黑土低山丘陵區(qū)水平梯田地力提升措施對(duì)土壤質(zhì)量和玉米產(chǎn)量的影響

張 瑜徐子棋徐長(zhǎng)林于艷秋蘆貴君李紅蕊李昊倫

(1.吉林省水土保持科學(xué)研究院,吉林 長(zhǎng)春130033;2.敦化市水土保持工作站,吉林 敦化133700;3.東豐縣水土保持技術(shù)服務(wù)中心,吉林 東遼136300)

吉林省黑土區(qū)耕地面積約4.60×106hm2,對(duì)糧食產(chǎn)量貢獻(xiàn)率超過80%。由于利用管理模式不合理,加之水土流失嚴(yán)重,該地區(qū)黑土層不斷變薄,肥力不斷降低[1]。因此,如何提高黑土區(qū)地力成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。化肥雖然能提高地力,但由于使用量過多,造成的土壤板結(jié)與酸化已成為黑土質(zhì)量惡化重要因素[2]。

很多研究[2-3]表明施用適量的秸稈和有機(jī)肥是既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的黑土區(qū)的改土、增產(chǎn)措施。如有研究發(fā)現(xiàn)秸稈中富含營(yíng)養(yǎng)元素,其與N肥配施后,能夠增加土壤有機(jī)C含量,促進(jìn)大團(tuán)聚體形成,從而改善土壤通透性。此外,秸稈不僅可腐化、作為營(yíng)養(yǎng)的補(bǔ)充源,而且可提高土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)植物的可吸收性[2,4]。秸稈還田能夠促進(jìn)玉米地上、地下部分生長(zhǎng),改善光合作用狀況,且混拌還田方式優(yōu)于覆蓋還田[5]。有機(jī)肥不僅顯著提升土壤中有機(jī)C,N,P,K含量[6],還能夠提高土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、堿性P酸酶活性,增加土壤有益細(xì)菌豐富度,使土壤系統(tǒng)向穩(wěn)定、健康的方向發(fā)展[7]。與單施用化肥相比,混施有機(jī)肥、化肥一方面可切實(shí)提高土壤肥力[8],提高土壤陽離子交換量、田間持水量、總孔隙度,且豬糞肥的效果優(yōu)于雞糞肥[9]。長(zhǎng)期使用有機(jī)肥配合化肥能夠使玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)[10]。另一方面還可以改善土壤機(jī)械結(jié)構(gòu),促使更多大粒徑團(tuán)聚體形成、增加團(tuán)聚體水穩(wěn)性。

此外,秸稈和有機(jī)肥配施也具有較好的效果。秸稈和有機(jī)肥交替施用能夠降低土壤容重、緊實(shí)度,提高土壤有機(jī)C和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量,同時(shí)削減土壤中對(duì)植物有害的真菌數(shù)量[11-12]。在秸稈還田的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步增施有機(jī)肥不僅對(duì)土壤自身理化性狀的改良具有重要作用,同時(shí)還能促進(jìn)玉米根系生長(zhǎng),且二者的相互作用實(shí)現(xiàn)正向促進(jìn)目標(biāo)[3]。在坡改梯的過程中很容易造成底土上翻,造成耕層土壤肥力下降,進(jìn)而影響作物產(chǎn)量,亟需開展地力培肥工作,然而,有關(guān)黑土區(qū)坡改梯地力提升措施高效配置的文獻(xiàn)卻鮮有報(bào)道。

為此,本研究選擇吉林省黑土區(qū)典型坡改梯措施點(diǎn),施用有機(jī)肥、無機(jī)肥、秸稈不同組合處理,研究不同地力提升措施對(duì)土壤養(yǎng)分含量、化學(xué)計(jì)量和玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量的影響,以及其間的相互作用機(jī)理,旨在為黑土區(qū)耕地地力提升和黑土地保護(hù)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省東遼縣安石鎮(zhèn)杏木小流域(125°22′40″—125°26′10″E,42°58′05″—43°01′40″N),屬低山丘陵暗棕壤區(qū)。區(qū)域?yàn)闇貛Т箨懶詺夂蛱卣?四季分明、光熱水充足,無霜期年平均135 d。年平均日照時(shí)數(shù)2 504.20 h,年平均降水量658.10 mm,年平均降水日數(shù)為120 d。降雨集中在每年5—9月,7月最多。研究區(qū)主要樹種有落葉松、樟子松、紅松、云杉,還有部分柞樹樺樹、五角楓等。當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種植作物為玉米,種植方式為坡面橫壟。主要土類有暗棕壤、棕壤、白漿土、沖積土、水稻土、草甸土、沼澤土、泥炭土等。

1.2 措施布設(shè)

試驗(yàn)田為水平梯田,位于陽坡,坡度為8°的直線型坡,坡長(zhǎng)228 m,同坡位0—20 cm混合樣土壤理化性質(zhì)詳見表1。梯田2018年建成,埂坎長(zhǎng)度20 m,類型分別為土坎梯田、生態(tài)膜帶梯田、石坎梯田和組裝薄壁梯田。每個(gè)田坎分7個(gè)處理(表2),每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),編號(hào)為2—8措施處理,1號(hào)空白對(duì)照(CK)。措施實(shí)施時(shí)間為2021年。玉米種植株距為30 cm,行距為65 cm。試驗(yàn)區(qū)無人為灌溉,來水方式為天然降水。

表1 研究坡面土壤物理性質(zhì)本底值

表2 研究區(qū)水平梯田不同地力提升處理組

化肥為復(fù)合肥(總養(yǎng)分≥45%,配比為24%N,10%P2O5,11%K2O),有機(jī)肥來源為牛糞,含N量為1.33%,秸稈為來自當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶玉米秸稈粉碎。玉米種子為吉東54號(hào)(吉林省遼源市農(nóng)科院監(jiān)制),2021年5月初播種?；逝c有機(jī)肥在播種前一次性施入。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 土壤理化指標(biāo) 在每個(gè)處理的3個(gè)重復(fù)小區(qū)采用S形取樣方法進(jìn)行采樣,取3個(gè)重復(fù)平均值,作為各處理代表值。在對(duì)照處理各坡位的3個(gè)樣點(diǎn)取土,取平均值。作物生長(zhǎng)季土壤水分測(cè)定時(shí)間為2021年6月1日、7月1日、8月1日、9月1日、10月1日,測(cè)定深度為0—20 cm,方法為烘干稱重法。在2021年11月初采集0—20 cm耕層土壤分析全N、全P、全K、堿解N、速效P、速效K、有機(jī)質(zhì)、容重、含水率和總孔隙度。采集20—40 cm(亞耕層)土壤分析全N、全P、全K。全N采用半微量開氏法;全P采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法;全K采用火焰光度法;有機(jī)C采用重鉻酸K法—外加熱法測(cè)定;化學(xué)計(jì)量為全量比值;堿解N采用擴(kuò)散吸收法;速效P采用化學(xué)浸提法;速效K采用火焰光度計(jì)法測(cè)定。容重、含水率和總孔隙度采用為烘干稱重法計(jì)算。

1.3.2 作物指標(biāo) 作物株高測(cè)定于2021年6月1日、7月1日、8月1日、9月1日、10月1日,每個(gè)處理選10株測(cè)定,結(jié)果取3個(gè)重復(fù)平均值。作物農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量指標(biāo)測(cè)定時(shí)間為10月中旬。從各處理隨機(jī)抽取15穗玉米,進(jìn)行玉米考種。測(cè)玉米的穗長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粗、穗重、穗粒重、出籽率、千粒重,取3個(gè)重復(fù)平均。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖形繪制。利用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析(ANONA單因素方差分析Duncan法)和主成分分析。利用Canoco 4.5進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地力提升措施對(duì)梯田土壤養(yǎng)分影響

由表3可知,研究區(qū)土壤對(duì)照組和地力改良處理組的耕層全量N,P,K的含量都大于亞耕層。其中,耕層全N、全P和全K含量范圍分別為0.50～0.82 g/kg,0.68～0.7 g/kg,16.39～17.46 g/kg,亞耕層全N、全P和全K含量范圍分別為0.22～0.35 g/kg,0.40～0.45 g/kg,11.53～15.23 g/kg。各地力改良處理對(duì)耕層全N、全P和全K含量提高比例為4.00%～64.00%,0.00%～2.90%,3.20%～5.40%,對(duì)亞耕層全N、全P和全K含量提高比例為36.30%～50.00%,2.50%～12.50%,3.40%～29.40%。其中,耕層和亞耕層的全P改良效果不顯著,其他效果均顯著(p＜0.05)。各處理耕層全N改良效果的排序?yàn)?處理4＞處理7＞處理5＞處理6＞處理8＞處理3＞處理2;耕層全K改良效果的排序?yàn)?處理6＞處理7＞處理2＞處理8＞處理5＞處理3＞處理4;亞耕層全N改良效果的排序?yàn)?處理4＞處理3=處理8＞處理5處理＞6＞處理7＞處理2;亞耕層全P改良效果的排序?yàn)?處理2＞處理3=處理5＞處理6＞處理7＞處理8=處理4;亞耕層全K改良效果的排序?yàn)?處理5＞處理7＞處理6＞處理8＞處理2＞處理3＞處理4。

由表4可知,各處理可顯著提高土壤堿解N、速效P、有機(jī)C的含量(p＜0.05),但對(duì)速效K沒有顯著的改善作用。其中,各處理提高土壤堿解N、速效P、速效K、有機(jī)C的比例范圍分別為:3.50%～4.80%,1.10%～15.90%,0.10%～0.60%,1.20%～11.20%。

表4 收獲季不同處理水平梯田土壤速效N,P,K和有機(jī)C含量

各處理提高土壤堿解N幅度排序?yàn)?處理4＞處理5＞處理3＞處理6＞處理8＞處理7＞處理2;提高土壤速效P幅度排序?yàn)?處理4＞處理5＞處理6＞處理3＞處理8＞處理7＞處理2;提高土壤有機(jī)C幅度排序?yàn)?處理8＞處理7＞處理6＞處理4=處理5＞處理3＞處理2。此外,結(jié)合表1和表3可知,單施化肥改善全N、堿解N、速效P和有機(jī)C的效果遠(yuǎn)不如搭配有機(jī)肥或秸稈的處理。

2.2 地力提升措施對(duì)梯田土壤物理性狀的影響

由圖1可知,各處理土壤含水量6—9月逐漸升高,9—10月逐漸降低。除處理2外,各處理均能顯著提高土壤含水率(p＜0.05)。其中,處理3—8在6,7,8,9,10月提高土壤含水率的范圍分別為21.10%～48.70%,15.30%～44.40%,14.60%～34.30%,5.90%～14.60%,28.20%～42.00%。且由圖1可知,有機(jī)肥+秸稈不僅可有效提高土壤含水率,而且也能夠維持土壤水分含量在一定水平。由表5可知,除處理2外,各種地力提升措施顯著改善土壤物理性質(zhì)。各措施提高土壤含水率的范圍為7.00%～69.10%,降低容重的范圍為7.60%～11.40%,提高總孔隙度的范圍為5.80%～11.10%,均差異顯著(p＜0.05)。其中,處理7和處理8效果較為明顯,即化肥、有機(jī)肥和秸稈混施改善土壤物理性質(zhì)效果最好。

圖1 生長(zhǎng)季不同處理水平梯田土壤水率

表5 收獲季不同處理水平梯田土壤物理性狀

2.3 地力提升措施對(duì)土壤C,N,P化學(xué)計(jì)量的影響

由表6可知,各種地力提升措施顯著降低了C∶N,提高了N∶P,C∶P,均差異顯著(p＜0.05)。其中,C∶N的降低范圍為3.70%～34.20%,N∶P的提高比例為3.30%～62.90%,C∶P的提高比例為1.20%～11.50%。相比其他混合措施,單施化肥的化學(xué)計(jì)量特征值變化較小。

表6 收獲季不同處理水平梯田土壤C,N,P化學(xué)計(jì)量特征

2.4 水平梯田收獲季各處理土壤理化性質(zhì)主成分分析評(píng)價(jià)

根據(jù)特征值≥1的原則選擇主成分共3個(gè)。由表7可知,3個(gè)主成分的累計(jì)共為93.13%。由表8可知,各土壤理化性質(zhì)指標(biāo)在3個(gè)主成分中的荷載。施用不同地力改良措施后各指標(biāo)在土壤理化特征中的重要程度詳見表7。由表7可知,所有指標(biāo)中只有土壤容重是負(fù)載荷指標(biāo),即指標(biāo)越大土壤質(zhì)量越差。在主成分1種,載荷前3的指標(biāo)分別為:堿解N＞總孔隙度＞有機(jī)C,荷載均超過0.90;在主成分2種,荷載前3的指標(biāo)分別為:含水率＞全P＞速效P,荷載均超過0.50;在主成分3種,荷載前3的指標(biāo)分別為:全P＞全K＞速效P(表8)。根據(jù)圖2可知,水平梯田各地力改良措施的效果評(píng)分排序?yàn)?處理4＞處理7＞處理5＞處理8＞處理6＞處理3＞處理2＞處理1。處理4,5,7評(píng)分達(dá)3.00以上,地力提升效果較好,處理6,8評(píng)分達(dá)2.00～3.00效果適宜,處理2,3評(píng)分負(fù)值,效果較差。即化肥+有機(jī)肥+秸稈處理提升地力效果最好,化肥+秸稈處理效果也較為理想,化肥+有機(jī)肥的處理不夠理想,技術(shù)有待提升。

圖2 水平梯田不同處理土壤質(zhì)量綜合評(píng)分

表7 各主成分的特征值及貢獻(xiàn)率

表8 土壤理化指標(biāo)在不同主成分中的荷載

2.5 地力提升措施對(duì)玉米農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的影響

由圖3可知,各措施可顯著促進(jìn)玉米株高生長(zhǎng)(p＜0.05),其中,6月1日、7月1日、8月1日、9月1日、10月1日株高提升百分比范圍分別為10.00%～32.00%,23.80%～57.14%,13.80%～63.86,9.60%～38.40%,4.50%～32.00%。由表9可知,各措施可以顯著改善除出籽率外所有的玉米農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量狀況指標(biāo)。各措施改善穗長(zhǎng)、穗行數(shù)、穗粗、穗重、穗粒重、千粒重和產(chǎn)量的范圍分別為:11.60%～13.60%,9.80%～30.80%,6.10%～96.30%,15.10%～17.00%,10.20%～16.20%,2.40%～26.20%,34.87%～81.29%。

表9 不同處理水平梯田玉米農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量狀況

圖3 不同處理水平梯田玉米株高生長(zhǎng)影響

其中,各處理組提高產(chǎn)量比例排序?yàn)?處理4＞處理5＞處理3＞處理6＞處理8＞處理7＞處理2,差異顯著(p＜0.05)。即,化肥0.75 t/hm2+有機(jī)肥3.75 t/hm2和化肥0.75 t/hm2+秸稈還田3.00 t/hm2處理改善產(chǎn)量效果最為優(yōu)異。

2.6 土壤因子與作物因子的典范對(duì)應(yīng)分析

由表10可知,作物因子和土壤因子作物第一排序軸和第二排序軸的相關(guān)性分別為0.92和0.91,作物因子與土壤因子關(guān)系的變化累計(jì)比例在作物第一軸和第二軸分別為86.00%和97.60%。由表11可知,土壤因子與第一軸的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值在0.17～0.99之間,與第二軸的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值在0.12,0.92之間。在第一軸中,相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值超過0.80的因子分別為:土壤含水率＞容重＞總孔隙度＞有機(jī)C,第二軸中相關(guān)系數(shù)超過0.80的因子為:速效K＞速效P＞全N。說明上述土壤物理性狀與有機(jī)質(zhì)含量是影響黑土丘陵區(qū)新開梯田玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量最重要的因子。

表10 CCA排序軸特征值及生長(zhǎng)因子與環(huán)境因子的相關(guān)性

表11 土壤因子與CCA作物排序軸的相關(guān)系數(shù)

3 討論

土壤肥力狀況是土壤特征的重要組成部分,也是直接決定作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量狀況的重要因子[13]。在本文中研究區(qū)土壤全量N,P,K的含量都為耕層大于亞耕層(p＜0.05)。這與鄒文秀等的研究結(jié)果相似[14]。同時(shí)鄒文秀等[13]認(rèn)為,秸稈中富含有機(jī)酸,施用到土壤中能夠提高土壤養(yǎng)分有效態(tài)含量。多位學(xué)者也認(rèn)為混施無機(jī)肥、有機(jī)肥和秸稈是改善地力的高效措施。王傳杰等稱施用化肥提高作物產(chǎn)量,但加速土壤N素的耗竭,而有機(jī)物料為土壤帶來了較多的N源,且促進(jìn)微生物對(duì)土壤的固N(yùn)效應(yīng),因此配施效果更好[15]。王忠波等[16]認(rèn)為,施用N肥能夠促進(jìn)秸稈腐化和發(fā)揮作用,秸稈腐化率與土壤養(yǎng)分含量呈正相關(guān)。而本研究施用秸稈、有機(jī)肥、無機(jī)肥等措施能夠有效提升土壤全N、全K、有機(jī)C、堿解N、速效P含量,但對(duì)耕層全P、耕層和亞耕層速效K沒有顯著作用,且單施化肥改善全N、堿解N、速效P和有機(jī)C的效果遠(yuǎn)不如搭配有機(jī)肥或秸稈處理。各種地力提升措施顯著改善土壤物理性質(zhì),而化肥、有機(jī)肥和秸稈混施改善土壤物理性質(zhì)效果最好。這與左婷等和王慶魯?shù)鹊难芯拷Y(jié)論相似[17-18]。化學(xué)計(jì)量比強(qiáng)調(diào)的是C,N,P等元素在生命體中的平衡與耦合,其在一定程度上能夠反映土壤元素水平和養(yǎng)分供給狀況,本研究土壤肥力化學(xué)計(jì)量中,各措施顯著降低了C∶N,提高了N∶P,C∶P,均差異顯著(p＜0.05),相比其他混合措施,單施化肥的化學(xué)計(jì)量變化較小。較低的CN比,通常更適宜土壤中各種細(xì)菌群落的發(fā)育與生長(zhǎng),進(jìn)而促進(jìn)微生物固化N,降低N礦化速率和C∶N[13]。此外,本研究水平梯田各地力改良措施的效果評(píng)分排序?yàn)?處理4＞處理7＞處理5＞處理8＞處理6＞處理3＞處理2＞處理1,即化肥+有機(jī)肥+秸稈處理提升地力效果最好,化肥+秸稈處理效果也較為理想,化肥+有機(jī)肥的處理不夠理想,技術(shù)有待提升。

農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量狀況是經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ),也是土壤等生態(tài)環(huán)境條件質(zhì)量的重要指征[14]。合適的有機(jī)肥和無機(jī)肥施用配比有利于改善玉米水分利用效率和生長(zhǎng)狀況[19]。本研究表明,各措施可以顯著改善除出籽率外所有的玉米農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量狀況指標(biāo),化肥0.75 t/hm2+有機(jī)肥3.75 t/hm2和化肥0.75 t/hm2+秸稈還田3.00 t/hm2處理改善產(chǎn)量效果最為優(yōu)異。典范對(duì)應(yīng)分析結(jié)果表明,與作物因子第一軸相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值超過0.80的因子分別為:土壤含水率＞容重＞總孔隙度＞有機(jī)C,說明改善土壤持水能力與有機(jī)質(zhì)含量是提升區(qū)域玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的關(guān)鍵因子,即想要改善作物經(jīng)濟(jì)效益從土壤水分、疏松程度和有機(jī)C含量方面加強(qiáng)管理。前人也有相似結(jié)論。有學(xué)者認(rèn)為,施用秸稈主要能夠改善玉米的百粒重、穗粒數(shù),并降低禿尖長(zhǎng)[20]。黑土區(qū)施用有機(jī)肥和秸稈后,改良效果較明顯,且有機(jī)肥和秸稈配施土壤肥力改良和玉米產(chǎn)量提高效果最為顯著[13]。此外,郭占強(qiáng)稱在一定范圍內(nèi),提高土壤有機(jī)C含量有利于增強(qiáng)玉米的光合作用能力,從而改善玉米的生長(zhǎng)、產(chǎn)量狀況[21]。

圖1與表5表明秸稈與有機(jī)肥的添加可有效改善土壤蓄水能力,減少產(chǎn)生地表徑流的概率,進(jìn)而提高土壤抗蝕能力。而土壤有機(jī)質(zhì)的增加,更是進(jìn)一步削弱土壤產(chǎn)沙的可能。眾多學(xué)者的研究也有類似發(fā)現(xiàn),即施用秸稈、有機(jī)肥能夠改良土壤、增加玉米產(chǎn)量與其水土保持作用有關(guān)。李飛等[22]的研究結(jié)果稱,秸稈還田對(duì)黑土坡耕地地表徑流和土壤流失阻控率均超過90.00%,對(duì)土壤中總N、總P阻控率均超過85%。曹尤淞等[23]研究得出,秸稈還田能夠減緩徑流移動(dòng),滯后初始產(chǎn)流時(shí)間,從而減少產(chǎn)流產(chǎn)沙。賀云鋒等[24]研究表明,秸稈還田方式的水土保持效果排序?yàn)?免耕留茬＞碎混＞深還。有學(xué)者[8]認(rèn)為,施用有機(jī)肥能夠促進(jìn)大粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成,從而增加土壤抗蝕性,減少侵蝕量。因此,秸稈和有機(jī)肥作用下攔蓄住的土壤和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠?yàn)橛衩椎纳L(zhǎng)、增產(chǎn)提供更好的條件。

綜上所述,未來還應(yīng)對(duì)各種地力改良措施與坡改梯埂坎穩(wěn)定性保存狀況和養(yǎng)分流失的關(guān)系進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

(1)秸稈配施有機(jī)肥措施對(duì)耕層大部分土壤養(yǎng)分元素起到了非常顯著的改良作用,僅對(duì)全P和速效K效果不明顯;

(2)添加秸稈與有機(jī)肥均可顯著改善土壤物理性質(zhì),且化肥、有機(jī)肥和秸稈混施改善土壤物理性質(zhì)效果最好;

(3)地力提升措施顯著降低了C∶N,提高了N∶P,C∶P,為土壤微生物群落發(fā)育提供了更為理想的環(huán)境;

(4)土壤物理性狀與有機(jī)C是對(duì)作物產(chǎn)量影響最大的因素;

(5)化肥混合有機(jī)肥3.75 t/hm2或秸稈3.00 t/hm2是提高黑土丘陵區(qū)梯田產(chǎn)量的最佳施肥量。