基于不同作物轮作对高粱的生长与根际土壤环境分析

轮作是增加农田生物多样性的重要措施,在农业发展中有举足轻重的地位。轮作能高效利用土地,使土地得到调适和转换,充分发挥作物间的竞争和互利作用,增强植物的抗逆性能,具有明显的增效增长作用。随着人口、土地资源的压力不断增加,不同作物轮作逐渐得到广泛的重视
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轮作是增加农田生物多样性的重要措施,在农业发展中有举足轻重的地位。轮作能高效利用土地,使土地得到调适和转换,充分发挥作物间的竞争和互利作用,增强植物的抗逆性能,具有明显的增效增长作用。随着人口、土地资源的压力不断增加,不同作物轮作逐渐得到广泛的重视和应用。

1 实验准备

1.1 试验准备及变量确定

苜蓿和葱分别定为:T1、T2。试验基地选用仁怀市坛厂镇有机高粱试验基地。该地区年平均降水量为960 毫米,土壤主要为肥力中等的黄壤土,质地为砂壤土。试验所用的高粱品种为红缨子高粱。试验总共分为三个不同处理:CK,连作3 年高粱。T1:连作三年,高粱、苜蓿、高粱各一年。T2:连作3 年,高粱、葱、高粱各一年。在2014 年~2016 年三年间使用相同的施肥方案。基肥为农家粪肥或琨恩生物有机肥,追加肥为农家清粪水肥,不施加其他化学添加肥料,以确保有机高粱的品质和认证。在2015 年,试验人员在同一时间种植苜蓿、葱和高粱,以保证实验时间条件相同。高粱追肥时给葱和苜蓿施加等量的农家清粪水肥。

1.2 采样方法与样品测定

1.2.1 根系以上部分调查及样品测定试验人员在拔节期和穗花期调查植株茎粗、株高、叶面积。采集三株代表性植株带回实验室烘干并测定生物量。

1.2.2 根系分析及采样方法在穗花期选取相邻3 株长势均匀的植株,并且以中间植株为中心,挖取长轴为50 厘米,短轴为40 厘米,深40 厘米土体内的根系,用根系采集器采集小土块,并将其进行编号放入自封袋带入实验室。用扫描仪扫描根系,并且用根系分析系统分析根系各参数。之后将根系放入烘箱,烘干之后测定其生物量。

1.3 土壤测定项目及采样方法

1.3.1 土壤样品的采集土壤样品在穗花期进行采集。高粱根基土需要用抖土根法进行采集,并且立即放入冰盒内带入实验室。同时,利用灭菌镊子去除根部的杂质。一部分土壤保存在超低温冰箱中,另一部分风干过1 毫米筛备用。

1.3.2 土壤测定项目及方法利用严昶升的测定方法来测定土壤酶活性。土壤微生物群落功能的多样性用Biolog-ECO 测定板方法进行测定。

2 结果与分析

2.1 轮作对高粱生长的影响

2.1.1 轮作对高粱根系以上部分生长的影响与CK 相比,T1和T2 处理能够在一定程度上促进高粱的生长。在拔节期,T1和T2 的生物量、叶面积、株高等比CK 有显著的增长。在穗花期,T1 和T2 高粱生长的趋势对比CK 有显著差异。从轮作方式来看,T1 高粱生长趋势要比T2 好。在穗花期,T1 干物质累积量显著高于T2 处理。

2.1.2 轮作对高粱根系生长的影响T1 和T2 能够提高土层中根系总长度、根体积和根表面积。从根系长度来看,CK 处理50%的根系分布在0~10 厘米土层,而T1 和T2 根系在0~10 厘米土层的分布比例分别为28%和35%。从根体积来看,CK 处理56.4%的根系分布在0~10 厘米土层,而T1 和T2 的分布比例则分别为32.8%和43.8%,说明连作高粱根系分布较浅,而轮作促进了根系在较深土层的分布,有利于吸收土壤养分。

2.1.3 轮作对高粱产量的影响CK 由于连作的原因导致出苗较差,而T1 由于苜蓿压青的原因导致出苗较差,T2 出苗情况较好。因此,T2 收获的穗数要比其他两个处理显著提高。与轮作相比较而言,连作穗花期会推迟4~5 天,灌浆时间也会稍微缩短一些。

2.2 轮作方式对根际土壤微生物的影响

2.2.1 轮作对根际土壤生物群落代谢生活的影响土壤微生物群落代谢活性是对微生物单一碳源利用能力的反应,培养的时间越长,其代谢的活性就会增加,研究中发现在对不同微生物培养的过程中,AWCD 的值T1 和T2 比CK 处理显著升高,这个结果表明,轮作对土壤微生物的代谢活性具有显著的促进作用。

对穗花期根际土壤微生物培养96 小时,从不同碳源利用情况分析可以看出,在与CK 比较之后发现,轮作对多类的碳源代谢都有很大的差别,无论是在对氨基酸类物质的利用能力上,还是对羧酸类物质、胺类、糖类双亲化合物、聚合物类碳源能力的利用能力都要高出很多,由此证明轮作对提升土壤微生物群落的功能。

2.2.2 根际土壤微生物群落功能主成分分析不同轮作和连作对土壤微生物碳源的利用能力均有所不同,T1 和T2 对比也有所差异。从图1 中可以看出,第一主成分分析系数呈现正相关的碳源氨基酸种类有四种,羧酸类有两种,糖类有两种,聚合物类有两种,双亲化合物类有两种。经过分析发现,T1 比T2、CK 的碳源利用能力要高出很多。

第一主成分的系数呈现负相关的碳源双亲化合物有一种,是葡萄糖-1- 磷酸盐,高粱根际土壤微生物对它的利用能力T2 要比T1 和CK 处理显著降低。

第二主成分呈明显正相关的糖类有两种,羧酸类有两种,聚合物类有一种,对于这四种碳源,T1 处理的代谢能力显著低于T2 和CK 处理。

第二主成分显示出负相关的碳源有D- 纤维二糖、D- 苹果酸、N- 乙酰基-D- 葡萄胺,CK 处理对这两个碳源的代谢能力比T1 和T2 处理有显著提高。

以上分析可知,导致第一主成分产生分异的原因是氨基酸为主的多种能源综合作用的结果。而在第二主成分的差异主要是因为糖类和羧酸类的碳源利用差异所造成。通过这个结果可以发现,连作和轮作对高粱根际土壤微生物对碳源的利用能力有提升作用,但不同耕作方式对高粱根际土壤微生物的影响类别有差异。

2.2.3 轮作对土壤酶活性的影响表1 中,连作和轮作对高粱土壤酶活性的影响呈现差异性,与CK 相比T1 提升了土壤的蔗糖酶活性,而T2 虽然提升了土壤蔗糖酶的活性,但是降低了脲酶的活性。而对土壤过氧化氢酶活性和磷酸酶活性,T1和T2 并没有产生显著影响。

3 结论

上述实验表明,连作对高粱的生长会产生显著影响,一定程度上抑制了高粱的生长。而轮作就可以有效的缓解连作产生的抑制作用,通过提升土壤酶活性有效促进高粱的生长。通过轮作的方式改良土壤和高粱种植之间的关系,提升土壤的酶活性,从而提高产量和质量,实现高粱的高产和农田生态环境的改善,促进高粱产业的持续发展。

参考文献

[1]樊芳芳.连作对高粱生长及土壤环境的影响[D].山西大学,2016.

[2]董二伟,王成,丁玉川,等.高粱生长及其土壤环境对不同培肥措施的响应[J].华北农学报,2017,(02).

[3]刘杰.连作及轮作土壤微生物菌群对黄瓜生长的影响[D].东北农业大学,2015.

[4]严昶升,周礼恺,张德生.土壤肥力研究法[M].北京:农业出版社,1988:75-78.

作者简介:程彦林,硕士,助教,研究方向:土壤污染修复、有机高粱种植;刘京,硕士,助教,研究方向:土壤污染修复、有机高粱种植。

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