不同轮作年限对甜菜幼苗生长和土壤理化性质的影响

宋守杰,李炳辰,徐 瑶,刘佳慧,耿 贵

(黑龙江大学现代农业与生态环境学院,哈尔滨 150080)

0 前言

甜菜是中国重要的制糖原料之一,其地上部分还可用于饲养牲畜,具有极高的经济价值。甜菜作为忌连作的直根系深根作物[1],健康的土壤环境是其正常生长的关键因素,也是其高糖高产的先决条件[2]。轮作meta分析研究中也表明,块根作物相较于其他作物,对轮作积极效应更加敏感[3]。

土壤健康和质量的概念是针对过度使用肥料所引起的环境问题而提出的。土壤健康被定义为“土壤长期以持续的方式生产安全和有营养的作物以增进人类和动物健康而不损害自然资源基础或损害环境的能力”[4]。回顾农业历史,作物轮作是最早的可持续农业实践之一,作物轮作通过利用生态位互补性提高产量,优化养分利用,减少病虫害和病原体负荷[5]。在过去的半个世纪里,农业集约化迅猛发展,连作在农药和化肥的帮助下,农作物产量在短期内激增。例如,中国谷物产量增加了3.5倍,从1.2 t·hm-2增产到5.4 t·hm-2。但这是在化学肥料施用量增加5倍的情况下推动的。在这种耕作模式下不仅增加了农业的经济成本,造成环境污染,而且长期依赖甚至导致产量停滞和生态失衡[6,7]。轮作被认为是保护土壤资源、提高植物抗性、稳定作物产量和恢复农业生态系统的关键战略[8,9]。具体而言,轮作有助于:(1)控制杂草数量[10,11];(2)减少病虫害[12-14];(3)通过发展不同的根系系统来改善土壤结构,从而更有效地利用土壤,减少土壤的压实和退化,从而提高植物的营养,增加碳固存[15,16];(4)各种作物残留物提高了土壤养分的含量[17,18];(5)防止地下水污染[19];(6)促进生物多样性[20-22];(7)提高作物对胁迫的抗逆性[23];(8)提高作物产质量;(9)与集约化单一栽培系统相比,减少至少30%的土壤侵蚀。

作物轮作主要由四个要素决定。(1)同一种作物之间的最小回收期,或者在某些情况下,种植同一种作物的最长周期[24]。(2)前茬作物对后茬作物种植的影响,总体的收益和风险。增加氮素供应、土壤有机质或水分供应、改善土壤结构以及减少病虫害或杂草竞争可能带来好处[25,26]。(3)播种和收获的时间取决于作物和气候之间的相互作用,前茬通常必须在播种后茬作物之前收获,减少对后茬收获的影响[27,28]。(4)在一块田地或一组田地上种植的作物的总体比例[5,29]。

目前,针对甜菜轮作年限的研究尚十分缺乏,对土壤理化性质和植株生长机理尚不明确。本研究通过长期定位实验,以“土壤-植物”为研究核心,探究甜菜苗期生长及其土壤肥力情况对轮作年限的响应。它可以带来对轮作新的思考和对轮作设计的调整,将有助于为预测产量提供基础数据,为作物及土壤健康指标提供科学参考,这对农业健康可持续发展是必要的。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为大豆Heinong 35、向日葵Gankui 1、马铃薯Youjing 885、玉米Xianfeng 335和甜菜KWS 1176。

1.2 试验场地和设计

研究试验在黑龙江省哈尔滨市呼兰区(126°38,N;46°00,E)建立。呼兰区位于中纬度地区,属于北温带大陆性季风气候,年平均气温4.0℃,年平均降水量505.4 mm。本试验站土壤为黑土,2017年开始进行甜菜轮作长期定位试验。

试验以轮作年限设置了五个处理:甜菜连作(CK:大豆-向日葵-马铃薯-玉米-甜菜-甜菜)、两年轮作(R2:向日葵-马铃薯-玉米-甜菜-大豆-甜菜)、三年轮作(R3:马铃薯-玉米-甜菜-大豆-大豆-甜菜)、四年轮作(R4:玉米-甜菜-大豆-马铃薯-大豆-甜菜)和五年轮作(R5:甜菜-大豆-向日葵-马铃薯-大豆-甜菜)。所有处理采用随机完全区组设计,4次重复,每个小区面积为40 m2,2022年4月10日进行播种,播种方法是直接播种。每年施用125 kg/hm2N2P2O5,不施用K肥。在甜菜苗期进行取样,每个重复取四株植株样品,并取出以甜菜为圆心半径0.5～5厘米的土壤。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 甜菜生长指标测定

用直尺测定甜菜的株高,即甜菜生长点至最长叶尖的高度。用分析天平测定地上部和地下部鲜重,再使用叶面积仪测定单株叶面积。鲜样放入烘箱中105℃杀青0.5 h,75℃烘至恒重后测定干重。

1.3.2 植株养分测定

运用H2SO4-H2O2-扩散法对烘干的植株样品进行消煮,利用自动定氮仪法(NYT 2419-2013)测定植株全氮;钼锑抗比色法(NY/T 2421-2013)测定全磷含量;通过火焰光度计法(NY/T2420-2013)测定全钾含量。使用硝酸对植株干样进行消煮,火焰光度计测定植株铁、锰、锌和铜离子含量。

1.3.3 土壤理化性质和酶活性测定

用pH计测定土壤pH (水土比为5∶1)。土壤营养元素测定方法参照《土壤农业化学分析方法》。脲酶活性用靛酚蓝比色法测定,二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel2019与SPSS 24.0分析整理,利用单因素试验统计分析方法进行差异显著性分析(P<0.05为显著差异)。

2 结果与分析

2.1 不同轮作年限对甜菜幼苗生长的影响

2.1.1 不同轮作年限对植株表型的影响

由图1所示,在不同轮作周期处理下,甜菜的生长发育情况表现出了显著的差异。CK与轮作处理相比生长势更弱,叶片更狭窄,根系更短,轮作处理中R4生长势最强。由图2可知,随轮作周期的增加,甜菜株高和叶面积逐渐提高,以R4值最高。CK与R1的株高和叶面积无显著差异,R4的株高显著大于CK、R1和R2,叶面积显著大于CK、R1、R2和R3。

图1 连作与不同轮作年限甜菜幼苗期表型差异Fig.1 Phenotypic differences in sugar beet seedling stage between continuous cropping and different rotation years

图2 连作与不同轮作年限对甜菜幼苗株高(A)和叶面积(B)的影响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 不同轮作土壤对甜菜幼苗地上、地下干鲜重的影响

由表1可知,在不同轮作年限的处理下,甜菜幼苗地上部和地下部的干鲜重随轮作年限的增加而增加,除地上鲜重外,轮作处理均大于CK,并在R4时达到最大值。地上鲜重生物量表现为CK

表1 连作与不同轮作年限对甜菜幼苗各部分干重和鲜重的影响Tab.1 Effects of continuous cropping and different rotation years on dry weight and fresh weight of sugar beet seedlings

2.2 不同轮作年限对土壤化学性质的影响

2.2.1 不同轮作年限对土壤pH的影响

土壤pH随轮作年限的变化如图3所示,轮作处理的土壤pH均高于CK,且随轮作年限的提高而提高,pH逐渐接近中性,在R4时达到最大值。各处理之间存在显著差异,R4的pH显著大于其他各处理。

图3 连作与不同轮作年限对土壤pH的影响Fig.3 Effects of continuous cropping and different rotation years on soil pH

2.2.2 不同轮作年限对土壤大量元素的影响

由图4可知,土壤有效氮含量随着轮作年限的增加表现出先下降后增加的趋势,以R4含量最高,为48.53 mg·kg-1,R2含量最低,为38.27 mg·kg-1。土壤有效磷CK和R1、R2差异不显著,R3、R4均大于CK并逐渐升高。在R4时达到79.20 mg·kg-1,相较于CK提高22.46%。土壤有效钾含量随轮作年限的增加而递增,R4处理时含量达到最高,为355.95 mg·kg-1。进行轮作的土壤有效钾含量相对于CK显著提高,相较于氮、磷元素增长幅度最大,提高23.23%～54.86% mg·kg-1以上结果表明,甜菜种植的轮作年限延长对土壤有效磷和有效钾有不同程度的提高,以轮作5年效果最好,轮作4、3年次之,轮作2年变化最小。土壤速效氮随着轮作年限的增加表现为先下降后增加,在R4时表现为显著提高,均高于其他处理。

图4 连作与不同轮作年限对土壤有效N(A)、P(B)和K(C)含量的影响Fig.4 Effects of continuous cropping and different rotation years on soil effective N(A), P(B) and K(C) content

2.2.3 不同轮作年限对土壤微量元素的影响

由图5对土壤的Fe、Mn、Zn、Cu 4种元素的分析可知,随着轮作年限的增加,土壤微量元素含量整体呈递增趋势。Fe、Mn、Cu含量以R4处理最高,分别为90.75 mg·kg-1、50.78 mg·kg-1和2.81 mg·kg-1,Zn含量以R3最高,为4.8 mg·kg-1。R1至R4处理Mn、Zn、Cu元素含量均高于CK,分别提高17.52%～37.81%、3.82%～14.48%和37.31%～40.96%。R2至R4处理Fe元素含量均高于CK,相比提高3.29%～17.87%。以上结果表明,甜菜吸收养分全面,种植后需要多年轮作恢复地力。短期轮作要注意施肥量和肥料种类的补充。

图5 连作与不同轮作年限对土壤有效Fe(A)、Mn(B),Zn(C)和Cu(D)含量的影响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 不同轮作年限对土壤酶活的影响

由图6可知,脲酶活性表现为随轮作年限先下降后上升的趋势,CK与R1,R2差异不显著,R4显著大于CK。以R4处理最高,为562.25 μg·g-1·d-1,相较于CK处理提高8.59%。R1与CK处理蔗糖酶活性差异不显著。R2至R4处理蔗糖酶显著提高,提升效果随轮作年限的提高而增加,以R4处理效果最好,为179.38 mg·g-1·d-1,相较于CK处理6.31%～35.62%。

图6 连作与不同轮作年限对土壤脲酶(A)和蔗糖酶(B)活性的影响Fig.6 Effects of continuous cropping and different rotation years on soil urease (A) and sucrase (B) activities

2.4 各营养指标间相关性分析

通过分析各指标之间的相关性关系,如表2和表3所示。幼苗地上部干、鲜重与轮作年限、土壤有效磷、有效钾、蔗糖酶和pH之间存在极显著(P<0.01)正相关关系,与土壤脲酶活性呈显著(P<0.05)正相关关系。土壤有效氮与地上鲜重无显著(P>0.05)相关性,与地上干重存在极显著(P<0.01)正相关关系。幼苗地下部干、鲜重与轮作年限、有效钾、蔗糖酶和pH之间存在极显著(P<0.01)正相关关系,与土壤有效氮和脲酶活性无显著(P>0.05)相关性。地下鲜重与土壤有效磷呈极显著(P<0.01)正相关关系,与土壤有效氮呈显著(P<0.05)正相关关系。地下干重与土壤有效磷存在显著(P<0.05)正相关关系。此外,轮作年限与土壤有效氮、有效磷、有效钾、蔗糖酶和pH之间存在极显著(P<0.01)正相关关系,与土壤脲酶活性呈显著(P<0.05)正相关关系。

表2 甜菜幼苗地上部分各指标相关性分析Tab.2 Correlation analysis of aerial indicators of sugar beet seedlings

表3 甜菜幼苗地下部分各指标相关性分析Tab.3 Correlation analysis of indicators in underground part of sugar beet seedlings

3 讨论

作物轮作改善土壤理化性质,提高土壤养分的有效性,有利于作物生长发育[30]。甜菜农艺性状实时反映其生长发育状况,也是影响甜菜产质量的物质基础[31];幼苗生长的好坏也影响着全年的发育。通过对连作与不同轮作年限甜菜生长指标研究发现,轮作后的甜菜幼苗在鲜重、干重、株高、叶面积和叶片养分均高于连作甜菜。轮作年限越长,生长势越好。吴晓玲等[32]研究发现,轮作与连作的辣椒相比,辣椒的根系活力提高,叶片叶绿素含量增加。王人民等[33]报道指出,稻田经过6年水旱轮作后,不仅可以改善土壤物理性状,还提高了植株叶片叶面积和叶绿素含量。

植株生长所需的营养来自土壤,植株生长状况与土壤的理化性质息息相关[34]。土壤pH影响土壤理化性质、养分有效性,进而影响植株生长[35]。本试验研究表明,与连作相比,轮作处理提高了土壤pH,降低了酸碱度,更加接近中性。Partrick研究发现,作物残体在土壤中分解会产生抑制作物生长作用的酚酸类物质[36]。刘来等研究发现,连作会诱导辣椒分泌有机酸,土壤pH下降[37]。杨继权等报道指出,土壤pH值越接近中性越有利于甜菜生长[38]。农田土壤养分含量不仅与水肥管理、植株种类和土壤类型有关,还与耕作方式关系密切[39]。本试验通过研究不同轮作年限和连作土壤的土壤肥力状况,发现土壤有效氮、磷、钾、铁、锰、锌和铜较土壤连作有不同程度的提高,并且随轮作周期的延长而上升。但R1,R2的土壤有效氮与CK无显著差异,可能是由于连作的氮输入量较大,幼苗生长性能较差,吸收的氮较少,导致土壤中氮留存较多[40,41]。

土壤中酶活性是土壤肥力和肥效的主要评价标准之一。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对无机氨的转运能力。有效氮含量高的土壤可以供给脲酶充足的底物,可以在一定程度上会促进其活性;脲酶活性也会在一定程度上影响土壤有效氮含量[42]。本试验中,在幼苗期,R3,R4土壤脲酶活性高于连作,R1,R2短期轮作的土壤脲酶活性与连作差异不显著。相关性分析显示土壤脲酶活性与土壤有效氮含量相关性小,与轮作年限有显著正相关关系。说明在本试验中土壤脲酶活性不能对土壤有效氮含量造成明显影响,轮作年限是造成土壤速效N含量变化的主要因素。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,从而为土壤微生物提供能量,对于提升土壤中易溶性养分的含量具有重要作用[43]。本试验中,轮作的土壤蔗糖酶活性显著高于连作,多年轮作提升更高。陈先茂等[44]对不同种植模式下土壤酶活性的研究表明,与比单一连作相比轮作土壤酶活性更高。臧逸飞[45]报道,粮草27年长周期轮作马铃薯茬和小麦茬的蔗糖酶活性较轮作15年时增强。Wang等[46]报道表明,多次轮作的苹果,其幼苗期土壤脲酶,蔗糖酶相较于连作显著提高,轮作次数越多,提升越明显。说明甜菜多年轮作有利于提高土壤蔗糖酶活性,提高土壤肥力,使作物更好地获取有效养分。

4 结论

通过研究连作与不同轮作年限条件下甜菜幼苗的生长和土壤理化性质,试验得出甜菜轮作有利于甜菜植株农艺性状改良和养分积累、土壤理化性质改善和酶活性提高。随着轮作年限的延长,土壤肥力逐渐提高,甜菜幼苗生长势更好,以轮作五年效果最佳。