 整个育苗期人工除草3次。育苗结束, 每小区挖取种苗, 统计种苗数, 抖落根部泥土后采用电子天平(1/100 g)测定种苗产量。

1.3 熟地各茬口当归田土壤理化性质的测定

2015年8月在当归苗生长旺盛期采用3点式取土样, 各小区取样时在当归幼株间用塑料板刮去表面残叶, 然后用土钻钻取0~20 cm土样, 3点均匀混合, 去除杂物后装入自封袋并编号, 作为该小区土样, 立即带回实验室摊开于白纸自然风干, 过孔径1 mm筛后用于土壤含水量、酸碱度、电导率和离子浓度的测定。土壤化学性质采用中国科学院南京土壤研究所(1978年)的方法测定, pH采用电位测定法(雷磁25型酸度计)测定(水土比1∶5), 电导率采用电导仪(DDS–11A)测定。土壤K+、Na+含量采用火焰光度计测定, Cl-含量子采用AgNO3滴定法测定,有机质采用重铬酸钾法测定[23]。

当归幼苗采挖前, 即2015年10月采用3点式分层取样法挖取土样, 采用环刀(直径和高度均为5 cm)法分层挖取0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm和15~20 cm各层土样, 立即称取土样鲜重(精度1/100), 然后置已编号的铝盒, 烘干后称取土样干重, 土壤比重采用比重瓶法测定, 蒸馏水经真空泵抽气备用, 最后计算土壤含水量、容重、总孔隙度和比重[23], 以各小区0~20cm土层的平均值为衡量指标。

1.4 数据分析

采用Excel 2003制图, 采用SPSS 22.0统计软件进行方差分析、相关分析和主成分分析, 多个处理平均数间的差异性、多重比较选用LSD法。

对当归熟地育苗农茬口的综合评价采用金彦博等[7,20]的方法进行, 即首先在主成分分析基础上提取初始特征根大于1的各指标主成分值, 计算其权重(W), 根据相关性质计算正反隶属函数值, 最后估算综合指数(comprehensive index, CI)[7,20]。

式中:C,j表示第个指标的第主成分值, VP表示第主成分方差的百分率,W表示第个指标的权重值,表示不同茬口,表示测定指标,(X)表示农茬口指标的隶属函数值,R(X)表示农茬口指标的反隶属函数值,X表示茬口指标的平均观测值,Xmin表示所有茬口指标的最小值,Xmax所有农茬口指标的最大值, CI为第农茬口个指标的累计综合指数。

2 结果与分析

2.1 农茬口对熟地当归育苗田土壤电导率和酸碱度的影响

土壤浸提液电导率是土壤盐度指标, pH是土壤酸碱度指标。在高寒区熟地条件下, 前茬茬口对当归育苗田土壤酸碱度及电导率均具有极显著影响(<0.01)(图1)。与各茬口田土壤相比较, 休耕茬口当归育苗田土壤电导率极显著提高(<0.01)。与休耕茬比较, 马铃薯、油菜、青稞和蚕豆茬口极显著降低了后茬当归育苗田土壤的电导率(<0.01), 下降幅度依次为油菜(38.8%)>蚕豆(38.7%)>青稞(23.3%)>马铃薯(18.6%)。

高寒区熟地农田生态环境条件下, 前茬口对后茬当归育苗田土壤pH具有极显著影响, 各茬口当归育苗期土壤pH变幅为7.94~8.13, 平均pH依次为油菜茬>蚕豆茬>马铃薯茬>休耕茬>青稞茬。油菜、蚕豆、马铃薯茬口当归育苗期土壤pH较青稞茬和休耕茬口极显著增大(>0.05)(图1)。

图1 农茬口对当归育苗田土壤电导率和pH的影响

P: 马铃薯茬口; OR: 油菜茬口; HB: 青稞茬口; BB: 蚕豆茬口; F: 休耕茬口。不同小写字母和大写字母分别表示处理间在<0.05和<0.01水平差异显著。P: potato as the preceding crop; OR: oilseed as the preceding crop; HB: higher barley as the preceding crop; BB: broad bean as the preceding crop; F: fallow before planting. Different lowercase and capital letters mean significant differences at< 0.05 and< 0.01 levels, respectively.

2.2 农茬口对熟地当归育苗田土壤离子和有机质含量的影响

高寒区熟地不同农茬口当归育苗田土壤K+、Na+和Cl-含量均存在极显著差异(<0.01)(图2)。与休耕茬比较, 种植农作物后均使后茬当归育苗田土壤K+含量极显著提高(<0.01), 各茬口K+含量依次为青稞>蚕豆>油菜>马铃薯>休耕, 种植青稞和蚕豆对后茬土壤K+富集作用更为显著(<0.01)。油菜和休耕茬口当归育苗田均未检出Na+, 种植马铃薯可极显著提高后茬土壤Na+含量(<0.01), 种植青稞可显著提高后茬土壤Na+含量(<0.05), 各茬口对后茬土壤Na+贡献依次为马铃薯>青稞>蚕豆>油菜和休耕。Cl-含量的变化趋势正好相反, 与休耕茬口相比较, 种植农作物均降低了后茬当归育苗田土壤Cl-含量, 蚕豆、油菜和青稞茬田Cl-含量降低程度均达极显著水平(<0.01), 马铃薯茬口下降程度不显著(>0.05), 前茬口对后茬当归育苗田土壤Cl-积累大小为休耕>马铃薯>青稞>油菜>蚕豆(图2)。

各农茬口熟地当归育苗田土壤有机质含量的变化趋势与K+含量相似, 与休耕茬口相比较, 种植蚕豆、青稞均极显著提高了后茬当归育苗田土壤有机质含量, 不同的是马铃薯茬当归田有机质含量最低, 但与休耕茬相比未达显著水平(>0.05), 前茬口对后茬当归育苗田土壤有机质贡献大小依次为青稞>蚕豆>油菜>休耕>马铃薯(图2)。

图2 农茬口对熟地当归育苗田土壤离子含量和有机质含量的影响

P: 马铃薯茬口; OR: 油菜茬口; HB: 青稞茬口; BB: 蚕豆茬口; F: 休耕茬口。不同小写字母和大写字母分别表示处理间在<0.05和<0.01水平差异显著。P: potato as the preceding crop; OR: oilseed as the preceding crop; HB: higher barley as the preceding crop; BB: broad bean as the preceding crop; F: fallow before planting. Different lowercase and capital letters mean significant differences at< 0.05 and< 0.01 levels, respectively.

2.3 农茬口对熟地当归育苗田土壤紧实度和含水量的影响

图3显示, 熟地当归育苗田随土层加深土壤比重呈波动变化, 但变幅因茬口而异, 休耕茬田变幅最小, 变异系数为1.10%, 蚕豆茬田最大, 变异系数为1.67%。0~20 cm土层土壤平均比重依次为休耕茬(2.450)>马铃薯茬(2.445)>油菜茬(2.437)>青稞茬(2.430)>蚕豆(2.425)。5~10 cm耕层土壤比重差异不显著。不同农茬口当归育苗田中, 0~20 cm土层范围内各层土壤比重大小依次为5~10 cm(2.471)>15~20 cm(2.445)>0~5 cm(2.431)>10~15 cm(2.402)。农茬口对分层土壤的影响显而易见, 与休耕茬相比较, 各茬口10~15 cm土层土壤比重相对较小。各茬口对0~5 cm、10~15 cm和15~20 cm土层土壤比重的影响均达显著水平(<0.05), 休耕茬0~5 cm、10~15 cm土层土壤比重最大, 较蚕豆茬均显著增大(<0.05)(图3)。

农茬口对当归育苗田各层土壤容重具有极显著影响(<0.01), 随土层加深容重逐渐增大, 但增幅因前茬口而异。各茬口15~20 cm土层较0~5 cm土层土壤容重增幅依次为蚕豆茬(27.2%)>油菜茬(24.7%)>青稞茬(21.5%)>马铃薯茬(16.4%)>休耕茬(13.7%)。在5~10 cm耕层范围内, 各茬口间差异达极显著水平(<0.01), 其余耕层各茬口间的差异达显著水平(<0.05)。平均而言,各茬口0~20 cm土层土壤容重依次为马铃薯茬(1.209 g×cm–3)>休耕茬(1.195 g×cm–3)>油菜茬(1.169 g×cm–3)>蚕豆茬(1.134 g×cm–3)>青稞茬(1.094 g×cm–3), 青稞茬和蚕豆茬土壤容重均极显著低于油菜茬、马铃薯茬和休耕茬(<0.01)。培育茬口的作物中, 除马铃薯外, 种植油菜、蚕豆和青稞使土壤容重减小, 休耕使土壤容重有增大趋势, 在0~15 cm范围内表现更为明显; 15~20 cm范围内休耕茬容重有所下降。农茬口对当归熟地育苗田土壤紧实度的影响也从土壤孔隙度得到印证(图3), 0~5 cm土层土壤孔隙度蚕豆茬较油菜茬和休耕茬显著增大(<0.05), 较马铃薯茬极显著增大(<0.01), 较青稞茬的增大程度未达显著水平。

熟地当归育苗田不同土层土壤含水量的变化趋势与容重相似, 随土层加深, 土壤含水量提高, 前茬口对0~5 cm、15~20 cm土壤含水量有显著影响(<0.05), 休耕茬田最高, 马铃薯茬田最低。在0~ 5 cm和0~20 cm土层范围内, 各茬口平均土壤含水量依次为休耕>蚕豆茬>油菜茬>青稞茬>马铃薯茬。

图3 农茬口对熟地当归育苗田0~20 cm各土层土壤物理性质的影响

P: 马铃薯茬口; OR: 油菜茬口; HB: 青稞茬口; BB: 蚕豆茬口; F: 休耕茬口。同土层不同小写字母和大写字母分别表示处理间在<0.05和<0.01水平差异显著。同层土壤茬口处理组中, 未标记大写字母表示在>0.01水平不显著。P: potato as the preceding crop; OR: oilseed as the preceding crop; HB: highland barley as the preceding crop; BB: broad bean as the preceding crop; F: fallow before planting. In the same soil layer, different lowercase and capital letters mean significant differences at< 0.05 and< 0.01 levels, respectively. No capital letter means no significant difference at> 0.01 in the same soil layer.

2.4 农茬口对熟地当归成苗量的影响

高寒区熟地农田环境下, 不同前茬对当归成苗数、苗产量和平均单苗重均具有极显著影响(< 0.01), 两者在茬口间表现出基本一致的趋势, 产苗数量依次为蚕豆茬>油菜茬>青稞茬>休耕茬>马铃薯茬, 种苗产量依次为蚕豆茬>油菜茬>青稞茬>马铃薯茬>休耕茬; 而单苗重各茬口间有所变化, 平均单苗重依次为马铃薯茬>油菜茬>蚕豆茬>青稞茬>休耕茬。蚕豆茬口培育的当归成苗数最多, 种苗产量最高, 种苗大小适中, 较休耕茬苗数增产169.25%; 其次为油菜茬和青稞茬, 马铃薯茬育成当归苗个体最大, 成苗数最少, 较休耕茬产苗数减少49.69%; 休耕茬苗栽个体最小, 苗栽产量和单苗重均最低(表1)。

表1 农茬口对熟地当归苗栽产出量的影响

同列数字后不同小写和大写字母分别表示差异显著(<0.05)和极显著(<0.01)。“**”表示方差分析差异性达极显著水平(<0.01),=3. Different lowercase and capital letters in the same column mean significant differences at< 0.05 and< 0.01, respectively. “**” means significance at< 0.01 in variance analysis.

2.5 当归种苗产量与农茬口土壤特性的相关分析

相关分析显示(表2), 熟地不同农茬口育成当归苗数与苗产量呈极显著正相关(<0.01), 两者均与土壤Cl-含量呈极显著负相关(<0.01); 与土壤有机质含量呈正相关(>0.05)。土壤电导率与产苗数呈显著负相关(<0.05), 而与苗产量呈极显著负相关(<0.01)。土壤pH、K+含量与当归苗产量呈显著正相关(<0.01), 而与苗数的正相关程度减弱。土壤容重与K+含量、总孔隙度均呈极显著负相关(<0.01), 与土壤Cl-含量、比重呈正相关(>0.05)。土壤Cl-含量与土壤电导率呈极显著正相关(<0.01), 与有机质和K+含量呈显著(<0.05)和极显著负相关(<0.01), 与pH呈负相关(>0.05)。土壤K+含量与电导率呈极显著负相关(<0.01), 与土壤有机质呈极显著正相关(<0.01)。土壤pH与电导率呈显著负相关(<0.05), 与总孔隙度呈负相关(>0.05), 总孔隙度与K+含量呈正相关(>0.05), 与土壤有机质呈极显著正相关(<0.01)。

表2 当归种苗产量与农茬口土壤理化性质的相关分析(n=15)

以每个茬口的3个重复小区平均值进行相关分析(=15)。**: 相关极显著(<0.01); *: 相关显著(<0.05)。The mean value of 3 replicate plots of each crop for rotation is used for correlation analysis (= 15). **: significant relation at< 0.01; *: significant relation at< 0.05.

2.6 不同农茬口当归熟地育苗土壤理化特性与产苗性能的综合因子分析

熟地育成当归苗数和苗产量均与0~15 cm土层土壤容重呈负相关, 与土壤总孔隙度呈正相关; 随土层加深, 相关程度减弱, 与15~20 cm土层土壤总孔隙度均呈负相关。其中, 苗产量与5~10 cm土层容重和15~20 cm土壤孔隙度均呈显著负相关(<0.05), 苗数与0~5 cm土层总孔隙度呈显著正相关(<0.05), 苗数与各层土壤含水量均呈正相关(>0.05)。各层土壤物理性质对单苗重的影响有所不同(表3)。

基于10个土壤特性指标和3个当归种苗产量性状指标的主成分分析, 前4个主成分的特征根均大于1, 其贡献率依次为40.122%、21.456%、17.237%和8.184%, 累积贡献率87.035%, 故提取第1~4主成分的特征根和贡献率计算各指标的权重值(表4)。第1主成分的绝对值≥0.8的指标中, Cl-含量和电导率为负值, 而K+含量、苗产量和有机质为正值, 说明第1主成分是影响当归熟地育苗产量的关键因子。第2主成分绝对值居前5位的指标依次为pH、总孔隙度、容重、有机质和单苗重, 第3主成分绝对值≥0.5的指标依次为Na+含量、含水量和单苗重, 第4主成分绝对值≥0.5的指标为土壤比重和含水量, 说明第2~4主成分是影响熟地当归苗个体生物量的关键因子。根据各茬口试验指标隶属度与权重值, 利用加乘法则, 计算得各农茬口熟地育苗评价综合评价指数大小依次为蚕豆>油菜>青稞>马铃薯>休耕(表5)。

表3 当归种苗产量与农茬口各层土壤物理性质的相关分析(n=15)

以每个茬口的3个重复小区平均值进行相关分析(=15)。*: 相关显著(<0.05)。The mean value of 3 replicate plots of each crop for rotation is used for correlation analysis (= 15). *: significant relation at<0.05.

表4 不同农茬口熟地当归育苗田土壤特性与当归产苗量因子的主成分分析

表5 不同作物茬口当归栽培田土壤特性与产量因子的隶属度值及综合评价指数

3 讨论

3.1 优异农茬口可优化熟地当归育苗田土壤离子的配比, 蚕豆茬口最为明显

在植被恢复演替过程中, 植被类型与所处立地环境的不同与土壤离子间的相互作用过程具有复杂性[24]。土壤全盐量、pH、阴阳离子等组成是衡量土壤改良利用最基本的依据, 造林可明显改变土壤中Na+、Cl-等可溶性盐离子含量, 降低全盐量[25]。土壤全盐量和电导率呈极显著正相关[26-27]。大多数植物在土壤电导率为2~4 mS∙cm-1时就可能受到盐害, 土壤中过多的Na+可引发植物盐害[28-29]。土壤交换Na+对土壤结构和团聚体稳定性也有不良影响, 导致土壤黏粒膨胀或者分散, 恶化土壤的渗透性能[30]。K+是植物必须营养元素之一, 还起到渗透调节的功能。由于Na+和K+的离子半径和水合能相似, 其吸收在盐碱地呈现明显的相互竞争和抑制作用, 因此, 在盐渍化土壤中, 植物常受Na+毒害和K+亏缺的双重伤害[31]。本研究中, 在高寒区熟地当归育苗田土壤电导率与pH、K+含量呈显著或极显著负相关, 与Cl-含量呈极显著正相关, 与Na+含量呈正相关, 说明这些指标均可衡量土壤盐化程度, 也验证了魏强等[24]的观点。熟地休耕茬当归育苗田土壤电导率和Cl-含量均最高, 尽管Na+未检出, 但K+流失多。农茬口均极显著降低了土壤电导率和Cl-含量, 却富集了K+。除青稞外, 其余农茬口pH均较休耕茬提高, 说明休耕并不利于土壤改良, 在一定程度上还可加重土壤盐渍化和酸化。马铃薯茬口土壤Na+含量极显著升高, Cl-含量接近休耕茬的水平, 说明土壤也有碱化和钠质化的趋势。青稞茬口土壤尽管有机质含量高, 富集K+, 通过土壤渗透调节可缓解高含量Na+对当归幼苗根系的毒害作用, 提高对营养离子的吸收能力, 但土壤偏酸性, 根际易滋生病原菌, 不利于当归根发育。蚕豆茬口土壤电导率、Cl-含量、Na+含量均最低, 又富集有机质和K+, 可有效优化土壤离子配比, 富集土壤营养离子, 造就适宜当归苗生存和发育的微生态环境。

3.2 农茬口显著影响熟地当归育苗田土壤的物理性质, 蚕豆和油菜茬田土壤孔隙度适中

土壤比重和容重是反映土壤紧实度的重要指标, 直接影响土壤孔隙度状况与空隙大小的分配、土壤的穿透阻力与土壤水肥气热变化[32]。容重过大, 通气性变差, 养分转运和供应减慢, 大小孔隙比相对降低, 土壤有次生盐渍化倾向, 不利于植株的生长发育[33]。根系吸收的养分是植物体营养的主要来源, 土壤紧实度对植物根系的形成有极为显著的影响, 土壤的疏松度越大, 根系吸收水分及养分的能力越强, 反之, 土壤透水、透气能力越差, 使根系吸收能力下降, 植株生长困难, 较难抵御外界逆境[34-35]。影响植物生长的另一重要因素是土壤水分, 在土壤有机物的氧化及微生物代谢过程中, 水分发挥着关键的作用[34]。本研究中, 熟地不同茬口当归育苗田中, 在0~20 cm耕层土壤中, 马铃薯和休耕茬口土壤比重和容重均最大和次之, 蚕豆茬最小, 油菜和青稞茬次之, 而土壤总孔隙度和含水量正好相反。除马铃薯茬口外, 各农茬口田土壤均较疏松, 在0~15 cm耕层更为明显, 说明休耕使土壤更为紧实, 孔隙度减少, 田间也发现休耕过程中因放弃田间管理, 杂草优势种突出, 根深叶茂, 恶化了土壤微生态环境。青稞茬口土壤由于孔隙度大, 水分蒸发散失多, 保墒性较差, 当归幼苗易受旱, 保苗率差, 这可能是由于青稞为禾本科, 须根系生态位的扩张引起土壤疏松度增大, 间接加快了水分散失, 植物在整个生长发育过程中也通过根系分泌物等改变了土壤的一些理化性质[34]。因此, 采用青稞茬口进行当归育苗时, 更应加强保湿措施。马铃薯茬口和休耕茬口土壤总孔隙度少, 土壤易板结, 影响养分的转运, 根际易滋生厌氧病原菌, 保苗性差。蚕豆茬口和油菜茬口土壤总孔隙度适中, 比重和容重均小, 对土壤的调控作用最佳,这从离子含量的结果也得到印证,也可能是孔隙度适中的土壤根际微生物多样性更为丰富, 有益菌群优势增强, 导致供给植物所吸收利用的营养离子含量提高, 改善了土壤特性, 提高了土壤养分含量, 进而促进了当归苗的生长发育, 其原因可能是植物残留物的分解和微生物的活动会直接影响土壤孔隙度的空间排列[32]。

3.3 适宜农茬口有利于当归苗的生长发育和调控个体生物量, 蚕豆和油菜茬口产出性能高

根系在植物生长发育过程中发挥着重要作用, 促进根的发育是高效栽培的基础, 也是培育壮苗的关键, 土壤环境决定了根系生存和发展的空间生态位优势。Li等[35]研究表明, 盐、碱胁迫均会显著降低羊草[(Trin.) Tzvel]的生物量。长期以来当归之所以采用生荒地育苗, 其主要原因是当归根肉质, 根际易滋生病原菌, 极不耐连作。王田涛等[36]采用当归与大蒜(L.)间作, 降低了麻口病发病率, 在一定程度上减缓了当归连作障碍, 其原因是大蒜的杀菌作用削弱了病原菌的浸染爆发。本研究中, 熟地前茬种植不同农作物对后茬当归成苗数和苗栽产量均具有显著影响, 各茬口育成当归种苗数和苗产量前3位的茬口为蚕豆茬口、油菜茬口和青稞茬口, 马铃薯茬口和休耕茬口育苗产出率低, 综合评价指数也进一步验证了这一结论, 马铃薯茬口育成种苗数最少, 产量最低, 这与金彦博等[7,37]采用岷县熟地农茬土样浸提液对当归盆栽育苗结果和不同茬口当归熟地育苗试验结果均吻合, 说明马铃薯茬口育成当归苗大, 但对当归种子及幼苗发育具有抑制效应, 使幼苗抗逆性下降, 死苗率高, 保苗性差。另外, 大苗移栽后成药期早期抽薹率高, 进一步说明马铃薯茬口进行当归熟地育苗的劣势, 但细小苗贮藏越冬成活率低, 返青后生长势弱[6]。高寒区休耕并没有达到养地的效果, 反而由于毒性杂草蔓延, 掠夺式消耗土壤营养, 使土质微生态环境劣化, 培育的当归苗弱小, 抗逆性差, 不易越冬成活。蚕豆茬口和油菜茬口产苗率高, 种苗大小适宜, 其次为油菜茬口和青稞茬口。

4 结论

在卓尼县进行当归熟地育苗, 不同农作物茬口造就了土壤离子配比的显著差异, 导致土壤特性的不同, 继而对后茬当归苗的生长发育产生了不同效应。高寒区休耕茬口土壤较为贫瘠, 培育的当归种苗弱小。采用青稞茬口当归育苗能有效缓解土壤盐基离子含量, 富集营养离子, 富含有机质, 改善土壤疏松度, 提高养分转运效率, 但保墒性差, 幼苗易受干旱胁迫, 保苗性差。马铃薯茬口盐渍化趋势明显, 土壤紧实, 死苗率高。蚕豆茬口和油菜茬口土壤富集K+, 且盐化离子Cl-和Na+含量低, 孔隙度适宜, 偏碱性, 有利于当归保苗和群体生物量的积累, 适宜当归幼苗的生长发育, 蚕豆茬口更为优异。因此, 优异的农茬口特性可充分优化土壤环境资源的重组, 改善当归幼苗的土壤生态位环境条件, 提高幼苗的存活率和存活质量, 值得注意的是在熟地当归育苗期, 要严防人畜践踏扰动, 注意和加强保湿管理。

致谢 卓尼县佛赐藏药材开发责任有限公司杨育峰、久美旦增、苏努旺杰、王宏伟和张小伟提供合作帮助; 甘肃农业大学博士生梁伟, 硕士生齐浩、周传猛、杨慧珍、王华丽、金彦博、郭一青、和王小琴参与作物茬口培育和当归育苗试验; 甘肃农业大学本科生崔桂铭、祁锐和王婷及中国科学院大学博士生陈翔参与土壤理化指标测定, 在此表示感谢！

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Regulated effects of preceding crop on soil property and cultivating seedlingsforon cultivated farmland*

1,1**,2,3**,1,1,1

(1. College of Life Science and Technology, Gansu Agricultural University / Gansu Key Lab of Crop Genetic & Germplasm Enhancement / Gansu Provincial Key Lab of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070, China; 2. College of Agronomy, Gansu Agricultural University / Gansu Provincial Key Lab of Good Agricultural Production for Traditional Chinese Medicines / Gansu Provincial Engineering Research Centre for Medical Plant Cultivation and Breeding, Lanzhou 730070, China; 3. Gansu Zhongtian Pharmaceutical Co., Ltd / Gansu Engineering Lab of Resource Reservation and Utilization for Characteristic Medical Plants / Gansu Cultivated Engineering and Technology Research Center of Standardization and Traceability for Characteristic Chinese Medicine, Dingxi 748100, China)

The traditional nursery approach for(Oliv.) Diels seedlings in wild alpine meadow causes serious soil erosion. In order to reveal how preceding crop regulates the soil property and affects the subsequent nursery outcome ofseedlings,seedlings were cultivated in cultivated farmland with different preceding crops in Zhuoni County, Gansu Province. This region is a geo-authentic habitat for the medical plant. The soil characteristics and seedling yield were measured at the seedling cultivated stage, taking fallow as the control. The rotation crops had significant effects on soil characteristics in the subsequent field ofseedlings. Compared with the fallow field, soil conductivity in fields with potato(L.), oil rape (L.), and broad bean (L.) as preceding crops was significantly decreased. The soil pH was significantly increased, while the soil pH and conductivity in highland barley(var.Hook. f.) field were both decreased. Rotation with crop significantly increased soil cation and decreased anion contents. The K+content in fields with different preceding crops was arranged as highland barley > broad beans > oilseed rape > potato > fallow. Na+was arranged as potato > highland barley > broad bean > rape and fallow. Cl-was ranked as fallow > potato > highland barley > oil rape > broad bean. As the soil layer deepened, compactness increased and porosity decreased, while the water content varies with the soil layer and the preceding crop. Loose soil with high water content in 0-15 cm layer of soil was beneficial to seedling survival. Seedling numbers and yield were all significantly negatively correlated with soil conductivity and Cl-content. The seedling yield was positively significantly related to pH and K+content, but was negatively significantly related to bulk density in the 5-10 cm soil layer. Seedling numbers were significantly positively correlated with total porosity in 0-5 cm soil. The ranking of seedling yield under each preceding crop was consistent with the comprehensive assessment index, and the index ranked as broad bean(0.986) > oilseed rape (0.682) > highland barley (0.668) > potato (0.297) > fallow (0.159). Therefore, optimal preceding crop could adequately optimize soil environment in whichseedlings rely on. Concerning acquisition strategies, improving soil property, enriching nutrient ions, promoting growth and seedling surviving, broad bean stubble was markedly superior in regulation.

Preceding crop; Cultivated farmland;(Oliv.) Diels; Seedling culturing; Soil property

s: GUO Fengxia, E-mail: guofx@gsau.edu.cn; CHEN Yuan, E-mail: chenyuan@gsau.edu.cn

Oct. 11, 2019;

10.13930/j.cnki.cjea.190719

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S156.4; S567.2

* 国家自然科学基金项目(31560175, 31360317)、甘肃省高校科研项目(2017A-033)、甘肃省大学生创新训练项目(201810733232)、甘肃农业大学SRTP项目(20150802, 20160802, 20170924)、甘肃省现代农业中药材产业体系首席专家项目(GARS-ZYC-1)和国家中药标准化项目(ZYBZH-Y-GS-11)资助

郭凤霞, 主要从事药用植物生态生理研究, E-mail: guofx@gsau.edu.cn; 陈垣, 主要从事药用植物栽培研究, E-mail: chenyuan@gsau.edu.cn

白刚, 主要从事药用植物生态生理研究。E-mail: baigang@gsau.edu.cn

2019-10-11

2020-03-08

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31560175, 31360317),the Provincial Scientific Research Project for College and University of Gansu Province (2017A-033), the Provincial Innovative Training Program for College Students of Gansu Province (201810733232), the SRTP of Gansu Agricultural University (20150802, 20160802, 20170924), the Project to Chief Expert of Modern Agricultural Traditional Chinese Medicine Industry System in Gansu Province (GARS-ZYC-1) and the National Standardization Project of Traditional Chinese Medicine of China (ZYBZH-Y-GS-11).

Mar. 8, 2020