不同轮作模式对青贮玉米产量、品质及土壤肥力的影响
通讯作者:*通讯作者:韩正晟,男,教授,主要从事农业生态方面研究。E-mail:hanzhengsheng@gsau.edu.cn
作者简介:王仪明,男,主要从事植物生理生态研究。E-mail:wangyiming1129@aliyun.com
收稿日期:2016-09-19接受日期:2016-12-25网络出版日期:2017-09-10
基金:
上海市科委项目(14DZ206500),上海市科技兴农重点攻关项目(沪农科攻字[2015]第1-4号)Effects of Different Rotation Modes on Yield, Quality of Silage Corn, and Soil Fertility
合理轮作一定程度上可以改善土壤结构和土壤微生物环境, 增加土壤的保水能力, 而且能适当缓解连作障碍, 提高土壤的利用率[1, 2]。连续种植容易导致土壤养分异常积累或过度消耗, 病原微生物迅速繁衍, 土壤微生物种群结构失衡, 作物产量品质降低等[3, 4, 5]。苜蓿(Medicago sativa L.)根系具有很强的根瘤固氮作用, 适合轮作粮食作物, 提高产量[6]。玉米(Zea mays L.)连作会降低土壤有益微生物数量, 增加真菌的相对比例, 作物病害频繁发生[7]。关于轮作模式, 前人研究主要集中在轮作后作物产量[8]、土壤水分变化[9]、氮元素变化[10]、养分变化[11]和酶活性[12]等方面。近年来, 随着环境保护意识的提高, 种植结构的调整以及畜牧业的发展, 草田轮作得到了有效推广。因此, 研究不同轮作模式下饲草产品的品质和土壤特性, 对轮作制的建立和推广具有重要意义。
土壤肥力是反映土壤肥沃性的一个重要指标, 它是衡量土壤能够提供作物生长所需的各种养分的能力, 主要通过土壤养分和土壤酶活性来反映[13]。土壤养分提供作物生长所必需的营养元素, 其含量对作物的生长发育有重要影响[14]。土壤酶来源于植物的根系分泌物和土壤微生物以及动植物残体的分解, 是一类具有特殊催化功能的蛋白质, 是一种生物催化剂, 是保证土壤中生物、化学过程能够持续进行的一类重要动力[15]。土壤酶能够快速响应土地利用方式和土地管理模式的改变, 因此是表征土壤中物质、能量代谢旺盛程度和土壤质量水平的一项重要生物指标[16]。不同的种植制度使土壤养分和土壤酶活性也随之发生变化。尹睿等[17]利用Biolog微平板反应系统对轮作土壤微生物学特征进行研究, 发现轮作土壤微生物群落功能多样性发生了明显的变化。孙艳艳等[18]研究表明, 土壤中脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性随着连作年限的增加呈下降趋势。曹莉等[19]研究表明, 马铃薯田轮作豆科牧草使土壤脲酶活性最高增加6.4倍, 碱性磷酸酶活性和过氧化氢酶活性均显著提高。董艳等[20]研究种植年限和种植模式对设施土壤微生物区系和酶活性的影响, 发现与连作相比, 轮作种植能有效调节土壤微生物区系的定向发展, 提高土壤酶活性, 从而改善土壤质量, 有利于克服连作障碍。张丽莉等[21]研究表明, 轮作可以提高土壤过氧化氢酶活性和土壤脱氢酶活性。
长三角地区的种植结构长期以水稻和小麦为主, 少数饲料田也主要以青贮玉米多年连作的种植模式为主。这导致了地力下降和养分偏耗, 大量施用化肥不仅造成生产成本增加, 而且增加了生态环境的压力, 培肥地力已成为实现饲草持续高产必须解决的问题。本研究通过探究不同轮作模式对青贮玉米产量、品质和土壤肥力动态变化, 旨在为长三角地区优质饲草轮作制度的建立和盐碱土壤改良提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2013-2015年在上海崇明地区进行。试验地位于长江农场(121° 09'~121° 54'E, 31° 27'~31° 51'N), 属亚热带典型季风气候, 温和湿润, 全年日照时长 2 094.2 h, 年平均气温15.2℃, 无霜期229 d, 年平均降雨量1 025 mm, 空气相对湿度常年保持在80%。
1.2 供试材料
本试验所用的青贮春玉米、青贮秋玉米、苜蓿、大麦、小麦、燕麦、黑麦草分别来自不同地域, 详见表1。
表1 供试材料名称和来源 Table 1 The name and origin of the experiment material1.3 试验设计与田间管理
1.3.1 试验设计 田间试验共设5个处理, 分别为苜蓿-青贮玉米(A-C)、大麦-青贮玉米(B-C)、小麦-青贮玉米(W-C)、燕麦-青贮玉米(O-C)、黑麦草-青贮玉米(L-C), 每处理3次重复, 随机排列, 试验小区面积33 m2(5.5 m × 6.0 m)。青贮玉米-青贮玉米(C-C)作为对照(CK)。
青贮玉米用CLAAS收割机(德国CLAAS KGaA mbH)按照不同处理和重复分别进行收割, 收割后的全株青贮玉米切成2~3 cm的小段, 再用Orkel缠膜裹包机(挪威Orkel设备有限公司)现场打包, 添加青贮专用添加剂进行裹包青贮, 待发酵60 d后测定其主要营养成分。
1.3.2 田间管理 试验用的青贮玉米为春玉米品种, 分别于2014年5月12日和2015年5月15日播种, 分别于2014年和2015年8月2日全株收获, 采用穴播, 行距68 cm, 株距15 cm, 深度2 cm, 播量为4 g· m-2, 基肥40 g· m-2, 氮肥30 g· m-2。苜蓿分别于2013年和2014年9月15日播种, 并于2014年和2015年5月10日收割后, 翻耕, 用于青贮玉米播种, 苜蓿采用条播, 行距20 cm, 深度1 cm, 播量2.4 g· m-2, 基肥45 g· m-2, 磷肥30 g· m-2。大麦分别于2013年11月10日和2014年11月12日播种, 并于2014年和2015年5月10日全株收割, 采用条播, 行距22 cm, 深度2 cm, 播量24 g· m-2, 基肥40 g· m-2, 氮肥30 g· m-2。小麦分别于2013年11月5日和2014年11月4日播种, 并于2014年和2015年5月10日全株收割, 采用条播, 行距20 cm, 深度2 cm, 播量为22 g· m-2, 基肥45 g· m-2, 氮肥30 g· m-2。燕麦分别于2013年10月15日和2014年10月14日播种, 并于2014年和2015年5月10日全株收割, 采用条播, 行距30 cm, 深度2 cm, 播量为6 g· m-2, 基肥45 g· m-2, 氮肥30 g· m-2。黑麦草分别于2013年和2014年11月1日播种, 并于2014年和2015年5月1日收割, 采用条播, 行距50 cm, 深度2 cm, 播量为3 g· m-2, 全年不施肥。田间种植试验适时排水, 人工除杂草, 大麦和小麦出穗前后人工喷施杀菌剂, 防治大麦白粉病和小麦赤霉病等。对照试验用的青贮玉米为春玉米和秋玉米品种, 冬季休闲。
1.4 测定指标与方法
1.4.1 青贮玉米产量 每个小区全部收割后, 称其鲜重。
1.4.2 裹包青贮玉米品质 分别取3个重复的每个小区的裹包青贮玉米5 g, 装入样品盒, 用AgriNIR便携式近红外饲料光谱仪(美国Dinamica generale), 测定其粗蛋白、淀粉和粗脂肪的含量。
1.4.3 土壤肥力测定 在青贮玉米播种前和收获后, 通过剖面分层取样, 采集不同轮作方式耕作层的土壤样品(5点取样法), 去除土壤中可见的植物根系和石砾, 混匀, 用无菌袋密封, 经过混匀风干, 过1 mm筛[5]。测定土壤pH值、有机质、速效氮、速效磷、速效钾, 以及蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶等指标。土壤酶活性测定[5]:蔗糖酶采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定, 活性以24 h后1 g干土生成葡萄糖质量(mg)表示; 脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定, 活性以24 h后1 g土壤中NH3-N的质量(mg)表示; 碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定, 活性以24 h后1 g土壤中释放出的酚的质量(mg)表示; 过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定, 活性以1 g干土1h内消耗的0.1 mol· L-1 KMnO4体积(mL)表示。土壤养分的测定采用常规分析方法。
1.4.4 综合评价法 用原始数据矩阵 X的p个变量X1, X2, …, Xp, 对其作线性组合得到相应的主成分数学模型:
F1=a11X1+a12X2+…+ a1PXP
F2=a21X1+a22X2+…+ a2PXP
…
F3= aP1X1+ aP2X2+…+aPPXP
称 F1, F2, …, FP分别为第1、第2、…、第p个主成分。可以证明, 系数向量(a1j, a2j, …, apj), (j=1, 2, …, p)恰好是协方差阵的特征值(λ 1≥ λ 2≥ …≥ λ p)所对应的特征向量, 而且 F1, F2, …, FP的方差也正是上述的特征值, 所以主成分的名次是按特征值大小的顺序排列的。
第i主成分的贡献率为:λ i/∑ λ i
表明第i个主成分综合x1, x2, …, xp的信息的能力。
1.5 数据统计分析
采用Excel 2007进行数据统计和制图, SPPS 9.0软件进行方差分析, 多重比较应用Duncan法。
2 结果与分析
2.1 不同轮作模式对青贮玉米产量的影响
由表2可知, 不同轮作模式下青贮玉米产量存在显著差异, 2年平均产量高低依次为A-C> O-C> B-C> W-C> L-C, 并较CK分别高39.29%、18.31%、17.00%、8.52%与3.04%。
表2 不同轮作模式对青贮玉米产量的影响 Table 2 Effects of different rotation mode on silage corn yield/(kg· hm-2)2.2 不同轮作模式对裹包青贮玉米品质的影响
由图1可知, 不同轮作模式裹包青贮春玉米产品的粗蛋白、淀粉和粗脂肪含量存在显著差异, 并且显著高于CK。裹包青贮玉米的粗蛋白含量高低依次为A-C> B-C> W-C> O-C> L-C, 淀粉含量高低依次为A-C> B-C> O-C> W-C> L-C, 粗脂肪含量高低依次为A-C> B-C> W-C> L-C> O-C, A-C的粗蛋白、淀粉和粗脂肪含量均高于其他处理, 并分别较CK高27.90%、39.46%和28.30%。
2.3 不同轮作模式对土壤肥力的影响
2.3.1 不同轮作模式对土壤养分的影响 由表3可知, 不同轮作模式下青贮春玉米播种前和收获后的土壤pH值、有机质、速效氮、速效磷和速效钾的含量均存在显著差异, 而且不同轮作模式下土壤养分指标明显优于CK。4个不同时间段测定的土壤养分平均含量排序为:pH值高低依次为B-C> W-C> A-C> O-C> L-C; 有机质含量高低依次为A-C> B-C> O-C> W-C> L-C; 速效氮含量高低依次为A-C> B-C> W-C> O-C> L-C; 速效磷含量高低依次为O-C> A-C> W-C> B-C> L-C; 速效钾含量高低依次为A-C> O-C> W-C> B-C> L-C。处理A-C中土壤有机质、速效氮、速效钾的含量均高于其他处理。
表3 不同轮作模式对土壤养分的影响 Table 3 Effect of different rotation mode on soil nutrients比较青贮玉米在2014-2015年期间播种前和收获后的土壤养分变化。结果发现, 在同等田间管理和施肥模式下, 不同轮作处理的青贮春玉米播种前的土壤pH值低于收获后的, 播种前的土壤有机质和速效钾的含量均高于收获后的。处理A-C、B-C、O-C和L-C中播种前的土壤速效氮含量均高于收获后的, 而处理W-C中, 2014年播种前土壤速效氮的含量小于收获后的, 可能因为前茬小麦种植时施的氮肥不均匀造成的。处理B-C、W-C、O-C和L-C中播种前的土壤速效磷含量均高于收获后的, 而处理A-C中, 2年播种前土壤速效磷的含量小于收获后的, 可能因为前茬苜蓿生长时吸收了更多土壤中的磷。与CK相比, 处理A-C中, 土壤平均有机质、速效氮和速效钾含量分别增加了60.79%、110.84%和160.02%, 处理O-C中, 土壤平均速效磷含量增加了176.64%。
2.3.2 不同轮作模式对土壤酶活性的影响 由图2可知, 不同轮作模式下青贮春玉米土壤酶活性存在显著差异, 且在轮作条件下土壤酶活性显著高于CK。其中蔗糖酶和脲酶活性的高低依次为A-C> B-C> W-C> O-C> L-C; 碱性磷酸酶活性高低依次为A-C> O-C> W-C> B-C> L-C; 过氧化氢酶活性高低依次为A-C> O-C> B-C> W-C> L-C。随着种植年限的延长土壤酶活性呈下降趋势, 所有处理中脲酶和过氧化氢酶下降趋势不明显。处理A-C和O-C中, 蔗糖酶随着种植年限的延长下降明显; 处理W-C中, 碱性磷酸酶随着种植年限的延长下降明显。
2.3.3 不同轮作模式对土壤肥力影响的综合评价 将轮作条件下土壤pH值、有机质、速效氮、速效磷、速效钾, 以及蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶9个指标依次作为自变量X1~X9, 对其进行因子分析。由表4可知, 在9个因子中, 第1和第2个公因子的累积贡献率达到92.66%, 说明9个指标中的绝大部分相关信息可由前2个公因子来概括。
表4 旋转前因子载荷阵和方差贡献率 Table 4 Component matrix and variance explained根据前2个公因子特征值和贡献率计算轮作条件下土壤肥力的综合得分, 结果表明, 不同轮作处理土壤肥力得分依次为A-C> O-C> B-C> W-C> L-C(表5)。处理A-C得分最高, 说明青贮玉米与苜蓿轮作模式下, 土壤肥力高于其他轮作模式。
表5 不同轮作模式下土壤因子得分和综合得分 Table 5 Principal score and general score of diffirence rotation mode3 讨论
影响青贮玉米产量和品质的因素很多, 主要包括自然环境、品种自身遗传因素、刈割时期和不同的种植管理措施等[22, 23]。不同的温度、光照、水分等环境因子组合, 品质差异显著[24]。本试验中, 不同轮作模式和连作模式对裹包青贮玉米的品质有显著影响, 总的趋势是在轮作条件下由于土壤肥力的改善, 裹包青贮玉米的粗蛋白、淀粉和粗脂肪含量高于连作条件下。苜蓿与玉米轮作模式下, 裹包青贮玉米的粗蛋白、淀粉和粗脂肪含量高于其他轮作模式, 因为苜蓿作为豆科作物, 固氮作用有利于下茬作物的生长, 也有利于提升青贮玉米的品质。
土壤养分是土壤肥力的物质基础, 土壤养分的丰缺程度直接关系到农作物的生长状况和产量水平, 是评价土壤肥力水平的重要指标[25]。建立合理的轮作制度是培肥改良土壤的重要措施之一, 不同作物对土壤团聚体稳定性的影响不同, 不同的耕作制度对土壤肥力性状的影响也不同[26]。本试验通过研究不同轮作模式下土壤养分变化, 发现轮作和连作对土壤有机质和速效养分含量的影响显著, 轮作模式下土壤有机质含量显著高于连作, 处理A-C中的土壤有机质和速效养分含量高于其他处理。这主要是因为苜蓿具有极强的固氮作用, 苜蓿与青贮玉米轮作的土壤养分含量高于大麦、小麦、燕麦和黑麦草与青贮春玉米轮作。处理O-C中的土壤速效磷含量比对照增加了176.64%, 这与谢昭良等[27]的研究结果一致。
土壤的一切生物化学过程都是在酶的作用下进行的, 影响土壤酶活性的因子有土壤状况、土壤微生物、农业耕作和种植措施等, 轮作可以不同程度地提高土壤酶活性[28, 29]。本研究发现, 不同轮作模式下青贮春玉米土壤酶活性存在显著差异, 且在轮作条件下土壤酶活性显著高于连作。说明苜蓿、燕麦等生长过程中大量植物根系的腐解和养分的积累, 有利于土壤中碳的转化, 从而使土壤的熟化程度和肥力水平逐渐提高[30]。祝丽香等[31]研究发现作物连作后土壤脲酶呈逐年降低趋势。黄玉茜等[32]研究发现过氧化氢酶活性随着作物连作年限的增加而下降, 说明连作明显抑制了过氧化氢酶活性。Gounety等[33]研究发现随着连作年限的增加, 玉米田土壤中碱性磷酸酶活性也呈降低趋势, 这与本研究结果一致。因子分析结果显示, 处理A-C得分最高, 说明青贮玉米与苜蓿轮作模式下, 土壤肥力高于其他轮作模式。苜蓿具有很强的固氮作用, 适合轮作粮食作物, 对改良土壤、恢复生态环境、实现农业可持续发展具有重要意义。
4 结论
不同轮作条件对青贮玉米产量、品质、土壤养分和土壤酶活性等指标有不同程度的影响。豆科牧草与青贮玉米轮作有利于提高青贮玉米的产量, 提升裹包青贮玉米的品质, 并有助于改善土壤环境状况, 苜蓿与青贮玉米轮作对南方地区粗饲料生产具有重要意义, 但不同饲料轮作模式对土壤中重金属含量和微生物菌落的影响有待深入研究。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
[1]吴宏亮, 康建宏, 陈阜, 许强, 张海林, 赵亚慧.相关知识
氮肥水平和形态对多花黑麦草产量、营养品质及青贮品质的影响
不同土壤肥力下栽培管理模式对棉花产量品质和氮肥利用率的影响
有机无机肥配施对多花黑麦草饲草产量、营养品质和青贮品质的影响
轮作休耕对小麦和油菜水分利用效率和产量的影响
氮磷钾配施对制种玉米产量及经济效益的影响
有机无机肥配施比例对红壤稻田水稻产量和土壤肥力的影响
长期定位施肥对土壤有机质、不同形态氮含量及作物产量的影响
轮作种植制度的生态经济效益分析及发展建议
轮作模式对西兰花耕作土壤微生物和酶活性的影响
不同栽培模式对金盏花土壤水分变化及产量的影响
网址: 不同轮作模式对青贮玉米产量、品质及土壤肥力的影响 https://www.huajiangbk.com/newsview357241.html
上一篇: 适宜华南地区园林种植观花树木资源 |
下一篇: 华北寒旱区作物轮作的生产效应 |
推荐分享

- 1君子兰什么品种最名贵 十大名 4012
- 2世界上最名贵的10种兰花图片 3364
- 3花圈挽联怎么写? 3286
- 4迷信说家里不能放假花 家里摆 1878
- 5香山红叶什么时候红 1493
- 6花的意思,花的解释,花的拼音 1210
- 7教师节送什么花最合适 1167
- 8勿忘我花图片 1103
- 9橄榄枝的象征意义 1093
- 10洛阳的市花 1039