盤禮東,李 瑞,*,張玉珊,黎慶貴,高家勇,袁 江

1 貴州師范大學(xué)喀斯特研究院,貴陽(yáng) 550001

2 國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心,貴陽(yáng) 550001

西南喀斯特區(qū)是世界上石漠化面積最大、巖溶發(fā)育最典型的地帶,水土地表流失和地下漏失都十分嚴(yán)重[1—2]。然而,坡耕地是西南喀斯特區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要載體,頻繁地耕作及不合理的土地利用加劇了區(qū)域坡耕地的水土流失。據(jù)報(bào)道,坡耕地已成為西南喀斯特區(qū)水土流失的策源地,其中貴州省尤為嚴(yán)重,90%的泥沙流失量主要來(lái)源于坡耕地,部分地區(qū)坡耕地巖石完全裸露,已發(fā)展到無(wú)土可侵的地步[3—4]。與此同時(shí),導(dǎo)致了一系列生態(tài)問(wèn)題的發(fā)生。例如,土壤養(yǎng)分隨著水土的流失而流失,造成土壤肥力下降,加劇了土壤貧瘠程度。而土壤肥力是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,土壤養(yǎng)分的大量流失及養(yǎng)分間的失衡,將導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降。土壤養(yǎng)分流失的同時(shí),降低了地表覆蓋物和作物根系與土壤之間的輸入和周轉(zhuǎn),這兩個(gè)過(guò)程直接或間接影響土壤的C、N、P、K化學(xué)計(jì)量特征[5]。毋庸置疑,水土流失造成土壤耕作質(zhì)量下降,嚴(yán)重制約了區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

秸稈覆蓋還田作為一種保護(hù)性耕作措施,可有效地減少土壤養(yǎng)分隨水土的流失而流失,提高土壤肥力[6]。原因是覆蓋于地表的秸稈作為一種緩沖介質(zhì),降雨期間可顯著降低土壤養(yǎng)分的流失量,可起到較好的保肥效果[7]。此外,秸稈作為一種有機(jī)材料,本身含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),通過(guò)微生物腐蝕可為土壤提供C、N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素[8]。相關(guān)研究表明,秸稈覆蓋可補(bǔ)充土壤中流失的碳元素,維持土壤中碳平衡[9—10]。除此之外,秸稈覆蓋還可改善作物生長(zhǎng)發(fā)育的土壤條件,增加作物產(chǎn)量[11—12]。

我國(guó)開展的秸稈覆蓋試驗(yàn)主要集中在西北黃土高原區(qū)和東北黑土區(qū),且較為廣泛地認(rèn)為秸稈覆蓋可以提高土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量[13—14],但相關(guān)研究表明高秸稈覆蓋條件下作物產(chǎn)量反而有所下降[15]。西南喀斯特區(qū)秸稈資源豐富,但在當(dāng)?shù)夭⑽吹玫接行Ю?部分被當(dāng)作家畜飼料,大部分被焚燒,造成了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。此外,西南喀斯特地區(qū)關(guān)于秸稈覆蓋的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道,且目前在西南喀斯特區(qū)暫未見(jiàn)到有關(guān)秸稈覆蓋措施對(duì)生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征影響的報(bào)道。

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡與多重化學(xué)元素平衡的一門科學(xué),是研究生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制和循環(huán)的新手段,用于揭示各元素在生態(tài)過(guò)程中的耦合關(guān)系和共變規(guī)律[16—17]。C、N、P、K是土壤重要的營(yíng)養(yǎng)元素,同時(shí)也是表征土壤肥力質(zhì)量的重要指標(biāo),其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征可以有效預(yù)測(cè)養(yǎng)分限制類型和閾值,反映土壤供肥能力和質(zhì)量狀況[18]。因此,可以利用生態(tài)計(jì)量學(xué)分析揭示秸稈覆蓋條件下土壤養(yǎng)分變化特征。

綜上,開展秸稈覆蓋措施研究,探索喀斯特地區(qū)秸稈覆蓋對(duì)生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響及適宜秸稈覆蓋量顯得十分必要。因此,本文的研究目的包括：1)研究不同秸稈覆蓋率下土壤養(yǎng)分狀況及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征,揭示生態(tài)系統(tǒng)中的C、N、P、K元素的循環(huán)、平衡機(jī)制與相互制約關(guān)系；2)研究不同秸稈覆蓋率對(duì)土壤的改良效果,探索基于土壤養(yǎng)分的適宜秸稈覆蓋量；3)通過(guò)野外徑流小區(qū)試驗(yàn),為西南喀斯特區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省畢節(jié)市黔西縣金蘭鎮(zhèn)(105°47′—106°27′ E,26°46′—27°21′ N),平均海拔1250m,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,多年平均氣溫14.2℃,多年平均降雨量1087.05 mm,降水主要集中在6—9月。研究區(qū)土地總面積555.8 hm2,其中石漠化面積478 hm2,占土地總面積的86%；耕地面積239 hm2,其中石漠化坡耕地面積191 hm2,占耕地總面積的80%。研究區(qū)石漠化灌叢及林地以微度侵蝕為主,坡耕地等人為擾動(dòng)較大的區(qū)域以輕中度侵蝕為主,少部分耕地因嚴(yán)重的土壤侵蝕無(wú)法耕作而棄耕。土壤類型以黃壤和黃色石灰土為主,土壤顆粒組成以黏粒和砂粒為主,粉粒占比較少。植被類型為亞熱帶常綠闊葉林,天然林已遭破壞,目前主要以人工林為主,主要樹種有馬尾松(Pinusmassoniana)、云南松(Pinusyunnanensis)、白楊(PopulustomentosaCarr)、泡桐(Paulowniafortunei)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

野外試驗(yàn)小區(qū)于2017年建成,根據(jù)前人試驗(yàn)研究[19],在同一區(qū)域取樣時(shí),樣本間的變異很小,即在短距離內(nèi)隨機(jī)取樣時(shí)土壤肥力特性之間沒(méi)有很大的差異,而本試驗(yàn)占地面積為200 m2左右,故在建成前隨機(jī)獲取3個(gè)土壤樣本確定土壤背景值(表 1),分別為土壤有機(jī)碳(SOC)、總有機(jī)碳(TOC)、全氮(TN)、全磷(TP)及全鉀(TK)。試驗(yàn)于2018、2019年玉米生長(zhǎng)期進(jìn)行,共設(shè)置6個(gè)秸稈覆蓋種植小區(qū),規(guī)格為3m(寬)×12m(長(zhǎng)),坡度均為15°。小區(qū)內(nèi)種植玉米,種植規(guī)格大致與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種植規(guī)格相同。6個(gè)種植小區(qū)包括傳統(tǒng)玉米單作小區(qū),即種植玉米但不覆蓋(CK)及5個(gè)不同秸稈覆蓋梯度的玉米耕作小區(qū)(SM1—SM5)。玉米播種時(shí)間為4—5月,播種后一次性施用魔力寶復(fù)合肥(N、P2O5、K2O比例分別為15%、13%和15%),各小區(qū)施用量一致,均為2220 kg/hm2,即每個(gè)小區(qū)約為8 kg,與劉繼龍等的施用量接近[20]；玉米生長(zhǎng)期內(nèi)(5月—10月)每周進(jìn)行一次人工除草。秸稈就地取材,玉米秸稈曬干后切割至3 cm左右在玉米播種、施肥后按照預(yù)先設(shè)計(jì)的覆蓋率均勻覆蓋在小區(qū)內(nèi)。參照劉柳松等[21]的方法確定秸稈覆蓋率與覆蓋量之間的定量關(guān)系,即當(dāng)秸稈覆蓋率為15%,30%,60%,75%,90%時(shí),相應(yīng)的秸稈覆蓋量分別為1111、2222、3889、5556、6944 kg/hm2。

表1 覆蓋種植小區(qū)土壤背景值Table 1 Soil background value of mulching planting plot

1.3 取樣及分析方法

試驗(yàn)于2018—2019年作物生長(zhǎng)期進(jìn)行,取樣時(shí)間于作物收割后進(jìn)行(10月份左右)。每個(gè)小區(qū)每次采樣沿上、中、下坡位取土,每個(gè)樣本采用三點(diǎn)取樣法,混合均勻,帶回實(shí)驗(yàn)室分析。土壤SOD采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法進(jìn)行測(cè)定,土壤TN、TP、TK分別采用克氏法、鉬藍(lán)比色法、火焰光色法進(jìn)行測(cè)定。玉米成熟后,在每個(gè)小區(qū)上、中、下三個(gè)部位各選取1行進(jìn)行測(cè)產(chǎn)[15]。以上實(shí)驗(yàn)每個(gè)指標(biāo)每次取3個(gè)樣本,并重復(fù)進(jìn)行3次測(cè)量或檢測(cè)；另外,考慮到喀斯特區(qū)耕作層土壤厚度較薄,一般為20—30 cm,部分地區(qū)土壤厚度甚至不到20 cm,而不到20 cm的以實(shí)際取樣厚度為準(zhǔn),故取樣深度在0—20 cm之間。

1.4 數(shù)據(jù)處理

在計(jì)算得到樣本數(shù)據(jù)后,運(yùn)用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理(包括差異顯著性分析、相關(guān)性分析、主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析),采用Origin軟件繪圖。

1.4.1主成分分析

主成分分析方法是一種降維分析,其目的在于能更多地反映原來(lái)變量(P)的有關(guān)信息。一般認(rèn)為,指標(biāo)方差最大的是第一個(gè)主成分,在損失較少的前提下,重點(diǎn)分析線性變換后幾個(gè)主成分的指標(biāo)數(shù)據(jù)是否存在相關(guān)性,從而簡(jiǎn)化研究的問(wèn)題和提升分析效率；若第一個(gè)變量無(wú)法代表所有變量的信息,則繼續(xù)選取第二、三……第P個(gè)主成分,直到所選變量個(gè)數(shù)能夠代表原指標(biāo)的全部信息為止(即累計(jì)貢獻(xiàn)率 ≥ 85%),進(jìn)而計(jì)算各主成分綜合得分[22]。

綜上,各主成分得分計(jì)算公式如下：

(1)

綜合得分計(jì)算公式如下：

F=(b1F1+b2F2+…+bnFm)/100

(2)

式中,F為綜合得分；b1,b2,…,bn為方差貢獻(xiàn)率；F1,F2,…,Fm為各主成分得分。

1.4.2灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析主要有以下幾個(gè)步驟[23]：

(1)確定分析數(shù)列

設(shè)n為評(píng)價(jià)對(duì)象的個(gè)數(shù),m為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù),參考序列記為Y0,比較序列記為Xi(i=1,2,3,…,m),則有：

(3)

(2)確定灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣,計(jì)算參考序列與各比較序列間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(4)

(3)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(5)

2 研究結(jié)果

2.1 不同秸稈覆蓋梯度條件下土壤C、N、P、K含量特征

很明顯可以看出,秸稈覆蓋對(duì)土壤養(yǎng)分影響顯著(圖1)?？傮w而言,2018、2019年度秸稈覆蓋對(duì)土壤SOC、TN、TP含量的影響較為一致,具有相似的規(guī)律,即隨著秸稈覆蓋量的增加,土壤SOC、TN、TP含量總體上也隨之增加,尤其是高秸稈覆蓋率條件下(SM4和SM5),其含量均顯著高于對(duì)照(P<0.05),但SM4和SM5之間差異不顯著(P> 0.05)。與此同時(shí),本研究還發(fā)現(xiàn)2019年土壤SOC、TN和TP含量較2018年有所增加。對(duì)于TK而言,2018和2019年度,其含量均隨著秸稈覆蓋量的增加而呈減少趨勢(shì),并且2019年較2018年有所降低,尤其是CK,降低了將近一半。結(jié)果表明,高秸稈覆蓋率條件下對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)具有顯著影響。

圖1 不同秸稈覆蓋率條件下土壤養(yǎng)分含量Fig.1 The contents of soil nutrient under different straw mulching ratesCK：對(duì)照 Control cheak；SM：秸稈覆蓋量Straw mulching；SM1：1111 kg/hm2；SM2：2222 kg/hm2；SM3：3889 kg/hm2；SM4：5556 kg/hm2；SM5：6944 kg/hm2；圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3),同一年不同小寫字母表示不同處理之間養(yǎng)分差異明顯(P<0.05)

2.2 不同秸稈覆蓋梯度條件下土壤各元素化學(xué)計(jì)量比

從2018年不同秸稈覆蓋率對(duì)土壤各元素化學(xué)計(jì)量比看(表2),各土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比總體上是隨著秸稈覆蓋率的增加而呈增加的趨勢(shì),其中土壤N∶P、N∶K、P∶K則呈波動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。同時(shí)可以看出,高秸稈覆蓋率條件下(SM4和SM5)各元素計(jì)量比增加較為明顯,均顯著高于對(duì)照(P<0.05),但SM4與SM5之間差異不顯著(P> 0.05)。

表2 2018、2019年不同秸稈覆蓋率對(duì)土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響Table 2 Effects of different straw mulching application rates on soil ecological stoichiometry characteristics in 2018 and 2019

從2019年數(shù)據(jù)看,土壤C∶N、C∶P、C∶K、P∶K則隨著秸稈覆蓋量的增加呈增加的趨勢(shì),在高秸稈覆蓋率條件下(SM4和SM5),其計(jì)量比同樣顯著高于CK(P<0.05),但兩者之間差異不明顯(P> 0.05)。土壤N∶K則隨著秸稈覆蓋率的增加呈先減后增的趨勢(shì),并且高秸稈覆蓋率條件下(SM4和SM5),其計(jì)量比顯著高于對(duì)照(P<0.05),但SM4和SM5之間的差異不明顯(P> 0.05)。秸稈覆蓋對(duì)土壤N∶P的影響不明顯,各覆蓋之間沒(méi)有顯著差異(P> 0.05)。同時(shí),我們發(fā)現(xiàn)低秸稈覆蓋率對(duì)土壤N∶P、N∶K、P∶K的影響不明顯,SM1、SM2與CK之間均無(wú)顯著差異(P> 0.05)。

2.3 土壤化學(xué)計(jì)量特征與各元素的關(guān)系

由相關(guān)性分析可知(表3),土壤C與N、P、C∶P、C∶K、P∶K呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與C∶N、N∶K呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與N∶P呈不顯著正相關(guān),與K呈不顯著負(fù)相關(guān)；N與C∶K、N∶K、P∶K呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與P、C∶P呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與C∶N、N∶P呈不顯著正相關(guān),與K呈不顯著負(fù)相關(guān)；P與C∶N、C∶K、P∶K呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與C∶P呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與N∶K呈不顯著正相關(guān),與K、N∶P呈不顯著負(fù)相關(guān)；K與C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K、P∶K均呈不顯著負(fù)相關(guān)；除了N∶P外,各元素計(jì)量比之間存在或多或少的顯著性關(guān)系。

表3 土壤養(yǎng)分含量與生態(tài)化學(xué)計(jì)量比之間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between soil nutrient content and ecological stoichiometry

2.4 不同秸稈覆蓋率對(duì)土壤C、N、P、K生態(tài)化學(xué)計(jì)量的影響評(píng)價(jià)

2.4.1基于主成分分析方法的土壤生態(tài)計(jì)量綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)主成分分析方法分析不同秸稈覆蓋率對(duì)土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量特征的影響,并根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的原則提取兩個(gè)主成分(表4)。前兩個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率分別為69.81%和93.57%,即前兩個(gè)主成分就可以把土壤的全部肥力及化學(xué)計(jì)量學(xué)指標(biāo)反映出來(lái)。因此,通過(guò)主成分分析方法分析不同秸稈覆蓋率對(duì)土壤養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量指標(biāo)的影響是可靠的。

將表4中的數(shù)據(jù)代入主成分計(jì)算公式(1)計(jì)算出兩個(gè)主成分的得分,再根據(jù)公式(2)計(jì)算得出各處理的綜合得分如下(表5)。表中綜合得分越高表示秸稈覆蓋對(duì)土壤肥力改良的效果越好?？梢钥闯?隨著秸稈覆蓋率的增加各處理的綜合得分也隨之提高,各處理的土壤肥力改良效果依次是SM5> SM4> SM3> SM2> SM1> CK,其中SM4和SM5對(duì)土壤改良的效果最好,而CK和覆蓋率較低(SM1—SM3)的情況下,綜合得分為負(fù)值,對(duì)土壤改良效果較差。

表4 主成分分析表Table 4 Results of the principal component analysis

表5 各處理土壤肥力改良綜合得分及排名Table 5 Comprehensive scores and ranking of soil fertility improvement of different treatment

2.4.2基于灰色關(guān)聯(lián)度分析方法的土壤生態(tài)計(jì)量學(xué)綜合評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步驗(yàn)證基于主成分分析法綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性,運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法對(duì)土壤化學(xué)及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。將各處理養(yǎng)分指標(biāo)及其化學(xué)計(jì)量比原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,并計(jì)算出各指標(biāo)絕對(duì)序列的差值,再根據(jù)公式(4)計(jì)算得出各小區(qū)土壤肥力及其計(jì)量化學(xué)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù),進(jìn)而根據(jù)公式(5)計(jì)算出各處理的關(guān)聯(lián)度(表6)。關(guān)聯(lián)系數(shù)可反映出不同秸稈覆蓋率對(duì)土壤改良效果的優(yōu)劣,關(guān)聯(lián)度越大,表明該處理與最優(yōu)指標(biāo)集的相似程度越高,反之則關(guān)聯(lián)程度越小。從表中可以看出各處理的關(guān)聯(lián)度大小順序依次為SM5> SM4> SM3> SM2> SM1> CK,與主成分分析法得出的結(jié)果一致。這再次證明了秸稈覆蓋率較高條件下(SM4和SM5)對(duì)土壤的改良效果較好,而CK在沒(méi)有秸稈覆蓋的情況下,其對(duì)土壤的改良效果是最弱的。

表6 土壤肥力及其計(jì)量比指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 6 Correlation coefficient of soil fertility and its stoichiometry index

2.5 不同秸稈覆蓋率對(duì)作物產(chǎn)量的影響

不同秸稈覆蓋量還田對(duì)作物產(chǎn)量影響顯著(圖2)。總體而言,各覆蓋處理兩年的玉米產(chǎn)量均顯著高于對(duì)照(P<0.05),大小順序依次是SM4> SM5> SM2> SM3> SM1> CK,分別較CK提高了40.4%、26.98%、26.18%、24.88%、6.68%。具體而言,2018年SM1—SM5分別較CK提高了3.86%、22.99%、22.84%、36.67%、24.17%；2019年SM1—SM5分別較CK提高了9.54%、29.42%、27.20%、44.18%、29.83%。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn),與2018年相比,2019年除了CK產(chǎn)量下降外,各覆蓋處理產(chǎn)量均有所提升,其中SM4增產(chǎn)最為明顯,提高了4%。

圖2 2018、2019年度不同秸稈覆蓋處理作物產(chǎn)量 Fig.2 Crop yield under different straw mulching application rates in 2018 and 2019圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3),同一年不同小寫字母表示不同處理之間的產(chǎn)量差異明顯(P<0.05)

3 討論

3.1 秸稈覆蓋對(duì)坡耕地土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是衡量土壤質(zhì)量狀況和影響作物產(chǎn)量高低的重要指標(biāo),其中土壤C、N、P、K元素作為影響作物正常生長(zhǎng)發(fā)育的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),在作物生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用,并且其含量高低及成分組合狀況均會(huì)受到土壤養(yǎng)分元素含量的影響[24]。秸稈作為防止土地退化和生態(tài)系統(tǒng)受損的重要地表覆蓋物,對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響具有重要作用。因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)中作物、覆蓋物和土壤之間的養(yǎng)分可相互轉(zhuǎn)換[25],即覆蓋在地表的秸稈腐解后可向土壤中輸送養(yǎng)分,進(jìn)而為作物的生長(zhǎng)發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。相關(guān)研究表明,秸稈覆蓋可補(bǔ)充土壤中的有機(jī)碳,每年覆蓋1000 kg/hm2的秸稈(玉米、小麥或者水稻)于地表可固碳130 kg/hm2[26]。與此同時(shí),秸稈可提高土壤中的N、P、K含量也得到了廣泛證實(shí)[27—28]?？梢哉f(shuō),秸稈覆蓋一定程度上緩解了土壤養(yǎng)分的供需矛盾。本研究表明,秸稈覆蓋不同程度上提高了土壤SOC、TN及TP含量,同時(shí)其含量均高于對(duì)照,并且2019年較2018年有所提升；但對(duì)于TK而言,隨著秸稈覆蓋量的增加而呈減少趨勢(shì),并且2019年較2018年有所下降。秸稈覆蓋提高土壤SOC、TN及TP的原因可能是秸稈覆蓋地表充當(dāng)了一種緩沖介質(zhì),減少了降雨對(duì)地表的直接沖刷,尤其是在作物種植初期,作物覆蓋率較低的情況下,保護(hù)地表免受侵蝕,進(jìn)而減少了土壤養(yǎng)分的流失；再者,正如前文所述,覆蓋在地表的秸稈本身具有豐富的C、N、P等營(yíng)養(yǎng)元素,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的生物降解,將其自身的C、N、P元素轉(zhuǎn)化到土壤中,成為作物可吸收利用的有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷,補(bǔ)充被作物吸收及流失的營(yíng)養(yǎng)元素[8]。TK隨著秸稈覆蓋的增加而減少的原因可能與土壤水分含量和K濃度有關(guān)。根據(jù)Rosolem等[29]研究結(jié)果表明,當(dāng)土壤溶液中K濃度以及土壤水分含量較高時(shí),將會(huì)導(dǎo)致土壤中的K向更深土層淋溶和沉淀。從本研究不同秸稈覆蓋率條件下土壤水分含量變化情況看(表7),我們發(fā)現(xiàn)隨著秸稈覆蓋率的提高,2018—2019年土壤含水量總體上呈現(xiàn)出隨之增加的趨勢(shì),并且SM4和SM5均顯著高于其他處理(P<0.05),故可能導(dǎo)致土壤TK含量隨秸稈覆蓋率的增加而呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。另一原因可能與覆蓋厚度有關(guān),高秸稈覆蓋條件下,由于秸稈下層與地表土壤接觸得較為緊密,而上層秸稈與地表形成隔離狀態(tài),因此只有下層秸稈在腐蝕后向土壤中輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。再者,土壤TK含量下降的原因還可能與K肥的施加量有關(guān),因?yàn)榻斩捀忉尫拍芰渴且粋€(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,僅靠秸稈不足以補(bǔ)給土壤K的消耗。當(dāng)然,TK下降的原因還可能與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、氣候等因素有關(guān)。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)2019年CK中的土壤SOC、TP較2018年有所下降,原因可能與作物對(duì)土壤養(yǎng)分吸收及水土流失有關(guān),前期試驗(yàn)表明CK的水土流失較秸稈覆蓋小區(qū)嚴(yán)重,導(dǎo)致土壤中容易淋溶的元素隨水土的流失而流失[30]。

表7 2018、2019年不同秸稈覆蓋率條件下土壤水分含量變化特征Table 7 Variation characteristics of soil moisture content under different straw application rates in 2018 and 2019

3.2 秸稈覆蓋對(duì)坡耕地土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響

土壤C、N、P、K化學(xué)計(jì)量比是土壤元素平衡的一個(gè)重要指標(biāo),反映了土壤內(nèi)部的C、N、P、K循環(huán),可用于判斷土壤養(yǎng)分和土壤肥力的潛在價(jià)值[31—32],同時(shí)也可作為養(yǎng)分限制的預(yù)測(cè)性指標(biāo)[33]。與全國(guó)及全球土壤中C∶N、C∶P和N∶P相比,西南喀斯特坡耕地秸稈覆蓋條件下的土壤C∶N、C∶P和N∶P均低于全國(guó)和全球土壤中的平均值(表8)。本研究中土壤C∶N、C∶P低于全國(guó)和全球說(shuō)明了西南喀斯特區(qū)坡耕地秸稈覆蓋條件下有機(jī)質(zhì)礦化速率加快和P的有效性較高。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋處理的C∶N、C∶P均高于對(duì)照,表明秸稈覆蓋一定程度上可減緩坡耕地土壤較快的礦化速率,有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。土壤C∶N較低的原因在于秸稈腐蝕分解過(guò)程中C的礦化分解程度大于N的分解程度,并且秸稈覆蓋于地表后會(huì)釋放較多的氮素[37]。同樣是在秸稈覆蓋條件下,本研究C∶N、C∶P也均低于黃土高原區(qū)和華南地區(qū)。低于黃土高原的原因是西南喀斯特區(qū)降雨量較多且積溫量較高,使得有機(jī)質(zhì)礦化速率加快[35]；低于華南茉莉園的原因可能是種植作物的不同所致,作物對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收不同導(dǎo)致計(jì)量比也存在差異[36]。N∶P是衡量N飽和的診斷指標(biāo),同時(shí)也是用于確定養(yǎng)分限制的閾值[38—39],指示作物生長(zhǎng)過(guò)程中土壤營(yíng)養(yǎng)成分的供應(yīng)情況[33]。一般而言,N∶P對(duì)作物限制的閾值為14(N)和16(P),比值小于14表明N限制作物生長(zhǎng),大于16則表明P限制作物生長(zhǎng),在14—16之間則受N、P兩者的共同限制[40]。本研究中土壤層較低的N∶P說(shuō)明各小區(qū)作物生長(zhǎng)均受N的限制,較低的C∶P,N∶P則表明該地區(qū)土壤養(yǎng)分處于缺N富P的狀態(tài)。相對(duì)于土壤C、N、P計(jì)量比的研究,K元素的研究較少。本研究土壤中C∶K、N∶K、P∶K隨著秸稈覆蓋率的增加而增加,原因主要是隨著秸稈覆蓋率的增加土壤C、N、P含量呈增加,K含量呈下降趨勢(shì)所致。

表8 西南喀斯特坡耕地土壤C、N、P計(jì)量特征與全國(guó)及其他地區(qū)土壤的比較Table 8 Stoichiometry characteristics of soil C, N and P on sloping farmland in karst area of Southwestern China compared with that in China and other regions

另外,本研究中土壤SOC與N、P、C∶N、C∶P、C∶K、N∶K、P∶K均存在顯著正相關(guān)關(guān)系,與以往的研究類似[41—43],這也表明了秸稈覆蓋條件下土壤各元素之間存在平衡和耦合關(guān)系,同時(shí)也說(shuō)明了有機(jī)質(zhì)在促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)的過(guò)程中占主導(dǎo)地位。K和N∶P與其它元素之間均不存在顯著關(guān)系,說(shuō)明它們之間缺乏顯著的增強(qiáng)或抑制效應(yīng)[44]。土壤各營(yíng)養(yǎng)元素在增加土壤肥力、提高作物產(chǎn)量均扮演著重要的角色,不同養(yǎng)分元素之間相互聯(lián)系、相互影響,并且共同限制,缺少任何一元素都會(huì)對(duì)土壤肥力、作物生長(zhǎng)發(fā)育及其產(chǎn)量產(chǎn)生消極影響。

3.3 基于土壤肥力和作物產(chǎn)量的適宜秸稈覆蓋量探討

正如前文所述,長(zhǎng)期以來(lái),西南喀斯特地區(qū)的秸稈資源并未得到合理的利用,造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。而農(nóng)作物秸稈的高效化、合理化利用則是實(shí)現(xiàn)廢棄物資源再利用、緩解環(huán)境污染的重要手段,并可起到一定的增肥增產(chǎn)效果?？傮w而言,本研究中秸稈覆蓋提高了土壤C、N、P含量,并隨著覆蓋量增加總體呈增加趨勢(shì)；與此同時(shí),秸稈覆蓋顯著提高了作物產(chǎn)量。對(duì)于土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量比而言,較低的C∶N、C∶P加快了土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率,同時(shí)有利于加快有機(jī)物的腐解,使土壤中可利用的營(yíng)養(yǎng)元素增加。本研究中對(duì)照和覆蓋率較低小區(qū)(SM1—SM3)土壤C∶N、C∶P均低于覆蓋率較高的小區(qū)(SM4和SM5),說(shuō)明在無(wú)覆蓋和覆蓋率較低時(shí)土壤營(yíng)養(yǎng)元素可在短時(shí)間內(nèi)富集,但這種情況下更易導(dǎo)致土壤養(yǎng)分隨水土的流失而流失,并且低覆蓋率條件下土壤中產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)元素不能滿足作物的吸收利用。而高秸稈覆蓋率條件下既可向土壤輸送豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),又可起到保持水土的效果。另外,通過(guò)主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析方法綜合評(píng)價(jià)不同秸稈覆蓋率對(duì)土壤的改良情況,我們發(fā)現(xiàn)SM5排名最高,其次是SM4,對(duì)土壤肥力改良效果較好。但從各處理玉米產(chǎn)量來(lái)看,SM4的產(chǎn)量是最高的,而秸稈覆蓋量更高的SM5產(chǎn)量反而有所降低,原因可能是覆蓋厚度隨著覆蓋量增加而增加,導(dǎo)致幼苗無(wú)法沖破覆蓋在地表的秸稈而產(chǎn)生黃苗的情況,出苗率降低,從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。這說(shuō)明了并不是秸稈覆蓋率越高對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育越好。相關(guān)研究表明,秸稈覆蓋在耕地里會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),可導(dǎo)致病蟲害的發(fā)生,秸稈覆蓋量過(guò)多,反而增加作物病蟲害風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致作物減產(chǎn)[45—46]。結(jié)合差異顯著性分析結(jié)果,本研究表明SM4和SM5提高土壤養(yǎng)分較為明顯(P<0.05),但兩者之間差異不顯著(P> 0.05),這反映了西南喀斯特區(qū)秸稈覆蓋量在5556—6944 kg/hm2之間改良土壤的效果較為理想。

秸稈覆蓋量過(guò)高或過(guò)低都不能達(dá)到較好的土壤改良和作物增產(chǎn)效果,因此綜合主成分、灰色關(guān)聯(lián)度及差異顯著性分析結(jié)果,同時(shí)考慮到當(dāng)?shù)剞r(nóng)民所能承受的經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi),我們認(rèn)為6000 kg/hm2左右的秸稈覆蓋量可能是西南喀斯特坡耕地較為適宜的覆蓋范圍。這與高日平等[15]在內(nèi)蒙古黃土高原地區(qū)開展的秸稈覆蓋還田試驗(yàn)一致,他們認(rèn)為6000 kg/hm2的秸稈覆蓋量對(duì)土壤為培肥和提高作物產(chǎn)量效果較好。但適宜秸稈覆蓋量往往會(huì)因地而異,恒河三角洲鹽漬土開展的秸稈覆蓋試驗(yàn)表明,覆蓋5000 kg/hm2的稻草秸稈顯著改善了作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[47]。而Kesterna[11]的秸稈覆蓋試驗(yàn)表明,10000 kg/hm2的秸稈覆蓋量可獲得較好的番茄產(chǎn)量效果。因此,基于土壤肥力改良的適宜秸稈覆蓋率需要針對(duì)不同地區(qū)的地質(zhì)、氣候等綜合因素而定。

4 結(jié)論

覆蓋于地表的秸稈作為土壤營(yíng)養(yǎng)元素的重要來(lái)源,可將其作為一種補(bǔ)充手段以補(bǔ)給土壤中被作物吸收和隨水土流失而流失的土壤養(yǎng)分,從而提高土壤肥力。秸稈覆蓋條件下土壤C∶N、C∶P較低,有利于加速土壤有機(jī)質(zhì)礦化分解,同時(shí)說(shuō)明P的有效性較高。秸稈覆蓋不同程度上增加了作物產(chǎn)量,其中SM4處理的產(chǎn)量最高。通過(guò)主成分、灰色關(guān)聯(lián)度及差異顯著性分析,同時(shí)結(jié)合作物產(chǎn)量,建議在西南喀斯特坡耕地覆蓋6000 kg/hm2左右的秸稈促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中作物—覆蓋物—土壤間物質(zhì)與養(yǎng)分的良性循環(huán),以期達(dá)到較好的土壤增肥、作物增產(chǎn)效果。