轮作豆科植物对马铃薯连作田土壤速效养分及理化性质的影响
[秦舒浩1, 2 
, 曹莉1, 2 , 张俊莲1 , 师尚礼3 , 王蒂1 ]
, 曹莉引用本文
秦舒浩, 曹莉, 张俊莲, 师尚礼, 王蒂. 轮作豆科植物对马铃薯连作田土壤速效养分及理化性质的影响. 作物学报, 2014, 40(8): 1452-1458[QIN Shu-Hao, CAO Li, ZHANG Jun-Lian, SHI Shang-Li, WANG Di. Effect of Rotation of Leguminous Plants on Soil Available Nutrients and Physical and Chemical Properties in Continuous Cropping Potato Field. ACTA AGRONOMICA SINICA, 2014, 40(8): 1452-1458] 
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轮作豆科植物对马铃薯连作田土壤速效养分及理化性质的影响
摘要
合理轮作天蓝苜蓿(
关键词:
马铃薯连作田; 轮作豆科植物; 土壤速效养分; 土壤电导率; 土壤酶活性
Effect of Rotation of Leguminous Plants on Soil Available Nutrients and Physical and Chemical Properties in Continuous Cropping Potato Field
Abstract
Soil available nitrogen, soil available phosphorus and soil available potassium contents were improved to some extent by the rotation of
Keyword:
Potato continuous cropping field; Rotation leguminous plants; Soil available nutrients; Soil conductivity; Soil enzyme activity
甘肃陇中旱农区属于黄土高原西部沟壑区, 该区降雨稀少且热量不足, 使马铃薯-玉米轮作种植模式难以实现, 加之受土地总面积的制约, 陇中半干旱区优势作物马铃薯连作种植在生产中比较普遍。有研究表明, 长期连作导致土壤肥力下降, 根系分泌物的自毒作用增强, 病原微生物数量增加, 致使作物产量降低[ 1, 2]; 马铃薯连作会导致土壤理化性状恶化, 土壤微生物区系发生变化, 土壤微生物活力下降, 土壤养分亏缺加重, 从而影响作物对土壤养分的吸收利用; 土壤养分亏缺、失调, 又会影响马铃薯的品质, 并且导致马铃薯产量下降[ 3, 4, 5, 6]。土壤酶的主要来源是土壤微生物及土壤中原生动物的分泌物[ 7], 直接参与土壤物质和能量的转化[ 8]。另有研究表明, 随着连作年限的增加, 土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性逐渐降低[ 9], 土壤酶活性下降, 土壤有效养分含量降低, 是造成大豆连作障碍而引起产量下降的原因之一[ 10]。随着马铃薯连作种植而产生的问题日益突出, 探索如何通过有效和科学途径降低马铃薯连作障碍及自毒作用, 进而提高马铃薯产量和品质已刻不容缓。合理轮作是防止土壤连作障碍发生的最佳途径, 其中草田轮作是我国耕作制度的一种古老而有效的方法[ 11]。轮作可以最大限度地提高土地生产力和作物的质量以及纯收益, 而且对环境的负面影响最小[ 12]。Carter等[ 13]的研究表明, 轮作时间、轮作方式及马铃薯的种植频率与土壤有机质动态变化和土壤健康密切相关。在加拿大, 被公认的有机马铃薯生产系统中, 最突出特点就是延长轮作时间, 并且使用豆科作物覆盖来补充马铃薯对氮素的需求[ 14]。Ojaghian等[ 15]通过对甘蓝-马铃薯轮作模式研究发现, 此轮作方式可以明显降低马铃薯的发病率和植株的死亡率。目前, 有关马铃薯-豆科植物轮作对不同年限连作田土壤质量方面的影响还鲜有报道。本研究旨在为进一步提高半干旱区马铃薯产量、维持土壤健康和农田可持续生产及改善连作马铃薯田土壤质量提供新的方法。
1 材料与方法
1.1 试验设计
本试验在甘肃省定西市甘肃农业大学综合试验站进行, 该试验站主要开展马铃薯抗旱栽培、品种选育及示范等方面的试验研究, 具有实施马铃薯连作试验的多年连作田。本试验选取马铃薯1~4年和7年的5种连作田, 于马铃薯收获后实施马铃薯-豆科植物轮作, 对每一连作年限马铃薯田均种植箭筈豌豆、天蓝苜蓿和陇东苜蓿3种豆科植物, 连作年限与植物种类完全组合, 共15个处理, 每个处理设3次重复。试验中未施用肥料。于2012年4月种植豆科植物, 播种量分别为陇东苜蓿30 kg hm-2、天蓝苜蓿45 kg hm-2、箭舌豌豆120 kg hm-2, 种子由甘肃农业大学草业生态系统教育部重点实验室提供, 小区面积为3 m × 2 m。种植豆科植物前测定5种连作马铃薯田土壤速效养分、pH、土壤电导率和酶活性, 此测定值作为对照, 在豆科植物完成生长周期后再次测定各个指标, 通过2次数据的对比分析, 研究轮作豆科植物对马铃薯连作田土壤养分、pH、土壤电导率及酶活性的影响。试区0~50 cm土壤基础理化性状见表1。
 | 表1 试区土壤基础理化性状 Table 1 Soil chemical and physical properties at experiment area |
1.2 土壤样品采集
于播种豆科植物前和完成生长周期后, 分别在每个小区内按照S形选取采样点, 用直径4 cm的土钻取土壤0~30 cm土层土样。每个小区取6个点并混匀为一个样, 剔除其中混杂的断根和石块后自然风干并过1 mm筛, 用于测量土壤养分、pH、土壤电导率及酶活性。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤养分 参照《土壤农化分析》[ 16], 采用碱解扩散法测土壤速效氮含量; 采用0.5 mol L-1 NaHCO3法测土壤速效磷含量; 采用NH4OAc浸提-火焰光度法测土壤速效钾含量。
1.3.2 土壤电导率 采用雷磁DDSJ-308A电导率仪测定[ 17, 18]。
1.3.3 土壤酶活性 采用KMnO4滴定法测定过氧化氢酶活性, 结果以单位土重消耗的0.0002 mol L-1高锰酸钾毫升数表示。采用苯酚钠次氯酸钠比色法测定脲酶活性, 结果以每100 g土的NH4+-N毫克数表示。采用磷酸苯二钠比色法测定磷酸酶活性, 结果以每100 g土壤中酚毫克数表示[ 19]。
1.3.4 数据处理 采用Microsoft Excel 2010软件处理数据; 用DPS 7.05统计软件进行方差分析, 并用LSD法进行同一连作年限内处理间差异显著性多重比较( P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 轮作豆科植物对连作马铃薯土壤速效氮含量的影响
表2表明, 随马铃薯连作年限的增加, 土壤速效氮含量降低(对照)。轮作豆科植物后, 1年连作田土壤速效氮含量均显著降低, 箭筈豌豆、天蓝苜蓿和陇东苜蓿处理组分别比对照降低66.4%、47.9%和 60.5%; 对于2年连作田, 轮作天蓝苜蓿和箭筈豌豆后, 土壤速效氮均不同程度地增加, 与对照相比, 分别增加0.6 mg kg-1和2.7 mg kg-1, 轮作陇东苜蓿后, 土壤速效氮含量降低18.0%; 而3年以上的连作田轮作3种豆科植物后, 土壤速效氮含量均显著增加, 且轮作陇东苜蓿和箭筈豌豆优于天蓝苜蓿。
| 表2 轮作豆科植物对连作马铃薯土壤速效氮含量的影响 Table 2 Effect of rotation legumes plants on soil available nitrogen content for continuous cropping potato |
2.2 轮作豆科植物对连作马铃薯土壤速效磷含量的影响
从表3可以看出, 连作2年时马铃薯土壤速效磷含量有小幅增加, 之后随连作年限增加逐渐降低。对于1年连作田, 轮作天蓝苜蓿和陇东苜蓿的土壤速效磷含量均显著增加, 而轮作箭筈豌豆的处理组与对照相比减少16.4%, 但差异不显著; 2年连作田轮作3种豆科植物后, 土壤速效磷均显著降低, 轮作天蓝苜蓿、陇东苜蓿和箭筈豌豆的处理分别比对照降低54.0%、51.5%和37.2%。从连作第3年开始, 通过与3种豆科植物轮作, 连作马铃薯田土壤速效磷含量均显著增加。
| 表3 轮作豆科植物对连作马铃薯土壤速效磷含量的影响 Table 3 Effect of rotation legumes plants on soil available phosphorus content for continuous cropping potato |
2.3 轮作豆科植物对连作马铃薯土壤速效钾含量的影响
由表4可知, 从连作第2年起马铃薯田土壤速效钾含量急剧下降。轮作天蓝苜蓿和箭筈豌豆后, 1年连作田土壤的速效钾含量显著降低, 分别比对照降低71.7%和73.8%, 而轮作陇东苜蓿处理组在数值上比对照减少8.8%, 但差异不显著; 2年连作田轮作3种豆科植物后, 土壤中速效钾含量均显著降低, 其中以轮作天蓝苜蓿降幅最大, 为83.1%, 而轮作陇东苜蓿和箭筈豌豆处理组分别降低73.4%和40.6%。对于3年连作田, 轮作天蓝苜蓿和箭筈豌豆的处理, 土壤速效钾含量分别比对照增加22.4%和26.8%, 而陇东苜蓿处理组则降低67.2%; 通过轮作天蓝苜蓿, 4年连作田土壤速效钾含量比对照增加1.6倍, 而使用陇东苜蓿和箭筈豌豆轮作的速效钾含量分别比对照降低38.3%和3.1%。连作7年的马铃薯田土壤, 通过不同植物轮作后也显示出不同的结果, 天蓝苜蓿轮作后, 土壤速效钾含量比对照增加3.57倍, 使用陇东苜蓿和箭筈豌豆的处理, 土壤中速效钾含量相比对照分别减少87.0%和65.0%。
| 表4 轮作豆科植物对连作马铃薯土壤速效钾含量的影响 Table 4 Effect of rotation legumes plants on soil available potassium content for continuous cropping potato field |
2.4 轮作豆科植物对连作马铃薯土壤电导率的影响
由表5可知, 轮作豆科植物后, 马铃薯5种连作田土壤电导率值均显著降低。轮作天蓝苜蓿、陇东苜蓿和箭筈豌豆后, 1年连作田土壤电导率值分别比对照下降53.3%、59.3%和69.7%; 对于2年连作田, 轮作天蓝苜蓿的处理组土壤电导率值下降幅度最大, 为72.8%, 而轮作箭筈豌豆的下降幅度最小, 为50.4%; 3年连作田轮作天蓝苜蓿、陇东苜蓿和箭筈豌豆后, 土壤电导率值分别下降10.0%、32.4%和43.1%; 4年连作田分别降低55.6%、23.6%和2.5%; 而7年连作田分别减少50.5%、60.0%和46.7%。
| 表5 轮作豆科植物对连作马铃薯土壤电导率的影响 Table 5 Effect of rotation forage legumes on soil conductivity for continuous cropping potato field |
2.5 轮作豆科植物对连作马铃薯土壤酶活性的影响
图1表明, 通过轮作豆科植物, 马铃薯连作田土壤脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均不同程度增强。对于连作1年、2年和4年的土壤, 脲酶活性促进作用最大的为箭筈豌豆, 分别比对照增加3.1倍、4.2倍和4.7倍; 3年连作田以轮作陇东苜蓿促进脲酶活性作用最为显著, 比对照增加6.4倍; 连作7年土壤脲酶活性对天蓝苜蓿最为敏感, 比对照增加5.5倍。对于碱性磷酸酶活性, 连作1年和连作4年的土壤对箭筈豌豆反应最为灵敏; 连作2年、3年和7年的土壤对天蓝苜蓿反应最为灵敏。对于过氧化氢酶活性, 1年、3年和4年连作田轮作天蓝苜蓿显著高于轮作其他两种植物, 相比箭筈豌豆和陇东苜蓿连作1年土壤酶活性提高28.7%和82.8%; 连作3年田土壤酶活性增加1.8%和3.5%; 连作4年土壤酶活性提高62.7%和34.2%; 2年和7年连作田轮作箭筈豌豆的过氧化氢酶活性增幅最大, 比轮作天蓝苜蓿分别提高19.3%和28.7%, 比轮作陇东苜蓿的土壤分别增加28.4%和14.2%。
 | 图1 轮作豆科植物对连作马铃薯田土壤酶活性的影响Fig. 1 Effect of rotation legumes plants on soil enzyme activity for continuous cropping potato field |
2.6 轮作豆科植物后马铃薯产量
图2表明, 1年连作田上轮作3种植物后对马铃薯产量没有明显影响; 对于2年连作田, 轮作天蓝苜蓿的产量显著高于箭筈豌豆; 3年连作田, 轮作天蓝苜蓿和箭筈豌豆的产量显著高于陇东苜蓿; 4年连作田, 轮作3种植物后马铃薯产量差异均达显著水平, 以轮作天蓝苜蓿的最高, 轮作陇东苜蓿的最低; 7年连作田, 以轮作箭筈豌豆的产量最高。
 | 图2 轮作豆科植物后马铃薯产量1~7表示连作年限, T、L和W分别表示天蓝苜蓿、陇东苜蓿和箭筈豌豆。图中不同小写字母表示处理间差异显著( P<0.05)。Fig. 2 Potato yield by rotation of legume plantsThe numbers 1-7 represent continuous cropping years, and T, L and W represent Medicago lupulina, common vetch and Longdong alfalfa, respectively. Different small letters in the figure meant significant difference among treatments at 0.05 level. |
3 讨论
总体来看, 随马铃薯连作年限的增加, 马铃薯田土壤速效养分呈下降趋势, 而且速效氮和速效钾含量下降幅度大于速效磷。这与部分研究结果相似, 认为随着大豆、水稻连作年限的增加, 土壤中速效 钾含量显著降低[ 20, 21]。而合理的农田轮作系统能极大改善土壤的养分特征[ 22]。本试验结果表明, 轮作3种豆科植物对马铃薯1年连作田土壤速效氮含量没有明显的促进作用; 对马铃薯2年连作田, 仅箭筈豌豆对土壤中氮素有效性有促进作用, 而天蓝苜蓿和陇东苜蓿效果不明显。对于连作3年、4年和7年的马铃薯田土壤, 轮作3种豆科植物均能提高土壤氮素的有效性, 且箭筈豌豆和陇东苜蓿的效果优于天蓝苜蓿。另外, 对于马铃薯1年连作田, 轮作天蓝苜蓿和陇东苜蓿后土壤速效磷均显著增加, 而轮作箭筈豌豆作用不显著; 而2年连作田轮作3种豆科植物后土壤速效磷含量均显著降低; 从连作3年开始, 轮作3种豆科植物后, 对土壤磷素的有效性均产生了极为显著的提升作用。而马铃薯-豆科植物轮作对土壤速效钾含量的影响不同于速效氮和速效磷。对于马铃薯4年以上的连作田, 轮作天蓝苜蓿
可提高土壤速效钾含量, 而其他连作年限及轮作箭筈豌豆和陇东苜蓿均没有提高土壤速效钾含量; 7年连作田在轮作陇东苜蓿和箭筈豌豆后, 土壤中速效钾含量甚至分别降低了87.0%和65.0%。由此可见, 轮作系统对连作田土壤养分的恢复作用与连作年限有关, 也与养分种类及轮作作物有关[ 22]。一般来说, 连作年限越长, 轮作后对土壤速效养分补给越明显。
通过轮作豆科植物, 不同连作年限马铃薯田土壤电导率均显著下降。对于连作1年的马铃薯田, 轮作箭筈豌豆效果最佳, 其次为陇东苜蓿和天蓝苜蓿。对于连作2年马铃薯的土壤, 轮作3种豆科植物对土壤盐渍化改良作用强弱表现为天蓝苜蓿>陇东苜蓿>箭筈豌豆。连作3年马铃薯土壤, 盐渍化改良能力为箭筈豌豆>陇东苜蓿>天蓝苜蓿。对于连作4年的马铃薯田土, 天蓝苜蓿的盐渍化改良作用最强, 陇东苜蓿次之, 箭筈豌豆最弱。而对于连作7年马铃薯田, 则盐渍化改良效果为陇东苜蓿>天蓝苜蓿>箭筈豌豆。说明马铃薯-豆科植物轮作系统对降低土壤含盐量及防止马铃薯连作田土壤盐渍化有显著的效果。
土壤酶在土壤生态系统的物质循环和能量转化中起着非常重要的作用[ 23], 它不仅是催化土壤中一切生物化学反应的重要物质; 同时, 其活性强弱也是确定土壤各种生物化学过程的动向和强度的重要指标[ 24]。土壤酶活性与土壤生物区系、数量和生物多样性密切相关, 它们一起推动着土壤的代谢过程, 是土壤质量的生活指标[ 25, 26]。因而土壤酶活性对环境扰动的响应、根际土壤酶功能的重要性、土壤酶研究技术以及土壤酶作为土壤质量的指标等成为研究的主攻方向[ 27]。本研究表明, 通过轮作豆科植物, 连作土壤脲酶、土壤碱性磷酸酶和土壤过氧化氢酶活性均显著提高, 但轮作不同豆科植物对土壤各种酶活性的影响不同。通过对北美马铃薯生产体系的研究表明, 轮作对马铃薯病害有显著的影响[ 28], 同时对马铃薯土壤微生物群落有显著的影响[ 29], 另有研究表明, 轮作对马铃薯土壤质量和土壤的理化性质均有很明显的影响[ 30, 31, 32]。从第2年连作开始, 轮作豆科植物对后茬马铃薯产量产生明显影响, 其中, 第3~第4年连作期间, 轮作天蓝苜蓿和箭筈豌豆对后茬马铃薯增产效果较明显。
4 结论
轮作天蓝苜蓿、陇东苜蓿和箭筈豌豆3种豆科植物均能提高马铃薯2年以上连作田土壤有效氮含量; 轮作3种豆科植物可显著提高3年以上连作田土壤速效磷含量, 增幅最高可达207%; 而轮作天蓝苜蓿可提高3~4年连作田土壤速效钾含量, 其他连作年限及轮作箭筈豌豆和陇东苜蓿均没有提高土壤速效钾含量。轮作豆科植物使不同连作年限马铃薯连作田土壤EC值均显著下降, 说明实施马铃薯-豆科植物轮作对防止马铃薯连作田土壤盐渍化有显著的效果。轮作豆科植物使连作田土壤脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均显著提高。从第2年连作开始, 轮作豆科植物对后茬马铃薯产量产生明显影响, 第3~第4年连作期间, 轮作天蓝苜蓿和箭筈豌豆对后茬马铃薯增产效果较显著。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。
参考文献
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