張國(guó)偉, 王曉婧, 楊長(zhǎng)琴, 束紅梅, 劉瑞顯

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所/農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江下游棉花與油菜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210014)

大豆(Glycine max)是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,也是我國(guó)進(jìn)口量最大的農(nóng)產(chǎn)品, 對(duì)外依存度高達(dá)85%。隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的升級(jí), 中國(guó)大豆進(jìn)口成本逐年上升, 為了振興大豆產(chǎn)業(yè), 亟需提高大豆單產(chǎn)水平,改善大豆品質(zhì)。輪作是一種用養(yǎng)結(jié)合的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展種植模式, 目前長(zhǎng)江流域和黃淮海流域夏大豆區(qū)主要以冬小麥(Triticum aestivum)-大豆輪作為主,但在徐淮地區(qū)大蒜(Allium sativum)-大豆輪作的面積穩(wěn)步增長(zhǎng); 而芥菜型油菜(Brassica juncea)秸稈在還田后腐解產(chǎn)生的化感物質(zhì)具有顯著的抑制病菌菌絲發(fā)展的作用, 近年來, 芥菜型油菜-大豆輪作的面積也逐年增加。因此, 研究不同輪作模式對(duì)大豆產(chǎn)量形成的影響對(duì)于提高大豆產(chǎn)量, 保持大豆產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

秸稈作為能直接利用的可再生資源, 粉碎后還田可以改善土壤理化性質(zhì), 補(bǔ)充土壤養(yǎng)分[1-4], 但也有研究[5-7]表明秸稈還田對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響有“先抑后揚(yáng)”的趨勢(shì): 一方面, 還田秸稈在腐解過程中與土壤微生物爭(zhēng)氮, 進(jìn)而影響植株生長(zhǎng)[8-9]; 另一方面,作物秸稈還田后可以向土壤中釋放對(duì)羥基苯甲酸、間苯三酚等化感物質(zhì), 進(jìn)而抑制下茬作物幼苗生長(zhǎng)[10-11]。生物量和氮素累積是產(chǎn)量和品質(zhì)形成的基礎(chǔ), 在大豆的輪作模式中, 前人的研究[12-13]主要集中在小麥和大豆輪作, 但是關(guān)于大蒜-大豆和芥菜型油菜-大豆輪作的研究尚少見報(bào)道。此外, 由于還田秸稈碳氮比較高, 還田后分解過程中往往與作物發(fā)生爭(zhēng)氮現(xiàn)象, 進(jìn)而影響植株生長(zhǎng), 而增施氮肥可以有效緩解秸稈腐解過程中與作物爭(zhēng)氮的狀況[14], 保證作物高產(chǎn)，但在大豆輪作體系中的研究尚少見報(bào)道。本研究通過定位試驗(yàn), 以長(zhǎng)江流域和黃淮海流域夏大豆區(qū)存在的“小麥-大豆” “大蒜-大豆” “芥菜-大豆”和“冬閑-大豆” 4種輪作模式為研究對(duì)象, 分析前茬作物秸稈還田下輪作模式和施肥對(duì)大豆產(chǎn)量形成的影響, 旨在為多元化輪作模式下大豆增產(chǎn)增效提供理論基礎(chǔ), 也為不同輪作模式下秸稈還田技術(shù)實(shí)施和推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018?2020年在位于江蘇省南京市的江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豆試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)開始前夏季休閑, 未種植其他作物, 0～20 cm土壤pH值為6.20, 容重為1.42 g?cm?3, 含有機(jī)質(zhì)11.9 g?kg?1、全氮0.92 g?kg?1、速效磷35.8 mg?kg?1、速效鉀134 mg?kg?1。

采用裂區(qū)設(shè)置進(jìn)行兩熟制年內(nèi)輪作定位試驗(yàn),以前茬作物秸稈還田下不同輪作模式為主區(qū), 設(shè)置小麥、大蒜、芥菜綠肥和空白(冬閑) 4個(gè)輪作模式;肥料施用水平為副區(qū), 設(shè)置大豆季不施肥和施三元復(fù)合肥(15∶15∶15) 225 kg?hm?22個(gè)施肥水平。肥料一次性基施。大豆的前茬作物收獲后秸稈粉碎還田, 大豆收獲后秸稈不還田。根據(jù)當(dāng)?shù)靥镩g種植情況, 小麥、大蒜、芥菜綠肥生長(zhǎng)季施肥量分別為三元復(fù)合肥(15∶15∶15) 300 kg?hm?2、600 kg?hm?2和120 kg?hm?2, 冬閑田不施肥。大豆生長(zhǎng)季前茬作物秸稈還田量和秸稈氮輸入量如表1所示。以江蘇省大面積種植的夏播大豆品種‘蘇豆13’為材料, 行距40 cm,株距11.8 cm, 折合密度2.12×105株?hm?2, 每穴1粒,小區(qū)面積28 m2, 3次重復(fù)。2019年和2020年大豆分別于6月17日和14日播種。

表1 大豆生長(zhǎng)季前茬作物秸稈還田量和秸稈氮輸入量Table 1 Straw and nitrogen amounts of returned straws of crops before soybean growing season kg?hm?2

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

植株形態(tài)指標(biāo)、產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成測(cè)定: 于R1期每小區(qū)連續(xù)標(biāo)記30株, 每小區(qū)標(biāo)記3個(gè)點(diǎn), 撿拾標(biāo)記植株脫落葉片, 并于大豆收獲時(shí)每小區(qū)取連續(xù)20株考種, 調(diào)查株高、底莢高度、分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重等, 計(jì)算產(chǎn)量。統(tǒng)計(jì)實(shí)收密度并參照王建生等[15]的方法調(diào)查發(fā)病級(jí)1級(jí)及以上植株數(shù)量, 計(jì)算枯萎病發(fā)病率。

土壤物理性狀和養(yǎng)分含量測(cè)定: 分別于V2期和R8期用環(huán)刀法測(cè)定0～30 cm土壤容重, 每5 cm分層取樣, 測(cè)定各土層容重后, 計(jì)算平均值獲得。并用取土器取0～30 cm土層土壤, 去雜, 過篩, 參照鮑士旦[16]方法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效氮含量。

生物量與養(yǎng)分累積分配測(cè)定: 收獲時(shí)每小區(qū)取植株3株, 按生殖器官和營(yíng)養(yǎng)器官分開, 105 ℃殺青30 min后, 80 ℃烘至恒重, 稱生物量。樣品粉碎后用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量[16], 再根據(jù)各器官干物質(zhì)重計(jì)算氮累積量。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

采用Microsoft Excel軟件處理數(shù)據(jù)和作圖, 用SPSS 11.0軟件分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 前茬秸稈還田下輪作模式和施肥對(duì)大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

分析表2可知, 前茬作物秸稈還田輪作模式和施肥對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成影響顯著, 其中大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式下單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重、實(shí)際收獲密度和產(chǎn)量均較高, 冬閑-大豆輪作模式次之, 小麥-大豆輪作模式最低。與不施肥相比, 施肥使大蒜-大豆、芥菜-大豆和小麥-大豆輪作模式下大豆產(chǎn)量顯著(P<0.05)提高13.01%、7.97%、15.00%(2019年)和9.21%、14.02%、15.91% (2020年), 表明施肥可以顯著增加大豆產(chǎn)量。不同輪作模式下, 施肥處理大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式下產(chǎn)量分別較冬閑-大豆輪作模式顯著(P<0.05)增加10.30%和7.09% (2019年)、4.40%和5.66% (2020年)。

表2 前茬作物秸稈還田下輪作模式和施肥對(duì)大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響Table 2 Effects of rotation pattern and fertilization application on soybean yield and yield components with straw returning of preceding crop

2.2 前茬秸稈還田下輪作模式和施肥對(duì)大豆形態(tài)指標(biāo)和病株率的影響

分析表3可知, 前茬作物秸稈還田下輪作模式和施肥及其互作效應(yīng)對(duì)大豆株高、莖粗、底莢高度、分枝數(shù)和病株率影響均顯著(P<0.05)。大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式下株高、莖粗、底莢高度和分枝數(shù)較高, 冬閑-大豆模式次之, 小麥-大豆輪作模式最低; 病株率呈相反趨勢(shì)。施肥顯著增加株高、莖粗、底莢高度和分枝數(shù), 降低病株率。以2020年為例, 施肥處理下, 與冬閑-大豆模式相比, 大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式下株高、莖粗、底莢高度和分枝數(shù)分別增加6.39%和7.76% (P<0.05)、6.49%和5.31% (P<0.05)、6.36%和8.91% (P<0.05)、2.63%和2.63%, 病株率則降低86.84%和89.47% (P<0.05), 而小麥-大豆輪作模式下株高、莖粗、底莢高度和分枝數(shù)分別降低2.99% (P<0.05)、8.12% (P<0.05)、1.27%和5.26%,而病株率則增加50.00% (P<0.05)。

表3 前茬作物秸稈還田下輪作模式和施肥對(duì)大豆形態(tài)指標(biāo)和病株率的影響Table 3 Effects of rotation pattern and fertilization application on plant morphological and diseased plant rate of soybean with straw returning of preceding crop

2.3 前茬秸稈還田下輪作模式和施肥對(duì)生物量累積分配的影響

分析表4可知, 前茬作物秸稈還田下種植模式和施肥及其互作對(duì)大豆生物量累積分配影響顯著(P<0.05), 不同輪作模式下, 大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式下總干重和籽粒干重較高, 冬閑-大豆模式次之, 小麥-大豆模式下最低。而收獲指數(shù)在小麥-大豆輪作模式下最高, 大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式下次之, 冬閑-大豆模式下最低。施肥顯著提高了總干重和籽粒干重(P<0.05), 但是降低了生物量收獲指數(shù)。兩年數(shù)據(jù)表明, 在大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式中施肥處理下總干重和籽粒干重最高, 收獲指數(shù)相對(duì)較高, 利于高產(chǎn)形成。

2.4 前茬秸稈還田下輪作模式和施肥對(duì)氮素累積分配的影響

由于在2019年試驗(yàn)時(shí)主要關(guān)注了產(chǎn)量效應(yīng), 在發(fā)現(xiàn)處理間產(chǎn)量差異較大后, 于2020年試驗(yàn)測(cè)定了氮累積與分配。如表5所示, 前茬作物秸稈還田下種植模式和施肥及其互作對(duì)大豆總氮累積量、籽粒氮累積量、氮素收獲指數(shù)和氮素生產(chǎn)效率影響顯著(P<0.05)。大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式下總氮累積量和籽粒氮累積量較高, 冬閑-大豆模式次之, 小麥-大豆輪作模式下最低。而收獲指數(shù)和氮素生產(chǎn)效率則表現(xiàn)為小麥-大豆輪作模式顯著高于其他3種模式(P<0.05)。施肥顯著增加總氮累積量和籽粒氮累積量(P<0.05), 卻降低氮素收獲指數(shù)和氮素生產(chǎn)效率(P<0.05)。不同處理下, 在大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式中, 施肥處理下總氮累積量和籽粒氮累積量最高, 收獲指數(shù)適中, 利于高產(chǎn)形成。盡管小麥-大豆輪作模式下收獲指數(shù)和氮素生產(chǎn)效率最高, 但是總氮累積量和籽粒氮累積量最低, 不利于產(chǎn)量形成。

表5 前茬作物秸稈還田下輪作模式和施肥對(duì)氮素累積分配的影響Table 5 Effects of rotation pattern and fertilization application on nitrogen accumulation and allocation of soybean with straw returning of preceding crop

2.5 前茬秸稈還田下輪作模式和施肥對(duì)土壤容重和有機(jī)質(zhì)含量的影響

分析表6可知, 大豆V2期土壤容重和有機(jī)質(zhì)均低于R8期。輪作模式對(duì)土壤容重和有機(jī)質(zhì)含量影響達(dá)顯著水平(P<0.05)。小麥-大豆輪作模式下土壤容重最低, 大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式次之, 冬閑-大豆模式最高, 而有機(jī)質(zhì)含量則呈相反趨勢(shì)。施肥對(duì)土壤容重和有機(jī)質(zhì)含量的影響均未達(dá)顯著水平。

表6 前茬作物秸稈還田下輪作模式和施肥對(duì)土壤容重和有機(jī)質(zhì)含量的影響Table 6 Effects of rotation pattern and fertilization application on soil bulk density and organic matter content with straw returning of preceding crop

2.6 前茬秸稈還田下輪作模式和施肥對(duì)土壤全氮和速效氮含量的影響

分析表7可知, V2期田間土壤全氮和速效氮含量均低于R8期, 輪作模式和施肥對(duì)V2和R8期土壤全氮和速效氮影響達(dá)顯著水平(P<0.05)。大蒜-大豆、芥菜-大豆和小麥-大豆輪作模式下土壤全氮含量顯著高于冬閑-大豆模式(P<0.05), 施肥提高了不同輪作模式下土壤全氮含量。秸稈還田顯著降低了土壤速效氮含量, 施肥卻顯著提高了速效氮含量(P<0.05)。

表7 不同輪作模式下秸稈還田和施肥對(duì)土壤全氮和速效氮含量的影響Table 7 Effects of rotation pattern and fertilization application on soil total nitrogen and available nitrogen contents with straw returning of preceding crop

3 討論

作物秸稈中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)元素, 但秸稈在腐解時(shí)也會(huì)向土壤中釋放化感物質(zhì), 進(jìn)而影響作物出苗。本研究中, 大蒜、芥菜和小麥秸稈的還田量和向土壤中的養(yǎng)分輸入量均為小麥>芥菜>大蒜, 大量的小麥秸稈集中還田造成土壤孔隙度增加, 失墑?shì)^快, 影響種子發(fā)芽出苗, 尚未腐解的秸稈阻礙根系伸長(zhǎng), 導(dǎo)致根系無法接觸到土壤[17], 同時(shí), 秸稈釋放的化感物質(zhì)也顯著降低幼苗出苗率[18], 導(dǎo)致最終收獲密度降低, 這與本研究中小麥秸稈還田后大豆收獲密度最低的結(jié)果一致; 而大蒜和芥菜型油菜秸稈還田量?jī)H為麥秸還田量的35%～50%, 因此未影響出苗率(2020年)。此外, 本研究中小麥秸稈還田增加了大豆病株率, 這可能與2019和2020年度長(zhǎng)江流域小麥病蟲害發(fā)生相對(duì)較重, 小麥秸稈攜帶大量病菌或蟲卵進(jìn)入土壤有關(guān); 大蒜和芥菜型油菜秸稈還田顯著降低大田病株率, 可能與大蒜和芥菜型油菜秸稈在腐解過程中釋放出的化感物質(zhì)具有抑制菌絲生長(zhǎng)和消滅線蟲的作用有關(guān)[19-20]。

已有研究表明, 秸稈還田對(duì)作物植株生長(zhǎng)具有重要的調(diào)控效應(yīng)。本研究中大蒜和芥菜還田處理下大豆株高、莖粗、分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重和最終產(chǎn)量均最高, 最終產(chǎn)量較冬閑-大豆模式增加4.40%～10.30%和5.66%～7.09% (施肥處理)、4.88%～8.23%和2.19～8.78% (不施肥)。這與林鄲等[21]在“大葉芥菜(Brassica junceavar.foliosa)-水稻(Oryza sativa)”輪作模式和Yang等[22]在“大蒜-西瓜(Citrullus lanatus)”輪作模式中的研究結(jié)果一致。王幸等[23]在江蘇徐州的研究認(rèn)為小麥秸稈還田下可以提高大豆產(chǎn)量, 王秋菊等[24]在黑龍江黑河地區(qū)的研究則表明小麥秸稈還田對(duì)大豆產(chǎn)量影響不顯著, 而本研究試驗(yàn)表明小麥秸稈還田降低了大豆產(chǎn)量, 這可能與徐州屬于溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候, 黑河屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 而南京屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候有關(guān)。本試驗(yàn)中的大豆生育前期處于梅雨季節(jié), 多雨低溫寡照, 麥秸中化感物質(zhì)在雨水浸泡中充分釋放, 影響大豆生長(zhǎng)。而大蒜和芥菜秸稈還田量少, 化感物質(zhì)相對(duì)較低, 同時(shí)還可以誘導(dǎo)真菌的豐富度和多樣性,促進(jìn)作物生長(zhǎng)[25]。

與冬閑-大豆模式相比, 秸稈還田降低了土壤容重和速效氮含量, 提高了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量, 小麥-大豆輪作模式下容重最低, 大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式下次之, 冬閑-大豆模式最高, 而有機(jī)質(zhì)和全氮含量則呈相反趨勢(shì), 這與秸稈還田量和秸稈養(yǎng)分輸入量一致, 也與林鄲等[21]研究結(jié)果一致。此外,秸稈還田顯著降低了土壤速效氮含量, 其原因可能是秸稈碳氮比較高, 還田后分解過程中微生物大量增殖消耗土壤中速效氮含量[13]。

作物產(chǎn)量形成以生物量和養(yǎng)分吸收為基礎(chǔ)。本研究中大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式下總生物量和籽粒生物量、總氮累積量和籽粒氮累積量最高,利于產(chǎn)量形成; 小麥-大豆輪作模式下盡管生物量和氮素收獲指數(shù)和氮素生產(chǎn)效率最高, 但是總生物量和籽粒生物量、總氮累積量和籽粒氮累積量均最低,不利于高產(chǎn)形成。

崔喜安等[26]研究認(rèn)為小麥秸稈還田后, 增施氮肥可以顯著提高大豆產(chǎn)量。本研究也發(fā)現(xiàn)增加施肥可以顯著促進(jìn)植株生長(zhǎng)、降低病株率、提高土壤全氮和速效氮、生物量及氮素累積量和收獲密度, 但是降低氮素收獲指數(shù)和氮素利用效率。其原因可能是增施肥料, 尤其是氮肥, 降低了碳氮比, 利于微生物大量增殖, 加速了秸稈腐解, 此外增施氮肥還降低了化感物質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制作用[27]。因此, 在生產(chǎn)中秸稈還田后必須增施化肥, 加速秸稈降解, 降低化感抑制效應(yīng)。

4 結(jié)論

不同種植模式下前茬作物秸稈還田、施肥及其互作對(duì)大豆產(chǎn)量形成影響顯著, 大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式下增施肥料處理下大豆產(chǎn)量較高。小麥-大豆輪作模式下大豆總生物量和籽粒生物量、總氮累積量和籽粒氮累積量均較低, 不利于高產(chǎn)形成。秸稈還田后施肥處理可以顯著促進(jìn)植株生長(zhǎng)、降低病株率、提高土壤全氮和速效氮、生物量及氮素累積量和收獲密度, 進(jìn)而增加產(chǎn)量, 其中施肥對(duì)小麥-大豆輪作模式中大豆的增產(chǎn)效果最高。在生產(chǎn)中建議推廣大蒜-大豆和芥菜-大豆輪作模式。小麥-大豆輪作模式中在小麥秸稈還田后必須施肥才能達(dá)到高產(chǎn)。