肖揚,黃立華,楊易,黃金鑫,劉伯順,楊靖民
(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,長春 130118;2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長春 130102;3.吉林大安農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,吉林 大安 131317)
土地鹽堿化是目前全球范圍內(nèi)廣泛存在的問題,已嚴(yán)重影響到農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展[1],在干旱、半干旱地區(qū)尤為嚴(yán)重[2]。我國是鹽堿地分布較多的國家之一,總面積達到9.9×107hm2,主要分布在東北、華北、西北等地區(qū)[3]。鹽堿地作為潛在的后備土地資源對我國耕地數(shù)量的動態(tài)平衡具有重要調(diào)節(jié)作用。東北松嫩平原西部是世界三大蘇打鹽堿土分布區(qū)之一[4],僅吉林省西部的蘇打鹽堿地面積就高達153萬hm2。該區(qū)域受長期過度放牧及人類活動的影響,植被退化嚴(yán)重,土壤鹽堿化加劇,不僅對植物產(chǎn)生滲透脅迫[5]和離子毒害[6],也造成土壤養(yǎng)分的匱乏或不平衡,導(dǎo)致生產(chǎn)力水平和資源利用效率低。蘇打鹽堿土堿性強、鹽堿變異程度大、肥力水平低,氮素資源尤其匱乏[7]。以往人們對鹽堿地的利用多側(cè)重于土壤改良或植被修復(fù),采取的措施主要包括水利工程、農(nóng)業(yè)耕作、化學(xué)改良及耐鹽堿植物篩選等,其實質(zhì)基本是降低鹽堿危害或提高植物抗性[8]。實際上這些土壤不僅存在著較高的鹽堿障礙,而且大多肥力水平也較低,前人在長期的治理鹽堿過程中總結(jié)出“改土是前提,培肥是根本”的成功經(jīng)驗[9]。因此,研究鹽堿化條件下土壤的合理培肥對于地力提升和鹽堿地高效利用具有重要意義。
長期以來,有機肥和化肥施用對降低土壤鹽堿度和培肥地力方面的效果一直是土壤學(xué)工作者關(guān)注和研究的熱點問題[10]。大量研究表明,施用有機肥對改良鹽堿土效果明顯,不僅能降低土壤的鹽分和可溶性鹽含量,而且可以改善土壤結(jié)構(gòu)、硬度和通透性,提高土壤養(yǎng)分含量、微生物活性和水分入滲速率,調(diào)節(jié)鹽分離子在土壤中的分配,改善作物生長環(huán)境[11]。有機肥的施用減少了耕層土壤返鹽,降低了土壤次生鹽漬化發(fā)生的幾率,有利于土壤向非鹽漬化方向發(fā)展,具有較好的抑鹽效果,而化學(xué)肥料在某種程度上會導(dǎo)致土壤表層積鹽[12]。近年來,秸稈還田配施無機肥也在鹽堿地上得到廣泛應(yīng)用,其可增加耕層土壤有機質(zhì)含量,特別是長期的秸稈還田能顯著增加土壤腐殖質(zhì)含量,而腐殖質(zhì)對鹽堿具有很好的抑制效果[13]。
本研究利用鹽堿地水稻長期定位施肥試驗的部分施肥處理,分析了長期不同培肥措施對土壤鹽堿和主要養(yǎng)分含量變化的影響,旨在揭示不同培肥措施對蘇打鹽堿地稻田地力培育的作用效果,以期為該區(qū)域的鹽堿地資源高效利用提供參考與借鑒。
本研究基于吉林大安農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站的鹽堿地水稻長期定位施肥試驗進行。該站位于吉林省大安市,具體地理坐標(biāo)為45°35′58″~45°36′28″N,123°50′27″~123°51′31″E,屬于松嫩平原西部蘇打鹽堿土的典型分布區(qū),土壤類型包括蘇打型草甸鹽土(或堿土)和草甸鹽堿土。氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,全年光照充足,無霜期130~140 d,全年日照時數(shù)平均3 000 h 以上,年平均氣溫4.3 ℃,年平均積溫2 900 ℃以上,年均降雨量為350~400 mm,春季干旱多風(fēng),降雨多集中在夏季,秋季晴朗涼爽,冬季寒冷漫長[14]。水稻長期定位施肥試驗始于2010 年,將地表0~60 cm 土壤剝離,選擇中度蘇打鹽堿化草甸土反復(fù)混勻后回填,為使各施肥處理的表層土壤地力均勻,第一年進行水稻勻田種植,所有處理均不施用肥料,通過觀察水稻長勢發(fā)現(xiàn)整個試驗地土壤地力均勻。長期定位試驗開始前耕層土壤(0~20 cm)基本理化特性[15]:pH 8.86(土水比為1∶2.5),電導(dǎo)率0.436 dS·m-1(土水比為1∶2.5),有機質(zhì)含量8.26 g·kg-1,堿解氮含量76.8 mg·kg-1,速效磷含量21.6 mg·kg-1,速效鉀含量210.7 mg·kg-1。各施肥試驗從2011年正式開始,截至2021年已連續(xù)進行10年,水稻品種為東稻4 號,該品種為中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所于2010 年選育并通過吉林省審定,具有耐鹽堿、抗倒伏和抗稻瘟病等特點,是一個綜合性狀優(yōu)良的超高產(chǎn)水稻抗逆品種。
鹽堿地水稻長期定位施肥試驗設(shè)有11 個不同施肥處理,每個處理重復(fù)4 次,隨機區(qū)組排列,小區(qū)面積為20 m2(5 m×4 m),小區(qū)間通過水泥池埂分隔,各小區(qū)獨立灌水和排水。本研究從中選取了5 個不同施肥處理,即不施肥對照(CK)、無機肥配施(NPK)、有機肥單施(M)、有機肥與無機肥配施(MNPK)和秸稈還田配施無機肥(RNPK),其中,NPK、M 和MNPK 處理施肥量相同(按有效養(yǎng)分含量折合為純量計),RNPK處理為在NPK 處理基礎(chǔ)上秸稈全量還田。NPK 處理的氮肥為尿素(含N 46.2%),施用量為200 kg·hm-2(以N 計);磷肥為普通過磷酸鈣(含P2O516%),施用量為100 kg·hm-2(以P2O5計);鉀肥為硫酸鉀(含K2O 50%),施用量為100 kg·hm-2(以K2O 計)。M 處理肥料為當(dāng)?shù)馗煅蚣S[15-16],養(yǎng)分和鹽分情況如下:全氮約2.01%,全磷約0.49%,全鉀約1.32%,pH 8.65,鹽分電導(dǎo)率為0.21 dS·m-1,施用量為30 t·hm-2。MNPK 處理氮磷鉀肥用量為NPK 處理的75%,腐熟羊糞施用量為10 t·hm-2。RNPK 處理的氮磷鉀肥施用量與NPK 處理相同,秸稈還田量為10 t·hm-2,基本為秸稈全量還田,秸稈中氮、磷、鉀含量分別為0.64%、0.17%、1.19%。土壤樣品采集于秋季水稻收獲后、表土結(jié)凍前,采樣時間為2020 年10 月28 日,采樣深度為0~60 cm,分3 層(即0~20、20~40、40~60 cm)采集,每個施肥處理的重復(fù)小區(qū)內(nèi)隨機采集3 個樣點同層土壤,混合裝入樣品袋中,帶回實驗室置于陰涼處自然風(fēng)干,研磨后過20目篩,待測。
土壤pH(土水比為1∶2.5)采用pH 計(GLP 22型)測定;電導(dǎo)率(EC)(土水比為1∶2.5)采用DDS-11A 電導(dǎo)率儀測定;陽離子交換量(CEC)采用乙酸鈉-火焰光度法測定;土壤堿化度(ESP)的計算用土壤中交換性鈉含量與陽離子交換量的比值來表示;土壤Ca2+、Mg2+含量采用原子吸收分光光度法測定;Na+、K+含量采用火焰光度法測定含量采用雙指示劑中和滴定法測定;Cl-含量采用硝酸銀滴定法測定;含量采用硫酸鋇比濁法測定。土壤有機質(zhì)(SOM)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定;速效氮(AN)含量采用堿解擴散法測定;速效磷(AP)含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定;速效鉀(AK)含量采用NH4OAc 浸提-火焰光度法測定。
試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013 軟件進行整理,采用IBM SPSS Statistics 26 統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析,處理間的差異顯著性(P<0.05)采用LSD 多重比較進行判斷,采用Origin 2019b 軟件進行圖表繪制。
通過施肥處理及土層深度對土壤鹽堿指標(biāo)和養(yǎng)分含量影響的雙因素方差分析(表1)可知,施肥處理和土層深度對各土壤鹽堿指標(biāo)和養(yǎng)分含量均具有顯著影響(P<0.05),此外,施肥處理與土層深度的交互作用對土壤有機質(zhì)含量無顯著影響(P>0.05),對其他指標(biāo)均具有顯著影響(P<0.05)。
表1 施肥處理及土層深度對土壤鹽堿指標(biāo)與養(yǎng)分含量影響的方差分析(F值)Table 1 F-ratio of ANOVA of effect of fertilization and soil depth on soil salinity indices and nutrient contents
2.2.1 不同施肥處理對土壤鹽化和堿化參數(shù)的影響
隨著土層深度的增加,土壤pH 顯著增加,20~40 cm 和40~60 cm 土層的pH 顯著高于0~20 cm(P<0.05),在20~40 cm 和40~60 cm 土層,CK 和NPK 處理的pH 顯著高于其他3 個施肥處理(圖1A)。在0~20 cm 土層中,RNPK、MNPK 和M 處理的土壤pH 值較CK 處理顯著降低了1.2%、1.7%和2.6%(P<0.05),NPK 與CK 處理土壤pH 值無顯著差異。CK、NPK 和RNPK 3 個處理土壤電導(dǎo)率在0~60 cm 的3 個土層間無顯著變化(圖1B),MNPK 和M處理20~40 cm和40~60 cm 土層的電導(dǎo)率顯著高于0~20 cm 土層(P<0.05)。在0~20 cm 土層中,NPK 和RNPK 處理的土壤電導(dǎo)率較CK 處理升高了7.1%和4.2%,MNPK 和M 處理較CK 處理下降14.9%和31.9%。土壤陽離子交換量整體上隨著土層深度增加呈下降趨勢(圖1C),NPK 和RNPK 處理在0~20 cm 和20~40 cm 土層間差異不顯著,在0~20 cm 土層中,各施肥處理土壤陽離子交換量與CK 處理相比均有所升高,其中RNPK、MNPK 和M 處理較CK 處理顯著提高了11.6%、43.2%和56.9%(P<0.05),NPK 和CK 處理相比無顯著差異。各處理土壤堿化度隨土層深度增加而顯著增大(P<0.05)(圖1D)。在0~20 cm 土層中,與CK 處理相比,各施肥處理土壤堿化度差異均達到顯著水平(P<0.05),其中MNPK 和M 處理對土壤堿化度的影響較大,較CK處理分別下降了47.1%和51.8%。
圖1 不同施肥處理對稻田土壤鹽化和堿化參數(shù)的影響Figure 1 Effects of different fertilization treatments on the parameters of soil salinization and alkalization in saline-sodic paddy field
2.2.2 不同施肥處理對土壤鹽離子含量的影響
隨著土層深度增加,不同施肥處理的土壤Na+、含量呈增加趨勢,K+、Ca2++Mg2+和含量呈降低趨勢(圖2)。在0~20 cm土層中,與CK處理相比,RNPK、MNPK 和M 處理均顯著降低了土壤Na+含量(P<0.05),降幅分別為13.6%、22.1%和30.8%,M處理的降幅最明顯,NPK 處理與CK 處理無顯著差異(圖2A)。在0~20 cm 土層中,不同施肥處理的土壤K+含量較CK 處理均有所提高,其中MNPK、M 處理的K+含量較CK處理分別增加了15.3%和38.6%,差異顯著(P<0.05),NPK和RNPK處理K+含量較CK處理略有增加,但差異不顯著(圖2B)。在0~20 cm土層中,NPK、RNPK、MNPK 和M 處理均顯著提高了土壤Ca2++Mg2+含量(P<0.05),NPK 和RNPK 處理對土壤Ca2++Mg2+含量影響差別不大,但低于MNPK 和M 處理,4 種施肥處理的Ca2++Mg2+含量分別較CK 處理提高了15.3%、16.9%、36.2%和37.6%(圖2C)。在0~20 cm 土層中,與CK 處理相比,NPK、RNPK、MNPK 和M 處理顯著降低了土壤Cl-含量,降幅分別為23.5%、28.2%、31.9%和34.8%(P<0.05),4 種施肥處理間則無顯著差異(圖2D)。在0~20 cm 土層中,NPK 處理土壤含量與CK 處理相比略有升高但差異不顯著,RNPK、MNPK和M 處理含量較CK 處理分別顯著提高了29.6%、37.2%和41.6%(P<0.05),MNPK 和M 處理間無顯著差異(圖2E)。在0~20 cm 土層中,4 種施肥處理的土壤含量較CK 處理均有所下降,NPK 處理與CK 處理無顯著差異,RNPK、MNPK 和M處理含量分別降低了10.9%、25.8%和29.8%,差異顯著(P<0.05),MNPK 和M 處理間無顯著差異(圖2F)。
圖2 不同施肥處理對稻田土壤鹽離子含量的影響Figure 2 Effects of different fertilization treatments on soil salt ion contents at different depths in saline-sodic paddy field
隨著土層深度的增加,土壤速效養(yǎng)分含量逐漸降低,在0~20 cm 土層中,各處理的土壤速效養(yǎng)分含量顯著高于20~60 cm土層(圖3)。4種施肥處理均有助于養(yǎng)分含量的提升,MNPK 和M 處理對土壤有機質(zhì)含量的影響差別不大,與CK處理相比,分別顯著提高了18.0%和18.1%(P<0.05),NPK、RNPK 處理與CK 處理相比略有提高,但差異不顯著(圖3A)。在0~20 cm土層中,與CK 處理相比,NPK、RNPK、MNPK 和M 處理不同程度提高了土壤速效氮含量(圖3B),M 處理較CK 處理速效氮含量提高了55.7%,且顯著高于NPK、RNPK 和MNPK 處理(P<0.05)。在0~20 cm 土層中,與CK 處理相比,NPK、RNPK、MNPK 和M 處理土壤速效磷含量顯著提高(P<0.05),增幅分別為75.9%、95.0%、100.6%和138.0%(圖3C)。在0~20 cm 土層中,4 種施肥處理均能提高土壤速效鉀的積累,NPK、RNPK、MNPK 和M 處理較CK 處理分別顯著提高了13.7%、16.7%、39.2%和50.7%(P<0.05),NPK 和RNPK處理間無顯著差異(圖3D)。
圖3 不同施肥處理對稻田土壤養(yǎng)分含量的影響Figure 3 Effects of different fertilization treatments on soil nutrient contents at different depths in saline-sodic paddy field
不同施肥處理土壤養(yǎng)分含量與土壤鹽堿化參數(shù)、鹽離子含量變化的相關(guān)性分析結(jié)果(表2)顯示,土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀的含量均受土壤鹽堿化參數(shù)和各鹽離子含量的影響。土壤養(yǎng)分含量與土壤主要鹽堿指標(biāo)呈極顯著負相關(guān)(P<0.01),土壤養(yǎng)分(有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀)含量與土壤pH、電導(dǎo)率、堿化度及Na+、Cl-和含量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01),與含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤有機質(zhì)、速效氮等養(yǎng)分含量與土壤鹽堿指標(biāo)呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。
表2 不同施肥處理土壤養(yǎng)分含量與鹽堿指標(biāo)的Pearson相關(guān)性分析Table 2 Pearson correlation analysis between soil nutrient contents and saline-alkali indexes under different fertilization treatments
土壤鹽化和堿化參數(shù)及鹽離子含量均可以反映土壤的鹽堿化情況[17]。本研究發(fā)現(xiàn),NPK、M、MNPK和RNPK 處理可不同程度地影響土壤鹽堿含量。也有研究指出,有機無機肥配施可降低土壤酸堿度、鹽分和交換性鈉含量[18]。余世鵬等[19]認為有機無機肥配施能有效提高土壤肥力,促進土壤排鹽抑堿。王慶蒙等[20]在河套灌區(qū)鹽堿地開展的研究也表明,有機質(zhì)中的大分子羧基能夠中和土壤中的堿性物質(zhì),增加土壤膠體吸附鹽基離子的能力,與土壤中的各種陽離子結(jié)合生成腐植酸鹽,從而降低鹽分離子含量。本試驗研究顯示,M 和MNPK 處理降低了土壤pH、電導(dǎo)率和堿化度,增加了土壤陽離子交換量,且M 處理降鹽抑堿的效果最為顯著,有機肥不僅可以吸附鹽堿土中的鈉離子,而且在分解過程中產(chǎn)生大量有機酸,中和土壤堿度[21],并能改善土壤結(jié)構(gòu),有利于土壤團聚體形成,使土壤通氣透水,有利于鹽分排出,提高土壤保水保肥的能力;NPK 與RNPK 處理提高了土壤電導(dǎo)率,形成鹽分表聚,可能是由于無機肥帶入的一些可溶性鹽分離子使土壤電導(dǎo)率升高,這與劉春卿等[22]的研究結(jié)果基本一致。胡育驕等[23]的研究表明,施用化肥使0~60 cm 土層土壤脫鹽率顯著低于不施肥處理,說明施用化肥不利于土壤脫鹽,而有機無機肥配施土壤脫鹽率較單施化肥土壤高55%。
土壤鹽離子含量失衡是土壤鹽堿化的直接表現(xiàn)。本研究表明,4 種施肥處理均能降低土壤Na+、Cl-和含量,提高土壤Ca2+、Mg2+和K+含量。整體來看,有機肥處理與其他施肥處理相比顯著降低了土壤Na+、Cl-和的含量,原因可能是施入有機肥增加了表土腐殖質(zhì)含量,促進了大團聚體的形成,使得土壤的物理性質(zhì)得到改善,滲透性增加也促進了各鹽分離子的運移[24]。Huang 等[16]的研究表明,經(jīng)有機肥處理的土壤中和Cl-的含量較低,有機肥可以促進水稻種植過程中土壤脫鹽,從而使鹽分降低。大量施用有機物質(zhì)時,土壤理化性質(zhì)發(fā)生顯著變化,可溶性鹽、pH 值以及交換性Na+等均顯著下降,陽離子中Ca2++Mg2+含量與交換性鹽基總量則呈增加趨勢,表明土壤鹽漬化程度在逐漸下降。
本研究發(fā)現(xiàn),土壤養(yǎng)分含量隨土層增加逐漸降低,與CK 相比,NPK、M、MNPK 和RNPK 處理顯著提高了土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀含量。其中,M 和MNPK 處理對土壤養(yǎng)分含量影響最為明顯,這與以往的研究結(jié)果[25]基本一致。林治安等[26]在研究有機肥和無機肥對土壤肥力的作用時發(fā)現(xiàn),施用有機肥對土壤有機質(zhì)含量的提升效果明顯優(yōu)于無機肥,有機無機肥配施處理的效果介于有機肥和無機肥單獨施用之間。勞秀榮等[27]研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田與化肥配施比單施化肥對土壤養(yǎng)分含量的影響更為顯著。本研究結(jié)果也顯示,不同施肥處理對土壤養(yǎng)分含量的影響具有差異,M 處理的效果優(yōu)于其他施肥處理,有機肥的施入是土壤有機質(zhì)提高的原因之一,氮磷鉀含量的增加是因為有機肥可以改善土壤環(huán)境,減少土壤對速效養(yǎng)分的固定。然而,本研究中M和MNPK處理分別施用了不同量的有機肥,研究結(jié)果卻顯示兩處理在0~40 cm 土層中的有機質(zhì)含量無顯著差異,僅在40~60 cm 土層M 處理顯著高于MNPK 處理(圖3A)。上述結(jié)果表明,短期內(nèi)大量投入有機肥并沒有達到預(yù)期的有機質(zhì)提升效果,由于蘇打鹽堿土具有較強的堿性,極易造成有機質(zhì)分解,因此短期內(nèi)在蘇打鹽堿地開墾稻田,耕層土壤有機質(zhì)含量提升緩慢,說明土壤有機培肥是一個長期過程[28]。長期定位研究也表明,長期單施化肥會降低土壤有機質(zhì)含量,有機無機肥配施及單施有機肥提高土壤養(yǎng)分的作用顯著優(yōu)于單施化肥,有機無機肥配施與單施化肥處理相比,不僅可以提高耕層土壤有機質(zhì)含量,還可以提高速效氮、速效磷及速效鉀含量,全面提升土壤肥力水平,增強供肥能力,減少養(yǎng)分流失[29]。
相關(guān)性分析結(jié)果表明,土壤鹽堿指標(biāo)與有機質(zhì)、速效氮等養(yǎng)分含量呈極顯著負相關(guān),說明土壤鹽堿含量增加在一定程度上抑制土壤有機質(zhì)和速效氮等養(yǎng)分的積累和轉(zhuǎn)化,使作物吸收養(yǎng)分和新陳代謝過程受到限制,這與以往的研究結(jié)果[30]一致。蘇打鹽堿土有機質(zhì)含量低,導(dǎo)致土壤團粒結(jié)構(gòu)數(shù)量少、穩(wěn)定性差,土壤硬度大。有機質(zhì)可以提高團聚體的穩(wěn)定性,土壤各級團聚體的數(shù)量取決于有機質(zhì)含量[31],這可能與腐殖質(zhì)膠體的陽離子吸附能力有關(guān),腐殖質(zhì)的吸附能力是土壤黏粒的6 倍以上、粉粒的24 倍,其可降低土壤鹽分離子的活性[32]。然而在鹽漬化土壤脫鹽過程中,土壤極易發(fā)生堿化,堿土的治理難度高于鹽土[33],因此在治理蘇打鹽堿土?xí)r,調(diào)節(jié)pH 值十分重要。本試驗通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),鹽堿指標(biāo)中土壤pH 與土壤速效養(yǎng)分含量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01),并與土壤有機質(zhì)和速效氮含量相關(guān)程度較高,說明土壤pH 是有機質(zhì)和速效氮的主要限制因子,提高土壤有機質(zhì)和速效氮含量可以有效降低土壤pH。隨著有機肥的施入,有機物質(zhì)在分解和腐殖化過程中產(chǎn)生的有機酸從土壤CaCO3中分解出Ca2+,將起分散作用的Na+置換出來,形成Na2SO4,進而隨水移動排出土壤,降低土壤堿性和鹽分含量[34],銨態(tài)氮的硝化作用產(chǎn)生的H+也對降低土壤pH有一定影響。土壤養(yǎng)分與土壤微生物的活動密切相關(guān),而土壤鹽分會明顯降低土壤微生物的活性[35]。因此,有機肥、化肥等肥料的長期施用對土壤微生物活性的影響有待進一步深入研究。
本研究初步表明,長期進行培肥有利于稻田土壤鹽堿含量的降低和養(yǎng)分含量的提升,特別是有機肥的合理施用對蘇打鹽堿地稻田降低土壤堿化度和提高有機質(zhì)含量效果顯著。蘇打鹽堿地具有較高的鹽堿危害,常常導(dǎo)致土壤有機質(zhì)和速效氮等養(yǎng)分匱乏,因此從地力培育的角度來講,蘇打鹽堿地稻田施用有機肥或者有機肥與化肥配施是十分必要的,這將有利于鹽堿地地力的持續(xù)提升,但有機肥的施用量不宜過大,應(yīng)遵循適量和循序漸進的原則,避免造成浪費。