油菜綠肥還田對后茬水稻產量、稻田土壤理化性狀及微生物的影響

周德平,吳淑杭,褚長彬,趙 崢,王偉榮

(1 上海市農業科學院生態環境保護研究所,上海201403;2 上海低碳農業工程技術研究中心,上海201415;3上海市農業科學院作物育種栽培研究所,上海201403)

傳統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,對十字花科類綠肥培肥改土效應的研究則相對較少[1-3]。 隨著化學肥料的普及和大量施用,制約作物生長的主要因子由氮素缺乏轉化為因化肥過量施用和土地掠奪式利用導致的土壤結構改變、有機質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勢。 油菜具有較強的適應性和抗逆性,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養分[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勢逐漸顯露[9]。 在上海地區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兼顧菜用和飼用,提升經濟效應。 甘藍型油菜的胡蘿卜素、維生素A 和鈣含量豐富,高于多數冬季常用蔬菜品種[10],春節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,不僅適應上海地區的“養田”方針,其種植過程中的菜用功能尤其貼合當地群眾的生活習慣,非常具有應用推廣價值。 本試驗以油菜品種‘滬油17’為研究對象,探討其不同鮮草量壓青還田對后茬水稻‘清香軟粳’產量及稻田土壤性狀的影響情況,以明確上海地區油菜綠肥適宜還田量及其稻田土壤保育效應,以期為油菜綠肥的應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業科學院作物育種栽培研究所提供;水稻品種為‘清香軟粳’,由上海市農業科學院莊行試驗站提供。

1.2 試驗設計

試驗于2017—2018 年在上海市農業科學院莊行試驗站進行,站內年均氣溫16 ℃,年均降水量約1 200 mm,黏壤土質,pH 7.6,基本養分狀況為:有機質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(2018 年3 月26 日)收割粉碎至長度10 cm 左右。 壓青還田試驗設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),小區面積15 m2,每處理3 次重復,隨機排列,各小區之間設置田埂并鋪設防滲膜,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 日收割測產。

1.3 測定指標及方法

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

1.3.2 測產與考種

每小區單獨收割,稱重記錄的同時用LDS-1G 自動水分儀測稻谷含水率,再按國家粳稻收購標準14.5%含水率折算成標準產量。 每小區隨機選3 點,框取1 m2調查單位面積穴數,按對角線法每小區取5 穴進行室內穗粒結構考種,計算水稻理論產量。

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

1.3.3 土壤可培養微生物

采用梯度稀釋平板混菌接種培養法測定土壤可培養細菌、放線菌和真菌種群數量。 所用培養基分別為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基、改良高氏一號培養基和PDA 培養基,具體配方見文獻[14]。 因細菌、放線菌和真菌種群數量差異呈數量級變化,為便于分析,將所得微生物數量(單位為cfu∕g 土)記為A,取常用對數(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 系統進行土壤微生物的代謝活性和多樣性分析,計算AWCD 值(平均每孔光密度)、可利用碳源數(S)、Shannon 指數和均勻度[15-17]。

1.4 數據分析

試驗數據利用Excel 2010 軟件整理、制圖,采用SPSS 19.0 軟件進行單因素方差(ANOVA)分析、Duncan 新復極差法顯著性檢驗(P＜0.05),多樣性指數及聚類分析利用DPS 7.05 軟件的數學生態學和模糊聚類分析模塊完成。

2 結果與分析

2.1 油菜壓青還田對后茬水稻產量的影響

由表1 可見,相比于無綠肥還田處理(CK),T3 和T2 處理水稻產量增加,其中T3 處理的理論產量增加達顯著水平。 小區測產結果顯示,T3 處理比CK 處理增產2.3%,T2 處理增產3.1%,差異均不顯著。

表1 油菜壓青還田對后茬水稻產量的影響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;有機質變化不明顯。 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量及土壤理化因子間的相關性(person 相關系數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量及土壤理化因子間相關性分析

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

2.4 油菜壓青還田對稻田土壤可培養微生物種群數量和區系結構的影響

土壤微生物活動影響著土壤生物化學過程,與養分的組成和轉化密切相關,其區系組成與植物根系生長發育和土壤健康狀況密切相關,進而影響作物生長[18]。 由圖1 可見,‘滬油17’壓青還田后,稻田土壤可培養細菌數量增加,依次為T3 ＞T1 ＞T2 ＞CK;放線菌數量減少,依次為CK ＞T3 ＞T2 ＞T1;真菌數量除T2處理降低外,其他綠肥還田處理均高于CK;可培養微生物總數依次為T3 ＞CK ＞T1 ＞T2 。

放線菌與真菌數量比(A∕F)、細菌與真菌數量比B∕F及分別占可培養微生物總數百分比(B∕T、A∕T 和F∕T)是土壤微生物區系結構的重要特征指標。 從圖2 可見,油菜壓青還田后茬稻田土壤細菌(B)種群比例上升,波動范圍為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 油菜壓青還田對稻田土壤可培養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、對數期和穩定期始終高于其他各處理,對Biolog-Eco 板中31 種碳源的綜合代謝活性最強,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137 h 代謝數據分析‘滬油17’不同還田量對稻田土壤微生物代謝功能多樣性的影響(表4),并對各處理間碳源代謝特征譜進行聚類分析(圖4)。 結果顯示,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、均勻度指數均高于其他還田處理,與CK 相當,T3 處理的Shannon 指數、均勻度指數均最低。 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性分析

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

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性分析(person 相關系數r)Table 5 Correlation analysis between the amount of rape green manure returning and microbial factors in paddy soil

3 討論與結論

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

油菜是直根系作物,與水稻輪作有利于改善土壤結構,且其植株內含有硫苷,還田后對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,提高作物產量[20,25]。 土壤物理結構和養分供給狀況的改變必然會與土壤微生物區系結構和種群數量產生互作,而目前有關油菜綠肥對后茬稻田土壤微生物影響的研究報道很少。 本研究中,‘滬油17’壓青還田后,稻田土壤可培養細菌數量增加、種群比例上升,微生物綜合碳源代謝活性增強,但代謝功能多樣性和均勻性降低,與王秀呈[26]的研究結果一致。相關性分析顯示,‘滬油17’壓青還田量與后茬稻田土壤細菌數量高度正相關,與可培養微生物總數、B∕T值呈中度正相關。 ‘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,生物多樣性較高,其土壤可培養微生物的A∕F、B∕F 值最高,F∕T 值最低,有利于土壤微生態系統的穩定。

綜合而言,‘滬油17’在盛花期時作為綠肥壓青還田可增加土壤養分供給,刺激土壤細菌種群增殖,提高土壤微生物代謝活性,促進后茬水稻增產,其中以15.0—22.5 t∕hm2壓青還田量的綜合效應為佳,在上海和長三角地區晚粳稻茬口銜接上具有應用推廣優勢。 正常生長的‘滬油17’鮮草產量在30—60 t∕hm2,主要受播種期、播種量和田間管理措施的影響,在盛花期時以1∕2 的還田量為宜,當長勢較好的時候,可以通過還田時期來控制還田量,或者收割一部分作牛羊的飼草。