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不同种植模式对黑龙江黑土理化性状的影响

发布时间:2023年01月18号,星期三 快速评论

摘    要:为明确种植模式对黑龙江黑土土壤理化性状的影响,筛选适合该地的种植模式,于2019—2021年在黑龙江省克山县进行试验,设置玉米—大豆—小麦轮作(T1)、玉米—大豆—马铃薯轮作(T2)、玉米—大豆—高粱轮作(T3)、玉米连作(CK1)、大豆连作(CK2)5个处理,分析种植模式对土壤理化性状的影响。结果表明,不同种植模式对土壤团聚体影响不同,10~20 cm土层轮作处理0.5~2 mm粒级土壤机械稳定性团聚体占比高于连作处理,且以T2处理最高;20~30 cm土层0.5~2 mm粒级水稳性团聚体以T1、T2、T3处理较高;不同粒级团聚体稳定指数表明,T2处理水稳性团聚体含量较高,结构破坏率较低,稳定性较好。不同种植模式对黑土土壤养分的影响也不同,CK1、CK2土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量较T1、T2、T3处理低,且土壤发生酸化。T1、T2、T3处理中,以T2处理提高土壤养分含量及调节土壤酸度整体效果较好。综上,T2(玉米—大豆—马铃薯轮作)处理可以提高土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体,并且粒径<0.25 mm的小团聚体占比低,结构破坏率低,同时可以提高土壤碱解氮、有机质含量,减弱土壤酸化,建议在当地推广该种植模式。Fjv知览论文网
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关键词:种植模式;轮作;连作;黑士;理化性状;土壤团聚体;土壤养分;
Effects of Different Planting Methods on Soil Physical and Chemical Properties ofFjv知览论文网
Heilongjiang Black Soil
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WANG Cong LI Ming QIU Guangwei WANG Lichun LIU Lingling WANG Huaipeng PANGFjv知览论文网
Ze TANG Chunshuang SUN JiyingFjv知览论文网
Keshan Branch, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences Key Laboratory of Potato BiologyFjv知览论文网
and Genetic Breeding, Ministry of Agriculture and Rural AffairsFjv知览论文网
Institute of Crop Research,Fjv知览论文网
Heilongjiang Academy of Land Reclamation Sciences
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Abstract:In order to clarify the soil physical and chemical properties of different planting methods in Heilongjiang black soil area, and screen out the suitable cultivation methods for this area, the effects of five different cropping patterns, corn-soybean-wheat rotation (T1), corn-soybean-potato rotation (T2), corn-soybean-sorghum rotation (T3), maize continuous cropping (CK1), soybean continuous cropping (CK2), on soil physical and chemical properties were studied from 2019 to 2021,. The results showed that different planting patterns had different effects on soil aggregates. The proportion of 0.5-2 mm grain aggregates in rotation treatment of 10-20 cm soil layer was higher than that in continuous cropping treatment, and T2 treatment was the highest. The 0.5-2 mm grain size of water-stable aggregates in the 20-30 cm soil layer was higher when treated with T1, T2 and T3. The stability index of aggregates of different grain sizes showed that the content of water-stable aggregates of T2 treatment was higher, the structural failure rate was lower, and the stability was better. The effects of different planting patterns on soil nutrients of black soil were also different. The contents of alkali-hydrolyzed nitrogen, available phosphorus, available potassium and organic matter in CK1 and CK2 soils were lower than those in T1, T2 and T3 treatments, and soil acidification occurred. Among T1, T2 and T3 treatments, T2 treatment had a better overall effect on increasing soil nutrient content and adjusting soil acidity. In conclusion, T2 (corn-soybean-potato rotation) treatment could improve the mechanical stability and water stability of soil aggregates, proportion of small aggregates with particle size < 0.25 mm with a lower and lower structural failure rate, and could increase the content of soil alkyl-hydrolyzed nitrogen and organic matter, and reduce soil acidification. It is recommended to popularize this planting mode locally.Fjv知览论文网
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Keyword:Planting pattern; Rotation; Continuous cropping; Black soil; Physical and chemical property; Soil aggregate; Soil nutrient;Fjv知览论文网
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土壤团聚体是土壤最基本的组成单元,其组成是评价土壤性状的重要指标。土壤团聚体稳定性高,可以保证土壤结构在受外力影响时不被迅速破坏而使土壤恶化[1,2,3]。土壤团聚体的稳定性受诸多因素影响[4],其中轮作能够维持土壤团聚体稳定性并调节土壤理化性状,是改良土壤结构和保持土壤肥力的重要措施[5,6,7]。有研究表明,土地利用方式不同,土壤团聚体组成及稳定性、土壤养分含量也不同[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]。有研究表明,与连作相比,轮作能提高土壤团聚体以及水稳性团聚体占比[8,9,10],并提高土壤中氮、磷、钾及有机质等养分含量[11,12,13,14,15,16,17]。刘高远等[13]的研究表明,轮作、连作处理土壤氮含量差异明显,其中轮作能够提高土壤中氮含量,从而提高土壤肥力[13]。QING 等[14]、BANSAL等[15]的研究表明,土壤磷含量是一个动态指标,不同年份间存在差异,外源因素会对土壤磷含量造成影响。其中,轮作可以提高土壤中有效磷含量[16,17]。钾是作物连作障碍因子之一[18],土壤速效钾含量对作物的生长发育有较大影响,在农业生产中常因土壤钾亏缺而造成作物减产,采用不同作物轮可以较好地解决该问题,如马铃薯-双季稻轮作可以使土壤钾含量维持在较稳定的状态[19]。作物合理轮作也能够提高土壤有机质含量,改良土壤肥力[20,21,22]。土壤pH值反映了土壤酸碱化程度,土壤酸化致使作物产量、品质下降,因此,在农业生产中应注意避免土壤酸化,而合理轮作能够提高土壤对酸碱物质的缓冲能力,防止土壤酸化[23]。Fjv知览论文网
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黑土是一种性状优良的土壤,保水、保肥性能好,适合作物生长[24,25],黑龙江是东北典型黑土区。克山县主栽作物为玉米、大豆、马铃薯、小麦及杂粮,是黑龙江黑土区典型代表地之一。因此,拟利用克山县主栽作物进行轮作组合试验,研究不同种植模式对黑土土壤理化性状的影响,为农业可持续发展和保障国家粮食安全提供参考。Fjv知览论文网
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1 材料和方法Fjv知览论文网
1.1试验材料Fjv知览论文网
供试大豆品种为当地主栽品种克山1号,玉米品种为当地主栽品种克玉19,马铃薯品种为当地主栽品种克新28号,高粱品种为当地主栽品种克杂15号,小麦品种为当地主栽品种克春19号。Fjv知览论文网
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1.2试验地点Fjv知览论文网
试验于2019—2021年在黑龙江省农业科学院克山分院试验地进行。该地属于寒温带半干旱大陆性气候,年降水量634 mm,年平均气温2.9℃,年日照时数1 774h,无霜期163d。试验田土壤为黑土,弱酸性。Fjv知览论文网
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1.3试验设计Fjv知览论文网
试验设置3个轮作处理:玉米—大豆—小麦轮作(T1),玉米—大豆—马铃薯轮作(T2),玉米—大豆—高粱轮作(T3);2个连作处理为对照(CK):玉米连作(CK1),大豆连作(CK2)。试验采取随机区组设计,3次重复。小区8行,行长15 m,行距0.65 m。施肥量依据当地生产标准确定,玉米(N135 kg/hm2,P2O5105 kg/hm2,K2O45 kg/hm2);大豆(N 60 kg/hm2,P2O5 75 kg/hm2,K2O 30 kg/hm2);小麦(N 75 kg/hm2,P2O5 67.5 kg/hm2,K2O 37.5 kg/hm2);高粱(N 180 kg/hm2,P2O5 75 kg/hm2,K2O 30 kg/hm2);马铃薯(N 180 kg/hm2,P2O5 150 kg/hm2,K2O 112.5 kg/hm2)。上述施肥量包括底肥和追肥施肥量。田间管理与大田生产相同。大豆保苗密度40万株/hm2,玉米保苗密度10万株/hm2,小麦保苗密度700万株/hm2,马铃薯保苗密度6.5万株/hm2,高粱保苗密度30万株/hm2。Fjv知览论文网
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每年于当年最后一季作物收获后对0~20、20~30 cm土层进行土样采集,清除地表枯枝落叶后采用五点取样法取土,将每小区对角线中心作为中心采样点,在对角线上选择4个与中心点等距的点进行取样。用土钻取土,将同一处理小区的土样去除根系残体及筛选其他侵入体后混匀装袋,经自然风干后研磨过筛备用。Fjv知览论文网
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1.4 测定项目及方法Fjv知览论文网
1.4.1 土壤团聚体测定Fjv知览论文网
采用干筛法与湿筛法测定10~20 cm机械稳定性团聚体和20~30 cm水稳性团聚体,分别通过孔径为5、2、1、0.5、0.25 mm的5个筛级,并计算平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、水稳性团聚体含量(WSA)、结构体破坏率(PAD)[26]。Fjv知览论文网
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1.4.2 土壤化学指标测定Fjv知览论文网
参照鲍士旦[27]的方法对土壤pH值及土壤解氮、土壤速效磷、土壤速效钾、土壤有机质含量进行测定。Fjv知览论文网
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1.5 数据统计分析Fjv知览论文网
使用Excel 2007进行数据整理,使用SPSS 21.0软件进行方差分析以及显著性检验。Fjv知览论文网
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2 结果与分析Fjv知览论文网
2.1不同种植模式土壤团聚体组成特征Fjv知览论文网
2.1.1土壤机械组成分析Fjv知览论文网
土壤中不同粒级占比代表了土壤的机械组成,根据机械组成可以对土壤质地进行划分。不同轮作条件下土壤机械组成结果见表1。由表1可知,>5 mm粒径团聚体以CK2处理占比最大,为11.82%,显著高于其他处理;2~5 mm粒径团聚体以T1、T3处理占比较大,显著高于T2、CK1、CK2处理;1~2 mm以及0.5~1 mm粒径团聚体以T2处理占比最大,分别为29.69%、22.73%;<0.25 mm粒径团聚体以CK1、CK2处理占比较大,显著高于T1、T2、T3处理。粒径<0.25 mm的小团聚体机械稳定性较差,该级别团聚体占比越高,表明土壤机械稳定性越差[24]。综上,T1、T2、T3处理大团聚体占比较高,具有良好的机械组成,土壤质地较为优良。Fjv知览论文网
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表1 不同种植模式土壤机械组成Fjv知览论文网
Tab.1 Soil mechanical composition of different cropping pattern %Fjv知览论文网
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2.1.2土壤水稳性团聚体组成分析Fjv知览论文网
不同种植模式土壤水稳性团聚体组成见表2。由表2可知,>5 mm粒径水稳性团聚体以CK1处理占比最大,为4.79%;2~5 mm粒径水稳性团聚体以T2处理占比最大,为17.52%,显著高于其他处理;1~2 mm粒径水稳性团聚体以T1处理占比最大,为19.52%,显著高于其他处理;0.5~1 mm粒径水稳性团聚体以T2、T3处理占比较大,显著高于其他处理;0.25~0.5 mm粒径水稳性团聚体以CK1处理占比最大,为19.27%,显著高于其他处理;<0.25 mm粒径水稳性团聚体以CK1处理占比最大,为28.19%,显著高于其他处理。Fjv知览论文网
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表2 不同种植模式土壤水稳定性团聚体粒级分布 Fjv知览论文网
Tab.2 Distribution of aggregate size of soil water stability of different cropping patternFjv知览论文网
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2.1.3土壤团聚体稳定指数分析Fjv知览论文网
由图1可知,不同种植模式土壤团聚体稳定指数呈现一定的规律。从指数大小来看,各处理土壤团聚体的MWD表现为T3>T2>T1>CK2>CK1;GDM表现为T2>T1>T3>CK2>CK1;WSA表现为T2>T3>T1>CK2>CK1;PAD表现为CK1>CK2>T3>T1>T2。从整体来看,轮作处理土壤团聚体稳定性优于连作。其中,T3处理MWD较高;T2处理WSA较高,PAD较低。Fjv知览论文网
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2.2不同种植模式对土壤养分含量的影响Fjv知览论文网
2.2.1不同种植模式对土壤碱解氮含量的影响Fjv知览论文网
由图2可知,CK2处理土壤碱解氮呈逐年下降趋势,且下降趋势逐渐增强,第2年较第1年下降0.36%,第3年较第2年下降1.14%,说明大豆连作根瘤增氮作用弱于连作耗氮作用,降低了土壤碱解氮含量。在 3个轮作处理中,第 3年土壤碱解氮含量较第2年均有所提高,T1、T2、T3处理分别提高0.51%、1.60%、0.65%,以T2处理提高幅度为最大。经过3a试验后,T2处理碱解氮含量最高,达172.44 mg/kg,显著高于同期其他轮作处理。Fjv知览论文网
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2.2.2不同种植模式对土壤速效磷含量的影响Fjv知览论文网
由图3可知,CK1、CK2处理土壤有效磷均呈逐年下降趋势,这是由于连作使土壤磷固定增多,导致速效磷含量降低。其中CK1处理第2年较第1年速效磷含量降低了0.05 mg/kg,第 3年较第2年有效磷含量降低了0.02 mg/kg;CK2处理第2年较第1年速效磷含量降低了0.02 mg/kg,第 3年较第2年速效磷含量降低了0.06 mg/kg。T1、T2、T3处理土壤有效磷含量均呈逐年递增趋势,其中T1处理年际间差异达显著水平。Fjv知览论文网
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2.2.3不同种植模式对土壤速效钾含量的影响Fjv知览论文网
由图4可知,经过3a试验后,CK1、CK2处理土壤速效钾含量呈下降趋势,且均为第 3年下降程度较大,较第2年下降幅度分别为0.79%、0.49%,说明作物连作导致土壤速效钾含量降低。T1处理土壤速效钾含量呈逐年上升趋势;T2处理大豆种植年(第2年)速效钾含量较高;T3处理高粱种植年(第3年)土壤速效钾含量较高。试验第 3年轮作处理土壤有效钾含量均高于2个连作处理。Fjv知览论文网
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2.2.4不同种植模式对土壤有机质含量的影响Fjv知览论文网
由图5可知,CK1、CK2处理土壤有机质含量呈逐年下降趋势,下降程度逐年减小。CK1处理土壤有机质含量第2年较第1年、第3年较第2年分别下降了3.46%、1.37%;CK2处理土壤有机质含量第2年较第1年、第3年较第2年分别下降了3.44%、0.25%。说明作物连作导致土壤有机质含量降低;随年份下降程度降低,说明土壤具有自我修复功能,通过自动凋节对土壤有机质含量进行补充。T1、T2、T3 3个轮作处理有机质含量均呈上升趋势,说明轮作可提高土壤有机质含量。T2、T3处理第 3年土壤有机质含量与前2 a差异明显。3个处理轮作自试验第2年起,其土壤有机质含量均高于2个连作处理。Fjv知览论文网
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2.2.5不同种植模式对土壤pH值的影响Fjv知览论文网
由图6可知,CK2处理土壤pH值逐年下降,第2年土壤pH值较第1年下降了0.22,第3年土壤pH值较第2年下降了0.06,可能由于大豆根系分泌的酸性物质导致了土壤酸度的增加。同时,可能由于土壤的自动调节使降低程度逐年减小。3个轮作处理的第3年土壤pH值均高于连作处理,且3个轮作处理第3年均显著高于前2 a土壤pH值。其中,T2、T3处理土壤pH值逐年上升,说明轮作可改善土壤酸度。T2处理的马铃薯种植年(第3年)土壤pH值高于其他处理,说明种植马铃薯有利于提高土壤pH值,能将酸性土壤逐渐改良成中性。Fjv知览论文网
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3 结论与讨论Fjv知览论文网
在耕作过程中,机械外力会影响到土壤团聚体形成、稳定性以及养分供给能力[28,29,30]。不同粒级土壤团聚体养分供给能力不同,2~5 mm土壤团聚体含量高低与土壤养分呈正相关[31]。本研中,3个轮作处理2~5 mm土壤团聚体含量高于连作处理,说明轮作能够保持土壤2~5 mm土壤团聚体占比,从而使土壤保持较高肥力水平。粒径<0.25 mm的小团聚体稳定性差,其占比高则表明土壤性状较差,反之则表明土壤性状良好[1]。本研究中,3个轮作处理<0.25 mm土壤团聚体含量均小于2个连作处理,表明轮作可改善土壤团聚体分布,提高水稳性团聚体占比,提高土壤稳定指数,从而提高土壤抗侵蚀能力。Fjv知览论文网
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连年种植同一作物会导致土壤中养分被片面消耗,导致土壤养分不均衡[32,33]。土壤碱解氮情况能够反映土壤氮供给水平,有研究表明,轮作可以降低土壤氮消耗量并在一定程度上维持土壤氮平衡[34,35],这与本研究结果一致。轮作对土壤磷含量变化也会产生影响,在轮作模式下,土壤磷含量呈现升高趋势,这与李清华等[36]的研究结果一致。钾在作物生长发育以及抗性等方面有重要作用[37,38,39,40],本研究经过表明,轮作能够提高土壤速效钾含量。本研究中,3个轮作处理有机质含量逐年提升,表明轮作可提高土壤有机质含量,这与前人研究结果一致[41,42,43];另外,本研究结果表明,玉米—大豆—马铃薯处理第3种植年有机质含量较高。土壤pH值代表了土壤的酸碱度,土壤酸化对土壤微生物、土壤养分循环以及作物产量品质有较大影响[44,45,46]。前人研究表明,轮作可以提高土壤pH值,减少土壤酸化程度,维持土壤酸碱度平衡[47,48,49],这与本研究结果一致,且本研究还发现,玉米—大豆—马铃薯轮作效果较好。Fjv知览论文网
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马铃薯是一种重要粮食作物,适宜黑龙江黑土区种植。前人关于马铃薯轮作的研究主要集中在土壤水分利用[50]、土壤根际微生物群落结构变化[51]等方面,关于黑土区马铃薯轮作的研究尚未见报道。本研究将黑土区玉米—大豆—马铃薯与玉米—大豆—小麦和玉米—大豆—高粱进行比较,综合比较后认为玉米—大豆—马铃薯轮作土壤理化性状优于玉米—大豆—小麦轮作及玉米—大豆—高粱轮作。该结论可为黑龙江黑土区种植模式选择提供支撑。Fjv知览论文网
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