殷志遙, 黃 麗, 薛 斌, 黃雅楠, 李小坤, 魯劍巍

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

稻-油輪作下保護(hù)性耕作對(duì)土壤肥力的影響及評(píng)價(jià)*

殷志遙, 黃 麗**, 薛 斌, 黃雅楠, 李小坤, 魯劍巍

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

本文選取湖北省武穴市、荊州市和武漢市3個(gè)稻-油輪作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn)(試驗(yàn)時(shí)間分別為9年、5年和3年), 通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤容重、孔隙度、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀等, 研究在不同耕作年限和方式下, 秸稈還田和免耕對(duì)水稻季(2015年 10月)和油菜季(2016年 5月)各土層(0～20 cm和20～40 cm)中土壤物理性質(zhì)和養(yǎng)分的影響, 并應(yīng)用內(nèi)梅羅指數(shù)法綜合評(píng)價(jià)各土層土壤肥力水平, 以探討長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)土壤肥力的影響。結(jié)果表明: 1)秸稈還田處理使水稻季和油菜季的土壤容重降低2.00%～16.54%, 土壤總孔隙度增加 1.00%～15.07%; 而免耕處理下油菜季的變化與其相反, 水稻季的變化不顯著。2)秸稈還田處理增加了3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)0～20 cm土層中有機(jī)質(zhì)(4.76%～35.07%)、全氮(1.80%～32.03%)、速效磷(20.95%～65.82%)、堿解氮(5.97%～37.00%)和速效鉀(8.71%～133.04%)的含量, 其中速效鉀含量的增加幅度最高; 免耕處理對(duì)土壤各養(yǎng)分的影響不顯著, 而在配施秸稈后, 相對(duì)于其他處理, 其對(duì)各養(yǎng)分的增加效果相對(duì)最好。各處理對(duì) 20～40 cm土層的影響與0～20 cm土層相似, 但整體增加效果沒(méi)有后者顯著。3)各試驗(yàn)處理中, 免耕+秸稈還田和施氮磷鉀肥+秸稈還田兩種處理增加各土層土壤綜合肥力系數(shù)較大(7.56%～25.93%), 它們對(duì)土壤肥力的提高效果相對(duì)較好。

稻-油輪作; 保護(hù)性耕作; 秸稈還田; 免耕; 土壤養(yǎng)分; 土壤綜合肥力系數(shù)

土壤質(zhì)量是土壤特性的綜合反應(yīng), 而土壤肥力是土壤質(zhì)量的重要組成部分[1], 如何維持和提高土壤肥力狀況是確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。保護(hù)性耕作是目前發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的主要技術(shù)之一, 包括少免耕和地表覆蓋等措施[3]。與傳統(tǒng)耕作相比, 保護(hù)性耕作能明顯降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入, 對(duì)培肥地力,減少水土流失等有諸多貢獻(xiàn), 已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[4]。因此, 研究保護(hù)性耕作對(duì)土壤肥力的影響對(duì)于提高農(nóng)田生產(chǎn)力、優(yōu)化田間管理等具有重要意義。

研究表明, 秸稈還田和施肥處理對(duì)提高土壤養(yǎng)分狀況, 改善土壤結(jié)構(gòu), 增加作物產(chǎn)量等有重要影響[5]。而免耕能否維持和提高土壤肥力, 不同研究者的結(jié)論各異。羅珠珠等[6]研究表明, 免耕處理能一定程度上提高耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量, 具有一定的土壤培肥作用。而徐陽(yáng)春等[7-8]研究指出,相對(duì)于翻耕處理, 免耕處理增加了0～5 cm土層有機(jī)碳、全氮、速效氮和速效鉀的含量, 而5～20 cm土層則與之相反; 同時(shí), 免耕降低了0～20 cm土層的容重,增加了土壤孔隙度。而吳建富等[9]研究認(rèn)為, 隨著免耕時(shí)間的增長(zhǎng), 土壤物理性質(zhì)會(huì)變差, 且作物產(chǎn)量均有一定程度降低。

科學(xué)客觀地評(píng)價(jià)土壤肥力水平對(duì)于土壤肥力提升的研究至關(guān)重要。曹承綿等[10]首先提出了將土壤肥力評(píng)價(jià)數(shù)值化的概念, 其核心是以各土壤肥力指標(biāo)作為評(píng)價(jià)的基礎(chǔ), 通過(guò)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于肥力的貢獻(xiàn)值來(lái)確定土壤的綜合肥力狀況。楊帆等[11]研究表明, 相對(duì)于未秸稈還田, 秸稈還田處理增加了土壤的綜合肥力系數(shù)。也有研究表明, 免耕處理能提高土壤表層的綜合肥力狀況, 但在亞表層中的影響不明顯[12]。而劉世平等[13]的研究認(rèn)為, 免耕處理后土壤的綜合肥力系數(shù)有一定程度降低, 但在配施秸稈后, 其對(duì)土壤綜合肥力的提高效果相對(duì)最好。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用pH、有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等養(yǎng)分來(lái)綜合衡量土壤肥力的高低[14]。

近年來(lái), 我國(guó)開(kāi)展了不少關(guān)于保護(hù)性耕作對(duì)土壤肥力影響的研究[15-16]。前人研究的結(jié)果中大多數(shù)包含了免耕和秸稈還田對(duì)土壤肥力的綜合影響, 往往不容易區(qū)分是免耕還是秸稈還田的效果; 同時(shí)大多數(shù)的研究主要集中在某一區(qū)域的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn)上, 缺少比較不同耕作年限以及環(huán)境條件下土壤肥力性質(zhì)的變化, 且耕作措施對(duì)土壤肥力影響的綜合評(píng)價(jià)也較少。為此, 本文選取湖北省武穴市、荊州市和武漢市3個(gè)水稻-油菜輪作(稻-油輪作)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn), 通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤的pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀7個(gè)指標(biāo)來(lái)反映土壤綜合肥力狀況, 并探討秸稈還田和免耕對(duì)0～20 cm和20～40 cm土層土壤肥力的影響, 為保護(hù)性耕作措施的研究和土壤培肥管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)土壤分別取自湖北省武穴市、荊州市和武漢市的稻-油輪作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)田。其中武穴長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn)始于 2007 年, 位于大金鎮(zhèn)(29°59′21″N,115°36′53″E), 其海拔 24 m, 氣候類(lèi)型屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候, 年平均氣溫 16.9 ℃, 1985—2014年間平均降雨量1 489 mm, 年蒸發(fā)量1 361 mm。荊州長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn)始于2011年, 位于川店鎮(zhèn)(30°35′28″N,112°04′33″E), 海拔 80 m, 屬于亞熱帶季風(fēng)氣候, 年平均氣溫 17.9 ℃, 年均降雨量 1 055 mm, 年蒸發(fā)量853 mm。武漢長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn)始于2013年, 位于華中 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 校 內(nèi) 試 驗(yàn) 基 地 (30°28′10′N(xiāo),114°21′21′E)。3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤均為第四紀(jì)沉積物發(fā)育的水稻土。供試土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)前各試驗(yàn)點(diǎn)土壤的基本性質(zhì)Table 1 Soil basic properties of the experiment sites at the beginning of the experiment

武穴、荊州和武漢試驗(yàn)點(diǎn)各設(shè)4個(gè)處理, 3次重復(fù), 共12個(gè)小區(qū), 小區(qū)面積20 m2, 隨機(jī)區(qū)組排列。其中武穴試驗(yàn)點(diǎn)的 4種耕作處理分別為傳統(tǒng)耕作、傳統(tǒng)耕作+秸稈還田、免耕以及免耕+秸稈還田, 而荊州和武漢試驗(yàn)點(diǎn)的耕作處理均為傳統(tǒng)耕作, 其中傳統(tǒng)耕作處理在每季作物種植之前對(duì)耕層土壤進(jìn)行翻耕, 而免耕處理不翻耕。3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的具體施肥量見(jiàn)表2。水稻和油菜收獲后, 秸稈還田處理的秸稈全部還田給下一季, 未秸稈還田處理的秸稈全部拿走。試驗(yàn)于2015年10月水稻收獲和2016年5月油菜收獲時(shí)用S型取樣法分別取0～20 cm和20～40 cm土層土樣, 混勻風(fēng)干并剔除石塊以及植物根系后, 過(guò)篩待測(cè)。

表2 不同試驗(yàn)點(diǎn)的田間試驗(yàn)處理描述Table 2 Descriptions of different treatments of the field experiment in different experiment sites

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤pH用電位法測(cè)定(水土比2.5∶1, 奧立龍868型pH計(jì)); 土壤有機(jī)質(zhì)(organic matter, OM)的測(cè)定用重鉻酸鉀容量法外加熱法; 全氮(total nitrogen,TN)用凱式法測(cè)定(K-9840自動(dòng)定氮儀); 速效磷(available phosphorus, AP)用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提比色法測(cè)定(UV-1600紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)); 堿解氮(available nitrogen, AN)用堿解擴(kuò)散法測(cè)定; 全鉀(total potassium, TK)用高氯酸和硫酸浸提, 速效鉀(available potassium, AK)用1 mol·L-1醋酸銨浸提, 火焰光度法測(cè)定(HG-3火焰光度計(jì)); 土壤容重(bulk density, BD)用環(huán)刀法測(cè)定, 并計(jì)算土壤總孔隙度、毛管孔隙度和通氣孔隙度[17]。

1.3 內(nèi)梅羅指數(shù)法

目前關(guān)于土壤綜合肥力評(píng)價(jià)的方法有很多, 其中內(nèi)梅羅指數(shù)法可以消除土壤各肥力指標(biāo)之間量綱的差異, 通過(guò)此方法算出的土壤分肥力系數(shù)處于0～3之間, 使得相同的參數(shù)之間可比性較強(qiáng), 且同一級(jí)別的各屬性之間分肥力系數(shù)比較接近, 可比性較高, 在國(guó)際上應(yīng)用較普遍[14]。

分肥力系數(shù)(IFIi)的計(jì)算:

式中: IFIi為分肥力系數(shù),x為該屬性測(cè)定值,xa與xp為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下、上限,xc為介于分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)上、下限間。各屬性值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(xa,xc,xp)主要參考第2次全國(guó)土壤普查標(biāo)準(zhǔn)(表3), 每個(gè)等級(jí)反映了其各自的土壤肥力狀況[18]。

土壤綜合肥力系數(shù):

式中: IFI為土壤綜合肥力系數(shù), IFIi平均值與 IFIi最小值為土壤各屬性分肥力均值與最小值,n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

表3 土壤各屬性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值Table 3 Grading standards of soil properties

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel和SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 保護(hù)性耕作對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

由表 4可以看出, 相對(duì)于對(duì)照(CT、NP和 CK)處理, 3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在秸稈還田處理后(CTS、NPS和S), 水稻季和油菜季的容重顯著降低 4.24%～8.55%,總孔隙度和毛管孔隙度顯著升高1.72%～12.46%。相對(duì)于NT和NPK處理, NTS和NPKS處理的變化與其相似, 其中土壤容重顯著降低 2.00%～16.54%, 總孔隙度顯著升高1.00%～15.07%, 而毛管孔隙度的變化規(guī)律不明顯。土壤通氣孔隙度在 3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)秸稈還田處理下無(wú)明顯變化。

NT處理下水稻季的土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和通氣孔隙度均無(wú)顯著變化。油菜季的土壤容重升高1.00%, 總孔隙度降低0.66%, 毛管孔隙度和通氣孔隙度無(wú)明顯變化。相對(duì)于 CTS處理, NTS處理下油菜季的土壤容重升高 7.61%, 總孔隙度和毛管孔隙度降低3.87%和6.19%, 通氣孔隙度無(wú)顯著變化。這與武均等[19]的研究結(jié)果相反, 可能是由于當(dāng)外界對(duì)土壤擾動(dòng)減小后, 土粒會(huì)發(fā)生沉積作用,一定程度上引起了土壤板結(jié)[20]。

試驗(yàn)結(jié)果表明, 秸稈還田處理能降低土壤容重,增加土壤總孔隙度和毛管孔隙度, 對(duì)土壤的物理性質(zhì)起到一定的改良效果, 而免耕處理對(duì)于土壤物理性質(zhì)的改良效果不明顯。

2.2 保護(hù)性耕作對(duì)土壤全量養(yǎng)分的影響

在 3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的供試土壤中, 有機(jī)質(zhì)、全氮及全鉀(除荊州試驗(yàn)點(diǎn))含量均表現(xiàn)為0～20 cm土層顯著高于20～40 cm土層(表5)。荊州試驗(yàn)點(diǎn)各處理的全鉀含量分布表現(xiàn)不一致, 可能是由于土壤中的根系、新鮮植物殘?bào)w以及微生物中含有部分鉀素, 當(dāng)其死亡后, 在微生物的作用下發(fā)生腐解, 使其所含養(yǎng)分釋放至土壤中, 又由于鉀素在底層土壤中轉(zhuǎn)移較慢, 因此一定程度上造成了鉀素在20～40 cm土層中的積累[21]。

表4 不同試驗(yàn)點(diǎn)不同處理下土壤物理性質(zhì)的變化Table 4 Changes of soil physical properties under different treatments at different experiment sites

在0～20 cm土層, 相對(duì)于CT、NP和CK處理,CTS、NPS和 S處理整體上顯著增加了 3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)水稻季和油菜季的有機(jī)質(zhì)(增幅為4.76%～27.21%)和全氮(增幅為 3.55%～23.94%)含量。全鉀含量在各試驗(yàn)點(diǎn)中表現(xiàn)出一定差異, 其中3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)水稻季的全鉀含量降低4.44%～11.85%,而武穴和荊州試驗(yàn)點(diǎn)油菜季的分別升高 5.64%和3.12%, 武漢試驗(yàn)點(diǎn)降低 8.17%?？赡苁怯捎谶€田時(shí)間較短及各形態(tài)鉀素間的轉(zhuǎn)換差異造成。相對(duì)于NT和NPK處理, NTS和NPKS處理對(duì)有機(jī)質(zhì)、全氮和全鉀的影響與上述相似, 有機(jī)質(zhì)、全氮和全鉀含量分別增加6.75%～35.07%、1.80%～32.03%和10.12%～29.52%。

免耕處理對(duì)土壤全量養(yǎng)分的提升效果不明顯。NT處理顯著降低水稻季和油菜季的有機(jī)質(zhì)(降幅分別為 6.69%和 8.51%)、全鉀(降幅分別為 7.94%和15.05%)以及油菜季的全氮(降幅為 5.58%)含量。且相對(duì)于CTS處理, NTS處理的有機(jī)質(zhì)和全氮含量變化均不顯著。可能與免耕處理下一定程度上造成土壤板結(jié)以及養(yǎng)分流失有關(guān)。

在20～40 cm土層, 各處理對(duì)水稻季和油菜季土壤有機(jī)質(zhì)含量均有一定程度提升作用(增幅為3.33%～43.10%)。而全氮和全鉀含量變化規(guī)律不明顯。

結(jié)果表明, 秸稈還田處理能一定程度上增加0～20 cm 和 20～40 cm 土層的有機(jī)質(zhì)和全氮含量(0～20 cm土層的增加效果好于20～40 cm土層), 而全鉀的變化規(guī)律不明顯。免耕處理對(duì)有機(jī)質(zhì)、全氮和全鉀的影響在各土層中表現(xiàn)不一致。

表5 不同試驗(yàn)點(diǎn)各處理下不同土層土壤全量養(yǎng)分的變化Table 5 Changes of soil total nutrients contents of different layers under different treatments at different experiment sites

2.3 保護(hù)性耕作對(duì)土壤pH和速效養(yǎng)分的影響

武穴試驗(yàn)點(diǎn)的 pH為 4.81～5.91, 荊州試驗(yàn)點(diǎn)為5.93～6.76, 武漢試驗(yàn)點(diǎn)為 6.24～6.72, 表現(xiàn)為酸性或中性偏酸性(圖 1)。在各土層中, 土壤 pH基本表現(xiàn)為0～20 cm土層顯著低于20～40 cm土層。相對(duì)于CT、NP及CK處理, NTS和NPKS處理均能一定程度上降低0～20 cm和20～40 cm土層土壤的pH, 其中在武穴試驗(yàn)點(diǎn)均達(dá)到顯著差異, 而武漢和荊州試驗(yàn)點(diǎn)在不同土層中的表現(xiàn)不一致(武漢試驗(yàn)點(diǎn)在0～20 cm土層, 荊州試驗(yàn)點(diǎn)在20～40 cm土層的差異均顯著)。這表明, 秸稈還田和免耕一定程度上降低了土壤pH, 這與孟紅旗等[22]的研究結(jié)果相似。

由表 6可知, 在武穴和武漢試驗(yàn)點(diǎn), 土壤速效磷、堿解氮和速效鉀含量均表現(xiàn)為0～20 cm土層顯著高于 20～40 cm 土層, 荊州試驗(yàn)點(diǎn)的速效鉀含量在0～20 cm和20～40 cm土層的含量變化不一致, 速效磷和堿解氮含量的表現(xiàn)規(guī)律與武穴和武漢試驗(yàn)點(diǎn)相似。

在0～20 cm土層, 相對(duì)于CT、NP和CK處理,CTS、NPS和S處理顯著增加了3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)水稻季和油菜季的堿解氮(增幅為 5.97%～33.93%)和速效鉀(增幅為8.71%～121.49%)含量, 速效磷含量在3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)也有一定程度的增加, 其中荊州試驗(yàn)點(diǎn)水稻季和武漢試驗(yàn)點(diǎn)的增加效果顯著(增幅為20.95%～65.82%)。且相對(duì)于NT和NPK處理, NTS和 NPKS處理后堿解氮和速效鉀含量分別增加9.05%～37.00%和 11.35%～133.04%, 速效磷含量在武穴和荊州試驗(yàn)點(diǎn)顯著增加 27.25%～39.81%, 而武漢試驗(yàn)點(diǎn)整體變化不明顯。

免耕處理對(duì)速效養(yǎng)分的影響與秸稈還田處理不同。相對(duì)于CT處理, NT處理下堿解氮、速效磷以及速效鉀的含量變化均不顯著。而相對(duì)于CTS處理,NTS處理顯著增加了武穴試驗(yàn)點(diǎn)水稻季和油菜季的速效磷含量(增幅分別為14.90%和17.78%), 水稻季的堿解氮含量也顯著增長(zhǎng) 31.38%, 速效鉀以及油菜季的堿解氮含量無(wú)明顯變化。整體上而言, 相對(duì)于秸稈還田處理, 免耕對(duì)土壤速效養(yǎng)分的增加效果相對(duì)較小。

圖1 不同試驗(yàn)點(diǎn)各處理下不同土層土壤pH的變化Fig.1 Changes of soil pH of different layers under different treatments at different experiment sites

表6 不同試驗(yàn)點(diǎn)各處理下不同土層土壤速效養(yǎng)分的變化Table 6 Changes of soil available nutrients contents of different layers under different treatments at different sites mg·kg-1

在20～40 cm土層, 秸稈還田整體上能提高3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的堿解氮(11.15%～50.64%)、速效磷(25.30%～150.00%)和速效鉀(10.81%～233.93%)含量,但增加效果沒(méi)有 0～20 cm土層的顯著, 這與 Zhang等[23]的研究結(jié)果相似。免耕處理下各速效養(yǎng)分的含量整體上無(wú)明顯變化。

由上可知, 秸稈還田處理一定程度上增加了0～20 cm和20～40 cm土層各速效養(yǎng)分含量(0～20 cm土層的增加效果好于 20～40 cm土層), 其中速效鉀的增加幅度相對(duì)較高。而免耕處理的影響不顯著。

2.4 保護(hù)性耕作對(duì)土壤綜合肥力系數(shù)的影響

用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合分析(表 7),結(jié)果表明 3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的土壤綜合肥力系數(shù)(IFI)均表現(xiàn)為油菜季高于水稻季, 0～20 cm 土層顯著高于20～40 cm土層。

在 3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的供試土壤中, 相對(duì)于 CT、NP及CK處理, CTS、NPS和S處理均增加了3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)各土層的 IFI值(增幅為 3.68%～17.28%), 且相對(duì)于NT和NPK處理, NTS和NPKS處理的IFI值也增加了6.49%～27.69%(0～20 cm土層增加更為明顯)。

免耕表現(xiàn)與秸稈還田處理有一定的差別, 其中相對(duì)于CT處理, NT處理下的土壤IFI值在水稻季0～20 cm和20～40 cm土層變化不明顯, 油菜季顯著降低3.10%和6.76%。相對(duì)于CTS處理, NTS處理顯著增加了水稻季20～40 cm土層以及油菜季0～20 cm土層的IFI值(增幅分別為13.70%和2.90%)。

研究結(jié)果表明, 秸稈還田能有效提高各土層的土壤綜合肥力狀況, NT處理對(duì)土壤綜合肥力狀況的提高效果不明顯, 但 NTS處理則有較好的提高效果。在各處理中, 相對(duì)于對(duì)照(CT、NP和CK), NTS和NPKS處理對(duì)土壤肥力的提高效果相對(duì)較好(增幅為 7.56%～25.93%)。

表7 不同試驗(yàn)點(diǎn)各處理下不同土層土壤綜合肥力系數(shù)(IFI)的變化Table 7 Changes of soil integrated fertility indexes of different layers under different treatments at different sites

3 討論

供試秸稈還田處理均能一定程度上增加0～20 cm土層中各養(yǎng)分含量, 其中速效鉀的增加幅度相對(duì)最高?？赡苁且?yàn)樗竞陀筒酥械拟浰刂饕植荚谌~和秸稈, 秸稈中鉀相對(duì)含量一定程度上高于其中的氮和磷[24]。秸稈還田后在微生物的作用下發(fā)生腐解,將其中部分有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素歸還到土壤中, 一定程度上增加了土壤中各養(yǎng)分含量。且秸稈中的鉀素主要以離子態(tài)存在, 易被溶解出來(lái),補(bǔ)充速效鉀中各組分(水溶性鉀, 交換性鉀)的含量;秸稈在腐解過(guò)程中還會(huì)釋放有機(jī)酸、陰離子和堿性金屬等, 進(jìn)一步促進(jìn)礦物鉀的釋放和轉(zhuǎn)化[25-26]。因此, 秸稈還田對(duì)速效鉀的影響在各養(yǎng)分中相對(duì)最好。另外, 秸稈腐解產(chǎn)生的有機(jī)酸也會(huì)促進(jìn)難溶性磷向可溶性磷轉(zhuǎn)化[27], 間接提高了土壤磷的有效性。土壤中的氮素主要以有機(jī)氮的形式存在, 秸稈加入后, 激發(fā)了異養(yǎng)微生物對(duì)添加物質(zhì)的分解, 從而使氮的有效性升高[28-29]。而秸稈還田處理對(duì)各土層中養(yǎng)分的增加效果表現(xiàn)為 0～20 cm 土層優(yōu)于20～40 cm土層, 這與慕平等[30]的研究結(jié)果相似?？赡苁怯捎诮斩掃€田和施肥處理中養(yǎng)分的輸入多集中在土壤表層, 容易導(dǎo)致其在土壤表層中的高度富集,從而造成0～20 cm土層中的增加效果相對(duì)更好[31]。

本研究中, NT處理對(duì)土壤肥力水平的影響不明顯, 且在水稻季和油菜季之間表現(xiàn)出一定的差異。一方面可能是由于免耕處理改變了土壤物理性質(zhì),進(jìn)而影響了其他的土壤性狀。在本研究中, NT處理增加了油菜季的土壤容重(增加1.00%), 降低了土壤總孔隙度(降低 0.66%), 而水稻季的變化不顯著, 這與薛斌等[32]的研究結(jié)果相似。研究表明, 土壤的物理性質(zhì)是影響土壤結(jié)構(gòu)、通氣和保水保肥等性能的關(guān)鍵因素[33]。隨著容重的增大, 土壤流失量會(huì)增多,從而造成部分養(yǎng)分的流失[34]。另一方面, 土壤酶對(duì)作物輪作以及不同耕作方式等的響應(yīng)比較敏感[6],環(huán)境的影響可能會(huì)使土壤酶的活性表現(xiàn)出差異。這些都可能造成 NT處理對(duì)土壤肥力水平影響結(jié)果不一致。相比之下, NTS和NPKS對(duì)土壤肥力的提升效果相對(duì)較好, 可能是因?yàn)樵鍪┙斩捄? 有利于土壤動(dòng)物和微生物的生長(zhǎng)繁殖, 疏松土壤, 降低土壤容重[20]。同時(shí)秸稈對(duì)土溫變化有一定的調(diào)節(jié)作用, 有利于土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化[35]。因此, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 在免耕或施肥的基礎(chǔ)上配合秸稈還田對(duì)于維持和提高土壤肥力具有積極作用。

4 結(jié)論

1)秸稈還田處理能降低土壤容重, 增加土壤總孔隙度, 對(duì)土壤物理性質(zhì)有一定的改良作用。同時(shí)能一定程度上增加 0～20 cm 土層中土壤養(yǎng)分含量,其中速效鉀的增加幅度相對(duì)最高。

2)NT處理對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響在稻-油輪作制度下表現(xiàn)出一定的差異, 且對(duì)土壤養(yǎng)分的影響不明顯, 而 NTS處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量則有較好的提高效果。

3)相對(duì)于對(duì)照處理, 秸稈還田處理能提高土壤綜合肥力水平(0～20 cm 土層的肥力狀況顯著優(yōu)于20～40 cm土層), 其中NTS和NPKS處理增加效果相對(duì)較好(7.56%～25.93%)。而NT處理對(duì)土壤肥力的提升效果不明顯。

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Effect of conservation tillage on soil fertility under rice-rape rotation system*

YIN Zhiyao, HUANG Li**, XUE Bin, HUANG Yanan, LI Xiaokun, LU Jianwei
(Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangtze River), Ministry of Agriculture, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

In this study, the long-term effects of straw returning and no-tillage on physical properties and nutrient content of soils were assessed by continuous monitoring of soil bulk density, porosity, pH, organic matter, total nitrogen, total potassium,available nitrogen, available phosphorus and available potassium.The study considered different soil layers (0-20 cm and 20-40 cm) under rice-rape rotation system in Wuxue, Jingzhou and Wuhan Cities in Hubei Province for various farming years(9, 5 and 3 years) and cultivation systems.Also the Nemoro index method was used to evaluate soil fertility in different soil layers.The aim of the study was to provide the scientific basis for application of conservation tillage measures and optimization of field management.Results showed that: 1) straw returning reduced soil bulk density by 2.00%-16.54% and increasedtotal porosity by 1.00%-15.07% in rice and rape seasons.The changes in rape season were reversed under no-tillage treatment,while no significant changes were noted in the rice season.2) Straw returning treatment increased the contents of organic matter (4.76%-35.07%), total nitrogen (1.80%-32.03%), available phosphorus (20.95%-65.82%), available nitrogen(5.97%-37.00%) and available potassium (8.71%-133.04%) in the 0-20 cm soil layer across the three sites.Compared with other nutrients, the greatest increase was recorded in available potassium.No significant differences were observed in no-tillage, although it had the best effect in terms of increase in soil nutrients compared with the other treatments after straw returning.The effect of each treatment on the 20-40 cm soil layer was similar to that on the 0-20 cm soil layer, but the total effect in terms of increase in the investigated parameters was not significant.3) The no-tillage + straw returning and the nitrogen, phosphorus, potassium fertilizers application + straw returning treatments led to more increase in soil fertility with higher increase in integrated fertility index (7.56%-25.93%), they were good choice for improvement of soil fertility in the study sites.

May 10, 2017; accepted Jun.15, 2017

Rice-rape rotation system; Conversation tillage; Straw returning; No-tillage; Soil nutrient; Integrated fertility index

S158

A

1671-3990(2017)11-1604-11

10.13930/j.cnki.cjea.170433

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* 公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)基金(201503123)和國(guó)家自然科學(xué)基金(41271252)資助

** 通訊作者: 黃麗, 主要從事土壤化學(xué)和肥力方面的研究。E-mail: daisyh@mail.hzau.edu.cn殷志遙, 主要從事土壤化學(xué)方面的研究。E-mail: 18271390486@163.com

2017-05-10 接受日期: 2017-06-15

* This study was supported by the Public Welfare Industry Special Fund of China (201503123) and the National Natural Science Foundation of China (41271252).

**Corresponding author, E-mail: daisyh@mail.hzau.edu.cn