前茬作物秸秆还田下轮作模式和施肥对大豆产量的影响*

张国伟, 王晓婧, 杨长琴, 束红梅, 刘瑞显

(江苏省农业科学院经济作物研究所/农业部长江下游棉花与油菜重点实验室 南京 210014)

大豆(Glycine max)是我国重要的经济作物之一,也是我国进口量最大的农产品, 对外依存度高达85%。随着中美贸易战的升级, 中国大豆进口成本逐年上升, 为了振兴大豆产业, 亟需提高大豆单产水平,改善大豆品质。轮作是一种用养结合的农业可持续发展种植模式, 目前长江流域和黄淮海流域夏大豆区主要以冬小麦(Triticum aestivum)-大豆轮作为主,但在徐淮地区大蒜(Allium sativum)-大豆轮作的面积稳步增长; 而芥菜型油菜(Brassica juncea)秸秆在还田后腐解产生的化感物质具有显著的抑制病菌菌丝发展的作用, 近年来, 芥菜型油菜-大豆轮作的面积也逐年增加。因此, 研究不同轮作模式对大豆产量形成的影响对于提高大豆产量, 保持大豆产业可持续发展具有重要意义。

秸秆作为能直接利用的可再生资源, 粉碎后还田可以改善土壤理化性质, 补充土壤养分[1-4], 但也有研究[5-7]表明秸秆还田对作物生长发育的影响有“先抑后扬”的趋势: 一方面, 还田秸秆在腐解过程中与土壤微生物争氮, 进而影响植株生长[8-9]; 另一方面,作物秸秆还田后可以向土壤中释放对羟基苯甲酸、间苯三酚等化感物质, 进而抑制下茬作物幼苗生长[10-11]。生物量和氮素累积是产量和品质形成的基础, 在大豆的轮作模式中, 前人的研究[12-13]主要集中在小麦和大豆轮作, 但是关于大蒜-大豆和芥菜型油菜-大豆轮作的研究尚少见报道。此外, 由于还田秸秆碳氮比较高, 还田后分解过程中往往与作物发生争氮现象, 进而影响植株生长, 而增施氮肥可以有效缓解秸秆腐解过程中与作物争氮的状况[14], 保证作物高产，但在大豆轮作体系中的研究尚少见报道。本研究通过定位试验, 以长江流域和黄淮海流域夏大豆区存在的“小麦-大豆” “大蒜-大豆” “芥菜-大豆”和“冬闲-大豆” 4种轮作模式为研究对象, 分析前茬作物秸秆还田下轮作模式和施肥对大豆产量形成的影响, 旨在为多元化轮作模式下大豆增产增效提供理论基础, 也为不同轮作模式下秸秆还田技术实施和推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2018−2020年在位于江苏省南京市的江苏省农业科学院大豆试验基地进行。试验开始前夏季休闲, 未种植其他作物, 0～20 cm土壤pH值为6.20, 容重为1.42 g∙cm−3, 含有机质11.9 g∙kg−1、全氮0.92 g∙kg−1、速效磷35.8 mg∙kg−1、速效钾134 mg∙kg−1。

采用裂区设置进行两熟制年内轮作定位试验,以前茬作物秸秆还田下不同轮作模式为主区, 设置小麦、大蒜、芥菜绿肥和空白(冬闲) 4个轮作模式;肥料施用水平为副区, 设置大豆季不施肥和施三元复合肥(15∶15∶15) 225 kg∙hm−22个施肥水平。肥料一次性基施。大豆的前茬作物收获后秸秆粉碎还田, 大豆收获后秸秆不还田。根据当地田间种植情况, 小麦、大蒜、芥菜绿肥生长季施肥量分别为三元复合肥(15∶15∶15) 300 kg∙hm−2、600 kg∙hm−2和120 kg∙hm−2, 冬闲田不施肥。大豆生长季前茬作物秸秆还田量和秸秆氮输入量如表1所示。以江苏省大面积种植的夏播大豆品种‘苏豆13’为材料, 行距40 cm,株距11.8 cm, 折合密度2.12×105株∙hm−2, 每穴1粒,小区面积28 m2, 3次重复。2019年和2020年大豆分别于6月17日和14日播种。

表1 大豆生长季前茬作物秸秆还田量和秸秆氮输入量Table 1 Straw and nitrogen amounts of returned straws of crops before soybean growing season kg∙hm−2

1.2 测定项目与方法

植株形态指标、产量和产量构成测定: 于R1期每小区连续标记30株, 每小区标记3个点, 捡拾标记植株脱落叶片, 并于大豆收获时每小区取连续20株考种, 调查株高、底荚高度、分枝数、单株荚数、单株粒数、百粒重等, 计算产量。统计实收密度并参照王建生等[15]的方法调查发病级1级及以上植株数量, 计算枯萎病发病率。

土壤物理性状和养分含量测定: 分别于V2期和R8期用环刀法测定0～30 cm土壤容重, 每5 cm分层取样, 测定各土层容重后, 计算平均值获得。并用取土器取0～30 cm土层土壤, 去杂, 过筛, 参照鲍士旦[16]方法测定土壤有机质、全氮和速效氮含量。

生物量与养分累积分配测定: 收获时每小区取植株3株, 按生殖器官和营养器官分开, 105 ℃杀青30 min后, 80 ℃烘至恒重, 称生物量。样品粉碎后用凯氏定氮法测定全氮含量[16], 再根据各器官干物质重计算氮累积量。

1.3 统计分析方法

采用Microsoft Excel软件处理数据和作图, 用SPSS 11.0软件分析进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 前茬秸秆还田下轮作模式和施肥对大豆产量及产量构成的影响

分析表2可知, 前茬作物秸秆还田轮作模式和施肥对产量及产量构成影响显著, 其中大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式下单株荚数、单株粒数、百粒重、实际收获密度和产量均较高, 冬闲-大豆轮作模式次之, 小麦-大豆轮作模式最低。与不施肥相比, 施肥使大蒜-大豆、芥菜-大豆和小麦-大豆轮作模式下大豆产量显著(P<0.05)提高13.01%、7.97%、15.00%(2019年)和9.21%、14.02%、15.91% (2020年), 表明施肥可以显著增加大豆产量。不同轮作模式下, 施肥处理大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式下产量分别较冬闲-大豆轮作模式显著(P<0.05)增加10.30%和7.09% (2019年)、4.40%和5.66% (2020年)。

表2 前茬作物秸秆还田下轮作模式和施肥对大豆产量及产量构成的影响Table 2 Effects of rotation pattern and fertilization application on soybean yield and yield components with straw returning of preceding crop

2.2 前茬秸秆还田下轮作模式和施肥对大豆形态指标和病株率的影响

分析表3可知, 前茬作物秸秆还田下轮作模式和施肥及其互作效应对大豆株高、茎粗、底荚高度、分枝数和病株率影响均显著(P<0.05)。大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式下株高、茎粗、底荚高度和分枝数较高, 冬闲-大豆模式次之, 小麦-大豆轮作模式最低; 病株率呈相反趋势。施肥显著增加株高、茎粗、底荚高度和分枝数, 降低病株率。以2020年为例, 施肥处理下, 与冬闲-大豆模式相比, 大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式下株高、茎粗、底荚高度和分枝数分别增加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%, 病株率则降低86.84%和89.47% (P<0.05), 而小麦-大豆轮作模式下株高、茎粗、底荚高度和分枝数分别降低2.99% (P<0.05)、8.12% (P<0.05)、1.27%和5.26%,而病株率则增加50.00% (P<0.05)。

表3 前茬作物秸秆还田下轮作模式和施肥对大豆形态指标和病株率的影响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 前茬秸秆还田下轮作模式和施肥对生物量累积分配的影响

分析表4可知, 前茬作物秸秆还田下种植模式和施肥及其互作对大豆生物量累积分配影响显著(P<0.05), 不同轮作模式下, 大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式下总干重和籽粒干重较高, 冬闲-大豆模式次之, 小麦-大豆模式下最低。而收获指数在小麦-大豆轮作模式下最高, 大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式下次之, 冬闲-大豆模式下最低。施肥显著提高了总干重和籽粒干重(P<0.05), 但是降低了生物量收获指数。两年数据表明, 在大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式中施肥处理下总干重和籽粒干重最高, 收获指数相对较高, 利于高产形成。

2.4 前茬秸秆还田下轮作模式和施肥对氮素累积分配的影响

由于在2019年试验时主要关注了产量效应, 在发现处理间产量差异较大后, 于2020年试验测定了氮累积与分配。如表5所示, 前茬作物秸秆还田下种植模式和施肥及其互作对大豆总氮累积量、籽粒氮累积量、氮素收获指数和氮素生产效率影响显著(P<0.05)。大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式下总氮累积量和籽粒氮累积量较高, 冬闲-大豆模式次之, 小麦-大豆轮作模式下最低。而收获指数和氮素生产效率则表现为小麦-大豆轮作模式显著高于其他3种模式(P<0.05)。施肥显著增加总氮累积量和籽粒氮累积量(P<0.05), 却降低氮素收获指数和氮素生产效率(P<0.05)。不同处理下, 在大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式中, 施肥处理下总氮累积量和籽粒氮累积量最高, 收获指数适中, 利于高产形成。尽管小麦-大豆轮作模式下收获指数和氮素生产效率最高, 但是总氮累积量和籽粒氮累积量最低, 不利于产量形成。

表5 前茬作物秸秆还田下轮作模式和施肥对氮素累积分配的影响Table 5 Effects of rotation pattern and fertilization application on nitrogen accumulation and allocation of soybean with straw returning of preceding crop

2.5 前茬秸秆还田下轮作模式和施肥对土壤容重和有机质含量的影响

分析表6可知, 大豆V2期土壤容重和有机质均低于R8期。轮作模式对土壤容重和有机质含量影响达显著水平(P<0.05)。小麦-大豆轮作模式下土壤容重最低, 大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式次之, 冬闲-大豆模式最高, 而有机质含量则呈相反趋势。施肥对土壤容重和有机质含量的影响均未达显著水平。

表6 前茬作物秸秆还田下轮作模式和施肥对土壤容重和有机质含量的影响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 前茬秸秆还田下轮作模式和施肥对土壤全氮和速效氮含量的影响

分析表7可知, V2期田间土壤全氮和速效氮含量均低于R8期, 轮作模式和施肥对V2和R8期土壤全氮和速效氮影响达显著水平(P<0.05)。大蒜-大豆、芥菜-大豆和小麦-大豆轮作模式下土壤全氮含量显著高于冬闲-大豆模式(P<0.05), 施肥提高了不同轮作模式下土壤全氮含量。秸秆还田显著降低了土壤速效氮含量, 施肥却显著提高了速效氮含量(P<0.05)。

表7 不同轮作模式下秸秆还田和施肥对土壤全氮和速效氮含量的影响Table 7 Effects of rotation pattern and fertilization application on soil total nitrogen and available nitrogen contents with straw returning of preceding crop

3 讨论

作物秸秆中含有丰富的营养元素, 但秸秆在腐解时也会向土壤中释放化感物质, 进而影响作物出苗。本研究中, 大蒜、芥菜和小麦秸秆的还田量和向土壤中的养分输入量均为小麦>芥菜>大蒜, 大量的小麦秸秆集中还田造成土壤孔隙度增加, 失墒较快, 影响种子发芽出苗, 尚未腐解的秸秆阻碍根系伸长, 导致根系无法接触到土壤[17], 同时, 秸秆释放的化感物质也显著降低幼苗出苗率[18], 导致最终收获密度降低, 这与本研究中小麦秸秆还田后大豆收获密度最低的结果一致; 而大蒜和芥菜型油菜秸秆还田量仅为麦秸还田量的35%～50%, 因此未影响出苗率(2020年)。此外, 本研究中小麦秸秆还田增加了大豆病株率, 这可能与2019和2020年度长江流域小麦病虫害发生相对较重, 小麦秸秆携带大量病菌或虫卵进入土壤有关; 大蒜和芥菜型油菜秸秆还田显著降低大田病株率, 可能与大蒜和芥菜型油菜秸秆在腐解过程中释放出的化感物质具有抑制菌丝生长和消灭线虫的作用有关[19-20]。

已有研究表明, 秸秆还田对作物植株生长具有重要的调控效应。本研究中大蒜和芥菜还田处理下大豆株高、茎粗、分枝数、单株荚数、单株粒数、百粒重和最终产量均最高, 最终产量较冬闲-大豆模式增加4.40%～10.30%和5.66%～7.09% (施肥处理)、4.88%～8.23%和2.19～8.78% (不施肥)。这与林郸等[21]在“大叶芥菜(Brassica junceavar.foliosa)-水稻(Oryza sativa)”轮作模式和Yang等[22]在“大蒜-西瓜(Citrullus lanatus)”轮作模式中的研究结果一致。王幸等[23]在江苏徐州的研究认为小麦秸秆还田下可以提高大豆产量, 王秋菊等[24]在黑龙江黑河地区的研究则表明小麦秸秆还田对大豆产量影响不显著, 而本研究试验表明小麦秸秆还田降低了大豆产量, 这可能与徐州属于温带半湿润季风气候, 黑河属于寒温带大陆性季风气候, 而南京属于亚热带湿润气候有关。本试验中的大豆生育前期处于梅雨季节, 多雨低温寡照, 麦秸中化感物质在雨水浸泡中充分释放, 影响大豆生长。而大蒜和芥菜秸秆还田量少, 化感物质相对较低, 同时还可以诱导真菌的丰富度和多样性,促进作物生长[25]。

与冬闲-大豆模式相比, 秸秆还田降低了土壤容重和速效氮含量, 提高了土壤有机质和全氮含量, 小麦-大豆轮作模式下容重最低, 大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式下次之, 冬闲-大豆模式最高, 而有机质和全氮含量则呈相反趋势, 这与秸秆还田量和秸秆养分输入量一致, 也与林郸等[21]研究结果一致。此外,秸秆还田显著降低了土壤速效氮含量, 其原因可能是秸秆碳氮比较高, 还田后分解过程中微生物大量增殖消耗土壤中速效氮含量[13]。

作物产量形成以生物量和养分吸收为基础。本研究中大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式下总生物量和籽粒生物量、总氮累积量和籽粒氮累积量最高,利于产量形成; 小麦-大豆轮作模式下尽管生物量和氮素收获指数和氮素生产效率最高, 但是总生物量和籽粒生物量、总氮累积量和籽粒氮累积量均最低,不利于高产形成。

崔喜安等[26]研究认为小麦秸秆还田后, 增施氮肥可以显著提高大豆产量。本研究也发现增加施肥可以显著促进植株生长、降低病株率、提高土壤全氮和速效氮、生物量及氮素累积量和收获密度, 但是降低氮素收获指数和氮素利用效率。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, 加速了秸秆腐解, 此外增施氮肥还降低了化感物质对植物生长的抑制作用[27]。因此, 在生产中秸秆还田后必须增施化肥, 加速秸秆降解, 降低化感抑制效应。

4 结论

不同种植模式下前茬作物秸秆还田、施肥及其互作对大豆产量形成影响显著, 大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式下增施肥料处理下大豆产量较高。小麦-大豆轮作模式下大豆总生物量和籽粒生物量、总氮累积量和籽粒氮累积量均较低, 不利于高产形成。秸秆还田后施肥处理可以显著促进植株生长、降低病株率、提高土壤全氮和速效氮、生物量及氮素累积量和收获密度, 进而增加产量, 其中施肥对小麦-大豆轮作模式中大豆的增产效果最高。在生产中建议推广大蒜-大豆和芥菜-大豆轮作模式。小麦-大豆轮作模式中在小麦秸秆还田后必须施肥才能达到高产。