2023, Vol. 50文章信息
引用本文 |
基金项目
- 吉林省重大科技专项计划项目(20230304002YY，20230202041NC)；吉林省人参产业技术体系项目(202300401-6)
作者简介
- 曹庆军(1986—)，男，博士，副研究员，研究方向为作物质量安全与生理生态，E-mail：qingjun501@163.com.
通讯作者
- 王英平(1967—)，男，博士，教授，研究方向为药用植物育种与中药炮制，E-mail：yingpingw@126.com; 李刚(1963—)，男，博士，研究员，研究方向为药用植物栽培，E-mail：laoli201@126.com.
文章历史
- 收稿日期：2023-06-02
2. 吉林省参茸办公室，吉林 长春 130033;
3. 吉林农业大学中药材学院，吉林 长春 130018
2. Jilin Provincial Ginseng and Pilose Antler Administration Offi ce, Changchun 130033, China;
3. College of Traditional Chinese Medicine, Jilin Agricultural University, Changchun 130018, China
【研究意义】人参(Panax ginseng C. A. Mey) 是我国非常名贵的中药材，吉林省东部长白山区是我国道地人参的主产区[1]。20世纪50 —80年代，人参栽培主要以伐林迹地种植为主[2]，由于人参种植存在严重的连作障碍，导致栽参后土壤中营养元素失衡[3]、土壤酸化以及土壤板结等物理性质恶化[4]，给当地森林资源和土壤生态带来严重威胁。近些年，随着国家“天保工程”实施，农田栽参成为人参栽培种植的主要模式[1]。然而，人参被认为是一种极度耗地的作物，特别是对土壤有机质以及磷、钾等养分需求量较多[4]，农田栽参带来的负面效应逐渐引起政府和科研人员的重视。此外，随着吉林省“千亿斤粮”建设工程的实施，耕地“非粮化”利用越来越受到政府部门的监管与控制[5]。因此，开展农田栽参后耕地质量评价对当前背景下指导人参产业发展与耕地资源规划具有重要意义。
【前人研究进展】人参栽培对土壤以及生态环境条件有特定要求。通常而言，农田栽参关键在于土壤改良，因此移栽前需要施入大量猪、牛、鸡、鹿等粪便腐熟后的农家有机肥、绿肥以及适量的微生物菌剂[6]，以提高土壤中的有机质、养分含量以及土壤透气性能[7]，经整地、作床后才能进行人参播种或移栽。因此，从理论上分析，农田栽参改土对农田土壤，特别是耕层土壤肥力与生产能力提升具有积极效果，但目前对于人参栽培后农田土壤质量评价还鲜有报道[8]。对于大田作物，耕层土壤质量可直接影响作物根系生长和在土体中的分布[9]，进而影响其对水分、养分的吸收[10]，最终影响作物生长发育与产量的形成。一般认为良好的土壤耕层不但应具有适宜的pH[11]、较高的有机质[12] 与氮磷钾等速效养分含量，而且还应具备适宜的土壤紧实度与良好的耕层厚度[13]。通常，农田耕地质量可以通过传统土壤剖面挖掘[4]、土壤养分状况进行评价，还可以借助土壤动物[14]、土壤微生物群落组成和多样性[15]、种植作物长势[16]等多个方面系统评价。
【本研究切入点】当前，关于参后地研究多集中于人参连作对土壤物理和化学性质影响、土壤病原微生物变化、参后地生态恢复与再利用模式研究，而对农田栽参后耕地质量的评价以及对后茬作物生长影响尚缺乏系统性研究[5-6]。【拟解决的关键问题】本研究以吉林省东部人参主产区抚松等县市4个农田定位试验为研究基础，剖析农田栽参对普通农田耕地质量以及后茬作物玉米生长与产量的影响，以期为我国东北地区农田14栽参应用与耕地质量健康管理提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验于2017—2022年分别在吉林省东部人参主产区抚松县的北岗(42°25'40.07''N，127°32'15.8''E)、大方(42°25'58.45''N，127°21' 10.2''E)、抽水(42°24'32.10''N，127°7'26.4''E) 以及靖宇(42°26'33.50''N，126°54'37.58''E)等地4个试验点进行。该区域位于长白山腹地，年平均气温2~8 ℃，降雨量800~1 000 mm，春季短，升温快，夏季温暖湿润，非常适宜人参生长，也是吉林省人参种植的集中分布区，其中抚松和靖宇两地玉米生育期(5—9月)日平均气温和逐日降雨量见图 1。
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| 图 1 2022年抚松地区和靖宇县玉米生长季日平均温度和降雨量分布 Fig. 1 Distribution of daily mean temperature and rainfall in Fusong Region and Jingyu County during maize growth season in 2022 |
1.2 试验设计
农田利用方式共设2个处理，即连作种植玉米的普通农田(Normal farmland，NF，对照)和种植人参收获后的改良农田(Improved farmland by ginseng planting，IFGP)(下文统称为参后地)。人参种植前，4个试验点耕层土壤理化性状见表 1。
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IFGP处理下，首先进行农田土壤改良，基本流程为：选择适宜人参种植的农田，种植绿肥，休耕1年；翌年3月中旬将完全腐熟后的有机肥(羊粪)按照每公顷30 t、苏子饼5 t、大豆饼2 t在旋耕整地时一次性均匀施入土壤中，每15 d深耕翻1次，在9月份再耕翻并施入生物菌肥(用量为5 t/hm2)并施入一定量的生石灰调节土壤pH值至5.5~6.0之间，9月末进行作畦，畦床宽1.5 m，作业道宽1.0 m，床高25 cm；在第2年4月末，选择健壮的两年生人参幼苗栽子经500倍多菌灵药液浸泡处理10 min后移栽，移栽植株行距25 cm、株距9.0 cm，其他田间管理如遮荫、水分管理、摘蕾摘花、除草松土和病虫害防治等管理同正常人参种植田。
本试验从2017年开始IFGP处理改良土壤，2018年春天栽培种植人参，2021年秋天起参，2022年开始进行大田玉米种植；而对照NF处理，则一直采取玉米连作种植方法，按照当地玉米栽培习惯，采用垄作方式进行，在4月下旬旋耕起垄，5月初人工播种，种植密度5.5万~6.0万株/hm2，行距60 cm。播种后出苗前喷施阿特拉津与乙草胺合剂进行封闭除草，其他管理措施同正常生产田。
1.3 测定指标与方法本研究中，农田不同利用方式下土壤耕层质量和养分调查均在2022年秋季玉米收获后开展。其中，耕层厚度测定采用挖取土壤剖面的方式进行，土壤容重则采用环刀法每隔10 cm分层取样，测定深度为0~40cm，耕层厚度和土壤容重具体操作参照《第三次全国土壤普查外业调查与采样技术规范(修订版)》进行。
土壤及植株全氮含量均采用凯式定氮法(西班牙Selecta PRO-NITRO-A凯式定氮仪)测定，土壤速效氮采用滴定法、全磷和速效磷采用比色法(德国Specord S600紫外分光光度计)、全钾和速效钾采用火焰光度计法(美国Cole-Parme 02655-10)测定，土壤pH采用水土比2.5∶1浸提法测定，具体操作由农业农村部农产品及加工品质量监督检验测试中心(长春)完成。
玉米干物质积累量在玉米收获前进行统计，每个处理选择代表性植株3株，将植株按照茎、叶片、籽粒以及其他共4部分分别标记装入牛皮纸袋，于105 ℃烘箱中杀青30 min，然后80 ℃烘干至恒重后称重，计算器官物质分配量。植株组织器官N吸收量=植株组织器官N浓度×植株组织器官物质积累量，整株N吸收量为组织各器官N吸收量之和。
1.4 数据处理与统计分析使用Microsoft 365软件对数据进行初步整理，然后利用统计软件SPSS 24.0(SPSS, Inc., Chicago, IL, USA)进行差异显著性分析，采用软件GraphPad Prism13.0(GraphPad Software Inc., San Diego, CA, USA)进行作图。
2 结果与分析 2.1 农田栽参后对土壤容重和耕层厚度的影响由表 2可知，0~40 cm深度的土壤中，随着土壤深度增加普通农田(NF)土壤容重呈现先升高后降低的趋势，其中0~10 cm表层土壤最低，20~30 cm深度的土壤容重达最大值，而参后地农田(IFGP)土壤随着土壤深度的增加土壤容重呈逐渐增加趋势，并在30~40 cm深度的土壤容重达最大值，抚松北岗与靖宇试验点表现出相同趋势。相同土层不同利用方式比较显示，NF与IFGP处理后，0~10 cm深度的土壤容重无显著差异，而在10~20 cm与20~30 cm深度的土壤容重均表现为NF处理显著(P < 0.05)大于IFGP，在30~40 cm深度抚松北岗NF与IFGP处理土壤容重无显著差异，而靖宇表现为NF显著(P < 0.05)大于IFGP。
比较不同利用方式下土壤耕层厚度发现，IFGP处理后，无论是垄台还是垄沟位置的耕层厚度均极显著高于NF处理(图 2)。其中，在抚松北岗IFGP处理下，垄台和垄沟平均耕层厚度分别为30.0、18.0 cm，比NF分别增加93.55%、56.52%，靖宇IFGP处理下垄台和垄沟耕层厚度分别为32.80、15.87 cm，比NF处理分别增加89.60% 与39.59%。
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| NF与IFGP分别表示普通农田与参后地农田, ** 表示处理间在0.01水平上差异显著 NF and IFGP represent treatments of normal farmland and improved farmland by ginseng planting, respectively; ** indicates significant differences between treatments at the 0.01 level 图 2 农田栽参后对土壤耕层厚度的影响 Fig. 2 Effects of ginseng cultivation in farmland on thickness of topsoil layer |
2.2 农田栽参后对耕层土壤养分含量的影响
NF与IFGP处理下耕层土壤养分含量如表 3所示，不同利用方式下耕层土壤中的有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量以及土壤pH存在显著差异，而全磷、有效磷、全钾含量差异不显著。与NF相比，4个试验地点经IFGP处理后，土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量显著提高，分别比NF提高6.18%~38.99%、2.68%~12.64%、6.62%~42.90% 与6.39%~40.54%。此外，NF与IFGP处理下土壤pH范围分别为4.52~6.67与4.81~6.82，表明人参栽培后土壤酸化趋势得到显著改善。
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2.3 农田栽参后对玉米物质积累与产量的影响
如图 3所示，4个试验地点中除靖宇外，其余3个试验地点经IFGP处理后，玉米植株的干物质积累量与籽粒产量均显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01)高于NF处理。其中，北岗、大方与抽水3地的玉米植株干物质积累量比NF分别提高14.70%、11.19% 与10.32%，籽粒干物质积累量分别提高17.94%、10.31% 与9.49%。此外，北岗试验点参后地农田玉米叶片的干物质积累量比NF显著提高17.71%，而不同试验点其他组织器官的干物质积累量与两处理下并无显著差异。
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| * 与** 分别表示处理间在0.05与0.01水平上差异显著；ns表示差异不显著 * and ** indicate significant differences between treatments at the 0.05 and 0.01 levels, respectively; ns indicates no significant differences 图 3 农田栽参后玉米植株不同器官干物质积累量比较 Fig. 3 Comparison of dry matter accumulation in different tissues of maize after ginseng cultivation in farmland |
比较玉米籽粒产量发现，4个试验地点中除靖宇外，其余3个试验地点在IFGP处理下，玉米籽粒产量均显著高于NF(P＜0.05)，其增产幅度为8.56%~14.08%(表 4)。从产量构成因素来看，IFGP处理下玉米籽粒百粒质量均高于或显著(P＜0.05)高于NF，而单位面积有效穗数、行数与行粒数并无显著差异。
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2.4 农田栽参后对玉米植株氮素吸收的影响
农田不同利用方式处理下玉米组织器官N浓度与N积累量如表 5所示，北岗、大方、抽水与靖宇等试验地点在IFGP处理下，玉米叶片中N浓度均显著高于NF处理，依次相应分别提高10.84%、5.70%、8.62% 与9.39%；与叶片中N浓度类似，籽粒中N浓度除靖宇试验地点外仍表现为IFGP处理高于NF处理，且与NF相比，北岗、大方、抽水3个试验地点在IFGP处理下，玉米籽粒中N浓度分别提高5.27%%、10.83% 与14.54%。而从植株各组织器官N素积累量来看，除靖宇试验地点外，各组织器官叶片、籽粒以及其他部分N吸收量均表现为IFGP显著高于NF(P＜0.05)，IFGP整株玉米N吸收量比NF提高13.60%~26.08%。
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2.5 玉米产量与土壤理化性状以及籽粒N吸收量之间的关系
由玉米产量性状与土壤理化性状以及籽粒N吸收量之间相关分析的热图(图 4)可知，玉米干物质积累量(DMA)与土壤中裂解氮(AN) 含量与有机质(OC)含量呈显著的正相关关系，相关系数 r分别为0.81与0.76；而玉米籽粒产量(GY) 与土壤全氮(TN) 含量也呈显著正相关，相关系数 r=0.75。进一步分析表明，玉米籽粒中N浓度与 y土壤全氮(TN)含量 x之间呈简单线性关系(图 5)：y=3.9428x+0.3786，R2=0.0674。
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| GY、DMA、TLS、BD、OC、pH、TN、AN、TP、AP、TK、AK、Nup分别表示玉米籽粒产量、干物质积累量、平均耕层厚度、土壤容重、有机质含量、土壤pH、总氮含量、碱解氮含量、总磷含量、速效磷含量、总钾含量、速效钾含量以及植株氮吸收量 GY, DMA, TLS, BD, OC, pH, TN, AN, TP, AP, TK, AK, and Nup represent maie grain yield, dry matter accumulation, thickness of topsoil layer, soil bulk density, organic matter content, soil pH, total nitrogen content, alkali hydrolyzed nitrogen content, total phosphorus content, available phosphorus content, total potassium content, available potassium content, and plant nitrogen uptake amount, respectively 图 4 玉米产量与土壤理化性状以及植株N吸收量之间的关系 Fig. 4 Correlation analysis between corn yield, soil physicochemical properties, and plant N uptake |
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| 图 5 玉米籽粒中N浓度与土壤全氮含量的关系 Fig. 5 Regression analysis between maize grain N concentration and soil total N content |
3 讨论
人参生长不但需要土壤中富含有机质以及无机养分，而且土壤应具有良好的排水与透气性能[1]。因此，土壤改良是实现农田栽参的必要条件[8]。一般情况下，农田栽参前需要施入大量的农家肥以及适量的微生物菌肥[17]，同时经过多次深翻和旋耕整地，才能满足人参的种植条件。本研究结果表明，通过农田栽参改土处理能显著提高参后地土壤耕层厚度，降低10~20 cm表层与20~30 cm深度土壤的容重。目前，针对参后地农田栽参前后土壤物理性质变化的研究还鲜有报道，但是一般认为农田通过土壤深翻处理以及增施有机肥[18] 等耕作措施可以直接改变土壤的紧实度以及耕层厚度等物理性状[19]，本研究证实普通农田栽参后对提高土壤耕层厚度和改善耕层土壤紧实度的效果非常明显。
人参通常被认为是一种耗地非常强的植物，即人参种植过程中会吸收并带走土壤中大量的矿质营养，造成土壤元素缺乏或不平衡[7]，从而降低农田耕地质量。前期研究表明，人参栽培生长过程中需要消耗土壤中大量的P、K等矿质元素[20-21]，因此，农田栽参后可能会对土壤的养分状况产生一定的负面效应[22]。本研究中，在4个试验地点人参栽培后其土壤中有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量均显著高于普通农田，这是因为在人参种植土壤改良过程中施入了大量的有机质，施入的苏子饼与豆饼在腐解过程中也会释放大量的N素和速效钾[8]，从而导致有机质、全氮、碱解氮、速效钾的“盈余”。另外，人参生长过程中对P、K元素吸收量较大，人参种植改土过程中施入的外源物料所释放到土壤中的P、K可能抵消人参生长过程中从土壤中吸收的P、K元素，从而导致人参种植改土后土壤中全磷、有效磷含量变化不明显。东部山区土壤类型多为偏酸性的暗棕壤[23]，而人参栽培改土时需添加一定量的生石灰对土壤酸碱度进行调节[6]，才能满足人参生长条件。因此，参后地农田土壤中pH略高于普通农田，这可能是导致人参栽培后土壤酸化趋势得到改善的主要原因。
此外，人参作为一种多年生植物，在栽培过程中会分泌一些有毒物质并释放到土壤中[4]，从而破坏土壤环境、影响土壤微生物种群结构和种群多样性[24]。因此，在上述因素共同作用下通常不利于后茬作物的生长。然而，本研究发现，参后地农田种植玉米其干物质积累量以及玉米籽粒产量除靖宇外，均表现为参后地显著高于普通农田，这说明参后地农田有利于后茬作物玉米的生长和产量形成。但是，不同试验地点之间也存在差异，本研究中靖宇试验地点的两处理间，玉米的干物质积累量以及玉米籽粒产量并未达到显著差异，这可能与该试验点气候以及海拔较高有关[15]。对大田作物而言，95% 以上干物质的积累主要源于植物光合作用[2]，而N是植物生长需求最多的矿质元素，参后地农田玉米叶片以及后期籽粒中具有更高的N浓度，从而保证植物光合作用的高效进行[25]。此外，参后地农田耕层厚度以及土壤容重均得到改善，有利于后茬玉米根系生长发育、水分和养分吸收，从而提高了物质同化效率，促进干物质的积累与产量形成[26]，这可能是参后地农田干物质积累量较高的原因。相关分析和回归分析结果也表明，玉米干物质积累量与土壤中速效氮以及有机质含量均存在显著相关性，这说明土壤改良措施增施有机肥以及补充大量有机物料对维持土壤养分平衡[15]、满足作物对养分需求起着重要作用[17]，特别是土壤TN含量对维持作物籽粒N供应具有显著相关性。然而，关于农田栽参改土对普通农田改良作用的长期效应尚需进一步研究。
4 结论本研究证实普通农田栽参改土对土壤改良具有显著效果。人参栽培改土后，参后地农田垄台与垄沟位置耕层厚度较对照分别提高89.60%~ 93.55% 与39.59%~56.52%，剖面10~20 cm与20~ 30 cm深度土壤紧实度显著降低，有利于后期玉米的生长发育、干物质的积累、籽粒产量的形成以及作物对N素的吸收利用；除靖宇外，3个参后地农田玉米单产较对照提高8.56%~14.08%。与对照相比，参后地农田耕层土壤养有机质、全氮、碱解氮与速效钾等养分含量均得到显著提高，土壤酸化趋势得到改善，土壤pH有不同程度的提高。本研究结果表明，农田栽参改土在短期内对提高普通农田土壤肥力状况以及改善土壤物理结构具有显著效果，有利于后茬玉米生长以及对土壤N的吸收利用。
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(责任编辑 马春敏)