引用本文
乔伟艳, 顾洪如, 沈益新. 稻茬种植多花黑麦草对土壤肥力和微生物组成的影响. 草业科学, 2017,34(2):240-245
Qiao Wei-yan, Gu Hong-ru, Shen Yi-xin. Effects of planting Italian ryegrass in winter fallow fields on soil fertility and microorganisms. Pratacultural Science,2017,34(2): 240-245  
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《草业科学》编辑部
稻茬种植多花黑麦草对土壤肥力和微生物组成的影响
乔伟艳1,2, 顾洪如2, 沈益新1
1.南京农业大学草业学院,江苏 南京210095
2.江苏省农业科学院畜牧研究所,江苏 南京 210014
通信作者:顾洪如(1963-),男,江苏南京人,研究员,博士,研究方向为牧草与草食动物。E-mail:[email protected]

第一作者:乔伟艳(1989-),女,山西长子人,在读硕士生,研究方向为饲草调制与加工。E-mail:[email protected]

收稿日期: 2016-11-17
基金: 国家牧草产业技术体系项目(CARS-35-31); 国家科技支撑计划项目(2011BAD17B02-04)
摘要

土壤理化性状是农业生产潜力的重要指标,不同耕作制度对土壤微生物的丰富度和数量及土壤肥力的变化有一定影响。为解决我国南方农区冬闲田的有效利用,采用多花黑麦草( Lolium multiflorum) /水稻( Oryza sativa)轮作技术,研究稻田冬种多花黑麦草对土壤肥力和微生物的影响。结果表明,与冬闲/水稻对照区相比,多花黑麦草/水稻处理区土壤有机质含量增加了8.50%,全氮含量增加了8.22%,全磷含量增加了7.58%,全钾含量增加了14.96%;与冬闲/水稻对照区相比,多花黑麦草/水稻处理区土壤中细菌菌群数量增加了13.03%,放线菌菌群数量增加了3.22%,真菌菌群数量增加了4.16%。可见在南方冬闲田种植多花黑麦草不仅能为农区养殖业提供大量饲草,还能改善土壤肥力,增加土壤养分,为后作水稻生长发育提供良好条件。

关键词: 多花黑麦草; 水稻; 土壤肥力; 闲田; 轮作; 微生物; 有机质
中图分类号:S543+.606.2 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)2-0240-06 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0142
Effects of planting Italian ryegrass in winter fallow fields on soil fertility and microorganisms
Qiao Wei-yan1,2, Gu Hong-ru2, Shen Yi-xin1
1.College of Partaculture Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
2.Institute of Livestock Science, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China
Corresponding author: Gu Hong-ru E-mail:[email protected]
Abstract

Soil physical properties are important indicators of the potential for agricultural production, and different tillage methods affect the richness and numbers of soil microorganisms. The experiment was carried out to study the effects of a ryegrass-rice rotation on soil fertility and microorganisms. When Italian ryegrass was planted in a winter fallow rice field, the content of soil organic matter was increased by 8.5% and the amount of total nitrogen, phosphorus, and potassium in the soil were increased by 8.22%, 7.58%, and 14.96%, respectively. The populations of aerobic bacteria, actinomycetes, and fungi in the soil were increased by 13.03%, 3.22%, and 4.16%, respectively. Therefore, a ryegrass-rice rotation can not only provide large quantity of animal feed, but also improve soil features and increase crop yields.

Keyword: Italian ryegrass; rice; soil fertility; fallow field; rotation; microorganism; organic matter

土壤是一个复杂的生命体, 其生态环境容易受到不同耕作制度的影响, 进而土壤物理性状及矿质元素和水分的吸收受作物根系的影响而变化。轮作是用地和养地相结合、提高作物产量和改善农田生态环境的一项农业技术措施[1], 可以提高土壤肥力、增加作物产量[2]、减少病虫危害[3]、保持水土以及提高单位面积土地经济收益。近年来, 随着农村产业结构调整, 草田轮作、种草养畜已蓬勃发展[3]。草田轮作是倒茬和肥田养地、产草养畜相统一的耕作制度, 在美国、澳大利亚等国家被广泛采用[4, 5]。日本和韩国对多花黑麦草(Lolium multiflorum)与水稻(Oryza sativa)相互作用的研究较多, 并且在黑麦草与农作物轮作的实际应用方面取得了成功经验[6]。

我国亚热带地区气候条件与日本南部地区相似。1988年, 在深圳市首次提出并建立了多花黑麦草/水稻草田轮作系统, 合理利用了当地资源, 扬地广之长, 避自然气候之短, 加快了有机农业的发展, 促进了畜牧业生产发展[3]。据统计, 我国南方农区约400万hm2的冬闲田, 其有效利用是一个亟待解决的课题, 继广东之后, 湖北、贵州、云南等地已经开展了多花黑麦草和水稻轮作技术的探索, 通过安排轮作合理时间, 利用冬闲农田生产优质青饲料, 缓解了粮食作物和饲料作物在空间上争地的矛盾[7]。本研究分析在江苏地区多花黑麦草/水稻轮作下土壤肥力和微生物组成的变化, 探讨在江苏地区建立多花黑麦草/水稻草田轮作系统的可行性, 以期为稻草轮作技术在南方地区的应用提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 材料

1.1.1 试验地概况 试验在南京江苏省农业科学院畜牧所试验基地温室内(32° 03' N, 118° 46' E)进行。基地位于南京孝陵卫, 土壤类型为丘陵马肝土, 属于亚热带季风气候, 温室棚内年平均气温为21.6 ℃。初始土壤pH为6.37, 土壤容重为1.31 g· cm-3, 有机质含量为22.60 g· kg-1, 土壤腐殖酸含量为2.60 g· kg-1, 全磷含量为1.32 g· kg-1, 全氮含量为 g· kg-1, 全钾含量为5.95 g· kg-1。试验地前茬作物为水稻。

1.1.2 试验材料 多花黑麦草品种为劲杰, 播种量为1.5 g· m-2, 水稻品种为南粳9108, 播种量为4.5~6.0 g· m-2, 播种后覆土2 mm。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 在相同生境及管理条件下, 设多花黑麦草/水稻轮作处理区(grass-rice)和冬闲/水稻种植对照区(idle-rice), 在中转箱覆土进行播种, 每箱土壤30 kg, 中转箱面积是42 cm× 32 cm, 每个处理设3个重复, 处理区种植多花黑麦草期间, 对照区中土地不种植任何植物, 仅自然生长一些杂草。试验于2013年12月播种多花黑麦草, 点播, 126 d后对多花黑麦草进行收获, 随后均种植水稻, 点播, 至295 d后收获水稻, 做好田间管理工作。

1.2.2 测定项目 采样于初始水稻土(0 d)、多花黑麦草收获后(126 d)和水稻收获后(295 d)进行土壤样品的采集, 并对样品进行处理, 用于试验分析测定[7]。

1.2.3 土壤容重、pH和腐殖酸测定 容重的测定采用环刀法[8]; 土壤pH的测定采用电位测定法, 根据南方土壤的特性, 水土比采用2.5:1[8]; 土壤腐殖酸采用焦磷酸钠-氢氧化钠浸提液提取土壤中的腐殖质, 随后采用重铬酸钾氧化外加热法进行测定[8]。

1.2.4 土壤全氮、全磷、全钾和有机质的测定 土壤中全氮利用浓硫酸对土样进行消解, 消解完成后, 利用凯氏定氮仪测定其全氮含量[8]; 土壤全钾、全磷利用微波消解仪对土样进行消解, 随后利用ICP仪测定; 土样有机质采用重铬酸钾容量法测定, 利用可控温消解炉加热样品反应液进行测定, 设置消解炉温度230 ℃, 反应液微沸5 min, 随后滴定检测[9]。

1.2.5 土壤样品可培养微生物计数 微生物生物量总碳采用熏蒸-提取法, 土壤样品中的细菌、放线菌和真菌总数的测定采用稀释平板计数法, 培养基分别采用牛肉膏蛋白胨培养基, 高氏1号培养基和孟加拉红培养基[10]。

1.3 统计分析

利用Microsoft Excel 2010处理基础数据, 采用SAS 9.1统计软件进行方差分析, 用平均值和标准误表示测定结果, 分别对同一处理不同取样时间和不同处理同一取样时间进行方差分析。

2 结果与分析
2.1 不同种植处理下土壤容重和pH的变化

不同种植处理间土壤容重、腐殖酸和pH均差异极显著(P< 0.01)。

多花黑麦草/水稻处理区和冬闲/水稻对照区的初始土壤容重均为1.31 g· cm-3(表1)。多花黑麦草/水稻处理区中, 土壤容重在多花黑麦草收获后降到最低, 为1.17 g· cm-3, 较初始时土壤容重值下降了10.68%, 于水稻收获后上升至1.36 g· cm-3(P< 0.05); 冬闲/水稻对照区土壤容重在试验期间呈缓慢下降趋势, 水稻收获后土壤容重降到最低, 为1.14 g· cm-3, 比初始时土壤容重下降了12.98%(P< 0.05)。

表1 多花黑麦草/水稻轮作下土壤容重、腐殖酸和pH的变化 Table 1 The changes of the soil bulk density, humic acid and pH under ryegrass/rice rotation

多花黑麦草收获后, 土壤腐殖酸含量由初始冬闲时的2.60升至2.94 g· kg-1, 增加了13.08%, 冬闲/水稻对照区中腐殖酸含量则下降了20%(表1); 水稻收获后, 多花黑麦草/水稻处理区土壤中腐殖酸含量降至2.23 g· kg-1, 冬闲/水稻对照区土壤则降至1.68 g· kg-1(P< 0.05)。

多花黑麦草种植后土壤pH有明显的变化(表1)。一个周期试验完成后, 多花黑麦草/水稻处理区中土壤pH呈现出先降后升的趋势, 多花黑麦草收获后, 土壤pH达到最低, 水稻收获后, 土壤pH上升至6.83(P< 0.05); 冬闲/水稻对照区土壤pH则呈上升趋势, 至水稻收获后上升至7.15, 增幅达12.24%(P< 0.05)。

2.2 不同种植处理土壤中有机质和全氮、全磷、全钾含量的变化

冬闲/水稻对照区中土壤有机质含量在试验期间呈下降趋势, 水稻收获后降至18.63 g· kg-1, 较初始冬闲时有机质含量降低了17.57%(P< 0.05)(表2)。多花黑麦草/水稻处理区中, 有机质含量在试验期间呈先升后降趋势, 黑麦草收获后, 土壤有机质含量达24.52 g· kg-1, 比种草前增加了8.5%, 到水稻收获后, 有机质含量降低, 但较初始时的有机质(22.60 g· kg-1)增加了5.31%(P< 0.05)。两种处理间土壤有机质之间差异极显著(P< 0.01)。

表2 不同处理土壤有机质、全氮、全磷和全钾(g· kg-1)含量变化 Table 2 Organic matter, total nitrogen, total phosphorus, and total potassium content in different tsample times

不同处理对土壤全氮含量的影响极显著(P< 0.01)。土壤全氮含量在多花黑麦草/水稻处理区呈先升后降趋势, 黑麦草收获后达到1.58 g· kg-1, 较初始时土壤全氮含量上升了8.97%(P< 0.05)(表2); 冬闲/水稻对照区中, 土壤全氮含量则表现为先降后升趋势, 黑麦草收获后下降至1.21 g· kg-1, 水稻收获后上升至1.29 g· kg-1, 较初始时降低了11.03%(P< 0.05)。

多花黑麦草/水稻处理区土壤全磷含量在整个轮作种植期间呈上升趋势。至水稻收获后土壤全磷含量达到1.57 g· kg-1, 比初始时土壤全磷含量增加了18.94%(P< 0.05)(表2); 冬闲/水稻对照区的土壤全磷含量则先降后升, 多花黑麦草收获后降至1.06 g· kg-1, 降低了7.58%(P< 0.05)。土壤全磷含量在处理区和对照区之间存在极显著差异(P< 0.01)。

土壤中全钾含量在多花黑麦草/水稻处理区中由初始时的5.95 g· kg-1升至多花黑麦草收获后的6.84 g· kg-1, 迅速上升了14.96%(P< 0.05); 冬闲/水稻对照区中全钾含量则呈先升后降趋势, 多花黑麦草收获后, 土壤全钾含量上升至6.96 g· kg-1, 水稻收获后下降至6.22 g· kg-1(P< 0.05)。处理区与对照区之间土壤全钾含量变化差异极显著(P< 0.01)。

2.3 不同处理土壤中微生物性状的变化

试验期间主要分析土壤微生物生物量和区系中细菌、真菌、放线菌的变化(表3)。土壤中微生物生物量(以每kg干土中C的mg量表示)的初始含量为63 mg· kg-1, 在多花黑麦草/水稻处理区呈先迅速上升后缓慢下降趋势, 多花黑麦草收获后, 土壤微生物生物量迅速上升至782 mg· kg-1, 到水稻收获后下降至634 mg· kg-1(P< 0.05); 土壤微生物生物量在冬闲/水稻对照区呈先升后降趋势, 完成一个种植周期试验后, 较初始时微生物生物量, 上升量为1倍左右。对照区微生物生物量变化趋势与处理区相似, 增幅差异显著(P< 0.05)。

表3 不同处理土壤微生物区系的变化 Table 3 Microbial colonies in different sample times

不同耕作制度对土壤微生物区系的影响明显。细菌的菌落在冬闲/水稻对照区中呈上升趋势, 由多花黑麦草收获后的6.60 lg(cfu· g-1)至水稻收获后增加了2.65%(P< 0.05); 在多花黑麦草/水稻处理区中则呈现先升后降趋势, 到水稻收获后细菌菌落数量达7.07 lg(cfu· g-1)(P< 0.05); 土壤放线菌菌落数在冬闲/水稻对照区和种草/水稻处理区中均呈先升后降的趋势, 较黑麦草收获后菌落数量, 水稻收获后降幅分别为0.81%和2.73%(P< 0.05); 真菌菌群数量在冬闲/水稻对照区中呈缓慢下降趋势, 在多花黑麦草/水稻处理区中则呈先升后降趋势, 不同处理对真菌的影响差异显著(P< 0.05)。

3 讨论
3.1 不同耕作处理对土壤肥力的影响

在我国南方农区, 轮作种植是缓解土壤生态环境压力的一种重要的耕作模式, 这种模式能够显著改变农田土壤的肥力状况。研究指出, 稻田年内水旱轮作能使土壤有机质、全N、全P含量增加, 并可以明显增加速效N、P、K养分[11], 轮作对土壤理化性状的影响是显著的, 不仅可以降低土壤的抗压强度, 还能够增加土壤孔隙度、促进土粒的聚合[12]; 稻田水旱轮作还消除了因长期淹水对土壤结构带来的不良影响, 研究发现[13], 与长期淹水稻田相比, 轮作后土壤容重增大, 有机质、全氮、全磷虽稍有降低, 但与试验前相比, 土壤养分还是有所提高。本研究表明, 在不施加任何有机肥和化学肥料的情况下, 稻田实施多花黑麦草/水稻轮作后, 水田转为旱田, 土壤生态环境发生改变, 良好的通气条件下, 植物根系作用和好氧微生物代谢活动加强, 使土壤有机质、土壤全磷、全钾的含量和土壤孔隙度均有所增加。

多花黑麦草的根系发达, 具有极强的须根, 根系作用非常明显。土壤pH和腐殖酸的变化是通过作物的根系作用和残茬在土壤中的分解作用, 来增加土壤中有机质和腐殖质, 并通过有机质分解产生的有机酸和腐殖质分解的腐殖酸含量变化来影响土壤pH[14]。本研究中, 种植多花黑麦草后, 好氧型微生物滋生, 使得土壤中腐殖酸和土壤有机质含量发生变化, 还能够增加土壤中有机质的矿化, 从而降低土壤pH, 增加土壤腐殖酸含量; 种植水稻后, 土壤pH增加, 是淹水后土壤对碳酸盐的缓冲能力增强导致的[15]。

一个轮作周期后, 土壤的物理性状受作物根系和田间管理的影响, 土壤孔隙度有所增加, 即土壤容重值缓慢减少。在稻田淹水时, 土壤还原型微生物菌群占优势, 土壤中多花黑麦草残留根茬中的营养元素的转移和根茬本身的腐烂分解, 以及有机物质的厌氧分解作用, 使稻田土壤中有机质、全磷、全钾含量增加[16, 17]。微生物体内的氮比植物残体中的氮周转快, 通过微生物生物量库的氮素的年通量比其它库的通量要大得多[18], 因此在水稻收获后, 多花黑麦草/水稻处理区土壤中全氮含量下降。综合分析, 多花黑麦草/水稻轮作对稻田土壤肥力的改善作用明显。

3.2 不同耕作处理对土壤微生物的影响

土壤pH和土壤有机质含量对土壤微生物群落的变化起着重要作用, 不同微生物菌群对土壤酸碱度的要求不同[19], 放线菌多在偏酸性土壤中生存, 细菌和真菌则喜好偏中性土壤。不同的农业措施对农田土壤中微生物菌群的影响明显。在不同耕作方式对土壤微生物生理类群和酶活性的影响研究中发现, 免耕与覆盖能够明显增加土壤微生物类群的数量, 土壤细菌约占土壤微生物数量的90%, 真菌和放线菌紧随其后[20]。本研究在不同耕作制度种植下发现, 多花黑麦草/水稻处理区中土壤中微生物生物量和菌落数量较冬闲/水稻对照区迅速增加, 随后缓慢减少, 且每种菌群的变化均不相同。土壤微生物生物量和生物区系均呈现明显变化。土壤中微生物数量的增加, 使土壤的总活性增强, 土壤肥力得到改善, 表明冬种多花黑麦草对土壤微生物和土壤肥力的影响明显存在[21]。微生物菌群数量构成的不一致, 会导致微生物菌群在土壤中活动情况不一样[22], 从而使土壤肥力、土壤养分等发生变化。一般情况下, 土壤有机质的含量对微生物的生境条件起决定作用, 从而影响到微生物的状况[23]。环境变化对微生物影响明显, 生态系统功能的变化能够通过微生物的变化来指示[24, 25], 因此, 土壤微生物量库发生变化, 能够影响土壤养分的循环和有效性[26]。

4 结论

农田土壤中的有效养分很大一部分是由土壤中不同微生物的生长代谢分解作用提供, 土壤微生物与土壤肥力之间的作用是相互的, 一方面微生物能使土壤生态环境发生转变, 改善土壤的物理和化学性状; 另一方面土壤环境因素也会对微生物的生长发育和微生物的群落组成产生影响。土壤微生物和土壤肥力易受到农业管理措施的影响, 多花黑麦草的根系能够改善土壤的物理结构, 使农田土壤的通透性增加, 且多花黑麦草收获后, 土壤微生物量大幅度增加, 土壤微生物区系发生变化, 微生物的总活性增强。收获后留在土壤中多花黑麦草根茬的腐烂分解对土壤的pH有明显的影响, 还能增加土壤中有机质、氮、磷、钾等养分的含量。综合对土壤肥力和微生物变化的分析表明, 在南方农区实施多花黑麦草/水稻轮作技术, 不仅能够增加草食家畜的青饲料, 还能显著改善水稻连作带来的危害, 增加土壤肥力, 为后作水稻的种植提供良好的土壤条件。

The authors have declared that no competing interests exist.

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