紅壤坡耕地免耕有機肥培肥對土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量的影響

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)量評價等級劃分，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，云南省坡耕地水土流失面積12.08萬km2，年流失土壤超過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，耕地過度利用、重化肥和輕有機肥等不適宜的利用方式導(dǎo)致耕地質(zhì)量不斷退化。加強坡耕地土壤質(zhì)量保育對云南山地資源的可持續(xù)利用意義重大[3-4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】保護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20 世紀(jì)70 年代末開始試驗示范少(免)耕、深松、秸稈覆蓋等保護性耕作技術(shù)，90 年代以來在西北旱區(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。近年來保護性耕作技術(shù)已在中國北方15 個省(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)用面積迅速擴大，免耕栽培的成效顯著?！颈狙芯壳腥朦c】不同的土地耕作方式對土壤性質(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。針對云南坡耕地生產(chǎn)利用所存在的土壤侵蝕加劇、土壤有機質(zhì)含量下降、土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低等突出問題，以滇中典型紅壤坡耕地長期旱作區(qū)域為研究對象，利用田間長期定位試驗，研究免耕有機肥培肥與傳統(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)鍵問題】探討紅壤坡耕地免耕有機肥培肥耕作對土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、生產(chǎn)力的影響，揭示免耕耕作對紅壤坡耕地土壤耕層構(gòu)建的機制，為紅壤坡耕地土壤可持續(xù)利用提供理論支撐，同時對于對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踐價值。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

定位試驗位于云南省曲靖市馬龍區(qū)舊縣鎮(zhèn)高堡村委會下南屯村(東經(jīng)103°22′19.03′′，北緯25°20′5.22′′，海拔1979 m)，所屬區(qū)域氣候為低緯高原季風(fēng)型氣候，冬春干旱，夏秋濕潤，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。

1.2 試驗設(shè)計

從2015年開始，根據(jù)試驗田作物種植模式，每年分別在玉米種植季節(jié)，持續(xù)開展坡耕地耕層構(gòu)建長期定位試驗，試驗設(shè)2種不同模式(處理)，每個處理3個重復(fù)，共6個小區(qū)，隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)長3 m、寬15 m，面積為45 m2。處理1(NE)免耕配施有機肥：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 %過磷酸鈣196 kg/hm2和50 %硫酸鉀196 kg/hm2。

1.3 測定項目與方法

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個土層土樣，每個小區(qū)對角線5 點取樣，然后混合均勻為1個樣，一部分土樣過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驗室以備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)測定 土壤pH 值采用pH 儀測定；有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮含量采用凱氏定氮法測定，堿解氮含量采用堿解擴散法測定；全磷含量采用氫氧化鈉熔融-鉬銻比色法測定，速效磷含量采用碳酸氫鈉提取法測定；全鉀含量采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定，速效鉀含量采用鹽酸浸提-AAS法測定[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驗室烘干測定。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擴增及高通量測序:用OMEGA 土壤DNA 提取試劑盒提取土壤微生物總DNA，高通量測序所用引物為16Sr RNA基因 V3-V4區(qū)引物：338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA -3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT -3’)，PCR擴增產(chǎn)物經(jīng)2 %瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測，并對目標(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平臺進(jìn)行高通量測序。②測序數(shù)據(jù)分析:原始數(shù)據(jù)經(jīng)過整理、過濾及質(zhì)量評估，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)計每個樣本在各分類水平各自微生物類群的具體組成。進(jìn)一步計算Chao1豐富度估計指數(shù)和ACE指數(shù)，評價各樣品微生物群落的豐富度；計算Shannon多樣性指數(shù)和Simpson 多樣性指數(shù)，評價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)每個樣本在各分類學(xué)水平的組成和序列分布，比較每個分類單元在樣本(組)之間的豐度差異。

1.3.5 作物生物量和產(chǎn)量測定 均按各小區(qū)實收計產(chǎn)，統(tǒng)計每個小區(qū)的有效株數(shù)和穗數(shù)量，各小區(qū)單獨測產(chǎn)，測定小區(qū)穗總產(chǎn)量，莖葉風(fēng)干后測干重。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

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，差異顯著性檢驗采用新復(fù)極差(DMRT)法，顯著水平設(shè)定為a=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤容重、田間持水量和土壤含水量的變化

由表1可看出，處理1(NE)在0～20、20～40 cm 2個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土層深度的各項指標(biāo)無差異。各土層深度下，持續(xù)免耕有機肥培肥處理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。

2.2 土壤樣本理化性狀測試結(jié)果

不同處理土壤樣本的理化性狀測定結(jié)果表明，持續(xù)免耕有機肥培肥處理4年后，對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個土層深度的pH、有機質(zhì)、全氮、堿解氮 4項理化性狀高于相應(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個處理不同土層深度的土壤全磷、全鉀、速效磷、速效鉀 4個理化性狀無差異。各土層深度下，持續(xù)免耕有機肥培肥處理4年后，相對提高了土壤pH、有機質(zhì)、全氮、堿解氮 4項理化性狀指標(biāo)，對土壤全磷、全鉀、速效磷、速效鉀 4個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定結(jié)果

注：表中測定值為平均值±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 免耕有機肥培肥對土壤原核微生物群落結(jié)構(gòu)組成的影響

2.3.1 土壤樣品MiSeq高通量測序序列歸并、OTU劃分和細(xì)菌Alpha多樣性特征 采用Illumina Miseq高通量測序技術(shù)對土壤細(xì)菌群落組成進(jìn)行對比分析，測序數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。測序文庫的覆蓋度均達(dá)到97 %以上，說明絕大部分細(xì)菌的序列可以被測出，測序結(jié)果有較好的代表性。原始數(shù)據(jù)經(jīng)整理、過濾及質(zhì)量評估，土壤樣品共獲得201 860條Clean tags?；凇?7 %的相似度水平，通過OTU劃分和分類地位鑒定，共獲得45 291個OTUs。同一土層深度不同處理的ACE、ChaoI、Simpson和Shannon 4個Alpha多樣性指數(shù)統(tǒng)計分析結(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，檢測到的優(yōu)勢微生物種群主要有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個處理細(xì)菌種群豐度差異對比結(jié)果來看，與免耕常規(guī)處理相比，免耕有機肥培肥處理主要影響0～20 cm深度土層的細(xì)菌種群豐度，相對提高了Proteobacteria、Acidobacteria和Gemmatimonadetes 3個門類的細(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豐度

表5 不同處理對玉米作物生物量和產(chǎn)量的影響

2.4 不同處理作物生物量和產(chǎn)量測定結(jié)果

由表5可看出，持續(xù)免耕有機肥培肥處理4年后，對作物生物量和產(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。

3 討 論

3.1 免耕有機肥培肥對土壤物理性狀的影響

土壤耕層厚度是土壤養(yǎng)分的重要載體和儲存庫，與土壤肥力緊密相關(guān)，直接反應(yīng)土壤的發(fā)育程度，是評價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)力水平呈對數(shù)關(guān)系，增厚土層的增產(chǎn)效果存在報酬遞減規(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)量的變化趨勢和強度，保護性耕作對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程發(fā)展[11]。本試驗研究結(jié)果表明，持續(xù)免耕有機肥培肥處理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)果與報道的相關(guān)研究結(jié)果相同。另一方面，相對于免耕常規(guī)處理，持續(xù)免耕有機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，土壤容重偏大，還可能與試驗區(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]。

3.2 免耕有機肥培肥的土壤化學(xué)性質(zhì)和對作物產(chǎn)量的影響

保護性耕作通過對耕地實行免耕、少耕，配以作物稻稈、殘茬、有機物覆蓋，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]。土壤保護性耕作與作物覆蓋、以及氮磷鉀肥對土壤有機碳和土壤肥力的影響的相關(guān)研究表明，土壤有機質(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，保護性耕作能顯著增加養(yǎng)分在土壤中的積累，并呈隨著保護性耕作年限延長而增加的趨勢[14]。本研究結(jié)果也表明，在滇中紅壤坡耕地區(qū)域，持續(xù)免耕有機肥培肥有利于提高土壤pH、有機質(zhì)、全氮和堿解氮含量，但對土壤全磷、全鉀、速效磷、速效鉀 4個理化性狀影響較小。

保護性耕作通過改善土壤物理性質(zhì)，蓄水保墑，提高水分利用率，同時增加土壤肥力和養(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)。保護性耕作所形成的土壤環(huán)境以及肥料運籌的差異等因素決定了作物的生長發(fā)育過程和產(chǎn)量形成。本試驗結(jié)果表明，持續(xù)免耕有機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)于保護性耕作對作物產(chǎn)量的影響，因研究者的試驗區(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。

3.3 免耕有機肥培肥對土壤微生物群落組成的影響

微生物是土壤養(yǎng)分循環(huán)關(guān)鍵過程的驅(qū)動者與調(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)動養(yǎng)分循環(huán)各個過程，每個過程由微生物相應(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)過程影響了養(yǎng)分的生物地球化學(xué)循環(huán)過程[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)耕作土壤受機械擾動而呈相對均質(zhì)性，免耕免除機械擾動呈相對異質(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，免耕由于土壤機械擾動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]。本試驗結(jié)果表明，持續(xù)免耕有機肥培肥處理對土壤微生物Alpha多樣性的影響差異不顯著，但對土壤細(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)控機制有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)組成能對免耕有機肥培肥措施進(jìn)行響應(yīng)，免耕有機肥培肥是實現(xiàn)紅壤坡耕地合理耕層構(gòu)建的有效措施，而保護性耕作技術(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。