長江中游雙季稻田不同輪作方式對土壤質(zhì)量的影響*

王志強(qiáng),繆建群,劉英,唐海鷹,張鵬,鐘川,黃國勤**,趙其國

長江中游雙季稻田不同輪作方式對土壤質(zhì)量的影響*

王志強(qiáng)1,3, 繆建群2, 劉 英3, 唐海鷹3, 張 鵬3, 鐘 川3,黃國勤3**,趙其國4

(1. 九江學(xué)院江西長江經(jīng)濟(jì)帶研究院/九江學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 九江 332005; 2. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 南昌 330045; 3. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心/江西省高校生態(tài)學(xué)學(xué)科聯(lián)盟 南昌 330045; 4. 中國科學(xué)院南京土壤研究所 南京 210008)

研究長江中游地區(qū)不同種植模式和秸稈還田管理下農(nóng)田土壤養(yǎng)分、有機(jī)碳及其酶活性的變化, 評估農(nóng)業(yè)管理措施對土壤質(zhì)量的影響, 可為長江中游雙季稻區(qū)農(nóng)業(yè)資源高效利用及可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。2012—2017年進(jìn)行不同輪、連作長期定位試驗(yàn), 設(shè)置冬季休耕—雙季稻, 冬種紫云英—、油菜—、大蒜—和輪作(馬鈴薯、大蒜、油菜和紫云英年際輪作)—雙季稻5個處理, 在冬季作物秸稈和水稻秸稈雙重還田條件下, 通過運(yùn)用多元方差分析、相關(guān)性分析和主成分分析等統(tǒng)計方法, 結(jié)合南方雙季稻田土壤的適宜性, 篩選出最小數(shù)據(jù)集(minimum data set, MDS)中土壤質(zhì)量指標(biāo)并測定, 最后采用模糊數(shù)學(xué)方法對雙季稻區(qū)的土壤質(zhì)量進(jìn)行定量評價。結(jié)果表明, 在長江中游雙季稻區(qū), 經(jīng)過6年的冬季種植合適作物并秸稈雙重還田, 相比冬季休閑處理, 除冬季種植大蒜處理外, 其他冬種處理均能有效提高稻田土壤質(zhì)量10.73%~12.91%, 不同冬種方式下雙季稻田的土壤質(zhì)量高低依次為不同冬種輪作(0.726)>冬季種植油菜(0.723)>冬季種植紫云英(0.712)>冬季休閑(0.643)>冬季種植大蒜(0.638)。由此可見, 適宜的輪作方式及秸稈雙重還田能顯著提高雙季稻土壤質(zhì)量, 這為南方稻田健康可持續(xù)發(fā)展提供了理論支撐。

雙季稻田; 秸稈雙重還田; 輪作方式; 土壤質(zhì)量

通過冬季種植綠肥實(shí)現(xiàn)“以田養(yǎng)田, 以地養(yǎng)地”的輪作方式, 是我國長江中下游雙季稻田綠色可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。研究表明, 長期冬種綠肥還田一方面能顯著增加稻田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及堿解氮等的含量, 培肥提高稻田土壤質(zhì)量, 增加水稻()產(chǎn)量[1-3], 同時還可以提高水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[4]; 另一方面, 長期種植翻壓綠肥能夠改變稻田生態(tài)系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)和功能, 增加稻田土壤微生物多樣性, 提高土壤微生物活性[5];稻田冬種綠肥還能提高稻田系統(tǒng)的耐瘠能力[6], 降低稻田雜草密度和減少雜草種類, 達(dá)到改善稻田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的目的[7]。由此可見, 長期冬種綠肥翻壓還田有利于改善稻田生態(tài)環(huán)境和提高稻田土壤質(zhì)量。土壤質(zhì)量是指土壤在生態(tài)系統(tǒng)邊界范圍內(nèi), 持續(xù)維持作物生產(chǎn)能力, 保持土壤環(huán)境質(zhì)量及促進(jìn)土壤動植物健康生長發(fā)育的能力[8]。土壤質(zhì)量也是土壤多項(xiàng)功能的綜合體現(xiàn), 在探明土壤質(zhì)量提升障礙因素的基礎(chǔ)上, 對土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價, 以監(jiān)測土壤的質(zhì)量狀況, 對農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[9-10]。

目前, 關(guān)于我國南方雙季稻區(qū)稻田土壤質(zhì)量的研究主要集中在不同土地利用方式[11-12]、稻田綠肥輪作[13]以及不同耕作措施[14]對稻田土壤質(zhì)量的影響, 而對不同冬種方式下冬季作物和水稻秸稈雙重還田對稻田土壤質(zhì)量提升的量化研究較少。對土壤質(zhì)量影響的評價也集中在稻田土壤重金屬[15]、土壤肥力[16-17]、土壤有效養(yǎng)分[18]及土壤酶活性和養(yǎng)分之間的關(guān)系[19]等某一方面或幾方面, 對稻田土壤質(zhì)量影響因子的全面綜合評價尚鮮見報道?？紤]到土壤質(zhì)量綜合評價目的和尺度的差異, 以及土壤本身為復(fù)雜的多功能實(shí)體, 對于土壤質(zhì)量綜合評價依然沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[20-21]。目前土壤質(zhì)量綜合評價方法主要有6大類: 1)基于農(nóng)業(yè)(稻田)生產(chǎn)能力的評價[22]; 2)基于耕地潛力的評價[23]; 3)基于適宜性的評價[24]; 4)基于土壤及環(huán)境質(zhì)量的評價[25]; 5)基于土壤可持續(xù)性的評價[26]; 6)基于分等定級的評價[27]。以上6類評價方法并非是相互獨(dú)立的, 他們之間相互聯(lián)系、各有優(yōu)缺點(diǎn)。

而最小數(shù)據(jù)集(MDS)是可以反映土壤質(zhì)量的最少指標(biāo)參數(shù)的集合, 是國內(nèi)外學(xué)者目前在土壤質(zhì)量評價及管理監(jiān)測工作中廣泛應(yīng)用的土壤質(zhì)量評價參數(shù)選取方法[21,28]。該方法應(yīng)用范圍較廣, 主要用在不同氣候區(qū)、不同土壤類型以及不同耕作類型的農(nóng)田土壤質(zhì)量綜合評價[21,28-29]。本研究從稻田土壤物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)等方面選取26項(xiàng)候選指標(biāo), 利用主成分分析法和專家經(jīng)驗(yàn)法, 結(jié)合Norm值和因子載荷, 篩選構(gòu)建了雙季稻區(qū)土壤質(zhì)量評價的MDS, 并采用模糊數(shù)學(xué)的方法定量評價了雙季稻區(qū)不同輪作、連作方式的土壤質(zhì)量, 以期掌握該研究區(qū)域土壤質(zhì)量的現(xiàn)狀, 為長江中游地區(qū)雙季稻田土壤改良和農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年10月—2017年12月, 選擇地處贛東北典型雙季稻區(qū)的江西省萬年縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所陳營鎮(zhèn)試驗(yàn)田(28°41′N, 116°55′E)進(jìn)行。試驗(yàn)地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候, 氣候濕潤, 光照充足, 熱量資源豐富, 氣溫季節(jié)性變化顯著。試驗(yàn)期間年平均氣溫18.6 ℃, 極端最高氣溫38.3 ℃, 極端最低氣溫-5 ℃, 年平均降雨量1 906 mm, 年平均日照時長1 662 h, 年平均風(fēng)速1.3 m×s-1, 年無霜期260 d。試驗(yàn)基地土壤為第四紀(jì)亞紅黏土母質(zhì)發(fā)育的潴育土, 試驗(yàn)前表層土壤(0~15 cm)肥力狀況為: pH 6.08, 有機(jī)質(zhì)41.81 g×kg-1, 全氮1.97 g×kg-1, 有效磷16.38 mg×kg-1, 速效鉀130.00 mg×kg-1, 有機(jī)碳24.25 g×kg-1, C/N比為12.31, 陽離子交換量5.89 cmol×kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)始于2012年春季早稻, 采取單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計, 共設(shè)置5個處理: WF-R-R處理(對照), 冬休—早稻—晚稻; MV-R-R處理, 紫云英()—早稻—晚稻; RP-R-R處理: 油菜()—早稻—晚稻; GC-R-R處理: 大蒜()—早稻—晚稻; PO-R-R處理: 馬鈴薯()(輪)—早稻—晚稻, 此處理自2012年開始冬季種植作物在馬鈴薯、大蒜、油菜和紫云英之間循環(huán)輪作。試驗(yàn)小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計, 小區(qū)周圍設(shè)置寬1.5 m的保護(hù)帶進(jìn)行保護(hù)隔離, 每個小區(qū)面積為66.7 m2, 每個處理設(shè)3次重復(fù), 共計15個試驗(yàn)小區(qū), 試驗(yàn)前每個小區(qū)的土壤肥力狀況基本一致。試驗(yàn)設(shè)計如表1所示。

表1 稻田不同輪處理的試驗(yàn)設(shè)計

1.3 供試品種及田間管理

不同輪作處理作物品種及施肥量如表2所示。本試驗(yàn)冬季作物(除大蒜)秸稈全量還田, 其中, 紫云英、油菜和馬鈴薯秸稈還田量分別為鮮重22 500 kg×hm–2、19 500 kg×hm–2和10 500 kg×hm–2。早稻品種為‘株兩優(yōu)09’, 晚稻品種為‘天優(yōu)華占’, 早、晚稻化肥施用量為尿素(N 46%)193.2 kg×hm–2, 過磷酸鈣(P2O512%)420 kg×hm–2, 氯化鉀(K2O 60%)202 kg×hm-2。磷肥全部作基肥在水稻移栽前一次性施入; 水稻鉀、氮肥施用比例為基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3, 分蘗肥在移栽后5~7 d施用, 穗肥在主莖幼穗長1~2 cm時施用, 早稻秸稈切碎全量還田, 晚稻秸稈覆蓋還田。

1.4 樣品采集

本試驗(yàn)分別于2016年10月24日、2017年10月25日晚稻收獲時, 在每個小區(qū)用土壤采集器采集0~20 cm土柱, 混合均勻裝入自封袋, 帶回實(shí)驗(yàn)室, 挑去動、植物殘體、根系和石塊后, 置于實(shí)驗(yàn)室陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干之后裝袋保存。對于生物多樣性的調(diào)查, 本研究分別于2年晚稻收獲期前的一周內(nèi)對樣地進(jìn)行全面的調(diào)查統(tǒng)計。

1.5 土壤相關(guān)指標(biāo)測定方法

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定, 全氮采用半微量開氏定氮法測定, 堿解氮采用擴(kuò)散法測定, 速效磷采用Olsen法測定, 土壤pH采用pH計測定, 全鉀采用 NaOH熔融、火焰光度法測定, 速效鉀用1 mol×L-1NH4OAc浸提-火焰光度法測定[30]。

采用濕篩法, 按干篩后的土粒分布比例, 取100 g干土土樣, 用土壤團(tuán)粒分析儀(XY-100型), 孔徑依次為>0.5 mm和<0.5 mm, 30次×min-1頻率振蕩40 min, 將各粒級土樣烘干稱重。用環(huán)刀法測定土壤容重, 用烘干法測定土壤含水量, 用比重瓶法測定土壤比重。

土壤微生物數(shù)量采用逐級稀釋平板菌落計數(shù)法[31]測定, 細(xì)菌、真菌、放線菌和固氮菌的培養(yǎng)分別采用牛肉膏蛋白胨、孟加拉紅、高氏一號(Gause’1)和瓦克斯曼氏77號培養(yǎng)基, 計數(shù)結(jié)果均以每克干土中的菌落數(shù)(CFU×g-1)表示; 土壤微生物量碳、氮的測定采用氯仿熏蒸浸提法, 其含量計算用熏蒸和未熏蒸樣品碳含量之差除以回收系數(shù)KC=0.45和KN=0.45[32]; 土壤酶活性主要選取與稻田土壤碳、氮和磷等其他元素代謝有密切關(guān)系的蔗糖酶(3,5-二硝基水楊酸比色法)、脲酶(苯酚-次氯酸鈉比色法)、堿性磷酸酶活性(磷酸苯二鈉比色法)、轉(zhuǎn)化酶(高錳酸鉀滴定法)和過氧化氫酶(高錳酸鉀滴定法)代表總體土壤微生物酶活性, 其測定方法參照文獻(xiàn)[33]。

表2 不同輪作方式的試驗(yàn)品種及肥料用量

WF-R-R(CK)、MV-R-R、RP-R-R、GC-R-R和PO-R-R含義見表1。The meaning of WF-R-R(CK), MV-R-R, RP-R-R, GC-R-R and PO-R-R is shown in the table 1.

本試驗(yàn)中多樣性指數(shù)選擇Simposn多樣性指數(shù)()、Margalef豐富度指數(shù)(Ma)和Pielou均勻度指數(shù)(JP)[34], 公式為:

式中:為物種數(shù)目,為物種個體總數(shù),P代表某一物種的相對密度。

1.6 土壤質(zhì)量綜合評價方法

1.6.1 最小數(shù)據(jù)集的確定

針對當(dāng)前長江中游地區(qū)雙季稻區(qū)典型的種植模式, 本研究選擇冬季休閑和不同冬種復(fù)種5個處理為研究對象, 旨在構(gòu)建更具普適性的土壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集。因此, 首先考慮了冬季休閑和冬季不同種植模式對土壤質(zhì)量的影響, 通過對土壤因子的土壤屬性多變量方差分析確定, 由此計算出可調(diào)整的決定系數(shù)(2), 用來表示冬季休閑和冬季不同種植模式對土壤因子屬性的影響大小[35]。其次, 計算各土壤因子的載荷矩陣, 確定所有特征值≥1的主成分(PC)上的載荷, 再據(jù)此將在旋轉(zhuǎn)矩陣中同一主成分(PC)上載荷≥0.5的土壤質(zhì)量指標(biāo)歸為1組, 如果某項(xiàng)土壤因子同時在兩個主成分上的載荷均>0.5, 則該因子應(yīng)歸并到與其他土壤因子相關(guān)性程度較低的一組。同時還應(yīng)綜合考慮土壤因子在所有主成分(PC)載荷上的綜合載荷Norm值[36]。該Norm值越大說明該土壤質(zhì)量指標(biāo)解釋總體土壤質(zhì)量信息的能力越強(qiáng), 計算方法見公式(4)。再次, 線性轉(zhuǎn)化已分組的各土壤因子的兩項(xiàng)得分, 最終得到該土壤因子的分值。選擇各組分值最高的5%范圍內(nèi)的指標(biāo)[37], 作為綜合評價土壤質(zhì)量的候選指標(biāo)數(shù)據(jù)集。最后, 在進(jìn)一步分析候選指標(biāo)間相關(guān)性的基礎(chǔ)上, 結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)法以確定最終的最小數(shù)據(jù)集(MDS)。

1.6.2 多樣性指標(biāo)計算方法

在模糊綜合評價中, 隸屬度值由評價指標(biāo)所屬的隸屬度函數(shù)來決定, 一般主要分為升型(公式5)和降型函數(shù)(公式6):

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作方式下土壤指標(biāo)因子差異顯著性分析

通過對2016年和2017年晚稻收獲期26項(xiàng)土壤指標(biāo)值(均為2年的平均值, 下同)分析可知(表3), 在不同輪作方式下, 與冬季休閑處理相比, 最大持水量、含水量、Margalef豐富度指數(shù)、pH、全磷、磷酸酶和全鉀7項(xiàng)指標(biāo)各冬季種植處理無顯著變化; 容重、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀、脲酶和轉(zhuǎn)化酶9項(xiàng)指標(biāo)各冬季種植處理間差異不顯著; 與冬季休閑處理相比, 冬季種植紫云英(MV-R-R)和冬種輪作(PO-R-R)處理土壤細(xì)菌呈顯著性差異, 冬季種植油菜(RP-R-R)和大蒜(GC-R-R)處理則差異不顯著; 除冬種輪作(PO-R-R)的真菌外, 各冬季種植處理間土壤真菌、固氮菌和放線菌差異不顯著; 而>0.5 mm團(tuán)聚體、<0.5 mm團(tuán)聚體、速效磷、MBC、MBN和蔗糖酶6項(xiàng)指標(biāo)的各冬季種植輪作處理間差異顯著(<0.05)。由此可見, 不同輪作方式及秸稈雙重還田對雙季稻田土壤質(zhì)量有較為明顯的影響, 在構(gòu)建雙季稻田土壤質(zhì)量MDS的過程中, 應(yīng)該充分考慮其對土壤因子的影響程度。

表3 不同輪作方式下土壤(指標(biāo))因子的測定值

WF-R-R(CK)、MV-R-R、RP-R-R、GC-R-R和PO-R-R含義見表1。數(shù)據(jù)為3個重復(fù)的平均值; 同行不同小寫字母表示不同輪作模式間差異顯著(<5%)。The meaning of WF-R-R(CK), MV-R-R, RP-R-R, GC-R-R and PO-R-R is shown in the table 1. Data is mean±S.E. of 3 replicates. Different lowercase letters in the same line indicate significant differences among various rotation patterns at<5% level.

2.2 不同輪作方式土壤質(zhì)量評價因子最小數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

2.2.1 土壤質(zhì)量評價因子的主成分分析

本研究采用主成分分析法對土壤26項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行因子分析(表4), 主成分(PC)中特征值>1的有4個, 方差貢獻(xiàn)率依次為59.510%、15.336%、7.304%和4.236%, 累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)86.386%, 說明本分析中的4個主成分基本上可以反映不同輪作方式土壤質(zhì)量差異的主要影響指標(biāo)。通過計算各主成分上的成分因子載荷大小, 并對其進(jìn)行分組可知, 第1主成分和第2主成分分別由11項(xiàng)和10項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成, 主要反映了稻田土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性; 第3主成分主要由速效鉀和pH 2項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成, 主要反映稻田土壤化學(xué)特性; 第4主成分主要包括土壤團(tuán)聚體指標(biāo)和雜草群落3項(xiàng)指標(biāo), 主要反映稻田土壤物理特性及間接反映土壤化學(xué)特性。在上述基礎(chǔ)上, 按照前文介紹的方法, 計算各土壤質(zhì)量指標(biāo)的Norm值、可調(diào)整2, 以及兩者線性化值之和, 依次選擇各組中最高得分值, 同時滿足最高值在5%以內(nèi)的土壤質(zhì)量指標(biāo), 得到候選MDS指標(biāo)。最終, 初步選定該MDS包括容重、含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、MBC、MBN、細(xì)菌、固氮菌、>0.5 mm團(tuán)聚體、脲酶、磷酸酶、pH、堿解氮和速效鉀共15項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo), 可以大致反映最初選定的26項(xiàng)評價指標(biāo)的土壤質(zhì)量狀況。

表4 不同輪作方式下稻田土壤(指標(biāo))因子主成分旋轉(zhuǎn)載荷矩陣及各因子得分計算結(jié)果

2.2.2 土壤質(zhì)量評價的MDS的確定

由于上述15項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)之間存在顯著的相關(guān)性, 根據(jù)土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的相對獨(dú)立性原則, 考慮到上述眾多指標(biāo)中, 各因子間存在顯著相關(guān), 采用專家經(jīng)驗(yàn)法, 對上述15項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。在土壤物理指標(biāo)方面, 土壤容重可以較好地綜合性地反映土壤的結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性和保水能力的高低, 因此, 選擇土壤容重進(jìn)入MDS; 在土壤化學(xué)指標(biāo)方面, 相對于全氮、全鉀, 一方面有機(jī)質(zhì)與土壤容重、土壤團(tuán)聚體含量之間相關(guān)性較低, 另一方面, 有機(jī)質(zhì)和團(tuán)聚體含量(>0.5 mm團(tuán)聚體)對于土壤水分、通氣性、養(yǎng)分有效性以及微生物活性都具有明顯影響, 可以更綜合地反映土壤肥力狀況, 同時>0.5 mm團(tuán)聚體和<0.5 mm團(tuán)聚體之間存在顯著相關(guān)性, 而由于>0.5 mm團(tuán)聚體與眾多因素相關(guān), 與有機(jī)質(zhì)相關(guān)性較低, 因此, 選擇有機(jī)質(zhì)和>0.5 mm團(tuán)聚體進(jìn)入MDS; 同時, 考慮到MBC與有機(jī)質(zhì)具有很高的相關(guān)性, 故將MBN納入MDS; 酸性磷酸酶(AP)能夠加速土壤有機(jī)質(zhì)的脫磷速度, 提高土壤中磷的有效態(tài)含量, 一般也與速效磷呈現(xiàn)顯著相關(guān); 而脲酶有利于土壤有機(jī)質(zhì)氮的轉(zhuǎn)化, 一般與土壤有機(jī)質(zhì)顯著正相關(guān), 考慮到堿解氮和全氮顯著相關(guān), 而脲酶與堿解氮顯著相關(guān), 因此, 選擇酸性磷酸酶和堿解氮表征土壤酶活性和速效養(yǎng)分; 在微生物方面, 細(xì)菌得分值最高, 其在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中具有重要作用, 同時與真菌、放線菌也具有顯著相關(guān)性, 因此, 將其選入MDS; 土壤pH在各處理模式下雖然變化不大, 但會影響土壤微生物活性和養(yǎng)分的吸收利用, 對水稻生長發(fā)育具有重要影響, 故選入MDS; 速效鉀與其他候選土壤質(zhì)量指標(biāo)之間相對獨(dú)立且相關(guān)性較低, 故也應(yīng)選入MDS。綜上所述, 最終確定冬季休閑與不同種植模式土壤質(zhì)量評價因子MDS由容重、pH、有機(jī)質(zhì)、MBN、堿解氮、速效鉀、磷酸酶、細(xì)菌和>0.5 mm團(tuán)聚體9項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)組成。

2.3 不同輪作方式下土壤質(zhì)量綜合評價

2.3.1 不同輪作方式下土壤最小數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計特征

基于上述確定的9項(xiàng)入選MDS指標(biāo), 分別對冬季休閑與冬季不同種植模式的稻田土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析, 結(jié)果如表5所示。

與冬季休閑處理相比, 不同冬種處理稻田土壤容重有所差異, 但未達(dá)顯著水平, 其土壤容重介于0.92~1.11 g×cm–3, 冬季各種植模式處理均略低于冬季休閑處理, 從低到高依次是冬季種植油菜<冬季種植紫云英<冬種輪作<冬季種植大蒜<冬季休閑, 但各冬季種植處理均表現(xiàn)為差異不顯著。不同冬種復(fù)種各處理稻田土壤pH無顯著差異, 最低的冬季種植紫云英處理6.43, 最高的冬種復(fù)種輪作處理6.69。除冬季種植油菜處理稻田土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著增加外, 其余各冬季種植處理有機(jī)質(zhì)差異不顯著, 各處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量介于41.66~50.55 mg×kg–1, 且各冬種模式均高于冬季休閑, 從高到低依次是冬季種植油菜>冬季種植紫云英>冬種復(fù)種輪作>冬季種植大蒜>冬季休閑處理。除冬季種植大蒜處理稻田土壤微生物量氮差異不顯著外, 其余各冬季種植處理差異均顯著(<0.05)。各處理的土壤微生物量氮含量介于96.25~149.54 mg×kg–1, 各冬季種植模式處理均高于冬季休閑處理, 以冬季種植大蒜處理最低, 冬種復(fù)種輪作處理最高。不同冬種模式稻田土壤堿解氮之間有所差異, 但差異不顯著。土壤堿解氮含量介于105~144.23 mg×kg–1, 各冬季種植模式處理均高于冬季休閑處理, 從低到高依次是冬季休閑<冬季種植紫云英<冬季種植油菜<冬季種植大蒜<冬種復(fù)種輪作處理。冬季休閑與冬季不同種植模式土壤速效鉀含量介于58.56~78.79 mg×kg–1, 除冬季種植紫云英處理高于冬季休閑處理外, 其余各冬季種植處理均低于冬季休閑處理, 各冬季種植處理差異不顯著, 以冬季種植紫云英處理最高。各冬季種植處理土壤磷酸酶含量差異不顯著, 介于1.62~1.79 mg×g–1, 除冬季種植大蒜處理外, 其余各冬種植模式均略高于冬季休閑, 冬種復(fù)種輪作處理最高。冬種復(fù)種輪作和冬季種植紫云英處理稻田土壤細(xì)菌呈顯著性差異, 冬季種植油菜和大蒜處理呈無顯著性差異。各處理的土壤細(xì)菌含量介于90.47~101.28′105CFU×g–1, 各冬季種植模式均略高于冬季休閑, 以冬種復(fù)種輪作和紫云英處理較高。各冬季種植模式稻田土壤>0.5 mm團(tuán)聚體含量均顯著高于冬季休閑處理(<0.05), 各處理土壤>0.5 mm團(tuán)聚體含量介于16.67%~21.23%, 各冬季種植處理中以冬季種植油菜處理最高。

表5 不同輪作方式下土壤最小數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計特征及土壤質(zhì)量綜合評價結(jié)果

WF-R-R(CK)、MV-R-R、RP-R-R、GC-R-R和PO-R-R含義見表1。數(shù)據(jù)為3個重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤; 同列不同小寫字母表示不同輪作方式間差異顯著(<0.05)。The meaning of WF-R-R(CK), MV-R-R, RP-R-R, GC-R-R and PO-R-R is shown in the table 1. Data is mean±S.E. of 3 replicates. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different rotation patterns at<0.05 level.

2.3.2 不同輪作方式下土壤質(zhì)量評價

通過對5種不同輪作方式樣地MDS中土壤質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計特性進(jìn)行分析, 并結(jié)合南方雙季稻田土壤的適宜性, 確定各土壤因子(指標(biāo))的隸屬度函數(shù)。其中, 稻田土壤容重屬于降型隸屬度函數(shù), pH、有機(jī)質(zhì)、MBN、堿解氮、速效鉀、磷酸酶、細(xì)菌和>0.5 mm團(tuán)聚體含量屬于升型隸屬度函數(shù)。此外, 按前述方法計算各土壤質(zhì)量指標(biāo)權(quán)重, 并結(jié)合表4及公式(5)-(7), 最終得到南方雙季稻區(qū)冬季休閑與不同冬季種植模式土壤質(zhì)量的評價結(jié)果(表5)。

從不同輪作方式看, 經(jīng)過6 a冬季種植不同作物后發(fā)現(xiàn), 與冬季休閑處理相比, 各處理的土壤質(zhì)量從高到低依次是冬種復(fù)種輪作>冬季種植油菜>冬季種植紫云英>冬季休閑>冬季種植大蒜處理, 除冬季種植大蒜處理略低0.78%, 其余各冬季種植處理提高10.73%~12.91%, 以冬種復(fù)種輪作處理的土壤質(zhì)量最高, 為0.726, 冬季種植大蒜處理最低, 為0.638, 說明冬種復(fù)種輪作更有利于提高土壤質(zhì)量。

3 討論

本研究綜合運(yùn)用多元方差分析、相關(guān)性分析和主成分分析(PC)等統(tǒng)計方法, 定量分析了冬季休閑與不同冬季種植模式對土壤質(zhì)量因子的影響程度, 并根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行分組, 最終確定了雙季稻田冬季休閑與不同冬季種植模式土壤質(zhì)量評價的最小數(shù)集(MDS)。在利用主成分分析(PC)確定候選MDS的過程中, 本研究既考慮了土壤質(zhì)量指標(biāo)在單個主成分上的載荷, 同時還綜合考慮了土壤質(zhì)量指標(biāo)在全部主成分上的綜合載荷Norm值, 以及冬季休閑與不同冬季種植模對土壤質(zhì)量指標(biāo)影響程度的可調(diào)整2, 故更具普遍性。因此, 本研究最終確定的冬季休閑與不同冬季種植模式土壤質(zhì)量評價MDS對于今后長江中游地區(qū)雙季稻的研究和實(shí)踐具有重要參考意義。

目前, 對于雙季稻區(qū)冬季不同種植模式土壤質(zhì)量的適宜性、實(shí)時性及其變化性仍然缺乏較為系統(tǒng)的研究。本研究在確定冬季休閑與不同種植模式土壤質(zhì)量評價MDS中各土壤質(zhì)量指標(biāo)的隸屬度函數(shù)時, 根據(jù)各試驗(yàn)小區(qū)所測定的各指標(biāo)值, 結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)法, 以各測定值沒有對雙季稻的生長產(chǎn)生明顯限制為前提條件, 合理計算了各土壤質(zhì)量指標(biāo)的隸屬度值。而在水稻實(shí)際生產(chǎn)過程中, 當(dāng)某些土壤質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到水稻生長限制的閾值時, 可能會嚴(yán)重影響水稻的生長, 從而導(dǎo)致水稻無法健康生長發(fā)育。因此, 本研究所確定的MDS中各土壤質(zhì)量指標(biāo)的隸屬度函數(shù)應(yīng)用到其他土壤時, 依然需要慎重考慮。

本研究表明, 長江中游雙季稻區(qū)不同輪作方式下冬季作物及水稻秸稈雙重還田對稻田土壤質(zhì)量的影響較為明顯。各冬季種植處理稻田土壤容重均比冬季休閑處理低7.21%~17.12%, 這與殷志遙等[17]、白建忠等[38]的研究結(jié)果一致, 這主要是由于秸稈還田和耕作措施導(dǎo)致土壤容重降低, 同時秸稈還田量越大, 土壤容重降低的相對較為明顯。同時也有研究表明, 與單施化肥秸稈不還田相比, 在長期秸稈還田條件下, 隨著施肥量的增加, 潮土土壤容重也有明顯下降的趨勢[39]。本試驗(yàn)各處理的pH無顯著性差異, 這可能與本試驗(yàn)所有處理都對水稻秸稈進(jìn)行了還田和配施了一定量的有機(jī)肥有關(guān)[40-41]。在有機(jī)質(zhì)方面, 本試驗(yàn)中各冬季種植處理相比冬季休閑處理提高7.92%~20.38%, 由于冬季作物秸稈還田提供了有機(jī)質(zhì)來源從而增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量, 這可能是由于不同秸稈及還田量對有機(jī)質(zhì)提升效果不同導(dǎo)致, 但秸稈還田方式(粉碎與否)對提高土壤有機(jī)質(zhì)的效果不明顯[42-44], 這與長期(27 a)冬種綠肥研究中冬種紫云英處理比冬種黑麥草()和油菜處理的有機(jī)質(zhì)積累量均要高的結(jié)論有所差異, 這可能與本研究中冬季種植年限較短有關(guān)[1-2]。當(dāng)然, 秸稈還田和施肥量及施肥方式的交互作用也可能影響稻田土壤的有機(jī)質(zhì), 秸稈還田與氮、磷、鉀配合正好達(dá)到土壤養(yǎng)分的平衡, 因而可能加速增加有機(jī)質(zhì)[45], 而本文中秸稈雙重還田和配施一定量的化肥對土壤有機(jī)質(zhì)增加的各自作用力及其交互效應(yīng)還有待于進(jìn)一步深入分析和探討。在微生物量氮(MBN)方面, 與冬季休閑處理相比, 各冬季種植處理呈顯著提高態(tài)勢, 主要是由于冬季作物秸稈還田增加了稻田土壤微生物量的緣故, 這與張帆等[45]的研究結(jié)果一致; 同時稻草與冬季作物秸稈雙重還田能完善底物養(yǎng)分組分、提高微生物基數(shù), 本研究中的冬季種植作物各處理的MBN含量均高于冬季休閑處理的單獨(dú)稻草還田, 這與周國朋等[3]的研究結(jié)果相似, 但本研究中配施一定量的化肥在秸稈雙重還田條件下對土壤MBN的影響還有待于進(jìn)一步研究。在堿解氮方面, 各冬季種植處理相比冬季休閑處理提高20.00%~37.36%, 差異不顯著, 這可能與施肥和秸稈還田對土壤堿解氮等養(yǎng)分具有重要影響有關(guān)[46], 這也與高菊生等[1]的研究結(jié)論基本一致, 同時建議秸稈還田量應(yīng)控制在3.75~5.25 t×hm–2, 有利于作物增產(chǎn)和培肥地力[38]。在速效鉀方面, 除冬季種植紫云英外, 其他各冬季種植處理均低于冬季休閑處理, 這一方面可能由于秸稈持續(xù)還田, 還田過量而引起了速效鉀的減少[38],另一方面還可能由于冬季種植油菜地上部鉀素吸收較高, 而油菜收籽帶走了部分養(yǎng)分而導(dǎo)致冬季種植油菜處理鉀偏低[47]; 也有研究表明, 在NPK+100%秸稈還田條件下栗鈣土壤的全鉀和速效鉀含量隨著秸稈還田量和施鉀的增加而逐漸增加, 但速效鉀的增幅比全鉀含量的增幅大[48]。在磷酸酶方面, 研究表明, 冬季作物秸稈還田和輪作能較好地提高土壤磷酸酶活性[49-50], 除冬種復(fù)種輪作處理外, 各冬季種植處理相比冬季休閑處理提高1.82%~8.48%, 但無顯著性差異, 這可能與秸稈還田、冬季種植作物施肥和耕作措施有關(guān), 但與張成蘭等[51]研究表明冬種綠肥雙季稻在長期施肥模式下, 稻田赤紅壤酶活性提高4.9%~68.1%的結(jié)論有差異, 這可能與本試驗(yàn)冬季綠肥種植年限、土壤類型和施肥量有關(guān)。在細(xì)菌方面, 除冬季種植大蒜和油菜處理外, 各冬季種植紫云英和輪作處理相比冬季休閑處理差異顯著(<0.05), 各冬季種植處理相比休閑處理提高2.39%~11.95%, 冬季作物及水稻秸稈還田能顯著提高土壤細(xì)菌數(shù)量, 這主要是秸稈還田能為土壤新增有機(jī)質(zhì), 增加土壤酶活性[49,52], 本試驗(yàn)中冬種作物秸稈及水稻秸稈雙重還田條件下配施一定量的化肥, 有利于稻田增加微生物和提高酶活性, 這與張珺穜等[5]的研究結(jié)果類似, 而與張成蘭等[51]研究發(fā)現(xiàn)的施用化肥提高了土壤磷酸酶的活性有所偏差, 這可能與土壤類型和土壤含磷量有關(guān), 這也與本試驗(yàn)中冬種作物處理在冬作季大量施肥的事實(shí)基本相符。在>0.5 mm團(tuán)聚體含量方面, 各冬季種植處理相比冬季休閑處理顯著提高23.16%~27.35%(<0.05),說明冬季種植作物有利于提高“較大”團(tuán)聚體含量, 這可能與土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加有關(guān), 這與胡誠等[53]的研究結(jié)果一致。

在上述入選MDS土壤質(zhì)量指標(biāo)的單因素方差分析的基礎(chǔ)上, 利用模糊數(shù)學(xué)法和主成分分析法, 結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)法, 通過計算得出本試驗(yàn)冬季休閑和不同冬季種植模式的土壤質(zhì)量綜合得分, 不同冬種輪作(0.726)>冬季種植油菜(0.723)>冬季種植紫云英(0.712)>冬季休閑(0.643)>冬季種植大蒜(0.638), 在配施一定量化肥和有機(jī)肥的條件下, 冬季種植配合冬季作物及水稻秸稈雙重還田處理的稻田土壤質(zhì)量綜合評價優(yōu)于冬季休閑處理和冬季種植大蒜處理, 同時有機(jī)肥(或秸稈還田替代)施用量越多越明顯, 這與呂真真等[18]的研究結(jié)果相似, 但本試驗(yàn)冬季種植大蒜處理的土壤質(zhì)量略低于冬季休閑處理, 這可能與冬季種植大蒜處理施用大量化肥和冬季作物秸稈還田量較少有關(guān)[53-54]。

總體而言, 通過利用上述評價方法對影響土壤質(zhì)量的關(guān)鍵核心因子進(jìn)行分析, 如果同時對其進(jìn)行長期定位跟蹤對比, 以進(jìn)一步探索土壤質(zhì)量的變化規(guī)律和特征, 闡明配施一定量化肥和秸稈雙重還田因素在土壤質(zhì)量演變過程中所起的作用和機(jī)制及其交互效應(yīng)的大小, 將具有重要的理論和實(shí)踐意義。

4 結(jié)論

對長江中游雙季稻區(qū)進(jìn)行定位試驗(yàn)研究, 在不同冬種輪作方式配套冬季作物及水稻秸稈雙重還田條件下, 對稻田初始26項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行因子分析, 結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)法, 采用主成分法和模糊數(shù)學(xué)分析法對入選最小數(shù)據(jù)集MDS的9項(xiàng)(容重、pH、有機(jī)質(zhì)、MBN、堿解氮、速效鉀、磷酸酶、細(xì)菌和>0.5 mm團(tuán)聚體)土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合定量分析。結(jié)果表明在長江中游雙季稻區(qū), 冬季種植合適作物配套秸稈雙重還田技術(shù)能有效提高稻田土壤質(zhì)量, 以冬種復(fù)種輪作(在冬季每年輪流種植馬鈴薯、大蒜、油菜和紫云英)、冬季種植油菜和冬季種植紫云英的種植模式為佳, 本結(jié)果可為該區(qū)雙季稻的土壤改良和健康可持續(xù)發(fā)展提供指導(dǎo)。

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Effect of various crops rotations on soil quality in double cropping rice field in the middle reaches of the Yangtze River*

WANG Zhiqiang1,3, MIU Jianqun2, LIU Ying3, TANG Haiying3, ZHANG Peng3, ZHONG Chuan3, HUANG Guoqin3**, ZHAO Qiguo4

(1. Jiangxi Yangtze River Economic Belt Research Institute, Jiujiang University / School of Economics and Management, Jiujiang University, Jiujiang 332005, China; 2. College of Science, Jiangxi Agriculture University, Nanchang 330045, China; 3. Research Center on Ecological Science, Jiangxi Agriculture University / Ecology Discipline Alliance of Universities in Jiangxi Province, Nanchang 330045, China; 4. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Improved knowledge that may support the efficient utilization and sustainable development of agricultural resources in the middle reaches of the Yangtze River is still needed. Herein, changes on soil nutrients, organic carbon, and enzyme activities under different planting patterns and straw retention were assessed, and the impact of agricultural management measures on soil quality was evaluated in this particular geographical region. The long-term positioning experiment of different rotational and continuous cropping was carried out from 2012 to 2017, and five treatments of rotation patterns including winter fallow-early rice-late rice, winter Chinese milk vetch-early rice-late rice, winter oilseed rape-early rice-late rice, winter garlic-early rice-late rice, and winter rotation (interannual rotation of potato, Chinese milk vetch, oilseed rape, and garlic)-early rice-late rice were set up. Under the condition of winter crop straw and rice straw retention, the soil quality indexes in minimum data set were selected and determined using multiple variance analysis, correlation analysis, and principal component analysis combined with the suitability of the soil in the southern double cropping rice field. Lastly, the fuzzy mathematics method was used to evaluate the soil quality in the double cropping rice area. The data indicated that six years of winter planting suitable crops and straw retention in the double cropping rice area could effectively improve the soil quality of paddy field by 10.73%-12.91% compared with the winter fallow treatment, with exception of the garlic treatment. The soil quality of double cropping rice field under different rotation patterns was in the order of winter rotation (planting different crops in different years during winter) (0.726) > planting oilseed rape in winter (0.723) > planting Chinese milk vetch in winter (0.712) > winter fallow (0.643) > planting garlic in winter (0.638). Therefore, the soil quality of double cropping rice can be significantly improved by suitable rotation with winter crops and double straw returning, which provides a solid foundation for the healthy and sustainable development of paddy fields in southern China.

Double cropping rice field; Straw double return; Crop rotation; Soil quality

, E-mail: hgqjxes@sina.com

Mar. 9, 2020;

May 30, 2020

S55; S365

10.13930/j.cnki.cjea.200177

王志強(qiáng), 繆建群, 劉英, 唐海鷹, 張鵬, 鐘川, 黃國勤, 趙其國. 長江中游雙季稻田不同輪作方式對土壤質(zhì)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2020, 28(11): 1703-1714

WANG Z Q, MIU J Q, LIU Y, TANG H Y, ZHANG P, ZHONG C, HUANG G Q, ZHAO Q G. Effect of various crops rotations on soil quality in double cropping rice field in the middle reaches of the Yangtze River[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(11): 1703-1714

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題(2016YFD0300208)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41661070)、江西省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(20161BBF60058)和江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ181379)資助

黃國勤, 主要研究方向?yàn)楦髦贫?、農(nóng)業(yè)生態(tài)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等。E-mail: hgqjxes@sina.com

王志強(qiáng), 主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究。E-mail: 289459509@qq.com

2020-03-09

2020-05-30

* This study was supported by the National Key R&D Project of China (2016YFD0300208), the National Natural Science Foundation of China (41661070), the Key Research and Development Project of Science and Technology Department of Jiangxi Province (20161BBF60058) and the Science and Technology Research Project of Department of Education of Jiangxi Province (GJJ181379).