張達(dá)斌，姚鵬偉，李 婧，趙 娜，王 崢，魚(yú)昌為，曹群虎，曹衛(wèi)東，高亞軍，4，*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100;2.陜西省長(zhǎng)武縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，長(zhǎng)武 713600;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081;4.農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100)

隨著我國(guó)各地城市化進(jìn)程飛速發(fā)展以及各種土地退化問(wèn)題日益嚴(yán)重，如何在現(xiàn)有耕地的基礎(chǔ)上合理培肥土壤，已成為提高土地資源可持續(xù)利用的技術(shù)核心。我國(guó)干旱和半干旱地區(qū)的總面積約占全國(guó)陸地總面積的50%以上［1］，因此科學(xué)提高這些地區(qū)的土壤肥力水平，保證土壤健康狀況對(duì)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有深遠(yuǎn)意義。研究發(fā)現(xiàn)［2-3］，將有機(jī)肥源施入土壤中能有效提高土壤微生物和土壤酶的活性，并在它們共同作用下順利完成腐殖化過(guò)程，逐漸形成促進(jìn)土壤保肥保墑、改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的腐殖質(zhì)。有機(jī)肥源中，以種植并翻壓豆科綠肥所取得的環(huán)境和社會(huì)效益最佳［4-5］。種植翻壓豆科綠肥可以有效提高土壤肥力［6-10］，改善土壤通氣性和保水性［6，9］，減少病蟲(chóng)害發(fā)生幾率［9-10］，保證后茬作物產(chǎn)量與品質(zhì)［11-13］。

渭北旱塬地區(qū)是典型的傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，降水偏少、土壤貧瘠、土地生產(chǎn)力低是該地區(qū)特有的氣候和生態(tài)特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)夏季休閑地面積200多萬(wàn)公頃，夏閑期長(zhǎng)達(dá)70—100 d，正值雨熱同季，不僅光熱資源白白浪費(fèi)，而且由于缺乏植被覆蓋而不利于土壤水分保蓄。能否通過(guò)在夏閑期種植并翻壓短期豆科綠肥實(shí)現(xiàn)培肥土壤、提高土地和氣候資源利用率的目標(biāo)?目前，關(guān)于種植翻壓不同豆科綠肥對(duì)渭北旱塬土壤肥力以及水分利用效率的研究報(bào)道尚不多見(jiàn)。本研究試圖通過(guò)田間定位試驗(yàn)，探索在傳統(tǒng)的夏閑期連續(xù)種植并翻壓不同豆科綠肥對(duì)旱地土壤肥力狀況和水分生產(chǎn)效率的影響，以期為我國(guó)旱區(qū)耕地質(zhì)量保育和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收提供理論依據(jù)和技術(shù)保障。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于黃土高原中南部的陜西省長(zhǎng)武縣丁家鎮(zhèn)十里鋪村農(nóng)技中心試驗(yàn)基地(107°44'703″E，35°12'787″N)，海拔1 220 m，該地區(qū)地勢(shì)平坦，屬西北內(nèi)陸暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季冷暖干濕分明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全部依賴天然降水，年均氣溫9.1℃，無(wú)霜期171 d。熱量豐富，年平均日照2 226.5 h，積溫2 994℃，多年平均降水588 mm，且季節(jié)性分布不均，多集中于夏秋季節(jié)，雨熱同季。

試驗(yàn)地土壤為黃蓋粘黑壚土，母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土，土層深厚，全剖面土質(zhì)均勻疏松，通透性好，肥力中等，基本理化性狀詳見(jiàn)表1。試驗(yàn)區(qū)大部分耕層土壤貧氮少磷，鉀素豐富。研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴生育期的天然降水和前期土壤蓄水，屬于典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，且種植制度為典型的一年一熟或2a三熟。

表1 供試土壤基本性狀Table 1 Soil basic properties

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括3種豆科綠肥:綠豆、大豆和長(zhǎng)武懷豆(大豆的當(dāng)?shù)仄贩N)，以夏季裸地休閑為對(duì)照;冬小麥生長(zhǎng)季施氮量設(shè)4個(gè)水平:不施氮肥、當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量80%(108 kg/hm2)、當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量(135 kg/hm2)和當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量120%(162 kg/hm2)。完全方案，共16個(gè)處理，田間排列采取裂區(qū)設(shè)計(jì)，以豆科綠肥為主區(qū)，施氮量為副區(qū)，重復(fù)3次，副區(qū)面積5 m×6 m=30 m2，小區(qū)間寬30 cm。

本試驗(yàn)為定位試驗(yàn)，自2008年以來(lái)每年的6月底收獲完小麥并立即播種綠肥，9月上旬至中旬收獲并將綠肥切碎翻壓于土壤中，翻壓深度20 cm，9月下旬至10月初繼續(xù)播種冬小麥。氮肥在冬小麥播前一次施入，同時(shí)施用P2O5120 kg/hm2;綠肥種植前不施氮肥，只施用P2O540 kg/hm2。2008年7月至2010年6月兩年間夏閑期(綠肥生長(zhǎng)季)和小麥生長(zhǎng)季降水量詳見(jiàn)表2。

表2 2008年7月—2010年6月夏閑期(綠肥生長(zhǎng)季)和冬小麥生長(zhǎng)季降水量Table 2 Rainfall during summer fallow(green manure growth)period and winter wheat growth period from July in 2008 to June in 2010

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

在綠肥盛花期(即綠肥翻壓前)、綠肥翻壓2—4周后(即小麥播種前)以及小麥?zhǔn)斋@時(shí)分別采集各處理土壤0—200 cm剖面樣品，20 cm為一個(gè)樣品，測(cè)定土壤水分及礦質(zhì)氮含量;留下0—20 cm土樣風(fēng)干、研磨過(guò)篩后用于其它項(xiàng)目測(cè)定。礦質(zhì)氮用1 mol/L KCl浸提-連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)用外加熱法，活性有機(jī)質(zhì)采用的是0.2 mol/L(1/6 K2Cr2O7-1∶3H2SO4，水∶酸=3∶1)加熱法［14］，全氮用凱氏法，速效鉀用 1 mol/L 中性NH4OAC浸提-火焰光度計(jì)法，土壤水分用烘干法進(jìn)行測(cè)定［15］，并測(cè)得以下指標(biāo):

土壤貯水量(Dw，mm)=∑θv×h，θv=θm × ρ，其中 θv為容積含水量(%)，h為土層厚度(cm)，θm為質(zhì)量含水量(%)，ρ為土壤容重［16］;耗水量(mm)=小麥播前土壤貯水量(mm)+小麥生長(zhǎng)季降雨量(mm)―小麥?zhǔn)斋@時(shí)土壤貯水量(mm);水分生產(chǎn)效率(WUE，kg·mm－1·hm－2)=小麥籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)/耗水量(mm)。

土壤C庫(kù)管理指數(shù)CPMI計(jì)算方法［17］:首先，計(jì)算土壤碳庫(kù)指數(shù)(CPI)= 樣品總碳含量(mg/g)/原始土樣總碳含量(mg/g);然后，計(jì)算土壤碳庫(kù)活度指數(shù)(AI)=樣品碳庫(kù)活度(A)/原始土樣碳庫(kù)活度(A)，其中，碳庫(kù)活度(A)=土壤活性有機(jī)碳含量(mg/g)/土壤非活性有機(jī)碳含量(mg/g);最后，土壤C庫(kù)管理指數(shù)(CPMI，%)=土壤碳庫(kù)指數(shù)(CPI)×碳庫(kù)活度指數(shù)(AI)×100。原始土樣指田間試驗(yàn)開(kāi)始前采集的土壤多點(diǎn)混合樣品。

數(shù)據(jù)采用SAS軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 豆科綠肥生物量及養(yǎng)分還田量

連續(xù)兩年試驗(yàn)研究表明(表3)，綠肥產(chǎn)量以及養(yǎng)分還田量因品種和年份時(shí)間不同而有所差異。2008—2009年3種豆科綠肥間，大豆和懷豆地上部鮮重高于綠豆14.9%和19.0%，懷豆干重分別高于綠豆和大豆22.4%、22.0%，綠豆和大豆間差異不顯著;而2009—2010年綠豆無(wú)論是鮮重還是干重均顯著高于大豆和懷豆，大豆和懷豆差異不顯著。從養(yǎng)分還田量的角度來(lái)分析，2008—2009年，3種綠肥的磷、鉀養(yǎng)分還田量無(wú)顯著差異，懷豆氮還田量顯著高于大豆和綠豆，同時(shí)大豆氮還田量又顯著高于綠豆;2009—2010年，3種綠肥氮磷鉀養(yǎng)分還田量存在顯著性差異，綠豆最高，懷豆次之，大豆最低，綠豆還田量較高的原因主要與其較高的生物量有關(guān)。兩年合計(jì)，綠豆處理生物量鮮重和干重均最高，大豆處理干重最低;長(zhǎng)武懷豆處理的氮素還田量最高，大豆處理的磷素還田量最低，三種綠肥處理的鉀素還田量差異不大。

表3 2008—2010年不同豆科綠肥生物量及養(yǎng)分還田量Table 3 Green manure biomass and nutrient returned into soil from 2008 to 2010

2.2 夏閑期種植并翻壓豆科綠肥對(duì)土壤肥力的影響

夏閑期綠肥-冬小麥輪作2a后，對(duì)各處理表層土壤的測(cè)定結(jié)果表明(表4):種植翻壓2a豆科綠肥能顯著提高土壤肥力，同時(shí)3種豆科綠肥處理的效果存在差異。

與休閑相比，種植并翻壓豆科綠肥的土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)、土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)以及全氮含量分別增加 3.9%—11.7%、3.2%—7.6%、2.7%—7.6%和 4.5%—10.8%;與試驗(yàn)前的土壤相比，豆科綠肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)、CPMI以及全氮含量分別提高－1.4%—6.0%、3.2%—7.6%、5.1%—10.1%和7.1%—13.6%。3種綠肥間，種植翻壓懷豆和大豆的培肥效果較好，其中懷豆處理的土壤活性有機(jī)質(zhì)、CPMI和全氮含量以及大豆的土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于綠豆處理，同時(shí)懷豆的土壤全氮含量比大豆處理高出6.0%—6.1%。

不施氮肥時(shí)，3種豆科綠肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量比休閑處理增加8.3%—16.4%(平均12.8%);施氮108 kg/hm2時(shí)，綠肥處理比休閑增加4.7%—8.4%(平均6.0%);施氮135 kg/hm2時(shí)，綠肥處理比休閑增加－1.8%—7.9%(平均2.9%);施氮 162 kg/hm2時(shí)，綠肥處理比休閑增加 4.5%—14.8%(平均 9.5%)。可見(jiàn)，小麥生長(zhǎng)季不施氮肥時(shí)，翻壓豆科綠肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的提升作用更明顯。

翻壓綠肥處理的土壤速效鉀與休閑處理沒(méi)有顯著差異。

2008—2009年小麥播種前，種植翻壓長(zhǎng)武懷豆的土壤礦質(zhì)氮累積量顯著高于休閑處理，而2009—2010年小麥播前，綠豆處理顯著高于休閑處理(表5)。這與2a綠肥氮素還田量的高低規(guī)律一致:即2008—2009年長(zhǎng)武懷豆處理的氮素還田量最高，而2009—2010年綠豆處理的氮素還田量最高(表3)。2008—2009年大豆和綠豆處理土壤礦質(zhì)氮累積量與休閑處理相當(dāng)，2009—2010年長(zhǎng)武懷豆和大豆處理與休閑處理無(wú)顯著差異。這意味著缺乏有機(jī)物料施入時(shí)，休閑處理土壤有機(jī)氮礦化較明顯。

表4 2010年小麥?zhǔn)斋@后土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)、碳庫(kù)管理指數(shù)、速效鉀和全氮含量Table 4 Soil TOM，AOM，CPMI，available K and total N content after wheat harvest in 2010

表5 2008—2010年小麥播種前0—200cm土壤礦質(zhì)氮累積量Table 5 Mineral N accumulation in soil of 0—200 cm depth before wheat sowing from 2008 to 2010

2.3 夏閑期種植并翻壓豆科綠肥對(duì)土壤水分的影響

不同時(shí)期土壤水分結(jié)果表明，夏閑期種植豆科綠肥消耗了較多的土壤水分。綠肥盛花期種植豆科綠肥處理的土壤0—200 cm貯水量比休閑處理低39.2—51.4 mm，隨著降水的進(jìn)行其水分差異有所減小，但一直存在至小麥?zhǔn)斋@時(shí)。3種豆科綠肥間，大豆處理的土壤貯水量最低(表6)。

表6 2009—2010年不同處理0—200 cm土壤貯水量Table 6 Soil water storage in 0—200 cm depth of different treatments from 2009 to 2010

小麥播前，種植綠肥處理與休閑處理土壤含水量的差異主要表現(xiàn)在60—120 cm土層。小麥播前，種植大豆處理與懷豆和綠豆處理土壤含水量的差異主要表現(xiàn)在80—120 cm土層;到小麥?zhǔn)斋@時(shí)，差異則擴(kuò)展至40—140 cm土層(圖1)。

圖1 2009—2010年小麥播種和收獲時(shí)0—200 cm土壤含水量Fig.1 Soil moisture of 0—200 cm depth before wheat sowing and after harvest from 2009 to 2010

2.4 夏閑期種植并翻壓綠肥對(duì)小麥產(chǎn)量、耗水量與水分生產(chǎn)效率的影響

2009—2010年試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，夏閑期種植翻壓綠肥不僅有效增加了小麥籽粒產(chǎn)量，也顯著提高了土壤水分生產(chǎn)效率(表7)。

與休閑相比，懷豆和大豆處理的小麥籽粒產(chǎn)量顯著提高，分別增產(chǎn)9.5%和7.1%，綠豆處理的小麥籽粒產(chǎn)量增加6.3%。不施氮肥時(shí)，綠豆處理的小麥產(chǎn)量顯著低于懷豆和大豆處理;施氮肥時(shí)，三種綠肥處理之間產(chǎn)量差異并不顯著。夏季休閑時(shí)，連續(xù)2年不施氮肥顯著降低冬小麥產(chǎn)量;然而，夏閑期種植并翻壓長(zhǎng)武懷豆和大豆時(shí)，連續(xù)2年不施氮肥卻沒(méi)有造成小麥的減產(chǎn)，這表明翻壓懷豆和大豆顯著提高了土壤供氮能力，可大大減少冬小麥對(duì)化肥氮的需求。

與夏休閑相比，豆科綠肥處理的小麥生長(zhǎng)季耗水量沒(méi)有顯著差異。夏季休閑和種植翻壓綠豆時(shí)，連續(xù)2年不施氮肥顯著降低耗水量，這應(yīng)該與其小麥產(chǎn)量的降低有關(guān)。懷豆和大豆處理施氮量對(duì)小麥生育期耗水量沒(méi)有顯著影響。

夏閑期種植并翻壓豆科綠肥的水分生產(chǎn)效率比休閑處理提高6.5%—8.8%，差異顯著，這與豆科綠肥處理較高的小麥產(chǎn)量有直接關(guān)系。不施氮肥時(shí)，懷豆和大豆處理的水分生產(chǎn)效率顯著高于休閑，而綠豆與休閑無(wú)顯著性差異;施用氮肥時(shí)，懷豆和大豆處理的水分生產(chǎn)效率與休閑無(wú)顯著差異，而綠豆處理的水分生產(chǎn)效率顯著高于休閑，表明施用氮肥能提高小麥水分生產(chǎn)效率，其中休閑和綠豆施用氮肥時(shí)的水分生產(chǎn)效率顯著高于其不施肥處理。

表7 2009—2010年小麥?zhǔn)斋@時(shí)不同處理水分生產(chǎn)效率Table7 Water use efficiency(WUE)of different treatments after wheat harvest from 2009 to 2010

3 結(jié)論與討論

黃土高原地區(qū)三分之二的農(nóng)田其表層(0—10 cm)土壤有機(jī)質(zhì)含量低于10 g/kg，另三分之一面積的土壤有機(jī)質(zhì)也僅有10—15 g/kg［18］，其中黃土高原丘陵溝壑區(qū)以南的渭北旱塬土壤有機(jī)質(zhì)含量為8—12 g/kg［19］。土壤瘠薄與干旱少雨是限制這一地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的兩個(gè)幾乎同等重要的因素，水分匱缺和侵蝕嚴(yán)重是造成土壤肥力不足的主要原因，有機(jī)肥投入不足和培肥不力也影響了土壤肥力提高。大量研究證明，種植并翻壓豆科綠肥不僅能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量［19-22］，增加土壤氮素供應(yīng)［23-24］，還能改善土壤物理性狀［20-21］和生物學(xué)性狀［21］。冬小麥—夏休閑是渭北旱塬地區(qū)的主要種植制度之一，夏季休閑期正值雨熱同季，如果裸地休閑不僅會(huì)影響土壤水分的保蓄以及光熱資源的白白浪費(fèi)，更能由于缺乏植被覆蓋而引發(fā)水土流失。盡管夏季的降水條件并不能滿足大部分地區(qū)復(fù)種一茬作物［25］，如果填閑種植短期豆科綠肥并在冬小麥播種之前提前翻壓入土，這樣不僅能充分利用該地區(qū)夏閑期降水和光溫資源，而且對(duì)提高土壤肥力具有重要的意義。該地區(qū)有多年種植豆類作物的歷史，一般當(dāng)?shù)剞r(nóng)民僅用于倒茬和收獲豆子，兼有養(yǎng)地作用［26-27］。但由于還田的根茬生物量有限，因此對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的貢獻(xiàn)并不大［28-29］。如果將豆類作為綠肥全部翻壓還田會(huì)不會(huì)有顯著培肥效果呢?本研究發(fā)現(xiàn)，與休閑處理(不種綠肥)相比，連續(xù)2a夏季種植并翻壓豆科綠肥后耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量能夠增加3.9%—11.8%，全氮含量提高4.5%—10.8%;表明在渭北旱塬一年一熟地區(qū)，利用夏閑期插播短期豆科綠肥具有明顯培肥效果，這也與前人的報(bào)道規(guī)律一致［19］。

土壤有機(jī)質(zhì)含量是表征土壤肥力高低的一個(gè)重要指標(biāo)，而活性有機(jī)質(zhì)在指示土壤質(zhì)量和土壤肥力變化方面比有機(jī)質(zhì)總量更靈敏［30］。還有研究指出，土壤C庫(kù)管理指數(shù)CPMI一方面反映了外界條件對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量的影響變化，另一方面反映了土壤活性有機(jī)質(zhì)數(shù)量的變化情況，所以能夠較全面和動(dòng)態(tài)地反映外界條件對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)的影響。CPMI上升，表明該措施對(duì)土壤有培肥作用，土壤性能向良性發(fā)展;CPMI下降，則表明土壤肥力下降，土壤性質(zhì)向不良方向發(fā)展，其管理和施肥是不科學(xué)的［31］。研究發(fā)現(xiàn)［17］，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能夠促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)形成，增加土壤活性有機(jī)質(zhì)和CPMI。本研究也發(fā)現(xiàn)，與休閑處理相比，連續(xù)2年種植并翻壓綠豆、大豆和懷豆后土壤的活性有機(jī)質(zhì)含量能夠提高3.2%—7.6%，CPMI增加2.7%—7.6%，表明種植翻壓豆科綠肥能有效保證土壤肥力的穩(wěn)定與提高。

綠肥的培肥效果也會(huì)因綠肥種類的差異而不同。例如，李銀平［32］等發(fā)現(xiàn)，在新疆連作8a的棉田種植并翻壓4種不同綠肥后對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量有顯著不同的效果:與不種綠肥相比，草木樨使土壤有機(jī)質(zhì)含量提高1.44 g/kg，大豆使有機(jī)質(zhì)含量提高0.17 g/kg;而油菜和油葵則使土壤有機(jī)質(zhì)含量分別降低1.58和0.17 g/kg。本試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然連續(xù)兩年種植長(zhǎng)武懷豆和大豆的總生物量低于綠豆，然而其相應(yīng)處理下的土壤有機(jī)質(zhì)含量和活性有機(jī)質(zhì)含量卻均高于綠豆處理，原因可能在于長(zhǎng)武懷豆和大豆的碳含量明顯高于綠豆，而碳氮比顯著低于綠豆，更利于微生物分解轉(zhuǎn)化為腐殖類物質(zhì)［33］。

夏閑期種植翻壓綠肥明顯消耗了土壤水分，尤其種植豆科綠肥后的60—120 cm土層水分含量要顯著低于休閑處理。盡管如此，種植綠肥處理小麥生長(zhǎng)期間土壤耗水量與休閑處理沒(méi)有明顯差異，同時(shí)夏閑期利用綠肥顯著增加后茬小麥籽粒產(chǎn)量，最終顯著提高土壤水分生產(chǎn)效率，這應(yīng)該主要?dú)w功于種植并翻壓豆科綠肥后明顯的培肥效果。

在渭北旱塬夏閑期插播一季豆科綠肥，既有利于改善麥田土壤肥力，又顯著提高土壤水分生產(chǎn)效率，然而綠肥培肥地力的長(zhǎng)期效應(yīng)還有待于進(jìn)一步研究;本試驗(yàn)中3種豆科綠肥間，以當(dāng)?shù)仄贩N——長(zhǎng)武懷豆培肥效果最佳。

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