一种提高土壤微生物多样性和冬小麦产量的轮作栽培方法

1.本发明属于农业技术领域，涉及一种提高土壤微生物多样性和冬小麦产量的轮作栽培方法。


背景技术：

2.土壤微生物群落是生态系统生物化学循环过程的关键参与者，是植物生产力的重要驱动者。在农业生态系统中，不同种植体系通过植物残体、根系分泌物和养分吸收等物质交换过程，直接或间接影响土壤微生物群落生态功能；同时，土壤微生物群落的变化会进一步对作物生产过程的植物营养、生长调节、生物防治等关键环节产生反馈作用，作物
‑
土壤微生物相互作用对土壤健康和作物生产至关重要。
3.华北平原是我国重要的粮食生产基地，冬小麦
‑
夏玉米、冬小麦
‑
夏花生、冬小麦
‑
夏大豆等一年两熟制是该区域主要种植制度，其中，以连续冬小麦
‑
夏玉米周年轮作种植为主导。在连续单一的种植制度下，单位面积产量增加缓慢，粮食产量的维持和提高主要依赖于化肥农药的大量投入；另一方面，连续单一的养分吸收和根际沉积，致使土壤养分失衡、土壤微生物群落多样性降低，农业生态系统抵抗逆境胁迫的能力下降，农业可持续发展面临挑战。
4.作物轮作是在田间有序轮换种植不同作物的方式，通过多样化轮作增加时间上的作物多样性，进一步搭配合理的栽培管理，有助于改善土壤环境，恢复地上
‑
地下正相互作用，减轻单一化种植制度对土壤健康和生态系统功能的负面影响，是提高作物生产力和生态可持续性的重要方向。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种提高土壤微生物多样性和冬小麦产量的轮作栽培方法，以冬小麦种植为主体，进行冬小麦与夏大豆或夏玉米隔年轮作种植，轮作周期为6年，可以提高土壤微生物多样性，改善土壤养分状况，增加冬小麦产量。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明提供一种提高土壤微生物多样性和冬小麦产量的轮作栽培方法，包括以下步骤：在华北平原一年两熟制农田，以冬小麦种植为主体，进行冬小麦与夏大豆或夏玉米隔年轮作种植，轮作周期为6年，即每6年种植夏大豆3～4次、种植夏玉米2～3次，辅以冬小麦栽培管理、夏大豆或夏玉米栽培管理。
7.优选地，每6年种植夏大豆4次、种植夏玉米2次的具体顺序为：夏大豆
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦。
8.优选地，每6年种植夏大豆3次、种植夏玉米3次的具体顺序为：夏大豆
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦。
9.优选地，每6年种植夏大豆3次、种植夏玉米3次的的具体顺序为：夏大豆
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦。
10.优选地，所述冬小麦栽培管理的方法包括：种植前，将上季作物秸秆粉碎全量还田，施氮肥、磷肥、钾肥，翻旋整地，选择抗逆稳产的冬小麦品种，播前使用杀虫杀菌剂拌种，10月上中旬足墒精量播种；次年于拔节期随灌溉或降雨追施氮肥，于6月上旬完熟期适时收获。
11.优选地，所述夏大豆或夏玉米栽培管理的方法包括：冬小麦收获时秸秆粉碎全量还田，然后免耕直播种植夏大豆或夏玉米，选择抗逆稳产的夏大豆或夏玉米品种，根据品种特性确定适宜播种量，施氮肥作种肥或出苗后追施；于生育中后期随降雨追施氮肥，于9月中下旬完熟期适时收获。
12.相比现有技术，本发明的有益效果在于：1、本发明在连续冬小麦
‑
夏玉米一年两熟的基础上，加入夏大豆替代夏玉米进行隔年轮作种植，增加了时间上的作物多样性，通过作物
‑
土壤相互作用，可增加土壤微生物群落多样性和丰富度，改善土壤微生物群落结构，利于土壤生态健康的保护。
13.2、本发明通过夏大豆与夏玉米隔年轮作种植，搭配合理的栽培管理，充分利用多样化的养分吸收和根系沉积作用，可改善土壤养分状况，增加后茬作物的养分供应，促进冬小麦的养分吸收利用，增加冬小麦产量，利于作物生产力的提高。
附图说明
14.图1为不同轮作栽培方法的土壤有效磷含量。
15.图2为不同轮作栽培方法的冬小麦产量。
具体实施方式
16.以下实施例用于说明本发明，但不用来限定本发明的保护范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。下述实施例中的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。
17.实施例一2015年6月至2021年6月在河南现代农业研究开发基地(河南省新乡市平原新区，35
°
00'n，113
°
41'e)田间定位实施，该区域累年年平均气温14.4℃，累年月平均气温0℃(1月)至26.9℃(7月)。土壤为黄河冲积物发育的砂壤质潮土，其0～20cm土壤有机碳4.29g/kg，全氮0.31g/kg，全磷0.87g/kg，全钾19.65g/kg，ph值8.52。以冬小麦种植为主体，进行夏大豆与夏玉米隔年轮作种植，6年间种植夏大豆4次，种植夏玉米2次，作物种植顺序为：夏大豆
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦。
18.冬小麦种植前，将上季作物秸秆粉碎全量还田，底施氮肥(以n计)150千克/公顷、磷肥(以p2o5计)120千克/公顷、钾肥(以k2o计)90千克/公顷，翻旋整地，冬小麦品种采用郑麦7698，行距20cm，播种量120～150千克/公顷，10月上中旬足墒精量播种，播种前使用12％吡虫啉+2.3％毒死蜱+0.7％苯醚甲环唑拌种；次年于拔节期随灌溉或降雨追施氮肥(以n计)75千克/公顷，于6月上旬完熟期适时收获。
19.冬小麦收获时秸秆粉碎全量还田，随即免耕直播种植夏大豆或夏玉米，夏大豆品种采用郑豆04024，行距40cm，播种量18～23万粒/公顷，夏玉米品种采用郑单958，行距
60cm，播种量6.5～7.2万粒/公顷，出苗后每公顷施氮肥(以n计)112.5千克；于生育中后期随降雨追施氮肥(以n计)112.5千克/公顷，于9月中下旬完熟期适时收获。
20.实施例二2015年6月至2021年6月在河南现代农业研究开发基地(河南省新乡市平原新区，35
°
00'n，113
°
41'e)田间定位实施，该区域累年年平均气温14.4℃，累年月平均气温0℃(1月)至26.9℃(7月)。土壤为黄河冲积物发育的砂壤质潮土，其0～20cm土壤有机碳4.29g/kg，全氮0.31g/kg，全磷0.87g/kg，全钾19.65g/kg，ph值8.52。以冬小麦种植为主体，进行夏大豆与夏玉米隔年轮作种植，6年间种植夏大豆3次，种植夏玉米3次，作物种植顺序为：夏大豆
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦。
21.冬小麦种植前，将上季作物秸秆粉碎全量还田，底施氮肥(以n计)150千克/公顷、磷肥(以p2o5计)120千克/公顷、钾肥(以k2o计)90千克/公顷，翻旋整地，冬小麦品种采用郑麦7698，行距20cm，播种量120～150千克/公顷，10月上中旬足墒精量播种，播种前使用12％吡虫啉+2.3％毒死蜱+0.7％苯醚甲环唑拌种；次年于拔节期随灌溉或降雨追施氮肥(以n计)75千克/公顷，于6月上旬完熟期适时收获。
22.冬小麦收获时秸秆粉碎全量还田，随即免耕直播种植夏大豆或夏玉米，夏大豆品种采用郑豆04024，行距40cm，播种量18～23万粒/公顷，夏玉米品种采用郑单958，行距60cm，播种量6.5～7.2万粒/公顷，出苗后每公顷施氮肥(以n计)112.5千克；于生育中后期随降雨追施氮肥(以n计)112.5千克/公顷，于9月中下旬完熟期适时收获。
23.实施例三2015年6月至2021年6月在河南现代农业研究开发基地(河南省新乡市平原新区，35
°
00'n，113
°
41'e)田间定位实施，该区域累年年平均气温14.4℃，累年月平均气温0℃(1月)至26.9℃(7月)。土壤为黄河冲积物发育的砂壤质潮土，其0～20cm土壤有机碳4.29g/kg，全氮0.31g/kg，全磷0.87g/kg，全钾19.65g/kg，ph值8.52。以冬小麦种植为主体，进行夏大豆与夏玉米隔年轮作种植，6年间种植夏大豆3次，种植夏玉米3次，作物种植顺序为：夏大豆
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦
→
夏大豆
‑
冬小麦。
24.冬小麦种植前，将上季作物秸秆粉碎全量还田，底施氮肥(以n计)150千克/公顷、磷肥(以p2o5计)120千克/公顷、钾肥(以k2o计)90千克/公顷，翻旋整地，冬小麦品种采用郑麦7698，行距20cm，播种量120～150千克/公顷，10月上中旬足墒精量播种，播种前使用12％吡虫啉+2.3％毒死蜱+0.7％苯醚甲环唑拌种；次年于拔节期随灌溉或降雨追施氮肥(以n计)75千克/公顷，于6月上旬完熟期适时收获。
25.冬小麦收获时秸秆粉碎全量还田，随即免耕直播种植夏大豆或夏玉米，夏大豆品种采用郑豆04024，行距40cm，播种量18～23万粒/公顷，夏玉米品种采用郑单958，行距60cm，播种量6.5～7.2万粒/公顷，出苗后每公顷施氮肥(以n计)112.5千克；于生育中后期随降雨追施氮肥(以n计)112.5千克/公顷，于9月中下旬完熟期适时收获。
26.对比例以当前农业生产习惯轮作栽培方法为对比例，对比例轮作栽培方法与实施例1～3不同的是：在6年间进行连续冬小麦
‑
夏玉米一年两熟种植，未进行夏大豆隔年轮作，作物种植顺序为：夏玉米
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦
→
夏
玉米
‑
冬小麦
→
夏玉米
‑
冬小麦。
27.以实施例1～3与对比例的土壤细菌和真菌群落多样性与丰富度、土壤有效磷含量和冬小麦产量，来表明本发明所具有的优势。
28.在同一时间采集实施例1～3和对比例作物收获后的行间0～20cm土壤样品，每个重复随机取5个样点混合作为该重复的土壤样本。冷藏箱带回实验室后，除去石块和植物残体，过2mm筛混匀，每个样本分为2份，一份保存于
‑
80℃用于测定土壤细菌和真菌群落多样性与丰富度，另一份风干磨样过筛用于测定土壤有效磷含量。
29.土壤细菌和真菌群落多样性与丰富度测定步骤如下：称取0.5g冷冻土壤，使用fastdna spin kit for soil试剂盒提取土壤微生物总dna，分别采用引物515f[5'
‑
gtgccagcmgccgcgg
‑
3']/907r[5'
‑
ccgtcaattcmtttragttt
‑
3']和its3f[5'
‑
gcatcgatgaagaacgcagc
‑
3']/its4r[5'
‑
tcctccgcttattgatatgc
‑
3']进行16s rrna基因v4
‑
v5区和its2序列的pcr扩增。每个样本3个重复，pcr反应后将同一样本的产物混合，2％琼脂糖凝胶电泳检测，切胶回收目的dna片段，采用picogreen荧光染料法进行dna定量，按相应体积比例混合，illumina miseq测序平台进行pe300高通量测序。下机数据使用flash进行序列拼接，采用fastp进行质量控制和数据过滤。使用usearch进行otu聚类(uparse)和嵌合体检查去除(uchime)。使用rdp classifier对out进行分类注释，16s rrna基因采用silva数据库，its序列采用unite数据库。按最小样本序列数进行抽平，以抽平后的有效数据使用mothur进行土壤微生物群落alpha多样性分析。结果如表1所示。
[0030]
表1不同轮作栽培方法的土壤微生物群落alpha多样性注：表中数值为三个重复的平均值，同列数值后字母不同表示处理间差异达显著水平(p<0.05)由表1不同轮作栽培方法的土壤微生物群落alpha多样性可知，实施例1～3与对比例相比增加了土壤细菌和真菌群落丰富度与多样性，尤其是实施例1～3的土壤细菌多样性、真菌丰富度与对比例相比差异均达显著水平(p<0.05)，由此可表明，本发明轮作栽培方法可提高土壤微生物多样性，利于土壤生态健康的保护。
[0031]
土壤有效磷含量测定步骤如下：称取通过2mm筛孔风干土样2.50g于250ml塑料瓶中，加入0.5mol/l碳酸氢钠提取液50ml和1小匙无磷活性炭，25℃250rpm振摇30min，定量滤纸过滤，连续流动分析仪测定，结果如图1所示，图中误差线代表三个重复的标准差，不同字母表示差异达显著水平(p<0.05)。由图1可知，实施例1～3与对比例相比均显著增加了土壤有效磷含量(p<0.05)，表明本发明轮作栽培方法可改善土壤养分状况。
[0032]
在冬小麦成熟期每个重复收获30m2进行脱粒称重，调查单位面积产量，结果如图2所示，图中误差线代表三个重复的标准差，不同字母表示差异达显著水平(p<0.05)。由图2可知，实施例1～3与对比例相比均显著增加了冬小麦产量(p<0.05)，增产率5.0～11.6％，
尤其是实施例3增产效果最显著，表明本发明轮作栽培方法可显著提高冬小麦产量，利于作物生产力的提高。
[0033]
综合上述实施例与对比例的对比结果，本发明轮作栽培方法可以提高土壤微生物多样性，改善土壤养分状况，增加冬小麦产量，利于土壤生态健康的保护和作物生产力的提高。
[0034]
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理上所作的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。