朱小梅, 洪立洲, 邢錦城, 劉 沖, 董 靜, 王建紅, 何蘇南, 孫果麗
(1.江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,江蘇鹽城224002;2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,浙江杭州310021)
江蘇沿海灘涂資源豐富,總面積約為6.87×105hm2,大概占中國灘涂總面積的1/4,且每年仍以幾米至幾十米的速率向東淤漲,最大淤進(jìn)速率可達(dá)200 m/a[1]。隨著江蘇沿海開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,新圍墾灘涂鹽堿地的開發(fā)利用潛力越發(fā)受到重視。但由于灘涂土壤鹽分含量較高,其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)的長(zhǎng)期性和反復(fù)性導(dǎo)致農(nóng)作物生長(zhǎng)受阻、產(chǎn)量降低,這與灘涂土壤物理結(jié)構(gòu)差、有機(jī)質(zhì)含量低、養(yǎng)分供應(yīng)不足等也密切相關(guān)。在自然進(jìn)化條件下,灘涂鹽堿地土壤有機(jī)質(zhì)積累十分緩慢,而大量投入外源有機(jī)物則又存在著重金屬、激素、抗生素累積過量等問題。
綠肥具有培肥地力、改善土壤結(jié)構(gòu)、供給作物養(yǎng)分等作用,在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中具有重要地位。有研究結(jié)果表明,田菁、黑麥草等綠肥均具有較強(qiáng)的耐旱、耐鹽、耐瘠能力,在灘涂鹽堿地種植可獲得較高的生物量[2-3]。很多學(xué)者在綠肥種植與利用模式、綠肥對(duì)化肥的替代作用、綠肥對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分的影響等領(lǐng)域開展了大量研究[4-5],但關(guān)于長(zhǎng)期綠肥輪作還田對(duì)灘涂鹽堿土的生物改良及鹽漬化修復(fù)方面的系統(tǒng)研究還不多。本研究擬以新圍墾灘涂鹽堿地為長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn),探索黑麥草-田菁、蠶豆-田菁2種綠肥輪作模式下,連續(xù)種植并翻壓綠肥對(duì)土壤養(yǎng)分及鹽分含量的影響,以期為綠肥在灘涂鹽堿土生態(tài)改良應(yīng)用方面提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參數(shù)。
定位試驗(yàn)點(diǎn)位于江蘇省東臺(tái)市弶港鎮(zhèn)條子泥墾區(qū)(32°51′6″N,120°53′31″E),該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年均氣溫13~16 ℃,年均降雨量900~1 300 mm。土壤類型為濱海鹽潮土,基本性狀見表1。
表1 供試土壤基本性狀
試驗(yàn)設(shè)蠶豆-田菁(VS)、黑麥草-田菁(LS) 2種綠肥輪作模式。每種模式設(shè)6次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,每個(gè)小區(qū)面積24 m2。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果,蠶豆、田菁施氮量均為180 kg/hm2,黑麥草施氮量為225 kg/hm2,磷肥施用量均為90 kg/hm2P2O5,鉀肥施用量均為75 kg/hm2K2O。磷、鉀肥全部作為基肥于當(dāng)季施入,氮肥按基肥50%、追肥50%的比例施入。試驗(yàn)始于2017年10月,本研究共采集整理5季數(shù)據(jù),VS輪作模式下第1季到第5季對(duì)應(yīng)的綠肥植物為:蠶豆-田菁-蠶豆-田菁-蠶豆;LS輪作模式下第1季到第5季對(duì)應(yīng)的綠肥植物為:黑麥草-田菁-黑麥草-田菁-黑麥草。蠶豆和黑麥草的播期為每年10月中旬,翻壓期為翌年5月上中旬;田菁的播期為每年6月上旬,翻壓期為每年8月下旬。綠肥翻壓前測(cè)產(chǎn),并采集植株樣品用于養(yǎng)分含量的測(cè)定。土壤樣品采集時(shí)間為每季綠肥翻壓還田25 d后,取樣深度為20 cm。
綠肥植株樣品經(jīng)105 ℃殺青、75 ℃烘干后,分別采用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度法、K2Cr2O7容量法測(cè)定其全氮、全磷、全鉀、有機(jī)碳含量[6]。土壤樣品風(fēng)干后,分別采用電位法、凱氏定氮法、K2Cr2O7容量法、殘?jiān)娓?質(zhì)量法、堿解擴(kuò)散法、Olsen法、NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定其pH值、全氮含量、有機(jī)碳含量、水溶性鹽總量、堿解氮含量、有效磷含量和速效鉀含量[6]。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2013和SPSS 26.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
圖1顯示,VS輪作模式下,蠶豆秸稈生物量以第3季最高,為32.4 t/hm2,第1季、第5季生物量均低于30.0 t/hm2,且第5季生物量低于第1季和第3季。LS輪作模式下,第1季、第3季、第5季黑麥草生物量整體呈逐年遞增趨勢(shì),第5季黑麥草生物量達(dá)76.6 t/hm2,各黑麥草種植季間生物量差異顯著。VS和LS輪作模式下,第2季、第4季田菁生物量均高于35.0 t/hm2,且前茬蠶豆或黑麥草翻壓量與下茬田菁的生物量呈正相關(guān)。LS輪作模式下,5季綠肥還田總生物量為231.6 t/hm2,較VS輪作模式下的168.4 t/hm2高37.5%。
同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖1 不同輪作模式下不同種植季綠肥生物量Fig.1 Biomass of green manure in different planting seasons under different rotation patterns
表2顯示,2種輪作模式下,第2季與第4季田菁翻壓還田的磷、鉀量無顯著差異,碳、氮量差異顯著。VS輪作模式下,第5季蠶豆秸稈還田碳、氮量顯著高于第1季和第3季,磷、鉀量則表現(xiàn)為第3季和第5季顯著高于第1季。LS輪作模式下,各種植季黑麥草還田的碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分量均呈逐年遞增趨勢(shì),第3季、第5季的碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分量與第1季相比,分別增加57.6%~145.7%、101.0%~155.2%、91.0%~160.2%和56.3%~129.7%。LS輪作模式下還田的碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分總量均明顯高于VS輪作模式。
2.3.1 pH 圖2顯示,1~5季綠肥翻壓還田后,土壤pH值為8.02~8.26,較種植前的8.01有所升高,且均以第4季田菁翻壓還田后的土壤pH值最高,LS輪作模式下第2季田菁還田后土壤pH值及VS輪作模式下第5季蠶豆秸稈還田后土壤pH值較低,與種植前基本相當(dāng)。
表2 不同輪作模式下綠肥養(yǎng)分累積量
同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤pH變化Fig.2 Changes of soil pH in different planting seasons under different green manure rotation patterns
2.3.2 有機(jī)碳含量 圖3顯示,VS、LS輪作模式下,土壤有機(jī)碳含量均整體呈逐季增加趨勢(shì),與種植前相比,增幅分別為17.7%~90.9%(VS)和34.3%~99.6%(LS),第5季土壤有機(jī)碳含量分別為6.64 g/kg(VS)和6.95 g/kg(LS),是種植前的近2倍。整體上,LS輪作模式下每季的土壤有機(jī)碳含量高于VS輪作模式。
同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤有機(jī)碳含量變化Fig.3 Changes of soil organic carbon content in different planting seasons under different green manure rotation patterns
2.3.3 全氮含量 圖4顯示,與種植前相比,種植并翻壓綠肥可明顯提升土壤中全氮含量,增幅為6.90%~100.00%,其中以第2季土壤中全氮含量最高,2種輪作模式下的土壤全氮含量分別為0.54 g/kg(VS)和0.58 g/kg(LS),第3季稍有回落后又逐步上升,第5季土壤中全氮的含量分別為0.50 g/kg(VS)和0.58 g/kg(LS),LS輪作模式效果優(yōu)于VS輪作模式。
同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖4 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤全氮含量變化Fig.4 Changes of soil total nitrogen content in different planting seasons under different green manure rotation patterns
2.3.4 堿解氮含量 圖5顯示,除VS輪作模式下第1季土壤堿解氮含量外,2種輪作模式下第1~5季的土壤堿解氮含量總體呈緩慢增加趨勢(shì),較種植前增加53.6%~158.0%,且均以第5季的土壤堿解氮含量最高,分別為59.5 mg/kg(VS)和64.5 mg/kg(LS)。
同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖5 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤堿解氮含量變化Fig.5 Changes of soil alkali-hydrolyzed nitrogen content in different planting seasons under different green manure rotation patterns
2.3.5 有效磷含量 圖6顯示,2種輪作模式下,土壤有效磷含量較種植前增加1.39%~71.26%,其中,第1~3季土壤有效磷含量與種植前相比無顯著差異,第4季、第5季土壤有效磷含量則顯著提高,均達(dá)到20 mg/kg以上,且1~5季均以LS輪作模式下的土壤有效磷含量較高,這與綠肥根系對(duì)土壤磷的活化及綠肥生物量的逐季提升有密切關(guān)系。
同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖6 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤有效磷含量變化Fig.6 Changes of soil available phosphorus content in different planting seasons under different green manure rotation patterns
2.3.6 速效鉀含量 圖7顯示,VS輪作模式下,除第2季土壤速效鉀含量較種植前略有增高外,其他4個(gè)種植季的土壤速效鉀含量(364~408 mg/kg)均低于種植前,但仍高于全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的極高標(biāo)準(zhǔn)(≥200 mg/kg)。LS輪作模式下,除第4季速效鉀含量略低于種植前外,其他4個(gè)種植季的速效鉀含量較種植前分別增加9.38%~58.35%。
不同小寫字母表示同一種植模式不同種植季間差異顯著(P<0.05)。圖7 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤速效鉀含量變化Fig.7 Changes of soil available potassium content in different planting seasons under different green manure rotation patterns
2.3.7 水溶性鹽總量 圖8顯示,整體上以LS輪作模式對(duì)灘涂鹽堿土的降鹽效果較好。與種植前相比,綠肥翻壓還田第1~3季土壤水溶性鹽總量顯著降低,表現(xiàn)為第1季>第2季>第3季,且2種輪作模式下第3季的土壤水溶性鹽總量分別下降到0.83 g/kg(VS)和0.77 g/kg(LS),而第4季、第5季的水溶性鹽總量則有所增加,范圍為1.15~1.50 g/kg,上升至輕度鹽化土范疇[6],且以VS輪作模式下土壤水溶性鹽總量較高。
表3顯示,綠肥生物量與綠肥碳、氮、磷、鉀累積量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤有機(jī)碳含量、全氮含量與綠肥碳、氮、磷、鉀累積量之間總體呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤有效磷、速效鉀、堿解氮含量與綠肥生物量以及碳、氮、磷、鉀累積量間也存在一定的正相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)系數(shù)稍低。土壤水溶性鹽總量與大部分指標(biāo)間均呈負(fù)相關(guān),間接說明了綠肥還田可降低灘涂鹽堿土水溶性鹽總量。
同一種植模式不同種植季間不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖8 不同綠肥輪作模式下不同種植季土壤水溶性鹽總量變化Fig.8 Changes of soil water-soluble salt content in different planting seasons under different green manure rotation patterns
表3 綠肥生物量、養(yǎng)分累積量與土壤基本性狀指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)
前人的研究結(jié)果表明,禾本科、豆科綠肥分別在抽穗初期和盛花期翻壓還田對(duì)土壤的改良效應(yīng)最優(yōu)[2-5]。曾妮等[7]對(duì)黑麥草等綠肥的研究結(jié)果表明,以68.0 t/hm2的黑麥草還田,其可提供的氮、磷養(yǎng)分含量分別為230.0 kg/hm2和30.0 kg/hm2。本研究中,LS輪作模式下,第5季黑麥草的氮、磷養(yǎng)分還田量分別為187.3 kg/hm2和22.9 kg/hm2,這可能與不同試驗(yàn)條件及其翻壓時(shí)期有關(guān)。本研究為兼顧蠶豆的經(jīng)濟(jì)效益,其秸稈是收獲豆莢后再翻壓,生物量低于劉陽等[8]在盛花期翻壓的蠶豆秸稈,蠶豆秸稈還田的養(yǎng)分量總體低于田菁和黑麥草。
pH是重要的土壤理化指標(biāo)之一,對(duì)土壤中元素存在形態(tài)、微生物繁殖及植物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程都有很大影響[9-15]。綠肥還田腐解后會(huì)產(chǎn)生大量腐殖酸,短期內(nèi)土壤pH值會(huì)呈下降趨勢(shì)[16-17]。有研究發(fā)現(xiàn),綠肥還田后20 d,土壤pH值高于不還田處理,20~100 d呈現(xiàn)或增或降的動(dòng)態(tài)變化[18]。鄧小華等[19]也發(fā)現(xiàn)不同綠肥翻壓還田3年后土壤pH無規(guī)律性變化。在本研究中,不同輪作模式下,各季綠肥還田后的土壤pH值或與種植前持平或略有增高。筆者認(rèn)為:綠肥的種植和翻壓增加了土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量,土壤對(duì)綠肥分解后小分子的有機(jī)酸及自身含有的碳酸鹽等鹽基離子引起的pH值變化有了較大的緩沖能力,使pH趨于平衡、穩(wěn)定,而非單純的上升或下降。另外,每季綠肥翻壓量的不同及翻壓后的降水、氣溫等環(huán)境因素變化也會(huì)影響綠肥的腐解速率以及與之密切相關(guān)的土壤pH。
種植綠肥并翻壓還田有助于提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量,調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分平衡[20-22]。有研究發(fā)現(xiàn),連續(xù)5年平均每年翻壓綠肥22.5~30.0 t/hm2,土壤有機(jī)碳增加0.1%~0.2%[23]。本研究連續(xù)5個(gè)種植季,每季翻壓綠肥27.6~76.6 t/hm2,第5季綠肥翻壓后土壤有機(jī)碳含量為種植前的近2倍,與前人的研究結(jié)果差異較大,這可能與每季綠肥的翻壓量較高及灘涂鹽堿土本身有機(jī)碳基數(shù)較低,綠肥翻壓還田更易被消解與吸納,從而促進(jìn)土壤有機(jī)碳含量的大幅提升有關(guān)。
在本研究中,VS、LS輪作模式下,每季綠肥翻壓后的土壤全氮、堿解氮、有效磷含量均較種植前明顯提高,這與前人的研究結(jié)果基本一致[18-19,24-25]。大量研究結(jié)果表明,綠肥還田可顯著提升土壤中速效鉀含量[18,25-26],連續(xù)種植翻壓綠肥3年后的土壤速效鉀含量可比翻壓前增加300 mg/kg以上[19]。本研究結(jié)果與之有所不同,LS輪作模式下,綠肥還田后土壤速效鉀含量總體高于種植前,而VS輪作模式下土壤速效鉀含量總體低于種植前。究其原因:一是相對(duì)于蠶豆而言,黑麥草有一定的耐鹽能力[27],在灘涂鹽堿地適應(yīng)性較強(qiáng),生物量較高,根系也較發(fā)達(dá),可活化吸收土壤中部分難溶性的鉀,翻壓還田后使0~20 cm土層中速效鉀含量高于蠶豆處理;二是植株中的鉀主要以離子或無機(jī)鹽形態(tài)存在,極易分解釋放,禾本科綠肥在翻壓后30 d內(nèi),豆科綠肥在翻壓后14 d內(nèi)就可釋放其鉀總量的70%以上[28],本研究土壤樣品的采集時(shí)間為綠肥翻壓后25 d,在此期間VS輪作模式下豆科綠肥釋放的養(yǎng)分較集中,更易由于降水等因素產(chǎn)生淋溶損失,且盡管土壤膠體可以通過離子交換、靜電吸附等形式固定一部分鉀,但依然存在鉀離子的流失,因此,VS輪作模式下土壤速效鉀含量會(huì)出現(xiàn)低于種植前的情況。
綜上所述,種植并翻壓綠肥可有效改善土壤養(yǎng)分狀況,降低土壤鹽含量[29-31],本研究側(cè)重于比較綠肥種植前與各綠肥種植季之間灘涂土壤基本性狀的變化,未做與不種植綠肥灘涂土壤之間的比較,今后將在這方面開展進(jìn)一步的研究。
蠶豆、田菁、黑麥草3種綠肥在沿海灘涂均具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,其中以黑麥草的種植效果最好,生物量呈逐年增加趨勢(shì),第5季生物量達(dá)76.6 t/hm2。2種輪作模式下,每季田菁生物量相差不大。LS輪作模式下5季綠肥碳、氮、磷、鉀養(yǎng)分累積總量和還田總生物量較VS輪作模式分別增加27.8%、9.8%、33.6%、27.1%和37.5%。
LS、VS輪作模式下,1~5季綠肥翻壓后土壤pH值為8.02~8.26,較種植前的8.01有所升高。土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷含量分別較種植前增加17.7%~99.6%、6.90%~100.00%、53.6%~158.0%和1.39%~71.26%,且均以LS輪作模式下效果較優(yōu),而速效鉀含量也僅在LS輪作模式下明顯增加。2種輪作模式下,土壤水溶性鹽總量在前3季逐漸下降至1 g/kg以下,后2季又呈上升態(tài)勢(shì)。可見,LS輪作模式下種植綠肥并翻壓還田可有效改善沿海灘涂土壤養(yǎng)分與鹽分狀況,提升灘涂土壤質(zhì)量。