黑土低山丘陵區水平梯田地力提升措施對土壤質量和玉米產量的影響

張 瑜徐子棋徐長林于艷秋蘆貴君李紅蕊李昊倫

(1.吉林省水土保持科學研究院,吉林 長春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服務中心,吉林 東遼136300)

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

很多研究[2-3]表明施用適量的秸稈和有機肥是既經濟又環保的黑土區的改土、增產措施。如有研究發現秸稈中富含營養元素,其與N肥配施后,能夠增加土壤有機C含量,促進大團聚體形成,從而改善土壤通透性。此外,秸稈不僅可腐化、作為營養的補充源,而且可提高土壤營養物質對植物的可吸收性[2,4]。秸稈還田能夠促進玉米地上、地下部分生長,改善光合作用狀況,且混拌還田方式優于覆蓋還田[5]。有機肥不僅顯著提升土壤中有機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,增加土壤有益細菌豐富度,使土壤系統向穩定、健康的方向發展[7]。與單施用化肥相比,混施有機肥、化肥一方面可切實提高土壤肥力[8],提高土壤陽離子交換量、田間持水量、總孔隙度,且豬糞肥的效果優于雞糞肥[9]。長期使用有機肥配合化肥能夠使玉米高產、穩產[10]。另一方面還可以改善土壤機械結構,促使更多大粒徑團聚體形成、增加團聚體水穩性。

此外,秸稈和有機肥配施也具有較好的效果。秸稈和有機肥交替施用能夠降低土壤容重、緊實度,提高土壤有機C和水穩性團聚體含量,同時削減土壤中對植物有害的真菌數量[11-12]。在秸稈還田的基礎上,進一步增施有機肥不僅對土壤自身理化性狀的改良具有重要作用,同時還能促進玉米根系生長,且二者的相互作用實現正向促進目標[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,進而影響作物產量,亟需開展地力培肥工作,然而,有關黑土區坡改梯地力提升措施高效配置的文獻卻鮮有報道。

為此,本研究選擇吉林省黑土區典型坡改梯措施點,施用有機肥、無機肥、秸稈不同組合處理,研究不同地力提升措施對土壤養分含量、化學計量和玉米生長、產量的影響,以及其間的相互作用機理,旨在為黑土區耕地地力提升和黑土地保護提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于吉林省東遼縣安石鎮杏木小流域(125°22′40″—125°26′10″E,42°58′05″—43°01′40″N),屬低山丘陵暗棕壤區。區域為溫帶大陸性氣候特征,四季分明、光熱水充足,無霜期年平均135 d。年平均日照時數2 504.20 h,年平均降水量658.10 mm,年平均降水日數為120 d。降雨集中在每年5—9月,7月最多。研究區主要樹種有落葉松、樟子松、紅松、云杉,還有部分柞樹樺樹、五角楓等。當地傳統種植作物為玉米,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

試驗田為水平梯田,位于陽坡,坡度為8°的直線型坡,坡長228 m,同坡位0—20 cm混合樣土壤理化性質詳見表1。梯田2018年建成,埂坎長度20 m,類型分別為土坎梯田、生態膜帶梯田、石坎梯田和組裝薄壁梯田。每個田坎分7個處理(表2),每個處理3個重復,編號為2—8措施處理,1號空白對照(CK)。措施實施時間為2021年。玉米種植株距為30 cm,行距為65 cm。試驗區無人為灌溉,來水方式為天然降水。

表1 研究坡面土壤物理性質本底值

表2 研究區水平梯田不同地力提升處理組

化肥為復合肥(總養分≥45%,配比為24%N,10%P2O5,11%K2O),有機肥來源為牛糞,含N量為1.33%,秸稈為來自當地農戶玉米秸稈粉碎。玉米種子為吉東54號(吉林省遼源市農科院監制),2021年5月初播種。化肥與有機肥在播種前一次性施入。

1.3 指標測定

1.3.1 土壤理化指標 在每個處理的3個重復小區采用S形取樣方法進行采樣,取3個重復平均值,作為各處理代表值。在對照處理各坡位的3個樣點取土,取平均值。作物生長季土壤水分測定時間為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、有機質、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C采用重鉻酸K法—外加熱法測定;化學計量為全量比值;堿解N采用擴散吸收法;速效P采用化學浸提法;速效K采用火焰光度計法測定。容重、含水率和總孔隙度采用為烘干稱重法計算。

1.3.2 作物指標 作物株高測定于2021年6月1日、7月1日、8月1日、9月1日、10月1日,每個處理選10株測定,結果取3個重復平均值。作物農藝性狀和產量指標測定時間為10月中旬。從各處理隨機抽取15穗玉米,進行玉米考種。測玉米的穗長、穗行數、行粒數、穗粗、穗重、穗粒重、出籽率、千粒重,取3個重復平均。

1.4 數據處理及分析

利用Excel進行數據整理和圖形繪制。利用SPSS 19.0進行方差分析(ANONA單因素方差分析Duncan法)和主成分分析。利用Canoco 4.5進行典范對應分析(CCA)。

2 結果與分析

2.1 地力提升措施對梯田土壤養分影響

由表3可知,研究區土壤對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改良效果的排序為: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改良效果的排序為: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改良效果的排序為: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改良效果的排序為: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改良效果的排序為: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C的含量(p＜0.05),但對速效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C含量

各處理提高土壤堿解N幅度排序為: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幅度排序為: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C幅度排序為:處理8＞處理7＞處理6＞處理4=處理5＞處理3＞處理2。此外,結合表1和表3可知,單施化肥改善全N、堿解N、速效P和有機C的效果遠不如搭配有機肥或秸稈的處理。

2.2 地力提升措施對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。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、有機肥和秸稈混施改善土壤物理性質效果最好。

圖1 生長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 地力提升措施對土壤C,N,P化學計量的影響

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,單施化肥的化學計量特征值變化較小。

表6 收獲季不同處理水平梯田土壤C,N,P化學計量特征

2.4 水平梯田收獲季各處理土壤理化性質主成分分析評價

根據特征值≥1的原則選擇主成分共3個。由表7可知,3個主成分的累計共為93.13%。由表8可知,各土壤理化性質指標在3個主成分中的荷載。施用不同地力改良措施后各指標在土壤理化特征中的重要程度詳見表7。由表7可知,所有指標中只有土壤容重是負載荷指標,即指標越大土壤質量越差。在主成分1種,載荷前3的指標分別為:堿解N＞總孔隙度＞有機C,荷載均超過0.90;在主成分2種,荷載前3的指標分別為: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的指標分別為:全P＞全K＞速效P(表8)。根據圖2可知,水平梯田各地力改良措施的效果評分排序為: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評分達3.00以上,地力提升效果較好,處理6,8評分達2.00～3.00效果適宜,處理2,3評分負值,效果較差。即化肥+有機肥+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+有機肥的處理不夠理想,技術有待提升。

圖2 水平梯田不同處理土壤質量綜合評分

表7 各主成分的特征值及貢獻率

表8 土壤理化指標在不同主成分中的荷載

2.5 地力提升措施對玉米農藝性狀和產量的影響

由圖3可知,各措施可顯著促進玉米株高生長(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藝性狀和產量狀況指標。各措施改善穗長、穗行數、穗粗、穗重、穗粒重、千粒重和產量的范圍分別為: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藝性狀、產量狀況

圖3 不同處理水平梯田玉米株高生長影響

其中,各處理組提高產量比例排序為: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處理改善產量效果最為優異。

2.6 土壤因子與作物因子的典范對應分析

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性分別為0.92和0.91,作物因子與土壤因子關系的變化累計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系數絕對值在0.17～0.99之間,與第二軸的相關系數絕對值在0.12,0.92之間。在第一軸中,相關系數絕對值超過0.80的因子分別為:土壤含水率＞容重＞總孔隙度＞有機C,第二軸中相關系數超過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質含量是影響黑土丘陵區新開梯田玉米生長和產量最重要的因子。

表10 CCA排序軸特征值及生長因子與環境因子的相關性

表11 土壤因子與CCA作物排序軸的相關系數

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、產量狀況的重要因子[13]。在本文中研究區土壤全量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果相似[14]。同時鄒文秀等[13]認為,秸稈中富含有機酸,施用到土壤中能夠提高土壤養分有效態含量。多位學者也認為混施無機肥、有機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量,但加速土壤N素的耗竭,而有機物料為土壤帶來了較多的N源,且促進微生物對土壤的固N效應,因此配施效果更好[15]。王忠波等[16]認為,施用N肥能夠促進秸稈腐化和發揮作用,秸稈腐化率與土壤養分含量呈正相關。而本研究施用秸稈、有機肥、無機肥等措施能夠有效提升土壤全N、全K、有機C、堿解N、速效P含量,但對耕層全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C的效果遠不如搭配有機肥或秸稈處理。各種地力提升措施顯著改善土壤物理性質,而化肥、有機肥和秸稈混施改善土壤物理性質效果最好。這與左婷等和王慶魯等的研究結論相似[17-18]。化學計量比強調的是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分供給狀況,本研究土壤肥力化學計量中,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,單施化肥的化學計量變化較小。較低的CN比,通常更適宜土壤中各種細菌群落的發育與生長,進而促進微生物固化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分排序為: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+有機肥的處理不夠理想,技術有待提升。

農作物的生長狀況和產量狀況是經濟效益的基礎,也是土壤等生態環境條件質量的重要指征[14]。合適的有機肥和無機肥施用配比有利于改善玉米水分利用效率和生長狀況[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藝性狀和產量狀況指標,化肥0.75 t/hm2+有機肥3.75 t/hm2和化肥0.75 t/hm2+秸稈還田3.00 t/hm2處理改善產量效果最為優異。典范對應分析結果表明,與作物因子第一軸相關系數絕對值超過0.80的因子分別為:土壤含水率＞容重＞總孔隙度＞有機C,說明改善土壤持水能力與有機質含量是提升區域玉米生長和產量的關鍵因子,即想要改善作物經濟效益從土壤水分、疏松程度和有機C含量方面加強管理。前人也有相似結論。有學者認為,施用秸稈主要能夠改善玉米的百粒重、穗粒數,并降低禿尖長[20]。黑土區施用有機肥和秸稈后,改良效果較明顯,且有機肥和秸稈配施土壤肥力改良和玉米產量提高效果最為顯著[13]。此外,郭占強稱在一定范圍內,提高土壤有機C含量有利于增強玉米的光合作用能力,從而改善玉米的生長、產量狀況[21]。

圖1與表5表明秸稈與有機肥的添加可有效改善土壤蓄水能力,減少產生地表徑流的概率,進而提高土壤抗蝕能力。而土壤有機質的增加,更是進一步削弱土壤產沙的可能。眾多學者的研究也有類似發現,即施用秸稈、有機肥能夠改良土壤、增加玉米產量與其水土保持作用有關。李飛等[22]的研究結果稱,秸稈還田對黑土坡耕地地表徑流和土壤流失阻控率均超過90.00%,對土壤中總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,滯后初始產流時間,從而減少產流產沙。賀云鋒等[24]研究表明,秸稈還田方式的水土保持效果排序為:免耕留茬＞碎混＞深還。有學者[8]認為,施用有機肥能夠促進大粒徑水穩性團聚體形成,從而增加土壤抗蝕性,減少侵蝕量。因此,秸稈和有機肥作用下攔蓄住的土壤和營養物質能夠為玉米的生長、增產提供更好的條件。

綜上所述,未來還應對各種地力改良措施與坡改梯埂坎穩定性保存狀況和養分流失的關系進行研究。

4 結論

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

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

(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育提供了更為理想的環境;

(4)土壤物理性狀與有機C是對作物產量影響最大的因素;

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