烏蒙山區接茬方式對土壤中量元素及 3種作物產質量的影響

韓 芳， 韋燈會， 張新永*， 陳 吉

(1.云南農業大學 農學與生物技術學院，云南 昆明 650201； 2.云南省昭通市昭陽區農業技術推廣中心， 云南 昭通 657000)

云南省是我國馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)種植較早的省份，且栽種面積廣，是云南繼水稻、玉米之后的第三大糧食作物，省內海拔差異大的地理形態形成獨特的氣候條件，使馬鈴薯能夠四季種植周年收獲[1]，全省128個縣均有馬鈴薯種植，保障鮮薯周年供應，全省種植面積達66.7萬hm2，總產量1 200余萬t[2]，占全國總產量的10.1%，僅次于四川省的11.7%、甘肅省的10.5%，是全國第三大主產省[3]。赤小豆(Vignaumbellata)和蕎麥(Fagopyrumesculentum)為我國的重要農作物之一，具有很高的營養價值，蕎麥還含有黃酮類物質[4]，赤小豆和苦蕎麥(Fagopyrumtataricum)在云南省的種植較為廣泛，尤其是溫帶高原山地季風氣候地區，提高蕎麥產量對我國農業發展有著極為重要的作用[5]。隨著種植業結構的調整，馬鈴薯對山區群眾的糧食安全保障和廣大農戶的增收致富意義重大，對扶貧攻堅、實現云南如期全面脫貧意義重大[6]。目前，受耕地面積、訂單農業、種植規模化、集約化及氣候條件等因素的影響[7]，馬鈴薯、赤小豆、蕎麥連作現象普遍存在，且該3種作物屬于不適宜連作的作物，馬鈴薯長期連作會產生連作障礙，造成植株早衰、生理活性下降、產量減少等后果[8]。而輪作接茬可合理有效地利用土壤養分，使作物產量及經濟效益得到提高。汪芳甜等[9]研究顯示，當豆科作物加入種植模式中時，還能使土壤中的氮素通過共生固氮作用得到提高。隨著對產量水平要求的不斷提高，及氮磷鉀化肥大量的施用，忽略了中量元素的作用，有些地區土壤中的部分中量元素已不能滿足作物生長的發育需求。中量元素是作物生長過程中需要量次于氮、磷、鉀而高于微量元素的營養元素，通常是指交換性鈣和鎂、有效硫。鈣是植物生長和發育所需的一種重要的常量營養素，是構成細胞壁的重要元素，是葉綠素的組分，許多酶的活化劑，占所有植物干生物總量的0.1%～5%[10]。此外，Ca2+作為第二信使參與細胞和植物發育的各個方面，如細胞分裂、細胞極性、細胞伸長、光形態建成、生物和非生物脅迫反應，然而，Ca2+在很大程度上僅限于新生根系從土壤中吸收，并通過木質部輸送到地上部，而不是從老的組織重新到新生組織[11]。因此，如果土壤不能補充外源Ca2+，則Ca2+缺乏通常會影響植物的生長發育，所以土壤中的交換性鈣含量對作物的生長有著至關重要的作用。交換性鎂是土壤中重要的鹽基離子，在土壤中的變化影響著土壤的物理化學性質，也影響著植物對鎂及其他養分的吸收，作物缺鎂時，葉綠素減少，光合作用減弱，碳水化合物、蛋白質、脂肪的形成都會受到抑制。硫是作物生長發育必需的元素之一，其吸收量僅次于氮素，與磷素相當[12]，作物缺硫時，蛋白質等的合成受阻，植株矮小，葉綠素降低，分蘗分枝少。馬鈴薯[13]、赤小豆、蕎麥在生產中普遍存在連茬或不合理輪作現象，引起土壤養分失調，土壤物理性狀惡化等問題，作物出現生育狀況變差、產量下降、品質變劣等連作障礙，而合理的接茬種植可減輕農作物病害發生程度，是一項用地養地相結合的農業技術措施。因此，掌握馬鈴薯、赤小豆和蕎麥在不同接茬種植模式土壤耕層中量元素的變化，對了解土壤養分、提高作物產量，促進可持續生產具有重要意義。前人對耕地土壤[14-15]、茶園[16]、菜園[17]、植煙地[18]及馬鈴薯栽培[19]等的土壤中量元素進行調查研究，揭示了各地土壤中量元素的含量及對作物產量等品質的影響。但目前尚未有馬鈴薯、赤小豆及蕎麥的接茬種植中量元素含量及變化趨勢和對作物產量及品質影響的報道。因此，在提倡土地資源保護性耕作及可持續發展的時期，有必要了解接茬種植方式下中量元素的變化趨勢和對作物產生的影響。為此，選擇馬鈴薯、赤小豆、蕎麥3種作物不同順序的接茬種植方式，每年對根際土壤進行3次采集和分析，掌握中量元素的變化趨勢及豐缺程度，并測量產量和品質，以期為該類型地區農業生產中用地養地相結合的可持續耕作模式及施肥策略提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點為云南省昭通市靖安鎮松杉村9社，海拔2 202 m，經度103°42′7″，緯度27°35′29″。土壤pH 5.1，含有機質30.01 g/kg、交換性鈣446.16 mg/kg、交換性鎂229.67 mg/kg、有效硫73.10 mg/kg、有效氮159.23 mg/kg、速效磷6.30 mg/kg、速效鉀103.35 mg/kg。土壤類型為黃壤土類、典型黃壤土屬、山地黃壤。

1.2 供試材料

馬鈴薯品種選用云薯505，苦蕎麥選用當地品種線蕎，赤小豆為當地品種紅腰豆。3種作物種均由云南省昭通市昭陽區農業技術推廣中心提供。

1.3 方法

1.3.1 試驗設計 試驗用地前茬作物為玉米，充分混合土表厚度20 cm的土壤，力求土質均勻一致，試驗采用隨機區組設計，設置9個小區，分別為9個處理A～I， 3個重復。小區寬5 m，長12 m。馬鈴薯、蕎麥、赤小豆隨機安排，每個處理為常規凈種馬鈴薯、蕎麥和赤小豆。A、B、C 3個小區分別為赤小豆、馬鈴薯、蕎麥的連作模式，D為赤小豆-馬鈴薯；E為馬鈴薯-蕎麥；F為蕎麥-赤小豆；G為赤小豆-蕎麥；H為馬鈴薯-赤小豆；I為蕎麥-馬鈴薯。3月中旬播種馬鈴薯，結合整地，馬鈴薯折合施用三元復合肥(N∶P∶K為15∶15∶15)50 kg/667m2，普鈣40 kg/667m2，硫酸鉀10 kg/667m2，一次性作底肥施用，雙行壟作并覆蓋地膜。4月中旬播種蕎麥和赤小豆，施肥量均與馬鈴薯一致，施用三元復合肥(N∶P∶K為15∶15∶15)50 kg/667m2，普鈣40 kg/667m2，硫酸鉀10 kg/667m2，均做底肥施用。

1.3.2 土樣的采集 分別在2017年和2018年的5月上旬、6月中旬、8月下旬取樣，2年每月取樣時間前后不超過5 d。每個小區采用S形5點法采集5～20 cm 耕層的根際土壤，土壤樣品用四分法留取500 g樣品于自封袋中，帶回實驗室處理，待土樣風干后，除去植物根系、石塊等，碾磨過篩，用于土壤中量元素交換性鈣、交換性鎂、有效硫及pH、有機質的測定。

1.3.3 指標測定 土壤養分含量按《土壤農化分析》[20]進行，土壤pH用電位法(水土比1.0∶2.5)；有機質用重鉻酸鉀外加熱油浴法；交換性鈣和鎂的測定用原子吸收分光光度法；有效硫的測定用磷酸鹽-乙酸浸提-硫酸鋇比濁法；品質指標淀粉含量測定用碘比色法，蛋白質含量用考馬斯亮藍法。

1.3.4 土壤中量元素有效態分級評價 根據全國第2次土壤普查土壤養分劃分標準《中國土壤》[21]和《中國土壤肥力》[22]，及全國農業技術推廣服務中心對全國土壤中量元素含量等級劃分，將土壤中量元素有效態分為極缺、缺乏、適量、豐富和過量共5個等級(表1)。

表1 土壤中量元素有效態分級標準 Table 1 Effective state classification standard of medium elements in soil

1.4 數據處理

采用Excel 2010 和SPSS 25.0對數據進行處理與分析。

2 結果與分析

2.1 不同接茬方式對土壤交換性鈣的影響

從表2可知，不同時間、接茬方式的土壤交換性鈣含量均不同。根據中量元素有效態分級標準可知，各月土壤交換性鈣含量均在適量范圍。2018年E和G的土壤交換性鈣含量增加；處理A、B、C、D、F、H、和I的土壤交換性鈣含量減少，其中，A、B、F的土壤交換性鈣含量接近缺乏，應適當增施鈣肥；處理F在2018年種植赤小豆，對于豆類作物，較高的鈣含量可促進結瘤，有利于葉綠素的形成及對氮、磷的吸收，因此，在種植赤小豆的5月和6月，可增施鈣肥促進根瘤菌的形成。

表2 不同接茬方式處理的交換性鈣含量Table 2 Exchangeable calcium content of different stubble treatments mg/kg

從表3可知，2017年5月和6月，F和G的有機質與交換性鈣為顯著正相關關系，據土壤中量元素有效態分極標準，F和G的交換性鈣含量較低，可在播種和作物生育中期通過增施有機肥的方式，利于促進交換性鈣含量的提高。5月，H的有機質與交換性鈣間呈顯著正相關關系，在馬鈴薯播種時，增加有機肥的施用量，對土壤交換性鈣含量的增加有一定的促進作用。

表3 pH、有機質與交換性鈣的相關系數Table 3 Correlation coefficient of pH, organic matter and exchangeable calcium

2018年5月，C、E和G的有機質與交換性鈣呈顯著正相關關系，在播種時適當增加有機肥的用量，有利于交換性鈣含量的提高。8月，E和H的有機質與交換性鈣間呈顯著正相關，由于該時間已接近赤小豆生育后期，故應追施鈣肥，以滿足作物生長對鈣的需求。

綜上所述，2年內，蕎麥、赤小豆不同種植順序對土壤交換性鈣含量的影響均在作物生育早期表現出顯著差異。

2.2 不同接茬方式對對土壤交換性鎂的影響

由表4可知，不同接茬處理，在各月交換性鎂含量均不同，根據接茬方式的不同表現出不同的差異性。根據中量元素有效態分級標準可知，交換性鎂含量均在豐富及過量的范圍，含量較高。2018年，A的土壤交換性鎂含量增加，B和C的土壤交換性鎂含量保持穩定。H和I的土壤交換性鎂含量降低，應適當增施鎂肥，滿足作物生長對鎂的需求。

表4 不同接茬方式土壤交換性鎂含量Table 4 Contents of exchangeable magnesium in different stubble treatments mg/kg

由表5可知，2017年5月，B的pH與交換性鎂含量間呈顯著負相關關系。 5月和6月，E的交換性鎂與pH間分別呈顯著正相關和極顯著正相關關系；6月和8月，E的有機質與交換性鎂含量間呈顯著正相關關系。8月，F的pH與交換性鎂含量間呈顯著正相關關系；A和C的有機質與交換性鎂含量間呈顯著正相關關系。2017年pH和有機質與交換性鎂含量在各種植方式間呈顯著差異性。因種植作物的不同，根際微生物種類、數量及酶活性產生差異[23]，影響了根際土壤的酸堿度和有機質含量，進而對交換性鎂含量的變化產生一定影響。

表5 pH、有機質與交換性鎂的相關性Table 5 Correlation between pH, organic matter and exchangeable magnesium

2018年5月，G和I的有機質與交換性鎂含量為顯著正相關關系，結合土壤中量元素有效態分級標準和不同接茬處理的交換性鎂含量可知，此時的交換性鎂含量較低，可增施有機肥，從而提高土壤有機質含量，并促進交換性鎂含量的增加。

2.3 不同接茬方式對對土壤有效硫的影響

由表6可知，2017-2018年的各月，不同接茬方式有效硫含量存在一定差異性。結合土壤中量元素有效態分級標準可知，有效硫含量在適量、豐富、過量的范圍。2年后處理B、E、G、H 4種種植方式的有效硫含量大幅度降低。

表6 不同接茬方式土壤有效硫的含量Table 6 Available sulfur content of different stubble treatments mg/kg

由表7可知，2017年5月，H的有機質與有效硫含量間呈顯著正相關關系；2018年6月，G的有機質與有效硫含量間呈顯著正相關關系。前茬作物不同，有機質與有效硫的關系表現出差異性，由于土壤中的有效硫含量較豐富，能夠滿足作物對硫元素的需求，實際生產中應適當減少施用含硫化肥，以利于作物的生長。

表7 pH、有機質與有效硫的相關性Table 7 Correlation between pH, organic matter and available sulfur

2.4 不同接茬方式對作物產量及部分品質指標的影響

從表8可知，2017-2018年，A、B、C的小區產量都有小幅度減少。接茬種植方式不同，對產量的影響也不同。2018年，E蕎麥產量分別比C和G高17.83%和23.71%；I馬鈴薯產量分別比B和D高20.55%和15.13%。D馬鈴薯產量比B高4.71%，比E低13.14%；H赤小豆產量比A和F分別高19.19%和0.90%。F赤小豆產量比A高18.12%，比H低0.89%；G蕎麥產量比C和E分別低4.75%和19.16%。E和I的接茬種植使2種作物產量高于其他處理，且E的接茬種植方式蕎麥產量提升幅度大于I。

表8 不同接茬方式的作物產量Table 8 Crop yields of different stubble treatments kg/60m2

從表9可知，2017年種植相同作物的處理間沒有差異性，2018年表現出不一樣的差異性。A和C的淀粉含量有小幅度提升，蛋白質含量基本保持穩定，而B淀粉和蛋白質含量都有所下降。在3種作物不同接茬種植方式中，E和I對淀粉和蛋白質含量具明顯的促進作用，淀粉和蛋白質含量高于其余處理；E的淀粉和蛋白質含量分別較其余處理提高5.11%～6.35%和19.71%～22.11%；I的淀粉和蛋白質含量分別提高1.43%～6.22%和5.32%～18.35%。結合接茬種植順序對產量的影響，在實際生產中，可選擇馬鈴薯、蕎麥2種作物接茬種植，以提高作物產量和品質，且E的種植效果最佳。

表9 不同接茬方式作物的淀粉及蛋白質含量 Table 9 Starch and protein content of crops with different stubble treatments %

3 結論與討論

土壤是農業生產的基礎，其化學性質是衡量土壤肥力的重要指標，而土壤養分對農業可持續發展有著決定性的作用。譚海燕等[24]研究土壤養分的時空變異，對于土壤養分資源的科學管理和合理利用，保持和提高土壤肥力，促進區域農業可持續發展等都有十分重要的理論意義。朱紹坤等[25]研究顯示，接茬種植是用地養地相結合的一種農業措施，可有效協調作物之間養分吸收的局限性，優化根際微生物種群結構與功能，改善土壤理化性質。杜玉瓊等[26]研究表明，利用不同作物對水分、養分等生態環境因子需求間的差異，不僅能促使區域作物穩產、高產，而且可以保護生態環境，實現資源均衡利用，有效做到用地養地相結合。李巧玲等[27]研究表明，不同土系、不同質地的土壤中量元素的有效性及含量不同，作物對不同的中量元素敏感程度和需求量也不同。馬鈴薯、蕎麥連茬種植[28]，對其質量還是產量都會造成較大的影響，會積累一定的病蟲害以及雜草，對正常生長造成嚴重影響，并且消耗大量土壤養分，導致蕎麥得不到充足的養分，產量過低。楊冰等[29]研究表明，豆類的共生固氮等作用有培肥土壤、改善土壤理化性狀的效果，是多種作物的良好前茬和培養地力的好茬口。王娟等[30]研究馬鈴薯月份與中量元素的關系表明，交換性鈣和鎂的含量隨馬鈴薯的生長發育呈增加的趨勢，與本研究結果馬鈴薯土壤交換性鈣和鎂的變化趨勢一致，不同時期，馬鈴薯對土壤交換性鈣和鎂的需求不同，使土壤中交換性鈣和鎂的含量也隨之變化。研究結果顯示，作物各月份土壤有效硫含量在適量到過量的范圍內變化，與解星明[31]關于云南瀾滄縣耕地土壤養分的研究結果一致。田孟華等[32]對云南昭通天麻不同產區土壤肥力的研究顯示，土壤pH與交換性鈣、交換性鎂間呈極顯著正相關。研究結果對不同月份的交換性鈣、鎂與pH的關系顯示，2017年6月，馬鈴薯連作的土壤交換性鈣與pH間呈顯著負相關；8月，蕎麥-赤小豆的土壤交換性鈣與pH間呈顯著正相關；5月的土壤交換性鎂與pH間呈顯著負相關，馬鈴薯-蕎麥的土壤交換性鎂與pH間呈顯著正相關，6月的土壤交換性鎂與pH間呈極顯著正相關，8月的土壤交換性鎂與pH間呈顯著正相關。土壤pH與Ca、Mg的相關性達顯著差異[33]，作物根據生育期的需求，對鈣和鎂的吸收不同，影響了pH的變化。胡小東等[34]關于楚雄植煙區土壤交換性鎂含量的研究顯示，交換性鎂與有機質之間存在弱相關關系，pH與交換性鎂含量之間存在強相關關系，與研究結果關于交換性鎂與pH、有機質的相關性研究結果相似。植物對于鈣、鎂的吸收和積累受遺傳和環境因素共同影響[35]。同時土壤中礦質元素含量和活性也可以影響鈣、鎂的吸收。土壤質地、土壤類型和有效硫等均對土壤pH有顯著影響[36]。濮永瑜等[37]對保山交換性鎂含量的研究顯示，土壤有機質含量與交換性鎂含量間呈極顯著負相關，與2018年的研究結果一致。交換性鎂含量與長期施用鉀肥有關，因為在作物吸收過程中，鉀和鎂之間具有拮抗作用[38]。有機肥對土壤鎂素有補充作用，而鈣能夠和土壤中的有機質結合形成土壤粘粒組分的膠結劑，可促進土壤顆粒的團聚，對土壤團粒結構的形成和提高植物的抗逆性發揮著很大的作用[39]，中量元素之間存在相輔相成的作用。而土壤中量元素的有效性不僅與成土母質有關，還與土壤理化性質和施肥情況有密切關系[27]。姚建武等[40]研究表明，根據情況適當增施鈣鎂系列肥料可增強植物對氮、磷、鉀養分的吸收，提高肥料利用率。由于作物本身生物學特性及其生產過程中所采取的接茬模式不同，對土壤產生的影響不同，進而對作物產生不同的影響，所以在種植時選擇適宜的接茬模式至關重要。合理的種植模式可促進農作物的生長發育，提高農作物的產量，改善品質，實現對土地資源的有效保護，使生態效益、社會效益和經濟效益的協調發展[41]。研究結果表明，馬鈴薯、蕎麥和赤小豆3種作物接茬種植的順序不同，對作物根際土壤中量元素的吸收利用也不同。由于不同作物對不同養分的需求量和吸收效率有差異，導致交換性鈣、交換性鎂和有效硫含量在不同作物以及不同的生育時期等處理間表現出不同差異，而土壤pH和有機質含量在不同程度上影響了土壤中中量元素的有效性。總體看，在農業生產上采取輪作換茬的作物種植方式更利于均衡土壤養分。馬鈴薯、蕎麥、赤小豆3種作物進行接茬種植時，馬鈴薯和蕎麥間的接茬種植方式對土壤中量元素和產量、品質影響較好，使土壤交換性鈣含量增加，保持交換性鎂含量的穩定，有效硫含量稍降低，馬鈴薯-蕎麥的種植方式產量、淀粉含量和蛋白質含量可分別提高17.83%～23.71%、5.11%～6.35%和19.71%～22.11%。9種接茬種植方式中，馬鈴薯-蕎麥接茬種植效果最佳。

在實際生產中選擇不同作物輪作時，除關注土壤大量元素氮、磷、鉀的含量外，還應考慮不同作物接茬種植方式對中量元素交換性鈣、鎂和有效硫的影響，制定與之相適應的施肥方案，以實現提高作物產量和改善品質，合理利用土地資源，用地養地相結合的農業可持續發展模式。