刘月娇,倪九派,张洋,周川
(西南大学资源环境学院, 重庆 400715)
三峡库区紫色土旱坡地农桑配置模式对土壤养分的影响
刘月娇,倪九派*,张洋,周川
(西南大学资源环境学院, 重庆 400715)
针对三峡库区紫色土流失严重和土壤肥力低的现状,本试验利用水土保育模式——农桑间作试验,研究横坡农作(CT)、双边桑树+横坡农作(T1)、等高桑树+双边桑树+横坡农作(T2)及四边桑树+等高桑树+横坡农作(T3)4个处理对土壤养分的影响。结果表明,桑树布局小区内的土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量均有极显著提高,且土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量平均值大小均表现为:等高桑树+双边桑树+横坡农作(T2)>四边桑树+等高桑树+横坡农作(T3)>双边桑树+横坡农作(T1)>横坡农作(CT)。4个处理的土壤碳氮比和碳磷比变化幅度分别在7~20和10~27之间,其中等高桑树+双边桑树+横坡农作(T2)小区各个坡长的土壤碳氮比和碳磷比最大。土壤有机质、碱解氮、速效钾、碳磷比与玉米和榨菜产量具有极显著的正相关关系。可见,旱坡地农桑配置模式在一定程度上可以提高和维持土壤养分,降低上坡段土壤碳氮比和碳磷比,从而为三峡库区水土保育模式优选提供理论依据。
三峡库区;紫色土;桑树布局;土壤养分
三峡工程在世界水库工程史上是绝无仅有的;三峡工程对大量优质农田的淹没和城市及企业迁建以及后期配套基础设施建设对农地的占用,所加剧的生态环境和人口承载问题也是独一无二的。三峡库区大部分地区处于川东褶皱地带,地貌类型以低山丘陵为主,60%以上的土地为坡耕地,70%以上的土壤为抗蚀性较差的紫色土,植被覆盖率低,水土流失严重。库区居民为满足基本生活需要和对收入提高的期望,桑树与农作物结合种植现已成为库区居民增加收入和改善生活结构的首选。桑树(Morusalba)为落叶乔木,拥有极其发达的根系,易栽培,具有良好的生态适应性和抗逆能力[1],而且桑葚药用价值高。桑树在一定程度上不仅可以增加农民收入,而且保持库区的水土不受侵蚀,还为库区退耕还林工程找到一条生态可行而农民又乐于接受的生态生产模式。但由于绝大部分桑树种植区所处的自然和生态环境条件恶劣(海拔高、坡度大、土层薄、石砾含量高、有机质含量低),导致桑树的生态效益和经济效益较低。因此,通过桑树和农作物配置来减少库区的土壤养分流失,对降低库区生态污染和提高土壤肥力具有重要的实际意义。
云雷等[2]在晋西黄土区果农间作试验中表明,核桃(Juglansregia)×花生(Arachishypogaea)、核桃×大豆(Glycinemax)还有核桃×玉米(Zeamays)间作,其作物的土壤速效钾含量大于相应的花生、大豆和玉米单作,但土壤有机质、全氮、速效磷含量均小于相应的花生、大豆和玉米单作。曾宪海等[3]在幼龄胶园间种新银合欢(Leucaenaleucocephala)试验中指出,幼龄胶园间种新银合欢3.5 年后,沙壤土中有机质、全氮含量有所增加,但速效磷、钾含量有较大幅度的减少。章家恩等[4]指出,赤红壤中玉米/花生间作不同程度提高了整个间作系统根区的土壤碱解氮、速效磷、有机质含量,其中,间作玉米根区土壤养分的增加更为明显。赵萍等[5]指出,在灌丛中间种紫穗槐(Amorphafruticosa)能够显著增加灌丛内土壤中的全氮、铵态氮、硝态氮、全磷和有机碳含量,刘月娇等[6]在三峡库区新建柑橘园周年间作研究中表明,柑橘(Citrusreticulata)×马铃薯(Solanumtuberosum)、柑橘×甘薯(Dioscoreaesculenta)、柑橘×大豆、柑橘×白菜、柑橘周年间作5种处理的土壤养分显著高于幼龄果园。然而,针对乔木与农作物间作在紫色土地区的截水保肥和增产效应方面的研究较少。因此,在前人研究基础上,在紫色土旱坡地建立径流小区,实行横坡农作与桑树种植方式相结合,研究三峡库区紫色土旱坡地农桑系统土壤养分的特征,旨在为建立三峡库区紫色土土壤肥力和土壤质量评价指标及三峡库区水土保育模式的推广提供理论依据。
1.1研究区概况
研究区位于重庆市涪陵区珍溪镇王家沟小流域,地理位置为北纬29°30′,东经107°18′,海拔330 m。该流域属于亚热带季风气候区,年均气温18.1℃,月均最高气温24.6℃,月均最低气温8℃,年均降水量1130 mm,年积温(≥10℃)5300℃,年日照时数 1055 h,无霜期331 d,试验区土壤类型为紫色土。
试验基地修建后,在各小区试验未实施布设前,抽样测定了试验区土壤的基本理化性质,详见表1。
1.2试验设计与材料
试验共设 4 个处理:横坡农作(CT)、双边桑树+横坡农作(T1)、等高桑树+双边桑树+横坡农作(T2)、四边桑树+等高桑树+横坡农作(T3),具体设计如图1所示。每个处理分为2个小区,各处理小区修建坡度均为9°,四周用水泥墙分隔,长12 m、宽4 m,高0.75 m。四边桑带宽0.5 m,横坡桑树带间距5.25 m。各处理桑树均为2011年10月种植,至2013年2月采样时,各桑树坡耕系统已基本形成生物梯田格局。各处理的种植制度均为玉米-榨菜轮作,施肥方式采用施后浅翻,施肥量为常规施肥量,即尿素(N 46%) 1250 kg/hm2和复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15) 2150 kg/hm2,玉米与榨菜的施肥量分别占当年施肥总量40%和60%,尿素和复合肥作为基肥一次性施入。玉米品种为‘渝糯7号’,榨菜品种为‘永安少叶’。
表1 供试土壤理化性质Table 1 Soil chemical and physical properties
1.3样品采集测定与数据处理
图1 试验小区设计
于2013年2月榨菜收获后,每个小区土壤按照下坡的顺序,在距离小区上缘 1.5,3.5,6.0,8.5,10.5 m处用土钻采集表层(0~20 cm)土样,每个样点随机取3点土样,剔除杂物后混合,土样自然风干,碾磨并过1 mm和0.25 mm筛,用于测定土样有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、速效钾,参照文献[7]的方法测定。土样中有机质测定用重铬酸钾容量-外加热法;全氮用凯氏定氮法;全磷用氢氧化钠熔融-比色法;碱解氮测定用碱解扩散法,速效磷测定用NaHCO3浸提钼锑抗比色法,速效钾用1 mol NH4OAC浸提-火焰光度法[7];pH值用水土比2.5∶1,pH计测定。
1.4统计分析
采用 EXCEL 和 SPSS 软件进行统计分析,并用 LSD 法进行多重比较,差异显著性用不同大小写字母表示。
2.1不同处理及坡长对土壤养分的影响
2.1.1土壤碱解氮的变化 由图2可知,不同坡长及桑树布局间土壤碱解氮含量呈显著性差异。CT、T1、T2和T3小区内平均土壤碱解氮含量大小表现为:T2>T3>T1>CT。说明桑树配置模式显著提高了土壤碱解氮含量。CT、T2和T3小区内土壤碱解氮随坡长的延伸呈正增长,而T1呈负增长。其中T1小区内土壤碱解氮含量随坡长的变化幅度最为剧烈,最大值与最小值的差值为49.06 mg/kg,分别是CT、T2和T3小区的12.2,1.77,1.14倍。随坡长的变化,土壤碱解氮含量变化趋势各异。CT呈线性递增,T1呈倒“S”型减小,T2呈宽“U”型先减小后增加,T3呈“S”型增加。
2.1.2土壤速效磷的变化 由图3可知,桑树布局间土壤速效磷差异显著。T3小区平均土壤速效磷含量最大,其次是T1、T2,分别是CT的1.32,1.04,1.11倍,说明桑树布局显著提高了土壤速效磷含量。CT、T2和T3小区中速效磷含量随坡长变化存在显著性差异。T3小区中速效磷含量随坡长增加呈“M”型变化,在坡长为8.5 m处,速效磷含量达到最大,是最小值(1.5 m处)的1.3倍。CT和T2小区的速效磷含量随坡长变化呈先增大后减小再增大的“S”型,在上坡段CT的速效磷含量增加的幅度比T2的大,而在下坡段T2小区的速效磷含量增加的幅度是CT的3.6倍。T1小区的速效磷随坡长增加变化不显著,且在坡底(10.5 m)达到最大值130.99 mg/kg。
2.1.3土壤速效钾的变化 从图4可以看出,不同桑树布局的土壤速效钾存在显著性差异。4种桑树布局的平均土壤速效钾含量大小表现为:T2>T3>T1>CT。与CT相比,T1、T2和 T3分别提高了土壤速效钾35.1%,152.0%,32.8%。说明桑树布局显著提高了土壤速效钾含量。CT和T1小区的速效钾含量随坡长的变化达显著水平。CT小区的土壤速效钾含量与坡长呈正相关关系,而T1、T2和 T3均呈负相关关系。T3小区的土壤速效钾随坡长的变化呈“M”型,与速效磷一样,且在坡长3.5 m达到最大值217.33 mg/kg。由图4可以看出,T2小区的土壤速效钾含量随坡长的变化趋势与T1一致,其中T2小区的土壤速效钾含量随坡长的变化幅度比较大,1.5 m处的速效钾含量是8.5 m处的2.27倍。
2.1.4土壤有机质的变化 从图5可以看出,不同桑树布局间的土壤有机质存在显著性差异。CT小区的平均土壤有机质含量最小,T1、T2、T3分别比其增加25.4%,120.0%,82.7%。CT和T1小区的有机质含量随坡长的变化均呈“W”型,T2小区的土壤有机质随坡长的增大呈“先降低后增加再降低”的浅“U”型,在1.5 m处达到最大值36.81 g/kg。T3小区的土壤有机质随坡长的增大而增加,这与图2中土壤碱解氮含量变化一致。总之,从图5可以看出,与CT相比,其他3种桑树布局显著提高了土壤有机质含量,其中T2小区增加效果最佳。
图2 不同处理及坡长对土壤碱解氮含量的影响
图3 不同处理及坡长对土壤速效磷的影响
不同大写字母表示同一坡长不同处理之间差异显著(P<0.05),不同小写字母表示同一处理不同坡长之间差异显著(P<0.05),下同。The different capital letters indicate significant differences atP<0.05 between different treatments under the same slope length; The different lowercase letters indicate significant differences atP<0.05 between different slope length under the same treatments.The same below.
图4 不同处理及坡长对土壤速效钾的影响
图5 不同处理及坡长对土壤有机质的影响
2.2不同处理及坡长对土壤碳氮比、碳磷比的影响
土壤有机碳和土壤氮磷钾是土壤养分的重要因子,直接影响着土壤的质量水平,并对植物的生长起着关键性的作用。由表2可见,不同处理及坡长对土壤碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)无显著性差异,其中4个处理的各个坡长均表现为:碳磷比>碳氮比。这与曹小玉等[8]的研究结果一致。
土壤碳氮比(C/N)通常被认为是土壤氮素矿化能力的标志[9],研究发现土壤C/N存在一定的比例关系[10],4种处理的土壤C/N均在7~20之间。T2小区各个坡长的土壤C/N最大,其中在坡长1.5 m处C/N达到了20.87,分别是同坡长处CT、T1和T3的2.75,2.21和2.01倍,说明桑树布局明显提高了T2小区的土壤C/N,这可能是由于T2小区土壤有机碳积累快于土壤氮素。CT、T1和T3小区上下坡段的碳氮比变化幅度较小,均在0~3之间,而T2小区变化幅度在0~10之间且上坡大于下坡。这可能是由于上坡人为活动较少,碳积累量较多。
表2 不同处理及坡长对土壤碳氮比、碳磷比的影响Table 2 Changes of soil C/N and C/P along slope under different treatments
注:同列不同字母表示处理间差异达5%显著水平。
Note:Different letters in the same column indicate significant differences (P<0.05).
表3 土壤养分与作物产量的相关性分析Table 3 Correlation analysis between soil nutrients and crop output value
注:*表示相关性水平α=0.05;**表示相关性水平α=0.01。
Note:*Correlation is significant at the 0.05 level; **Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).
土壤碳磷比(C/P)是有机质或其他成分中碳素与磷素总质量的比值,是土壤有机质组成和质量程度的一个重要指标[11]。此外,土壤C/P对植物生长发育具有重要的影响[12-14]。由表2可见,4个处理的土壤C/P均在10~27之间,土壤平均C/P大小表现为:T2>T3>T1>CT,这和土壤有机质含量的变化一致,说明桑树布局提高了土壤C/P,这是由于T2和T3小区内枯枝落叶较多,土壤孔隙度较大,土壤微生物活动活跃,促进土壤有机质的分解速率,从而降低了磷的有效性[11],减小了土壤速效磷含量。除T2小区外,其他3个处理在坡长1.5~3.5 m处的土壤C/P较小,这是由于这3个处理在坡长1.5~3.5 m处,土壤微生物在有机质分解过程中的养分得到释放,从而促进了土壤速效磷的增加[15]。
2.3土壤养分与作物产量之间的相关性分析
7个养分指标与玉米和榨菜产量的相关分析表明,作物产量和大部分土壤养分间存在显著或极显著的相关关系(表3)。土壤有机质、碱解氮、速效钾、C/P与玉米和榨菜产量具有极显著的正相关,土壤C/N与玉米和榨菜含量具有显著的正相关关系,说明氮和钾已成为制约三峡库区紫色土玉米和榨菜高产的主要限制肥力因子。土壤养分和产值之间的相关关系对分析土壤肥力有重要的意义, 可作为土壤肥力观测和评价指标, 同时对指导合理施肥、提高作物产量具有重要作用。
本研究结果表明,与单一的横坡农作CT相比,T1、T2和T3小区的土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量均有极显著性提高。4个处理小区内土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质平均值大小均表现为:T2>T3>T1>CT,这一方面是由于桑树根系多、分布广、可以从深层土壤中或地下水中吸收养分,起“养分泵”的作用[16];另一方面是由于桑树会以大量枯落物的形式将养分归还给土壤,同时桑树对土壤有一定的改良作用。
其中,T3小区内的土壤养分增加量小于T2,这是由于桑树通过各种机制促进系统内土壤养分利用的同时,也与玉米和榨菜存在竞争[2]。Haggar和Beer[17]对颇派氏刺桐(Erythrinapoeppigiana)-玉米(Zeamays)间作的营养竞争所作的研究得出靠近颇派氏刺桐树行的玉米生物量与生长在行中的相比下降44%,含N量降低35%。李雪利[18]研究得出小麦秸秆在土壤中进一步腐解消耗土壤的氮素,微生物的大量繁殖与烟株竞争土壤中的氮素,导致土壤中的碱解氮含量降低。植物养分竞争产生的介质是土壤及其溶液,是通过植物根系的竞争吸收作用实现的[19]。由于根系竞争过程极为复杂,对根系竞争的过程中产生的形态和生理过程以及相关的植物生理特性仍需进一步深入研究。
CT、T1和T2小区土壤速效磷含量大小随坡长的变化表现为:上坡<下坡,这与我国大部分地区土壤养分存在的“洼积效应”相一致,即随着坡位的升高,土壤养分含量会逐渐减低,这主要是由坡地长期地表径流侵蚀和淋溶引起的[20-22]。但CT、T1和T2小区内的土壤速效钾含量随坡长的变化发生了“养分倒置”的现象,即上坡>下坡,这与张伟等[23]和欧阳资文等[24]的研究结果相同,这可能是由于钾迁移能力不强,再加上上坡位人类干扰较小。坡位越高,人类的干扰强度相应越小,越有利于植被的保护和养分的积累[25]。
碳氮比是土壤形成过程中一定生物气候条件的综合反映,具有明显的地带性。它反映有机质的质量和数量,氮素的贫瘠和有效程度。反映土壤的耕作、熟化程度,在一定范围内可作为养分肥力的指标[26]。谭军利[27]研究指出,微生物对有机质适当分解的碳氮比一般为25∶1,当小于25∶1时,有充足的氮素,分解速率较快,也能提供农作物所需的氮素;而当大于25∶1时,氮素不足,微生物会被迫从土壤中吸收必需的氮素,出现与作物竞争氮的局面,从而导致作物缺氮。本文中的土壤C/N在7~20之间,说明该研究区的C/N有利于氮素的释放,这与碱解氮的研究结果一致。王建林等[15]研究指出,较低的C/P有利于微生物在有机质分解过程中的养分释放,促进土壤中有效磷的增加;反之,C/P较高,则会出现微生物在分解有机质的过程中存在磷受限,从而与植物存在对土壤无机磷的竞争,不利于植物的生长。由表2可知,土壤C/P为10.22~26.73之间,这是曹小玉等[8]研究的碳磷比的1/9~1/3,说明此研究区的C/P偏低,促进土壤速效磷含量的增加,这与土壤速效磷含量的研究结果一致。综上可得,三峡库区农桑系统更能促进土壤中有效养分的增加,提高土壤养分的利用率,从而促进植物生长,提高作物效益。
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Effects of different crop-mulberry intercropping systems on nutrients in arid purple soils in the Three Gorges Reservoir Area
LIU Yue-Jiao, NI Jiu-Pai*, ZHANG Yang, ZHOU Chuan
CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China
To help address the problem of purple soil erosion on sloping land in Chongqing city, an experiment has been undertaken to investigate the effects of different crop-mulberry intercropping systems on soil nutrients.Four treatments were designed:crops were planted along transverse slopes (CT), crops were planted along transverse slopes with mulberry trees on the upper and lower slopes (T1), crops were planted along transverse slopes with mulberry trees on the upper, middle and lower slopes (T2); and crops were planted along transverse slopes with mulberry trees on the middle slope and on the four sides of the slope (T3).The results showed that soil available nitrogen, available phosphorus, potassium and organic matter contents were significantly improved with mulberry intercropping.The sequence of improvement was T2>T3>T1>CT.The ratios of carbon/nitrogen and carbon/phosphorus changed from 7 to 20 and from 10 to 27 respectively for the four treatments.The carbon/nitrogen and carbon/phosphorus ratios were largest in the T2treatment for every slope level.Soil organic matter, nitrogen, potassium, carbon/nitrogen ratio, carbon/phosphorus ratio and crop output were all significantly positively correlated.In conclusion, crop-mulberry intercropping in hillside fields improved and maintained soil nutrients and to some extent decreased the ratios of carbon/nitrogen and carbon/phosphorus in uphill soils.These results can be used to guide the choice of water and soil conservation cropping modes in the Three Gorges Reservoir Area.
Three Gorges Reservoir Areas; purple soil; the mulberry layout; soil nutrients
10.11686/cyxb2015008
http://cyxb.lzu.edu.cn
2015-01-07;改回日期:2015-03-12
国家科技支撑计划课题(2012BAD05B03)和中央高校基本科研业务费项目(XDJK2013A016)资助。
刘月娇(1989-),女,陕西宝鸡人,在读硕士。E-mail:18883369750@163.com
*通信作者Corresponding author.E-mail:nijiupai@163.com
刘月娇, 倪九派, 张洋, 周川.三峡库区紫色土旱坡地农桑配置模式对土壤养分的影响.草业学报, 2015, 24(12):38-45.
LIU Yue-Jiao, NI Jiu-Pai, ZHANG Yang, ZHOU Chuan.Effects of different crop-mulberry intercropping systems on nutrients in arid purple soils in the Three Gorges Reservoir Area.Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(12):38-45.