張 慶,何 翔,楊佩文,王應(yīng)學(xué),高家衛(wèi),施竹鳳,徐勝濤,李銘剛,楊群輝,朱紅業(yè)*
(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所,云南 昆明 650205;2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,云南 昆明 650201;3.曲靖市馬龍區(qū)土壤肥料工作站,云南 曲靖 655100;4.云南大學(xué),云南 昆明 650091)
【研究意義】按照坡耕地耕層土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)劃分,云南坡耕地耕層土壤質(zhì)量總體處于中等水平(0.4~0.6)[1]。耕地坡度陡,土壤土層淺薄、有機(jī)質(zhì)含量低,水土流失和土壤侵蝕嚴(yán)重,諸多因素是制約云南坡耕地資源可持續(xù)利用的重要瓶頸。據(jù)估計(jì),云南省坡耕地水土流失面積12.08萬(wàn)km2,年流失土壤超過(guò)4.5億t,占水土流失總面積的90 % 以上,是坡耕地質(zhì)量惡化的重要原因[2]。另一方面,耕地過(guò)度利用、重化肥和輕有機(jī)肥等不適宜的利用方式導(dǎo)致耕地質(zhì)量不斷退化。加強(qiáng)坡耕地土壤質(zhì)量保育對(duì)云南山地資源的可持續(xù)利用意義重大[3-4]。【前人研究進(jìn)展】保護(hù)性耕作是減少土壤表土流失,提高土壤抗侵蝕性,保持土層結(jié)構(gòu),改善土壤理化性狀,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和節(jié)本增效的先進(jìn)農(nóng)業(yè)耕作技術(shù),是坡耕地土壤保育的主要技術(shù)措施[5]。中國(guó)20 世紀(jì)70 年代末開(kāi)始試驗(yàn)示范少(免)耕、深松、秸稈覆蓋等保護(hù)性耕作技術(shù),90 年代以來(lái)在西北旱區(qū)、華北灌溉兩熟區(qū)、東北一熟旱作區(qū)和南方稻麥兩熟及雙季稻區(qū)得到了不同程度的推廣應(yīng)用。近年來(lái)保護(hù)性耕作技術(shù)已在中國(guó)北方15 個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)推廣應(yīng)用面積超200×104hm2[6]。不同的耕作區(qū),根據(jù)農(nóng)業(yè)地理生態(tài)條件和作物生產(chǎn)特點(diǎn)及布局,與其他農(nóng)業(yè)技術(shù)相結(jié)合,因地制宜形成了相應(yīng)的保護(hù)性耕作模式,免耕技術(shù)研究逐步完善,免耕模式不斷創(chuàng)新,免耕栽培應(yīng)用面積迅速擴(kuò)大,免耕栽培的成效顯著?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】不同的土地耕作方式對(duì)土壤性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響,相應(yīng)地改變土壤質(zhì)量,從而導(dǎo)致作物產(chǎn)量的變化。針對(duì)云南坡耕地生產(chǎn)利用所存在的土壤侵蝕加劇、土壤有機(jī)質(zhì)含量下降、土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低等突出問(wèn)題,以滇中典型紅壤坡耕地長(zhǎng)期旱作區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,利用田間長(zhǎng)期定位試驗(yàn),研究免耕有機(jī)肥培肥與傳統(tǒng)耕作土壤理化性狀、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律;分析作物經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量與土壤理化和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)間的關(guān)系?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】探討紅壤坡耕地免耕有機(jī)肥培肥耕作對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、生產(chǎn)力的影響,揭示免耕耕作對(duì)紅壤坡耕地土壤耕層構(gòu)建的機(jī)制,為紅壤坡耕地土壤可持續(xù)利用提供理論支撐,同時(shí)對(duì)于對(duì)維持紅壤坡耕地作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)及保證區(qū)域糧食安全具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。
定位試驗(yàn)位于云南省曲靖市馬龍區(qū)舊縣鎮(zhèn)高堡村委會(huì)下南屯村(東經(jīng)103°22′19.03′′,北緯25°20′5.22′′,海拔1979 m),所屬區(qū)域氣候?yàn)榈途暩咴撅L(fēng)型氣候,冬春干旱,夏秋濕潤(rùn),季節(jié)干濕分明,雨量充沛,年平均氣溫13.9 ℃,年降水量1040 mm,年平均日照時(shí)數(shù)1985 h以上,風(fēng)向多西南風(fēng)。土壤類型為山原紅壤,坡耕地類型為坡改地(8°),坡向西南,作物種植模式為玉米單作。
從2015年開(kāi)始,根據(jù)試驗(yàn)田作物種植模式,每年分別在玉米種植季節(jié),持續(xù)開(kāi)展坡耕地耕層構(gòu)建長(zhǎng)期定位試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)2種不同模式(處理),每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),共6個(gè)小區(qū),隨機(jī)區(qū)組排列,每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)3 m、寬15 m,面積為45 m2。處理1(NE)免耕配施有機(jī)肥:免耕(耕深0 cm),配施堆漚肥、玉米配方復(fù)合肥和尿素;處理2(NA)免耕未施有機(jī)肥:免耕(耕深0 cm),配施玉米配方復(fù)合肥和尿素。其中,堆漚肥為農(nóng)家常規(guī)堆漚肥,養(yǎng)分含量分別為有機(jī)質(zhì)88.10 %,氮(N)1.70 %,磷(P2O5)2.14 %,鉀(K2O)0.81 %,用量為11 250 kg/hm2。復(fù)合肥養(yǎng)分含量為氮∶磷∶鉀含量為15∶5∶5,總養(yǎng)分含量大于25 %,處理1(NE)用量為600 kg/hm2,處理2(NA)用量為1200 kg/hm2。堆漚肥和復(fù)合肥在玉米種子播種前施用。為保證各處理養(yǎng)分總投入量相等,處理2(NA)分別于拔節(jié)期追施46 %尿素196 kg/hm2、16 %過(guò)磷酸鈣196 kg/hm2和50 %硫酸鉀196 kg/hm2。
1.3.1 土壤樣品采集、處理 于玉米收獲期按照常規(guī)取樣法取樣,分別取0~20、20~40、40~60 cm 3個(gè)土層土樣,每個(gè)小區(qū)對(duì)角線5 點(diǎn)取樣,然后混合均勻?yàn)?個(gè)樣,一部分土樣過(guò)1 mm 篩后迅速放入做好標(biāo)記的自封袋中,置于低溫保溫箱中帶回實(shí)驗(yàn)室以備DNA提取,另一份進(jìn)行自然風(fēng)干,待充分干燥后置于室溫妥善保藏,以備后續(xù)理化性狀分析。
1.3.2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)測(cè)定 土壤pH 值采用pH 儀測(cè)定;有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定,堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;全磷含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻比色法測(cè)定,速效磷含量采用碳酸氫鈉提取法測(cè)定;全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定,速效鉀含量采用鹽酸浸提-AAS法測(cè)定[7]。
1.3.3 土壤容重、田間持水量和土壤含水量 土壤容重用環(huán)刀法取樣烘干測(cè)定:挖土壤剖面,用規(guī)格為高5 cm、容積100 cm3的環(huán)刀在0~20、20~40、40~60 cm分層取樣,每層3 次重復(fù),環(huán)刀樣扣蓋密封后帶加實(shí)驗(yàn)室烘干測(cè)定。土壤含水量(%)=(原土重-烘干土重)/烘干土重×100,土壤體積含水量=土壤含水量×容重。
1.3.4 土壤細(xì)菌種群豐度分析 ①土壤樣品DNA 提取、PCR擴(kuò)增及高通量測(cè)序:用OMEGA 土壤DNA 提取試劑盒提取土壤微生物總DNA,高通量測(cè)序所用引物為16Sr RNA基因 V3-V4區(qū)引物:338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA -3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT -3’),PCR擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)2 %瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)目標(biāo)片段進(jìn)行切膠回收、定量,最后送上海派森諾生物科技有限公司,采用Illumina MiSeq平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序。②測(cè)序數(shù)據(jù)分析:原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整理、過(guò)濾及質(zhì)量評(píng)估,獲得可用于后續(xù)分析的序列(Clean Data)。序列按97 %的序列相似度進(jìn)行歸并和OTU劃分,根據(jù)OTU劃分和分類地位鑒定結(jié)果,統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣本在各分類水平各自微生物類群的具體組成。進(jìn)一步計(jì)算Chao1豐富度估計(jì)指數(shù)和ACE指數(shù),評(píng)價(jià)各樣品微生物群落的豐富度;計(jì)算Shannon多樣性指數(shù)和Simpson 多樣性指數(shù),評(píng)價(jià)各樣品微生物群落的豐富度和均勻度。最后使用QIIME軟件,獲取各樣本在各分類水平上的組成和豐度分布。根據(jù)每個(gè)樣本在各分類學(xué)水平的組成和序列分布,比較每個(gè)分類單元在樣本(組)之間的豐度差異。
1.3.5 作物生物量和產(chǎn)量測(cè)定 均按各小區(qū)實(shí)收計(jì)產(chǎn),統(tǒng)計(jì)每個(gè)小區(qū)的有效株數(shù)和穗數(shù)量,各小區(qū)單獨(dú)測(cè)產(chǎn),測(cè)定小區(qū)穗總產(chǎn)量,莖葉風(fēng)干后測(cè)干重。
數(shù)據(jù)處理文中數(shù)據(jù)和圖表分別采用Excel 2007和DPS7.0軟件進(jìn)行處理,差異顯著性檢驗(yàn)采用新復(fù)極差(DMRT)法,顯著水平設(shè)定為a=0.05。
由表1可看出,處理1(NE)在0~20、20~40 cm 2個(gè)土層深度的土壤容重、田間持水量及土壤含水量高于相應(yīng)的處理2(NA),分別提高11.11 %和10.26 %、10.26 %和9.46 %、6.32 %和9.11 %;在40~60 cm土層深度的各項(xiàng)指標(biāo)無(wú)差異。各土層深度下,持續(xù)免耕有機(jī)肥培肥處理4年后,在一定程度上提高了土壤容重、田間持水量及土壤含水量,其中土壤容重和土壤含水量差異不顯著,而田間持水量差異顯著。
不同處理土壤樣本的理化性狀測(cè)定結(jié)果表明,持續(xù)免耕有機(jī)肥培肥處理4年后,對(duì)土壤理化性狀的影響不同(表2)。
處理1(NE)在0~20、20~40、40~60 cm 3個(gè)土層深度的pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮 4項(xiàng)理化性狀高于相應(yīng)的處理2(NA),pH分別提高10.80 %、7.19 %、3.54 %,有機(jī)質(zhì)分別提高18.47 %、23.02 %和30.86 %,全氮分別提高11.28 %、17.86 %和16.22 %,堿解氮分別提高7.33 %、16.21 %和7.36 %,但差異不顯著。而2個(gè)處理不同土層深度的土壤全磷、全鉀、速效磷、速效鉀 4個(gè)理化性狀無(wú)差異。各土層深度下,持續(xù)免耕有機(jī)肥培肥處理4年后,相對(duì)提高了土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮 4項(xiàng)理化性狀指標(biāo),對(duì)土壤全磷、全鉀、速效磷、速效鉀 4個(gè)理化性狀影響則較小。
表1 不同處理的土壤容重、田間持水量及土壤含水量測(cè)定結(jié)果
注:表中測(cè)定值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;同列同一土層數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在0.05水平下差異顯著。下同。
Note: The values in the table were mean ± SD; Different lowercase letters after data of the same soil layer in the same column indicate significant difference at 0.05 levels. The same as below.
表2 土壤樣本主要理化性狀
2.3.1 土壤樣品MiSeq高通量測(cè)序序列歸并、OTU劃分和細(xì)菌Alpha多樣性特征 采用Illumina Miseq高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)土壤細(xì)菌群落組成進(jìn)行對(duì)比分析,測(cè)序數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。測(cè)序文庫(kù)的覆蓋度均達(dá)到97 %以上,說(shuō)明絕大部分細(xì)菌的序列可以被測(cè)出,測(cè)序結(jié)果有較好的代表性。原始數(shù)據(jù)經(jīng)整理、過(guò)濾及質(zhì)量評(píng)估,土壤樣品共獲得201 860條Clean tags?;凇?7 %的相似度水平,通過(guò)OTU劃分和分類地位鑒定,共獲得45 291個(gè)OTUs。同一土層深度不同處理的ACE、ChaoI、Simpson和Shannon 4個(gè)Alpha多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,各指數(shù)差異不顯著。
2.3.2 土壤細(xì)菌群落分類學(xué)組成分析 根據(jù)OTU劃分和分類地位鑒定結(jié)果,獲得每個(gè)樣本在各分類水平的具體組成,土壤樣本細(xì)菌群落在門分類水平上的組成及相對(duì)豐度結(jié)果如表4所示。
根據(jù)物種注釋結(jié)果,在門的分類水平上,檢測(cè)到的優(yōu)勢(shì)微生物種群主要有5大門類(≥1.91 %),分別為Proteobacteria(變形菌門,10.96 %~34.88 %)、Chloroflexi(綠彎菌門,8.92 %~46.82 %)、Actinobacteria(放線菌門,9.51 %~31.44 %)、Acidobacteria(酸桿菌門,8.52 %~18.63 %)和Gemmatimonadetes(芽單胞菌,1.91 %~8.08 %),其所占比例為85.93 %~93.34 %。其它門類種群僅占6.67 %~14.07 %,且其所占比例均小于1.91 %。
從2個(gè)處理細(xì)菌種群豐度差異對(duì)比結(jié)果來(lái)看,與免耕常規(guī)處理相比,免耕有機(jī)肥培肥處理主要影響0~20 cm深度土層的細(xì)菌種群豐度,相對(duì)提高了Proteobacteria、Acidobacteria和Gemmatimonadetes 3個(gè)門類的細(xì)菌種群的豐度,分別提高23.65 %、39.72 %和42.08 %,而降低了Chloroflexi和Actinobacteria的種群豐度,減少53.03 %和49.15 %。20~40 cm至40~60 cm土層的細(xì)菌種群豐度變化則相對(duì)較小。
表3 土壤樣本細(xì)菌OTS豐度及α多樣性指數(shù)
表4 土壤樣本細(xì)菌群落在門分類水平上的組成及相對(duì)豐度
表5 不同處理對(duì)玉米作物生物量和產(chǎn)量的影響
由表5可看出,持續(xù)免耕有機(jī)肥培肥處理4年后,對(duì)作物生物量和產(chǎn)量均有不同程度的影響。與免耕常規(guī)處理相比,免耕有機(jī)肥培肥處理提高玉米產(chǎn)量20.09 %,差異達(dá)顯著水平;提高玉米秸稈生物量10.86 %,差異不顯著。
土壤耕層厚度是土壤養(yǎng)分的重要載體和儲(chǔ)存庫(kù),與土壤肥力緊密相關(guān),直接反應(yīng)土壤的發(fā)育程度,是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo),也是判斷土壤侵蝕程度的重要衡量指標(biāo)。良好的耕作層厚度與結(jié)構(gòu)有利于作物生長(zhǎng)和根系分布,是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)[8]。相關(guān)研究表明,土層厚度與土壤生產(chǎn)力水平呈對(duì)數(shù)關(guān)系,增厚土層的增產(chǎn)效果存在報(bào)酬遞減規(guī)律[9]。而耕層土壤變薄是坡耕地作物產(chǎn)量降低的最主要、最直接的原因[10]。傳統(tǒng)的耕作方式使土壤的犁底層變厚、變硬,而使耕作層變薄,阻礙作物根系的下扎,不利于根系吸收深層養(yǎng)分。構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)是改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤蓄水能力和作物水分利用效率的重要途徑,而免耕、少耕、秸稈覆蓋還田等保護(hù)性耕作則是構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)的有效措施。土壤物理結(jié)構(gòu)決定土壤質(zhì)量的變化趨勢(shì)和強(qiáng)度,保護(hù)性耕作對(duì)土壤不同土層的理化性狀產(chǎn)生不同程度的影響,使土壤結(jié)構(gòu)向著自然土壤成土過(guò)程發(fā)展[11]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明,持續(xù)免耕有機(jī)肥培肥處理4年后,提高了0~20和20~40 cm田間持水量和土壤含水量,對(duì)于改善土壤的物理性質(zhì)的有一定的促進(jìn)作用,結(jié)果與報(bào)道的相關(guān)研究結(jié)果相同。另一方面,相對(duì)于免耕常規(guī)處理,持續(xù)免耕有機(jī)肥培肥處理在一定程度上提高了土壤容重,結(jié)果與劉武仁等研究結(jié)果相同,免耕土壤比較緊實(shí),土壤容重偏大,還可能與試驗(yàn)區(qū)域的土壤類型、地理生態(tài)條件等因素有關(guān),有待進(jìn)一步研究[12]。
保護(hù)性耕作通過(guò)對(duì)耕地實(shí)行免耕、少耕,配以作物稻稈、殘茬、有機(jī)物覆蓋,盡可能減少土壤耕作,從而達(dá)到有效控制土壤侵蝕、減少水土流失和改良土壤環(huán)境提高土壤肥力的目的[13]。土壤保護(hù)性耕作與作物覆蓋、以及氮磷鉀肥對(duì)土壤有機(jī)碳和土壤肥力的影響的相關(guān)研究表明,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷及速效鉀等化學(xué)性質(zhì)與秸稈覆蓋量呈極顯著的直線回歸關(guān)系,保護(hù)性耕作能顯著增加養(yǎng)分在土壤中的積累,并呈隨著保護(hù)性耕作年限延長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)[14]。本研究結(jié)果也表明,在滇中紅壤坡耕地區(qū)域,持續(xù)免耕有機(jī)肥培肥有利于提高土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量,但對(duì)土壤全磷、全鉀、速效磷、速效鉀 4個(gè)理化性狀影響較小。
保護(hù)性耕作通過(guò)改善土壤物理性質(zhì),蓄水保墑,提高水分利用率,同時(shí)增加土壤肥力和養(yǎng)分的有效性,使作物產(chǎn)量結(jié)構(gòu)顯著優(yōu)化,而產(chǎn)生增產(chǎn)效應(yīng)。保護(hù)性耕作所形成的土壤環(huán)境以及肥料運(yùn)籌的差異等因素決定了作物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和產(chǎn)量形成。本試驗(yàn)結(jié)果表明,持續(xù)免耕有機(jī)肥培肥處理均能在一定程度上增加作物生物量和產(chǎn)量[15-16]。然而,關(guān)于保護(hù)性耕作對(duì)作物產(chǎn)量的影響,因研究者的試驗(yàn)區(qū)域生態(tài)類型區(qū)和土壤類型不同研究結(jié)果不盡相同。因此,保護(hù)性耕作技術(shù)應(yīng)該結(jié)合不同生態(tài)類型區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)體系研究與應(yīng)用。
微生物是土壤養(yǎng)分循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程的驅(qū)動(dòng)者與調(diào)節(jié)者,具有相似功能的微生物類群構(gòu)成微生物群落的基本功能單元,不同的功能群落共同調(diào)控和驅(qū)動(dòng)養(yǎng)分循環(huán)各個(gè)過(guò)程,每個(gè)過(guò)程由微生物相應(yīng)功能基因編碼的關(guān)鍵酶所調(diào)控,微生物不同的代謝途徑和生物周轉(zhuǎn)過(guò)程影響了養(yǎng)分的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程[17]。不同生態(tài)區(qū)域的不同土壤類型,由于受土壤環(huán)境的影響,其微生物種群組成不同,微生物的多樣性和均勻性反映了該土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、和諧性及對(duì)抗土壤微生態(tài)環(huán)境惡化的緩沖能力,是衡量土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)[18]。土壤微生物種群組成和數(shù)量與耕作方式密切相關(guān),常規(guī)耕作土壤受機(jī)械擾動(dòng)而呈相對(duì)均質(zhì)性,免耕免除機(jī)械擾動(dòng)呈相對(duì)異質(zhì)性,從而影響微生物在土層中的垂直分布[19]。相關(guān)研究表明,免耕由于土壤機(jī)械擾動(dòng)而保持了良好的土壤孔隙度,有利于提高好氧固氮菌、亞硝酸氧化細(xì)菌等細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)組成與多樣性[20]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,持續(xù)免耕有機(jī)肥培肥處理對(duì)土壤微生物Alpha多樣性的影響差異不顯著,但對(duì)土壤細(xì)菌種群有一定的選擇作用,提高了Proteobacteria、Acidobacteria和Gemmatimonadetes等3個(gè)門類的細(xì)菌種群豐度,而降低了Chloroflexi和Actinobacteria種群豐度。微生物種群組成和數(shù)量受耕作制度、作物種類、土壤類型、生態(tài)環(huán)境等多種因素的影響,其調(diào)控機(jī)制有待進(jìn)一步研究。
土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)組成能對(duì)免耕有機(jī)肥培肥措施進(jìn)行響應(yīng),免耕有機(jī)肥培肥是實(shí)現(xiàn)紅壤坡耕地合理耕層構(gòu)建的有效措施,而保護(hù)性耕作技術(shù)應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥李愋?、地理生態(tài)條件等因素進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)體系研究與應(yīng)用。