周德平,吳淑杭,褚長(zhǎng)彬,趙 崢,王偉榮

(1 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所,上海201403;2 上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海201415;3上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種栽培研究所,上海201403)

傳統(tǒng)綠肥研究主要集中于紫云英、蠶豆等具有固氮功能的豆科作物,對(duì)十字花科類綠肥培肥改土效應(yīng)的研究則相對(duì)較少[1-3]。 隨著化學(xué)肥料的普及和大量施用,制約作物生長(zhǎng)的主要因子由氮素缺乏轉(zhuǎn)化為因化肥過量施用和土地掠奪式利用導(dǎo)致的土壤結(jié)構(gòu)改變、有機(jī)質(zhì)含量下降及病蟲害滋生等[4]。 盡管油菜不能固氮,但與豆科綠肥相比,其具有自身的明顯優(yōu)勢(shì)。 油菜具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗逆性,播期寬松,生物量大、易腐解,種植成本低,根系分泌物能溶解土壤中固定態(tài)養(yǎng)分[5-7],硫甙具一定的土壤殺蟲消毒功效[8],在改土培肥方面的優(yōu)勢(shì)逐漸顯露[9]。 在上海地區(qū)種植油菜綠肥可有效銜接晚粳稻收割茬口,種植過程中還可同時(shí)兼顧菜用和飼用,提升經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。 甘藍(lán)型油菜的胡蘿卜素、維生素A 和鈣含量豐富,高于多數(shù)冬季常用蔬菜品種[10],春節(jié)前后可作綠葉菜食用,開春后還可摘取15—20 cm 菜薹作鮮食蔬菜。 此外,油菜鮮草產(chǎn)量高,在作綠肥壓青前可割取一部分用作鮮草飼料或者與合適干基混合后青貯[11-12]。

油菜作綠肥種植,不僅適應(yīng)上海地區(qū)的“養(yǎng)田”方針,其種植過程中的菜用功能尤其貼合當(dāng)?shù)厝罕姷纳盍?xí)慣,非常具有應(yīng)用推廣價(jià)值。 本試驗(yàn)以油菜品種‘滬油17’為研究對(duì)象,探討其不同鮮草量壓青還田對(duì)后茬水稻‘清香軟粳’產(chǎn)量及稻田土壤性狀的影響情況,以明確上海地區(qū)油菜綠肥適宜還田量及其稻田土壤保育效應(yīng),以期為油菜綠肥的應(yīng)用推廣提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試油菜品種為‘滬油17’,油菜種子由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種栽培研究所提供;水稻品種為‘清香軟粳’,由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行試驗(yàn)站提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017—2018 年在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行試驗(yàn)站進(jìn)行,站內(nèi)年均氣溫16 ℃,年均降水量約1 200 mm,黏壤土質(zhì),pH 7.6,基本養(yǎng)分狀況為:有機(jī)質(zhì)30 g∕kg,堿解氮107 mg∕kg,有效磷23 mg∕kg,速效鉀92 mg∕kg。 前茬種植綠肥‘滬油17’,在盛花期時(shí)(2018 年3 月26 日)收割粉碎至長(zhǎng)度10 cm 左右。 壓青還田試驗(yàn)設(shè)4 組處理,分別為無綠肥還田(CK)、油菜7.5 t∕hm2還田量(T1)、油菜15.0 t∕hm2還田量(T2)和油菜22.5 t∕hm2還田量(T3),小區(qū)面積15 m2,每處理3 次重復(fù),隨機(jī)排列,各小區(qū)之間設(shè)置田埂并鋪設(shè)防滲膜,單排單灌。 油菜翻壓還田后耙平閑置,于插秧前兩周灌水整地,2018 年6 月1 日采用人工插秧方式種植水稻‘清香軟粳’。 水稻生育期各處理間肥料用量和施肥方式完全一致,分基肥(氮磷鉀含量為15-15-15 的BB 肥)、返青肥(尿素)和分蘗肥(氮磷鉀含量為15-15-15 的BB 肥)3 次施入,總氮磷鉀施用量分別為180 kg∕hm2、112 kg∕hm2和112 kg∕hm2,其他所有田間管理措施保持一致。 2018 年10 月30 日收割測(cè)產(chǎn)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤理化性狀

于2018 年3 月20 日(油菜收割前)取田間0—20 cm 基礎(chǔ)土樣,2018 年10 月30 日(水稻收割后)取0—20 cm 耕作層土樣,測(cè)定以下指標(biāo)[13]:pH 按水土比2.5∶1、EC 值按水土比5∶1電位法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化法(外加熱法);堿解N 含量測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法;速效P 含量測(cè)定采用0.5 mol∕L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法;速效K 含量測(cè)定采用NH4OAC 浸提-火焰光度法。

1.3.2 測(cè)產(chǎn)與考種

每小區(qū)單獨(dú)收割,稱重記錄的同時(shí)用LDS-1G 自動(dòng)水分儀測(cè)稻谷含水率,再按國(guó)家粳稻收購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)14.5%含水率折算成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。 每小區(qū)隨機(jī)選3 點(diǎn),框取1 m2調(diào)查單位面積穴數(shù),按對(duì)角線法每小區(qū)取5 穴進(jìn)行室內(nèi)穗粒結(jié)構(gòu)考種,計(jì)算水稻理論產(chǎn)量。

理論產(chǎn)量(t∕hm2) =每公頃有效穗數(shù)×每穗實(shí)粒數(shù)×千粒重(g) ×10-9×0.85

1.3.3 土壤可培養(yǎng)微生物

采用梯度稀釋平板混菌接種培養(yǎng)法測(cè)定土壤可培養(yǎng)細(xì)菌、放線菌和真菌種群數(shù)量。 所用培養(yǎng)基分別為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基和PDA 培養(yǎng)基,具體配方見文獻(xiàn)[14]。 因細(xì)菌、放線菌和真菌種群數(shù)量差異呈數(shù)量級(jí)變化,為便于分析,將所得微生物數(shù)量(單位為cfu∕g 土)記為A,取常用對(duì)數(shù)(lgA)后再作圖。

1.3.4 土壤微生物代謝活性及多樣性分析

利用Biolog-Eco 系統(tǒng)進(jìn)行土壤微生物的代謝活性和多樣性分析,計(jì)算AWCD 值(平均每孔光密度)、可利用碳源數(shù)(S)、Shannon 指數(shù)和均勻度[15-17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel 2010 軟件整理、制圖,采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行單因素方差(ANOVA)分析、Duncan 新復(fù)極差法顯著性檢驗(yàn)(P＜0.05),多樣性指數(shù)及聚類分析利用DPS 7.05 軟件的數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)和模糊聚類分析模塊完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 油菜壓青還田對(duì)后茬水稻產(chǎn)量的影響

由表1 可見,相比于無綠肥還田處理(CK),T3 和T2 處理水稻產(chǎn)量增加,其中T3 處理的理論產(chǎn)量增加達(dá)顯著水平。 小區(qū)測(cè)產(chǎn)結(jié)果顯示,T3 處理比CK 處理增產(chǎn)2.3%,T2 處理增產(chǎn)3.1%,差異均不顯著。

表1 油菜壓青還田對(duì)后茬水稻產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of rape green manure returning on the yield of succeeding rice t·hm -2

2.2 油菜壓青還田對(duì)后茬稻田土壤理化性狀的影響

由表2 可見,‘滬油17’壓青還田后茬稻田土壤pH 均有所增加,上升幅度0.2 左右;有機(jī)質(zhì)變化不明顯。 T2 處理土壤速效N、P、K 含量分別比CK 增加16.1%、55.0%和11.1%;T3 處理土壤速效N、P 含量分別比CK 增加7.5%和27.5%。

表2 油菜壓青還田對(duì)后茬稻田土壤理化性狀的影響Table 2 Effects of rape green manure returning on physicochemical properties of paddy soil

表3 油菜壓青還田量與后茬水稻產(chǎn)量及土壤理化因子間的相關(guān)性(person 相關(guān)系數(shù)r)Table 3 Correlations between the amount of rape green manure returning and the physicochemical properties of paddy soil

2.3 油菜壓青還田量與后茬水稻產(chǎn)量及土壤理化因子間相關(guān)性分析

如表3 所示,油菜壓青還田量與后茬水稻產(chǎn)量呈高度正相關(guān)(r為0.84);與土壤堿解N、速效P、有機(jī)質(zhì)含量和pH 呈中度正相關(guān)(r值分別為0.60、0.67、0.57 和0.53);與速效K 含量無明顯相關(guān)性。 此外,‘清香軟粳’產(chǎn)量與土壤速效P 含量呈顯著高度正相關(guān)(r為0.95),說明試驗(yàn)地土壤中速效P 含量是水稻‘清香軟粳’生產(chǎn)中的一個(gè)限制性養(yǎng)分因子,生產(chǎn)中應(yīng)考慮增加磷肥用量。

2.4 油菜壓青還田對(duì)稻田土壤可培養(yǎng)微生物種群數(shù)量和區(qū)系結(jié)構(gòu)的影響

土壤微生物活動(dòng)影響著土壤生物化學(xué)過程,與養(yǎng)分的組成和轉(zhuǎn)化密切相關(guān),其區(qū)系組成與植物根系生長(zhǎng)發(fā)育和土壤健康狀況密切相關(guān),進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)[18]。 由圖1 可見,‘滬油17’壓青還田后,稻田土壤可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量增加,依次為T3 ＞T1 ＞T2 ＞CK;放線菌數(shù)量減少,依次為CK ＞T3 ＞T2 ＞T1;真菌數(shù)量除T2處理降低外,其他綠肥還田處理均高于CK;可培養(yǎng)微生物總數(shù)依次為T3 ＞CK ＞T1 ＞T2 。

放線菌與真菌數(shù)量比(A∕F)、細(xì)菌與真菌數(shù)量比B∕F及分別占可培養(yǎng)微生物總數(shù)百分比(B∕T、A∕T 和F∕T)是土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)的重要特征指標(biāo)。 從圖2 可見,油菜壓青還田后茬稻田土壤細(xì)菌(B)種群比例上升,波動(dòng)范圍為65.6%—70.8%,比CK 高10.2%—15.3%;放線菌(A)種群比例下降,波動(dòng)范圍為28.2%—34.2%,比CK 減少10.1%—16.1%;真菌(F)種群比例除T2 處理降低外,其他處理均高于CK。T2 處理A∕F、B∕F 值最高,F∕T 值最低。

2.5 油菜壓青還田對(duì)稻田土壤可培養(yǎng)微生物代謝活性和生物多樣性的影響

由圖3 可見,‘滬油17’15.0 t∕hm2壓青還田處理(T2)AWCD 值在延滯期期、對(duì)數(shù)期和穩(wěn)定期始終高于其他各處理,對(duì)Biolog-Eco 板中31 種碳源的綜合代謝活性最強(qiáng),其次為T3 處理,T1 處理的碳源綜合代謝活性明顯低于無綠肥還田處理(CK)。

取Biolog-Eco 微平板培養(yǎng)137 h 代謝數(shù)據(jù)分析‘滬油17’不同還田量對(duì)稻田土壤微生物代謝功能多樣性的影響(表4),并對(duì)各處理間碳源代謝特征譜進(jìn)行聚類分析(圖4)。 結(jié)果顯示,油菜壓青還田后茬稻田土壤微生物碳源代謝多樣性均降低,其中T2 處理的Shannon 指數(shù)、均勻度指數(shù)均高于其他還田處理,與CK 相當(dāng),T3 處理的Shannon 指數(shù)、均勻度指數(shù)均最低。 T3 和T2 處理間碳源代謝特征相似度最高,在聚類上的距離最近。

表4 油菜壓青還田對(duì)稻田土壤微生物代謝多樣的影響Table4 Effectsofrapegreenmanureonmicrobial metabolicdiversityinpaddysoil

2.6 油菜壓青還田量與后茬稻田土壤微生物因子間相關(guān)性分析

由表5 可見,油菜壓青還田量與土壤細(xì)菌數(shù)量呈高度正相關(guān)(r為0.82),與可培養(yǎng)微生物總數(shù)、B∕T值呈中度正相關(guān)(r值分別為0.66 和0.58),與A∕T 呈中度負(fù)相關(guān)(r為-0.57),與真菌、放線菌數(shù)量及A∕F、B∕F、F∕T 之間無明顯相關(guān)性。

表5 油菜壓青還田量與后茬稻田土壤微生物因子間的相關(guān)性分析(person 相關(guān)系數(shù)r)Table 5 Correlation analysis between the amount of rape green manure returning and microbial factors in paddy soil

3 討論與結(jié)論

油菜在盛花期還田時(shí)磷鉀含量較高,可活化土壤難溶性磷,改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況,有利于后茬作物養(yǎng)分吸收和干物質(zhì)積累[19-20]。 本研究中,‘滬油17’適量壓青還田當(dāng)年即可提高水稻產(chǎn)量,增加稻田土壤速效N、P 含量。 在15.0—22.5 t∕hm2范圍內(nèi),還田量與后茬水稻產(chǎn)量呈高度正相關(guān),與稻田土壤堿解N和速效P 含量呈中度正相關(guān),這與王江俠等[21]、鄧力超等[22]研究結(jié)論一致。 ‘滬油17’壓青還田后茬稻田土壤速效P 含量增幅較大(19.1%—55.0%),相關(guān)性分析顯示速效P 含量與水稻產(chǎn)量呈顯著高度正相關(guān),是影響后茬‘清香軟粳’產(chǎn)量的關(guān)鍵因子之一,與何亮珍等[23]的研究結(jié)果一致。 ‘滬油17’壓青還田后茬稻田土壤pH 升高,與還田量呈中度正相關(guān),與鄧力超等[22]、劉曉霞等[24]研究結(jié)論一致。 還田當(dāng)年后茬稻田土壤有機(jī)質(zhì)無顯著變化,這與很多研究中土壤有機(jī)質(zhì)增加、容重減小的試驗(yàn)結(jié)果有差異[19-21],但劉曉霞等[24]的研究也表明綠肥翻壓還田前3 年土壤有機(jī)質(zhì)含量變化不大,油菜、紫云英及豌豆對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和容重的影響均是一個(gè)緩慢的過程。

油菜是直根系作物,與水稻輪作有利于改善土壤結(jié)構(gòu),且其植株內(nèi)含有硫苷,還田后對(duì)土壤有熏蒸消毒作用,具有殺滅病原、蟲卵、雜草的功效,利于減輕連作障礙,提高作物產(chǎn)量[20,25]。 土壤物理結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分供給狀況的改變必然會(huì)與土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)和種群數(shù)量產(chǎn)生互作,而目前有關(guān)油菜綠肥對(duì)后茬稻田土壤微生物影響的研究報(bào)道很少。 本研究中,‘滬油17’壓青還田后,稻田土壤可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量增加、種群比例上升,微生物綜合碳源代謝活性增強(qiáng),但代謝功能多樣性和均勻性降低,與王秀呈[26]的研究結(jié)果一致。相關(guān)性分析顯示,‘滬油17’壓青還田量與后茬稻田土壤細(xì)菌數(shù)量高度正相關(guān),與可培養(yǎng)微生物總數(shù)、B∕T值呈中度正相關(guān)。 ‘滬油17’15.0 t∕hm2壓青還田處理稻田土壤微生物綜合代謝活性最強(qiáng),生物多樣性較高,其土壤可培養(yǎng)微生物的A∕F、B∕F 值最高,F∕T 值最低,有利于土壤微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

綜合而言,‘滬油17’在盛花期時(shí)作為綠肥壓青還田可增加土壤養(yǎng)分供給,刺激土壤細(xì)菌種群增殖,提高土壤微生物代謝活性,促進(jìn)后茬水稻增產(chǎn),其中以15.0—22.5 t∕hm2壓青還田量的綜合效應(yīng)為佳,在上海和長(zhǎng)三角地區(qū)晚粳稻茬口銜接上具有應(yīng)用推廣優(yōu)勢(shì)。 正常生長(zhǎng)的‘滬油17’鮮草產(chǎn)量在30—60 t∕hm2,主要受播種期、播種量和田間管理措施的影響,在盛花期時(shí)以1∕2 的還田量為宜,當(dāng)長(zhǎng)勢(shì)較好的時(shí)候,可以通過還田時(shí)期來控制還田量,或者收割一部分作牛羊的飼草。