黃土高原溝壑區果園綠肥油菜翻壓對土壤水肥的影響

王春麗，楊建利，王周禮，張 智，陳文杰

(陜西省雜交油菜研究中心，陜西楊陵 712100)

中國黃土高原溝壑區海拔800～1500m，具有北方旱寒區的典型氣候特點，土地資源豐富，光照充足，晝夜溫差大，干旱寒冷，溫度和降雨量從東南到西北遞減。當地年降水量450mm左右,主要集中于6—9月，而且分布不勻,風沙干旱年時有發生；夏季溫涼，平均極端最高溫度37.9℃，冬季寒冷，極端最低溫度可達-20℃以下。當地主要是黃綿土，土層厚而松，由于長期以來受到強烈的土壤侵蝕，土壤中的養分嚴重損失，有機質含量很低，土壤理化性質惡化，土壤板結，通氣透水性能降低，土壤肥力和質量較差。當地旱寒的氣候特點及瘠薄的土壤條件嚴重影響作物的生長。

黃土高原溝壑區是世界公認的蘋果最佳適生區，蘋果種植面積巨大，僅延安地區蘋果面積已超過20萬hm2，是陜西省蘋果主要產區之一。干旱和土壤瘠薄嚴重影響當地蘋果產量和品質。調查發現，當地果園土壤有機質平均含量普遍不足1%，遠低于發達國家4%～8%的平均水平[1]；當地蘋果園養分投入量偏低，其中化肥提供的N、P2O5和K2O占養分總投入量的80%以上，有機肥投入嚴重不足[2]。

果園施用有機質可提高土壤保水保肥能力，促進果樹根系生長，增加根系在深層土壤中的分布，提高根系活力，促進根系對養分的吸收和向果實中的轉移，顯著增加蘋果產量，并可增加果實可溶性糖、維生素C、可溶性固形物含量，提高糖酸比，改善蘋果品質，使蘋果果面光潔、個大、優果率較高[3-5]。大量的研究表明，種植綠肥可以改善土壤團粒結構，降低土壤的體積質量，增加土壤孔隙度和含水量，改良土壤沙、黏、酸、堿、鹽等障礙因子，調節土壤氮、磷、鉀庫，促使土壤中固定的營養元素的釋放，促進土壤微生物和酶的活性，逐步提高土壤肥力水平[6]。田間長期定位試驗發現，與不翻壓綠肥地塊相比，種植、翻壓綠肥的田塊土壤中有機質、全氮、堿解氮、速效鉀及速效磷含量顯著增加，土壤微生物活性、土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性顯著提高[7-9]。

為了改善土壤瘠薄的狀態和增加土壤有機質，黃土高原地區從上世紀90年代就開始推廣果園套種并翻壓豆科綠肥如苜宿、沙打旺、黃豆等，但沒有取得突破性進展。紫花苜宿、沙打旺是多年生牧草，可在土壤中形成密集的根系層，引起土壤水分的過度消耗；黃豆種植成本較高、產草量少；黃豆和牧草的耗水高峰均在6—8月份，正值蘋果膨大、生長和需水需肥的關鍵時期，易與果樹爭水爭肥。

油菜是1a生養地作物，種質資源豐富，可分為白菜型、甘藍型、芥菜型等類型以及冬性、春性等品種。油菜具有較強的適應性和抗逆性,耐寒、耐旱，對土壤肥力要求不高，坡地、低洼地都可很好地生長，是北方旱寒區新型油料作物和生態作物。油菜春、夏、秋三季都可播種，在雨季播種的油菜可迅速形成較大生物量，且不會象多年生牧草那樣形成密集厚實的根系層，避免和果樹爭水爭肥。油菜植株中營養元素含量豐富，莖葉易于腐爛，種子廉價，種植成本低，因而比其他綠肥更具有推廣優勢。

本研究針對黃土高原溝壑區果園春季干旱缺水、土壤瘠薄以及當地惡劣的生態環境，利用當地秋季多雨的氣候特點，于夏末秋初在山地蘋果園行間套種不同類型不同品種的油菜，入冬前翻壓還田，檢測其對土壤水分、養分含量的影響，以篩選宜作綠肥的油菜類型，探討在耗水較少的條件下能有效培肥土壤的綠肥還田技術模式，解決黃土溝壑區果園土壤瘠薄的現實問題，以促進蘋果產量和品質的提高。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗設計

試驗地位于陜西省延安市寶塔區河莊坪鎮余家溝村(36°11′～37°09′N，109°21′～110°03′E)的山地果園內，海拔1 300 m；研究區域冬春干旱、秋季多雨，年平均降雨量500 mm 左右，年均氣溫9.4 ℃，無霜期170～186 d。該區域土壤質地為黃綿土，土質疏松，土層深厚。試驗地為地勢平坦的臺田，蘋果主栽品種為4 a生雨養紅富士(MaluspumilaMill)，八棱海棠作砧木，種植密度為5 m×4 m，平均樹干直徑為17.8 cm，平均樹高為2.6 m，平均冠幅直徑為2.3 m。套種油菜為：‘2002’(V1)、‘春陜2B’(V2)、‘2013’(V3)、‘1721-1B’(V4)、‘浩油11’(V5)、‘09鑒8’(V6)、‘延油2號’(V7)、‘天油7號’(V8)、‘天油10號’(V9)、‘天油8號’(V10)和‘隴油8號’(V11)11個品種；其中V1、V2、V3、V4為甘藍型(BrassicanapusL.)冬性品種，V5為白菜型(BrassicacampestrisL.)春性品種，V6、V7、V8、V9、V10、V11為白菜型(BrassicacampestrisL.)冬性 品種。

在果園行間距果樹主桿1.2 m套種油菜，油菜行距0.40 m、株距0.10 m、種植密度約25 萬株·hm-2，播種時間為2018-08-14，油菜出苗時間8月22日前后。統一耕作、統一施肥管理、全程無灌溉。記載各油菜品種生長情況。

試驗設置果園套種并翻壓不同品種油菜的處理、以及不種油菜免耕空白(Blank)處理，以不種油菜并用旋耕機淺耕田為對照(Control)。秋季雨季來臨前在果樹行間套種不同品種油菜，秋末(10月30日)用旋耕機將油菜淺耕還田。每個油菜品種設3個小區的重復，重復內各油菜品種隨機排列，小區面積12 m2(3.0 m×4.0 m)。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 油菜地上(莖葉)、地下部分(根)生物學產量、地上部分干質量、主根長度 每小區選取生長均勻有代表性區域，用0.8×1.0 m2取樣框取樣，割取油菜地上部分，稱鮮質量并換算，計為地上生物學產量(S)；統計樣方內油菜株數并挖出油菜的根系部分，抖凈泥土，稱量并換算，計為地下生物學產量(R)；3次重復。測量單株主根長度， 5次重復。

將樣方內油菜地上部分在105 ℃殺青30 min，然后在60 ℃下烘至恒量，稱量干質量，換算成單位面積油菜地上部分干質量。3次重復。

1.2.2 土壤水分含量 分別于油菜生長旺盛期(10月8日)、翌年春季(3月18日，4月18日)用土鉆分段取0～20、20～40、40～60 cm土層的土壤，裝入鋁盒，土壤水分含量測定采用烘干稱重法。3次重復。

1.2.3 單位面積耗水量及單位耗水生物學產量(干質量) 采用環刀法分別測量土壤剖面上0～20、20～40、40～60土層土壤體積質量 (g·cm-3)，5次重復。

根據各層土壤體積質量分別計算0～20、 20～40、40～60土層單位面積的土壤體積質量[W，(g·m-3)]；與對照相比，計算各土層土壤水分含量的減少值(D，%)；再根據Cn=W×D，分別計算0～20、20～40、40～60土層單位面積土壤水分的減少量[Cn，(g·m-3)]，各層土壤水分減少量的總和作為單位面積0～60 cm 土層土壤的耗水量[即單位面積耗水量，(g·m-3)]。

根據單位面積上油菜地上部分干質量及單位面積耗水量，換算單位耗水地上部分的生物學 產量。

1.2.4 土壤養分含量 油菜翻壓當天于還田前(Before soil-returning,BR)(10月29日)和還田后(After soil-returning,AR)的次年春季(3月17日)，分別采集耕層0～20 cm土壤，測定其養分含量。土壤有效磷含量的測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀含量的測定采用醋酸銨浸提-火焰光度計比色法，堿解氮含量的測定采用堿解擴散法，有機質含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法。

1.3 數據處理

采用Excel 2010進行數據處理及圖表制作，采用 DPS V 7.55進行方差分析，應用Duncan’s新復極差法對數據進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 果園行間套種并翻壓油菜對土壤水分含量的影響

在油菜生長旺盛期，如圖1所示，淺耕空白(Blank)與對照相比無顯著差異；甘藍型冬性品種V1、V2、V3、V4處理的0～20 cm和V3處理的20～40、40～60 cm土層土壤水分含量均顯著低于對照，而V1、V2、V4處理20～40、40～60 cm土層土壤水分含量與對照相比差異不顯著；白菜型冬性品種V8、V9、V10處理的0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤水分含量均顯著低于對照，而品種V6、V7、V11處理的0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤水分含量沒有顯著變化；白菜型春性品種V5處理的0～20 cm土層水分含量顯著低于對照。即在油菜生長過程中、甘藍型冬性品種和白菜型春性品種主要消耗并影響0～20 cm土層的土壤水分，而白菜型冬性品種會導致0～60 cm土層的土壤水分含量降低。

如圖2所示，與對照相比，油菜翻壓還田后翌年3月份，甘藍型品種V1、V3處理的0～20 cm、V2處理的40～60 cm土層土壤水分含量顯著降低；白菜型春性品種V5及白菜型冬性品種V8、V9、V10處理的0～20、20～40、40～60 cm、V7處理的20～40 cm 、V11處理的40～60 cm土層土壤水分含量均顯著低于對照；其余處理(包括淺耕空白Blank)各層次土壤水分含量與對照相比差異不顯著。可見，秋季種植并翻壓甘藍型冬性品種油菜主要引起翌年春季3月份0～20 cm土層土壤水分含量的降低，而白菜型春性及其冬性品種會導致翌年3月份0～60 cm土層土壤水分含量的降低,秋末淺耕對翌年3月份土壤水分含量無顯著影響。

如圖3所示，油菜翻壓還田后翌年4月份，甘藍型品種V3、V4處理的0～20 cm土層、V2處理的0～20、40～60 cm土層土壤水分含量顯著低于對照，白菜型春性品種V5及其冬性品種V6、V11處理的0～20 cm土層、V7處理的0～20、40～60 cm土層、V7、V8、V9處理的0～20、20～40、40～60 cm土層土壤水分含量均顯著低于對照，其余處理(包括淺耕空白Blank)各層次土壤水分含量與對照相比差異不顯著。顯然，秋季種植并翻壓甘藍型冬性及白菜型春性油菜主要使翌年4月份0～20 cm土層土壤水分含量降低，而白菜型冬性油菜可使翌年4月份0～60 cm土層土壤水分含量呈現降低趨勢，秋末淺耕對翌年4月份土壤水分含量無顯著影響。

2.2 不同品種油菜單位面積耗水量及單位耗水地上部分生物學產量的比較

比較不同品種油菜在生長季節單位面積0～60 cm土層的耗水量(圖4-A)，可以看出，甘藍型冬性品種V3及白菜型冬性品種V8、V9、V10耗水較多，甘藍型冬性品種V1、V2、V4及白菜型春性品種V5、白菜型冬性品種V6、V7、V11耗水較少。反之，單位耗水地上部分生物學產量(干質量)較大的有品種V1、V11，其次是V2、V4、V5、V6、V7，而品種V3及V8、V9、V10單位耗水的生物學產量最小(圖4-B)。即大多數甘藍型冬性品種及部分白菜型(春性和冬性品種)油菜秋季單位面積的耗水量較少、且單位耗水的生物學產量 較大。

2.3 不同品種油菜地上及地下部分生物學產量的比較

如表1所示，參試品種油菜秋末地上部分鮮質量由大到小依次是V10>V5>V3>V11> V2>V8>V9>V7>V4>V1>V6，白菜型品種V10、V5最大，其次是甘藍型品種V3(V5與V3間無顯著差異)，再次是甘藍型品種V2與白菜型品種V11、V8、V9(這幾個品種間無顯著差異)，甘藍型品種V1、V4及白菜型品種V6、V7的地上部分鮮質量相對較小。品種間比較，秋季甘藍型油菜與白菜型油菜形成的地上部分莖葉鮮質量未呈有規律的變化。

根部鮮質量由大到小依次是V11>V10> V6>V7>V8>V3>V9>V5>V2>V1>V4，白菜型冬性品種V10、V11的根鮮質量最大，顯著高于其他品種，其次是白菜型品種V6、V7、V8、V9及甘藍型品種V3，白菜型春性品種V5及甘藍型品種V2、V1、V4根鮮質量顯著低于其他品種(表1)。甘藍型冬性品種的根與莖葉鮮質量的比值(根/莖葉)為0.102～0.131，白菜型春性品種為0.087，白菜型冬性品種為0.150～0.258，白菜型冬性品種植株根與莖葉鮮質量的比值明顯大于甘藍型冬性和白菜型春性品種(表1)。冬前主根長以白菜型冬性品種V6最大，其次是V11、V10及V7、V8、V9，這些品種的冬前主根長均顯著大于甘藍型冬性品種V1、V2、V3、V4，白菜型春性品種V5與甘藍型品種間無顯著差異(表1)。顯然，品種間比較油菜植株冬前形成的根系生物量、根與莖葉鮮質量的比值、根系深度，白菜型冬性品種顯著大于甘藍型冬性品種，白菜型春性品種的根系生物量及主根深度與甘藍型冬性品種間無顯著差異。

表1 不同品種油菜地上及地下部分生物學產量

2.4 油菜翻壓還田對土壤養分含量的影響

和翻壓前相比較，甘藍型冬性品種V1、V2及白菜型冬性品種V7翻壓還田后顯著提高土壤速效磷含量，白菜型春性品種V5翻壓后土壤速效磷含量顯著降低，其余的甘藍型冬性品種V3、V4和白菜型冬性品種V6翻壓對土壤速效磷含量影響不顯著(圖5-A)。品種V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7翻壓還田均顯著提高土壤速效鉀 (圖5-B)、對土壤堿解氮含量均無顯著影響(圖5-C)。品種V1、V5還田顯著提高土壤有機質含量，V7還田后土壤有機質含量顯著降低(圖5-D)。總之，甘藍型及白菜型油菜秋季翻壓均顯著增加翌年春季土壤速效鉀含量，翻壓甘藍型冬性油菜的土壤速效磷含量呈現增加趨勢，白菜型春性品種翻壓有利于土壤有機質的積累，但土壤速效磷含量顯著降低。

3 討論與結論

夏閑地種植綠肥可使綠肥翻壓前、小麥播前、開花期直至收獲后0～200 cm土層土壤貯水量和剖面水分含量顯著降低[10-12]。和清耕相比，果園種植白三葉和鴨茅降低0～120 cm土層土壤水分含量[13]。草木棲生長頭1 a對土壤水分的影響深度至少可達50 cm以上,2 a生草木棲返青后如果繼續生長,到第2年雨季前土壤含水量( 特別是下層土壤)顯著低于休閑地[14]。本研究結果顯示，秋末淺耕對果園行間土壤水分含量影響不顯著；不同類型油菜生長過程中耗水不同，甘藍型冬性品種普遍耗水量較少，單位耗水地上部分生物學產量較高，種植翻壓后可降低生長當季及翌年3、4月份0～20 cm土層土壤水分含量；而白菜型油菜品種間差異較大，有些品種單位面積耗水量較少，而有些品種單位面積耗水量較多且單位耗水地上生物學產量較小；種植翻壓后，白菜型冬性及春性品種可使當季及翌年3、4月份0～60 cm土層土壤水分含量顯著降低，且這種降低趨勢4月份大于3月份。

不同種類的綠肥對土壤水分的影響與其生物量大小及其根系的深度密切相關，生物量過大、根系較深都會引起土壤水分的過度消耗。本研究中，白菜型春性品種地上莖葉的生物量大，甘藍型及白菜型冬性油菜地上莖葉的鮮質量呈現無規律的變化，而白菜型冬性品種根鮮質量、根與莖葉鮮質量的比值(根/莖葉)以及主根長度均顯著大于甘藍型品種，故白菜型春性及冬性品種通過吸收消耗均使秋季及翌年春季較深層的土壤水分含量明顯減少，而甘藍型冬性油菜秋季形成的根系生物量較少、分布較淺，通過吸收消耗主要影響秋季及翌年春季較淺層的土壤水分含量。

綠肥翻壓是改良土壤的有效途徑。種植豆科綠肥能顯著提高土壤有機質和全氮含量，顯著提高水分生產效率[12]。夏閑期翻壓綠肥顯著提高土壤有機質、活性有機質、全氮、速效鉀及硝態氮含量，并顯著增加后茬小麥開花期、收獲期土壤有效磷含量[10,15]。油菜植株干草含氮量可達到 2.52%、含磷量(P2O5)約為1.53%、含鉀量(K2O)約為2.57%，油菜作綠肥壓青顯著增加土壤有機質、土壤全氮、堿解氮、速效鉀、速效磷等的含量，降低土壤體積質量，增加土壤毛管孔隙度，抑制病原菌，還可以調整土壤pH；稻田油菜綠肥不僅能顯著增加早稻產量，且后效明顯、顯著增加晚稻產量[16-18]。本研究中，秋末翻壓甘藍型冬性油菜使翌年春季土壤中速效鉀含量顯著增加，土壤速效磷含量有明顯的增加趨勢；白菜型春性品種由于其地上生物量較大，翻壓還田顯著增加土壤有機質及速效鉀含量；白菜型冬性品種翻壓還田顯著增加土壤速效鉀含量，而對其他土壤養分的影響存在品種間差異。

總之，黃土高原溝壑區秋雨季節果園套種油菜可迅速形成較大的生物量，油菜植株水分含量高，易于腐爛，翻壓還田后能明顯提高土壤肥力。其中甘藍型冬性油菜在生長季節單位面積耗水量較少，單位耗水的地上生物學產量較大，植株根系較小、分布淺，種植后主要影響秋季到翌年春季20 cm以內淺層土壤的水分含量，翻壓還田顯著增加土壤速效鉀含量，速效磷含量亦有明顯的增加趨勢，因此更適宜作為綠肥在黃土高原區種植。另外，油菜還田增加土壤速效鉀含量的效果顯著，可能是由于油菜腐解過程中要釋放出較多的有機酸，使土壤中一部分固定態的鉀釋放出來，這有待于進一步研究。