李伶俐,阮 元,劉 偉,馬宗斌,朱 偉
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,河南 鄭州 450002)
黃淮海棉區(qū)長期植棉的河灘地和鹽堿地,由于連年施用化肥而基本不施有機(jī)肥,導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量降低、土壤微生物數(shù)量減少,出現(xiàn)土壤板結(jié)、次生鹽漬化等土壤理化性狀惡化現(xiàn)象,致使土壤肥力衰減,施肥的增產(chǎn)效果下降明顯,棉花生長及產(chǎn)量、品質(zhì)形成與提高受到明顯限制,同時(shí)肥料流失也造成了環(huán)境污染。增加土壤有機(jī)質(zhì)和土壤微生物數(shù)量是化解土壤板結(jié)、修復(fù)和調(diào)理土壤生態(tài)、平衡土壤養(yǎng)分、提高化肥利用率、增強(qiáng)棉花抗逆性、提高棉花產(chǎn)量和改善品質(zhì)的有效途徑?;实氖┯脤?duì)我國糧食增產(chǎn)貢獻(xiàn)巨大,但近年來化肥過量施用、盲目施用的問題日益突出,化肥平均利用率僅為30%~35%,2015年2月,農(nóng)業(yè)部發(fā)布《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》,提出“力爭到2020年,主要農(nóng)作物化肥使用量實(shí)現(xiàn)零增長”,2017年國家又進(jìn)一步提出要發(fā)展綠色生態(tài)健康農(nóng)業(yè),全面推進(jìn)土壤恢復(fù)工程,逐步解決土壤退化問題。近幾年,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大力推廣集無機(jī)營養(yǎng)元素、有機(jī)質(zhì)、微生物一體的復(fù)合微生物肥料,但是受投資成本高的限制,在連年植棉的河灘地和鹽堿地施用甚少。20世紀(jì)60—70年代,在我國多地棉區(qū)有進(jìn)行棉田間套作檉麻、苕子等綠肥來改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力和棉花產(chǎn)量的研究報(bào)道[1-4],但多是麥棉兩熟棉田內(nèi)短期(30~40 d共生期)套種綠肥,且均未進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研究。鑒于此,在前人試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,結(jié)合輕簡化植棉的要求,在當(dāng)年未施肥條件下,研究了棉田間作紫花苜蓿對(duì)土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性以及棉花生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響,旨在為河灘地和鹽堿地土壤培肥,實(shí)現(xiàn)棉田減肥增效、綠色生態(tài)可持續(xù)栽培生產(chǎn)探索新途徑。
試驗(yàn)于2017年在原陽黃河灘地和開封杜良鄉(xiāng)鹽堿地進(jìn)行,原陽黃河灘地和開封鹽堿試驗(yàn)地土壤質(zhì)地均偏砂且肥力偏低,供試土壤基本理化性質(zhì)具體見表1,2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均已連作棉花3 a以上。供試棉花品種為魯棉28,由山東棉花研究中心提供。紫花苜蓿(Medicagosativa)由石家莊灤平縣草坪苗木基地提供。
表1 供試土壤基本理化性質(zhì)
2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均于2017年5月3日進(jìn)行棉花直播,行距90 cm、株距25 cm,密度44 440株/hm2。試驗(yàn)設(shè)置CK(對(duì)照,5月3日單作棉花)、 JT1(5月3日棉花和紫花苜蓿同時(shí)間作播種)、JT2(5月3日直播棉花,6月3日棉花行間套播紫花苜蓿)3個(gè)處理,苜蓿播量均為9 kg/hm2,整個(gè)生長期棉花與苜蓿共生,拔棉柴后,苜蓿越冬,來年播種棉花前翻耕掩青,進(jìn)行次年后續(xù)試驗(yàn)。兩試驗(yàn)點(diǎn)各處理小區(qū)面積均為14 m×6.3 m,種植7行,重復(fù)3次,隨機(jī)排列。試驗(yàn)當(dāng)年兩試驗(yàn)點(diǎn)各處理均未施肥,2016年兩試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)地均于棉花種植前整地時(shí)施三元復(fù)合肥(20-8-20)450 kg/hm2,7月下旬追施尿素225 kg/hm2。棉田簡化整枝,只進(jìn)行打頂、縮節(jié)胺化學(xué)調(diào)控,其他管理同大田。
1.3.1 棉花農(nóng)藝性狀 開花期(6月30日)和吐絮期(9月14日),每處理各小區(qū)連續(xù)選10株棉株,分別調(diào)查株高、單株果枝數(shù)、單株果節(jié)數(shù)、單株鈴數(shù),求平均值。
1.3.2 棉花產(chǎn)量性狀 9月20日,于每小區(qū)中間行選擇30株棉株,調(diào)查單株鈴數(shù);每小區(qū)中間行選棉株10株,實(shí)收吐絮鈴,測算平均單鈴質(zhì)量、衣分、衣指、子指;每小區(qū)隨機(jī)摘取中部棉桃10個(gè),測算每個(gè)棉鈴的正常子數(shù)和不孕子數(shù),最后小區(qū)單收計(jì)產(chǎn)。
1.3.3 苜蓿生物量 分別于棉花封行前(7月17日)和棉花吐絮期(8月30日),每小區(qū)選3個(gè)點(diǎn)(30 cm×30 cm),取苜蓿地上部分稱量鮮質(zhì)量和干質(zhì)量,求平均值。
1.3.5 土壤養(yǎng)分狀況 拔棉柴后(11月5日),按0~20 cm和20~40 cm土層在2行棉花中間取土樣,每個(gè)處理隨機(jī)取5個(gè)點(diǎn),剔除石塊,混合裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室,樣品經(jīng)風(fēng)干后研磨,過1 mm篩待測。土壤有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法,土壤全氮含量測定采用開氏法,土壤堿解氮(速效氮)含量測定采用堿解擴(kuò)散法,土壤全磷含量測定采用鉬藍(lán)比色法,速效磷含量測定采用Olsen法,土壤全鉀和速效鉀含量測定采用火焰光度計(jì),具體方法參見《土壤農(nóng)化分析》[6]。
采用DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。
由表2可見,兩試驗(yàn)點(diǎn)間作紫花苜蓿的2個(gè)處理棉株生長與發(fā)育受到抑制,均表現(xiàn)為株高降低,單株果枝數(shù)、單株果節(jié)數(shù)減少,單株鈴數(shù)下降,其中,同期播種間作的JT1處理受抑制程度明顯大于套播間作的JT2處理,而與CK比,JT2處理棉株生長發(fā)育受到的抑制作用相對(duì)較弱。這主要是JT1處理的紫花苜蓿與棉花幾乎同時(shí)出苗,而紫花苜蓿生長對(duì)土壤養(yǎng)分以及地上空間的爭奪抑制了棉苗的生長,使得該處理的棉株生長發(fā)育在整個(gè)生長期明顯落后于CK;而JT2處理的紫花苜蓿出苗后,棉苗已進(jìn)入現(xiàn)蕾期,棉花根系已基本建成,地上生長在空間上也占優(yōu)勢,雖然苜蓿的生長也爭奪養(yǎng)分和空間,但不占優(yōu)勢,使得該處理棉株生長發(fā)育受抑制程度較小。
從表3可見,兩試驗(yàn)點(diǎn)均表現(xiàn)為間作苜蓿的2個(gè)處理的鈴質(zhì)量降低,衣指和子指略有下降,單鈴不孕子數(shù)增加,但同期播種間作JT1處理的鈴質(zhì)量和單鈴正常子數(shù)顯著低于CK和JT2,而單鈴不孕子數(shù)顯著高于CK和JT2處理,JT2處理的棉鈴各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與CK相比差異不明顯。
表2 不同處理棉株的農(nóng)藝性狀
注:同列不同小寫字母表示同一試驗(yàn)點(diǎn)不同處理間差異達(dá)0.05顯著水平,下同。
Note:Different lowercase letters in the same column mean that the differences of different treatments at the same test site were significant at 0.05 level,the same as below.
表3 不同處理棉鈴的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Tab.3 Economic indicators of cotton boll under different treatments
由于間作紫花苜蓿影響了棉花的生長和發(fā)育,進(jìn)而使棉花的產(chǎn)量構(gòu)成及子棉產(chǎn)量受到一定影響,由表4可見,原陽、開封兩試驗(yàn)點(diǎn)的單株鈴數(shù)分別表現(xiàn)為JT1處理較CK分別減少了19.91%、18.31%,JT2處理比CK分別減少了3.03%、2.35%;鈴質(zhì)量表現(xiàn)為JT1處理比CK分別降低了10.06%、12.58%,JT2處理比CK分別減少了2.37%、1.62%;各處理衣分沒有明顯差異;原陽點(diǎn)子棉產(chǎn)量表現(xiàn)為JT1處理子棉產(chǎn)量比CK減少了20.55%,JT2處理子棉產(chǎn)量比CK減少了4.68%,開封點(diǎn)JT1處理子棉產(chǎn)量比CK減少了22.03%,JT2處理子棉產(chǎn)量比CK減少了5.22%。
表4 不同處理棉花產(chǎn)量構(gòu)成及子棉產(chǎn)量Tab.4 Composition of cotton yield and yield of seed cotton under different treatments
由表5可見,JT1、JT2處理的紫花苜蓿生物量明顯不同。7月17日,原陽點(diǎn)、開封點(diǎn)JT2處理的苜蓿鮮質(zhì)量分別是JT1處理的51.05%、49.36%,JT2處理苜蓿干質(zhì)量是JT1處理的50.33%、49.84%;8月30日,原陽點(diǎn)、開封點(diǎn)JT2處理的苜蓿鮮質(zhì)量分別是JT1處理的66.85%、65.02%,JT2處理的苜蓿干質(zhì)量分別是JT1處理的65.77%、65.91%。
表5 不同處理紫花苜蓿的生物量Tab.5 Biomass of alfalfa under different treatments kg/hm2
土壤微生物是地球上最重要的分解者,具有多重生態(tài)與環(huán)境功能,它們也是植物生產(chǎn)力的重要驅(qū)動(dòng)者,直接參與植物獲得養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分循環(huán)2個(gè)過程,土壤微生物作為土壤生物化學(xué)特性的重要組成部分,在土壤營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、有機(jī)質(zhì)分解與轉(zhuǎn)化、有害物降解、肥力修復(fù)等方面起著重要作用,此外,還可以分泌胞外酶、產(chǎn)生生長刺激素和抗生素,從而抑制病原微生物生長,刺激作物生長[7-11]。其中,細(xì)菌、放線菌和真菌是土壤微生物的三大主要類群。從表6可見,兩試驗(yàn)點(diǎn)各處理細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量均表現(xiàn)11月4日較9月14日明顯下降,且JT1和JT2兩處理土壤細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量均比CK顯著提高。就9月14日看,原陽試驗(yàn)點(diǎn)JT1和JT2兩處理與CK相比,土壤細(xì)菌數(shù)量分別增加了79.91%和81.14%,土壤放線菌數(shù)量分別增加了126.08%和123.51%,土壤真菌數(shù)量分別增加了74.41%和72.68%;開封試驗(yàn)點(diǎn)JT1和JT2兩處理與CK相比,土壤細(xì)菌數(shù)量分別增加了98.98%和95.32%,土壤放線菌數(shù)量分別增加了124.97%和122.19%,土壤真菌數(shù)量分別增加了72.67%和68.73%。就11月4日看,原陽試驗(yàn)點(diǎn)JT1和JT2兩處理與CK相比,土壤細(xì)菌數(shù)量分別增加了104.61%和97.08%,土壤放線菌數(shù)量分別增加了130.87%和133.83%,土壤真菌數(shù)量分別增加了96.72%和93.17%;開封試驗(yàn)點(diǎn)JT1和JT2兩處理與CK相比,土壤細(xì)菌數(shù)量分別增加了125.52%和129.81%,土壤放線菌數(shù)量分別增加了142.41%和146.98%,土壤真菌數(shù)量分別增加了96.45%和95.09%。
表6 不同處理土壤微生物數(shù)量Tab.6 Soil microbial quantity under different treatments
土壤脲酶直接參與土壤中含氮有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化,其活性增強(qiáng)可提高土壤氮素營養(yǎng);土壤蛋白酶是作用于肽鍵的水解酶,可將蛋白質(zhì)降解為較小的可溶性分子,而蛋白質(zhì)的分解是土壤氮循環(huán)中的重要環(huán)節(jié);土壤轉(zhuǎn)化酶活性增強(qiáng)有利于土壤中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化,與土壤中腐殖質(zhì)、全氮、速效氮、全磷、速效磷、水解性有機(jī)質(zhì)和黏粒的含量以及微生物的數(shù)量及其活動(dòng)呈正相關(guān);土壤磷酸酶能促進(jìn)土壤中有機(jī)磷化合物水解,生成作物能利用的無機(jī)態(tài)磷,土壤微生物對(duì)土壤含磷有機(jī)物的礦化起著主要作用;土壤過氧化氫酶活性與土壤呼吸強(qiáng)度和土壤微生物活動(dòng)相關(guān),在一定程度上反映土壤生物學(xué)活動(dòng)的強(qiáng)度[12-13]。
由表7可見,在2個(gè)測定時(shí)期,2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)JT1和JT2處理土壤蛋白酶、脲酶、磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性均比CK顯著提高。其中,9月14日,原陽試驗(yàn)點(diǎn)JT1和JT2兩處理與CK相比,蛋白酶活性分別提高29.34%和28.80%,脲酶活性分別提高15.15%和14.86%,磷酸酶活性分別提高29.12%和28.56%,轉(zhuǎn)化酶活性分別提高28.92%和29.64%,過氧化氫酶活性分別提高24.47%和22.94%,而JT1處理與JT2處理間沒有顯著差異;開封試驗(yàn)點(diǎn)JT1和JT2兩處理與CK相比,蛋白酶活性分別提高31.17%和30.12%,脲酶活性分別提高16.17%和15.34%,磷酸酶活性分別提高33.62%和32.59%,轉(zhuǎn)化酶活性分別提高32.06%和30.76%,過氧化氫酶活性分別提高26.54%和24.71%,而JT1處理與JT2處理間沒有顯著差異。11月4日,原陽試驗(yàn)點(diǎn)JT1和JT2兩處理與CK相比,蛋白酶活性分別提高27.11%和28.70%,脲酶活性分別提高15.69%和17.58%,磷酸酶活性分別提高31.89%和30.41%,轉(zhuǎn)化酶活性分別提高29.15%和28.13%,過氧化氫酶活性分別提高25.48%和24.33%,而JT1處理與JT2處理間沒有顯著差異;開封試驗(yàn)點(diǎn)JT1和JT2兩處理與CK相比,蛋白酶活性分別提高28.90%和30.41%,脲酶活性分別提高18.66%和20.37%,磷酸酶活性分別提高37.64%和34.57%,轉(zhuǎn)化酶活性分別提高35.11%和33.54%,過氧化氫酶活性分別提高19.82%和18.91%,而JT1處理與JT2處理間沒有顯著差異。
兩試驗(yàn)點(diǎn)比較,原陽試驗(yàn)點(diǎn)所測土壤酶活性明顯高于開封試驗(yàn)點(diǎn),土壤營養(yǎng)狀況較好。
表7 不同處理土壤酶活性(0~20 cm土層)Tab.7 Soil enzyme activity under different treatments(0—20 cm soil layer)
拔棉柴后,兩試驗(yàn)點(diǎn)JT1與JT2處理0~20 cm和20~40 cm土層的土壤養(yǎng)分含量明顯高于CK(表8),其中原陽試驗(yàn)點(diǎn)測定土壤有機(jī)質(zhì)含量比CK顯著提高31%以上,土壤全氮含量比CK顯著提高15%以上,土壤速效氮含量比CK顯著提高13%以上,土壤速效磷含量比CK顯著提高17%以上,土壤速效鉀含量比CK顯著提高9%以上;開封試驗(yàn)點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量比CK顯著提高35%以上,土壤全氮含量比CK顯著提高18%以上,土壤速效氮含量比CK顯著提高17%以上,土壤速效磷含量比CK顯著提高19%以上,土壤速效鉀含量比CK顯著提高10%以上。兩試驗(yàn)點(diǎn)比較,在鹽堿地棉田間作苜蓿對(duì)土壤主要養(yǎng)分的增效作用更明顯。
表8 拔棉柴后不同處理的土壤養(yǎng)分含量Tab.8 Nutrient contents of soil under different treatments after pulling cottonwood
兩試驗(yàn)點(diǎn)間作苜蓿2個(gè)處理棉花生長發(fā)育均受到限制,鈴質(zhì)量降低,衣指和子指略有下降,單鈴不孕子增加,棉花產(chǎn)量構(gòu)成及子棉產(chǎn)量受到一定影響,其中JT1處理對(duì)棉花生長發(fā)育性狀及產(chǎn)量的影響程度明顯大于JT2處理,但JT2處理棉花生長發(fā)育性狀及產(chǎn)量與CK差異不明顯。就間作苜蓿對(duì)棉田土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性的影響看,兩試驗(yàn)點(diǎn)土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量在不同時(shí)期均較CK顯著增加,兩試驗(yàn)點(diǎn)土壤蛋白酶、脲酶、磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性均較CK顯著提高,拔棉柴后,兩處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量均較CK顯著提高,土壤營養(yǎng)狀況得到明顯改善。
土壤微生物和土壤酶既是土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者,又可以表征土壤的綜合肥力及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化進(jìn)程,是衡量土壤肥力的一個(gè)較好指標(biāo)[14],而土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性密切相關(guān),土壤酶在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中起著非常重要的作用,它催化土壤中的一切生物化學(xué)反應(yīng),土壤酶活性的大小可敏感地反映土壤中生化反應(yīng)的方向和強(qiáng)度,與土壤營養(yǎng)狀況具有明顯的相關(guān)性,其活性大小是土壤肥力高低的重要標(biāo)志[12,15]。早期研究表明,土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶和過氧化氫酶與土壤中腐殖質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀、全磷含量以及陽離子交換能力呈明顯正相關(guān)[12,15-16]。早在1972年就有外國學(xué)者建議,將土壤磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、脲酶和過氧化氫酶等土壤酶活性的測定結(jié)果作為評(píng)價(jià)和表征土壤肥力的指標(biāo)[12],這一結(jié)果也得到了我國學(xué)者進(jìn)一步研究的證明及認(rèn)同[14,16-17],而且,這與本研究棉田間作紫花苜蓿處理土壤酶活性提高從而土壤養(yǎng)分含量提高的結(jié)果一致。
另有研究結(jié)果表明,不同作物茬口和不同種植制度的農(nóng)田土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量、微生物數(shù)量和酶活性存在顯著差異[18-23],土壤養(yǎng)分含量尤其是有機(jī)質(zhì)含量是土壤微生物的C源和N源,而土壤微生物的種類和數(shù)量又在某種程度上決定土壤酶的來源[19]。作物對(duì)土壤酶的活性及土壤微生物的影響,一是在根系代謝過程中通過根系分泌胞外酶及在作物殘?bào)w分解時(shí)釋出胞外酶;二是通過根際效應(yīng)作用于土壤微生物區(qū)系,根際效應(yīng)對(duì)土壤微生物的影響是由作物與根際微生物間相互作用產(chǎn)生的:一方面,活的作物根系在生長發(fā)育過程中分泌的有機(jī)酸及簡單糖類等根系分泌物刺激土壤微生物并提高了它們的酶活性,而死的根茬在礦化分解過程中釋放的各種無機(jī)鹽類也會(huì)影響土壤酶活性[24];另一方面,微生物的代謝產(chǎn)物也刺激了作物根系的生長及其代謝活性。不同作物的根際效應(yīng)、作物根系活動(dòng)、根茬殘留以及莖葉凋落物對(duì)土壤酶活性和微生物的影響不同。研究表明,豆科牧草茬口的土壤酶活性較高,微生物數(shù)量多,綜合肥力性狀較好[19],此外,豆科作物比禾本科作物具有較高的根際土壤酶活性和微生物數(shù)量[12],這是因?yàn)槎箍谱魑锞哂休^大的根量,其根系分泌物含有較多的有機(jī)物質(zhì),其次,它留下了更多的富含氮素的有機(jī)殘?bào)w,在土壤中分解后使土壤含有更多的氮素和其他有機(jī)化合物,并促進(jìn)了土壤生物活性提高,對(duì)提高土壤肥力產(chǎn)生積極的影響,進(jìn)而改善土壤的結(jié)構(gòu)組成,增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu),增進(jìn)土壤水分的儲(chǔ)蓄和保持,建立良好的養(yǎng)分狀況,進(jìn)一步促進(jìn)微生物和作物根系發(fā)育,并延緩?fù)寥栏迟|(zhì)的分解過程。由此可以推論,在土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量少、肥力較低、保肥能力差的黃河沙灘地和鹽堿地,通過棉田間套種苜蓿綠肥可以有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成。團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成可以使土壤變得疏松、綿軟,保水保肥性能增強(qiáng),水、氣、熱更加協(xié)調(diào),減少土壤板結(jié),有利于保水、保肥、通氣和促進(jìn)根系發(fā)展,為作物生長提供良好的生長環(huán)境。土壤理化性狀的改善,進(jìn)一步加強(qiáng)了土壤有益微生物的活動(dòng)和土壤酶活性提高,從而更好地促使土壤有機(jī)物分解和轉(zhuǎn)化,產(chǎn)生多種營養(yǎng)物質(zhì)和刺激性物質(zhì),反過來又刺激作物的生長發(fā)育,最終達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。本試驗(yàn)在棉田間作苜蓿,棉花生長后期土壤微生物數(shù)量及土壤酶活性較CK顯著提高,土壤有機(jī)質(zhì)及主要礦質(zhì)養(yǎng)分含量較CK顯著提高,與前人研究結(jié)論一致[23]。另有研究報(bào)道,苜蓿對(duì)土壤鹽分吸收能力較強(qiáng),可有效降低土壤鹽分[25]。
綜上所述,棉田間套種綠肥可就地開辟肥源,增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤肥力,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)沙灘地和鹽堿地棉花減肥增效、綠色生態(tài)、安全環(huán)保生產(chǎn)。此外,由于棉田間套作苜蓿時(shí)間不同造成棉花產(chǎn)量顯著不同,就本試驗(yàn)看,套種時(shí)間以棉花現(xiàn)蕾后為宜。