黄花菜(
Hemerocallis citrina ),又叫萱草、忘忧草,阿福花科萱草属的多年生草本植物。黄花菜对土壤要求较低,在微碱性或微酸性土壤中都能正常生长,因此我国多地均有种植
[1]。黄花菜营养丰富,富含各种维生素、蛋白质、糖和矿物质等,深受多地消费者喜爱
[2]。随着黄花菜产业的发展,高产、稳产成为黄花菜栽培的重要目标。
大量实践证明,适宜的栽培方式是改善土壤结构、提高作物产量的有效途径之一。垄作和沟栽作为传统的栽培技术,可改善作物的生长环境,促进作物的生长发育和产量提升。目前,垄作栽培模式已成功应用于小麦
[3]、马铃薯
[4]、玉米等作物
[5]。陈克玲等
[6]研究表明,沟垄集雨栽培模式可明显提高烤烟各个时期各性状的干物质积累量及单株干物质积累量。张月荷等
[7]研究表明,垄沟种植促进夏玉米的生长发育,且产量较平作增加2.40%~13.90%。姜春霞等
[8]研究表明,随着起垄高度的增加,马铃薯产量呈上升趋势。仪泽会等
[9]研究发现,起垄栽培可改善土壤微生态环境,提高胡萝卜产量、商品性及土壤水分利用率。王锦莲等
[10]研究发现,利用垄沟模式种植玉米,可促进玉米干物质积累、提升玉米产量。
相关研究表明
[11-12],作物的产量与栽培方式、定植密度、水肥管理等密切相关。为提高黄花菜产量,从“黄花菜绿色高效生产技术模式”的角度出发,前人已经从“定植密度”、“水肥耦合”两方面去研究如何提高黄花菜的产量。但就黄花菜的栽培方式而言,黄花菜是以平作的栽培方式为主,垄作和沟栽黄花菜能否优质丰产未见报道。目前,垄作栽培技术在其它作物上已取得良好的效果,而沟栽较少在作物上应用。与传统的平作栽培方式相比,垄作和沟栽栽培技术对黄花菜产量和根际环境是否具有促进和改善的作用,尚不明确。故本研究以当地主栽黄花菜品种‘大同黄花’为研究对象,以常规平作栽培方式为对照,研究垄作和沟栽栽培方式对黄花菜根际土壤水热状况与酶活性、根系特征及产量特征的影响,旨在分析不同栽培方式对黄花菜根际环境、根系发育及产量的影响,明确其技术优势,研究结果可为提高黄花菜产量提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验地概况
于2022-2023年度在山西大同云州区黄花试验基地(39°43′~40°16′ N,113°20′~113°55′ E)进行试验,全区平均海拔1050 m。山西大同云州区属于温带季风型大陆性气候,年平均气温6.4
oC,平均无霜期125 d,平均日较差12
oC,年均日照2825 h,昼夜温差大,适宜黄花营养成分的积累。年均降水量395 mm,且集中在黄花生长季节
[13]。2023年度黄花菜生育期内试验地的降雨量和气温情况见
图1,此时间段降雨主要集中在7月。在4-8月,降雨量为39~111 mm,气温为11~35
oC。试验地土壤基本肥力状况为:pH=7.55,土壤全磷含量0.16 g·kg
-1,全钾含量0.35 g·kg
-1,全氮含量0.37 g·kg
-1,有效磷含量15.72 mg·kg
-1,速效钾含量122.75 mg·kg
-1,碱解氮含量74.67 mg·kg
-1。
1.2 供试材料
供试黄花菜品种为当地主栽品种‘大同黄花’,来自于山西省大同市云州区。
1.3 试验设计
试验设3个处理,分别为垄作、平作和沟栽,均采用等行距种植,栽培方式如
图2所示。
垄作栽培:垄底宽70 cm,垄面宽40 cm,垄间距120 cm,垄高10 cm,株距50 cm,垄上单行种植。每处理3次重复,每个重复1个小区,小区面积为11 m×1.2 m,共40穴,每穴5株,共200株;
平作栽培:行距120 cm,株距50 cm,单行种植。每处理3次重复,每个重复1个小区,小区面积为11 m×1.2 m,共40穴,每穴5株,共200株;
沟栽栽培:沟底宽40 cm,沟体宽70 cm,沟间距120 cm,株距为50 cm,沟深为10 cm,沟内单行种植。处理3次重复,每个重复1个小区,小区面积11 m×1.2 m,共40穴,每穴5株,共200株。
黄花菜田间管理措施同当地常规管理方法。在2022年11月25日,结合深耕施牛粪有机肥(全磷0.71%,全钾0.93%,全氮1.5%,有机质63.6%)1500 kg和复合肥料(氮、磷、钾比例为25∶5∶5)40 kg,完成黄花菜定植,定植后浇灌越冬水;在2023年4月25日,出苗前浇灌返青水,促进黄花菜返青;在黄花菜出苗后浇1次水,促进枝叶生长,在展叶期施氮、磷、钾三要素的比例为29∶9∶13的复合肥30 kg;在抽薹期分别浇灌水2次,且施入氮、磷、钾三要素的比例为15∶15∶15的复合肥料20 kg;在采收期追施水溶肥10 kg。黄花菜展叶期和抽薹期各中耕1次,保持土壤无杂草。
1.4 测定指标及方法
1.4.1 土壤容重、孔隙度及含水量
土壤容重的测定用环刀法
[14],土壤孔隙度(%)按公式P=(1-容重/比重)×100%计算
[15],土壤含水量的测定采用烘干法。每个处理地采用“S”形随机选取3个采样区取样,除去地表凋落物,每个样点取3个土层的深度,分别为0~10、10~20、20~30 cm土层,然后将每个采样区内同一土层的土样组成1个混合样,使其完全混匀后装于密封袋。
1.4.2 土壤温度
用地温计测定土壤温度,从4月初至8月中旬即黄花菜的全生育期内选取5个时间段,分别于4月5日、5月1日、6月17日、7月6日、8月5日每日14时测定0~5、5~10、10~15、15~20 cm共4个土层的温度。
1.4.3 土壤酶活性
分别在黄花菜展叶期、抽薹期、初花期和盛花期,取样土自然风干后测定土壤蔗糖酶和脲酶活性。蔗糖酶活性测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法,脲酶活性测定采用靛酚蓝比色法
[16]。每个处理地取土样方法同1.2.1。
1.4.4 土壤养分
分别在黄花菜展叶期、抽薹期、初花期和盛花期,每个处理随机选择3个采样区采用“S”形采样,除去地表凋落物后,用土钻取0~30 cm土层土样,3个样点土样组成1个混合样,完全混匀后装于密封袋。带回实验室,自然风干后测定土壤有效磷、速效钾、碱解氮的含量。有效磷含量测定采用钼蓝比色法,速效钾含量测定采用NH
4OAc浸提-火焰光度法,碱解氮含量测定采用碱解扩散法
[17]。
1.4.5 根系活力
分别在黄花菜展叶期、抽薹期、初花期和盛花期,每小区取3株黄花菜的须根,用TTC还原法
[18]测定黄花菜的根系活力。
1.4.6 根系干物质含量
分别在黄花菜的展叶期、抽薹期、初花期和盛花期,每小区取3株黄花菜测定根系干物质含量。采用烘干法,将黄花菜根系带到实验室称取鲜重,在105 oC下杀青,然后在65 oC烘干,称其干重。
1.4.7 产量
用直尺测量黄花菜植株花蕾长度,用游标卡尺测量黄花菜的花蕾直径,并记录每穴的花薹数和单薹花蕾数。每穴黄花菜上采集5个长势一致的花蕾,用天平测定其单花蕾鲜重,然后计算每公顷的产量。
产量(kg·hm-2)=(单穴花薹数×单薹花蕾数×单花蕾鲜重×穴数·hm-2)/1000
1.5 统计分析
采用 Excel 2016进行试验数据统计;采用SPSS软件进行统计分析,运用单因素方差分析(ANOVA)中的最小显著性差异(Duncan’s)法进行显著性差异分析;用 Graph Pad Prism软件绘图。
2 结果与分析
2.1 不同栽培方式下0~30 cm土层的土壤容重、孔隙度及含水量
从
表1可知,0~10、10~20 cm土层垄作的容重和含水量均显著低于平作,孔隙度则显著高于平作,20~30 cm土层垄作下容重、孔隙度和含水量较平作无显著差异性。垄作下0~10、10~20 cm土层容重较平作分别显著降低4.88%和3.37%,孔隙度则分别显著提高8.28%和7.33%,含水量分别显著降低17.03%和19.04%。沟栽下0~10、10~20 cm土层容重分别较平作显著提高14.02%和9.55%;0~10、10~20、20~30 cm土层沟栽下孔隙度分别较平作显著降低22.99%、18.16%和21.23%,0~10 cm土层的含水量显著降低11.46%。可见,垄作和沟栽均可以有效地改善黄花菜根际土壤的物理性状,降低容重,增加孔隙度,且沟栽还可增加含水量。
2.2 不同栽培方式下0~20 cm土层的土壤温度
土壤温度变化如由
图3所示,垄作、平作和沟栽3种栽培方式0~20 cm土层的温度变化趋势基本一致,总体上呈现出温度随着土层深度增加而降低的特点,即0~5 cm>5~10 cm>10~15 cm>15~20 cm。在黄花菜全生育期内,不同栽培方式对土壤温度的影响整体上表现为垄作>平作>沟栽。相比于平作,垄作下0~5 cm土层温度最多提高5.03
oC,5~10 cm土层最多提高3.63
oC,10~15 cm土层最多提高2.14
oC,15~20 cm土层最多提高1.2
oC。沟栽下0~5 cm土层温度较平作最多降低4.2
oC,5~10 cm土层最多降低3.87
oC,10~15 cm土层最多提高2.43
oC,15~20 cm土层最多提高2.13
oC。可见,垄作栽培会提高土壤温度,且在0~5 cm土层增温显著,而沟栽会不同程度地降低土壤温度。
2.3 不同栽培方式下的土壤酶活性
2.3.1 不同栽培方式下0~30 cm土层的土壤蔗糖酶活性
土壤蔗糖酶活性变化如
表2所示,在0~10 cm土层,垄作下展叶期、抽薹期、初花期蔗糖酶活性较平作分别显著提高118.45%、49.21%、117.47%、21.03%;沟栽下展叶期蔗糖酶活性较平作显著提高5.75%。在10~20 cm土层,垄作下抽薹期、初花期和盛花期蔗糖酶活性较平作分别显著提高53.94%、15.27%、29.68%;沟栽下黄花菜展叶期、抽薹期、初花期、盛花期蔗糖酶活性较平作分别显著降低78.01%、48.98%、76.20%、56.60%。在20~30 cm土层,垄作下展叶期、初花期、盛花期蔗糖酶活性较平作分别显著提高134.31%、54.20%和24.70%;沟栽下展叶期、初花期、盛花期蔗糖酶活性较平作分别显著降低71.53%、85.50%、93.49%。可见,与平作种植方式相比,垄作可有效提升0~30 cm土层蔗糖酶活性,而沟栽会降低10~30 cm土层蔗糖酶活性。
2.3.2 不同栽培方式下0~30 cm土层的土壤脲酶活性
土壤脲酶活性变化如
表3所示,在0~10 cm土层,垄作下初花期的脲酶活性较平作显著提高85.44%,其它生育时期与平作无显著差异;沟栽下初花期的脲酶活性较平作显著提高72.33%,其它生育时期与平作无显著差异。在10~20 cm土层,垄作和沟栽在盛花期的脲酶活性较平作分别显著降低4.24%、40.11%,其它生育时期与平作均无显著差异。在20~30 cm土层,垄作下展叶期、初花期的脲酶活性较平作分别显著提高73.14%、43.31%;沟栽下初花期、盛花期的脲酶活性较平作分别显著降低37.58%、28.40%。可见,垄作提高0~10、20~30 cm土层的土壤脲酶活性,改善土壤供应氮素的能力,沟栽提高0~10 cm土层的土壤脲酶活性,但会抑制10~30 cm土层脲酶活性。
2.4 不同栽培方式下的土壤养分含量
土壤速效养分含量如
表4所示,垄作和沟栽在黄花菜全生育期内的土壤有效磷、速效钾含量与平作均无显著差异。垄作下展叶期、初花期、盛花期的碱解氮含量较平作分别显著提高81.12%、111.42%%、40.64%,沟栽下展叶期、盛花期的碱解氮含量较平作分别显著降低36.67%、31.88%。可见,垄作可提高土壤速效养分,而沟栽会降低速效养分。
2.5 不同栽培方式下黄花菜的根系活力及根系干物质含量
根系活力是反映植株根系生长、吸收等生理功能的重要指标。黄花菜根系活力变化如
图4所示,在展叶期、初花期和盛花期,垄作和沟栽栽培的根系活力与平作无显著差异;在抽薹期,垄作的根系活力较平作显著提高21.36%,而沟栽下的根系活力与平作无显著差异。黄花菜根系干物质含量如
图4所示,随着生育期的推进,根系干物质含量在不断增加。在展叶期,垄作和沟栽下的根系干物质含量与平作均无显著差异;在抽薹期和盛花期垄作下的干物质含量较平作分别显著提高18.75%和27.63%。
2.6 不同栽培方式下黄花菜的产量及构成因素
不同栽培方式下黄花菜的产量及构成因素如
表5所示,不同栽培方式下黄花菜的单穴花薹数、单薹花蕾数、花蕾长度、花蕾直径、单花蕾鲜重这些产量构成因素均无显著差异,垄作的产量较平作显著提高28.89%,而沟栽的产量较平作之间无显著差异。
2.7 土壤性质指标和黄花菜产量的相关性分析
由
表6可见,土壤的孔隙度与容重呈极显著负相关;含水量与容重呈极显著正相关,与孔隙度呈极显著负相关;脲酶活性与蔗糖酶活性呈极显著正相关;速效钾含量与含水量呈极显著负相关,与容重呈显著负相关,与孔隙度呈显著正相关;碱解氮含量与容重、含水量呈显著负相关,与速效钾含量呈极显著正相关;根系干物质与土壤脲酶活性呈极显著负相关,与土壤速效钾含量、根系活力呈极显著正相关,与土壤碱解氮含量呈显著正相关;产量与土壤蔗糖酶活性、土壤碱解氮含量呈显著正相关。可见,黄花菜产量与根际土壤环境是紧密相关的。
2.8 栽培方式的综合评价
由
图5可见,相对于平作和沟栽,垄作(垄高10 cm)对产量的影响最为显著。其中影响产量的指标为土壤的孔隙度、蔗糖酶活性、速效钾含量、碱解氮含量。
由
表7可见,通过对3种栽培方式下12个土壤理化属性及产量指标进行主成分分析,提取特征值大于1的3个主成分,这3个主成分的累计方差贡献率为92.75%。第1主成分特征值为7.10,方差贡献率为59.17%,决定其大小的主要是土壤的孔隙度、温度、蔗糖酶活性、脲酶活性、速效钾含量、碱解氮含量;第2主成分特征值为2.88,方差贡献率为23.99%,决定其大小的主要是根系活力、根系干物质含量;第3主成分特征值为1.15,方差贡献率为9.60%,决定其大小的主要是土壤的容重、含水量、有效磷含量与产量。
以土壤的容重(x1)、孔隙度(x2)、含水量(x3)、温度(x4)、蔗糖酶活性(x5)、脲酶活性(x6)、有效磷含量(x7)、速效钾含量(x8)、碱解氮含量(x9)以及根系活力(x10)、根系干物质(x11)、产量(x12)12个指标为变量,以各个主成分的矩正值除以该成分特征值的平方根为系数,建立土壤环境指标的综合比较模型表达式如下:
F1=-0.13x1+0.13x2-0.13x3+0.13x4+0.14x5+0.11x6+0.04x7+0.13x8+0.12x9-0.02x10-0.03x11+0.08x12;
F2=-0.01x1+0.01x2-0.01x3-0.05x4+0.01x5-0.15x6-0.22x7+0.08x8+0.17x9+0.34x10+0.31x11+0.18x12;
F3=0.26x1-0.26x2+0.11x3-0.16x4-0.03x5+0.25x6+0.57x7+0.10x8+0.01x9+0.02x10+0.18x11+0.51x12。
以各主成分方差贡献率在累计贡献率中所占的比重为权重,建立综合评价函数:
F=(F1×59.17%+F2×23.99%+F3×9.60%)/92.75%。
由
表9可见,垄作处理得分最高,其次是平作和沟栽处理,可见,垄作能够较好改善黄花菜根际环境和提升黄花菜产量。
3 讨论
3.1 栽培方式对黄花菜根际土壤环境的影响
不同栽培方式对土壤中的水、气、热产生重要影响,土壤中水、气、热的相互协调影响土壤酶活性高低和土壤养分含量的积累。有研究表明,垄作栽培会降低土壤容重,提高土壤孔隙度
[19-20],增加土壤温度
[21],改善作物的生长环境。本研究结果显示,相比于平作,垄作在0~30 cm土层土壤容重降低、孔隙度提高,进而促进土壤吸收热量,提高土壤温度。土壤酶活性和土壤水热状况密切相关,是土壤肥力的重要指标
[22]。相关研究表明,垄作会提高土壤酶活性和土壤养分含量
[23-24]。本研究结果显示,通过土壤环境的相关性分析,土壤孔隙度、温度与酶活性呈正相关,土壤酶活性与速效钾、碱解氮含量呈正相关。在黄花菜生育期内,垄作栽培下土壤孔隙度和温度增加可提高0~30 cm土层的酶活性,土壤蔗糖酶和脲酶活性的提高促进土壤速效养分的积累,提高速效钾和碱解氮的含量。
相关研究表明,沟栽种植会提高土壤水分
[25],但会降低土壤孔隙度和温度
[26]。本研究结果显示,沟栽显著增加0~10 cm土层土壤含水量;但土壤孔隙度和温度显著降低,将抑制土壤酶活性。黄花菜生育期内,沟栽明显抑制10~30 cm土层土壤蔗糖酶、脲酶活性,碱解氮含量下降。
3.2 栽培方式对黄花菜根系特征及产量的影响
根际土壤环境对根系生长发育产生促进或抑制的作用,影响着作物根系对土壤养分吸收,进而对产量产生一定的影响。有研究表明,垄作改善了田间小气候,促进玉米根系的发育,提高干物质积累。王旭清等
[27]发现在0~60 cm土层垄作较平作根系活力得到极显著提高。孙婴婴
[28]发现与传统平作相比,垄作栽培措施可提高小麦发根能力,提高根系干物质积累量。钱永德等
[29]发现与平作相比,水稻在垄作栽培条件下根系更发达,产量提高。本研究结果显示,根系干物质含量与土壤速效钾含量、碱解氮含量、根系活力呈显著正相关,垄作提高黄花菜根系活力,促进根系吸收土壤养分,增加黄花菜根系干物质积累,垄作下良好的土壤环境和强壮的根系促进黄花菜产量提高28.88%。
李鹏宇等
[30]研究发现,沟播栽培夏玉米的总根干物质量含量下降。本研究结果显示,在黄花菜全生育期内,沟栽下根系活力与根系干物质含量与平作无显著差异,产量与平作亦无显著差异。沟栽虽提高表层土壤含水量,但土壤孔隙度小,影响水分的下渗,阻碍根系对水分的吸收;有研究表明,土壤酶活性的高低影响土壤养分的释放,土壤养分丰缺程度直接影响作物的生长发育和产量的高低
[31]。沟栽下土壤紧实,土壤酶活性降低,抑制土壤养分的释放,土壤养分不足,阻碍黄花菜的生长,所以即使土壤水分条件较好,但是没有被植株更好地吸收利用,故沟栽下产量不高。
3.3 黄花菜栽培方式的综合评价
用主成分分析法对黄花菜根际土壤环境、根系活力及生物量、产量指标进行综合分析,主成分提取了3个因子,涵盖指标较为全面,结果显示垄作的综合指标表现最佳,要优与平作和沟栽。由此,垄作可以作为大同黄花菜的一种新型栽培模式,更好地提高黄花菜产量和改善根际土壤环境。
本研究中采用的是垄高为10 cm的垄作和沟深为10 cm的沟栽栽培方式,其它高度和沟深的能否更好促进黄花菜生长尚不清楚,建议继续探究5、10、15、20 cm不同高度的垄作和不同沟深的沟栽对黄花菜根际土壤环境、产量特征的影响,确定适宜黄花菜生长的最佳垄作高度与沟栽深度。
4 结论
综上所述,在3种栽培方式中,垄作下根际土壤环境、根系活力与作物生物量、产量都有所提高。采用垄作(垄高10 cm)的栽培方式,可提高0~20 cm土层土壤孔隙度、温度和0~30 cm土层土壤蔗糖酶和脲酶活性。在黄花菜全生育期内,土壤碱解氮含量显著提高40.64%~111.42%。此外,垄作下良好的土壤环境促进根系活力和根系干物质含量分别显著提高21.36%和27.63%。良好的根际土壤环境和强壮的根系促进黄花菜产量提高28.88%。因此,垄作(垄高10 cm)可作为大同地区高效栽培模式。
国家重点研发计划子课题(2021YFD1600301-4)